【文章內(nèi)容簡介】 化的發(fā)展概況 國內(nèi)生產(chǎn)線自動(dòng)化發(fā)展概況 中國的包裝業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)國家如日本和美國相當(dāng)落后，具有非常大的發(fā)展?jié)摿??？刂葡到y(tǒng)從20世紀(jì)四十年代就開始使用了，早期的現(xiàn)場基地式儀表和后期的繼電器構(gòu)成了控制系統(tǒng)的前身。現(xiàn)在所說的控制系統(tǒng)，多指采用電腦或微處理器進(jìn)行智能控制的系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)的發(fā)展史上，稱為第三代控制系統(tǒng)。這一代系統(tǒng)以PLC和DCS為代表，從七十年代開始應(yīng)用以來，在冶金、電力、石油、化工、輕工等工業(yè)過程控制中獲得迅猛的發(fā)展。其中PLC，即可編程控制器，主要是從順序控制發(fā)展而來的，但從九十年代開始，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，PLC的性能擴(kuò)展的越來越廣，PLC的應(yīng)用也逐漸向連續(xù)流程工業(yè)拓展。同時(shí)，DCS也開始向小型化的方向拓展。之后，陸續(xù)出現(xiàn)了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、基于PC的控制系統(tǒng)等。 在中國，自動(dòng)化技術(shù)還未成熟，還需要長時(shí)間的發(fā)展，所以將會(huì)有很大的空間來發(fā)展此技術(shù)。這也是未來的發(fā)展方向和趨勢(shì)。中國的經(jīng)濟(jì)高速度發(fā)展也需要這項(xiàng)技術(shù)來促進(jìn)和加速，相信在自動(dòng)化技術(shù)成熟以后，中國的經(jīng)濟(jì)也將有飛躍性的進(jìn)步。當(dāng)前中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局也是非常的需要高技術(shù)來支持。這樣中才會(huì)有穩(wěn)定的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。向西部發(fā)展的經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略思想必然需要有高技術(shù)隨之轉(zhuǎn)移，生產(chǎn)也將需要自動(dòng)化技術(shù)的支持，這樣發(fā)展高技術(shù)自動(dòng)化也就是必然的趨勢(shì)。 國外生產(chǎn)線自動(dòng)化發(fā)展概況從上世紀(jì)30年代開始，機(jī)械加工企業(yè)為了提高生產(chǎn)效率，采用機(jī)械化流水 作業(yè)的生產(chǎn)方式，大型自動(dòng)生產(chǎn)線承擔(dān)的加工對(duì)象也隨之改變。生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)使用的繼電器數(shù)量很多，在頻繁動(dòng)作情況下壽命較短，使生產(chǎn)線的可靠性降低。為了解決這一問題，自二十世紀(jì)六十年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，PLC的功能也不斷完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運(yùn)動(dòng)控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。 作為離散控的制的首選產(chǎn)品，PLC在二十世紀(jì)八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的PLC年增長率保持為20%～30%。隨著工廠自動(dòng)化程度的不斷提高和PLC市場容量基數(shù)的不斷擴(kuò)大，近年來PLC在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的增長速度放緩。但是，在中國等發(fā)展中國家PLC的增長十分迅速。綜合相關(guān)資料，2004年全球PLC的銷售收入為100億美元左右，在自動(dòng)化領(lǐng)域占據(jù)著十分重要的位置。 PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀(jì)七十年代的PLC只有開關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機(jī)械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲(chǔ)器中。運(yùn)行時(shí)按存儲(chǔ)程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。 PLC的CPU內(nèi)有指示程序步存儲(chǔ)地址的程序計(jì)數(shù)器，在程序運(yùn)行過程中，每執(zhí)行一步該計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1，程序從起始步（步序號(hào)為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運(yùn)算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時(shí)間稱為一個(gè)掃描周期。不同型號(hào)的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點(diǎn)，在微秒量級(jí)，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當(dāng)成開關(guān)量來處理，16位（也有32位的）為一個(gè)模擬量。大型PLC使用另外一個(gè)CPU來完成模擬量的運(yùn)算。把計(jì)算結(jié)果送給PLC的控制器。 相同I/O點(diǎn)數(shù)的系統(tǒng)，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大約能省40%左右）。PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)成本比DCS方式要低很多。一個(gè)PLC的控制器，可以接收幾千個(gè)I/O點(diǎn)（最多可達(dá)8000多個(gè)I/O）。如果被控對(duì)象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設(shè)計(jì)企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。 近十幾年來，國外PLC技術(shù)取得了飛躍，其容量成倍擴(kuò)大、體積不斷縮小、功能不斷增強(qiáng)，不但具有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制等功能，還具有PID等特殊控制功能，可直接進(jìn)行A/D、D/A轉(zhuǎn)換，還開發(fā)管控一體化。 本文主要研究內(nèi)容一 設(shè)備概述該自動(dòng)裝箱系統(tǒng)可把24瓶飲料裝成一箱。本系統(tǒng)由皮帶傳輸機(jī)傳送瓶子，當(dāng)?shù)竭_(dá)裝箱位置時(shí)，機(jī)械手下降夾起瓶子后上升，上升到位后再向右移動(dòng)，把瓶子裝進(jìn)紙箱內(nèi)，然后機(jī)械手返回原位，開始下一個(gè)動(dòng)作。 該系統(tǒng)中皮帶傳輸機(jī)、機(jī)械手均由PLC控制，機(jī)械手由三臺(tái)電動(dòng)機(jī)控制，一臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)，一臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)升降機(jī)構(gòu)，一臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)。 機(jī)械手控制示意圖二 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求用PLC控制整個(gè)控制裝置要達(dá)到以下要求：(1) 按下啟動(dòng)按鈕后，傳送帶A運(yùn)行直到光電開關(guān)PS1檢測到飲料瓶，才停止。(2) 傳送帶A停止后，機(jī)械手下降。下降到位后機(jī)械手夾緊飲料瓶，2s后開始上升，而機(jī)械手保持加緊。上升到位右轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)到位下降，下降到位機(jī)械手松開，將飲料瓶放進(jìn)B傳送帶上的空箱內(nèi)，2s后機(jī)械手上升。上升到位左轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)到位下降，開始下一循環(huán)，用PLC作計(jì)數(shù)控制，對(duì)機(jī)械手這一循環(huán)計(jì)數(shù)。(3) 計(jì)到24次循環(huán)后，傳送帶B開始運(yùn)行，當(dāng)PS2檢測到下一空箱后，傳送帶B停止。(4) 上述過程周而復(fù)始的進(jìn)行，直到按下停止按鈕，傳送帶A和傳送帶B同時(shí)停止。(5) 應(yīng)有必要的信號(hào)指示，如電源有電，傳送帶A工作，機(jī)械手工作，傳送帶B工作。(6) 傳送帶A，機(jī)械手和傳送帶B應(yīng)有獨(dú)立點(diǎn)動(dòng)控制，以便于調(diào)試和維修。 生產(chǎn)線自動(dòng)裝箱工作流程圖 主要解決的問題在傳統(tǒng)的工業(yè)控制中，一般都是由繼電器來進(jìn)行控制的，當(dāng)今的PLC吸收了微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的成果。在很多領(lǐng)域，PLC已經(jīng)取代了繼電器進(jìn)行控制。在傳統(tǒng)的控制中，傳送帶的控制通常是通過繼電器來完成，維護(hù)復(fù)雜。本設(shè)計(jì)介紹了通過PLC來對(duì)傳送帶進(jìn)行自動(dòng)控制。該系統(tǒng)有一個(gè)機(jī)械手和兩個(gè)傳送帶，即運(yùn)物機(jī)械手，包裝箱傳送帶和產(chǎn)品傳送帶。運(yùn)物機(jī)械手用來轉(zhuǎn)移飲料瓶，即把產(chǎn)品傳送帶上的飲料送到包裝箱傳送帶的飲料箱中。包裝箱傳送帶用來傳送產(chǎn)品包裝箱，其功能是把已經(jīng)裝滿的包裝箱運(yùn)走，并用一只空箱來代替。為使空箱恰好對(duì)準(zhǔn)機(jī)械手松開端，使飲料瓶裝進(jìn)包裝箱中，在包裝箱傳送帶的中間裝一光電傳感器，用以檢測包裝箱是否到位。為使產(chǎn)品傳送帶將產(chǎn)品從生產(chǎn)車間傳送到合適位置，在產(chǎn)品傳送帶的中間也裝有一光電傳感器。當(dāng)產(chǎn)品被送到傳送帶的末端，會(huì)自動(dòng)停止并由機(jī)械手將其送到包裝箱中。 依據(jù)提出的要求，我們需要解決的關(guān)鍵是對(duì)機(jī)械手的上升，下降，左轉(zhuǎn)，右和夾緊，松開的執(zhí)行；對(duì)傳送帶A拖動(dòng)飲料瓶到指定位置的控制；對(duì)傳送帶B拖動(dòng)空箱到指定位置的控制；以及傳送帶A制動(dòng)后機(jī)械手的運(yùn)行，對(duì)這一循環(huán)的計(jì)數(shù)和傳送帶B的運(yùn)動(dòng)，怎么使其形成一個(gè)循環(huán)的過程；對(duì)機(jī)械手和傳送帶的控制還應(yīng)該設(shè)置報(bào)警功能；同時(shí)機(jī)械手，傳送帶A和傳送帶B應(yīng)有獨(dú)立點(diǎn)動(dòng)控制，以便于調(diào)試和維修；最后還要對(duì)機(jī)械手運(yùn)送的產(chǎn)品進(jìn)行指定數(shù)量的檢測。 對(duì)于傳送帶的控制可采用步控指令實(shí)現(xiàn)步進(jìn)控制；而對(duì)于傳送帶的獨(dú)立點(diǎn)動(dòng)控制可設(shè)置一個(gè)手動(dòng)控制按鈕，當(dāng)其按下時(shí)，系統(tǒng)可進(jìn)行獨(dú)立點(diǎn)動(dòng)控制。對(duì)于PLC這些都可通過軟件完成要求；其中需要用傳感器來進(jìn)行位置檢測和產(chǎn)品計(jì)數(shù)。第2章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 方案論證 ————接觸器電氣控制系統(tǒng)由于繼電—接觸器電氣控制線路簡單，價(jià)格低廉，多年來在各種生產(chǎn)機(jī)械的電氣控制領(lǐng)域中，應(yīng)用十分廣泛，而且技術(shù)上也十分成熟，因此受到大力推廣。但是在一些較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，特別是涉及到時(shí)序控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)，必須使用大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、接觸器等，而且控制線路復(fù)雜、器件多、接點(diǎn)多，因而在這類控制系統(tǒng)中可靠性低、可維護(hù)性差。 采用PLC可編程序控制器控制系統(tǒng) PLC可編程序控制器其實(shí)就是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，用以取代傳統(tǒng)的中間繼電 器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等，并具有一切計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的功能。目前PLC已成為工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，其應(yīng)用面幾乎覆蓋了整個(gè)工業(yè)企業(yè)，廣泛應(yīng)用于化工、石油等企業(yè)的現(xiàn)代過程控制中。 方案比較與選擇采用傳統(tǒng)據(jù)電—接觸器電氣控制系統(tǒng)，雖然價(jià)格低廉，但大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器，使得線路復(fù)雜、器件多、接點(diǎn)多、可靠性低，而且一旦出現(xiàn)故障，檢修困難。用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中，其反應(yīng)時(shí)間、跟蹤能力差，有可能使得系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。 而采用PLC可編程序控制器，其優(yōu)點(diǎn)如下： （1）具有高可靠性。PLC除采用優(yōu)質(zhì)器件等外，在硬件方面采用了較先進(jìn)的電源，用以防止由電源回路串入干擾。其內(nèi)部采用了電磁屏蔽，以防輻射干擾。而外部輸入/輸出電路則一律采用光電隔離，加上常規(guī)濾波和數(shù)字濾波；軟件方面設(shè)置了警戒時(shí)鐘WDT、自診斷等措施。因而使得PLC的平均無故障時(shí)間達(dá)到30萬小時(shí)，被稱為“永遠(yuǎn)不壞的控制器”，因而可靠性優(yōu)于傳統(tǒng)繼電—接觸器電氣控制系統(tǒng)。 （2）靈活性高、擴(kuò)展性好、通用性強(qiáng)。它采用程序使得硬件軟件化，對(duì)于不同的控制系統(tǒng)，只需改變程序即可，因而通用性強(qiáng)。而且現(xiàn)場接口容易，設(shè)計(jì)周期短。 （3）功能強(qiáng)。PLC具有自診斷、監(jiān)控和各種報(bào)警功能既可完成過程控制，又可進(jìn)行閉環(huán)回路的調(diào)節(jié)控制，而且在將來的工控領(lǐng)域，可以說是無所不能。 由于生產(chǎn)線上的惡劣環(huán)境和電磁干擾，一般的電子儀器都會(huì)受到干擾。而 PLC是從取代工廠內(nèi)繼電器線路、進(jìn)行順序控制發(fā)展開來的工業(yè)控制產(chǎn)品。PLC由于具有可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)，以及編程簡單，維護(hù)方便，通訊靈活等優(yōu)點(diǎn)。在電器控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。PLC不僅能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，還能完成定時(shí)、計(jì)算、計(jì)數(shù)和各種閉環(huán)控制功能。整個(gè)控制系統(tǒng)利用PLC的控制實(shí)現(xiàn)了空箱傳送、產(chǎn)品運(yùn)輸、產(chǎn)品計(jì)數(shù)等功能。并且有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種控制方式。在生產(chǎn)線自動(dòng)裝箱控制的控制系統(tǒng)應(yīng)用，可使生產(chǎn)線的控制更加靈活、可靠。進(jìn)而提高生產(chǎn)效率，突現(xiàn)節(jié)約用工，改善工人工作環(huán)境，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約材料消耗和用工。 因此，本文選擇PLC控制系統(tǒng)。 PLC的硬件結(jié)構(gòu)及工作原理 PLC采用的是典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要包括CPU,RAM,ROM和輸入、輸出接口電路等。其內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。如果把PLC看作一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由輸入變量→PLC→輸出變量組成，外部的各種開關(guān)信號(hào)、模擬信號(hào)、傳感器檢測信號(hào)等均作為PLC的輸入變量，它們經(jīng)PLC外部輸入端子輸入到內(nèi)部寄存器中，經(jīng)PLC內(nèi)部邏輯運(yùn)算或其他各種運(yùn)算、處理后送到輸出端子，作為PLC的輸出變量，對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行控制。PLC的一般內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)框圖如圖21所示。 圖21 PLC的邏輯硬件結(jié)構(gòu)框圖 PLC控制系統(tǒng)組成①輸入部分：如按鈕開關(guān)、限位開關(guān)等，直接與PLC輸入端子相連接，用以產(chǎn)生輸入控制信號(hào)，這些信號(hào)一般來自操作臺(tái)上的人工指令。 ②控制部分:反復(fù)執(zhí)行根據(jù)被控對(duì)象的實(shí)際控制要求所編制的處理程序，并產(chǎn)生各種輸出號(hào)。③輸出部分:如接觸器、電磁閥等，它們與PLC輸出端子相連接，用以控制被控對(duì)象的動(dòng)作。 PLC的工作過程①輸入處理:PLC以重復(fù)掃描方式執(zhí)行用戶處理程序，在執(zhí)行程序前首先按地址編碼順序?qū)⑺休斎攵俗?