1、大小球自动分拣装置设计1 绪论工业生产的各个领域,无论是过程控制系统还是传动控制系统,都包含着大量的开关量和模拟量。开关量也称数字量,如电动机的启停、阀门的开闭、电子线路的转置位与复位、计时、计数等；模拟量也称连续量,如不断变化的温度、压力、速度、流量、液位等。从生产机械所应用的电器与控制方法看,最初是采用一些手动电器来控制执行电器,这类手动控制适用于一些容量小、操作单一和场合。随后发展为采用自动控制电器的继电-接触器控制系统。这种控制系统的特点是结构简单,价格低廉,维护方便,抗干扰强,因而广泛应用于各类机械设备上。但由于该控制形式是固定接线,通用和灵活性差,又由于采用有触点的开关动作,工作频
2、率低,触点易损坏,可靠性差。随着生产力的发展和科学技术的进步,人们对所用控制设备不断提出新的要求。具有程序变更容易、程序存储量大、通用性强等优点的由集成电路组成的顺序控制器应运而生。所谓顺序控制,是以预先规定也的时间或条件为依据,按预先规定好的动作次序,对控制过程各阶段顺序地进行以开关量为主的自动控制。曾经流行的顺序控制器主要有3种类型:基本逻辑型、条件步进型和时间步进型。其特点是:通用性和灵活性强,通过更改程序可以很方便地适应经常更改的控制要求,容易对大型、复杂系统进行控制,但程序的实现和更改方式并没有从本质上改变,仍然是对硬件进行设置和更改。1.1 选题背景1969年,结合计算机技术与继电
3、器接触控制技术诞生出了可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller) ,它具有逻辑控制、定时、计数等功能,并取代了继电-接触器控制。PLC采用计算机存储程序和顺序执行的原理；编程语言采用直观的类似继电-接触器控制电路图的梯形语言,这使得控制现场的工作人员可以很容易地学习和使用。控制程序的更改可以通过直接改变存储器中的应用软件来实现,由于软件的更改极易实现,从而在实现方式上有了本质的飞跃,其通用性和灵活性进一步增强。随着时代的发展,PLC技术也在不断的发展,相继出现了以微处理器为核心的可编程序控制ICU(Industrial Control Unit)和由中
4、央微处理器(CPU) 、大规模集成电路、电子开关、功率输出器件等组成的可编程控制器PC(Programmable Controller) 。在其技术发展迅猛的今天,这个课题值得我们去仔细研究与学习应用 1,2 。图11 PLC的基本组成1.2 可编程控制器（PLC）历史与发展趋势1.2.1 可编程控制器的历史1969年,美国数字设备公司(DEC公司)研制出第一台可编程序控制器PDP-14,在美国通用汽车公司的生产线上试用成功,并取得了满意的效果,可编程序控制器自此诞生。可编程序控制器自问世以来,发展极为迅速。1971年,日本开始生产可编程序控制器。1973年,欧洲开始生产可编程序控制器。到现在
5、世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程序控制器装置。可编程序控制器已作为一个独立的工业设备被列入生产中,成为当代电控制装置的主导。1.2.2 可编程控制器的发展趋势早期的可编程序控制器主要由分立元件和中小规模集成电路组成,它采用了一些计算机技术但简化了计算机的内部电路,对工业现场环境适应性较好,指令系统简单,一般只具有逻辑运算的功能。伴随着微电子技术、控制技术与信息技术的不断发展,可编程序控制器也在不断的发展。可编程序控制器的发展趋势主要体现在以下几个方面:(1)速度更快,体积更小；(2)工业控制技术的集成；(3)开放性及与主流计算机的结合；(4)仿真软件的开发；(5)实现远程服务3,
6、4。1.3 PLC的工作原理PLC是基于电子计算机的工业控制器,从PLC产生的背景来看,PLC系统与继电-接触器控制系统有着极深的渊源,因此,可以比照继电-接触器控制系统来学习PLC的工作原理。1.3.1 PLC的等效电路一个继电-接触器控制系统必然包括3个部分:输入部分、逻辑电路部分、输出部分。输入部分的组成元件大体上是各类按钮、转换开关、行程开关、接近开关、光电开关等；输出部分则是各种电磁阀线圈、接触器、信号指示灯等执行元件。将输入与输出联系起来的就是逻辑电路部分,一般由继电器、计数器、定时器等元件的触点、线圈按照要求的逻辑关系连接而成,能够根据一定的输入状态输出所要求的控制动作。PLC系
7、统也同样包含这3个部分,唯一的区别是:PLC的逻辑电路部分用软件来实现, 用户所编制的控制程序体现了特定的输入/输出逻辑关系。图12 PLC等效电路当用PLC来完成控制任务时,可将输入条件接入PLC,而用PLC的输出单元驱动接触器KM,它们之间要满足的逻辑关系由程序实现。如图12所示,输入按钮信号经过PLC的接线端子进入输入接口电路,PLC的输出经过输出接口、输出端子驱动接触器KM；用户程序所采用的编程语言为梯形图语言。输入映像对应的是PLC内部的数据存储器,而非实际的继电器线圈。图中X、Y分别表示输入、输出接口的地址,也对应着存储器空间中特定的存储位,这些位的状态(ON或者OFF)表示相应的
8、输入、输出端口状态。每一个输入、输出端口的地址是唯一固定的,PLC的接线端子号与这些地址一一对应。由于所有的输入、输出状态都是由存储器位来表示的,它们并不是物理上实际存在的继电器线圈,所以常称它们为“软元件”,它们的常开、常闭触点可以在程序中无限次使用。1.3.2 PLC的工作过程PLC的工作过程以循环扫描的方式进行,当PLC处于运行状态时,其运行周期可划分为3个基本阶段:输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。1）输入采样阶段在这个阶段,PLC逐个扫描每个输入端口,将所有输入设备的当前状态保存到相应的存储区,把专用于存储输入设备状态的存储区称为输入映像寄存器。输入映像寄存器的状态被刷新后,
9、将一直保存,直到下一个循环才会被重新刷新,所以当输入采样阶段结束后,如果输入设备的状态发生变化,也只能在下一个周期才能被PLC接收到。2）程序执行阶段PLC将所有的输入状态采集完毕后,进入用户程序的执行阶段。所谓用户程序的执行并非是系统将CPU的工作交由用户程序来管理,CPU所执行的指令仍然是系统程序中的指令。在系统程序的指示下,CPU从用户程序存储区逐条读取用户指令,经解释后执行相应动作,产生相应结果,刷新相应的输出映像寄存器,期间需要用到输入映像寄存器、输出映像寄存器的相应状态。当CPU在系统程序的管理下扫描用户程序时,按照先下而上、先左后右的顺序依次读取梯形图中的指令。当用户程序被完全扫
10、描一遍后,所有的输出映像都被依次刷新,系统进入下一个阶段输出刷新阶段。3）输出刷新阶段在这个阶段,系统程序将输出映像寄存器中的内容传送到输出锁存器中,经过输出接口、输出端子输出,驱动外部负载。输出锁存器一直将状态保持到下一个循环周期,而输出映像寄存器的状态在程序执行阶段是动态的5,6。1.4 PLC系统设计的基础知识PLC的系统设计主要为软件设计，它是硬件知识和软件知识的综合体现，既要有PLC、计算机、控制技术的知识，又要有现场实践的经验。其中第一步就是要根据被控对象（机电设备或过程）的控制要求及系统功能设计的要求，为应用软件的编程提出明确的目的、依据、要求和指标，并根据其编写相应的程序。1.
11、4.1 PLC控制系统设计的原则1）最大限度的满足被设备或生产过程的控制要求；2）在满足控制要求的前提下,力求简单、经济,操作方便；3）保证控制系统工作安全可靠；4）考虑到今后的发展改进,应适应留有进一步扩展的余地。1.4.2 PLC控制系统设计的内容1）拟定控制系统设计的技术条件,它是整个设计的依据；2）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；3）选定PLC的型号；4）编制PLC的输入/输出分配表或绘制输入/输出端子接线图；5）根据系统要求编写软件说明书,然后再进行程序设计；6）重视人机界面的设计,增强人与机器之间的友善关系；7）设计操作台、电气柜及非标准电器元部件；8）编写设计说明书和
12、使用说明书。1.4.3 PLC控制系统设计的一般步骤由于PLC的结构的工作方式与一般微型计算机和继电器相比各有特点,所以其设计的步骤也不相同,具体设计步骤如下:1）详细了解被控对象的生产工艺过程,分析控制要求；2）根据控制要求确定所需的用户输入/输出设备；3）选择PLC类型；4）分配PLC的I/O点,设计I/O连接图；5）PLC软件设计,同时可进行控制台的设计和现场施工；6）系统调试,固化程序,交付使用。其设计步骤流程如图13所示。图13 PLC控制系统设计步骤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)性能与任务适应对于开关量控制系统的应
13、用系统,当对控制要求不高时,可选用小型PLC(如西门子S7200系列PLC或OMRON系列CPM1A/CPM2A型PLC)就能满足要求,如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。与本课题的研究方向相吻合。(2)PLC的处理速度应满足实时控制的要求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较高,不允许有较大的滞后时间。例如PLC的I/O点数在几十到几千点范围内,这时用户应用程序的长短对系统响应速度的快慢会有较大的差别。滞后时间应控制在几十毫秒之内,应小于普通继电器的反应时间。(3)P
14、LC应用系统结构合理,机型系列应统一PLC在结构上分为整体式和模块式两种。整体式结构把PLC的I/O和CPU共同放在一块电路板上,省去插接环节,体积小,每一I/O点的平均价格比模块式的便宜,适用于工艺过程比较稳定、控制要求比较简单的系统。模块式的功能扩展,I/O点数的增减,输入与输出点数的比例,都比整体式灵活。维修更改模块、判断与处理故障更方便,适用于工艺过程变化较多、控制要求复杂的系统。综合以上的几点,本课题选用的为OMRON系列CPM1A/CPM2A型PLC。1.6 PLC容量的选择首先要对控制任务进行详细的分析,把所有I/O点找出来,包括开关量I/O的模拟量I/O,以及这些I/O点的性质
15、。I/O 点的性质主要是指它们是直流信号还是交流信号,它们的电源电压,以及输出是用继电器型还是晶体管或是可控硅型。控制系统输出点的类型非常关键,如果它们这中既有交流220V的接触器、电磁阀,又有直流24V的指示灯,则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际点数。因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端,这一组输出只能有一种电源的种类和等级。不认真选择容易造成输出点数的浪费,增加成本。确定选用PLC的类型和I/O的点数以后,就要对用户存储器容量进行估算。用户程序所需内存容量受到内存利用率、开关量输入/输出点数、模拟量输入/输出点数和用户编程水平等几个主要因素的影响。PLC开关量输入/输出总
16、点数是计算所需内存容量的重要依据。一般系统中,开关量输入和开关量输出的比为6:4。这方面的经验公式是根据开关量输入、开关量输出的总点数给出的所需内存字数计算分式为：所需内存字数=开关量(输入+输出)总点数10具有模拟量控制的系统就要用到数字传送和运算等功能指令,这些功能指令的内存利用率较低,因此所占的内存数较多。在只有模拟量输入的系统中,一般要对模拟量进行读入、数字滤波、传送和比较运算。在模拟量输入和输出同时存在的情况下,运算较为复杂,内存需要量大。一般情况下的经验公式为：只有模拟量输入时:所需内存字数=模拟量点数100模拟量输入/输出同时存在:所需内存字数=模拟量点数200这些经验公式的算法
17、是在10个模拟量左右,当点数小于10时,内存字数要适当加大,点数多时可适当减少。对于同样的系统,不同用户编写的程序可能会使程序长短和执行时间差距很大,一般来说,对初学者应为内存多留一些余量。经验计算公式:总存储器字数= (开关输入点数开关输出点数)10模拟点数150。然后按计算存储器字数的25%考虑余量。PLC常用的内存有EPROM、EPROM和带锂电池供电的RAM。一般微型和小型PLC的存储容量是固定的,介于1KB2KB之间。用户应用程序占用多少内存与许多因素有关,如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。因此在程序设计之前只能粗略地估算。根据经验,每个I/O点及有关功能元件占用的内存
18、大致如下:开关量输入元件:10B20B/点；开关量输出元件:5B10B/点；定时器/计速器:2B/个；模拟量:100B150B/点；通信接口:一个接口一般需要300B以上。根据上面算出的总字节数再考虑25%左右的备用量,就可估算出用户程序所需的内存容量,从而选择合适的PLC内存。2 设计方案的选择根据任务书设定的课题内容和要求，我们需要采用PLC编程来实现对系统运行的控制；而对于分拣的方式，我们则有不同的选择，下面是重点考虑的2种设计方案：1.采用输送带分拣大小球这种设计方案主要采用输送带输送球体，并在主输送带上安装传感器，通过传感器分分辨出球体大小，然后通过输送带的分支结构，将进行过直径检测
19、的球体分别输送到不同的球缸中。其示意图如下图21图21 输送带分拣大小球示意图这种设计方案的优点是：能够实现大规模的分拣，并且传感器的选择多样，不局限于某一类型的传感器；但对于本次的课题来说，它并不适合。此次的课题设计属于小型的设计研究，采用上述的方案设计会造成资源的浪费，所以这个方案不被采用。2.机械臂吸附小球第二种方案是通过磁铁吸附钢球并通过机械臂沿横梁的左右移动来达到大小球分拣的目的。其示意图如下图22，相对于第一种方案，它具有小型简便，节省资源等优点。图22 机械臂分拣大小示意图而这种方案对于实现机械臂的左右移动主要有2种方法：（1）利用液压缸实现机械臂双向运动（2）利用电动机正反转控
20、制机械臂左右移动两种方法各有其优越之处，都是本课题研究很好的实现方法，因为液压驱动通常用液压油作为工作介质，但基于环保和节约的原则，本次选择采用电力驱动电动机正反转控制机械臂的移动。3 PLC控制系统的硬件设计3.1 控制按钮和行程开关的选择3.1.1 控制按钮的选择控制按钮简称按钮，是一种结构简单使用广泛的手动主令电器，在控制电路中作远距离手动控制电磁式电器使用，也可以用来转换各种信号电路和电气联锁电路等。控制按钮可做成单式（一个按钮）、复式（两个按钮）和三联式（有三个按钮）的型式。这便于识别各个按钮的作用，避免误操作，通常在按钮上作不同标志或涂以不同颜色。这次系统的设计需要用到三联式按钮，
21、分别表示启动、复位和停止。3.1.2 行程开关的选择行程开关分为直动式,滚轮式和微动式3种。直动式行程开关的优点是结构简单,成本低,但容易烧坏触头；滚动式行程开关克服了直动式行程开关的缺点,但其结构复杂,价格也较高。因为机械臂的行程比较小而作用力也很小,我们采用具有瞬时动作和微小行程的微动开关。3.2 接触器、时间继电器、熔断器的选择3.2.1 接触器的选择电磁式接触器是利用电磁吸力的作用使主触头闭合或分断电动机电路或其他负载电路的控制电器。其最主要用途是控制电机的起动、反转、制动和调速等，因此它是电力拖动控制系统中最重要也是最常用的控制器。在工业电气中，接触器的型号很多，电流在5A-1000
22、A的不等，其用处相当广泛。通用接触器可大致分以下两类：1交流接触器：主要有电磁机构。触头系统。灭弧装置等组成；常用的是CJ10、CJ12、CJ12B等系列；2直流接触器：一般用于控制直流电器设备，线圈中通以直流电，直流接触器的动作原理和结构基本上与交流接触器是相同的。表31 接触器常见使用类别及典型用途电流种类使用类别典型用途AC（交流）AC1AC2AC3AC4无感或微感负载、电阻炉绕线式电动机的启动和中断笼型电动机的启动和中断笼型电动机的启动、反接制动、反向和点动DC（直流）DC1DC2DC3 无感或微感负载、电阻炉 并励电动机的启动、反接制动、反向和点动 串励电动机的启动、反接制动、反向和
23、点动如上表所示，此次研究中我们需要利用电动机的正反向转动来达到自动分拣的目的，且运转于交流电路中，所以我们选用AC4类别的接触器7。表32 常用交流接触器技术数据型号主触头辅助触头线圈可控制电器的最大功率/kW额定操作频率/（次/h）对数额定电流/A额定电压/V对数额定电流/A额定电压/V电压/V功率/W220V380VCJ0-10310380两常开两常闭538036110127220380142.54600CJ0-20320335.510CJ0-40340331120CJ0-75375552240CJ10-10310112.24CJ10-20320225.510CJ10-4034032112
24、0CJ10-603607017303.2.2 时间继电器的选择电磁式继电器根据外来信号（电压或电流），利用电磁原理使衔铁产生闭合动作，从而带动触头动作，使控制电路接通或断开，实现控制电路的状态改变。值得注意的是，继电器的触头不能用来接通和分断负载电路，这也是继电器与接触器作用的区别。从得到输入信号（线圈的通电或断电）开始，经过一定的延时后才输出信号（触头的闭合或断开）的继电器，称为时间继电器。其延时方式有通电延时和断电延时两种。此时我们需要选用的时间继电器须接于交流电路中，但精度要求不高，因而采用了国产的JS7A系列空气阻尼式时间继电器 8 。3.2.3 熔断器的选择熔断器在结构上主要由熔断管
25、（或盖、座）、熔体及导电部件等部分组成。而其中熔体是主要部分，它既是感测元件又是执行元件。其作用是当电路发生短路或过载故障时，通过熔体的电流使其发热，当达到溶化温度时熔体自行熔断，从而分断故障电路。显见，熔断器在电路中作过载和短路保护之用。选择熔断器的类型时，主要依据负载的保护特性和短路电流的大小。本次研究的是小型的机械臂分拣系统，采用的是容量较小的电动机，所以我们选用熔体为铅锌合金的RC1A系列熔断器9。3.3 传感器的选择国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受
26、到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节10。3.3.1 传感器的工作原理不同的传感器有不同的工作原理，在这里就不全部叙述，在下文中将重点叙述研究所用的类型传感器原理。3.3.2 传感器的类型可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。常见的传感器类型有：电阻式传感器电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换成电阻值这样的一种
27、器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。压阻式传感器压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。光敏传感器光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。
28、它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。3.3.3 传感器的选型本课题研究的内容主要是根据机械臂吸附铁球质量的大小来判断其尺寸的大小，需要用到的是力学方面的传感器，力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及
29、较好的线性特性。因而我们这次选用也是压阻式压力传感器。压力传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制（见加速度计）。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，这种现象就称为压阻效应，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线；它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的11
30、。本课题利用的就是通过硅膜片感受被吸附的大小球的重量来判断所吸住的球是大球还是小球，并将该信息传给PLC芯片，从而控制触发大小球控制开关动作。3.4 电动机的选择3.4.1 电动机简述电动机俗称马达，是一种将电能转化成机械能，并可再使用机械能产生动能，用来驱动其他装置的电气设备。在机械、冶金、石油、煤炭、化学、航空、交通、农业以及其他各种工业中，电动机被广泛地应用着。随着工业自动化程度不断提高，需要采用各种各样的控制电机作为自动化系统的元件。一般电动机主要由两部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子。另外还有端盖、风扇、罩壳、机座、接线盒等。电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机和绕线转子
31、感应电动机。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。根据研究需要，我们选用的是笼型异步电动机12。3.4.2 电动机工作原理异步电机的工作原理如下:当导体在磁场内切割磁力线时，在导体内产生感应电流，“感应电机”的名称由此而来。感应电流和磁场的联合作用向电机转子施加驱动力。 三组绕组问彼此相差120度，每一组绕组都由三相交流电源中的一相供电。当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，其产生的过程如图31所示。图中分四个时刻来描述旋转磁场的产生过程。电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。旋转磁场的转速为：n=60f/P 式中f为电源频率、P是磁场的磁极对数、n的单位是：每分钟转数。根据此式我们
