基于PLC水果清洗打蜡分级包装控制系统.docx
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基于PLC水果清洗打蜡分级包装控制系统
2015年度本科生毕业论文（设计）
基于PLC水果清洗打蜡分级包装
控制系统
院－系：
工学院自动化系
专业：
电气工程及其自动化
年级：
2011级
学生姓名：
学号：
导师及职称：
2015年3月
2015AnnualGraduationThesis（Project）oftheCollegeUndergraduate
CleaningwaxinggradingandpackingfruitPLCbasedcontrolsystem
Department:
InstituteofAutomation
Major:
ElectricalEngineeringandAutomation
Grade:
2011
Student’sName:
StudentNo.:
Tutor:
Lecturer）
March,2015
毕业论文（设计）原创性声明
本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。
对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。
作者签名：
日期：
毕业论文（设计）授权使用说明
本论文（设计）作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。
有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。
学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。
保密的论文（设计）在解密后适用本规定。
作者签名：
指导教师签名：
日期：
日期：
毕业论文（设计）答辩委员会（答辩小组）成员名单
姓名
职称
单位
备注
教授
主席（组长）
讲师
讲师
讲师
摘要
随着计算机不断成长，控制应用领域技术也在不断走向美好明天，可编程控制器件的应用已成为家喻户晓的自动化技术的要素之一。
我国的国际竞争力为何会如此之地下？
追其原因，原来是我们国家水果的产后处理（清洗、打蜡、烘干、分级、包装）技术落后,从而造成水果混等混级,参差不齐,质量混淆,影响价值,无法在国际出口标准中获得一席之地,进而也无法在国际市场上取得好的经济效益。
因此能不能提高水果产后处理技术；产后处理能力能不能的到强化；如何让实现水果自动产后处理技术，对提高我国水果在国际贸易中的竞争力非同小可的意义。
PLC生产线完成自动化、智能化有较强的能力是众所周知的,并且拥有很高的生产效率。
我国水果在国际贸易中竞争力持续偏低，成为水果生产线的难题之一。
本文运用三菱FX2N-32MR型PLC,根据水果产后处理要求,设计出水果产后处理控制系统,通过PLC较强的逻辑运算、逻辑控制和顺序控制能力来完成水果产后工作流水线上的分级、清洗、烘干、打蜡、包装工作等。
同时介绍了此系统的组成。
水果自动分选在集约化水果生产与销售中的地位可见一斑,水果的产后附加值需要怎样提高,我国水果市场竞争力又该如何去提升,怎样促进果业产业化与国际化使其在国际生产线上具重要的意义。
自动生产线则是其最核心的控制装置，该装置能够实现一个相对较高水平的自动化。
PLC技术运用在水果生产线上具有的特定优势在生产线的运行中扮演了一个决定性的角色。
如何设计PLC的控制系统，为控制生产线提高效率是一个关键性的因素。
关键字：
水果；PLC；自动化；水果产后处理
ABSTRACT
Withonecomputercontroltechnologyapplicationsincontinuousimprovementandprogress,programmablecontroldeviceshavebeenpopularapplicationsbecomeanimportantcomponentofautomationtechnology.AnimportantreasonforChina'sfruitininternationaltradeisthelowcompetitivenessofpostpartumfruitprocessing（cleaning,waxing,grading,packing）,backwardtechnology,resultinginmixedfruitandothermixed-level,mixed,mixedquality,impactvalue,cannotbeachievedinternationalexportstandards,andthuscannotachievegoodeconomicintheinternationalmarket.Therebyincreasingfruitpostproductiontechnology,increaseprocessingcapacitypostpartum,postpartumachieveautomatichandlingoffruitfruitininternationaltradetoimproveourcompetitivenessisimportant.
PLCproductionlinecanachievemoreautomation,intelligent,andgethighproductivity.Inordertosolveourfruitslowininternationaltradecompetitivenessproblem,thispaper,MitsubishiFX2N-32MR-typePLC,accordingtothefruitprocessingrequirementspostpartum,postpartumdesignedfruitprocessingcontrolsystemstrongerbyPLClogicoperations,logicandsequentialcontrolabilitytocompletegradingworkontheassemblylinepostpartumfruit,washing,waxing,packagingwork.Atthesametimeintroducedthecompositionofthissystem.Automaticsortingfruitisintensivefruitproductionandsalesofanimportantpartofimprovingthefruitofpostpartumaddedvalue,improvethecompetitivenessofChina'sfruitmarket,thecoreofthefruitindustrytopromoteindustrializationandinternationalizationofasignificantautomaticproductionlineisakindsofcontrolmeanscanachievearelativelyhighlevelofautomation.PLCtechnologyadvantageintheuseofaparticularfruitproductionlinehasplayedadecisiveroleintherunningoftheproductionline.HowtobecomeakeyfactorinthedesignPLCcontrolproductionlineefficiency.
Keywords:
fruit;PLC;automation;fruitpostproduction
附录43
第1章前言
中国是名副其实的农业大国,水果产业种植的规模逐年加大，已成为种植业中仅次于粮食、蔬菜之后的第三大产业,总产量增长迅速。
据国家统计局、中国农业年鉴编辑委员会统计
：
2004年我国水果产量为15340.88万吨,2014年水果产量则达到了25093万吨,10年间产量增加了5000万吨左右；但是，每年的水果产量上升势头不断加强。
水果产后处理能力的掉队,导致水果的附加值大大下降,使拥有世界水果总量近1/3的中国,在国际贸易份额比例只有5%实在是九牛一毛,与总产量的比例形成鲜明对比,形成了很大的反差口一,如图1-1所示
：
图1-1水果生产、贸易统计图
我国的水果产后价值应该如何提高呢？
这是一个很关键也很重要的问题。
然而，水果分选的要害环节是产后处理,琢磨如何抬高水果分选的效率；分选技术能否和水果分选市场相得益彰，从而实现我国果业产业化、国际化。
近年来，政府和科研机构在此方面的投入不可等闲视之。
“农产品加工技术与设备研究开发”被列为我国“十五”重大科技攻关项目的第1项,在“国家长期科学和技术发展规划纲要（2006一2020）中“农产品精深加工与现代储运”被列为优
先主题,受重视程度不可估量
。
加入WTO之后，水果市场开放度三复斯言，关税下降达60%-70%,国内水果价格降至低谷,价格优势被削弱，精细的加工环节就显示出了其口耳并重的地位。
本文设计的水果清洗、打蜡、烘干、分级、包装系统需要使用PLC较强的逻辑运算、逻辑控制和顺序控制的能力。
对于各种复杂的工业控制功能，是以上五个步骤分工最需要的性能。
基础上的动态水果产后处理的全过程如下图1-2所示：
图1-2动态水果产后处理全过程
第2章PLC概述
2.1PLC简介
工业环境、简单方便、可靠的通用工业自动化控制装置。
PLC具有占用空间小、适应性强、编程简易、维护方便等优点，故而成为了工业自动化生产领域的主流设备。
PLC能够成为工业自动化生产领域的主流设备，这与它所具有的良好的控制系统特点是密不可分的。
（1）编程方法简单易学
（2）功能强，性价比高
PLC能够实现非常复杂的控制功能，仅一台小型的PLC,其内部便有集成了上千个编程元件，只需对PLC进行简单编程便可以实现非常复杂的控制功能，如具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能的一个生产设备或一条生产线。
此外，还具有数字和模拟量的输入输出功能。
而继电器要实现一个生产设备或一条生产线的控制意味着要使用成千上万个继电器，且还要进行非常复杂的接线，这无论是对生产成本还是后期维护都带来了沉重的负担，可以看出对继电器来说PLC具有非常高的性价比。
（3）抗干扰能力强，可靠性高
现代化的生产过程要求控制系统要有很高的抗干扰能力和可靠性。
与采用了大量的中间继电器、时间继电器等元件的继电器控制系统相比，PLC仅仅用到了极少量与输入、输出有关的电器元件，这就使得PLC控制系统的接线数量大为降低，同时就很大程度的降低了控制系统因元件接触不良造成的系统故障，给系统的维护与检修带来了巨大的方便。
另外，PLC还拥有继电器所不具有的软件和硬件抗干扰技术，这就从本质上超越了继电器，取代了继电器抗干扰能力弱，可靠性差的特点。
（4）体积小，能耗低
使用中间继电器和时间继电器，从很大成度上节省的外部材料的使用，便于设备的安装，再加上开关柜体积的缩小更节省了大量的空间及能耗。
（5）维护工作量小，维修方便
PLC的可靠性非常高，发生故障的概率非常低，且即使发生故障，其维修也是非常方便的，因为它本身就自带了完善的自我诊断和故障显示功能，维修人员可以根据显示的故障信息快速的查明原因，更换模块能够迅速排除故障，节省时间，使得自动化生产损失最小化。
（6）设计、安装、调试方便
中间继电器、时间继电器、计数器等器件的使用与传统继电器相比，PLC用软件的方式替代了，这就从根本上解决了继电器接线安装工作量大的缺点。
更有甚者，PLC在系统设计好之后不用到现场就可以在实验室中模拟调试，发现问题可以通过修改程序来解决，光其调试时间就比使用继电器的系统节省了几倍，为工业的自动化生产带来了不可估量的效益。
2.1.2PLC的发展趋势
自动化科技技术的发展可谓日新月异，大规模集成电路以及超大规模集成电路的技术更是突飞猛进，现今的PLC都是运用了这些集成电路，更有高性能的微处理器CPU也在PLC中得到广泛运用，这些发展渐渐缩小了PLC与工业控制计算机之间在本质上距离。
以此同时PLC网络功能及I/O模块功能的进一步增强，更是填补了工业自动化生产控制在各个方面的实际需要。
PLC技术的未来会向以下方面发展：
（1）体积更小
小型化、高可靠性是自动化生产设备的目标，为了适应这一需要，未来的PLC发展必将沿着这个趋势进一步扩展，取代原先大中型的生产设备，让生产设备安装、使用更为方便用户。
（2）速度更快
企业的生产效率决定着企业的生存与发展，生产效率就是企业的生命，因此，如何是PLC具有较强的生产效率至关重要。
（3）成本更低
PLC的出现带动了工业上得一场革命，而PLC内部元件需要不断的更新与完善。
生产力的发展涌现出了大批的新型器件，且PLC所用到的主要元件价格在不断下降，这个发展趋势不仅完善了PLC的功能，降低了PLC的制造成本。
（4）模块化、智能化
企业生产对自动化控制系统的控制功能日益膨胀，要求PLC拥有更全新的功能模块。
近年来，智能I/O模块、温度控制模块、智能检测故障模块的出现，又一次刷新了PLC的运用范围及系统本身的稳定性。
（5）编程语言多样化
程语言以梯形图为主。
但有时，一些特殊的控制要求使得PLC梯形图编程语言变得不再适用，但是，PLC完善的在于多种编程语言的互补发展。
2.1.3PLC的运用领域
PLC已经被广泛的用于汽车、电力、机械制造、建材、纺织、采矿、水利、交通运输以及文化娱乐等各个领域。
蕴含了从单机自动化到工厂自动化，从机器人、柔性制造系统到工业控制网络。
尤其是PLC在机器人、CAD/CMA等方面的运用最为显著。
PLC运用了新技术及增强了系统的开放性。
现代PLC的运用
2.2PLC的结构
能I/O模块等组成。
整体式PLC与模块式PLC虽然在机构上有一定差异，但他们各部分的功能作用是基本相同的。
PLC最基本组成结构如下图2-1所示：
图2-1PLC结构框图
下面对PLC种种组成部分实施简略概述：
（1）中央处理单元CPU
跟微机系统类似，CPU是PLC系统的核心，完成对系统的数据处理（如逻辑运算）工作，就像人的大脑对人一样重要。
一般来说中央处理单元CPU需要完成的主要工作归结起来有：
a.取指令，读取用户从编程器输入的程序和数据。
b.解释程序，翻译从存储器读取的用户程序，然后逐步执行。
c.诊断功能，在PLC的工作工程中若其系统内部电路或电源出现故障，甚至编程的语法中存在差错，PLC都能够敏捷的测验出问题的所在。
d.接收功能，中央处理单元CPU能够从输入接口接收外部的状态或数据，并把接收到的数据或状态存入相关的寄存器中。
（2）存储器
户存储器。
随着生产工艺的复杂程度日益增加，用户需要更大容量的RAM来存储用户存储器。
随着生产工艺的复杂程度日益增加，用户需要更大容量的RAM来存储用户程序，而PLC系统也提供了相关的PLC系统存储器扩展功能。
（3）输入/输出单元
PLC系统中的输入/输出单元（I/O单元）是连接PLC系统与外部自动化生产环境之间的媒介，输入单元主要是PLC系统用来接受和采集生产现场被控对象的实时数据（模拟信号和开关量信号），这些数据便是PLC系统对被控对象实施控制的主要依据；输出单元主要用来将PLC系统对数据的处理结果传输给被控对象，以实现控制被控对象的目的。
与存储器一样，PLC系统也为用户提供了I/O接口扩展的功能。
（4）通信接口
要真正实现控制的目的，光有输入输出单元是远远不够的，在工业生产领域中大部分的生产设备都配有通信接口，在这些设备和PLC系统的I/O接口连接时，其通信接口也必须和PLC的通信接口进行连接，换言之，通信接口是信息传递和人机交互的中心枢纽。
例如，如果我们要在显示器上看到实时的监控画面就必须将显示器的通信接口与PLC通信接口连接，要实现大规模控制生产就要将许多PLC之间的通信接口互连。
（5）智能接口模块
从结构上理解，智能接口模块相当于一个与PLC系统相互独立的微机系统，这种独立主要体现在它工作上的独立性。
它通过总线的方式与PLC相连接，进行数据交换，但它又受到PLC的管理、调度。
（6）编程装置
式输入程序。
相比于简易型，智能型显得更加直观、灵活，它可以直接用梯形图语言进行编程又可以脱机编程。
（7）电源
PLC采用的开关电源仅供内部设备使用，它具有比外部电源更高的稳定性及可靠性。
只要外部电源的波动范围在额定值的15%之内，PLC都能够正常工作。
（8）其他外部设备
PLC系统的多种组成部件，除了以上所说的设备外还有许多外部设备，如外存储器卡、打印机、EPROM写入器等。
2.3PLC的工作工程及特点
2.3.1PLC的工作原理
的顺序扫描过程，他按顺序对指令进行扫描，直到完成任务。
这个工作过程就称为PLC的扫描工作方式。
因CPU处理数据的速度非常快，故而从宏观角度上看，PLC执行程序的结果像是同时（并行）完成的。
PLC的工作原理如下图2-2所示：
图2-2PLC工作原理
PLC的工作原理及工作方式的特点与继电器控制系统的工作原理及方式明显有差异。
继电器控制系统采用的是逻辑并行工作方式，因而只要继电器控制系统中某一个继电器的线圈动作，那么无论处于什么位置的该继电器的所有动合触点都会立即同时动作，这就是所谓的继电器并行工作方式；在程序执行中，若某个软继电器的线圈动作，则其他所有动合触电不会立即动作，必须等CPU扫描到该指令后触点才会动作。
2.3.2PLC的工作过程
PLC在执行用户程序时不仅仅只是单一的去扫描执行用户程序，PLC内部处理、通信服务、输入采样、程序执行和输出刷新五个步骤的执行过程如下图2-3所示。
PLC的一个扫描周期的时间长短取决于三个方面，即CPU处理数据的速度、PLC系统执行每条指令所花的时间和用户程序中的指令条数，一般其周期时长为1~100ms，扫描过程如下图所示：
图2-3PLC扫描过程示意图
PLC在通电执行程序之前，首先要进行自检及处理一些其他的内部工作，确定自身的完好性，若发现故障在显示相应得故障信息后还要对故障的性质进行判别以确定是一般性故障还是严重故障，这就是内部处理阶段当PLC处于通信服务阶段时，PLC需要完成的工作是与其他智能装置建立通信并响应用户对编程器输入的指令以及刷新编程器的显示内容等。
2.3.3PLC工作过程的特点
PLC执行程序的过程可以分为输入端子的采样阶段、程序执行和输出端子的刷新阶段三个阶段如图2-4所示。
图2-4PLC执行程序的过程
（1）输入处理阶段
输入处理阶段也叫做输入采样阶段，在这个阶段开始以及在接下来的两个阶段中，即使PLC再次接收到输入信息，映象寄存器中的内容也不会再改变，只有PLC进入下一个扫描周期的采样阶段映象寄存器中中的内容才会被再次刷新。
（2）程序执行阶段
PLC进入程序实际履行阶段后，程序将被按顺序扫描贯彻实施。
经过CPU运算后将结果再次存入映象寄存器中。
（3）输出处理阶段
子的状态；输出寄存器的状态随着程序执行周期而发生变化；输出锁存器的电路状态取子的状态；输出寄存器的状态随着程序执行周期而发生变化；输出锁存器的电路状态取决于用户对程序的最后一次赋值，即输出状态寄存器的最后状态。
第3章水果清洗打烘干蜡分级包装控制系统的硬件设计
该系统硬件结构主要由主PLC控制系统、传送带、清洗机、打蜡机、红外线测控开关、分传送带、分级通道、包装机构组成。
接下来我将分别介绍这几个主要的硬件结构，以及其选型。
选择一：
普通相机+扫描仪
使用普通照相机拍照后利用扫描仪进行数字化处理，从而扫描水果的种类。
但是，考虑到普通相机的误差率可能会比较大，如果在产后处理系统中出现错误，将会造成较大的损失。
选择二：
CCD图像传感器
CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号通过放大和模数转换。
其图像的获得、储存、传输、处理和复现。
摄像头工作流程图如图3-1所示
如图3-1摄像头工作流程图
以下是两个摄像头对照参考数据如表3-1所示：
参数
普通相机
CCD摄像头
感光芯片
cmos30301/4
CCD30891/3
分辨率
656*492（N/P）
728*582（N/P）
实际广角
120°
150°
最低照度
视频输出
1.1VP.P75Ω
1.1VP.P75Ω
电子快门
1/50-1/100000（秒）
1/50-1/100000（秒）
水平解析度
520TVLines
600TVLines
功耗
DC12V100MA±10%
DC12V100MA±10%
工作温度
-40℃~85℃RH95%
-40℃~85℃RH95%
防水等级
IP67
IP67
表3-1普通摄像头与CCD摄像头技术参数图
由于该系统需要通过摄像头最终精确的识别水果的种类，然后再进行清洗打蜡操作等，所以选择CCD图像传感器。
3.2控制开关的选择
该系统中控制开关的作用一是检测水果是否来到清洗池和打蜡池，二是对清洗池、打蜡池的开关进行控制。
选择一：
反光板型光电开关
选择二：
红外测距传感器
当红外信号遇到障碍物远近距离的不同其反射的信号强度也不同是红外测距传感器原理，障碍物远近距离的检测原理如图3-1所示：
图3-2红外测距传感器原理图
E18-D80NK红外线传感器技术参考据数指标如表3-2所示:
表3-2E18-D80NK红外线传感器技术参考数据指标
所以此控制系统中选择E18-D80NK红外线传感器是最理想的选择。
3.3控制系统的组成
/步。
3.4电动机的选择
选择一：
单相异步电动机
这种形式的电动机结构简单，制造低廉，价格优惠、易于保养、故障误差少等优点。
但是有效率低，转差率大等缺点
。
选择二：
三相异步电动机
异步电机其特点是结构简易、成本低廉、坚固耐用、运行可靠性高，低转矩脉动，噪声很低，可以不使用位置传感器，转速极限相当高。
由于该系统中电动机运行可靠性要求较高所以选择三相异步电动机。
综合水果产后处理系统需要同时对大批量的水果进行清洗、烘干、打蜡处理，所以清洗机、烘干机、打蜡机、分级机选择JO3系列的JO3-140M-2型号的三相交流异步电动机（铜线）技术参数如表1-1，分级通道1、2、3和包装机1、2、3使用JO3-100S-2型号的三相交流异步电动机（铜线）技术参数如表1-2。
JO3-140M-2三相交流异步电动机（铜线）技术参考数据如表3-3：
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