【文章內(nèi)容簡介】 本要求為滿足系統(tǒng)的功能要求，并且應(yīng)最大程度上滿足系統(tǒng)可靠性、維護(hù)使用方便性及性能價(jià)格比良好性等優(yōu)點(diǎn)。考慮因素包括以下幾個(gè)方面：（1）結(jié)構(gòu)合理根據(jù)工藝過程、環(huán)境條件以及維修量的大小，選用不同結(jié)構(gòu)的PLC。（2）功能強(qiáng)大根據(jù)控制系統(tǒng)開關(guān)量控制及控制速度要求的不同，選用不同檔次的PLC。（3）機(jī)型統(tǒng)一整體式和模塊式是PLC的兩種結(jié)構(gòu)形式。雖然整體式結(jié)構(gòu)的PLC有其特有的優(yōu)點(diǎn)，但通常整體式結(jié)構(gòu)PLC功能有缺陷，因此一般大型的控制系統(tǒng)都使用模塊式結(jié)構(gòu)，以使得系統(tǒng)功能得到擴(kuò)展。（4） 環(huán)境適應(yīng)性在PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的PLC和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。輸入輸出點(diǎn)數(shù)的估算。I/O點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)估計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加10% 20%的可擴(kuò)展。余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。實(shí)際訂貨時(shí)，還需根據(jù)制造商PLC的產(chǎn)品特點(diǎn)，對輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行圓整。根據(jù)估算的方法故本設(shè)計(jì)的I/O點(diǎn)數(shù)為輸入6點(diǎn)，輸出8點(diǎn)。存儲(chǔ)器容量是可編程序控制器本身提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此程序容量小于存儲(chǔ)容量。設(shè)計(jì)階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制。因此，程序容量在設(shè)計(jì)階段是未知的，需在程序調(diào)試后才知道。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對程序容量有一定估算，通常采用存儲(chǔ)器容量的估算來代替。存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)量的估算沒固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同的公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的1015倍，加上模擬I/O點(diǎn)數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)，另外再按此數(shù)的25%考慮余量。另外PLC這種工業(yè)控制器可直接用于工業(yè)控制各個(gè)領(lǐng)域。因此，大多數(shù)生產(chǎn)廠家會(huì)把PLC設(shè)計(jì)為可在較差工作環(huán)境條件下仍可靠穩(wěn)定工作的優(yōu)良特性。每種PLC自然會(huì)有其特殊的環(huán)境技術(shù)要求，因此在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮環(huán)境條件。面對眾多廠家提出的多種系列、功能各異的PLC產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)、性能、價(jià)格各不相同。三菱FX2N16MR型號，其輸入輸出點(diǎn)分別為8，F(xiàn)X2N是FX系列中功能最強(qiáng)、速度最高的微型PLC。，內(nèi)置的用戶存儲(chǔ)器為8K步，可擴(kuò)展到16K步，最大可以擴(kuò)展到256個(gè)I/O點(diǎn)，有多種特殊功能模塊或功能擴(kuò)展板，可為裝箱機(jī)提供最大的方便和控制能力。根據(jù)課題研究系統(tǒng)自動(dòng)藥片裝瓶機(jī)控制所用的外圍設(shè)備，我們可以來設(shè)計(jì)PLC輸入輸出設(shè)備的執(zhí)行元器件的點(diǎn)數(shù)。輸入輸出部分的點(diǎn)數(shù)分別如332表所示：表31 輸入部分點(diǎn)數(shù)輸入部分點(diǎn)數(shù)系統(tǒng)開按鈕1系統(tǒng)關(guān)按鈕1數(shù)量選擇按鈕11數(shù)量選擇按鈕21數(shù)量選擇按鈕31光電傳感器1 表32 輸出部分點(diǎn)數(shù)輸出部分點(diǎn)數(shù)皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)器1指示燈11指示燈21指示燈31電磁閥1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1 頻率發(fā)生器1 針對本課題的研究特點(diǎn)和系統(tǒng)性能要求的輸入輸出總點(diǎn)數(shù)，本系統(tǒng)采用三菱公司FX2N系列中的16MR，即FX2N16MR類型。其為三菱FX2N系列、輸入輸出總點(diǎn)數(shù)為1繼電器輸出。此PLC滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，并且在小型PLC控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 PLC外圍電路器件的選擇 光電式傳感器光電式傳感器（photoelectric transducer），即基于光電效應(yīng)的一種傳感器，當(dāng)可見光照射傳感器，光電效應(yīng)就會(huì)產(chǎn)生，光信號將被轉(zhuǎn)換成電信號從而輸出。在測量位移溫度等物理量方面均應(yīng)用廣泛。光電測量時(shí)不與被測對象直接接觸，光束的質(zhì)量又近似為零，在測量中不存在摩擦和對被測對象幾乎不施加壓力。同時(shí)在測量時(shí)，光電式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是與被測對象之間無摩擦和壓力，保證測量準(zhǔn)確性。在某些方面，光電式傳感器也有其缺點(diǎn)，包括成本較高，測量的環(huán)境條件要求較高等。光電式傳感器的種類很多，測量準(zhǔn)確、靈敏、非接觸，并且測量參數(shù)多。本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，其中的光電式傳感器對裝入藥瓶的藥片數(shù)進(jìn)行一一計(jì)數(shù)，可以滿足本設(shè)計(jì)的要求。常見的光電式傳感器有對射式與反射式兩種類型，其中反射式傳感器安裝要求低，占地小，但其由于為反射式檢測方式，紅外調(diào)制發(fā)射器與接收器均在一端安裝，其檢測準(zhǔn)確率較低，而對射式光電傳感器雖然安裝復(fù)雜，但由于發(fā)射器與接收器分開，其檢測精度較高，非常適合于本設(shè)計(jì)。同時(shí)為了兼容PLC的24V輸入輸出電平，需要選擇電平與反應(yīng)速度均兼容的光電傳感器完成此部分設(shè)計(jì)。經(jīng)過甄選，最終采用了臺灣億光公司的槽型光耦作為光電式傳感器，其體積小巧，便于安裝，但需要設(shè)計(jì)外圍電路，完成光電傳感器的數(shù)字量輸出。光電式傳感器及其計(jì)數(shù)電路如圖32所示：通過LM358搭建了24V的正向放大器，放大器為正反饋放大器，即搭建成為比較器電路，在高于設(shè)定12V時(shí)產(chǎn)生輸出信號跳變，從而對光電傳感器的返回波形進(jìn)行整形，完成光電傳感器與PLC的IO口信號匹配。光電傳感器輸出波形整形電路如圖33所示： 圖32 光電傳感器及其計(jì)數(shù)電路 圖33 光電傳感器輸出波形整形電路 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，執(zhí)行元件是步進(jìn)電機(jī)。它受驅(qū)動(dòng)控制線路的控制，將進(jìn)給脈沖的電平信號直接變換為具有一定方向、大小和速度的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移，并通過齒輪和絲杠帶動(dòng)工作臺移動(dòng)。由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，它的精度較差，速度也受到步進(jìn)電機(jī)性能的限制。但它的結(jié)構(gòu)和控制簡單、容易調(diào)整，故在速度和精度要求不太高的場合具有一定的使用價(jià)值。步進(jìn)電機(jī)的工作原理實(shí)際上是電磁鐵的作用原理。步進(jìn)電機(jī)的主要特性有以下幾個(gè)方面：（1）步距角：步進(jìn)電機(jī)的步距角是反映步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。它是決定步進(jìn)伺服系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的重要參數(shù)。步距角越小，數(shù)控機(jī)床的控制精度越高。（2）矩角特性：矩角特性是步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)重要特性，它是指步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角之間的變化規(guī)律。（3）啟動(dòng)頻率：空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動(dòng)到正常運(yùn)行所允許的最高頻率，稱為啟動(dòng)頻率或突跳頻率。若啟動(dòng)時(shí)頻率大于突跳頻率，步進(jìn)電機(jī)就不能正常啟動(dòng)?？蛰d啟動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率。（4）連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率：步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，它所能接受的，即保證不丟步運(yùn)行的極限頻率，稱為最高工作頻率。它是決定定子繞組通電狀態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，它決定了步進(jìn)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。（5）加減速特性：步進(jìn)電機(jī)的加減速特性是描述步進(jìn)電機(jī)由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時(shí)間的關(guān)系。當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)到大于突跳頻率的工作頻率時(shí)，變化速度必須逐漸上升。同樣，從最高工作頻率或高于突跳頻率的工作頻率停止時(shí)，變化速度必須逐漸下降。其中逐漸上升和下降的加速時(shí)間、減速時(shí)間不能過小，否則會(huì)出現(xiàn)失步或超步。我們用加速時(shí)間常數(shù)和減速時(shí)間常數(shù)來描述步進(jìn)電機(jī)的升速和降速特性。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有如下六個(gè)特點(diǎn)：（1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比。因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)一圈后，沒有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。（2）由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)既簡單、廉價(jià)又非?？煽俊Ｍ瑫r(shí)，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。（3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。（4）速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào)整，低速下仍能獲得較大轉(zhuǎn)矩，因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。（5）步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，不能直接使用交流電源和直流電源。（6） 步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)措施。在選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)首先考慮的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的類型選擇，其次是具體的品種選擇，在該自動(dòng)藥片裝瓶機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電壓低、電流小、有定位轉(zhuǎn)矩，確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用二相八拍混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。在進(jìn)行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的品種選擇時(shí)，要綜合考慮速比、軸向力、額定轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行頻率，以確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的具體規(guī)格和控制裝置。選用電機(jī)型號為BS110HB9905，為了完成PLC對步進(jìn)電機(jī)的控制，需要設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。為了節(jié)約PLC的IO資源，同時(shí)提高PLC的控制性能，需要設(shè)計(jì)一個(gè)可由PWM控制的，高細(xì)分度的步進(jìn)電機(jī)控制器。THB7128為國產(chǎn)的128高細(xì)分度二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。同時(shí)其內(nèi)部高速M(fèi)OS管搭建的雙H橋驅(qū)動(dòng)電路保證開關(guān)速度。實(shí)現(xiàn)了PLC慢速輸出與驅(qū)動(dòng)電路高速控制的匹配。其原理圖如圖34所示：圖34 THB7128原理圖由于步進(jìn)電機(jī)控制傳送帶，而傳送帶的工作穩(wěn)定性直接決定了裝藥的成功與否，故128細(xì)分度的THB7128控制器為不二之選。在實(shí)際使用時(shí)，僅需要設(shè)計(jì)PLC的Y0口輸出固定數(shù)量脈沖，即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角度的控制。 裝藥機(jī)構(gòu)由于裝藥機(jī)通過對裝藥數(shù)量計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)裝藥數(shù)量的精確控制，故需要設(shè)計(jì)一個(gè)完整的裝藥機(jī)構(gòu)，完成對藥片的單個(gè)分離與釋放，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的預(yù)計(jì)功能。常見的藥片分離器為多級傳送帶式分離系統(tǒng)，通過舵機(jī)傳送帶對藥片進(jìn)行分離后，進(jìn)入下藥斗，完成單片藥片的裝填。而為了簡化設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)直接采用了現(xiàn)有的集成式下藥斗完成藥片的分離，而僅在下藥口安裝光電傳感器完成對藥片裝填數(shù)量的控制。1為底板用螺釘安裝在支架組件的側(cè)面板上，4為料斗固裝在1底板上，而實(shí)現(xiàn)控片以準(zhǔn)確計(jì)數(shù)的部件采用轉(zhuǎn)刷3，