基于PLC的自动识别分选系统设计.doc
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广州大学松田学院
毕业论文（设计）
题目基于PLC的自动识别分选系统设计
二○一三年六月
毕业论文原创性声明
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所呈交的毕业论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本毕业论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
20年月日
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2、不保密囗。
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作者签名：
20年月日
导师签名：
20年月日
基于PLC的自动识别分选系统设计
摘要：
现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程序控制器正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的新型工业控制装置，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。
机械手的积极作用正日益为人们所认识。
其一，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。
因为它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用，尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。
因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
关键词：
机械手，可编程控制器，自动化控制，大小球辨识
DesignofautomaticrecognitionsystembasedonPLC
Abstract：
Themodernsocietyrequiresthemanufacturingindustrytomakerapidresponsetothemarketdemand,productionofsmallbatch,variety,lowcostandhighqualityproducts,inordertomeettheserequirements,reliabilityandflexibilityofthecontrolsystemofproductionequipmentandautomaticproductionlinemusthavehigh,programmablecontrolleristoconformtotherequirementsoftheitisanewtypeofindustrialcontroldevices,microprocessorbased,hasbecomeoneofthemainpillarsofmodernindustrialautomation.Thepositiveroleofmanipulatorarebecomingincreasinglyrecognized.First,itcanpartiallyreplacehumanlaborandcanmeettherequirementsofproductionprocess,followcertainprocedures,timeandlocationtocompletethetransferofworkpiece.Becauseitcangreatlyimprovetheworkingconditionsofworkers,acceleratetherealizationofindustrialproductionmechanizationandautomation.Therefore,advancedunitsarevaluedandputalotofmanpowerandmaterialresourcestostudyandapplication,especiallyinhightemperature,highpressure,dust,noise,usedmorewidely.Itiswidelyusedinmachinerymanufacturing,metallurgy,electronics,lightindustryandatomicenergyandotherdepartments.
Keywords：
Mechanicalhand,programmablecontroller,automaticcontrol,sizeballidentification
目录
1绪论 6
1.1研究背景和意义 6
1.1.1PLC与机械手市场背景 6
1.1.2本课题的研究意义 6
1.2PLC可编程控制器概述 7
1.2.1PLC的发展：
7
1.2.2PLC系统结构组成 7
1.3PLC国内外研究现状 9
1.3.1国际plc市场 9
1.3.2中国plc市场 9
2PLC系统硬件的设计 10
2.1按钮和位置开关的选择 10
2.1.1按钮的选择原则 10
2.1.2位置开关的选择 10
2.2时间继电器、接触器的选择 10
2.2.1时间继电器的选择 10
2.2.2接触器的选择 11
2.3电动机的选择 11
2.4机械手夹子的选用 11
3自动识别分选系统设计总体方案 12
3.1整体运作原理 12
3.2控制要求 13
3.3自动控制设计分析 13
3.4机械手操作面板 14
4系统软件设计 15
4.1I/O口点分配及I/O口设备 15
4.1.1I/O口分配 15
4.1.2I/O口设备 16
4.2自动模式流程图 17
4.3步进梯形图 18
5程序调试 19
5.1手动模式程序调试 19
5.2自动模式模拟说明 19
5.3软件编程 20
参考文献：
23
致谢 24
1绪论
1.1研究背景和意义
1.1.1PLC与机械手市场背景
PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。
工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。
它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
1.1.2本课题的研究意义
机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件。
机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色，它可以搬运货物、分选物品、代替人的繁重劳动。
随着工业自动化、机械化进程的加速，自动控制正在逐步取代传统的人工控制，在改善工作人员工作环境的同时也使生产效率大大的提高，能够最大限度地满足被控对象和生产过程的控制要求。
因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
本次毕业设计任务是通过PLC实现机械手分选大小球的自动控制。
论文主要对PLC可编程控制器的概述、特征、大小球分选自动系统中的设计进行具体阐明，并通过PLC来实现大小球分选系统的控制。
设计中采用日本三菱公司具有高性价比的微型可编程控制器FX2系列PLC，实现自动分选大小球的控制系统。
系统充分利用了可编程控制器（PLC）多方面的设计知识和方法，精确的实现了机械手从圆点下降、抓取、上升、右行、下降、释放、上升、左行还原等一系列的动作，完成一整套。
1.2PLC可编程控制器概述
1.2.1PLC的发展：
80年代后，随着集成电路技术和计算机技术的发展，PLC得到了飞速发展，在概念、设计、性能价格比等方面有了重大突破。
它以功能齐全、稳定可靠、维护方便等优点，在工业自动化控制中得到了广泛的应用。
近年来，随着IEC6113-1的推广和工控技术对开放式结构的要求，使得PC有可能替代传统PLC，成为新型的PLC—软PLC。
软PLC（SoftPLC）是基于IPC或EPC的开放结构的控制系统。
它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可将标准的工业PC转换成全功能的PLC过程控制器。
软PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、通信网络等功能，通过一个多任务控制内核，提供了强大的指令集、快速而准确的扫描周期、 可靠的操作和连接各种I/O系统及网络的开放式结构。
软PLC 提供了与硬PLC同样的功能，而同时具备了PC环境的各种优点。
IEC6113-1是关于PLC的硬件、安装、编程、通信等方面的国际标准，共分5个部分。
IEC61131-3是第一个为工业自动化所设计的标准化编程语言，它规定了控制逻辑编程中的语法、语义和显示，从现有编程语言中挑选了5种，并进行修改。
它们是：
顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、语句表（STL）、功能块图（FBD）、结构文本（ST）。
IEC并不要求每种产品都可以使用这5种语言，可以是其中的一种或几种， 但均必须符合标准。
可在同一项目中运用多种编程语言，相互嵌入。
1.2.2PLC系统结构组成
PLC控制系统的硬件是由PLC、I/O电路和外围设备等组成。
PLC中的核 心模块是主控模块（也称CPU模块），它包括：
CPU、存储器、通信接口等部分。
PLC与控制对象的联系是通过I/O模块实现，且这些模块应具有较好的抗干扰能力。
常用的 PLC外围设备是编程器，其主要任务是输入、调试程序和监控程序的执行过程。
PLC系统结构由开发系统和运行系统两部分构成。
开发系统即编辑环境，包括编辑器、编译器、调试环境等。
编辑器给用户提供符合IEC61131-3标准的编程环境，各编程语言可相互转化，经编译器检查错误，生成目标代码。
调试环境提供动态调试，寻找程序逻辑错误，将编译的错误信息及警告信息提供给用户，方便用户修改。
开发系统的底层是核心层，包括算法库和数据库。
算法库中包括丰富的功能模块，并支持用户嵌入自己的功能模块。
数据库包括实时数据库和历史数据库。
运行系统是软PLC的核心，其主要功能是完成系统配置、输入输出处理、实时监控、故障诊断等工作。
由I/O接口、通信接口、内核解释器等组成。
软PLC向下通过I/O板卡采集工业控制现场信息，控制被控对象。
作为一开放式结构，接口应符合OPC标准。
PLC向上由TCP/IP通信协议组件、FTP服务器等组成，可在本地、远程访问运行环境。
PLC编译过程概述编译程序是计算机的一个十分复杂的系统程序。
为便于构造或分析一个编译程序，宜将整个编译程序分解为若干个组成部分， 每一部分都用一段相对独立的程序取完成整个编译过程的一部分功能。
就一个典型的编译程序而论，一般都含有如下八个部分：
①词法分析程序（也称为扫描器）；②语法分析程序（有时也称为分析器） ；③语义分析程序；④中间代码生成程序；⑤代码优化程序；⑥目标代码生成程序；⑦错误检查和处理程序；⑧各种信息表格的管理程序。
在编译程序工作的过程中，需要不断收集记录和使用源程序中一些语法符号（简称为符号）的类型和特征等相关信息。
一般的做法是让编译程序在其工作过程中，建立并保持一批表格，如常数表、变量名表、数组名表、过程或子程序名表及标号表 等等，即符号表或名字表。
符号表的每一项登记项，将填入名字标识符以及与该名字相关联的一些信息名字表中的各种信息将在编译程序工作过程中的适当时候填入。
当从源程序中识别出一个单词（名字）时，就以此名字查符号表，若表中尚无此登记项，则将该名字列入表中。
几乎在编译程序工作的全过程中，都需要对符号表进行频繁的访问（查表或填表），且耗费的时间在整个编译过程所需时间中占很大的比例。
因此合理的组织符号表，并相应的选择好填表的方式，实为提高编译工作效率的有效途径之一。
1.3PLC国内外研究现状
1.3.1国际plc市场
目前，世界上有plc厂商200多家，各种型号产品几千种。
plc产品按地域上分成三个流派，分别是美国产品、欧洲产品、日本产品。
美国：
a-b（allen-bradly）、ge（generalelectric）;欧洲：
德国的西门子（siemens）、法国的te（telemecanique）;日本：
三菱电机（mitsubishielectric）、欧姆龙（omron）。
此外控制工程网版权所有，国内市场上还有韩国、台湾地区等plc产品。
从plc问世至今，一直表现出强大的生命力和高速增长态势，在工业控制领域，plc始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，plc与dcs（分布式控制系统）和ipc（工业pc）形成了三足鼎立之势（见表1）。
现代的plc在功能、网络化、标准化、专业化及开放性上得到了大大的增强。
另外，ipc加软件能实现plc的主要功能，在一些场合能代替plc进行控制，即实现软plc的功能。
2003年全球plc市场销售额超过了60亿美元。
今后5年年平均增长率有望达到4.6%，2008年市场规模将超过75亿美元。
美国调查公司arc对中国的plc市场进行调查并发表上述预测，2004年plc的销售市场规模。
1.3.2中国plc市场
我国工业企业的自动化程度普遍较低，如机械行业80%以上的设备仍采用传统的继电器和接触器控制。
加入wto后控制工程网版权所有，中国正日益成为世界新的制造业基地，制造业的控制主要以逻辑控制为主，大量传统产业的自动化改造也为plc的应用提供广阔的发展空间。
arc咨询集团近期发布的《中国可编程序控制器（plc）展望》报告指出：
中国制造业增长迅速，某些行业的增长率甚至达到20%。
在未来五年内，中国plc市场的综合年增长率预计将达到14.1%。
2003年这一市场为3.7亿美元，预计2008年这一市场还将翻一翻。
2PLC系统硬件的设计
2.1按钮和位置开关的选择
2.1.1按钮的选择原则
（1）根据使用场合选择控制按钮的种类，如开启式，防水式，紧急式等。
（2）根据用途选用合适的型式，如钥匙式，紧急试，带灯式等。
（3）按控制回路的要求确定不同的按钮数，如单钮，双钮，三钮，多钮等。
（4）按工作状态指示和工作情况的要求选择按钮及指示灯的颜色。
按钮的参数一般规格为交流500V，允许持续电流为5A，红色按钮表示停止按钮，绿色表示启动为了区别按钮颜色。
2.1.2位置开关的选择
位置开关是利用运动部件的行程位置实现控制的电器元件。
常用于自动往返的生产机械中。
按结构不同可分为直动式、滚动式和微动式三种。
直动式行程开关的优点是结构简单，成本低，但容易烧蚀触头。
滚动式行程开关克服了直动式行程开关的缺点，但其结构复杂，价格也较高，所以选择微动式行程开关体积小，动作灵敏，适用于小型机构中使用。
2.2时间继电器、接触器的选择
2.2.1时间继电器的选择
从得到输入信号开始，经过一定的延时后才输出信号的继电器，称为时间继电器。
它在电气控制系统中是一个非常重要的元器件。
一般分为通电延时和断电延时两种类型。
从动作的原理上有电子式、机械式等。
电子式的是采用电容充放电再配合电子元件的原理来实现延时动作。
通电延时：
接受输入信号后延迟一定的时间，输出信号才发生变化。
我当中的设计就是用到了这个通电延时，基于三菱FN系列没有断电延时就没采用。
机械式的样式较多，有利用气囊、弹簧的气囊式，也有使用小型罩极同步电机带动凸轮的，现在会有更多的新式的时间继电器出现。
时间继电器的用途就是配合工艺要求执行延时指令。
2.2.2接触器的选择
接触器是一种用来自动接通或断开大电流电路的电器。
它可以频繁地接通或断开交直流电路，并实现远程控制。
其主要控制对象是电动机，也可以用于电热设备、电焊机、电容器组等其他负载。
它具有低压释放保护功能，还具有控制容量大、过载能力强、寿命长、设备简单经济等特点，是电力拖动自动控制线路中使用最为广泛的电器元件之一。
在设计中用于电动机的控制，就是靠接触器来驱动的。
2.3电动机的选择
电动机是选交流的，而电动机分为异步电动机和同步电动机两大类。
异步电动机主要用作电动机，去拖动各种生产机械。
由于异步电动机具有结构简单，制造，使用方便，运行可靠，成本低廉，效率较高等优点而得到广泛应用。
例如，在工业生产中，异步电动机用于拖动中小型轧钢设备，各种金属切削机床，轻工机械和矿山机械等。
在农业生产中，异步电动机用于拖动水泵，粉碎机以及其他农副产品的加工机械，在民用电器方面的电风扇、洗衣机、电冰箱、空调机等也都是用异步电动机拖动的。
所以电动机选交流异步电动机为好，即选三相异步电动机，为笼型异步电动机。
2.4机械手夹子的选用
考虑到机械手能否稳稳捉住球，我特意在机械手夹子右端加上一个可折叠的小短臂，便于在夹住小球时能顺势弯曲，保证球不会落下，夹子的右端是不会动的，右端和挡板正好抵齐，左端就是夹子收紧时的动作。
在夹子当中，内置了对大小球的位置开关，这就是能分辨大小球的主要原理。
3自动识别分选系统设计总体方案
3.1整体运作原理
在我们平时的生活中，难免会碰上需要分拣的时候，而对于流水线的工作，更是习以为常，如图3-1为本系统将大小球分选的示意图。
用其机械手将捉住的小球通过电动机和限位开关的控制，将大小球分选的各个位置上，而该系统由PLC控制，可以达到全程自动运行。
其自动工作的顺序是：
先向下，夹住球，向上，向右运动到所需位置，向下，释放，向上，向左运动然后再循环，直至按了停止按钮为止。
图3-1整体原理图
3.2控制要求
机械手的控制要求分为手动操作和自动操作两种方式。
（1）手动操作，能对机械手进行一步一步的操作，方便于检修。
如，按“上升”按钮，机械手上升，松开“上升”按钮，停止上升。
（2）自动连续运行，当机械手在原点并按下启动按钮时，机械手周而复始地执行各步动作。
直到按下停止按钮，机械手就停止。
3.3自动控制设计分析
该设计的机械结构和基本运行原理如上图所示，其功能就是将机械手辨识大小球然后将分选好的大小球放入相应的位置。
主电路：
1．电动机控制机械臂上下左右运动和架子的收放。
由继电器控制电动机正反转。
控制电路：
由PLC控制继电器线圈来控制主电路的上下左右运动和抓释小球。
PLC控制继电器和电灯的输出，从而控制主电路。
1.当输送机处于起始位置时，上限位开关SQ1和左限位SQ3开关被压下，原点显示灯亮。
2.启动装置后，机械臂下行，一直到下极限开关SQ2闭合。
此时，若碰到的是小球，则小球的限位开关SQ4闭合（这里闭合时一瞬间，基于后面又要用到小球的限位开关，一闭合由步进指令直接执行下一步指令）；若碰到的是大球，则打球的限开关SQ5闭合。
3.夹住小球后，则机械臂向上行，碰到上限位开关后，捡球装置向右行；碰到右限位开关（小球的右限位开关SQ4）后，再下行，下行至下限位开关后，机械臂将小球释放到小球箱里，然后机械臂返回到原位。
4.如果吸起的是大球，捡球装置右行碰到另一个右限位开关（大球的右限位开关SQ5）后，再向下行，碰到下限位开关后，将大球释放到小球箱里，然后返回到原位。
5.当机械臂回原位后，一个工作循环结束,则继续下一循环，直至按了停止按钮。
考虑到机械手会在移动时产生摇摆和不稳定，在每个动作后都有0.5s和1s的缓冲时间，加入时间继电器来实现这功能。
3.4机械手操作面板
机械手操作面板示意图，如下见图3-2
图3-2操作面板图
如上图所示，面板有两种模式选择，基于设计实验没有实物，只能用灯模拟，所以将限位开关也设入其中，其中左边的5个按钮为手动模式下的按钮。
而右边两个则是自动模式的启动按钮，在模拟的时候，按了启动按钮，由于没有现实中的位置开关，则需要手动按下限位开关，达到模拟效果。
4系统软件设计
4.1I/O口点分配及I/O口设备
4.1.1I/O口分配
输入分配
输出分配
I口
功能
O口
功能
X0
X1
X2
X3
X4
X5
X6
X7
X10
X11
X12
X13
X14
X15
X16
返回原点
手动模式
自动模式
自动模式的启动按钮
自动模式的停止按钮
手动上升控制
手动下降控制
手动向左运动
手动向右运动
机械手夹子收紧
SQ1上升限位开关
SQ2下降限位开关
SQ3向左限位开关
SQ4小球限位开关
SQ5大球限位开关
Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
机械手上升
机械手下降
机械手向左运动
机械手向右运动
机械手夹子收紧
自动模式指示灯
手动模式指示灯
原点位置
共15点
共7点
图4-1I/O口分配图
4.1.2I/O口设备
图4-2PLC连接图
PS:
由于难以以实物来演示，所以用指示灯来表示机械手的动作
4.2自动模式流程图
图4-3整体流程图
如上图所示,在自动模式下，机械手从原点出发，向下运动碰到限位开关停止运动把球夹住然后上升，到了上的限位开关自动向右运动至相应位置再向下运动，松开夹子，再上升向左运动，直到原点位置完成自动模式的一个周期，直至按下停止结束。
4.3步进梯形图
5程序调试
5.1手动模式程序调试
此次调试用的是GXDeveloper程序，其中运用到GXsimulator进行仿真调试。
（1）将梯形图程序输入电脑。
（2）对程序进行调试运行。
旋至“手动”挡X1,按下相应的动作按钮,观察机械手的指示灯是否能亮。
再按一下回原点的按钮X0看机械手是否能回到原点。
5.2自动模式模拟说明
只需要点动按下X2后，再持续按下X3启动按钮，理论上机械手就自动工作，基于材料有限，限位开关只能自己来按来演示。
限位开关都是点动的，只有一直处于那位置才会一直闭合，按钮顺序如下图5-1所示
图5-1按键流程图
5.3软件编程
0 LD X000 30 OUT Y001
1 SET S600 31 LD M7
3 LD X014 32 OR M8
4 AND X012 33 OR M9
5 OUT Y007 34 LD M10
6 LD X001 35 LD M10
7 OUT Y006 36 OR M11
8 LD X001 37 OR M22
9
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