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1、中图分类号： 密级：UDC： 编号：毕业设计设计题目名称：PLC在大小球分拣传送装置中的应用学 生 姓 名：周树奎专业名称：电气工程及其自动化班 级：电气09-2学 制：三年学 号：0950193239学历层次：专 科指导教师：李珊珊评 阅 人：李珊珊论文（设计）提交日期： 2012 年 6 月12日论文（设计）答辩日期： 2012 年 6 月18日江苏建筑职业技术学院二一二 年 六月 十八 日摘要本设计是研制自动化程度高、工作可靠、稳定的机械臂控制系统，使其完成分拣大小球的全自动的机械设计。本文阐述了应用西门子公司的具有高性能价格比的微型可编程控制器S7-200 PLC的自动分拣大小球控制系
2、统。该系统充分利用了学习中讲述的可编程控制器（PLC）的多方面的设计知识和方法，实现了机械臂从原点的下降、判断、抓取、上升、摆动、释放、还原等一系列的动作完成这一工序。这一控制系统的实现和应用，充分体现了PLC系统在工业现场的应用，PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能，根据设计和不同的需求改变数据和状况，还可以使其应用的范围更加广泛。关键词：西门子、可编程控制器、自动控制、大小球分拣目录第一章 PLC系统设计的基础知识11.1 PLC控制系统的构成与特点11.
3、1.1PLC控制系统的构成11.1.2 PLC控制系统的特点21.2 PLC的产生与定义21.3 PLC的结构31.3.1 LC的基本组成31.4 PLC的应用、分类及程序语言61.4.1 PLC的应用61.4.2 PLC的分类71.4.3 PLC程序语言7第二章 PLC的基本指令介绍82.1 基本逻辑指令82.1.1 位逻辑指令82.1.2 置位/复位指令102.1.3 定时器指令102.2 顺序控制指令112.2.1 顺序控制指令介绍112.2.2 顺控指令的使用112.2.3 使用说明12第三章 PLC在大小球分拣系统中的设计133.1 PLC分拣大小球的控制要求133.2分拣大小球的系
4、统结构示意图143.3分拣大小球控制接线图153.3.1 大小球分拣控制电路图153.3.2 接线时注意事项15第四章 大小球分拣系统的PLC程序设计174.1 I/O点分配174.2 程序指令表174.3 状态流程图184.4 程序梯形图184.5 程序调试25总结26参考文献27致谢28第一章 PLC系统设计的基础知识1.1 PLC控制系统的构成与特点1.1.1 PLC控制系统的构成通常机械设备的电气控制主要由控制电器、保护电器和电动机等组成。如图1-1所示的某台设备电气系统控制柜包括PLC、断路器、变频器、交流接触器、中间继电器、热继电器和变压器等主要电气器件。 PLC熔断器热继电器接触
5、器断路器变频器中间继电器变压器 图1-1 内装PLC的电气控制柜图1-2所示为继电器电气控制系统和PLC电气控制系统框图。可以看出，它们的控制方式不同，继电器控制属于继电器硬件连线控制方式，PLC控制属于存储程序控制方式。PLC利用程序中的“软继电器”取代传统的物理继电器，使控制系统的硬件结构大大简化，具有体积小、价格便宜、维护方便、编程简单、控制功能强、可靠性能高等一系列优点。因此，目前PLC电气控制系统在各个行业机械设备的电气控制中得到非常广泛的应用。按钮下达指令按钮下达指令PLC程序控制逻辑继电器连线控制逻辑接触器接触器器电动机电动机 （a）继电器电气控制系统 （b）PLC电气控制系统图
6、1-2 电气控制系统框图图1-3给出了一个PLC控制简图，说明PLC电气控制系统的工作原理。在图2-3中，启动/停止按钮分别接PLC的输入端I0.0和I0.1,交流接触器的线圈接PLC的输出端Q0.0，PLC程序对启动/停止按钮的状态进行逻辑运算，运算的结果决定了输出端Q0.0是否接通或断开交流接触器线圈的电源，从而控制电动机的工作状态。图1-3 PLC控制简图1.1.2 PLC控制系统的特点（1）硬件结构简单继电器控制逻辑是通过大量的物理继电器连线来实现的，结构复杂；而PLC控制逻辑是由程序（软继电器）构成，取消了中间继电器和时间继电器等控制器件，大大简化了硬件连线。（2）逻辑控制更改方便要
7、改变继电器控制逻辑必须重新接线 ，工作量很大，因此有的用户宁愿拆除旧的控制柜面而另外重新做一个电气控制柜；而修改PLC的控制逻辑只需要重新编写或更改用户程序即可。（3）系统稳定、维护方便PLC性能指标高，抗干扰性强，能在工业生长环境下长期稳定的工作。据统计，PLC控制系统的电气故障仅为相应功能的继电器控制系统故障的5%。当电路发生故障时，可根据PLC输入/输出端的LED显示来判断产生故障的部位，迅速的排出故障。1.2 PLC的产生与定义自20世纪60年代起，工业产品生产呈现多品种、小批量的趋势，而当时各种生产流水线的电气控制系统基本上都是由继电器-接触器控制系统构成的，产品的每次变更都直接导致
8、电气控制系统的重新设计和安装。为了尽可能减少重新设计和安装电气系统的工作量，人们设想利用计算机的控制功能制造一种新型的工业控制装置。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台可编程控制器，在美国通用汽车公司的自动装配线上使用，取得了巨大的成功。之后，PLC很快在世界各国的工业领域推广应用。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，
9、都应按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则而设计。”总之，PLC是一台专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有多种类型的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。PLC产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件要根据实际需要进行选用配置，其软件要根据用户的控制要求进行设计。1.3 PLC的结构1.3.1 PLC的基本组成PLC主要由CPU、存储器、I/O接口、通信接口和电源等几部分组成，如图2-5所示。输出接口输入接口CPU存储器电源通信接口图1-5 PLC的硬件结构（1）中央处理器CPUCPU是PLC的逻辑运算中心，协调系统工作。（2）存储器PLC的存储器ROM（只读
10、存储器）中固化着系统程序，用户不可修改。存储器RAM（随机存储器）中存放用户程序和工作数据，在PLC断电时为了防止RAM中的信息丢失，由锂电池供电。（3）电源PLC的电源是一种将外部电源转换为PLC内部元器件使用的各种电压（通常是5V、24V DC）的开关稳压电源。备用电源采用锂电池。（4）通信接口通信接口是PLC与外界进行交换信息和写入程序的通道，S7-200系列PLC的通信接口类型是RS-485。（5）输入接口输入接口用来完成输入信号的引入、滤波及电平转换。输入接口电路如图1-6所示。输入接口电路的主要器件是光耦合器。光耦合器可以提高PLC的抗干扰能力和安全性能，进行高低电平（24V/5V
11、）转换。图1-6 PLC输入接口电路输入接口电路的工作原理如下：当输入端按钮SB未闭合时，光耦合器中发光二极管不导通，光敏晶体管截止，放大器输出高电平信号到内部数据处理电路，输入端口LED指示灯灭；当输入端按钮闭合时，光耦合器中发光二极管导通，光敏晶体管导通，放大器输出低电平信号到内部数据处理电路，输入LED指示灯亮。对于S7-200直流输入系列的PLC，输入端直流电源额定电压为24V，输入接口公共端1M既可以接24V的正极，也可以接24V的负极。（6）输出接口PLC的输出接口3种形式：继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出，如图1-7所示。图1-7 PLC输出接口电路1、继电器输出电路： 该种输
12、出电路形式外接电源既可以是直流，也可以是交流。PLC继电器输出电路形式允许负载一般是AC250V/50V以下，负载电流可达2A，容量可达80100VA（电压电流），因此，PLC的输出一般不宜直接驱动大电流负载。 PLC继电器输出电路的形式继电器触点的使用寿命也有限制。此外，继电器输出的响应时间也比较慢（10ms）左右，因此，在要求快速响应的场合不适合使用此种类型的电路输出形式。当连接感性负载时，为了延长继电器触点的使用寿命，对于外接直流电源时的情况，通常应在负载两端加过电压抑制二极管；对于交流负载，应在负载两端加RC抑制器。2、晶体管输出电路：晶体管输出电路形式相比于继电器输出响应快，适用于要
13、求快速响应的场合；由于晶体管是无机械触点，因此比继电器输出电路形式的寿命长。晶体管输出型电路的外接电源只能是直接电源，这是其应用局限的一方面。另外，晶体管输出驱动能力要小于继电器输出，允许负载电压一般为DC5V30V，允许负载电流为0.2A0.5A。这两点的使用晶体管输出电路形式时要注意。3、双向晶闸管输出电路：双向晶闸管输出电路只能驱动交流负载，响应速度也比继电器输出电路形式要快，寿命要长。双向晶闸管输出的驱动能力要比继电器输出的要小，允许负载电压一般为AC85242V；单点输出电流为0.2A0.5A，当多点共用公共端时，每点的输出电流应减小（如单点驱动能力为0.3A的双向晶闸管输出，在4点
14、共用公共端时，最大允许输出为0.8A/4点）。对于电阻负载而言，继电器输出的PLC每点电流为为2A，个别型号的PLC每点负载电流高达810A，晶闸管和晶体管输出型PLC负载电流一般在0.30.5A1.4 PLC的应用、分类及程序语言 1.4.1 PLC的应用PLC主要应用于以下几个方面。（1）开关量逻辑控制 这是PLC最基本的控制，可以取代传统的继电器控制系统。（2）模拟量控制除了开关量控制以外，PLC还可以接受、处理和控制连续变化的模拟量，如温度、压力、速度、电压、电流等。（3）运动控制PLC可以控制步进电机、伺服电机和交流变频器，从而控制机件的运动方向、速度和位置。（4）多级控制PLC可以
15、实现与其他PLC、上位机、单片机互相交换信息，组成自动化控制网络。 1.4.2 PLC的分类PLC按结构形状可分为整体式和模块式。整体式的PLC具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优势，适合一般电气控制。整体式的PLC也称为PLC的基本单元，在基本单元的基础上可以加装扩展模块以扩大其使用范围。模块式的PLC是把CPU、电源、输入接口、输出接口等做成独立的单元模块，具有配置灵活，组装方便、便于扩展的优势，适合输入输出点数差异较大或有特殊功能要求的控制系统。PLC按输入/输出接口（I/O接口）点数可分为小型机、中型机和大型机。I/O点数小于128点为小型机；I/O点数在129512点为中型机；I
16、/O点数在512点以上为大型机。PLC的I/O接口数越多，其存储容量也越大，价格也越贵，因此，在设计电气控制系统时应尽量减少使用I/O接口的数目。 1.4.3 PLC程序语言 用户的PLC程序可以用如图1-4所示的梯形图语言或指令表语言编写。梯形图程序主要由触电、线圈等软元件组成，触点代表逻辑的“输入条件”，线圈代表逻辑的“输出结果”,程序的逻辑运算按从左到右、从上倒下的方向执行。触点和线圈等组成独立电路称为网络，允许以网络为单位，给梯形图加注释，通常程序按网络编号的顺序执行。 程序的梯形图与继电器系统电气原理图类似。梯形图程序仿真电路中电流的流动，通过一系列的逻辑输入条件，决定是否有逻辑输出
17、。一个梯形图程序包括左侧提供“电流”的母线，闭合的触点允许电流通过它们流到下一个元件，而打开的触点阻止电流的流动。例如，图1-4所示的梯形图程序中，当触点I0.0（常开触点）闭合时，线圈Q0.0通电；当触点I0.1（常闭触点）闭合时，线圈Q0.1通电。指令表语言类似于计算机的汇编语言。用户既可以输入梯形图，也可以输入指令表，梯形图和指令表之间可由编程软件自动转化。图1-4 程序梯形图和指令表第二章 PLC的基本指令介绍指令是用户程序中最小的独立单位，由若干条指令顺序排列在一起就构成了用户程序。在S7-200的编程软件中，用户可以选用梯形图LAD（ladder）、功能块图（Function Bl
18、ock Diagram）或语句表STL（Statement List）等编程语言来编制用户程序。语句表和梯形图语言是一个完备的指令系统，支持结构化编程方法，而且两种编程语言可以相互转化。在用户程序中尽管它们的表达形式不同，但表示的内容却是相同或相似的。2.1 基本逻辑指令此类指令是PLC中最基本最常用的一类指令，主要包括位逻辑指令、堆栈操作指令、置位/复位指令、立即指令以及微分指令等。2.1.1 位逻辑指令位逻辑指令主要用来完成基本的位逻辑运算及控制。（1）LD、LDN和=（Out）指令LD（Load）、LDN（Load Not）：取指令。启动梯形图任何逻辑块的第一条指令时，分别连接动合触点和
19、动断触点。=（Out）：输出指令。线圈驱动指令，必须放在梯形图的最右端。 LD、LDN指令操作数为：I、Q、M、T、C、SM、S、V。=指令的操作数为：M、Q、T、C、SM、S。 图2-1 LD、LDN和=指令梯形图及语句表应用示例（2）A和AN指令A（And）：逻辑“与”指令，用于动合触点的串联。AN（And Not）：逻辑“与非”指令，用于动断触点的串联。A和AN指令的操作数为：I、Q、M、SM、T、C、S、V。 图2-2 A和AN指令梯形图及语句表应用示例（3） O和ON指令O（Or）：逻辑“或”指令，用于动合触点的并联。ON（Or Not）：逻辑“或非”指令，用于动断触点的并联。O和O
20、N指令的操作数为：I、Q、M、SM、T、C、S、V。 图2-3 O和ON指令梯形图及语句表应用示例（4）ALD指令ALD（And Load）：逻辑块“与”指令。用于并联电路块的串联连接。 ALD指令无操作数。 图2-4 ALD指令梯形图及语句表应用示例（5）OLD指令OLD（Or Load）：逻辑块“或”指令。用于串联电路块的并联连接。OLD指令无操作数。 图2-5 OLD指令梯形图及语句表应用示例2.1.2 置位/复位指令（1）置位指令SS（SET）：置位指令，将从bit开始的N个元件置1并保持。STL指令格式如下：Sbit,N其中，N的取值为1255。（2）复位指令RR（RESET）：复位
21、指令，将从bit开始的N个元件置0并保持。STL指令格式如下：Rbit,N其中，N的取值为1255。置位和复位指令应用的梯形图及指令表如图2-6所示。 图2-6 置位和复位指令应用示例2.1.3 定时器指令定时器是PLC常用的编程元件之一，S7-200系列PLC有三种类型的定时器，即：通电延时定时器（TON）、断电延时定时器（TOF）和保持型通电延时定时器（TONR），共计256个。定时器分辨率（S）可分为三个等级：1ms、10ms和100ms。 2.2 顺序控制指令2.2.1 顺序控制指令介绍顺序控制指令是PLC生产厂家为用户提供的可使功能图编程简单化和规范化的指令。S7-200 PLC提供
22、了三条顺序控制指令。一个SCR程序段一般有以下三种功能：(1) 驱动处理即在该段状态有效时，要做什么工作，有时也可能不做任何工作。(2) 指定转移条件和目标即满足什么条件后状态转移到何处。(3) 转移源自动复位功能状态发生转移后，置位下一个状态的同时，自动复位原状态。2.2.2 顺控指令的使用在使用功能图编程时，应先画出功能图，然后对应于功能图画出梯形图。如图2-7所示为顺序控制指令使用的一个简单例子图2-7 顺序控制指令使用举例2.2.3 使用说明顺控指令仅对元件S有效，顺控继电器S也具有一般继电器的功能，所以对它能够使用其它指令；SCR段程序能否执行取决于该状态器（S）是否被置位，SCRE
23、与下一个LSCR之间的指令逻辑不影响下一个SCR段程序的执行；不能把同一个S位用于不同程序中；在SCR段中不能使用JMP和LBL指令，就是说不允许跳入、跳出或在内部跳转，但可以在SCR段附近使用跳转和标号指令；在SCR段中不能使用FOR、NEXT和END指令；在状态发生转移后，所有的SCR段的元器件一般也要复位，如果希望继续输出，可使用置位/复位指令；第三章 PLC在大小球分拣系统中的设计3.1 PLC分拣大小球的控制要求（1）根据工艺要求，该控制流程根据吸住的是大球还是小球有两个分支，并且属于选择性分支。分支在机械臂下降之后根据下限开关LS2的通断，分别将球吸住、上升、右行到LS4（小球位置
24、I0.4动作）或LS5（大球位置I0.5动作）处下降，然后再释放、上升、左移到原点。其顺序功能图如图3-1所示。在图3-1中有两个分支，若吸住的是小球 ，则I0.2为ON，执行左侧流程，若为大球，I0.2为OFF，执行右侧流程。图3-1 大小球分类传送控制流程图（2）正常运行时，按下启动按钮，系统连续循环运行。（3）系统正在运行时，突然按下停止按钮，系统不能立即停止，要把当前该周期运行完后方可停止。（4）当系统正在运行时，突然断电后，要保证被抓球体不能被释放， 来电后，手动控制回原点。3.2 分拣大小球的系统结构示意图下图3-2为使用传送带将大小球分类选择传送装置的示意图。左上为原点，机械臂的
25、动作顺序为下降、吸住、上升、右行、下降、释放、上升、左行。机械臂下降时，当电磁铁压着大球时，下限位开关LS2（I0.2）断开；压着小球时，LS2接通，以此可判断吸住的是大球还是小球。左、右移分别由Q0.4、Q0.3控制；上升、下降分别由Q0.2、Q0.0控制，吸球电磁铁由Q0.1控制。图3-2 大小球分类传送装置示意图3.3分拣大小球控制接线图3.3.1 大小球分拣控制电路图如图3-3所示图3-3 控制接线图3.3.2 接线时注意事项 （1）底部端子（输入端子及传感器电源）L+：内部24VDC电源正极，为外部传感器或输入继电器供电。M：内部24VDC电源负极，接外部传感器负极或输入继电器公共端
26、。1M、2M：输入继电器的公共端口。I0.0I1.5：输入继电器端子，输入信号的接入端。（2）顶部端子（输出端子及供电电源）交流电源供电：L1、N、GND分别表示电源相线、中线和接地线。交流电压为85265V。直流电源供电：L+、M、GND分别表示电源正极、电源负极和接地。直流电压为24V。1L、2L、3L：输出继电器的公共端口。接输出端所使用的电源。输出各组之间是互相独立的，这样负载可以使用多个电压系列（如AC220、DC24V等）。Q0.0Q1.1：输出继电器端子，负载接在该端子与输出端电源之间。（3）PLC不要与PLC公共接地。第四章 大小球分拣系统的PLC程序设计4.1 大小球分拣系统
27、的输入/输出端口分配4.1.1 大小球分拣系统输入/输出分配表见表4-1表4-1 输入/输出端口分配表输入输出输入继电器输入元件作用输出继电器输出元件控制对象I0.0SQ1常开触点主机启动Q0.0中间继电器KA1机械臂下降I0.1LS1常开触点机械臂左限Q0.1中间继电器KA2吸盘吸合I0.2LS2常开触点机械臂下限Q0.2中间继电器KA3机械臂上升I0.3LS3常开触点机械臂上限Q0.3接触器KM1机械臂左移I0.4LS4常开触点机械臂右限（小球）Q0.4接触器KM2机械臂右移I0.5LS5常开触点机械臂右限（大球）Q0.5指示灯原位显示I0.6SA1常开触点手动模式I0.7SA2常开触点自
28、动模式I1.10SA3常开触点机械臂手动向上调整I1.1SA4常开触点机械臂手动向下调整I1.2SA5常开触点机械臂手动向左调整I1.3SA6常开触点机械臂手动向右调整4.2 大小球分拣系统的程序指令表4.2.1 大小球分拣系统的程序指令表见图4-2表4-2西门子常用指令表编号符号说明1-| |-常开触点2-|/|-常闭触点3-( )输出线圈4-(R)线圈复位5-(SD)接通延时定时器线圈6-(SCR)顺控指令段首7-(SCRT)顺控指令转换8-(SCRE)顺控指令断尾4.3 大小球分拣系统状态流程图 1大小球分拣系统状态流程图如图4-1所示图4-1 大小球分类传送控制流程图4.4 大小球分拣
29、系统程序梯形图4.4.1 大小球分拣系统程序梯形图如图4-2所示图4-2 大小球分拣控制程序4.5 程序设计调试（1）按图3-3所示电路连接大小球分拣系统的控制电路。 （2）接通电源，拨状态开关于“TERM”(终端)位置。 （3）启动编程软件，单击工具栏停止图标使PLC处于“STOP”（停止）状态。（4）将图4-2所示的控制程序下载到PLC。（5）单击工具栏运行图标使PLC处于运行状态。（6）按照控制要求来进行操作按钮，记录调试结果跟预期设定比较。总结我的毕业设计题目是大小球分拣系统，通过整个设计过程，使我对电机传动有了很大的收获。充分认识到自己的不足，通过理论分析和实践的反复论证，许多问题有
30、了较好的解决。通过这次设计，使我了解了PLC机械手在大小球分拣中的工作原理，学习到机械手的原理及使用。通过这次设计，使我发现自己还有很多不足，对PLC的了解不够，但自己在设计中培养了我综合运用理论知识与应用相结合的能力，真正做到了学有所用。在此要感谢我的指导老师李珊珊对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过互联网查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，
31、使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，很多东西都不完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。参考文献1. 电气控制与PLC应用，张桂香，化学工业出版社2. 可编程控制器使用教程，王红、王艳玲，电子工业出版社3. 电气控制与可编程控制器技术，史国生，化学工业出版社4. 可编程控制器原理及应用教程，孙振强，清华大学出版社5. 可编程控制器技术教程，吕景泉，高等教育出版社6. 可编程序控制器原理与应用，汪志锋，西安电子科技大学出版社7. 现代电气及可编程控制技术，王永华，北京航空航天大学出版社8. 电梯原理及逻辑排故，姚
32、融融，西安电子科技大学出版社9. 可编程序控制系统，朱善君，清华大学出版社致谢值此论文完成之际，谨向我的导师李珊珊老师表示衷心的感谢！从选题，设计以及后来的调试都得到李珊珊老师的帮助。尽管李老师很忙，但是在我进行毕业设计期间，对我们进行指导，询问进度情况，督促我们的工作，尽心尽力，甚至周末，也不曾休息，通过电话等方式询问进展情况。我能顺利完成，与李老师的帮助密不可分。在调试的时候，李老师更给了我们不少建议与意见，让我们少走了不少的弯路。在此期间，还有许多同学给了我很大的帮助，在我很迷惑的时候是跟他们一起研究学习，最后完成了自动分拣系统的设计。没有他们我的毕业设计完成不会那么顺利，在此，我对所有关心过我、帮助过我的人表示最衷心的谢意！
