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XXXXX本科畢業(yè)設(shè)計
畢業(yè)論文
課題：電池包裝送料裝置總體方案及控制系統(tǒng)設(shè)計
專 業(yè)
學(xué)生姓名
班 級
學(xué) 號
指導(dǎo)教師
完成日期
摘 要
可編程控制器(PLC )作為控制系統(tǒng)的核心裝置，功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定可靠。在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。取得了理想的控制效果。
本論文以高速全自動電池包裝機(jī)控制系統(tǒng)為背景，理論與實踐相結(jié)合，詳細(xì)闡述了集PLC技術(shù)，光電位感應(yīng)技術(shù)等先進(jìn)控制技術(shù)在該包裝機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。論文主要內(nèi)容如下：概述了可編程控制器PLC的現(xiàn)狀及其在包裝機(jī)械上應(yīng)用的可能性和前景；通過對電池包裝機(jī)生產(chǎn)工藝流程的了解，統(tǒng)計其輸入輸出I/O點，然后進(jìn)行PLC選型，程序的仿真設(shè)計；電池的包裝是一個典型的順序控制，因此我們利用步進(jìn)控制指令實現(xiàn)了包裝過程的程序控制；利用三菱公司的編程軟件GX Developer軟件進(jìn)行程序的編寫和仿真。
本設(shè)計的主要任務(wù)就是完成PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計和控制電路的設(shè)計。
關(guān)鍵詞：可編程控制器,電池包裝機(jī)，仿真
Abstract
Programmable logic controller ( PLC ) as the core device of the control system, powerful, stable and reliable performance. It is widely used in modern industrial automation production. To obtain the ideal control effect.
In this paper, the high-speed automatic battery packaging machine control system as the background, combining theory with practice, elaborated PLC technology, application of photoelectric position sensor technology and advanced control technique in the packing machine control system. The main contents are as follows : an overview of the status of programmable controller PLC and its possibilities and prospects of application in packaging machinery; through the production process of battery packaging machine understanding, statistics of its input and output I\/O, and then PLC selection, simulation design program; battery pack is a typical sequential control, therefore we use the step control command to realize the packaging process control program; program using the software programming software GX Developer of the Mitsubishi Co 's programming and simulation.
Design the design of the main tasks is to complete the design of PLC control system and control circuit.
Keywords: programmable controller, battery packaging machine, simulation
- II -
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
1.1 全自動包裝機(jī)PLC控制的目的及意義 1
1.2 包裝機(jī)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與分析 1
1.3 本文的設(shè)計任務(wù) 2
第二章 控制方案要求 3
2.1 該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能 3
2.2 電池包裝送料裝置的工作過程 3
2.3 控制方案論證與選擇 4
2.3.1 PLC與其它控制裝置的比較 4
2.3.2 系統(tǒng)方案的確立 8
2.5 本章小結(jié) 8
第三章 電池包裝送料裝置控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 9
3.1 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 9
3.2 PLC和I/O擴(kuò)展模塊的選型 9
3.3 PLC控制的優(yōu)點 9
3.4 其他元器件的選擇 10
3.4.1固態(tài)繼電器的選擇 10
3.4.2 斷路器的選擇 11
3.4.3 傳感器的選型 11
3.4 PLCI/0的分配 11
3.6 系統(tǒng)電氣控制接線圖設(shè)計 12
3.7 本章小結(jié) 14
第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 15
4.1 PLC的程序設(shè)計環(huán)境 15
4.2 系統(tǒng)程序設(shè)計 16
4.3 PLC控制系統(tǒng)軟件程序的編寫 18
4.4 本章小結(jié) 18
第五章 程序的調(diào)試與仿真 19
5.1 仿真的步驟 19
5.2 本章小結(jié) 21
結(jié)論 22
致 謝 23
參考資料 24
附錄一 25
第一章 緒論
1.1 全自動包裝機(jī)PLC控制的目的及意義
電池是人們生活中的必須品，隨著人們對紙質(zhì)品用量的增加，對電池的需求也越來越大，且對電池的安全性，方便性要求也越來越高。為使包裝出的物品整齊、美觀并具有良好的包裝質(zhì)量，研制高速、高效、高質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的新型包裝機(jī)是市場的迫切需求。目前，該類包裝機(jī)多半為進(jìn)口產(chǎn)品，價格昂貴。為此，我選擇了PLC在高速電池包裝機(jī)上的應(yīng)用。
1.2 包裝機(jī)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與分析
包裝機(jī)械的最大特點是動作復(fù)雜、頻繁，且有較多的執(zhí)行元件。在這種場合使用繼電器控制邏輯必然需要大量的中間繼電器，而這些中間繼電器在用PLC控制的情況下，就可以對其內(nèi)部的輔助繼電器進(jìn)行編程后來取代。從物理介質(zhì)方面來講，前者是要用具體的電氣元件來組合，而后者只是PLC的內(nèi)部寄存器，在PLC編程容量許可的范圍內(nèi)，可以不花費額外的費用來實現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯。一般的PLC都有上百點內(nèi)部輔助繼電器甚至更多，且還有多種專用的內(nèi)部電器，足可以應(yīng)付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是對PLC進(jìn)行編程。事實上PLC用于這種場合是最能顯現(xiàn)出其經(jīng)濟(jì)性。從上述意義上來講，PLC最適合于需要大量中間繼電器的場合。且PLC與其他工業(yè)控制系統(tǒng)比較具有許多優(yōu)點：
（1）更改控制邏輯只需修改軟件，無需對硬件作改動；
（2）程序可以復(fù)制，批量生產(chǎn)很容易；
（3）電氣硬件設(shè)計大大簡化；
（4）由于PLC除有繼電器功能外，尚有多種其它功能，可以實現(xiàn)繼電器無法實現(xiàn)的控制功能，實現(xiàn)某種程度上的智能化，并有可能使機(jī)構(gòu)簡化；
（5）可靠性高；
（6）成本相對于繼電控制而言稍高，但繼電器控制隨著所用中間繼電器數(shù)量的增加，成本急驟上升，而PLC控制幾乎保持不變，這一點對于復(fù)雜的控制來講具有無可比擬的優(yōu)越性；
（7）具有擴(kuò)展單元或擴(kuò)展模塊，當(dāng)需要較多I/0時可以方便地擴(kuò)展。
因此，國外在注塑機(jī)、各種包裝機(jī)上已經(jīng)大量地采用了PLC來取代傳統(tǒng)的繼電器控制屏，故障率大大降低，性能有了很大提高。我國包裝機(jī)械目前控制部件大多還沿用繼電器方式。如果能用PLC來取代的話，則可以簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)械和電氣設(shè)計都可以得到簡化。更重要的是可以使原來無法實現(xiàn)的某些功能得以實現(xiàn)，使機(jī)器在某種程度上實現(xiàn)智能化。通過對各種控制系統(tǒng)的分析比較，我們決定采用PLC控制系統(tǒng)。
1.3 本文的設(shè)計任務(wù)
（1）對可編程控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢作一簡單的介紹，明確背景知識與選型根據(jù)；分析PLC在包裝機(jī)械上應(yīng)用的可能性與前景。
（2）電池包裝機(jī)各動作控制工藝的研究。了解電池包裝機(jī)的工作過程及工藝要求?？偨Y(jié)各機(jī)構(gòu)的動作順序，將其用流程圖的形式表示出來，為實現(xiàn)全自動運(yùn)動控制做準(zhǔn)備。
（3）可編程控制器部分的設(shè)計，包括控制方案的選取與設(shè)計、I/0接口信號的確定、模塊的選擇，包裝過程控制程序的設(shè)計。
（4）控制程序的在線仿真。
- 35 -
第二章 控制方案要求
2.1 該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能
1).能夠?qū)崿F(xiàn)全自動連續(xù)工作
2).能夠?qū)崿F(xiàn)點動操作
3).必須高速運(yùn)行
2.2 電池包裝送料裝置的工作過程
電池包裝送料裝置的工作示意圖如圖2-1所示：
圖2-1示意圖
電池由進(jìn)料裝置將兩節(jié)電池送到推桿1前，電動機(jī)1轉(zhuǎn)動控制推桿1向前推進(jìn)，將電池推到推桿2前。在推桿1向前推進(jìn)電池的同事膠輥電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動膠輥將放在托架上的包裝袋輸送到吸盤處，然后電磁閥控制吸盤將膜上層起。當(dāng)膜的上層被吸起后，此時的電池已經(jīng)進(jìn)入二號通道，二號通道的電動推桿2將橫放的電池推入到由吸盤吸起的包裝袋內(nèi)，到位后上吸盤和切斷刀連接的推桿向下運(yùn)動時帶著切刀將包裝袋切斷，切斷后推桿2退回，刀片氣缸退回，吸盤停止工作。當(dāng)推桿2和刀片氣缸全部退到位后，第三通道的推桿3將縱向的含在包裝袋里的電池推入到四號通道，推桿3推到位后，第四號通道的推桿4將電池推送到傳送帶。推桿4推到位后，推桿3和推桿4同時退回。推桿3和推桿4全部退到位后，傳送帶由步進(jìn)電動機(jī)控制，傳送帶上有等間距的小格，每一小格能容納兩節(jié)五號電池，每次工作時格子底部與電池底部在同一水平面，電池經(jīng)傳送帶送入高溫箱，出來冷卻即達(dá)到包裝效果。
電池包裝機(jī)主要功能是將來自料池的電池以每分鐘100個的速率包裝成合格的電池。簡單的工藝流程如圖2-2所示：
PLC
送料
供電
切割
圖2-2包裝工藝流程圖
2.3 控制方案論證與選擇
2.3.1 PLC與其它控制裝置的比較
可編程控制器與繼電器控制的區(qū)別
在可編程控制器的編程語言中，梯形圖是最為廣泛使用的語言。通過可編程控制器的指令系統(tǒng)將梯形圖變成可編程控制器能接收的程序。由編程器將程序鍵入到可編程控制器的用戶存儲區(qū)中去。 可編程控制器的梯形圖與繼電器控制線路圖十分相似，主要原因是可編程控制器梯形圖的發(fā)明大致上沿用了繼電器控制的電路元件符號，僅個別地方有些不同。同時，信號的輸入/輸出形式及控制功能也是相同的，但可編程控制器的控制與繼電器的控制還是有不同之處，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
1.可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)
這是PLC用戶關(guān)心的首要問題。為了滿足PLC專在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用的要求，PLC采用了如下硬件和軟件措施：
（1）光電耦合隔離和R-C濾波器，有效的防止了各類電磁干擾信號的進(jìn)入。
（2）采用內(nèi)部電磁屏蔽，防止輻射干擾。
（3）采用優(yōu)良的開關(guān)電源，防止電源線引入的干擾。
（4）具有良好的自診斷功能?？梢詫PU等內(nèi)部電路進(jìn)行檢測，一旦出錯，立即報警。
（5）程序及有關(guān)數(shù)據(jù)用電池供電進(jìn)行備份，一旦電源斷電或運(yùn)行停止，有關(guān)狀態(tài)及信息不會丟失。
（6）采用了冗余技術(shù)進(jìn)一步增強(qiáng)可編程序控制器的可靠性。對于某些大型的PLC，采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或三CPU構(gòu)成表決式系統(tǒng)。
（7）對采用的器件都進(jìn)行嚴(yán)格的篩選和老化處理，排除了因器件可靠問題而造成的故障。
隨著構(gòu)成PLC的元器件自身性能的提高，PLC整體的可靠性也在相應(yīng)提高。一般PLC的平均無故障時間可達(dá)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)的可編程序控制器不再標(biāo)明可靠性這一指標(biāo)，因為對可編程序控制器這一指標(biāo)已毫無意義了。經(jīng)過大量實踐，人們發(fā)現(xiàn)PLC系統(tǒng)在使用中發(fā)生的故障，大多是由于PLC的外部開關(guān)、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)引起的，而不是PLC自身的問題產(chǎn)生的。
2.通用性強(qiáng)，使用方便
現(xiàn)在的PLC產(chǎn)品都已系列化了，PLC配備有各種各樣，種類齊全的I/O模塊和配套部件用戶選用，可以很方便地搭建成可滿足不同控制要求的控制系統(tǒng),用戶不再需要自己設(shè)計和制作相應(yīng)的硬件裝置。在確定了PLC的硬件配置和I/O外部接線后，用戶所做的工作只是程序設(shè)計而已。
3．程序設(shè)計簡單，易學(xué)易懂
PLC是一種工業(yè)自動化控制裝置，其主要的使用對象是廣大電氣技術(shù)人員。PLC生產(chǎn)廠家大都根據(jù)這種實際情況，一般不采用微機(jī)所用的編程語言，而采用與繼電器控制原理圖非常相似的梯形圖語言，工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)和使用這種語言十分方便。
4．采用先進(jìn)的模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)組合靈活方便
PLC的各個部件，包括CPU、電源、I/O通道等均采用模塊化設(shè)計，由機(jī)架和電纜將各模塊連接起來。系統(tǒng)的功能和規(guī)模可根據(jù)用戶的實際需求自行組合，這樣便可滿足用戶要求的合理的性能價格比。
5．系統(tǒng)設(shè)計周期短
由于系統(tǒng)硬件的設(shè)計任務(wù)僅是依據(jù)對象的要求配置適當(dāng)?shù)哪K，如同吃飯從菜單中點菜一樣方便，這就大大縮短了整個設(shè)計所花費的時間，加快了整個工程設(shè)計的進(jìn)度。
6．安裝簡便、調(diào)試方便、維護(hù)工作量小
可編程序控制器一般不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端子相連，系統(tǒng)便可以投入運(yùn)行，安裝接線工作量比繼電器控制系統(tǒng)小得多。PLC軟件的設(shè)計和調(diào)試大都可以在實驗室里進(jìn)行，用模擬實驗開關(guān)代替輸入信號，其輸出狀態(tài)可以觀察PLC上的相應(yīng)發(fā)光二極管顯示，也可以另接輸出模擬實驗板。模擬調(diào)試完成后，再將本身故障率很低，又有完善的自診斷能力和顯示功能，一旦發(fā)生故障可以根據(jù)PLC上發(fā)光二極管或編程器提供的信息，迅速查明原因或直接找到發(fā)生故障的外圍設(shè)備。如果是PLC本身故障，則可用更換模塊的方法迅速排除故障。這樣既提高了維護(hù)的工作效率，使故障造成的對工業(yè)生產(chǎn)的影響降低到最低程度，也保證了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。
PLC是以微處理器為核心，綜合了計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)而發(fā)展起來的一種新型、通用的自動控制裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、靈活通用、易于編程、使用方便等優(yōu)點，近年來在工業(yè)自動控制、機(jī)電一體化、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面得到了廣泛應(yīng)用。
近年來，隨著微處理器芯片及其有關(guān)元器件的價格大幅度下降，使得PLC成本也隨之下降。與此同時，PLC的性能卻在不斷完善，功能也在增多增強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域也在逐漸拓寬，使PLC的應(yīng)用已由早期的開關(guān)邏輯到現(xiàn)在工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。根據(jù)PLC的特點，可以將應(yīng)用形式歸納為如下幾種類型：
1.開關(guān)邏輯控制
這是PLC的最基本最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。PLC具有較強(qiáng)的邏輯運(yùn)算能力，可以實現(xiàn)各種開關(guān)量從簡單到復(fù)雜的邏輯控制。
2.模擬量控制
在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，除必不可少的開關(guān)量和數(shù)字量外，還有許多連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、液位等都是模擬量。而PLC所處理的量為數(shù)字量，為了能接受模擬量輸入和輸出模擬量信號，PLC配置有A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，現(xiàn)將現(xiàn)場的溫度、壓力等模擬量經(jīng)過A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送入微處理器進(jìn)行處理，微處理器處理過的數(shù)字量，又經(jīng)D/A模塊轉(zhuǎn)換為模擬量后，去控制被控對象，這樣就可實現(xiàn)PLC對模擬量的控制。
3.順序控制
在工業(yè)控制中，用PLC實現(xiàn)順序控制，可以用移位寄存器和步進(jìn)指令編寫程序。也可采用IEC規(guī)定的用于順序控制的標(biāo)準(zhǔn)化語言——順序功能圖SFC編寫程序，使得PLC在實現(xiàn)按照事件或輸入狀態(tài)的順序，控制相應(yīng)輸出更加容易。
4.定時控制
PLC具有定時控制的功能，它可以為用戶提供幾十甚至上百個計時器，其計時的時間可由用戶根據(jù)控制時間要在編寫用戶程序時設(shè)定，定時時間可以從0.1秒至若干小時，時間長短可任意設(shè)定，也可以由操作人員在工業(yè)現(xiàn)場通過編程器進(jìn)行修改或重新設(shè)定，實現(xiàn)定時或延時的控制，通過編程既可以實現(xiàn)通電延時功能，也可以實現(xiàn)斷電延時的功能。
5.計數(shù)控制
計數(shù)控制也是控制系統(tǒng)不可缺少的，PLC也同樣為用戶提供了幾十甚至上有個計數(shù)器，實現(xiàn)對某些信號的計數(shù)功能。其設(shè)定方式如同定時器一樣，可實現(xiàn)增計數(shù)控制，也可實現(xiàn)減計數(shù)控制，若用戶需要對頻率較高的信號進(jìn)行跟蹤計數(shù)，可選用高速計數(shù)模塊。
6．閉環(huán)過程控制
運(yùn)用PLC不僅可以對模擬量進(jìn)行開環(huán)控制，而且還可以進(jìn)行閉環(huán)控制?，F(xiàn)代大中型的PLC及部分小型的PLC配備有專門的PID控制模塊，當(dāng)控制過程中某一個變量出現(xiàn)偏差時，PLC就按照PID算法計算出正確的輸出去控制被控制量，把被控制量保持在整定值上。PLC的PID控制已廣泛地應(yīng)用在洗煤、釀酒、反應(yīng)堆、鍋爐以及位置和速度等控制中。
7．?dāng)?shù)據(jù)處理
現(xiàn)代PLC都具有數(shù)據(jù)處理的能力。它不僅能進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送，而且還能進(jìn)行數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示和打印以及數(shù)據(jù)通信等.對于大中型PLC還可進(jìn)行浮點運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算等。
8．通信和聯(lián)網(wǎng)
PLC的控制已從早期的單機(jī)控制發(fā)展到了多機(jī)控制，實現(xiàn)了工業(yè)自動化。現(xiàn)代的PLC一般都具有通信功能，應(yīng)用遠(yuǎn)程I/O模塊，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，應(yīng)用通信模塊，可實現(xiàn)PLC與PLC、PLC與計算機(jī)之間的通信。也可以構(gòu)成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。因此，PLC是實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的理想工業(yè)控制裝置。
本系統(tǒng)選用日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N-32MT PLC，屬于整體式PLC。整體式PLC提供多種不同的I/O點數(shù)的基本單元和擴(kuò)展單元供用戶選用，基本有CPU模塊，I/O模塊和電源，擴(kuò)展單元內(nèi)有I/O模塊和電源。一般配有許多專用的特殊功能單元，如模擬量I/O單元、位置控制單元、和通信單元等使PLC的功能得到擴(kuò)展。 主要的控制功能有如下幾項：主令操作控制和保護(hù)監(jiān)視控制。
FX2N系列是FX系列PLC家族中最普通的系列，其功能最強(qiáng)、速度最快、成本較低。由于FX2N系列具備如下特點：最大范圍的包容了標(biāo)準(zhǔn)特點、程式執(zhí)行更快、全面補(bǔ)充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為你的工廠自動化應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。為大量實際應(yīng)用而開發(fā)的特殊功能開發(fā)了各個范圍的特殊功能模塊以滿足不同的需要－－模擬I/O。定位控制達(dá)到16軸，脈沖串輸出或為J和K型熱電偶或Pt傳感器開發(fā)了溫度模塊。對每一個FX2N主單元可配置總計達(dá)8個特殊功能模塊。網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信連接到世界上最流行的開放式網(wǎng)絡(luò) CC-Link，Profibus Dp和DeviceNet或者采用傳感器層次的網(wǎng)絡(luò)解決您的通信需要。
其它功能內(nèi)置式24V、400mA直流電源可用于外圍設(shè)備，如傳感器或其它元件?？焖贁嚅_端子塊因為采用了優(yōu)良的可維護(hù)性快速斷開端子塊，即使接著電纜也可以更換單元。時鐘功能和小時表功能在所有的FX2NPLC中都有實時時鐘標(biāo)準(zhǔn)。時間設(shè)置和比較指令易于操作。小時表功能對過程跟蹤和機(jī)器維護(hù)提供了有價值的信息。持續(xù)掃描功能為應(yīng)用所需求的持續(xù)掃描時間定義操作周期。輸入濾波器調(diào)節(jié)功能可以用輸入濾波器平整輸入信號（在基本單元中x000到x017）。注解記錄功能元件注解可以記錄在程序寄存器中。在線程序編輯在線改變程序不會損失工作時間或停止生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)。RUN/STOP 開關(guān)面板上運(yùn)行/停止開關(guān)易于操作。遠(yuǎn)程維護(hù)遠(yuǎn)處的編程軟件可以通過調(diào)制解調(diào)器通信來監(jiān)測、上載或卸載程序和數(shù)據(jù)密碼保護(hù)使用一個八位數(shù)字密碼保護(hù)您的程序。?
2.3.2 系統(tǒng)方案的確立
在此綜合各種方面因素選擇PLC作為電池包裝送料裝置控制系統(tǒng)的核心,如2.3.1小節(jié)所分析的,PLC具有其他任何一種控制器所不具備的優(yōu)點,更符合設(shè)計要求。
2.5 本章小結(jié)
本章主要介紹了電池包裝送料裝置控制系統(tǒng)的功能要求、控制器的選擇和控制方案的論證選擇。?
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第三章 電池包裝送料裝置控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
3.1 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成
本設(shè)計的電池包裝送料裝置控制系統(tǒng)硬件主要由PLC、普通電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、傳感器、數(shù)字量開關(guān)、輸入擴(kuò)展模塊，電源模塊，固態(tài)繼電器等組成。
3.2 PLC和I/O擴(kuò)展模塊的選型
選擇能滿足本電池包裝送料裝置控制要求的適當(dāng)型號的PLC是應(yīng)用設(shè)計中至關(guān)重要的一步，合理選擇PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要作用。PLC的選擇包括機(jī)型，容量，I/O模塊的選擇等幾個方面。
3.2.1 機(jī)型的選擇
本系統(tǒng)選取的是三菱公司生產(chǎn)的小型整體式可編程控制器FX2N-32MT-001系列，輸入端子選擇16點, 輸出端子選擇16點，輸出點滿足控制要求，輸入無法滿足，因此還需要外加一個外部輸入模塊FX-16EX，它的性能價格比很高，在小規(guī)?？刂浦蝎@得廣泛應(yīng)用。三菱FX2N-32MT-001的CPU單元規(guī)格是:輸入16點,輸出16點,輸入、輸出為晶體管型形式,電源AC220V。FX2N-32MT-001PLC的價格為：1050元，F(xiàn)X2N-16EX價格為：400元。
3.3 PLC控制的優(yōu)點
① 高可靠性；
（1）所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。
（2）各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為10~20ms.
（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。
（4）采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。
（5）對采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。
（6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴(kuò)大。
（7）大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進(jìn)一步提高。
② 豐富的I/O接口模塊；
PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位； 強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如：按鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。
另外為了提高操作性能，它還有多種人-機(jī)對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。
③ 采用模塊化結(jié)構(gòu)；
為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化PLC，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。
④編程簡單易學(xué)；
PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機(jī)的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。
⑤安裝簡單，維修方便；
工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。
由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。
3.4 其他元器件的選擇
3.4.1固態(tài)繼電器的選擇
固態(tài)繼電器是具有隔離功能的無觸點電子開關(guān)，在開關(guān)過程中無機(jī)械接觸部件，因此固態(tài)繼電器除具有與電磁繼電器一樣的功能外，還具有邏輯電路兼容，耐振耐機(jī)械沖擊，安裝位置無限制，具有良好的防潮防霉防腐蝕性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳，輸入功率小，靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好，噪聲低和工作頻率高等特點。固態(tài)繼電器專用的固態(tài)繼電器可以具有短路保護(hù)，過載保護(hù)和過熱保護(hù)功能，與組合邏輯固化封裝就可以實現(xiàn)用戶需要的智能模塊，直接用于控制系統(tǒng)中。固態(tài)繼電器目前已廣泛應(yīng)用于計算機(jī)外圍接口設(shè)備、恒溫系統(tǒng)、調(diào)溫、電爐加溫控制、電機(jī)控制、數(shù)控機(jī)械，遙控系統(tǒng)、工業(yè)自動化裝置；信號燈、調(diào)光、閃爍器、照明舞臺燈光控制系統(tǒng)；儀器儀表、醫(yī)療器械、復(fù)印機(jī)、自動洗衣機(jī)；自動消防，保安系統(tǒng)，以及作為電網(wǎng)功率因素補(bǔ)償?shù)碾娏﹄娙莸那袚Q開關(guān)等等，另外在化工、煤礦等需防爆、防潮、防腐蝕場合中都有大量使用。
固態(tài)繼電器的選擇通常異步電動機(jī)起動電流為額定值的5—7倍，直流電機(jī)起動電流還要大。不但如此，感性負(fù)載還具有較高的反電勢。這是一個不定值，隨L和di/dt的不同而不同。通常為電源電壓的1—2倍，這樣和電源電壓疊加。有高達(dá)三倍的電源電壓。
這里采用都是直流微型電機(jī)，每個電機(jī)的功率只有幾百瓦。這里我們選用歐姆龍固態(tài)繼電器：G3R-202SLN，輸入電壓24VDC，輸出5-48VDC，電流10A ，價格80元每個。
3.4.2 斷路器的選擇
短路器是為了保證系統(tǒng)短路引發(fā)的危險，通常短路器為系統(tǒng)總電流的1.2-1.5倍。
3.4.3 傳感器的選型
傳感器是推桿的位置檢測元件，將位移轉(zhuǎn)換為電脈沖，用于在線測量活塞位移，以便送到控制器中進(jìn)行處理。
根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類。物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號。
化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。
我們此次的選擇的主要是物理傳感器中的開關(guān)傳感器——當(dāng)一個被測量的信號達(dá)到某個特定的閾值時，傳感器相應(yīng)地輸出一個設(shè)定的低電平或高電平信號，用于判斷位置信號的有無。根據(jù)以上我們選擇光電開關(guān)來作為傳感器。型號為：TL-Q5MCI-Z，數(shù)量為10個，價格為36元每個。
3.4 PLCI/0的分配
分配輸入/輸出點信號、輸出點與輸出控制是一一對應(yīng)的。分配好后，按系統(tǒng)配置的通道與接點號，分配給每一個輸入信號和輸出信號，即進(jìn)行編號。FX2N型PLC的輸入/輸出通道號采用自由配置、固定通道方式。輸入輸出繼電器可自由選擇，與輸入點對應(yīng)的即為輸入繼電器，與輸出點對應(yīng)的即為輸出繼電器。包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)輸入輸出接口如表3-1所示。
輸入
輸出
名稱
接口
名稱
接口
啟動
X0
步進(jìn)電機(jī)脈沖輸入
Y0
停止
X1
步進(jìn)電機(jī)脈沖方向
Y1
急停
X2
推桿1電機(jī)正轉(zhuǎn)
Y2
手動
X3
推桿1電機(jī)反轉(zhuǎn)
Y3
自動
X4
推桿2電機(jī)正轉(zhuǎn)
Y4
推桿1電機(jī)手動正轉(zhuǎn)
X5
推桿2電機(jī)反轉(zhuǎn)
Y5
推桿1電機(jī)手動反轉(zhuǎn)
X6
推桿3電機(jī)正轉(zhuǎn)
Y6
推桿2電機(jī)手動正轉(zhuǎn)
X7
推桿3電機(jī)反轉(zhuǎn)
Y7
推桿2電機(jī)手動反轉(zhuǎn)
X10
真空吸盤電磁閥
Y10
推桿3電機(jī)手動正轉(zhuǎn)
X11
切料氣缸電磁閥
Y11
推桿3電機(jī)手動反轉(zhuǎn)
X12
推桿4電機(jī)正轉(zhuǎn)
Y12
膠輥電機(jī)手動轉(zhuǎn)動
X13
推桿4電機(jī)反轉(zhuǎn)
Y13
步進(jìn)電機(jī)手動正轉(zhuǎn)
X14
步進(jìn)電機(jī)手動反轉(zhuǎn)
X15
步進(jìn)電機(jī)手動步距
X16
推桿1前進(jìn)到位
X17
推桿1后退到位
X20
推桿2前進(jìn)到位
X21
推桿2后退到位
X22
推桿3前進(jìn)到位
X23
推桿3后退到位
X24
吸盤氣缸下降到位
X25
吸盤氣缸上升到位
X26
吸盤手動吸料
X27
吸盤氣缸手動升降
X30
推桿4電機(jī)手動正轉(zhuǎn)
X31
推桿4電機(jī)手動反轉(zhuǎn)
X32
推桿4電機(jī)推進(jìn)位
X33
推桿4電機(jī)退到位
X34
表3-1 I/O接口分配
3.6 系統(tǒng)電氣控制接線圖設(shè)計
系統(tǒng)供電電源采用兩相線制上機(jī)供電。供電電源等級為AC220V±5％，50Hz。其中QF給整個系統(tǒng)提供電源，電機(jī)的主回路包括熱繼電器等安全回路。整機(jī)的接地保護(hù)與系統(tǒng)的接地保護(hù)網(wǎng)相聯(lián)接。電氣控制主電路圖見3-1。PLC的接線圖如圖3-2所示。
圖3-1 主接線圖
圖3-2 PLC接線圖
3.7 本章小結(jié)
本章是本文的重點,主要介紹了電池包裝送料裝置控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分,分小節(jié)介紹了各子模塊的功能, ,能讓人清晰直觀的了解,此外在本章開始幾個小節(jié)還介紹了PLC的選型,接線等,思路清晰,目的明確。
第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計
4.1 PLC的程序設(shè)計環(huán)境
PLC的編程主要是通過編程器或用PLC生產(chǎn)廠家提供的編程軟件來完成的。每個PLC公司都有自己的編程器，一般比較小，而且比較輕，適合在現(xiàn)場使用。但是這種編程器只能使用助記符語言對PLC進(jìn)行編程，而且由于屏幕較小，每次只能顯示一、兩行程序，難于對程序從整體上分析。PLC公司提供的編程軟件則能使用梯形圖、助記符或功能圖語言等進(jìn)行編程。通過編程軟件，不僅能從宏觀上對程序進(jìn)行編輯和分析，而且還能對程序的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視。
4.1.1 PLC公司的編程軟件
編程軟件的作用是編輯、調(diào)試、輸入用戶程序，也可在線監(jiān)控PLC內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù)，與PLC進(jìn)行人機(jī)對話，它是開發(fā)、應(yīng)用、維護(hù)PLC不可缺少的工具。編程軟件一般由PLC生產(chǎn)廠家提供，各家用各家，不通用，而且多是商品化的。這些軟件一般功能都差不多，大體上有以下幾種功能。
(1) 脫機(jī)編程: 可用梯形圖語言或助記符語言編程。這兩者可相互轉(zhuǎn)換。另外，程序還可加注解。
(2) 文件管理: 對所編程序可存儲為磁盤文件，還可建立數(shù)據(jù)庫文件以及與PLC工作相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計軟件。
(3) 文件的上傳與下載: 程序文件、數(shù)據(jù)文件等可在計算機(jī)與PLC建立起通信聯(lián)系后下載給PLC，也可從PLC中上傳，將PLC的程序、數(shù)據(jù)上傳到計算機(jī)中，然后計算機(jī)在對其做相應(yīng)管理。
(4) 監(jiān)控運(yùn)行: PLC與計算機(jī)建立通信后，計算機(jī)可監(jiān)視PLC的工作，觀察任何工作位的狀態(tài)，可讀所有的數(shù)據(jù)，可強(qiáng)置某些工作位處于ON或OFF狀態(tài)，還可修改一些參數(shù)。
(5) 在線更改。監(jiān)視運(yùn)行時發(fā)現(xiàn)程序存在問題，有兩種解決的辦法。⑴ 脫機(jī)更改。即先回到脫機(jī)狀態(tài)修改程序，然后再聯(lián)機(jī)，重新把程序下載到PLC。⑵ 在線更改。在問題不太多，又是允許的情況下可在線更改程序。這種邊運(yùn)行、邊監(jiān)視、邊更改的方式，既不耽誤PLC的工作，可直接地發(fā)現(xiàn)與排除故障，是較為方便的調(diào)試與完善程序的方法。
(6) 其他功能。編程軟件還有一些其他功能。如可用來進(jìn)行只讀存儲器的程序?qū)懭搿Ｓ械倪€可進(jìn)行對PLC作組網(wǎng)參數(shù)的設(shè)定等。
4.1.2 三菱的GX Developer 編程軟件簡介
進(jìn)入GX Developer初始界面后，在【文件】下拉菜單中，單擊“新建”菜單項，選擇創(chuàng)建一個新文件。在【設(shè)備名稱】中填寫設(shè)備名稱，設(shè)備類型選擇PLC的類型，然后單擊設(shè)定按鈕選擇CPU的類型，單擊確定后，即可進(jìn)入梯形圖編程界面，開始編程，如圖4-1所示界面。
圖4-1 編程界面
程序編寫完成后，下一步就可進(jìn)行編譯、鏈接和調(diào)試了。如果編譯沒有錯誤，就可以進(jìn)行在線運(yùn)行。在編譯過程中，如果出現(xiàn)錯誤要進(jìn)行修改時，我們既可以在梯形圖編程下修改，也可在助記符方式下修改。編譯完成，沒有語法錯誤，可加載程序到PLC，進(jìn)行在線運(yùn)行。
4.2 系統(tǒng)程序設(shè)計
4.2.1 程序設(shè)計方法及語言
工程設(shè)計中，可編程控制器應(yīng)用程序的設(shè)計大體上有三種方法，也是使用最多的方法。這些方法的應(yīng)用，也因不同設(shè)計人員有著不同的技術(shù)水平和習(xí)慣存在著差異。下面介紹一下常用的幾種應(yīng)用程序的設(shè)計方法，以便對下面的設(shè)計更有一個清晰的認(rèn)識，也使讀者更加明白可編程控制器的設(shè)計方法和技巧。
1、經(jīng)驗設(shè)計法
經(jīng)驗設(shè)計法也叫湊試法。在掌握一些典型控制環(huán)節(jié)和電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)被控對象對控制系統(tǒng)的具體要求，憑經(jīng)驗進(jìn)行選擇、組合。這種方法對于一些簡單的控制系統(tǒng)的設(shè)計是比較湊效的，可以收到快速、簡單的效果。但是它沒有一個普遍的規(guī)律可遵循，具有一定的試探性和隨意性，最后得到的結(jié)果也不是唯一的，設(shè)計所用的時間、設(shè)計的質(zhì)量與設(shè)計者的經(jīng)驗的多少有關(guān)。
經(jīng)驗設(shè)計法的具體步驟如下：
（1）確定輸入/輸出電器；
（2）確定輸入和輸出點的個數(shù)、選擇PLC機(jī)型、進(jìn)行I/O分配；
（3）做出系統(tǒng)動作工程流程圖；
（4）選擇PLC指令并編寫程序；
（5）編寫其它控制控制要求的程序；
（6）將各個環(huán)節(jié)編寫的程序合理地聯(lián)系起來，即得到一個滿足控制要求的程序。
2. 邏輯設(shè)計法
工業(yè)電氣控制線路中，有很多是通過繼電器等電器組件來實現(xiàn)的。而繼電器、交流接觸器的觸點都只有兩種狀態(tài)即：斷開和閉合，因此用“0”和“1”兩種取值的邏輯代數(shù)設(shè)計電氣控制線路是完全可以的。該方法法是根據(jù)數(shù)字電子技術(shù)中的邏輯設(shè)計法進(jìn)行PLC程序的設(shè)計，它使用邏輯表達(dá)式描述問題。在得出邏輯表達(dá)式后，根據(jù)邏輯表達(dá)式畫出梯形圖。因此用邏輯設(shè)計法也可以適用于PLC應(yīng)用程序的設(shè)計。
順序控制法
對那些按動作的先后順序進(jìn)行控制的系統(tǒng)，非常適合使用順序控制設(shè)計法進(jìn)行編程。順序控制法規(guī)律性很強(qiáng)，雖然編程相當(dāng)長，但程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性。在用順序控制設(shè)計法編程時，功能圖是很重要的工具。功能圖能夠清楚地表現(xiàn)出系統(tǒng)各工作步的功能、步與步之間的轉(zhuǎn)換順序及其轉(zhuǎn)換條件。
功能圖由流程步、有向線段、轉(zhuǎn)移和動作組成，在使用時它有一些使用規(guī)則，具體如下：
（1）步與步之間必須用轉(zhuǎn)移隔開；
（2）轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)移之間必須用步隔開；
（3）轉(zhuǎn)移和步之間用有向線段連接，正常畫順序功能圖的方向是從上向下或則從左向右。按照正常順序畫圖時，有向線段可以不加箭頭，否則必須加箭頭。
（4）一個順序功能圖中至少有一個初始步。
可編程控制器設(shè)計語言也有多種形式，因其在繼電器的基礎(chǔ)上研制而成，所以大部分都是以開關(guān)量為主的控制方式。很多表達(dá)形式也都是電氣符號的沿用，或直接使用。這樣，PLC的語言就有所不同。梯形圖語言是設(shè)計中使用最多的，還有流程圖，語句表，這些都為程序的閱讀提供了不同形式的方法，適合電氣方面的工程人員閱讀，也適合電子方面的工程人員進(jìn)行參考使用。
本控制系統(tǒng)是典型的順序控制，因此我們采用步進(jìn)指令編寫程序最為方便，其順序功能圖如圖4-2所示。
圖4-2 順序功能圖
4.3 PLC控制系統(tǒng)軟件程序的編寫
包裝產(chǎn)線控制系統(tǒng)是基于PLC集成控制的系統(tǒng)，根據(jù)本節(jié)敘述的內(nèi)容中的系統(tǒng)整體控制流程圖及系統(tǒng)的輸入和輸出信號，來編制PLC的梯形圖。PLC采用循環(huán)掃描方式，按梯形圖從上而下，從左而右的先后順序予以執(zhí)行。下面給出的是程序的梯形圖，使用三菱公司編程軟件GX Developer軟件進(jìn)行編輯，編程方式是梯形圖，見附錄梯形圖一。
4.4 本章小結(jié)
本章主要介紹了PLC控制電池包裝送料裝置系統(tǒng)設(shè)計的具體流程，其中包括PLC編程軟件的介紹、程序設(shè)計、梯形圖設(shè)計等內(nèi)容，使讀者對該系統(tǒng)設(shè)計的方法和具體步驟有了詳細(xì)的了解。
第五章 程序的調(diào)試與仿真
仿真軟件的功能就是將編寫好的程序在電腦中虛擬運(yùn)行，如果沒有編好的程序，是無法進(jìn)行仿真的.首先，在安裝仿真軟件GX Simulator 6c 之前，必須先安裝編程軟件GX Developer。
5.1 仿真的步驟
（1）啟動編程軟件GX Developer
（2）通過“快捷圖標(biāo)”啟動仿真如圖5-1所示。
圖5-1 仿真啟動畫面
啟動仿真后，程序開始在電腦上模擬PLC寫入過程
并且可以通過“在線”中的“軟元件測試”來強(qiáng)制一些輸入條件ON或者OFF。監(jiān)控程序的運(yùn)行狀態(tài)，如圖5-2所示：
圖5-2 軟元件X0強(qiáng)制
如圖5-2所示：我們強(qiáng)制X000為ON，得出M1輸出，也就是啟動保持狀態(tài)，條件符合。
我們強(qiáng)制X001 X002 X004 M0 M1為ON，其顯示結(jié)果如圖5-3a所示：然后再強(qiáng)制X017 X020為ON，其顯示結(jié)果如圖5-3b所示，所明程序步跳轉(zhuǎn)，達(dá)到控制要求。
圖5-3b X1 X2 X4 M0 M1為0N狀態(tài)
圖5-3b X17 X20為0N狀態(tài)
按照以上的步驟我們步步測試，最終結(jié)果符合要求，證明控制程序無誤。
5.2 本章小結(jié)
本章主要對PLC程序進(jìn)行仿真測試，通過仿真軟件的測試，最終確認(rèn)編寫的程序無誤。
結(jié)論
本文是以達(dá)到實現(xiàn)電池包裝送料裝置的實用和可靠性為目的而進(jìn)行的設(shè)計。在本次設(shè)計中經(jīng)過對礦井電池包裝送料裝置的控制要求的分析，采用可編程控制器（PLC）,實現(xiàn)對電池包裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計，減少了硬件和控制線，克服了傳統(tǒng)繼電器-接觸器系統(tǒng)的不足，系統(tǒng)安全可靠，且控制程序可根據(jù)需要進(jìn)行修改。本文旨在按實際生產(chǎn)要求進(jìn)行理論上的設(shè)計，并未在實際應(yīng)用中得到驗證，在實際應(yīng)用之前還需經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試實驗，以確保系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行，從而達(dá)到實際生產(chǎn)中的要求。
當(dāng)然，鑒于本人水平有限，在設(shè)計過程中難免有不足之處，希望您能諒解并提出寶貴意見，以便我對其進(jìn)行改正。
致 謝
本論文的設(shè)計是在XXX老師的精心指導(dǎo)下完成的。論文的每一步進(jìn)展都傾注著X老師的關(guān)懷，教導(dǎo)和幫助，X老師知識淵博、經(jīng)驗豐富、嚴(yán)謹(jǐn)求實的工作態(tài)和誨人不倦的工作作風(fēng)都使我受益匪淺。X老師對待工作嚴(yán)肅認(rèn)真的態(tài)度、求實創(chuàng)新的精神深深地激勵著我，在為人處世上和藹、謙遜、踏實、積極的態(tài)度將會影響我一生。在他耐心細(xì)致的指導(dǎo)下，我的專業(yè)知識得以擴(kuò)充，論文的工作也得以順利地進(jìn)行。每一個細(xì)節(jié),每一個過程都凝聚著X老師的心血,讓我很感動。所以,在此首先向X老師表達(dá)我最誠摯的感謝。
與此同時,我向所有給予我關(guān)心、支持和幫助的其他老師和同學(xué)們也致以深深的謝意。設(shè)計中正是有他們的陪伴以及細(xì)心的幫助，我才能順利的完成這次論文的設(shè)計，在此我也要說聲謝謝！
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附錄一