基于plc的四连杆装箱包装机控制系统设计论文——----08303140程恩来修改后

基于plc的四连杆装箱包装机控制系统设计论文——----08303140程恩来修改后内容摘要：

王 软件等多 方面的要求，故上位机选用以 Microsoft Windows 2020/XP 中文平台作为其操作系统台沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 8 式计算机，这样可以利用 Windows 图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点来辅助四连杆装箱包装机自动控制系统的设计。 它比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，并且可以利用计算机丰富的软件资源进行二次开发。 这样能直观的监控 现场，在此计算机上可完成组态软件的设计和开发、 PLC 程序的设计和开发、 并且还可以通过计算机串口来完成上位机与 PLC 的 CPU 单元之间的通信任务。 由于《 组态王 》 要求： CPU 要在 P4 1G 以上或相当型号；内存最少 128M；显示器要求是 VGA、 SVGA 或支持桌面操作系统的任何图形适配器，要求至少显示 256 色；操作系统 Win2020（ sp4） /Win XP（ sp2）简体中文版。 基于组态软件考虑，上位机采用安装 Windows XP 操作系统的普通计算机，并配以 COM 接口用做与下位机通信使用。 将《 组态王 》和 CXProgrammer 编程软件安装于上位机，在以后组态画面的设计和 PLC控制部分的编程操作时使用 [4]。 （ 2）下位机 采用 PLC 作为下位机，用来完成状态判别、输出控制等工作。 它直接控制电磁阀、继电器，从而实现对各执行元件的控制。 本系统采用价格适中、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器欧姆龙 CPM2A型 PLC 来实现四连杆装箱包装机自动控制的要求。 欧姆龙 PLC 是由电源、中央处理器和 I/O 元件组成的严密高速的程序控制器，配有丰富的指令系统，易于用户编程，具有丰富的特殊模块和通信能力，可以满足生产自动化的 多级要求。 由于机械控制不断需要更先进的功能和处理速度，本系统采用CPM2A 就是这样一种功能完善的紧凑型 PLC， 它拥有 大程序容量 及 存储单位。 另外 CPU单元带 RS232C 接口，具有 PPI、 MPI 等通信协议可实现程序传送，数据通信等功能。 基于 系统工作稳定可靠 考虑 ，控制系统核心部分的 PLC 应选用此器件。 由于工作过程的复杂 的复杂性 ，故 PLC 选用日本欧姆龙公司 C 系列的小型机CPM2A 型 PLC 30 点输入 /输出 ，配有 CXProgrammer 软件用于控制部分编程时使用 [4]。 （ 3）通信方式 CPM2A CPU 支持多 样的通信协议：点到点（ PointtoPoint）接口（ PPI）、多点接口（ MultiPoint）（ MPI）。 这些都基于系统内通信结构模型，都是异步、基于字符的协议。 其中 PPI 方式是非常简单方便的通信协议，只需要一根 RS232C 线进行数据信号的传递，不需要额外再配置模块或软件。 因此，本系统选择 PPI 方式，简单且能满足通信要求。 CPM2A 型 PLC 上配有 RS232C 的通信接口，因此在不增加任何硬件的情况下，可以很方便地将 PLC 和计算机互联。 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 9 上位机与下位机之间通过 RS232 连接构成 HOST LINK 协 议进行通信。 RS232 又称为 EIA232C 或 RS232C，是最通用的一种串行通讯标准。 它是一种点到点的通信方式，只能连接两个通信设备。 19200 波特率时，最大距离为 75 米； 9600 波特率时，最大距离为 900 米。 计算机的串口即为标准的 RS232 接口。 使用 RS232 转换器可以免掉一个 RS422 串行接口板。 系统结构如图 所示。 图 系统结构图 （ 4） 电磁阀 电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、 速度和其他的参数。 电磁阀主要是用电磁效应进行控制，主要控制方式由继电器控制。 这样电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而且控制的精度和灵活性都能够保证。 电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞 杆 带动机械装置动。 这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动 [5]。 本控制 系统中电磁阀用于驱动四连杆的伸缩运动，在四连杆部分起到液压驱动的作用。 电磁阀实物图见图 所示。 图 电磁阀 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 10 （ 5）光电开关 光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。 光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测，工业中经常用它来记数机械臂运动的次数。 光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。 由于光电开关 输出回路和输入回路是电隔离的（即电缘绝），所以它可以在许多场合得到应用。 采用集成电路技术和 SMT 表面安装工艺而制造的新一代光电开关器件，具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高、工作区域稳定和自诊断等智能化功能。 这种新颖的光电开关是一种采用脉冲调制的主动式光电探测系统型电子开关，它所使用的冷光源有红外光、红色光、绿色光和蓝色光等，可非接触，无损伤地迅速和控制各种固体、液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等物质的状态和动作。 接触式行程开关存在响应速度低、精度差、接触检测容易损坏被检测物及寿命短等缺点， 而晶体管接近开关的作用距离短，不能直接检测非金属材料。 但是，新型光电开关则克服了它们的上述缺点，而且体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及抗光、电、磁干扰能力强 [6]。 在本控制系统中，光电开关用于传输进瓶和进箱的信号，即当输送的瓶子和纸箱达到指定位置后，进箱与进瓶停止，并将光信号转换为电信号输入系统，大大减少了箱与瓶的位置误差。 光电开关见图 所示。 图 光电开关 （ 6）旋转编码器 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 11 旋转编码器是用来测量转速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等 机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出 （ ERP）。 它分为单路输出和双路输出两种。 技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。 单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组A/B 相位差 90 度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。 旋转编码器由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组成 A、 B、 C、 D，每个正弦波相差90 度相位差（相对于一个周波为 360 度），将 C、 D 信号反向，叠加在 A、 B 两相上，可 增强稳定信号；另每转输出一个 Z 相脉冲以代表零位参考位。 由于 A、 B两相相差 90 度，可通过比较 A 相在前还是 B 相在前，以判别编码器的正传与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。 编 码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻 线， 其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。 分辨率 — 编码器以每旋转 360 度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称 解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度 5~10000线。 编码器的 信号输出有正弦波（电流或电压） ,方波（ TTL、 HTL） ,集电极开路（ PNP、NPN） ,推拉式多种形式，其中 TTL 为长线差分驱动（对称 A， A； B， B； Z， Z） ,HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。 信号连接 — 编码器的脉冲信号一般连接计数器、 PLC、计算机， PLC 和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。 如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。 A、B 两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。 A、 B、 Z 三相联接，用于带参考位修正的位置测量。 A、 A， B、 B， Z、 Z连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为 0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。 对于 TTL 的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达 150 米。 旋转编码器由精密器件构成，故当受到较大的冲击时，可能会损坏内部功能，使用上应充分注意 [7]。 在本控制系统中，旋转编码器用于测量传送带运转速度，确保了进箱和进瓶的同步进行，为生产的安全加上了一把护心锁。 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 12 PLC 控制系统的组成 在四连杆装箱包装机设计中用到了 PLC 控制系统， PLC 控制系统的组成分为以下两个部分： （ 1） PLC 系统：现在 PLC 多采用模块化的结构（ PLC 的各个部件独立封装，称之为模块），他们均通过系统总线相互连接起来构成一个系统。 在这个系统中最核心的模块是主控模块（也称 CPU 模块），它能使整个机器有条不紊地协调工作，以实现对现场各个设备的控制。 （ 2） I/O 电路： PLC 的基本功能就是控制，它的主要功能是采集被控对象的各种信号。 也就是说它包括输入和输出两部分电路：输入电路就是被控对象进行检测、采集、转换和 输入，这里主要用安装在控制台的按钮、开关向 PLC 送控制指令；输出电路的功能就是接受 PLC 输出的控制信号，对被控对象执行控制任务。 （ 3） PLC 的 外围设备： 基本功能 是对信息和数据的处理。 这里用组态软件来设计一个实时监控系统。 PLC 系统硬件 的 配置 在进行主控模块的选择之前，首先应对被控对象和生产过程的生产工艺及 PLC 的工作环境有足够的了解，明确控制要求，确定控制输入、输出点数和性质等然后才能针对具体的实际情况选择 PLC 的主控模块。 本系统的设计需要 8 个输入点和 12 个输出点，以及内部继电器 HR 通道等 PLC 资源。 并且输出应选用继电器输出，电压应在 DC24V、AC220V。 根据上述要求，决定选用欧姆龙公司生产的 CPM2A 型号 PLC 设计系统。 四连杆装箱包装机自动控制系统的 PLC 外部接线图如图 所示。 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 13 图 控制系统硬件接线图 本系统采用的日本 OMRON 公司研制的 CPM2A PLC，其特点是价格低廉但具有较高的性能，高达 20kHz 的高速计数器能方便地测量高速运动的加工件。 具有同步脉冲控制功能，可方便地调整输入输出的脉冲频率比值，带 4 点快速响应或高速中断输入点。 可方便地与 OMRON 的可编程序终端（ PT）相连接，为机器操作提供一个可视化界面。 该公司生产的 PLC 存储器种类为 RAM 型，安装的方式有直接插入的集成块、存储器板、IC 卡等，这里采用的是集成块安装方式。 它们主要用于存放系统程序、用户程序和工作状态数据。 欧姆龙 CPM2A PLC 提供的是 RS232 通信口，通过 COM1 和 COM2 与电脑相连。 并在主控模块中通常配有锂电池，用于在掉电时，保存用户程序和数据。 在 CPM2A型号 PLC 表面安装有 LED 指示器，用以指示 PLC 电源（ POWER）、运行（ RUN）、编程（ PROG）、出错（ ERROR）、警告（ ALARM） 、通信（ COM）等工作状态 [8]。 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 14 四连杆装箱包装机自动控制系统 流程图 四连杆装箱包装机自动控制设计的流程图如图 所示。 图 自动控制系统流程图 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 15 PLC 控制的四连杆装箱包装机控制系统的工艺流程如下： 当开始整机启动 的时候 ，输瓶 、 导瓶 、 出箱电机开， 系统 进箱臂抬起，输瓶变距打开，此时瓶和箱同时通过传送带输出。 瓶定位器打开，等待进瓶完成 主机继续运行，输瓶电机停止运行，夹头 夹 紧，瓶定位器关闭，导瓶电机开瓶变距，箱到位，此时是利用四连杆将瓶 传 输放到箱子中。 进箱电机停止运行，进箱臂落下，出箱电机开。 等到整箱装满后，电机停止运行，准备出箱。 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 16 3 四 连杆装箱包装机自动控制系统软件设计和调试 编程软件 CXP 软件 简介 CXProgrammer 是日本欧姆龙公司为其生产的可编程控制器而设计的编程支持工具软件。 该软件为用户提供了程序的输入、编辑、检查、调试监控和数据管理手段，不仅适用于助记符语言，而且也适用于梯形图语言 [9]。 CXProgrammer 为所有类型的 OMRON PLC 控制器一从微型 PLC 到双机处理器系统，提供了一个通 用的 PLC 软件。