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1、 摘要 随着经济不断发展，人们的生活水平不断提高，将PLC应用到分离机的电气控制系统，可实现分离机的自动化控制，降低系统的运行费用。在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分拣，本课程设计拟设计大小球分拣传送机控制系统的PLC设计，采用的德国西门子 S7-200 系列（cpu-224）PLC，对机械臂的上下、左右以及抓取运动进行控制，用于分捡大小球的机械装置。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。 目录摘要1第一章 PLC应用系统设计基础知识31.1 可编程控制器的产生与发展31.2 可编程控制器的用途及特点51.3 可编程控制器基本工作原理61.4 PLC控制系统设
2、计的原则和内容71.5 PLC的选型8第二章 PLC在大小球的分拣系统中的设计102.1 大、小球分栋传送机械示意图102.2 分拣系统的控制要求112.3 大小球分拣的设计思想122.4 I/O编址132.5 机械手分拣球控制系统的接线图14第三章 软件设计153.1 顺序功能图概述153.2 机械手分拣大小球控制程序流程图163.3 机械手分拣大小球控制程序的梯形图183.4 机械手分拣大小球控制程序的指令表 .24第四章 总结28参考文献29第一章 PLC应用系统设计基础知识1.1 可编程控制器的产生与发展 可编程控制器（Programmable Controller，PC），是近几年迅
3、速发展并得到广泛应用的新一代工业自动化控制装置。早期主要用于计数、定时以及开关量的逻辑控制，为了和个人计算机相区别，把可编程控制器缩写为PLC（Programmable Logic Controller ）。 国际电工委员会（IEC）于1985年发布的可编程器标准草案中，对可编程控制器的定义如下。“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的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充
4、其功能的原则设计。” 早期的可编程控制器主要有分立元件和中小规模集成电路组成。随着微电子计数和集成电路的发展，特别是微处理器和微计算机的迅速发展，在20世纪70年代中期，美、日、德等国的一些厂家在可编程控制器中开始引入微处理器及其他大规模集成电路芯片，是可编程控制器具有了自诊断功能，可靠性有了大幅提高，性能价格比产生了新的突破。到20世纪80年代可编程控制器都采用了微处理器、只读存储器、随机存储器或是单片机作为其核心，处理速度大大提高。20世纪90年代末，PLC几乎完全计算机化，速度更快，功能更强，各种智能模块不断被开发出来，不断地扩展着它在各类工业控制过程中的作用。现在，PLC，不仅能进行逻
5、辑控制，在模拟闭环控制、数字量智能控制。数据采集、监控、通信联网及集散控制系统等各发面都得到了广泛用用。展望未来，可编程控制器在规模和功能上将向两大方向发展：一是大型可编程控制器向高速、大容量和高功能方向发展。二是发展简易经济的超小型可编程控制器，以适应单机控制及小型设备自动化的需要。1.2 可编程控制器的用途及特点简要概括PLC的用途如下：(1)数字量逻辑控制 这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器逻辑控制。含触点的串、并联及组合逻辑控制、定时。计数控制等。可用于单机控制。多机控制、生产自动线控制。(2)运动控制 PLC使用专用运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度
6、进行控制，可以实现单轴、双轴、三轴和多轴位置控制。(3)过程控制 通过模拟量I/O模块PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。(4)数据处理 现代可编程控制器具有数学运算、数据传送、转换、查表、排序、微操作等功能。可以完成数据的采集处理。(5)通信联网 可编程控制器通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台可编程器之间的通信、可编程控制器与其他智能控制设备，极大地提高了控制的可靠性。简要概括PLC的特点如下：(1)可靠性高，抗干扰能力强(2)配套齐全，适应性强，应用灵活(3)编程方便，易于使用(4)功能强，拓展能力强，性价比高(5)PLC控制系统设计、安装、调试方便(6)维修方便
7、，维修工作量小1.3 可编程控制器基本工作原理 可编程控制器有二种基本的工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态，其中运行状态是执行应用程序的状态，停止状态一般用于程序的编制与修改。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程控制器停机或切换到停止工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程控制器还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环和分为（内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理）5个阶段,可编程控制器这种周而复始的循环
8、工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入/输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。1.4 PLC控制系统设计的原则和内容PLC的选择除了应满足技术指标的要求外，还应着重考虑产品的技术支持与售后服务等情况。最大限度地满足被控对象或产生过程的控制要求。对于一些原来用继电接触器线路不易实现的要求，使用PLC后，将很容易实现。在满足控制要求前提下，力求使控制简单、经济、操作和维护方便。对一些过去较为繁琐的控制可利用PLC的特点加以简化，通过内部程序化外部接线及操作方式，保证控制系统的安全、可靠，同时采取“软件兼施”的办法。考虑到生产的发展和工艺的改进，选择PLC容量及I/O点
9、数时，应适当留有裕量。一个系统完成后，往往会发现一些原来没有考虑到的问题，或者新提出的问题 ，如果事先留有裕量。则PLC系统极易修改。同时对日后系统工艺的变更提供方便。当然对于不同的用户，要求的侧重点不同，设计的原则也应有所区别，如果以提高产品和安全为目标，则应将系统可靠性放在设计的重点，设置考虑采取冗余控制系统；如果要求系统改善信息管理，则应将系统通信能力与总线网络设计加以强化；如果系统工艺经常变更，则事先充分考虑。1.5 PLC的选型 在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，具体考虑以下几点。（1） 性能与任务相适应对于开关量控制系统的应用系统，当对控制要求不高时，可选用小型
10、PLC（如西门子公司S7-200系列PLC或OMON公司系列CPM1A/CPM2A型PLC）就能满足要求。对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业生产中常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带有D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的中小型PLC，如西门子公司的S7-300系列PLC或OMRON公司的COM/CQM1H型PLC。对于比较复杂的中大型控制系统，可选用中大型PLC（如西门子公司的S7-400系列PLC或OMRON公司的C200HE/C200HG/C200HX、CV/CVM
11、1等PLC）。（2） PLC的处理速度应满足时实控制的要求PLC工作时，从输入信号控制存在着滞后现象，即输入量的变化，一般要在12个扫描周期之后才能反映到输出端，这对于一般工业控制是允许的。但有些设备的实时性要求教高，不允许有教大的滞后时间。（3）PLC应用系统结构合理、机型系列应统一S7-200系列PLC是西门子公司20世纪90年代推出的整体式小型可编程控制器，其结构紧凑、系列完整、功能完善，具有很高的性能价格比，可用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动控制系统，在中小规模控制系统中应用广泛。结合以上几点，在设计PLC机械手在大小球分选系统中用的PLC的选型为西门子S7-200系
12、列的可编程控制器。S7-200系列PLC提供5种不同的基本单元（CPU），型号为CPU221、CPU222、CPU24、CPU226、CPU224XP,不同型号的CPU内部芯片基本相同，实际安装的输入输出及通信接口数量不同。第二章 PLC在大小球的分拣系统中的设计2.1 大、小球分栋传送机械示意图机械手分拣大小球的工作示意图如图2.1所示。图2.1 机械手分拣大小球的工作示意图2.2 分拣系统的控制要求大小球分拣的控制功能要求：1）机械臂起始位置在机械原点，为左限、上限并有显示。2）有启动按钮和停止按钮控制运行，停止时机械臂必须已回到原点。3）启动后，机械臂动作顺序为：下降吸球上升（至上限）右
13、行（至右限）下降释放 上升（至上限）右行返回（至原点）。4）机械臂右行时有小球右限（LS4）和大球右限（LS5）之分：下降时，当电磁铁压着打球时，下限开关LS2断开（=“0”）；压着小球时，下限开关LS2接通（=“1”）。2.3 大小球分拣的设计思想1）当输送机处于起始位置时，上限位开关和左限位开关被压下，极限开关断开。2）启动装置后，捡球装置下行，一直到极限开关闭合。此时，若碰到的是小球，则下限开关为断开状态；若碰到的是大球，则下限开关为闭合状态。3）吸起小球后，则捡球装置向上行，碰到上限位开关后，捡球装置向右行；碰到小球的右限位开关后，再向下行，碰到下限位开关后，将小球释放到小球箱里，然后
14、返回到原位。4）如果吸起的是大球，捡球装置右行碰到另一个右限位开关（大球的右限位开关）后，再向下行，碰到下限位开关后，将大球释放到大球箱里，然后返回到原位。2.4 I/O编址输入地址对应的外部设备输出地址对应设备的操作I0.0停止按钮Q0.0(M10.1，M10.2)机械臂下降I0.1启动按钮Q0.1（M11.1，M11.2）机械臂抓球I0.2左移限位开关Q0.2(M10.3，M10.4，M10.5)机械臂上升I0.3下移限位开关Q0.3(M12.1，M12.2)机械臂右移I0.4上移限位开关Q0.4机械臂左移I0.5小球右移限位开关Q0.5原点I0.6大球右移限位开关定时器定时时间定时器定时
15、时间T372ST392ST382ST402S2.5 机械手分拣球控制系统的接线图图2.2 机械手分拣大小球的I/O接线图第三章 软件设计3.1 顺序功能图概述 顺序控制就是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，使生产过程中各个执行机构自动而有序的进行工作。本设计由于整个动作过程都是按照一定的顺序进行的，故使用顺序控制法比较容易。 顺序控制设计法是一种先进的设计方法，很容易被接受，也很适合广大学者的学习，因为在现在很多工厂所使用的机械，其大多都是按照一定的先后动作进行运作的。其程序的调试、修改和阅读也很容易，并且大大缩短了设计周期，提高了设计效率。 绘制顺
16、序功能图的注意事项：（1）两个步绝对不能直接相连，必须用一个转换将它们隔开。（2）两个转换绝对不能直接相连，必须用一个步将它们隔开。（3）顺序功能图中的初始步一般对应于系统等待启动的初始状态，初始步可能没有输出处于ON 状态，但初始步是必不可少的。（4）自动控制系统应能多次重复执行同一工艺过程，因此在顺序功能图中一般应有由步和有向连线组成的闭环。（5）在顺序功能图中，只有当某一步的前级步是活动步时，该步才有可能变成活动步。3.2 机械手分拣大小球控制程序流程图根据要求，该控制流程根据吸住的是（大球、小球）有两个分支，此处应为分支点，且属于选择性分支。分支在机械臂下降之后根据接近开关（I0.3）
17、的通断，分别将球吸住、上升、右行到大、小球右限开关，此处应为汇合点。然后再下降、释放、上升、左移到原点。图3.1 分拣大小球程序控制流程 当PLC在RUN方式下第一个扫描周期SM0.1置1，使S0.0得电，按下启动按钮I0.1机械臂下降，当下降碰到下限开关I0.3时停止下降，选择小球（当吸的是大球时I0.3不动作，且M11.2得电），M11.1得电，捡球装置给平板处的电磁线圈通电，捡球平板产生电磁吸力吸住钢球，开始上升，碰到上限开关I0.4后开始右行，I0.5为小球右限位开关，I0.6为大球右限位开关，在右行的过程中，如果吸住的是大球，M12.2得电，则要到碰到I0.6才停止右行，S1.0得电
18、，下降一段时间后,碰到下限开关I0.3，S1.1得电，释放大球，放球完毕后S1.2得电上升到上限开关I0.4位置停止上升，S1.3得电，开始左行，碰到左极限I0.2停止左行；而如果是吸住的小球，则在右行的时候碰到I0.5就停止右行，S1.0得电，下降一段时间后,碰到下限开关I0.3，S1.1得电，释放小球，放球完毕后S1.2得电上升到上限开关I0.4位置停止上升，S1.3得电，开始左行，碰到左极限I0.2停止左行。如此循环不断的进行捡球和放球的过程，直到按下停止按钮，系统才停止工作并回到原点位置。3.3 机械手分拣大小球控制程序的梯形图梯形图的设计 绘制梯形图时要注意很多细节性的知识，设计中选
19、用的是FX系列的可编程控制器，其设计必须遵循FX系列可编程控制器梯形图的设计方法。 FX系列可编程控制器梯形图的设计具有以下几个原则：（1）水平不垂直，即梯形图的接点应画在水平线上,不能画在垂直分支上。（2）线圈右边无接点，即不能将接点画在线圈右边,只能在接点的右边接线圈。（3）有串联电路并联时,应将接点最多的那个串联回路放在梯形图最上面。有并联电路相串联时,应将接点最多的并联回路放在梯形图的最左边。（4）双线圈输出不可用。 机械臂大小球分拣传送机械控制系统设计程序的梯形图见下图3.2，共有55个网络。图3.2 分拣大小球控制程序的梯形图3.4 机械手分拣大小球控制程序的指令表Network
20、1 LD SM0.1S S0.0，1Network 2LSCR S0.0Network 3LD I0.4A I0.2AN Q0.1= Q0.5Network 4LD I0.1AN I0.0A I0.2A I0.4AN Q0.1SCRT S0.1Network 5SCRE Network 6LSCR S0.1Network 7LD SM0.0LPS= M10.1LPPTON T37，+20Network 8LD T37A I0.3SCRT S0.2Network 9LD T37AN I0.3SCRT S0.5Network 10SCRENetwork 11LSCR S0.2Network 12L
21、D SM0.0LPSS M11.1,1LPPTON T38，+20Network 13LD T38SCRT S0.3Network 14SCRENetwork 15LSCR S0.3Network 16LD SM0.0= M10.3Network 17LD I0.4SCRT S0.4Network 18SCRENetwork 19LSCR S0.4Network 20LD SM0.0= M12.1Network 21LD I0.5SCRT S1.0Network 22SCRENetwork 23LSCR S0.5Network 24LD SM0.0LPSS M11.2,1LPPTON T39，
22、+20Network 25LD T39SCRT S0.6Network 26SCRENetwork 27LSCR S0.6Network 28LD SM0.0= M10.4Network 29LD I0.4SCRT S0.7Network 30SCRENetwork 31LSCR S0.7Network 32LD SM0.0= M12.2Network 33LD I0.6SCRT S1.0Network 34SCRENetwork 35LSCR S1.0Network 36LD SM0.0= M10.2Network 37LD I0.3SCRT S1.1Network 38SCRENetwor
23、k 39LSCR S1.1Network 40LD SM0.0LPSR M11.1,1LPPTON T40，+20Network 41LD T40SCRT S1.2Network 42SCRENetwork 43LSCR S1.2Network 44LD SM0.0= M10.5Network 45LD I0.4SCRT S1.3Network 46SCRENetwork 47LSCR S1.3Network 48LDN I0.2= Q0.4Network 49LD I0.2SCRT S0.0Network 50SCRENetwork 51LD M10.1O M10.2= Q0.0Networ
24、k 52LD M10.3O M10.4O M10.5= Q0.2Network 53LD M11.1O M11.2= Q0.1Network 54LD M12.1O M12.2= Q0.3Network 55LD SM0.0END第四章 总结通过本次课程设计，对我们以前的学习进行了一个验证。本次设计中，使我了解PLC机械臂在大小球分拣系统的工作原理，使我学习到了机械臂的工作原理及使用方法。 在PLC课程设计过程中，可以说在这一过程中我的收获很大，充分认识到自己的不足，通过查阅资料以及在老师和同学的帮助下，通过理论分析与实践的反复进行和论证，许多的问题都有了较好的解决方案，最终基本达到了设计要求
25、。依次实现了PLC流程图、梯形图、指令表三种机械手控制方式，用此种方法编写程序条理清晰，连贯性强通过实践。巩固了理论知识的学习，提高了实际应用所学知识的能力，还积累了许多宝贵的经验。 在这次设计实践过程中，我认识到，任何一个方案都要经过周全的论证后才能着手去做，不管以后再做什么事情都要认真,细心,思考,假设,反复论证反复动手。参考文献1 于庆广主编.可编程控制器原理与系统设计.清华大学出版社，2004. 2 赵金荣主编.可编程序控制器原理及应用 上海应用技术学院3 易传禄主编.可编程序控制器应用指南上海科普出版社4 方承远主编.工厂电气控制技术 机械工业出版社5 廖常初主编.PLC基础及应用. 机械工业出版社,2004. 6 程周主编 PLC技术与应用 福建科学技术出版社 20047 汤以范主编.电气与可编程序控制器技术. 机械工业出版社,2005.
