毕业设计---基于PLC的传送带机械手控制系统设计

毕业设计---基于PLC的传送带机械手控制系统设计 基于PLC的传送带机械手控制系统设计 摘 要 工业机械手传送带系统是流水线自动化生产的重要组成部分，它完成了物件的运送、抓取、转移等功能是大规模集成控制系统的基础工作单元。在以前的控制系统中，大多数是用继电器做为开关量控制，自动化程度低，效率损耗较大，已经不能适应目前的生产需要。 该控制系统采用可编程控制器为核心，通过对信号的采集、处理、输出一系列的集中控制，使生产更安全稳定高效。设计中完成了硬件和软件的设计。实现了传感器、变频器、机械手等硬件的调配控制，实现传送带自动减速，机械手抓放等功能。 PLC作为控制核心的使用比原有的系统控制性更强，应变更灵活，操作更简单，使系统拥有可靠性高，稳定性好、抗干扰能力强，维护方便等众多优点，为安全高效的工业生产提供了更好的硬件环境。 关键词:机械手传送带;PLC;继电器;自动控制; - 1 - THE DESIGN OF PLC-based CONTROL CONVEYOR MANIPULATOR SYSTEM Abstract Industrial manipulator conveyor belt assembly line automation system is an important production component, which completed the delivery of the items, crawls, transfer function is a large-scale integrated control system based on the work unit. In previous control system, the majority is used as a relay switch control, a lower degree of automation, greater efficiency loss, can not meet current production needs. The control system uses a programmable controller as the core, the signal acquisition, processing, the output of a series of centralized control, make the production more efficient security and stability. Completed the design of the hardware and software design. Implementation of sensors, converters, and other hardware manipulator control of the deployment and achieve conveyor brake automatically. Mechanical up grasping functions. PLC as the control over the use of the core of the original control system stronger, the change should be flexible, operate more simple, the system has high reliability, stability, anti-jamming capability and convenient maintenance and many other advantages, safe and efficient industrial production provided a better hardware environment. Keywords : Manipulator conveyor belt PLC Relay Automatic Control - 2 - 引 言 自改革开放以来，我国的工业化以非常快的速度在发展着，工业自动化的趋势也是越来越明显，并逐渐取代着原来的大量人工劳动力的生产方式。而在高自动化的流水线上，机械手传送带工作单元可以说是用的最广泛的一种控制技术。 现在，随着各种先进精确的诸多控制仪器的出现，工业机械手传送带工作单元的设计也越来越先进，越来越趋于完美。随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、板手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视，同时也要求供料机构更加灵活、柔性化。对机械手的控制系统提出了更高的要求，原来的继电器控制方式已经逐渐不能满足生产的需要。可编程控制器(PLC)控制性更强，应变更灵活，操作更简单，已经逐渐取代继电器控制系统成为新的控制方式。 可编程控制器(简称PLC)由于其将系统的继电器技术，计算机技术和通信技术融为一体，以其可靠性高，稳定性好、抗干扰能力强，以及编程简单，维护方便，通讯灵活等众多优点，广泛应用于工业生产过程和装置的自动控制中。PLC不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成定时、计算和各种闭环控制功能。设置性能完善、质量可靠、技术先进的可编程控制器PLC控制皮带运输系统，可以实现高自动化的传送带机的集中控制(包括遥控)及保护。 而对于基于PLC的机械手传送带的研究和设计正是目前工业生产中所需要的。 - 3 - 绪 论 第1章 总体方案设计 1.1 课题介绍 1.2 方案设计及工艺参数 1.2.1 方案设计 1.2.2 工艺参数 1.3 系统架构及工作图 第二章 传送带传动及调速系统的设计 2.1 电动机的介绍及选用 2.1.1 电动机选用及运行参数 2.1.2 电力拖动系统及变频调速 2.2 光传感器的介绍及选用 2.2.1光电传感器的分类 2.2.2常用参数 2.2.3 光电传感器选用原则: 2.3 变频调速及变频器的选用 2.3.1 变频器简介 2.3.2 变频器的分类 2.3.3变频器中常用的控制方式 2.3.4变频器的选用 2.4 本章小结 第三章 物件搬运系统的设计 3.1 总体设计思路 3.1 气缸的介绍及选用 3.1.1 气动元件及双向活塞式气缸 3.1.2 气缸工作原理 3.1.3 气缸的选用 3.2 电磁阀的介绍及选用 3.2.1电磁阀简介及分类 3.2.2 电磁阀工作原理图 3.2.3 电磁阀的选用 3.3 本章小结 第四章 自动控制系统的设计及软件编写 4.1 可编程控制器简介 4.1.1 PLC的基本结构和主要特点 4.1.2 PLC的应用领域 4.2 I/O口确定及PLC的选取 4.2.1 控制要求分析 4.2.2 输入接口确定: 4.2.3 输出接口确定: 4.2.4 PLC的选取 4.3 I/O分配及主要器件的I/O连接图 4.5 PLC对传送带调速系统的控制 - 4 - 4.5.1 PLC 与传感器连接电路 4.5.2 PLC与变频器连接电路 4.5.3 传送带调速系统状态转移图及程序 4.6 PLC对物件搬运系统的控制 4.6.1 PLC与电磁阀连接电路 4.6.2 PLC与限位开关的连接 4.6.3 机械手运动状态转移图 4.7 PLC工作可靠性措施 4.7.1 干扰源 4.7.2 干扰途径 4.7.3 硬件抗干扰措施 4.7.4 软件抗干扰措施 结论与展望 致 谢 - 5 - 绪 论 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。随着工业自动化的发展, 出现了数控加工中心,它在减轻工人的劳动强度的同时, 大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序, 通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率低; 后者因设计复杂, 需较多继电器,接线繁杂, 易受车体振动干扰,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。可编程序控制器PLC控制的上下料机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力, 保证了系统运行的可靠性,降低了维修率, 提高了工作效率。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 在现今的中国，塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。 那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土塑料加工厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交带来的挑战。 随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、板手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视，同时也要求供料机构更加灵活、柔性化。对机械手的控制系统提出了更高的要求，原来的继电器控制方式已经逐渐不能满足生产的需要。可编程控制器(PLC)控制性更强，应变更灵活，操作更简单，已经逐渐取代继电器控制系统成为新的控制方式。 本次设计正是基于PLC控制系统，控制一个机械手传送带工作单元的设计。对于生产流水线的组成及自动化的基础建设有着重要的意义。 - 6 - 第1章 总体方案设计 1.1 课题介绍 本次设计是基于PLC的传送带机械手控制系统。在这个系统中，有两条传送带。当物件F放置在甲传送带上，传送到快要接近机械手的时候时，在实现自动减速并前停止在机械手的正下方。机械手自动降下抓起物件移至乙传动带上方放下物件，物件F由乙传送带运走，并在需要的时候自动减速、停止。，，， 在机械手抓起物件后，甲传送带继续运行并且将下一个物件运至机械手的正下方。机械手放下物件在乙传送带后自动返回原位抓起下一个物件。如图1,1: 放 抓 F 传 送 带传 乙 送 带 甲 图1,1 1.2 方案设计及工艺参数 1.2.1 方案设计 为了实现既定目标主要是要解决3个问题:传送带物件自动减速停止的实现;机械手自动抓取放置返回的实现;传送带、机械手再启动的条件。其整体结构入如下(图1-2): 传送带物件自动停止的实现主要是采取光传感器的使用，在传感器检测到物件后，发送信息给PLC，由PLC通过变频器控制电机实现传送带的减速、停止功能。 机械手移动抓取是通过PLC控制电磁阀对汽缸进行充气来控制机械手的上下左右移动，并使用PLC的定时功能实现抓放功能。 传送带、机械手的自动启动停止是PLC直接控制。 - 7 - 电磁阀 汽缸 传感PLC 机械手 器 变频器 传送带 图1-2整体结构框图 这里采用的是FX2N系列的PLC，因为整个系统的工作流程是一环环相套的。都是由前一个状态触发后一个状态，所以这里采用的是步进控制系统，传感器、机械手的限位作为输入信号，控制信号作为输出信号。 在整体的设计构思中，全部以工业实际应用的效果为出发点，所以要低成本，高效率、高安全性和稳定性。同时考虑到这种传送带机械手工作单元是流水线上使用较多的基础单元，所以在传感器的选取、机械手的控制方式上采用了较常见和简单的设计。这样可以让使用范围更宽阔。如果有更为精确的需要，只要将其中的一些部件按照精度要求更换即可。 1.2.2 工艺参数 电动机:功率为1KW 最大转速为900转/分钟 传送带宽度:1M 传感器有效范围 1.5M 变频器 1.3 系统架构及工作流程图 根据此次设计所要实现的目标，可以将整个工作单元分成三个运行系统:1、传送 - 8 - 带传动调速系统;2、物件搬运系统;3、各部分硬件的自动控制系统。 其中，自动控制系统又可以称为中央控制系统，由一个中央处理器(这里使用可编 程控制器即PLC)为主控单元，接受从信号采集器件即传感器处采集来的信号，经过处 理发送给各部分硬件执行相应的操作。从而实现传动系统的调速功能和机械手的搬运动 作等。具体系统工作流程图如下:(图1-3) 物品F被放置 传感器A1 启 动A甲带减速 带 传感器A2 甲带停止 机械手下降抓取物件 机 械 手 返移动至乙带上方 回 原 位 检 测 乙放下物件 带 是 否 停 止 启动乙带 传感器B1 乙带减速 乙带停止 传感器B2 图1-3 工作流程图 - 9 - 第二章 传送带传动及调速系统的设计 传送带传动及调速系统是实现将物件传送至相应位置并在需要的时候能实现自动减速、停止功能的系统。由电动机，信号采集器，调速控制器、传送带4个部件构成。电动机提供传送带传送的源动力，信号采集器采用光传感器进行信号采集，调速控制器采用变频器调速方式。在指定的位置安装光传感器后，物件传送到相应位置被传感器检测到后，由传感器将此信息传送给中央处理器件----PLC，再由PLC发出指令给变频器，由变频器控制电机的转速达到实现传送带减速、停止的功能。下面详细介绍各个部件的工作方式及选取。 2.1 电动机的介绍及选用 交流电动机诞生于19世纪末,由于它具有控制方便、适应性强、维护便利等一系列优点，所以很快成为工业社会的重要核心，是传动系统中的主力。同时根据不同生产过程的需要，孕育了各种各样的电动机调速装置和技术，并逐步得到打发展。 2.1.1 电动机选用及运行参数 本次设计的设定，电动机采用的是三相异步电动机，需求功率为1KW，转速为900转/分钟。所以选择YP2-100L-6型电动机 其主要参数如下: 型号 YP2-100L-6 额定功率(KW) 1.1 额定电流(A) 3.0 额定转矩(N.M) 11.2 额定转速(r/min) 910 最大转矩/额定转矩 2.2 转动惯量(kg/m2) 0.0069 重量(kg) 27 2.1.2 电力拖动系统及变频调速 电动机是电力拖动系统中的原动机,它将电能转化为机械能,去拖动各种类型生产机械的工作机构运动,以实现各种生产工艺的要求,如驱动轧钢机的轧锟,起重机的提升机包括本次设计所实现的传送带传动系统等等.电力拖动系统的组成如图2-2所示: - 10 - 电源 电气控电动机传 动 工作 制设备 机 构 机 械 图2-1 这里的调速采用变频调速，由传感器采集信号送PCL控制变频器完成，上图中的电器控制设备一处可细分为如下流程(图2-3): 物件到达由传感器交由PLC变频器接 预定位置 检测并输处理后输受信号控 出信号 出信息 制电动机 图2-2 下面将详细介绍光电传感器和变频器 2.2 光传感器的介绍及选用 传感器是现在及将来在自动化控制系统中最为重要的一个单元，其可以将外界模拟量的变化转化为电信号的输出，从而实现了一个工作系统针对外界的变化而做出相应控制动作的功能。 在本次设计中，由于需要采集的信息是物体的移动，所以采用的是光电传感器，光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。在机械手和传送带自动控制系统中实现自动控制的信息采集作用。 2.2.1光电传感器的分类 漫反射 反射 回归反射 对射 光电传感器 距离 图 2-3 - 11 - 1)漫反射型 影响检测的因素:安装角度;测量物体的颜色; 振动 优点: 安装最简单，方便 缺点: 漫反射光电传感器是检测最不稳定的。 传感器 被 测T 物 体 R 图2-4 漫反射型传感器 2)回归反射型 影响检测的因素:被测物的光主亮度;反光镜的安装角度 97年前，以上两方面确实是回归型传感器存在的影响因素。 但后来该类型传感器增加了P.R.O功能:即 该功能的一个重要特点就是:反光镜可以把纵波转换为横波。发射器发射的是纵波，而接收器只能接收横波。发射器发射的纵波经过反光镜把纵波转变成横波，由接收器接收。由于物体没有把纵波转变为横波的功能，因此，无论物体光亮度如何，只能把发射器发射的纵波返回，接收器不能接收到横波信号，这样，就可以准确地检测物体的有无。 优点: 可检测透明物体和光亮度高的物体;检测稳定，安装方便 缺点: 当反光镜或传感器表面有灰尘时，检测精度降低。可以改变安装方式，经常擦拭灰尘来消除此影响。反光镜角度影响检测精度 - 12 - 传感器 反 光T 镜 R 图2-5 回归反射型传感器 (3)对射型 影响检测的因素: 被测物的透光性;被测物的大小 优点: 检测精度最高 缺点: 安装不方便，占用较大安装空间;能检测透明和体积小的物体 发射器 接收器 T R 图2-6 对射型传感器 (4)距离型传感器 原理: 该传感器的检测距离是一定的，因此，检测的发射光和反射光间的角度也是一定值。 当传感器检测被测物时，检测到发射光和由被检测物返回的反射光之间的角度和设定的 角度不同，此时，传感器就认为检测到物体。 另外，该传感器发射器是点发射，而接收器是面接收。这样，就允许被测物有一 个更大的偏转角度。 优点: - 13 - 和物体的颜色无关;被测物可以偏转更大的角度;有灰尘挡住时，自动增强入射光和反 射光的强度，保证检测精度不受灰尘的影响;安装方便 2.2.3常用参数 1、应差距离 当物体移到传感器临界检测距离时，传感器有输出;而当物体向右移动时，传感器并不随之就没有输出了，而是移动一段距离后，传感器才没有输出。这段距离就是应差距离。应差距离越小越好，现在应差距离一般在1mm,6mm间。 2、检测距离 指传感器最大检测的距离。对于漫反射型传感器来说，是可以检测到物体的最大距离;回归反射型传感器是传感器和反光镜间的距离;对射型传感器是发射器和接收器间距离。 3、IP等级 IP等级指传感器的防尘防水的等级(前一数字是防尘等级，后一数字是防水等级)。如:IP68:完全防尘，可以长时间在水中工作;IP67:完全防尘，可以在水中工作90分钟;IP65:完全防尘，防水喷溅。 4、 L(ight)-ON/D(ark)ON模式 L(ight)-ON:没有检测物时，传感器有输出 D(ark)-ON:有检测物时，传感器有输出 2.2.4 光电传感器选用原则: 1、能用对射，用对射。不能用对射时再考虑其它方式 2、光点直径?被测物的大小 由于生产线上的物件有外形上的不规则性，直反式的光电传感器可能不能及时发出相应的信息，或者效果不明显。并且由于机械手必须准确抓握物件，防止物件的损伤，所以对时间反应上要求较为严格。同时传送带宽度为1M，所以此次设计选用对射式光传感器。 2.3 变频调速及变频器的选用 根据异步电动机的转速关系，当极数不变时，电动机转子转速与定子电源频率成正比，因此连续地改变供电电源的频率，就可以连续平滑的调节电动机的转速，这种调速方法称为变频调速，它完全不同于前面提到的各种调速方式。变频调速具有较好的调速性能，是现代交流调速方法中具有重要意义的一种调速方法。 2.3.1 变频器简介 - 14 - 变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，而作为变频调速系统的核心—变频器的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素，除了变频器本身制造工艺的“先天”条件外，对变频器采用什么样的控制方式也是非常重要的。 1.变频器的基本结构 变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。 2.3.2 变频器的分类 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器;按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器;按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等;按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。 2.3.3变频器中常用的控制方式 1 非智能控制方式 在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。 (1) V/f控制 V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。 (2) 转差频率控制 转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在V/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。 (3) 矢量控制 矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗。目前 - 15 - 在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。 (4) 直接转矩控制 直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。 (5) 最优控制 最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同，可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。例如在高压变频器的控制应用中，就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略，以实现一定条件下的电压最优波形。 (6) 其他非智能控制方式 在实际应用中，还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现，例如自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制等。 2 智能控制方式 智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等。在变频器的控制中采用智能控制方式在具体应用中有一些成功的范例。 (1) 神经网络控制 神经网络控制方式应用在变频器的控制中，一般是进行比较复杂的系统控制，这时对于系统的模型了解甚少，因此神经网络既要完成系统辨识的功能，又要进行控制。而且神经网络控制方式可以同时控制多个变频器，因此在多个变频器级联时进行控制比较适合。但是神经网络的层数太多或者算法过于复杂都会在具体应用中带来不少实际困难。 (2) 模糊控制 模糊控制算法用于控制变频器的电压和频率，使电动机的升速时间得到控制，以避免升速过快对电机使用寿命的影响以及升速过慢影响工作效率。模糊控制的关键在于论域、隶属度以及模糊级别的划分，这种控制方式尤其适用于多输入单输出的控制系统。 (3) 专家系统 专家系统是利用所谓“专家”的经验进行控制的一种控制方式，因此，专家系统中一般要建立一个专家库，存放一定的专家信息，另外还要有推理机制，以便于根据已知信息寻求理想的控制结果。专家库与推理机制的设计是尤为重要的，关系着专家系统控制的优劣。应用专家系统既可以控制变频器的电压，又可以控制其电流。 (4) 学习控制 - 16 - 学习控制主要是用于重复性的输入，而规则的PWM信号(例如中心调制PWM)恰好满足这个条件，因此学习控制也可用于变频器的控制中。学习控制不需要了解太多的系统信息，但是需要1~2个学习周期，因此快速性相对较差，而且，学习控制的算法中有时需要实现超前环节，这用模拟器件是无法实现的，同时，学习控制还涉及到一个稳定性的问题，在应用时要特别注意。 2.3.4变频器的选用 此次设计由于采用了1kw，转速为900转/分钟的变频电动机，所以选取了功率为1.5kw，3.5kVA的日立J100-015HFE型变频器。 主要性能参数如下: 型号名称 日立J100-015HFE型变频器 适用电机额定值 1.5kw 连续输出 交流输入电源额定值 额定输出电压 380 额定输出电流 3.8A 控制方式 空间矢量PWM 功率器件 只能功率模块 转矩控制 无速度传感器矢量，V/F控制 输出频率范围 0.5-360Hz 最大频率调节 +15Hz 频率分辨率 0.01Hz 设定频率分辨率 数字设定:0.1 模拟设定:fmax/100(输入为10V) fmax/500 (输入为5V) 频率精度 数字设定:0.1%(最小频率为0.1HZ) 模拟设定:?0.2% 起动转矩*5 150%在3hz下 2.4 本章小结 本章主要完成了传送带传动与调速系统的设计及所设计的硬件的选用，传动与调速系统是整个工作单元实现工作目标的第一步，光传感器在这里以采集信号作为整个工作单元开始自动控制的开端。当物件行走到指定地点，传送带停止时，则将自动转入物件搬运系统的工作，将在下个章节做详细介绍。 - 17 - 第三章 物件搬运系统的设计 3.1 总体设计思路 此次设计中，物件搬运系统是一个自动运行的系统。要求机械手在物件运至指定位置并停止后，能够抓取物件搬移到另外一条传送带上，然后返回搬运下一个物件。其中控制系统还是采取了PLC控制。 物件搬运系统的核心部件是机械手，为了机械手能够准确定位及自动控制，这里机械手的行动采用了气缸气动控制方式。气缸的行动方向则由PLC控制的电磁阀控制完成。具体结构图(图2-10)如下: 由电磁阀控制气体的进口方向，从而推动气缸活塞的左右运动，达到控制机械手左右，上下，抓握等动作。下面将分别介绍气缸和电磁阀的工作原理、特性及选型。 气 缸 电 磁阀 图 3-1 气缸运作结构图 3.1 气缸的介绍及选用 3.1.1 气动元件及双向活塞式气缸 将压缩空气的压力能转换为机械能，驱动机构作直线往复运动，摆动和旋转运动的元件，称为气动元件。 - 18 - 在气动执行元件中，使用最多的是直线运动的气缸。按照将空气压力转换成力的受压不见的机构不同，有活塞式和非活塞式(如膜片式)目前使用最多的是活塞式。此次设计中采用的活塞式单杆双向气缸。 双向气缸的活塞前进或后退都能输出动力，行程可根据需要选择。一般气缸两段都带有缓冲装置，当活塞运动到终端时，活塞撞击的力量很大，所以缓冲装置可以有效的减少冲撞力。 同时，气缸的两端还设有行程开关，用以检测气缸是否行驶到了极限位置。当气缸行驶到极限位置时，行程开关闭合，电磁阀停止供气。 3.1.2 气缸工作原理 此次设计中，为了实现机械手在一个方向上的双向移动，所以选用双向气缸。如图2-11, 当a道进气时，活塞带动机械手向右移动;当b道进气时，活塞带动机械手向左移动。 a b 图 3-2 3.1.3 气缸的选用 气缸的选用主要考虑的是气缸直径，气缸长度等。此次设计中，采用了SMC CJ2型，缸径20mm，长度为600mm的标准型双向气缸。 3.2 电磁阀的介绍及选用 3.2.1电磁阀简介及分类 追朔电磁阀的发展史，到目前为止，国内外的电磁阀从原理上分为三大类(即:直动式、分步直动式、先导式)，而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类(直动膜片结构、分步膜片结构、先导式膜片结构、直动活塞结构、分步活塞结构、先导活塞结构) 。 - 19 - 一、直动式电磁阀 原理:通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开;断电时，电磁力消失，弹簧力把关闭件压在阀座上，阀门关闭。 特点:在真空、负压、零压时能正常工作，但一般通径不超过25mm。 二、分步直动式电磁阀 原理:它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口压差?0.05Mpa，通电时，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。当入口与出口压差>0.05Mpa，通电时，电磁力先打开先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开;断电时，先导阀和主阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。 特点:在零压差或真空、高压时亦能可靠工作，但功率较大，要求竖直安装。 三、先导式电磁阀 原理:通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，推动关闭件向上移动，阀门打开;断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速进入上腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，推动关闭件向下移动，关闭阀门。 特点:流体压力范围上限很高，但必须满足流体压差条件。 3.2.2 电磁阀工作原理图 此次设计采用的是直动式电磁阀，其工作原理是电磁阀内线圈通断电来控制阀门所在位置，以控制气流的行驶方向，从而达到使气缸活塞两边运动的目的。 当需要气缸活塞向右运动时，即气缸左边空间进气。此时PLC给出信号，电磁阀开关打开，线圈断电，使弹簧处于放松状态。气体从a管进入气缸。如图2-12 b a 图 3-3电磁阀打开气流方向 - 20 - 当需要活塞向左运动时，则电磁阀开关闭合，线圈带电，产生磁力。弹簧被压缩，气体此时只能从b管进入气缸，推动活塞运动。如图2-15: a b 图 3-4 电磁阀关闭气流方向 3.2.3 电磁阀的选用 电磁阀的选用一般从以下五点考虑: 一、适用性: 管路中的流体必须和选用的电磁阀系列型号中标定的介质一致。流体的温度必须小于选用电磁阀的标定温度。电磁阀允许液体粘度一般在20CST以下，大于20CST应注明。工作压差，管路最高压差在小于0.04MPa时应选用如ZS,2W,ZQDF,ZCM系列等直动式和分步直动式;最低工作压差大于0.04MPa时可选用先导式(压差式)电磁阀;最高工作压差应小于电磁阀的最大标定压力;一般电磁阀都是单向工作，因此要注意是否有反压差，如有安装止回阀。 流体清洁度不高时应在电磁阀前安装过滤器，一般电磁阀对介质要求清洁度要好。 电源电流和消耗功率应根据输出容量选取，电源电压一般允许?10%左右，必须注意交流起动时VA值较高。 二、可靠性: 电磁阀分为常闭和常开二种;一般选用常闭型，通电打开，断电关闭;但在开启时间很长关闭时很短时要选用常开型了。寿命试验，工厂一般属于型式试验项目，确切地说我国还没有电磁阀的专业标准，因此选用电磁阀厂家时慎重。 动作时间很短频率较高时一般选取直动式，大口径选用快速系列。 三、安全性:一般电磁阀不防水，在条件不允许时请选用防水型，工厂可以定做。电磁阀的最高标定公称压力一定要超过管路内的最高压力，否则使用寿命会缩短或产生其它意外情况。有腐蚀性液体的应选用全不锈钢型，强腐蚀性流体宜选用塑料王(SLF)电磁阀。爆炸性环境必须选用相应的防爆产品。 - 21 - 四、经济性: 有很多电磁阀可以通用，但在能满足以上三点的基础上应选用最经济的产品。 五、根据持续工作时间长短来选择:常闭、常开、或可持续通电。 1、当电磁阀需要长时间开启，并且持续的时间多余关闭的时间应选用常开型。 2、要是开启的时间短或开和关的时间不多时，则选常闭型。 鉴于以上特点，此次设计选择电磁阀型号为:SY3120-5LD-C6×3 3.3 本章小结 物件搬运系统主要的工作就是电磁阀控制气动机械手完成物件的抓取、搬运、放置的过程。它和传送带的传动调速系统一样，都是工作在自动控制系统的控制之下。 自动控制系统以PLC为主控单元，接受从信号采集器件即传感器处采集来的信号，经过处理发送给各部分硬件执行相应的操作。自动控制系统是整个工作单元的指挥者和调度者，其具体的设计将在下个章节详细介绍。 - 22 - 第四章 自动控制系统的设计及软件编写 如果说硬件系统是仿佛是人的躯干，那么软件系统就是可以控制躯干完成各种动作的大脑中枢。所以软件系统的优劣直接影响到整个工作单元运行的效果 此次设计中，软件系统是由PLC(可编程控制器)作为中央控制器进行设计。 4.1 可编程控制器简介 可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。 国际电工委员会(IEC)在1987年2月通过了对它的定义:“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。” 多年来，可编程控制器(以下简称PLC)从其产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃;其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步;其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。今天的PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用 4.1.1 PLC的基本结构和主要特点 PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，其机构图入图4-1: 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 - 23 - CPU 输入模块 用户输入设备 总 EPROM 输出模块 用户输出设备 RAM I/O接口 外围设备 线 电源模块 计算机或其他PCL 通信接口 图4-1 PLC硬件系统结构框图 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。。 PLC的主要特点有:可靠性高;I/O接口模块丰富;采用模块化结构;编程简单易学;安装简单，维修方便。 4.1.2 PLC的应用领域 目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类: 1(开关量逻辑控制 取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 2(工业过程控制 在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量(即模拟量)，PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 3(运动控制 - 24 - PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 4(数据处理 PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 5(通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便 4.2 I/O口确定及PLC的选取 4.2.1 控制要求分析 PLC的控制系统中有输入/输出设备，常见的输入电器有按钮、行程开关、转换开关、接近开关、霍耳开关、各种传感器等。输入电器有接触器、继电器、电磁阀、指示灯及其他有关显示、执行电器等。正确的连接输入/输出电路，是保证PLC安全可靠工作的前提。 此次设计中，PCL需要完成由传感器接收信号经过处理再输出变频器和电磁阀的任务。所以对应的输入输出设备有传感器、限位开关、变频器、电磁阀等。 其中传感器、限位开关是输入设备，变频器、电磁阀以及指示灯是输出设备。 4.2.2 输入接口确定: 设计中，要实现两条传送带的调速功能，所以需要接入4个传感器;气缸的限位分上下左右，所以需要接入4个限位开关。总输入接口如下: 1、传感器 4*1 2、限位开关 4*1 3、总启动，停止 2*1 共需要10个输入接口。 4.2.3 输出接口确定: 设计中，输出设备包括控制传送带的变频器和控制机械手的电磁阀。变频器要实现两条传送带的减速、停止功能;电磁阀要实现机械手的上下、左右、抓放的动作。总输出接口如下: 1、变频器 2*2 2、电磁阀 3*1 3、两条传送带启动 2*1 - 25 - 4、机械手原位指示灯 1*1 共需要10个输出接口。 4.2.4 PLC的选取 根据设计要求，需要10个输入接口，10个输出接口。所以选取I/O接口为16/16的三菱FX2N-32MR-001型PLC。 4.3 I/O分配及主要器件的I/O连接图 此次设计I/O设备主要为传感器、限位开关、变频器、电磁阀等。总I/O口为16/16，使用接口为10/10。其输入/输出地址表如下: 表4-1 系统输入/输出地址表 输 入 输 出 器件代号 地址号 功能说明 器件代号 地址号 功能说明 SB1 X0 总启动 KM1 Y0 启动传送带A SB2 X1 总停止 KM2 Y1 启动传送带B KM8 X2 传感器1 KM3 Y2 传送带A减速 KM9 X3 传感器2 KM4 Y3 传送带B减速 KM10 X4 传感器3 KM5 Y4 机械手上下运动 KM11 X5 传感器4 KM6 Y5 机械手左右运动 SQ1 X6 机械手上限位 KM7 Y6 机械手抓放运动 SQ2 X7 机械手下限位 HL1 Y7 机械手原位 SQ3 X10 机械手左限位 KM12 Y10 变频器1高频控 制开关 SQ4 X11 机械手右限位 KM13 Y11 变频器2高频控 制开关 下面将分别说明每个器件的连接电路和程序设计。 - 26 - 4.5 PLC对传送带调速系统的控制 在第二章中已经介绍，传送带调速系统主要是由电动机、传感器、变频器组成，要实现传送带的启动、减速、停止，就需要由传感器检测到物体后给PLC一个信号，然后由PLC处理后，将信号输出给变频器以控制电动机运转。由于PLC与电动机不能直接相连，与变频器和传感器也要考虑COM口的连接问题，所以为了更有效的连接及维护，与硬件设备的连接统一以继电器作为中转。 4.5.1 PLC 与传感器连接电路 对射式传感器的工作是以红外线射入接受器，如果有物体进过，则遮住红外线，接受器会生成一个电平信号送给PLC。PLC根据这个电平信号判断有无物体通过传感器所在位置。其连接电路如图4-2: KM1 X1 P L C KM1 COM 图 4-2 PLC与传感器连接图 4.5.2 PLC与变频器连接电路 当传感器检测到物件后，将信号送给PLC，PLC将控制变频器执行减速、停止的调速运动。如图3-3所示，当继电器KM1 KM3接通时，变频器正常频率。也就是电动机带动传送带高速运动。当KM1 KM2接通，KM3关闭时，电动机带动传送带减速。当KM1断开，电动机停止运转，传送带停止。 - 27 - P L C 高 低 Y0 STF 10 KM1 KM1 2 Y2 KM2 SD 5 Y10 KM3 KM3 COM KM2 图 4-3 PLC与变频器连接图 4.5.3 传送带调速系统状态转移图及程序 关于传送带调速系统的程序设计，采用了步进指令，这样可以简洁明了的完成工 作，其状态转移图(4-4)如下: S20 SETY0 X2 Y10 S21 Y2 X3 S22 RST Y0 图 4-4 传送带调速系统状态转移图 - 28 - 传送带调速系统程序如下: SET S0 STL S0 LD X0 SET S20 STL S20 SET Y0 LD X2 ANI Y10 SET S21 STL S21 OUT Y2 LD X3 SET S22 STL S22 RST Y0 4.6 PLC对物件搬运系统的控制 物件搬运系统是整个工作单元中自动化成分最高的工作系统，其控制结构图如下: (图4-5) 机 械 手 P L C 电磁阀 气 缸 动 作 图 4-5 机械手控制系统结构图 其中PLC是一级控制单元，由PLC发出的信号控制电磁阀的开合，再由电磁阀控制 气缸的运动方向，达到控制机械手动作的目的。 4.6.1 PLC与电磁阀连接电路 Y5 弹簧 线圈 KM1 KM1 COM ~ 图4-6 PLC与电磁阀连接电路 - 29 - 如图4-6所示，当Y5处于长闭状态，KM1闭合，线圈带电产生磁力，吸引活塞往左运动。控制气流从右侧进入气缸。反之，KM1打开，磁力消失，活塞在弹簧弹力的作用下向右运动，气流从左边进入气缸。如此，就达到了通过Y5的开合控制气缸进气方向，即控制了机械手的运动方向的目的。 4.6.2 PLC与限位开关的连接 PLC与限位开关是通过一个磁性开关相作用的，当气缸运动到限位点时，状态开关动作，活塞此方向动作结束，转入下一个动作。 SQ1 X6 COM 图4-7 限位状态开关接入 4.6.3 机械手运动状态转移图 机械手工作的状态转移图如下(图4-8): S20 SET Y4 S23 SET Y5 X7 T0 X11 T0 T3 K10 T3 Y1 K10 S21 SETY6 S24 Y4 SET T1 X7 T1 T4 K30 T4 K10 S22 RST Y4 S25 RST Y6 X6 T2 K5 T2 K10 K30 图4-8 - 30 - 执行到S25状态时，机械手完成了抓取 移动 放下的工作，然后返回原 位等待下一个物件到来，再重复动作。 物件搬运系统设计程序如下: 1 SET S20 18 SET S23 2 STL S20 19 STL S23 3 SET Y4 20 SET Y5 4 LD X7 21 LD X11 5 OUT T0 K10 22 OUT T3 K10 6 LD T0 23 LD T3 7 SET S21 24 ANI Y1 8 STL S21 25 SET S24 9 RET Y6 26 STL S24 10 OUT T1 K30 27 SET Y4 11 LD T1 28 LD X7 12 SET S22 29 OUT T4 K10 13 STL S22 30 LD T4 14 RST Y4 31 SET S25 15 LD X6 32 STL S25 16 OUT T2 K10 33 RST Y6 17 LD T2 34 OUT T5 K30 4.7 PLC工作可靠性措施 PLC控制系统的可靠性直接影响到企业的安全生产和经济运行，PLC系统的抗干扰 能力是整个系统可靠运行的关键。因此，分析研究PLC应用中的可靠性和抗干扰技术是 十分必要的。要提高PLC控制系统的可靠性，一是在硬件上采取措施;二是在软件上设 因此，PLC控制系统的抗干扰非常重要。 计相应的保护程序; 4.7.1 干扰源 PLC系统的干扰源根据其来源分为内部干扰源和外部干扰源。内部干扰源主要包括: 由于元器件布局不合理造成内部信号相互串扰;线路中存在的电容性元件引起的寄生振 荡;数字地、模拟地和系统地处理不当。外部干扰源包括供电电源电压波动和高次谐波 的干扰;开关通断形成的高、低频干扰;动力强电信号在系统中产生感应电势引起的干扰; 其它设备通过电容耦合串入控制系统而引起的干扰等。按钮、继电器等工作时触点间产 生的电弧，雷击和静电产生的火花放电，接触器线圈、断电器线圈、电磁铁线圈等感应 负载断开时产生的浪涌电压，外界的高频加热器、高频淬火设备、杂乱的无线电波信号、 电源电压的波动等等，以上这些都是能够使PLC出现误动作的典型干扰源，以下简单介 绍一下共模干扰和常模干扰。 - 31 - (1) 共模干扰 电源线、输入/输出信号线与接地线之间所产生的电位差会对PLC内部回路与各线路的外部信号之间的寄生电容进行放电，引起PLC内部回路电压剧烈波动，这种干扰称为共模干扰。各导线上感应电弧、高电位的感应电压、电波和静电等均为共模干扰源。寄生电容的容量越小，PLC内部回路电压波动也越小。 (2) 常模干扰 连接在线路上的感性负载或感性电器设备产生的反电势称之为常模干扰，它主要存在于电源线和输入、输出线上，也叫线间干扰。 4.7.2 干扰途径 PLC控制系统受到干扰的主要途径是电源线、输入、输出线和空中等部位。电源被干扰后，PLC控制系统的供电质量变差，引起PLC控制失灵。输入、输出线被干扰后，出现输入、输出控制紊乱。空中干扰主要以电磁感应、静电感应形式使PLC的CPU出现误操作。 4.7.3 硬件抗干扰措施 1、电源干扰的抑制 PLC系统电源必须要与整个供电系统的动力电源分开，一般在进入PLC系统之间加屏蔽隔离变压器。屏蔽隔离变压器的次级侧至PLC系统间必须采用不小于2mm2的双绞线。屏蔽体一般位于一、二次侧两线圈之间并与大地连接，这样就可消除线圈间的直接耦合。另外，电源谐波比较严重时，可在隔离稳压器前面加滤波器来消除电源的大部分谐波。必要时可在供电的电源线路上接入低通滤波器，以便滤去高频干扰信号。滤波器应放在隔离变压器之前，即先滤波后隔离。分离供电系统，将控制器、I/O通道和其它设备的供电采用各自的隔离变压器分离开来，也有助于抗电网干扰。 2、线间干扰的抑制 PLC控制系统线路中有电源线、输入/输出线、动力线和接地线，布线不恰当则会造成电磁感应和静电感应等干扰，因此必须按照特定要求布线，如尽可能的等间距，以及避免线路绕圈等。 (1) 接地线 为了安全和抑制干扰，系统一般要正确接地。系统接地方式一般有浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式。用一根大截面铜母线(或绝缘电缆)连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极。接地线采用截面大于20mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地极的接地电阻小于2Ω，接地极最好埋在距建筑物10,15m远处，而且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地;不接地时，应在PLC侧 - 32 - 接地;信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地;多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理。选择适当的接地处单点接点。PLC电源线、I/O电源线、输入、输出信号线，交流线、直流线都应尽量分开布线。开关量信号线与模拟量信号线也应分开布线，而且后者应采用屏蔽线，并且将屏蔽层接地。数字传输线也要采用屏蔽线，并且要将屏蔽层接地。PLC系统最好单独接地，也可以与其他设备公共接地，但严禁与其他设备串联接地。连接接地线时，应注意以下几点: (a) PLC控制系统单独接地。 (b) PLC系统接地端子是抗干扰的中性端子，应与接地端子连接，其正确接地可以有效消除电源系统的共模干扰。 (c) PLC系统的接地电阻应小于100Ω，接地线至少用20mm2的专用接地线，以防止感应电的产生。 (d) 输入输出信号电缆的屏蔽线应与接地端子端连接，且接地良好。 (2) 电源线、I/O线与动力线 动力电缆为高压大电流线路，PLC系统的配线靠近时会产生干扰，因此布线时要将PLC的输入输出线与其它控制线分开，不要共用一条电缆。外部布线时应将控制电缆、动力电缆、输入输出线分开且单独布线，它们之间一般应保持30cm以上一定的间距。当实际情况只能允许在同一线槽布线时，应用金属板把控制电缆、动力电缆、输入输出线间隔开来并屏蔽，金属板还必须接地。隔离变压器二次侧的电源线要采用2mm2以上的铜芯聚氯乙烯绝缘双绞软线。经过这样处理的电源线、输入、输出线与动力线就可以减少外界磁场及它们之间的干扰。 3、外围设备干扰的抑制 (1) PLC输入与输出端子的保护 当输入信号源为感性元件，输出驱动的负载为感性元件时，对于直流电路应在它们两端并联续流二极管。对于交流电路，应在它们两端并联阻容吸收电路。采取以上措施是为了防止在电感性输入或输出电路断开时产生很高的感应电势或浪涌电流对PLC输入、输出端点及内部电源的冲击，当PLC的驱动元件主要是电磁阀和交流接触器线圈，应在PLC输出端与驱动元件之间增加光电隔离的过零型固态继电器AC-SSR。 (2) 输入与输出信号的防错 当输入信号源为晶体管，或是光电开关输出类型时，当输出元件为双向晶闸管，或是晶体管输出，而外部负载又很小时，会因为这类输出元件在关断时有较大的漏电流，使输入电路和外部负载电路不能关断，导致输入与输出信号的错误，为此应在这类输入、输出端并联旁路电阻，以减小PLC输入电流和外部负载上的电流。 (3) 漏电流 当采用接近开关、光电开关等DC两线式传感器输入信号时，若漏电流较大时，应考虑由此而产生的误动作，使PLC输入信号不能关断。一般在PLC输入端子上接一旁路电阻以减少输入阻抗。同样用双向可控硅为输出时，为避免漏电流等原因引起输出的元件关断不了，也可以在输出端并联一旁路电阻。 (4) 浪涌电压 在控制器触点(开关量)输出的场合，不管控制器本身有无抗干扰措施，都应采用RC吸收(交流负载)或并接续流二级管(直流负载)，以吸收感性负载产生的浪涌电压。 (5) 冲击电流 - 33 - 用晶体管或双向可控硅输出模块驱动白炽灯之类的有较大电源负载时，为保护输出模块，应在PLC输出端并接旁路电阻或与负载串联限流电阻。 4、安装中的抗干扰措施 PLC控制系统所处的环境对其自身抗干扰也有一定的关系，因此在安装时应注意以下几个方面。 (1) 滤波器、隔离稳压器应设在PLC柜电源进线口处，不让干扰进入柜内，或尽量缩短进线距离。 (2) PLC控制柜应尽可能远离高压柜、大动力设备、高频设备。 (3) PLC控制柜要远离继电器之类的电磁线圈和容易产生电弧的触点。 (4) 整台PLC机要远离发热的电气设备或其它热源，并置放在通风良好的位置上。 (5) PLC程控器的外部要有可靠的防水系统以防止雨水进入，造成机器损坏。 4.7.4 软件抗干扰措施 控制器的外部开关量和模拟量输入信号，由于噪声、干扰、开关的误动作、模拟信号误差等因素的影响，不可避免会形成输入信号的错误，引起程序判断失误，造成事故。当按钮、开关作为输入信号时，则不可避免产生抖动;输入信号是继电器触点，有时会产生瞬间跳动，将会引起系统误动作。在这种情况下，可采用定时器延时来去掉抖动，定时时间根据触点抖动情况和系统要求的响应速度而定，这样可保证触点确实稳定闭合(或断开后)才执行。 对于模拟信号可采用多种软件滤波方法来提高数据的可靠性。常用的滤波方法有程序判断滤波、中值滤波、滑动平均值滤波、防脉冲干扰平均值滤波、算术平均值滤波、去极值平均滤波等。 (1) 程序判断滤波适用于对采样信号因受到随机干扰或传感器不稳定而引起的失真进行滤波。设计时根据经验确定两次采样允许的最大偏差，若先后两次采样的信号差值大于偏差，表明输入是干扰信号，应去掉，用上次采样值作为本次采样值。若差值不大于偏差，则本次采样值有效。 (2) 中值滤波是连续输入3个采样信号，从中选择一个中间值作为有效采样信号。 (3) 滑动平均值滤波是将数据存储器的一个区域(20个单元左右)作为循环队列，每次数据采集时先去掉队首的一个数据，再把新数据放入队尾，然后求平均值。 (4) 去极值平均滤波是连续采样N次，求数据的累加和，同时找出其中的最大值和最小值，从累加和中减去最大值和最小值，再求(N-2)个数据的平均值作为有效的采样值。 (5) 算术平均值滤波是求连续输入的N个采样数据的算术平均值作为有效的信号。它不能消除明显的脉冲干扰，只是削弱其影响。要提高效果可采用去极值平均滤波。 - 34 - 结论与展望 本毕业设计的重点在于实现PLC 气动回路控制的目的，以及进行产品化设计。前者已经很好的完成，而后者也做到了结构简单、功能实用和操作方便等几点。本毕业设计涉及的较多，而在实际操作中也遇到了很多细节性的问题，关键在于相关资料的积累、灵活运用以前学到的知识点和善于向别人请教。定好自己的工作计划，一步一个脚印的往下走。 这次毕业设计可以说是一个完整的工程项目。从开始的资料收集、理论构思，到设计流程,完成程序设计,再到最后配置各个硬件部件,一路下来，自己对这个设计思考过很多，提出过很多的观点和方法，最后也否决了很多。通过了这次实际操作，自己从中得到了不少的收获，对做一个工程的流程也有所认识，对PLC 和气动系统的理解也加深了不少。整个设计中，我完成了机械手传送带系统的硬件和软件架构，实现了随物件的行动，传送带自动减速，机械手自动抓取移动放置返回的功能。 这次毕业设计过程中我感受最深的是吸取前人的经验和教训，再结合自己的实际情况，站在巨人的肩膀上，定必事半而功倍。 在整个毕业设计过程中，遇到了大大小小的不少问题，但经过大家的合作和向老师请教，都已经把问题解决掉了，这样一方面提高了个人解决问题的能力，积累了不少的经验。另一方面也避免了在日后工作中犯同样错误的可能，加强了自己对以后工作的信心。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机;从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通讯单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海市东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海市乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用前景。 更长远的来看，在21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现;从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展;从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通讯设备会更好地适应各种工业控制场合的需求;从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着全球-国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断全球-国际市场的局面，会出现全球-国际通用的编程语言;从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集 - 35 - 散控制系统DCS(Distributed Control System)中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和全球-国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。 - 36 - 致 谢 回顾这次历时两个多月的毕业设计，感觉收获颇丰。它不仅使我可以把大学四年所学的专业知识都融会贯通起来，达到本专业的要求;而且，让我最难忘的是:在此过程中，从查阅资料到机构设计再到整体结构零件的设计，曾遇到过不少的困难，但是经过自己的一番钻研和老师同学的帮助，最后问题一个一个迎刃而解了。经过这次设计，同时我个人的学习领悟能力和团队合作精神也得到一个质的提高。 对此，我要衷心感谢***老师一直以来对我的教导和帮助，尤其在毕业设计过程中的孜孜教导;还有我身后一直默默支持我学习的亲爱的家人;在设计中和我一起学习并给予我很大帮助的组员**学同学。 四年的大学生活，我学到的不仅是专业上的知识，还有为人处事的道理。这次毕业设计的点点滴滴将永远留在我的心里，成为我人生重要的回忆之一。毕业之后，我还需要不断学习，不断实践，把这四年所学到的专业理论知识很好地运用到工作当中，不断提高自己的学习工作能力。 参考文献 [1] 杨公源.常用变频器应用实例. 电子工业出版社2006.10.1 [2] 邓则名等.电器与可编程控制器应用技术[M].机械工业出版社1997. - 37 - [3] 任致程.实用电动机控制电路350例. 人民邮电出版社2002.7.1 [4] 陈伯时 陈敏逊. 交流调速系统. 机械工业出版社2005.4.1 [5] 郭晋荣.液压与气动技术. 西南交通大学出版社2007.2.1 [6] 邹金慧等.可编程控制器及其系统[M].重庆大学出版社2002.11 [7] 机械设计手册》编委会.机械设计手册单行本——气压传动与控制. 机械工业出版社2007.3.1 [8] 吕泉.现代传感器原理及应用. 清华大学出版社2006.6.1 [9] 周征.传感器原理与检测技术. 清华大学出版社2007.2.1 [10] 贺哲荣等.流行PLC实用程序及设计[M].西安电子科技大学出版社， 2006.3 [11] 钟肇新， 彭侃.可编程控制器原理及应用[M].华南理工出版社2002 [12] 张建民.机电一体化系统设计. 北京理工大学出版社2007.1.1 [13] 梅晓榕，柏桂珍，张卯瑞.自动控制元件及线路. 科学出版社2007.4.1 [14] 李成海 .液压电磁换向阀. 机械工业出版社2002.12.1 [15] 曹永岩毛维杰孙优贤等.现代控制理论的工程应用[M].浙江大学出版社2000 [16] Brosilow，C.B.and M.Tong.The Structure and Dynamics of Inferenitial Controller[J].Int.J.Control.1997，46(2);485~499 [17] JOHNSON: Metasys 设计手册[M] . 北京: 中国建筑工业出版社， 2003.7 [18] MITSUBISHI.FXIS.FX1N.F2N.F2NC编程手册.1996 附录A PLC I/O电气接口图 - 38 - PLC FX2N SB1 Y0 X0 KM1 SB2 X1 Y1 KM2 X2 Y2 KM8 KM3 X3 Y3 KM9 KM4 X4 Y4 KM10 KM5 X5 Y5 KM11 KM6 SQ1 X6 Y6 KM7 SQ2 X7 Y7 HL1 SQ3 X10 COM 1 SQ4 X11 Y10 KM12 COM Y11KM13 220V COM 2 0V 附录2 传送带机械手工作状态转移图 - 39 - X6 X10 Y0 M8002 Y7 S0 X0 S20 SETY0 X2 Y10 S21 Y2 X3 S22 RST Y0 Y7 X3 Y0 S23 SET Y4 X7 T0 T0 K10 S24 SETY6 T1 T1 K30 S25 RST Y4 X6 T2 T2 K10 - 40 - S26 SET Y5 X11 T3 T3 Y1 K10 S27 SETY4 X7 T4 T4 K10 S28 RST Y6 K5 K30 T5 S29 RST Y4 T6 X6 T6 K10 S40 S30 SET Y1 RSTY5 X4 X10 Y11 S 41 Y3 X5 X5 D42 RSTY1 - 41 - 附录C:主要参考文献的题录及摘要 [1] 贺哲荣等流行PLC实用程序及设计.西安电子科技大学出版社， 2006.3 本书以日本三菱公司的FX2系列可编程控制器为蓝本，简要介绍了FX2系列可编程控制器的指令系统、编程方法及常用的子程序;详细介绍了电动机基本控制线路PLC程序设计、机床控制线路改造PLC程序设计及PLC实际应用程序设计等程序设计方法。 [2] 邹金慧等可编程控制器及其系统重庆大学出版社2002.11 本书详细介绍了PLC的组成结构、工作原理、指令系统、编程方法、网络通讯以及PLC在控制系统中的实际应用等内容。 [3] 邓则名等.电器与可编程控制器应用技术机械工业出版社1997. 本书详细介绍了三菱公司FX2系列的PLC组成结构、工作原理、指令系统、编程方法、网络通讯以及PLC在控制系统中的实际应用等内容。 [4] 钟肇新， 彭侃.可编程控制器原理及应用[M].华南理工出版社2002 本书详细介绍了PLC的组成结构、工作原理、指令系统、编程方法、网络通讯以及PLC在控制系统中的实际应用等内容 [5] 杨公源.常用变频器应用实例. 电子工业出版社2006-10-1 本书在介绍变频器的基本类型和变频器的运行原理的基础上，介绍丹佛斯、西门子、ABB、松下、富士等公司的变频器及其应用实例，包括变频器在机床、流量、压力、液位、温度、配比、涂布、卷绕、退绕、同步，以及复合材料制造等方面的应用实例。 [6] 任致程.实用电动机控制电路350例. 人民邮电出版社2002.7.1 本书介绍实用电动机控制电路的书籍，书中汇集了包括采用常规器件组成的常用控制电路和由电子元件、电脑程控部件组成的新型控制电路共计350个，划分成:换向电路、调速电路、直接启动电路、降压驱动电路、制动电路、保护电路、节能电路、自控电路、常用家电与机电电路、电子经验电路10部分 [7] 陈伯时 陈敏逊. 交流调速系统. 机械工业出版社2005.4.1 本书全面系统地介绍了现代交流调速系统的基本原理，数学模型，控制系统和应用性能，以理论联系实际，深入浅出作为编写方针，对于在研究工作中涉及而目前尚无实际应用的理论问题，则不加论述 [8] 郭晋荣.液压与气动技术. 西南交通大学出版社2007.2.1 全书共九章，内容包括:绪论、液压与气动的基础理论、液压传动基本元件、液压系统基本回路、典型液压传动系统、气压传动基本元件、气动系统基本回路、典型气压传动系统，以及液压与气压传动系统的安装与调试、使用及维护等。 [9] 机械设计手册》编委会.机械设计手册单行本——气压传动与控制. 机械工业出版社2007.3.1 全书共分常用资料，机械零部件与传动设计(一)、(二)，液压、气动、液力传动与控制，机械设计基础，现代设计方法及应用等6卷50篇。本单行本主要介绍气压传动的特点和各种气缸、气马达、气动控制阀的相关内容，以及国外系列气动产品 [10] 吕泉.现代传感器原理及应用. 清华大学出版社2006.6.1 全书共12章，分别介绍现代各种新型传感器的作用、原理、结构特征以及使用方法。内容包括红外传感器、图像传感器、光纤维感器、超导传感器、微波传感器、生物传感器、气体传感器、湿度传感器、非晶态合金传感器、机器人传感器、智能传感器、其他新型(电流、电压、三维过载、液晶)传感器等 - 42 - [11] 周征.传感器原理与检测技术. 清华大学出版社2007.2.1 本书以被测物理量为研究对象，全面地阐述了各种被测物理量的检测方法、各种传 感器的工作原理和按工程实际选用传感器的原则。内容包括:检测技术基本知识，传感 器概述，温度检测与传感器，流量检测与传感器，压力检测与传感器，气体、湿度检测 与传感器，物位检测与传感器，机械量检测与传感器，检测系统的抗干扰技术。书中给 出了大量来源于生产实际的实用电路和实例。 [12]MITSUBISHI.FXIS.FX1N.F2N.F2NC编程手册.1996 This manual gives details on all aspects of operation and programming for FX1S, FX1N,FX2N and FX2NC programmable controllers (PLCs). For all information relating to the PLC hardware and installation, refer to the appropriate manual supplied with the unit. 2) How to use this manual This manual covers all the functions of the highest specification Programmable (Logic) Controller (PLC). For this reason, the following indicator is included in relevant section titles - 43 - 附录D 传送带机械手工作控制程序 10 LD X6 20 AND X10 30 ANI Y0 40 OUT Y7 50 LD M8002 60 SET S0 70 STL S0 80 LD X0 90 SET S20 100 STL S20 110 SET Y0 120 LD X2 121 ANI Y10 130 SET S21 140 STL S21 150 OUT Y2 160 LD X3 170 SET S22 180 STL S22 190 RST Y0 200 LD X3 210 AND Y7 220 SET S23 230 STL S23 240 SET Y4 250 LD X7 260 OUT T0 K10 270 LD T0 280 SET S24 290 STL S24 300 RET Y6 310 OUT T1 K30 320 LD T1 330 SET S25 340 STL S25 350 RST Y4 360 LD X6 370 OUT T2 K10 380 LD T2 390 OUT S20 - 44 - 400 SET S26 410 STL S26 420 SET Y5 430 LD X11 440 OUT T3 K10 450 LD T3 460 ANI Y1 470 SET S27 480 STL S27 490 SET Y4 500 LD X7 510 OUT T4 K10 520 LD T4 530 SET S28 540 STL S28 550 RST Y6 560 OUT T5 K30 570 LD T5 580 SET S29 590 STL S29 600 RST Y4 610 LD X6 620 OUT T6 K10 630 LD X6 640 SET S30 650 STL S30 660 RST Y5 670 SET S40 680 STL S40 690 SET Y1 700 LD X4 701 ANI Y11 710 SET S41 720 STL S41 730 OUT Y3 740 LD X5 750 SET S42 760 STL S42 770 RST Y1 RET END - 45 - - 46 -