基于PLC控制的物料运输系统.docx
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基于PLC控制的物料运输系统
基于PLC控制的物料运输系统
四川省高等教育自学考试机械制造与自动化专业
毕业论文
论文题目基于PLC控制的物料运送系统
指导老师罗华
学生姓名何杰
准考证号800210346124
2011年9月14日
基于PLC控制的物料运送系统
机械设计制造及其自动化专业
学生：
何杰指导老师：
罗华
摘要：
物料运输系统是物流中重要的组成部分，它是不直接进行人工干预的情况下对货物进行自动存取。
它是现代工业社会发展的高新技术产物，对加快物流流通、降低成本有着重要的意义。
近年来，随着消费水平的提高，越来越多的商家认识到物流运输系统的改善与合理性对商家的发展非常重要，而对于一些小型超市往往要对货物进行分类存放，并建立货物相关信息，时时跟踪，便于对货存信息的掌握，如果仅靠人工，这样比较耗时，不便于商家的发展。
本课题针对以上问题主要对货物分类存取控制系统进行了设计：
最先是人工建立一个货物信息库。
在存货物时，利用条码扫描将货物的信息传入计算机中，并整理将对应的指令传给PLC。
然后PLC按指令控制气压系统、步进电机的运动，将货物存放到指定位置；在取货时，控制思路和存货是大致一样，从而实现对货物的分类和存取的功能。
在整个过程都满足货物先
第一章绪论
1.1引言
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）,简称PLC，它是20世纪70年代以来，在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。
由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外已广泛应用于自动控制的各个领域。
与继电-接触器系统相比系统更加可靠；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器与其相关的执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。
采用可编程控制器来实现物料运输中步进电机的控制从而实现对货物送到指定位子，这可以在一定程度上减少物料运输人力资源，也可加货物存取的效率。
拓展PLC在自动化行业的应用领域，具有一定的经济和理论意义。
1.2题的目的和意义
物料运输系统是物流中重要的组成部分，它是不直接进行人工干预的情况下对货物进行自动存取。
它是现代工业社会发展的高新技术产物，对加快物流流通、降低成本有着重要的意义。
近年来，随着消费水平的提高，越来越多的商家认识到物流运输系统的改善与合理性对商家的发展非常重要，而对于一些小型超市往往要对货物进行分类存放，并建立货物相关信息，时时跟踪，便于对货存信息的掌握，如果仅靠人工，这样比较耗时，不便于商家的发展。
随着微处理器、步进电机可再宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，这是步进电机最突出的优点。
目前比较典型的控制方法是用单片机产生脉冲序列来控制步进电机。
但采用单片机控制，不仅要设计复杂的控制程序和I/O接口电路，实现比较麻烦，而且对现场适应性差，可靠性不高。
基于PLC控制步进电机具有设计简单，实现方便，定位精度高参数设定灵活等优点。
因此用PLC来控制步进电机也是实现的控制系统中应用非常广泛，非常有实用价值。
1.3总体方案
1.3.1系统的总体方案
本系统主要是将条码扫描、PLC、步进电机、气压系统等有机结合建立成小型的物料运输系统，实现对货物的分类和存取的功能。
系统布局如图1-1。
气压缸主要是在货物分道是实现助推的作用，为了减少PLC的I/O口，我采用了气压缸并联的形式在货物到后，三缸同时动作，气压压系统回路如图1-2，此回路实现了工进-快退的功能。
图1-1物料运输系统布局图
图1-2气压系统回路
1.3.2系统的特点
本系统的柔性很强，只要改变相应货物条码信息，就可以完成不同程度的分类；在步进电机的控制方面，基于步进电机的优势，也使得系统的优势显著，本系统性价比比较好，对中小型超市十分的适合
1.4本文研究内容
物料运输是当今物料运输行业中重要的环节，本文通过对物料运输系统的分析，做了了个利用条码识别货物信息，用PLC控制的对货物分类的物料运输系统。
本文研究内容共分五章：
第一章绪论主要介绍PLC控制的应用及背景。
阐述了选题的目的和意义。
第二章物料运输控制系统原理主要介绍了PLC控制、计算机、条码识别器三者的功能。
第三章物料运输系统硬件设计主要介绍系统硬件的选型和控制电路的设计。
第四章物料运输系统程序设计主要介绍物料运输系统的程序设计。
第五章总结与展望对本文进行了总结并对物料运输系统做了初步展望。
第二章物料运输控制系统的原理
2.1PLC简介
2.1.1PLC的概述及发展
PLC=ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
是工业控制的核心部分。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController,PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC,plc自1966年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，其发展如下：
起源：
1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求。
1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程控制器PDP—14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程序控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。
1969年，美国研制出世界第一台PDP-14
1971年，日本研制出第一台DCS-8
1973年，德国研制出第一台PLC
1974年，中国研制出第一台PLC
发展：
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
2.1.2PLC的应用特点
1．实现成本低由于可以直接利用已有的配电网络作为传输线路，所以不用进行额外布线，从而大大减少了网络的投资，降低了成本。
2．范围广电力线是覆盖范围最广的网络，它的规模是其他任何网络无法比拟的。
PLC可以轻松地渗透到每个家庭，为互联网的发展创造极大的空间。
3．高速率PLC能够提供高速的传输。
目前，其传输速率依设备厂家的不同而4.5M~45Mbps之间。
远远高于拨号上网和ISDN，比ADSL更快！
足以支持现有网络上的各种应用。
更高速率的PLC产品正在研制之中。
4．永远在线PLC属于"即插即用"，不用烦琐的拨号过程，接入电源就等于接入网络！
5．便捷不管在家里的哪个角落，只要连接到房间内的任何电源插座上，就可立即拥有PLC带来的高速网络享受！
在本课题中，我主要应用三菱PLC产品中的FX2N系列，其基本单位有16/32/48/65/80/128点，六个基本FX2N单元中的每一个单元都可以通过I/O扩展单元扩充为256I/O点，其基本单元如下表所示。
FX2N系列的基本单元
型号
输入
点数
输出
点数
扩展模块可用点数
继电器输出
可控硅输出
晶体管输出
FX2n-16MR-001
FX2n-16MS
FX2n-16MT
8
8
24～32
FX2n-32MR-001
FX2n-32MS
FX2n-32MT
16
16
24～32
FX2n-48MR-001
FX2n-48MS
FX2n-48MT
24
24
48～64
FX2n-64MR-001
FX2n-64MS
FX2n-64MT
32
32
48～64
FX2n-80MR-001
FX2n-80MS
FX2n-80MT
40
40
48～64
FX2n-128MR-001
FX2n-128MT
64
64
48～64
FX2N具有丰富的元件资源，有3072点辅助继电器。
提供了多种特殊功能模块，可实现过程控制位置控制。
有多种RS—232C/RS—422/RS—485串行通信模块或功能扩展板支持网络通信。
FX2N具有较强的数学指令集，使用32位处理浮点数。
具有方根和三角几何指令满足数学功能要求很高数据处理。
它是FX系列PLC家族中最先进的系列。
由于FX2N系列具备如下特点：
最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
FX2N系列的其它功能
1、内置式24V直流电源，24V、400mA直流电源可用于外围设备，如传感器或其它元件。
2、快速断开端子块，因为采用了优良的可维护性快速断开端子块，即使接着电缆也可以更换单元。
3、时钟功能和小时表功能，在所有的FX2NPLC中都有实时时钟标准。
时间设置和比较指令易于操作。
小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。
4、持续扫描功能，为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期。
5、输入滤波器调节功能，可以用输入滤波器平整输入信号（在基本单元中x000到x017）。
6、注解记录功能，元件注解可以记录在程序寄存器中。
7、在线程序编辑，在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转。
8、RUN/STOP开关，面板上运行/停止开关易于操作。
9、远程维护，远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测、上载或卸载程序和数据
10、密码保护，使用一个八位数字密码保护您的程序。
2.1.3PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
1.开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2.模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
3.运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4.过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5.数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
6.通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
2.2计算机
2.2.1计算机的定义
计算机（Computer）是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。
由硬件和软件所组成，两者是不可分割的。
人们把没有安装任何软件的计算机称为裸机。
随着科技的发展，现在新出现一些新型计算机有：
生物计算机、光子计算机、量子计算机等。
2.2.2计算机的应用领域
目前，计算机的应用可概括为以下几个方面。
1．科学计算（或称为数值计算）
早期的计算机主要用于科学计算。
目前，科学计算仍然是计算机应用的一个重要领域。
如高能物理、工程设计、地震预测、气象预报、航天技术等。
由于计算机具有高运算速度和精度以及逻辑判断能力，因此出现了计算力学、计算物理、计算化学、生物控制论等新的学科。
2．过程检测与控制
利用计算机对工业生产过程中的某些信号自动进行检测，并把检测到的数据存入计算机，再根据需要对这些数据进行处理，这样的系统称为计算机检测系统。
特别是仪器仪表引进计算机技术后所构成的智能化仪器仪表，将工业自动化推向了一个更高的水平。
3．信息管理（数据处理）
信息管理是目前计算机应用最广泛的一个领域。
利用计算机来加工、管理与操作任何形式的数据资料，如企业管理、物资管理、报表统计、帐目计算、信息情报检索等。
近年来，国内许多机构纷纷建设自己的管理信息系统（MIS）；生产企业也开始采用制造资源规划软件（MRP），商业流通领域则逐步使用电子信息交换系统（EDI），即所谓无纸贸易。
4．计算机辅助系统
1）计算机辅助设计（CAD）是指利用计算机来帮助设计人员进行工程设计，以提高设计工作的自动化程度，节省人力和物力。
目前，此技术已经在电路、机械、土木建筑、服装等设计中得到了广泛的应用。
2）计算机辅助制造（CAM）是指利用计算机进行生产设备的管理、控制与操作，从而提高产品质量、降低生产成本。
缩短生产周期，并且还大大改善了制造人员的工作条件。
3）计算机辅助测试（CAT）是指利用计算机进行复杂而大量的测试工作。
4）计算机辅助教学（CAI）指利用计算机帮助教师讲授和帮助学生学习的自动化系统，使学生能够轻松自如地从中学到所需要的知识。
2.3EAN码及条码扫描仪
2.3.1EAN码介绍
EAN码由前缀码、厂商识别码、商品项目代码和校验码组成。
前缀码是国际EAN组织标识各会员组织的代码，我国为690—695；厂商代码是EAN编码组织在EAN分配的前缀码的基础上分配给厂商的代码；商品项目代码由厂商自行编码；校验码为了校验代码的正确性。
在编制商品项目代码时，厂商必须遵守商品编码的基本原则：
对同一商品项目的商品必须编制相同的商品项目代码；对不同的商品项目必须编制不同的商品项目代码。
保证商品项目与其标识代码一一对应，即一个商品项目只有一个代码，一个代码只标识一个商品项目.我国的通用商品条码与其等效。
我们日常购买的商品包装上所印的条码一般就是EAN码。
另外，图书和期刊作为特殊的商品也采用了EAN13表示ISBN和ISSN。
前缀977被用于期刊号ISSN，图书号ISBN用978为前缀，我国被分配使用7开头的ISBN号，因此我国出版社出版的图书上的条码全部为9787开.另外，图书和期刊作为特殊的商品也采用了EAN13表示ISBN和ISSN。
前缀977被用于期刊号ISSN，图书号ISBN用978为前缀，我国被分配使用7开头的ISBN号，因此我国出版社出版的图书上的条码全部为9787开.
以条形码6936983800013为例
此条形码分为4个部分，从左到右分别为：
1-3位：
共3位，对应该条码的693，是中国的国家代码之一。
（690--695都是中国的代码，由国际上分配）
4-8位：
共5位，对应该条码的69838，代表着生产厂商代码，由厂商申请，国家分配
9-12位：
共4位，对应该条码的0001，代表着厂内商品代码，由厂商自行确定
第13位：
共1位，对应该条码的3，是校验码，依据一定的算法，由前面12位数字计算而得到。
首先，把条形码从右往左依次编序号为“1,2,3,4……”从序号二开始把所有奇数序号位上的数相加求和，用求出的和乘3，再把所有偶数序号上的数相加求和，用求出的和加上刚才奇数序号上的数的和乘3的积，然后得出和。
再用大于或等于这个和的最小的10的倍数减去这个和，就得出校验
2.3.2条码扫描器MS-890特点
Microscan是一家专注于精确的数据采集与控制解决方案，为众多行业的自动化与OEM客户提供服务的全球技术领先公司。
其产品是高精度的仪器。
从高速条码读取这一类业务直到通过机器视觉进行高精度定向、安放和坐标检查，Microscan产品都可靠地执行复杂的数据采集任务。
Microscan在80年代初就以发明第一款激光二极管条码扫描器以及发明二维数据矩阵符号，在自动识别（AutoID）产业掀起了一场革命。
时至今日，Microscan继续在条码读取和机器视觉领域进行新产品开发，仍然是公认的技术领先者。
MS-890是一种重型扫描器，具有极高的灵活性，用于在各种工厂条件下解决大量实际应用。
它每秒解码次数：
400至1000次读取范围；10至120”（254至3048mm）；IP65封装；可选IB-890接线盒它具备经扩展的读码范围以及智能扫描光栅，为线性条码以及堆栈标签提供了强大的读取功能。
多功能和坚实的设计，使MS-890成为理想的工业用扫面器。
读码范围广：
MS-890光学系统的设计，旨在能够以扩展或变化的距离成功读码，例如在传送带或组装区域周围的安全地带或间隙地带进行读码。
可见指示器：
发光LED指示灯位于MS-890对于所有成功读码提供即时视觉确认。
有效读取绿色闪光从前窗投射出，在扫描器的360度范围内清晰可见。
可选接线盒：
IB-890接线盒提供了方便灵活的集成性，不需要任何特殊电缆或连接器。
其功能包括：
•以太网
•插接式继电器模快
•接线条的连接性
•与手持式扫描器的连接性
智能光栅：
MS-890的特色之一是可以为扫描角度和速度进行优化的智能光栅，从而可以读取多个符号15或安置不一致的标签。
自动校准：
自动校准功能可自动确定并选择焦距、增益值和跟踪性能等的最佳读取设置。
条码编程：
可在车间就地更改扫描器，方法十分简单，只需要对准条码并按EZ按钮。
使用此功能可很方便的在多台MS-890扫描器上重复进行设置。
2.3.3MS-890的应用领域
条码扫描器广泛应用于商业POS收银系统、快递仓储物流、图书服装医药、银行保险通讯等多个领域的需求。
键盘接口，USB接口和RS232接口三种接口可供选择。
产品标配包括扫描枪主机，USB数据线，手册以及白色支架；快递公司\仓储物流\仓库盘点\超市卖场\图书服饰店等,只要有条码的地方就有镭码存在。
而正因MS-890扫描范围广，其广泛应用在轻工业到重工业升降机或传送带。
第三章物料运输控制系统的硬件设计
3.1主要器件的选型
3.1.1步进电机及其驱动器的选型
A）步进电机的选择
步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。
其型号的选择就是通过三大要素来确定
1、步距角的选择
电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。
电机的步距角应等于或小于此角度。
目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等
2、静力矩的选择
步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。
静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。
单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。
直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。
一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）
3、电流的选择
静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）
综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：
4、力矩与功率换算
步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：
P=Ω·M
Ω=2π·n/60
P=2πnM/60
其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·米
P=2πfM/400（半步工作）
其中f为每秒脉冲数（简称PPS）
B）步进电机应用中要注意的地方
1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS），最好在1000-3000PPS（0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。
2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。
3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值，可根据驱动器选择驱动电压（建议：
57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。
4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。
5、
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