自動生產(chǎn)線分揀站控制系統(tǒng)設計

1、河 南 工 業(yè) 職 業(yè) 技 術 學 院 Henan Polytechnic Institute 畢業(yè)設計（論文）自動生產(chǎn)線分揀站控制系統(tǒng)設計班 級機電1003班姓 名楊金光指導教師朱文琦 自動生產(chǎn)線分揀站（PLC+直流伺服電機+氣動元件）控制系統(tǒng)設計摘 要面對激烈的市場競爭，一個企業(yè)的生產(chǎn)效率是其能否生存和發(fā)展的決定性因素。要想提高生產(chǎn)效率就必須提高各個環(huán)節(jié)的效率，產(chǎn)品自動化控制系統(tǒng)的使用是現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常使用的控制系統(tǒng)之一。比如工件分揀這個環(huán)節(jié)，有沒有自動分揀系統(tǒng)就成為判斷條件之一，也是必須的條件。本文在縱觀了近年來自動化發(fā)展狀況的基礎上，結合自動化方面的設計，對自動化技術進行了系統(tǒng)的分析，

2、提出了用氣動驅動和PLC控制的設計方案。采用整體化的設計思想，充分考慮了軟、硬件各自的特點并進行互補優(yōu)化。對物料分揀的整體結構、執(zhí)行結構、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了分析和設計。在其驅動系統(tǒng)中采用氣動驅動，采用氣壓驅動系統(tǒng)，具有動作迅速、準確、結構簡單、安裝方便、可靠等一系列優(yōu)點。最后提出了一種簡單、易于實現(xiàn)、理論意義明確的控制策略。通過以上部分的工作，得出了經(jīng)濟型、實用型、高可靠型物料分揀系統(tǒng)的設計方案，對其他經(jīng)濟型PLC控制系統(tǒng)的設計也有一定的借鑒價值。關鍵詞: 物料分揀，氣動驅動，可編程控制器（PLC），自動化控制 ABSTRACTPLC control is the most common

3、ly used industrial automation control method, because of its convenient control to withstand an adverse environment, it is better than MCU control in the industrial. PLC traditional relay control technology, computer and communication technologies are integrated specifically for industrial control a

4、nd design, have strong function, common flexible, high reliability and environmental adaptability, and programming simple, easy to use and small size, light weight, a series of low-power advantages in industrial applications become more extensive. This paper focuses on the PLC in the canned beverage

5、 production, The design of an automatic sorting device with low cost and high efficiency is presented in the paper, which regards programmable logic controller ( PLC) as the master controller and combines pneumatic device, sensing technology, position control and other technology to implement automa

6、tic selecting of the products live. The device is characteristic of high automation, steady running, high precision and easy control, which can fulfill the requirement according to different situations with little modifications.Key words： programmable logic controller，sorting device，control system，s

7、ensors 目 錄摘 要I目 錄II第一章緒 論1§1.1課題研究的背景1§1.2課題研究的目的和意義1第二章 自動化分揀系統(tǒng)的構成與工作原理2§2.1自動化生產(chǎn)線的核心技術2§2.2自動化分揀單元工作過程2§2.3分揀單元的結構組成3§傳送和分揀機構3§驅動模塊4§電磁閥組5§2.4分揀中的傳感器6§光纖傳感器6§光電傳感器7§磁感應接近式傳感器7§2.4.4 金屬傳感器8第三章 執(zhí)行系統(tǒng)的分析與設計9§3.1氣動技術在氣動裝置中的設計9§3

8、.1.1 氣泵的認識與選擇9§空氣壓縮機9§儲氣罐10§氣動控制元件的認識11§3.2 分揀站的執(zhí)行元件14§3.2.1 氣動執(zhí)行元件14§3.3傳動機構16§直流伺服電機的認識與選擇16§3.4伺服控制器的認識18§3.5旋轉編碼器概述18第四章 控制系統(tǒng)的分析與設計20§4.1分揀單元的 PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則20§分揀站的工作原理20§4.1.2 PLC機型的選擇20§確定PLC的容量22§4.1.4 確定PLC的IO模塊23§4.1

9、.5 PLC種類及型號的確定24§4.2 PLC的I/O 接線及氣路圖24§4.3分揀單元的編程要點27§4.3.1 高速計數(shù)器的編程27§程序結構30§4.4 編寫和調試PLC控制程序32§4.4.1 編寫程序的思路32§4.4.2 功能測試程序的結構33§調試與運行33總 結34參考文獻35致 謝36 附 錄37第一章緒 論§1.1課題研究的背景在時代的前進過程中自動化科學技術已對整個科學技術的理論和實踐做了重要貢獻，并為人類社會帶來了巨大利益。，近年來，自動控制的另一個發(fā)展方向智能控制取得了較大進展

10、，智能控制理論不同于經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的處理方法，控制器不再是單一的數(shù)學解析模型，而是數(shù)學解析模型與知識系統(tǒng)相結合的廣義模型。它以控制理論、計算機科學、人工智能、運籌學等學科為基礎，將傳統(tǒng)控制理論和人工智能相結合，模仿人的智能來研究解決復雜控制問題。因此，智能控制技術特別是神經(jīng)網(wǎng)絡技術和模糊控制技術可以彌補常規(guī)方法的局限性，使得不確定性和未知非線性系統(tǒng)的自適應控制成為可能。目前，將智能控制技術應用于非線性系統(tǒng)的自適應控制已成為非線性控制理論中的一個重要方面。§1.2課題研究的目的和意義本課題的目的是研究以PLC為核心，為產(chǎn)品分揀自動生產(chǎn)線設計一個電氣控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)應能使

11、產(chǎn)品分揀自動生產(chǎn)線具有全線全自動分揀功能，并能完成對混雜在一起的三種不同產(chǎn)品的分揀的控制要求；應具有啟動、預停、和計數(shù)功能；具有短路保護、過載保護、欠壓保護功能。具有提高工效、促進生產(chǎn)自動化，提高生產(chǎn)效率和減輕勞動力作用，為前沿的產(chǎn)品應自動化設備更新時的需要提供必備條件，可以廣泛應用于機械制造、電子、輕工業(yè)和物流等部門。第二章 自動化分揀系統(tǒng)的構成與工作原理§2.1自動化生產(chǎn)線的核心技術PLC就像人的大腦；光電傳感器就像人的眼睛；電機與皮帶輸送帶就像人的腿電磁閥組就像人的肌肉；人機界面就像人的嘴巴；軟件就像人的大腦的中樞神經(jīng)。磁性開關就像人的觸覺；直線氣缸就像人的手和胳膊；通信總線就

12、像人的神經(jīng)系統(tǒng)，而分揀站中同樣具有這些技術，下面就讓我們進行研究吧。§2.2自動化分揀單元工作過程分揀單元是自動化生產(chǎn)線中的最末單元，完成對上一單元送來的已加工、裝配的工件進行分揀，使不同顏色的工件從不同的料槽分流的功能。當輸送站送來工件放到傳送帶上并被入料口的光電傳感器檢測到時，電機啟動，工件開始送入分揀區(qū)進行分揀。如圖2-1所示圖2-1分揀單元實物§2.3分揀單元的結構組成圖2-2分揀單元實物的全貌分揀單元的結構組成如圖2-2所示。其主要結構組成為：傳送和分揀機構，傳動機構，控制模塊，電磁閥組，接線端口，PLC模塊，底板等。§2.3.1傳送和分揀機構傳送和分揀

13、機構中將傳送已經(jīng)加工、裝配好的工件，在光纖傳感器檢測到并進行分揀。它主要由傳送帶、料抖、物料槽、推料（分揀）氣缸、光電傳感器、光纖傳感器、磁感應接近式傳感器、金屬傳感器組成。傳送帶是把機械手輸送過來加工好的工件進行傳輸，輸送至分揀區(qū)。料抖是用糾偏機械手輸送過來的工件。三條物料槽分別用于存放加工好的金屬工件、黑色工件和白色工件。傳送和分揀的工作原理：本站的功能是完成從裝配站送來的裝配好的工件進行分揀。當輸送站送來工件放到傳送帶上并為入料口的漫射式光電傳感器檢測到時，將信號傳輸給PLC，通過PLC的程序使啟動變頻器，電機運轉驅動傳送帶工作，把工件帶進分揀區(qū)，如果進入分揀區(qū)的為金屬塊，則被磁感應接近

14、開關動作，1號氣缸動作，金屬塊被推入1號槽；如果進入分揀區(qū)工件為白色，則檢測白色物料的光纖傳感器動作，作為2號槽推料氣缸啟動信號，將白色料推到2號槽里，如果進入分揀區(qū)工件為黑色，檢測黑色的光纖傳感器作為3號槽推料氣缸啟動信號，將黑色料推到3號槽里。自動生產(chǎn)線的加工結束。在每個料槽的對面都裝有推料（分揀）氣缸，把分揀出的工件推到對號的料槽中。在三個推料（分揀）氣缸的前極限位置分別裝有磁感應接近開關，在PLC的自動控制可根據(jù)該信號來判別分揀氣缸當前所處位置。當推料（分揀）氣缸將物料推出時磁感應接近開關動作輸出信號為“1”，反之，輸出信號為“0”。為了準確且平穩(wěn)地把工件從滑槽中間推出，需要仔細地調整

15、三個分揀氣缸的位置和氣缸活塞桿的伸出速度。在傳送帶入料口位置裝有光電式傳感器，用以檢測是否有工件輸送過來進行分揀。有工件時，光電式傳感器將信號傳輸給PLC，用戶PLC程序輸出啟動控制器信號，從而驅動直流伺服電動機啟動，將工件輸送至分揀區(qū)。§2.3.2驅動模塊驅動控制輸出正旋波的驅動電源是以恒電壓頻率比（U/f）保持磁不變?yōu)榛A的（SPWM）驅動主電路，以產(chǎn)生脈沖直流電壓以驅動直流電動機轉動。§2.3.3電磁閥組分揀單元的電磁閥組（如圖2-3所示）只使用了三個由三位五通的帶手控開關的單電控電磁閥，它們安裝在匯流板上。這三個閥分別對金屬氣缸、白料推動氣和黑料推動氣缸的氣路進行控

16、制，以改變各自的動作狀態(tài)。圖2-3電磁閥組所采用的電磁閥所帶手控開關有鎖定（LOCK）和開啟（PUSH）2種位置。在進行設備調試時，使手控開關處于開啟位置，可以使用手控開關對電磁閥組進行控制，從而實現(xiàn)對相應氣路的控制，以改變推料缸等執(zhí)行機構的控制，達到調試的目的。分揀單元的兩個電磁閥安裝時需注意，一是安裝位置，應使得工件從滑槽中間推出，二是要安裝水平，或稍微略向下，否則推出時導致工件翻轉。所采用的電磁閥所帶手控開關有鎖定（LOCK）和開啟（PUSH）2種位置。在進行設備調試時，使手控開關處于開啟位置，可以使用手控開關對電磁閥進行控制，從而實現(xiàn)對相應氣路的控制，以改變推料缸等執(zhí)行機構的控制，達到

17、調試的目的。§2.4分揀中的傳感器§2.4.1光纖傳感器在傳送帶上方分別裝有兩個光纖傳感器如圖2-4所示，光纖傳感器由光纖檢圖2-4光纖傳感器測頭、光纖放大器兩部分組成，放大器和光纖檢測頭是分離的兩個部分，光纖檢測頭的尾端部分分成兩條光纖，使用時分別插入放大器的兩個光纖孔。圖2-4 光纖傳感器光纖式光電接近開關的放大器的靈敏度調節(jié)范圍較大。當光纖傳感器靈敏度調得較小時，反射性較差的黑色物體，光電探測器無法接收到反射信號；而反射性較好的白色物體，光電探測器就可以接收到反射信號。反之，若調高光纖傳感器靈敏度，則即使對反射性較差的黑色物體，光電探測器也可以接收到反射信號。從而可以

18、通過調節(jié)靈敏度判別黑白兩種顏色物體，將兩種物料區(qū)分開，從而完成自動分揀工序。§2.4.2光電傳感器光電式傳感器是用光電轉換器件作敏感元件、將光信號轉換為電信號的裝置。光電式傳感器的種類很多，按照其輸出信號的形式，可以分為模擬式、數(shù)字式、開關量輸出式。（如圖2-5所示） 以開關量形式輸出的光電傳感器，即為光電式接近開關。圖2-5光電傳感器光電式接近開關,利用光電效應制成的傳感器稱為光電式傳感器。光電式傳感器的種類很多，其中輸出形式為開關量的傳感器為光電式接近開關。 自動化生產(chǎn)分揀中當工件進入的輸送帶上時，分揀站上的光電開關發(fā)射出的光線被自身的光敏元件接受，光電開關輸出信號是傳送帶運轉。

19、用在環(huán)境比較好、無灰塵、無粉塵污染的場合，為非接觸式測量，對被測物體無任何影響，在工業(yè)中得到廣泛應用。 其原理是利用光敏三極管、光敏二極管射回的光的強弱或有無光線、光敏電阻或光敏電池檢測反從而檢測是否存在物體。§2.4.3磁感應接近式傳感器自動化中所使用的氣缸都是帶磁性開關的氣缸。這些氣缸的缸筒采用導磁性弱、隔磁性強的材料，如硬鋁、不銹鋼等。在非磁性體的活塞上安裝一個永久磁（2-6所示）定工件是否被推出或氣缸是否返回。圖2-6磁感應式接近開關在磁性開關上設置的LED顯示用于顯示其信號狀態(tài)，供調試時使用。磁性開關動作時，輸出信號“1”，LED亮；磁性開關沒有動作時，輸出信號“0”，LE

20、D不亮。磁性開關的安裝位置可以調整，調整方法是松開它的緊定螺栓，讓磁性開關順著氣缸滑動，到達指定位置后，再旋緊緊定螺栓。§2.4.4 金屬傳感器金屬傳感器又叫電感式接近開關。為了檢測物料是否為金屬，在分揀工件導向件右側裝有一個電感傳感器（2-7所示）圖2-7金屬傳感器實物圖其原理是利用電渦流原理制成的，利用電渦流效應制成的具有開關量輸出的位置傳感器，它由LC高頻振蕩和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個能產(chǎn)生電磁場的振蕩感應頭時，使物體內部產(chǎn)生電渦流，這個渦流反過來作用于接近開關使接近開關振蕩能力減弱，導致內部參數(shù)發(fā)生變化，由此來識別是否是金屬物料，進而控制開關的開與斷。第三章

21、執(zhí)行系統(tǒng)的分析與設計§3.1氣動技術在氣動裝置中的設計§3.1.1 氣泵的認識與選擇氣泵包括：空氣壓縮機安全保護器、儲氣罐、主管道過濾器、壓力開關、過載壓力表、氣源開關（如圖3-1所示）。圖3-1氣泵及其周圍元件氣源處理組件是氣動控制系統(tǒng)中的基本組成器件，它的作用是除去壓縮空氣中所含的雜質及凝結水，調節(jié)并保持恒定的工作壓力。在使用時，應注意經(jīng)常檢查過濾器中凝結水的水位，在超過最高標線以前，必須排放，以免被重新吸入。氣源處理組件的氣路入口處安裝一個快速氣路開關，用于啟/閉氣源，當把氣路開關向左拔出時，氣路接通氣源，反之把氣路開關向右推入時氣路關閉。§3.1.2空氣壓

22、縮機 空氣壓縮機是產(chǎn)生壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置，是氣源主要的設備（如圖3-2所示）。按結構和工作原理可分為速度型和容積型兩大類。容積型壓縮機是利用特殊形狀的轉子或活塞壓縮吸入封閉容積室空氣的體積來增加空氣的壓力。容積型結構簡單、使用方便。本設計選用容積型壓縮機。.空壓機供氣量的大小應包括：目前氣動系統(tǒng)中各設備所需的耗氣量、考慮未來擴充設備所需耗氣量及修正系數(shù)（如避免空壓機在全負荷下不停地運轉、氣動元件和管接頭的漏損及各種氣動設備是否同時連續(xù)使用等）。其公式為Qc=kQ Q為氣動系統(tǒng)的最大耗氣量（m3Min），K為修正系數(shù)。一般可取=1.31.5。 有了供氣壓力與供氣量，按空壓機的特性要求，選擇空

23、壓機的類型和型號。圖3-2 壓縮機及儲氣罐§儲氣罐儲氣罐可以調節(jié)氣流，減少輸出氣流的脈動，使輸出氣流連續(xù)和氣壓穩(wěn)定，也可以作為應急氣源使用，還可以進一步分離油水雜質（如圖3-2所示）。儲氣罐上裝有安全閥，使其極限壓力比正常工作壓力高10%，并裝有指示罐內壓力的壓力表和排污閥等。罐的型式可分為立式和臥式兩種。本設計選用立式儲氣罐，因為它的進氣口在下，出氣口在上，以利用進一步分離空氣中的油、水。§3.1.4氣動控制元件的認識自動化中使用的氣動控制元件按其作用和功能有壓力控制閥、方向控制閥、和流量控制閥。一、 壓力控制閥調節(jié)和控制壓力大小的氣動元件稱為壓力控制閥。它包括調壓閥、溢

24、流閥、順序閥及多功能組合閥。1、 調壓閥是出口側壓力可調，并能保持出口側壓力穩(wěn)定的壓力控制閥。（如圖3-3）圖3-3壓力調節(jié)閥及過濾干燥系統(tǒng)2、 減壓閥 減壓閥的作用是降低由空氣壓縮機來的壓力，以適于每臺氣動設備的需要部分壓力保持穩(wěn)定。3、 溢流閥 溢流閥的作用是當系統(tǒng)壓力超過調定值時，便自動排氣，使系統(tǒng)的壓力下降，以保證系統(tǒng)安全，故也稱其為安全閥。4、 調速閥是根據(jù)“流量負反饋”原理設計而成的單路流量閥。調速閥一般用于執(zhí)行元件負載變化大而運動速度要求穩(wěn)定的系統(tǒng)中。調速閥根據(jù)“串聯(lián)減壓式”和“并聯(lián)溢流式”，又分為調速閥和溢流節(jié)流閥兩種主要類型。本設計選用串聯(lián)減壓式調速閥。二、 方向控制閥方向控

25、制閥是改變壓縮空氣流動方向和氣流通斷狀態(tài)，使氣動執(zhí)行元件的動作或狀態(tài)發(fā)生變換的控制閥，其通?？煞譃閱蜗蛐涂刂崎y和換向型控制閥兩類。1. 單向型控制閥單向閥是指氣流只能向一個方向流動而不能反向流動通過的閥，是最簡單的單向型方向閥。在氣動系統(tǒng)中，單向閥除單獨使用之外，經(jīng)常與流量閥、換向閥和壓力閥組合成只能單向控制的閥。單向調速閥就是單向閥與節(jié)流閥并聯(lián)而成。單向調速閥是把節(jié)流閥芯分成了上閥芯和下閥芯兩部分。當流體正向流動時，其節(jié)流過程與調速閥是一樣的，節(jié)流縫隙的大小可通過手柄進行調節(jié)；當流體反向流動時，靠流體的壓力把閥芯壓下，下閥芯起單向閥作用，單向閥打開，可實現(xiàn)流體反向自由流動。當正向流動時，經(jīng)過

26、節(jié)流閥節(jié)流。當反向流動時，單向閥打開，不能節(jié)流。2. 換向型控制閥換向型方向控制閥按控制方式分類，分為氣壓控制、電磁控制、人力控制。換向閥是利用閥芯和閥體間相對位置的不同來變換不同管路間的通斷關系，實現(xiàn)接通、切斷，或改變流體方向的閥。它的用途很廣，種類也很多。按換向閥的操縱方式有：手動式、機動式、電磁式、液動式、電液動式、氣動式。4圖3-4雙電控氣閥示意圖注意：雙電控電磁閥的兩個電控信號不能同時為“1”，即在控制過程中不允許兩個線圈同時得電，否則，可能會造成電磁線圈燒毀，當然，在這種情況下閥芯的位置是不確定的。三、 輔助元件輔助元件是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤滑、元件間的連接及消聲等所必須的

27、?？煞譃闅庠磧艋b置和其他輔助元件兩大類。1. 源凈化裝置過濾器、調壓閥和油霧器等組合在一起稱為空氣處理單元，又稱為氣動三聯(lián)件。壓縮的空氣中含有各種雜質，這些雜質的存在會降低氣動元件的耐用度和性能，造成誤動作和事故，必須清除?？諝馓幚韱卧褪怯脕砬宄龎嚎s空氣的雜質，提高空氣質量的元件。2. 消聲器消聲器是降低排氣噪聲的裝置。壓縮空氣完成驅動工作后，由換向閥的排氣口排入大氣。此時的壓縮空氣是以接近音速的狀態(tài)進入大氣，由于壓力的驟然變化，使空氣急速膨脹從而發(fā)出噪音，其音量一般為80dB100dB，為了改善勞動條件，應使用消聲器。常用的消聲器有三種類型吸收型、膨脹型和吸收膨脹型。吸收型消聲器是依靠吸

28、聲材料來消聲的。膨脹型消聲器的結構比較簡單，相當于一段比排氣口徑大的管件，當氣流通過時，讓氣流在其內部擴散、膨脹、碰壁撞擊、反射、相互干涉而消聲。吸收膨脹型消聲器是上述兩種的結合。氣流由斜孔引入，氣流束 相互撞擊、干涉、進一步減速，再通過設在消聲器內表面的吸聲材料消聲， 最后排向大氣。本設計選用膨脹型消聲器。§3.2 分揀站的執(zhí)行元件§3.2.1 氣動執(zhí)行元件分揀站的執(zhí)行元件是以壓縮空氣為工作介質產(chǎn)生機械運動，并將氣體的壓力能轉變?yōu)闄C械能的能量轉換裝置，如氣缸輸出直線往復式機械能，擺動氣缸輸出回轉擺動式機械能。分揀站中的氣缸為輸出直線往復式氣缸，氣缸是氣動執(zhí)行元件之一。目前

29、最常選用的是標準氣缸，其結構和參數(shù)都已系列化、標準化、通用化。水平伸縮氣缸選用單活塞桿雙作用氣缸。單活塞桿雙作用氣缸一般由缸筒、前后缸蓋、活塞、活塞桿、密封件和緊固件等組成。其工作原理：對于前伸/回縮氣缸，當左側無桿腔進氣，右側有桿腔排氣時活塞桿前伸，反之，活塞桿回縮；對于上升/下降氣缸，當上側無桿腔進氣，下側有桿腔排氣時，活塞桿下降，反之活塞桿上升。分揀站中用導彈是標準作用直線氣缸標準氣缸是指氣缸的功能和規(guī)格是普遍使用的、結構容易制造的、制造廠通常作為通用產(chǎn)品供應市場的氣缸。(a)氣動回路圖 (b)電氣回路圖圖3-5單汽缸自動往復回路直線氣缸是指活塞的往復運動均由壓縮空氣來推動。直線氣缸具有

30、結構簡單，輸出力穩(wěn)定，行程可根據(jù)需要選擇的優(yōu)點，但由于是利用壓縮空氣交替作用于活塞上實現(xiàn)伸縮運動的，回縮時壓縮空氣的有效作用面積較小，所以產(chǎn)生的力要小于伸出時產(chǎn)生的推力。氣缸的理論輸出力，普通單作用氣缸(預伸型)理論拉力為：理論拉力：式中：D缸徑（m）,d 活塞桿直徑（m）,p 工作壓力（Pa）,Ft1復位彈簧預壓量及行程所產(chǎn)生的彈簧力（N）,Ft2復位彈簧預緊力（N） 為了使氣缸的動作平穩(wěn)可靠，應對氣缸的運動速度加以控制，常用的方法是使用單向節(jié)流閥來實現(xiàn)。單向節(jié)流閥是由單向閥和節(jié)流閥并聯(lián)而成的流量控制閥，常用于控制氣缸的運動速度，所以也稱為速度控制閥。有觸點式的磁性開關用舌簧開關作磁場檢測元

31、件。舌簧開關成型于合成樹脂塊內，并且一般還有動作指示燈、過電壓保護電路也塑封在內。帶磁性開關氣缸的工作原理。當氣缸中隨活塞移動的磁環(huán)靠近開關時，舌簧開關的兩根簧片被磁化而相互吸引，觸點閉合；當磁環(huán)移開開關后，簧片失磁，觸點斷開。觸點閉合或斷開時發(fā)出電控信號，在PLC的自動控制中，可以利用該信號判斷推料及頂料缸的運動狀態(tài)或所處的位置，以確定工件是否被推出或氣缸是否返回。§3.3傳動機構§3.3.1直流伺服電機的認識與選擇傳動機構如圖3-6所示。采用的是ZJ系列的直流伺服電機，用于拖動傳送帶從而輸送物料。它主要由電機支架、電動機、聯(lián)軸器等組成。圖3-6 傳動機構直流伺服電機是傳

32、動機構的主要部分，電動機轉速的快慢由電壓信號來控制的，其作用是帶傳送帶從而輸送物料。電機支架用于固定電動機。聯(lián)軸器由于把電動機的軸和輸送帶主動輪的軸聯(lián)接起來，從而組成一個傳動機構。在安裝和調整時，要注意電動機的軸和輸送帶主動輪的軸要保持在同一直線上。其中直流無刷電機應用較為廣泛. 無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝碗s，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境這種電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁

33、體，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示等等。直流電動機的工作特性，下面說明它們的變化規(guī)律。圖3-7 直流電動機的工作特性 根據(jù)直流電動機電動勢平衡方程式，可得轉速特性為： 3-1 從式（3-1）可見，當電樞電流增加時，如氣隙磁通中不變，轉速將隨的增加而直線下降。一般他勵直流電動機電樞回路電阻的值很小，轉速下降不多。如果考慮去磁的

34、電樞反應，會變小，轉速下降會更小些。由于無刷直流電動機是以自控式運行的，所以不會像變頻調速下重載啟動的同步電機那樣在轉子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。§3.4伺服控制器的認識伺服控制器是用來控制伺服馬達的一種器件，一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達進行控制，實現(xiàn)搞精度的傳動系統(tǒng)定位。 從結構上看，伺服控制器和變頻器器差不多，但對元器件的要求精度和可靠性更高。目前主流的伺服控制器均采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，可以實現(xiàn)比較復雜的控制算法，事項數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅動電路,IPM內部集成了驅

35、動電路,同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路,在主回路中還加入軟啟動電路,以減小啟動過程對驅動器的沖擊.§3.5旋轉編碼器概述旋轉編碼器是通過光電轉換，將輸出至軸上的機械、幾何位移量轉換成脈沖或數(shù)字信號的傳感器，主要用于速度或位置（角度）的檢測。典型的旋轉編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形狹縫。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖5-7所示；通過計算每秒旋轉編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉速。一般來說，根據(jù)旋

36、轉編碼器產(chǎn)生脈沖的方式的不同，可以分為增量式、絕對式以及復合式三大類。自動線上常采用的是增量式旋轉編碼器。增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90，用于辯向：當A相脈沖超前B相時為正轉方向，而當B相脈沖超前A相時則為反轉方向。Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。如圖5-8所示。分揀單元使用了這種具有A、B兩相90o相位差的旋轉編碼器，用于計算工件在傳送帶上的位置。編碼器直接連接到傳送帶主動軸上。該旋轉編碼器的三相脈沖采用NPN型集電極開路輸出，分辨率500線，工作電源DC1224V。本工作單元沒有使用Z相脈沖，A、B兩相輸出端直接連接到PLC（S

37、7-224XP AC/DC/RLY主單元）的高速計數(shù)器輸入端。計算工件在傳送帶上的位置時，需確定每兩個脈沖之間的距離即脈沖當量。分揀單元主動軸的直徑為d=43 mm,則減速電機每旋轉一周，皮帶上工件移動距離L= × d =3.14×43=136.35 mm。故脈沖當量為=L/5000.273 mm。當工件從下料口中心線移動時：移至傳感器中心時，旋轉編碼器約發(fā)出450個脈沖；移至第一個推桿中心點時，約發(fā)出610個脈沖；移至第二個推桿中心點時，約發(fā)出1000個脈沖；移至第三個推桿中心點時，約發(fā)出1350個脈沖。第四章 控制系統(tǒng)的分析與設計§4.1分揀單元的 PLC控制

38、系統(tǒng)設計的基本原則§4.1.1分揀站的工作原理 設備的工作目標是完成對白色芯金屬工件、白色芯塑料工件和黑色芯的金屬或塑料工件進行分揀。為了在分揀時準確推出工件，要求使用旋轉編碼器作定位檢測。并且工件材料和芯體顏色屬性應在推料氣缸前的適應位置被檢測出來。§4.1.2 PLC機型的選擇PLC機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下，力爭最佳的性能價格比。選擇時主要考慮以下幾點： 一、 確定合理的結構型式，PLC主要有整體式和模塊式兩種結構型式。整體式PLC的每一個I/O點的平均價格比模塊式的便宜，且體積相對較小,一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中

39、；而模塊式PLC的功能擴展靈活方便,在I/O點數(shù)、輸入點數(shù)與輸出點數(shù)的比例、I/O模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般于較復雜的控制系統(tǒng)?？紤]此系統(tǒng)控制比較簡單，應用于小批量的生產(chǎn)線故此選擇整體試PLC的結構形式較為合適。二、 確定合理的安裝方式PLC系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠程I/O式以及多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式。集中式不需要設置驅動遠程I/O硬件，系統(tǒng)反應快、成本低；遠程I/O式適用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣，遠程I/O可以分散安裝在現(xiàn)場裝置附近，連線短，但需要增設驅動器和遠程I/O電源；多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺設備分別獨立控制，又要相互聯(lián)系的場合，可以選用小型PL

40、C，但必須要附加通訊模塊。在工廠小批量生產(chǎn)中降低成本是很重要的，所以此系統(tǒng)選擇集中試的安裝方式。三、 滿足相應的功能要求一般小型(低檔) PLC具有邏輯運算、定時、計數(shù)等功能，對于只需要開關量控制的設備都可滿足。對于以開關量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能帶AD和DA轉換單元，具有加減算術運算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強型低檔PLC。對于控制較復雜，要求實現(xiàn)PID運算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，可視控制規(guī)模大小及復雜程度，選用中檔或高檔PLC。但是中、高檔PLC價格較貴，一般用于大規(guī)模過程控制和集散控制系統(tǒng)等場合。此系統(tǒng)只需用開關量控制，選用一般小型PLC即可。四、 滿足響應速度要求PLC是

41、為工業(yè)自動化設計的通用控制器，不同檔次PLC的響應速度一般都能滿足其應用范圍內的需要。如果要跨范圍使用PLC，或者某些功能或信號有特殊的速度要求時，則應該慎重考慮PLC的響應速度，可選用具有高速IO處理功能的PLC，或選用具有快速響應模塊和中斷輸入模塊的PLC等。 本系統(tǒng)不需要跨范圍使用PLC對某些功能或信號也沒有特殊的速度要求，不需要選用具有高速IO處理功能的PLC。五、 滿足系統(tǒng)可靠性要求對于一般系統(tǒng)PLC的可靠性均能滿足。對可靠性要求很高的系統(tǒng)，應考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用一般系統(tǒng)PLC能夠滿足要求，不需要考慮太多此方面的問題。六、 機型盡量統(tǒng)一一個企業(yè)應盡量做到PLC

42、的機型統(tǒng)一。以保證其模塊可互為備用，便于備品備件的采購和管理；有利于技術力量的培訓和技術水平的提高；其外部設備可以通用，資源可共享，易于聯(lián)網(wǎng)通信，配上位計算機后易于形成一個多級分布式控制系統(tǒng)。 本課題的要求不高，不需要考慮配備上位計算機，但為了方便采購和管理等我們還是要求機型要統(tǒng)一。§4.1.3確定PLC的容量一、 確定應選擇PLC的點數(shù)PLC平均的I/O點的價格還比較高，因此應該合理選用PLC的I/O點的數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的I/O點最少，但必須留有一定的裕量。 通常I/O點數(shù)是根據(jù)被控對象的輸入、輸出信號的實際需要，再加上10到15的裕量來確定。本系統(tǒng)的輸入、輸出

43、實際需要24個點，所以本系統(tǒng)的PLC輸入、輸出點數(shù)定為26點比較合適，但輸入和輸出各應留有裕量。系統(tǒng)存儲容量的選擇PLC的I/O點數(shù)的多少，在很大程序上反映了PLC系統(tǒng)的功能要求，因此可在I/O點數(shù)確定的基礎上，按下式估算存儲容量后，再加20到30的裕量。存儲容量（字節(jié)）開關量I/O點數(shù)×10 模擬量I/O通道數(shù)×100A=24×10+0×100 =240 （字節(jié)）另外，在存儲容量選擇的同時，注意對存儲器的類型的選擇。但是，本課題要求的存儲容量很低，一般的PLC能夠滿足，所以我們不需要考慮存儲容量。§4.1.4 確定PLC的IO模塊一般I/O模

44、塊的價格占PLC價格的一半以上。PLC的I/O模塊有開關量I/O模塊、模擬量I/O模塊及各種特殊功能模塊等。不同的I/O模塊，其電路及功能也不同，直接影響PLC的應用范圍和價格，應當根據(jù)實際需要加以選擇。根據(jù)本課題要求，不需要用到模擬量I/O模塊及各種特殊功能模塊，所以只需要對開關量I/O模塊選擇即可。一、 開關量輸入模塊的選擇開關量輸入模塊是用來接收現(xiàn)場輸入設備的開關信號，將信號轉換為PLC內部接受的低電壓信號，并實現(xiàn)PLC內、外信號的電氣隔離。選擇時主要應考慮以下幾個方面：二、 輸入信號的類型及電壓等級開關量輸入模塊有直流輸入、交流輸入和交流/直流輸入三種類型。按電壓等級有：直流5V、12

45、V、24V、48V、60V等；交流110V、220V等。選擇時主要根據(jù)現(xiàn)場輸入設備與輸入模塊之間的距離來考慮。一般5V、12V、24V用于傳輸距離較近場合，如5V輸入模塊最遠不得超過十米。距離較遠的應選用輸入電壓等級較高的模塊。本系統(tǒng)傳輸距離較近可選擇24V直流輸入。三、 輸入接線方式開關量輸入模塊主要有匯點式和分組式兩種接線方式。匯點式的開關量輸入模塊所有輸入點共用一個公共端（COM）；而分組式的開關量輸入模塊是將輸入點分成若干組，每一組（幾個輸入點）有一個公共端，各組之間是分隔的。分組式的開關量輸入模塊價格較匯點式的高，如果輸入信號之間不需要分隔，一般選用匯點式的。所以本系統(tǒng)考慮價格便宜問

46、題，且輸入信號之間不需要分隔，選用匯點式較合適。四、 輸入門檻電平為了提高系統(tǒng)的可靠性，必須考慮輸入門檻電平的大小。門檻電平越高，抗干擾能力越強，傳輸距離也越遠，具體可參閱PLC說明書。§4.1.5 PLC種類及型號的確定PLC種類較多，主要有西門子、三菱、OMRON、FANAC、東芝等，但能配套生產(chǎn)，大、中、小、微型均有配套且目前用得最廣泛的的主要是西門子、三菱、OMRON的PLC。根據(jù)前面確定的PLC點數(shù)：實際輸入點14點，實際輸出點10點，綜合對比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西門子系列、OMRON系列中I/O點數(shù)為16點各型號的PLC

47、的價格、性能、實用場合等各方面。本系統(tǒng)可選擇PLC型號為：S7-200-224XP-AC/DC/RLY。該型號PLC有14個輸入節(jié)點，12個輸出節(jié)點，能夠滿足系統(tǒng)要求并留有一定的余量。§4.2 PLC的I/O 接線及氣路圖分揀單元的電磁閥使用了三個由二位五通的帶手控開關的單電控電磁閥，它們安裝在匯流板上。這三個電磁閥對金屬、白料和黑料推動氣缸的氣路進行控制，以改變各自的動作狀態(tài)。（如圖4-1所示）圖4-1分揀站氣缸動作原理圖分揀單元裝置側的接線端口信號端子的分配如表4-1所示。由于用于判別工件材料和芯體顏色屬性的傳感器只須安裝在傳感器支架上的電感式傳感器和一個光纖傳感器，故光纖傳感器

48、2可不使用。表4-1 分揀單元裝置側的接線端口信號端子的分配輸入端口中間層輸出端口中間層端子號設備符號信號線端子號設備符號信號線2DECO旋轉編碼器A相21Y推桿1電磁閥3旋轉編碼器B相32Y推桿2電磁閥4旋轉編碼器Z相43Y推桿3電磁閥5SC1進料口工件檢測   6SC2電感式傳感器   7SC3光纖傳感器1   8SC4光纖傳感器2   91B推桿1推出到位   102B推桿2推出到位   113B推桿3推出到位

49、   12#17#端子沒有連接5#14#端子沒有連接分揀單元PLC選用S7-224 XP AC/DC/RLY主單元，共14點輸入和10點繼電器輸出。選用S7-224 XP主單元的原因是，當變頻器的頻率設定值由HMI指定時，該頻率設定值是一個隨機數(shù)，需要由PLC通過變換方式向變頻器輸入模擬量的頻率指令，以實現(xiàn)電機速度連續(xù)調整。S7-224 XP主單元集成有2路模擬量輸入，1路模擬量輸出，有兩個RS-485通信口。本項目工作任務僅要求以50Hz的固定頻率驅動電動機運轉，只須用固定頻率方式控制驅動即可。本例中，PLC的信號表見表4-2。表4-2分揀單元PLC的 I/O信

50、號表輸入信號輸出信號序號PLC輸入點信號名稱信號來源序號PLC輸出點信號名稱信號輸出目標1I0.0旋轉編碼器A相裝置側1Q0.0電機啟動伺服控制器2I0.1旋轉編碼器B相2Q0.1  3I0.2旋轉編碼器Z相 3Q0.2  4I0.3進料口工件檢測4Q0.3  5I0.4光纖傳感器5Q0.4推料1 氣缸1動作6I0.5電感式傳感器6Q0.5推料2 氣缸2動作7I0.67Q0.6推料氣缸3動作8I0.7推桿1推出到位8Q0.7HL1(黃)指示燈模塊 9I1.0推桿2推出到位9Q1.0HL2（綠）1

51、0I1.1推桿3推出到位 10 Q1.1HL3（紅）11I1.2停止按鈕指示燈模塊11V   12I1.3啟動按鈕12M    13I1.4 停止按鈕    14I1.5單站/全線分揀單元接線原理圖如圖4-2所示。我們能夠清晰的看到該分揀系統(tǒng)的接線圖圖4-2分揀單元PLC的I/O接線原理圖§4.3分揀單元的編程要點§4.3.1 高速計數(shù)器的編程高速計數(shù)器的編程方法有兩種，一是采用梯形圖或語句表進行正常編程，二是通過STEP7-Micro/WIN編程軟件進行

52、引導式編程。不論那一種方法，都先要根據(jù)計數(shù)輸入信號的形式與要求確定計數(shù)模式；然后選擇計數(shù)器編號，確定輸入地址。分揀單元所配置的PLC是S7-224XP AC/DC/RLY主單元，集成有6點的高速計數(shù)器，編號為HSC0HSC5，每一編號的計數(shù)器均分配有固定地址的輸入端。同時，高速計數(shù)器可以被配置為12種模式中的任意一種。如表4-3所示。4-3 S7-200PLC的HSC0HSC5輸入地址和計數(shù)模式模式中斷描述輸入點HSC0I0.0I0.1I0.2HSC1I0.6I0.7I1.0I1.1HSC2I1.2I1.3I1.4I1.5HSC3I0.1HSC4I0.3I0.4I0.5HSC5I0.4

53、0; 0帶有內部方向控制的單相計數(shù)器時鐘  1時鐘 復位2時鐘 復位啟動3帶有外部方向控制的單相計數(shù)器時鐘方向 4時鐘方向復位5時鐘方向復位啟動6帶有增減計數(shù)時鐘的雙相計數(shù)器增時鐘減時鐘 7增時鐘減時鐘復位8增時鐘減時鐘復位啟動9相正交計數(shù)器時鐘A時鐘B 10時鐘A時鐘B復位11時鐘A時鐘B復位啟動根據(jù)分揀單元旋轉編碼器輸出的脈沖信號形式 (A/B相正交脈沖，Z相脈沖不使用，無外部復位和啟動信號) ，由表4-3容易確定，所采用的計數(shù)模式為模式9，所選用的計數(shù)器為HSC0，A相脈沖從I0.0輸入，B相脈沖從I0.1輸

54、入，計數(shù)倍頻設定為4倍頻。分揀單元高速計數(shù)器編程要求較簡單，不考慮中斷子程序，預置值等。使用引導式編程，很容易自動生成了符號地址為“HSC_INIT”的子程序。其程序清單如圖4-3所示圖4-3 子程序HSC_INIT清單在主程序塊中使用SM0.1（上電首次掃描ON）調用此子程序，即完成高速計數(shù)器定義并啟動計數(shù)器。§4.3.2程序結構1、分揀單元的主要工作過程是分揀控制，可編寫一個子程序供主程序調用，工作狀態(tài)顯示的要求比較簡單，可直接在主程序中編寫。2、主程序的流程與前面所述的供料、加工等單元是類似的。但由于用高速計數(shù)器編程，必須在上電第1個掃描周期調用HSC_INIT子程序，以定義并

55、使能高速計數(shù)器。主程序的編制，請讀者自行完成。3、分揀控制子程序也是一個步進順控程序，編程思路如下：當檢測到待分揀工件下料到進料口后，清零HC0當前值，以固定頻率啟動變頻器驅動電機運轉。梯形圖如圖4-4所示。圖4-4分揀控制子程序初始步梯形圖當工件經(jīng)過安裝傳感器支架上的光纖探頭和電感式傳感器時，根據(jù)2個傳感器動作與否，判別工件的屬性，決定程序的流向。HC0當前值與傳感器位置值的比較可采用觸點比較指令實現(xiàn)。完成上述功能的梯形圖見圖4-5。根據(jù)工件屬性和分揀任務要求，在相應的推料氣缸位置把工件推出。推料氣缸返回后，步進順控子程序返回初始步。圖4-5 在傳感器位置判別工件屬性的梯形圖§4.

56、4 編寫和調試PLC控制程序§4.4.1 編寫程序的思路從前面所述的傳送工件功能測試任務可以看出，功能測試過程應包括上電后復位、傳送功能測試、緊急停止處理和狀態(tài)指示等部分，傳送功能測試基本上是一個步進順序控制過程。可采用步進指令驅動實現(xiàn)?？紤]到急停狀態(tài)，此程序段可在非急停標志為ON時所啟動的主控塊內編寫。輸送單元程序控制的關鍵點是步進電機的定位控制，直流伺服電機轉動使物料從某一起始點出發(fā)，到達第一個目標點，檢測是否為金屬，如是的話第一個氣缸動作 ，否則第二個目標點，檢測是否為白是物料，否則進如第三個目標點。從而實現(xiàn)物料的分揀。§4.4.2 功能測試程序的結構 緊急停止處理當分揀裝置正在向某一目標點移動時按下急停按鈕，則分揀裝置驟然停止，勢必由于慣性導致越步，這時必須返回原點重新校準基準位，才能保證到目標點的精確定位。這樣當急停復位后，程序不能馬上回到原來的順控過程，而是要經(jīng)過使分揀裝置返回原點的一個過渡過程，用M11標志這一過程。當機械手裝置返回原點并延時0.5秒后，M11復位，順控過程標志M10置位，程序回到原來的順控過程繼續(xù)執(zhí)行。分揀裝置高速返回時發(fā)生急停，急停