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(jié)合的技術(shù)實現(xiàn)了櫻桃西紅柿的自動分選。根據(jù)實際生產(chǎn)需求以及設計生產(chǎn)效率，合理選擇各動力及控制元件。并且編制控制程序。 關(guān)鍵詞：自動分揀機；控制系統(tǒng)；可編程邏輯控制器；PC；繼電器。 Abstract With 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 words：Automatic sorting system；Control system; Programmable logicalcontroller；PC；Solid State Rely 目錄 1、前言 5 2、總體功能介紹 6 2.1排隊部分 7 2.1.1電機選擇 8 2.1.2 電子無級速度控制器選擇 8 2.2輸送部分 9 2.2.1 電機的選擇 9 2.2.2電機工作情況 10 2.3視覺系統(tǒng) 11 3、電控設計 12 3.1輸入部分 12 3.2輸出部分 13 3.3控制面板 13 3.3.1輸送、排隊繼電器 14 3.3.2按鈕開關(guān) 14 3.3.3信號燈 15 4、系統(tǒng)PLC選擇 15 4.1PLC簡介 15 4.1.1PLC的起源與發(fā)展 15 4.1.2 PLC控制系統(tǒng)與其他工業(yè)控制系統(tǒng)的比較 16 4.1.3PLC控制系統(tǒng)的硬件組成 18 4.1.4PLC控制系統(tǒng)的軟件組成 20 4.2PLC選擇 23 5、總結(jié) 24 6、參考文獻 25 第一章 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(nóng)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(chǎn)業(yè)正快速發(fā)展，目前已經(jīng)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(chǎn)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(gòu)、控制裝置等組成。當分揀物到達分揀口時，通過推拉機構(gòu)、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(chǎn)品的質(zhì)量有更明確的保證，增加勞動生產(chǎn)率，提高產(chǎn)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(chǎn)，很大程度的提高生產(chǎn)效率，取得更大的利益。 第二章 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(chǎn)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(chǎn)。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)。 現(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(chǎn)品經(jīng)送料系統(tǒng)送入排隊系統(tǒng)，在此等待，并依次經(jīng)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(chǎn)品屬于規(guī)格一或者規(guī)格二。判斷完成后，根據(jù)結(jié)果向每種規(guī)格所對應的繼電器發(fā)出信號。并轉(zhuǎn)換成指令送入PLC。 PLC根據(jù)程序設計，在收到產(chǎn)品的規(guī)格指令后，經(jīng)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(chǎn)品在空氣壓縮機的氣壓作用下出料，將不同規(guī)格的產(chǎn)品經(jīng)不同出料口送出分揀機，分揀任務完成。 考慮到產(chǎn)品的特殊性，產(chǎn)品在分揀機的各部分中不能有強烈的碰撞等，因此產(chǎn)品在進出料時由空氣壓縮機提供氣壓使產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(jié)果轉(zhuǎn)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(guān)：總行、送料、輸送、手/自動轉(zhuǎn)換。 下面對分揀機各功能模塊進行設計說明： 2.1排隊部分 產(chǎn)品經(jīng)進料口送入分揀機后，需要使其可以依次經(jīng)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(gòu)采取電機帶動。根據(jù)設計生產(chǎn)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(zhuǎn)平穩(wěn)、振動小、質(zhì)量輕，故選用90YYJT90型齒輪減速電子調(diào)速電動機，額定功率0.09kW，頻率50Hz，電壓200V，輸出轉(zhuǎn)速1-500r/min(任意選擇)。 選用浙江佳雪微特電機集團生產(chǎn)的 90YYJT90-3。該產(chǎn)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(diào)速電機，具有較高的性價比。 排隊電機的安裝線路圖： 2.1.2 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(qū)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(shù)的發(fā)展，促使電機調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變。 選擇浙江微特電機生產(chǎn)的SC-A電子無級速度控制器。該產(chǎn)品采用PD比例調(diào)節(jié)器，電流負反饋技術(shù)，實現(xiàn)恒力矩無級調(diào)速，具有運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，起動迅速，控制精度高等特點。 并且該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(diào)整量可達10000步，能夠?qū)崿F(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(chǎn)品經(jīng)過光耦后，經(jīng)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： 根據(jù)傳送帶設計所需轉(zhuǎn)速，以及生產(chǎn)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(chǎn)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(gòu)、調(diào)速控制機構(gòu)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(zhuǎn)時，本機性能可靠，能精確轉(zhuǎn)動，無后坐力。 （2）.變速范圍大：變速比均為1：5，即輸出轉(zhuǎn)速可在1：45至1：7.25之間任意變化。 （3）.調(diào)速精度高：調(diào)速精度為1--0.5轉(zhuǎn)。 （4）.性能穩(wěn)定：本機的傳動部件都經(jīng)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(jié)構(gòu)：輸入軸、輸出軸同向旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)速，大扭矩的變速效果。 （7）.在允許負載的情況下，調(diào)定的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)）開始時，溫升可高于環(huán)境溫度的40°-50°，當運轉(zhuǎn)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： K 工作情況 1 均勻、勻速負載、單向旋轉(zhuǎn)、無慣性 1.3 中等沖擊、脈動負載、常反轉(zhuǎn)、中慣性 1.5 中等沖擊、脈動負載、常反轉(zhuǎn)、大慣性 1.75 嚴重沖擊、脈動負載、常反轉(zhuǎn)、大慣性 調(diào)速方式：手動調(diào)速（分快慢手輪、指針手輪兩種） 配直角器調(diào)速 電動調(diào)速 2.3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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品規(guī)格劃分的可靠性。考慮到控制系統(tǒng)的保護，所選交直流轉(zhuǎn)換器要求很高的轉(zhuǎn)換準確度。 交直流轉(zhuǎn)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(chǎn)的SA-350-24型號交直流轉(zhuǎn)換器。 SA-350-24轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)進行測量。 并且該產(chǎn)品在保證良好的性能之外，擁有比同規(guī)格產(chǎn)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; 校準： 18°C 至 28°C; 儲存： -40°C 至 50°C 第三章 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(chǎn)品信息由光耦采集，PC分析后，給出兩種規(guī)格結(jié)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(diào)節(jié)。 右圖為產(chǎn)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： 　?。?）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。 　?。?）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(qū)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(qū)動器。 　　（3）快速轉(zhuǎn)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(guān)，在零電壓處導通，零電流處關(guān)斷，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開關(guān)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(chǎn)的JGX型固態(tài)繼電器，是采用先進的技術(shù)和器件制造的一種性能優(yōu)良的新型無觸點電子開關(guān)。其輸入端僅要求很小的控制電流，能與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(guān)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(chǎn)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(chǎn)廠，專業(yè)生產(chǎn)氣動電磁閥。MAC電磁閥因其獨特的結(jié)構(gòu)設計及卓越的性能品質(zhì)，在北美有26%的市場占有率。 　　 MAC的電磁閥結(jié)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(jīng)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(zhì)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(zhuǎn)換四個控制按鈕。 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(chǎn)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(zhì)量，并且方便繼電器的維護等。 3.3.2按鈕開關(guān) 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(guān)。 該開關(guān)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(shù)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） ●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≤50mΩ 3.3.3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?lián)Q代產(chǎn)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5MΩ ? 　　　　　　60V＜Ui≤660V為50MΩ 第四章 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(chǎn)的各個領(lǐng)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(chǎn)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(guān)，限位開關(guān)，傳感器等構(gòu)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(gòu)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(chǎn)現(xiàn)場是指被控制的對象（如電動機等）或生產(chǎn)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(shù)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(gòu)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?？删幊绦蚓哂辛烁咚儆嫈?shù)，中斷技術(shù)，PID控制等功能，同時聯(lián)網(wǎng)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(lǐng)域不斷擴大。為了使這一新型的工業(yè)控制裝置的生產(chǎn)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。 “可編程序控制器是一種數(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(nèi)部儲存執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)和算術(shù)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(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)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(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)，自動控制技術(shù)和通信技術(shù)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(jīng)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(lǐng)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(chǎn)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 控制速度 低。靠機械動作實現(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(jié)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(jié)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(jié)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(chǔ) 一般技術(shù)人員，稍加培訓即可操作使用 對內(nèi)存的要求 容量大 容量小 價格 價格高 價格較低 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(jié)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(shù)改造。經(jīng)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： l 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。 l 內(nèi)部采用電磁屏蔽，防止輻射干擾。 l 采用優(yōu)良的開關(guān)電源，防止電源線引入的干擾。 l 具有良好的自診斷功能可對CPU等內(nèi)部電路進行檢測，一旦出錯，立即報警。 l 對程序及有關(guān)數(shù)據(jù)有電池供電進行后備，一旦斷電或運行停止，有關(guān)狀態(tài)及信息不會丟失。 l 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。 l 采用了冗余技術(shù)進行一步增強了可靠性。對某些大型PLC還采用了雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或三CPU構(gòu)成表決式系統(tǒng)。 隨著構(gòu)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(chǎn)廠家甚至宣布，今后生產(chǎn)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(jīng)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(guān)，傳感器，執(zhí)行機構(gòu)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(shù)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(jié)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(zhuǎn)換和交換。這樣相輔相成，構(gòu)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 PLC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(gòu)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(diào)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(chǎn)生相應的內(nèi)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(chǎn)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(guān)，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(jīng)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(jīng)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(diào)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(chǎn)過程，它與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過I/O模塊實現(xiàn)的。生產(chǎn)過程有許多控制變量，如溫度，壓力，液位，速度，電壓，開關(guān)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(chǎn)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(chǎn)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(guān)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(diào)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(zhuǎn)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(zhì)量的開關(guān)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(nèi)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(jīng)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(chǎn)過程）進行檢測，采集，轉(zhuǎn)換和輸入。另外，安裝在控制臺上的按鈕，開關(guān)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。 4.1.4 PLC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(jié)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。 現(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(nèi)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(guān)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。 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(zhì)。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(nèi)容）；二是送出處理結(jié)果（即按輸出狀態(tài)表的內(nèi)容刷新輸出電路）。PLC數(shù)據(jù)I/O示意圖如下： v 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(jīng)過電隔離，電平轉(zhuǎn)換，濾波處理后，進入緩沖器內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(guān)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(nèi)。 v 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(qū)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(lǐng)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： l 應用軟件設計必須與生產(chǎn)工藝緊密結(jié)合。 l 應用軟件與硬件緊密相關(guān)。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設計。 l PLC應用軟件的設計需要計算機，自動控制技術(shù)甚至網(wǎng)絡通信技術(shù)等多種知識。特別是PLC網(wǎng)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(chǎn)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。 4.2 PLC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(wǎng)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(nèi)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?？蛇B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） 支持協(xié)議： 0號口：PPI,DP/T，自由口 總結(jié) 經(jīng)過兩個多月的學習、研究，以及在指導老師的悉心指導下，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(jīng)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(jīng)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(nóng)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。 6、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.2000 3． 西門子自動化設備公司. STEP7-Miert／WIN32V3．1sPl編程幫助手冊.2000 4． 周萬珍、高鴻斌·PLC分析與設計應用·北京：電子工業(yè)出版社，2004年 5． 張建軍等. 《自動化立體倉庫控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)》. 《工業(yè)自動化儀表與裝置》，2001，第三期：P6-9 6． D.R.伍德利. 《物料搬運》，北京，機械工業(yè)出版社，1975，P21-29 7． 黃亦公. 《機械工業(yè)雜志》，1993，12期：P206-216 8． 趙利民. 《微型計算機控制系統(tǒng)》，北京，機械工業(yè)出版社，1994，P29-34 9． 徐履冰. 《非標準機械設計》,北京，機械工業(yè)出版社，1995，P172-176 10． 秦曾煌主編.《電工學（電子技術(shù)）》（上）第六版。高等教育出版社。2004.1 11． 施平主編。《機械工程專業(yè)英語》第八版。哈爾濱工業(yè)大學出版社。2007.8 12． 鄧星鐘主編，朱承高主審?！稒C電傳動控制》第三版。華中科技大學出版社。2001.3 13． 張中夫主編?！稒C電傳動與控制》。機械工業(yè)出版社。2004.1 14． 周祖德 陳幼平主編《機電一體化控制技術(shù)與系統(tǒng)》。華中科技大學出版社 15． 楊叔子 楊克沖 等編著《機械工程控制基礎(chǔ)》（第五版）。華中科技大學出版社 附錄一：外文文獻原文 Visualization of PLC Programs using XML M. Bani Younis and G. Frey Juniorprofessorship Agentenbased Automation University of Kaiserslautem Abstract - Due to the growing complexity of PLC programs there is an increasing interest in the application of formal methods in this area. Formal methods allow rigid proving of system properties in verification and validation. One way to apply formal methods is to utilize a formal design approach in PLC programming. However, for existing software that has to be optimized, changed, or ported to new systems .There is the need for an approach that can start from a given PLC program. Therefore, formalization of PLC programs is a topic of current research. The paper outlines a re-engineering approach based on the formalization of PLC programs. The transformation into a vendor independent format and the visualization of the structure of PLC programs is identified as an important intermediate step in this process. It is shown how XML and corresponding technologies can be used for the formalization and visualization of an existing PLC program. I. INTRODUCTION Programmable Logic Controllers (PLCs) are a special type of computers that are used in industrial and safety critical applications. The purpose of a PLC is to control a particular process, or a collection of processes, by producing electrical control signals in response to electrical process- related inputs signals. The systems controlled by PLCs vary tremendously, with applications in manufacturing, chemical process control, machining, transportation, power distribution, and many other fields. Automation applications can range in complexity from a simple panel to operate the lights and motorized window shades in a conference room to completely automated manufacturing lines. With the widening of their application horizon， PLC programs are being subject to increased complexity and high quality demands especially for safety-critical applications. The growing complexity of the applications within the compliance of limited development time as well as the reusability of existing software or PLC modules requires a formal approach to be developed [I]. Ensuring the high quality demands requires verification and validation procedures as well as analysis and simulation of existing systems to be carried out [2]. One of the important fields for the formalization of PLC programs that have been growing up in recent time is Reverse-engineering [3]. Reverse Engineering is a process of evaluating something to understand how it works in order to duplicate or enhance it. While the reuse of PLC codes is being established as a tool for combating the complexity of PLC programs, Reverse Engineering is supposed to receive increased importance in the coming years especially if exiting hardware has to be replaced by new hardware with different programming environments Visualization of existing PLC programs is an important intermediate step of Reverse Engineering. The paper provides an approach towards the visualization of PLC programs using XML which is an important approach for the orientation and better understanding for engineers working with PLC programs. The paper is structured as follows. First, a short introduction to PLCs and the corresponding programming techniques according to the IEC 61131-3 standard is given. In Section Ⅲ an approach for Re-engineering based on formalization of PLC programs is introduced. The transformation of the PLC code into a vendor independent format is identified as an important first step in this process. XML and corresponding technologies such as XSL and XSLT that can be used in this transformation are presented in Section IV. Section V presents the application of XML for the visualization of PLC programs and illustrates the approach with an example. The final Section summarizes the results and gives an outlook on future work in this ongoing project. Ⅱ PLC AND IEC 61131 Since its inception in the early ‘70s the PLC received increasing attention due to its success in fulfilling the objective of replacing hard-wired control equipments at machines. Eventually it grew up as a distinct field of application, research and development, mainly for Control Engineering. IEC 61 131 is the first real endeavour to standardize PLC programming languages for industrial automation. In I993 the International Electrotechnical Commission [4] published the IEC 61131 Intemational Standard for Programmable Controllers. Before the standardization PLC programming languages were bei