基于PLC控制机电一体化物料分拣系统设计毕业论文Word格式文档下载.doc
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在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。
随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。
同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作，更需要自动控制系统来实现。
现在工业控制的三大支柱中PLC控制越来得到重视，在本设计中难点的是搬运机械手的设计。
机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。
工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。
尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。
在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。
本设计模拟生产线系统，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，对物料的存放，机械手的上下、左右、步进旋转以及抓取运动，物料的传输速度、分拣进行控制。
我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，模拟实现了系统控制的机电一体化。
由于个人水平限制，在设计的过程中多加了一份心，不断的学习，力求做得更好。
所说如此但在设计中仍存在着许多问题，希望老师、同学们能够给予批评指正，在此深表谢意！
第1章可编程序控制的概述
1.1PLC的产生和定义
PLC是以自动控制技术、微计算机技术、和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置，现在随着微处理器技术的发展，PLC得到了迅速的发展，也在社会各领域的生产得到了越来越多的应用。
1.1.1PLC的产生
20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，为了适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司（GM）公开招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：
（1）编程方便，可现场修改程序；
（2）维修方便，采用插件式结构；
（3）可靠性高于继电器控制装置；
（4）体积小于继电器控制盘；
（5）数据可直接送入管理计算机；
（6）成本可与继电器控制盘竞争；
（7）输入可以是交流市电（115V）（美国电压标准）
（8）输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器、电磁阀等；
（9）扩展时原系统改变小；
（10）用户程序存储器至少能扩展到4KB。
以上这就是著名的“GM十条”。
1969年美国数字设备公司（DEC）中标后，制造出世界上第一台可编程序控制器。
（ProgrammableLogicController,简称PLC）。
以下便是较早研制的PLC：
1969年，美国研制出世界第一台PDP-14（如图1.1）
1971年，日本研制出第一台DCS-8
图1.1PDP-14
1973年，德国研制出第一台PLC
1974年，中国研制出第一台PLC
16位和32位微处理器的应用，使PLC得到了惊人的发展，现在已经成为自动化技术的三大支柱之一。
1.1.2PLC的定义及发展
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。
现在的PLC产品已经使用了16位、32位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多通道处理，通信技术使PLC的应用得到进一步发展。
PLC的技术已经比较成熟。
目前，世界上有200多个厂家生产PLC产品，国厂家的PLC影响率和市场占有率很小，主要是国外品牌。
比较著名的有美国的AB、通用（GE）、莫迪康（MODICON）、日本的三菱（MITSUBISHI）、欧姆龙（OMRON）、富士电机（FUJI）、松下电工、德国的西门子（SIEMENS）、法国的TE、施耐德（SCHNEIDER）、韩国的三星（SAMSUNG）、LG等。
1.2PLC的特点和其它典型的控制系统的区别
1.2.1PLC的特点
（1）抗干扰能力强，可靠性高
（3）编程方便，易于使用
（3）功能强、速度快、精度高
（4）通用性好
（5）体积小，重量轻，耗能低，适应环境强，不需专门的机房和空调
1.2.2PLC与继电器控制系统的区别
（1）控制逻辑
继电器控制逻辑采用硬连线逻辑；
PLC采用存储器逻辑，也称“软连线”逻辑。
（2）工作方式
继电器控制线路属并行工作方式；
PLC属串行工作方式。
（3）可靠性和可维护性
继电器控制线路使用了大量的机械触点，连线也多，可靠性和可维护性差；
PLC控制逻辑，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。
（4）控制速度
继电器控制线路控制速度低；
PLC控制速度高。
（5）定时控制
继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制，精度低；
PLC利用定时器进行时间控制，精度高，定时围大。
（6）设计和施工
继电器控制逻辑周期长；
PLC周期短。
1.3PLC的应用领域和发展趋势
1.3.1PLC的应用领域
目前，PLC在国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。
1.3.2PLC发展趋势
PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。
具体表现在以下几方面。
（1）向小型化、专用化、低成本方向发展
（2）向大容量、高速度方向发展
（3）智能型I/O模块的发展
（4）基于PC的编程软件取代编程器
（5）PLC编程语言的标准化
（6）PLC通信的易用化
（7）组态软件与PLC的软件化
（9）PLC与现场总线相结合
1.4PLC的分类及系统的组成和工作原理
1.4.1PLC的分类
（1）按I/O点数容量分类
1）小型机
小型机的功能一般以开关量控制为主，小型PLC输入、输出总点数一般在256点以下，用户程序存储器容量在4K字左右。
例如：
SIEMENS的S7-200系列（如图1.2）；
OMRON的CPM2A系列；
MITSUBISHI的FX系列；
AB的SCL500系列等。
图1.2西门子S7-200系列
2）中型机
中型机的输入、输出总点数在256~2048点之间。
，用户程序存储器容量在8K字左右。
SIEMENS的S7-300系列；
OMRON的C200系列；
AB的SCL500系列等模块式PLC产品。
3）大型机
大型PLC的输入、输出总点数在2048点以上，用户程序存储器容量达到16K字以上。
典型的大型PLC有SIEMENS的S7-400、OMRON的CVM1和CS1系列、AB的SLC5/05等系列产品。
（2）按结构形式分
根据PLC的结构形式的不同，PLC主要分为整体式和模块式两种。
1）整体式结构
其特点是将PLC的基本部件，如CPU板，输入板、输出板、电源板等紧凑地安装在一个标准机壳，构成一个整体，组成PLC的一个基本单元（主机）或扩展单元。
小型PLC一般为整体式结构。
2）模块式结构
PLC由一些模块单元组成，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块、通信模块和各种功能模块等。
目前，大中型PLC均采用模块式结构（如图1.3所示）。
图1.3大中型模块式PLC
1.4.2PLC的系统组成
PLC主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成（如图1.4所示）。
（1）中央处理单元（CPU）
（2）存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。
系统存储器用来存放由PLC厂家编写的系统程序，并固化在ROM，用户不能更改。
系统程序包括三部分：
系统管理程序、用户指令解释程序以及标准程序模块与系统调用。
图1.4PLC硬件结构图
用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）两部分。
用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。
用户数据存储器可以用来存放用户程序中所使用器件的ON/OFF状态和数值、数等。
PLC使用的存储器类型有三种：
1）随机存取存储器（RAM）
2）只读存储器（ROM）
3）可电擦除可编程的只读存储器（EEPROM）
（3）输入/输出单元
PLC的输入/输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。
输入/输出单元包括两部分：
一是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。
1）输入接口电路
通常PLC的输入接口电路的类型可以是直流、交流和交直流。
输入电路的电源（+24V）可由外部供给，有的也可以由PLC部提供。
2）输出接口电路
输出接口电路通常有三种类型：
继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。
电源由外部提供，输出电流一般为0.5~2A，输出电流的额定值与负载的性质有关。
（4）电源部分
PLC一般使用220V的交流电源，部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、±
12V、24V等直流电源，使PLC能正常工作。
（5）扩展接口
（6）通信接口
（7）编程器
编程器的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视，分简易型和智能型。
（8）其他部件
1.4.3PLC的工作原理
PLC的工作方式与运行框图（如图1.5所示）。
图1.5运行框图
继电器控制系统是“硬连线逻辑系统”，采用的是并行工作方式；
而PLC是一种工业控制计算机系统，采用的是串行工作方式。
概括而言，PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。
每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。
当PLC正常工作时，它将不断重复上图中的扫描过程。
如果暂不考虑对远程I/O特殊模块和通信服务，扫描过程就只剩下“输入采样”、“程序执行”和“输出刷新”了。
这三个阶段是PLC工作过程的中心容。
（1）输入采样阶段
PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器中。
此时，输入映像寄存器被刷新。
接着，进入程序执行阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号怎样变化，其容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新容。
（2）程序执行阶段
根据PLC梯形图程序扫描原则，PLC按从左到右、从上到下的顺序执行用户程序。
当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”对应的状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件（软继电器）的当前状态。
然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。
因此，每一个元件（不包括输入继电器）的状态会随着程序执行过程而变化的。
（3）输出刷新阶段
在所有用户程序的指令执行完毕后,元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，最后经过输出端子驱动外部负载,实现控制命令的输出。
PLC对输入/输出的处理原则
（1）输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上一扫描周期的输入刷新期间的接通和断开状态。
（2）程序执行结果取决于用户所编程序和输入/输出映像寄存器的容及其他个各元件映像寄存器的容。
（3）输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。
（4）输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。
（5）输出端子的接通和断开状态，由输出锁存器决定。
1.5PLC的编程语言和程序结构
1.5.1PLC的编程语言
PLC提供的编程语言通常有：
梯形图（LAD）、语句表（STL）、功能图（SFC）和功能块图（FBD）。
（1）梯形图（LAD）
梯形图（Ladder）编程语言（如图1.6所示）是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。
两者基本思想一致，只是在使用符号和表达式上有一定区别。
图1.6梯形图
梯形图中一个关键概念是“能流”（PowerFlow），这只是概念上的“能流”。
如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励。
如没有“能流”，则线圈未被激励。
梯形图语言简单明了，易于理解，是所有编程语言的首选。
（2）语句表（STL）
语句表（StatementsList）类似于计算机中的助记符语言（如图1.7所示），它是用一个或几个容易记忆的字符来代表PLC的某种操作功能。
图1.7语句表
（3）顺序功能流程图（SFC）
顺序功能流程图（SequenceFunctionChart）编程是一种图形化的编程方法（如图1.8所示），亦称功图。
使用它可以对具有并行发生、多种选择等复杂结构的系统进行编程。
许多PLC提供了用于SFC编程的指令。
第六章详述。
图1.8顺序功能流程图
（4）功能块图（FBD）
S7-200的PLC专门提供了功能块图（FunctionBlockDiagram）编程语言（如图1.9所示），利用FBD可以查看到像普通逻辑门图形的逻辑框指令。
它没有梯形图编程器中的触点和线圈，但有与之等价的指令，这些指令是作为逻辑框指令出现的，程序逻辑由这些逻辑框指令之间的连接决定。
图1.9电机正反转功能块图
1.5.2PLC的程序结构
控制一个任务或过程，是通过在RUN方式下，使PLC循环扫描并连续执行用户程序来实现的，用户程序决定了一个控制系统的功能。
广义上的用户程序由三部分组成：
用户程序、数据块和参数块。
（1）用户程序
也称组织块，一般包括一个主程序，若干子程序和若干中断程序。
（2）数据块（可选）
主要存放控制程序运行所需的数据。
（3）参数块（可选）
存放CPU的组态数据，用户若未进行CPU的组态，则系统以默认值进行自动配置。
第2章系统的组成、机构功能与控制要求
第1章主要对系统的核心——可编程控制器进行了介绍，本章中将对组成该系统的其它机构进行介绍。
2.1系统的组成
机电一体化物料分拣系统由上料机构、搬运机械手、皮带输送线、物件分拣等机构组成，通过PLC连接控制的模拟机电一体化生产线。
其PLC控制工作流程图如下图（图2.1）。
送料机构
无物料报警停机
物料光电检测
有物料驱动机械手
机械手抓料取走
机械手臂旋转
机械手放料后回原点
传送和分拣机构
图2.1PLC工作流程
2.2系统机构的组成与功能
2.2.1上料机构
上料机构的组要组成部分如下图所示（图2.2）。
图2.2
（1）主要组成与功能
上料机构由井式工件库、光电传感器、工件、存放料台、推料气缸、安装支架等组成。
主要完成将工件依次送至存放料台上。
没有工件时，报警指示黄灯闪烁，放入工件后闪烁自动停止。
1）光电传感器：
物料检测传感器为光电漫反射型传感器，检测到有物料时推料气缸将物料推出到存放料台，有物料时为PLC提供一个输入信号。
2）推料气缸：
依次将工件推到存放料台上，由单相电控气阀控制。
3）警示灯：
在设备停止时警示红灯亮，在设备运行时警示绿灯，在无物料时警示黄灯闪烁。
4）井式工件库：
用于存放Ф32mm工件，料筒侧面有观察槽。
5）安装支架：
用于安装工件库和推料气缸。
（2）主要技术指标
1）控制电源：
直流24V/6A
2）PLC控制器——三菱
3）光电传感器：
E3Z-LS63、SB03-1K
4）磁性传感器：
D-A73
5）单杆气缸：
CDJ2B16-75-A
6）警示灯：
JD501-L01G/R/Y024
2.2.2搬运机械手机构
搬运机械手的组要组成部分如下图所示（图2.3）。
图2.3
搬运机械手由气动手爪、双导杆气缸、单杆气缸、电感传感器、磁性传感器、多种类型电磁阀、步进电机及驱动器组成。
主要完成通过气动机械手手臂前伸，前臂下降，气动手指夹紧物料，前臂上升，手臂缩回，手臂旋转到位，手臂前伸，前臂下降，手爪松开将物料放入料口，机械手返回原位，等待下一个物料到位等动作。
1）气动手爪：
完成工件的抓取动作，由双向电控阀控制，手爪夹紧时磁性传感器有信号输出，磁性开关指示灯亮。
2）双导杆气缸：
控制机械手臂伸出、缩回，由电控气阀控制。
3）单杆气缸：
控制气动手爪的提升、下降，由电控气阀控制。
4）电感传感器：
机械手臂左摆或右摆到位后，电感传感器有信号输出。
（接线注意棕色接“+”、蓝色接“-”、黑色接“输出”）。
5）磁性传感器：
用于气缸的位置检测。
当检测到气缸准确到位后将给PLC发出一个到位信号。
（磁性传感器接线时注意蓝色接“-”，棕色接“PLC输入端”）。
5）步进电机及驱动器：
用于控制机械手手臂的旋转。
通过脉冲个数进行精确定位。
3）电磁阀：
4V120-06、4V130-06
4）调速阀：
出气节流式
D-A73、D-Y59B
6）气缸：
CDJ2KB16-45-A、CXSM15-100
7）气动手指：
MHZ2-10D
8）电感式传感器:
LE4-1K
9）步进电机：
57BYG350CL-SAKSML050
10）步进驱动器：
3MD560
2.2.3皮带输送与分拣机构
皮带传送与分拣机构组要组成部分如下图所示（图2.4）。
图2.4
皮带输送与分拣机构由皮带输送线、分拣料槽、单杆气缸、旋转气缸、三相异步电动机、磁性传感器、光电传感器、电感传感器、光纤传感器及电磁阀等组成。
主要完成物料的输送、分拣任务。
当有物料放入时，给PLC一个输入信号。
2）入料口：
物料入料位置定位。
3）电感式传感器：
检测金属材料，检测距离为2~5mm（接线注意棕色接“+”、蓝色接“-”、黑色接“输出”）。
4）光纤传感器：
用于检测非金属的白色物料，检测距离为3~8mm，检测距离可通过传感器放大器的电位器调节。
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