322 櫻桃西紅柿分揀機控制系統(tǒng)設計,櫻桃,西紅柿,分揀,控制系統(tǒng),設計 1學校代碼：10410序 號：050377本 科 畢 業(yè) 設 計題目： 櫻桃西紅柿分揀機控制系統(tǒng)設計學 院： 工 學 院 姓 名： 王 繼 理 學 號： 20050377 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 年 級： 2005 級 指導教師： 劉 仲 壽 二 OO 九年 五 月2江西農業(yè)大學畢業(yè)設計(論文)任務書設計（論文）課 題 名 稱櫻桃番茄分揀機控制系統(tǒng)設計學生姓名 王繼理 院（系） 工學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化指導教師 劉仲壽 職 稱 副教授 學 歷 本科畢業(yè)設計（論文）要求：設計櫻桃番茄分揀機的控制系統(tǒng)，要求能夠準確可靠、快速的對櫻桃番茄的規(guī)格做出分類，能夠實現(xiàn)持續(xù)的生產工作以及自動化無人操作。并根據(jù)系統(tǒng)性能要求，合理選擇各控制元件，要求做到經濟適用，既能夠保證性能，又具有很高的經濟性。畢業(yè)設計（論文）內容與技術參數(shù)：首先根據(jù)總體功能要求，設計各功能模塊。能夠通過各模塊的協(xié)作，實現(xiàn)分揀機的功能要求。其次針對各功能模塊設計其控制部分，然后進行總體控制系統(tǒng)的設計。最后根據(jù)設計完成的控制系統(tǒng)，結合各模塊功能，合理選擇各模塊控制元件。畢業(yè)設計（論文）工作計劃：第一步，仔細了解分揀機分揀系統(tǒng)的設計原則。第二步，選擇市場上已有的與我們需求的分揀功能相類似的分揀系統(tǒng)進行研究，以此設計實現(xiàn)櫻桃番茄分揀功能的各功能模塊以及控制系統(tǒng)。第三步，合理選擇各控制元件，做到經濟適用。接受任務日期 2009 年 1 月 7 日 要求完成日期 2009 年 5 月 20 日學 生 簽 名 2009 年 2 月 10 日指導教師簽名 年 月 日院長（主任）簽名 年 月 日3摘要本論文介紹了櫻桃西紅柿分揀機的工作機理及其簡單的工藝流程，主要針對其控制系統(tǒng)做詳細說明。本文對該分揀機進行了總體方案設計，采用 PC 與 PLC 相結合的技術實現(xiàn)了櫻桃西紅柿的自動分選。根據(jù)實際生產需求以及設計生產效率，合理選擇各動力及控制元件。并且編制控制程序。實測結果表明，該分揀機分級效果良好，該控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，操作簡便，經濟實用且靈活性強。關鍵詞自動分揀機；控制系統(tǒng)；可編程邏輯控制器；PC；繼電器。4AbstractWith the rapid development of the micro electric technique and computer technology, PLC (namely programmable controller) gets widely application very in the industry controlled field.PLC is one kind on the basis of technology of digital computer, electronic control device designed to use under the environment of industry specially, adopt it by memory that can programmer, it is last user order not to used for, through figure or introductions of simulation /export, finish such functions confirmed as a series of logic, order, timing, counting, operation ,etc., to control all kinds of integrated equipment of electro mechanics and production process.Key wordsAutomatic sorting system；Control system; Programmable logicalcontroller；PC；Solid State Rely5目錄1、前言 ..............................................................................................................................................52、總體功能介紹 ..............................................................................................................................62.1 排隊部分 ..............................................................................................................................72.1.1 電機選擇 ...................................................................................................................82.1.2 電子無級速度控制器選擇 ......................................................................................82.2 輸送部分 ..............................................................................................................................92.2.1 電機的選擇 ..............................................................................................................92.2.2 電機工作情況 .......................................................................................................102.3 視覺系統(tǒng) ............................................................................................................................113、電控設計 ....................................................................................................................................123.1 輸入部分 ...........................................................................................................................123.2 輸出部分 ...........................................................................................................................133.3 控制面板 ...........................................................................................................................133.3.1 輸送、排隊繼電器 ...............................................................................................143.3.2 按鈕開關 ...............................................................................................................143.3.3 信號燈 ...................................................................................................................154、系統(tǒng) PLC 選擇 ..........................................................................................................................154.1PLC 簡介 .............................................................................................................................154.1.1PLC 的起源與發(fā)展 .................................................................................................154.1.2 PLC 控制系統(tǒng)與其他工業(yè)控制系統(tǒng)的比較 .......................................................164.1.3PLC 控制系統(tǒng)的硬件組成 .....................................................................................184.1.4PLC 控制系統(tǒng)的軟件組成 .....................................................................................204.2PLC 選擇 .............................................................................................................................235、總結 ............................................................................................................................................246、參考文獻 ....................................................................................................................................2561、前言櫻桃西紅柿又名葡萄番茄、圣女果、珍珠番茄，在國外又有“小金果” 、“愛情果”之稱。它既是蔬菜又是水果，色澤艷麗、形態(tài)優(yōu)美，并且味道適口、營養(yǎng)豐富，除了含有番茄的所有營養(yǎng)成分之外，其維生素含量比普通番茄高。被聯(lián)合國糧農組織列為優(yōu)先推廣的“四大水果”之一。圣女果是一種熱帶作物，鮮紅碧透，味清甜，無核，口感好，營養(yǎng)價值極高。伴隨著人們生活水平的提高，其消費量逐漸增加 。 圣女果一般單重 10～20g，果實橫徑 2 厘米左右。在不斷增長的市場需求刺激下，我國的櫻桃西紅柿產業(yè)正快速發(fā)展，目前已經形成一定規(guī)模。并且伴隨著國際市場的需求增大，作為一種高檔蔬菜的櫻桃番茄將會有一個長足的發(fā)展。為了提高櫻桃西紅柿的出產效率，并且使櫻桃番茄規(guī)格劃分更加準確，效率更高，需要設計一種自動的等級分揀機。自動分揀機是將混在一起而去向不同的物品，按設定要求自動進行分發(fā)配送的設備，它主要由輸送裝置、分揀機構、控制裝置等組成。當分揀物到達分揀口時，通過推拉機構、撥塊、傾倒、輸送等方式，使分揀物滑動或傳輸?shù)椒謷?，可實現(xiàn)多品種、小批量、多批次、短周期的物品分揀和配送作業(yè)。自動分揀機的種類很多，但較為先進的主要有三種：滑靴式分揀機、翻盤/翻板式分揀機、交叉帶式分揀機。在該自動分揀機的幫助下，櫻桃番茄的分級不再是單純依靠采摘人員的大致分類，而是可以在更嚴格的分級標準下，快速準確的分出等級，對產品的質量有更明確的保證，增加勞動生產率，提高產品的市場競爭力。利用該自動分揀系統(tǒng)，可以省去專人進行櫻桃番茄的等級劃分，減少工人的勞動強度，節(jié)約勞動成本，并且可以實現(xiàn)連續(xù)的生產，很大程度的提高生產效率，取得更大的利益。72、總體功能介紹 對于自動分揀系統(tǒng)，首先必須實現(xiàn)以下基本條件：1、分揀誤差率極低。因此要求系統(tǒng)擁有很高的穩(wěn)定性，以及對產品信息采集要有較高的準確性。2、能夠持續(xù)工作。同樣要求控制系統(tǒng)有極高的穩(wěn)定性。3、自動化生產。建立自動分揀系統(tǒng)的目的之一就是為了減少人員的使用，減輕 人員的勞動強度，提高人員的使用效率，基本實現(xiàn)無人化作業(yè)?，F(xiàn)將櫻桃番茄按照其尺寸及色澤分為規(guī)格一和規(guī)格二兩種。產品經送料系統(tǒng)送入排隊系統(tǒng)，在此等待，并依次經過光耦。光耦在傳送系統(tǒng)配合下，采集每個櫻桃番茄的信息，并且將該信息送入 PC 機的采集卡。PC 機將光耦采集的信息進行分析，并根據(jù)預裝的程序判斷該產品屬于規(guī)格一或者規(guī)格二。判斷完成后，根據(jù)結果向每種規(guī)格所對應的繼電器發(fā)出信號。并轉換成指令送入 PLC。PLC 根據(jù)程序設計，在收到產品的規(guī)格指令后，經過一定時間延遲，打開規(guī)格一或者規(guī)格二出料口的電磁閥，產品在空氣壓縮機的氣壓作用下出料，將不同規(guī)格的產品經不同出料口送出分揀機，分揀任務完成?？紤]到產品的特殊性，產品在分揀機的各部分中不能有強烈的碰撞等，因此產品在進出料時由空氣壓縮機提供氣壓使產品移動。以下是為實現(xiàn)自動分揀機的上述功能的各種控制要求。送料、出料部分，由一臺空氣壓縮機提供氣壓，電磁閥控制，共需要三個電磁閥。產品的輸送及依次排隊由電機提供動力。這里需要兩個繼電器對電機進行控制。產品規(guī)格信息由視覺系統(tǒng)采集后送給 PC 進行分析，并將分級結果轉換為指令送入控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要控制功能將由 PLC 實現(xiàn)。系統(tǒng)設計 4 個控制開關：總行、送料、輸送、手/自動轉換。下面對分揀機各功能模塊進行設計說明：82.1 排隊部分產品經進料口送入分揀機后，需要使其可以依次經過光耦進入輸送部分，而排隊部分就是實現(xiàn)這一功能的。功能的具體實現(xiàn)如下圖：2.1.1 電機選擇排隊輸送機構采取電機帶動。根據(jù)設計生產效率及小番茄重量，需要電機軸上功率P=0.06KW。并且要求電機效率高，運轉平穩(wěn)、振動小、質量輕，故選用 90YYJT90型齒輪減速電子調速電動機，額定功率 0.09kW，頻率50Hz，電壓 200V，輸出轉速 1-500r/min(任意選擇)。選用浙江佳雪微特電機集團生產的 90YYJT90-3。該產品具有高精度、低噪聲等優(yōu)點，并且擁有良好的加工工藝，整體適應性良好，屬于小功率齒輪減速、電子調速電機，具有較高的性價比。排隊電機的安裝線路圖：92.1.2 電子無級速度控制器選擇在現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中，電動機是主要的驅動設備，目前在電動機拖動系統(tǒng)中已大量采用晶閘管(即可控硅)裝置向電動機供電的 KZ—D 拖動系統(tǒng)，取代了笨重的發(fā)電動一電動機的 F—D 系統(tǒng)，并且伴隨著電子技術的發(fā)展，促使電機調速逐步從模擬化向數(shù)字化轉變。選擇浙江微特電機生產的 SC-A 電子無級速度控制器。該產品采用 PD 比例調節(jié)器，電流負反饋技術，實現(xiàn)恒力矩無級調速，具有運轉平穩(wěn)，起動迅速，控制精度高等特點。并且該產品結構簡單，能與主電路同步，能平穩(wěn)移相且有足夠的移相范圍，控制角調整量可達 10000 步，能夠實現(xiàn)電機的無級平滑控制，脈沖前沿陡且有足夠的幅值，脈寬可設定，穩(wěn)定性與抗干擾性能好。以下為其接線圖：2.2 輸送部分產品經過光耦后，經由輸送系統(tǒng)送到出料口，由電機帶動滾輪來實現(xiàn)。2.2.1 電機的選擇該電機的線路圖如下所示：10根據(jù)傳送帶設計所需轉速，以及生產效率，確定在輸送部分所需電機功率 P=0.65KW。選擇由上海銳進電機公司生產的 MBL07-Y0.75-C5（一級齒輪減速，減速比為 1：5） 。該電機主要由壓緊的主動輪裝置、摩檫傳動機構、調速控制機構組成，并具有以下的特點。（1）.高強度：在加沖擊負栽或機器逆轉時，本機性能可靠，能精確轉動，無后坐力。（2）.變速范圍大：變速比均為 1：5，即輸出轉速可在 1：45 至 1：7.25 之間任意變化。（3）.調速精度高：調速精度為 1--0.5 轉。（4）.性能穩(wěn)定：本機的傳動部件都經過特殊的熱處理，精密度加工摩檫部位，潤滑良好，運行平穩(wěn)、噪音低、壽命長。（5）.同軸結構：輸入軸、輸出軸同向旋轉，體積小、重量輕。（6）.組合能力強：本機可與各種類型減速機組合，實現(xiàn)低轉速，大扭矩的變速效果。（7）.在允許負載的情況下，調定的轉速恒定；（8）.全機密封，可適用于潮濕、多塵、有輕度腐蝕性的工作環(huán)境。2.2.2 電機工作情況工作溫度：部件磨合（空機運轉）開始時，溫升可高于環(huán)境溫度的 40°-50°，當運轉 60-80 小時后，溫度逐漸降低，溫度約高于環(huán)境溫度 25°，并保持恒定。工況系數(shù)表：調速方式：手動調速（分快慢手輪、指針手輪兩種）配直角器調速電動調速K 工作情況1 均勻、勻速負載、單向旋轉、無慣性1.3 中等沖擊、脈動負載、常反轉、中慣性1.5 中等沖擊、脈動負載、常反轉、大慣性1.75 嚴重沖擊、脈動負載、常反轉、大慣性112.3 視覺系統(tǒng) 視覺系統(tǒng)主要包括光耦、采集卡、攝像燈、攝像頭等，主要完成對產品信息的采集功能。下面是視覺系統(tǒng)安裝線路：視覺攝像頭需要 24V 直流電源。視覺系統(tǒng)的攝像燈以及采集卡需要 12V 直流電源。作為產品等級劃分的指令輸出部分，采集卡及采集燈需要穩(wěn)定的電源供應，以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，來保證產品規(guī)格劃分的可靠性?？紤]到控制系統(tǒng)的保護，所選交直流轉換器要求很高的轉換準確度。交直流轉換有熱電變換、電動系、靜電系、電子系等方法。系統(tǒng)需要高穩(wěn)定性，低誤差，較高的靈敏度，因此選用熱電變換。由所需電壓及考慮使用環(huán)境和成本，選用德力西公司生產的 SA-350-24 型號交直流轉換器。SA-350-24 轉換器采用了擁有專利的薄膜量程電阻器，能夠提供非比尋常的轉換準確度，其總不確定度低達±2%，并且能夠提供較寬的電壓范圍和寬頻率范圍。該轉換器擁有良好的溫度穩(wěn)定性和快速的穩(wěn)定時間，可以在更快的時間內進行測量。并且該產品在保證良好的性能之外，擁有比同規(guī)格產品要低的價格。具有較高的性價比，適合在我們的番茄分揀機上使用。以下為其功能參數(shù)：溫度穩(wěn)定度 在使用環(huán)境中可達 12 個小時穩(wěn)定時間預熱時間 上電 15 分鐘，達到穩(wěn)定 溫度性能 工作： 11°C 至 35°C;12校準： 18°C 至 28°C;儲存： -40°C 至 50°C 3、電控設計本設計主要針對自動分揀機控制系統(tǒng)的設計，以下就對該部分設計進行詳細的說明。3.1 輸入部分產品信息由光耦采集，PC 分析后，給出兩種規(guī)格結果，并輸入給 PLC。由于采集卡給出信號為弱電輸入，不足以作為指令信號輸送給 PLC，因此這里需要兩個繼電器進行調節(jié)。右圖為產品規(guī)格信息的輸入線路圖：根據(jù)系統(tǒng)性能要求及成本考慮，可以選擇固態(tài)繼電器。作為固態(tài)繼電器，其擁有以下特點：（ 1） 高 壽 命 ， 高 可 靠 :SSR 沒 有 機 械零 部 件 ， 有 固 體 器 件 完 成 觸 點 功 能 ， 由 于沒 有 運 動 的 零 部 件 ， 因 此 能 在 高 沖 擊 ， 高振 動 的 環(huán) 境 下 工 作 ， 由 于 組 成 固 態(tài) 繼 電 器的 元 器 件 的 固 有 特 性 ， 決 定 了 固 態(tài) 繼 電 器的 壽 命 長 ， 可 靠 性 高 。（ 2） 靈 敏 度 高 ， 控 制 功 率 小 ， 電 磁 兼 容 性 好 :固 態(tài) 繼 電 器 的 輸 入 電 壓范 圍 較 寬 ， 驅 動 功 率 低 ， 可 與 大 多 數(shù) 邏 輯 集 成 電 路 兼 容 不 需 加 緩 沖 器 或 驅 動器 。（ 3） 快 速 轉 換 :固 態(tài) 繼 電 器 因 為 采 用 固 體 器 件 ， 所 以 切 換 速 度 可 從 幾 毫秒 至 幾 微 妙 。（ 4） 電 磁 干 擾 小 :固 態(tài) 繼 電 器 沒 有 輸 入 "線 圈 "， 沒 有 觸 點 燃 弧 和 回 跳 ，因 而 減 少 了 電 磁 干 擾 。 大 多 數(shù) 交 流 輸 出 固 態(tài) 繼 電 器 是 一 個 零 電 壓 開 關 ， 在 零電 壓 處 導 通 ， 零 電 流 處 關 斷 ， 減 少 了 電 流 波 形 的 突 然 中 斷 ， 從 而 減 少 了 開 關瞬 態(tài) 效 應 。需要直流控直流繼電器作為 PLC 指令的輸入，負載電流為 5A 左右，因此選用 2 個美格爾公司的 JGX-1 D10 型號固態(tài)繼電器。美格爾公司生產的 JGX 型固態(tài)繼電器，是采用先進的技術和器件制造的一種性能優(yōu)良的新型無觸點電子開關。其輸入端僅要求很小的控制電流，能與13各集成電路較好地兼容；而輸出回路則采用可控硅或大功率晶體管接通和斷開負載電流。輸入和輸出之間采用光電耦合，通斷沒有可動接觸部件，因此具有工作可靠、開關速度快、無噪音、壽命長、體積小、耐蝕防爆抗震等特點。3.2 輸出部分系統(tǒng)的進料、出料部分由 PLC 發(fā)出指令，控制電磁閥完成。產品分兩種規(guī)格，因此一共需要三個電磁閥。電磁閥安裝在分揀機的進料、出料口，因此電磁閥的遠距離控制，需要三個繼電器實現(xiàn)。下面是電磁閥輸出的線路圖：櫻桃番茄的重量一般為 10g-20g，因此流量 Cv : 0.18 即可滿足需要。選用MAC 公司的 MAC 35A ACA DDAA-1BA 型號電磁閥，三個。MAC 閥門公司是北美最大的電磁閥生產廠，專業(yè)生產氣動電磁閥。MAC 電磁閥因其獨特的結構設計及卓越的性能品質，在北美有 26%的市場占有率。 　　 MAC 的電磁閥結合了閥門高速運動所需的所有設計理念及 60 年的閥門制造經驗,公司將閥門的性能發(fā)揮到極限,可以滿足任何速度及精確度上的嚴格要求,是在高速、精確的應用中唯一的選擇,最重要的是原廠 18 個月不限次數(shù)品質保證，壽命特長，價格合理。其主要特點：　 1，平衡式閥門設計，反應時間不受壓力變化影響；　 2，閥芯防卡死保護設計，避免電線圈燒毀；　 3，電線圈吸力大，確保動作快速，精確，每分鐘精確作動速度最高可達 14000 次以上?！?4，自動補償磨損，增長閥門的使用壽命；　 5，電線圈與空氣隔離，增長線圈的壽命。電磁閥工作電壓 220V，電流 10A 左右，因此選用美格爾公司的 JGX-1 DD220D10 型號直流控直流繼電器。3.3 控制面板系統(tǒng)共設置總行、送料、輸送、手/自動轉換四個控制按鈕。14下圖為這些控制按鈕的信號輸入圖：3.3.1 輸送、排隊繼電器輸送電機為三相交流電機，并且考慮到該電機功率要求，所需負載電壓為24V，負載電流為 40A。選用樂清市美格爾電子電器公司生產的 JGX-3 380D40三相交流固態(tài)繼電器。排隊電機為單相電機，所需控制繼電器的負載電壓為 24V,負載電流為10A，因此選用美格爾公司的 JGX-1 D4810 交流固態(tài)繼電器。美格爾公司該系列的繼電器，不僅能夠良好的實現(xiàn)系統(tǒng)的功能需求，擁有較高的質量，并且方便繼電器的維護等。3.3.2 按鈕開關設計系統(tǒng)供電電壓為 220，電流 10A 左右，選用江陰長江電器公司的 LA38-11 型號開關。該開關適 用 于 交 流 50Hz（ 或 60Hz） ， 電 壓 380V 及 以 下 ， 直 流 電 壓220V 及 以 下 的 電 磁 起 動 器 、 接 觸 器 、 繼 電 器 及 其 它 電 氣 線 路 中 作 遙 遠 控制 之 用 ； 其 中 帶 燈 式 按 鈕 （ LED 發(fā) 光 ） 還 適 用 于 需 要 燈 光 信 號 指 示 的 場合 。其 技 術 指 標 為 ：● 帶 燈 鈕 （ LED） 發(fā) 光 壽 命 ： 30000h● 信 號 燈 額 定 工 作 電 壓 ：AC、 DC： 24V、 220V● 顏 色 ： 紅 、 綠 、 黃 、 白 、 藍 、 黑 （ 選 紅 色 ）15● 相 比 漏 電 起 痕 指 數(shù) CTI≥ 100,阻 燃● 壽 命 指 標 ：按 鈕 ： 機 械 壽 命 ： 100×104 次 　 電 壽 命 ： 50×104 次旋 鈕 ： 機 械 壽 命 ： 20×104 次 　 電 壽 命 ： 10×104 次電 壽 命 ： 10×104 次 ● 絕 緣 電 阻 ≥ 50MΩ● 接 觸 電 阻 ≤ 50mΩ3.3.3 信號燈選擇江陰長江電器公司的 AD11-22/21（AC/DC24V）信號燈，該信號燈適用 于 電 訊 、 電 器 等 設 備 的 線 路 中 作 指 示 信 號 、 預 告 信 號 、 事 故 信 號 及 其 它指 示 用 信 號 ， 它 采 用 LED 作 光 源 ， 具 有 壽 命 長 、 可 靠 性 高 、 耐 振 動 等 優(yōu)點 ， 是 原 鎢 絲 和 氖 泡 信 號 燈 的 最 佳 更 新 換 代 產 品 。其 性 能 指 標 為 ：●連 續(xù) 工 作 壽 命 ≥30000h ●光 亮 度 ： 40～ 60cd/m2●允 許 瞬 間 電 壓 波 動 ±20%（ 110V 以 上 ）；●相 比 漏 電 起 痕 指 數(shù) CTI≥100， 阻燃交 流 頻 率 50Hz ●工 頻 耐 壓 ： 2.5kV●發(fā) 光 顏 色 ： 紅 、 綠 、 黃 、 白 、 藍 ●絕 緣 電 阻 ： Ui≤60V 為 5MΩ60V＜ Ui≤660V 為50MΩ4、系統(tǒng) PLC 選擇用 PLC 進行控制，外圍設備少，占地空間小，是實現(xiàn)集控的良好設備。4.1PLC 簡介 4.1.1PLC 的起源與發(fā)展在可編程控制器誕生之前，繼電器控制系統(tǒng)已廣泛的用于工業(yè)生產的各個領域，繼電器控制系統(tǒng)通?？梢钥闯杏奢斎腚娐?，控制電路，輸出電路和生產現(xiàn)場這 4 個部分組成的。其中輸入電路也是由按鈕，行程開關，限位開關，傳感器等構成。用已向系統(tǒng)送入控制信號。輸出電路部分是由接觸器，電磁閥等執(zhí)行元件構成，用以控制各種被控制對象，如電動機，電爐，閥門等。繼電器控制電路部分是控制系統(tǒng)的核心部分。它通過導線將各個分立的繼電器，電子元器件連接起來對工業(yè)現(xiàn)場實施控制；生產現(xiàn)場是指被控制的對象（如電動機16等）或生產過程。美國通用汽車公司（GM）于 1968 年提出了公開招標研制新型的工業(yè)控制器的設想，第二年，即 1969 年美國數(shù)字設備公司（DEC）就研制出了世界上第一臺可編程序控制器。在這一時期，可編程序控制器雖然采用了計算機的設計思想，但實際上只能完成順序控制，僅有邏輯運算，定時，計數(shù)等順序控制功能。所以人們將可編程序控制器稱之為 PLC（Programmable Logical Controller） ，即可編程序邏輯控制器：20 世紀 70 年代末 80 年代初，微處理器技術日趨成熟，使可編程序控制器的處理速度大大提高，增加了許多特殊，如浮點運算，函數(shù)運算，查表等。這樣可編程序控制器不僅可以進行邏輯控制，還可以對模擬量進行控制。以 16 位和 32 位微處理器構成的微機化可編程序控制器得到了驚人的發(fā)展，使之在概念上，設計上，性能價格比等方面有了重大突破。可編程序具有了高速計數(shù)，中斷技術，PID 控制等功能，同時聯(lián)網通信功能也得到了加強，這些都使得可編程序控制器的應用范圍和領域不斷擴大。為了使這一新型的工業(yè)控制裝置的生產和發(fā)展規(guī)范化，國際電工委員會（IEC）制定了 PLC 的標準，并給出了它的定義?！翱删幊绦蚩刂破魇且环N數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計，它采用可編程序的存儲器，用來在其內部儲存執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)和算術運算等才操作，并通過數(shù)字式，模擬式的輸入與輸出，控制各類的機械或生產過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充功能的原則設計。 ”綜上所述，PLC 是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術，自動控制技術和通信技術發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動控制裝置。這種裝置具有體積小，功能強，程序設計簡單，靈活通用，維護方便等優(yōu)點，特別是它的高可靠性和較強的適應惡劣工業(yè)環(huán)境的能力，得到了用戶的公認和好評。他經過短短的幾十年發(fā)展后，現(xiàn)在已成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（PLC，機器人和 CAD/CAM）之一，被廣泛地應用于機械，冶金，化工交通，電力等領域中。4.1.2 PLC 控制系統(tǒng)與其他工業(yè)控制系統(tǒng)的比較1　PLC 與繼電器控制系統(tǒng)的比較plc 與繼電器控制系統(tǒng)比較表比較項目 繼電器控制系統(tǒng) PLC 控制系統(tǒng)控制功能的實現(xiàn) 由許多繼電器，采用接線的方式來完成控制功能各種控制功能是通過編制的程序來實現(xiàn)的對生產工藝過程變更的適應性適應性差。需要重新設計，改變繼電器和接線適應性強，只需對程序進行修改17控制速度 低?？繖C械動作實現(xiàn) 極快。靠微處理器進行處理計數(shù)及其他特殊功能一般沒有 有安裝，施工 連線多，施工繁 安裝容易，施工方便可靠性 差，觸點多，故障多 高，因元器件采用了篩選和老化等可靠性措施壽命 短 長可擴展性 困難 容易維護 工作量大，故障不易查找 有自診能力，維護工作量小結論：由于 PLC 控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)相比具有無法比擬的優(yōu)點，因此，在今后的控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)被 PLC 控制系統(tǒng)所代替是大勢所趨。2　PLC 控制系統(tǒng)與計算機系統(tǒng)的比較20 世紀 60 年代，由于小型計算機的出現(xiàn)，有人曾試圖用小型計算機來取代當時占統(tǒng)治地位的繼電器控制系統(tǒng)，結果未獲成功，代只的卻是 PLC 的出現(xiàn)。通過計算機與 PLC 本身的工作目的，原理和方式上都存在著較大的差異，其結果比較見下表。PLC 與計算機系統(tǒng)比較表比較項目 通用計算機系統(tǒng) PLC 控制系統(tǒng)工作目的 科學計算，數(shù)據(jù)管理等 工業(yè)自動控制工作環(huán)境 對工作環(huán)境要求比較高 對環(huán)境要求低，可在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場工作工作方式 中斷處理方式 循環(huán)掃描方式系統(tǒng)軟件 需配備功能較強的系統(tǒng)的軟件一般只需要簡單的監(jiān)控程序采用的特殊措施掉電保護等一般性措施 采用多種抗干擾措施，自診斷，斷電保護，可在線維修編程語言 匯編語言，高級語言 梯形圖，助記符語言，SFC 標準化語言對操縱人員的要求需專門培訓，并具有一定的計算機基礎一般技術人員，稍加培訓即可操作使用對內存的要求容量大 容量小價格 價格高 價格較低18其他 若用于控制，一般需自行設計機種多，模塊種類多，易于集成系統(tǒng)結論：一般情況下，在工業(yè)自動化工程中采用 PLC 可靠，方便，易于維護。進入 20 世紀 70 年代，采用微處理器的工業(yè)控制計算機出現(xiàn)了。它與 PLC共同推動著傳統(tǒng)工業(yè)的技術改造。經過較長時間是實踐，人們又發(fā)現(xiàn)，PLC 與一般的工業(yè)控制計算機相比，PLC 還是有著較強的優(yōu)勢，其原因是 PLC 專為在工業(yè)環(huán)境下的應用而設計，在 PLC 中采用了如下的硬件和軟件措施：? 錯誤！未找到引用源。 光電耦合隔離和 R-C 濾波器，有效地防止了干擾信號的進入。? 內部采用電磁屏蔽，防止輻射干擾。? 采用優(yōu)良的開關電源，防止電源線引入的干擾。? 具有良好的自診斷功能可對 CPU 等內部電路進行檢測，一旦出錯，立即報警。? 對程序及有關數(shù)據(jù)有電池供電進行后備，一旦斷電或運行停止，有關狀態(tài)及信息不會丟失。? 對采用的器件都進行了嚴格的篩選和簡化，排除了因器件問題而造成的故障。? 采用了冗余技術進行一步增強了可靠性。對某些大型 PLC 還采用了雙CPU 構成冗余系統(tǒng)，或三 CPU 構成表決式系統(tǒng)。隨著構成 PLC 的元器件性能的提高，PLC 的可靠性也在相應的提高。一般PLC 的平均無故障時間可達到幾萬小時以上。某些 PLC 的生產廠家甚至宣布，今后生產 PLC 不再標明可靠性這一指標，因為對 PCL 來講這一指標已毫無意義了。經過大量時間人們發(fā)現(xiàn) PLC 系統(tǒng)在使用中發(fā)生的故障大是是由于 PLC 的外部開關，傳感器，執(zhí)行機構引起的，而不是 PLC 本身發(fā)生的。另外，PLC 程序設計簡單，易學易懂易維護，更適合于工程技術人員。因此，PLC 在工業(yè)控制方面獲得了極大成功，成為工業(yè)控制中的主流。但是必須指出的是：計算機在信息處理方面還是優(yōu)于 PLC，所以在一些自動化控制系統(tǒng)中，常常將兩者結合起來，PLC 做下位機進行現(xiàn)在控制，計算機做上位機信息處理。計算機與 PLC 之間通過通信線路實現(xiàn)信息的轉換和交換。這樣相輔相成，構成一個功能較強的完整的控制系統(tǒng)。4.1.3PLC 控制系統(tǒng)的硬件組成19PLC 控制系統(tǒng)的硬件是由 PLC，輸入/輸出（I/O）電路及外圍設備等組成的。系統(tǒng)規(guī)?？筛鶕?jù)實際應用的需要而定，可大可小。下面對構成控制系統(tǒng)的主要部分簡要介紹。PLC 系統(tǒng)（1）主控模塊CPU：CPU 是 PLC 的控制中樞，它由控制器和運算器組成。PLC 在 CPU 的控制下使整個機器有條不紊的協(xié)調工作，以實現(xiàn)對現(xiàn)場各個設備的控制。CPU 的具體作用如下：執(zhí)行接受，存儲用戶程序的操作指令。用以掃描方式來自輸入單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，并存入相應的數(shù)據(jù)存儲區(qū)。執(zhí)行監(jiān)控程序和用戶程序。完成數(shù)據(jù)和信息的處理，產生相應的內部控制信號，完成用戶指令規(guī)定的各種操作。響應外部設備（如編程器，打印機）的請求。存儲器：PLC 系統(tǒng)中的存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序，用戶程序和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)程序存儲區(qū)：采用 PROM 或 EPROM 芯片存儲器。它是由生產廠家直接存放的，永久存儲的程序和指令，稱為監(jiān)控程序。監(jiān)控程序和 PLC 的硬件組成與專用部件的特性有關，用戶不能隨意訪問和修改這部分存儲器的程序。存儲器區(qū)：工作數(shù)據(jù)是 PLC 運行過程中經常變化的，需要隨機存取的一些數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)一般不需要長久保存，因此采用隨機存儲器 RAM。數(shù)據(jù)存儲區(qū)包括輸入，輸出數(shù)據(jù)映象區(qū)，定時器/計數(shù)器預置和當前數(shù)值的數(shù)據(jù)。用戶程序存儲區(qū)：用于存放用戶經編程器或計算機輸入的應用程序。一般采用 EPROM 或 EEPROM 存儲器，用戶可檫寫重新編程。用戶程序存儲器的容量一般就代表 PLC 的標稱容量。通常，小型機小于 8KB，中型機小于 50KB，而大型機可以在 50KB 以上。通信接口：主控模塊通常有一個或一個以上的通信接口（簡稱通信口） ，用以與計算機，編程器相連，實現(xiàn)編程，調試，運行，監(jiān)視等功能。（2）輸入/輸出模塊 PLC 的控制對象是工業(yè)生產過程，它與工業(yè)生產過程的聯(lián)系是通過 I/O 模塊實現(xiàn)的。生產過程有許多控制變量，如溫度，壓力，液位，速度，電壓，開關量，繼電器狀態(tài)等，因此，需要有相應的 I/O 模塊作為 CPU 與工業(yè)生產現(xiàn)場的橋梁。且這些模塊應具有較好的抗干擾能力。目前，生產廠家已開發(fā)出各種型號的模塊供用戶選擇。對于輸入/輸出模塊有：數(shù)字量輸入/輸出模塊，開關20量輸入/輸出模塊，模擬量輸入/輸出模塊，交流新號輸入/輸出模塊，220V 交流輸入/輸出模塊。還有智能模塊，它本身帶 CPU，存儲器和監(jiān)控系統(tǒng)，可獨立完成各種運算。智能模塊的種類很多，如高速計數(shù)模塊，PID 調節(jié)的模擬量控制模塊，閥門控制模塊，智能存儲模塊和智能 I/O 模塊。（3）電源模塊該模塊將交流電源轉換成供 CPU 存儲器所需的直流電源，是整個 PLC 系統(tǒng)的能源供給中心。它的好壞直接影響到 PLC 的功能和可靠性。目前，大多數(shù)PLC 采用高質量的開關式穩(wěn)壓電源，與普通電源相比，PLC 的電源工作穩(wěn)定性好，抗干擾能力也強。有些機器的電源除了供內部電路使用外，還向外提供 24VDC的穩(wěn)壓電源，用于外部傳感器的需要，這樣就避免了因外部電源不合格而引起的外部故障。I/O 電路PLC 的基本功能就是控制，它采集被控對象的各種信號。經過 PLC 處理后，通過執(zhí)行裝置實現(xiàn)控制。輸入電路就是被控對象（需要進行控制的機器，設備和生產過程）進行檢測，采集，轉換和輸入。另外，安裝在控制臺上的按鈕，開關等也可以向 PLC 送控制指令。輸出電路的功能就是接受 PLC 輸出的控制信號，對被孔對象執(zhí)行控制任務。4.1.4PLC 控制系統(tǒng)的軟件組成PLC 控制系統(tǒng)的軟件主要是系統(tǒng)軟件，應用軟件，編程語言及編程支持工具軟件幾個部分組成。PLC 系統(tǒng)軟件與工作過程PLC 系統(tǒng)軟件是 PLC 工作所必須的軟件。在系統(tǒng)軟件的支持下，PLC 對用戶程序進行逐條的解釋，并加以執(zhí)行，直到用戶程序結束，然后返回到程序的起始又開始新的一輪掃描。PLC 的這種工作方式就稱之為循環(huán)掃描?，F(xiàn)以 OMRONP 型機為例來說明 PLC 掃描的工作過程：如下圖在沒有掃描之前，PLC 首先應保證自身的完好性。接通電源之后，為消除各元件狀態(tài)的隨機性，進行清零或復位處理，檢查 I/O 單元連接是否正確，再執(zhí)行一段程序。它涉及到各種指令和內存單元，如果執(zhí)行的時間不超過規(guī)定的時間范圍，則證明自身完好，否則系統(tǒng)關閉。上述操作完成后，將時間監(jiān)視定時復位，才允許掃描用戶程序。21公共操作是在每次掃描程序前又一次自檢，若發(fā)現(xiàn)故障，除了報警顯示燈亮之外，還判斷故障性質。一般性故障，只報警不停機，等待處理；對于嚴重故障，則停止運行用戶程序，此時 PLC 切斷一切輸出。上述操作完成后，將時間監(jiān)視定時復位，才允許掃描用戶程序。數(shù)據(jù)輸入/輸出操作有的稱為 I/O 狀態(tài)刷新。它包括兩種操作：一是采樣輸入信號（即刷新輸入狀態(tài)的內容）；二是送出處理結果（即按輸出狀態(tài)表的內容刷新輸出電路）。PLC 數(shù)據(jù) I/O 示意圖如下：22? 輸入映象存儲器及刷新。由上圖所示可知送入 PLC 端子上的輸入信號，經過電隔離，電平轉換，濾波處理后，進入緩沖器內 CPU 的采樣。 。在 PLC 的存儲器有一個專門存放 I/O 數(shù)據(jù)區(qū)，其中對應輸入端子的數(shù)據(jù)區(qū)，稱之為輸入映象存儲器。當 CPU 采樣時，輸入信號由緩沖區(qū)進入映象區(qū)。接著就是數(shù)據(jù)輸入或輸出狀態(tài)刷新。只有在采樣刷新的時刻，輸入映象存儲器中的內容才與輸入信號（不考慮電路固有的慣性和濾波滯后影響）一致，其他時間范圍輸入信號變化是不會影響映象存儲器的內容的。由于 PLC 掃描周期一般只有幾十毫秒，所以兩次采樣時間很短，對一般開關量來說，可以認為沒有因間斷采樣引起的誤差。即認為輸入信號一旦變化，就能立即進入輸入映象的存儲器內。? 輸出映象存儲器及輸出狀態(tài)刷新。同樣道理，CPU 不能直接驅動負載。按用戶程序要求及當前輸入狀態(tài)，要保持到下次刷新為止。同樣，對于變化較慢的控制過程來說，因為兩次刷新的時間間隔和輸出電路的慣性時間常數(shù)一般才幾十毫秒，可以認為輸出信號是及時的。應用軟件PLC 控制系統(tǒng)的應用軟件是指為完成 PLC 實際控制任務而編制的各種軟件。隨著 PLC 應用領域范圍的不斷擴大，應用水平的提高，PLC 應用軟件也大大豐富起來了。PLC 應用軟件與一般計算機信息處理軟件相比，有很大不同，PLC 應用軟件有以下幾個特點：? 應用軟件設計必須與生產工藝緊密結合。? 應用軟件與硬件緊密相關。軟件設計人員不能拋開硬件配置和系統(tǒng)孤立地考慮軟件設計。設計必須根據(jù)硬件系統(tǒng)，接口的實際情況進行相應的程序23設計。? PLC 應用軟件的設計需要計算機，自動控制技術甚至網絡通信技術等多種知識。特別是 PLC 網絡的出現(xiàn)，PLC 控制系統(tǒng)不再是一個單獨的裝置。編程語言及編程支持工具軟件PLC 有多種編程語言：梯形圖語言，助記符語言，邏輯功能圖語言，布爾代數(shù)語言和某些高級語言（Basic，C 語言等） 。但使用廣泛的還是梯形圖語言和助記符語言?，F(xiàn)在世界上各個 PLC 生產廠家都研制了自己的 PLC 編程支持工具軟件和監(jiān)控組態(tài)軟件。用戶可以根據(jù)自己的需要利用這些軟件來改善軟件的開發(fā)環(huán)境，提高編程效率。4.2PLC 選擇根據(jù)分揀機功能要求，并考慮到成本等，整體集中式小型的 PLC 就可以滿足系統(tǒng)使用要求。因此選用西門子 S7-200 型號的 PLC，CPU224.該 PLC 適 用 于 各 行 各 業(yè) ， 各 種 場 合 中 的 檢 測 、 監(jiān) 測 及 控 制 的 自 動 化 。 S7-200 系 列 的 強 大 功 能 使 其 無 論 在 獨 立 運 行 中 ， 或 相 連 成 網 絡 皆 能 實 現(xiàn) 復 雜 控制 功 能 。 因 此 S7-200 系 列 具 有 極 高 的 性 能 /價 格 比 。S7-200 系 列 出 色 表 現(xiàn) 在 以 下 幾 個 方 面 ： --------* 極 高 的 可 靠 性 --------* 極 豐 富 的 指 令 集 --------* 易 于 掌 握 --------* 便 捷 的 操 作 --------* 豐 富 的 內 置 集 成 功 能 --------* 實 時 特 性 --------* 強 勁 的 通 訊 能 力 --------* 豐 富 的 擴 展 模 塊CPU224 集 成 14 輸 入 /10 輸 出 共 24 個 數(shù) 字 量 I/O 點 。 可 連 接 7 個 擴 展 模塊 。 6K 字 節(jié) 程 序 和 數(shù) 據(jù) 存 儲 空 間 。 4 個 獨 立 的 30kHz 高 速 計 數(shù) 器 ， 2 路 獨立 的 20kHz 高 速 脈 沖 輸 出 。 1 個 RS485 通 訊 /編 程 口 ， 具 有 PPI 通 訊 協(xié) 議 、MPI 通 訊 協(xié) 議 和 自 由 方 式 通 訊 能 力 。 非 常 適 合 于 小 點 數(shù) 控 制 的 微 型 控 制 器 。以下為該 PLC 的性能參數(shù)：存 儲 器 用戶存儲器類型：EEPROM 程序：4096 字用戶數(shù)據(jù)：2560 字本機 I/O 14 入 10 出，并有 7 個擴展模塊。通 訊 通訊口數(shù)量：1（RS-485）24支持協(xié)議： 0 號口：PPI,DP/T，自由口5、總結經過兩個多月的學習、研究，以及在劉老師的悉心指導下，終于完成了本論文。在這里，首先要感謝劉老師，對于我的設計，劉老師不論是在總體方向還是具體的實施方面都給予了很大的幫助，并且在論文后期幫助我不斷改善。正是在劉老師的耐心指導下，本論文才可以如此順利的完成。本自動分揀機實現(xiàn)了高可靠高效率的設計要求，并且具有一定的代表性，完全可以把本控制系統(tǒng)應用于其他的自動分揀系統(tǒng)中。這次做論文的經歷也會使我終身受益，我感受到做論文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己學習的過程和研究的過程，沒有學習就不可能有研究的能力，沒有自己的研究，就不會有所突破，那也就不叫論文了。希望這次的經歷能讓我在以后學習中激勵我繼續(xù)進步。不積跬步何以至千里，本設計能夠順利的完成，也歸功于各位任課老師的認真負責，使我能夠很好的掌握和運用專業(yè)知識，并在設計中得以體現(xiàn)。正是有了他們的悉心幫助和支持，才使我的畢業(yè)論文工作順利完成，在此向江西農業(yè)大學工學院的全體老師表示由衷的謝意。感謝你們四年來的辛勤栽培。256、參考文獻1．陳立定，吳玉香，蘇開才編．電氣控制與可編程控制器．華南理工大學 出版社．200l 2．西門子公司.SIMATICs7—200 可編程序控制器系統(tǒng)手冊 .20003．西門子自動化設備公司. 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