【文章內(nèi)容簡介】 王 軟件等多 方面的要求，故上位機選用以 Microsoft Windows 2020/XP 中文平臺作為其操作系統(tǒng)臺沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 式計算機，這樣可以利用 Windows 圖形功能完備、界面一致性好、易學(xué)易用的特點來輔助四連桿裝箱包裝機自動控制系統(tǒng)的設(shè)計。它比以往使用專用機開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)更具有通用性，并且可以利用計算機豐富的軟件資源進行二次開發(fā) 。這樣能直觀的監(jiān)控 現(xiàn)場，在此計算機上可完成組態(tài)軟件的設(shè)計和開發(fā)、 PLC 程序的設(shè)計和開發(fā)、 并且還可以通過計算機串口來完成上位機與 PLC 的 CPU 單元之間的通信任務(wù)。 由于《 組態(tài)王 》 要求： CPU 要在 P4 1G 以上或相當型號；內(nèi)存最少 128M；顯示器要求是 VGA、 SVGA 或支持桌面操作系統(tǒng)的任何圖形適配器，要求至少顯示 256 色；操作系統(tǒng) Win2020（ sp4） /Win XP（ sp2）簡體中文版。 基于組態(tài)軟件考慮，上位機采用安裝 Windows XP 操作系統(tǒng)的普通計算機，并配以 COM 接口用做與下位機通信使用。將《 組態(tài)王 》和 CXProgrammer 編程軟件安裝于上位機，在以后組態(tài)畫面的設(shè)計和 PLC控制部分的編程操作時使用 [4]。 （ 2）下位機 采用 PLC 作為下位機，用來完成狀態(tài)判別、輸出控制等工作。它直接控制電磁閥、繼電器，從而實現(xiàn)對各執(zhí)行元件的控制。本系統(tǒng)采用價格適中、可靠性高、維護方便且抗干擾能力強的可編程控制器歐姆龍 CPM2A型 PLC 來實現(xiàn)四連桿裝箱包裝機自動控制的要求。歐姆龍 PLC 是由電源、中央處理器和 I/O 元件組成的嚴密高速的程序控制器，配有豐富的指令系統(tǒng)，易于用戶編程，具有豐富的特殊模塊和通信能力，可以滿足生產(chǎn)自動化的 多級要求。由于機械控制不斷需要更先進的功能和處理速度，本系統(tǒng)采用CPM2A 就是這樣一種功能完善的緊湊型 PLC， 它擁有 大程序容量 及 存儲單位。另外 CPU單元帶 RS232C 接口，具有 PPI、 MPI 等通信協(xié)議可實現(xiàn)程序傳送，數(shù)據(jù)通信等功能?；?系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠 考慮 ，控制系統(tǒng)核心部分的 PLC 應(yīng)選用此器件。 由于工作過程的復(fù)雜 的復(fù)雜性 ，故 PLC 選用日本歐姆龍公司 C 系列的小型機CPM2A 型 PLC 30 點輸入 /輸出 ，配有 CXProgrammer 軟件用于控制部分編程時使用 [4]。 （ 3）通信方式 CPM2A CPU 支持多 樣的通信協(xié)議：點到點（ PointtoPoint）接口（ PPI）、多點接口（ MultiPoint）（ MPI）。這些都基于系統(tǒng)內(nèi)通信結(jié)構(gòu)模型，都是異步、基于字符的協(xié)議。其中 PPI 方式是非常簡單方便的通信協(xié)議，只需要一根 RS232C 線進行數(shù)據(jù)信號的傳遞，不需要額外再配置模塊或軟件。因此，本系統(tǒng)選擇 PPI 方式，簡單且能滿足通信要求。 CPM2A 型 PLC 上配有 RS232C 的通信接口，因此在不增加任何硬件的情況下，可以很方便地將 PLC 和計算機互聯(lián)。 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 上位機與下位機之間通過 RS232 連接構(gòu)成 HOST LINK 協(xié) 議進行通信。 RS232 又稱為 EIA232C 或 RS232C，是最通用的一種串行通訊標準。它是一種點到點的通信方式，只能連接兩個通信設(shè)備。 19200 波特率時，最大距離為 75 米； 9600 波特率時，最大距離為 900 米。計算機的串口即為標準的 RS232 接口。使用 RS232 轉(zhuǎn)換器可以免掉一個 RS422 串行接口板。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 （ 4） 電磁閥 電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整介質(zhì)的方向、流量、 速度和其他的參數(shù)。電磁閥主要是用電磁效應(yīng)進行控制，主要控制方式由繼電器控制。這樣電磁閥可以配合不同的電路來實現(xiàn)預(yù)期的控制，而且控制的精度和靈活性都能夠保證。 電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開有通孔，每個孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來檔住或漏出不同的排油的孔，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油缸的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞 桿 帶動機械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機械運動 [5]。 本控制 系統(tǒng)中電磁閥用于驅(qū)動四連桿的伸縮運動，在四連桿部分起到液壓驅(qū)動的作用。 電磁閥實物圖見圖 所示。 圖 電磁閥 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 （ 5）光電開關(guān) 光電開關(guān)（光電傳感器）是光電接近開關(guān)的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測，工業(yè)中經(jīng)常用它來記數(shù)機械臂運動的次數(shù)。 光電開關(guān)是傳感器大家族中的成員，它把發(fā)射端和接收端之間光的強弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達到探測的目的。由于光電開關(guān) 輸出回路和輸入回路是電隔離的（即電緣絕），所以它可以在許多場合得到應(yīng)用。 采用集成電路技術(shù)和 SMT 表面安裝工藝而制造的新一代光電開關(guān)器件，具有延時、展寬、外同步、抗相互干擾、可靠性高、工作區(qū)域穩(wěn)定和自診斷等智能化功能。這種新穎的光電開關(guān)是一種采用脈沖調(diào)制的主動式光電探測系統(tǒng)型電子開關(guān)，它所使用的冷光源有紅外光、紅色光、綠色光和藍色光等，可非接觸，無損傷地迅速和控制各種固體、液體、透明體、黑體、柔軟體和煙霧等物質(zhì)的狀態(tài)和動作。 接觸式行程開關(guān)存在響應(yīng)速度低、精度差、接觸檢測容易損壞被檢測物及壽命短等缺點， 而晶體管接近開關(guān)的作用距離短，不能直接檢測非金屬材料。但是，新型光電開關(guān)則克服了它們的上述缺點，而且體積小、功能多、壽命長、精度高、響應(yīng)速度快、檢測距離遠以及抗光、電、磁干擾能力強 [6]。 在本控制系統(tǒng)中，光電開關(guān)用于傳輸進瓶和進箱的信號，即當輸送的瓶子和紙箱達到指定位置后，進箱與進瓶停止，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸入系統(tǒng)，大大減少了箱與瓶的位置誤差。光電開關(guān)見圖 所示。 圖 光電開關(guān) （ 6）旋轉(zhuǎn)編碼器 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 11 旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量轉(zhuǎn)速的裝置，光電式旋轉(zhuǎn)編碼器通過光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等 機械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出 （ ERP） 。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術(shù)參數(shù)主要有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（幾十個到幾千個都有），和供電電壓等。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組A/B 相位差 90 度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向 。 旋轉(zhuǎn)編碼器由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取，獲得四組正弦波信號組成 A、 B、 C、 D，每個正弦波相差90 度相位差（相對于一個周波為 360 度），將 C、 D 信號反向，疊加在 A、 B 兩相上，可 增強穩(wěn)定信號；另每轉(zhuǎn)輸出一個 Z 相脈沖以代表零位參考位。由于 A、 B兩相相差 90 度，可通過比較 A 相在前還是 B 相在前，以判別編碼器的正傳與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。 編 碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻 線， 其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個數(shù)量級，塑料碼盤是經(jīng)濟型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。分辨率 — 編碼器以每旋轉(zhuǎn) 360 度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱 解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度 5~10000線 。 編碼器的 信號輸出有正弦波（電流或電壓） ,方波（ TTL、 HTL） ,集電極開路（ PNP、NPN） ,推拉式多種形式，其中 TTL 為長線差分驅(qū)動（對稱 A， A； B， B； Z， Z） ,HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對應(yīng)。信號連接 — 編碼器的脈沖信號一般連接計數(shù)器、 PLC、計算機， PLC 和計算機連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關(guān)頻率有低有高 。 如單相聯(lián)接，用于單方向計數(shù)，單方向測速。 A、B 兩相聯(lián)接，用于正反向計數(shù)、判斷正反向和測速。 A、 B、 Z 三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測量。 A、 A， B、 B， Z、 Z連接，由于帶有對稱負信號的連接，電流對于電纜貢獻的電磁場為 0，衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠的距離。對于 TTL 的帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達 150 米 。 旋轉(zhuǎn)編碼器由精密器件構(gòu)成，故當受到較大的沖擊時，可能會損壞內(nèi)部功能，使用上應(yīng)充分注意 [7]。 在本控制系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)編碼器用于測量傳送帶運轉(zhuǎn)速度，確保了進箱和進瓶的同步進行，為生產(chǎn)的安全加上了一把護心鎖。 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 PLC 控制系統(tǒng)的組成 在四連桿裝箱包裝機設(shè)計中用到了 PLC 控制系統(tǒng)， PLC 控制系統(tǒng)的組成分為以下兩個部分： （ 1） PLC 系統(tǒng)：現(xiàn)在 PLC 多采用模塊化的結(jié)構(gòu)（ PLC 的各個部件獨立封裝，稱之為模塊），他們均通過系統(tǒng)總線相互連接起來構(gòu)成一個系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中最核心的模塊是主控模塊（也稱 CPU 模塊），它能使整個機器有條不紊地協(xié)調(diào)工作，以實現(xiàn)對現(xiàn)場各個設(shè)備的控制。 （ 2） I/O 電路： PLC 的基本功能就是控制，它的主要功能是采集被控對象的各種信號。也就是說它包括輸入和輸出兩部分電路：輸入電路就是被控對象進行檢測、采集、轉(zhuǎn)換和 輸入，這里主要用安裝在控制臺的按鈕、開關(guān)向 PLC 送控制指令；輸出電路的功能就是接受 PLC 輸出的控制信號，對被控對象執(zhí)行控制任務(wù)。 （ 3） PLC 的 外圍設(shè)備： 基本功能 是對信息和數(shù)據(jù)的處理。這里用組態(tài)軟件來設(shè)計一個實時監(jiān)控系統(tǒng)。 PLC 系統(tǒng)硬件 的 配置 在進行主控模塊的選擇之前，首先應(yīng)對被控對象和生產(chǎn)過程的生產(chǎn)工藝及 PLC 的工作環(huán)境有足夠的了解，明確控制要求，確定控制輸入、輸出點數(shù)和性質(zhì)等然后才能針對具體的實際情況選擇 PLC 的主控模塊。本系統(tǒng)的設(shè)計需要 8 個輸入點和 12 個輸出點，以及內(nèi)部繼電器 HR 通道等 PLC 資源。并且輸出應(yīng)選用繼電器輸出，電壓應(yīng)在 DC24V、AC220V。根據(jù)上述要求，決定選用歐姆龍公司生產(chǎn)的 CPM2A 型號 PLC 設(shè)計系統(tǒng)。 四連桿裝箱包裝機自動控制系統(tǒng)的 PLC 外部接線圖如圖 所示。 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 13 圖 控制系統(tǒng)硬件接線圖 本系統(tǒng)采用的日本 OMRON 公司研制的 CPM2A PLC，其特點是價格低廉但具有較高的性能，高達 20kHz 的高速計數(shù)器能方便地測量高速運動的加工件。具有同步脈沖控制功能，可方便地調(diào)整輸入輸出的脈沖頻率比值，帶 4 點快速響應(yīng)或高速中斷輸入點?？煞奖愕嘏c OMRON 的可編程序終端（ PT）相連接，為機器操作提供一個可視化界面。該公司生產(chǎn)的 PLC 存儲器種類為 RAM 型，安裝的方式有直接插入的集成塊、存儲器板、IC 卡等，這里采用的是集成塊安裝方式。它們主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。歐姆龍 CPM2A PLC 提供的是 RS232 通信口，通過 COM1 和 COM2 與電腦相連。并在主控模塊中通常配有鋰電池，用于在掉電時，保存用戶程序和數(shù)據(jù)。在 CPM2A型號 PLC 表面安裝有 LED 指示器，用以指示 PLC 電源（ POWER）、運行（ RUN）、編程（ PROG）、出錯（ ERROR）、警告（ ALARM） 、通信（ COM）等工作狀態(tài) [8]。 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 四連桿裝箱包裝機自動控制系統(tǒng) 流程圖 四連桿裝箱包裝機自動控制設(shè)計的流程圖如圖 所示。 圖 自動控制系統(tǒng)流程圖 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 15 PLC 控制的四連桿裝箱包裝機控制系統(tǒng)的工藝流程如下： 當開始整機啟動 的時候 ，輸瓶 、 導(dǎo)瓶 、 出箱電機開， 系統(tǒng) 進箱臂抬起，輸瓶變距打開，此時瓶和箱同時通過傳送帶輸出。 瓶定位器打開，等待進瓶完成 主機繼續(xù)運行，輸瓶電機停止運行，夾頭 夾 緊，瓶定位器關(guān)閉，導(dǎo)瓶電機開瓶變距，箱到位，此時是利用四連桿將瓶 傳 輸放到箱子中。 進箱電機停止運行，進箱臂落下，出箱電機開。等到整箱裝滿后，電機停止運行，準備出箱。 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 3 四 連桿裝箱包裝機自動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計和調(diào)試 編程軟件 CXP 軟件 簡介 CXProgrammer 是日本歐姆龍公司為其生產(chǎn)的可編程控制器而設(shè)計的編程支持工具軟件。該軟件為用戶提供了程序的輸入、編輯、檢查、調(diào)試監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理手段，不僅適用于助記符語言，而且也適用于梯形圖語言 [9]。 CXProgrammer 為所有類型的 OMRON PLC 控制器一從微型 PLC 到雙機處理器系統(tǒng)，提供了一個通 用的 PLC 軟件