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1、 大小球分離機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 作者：林振 [摘 要] 隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，將PLC應(yīng)用到分離機(jī)的電氣控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)分離機(jī)的自動(dòng)化控制，降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。在設(shè)計(jì)中，選擇了可編程控制器(PLC)作為工業(yè)中常用分離機(jī)的控制系統(tǒng)，這對(duì)提升工業(yè)分離機(jī)的整體技術(shù)性能起到了良好的作用。分離機(jī)的主體部分也就是工業(yè)中常用的機(jī)械手，結(jié)合部分的先進(jìn)的電子技術(shù)（傳感器）而構(gòu)成的統(tǒng)一整體。 [關(guān)鍵詞] PLC 機(jī)械手 傳感器 大小球 第一章 緒論 隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)在人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它的水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)和科

2、學(xué)技術(shù)先進(jìn)與否的一項(xiàng)重要標(biāo)志。自動(dòng)控制技術(shù)作為自動(dòng)化的強(qiáng)有力的手段，越來(lái)越多地與計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)結(jié)合起來(lái)，對(duì)促進(jìn)我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)起到越來(lái)越重要的作用。目前，在一些自動(dòng)化、智能化等機(jī)電設(shè)備中，計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)精密地結(jié)合，進(jìn)一步推動(dòng)了現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，可見(jiàn)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在機(jī)電設(shè)備控制中的應(yīng)用。 所謂自動(dòng)控制，就是在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱被控對(duì)象，使其按照一定規(guī)律的運(yùn)動(dòng)和變化。要實(shí)現(xiàn)對(duì)各種生產(chǎn)過(guò)程和生產(chǎn)設(shè)備的限制，常常需要使其中的某些物理量（如溫度、壓力、位置、速度等）保持恒定，或者讓它們按照一定的規(guī)律變化。要滿足這種需要，就應(yīng)該對(duì)生產(chǎn)機(jī)械或設(shè)

3、備進(jìn)行及時(shí)地控制和調(diào)整，以抵消外界的干擾和影響。 目前絕大多數(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)都是使用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用也大大促進(jìn)了自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，并且出現(xiàn)了許多新的自動(dòng)控制理論，使得自動(dòng)控制技術(shù)正在向著深度和廣度兩個(gè)發(fā)向發(fā)展。在廣度方面，已經(jīng)深入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，從工業(yè)過(guò)程控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防技術(shù)到家用電器等都已廣泛使用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行自動(dòng)控制，控制對(duì)象也從單一對(duì)象的局部控制發(fā)展到對(duì)整個(gè)工廠、整個(gè)企業(yè)等大規(guī)模復(fù)雜對(duì)象進(jìn)行控制。在深度方面，則向著智能化方向發(fā)展，出現(xiàn)了自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)等智能控制方法。 1.1控制對(duì)象的介紹 企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和深化，使得生產(chǎn)物的分離成為生產(chǎn)系

4、統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，諸如根據(jù)物體的大小、重量、質(zhì)量等將不同的產(chǎn)品送往生產(chǎn)商所希望的地方。大小球分離機(jī)的自動(dòng)控制正是用來(lái)實(shí)現(xiàn)此類需要的控制系統(tǒng)，隨著PLC的發(fā)展，國(guó)外生產(chǎn)線上的物品分類控制系統(tǒng)多采用該控制系統(tǒng)，而且有些制造廠還開(kāi)發(fā)研制了出了專用的邏輯處理控制芯片，在我國(guó)的大部分企業(yè)中，有關(guān)物品的分類的自動(dòng)控制系統(tǒng)大多是從國(guó)外引進(jìn)的，成本高，為了滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，讓PLC技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合，充分的利用到我國(guó)企業(yè)的生產(chǎn)線上，讓該系統(tǒng)在各種環(huán)境下都能夠工作，而且成本低，易控制，安全可靠，效率高。 在我國(guó)的大部分企業(yè)中，對(duì)于物品分類這一塊，基本上都是將PLC與機(jī)械手和相應(yīng)的傳感器相結(jié)合，來(lái)達(dá)到

5、對(duì)物品的分類；本設(shè)計(jì)正是運(yùn)用此方法來(lái)達(dá)到控制對(duì)大小球的分類的，此類控制方法所需設(shè)備投入少，技術(shù)含量不太高，適應(yīng)于我國(guó)現(xiàn)在的大多數(shù)企業(yè)的需要。 1.2 PLC的簡(jiǎn)介 1. 可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展 可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展與繼電器有很密切的關(guān)系。繼電器由于在故障的查找和排查中有很大的困難，又可能會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間，嚴(yán)重的影響生產(chǎn)。這就要求一種新的控制裝置來(lái)取代老式的繼電器控制系統(tǒng)，使電氣控制系統(tǒng)的工作更可靠、更容易維護(hù)、更能適應(yīng)經(jīng)常變動(dòng)的工藝條件。于是可編程控制器應(yīng)運(yùn)而生了。 可編程控制器是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存

6、儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破髦阅軌蚋咚侔l(fā)展，除了順應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化的客觀需要外，還由于其具有許多適合工業(yè)控制的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，它較好地解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題。 其主要特點(diǎn)有： （1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 2編程簡(jiǎn)單，操作方便 （3）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量小、維護(hù)方便4）體積小、能耗低 可編程控制器將朝著以下幾個(gè)方面發(fā)展： （1）向微型化、專業(yè)化的方向發(fā)展2）向大型化、高速度、高性能方向發(fā)展 （3）編程語(yǔ)言日趨標(biāo)準(zhǔn)（4）與其他工業(yè)

7、控制產(chǎn)品更加融合 （5）與現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)合（6）通信聯(lián)網(wǎng)能力增強(qiáng) 2. 可編程控制器的基本組成 PLC的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖(1-1)所示 PLC軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)程序和用戶程序兩大類。系統(tǒng)程序包含系統(tǒng)的管理程序、用戶指令的解釋程序，另外還包括一些供系統(tǒng)調(diào)用的專用標(biāo)準(zhǔn)程序塊等。系統(tǒng)管理程序用以完成機(jī)內(nèi)運(yùn)行相關(guān)時(shí)間分配、存儲(chǔ)空間分配管理、及系統(tǒng)自檢等工作。用戶指令的解釋程序用以完成用戶指令變換為機(jī)器碼的工作。系統(tǒng)程序在用戶使用可編程控制器之前就已經(jīng)裝入機(jī)內(nèi)，并永久保存，在各種控制工作中并不需要做什么調(diào)整。用戶程序是用戶為達(dá)到某種控制目的，采用PLC廠家提供的編程語(yǔ)言編寫的程序，是一定控制功能的表

8、述。同一臺(tái)PLC用于不同的控制目的時(shí)就需要編制不同的用戶程序。用戶程序存入PLC后，如需改變控制目的，還可以多次改寫。 輸入模塊 中央處理器 CPU 存儲(chǔ)器 編程器 輸出模塊 圖1-1 PLC的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3. 可編程控制器基本工作原理 可編程控制器有二種基本的工作狀態(tài)，即運(yùn)行（RUN）狀態(tài)和停止（STOP）狀態(tài)，其中運(yùn)行狀態(tài)是執(zhí)行應(yīng)用程序的狀態(tài)，停止?fàn)顟B(tài)一般用于程序的編制與修改。在運(yùn)行狀態(tài)，可編程控制器通過(guò)執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能。為了使可編程控制器的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)可能變化的輸入信號(hào)，用戶不是只執(zhí)行一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直

9、至可編程控制器停機(jī)或切換到停止工作狀態(tài)。 除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過(guò)程中，可編程控制器還要完成內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)和分為（內(nèi)部處理、通信服務(wù)、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理）5個(gè)階段,可編程控制器這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入/輸出關(guān)系來(lái)看，處理過(guò)程似乎是同時(shí)完成的。 第二章 總體設(shè)計(jì) 2.1 控制要求 1. 任務(wù)要求 左上為原點(diǎn)，按下啟動(dòng)按鈕后，其動(dòng)作順序?yàn)椋合陆? 抓球（延1秒） 上升 右行（左行） 下降 釋放球（延1秒） 上升

10、 左行（右行）依次往復(fù)運(yùn)行，依次將大小球分別放到兩邊的容器當(dāng)中；當(dāng)按下停止按鈕后，其停止動(dòng)作。 2. 設(shè)計(jì)要求 左上為原點(diǎn)，按下啟動(dòng)按鈕SB1后 ，傳送帶開(kāi)始由A點(diǎn)把球往B點(diǎn)傳送（機(jī)械手位于B點(diǎn)的上方），當(dāng)球到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，傳感器1產(chǎn)生信號(hào)開(kāi)關(guān)，使機(jī)械臂下降，到達(dá)下限位開(kāi)關(guān)后，機(jī)械手抓球（延時(shí)1秒）后上升；當(dāng)機(jī)械臂到達(dá)上限位時(shí)，機(jī)械臂根據(jù)傳感器2(力敏傳感器)感測(cè)到大球或小球的重量產(chǎn)生不同的開(kāi)關(guān)量，若是大球，則將其送到右邊的大球容器中，若為小球信號(hào)，則將其送往左面的小球容器中。當(dāng)機(jī)械手將其送到相應(yīng)的容器后按照原路線返回到原點(diǎn)。等到下一個(gè)球的到來(lái)時(shí)，機(jī)械手再次動(dòng)作，并根據(jù)傳感器產(chǎn)生

11、的不同的信號(hào)開(kāi)關(guān)量，將大小球送往相應(yīng)的容器中，然后再回到原點(diǎn)，依次往復(fù)運(yùn)行。 當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，傳送帶停止運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手完成一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)后回到原點(diǎn)后也停止運(yùn)動(dòng)。 注：(1)機(jī)械手完成一個(gè)周期所用的時(shí)間少于另一個(gè)球到達(dá)傳感器1所需的時(shí)間。 (2)力敏傳感器產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)量在一個(gè)周期內(nèi)不會(huì)消失。 2.2 順序功能圖 順序控制就是按照生產(chǎn)工藝預(yù)先規(guī)定的順序，在各個(gè)輸入信號(hào)的作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時(shí)間的順序，使生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)而有序的進(jìn)行工作。本設(shè)計(jì)由于整個(gè)動(dòng)作過(guò)程都是按照一定的工作順序進(jìn)行的，故使用順序控制法比較容易。 順序控制設(shè)計(jì)法是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，很容易被接受，也很適合

12、廣大學(xué)者的學(xué)習(xí)，因?yàn)樵诂F(xiàn)在很多工廠所使用的機(jī)械，其大多都是按照一定的先后動(dòng)作進(jìn)行運(yùn)作的。其程序的調(diào)試、修改和閱讀也很容易，并且大大縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)效率。 繪制順序功能圖的注意事項(xiàng)： （1）兩個(gè)步絕對(duì)不能直接相連，必須用一個(gè)轉(zhuǎn)換將它們隔開(kāi)。 （2）兩個(gè)轉(zhuǎn)換絕對(duì)不能直接相連，必須用一個(gè)步將它們隔開(kāi)。 （3）順序功能圖中的初始步一般對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)等待啟動(dòng)的初始狀態(tài)，初始步可能沒(méi)有輸出處于ON 狀態(tài)，但初始步是必不可少的。 （4）自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)能多次重復(fù)執(zhí)行同一工藝過(guò)程，因此在順序功能圖中一般應(yīng)有由步和有向連線組成的閉環(huán)。 （5）在順序功能圖中，只有當(dāng)某一步的前級(jí)步是活動(dòng)步時(shí)，該步才

13、有可能變成活動(dòng)步。 本設(shè)計(jì)的順序功能圖中多次使用到了選擇序列結(jié)構(gòu)，使其更加適合現(xiàn)在很多工廠機(jī)械控制的需要。 根據(jù)設(shè)計(jì)的控制要求的順序功能圖如圖(2-1)所示。 本設(shè)計(jì)的順序功能圖中除了使用最基本的單序列結(jié)構(gòu)外，還多次使用了選擇序列結(jié)構(gòu)。 選擇序列的分支是指前一級(jí)步后面緊跟著若干個(gè)后續(xù)步可供選擇各分支都有相應(yīng)的轉(zhuǎn)換條件，分支表示的轉(zhuǎn)換的短線只能標(biāo)在水平線之下。 選擇序列的合并是指將幾個(gè)選擇分支合并到一個(gè)公共序列上，各分支也都有各自的轉(zhuǎn)換條件，轉(zhuǎn)換條件只能標(biāo)在水平線上。 第三章 大小球分離機(jī)的PLC控制的硬件組成 3.1 大小球分離機(jī)的原理圖 為了便于分析，根據(jù)控制的要求，本設(shè)

14、計(jì)結(jié)合了一幅大小球分離機(jī)的原理圖。使我對(duì)其大體的動(dòng)作過(guò)程有了大概的了解，也使自己的思維更加清晰，圖中給出了大小球分離機(jī)的在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所需的一些主要元器件和一些文字說(shuō)明如圖(3-1)所示。 3.2 大小球分離機(jī)的外部接線圖 設(shè)計(jì)中使用三菱FX2N-48MR型可編程控制器實(shí)現(xiàn)大小球分離機(jī)的PLC控制的輸入/輸出接線，根據(jù)順序功能圖可知，設(shè)計(jì)所需的輸入與輸出，故其外部接線圖如圖(3-2)所示。 3.3 輸入/輸出元件的地址分配 在大小球分離機(jī)的PLC控制中,有9個(gè)輸入控制元件,有7個(gè)輸出元件。系統(tǒng)輸入/輸出元件的地址分配如表（3-1）所示。 本設(shè)計(jì)選用三菱FX2N-48MR型可編程

15、控制器，實(shí)現(xiàn)大小球分離機(jī)的PLC控制的輸入/輸出接線。由于分離機(jī)的PLC控制的輸入/輸出較多及設(shè)備的限制，可只接輸入部分，輸出由對(duì)應(yīng)觸頭的LED是否亮來(lái)指示。 表3-1 I/O 口分配表 輸入 輸出 輸入元件 輸入點(diǎn) 輸出元件 輸出點(diǎn) 啟動(dòng)按鈕SB1 X0 下降KM1 Y0 傳感器1產(chǎn)生的信號(hào)開(kāi)關(guān)SB2 X1 夾緊KM2 Y1 下限位開(kāi)關(guān)SQ1 X2 上升KM3 Y2 上限位開(kāi)關(guān)SQ2 X3 右行KM4 Y3 壓力傳感器產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)信號(hào)（大球）SB3 X4 左行KM5 Y4 壓力傳感器產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)信號(hào)（小球）SB4 X5 松開(kāi)KM6 Y

16、5 右限位開(kāi)關(guān)SQ3 X6 傳送帶KM7 Y6 左限位開(kāi)關(guān)SQ4 X7 停止按鈕SB5 X10 （注：由于在模擬實(shí)驗(yàn)中，受實(shí)驗(yàn)器材的限制，在模擬實(shí)驗(yàn)中用相應(yīng)的輸入開(kāi)關(guān)作為輸入量；輸出量用相應(yīng)的指示燈代替，其中輸入量SB3 SB4 SB5 用常閉開(kāi)關(guān)代替。） 第四章 大小球分離機(jī)的PLC控制的軟件組成 4.1梯形圖的設(shè)計(jì) 繪制梯形圖時(shí)要注意很多細(xì)節(jié)性的知識(shí)，設(shè)計(jì)中選用的是FX系列的可編程控制器，其設(shè)計(jì)必須遵循FX系列可編程控制器梯形圖的設(shè)計(jì)方法，梯形圖如圖(4-1)所示。 FX系列可編程控制器梯形圖的設(shè)計(jì)具有以下幾個(gè)原則： （1）水平不垂直，即

17、梯形圖的接點(diǎn)應(yīng)畫在水平線上,不能畫在垂直分支上。 （2）線圈右邊無(wú)接點(diǎn)，即不能將接點(diǎn)畫在線圈右邊,只能在接點(diǎn)的右邊接線圈。 （3）有串聯(lián)電路并聯(lián)時(shí),應(yīng)將接點(diǎn)最多的那個(gè)串聯(lián)回路放在梯形圖最上面。有并聯(lián)電路相串聯(lián)時(shí),應(yīng)將接點(diǎn)最多的并聯(lián)回路放在梯形圖的最左邊。 （4）雙線圈輸出不可用。 4.2 程序分析 按下啟動(dòng)按鈕后，傳送帶開(kāi)始從A點(diǎn)向B點(diǎn)傳送球（大球或小球），當(dāng)球到達(dá)B點(diǎn)后，由傳感器1 感測(cè)到有球到達(dá)B點(diǎn)，產(chǎn)生的信號(hào)開(kāi)關(guān)（X1）促使機(jī)械臂開(kāi)始下降，當(dāng)機(jī)械手到達(dá)下限位后，機(jī)械手開(kāi)始抓緊球（延時(shí)1秒）后開(kāi)始上升；與此同時(shí)傳感器2 依據(jù)大小球的重量產(chǎn)生不同的開(kāi)關(guān)信號(hào)（大球信號(hào)開(kāi)關(guān)X4，或

18、小球信號(hào)X5）給機(jī)械臂，若傳感器2 感測(cè)到的是大球信號(hào)，則大球信號(hào)開(kāi)關(guān)X4接通，當(dāng)機(jī)械手到達(dá)上限位開(kāi)關(guān)SQ2后，就把信號(hào)傳給機(jī)械臂，使機(jī)械臂向右運(yùn)動(dòng)，到達(dá)右限位SQ3后機(jī)械臂就開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)；當(dāng)機(jī)械手碰到下限位SQ1時(shí)，機(jī)械手開(kāi)始松開(kāi)，把球放在大球容器中，延時(shí)1秒后開(kāi)始機(jī)械臂向上運(yùn)動(dòng)，到達(dá)上限位開(kāi)關(guān)SQ2后向左運(yùn)動(dòng)，使其回到原點(diǎn)。 若傳感器2 感測(cè)到的是小球信號(hào)，則當(dāng)機(jī)械手在抓住球后，運(yùn)動(dòng)到達(dá)上限位SQ2的時(shí)候，由于小球信號(hào)開(kāi)關(guān)X5接通機(jī)械臂開(kāi)始向左運(yùn)動(dòng)，到達(dá)左限位開(kāi)關(guān)SQ4后開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)機(jī)械手到達(dá)下限位開(kāi)關(guān)SQ1后機(jī)械手開(kāi)始松開(kāi)，把球放在小球容器中延時(shí)1秒后向上運(yùn)動(dòng)；到達(dá)上限位開(kāi)關(guān)SQ2后，機(jī)械臂向右運(yùn)動(dòng)，到達(dá)右限位開(kāi)關(guān)SQ3后停止運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械手回到原點(diǎn)。當(dāng)傳感器1再次感測(cè)到信號(hào)時(shí)，再次使信號(hào)開(kāi)關(guān)X1接通，使其循環(huán)往復(fù)的進(jìn)行。 當(dāng)需要停止機(jī)械手運(yùn)動(dòng)時(shí)，在機(jī)械手回到原點(diǎn)時(shí)按下停止按鈕X10，機(jī)械手停止運(yùn)作。 7