基于plc控制的饮料瓶装箱自动控制系统设计本科学位论文.docx
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基于plc控制的饮料瓶装箱自动控制系统设计本科学位论文
基于PLC控制的饮料瓶装箱自动控制系统设计
摘要
人们对珍惜时间的认识自古到今一直延续到现在，经过我们人类两千多年的探索，人们已经充分了解到时间的重要性，但是随着人们的认识，社会的发展，科技的进步。
对时间的把握已经不单单是珍惜时间了，而是对时间的安排，这时就要求我们牢牢地掌握住时间的准确性，但是社会在进步，科技在发展。
所以一般的传统的人工进行计数的方式很少出现了，已经不能满足人们及社会的需求，特别是对环境要求很是严格的工业领域，不管是对设备的修理还是人员的操作。
这就自动化生产的设计提供了条件，经过几十年的过渡，自动化生产已经发展为企业进行生产不可缺少的一部分，其成本低，稳定性能高，一直以来都受到人们和工业领域的青睐。
该系统是以PLC控制为核心部件，根据设计要求，整个控制工程是主要通过PLC、传感器、机械手、皮带运输机4个模块联合起来，让传感器来检测空箱子和瓶子是否到位，使用PLC控制机械手运动来抓取瓶子并运到指定位置。
该系统的结构与以前用硬继电器为主的电气控制来比较，控制操作维护简单、成本低、而且能够使用复杂环境，减少劳动强度，提高企业的效益。
关键词：
PLC，机械手，自动装箱控制系统，皮带运输机
DesignofautomaticcontrolsystemforbeveragebottlepackingbasedonPLCcontrol
ABSTRACT
Inmodernindustrialproduction,oftenneedtocountandpackaging,ifthesecomplexworkbymanualworkisnotonlylowefficiencyandlaborintensitybig,notsuitableforthemodernizationofproduction.Inthispaper,thePLCcontrolsystembasedontheautomaticpackingoftheproductionlineisstudiedindetail.Thesystemhasamechanicalarmandtwoconveyorbelts,namely,theconveyorbelt,theconveyorbeltandtheconveyorbelt.Theconveyingmachinehandisusedtotransferthebeveragebottle,whichistosendthebeveragetothepackingboxconveyingbelt.Thepackageboxconveyorbeltisusedtodelivertheproductpackagebox,itsfunctionistransportedthepackingboxisalreadyfull,andreplacedwiththeempty.Tomakeemptyjustaimedatmechanicalopenhandedbeginning,bottleddrinksintothepackingbox,aphotoelectricsensorisarrangedinthemiddleofthepackageboxconveyorbelt,usedtodetectthepackingboxisinplace.Aphotoelectricsensorisarrangedinthemiddleoftheproductconveyorbeltforconveyingtheproductfromtheproductionworkshoptotheproperplace.Whentheproductissenttotheendoftheconveyorbelt,itwillautomaticallystopandsendittothebox.Thecontrolsystemhastheadvantagesofhighprecision,lowcost,stronganti-interferenceability,lowfailurerate,simpleoperationandmaintenance,etc.,andhasgoodapplicationvalue.
KEYWORDS:
Programmablecontrollerautomaticpackingcontrolsystemconveyorbeltcontrolmanipulator
目 录
前 言
1.课题背景及研究意义
时间有时候对于我们来说会变得比较陌生，因为他是一个抽象的字眼，但是有时候我们反而会觉得时间又对我们很是熟悉，因为他陪伴我们万万千千人的一生，但是随着社会的不断前进，人们对于时间的把握自古到今也发生了转变，人们已不是单单的对时间的认识和了解，而是对时间的把握。
随着工业水平的崛起，对时间的把握的重要性已经体现在了各方各面。
但这时人们已经发现现存的通过人为的进行一些操作已经远远不能满足对工业控制方面的要求。
然而得益于科学技术的发展，可编程控制器逐渐步入人们的视野，由于用可编程控制器进行控制生产可以达到一些人为操作无法达到的准确性能好、价格相对来说也比较低廉等优点，逐渐替代了以往的以硬继电器为主的电气控制系统，被广泛的应用于各个工业领域，特别是对于生产环境要求很是严格的领域。
这次设计的项目是通过使用机械手像人的手一样可以拿东西的功能，然后让它在工厂中进行生产时与PLC完美的结合起来，就是没有一个人操作下也能让它自觉地工作，让它能够拥有更多的生产需要的地方，企业使用更少的工人，也减少劳动力的劳动强度等更多原来的电气控制没有的强项，这次设计的系统在自动化控制方面具有以下的好处：
摒弃了以往机械式的人为计数缺点，减少人员的使用，内部采用的计数器，误差小。
灵活性好，无其他装置，携带方便，应用范围广。
从性能上来说要更加稳定。
2.自动化生产的发展趋势
现在的电气控制大多都采用PLC进行控制的装置，颠覆了我们以前对人为的操作的认识，它的结构简单，价格相对来说也比较低廉，不仅能够满足我们日常生活中的需要，即使是在工业控制的领域，特别是是对生产环境要求比较高的区域，都能够发现他的存在。
这些年社会发展的这么快的同时企业为了跟上社会的脚步，为了满足社会生产的需要，降低生产所需要花的钱，提高自己的经济效益，越来越多老板开始将自动化生产应用到自己的场里。
因此，现在越来越多的人开始开发自动化设备，让这样的设备越来越好，对控制系统的要求精度也越来越高
中国现在并没有这么一个能够像美国一样的一些美洲国家和像日本一样的一些亚洲国家发达的自动封箱包装的领域。
因此，中国有非常大的潜力飞速的发展成为一个自动化行业领先的国家。
让自己的技术更强,这也是未来的发展方向和趋势。
在外国很早以前，企业为了机械加工既能省时间也能减少花钱，采用机械化流水线操作的生产方式，大型自动生产线承担的加工对象也随之改变。
但是，由于在加工的时候产品使用的时间短，经常动作容易使较多的继电器生命周期变短，不能保证生产线的稳定性那么平稳。
3.本课题的指导思想
（1）对可编程控制器有了进一步的认识，熟悉了它的开发环境，提高了编程水平。
（2）了解PLC的结构组成有哪些部分，掌握了自动化生产的设计方法和设计思路并能熟悉PLC的工作原理。
（3）对外围电路有了更深的了解，特别是熟悉了元器件的工作原理以及元器件的选用。
第1章绪论
1.1机械手与PLC应用的背景
机械手，它是许多现代工业的组成部分，再加上与PLC一起用就开阔了更广更宽的领域。
特别是在一些危险而又复杂的环境运用的特别多，它的产生不但降低了人力物力而且提高了生产效率，加上与PLC相互配合，让机械手有了更多的功能和发展空间。
1.2机械手与PLC应用的意义
机械手与PLC联合使可以按照完成的程序来工作，这样就使机械手的应用范围更加广泛和执行任务更准确，以前几个人做的事情，现在只需一个人就行了。
它们的联合使用不但促进了工业的快速发展而且为一些危险的科技探索提供了工具，许多人不方便的工作地点都可以用它替代，从而减少一些生产过程中不必要出现的事故现象，减低企业安全，减少劳动成本，促进企业的经济效益。
第2章方案的选择与论证
2.1设计的要求
2.1.1机械手要完成的动作
机械手开始处于上限位置，当检测开关检测到物体皮带运输机停止时，机械手下来拿到物品后上升到上限位置，然后左移到第二皮带运输机指定位置后下降将物品放到箱子里，机械手上升返回到原来位置，重复进行以上动作。
如图2-1：
图2-1机械手控制示意图
自动控制流程和手动控制流程互锁如图2-2所示。
图2-2机械手传送示意图
2.1.2整个系统要实现的目标
当第一个皮带运输机送电后开始运转并进行运输瓶子，如果第一个皮带运输机瓶子得到光电开关PS1的检测时候就立刻停了下来。
接下来本来在左上端原点位置的机械手迅速下降到左下端将瓶子拿起，历经2秒的时间回升到原来位置，然后扭转到右侧制定位置下降，期间保持机械手抓紧，最后将瓶子放到箱子里后上升回到原来位置，开始下一轮抓取，同时用PLC内的计数器加1，机械手这样循环进行下去，知道计数器记到24时装有箱子的皮带运输机开始运行，当PS2检测到下一空箱后停止。
按照上面讲的作为一次循环的时间，让系统一直这样不停的进行下去，直到不需要的时候进行断电停止。
其工作流程图如图2-3和2-4所示。
图2-3整体设计
图2-4循环工作的过程
2.2方案论证
2.2.1采用传统继电————接触器电气控制系统
以线路简单，价格低廉而受到广大企业老板青睐的继电—接触器电气控制这么多年以来一直在加工生产的各个角落久盛不衰，随之马上发展成为一个相比较来说可靠的技术管理模块。
但是应用在复杂的环境里时，以应用大量中间继电器、时间继电器、接触器等在比较恶劣坏境中时让人感觉美中不足的控制线路复杂、器件多等问题出现了，从而导致检修时使用较多的技术人员，增加人员分配，浪费资源。
2.2.2采用PLC可编程序控制器控制系统
采用PLC进行设计控制系统，减少了继电—接触器电气控制的线路复杂性、器件多的情况，用PLC所谓的软继电器改变了原来的硬继电器的一些短板。
当今社会的发展已让PLC逐渐变成了自动化生产控制系统的必备设备，其重要性越来越也不可估量。
2.2.3方案比较与选择
虽然继电—接触器电气控制线路简单，价格低廉等一些优点，但是PLC的一些优点恰好弥补了它需要大量的中间继电器、时间继电器，使得线路复杂、稳定性差的缺点。
有PLC里面设置了警戒时钟WDT、自诊断等措施能够可以发现不能正常生产的原因。
从而让其反应时间变短、跟踪能力强，使得系统能正常运行。
以改变程序而形成不同控制系统的特点，形成比较好的共同使用性。
而且现场接口容易，设计周期短，降低了很多劳动强度。
因此，本文选择PLC控制系统。
第3章PLC的结构组成
3.1PLC的由来
在大规模、超大规模、集成电路技术的快速发展和数据通信技术的越来越好的同时，加上微处理器的出现，从而将PLC即可编程控制器也迅速推向了高潮发展，其发展历程及特点。
表3-1PLC的历程
时期
特点
早期
早期的PLC叫做可编程逻辑控制器。
这时，PLC主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。
最早的PLC的性能要比继电器控制装置好的很，其优点包括简单易懂、便于安装、体积小、能耗低、有故障指示及能重复使用等。
其中PLC特有的编程方式－－语序表，目前还是用的它。
中期
在以前的基础上，有低性能的处理器升级为高性能微型处理器，同时能够让更多处理器、通道进行同时处理，通信技术是PLC的应用进一步升级改造。
在硬件方面，以前本来有的东西以外，还添加了像模拟量模块一样的其他模块。
并扩大了存储器的容量，使PLC的使用范围更大。
当今
现在的PLC在以前基础上不管是在技术还是价格等方面变化了很多，大幅度的减少微处理器的价钱，从而使现在各种型号的PLC所使用的微处理器与以前的更是无法可比。
而且还改善PLC的工作效率，让它不管在工厂还是其他地方使用的比类同功能的东西都多，各生产制造厂商还研制开发了专用的逻辑处理芯片。
3.2PLC的发展
可编程控制器（ProgrammablelogicController）是采用微型计算机作为核心与计算机应用技术相配合产生的系统，为了满足当今社会上的工业的发展应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，将各种指令通过数字或模拟信号输入/输出（I/O）的端口的信号变换来控制生产活动。
可编程制器及其相关外部设备的连线，根据便于操作的原则将外部设备连成一个整体，并且按照方便增加外部功能的原则设计。
总而言之，可编程控制器PLC是一台专门满足现在社会的经济发展和企业老板的投资成本等因素设计的一种小型计算机，应用到现在工业的自动化生产的场所，它是将传统的继电器技术，计算机技术和通信技术相融合而形成一种新控制装置。
3.3PLC的组成和工作方法
3.3.1PLC的构成
图3-1PLC的构成
1.中央处理器（CPU）
中央处理器（CPU）一般由运算器、控制器和寄存器组成。
它们都集成在一个芯片内，CPU通过控制总线、地址总线和数据总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。
2.存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分。
系统存储器是指用来放置PLC自己本身有的程序的地方。
PLC的生产厂家编写并固化在ROM内，不能随便修改。
用户存储器是用来存放满足用户生产产品的需要用正确的PLC编程语言编写的程序的作用。
3.输入/输出接口单元
PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。
输入/输出接口单元：
一端与与输入和输出的映像寄存器相连，另一端与被控制设备相连。
4.扩展接口和通信接口
扩展接口的作用是当PLC原来自身不够使用时通过它与另外增加的部分连接起来，使PLC的功能能够满足工作的需要。
通信接口的作用是将内外信息进行相互交换。
5.电源部分
6.编程设备
编程设备的作用是进行编写你打算实现的功能的程序，并检查它的正确与否。
3.3.2PLC的工作原理
PLC的工作原理：
PLC在计算机工作原理基础上，采用“按一定顺序一个个扫描，不停的一圈圈的工作下去”的方式进行工作的。
当PLC进行工作后，先进行扫描获得程序一些指令地址等工作后，用户程序按照一定的顺林执行下去，最后寄存输出继电器的状态到锁存器中，按一定的规则控制外部负载。
上述3个阶段即为一个周期。
3.3.3PLC的特点
1.PLC的外部不需要太多的电子电气元器件，因此电气柜的接线比较少。
由于PLC系统比较简单，所以对其系统维修时就会很简单，使维修时间会大大缩短，使其可靠性得到很大提升。
2.PLC的冗余设计、失电保护、故障检测和信息保存以及信息的恢复等，提高了其安全性、可靠性。
3.PLC应用简单，容易编程、维修简单等特点，PLC可以与上位机通信来扩展它的功能，也可与集散控制系统（DCS）相组合，构成强大的控制系统，也可以与外部设备进行信息交流。
这些扩展的应用使PLC用户得到了极大地简便。
4.操作便宜是指减少PLC工作者的工作量，编写程序的工作任务、工人的安装调试的工作量减少很多，监管简化许多操作步骤，比如可以减少应用继电器系统的操作步骤，在生产过程可用同一控制台或控制屏控制多个工序过程。
3.3.4PLC的主要功能和应用
1.PLC最根本、应用范围最多，就是断开与闭合的逻辑控制，它代替以前的继电器电路部分，用以完成逻辑的控制，既可以在单台的设备也可以在多台的设备情况下采用这种逻辑控制进行企业生产。
2.在现代的工业化生产过程中，变化连续的量是不可避免的，如测量的温度、测定的压力、浮动的液位和变化的速度等都是模拟量。
但是自己本身不是直接通过接收模拟量进行控制，而是通过A/D转换和D/A之间的相互转换才能实现控制。
生产厂家为了让客户使用起来更加方便，使用者更多，自身配备A/D和D/A转换模块，使可编程控制器也能用于模拟量控制。
3.运动控制，PLC可以用于多种运动方式的控制，如直线、曲线方式。
在控制方面，最开始时，PLC的I/O口直接连接传感电气元件以及系统控制方面，近几年大部分使用专业的运动控制方面的集成块。
所有的PLC都有运动控制方面的功能，其应用范围很广，如机械加工、机床的运动、机器人运行、电梯拖动等方面。
4.数据处理，通过自己里面本来就有的一些指令功能对数据能够单独的完成收集、解析及做出相应的处理。
所收集的这些数据信息与存储器中的数据信息参相比较，做出判断并发出相应的信号来完成相应的动作。
这些信息也可以通过PLC的信息传送功能传给其他相同设备，或者上位机。
5.通信及联网，PLC的通信功能是将各个部分联系起来能够进行相互的传递信息。
随着计算机技术的发展，工业智能化、网络化发展迅速，PLC的设计和研发对网络、通信的功能进行了强化，使网络、通信适用范围更广。
近来这几年生产的PLC通信都改进不小，能够跟上工业快速发展的步伐。
3.4PLC的选型
根据上面所确定的I/O点数，且该系统是对开关量，而且对控制速度要求不高，所以可选用西门子S7-200系列的CPU226型可编程控制器PLC作为控制核心，该单元为40点I/O，24点输入，16点输出，满足生产工作的需要。
第4章
硬件设计
4.1PLC的I/O分布表
表4-1I/O分布表
控制信号
元件名称
元件符号
地址编号
输
入
信
号
上限位开关
SQ1
I0.1
下限位开关
SQ2
I0.2
左限位开关
SQ3
I0.3
右限位开关
SQ4
I0.4
瓶光电开关
PS1
I0.6
箱光电开关
PS2
I0.7
自动开关
SB3
I2.1
传A手动
SB5
I1.0
传B手动
SB6
I1.7
手动上升
SB7
I1.1
手动下降
SB8
I1.2
手动左转
SB9
I1.3
手动右转
SB10
I1.4
手动夹紧
SB11
I1.5
手动松开
SB12
I1.6
启动按钮
SB1
I0.0
停止按钮
SB2
I0.5
输
出
信
号
机械手下降
KM2
Q0.2
机械手上升
KM1
Q0.1
机械手左转
KM3
Q0.3
机械手右转
KM4
Q0.4
夹紧松开
KM5
Q0.5
带A输出
YV1
Q0.6
带B输出
YV2
Q0.7
4.2PLC的I/O外部接线端子图
图4-1外部接线端子图
4.3检测元件与执行元件的介绍
主要对按钮、接触器、传感器、电机作简要介绍。
1.按钮
按钮主要用来接通和断开控制电路，它是电气控制的一种主令电器。
根据按钮的用途的不同和不同的触点的分配状况，大概分为动合，动断和复合这三种,当松开它不进行按动时，一般能自主回到原来位置。
本文选动合按扭,其结构和符号如图4-2所示。
图4-2按钮开关的结构与符号
2.接触器
交流接触器主要以电磁机构、触头系统、支架等部分配合。
直流接触器由于它的动作原理和结构容易与交流接触器产生混淆不清，特别之处就在于它是让线圈通过直流来控制直流的电器设备。
接触器在选用的时候往往要先要看它所负载的电流类型到底是直流还是交流来决定要直流接触器还是交流的，根据自己的经验来说经常是主触点电压不应该小于弱电回路的额定电压，但还要具体问题具体分析，应根据控制负载种类和使用地方，列如在控制电动机的时候，挑选的主触点的额定电流应该不小于电动机的额定电流；往往还要看线路的复杂情况和电器的个数的多少选选择线圈的电压，大部分都会选电源等级为380V或220V的电压，当线路复杂时从人身和设备安全考虑，可以选择36V或110V电压的线图，增加相应变压器设备。
本系统选择CJ-40接触器。
3.传感器
光电传感器随着社会科技发生的巨大改变和生产自动化程度的提高功能也发生了完善，使用在自动化生产中的地方也越来越多，可以与PLC很好的配合用来检测物品、温度、以及自动装配流水线。
根据我要实现的目标，我们一般情况下会安装光电开关来对产品计数和空箱到位进行检测。
光电开关经常使用的主要有透射型和反射型这两种。
透射型光电开关将分发射器和接收器放在同一水平不同的地方，并且这两个器件面对面放，如果发射器发射的红外线直接射到接收器上，说明没有物体，当有东西挡住射线不能够让接收器收红外光信号的时候束会产生一个脉冲信号。
可用于产品计数。
其工作原理如4-3所示
图4-3透射型器工作原理
反射型光电开关的本身即是发射体也是接收体，两者的共同体形成一个开关，如果自己能够接受自己发的光，那说明有物体的存在产生的光反作用，反之说明没有物体的通过。
利用以上原理来判断皮带运输机上的箱子是否到了准确的检测位置。
反射式光电传感器工作原理图示如图4-4。
图4-4反射式原理图
该系统选择反射式光电传感器型号为PM-LF10,其性能参数如表4-2所示。
表4-2光电传感器PM-LF10的性能参数
性能
参数
检测距离
2.5～8mm（中心:
5mm）白色无光泽纸（15×15mm）
最小检测物体
φ0.05mm铜线（设定距离:
5mm）
相应误差
使用白色无光泽纸（15×15mm）工作间距的20%以下
重复精度
（垂直于检测轴）
0.08mm以下
电源电压
5～24VDC±10%脉动P-P5%以下
消耗电流
平均25mA以下峰值80mA以下
输出
NPN开路集电极晶体管
·最大流入电流100mA
·外加电压30VDC以下（输出和0V之间）
·剩余电压1V以下（流入电流为100mA时）
0.4V以下（流入电流为16mA时）
短路保护
装备
反应时间
0.8ms以下
4.电动机
当今市场上卖的电机种类五花八门，特别是用在自动化生产线的电动机的样数更是让你自己都搞不清楚有几种。
根据这个系统所要实现的条件和各种类型的电动机的结构特点和适应的地方，加上所花的钱综合起来考虑，本系统选择三相步进电动机的电动机，它的部分技术参数如表4-3所示。
表4-33S57Q-04056型电动机的性能参数
参数名称
步距角
相电流（A）
保持扭矩
阻尼扭矩
电动机惯量
参数值
.8°
5.8A
1.0Nm
0.04Nm
0.3kg.cm2
第5章软件设计及仿真
5.1自动控制流程图
图5-1自动控制流程图
5.2梯形图
5.3仿真
根据系统需要进行设计的程序部分仿真如下：
图5-2手动机械手上下左右
以下是自动情况下的仿真，默认状态为手动模式，首先必须进行手动与自动模式的切换之
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