090f清洗机基于FX0N-–-60MR可编程控制器的定位清洗机控制系统.doc

1 绪论

1.1 PLC简介
可编程控制器是二十世纪七十年代发展起来的控制设备，是集微处理器、储存器、输入/输出接口与中断于一体的器件，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各个行业。计算机在操作系统、应用软件、通行能力上的飞速发展，大大加强了可编程控制器通信能力，丰富了可编程控制器编程软件和编程技巧，增强了PLC过程控制能力。因此，无论是单机还是多机控制、是流水线控制还是过程控制，都可以采用可编程控制器，推广和普及可编程控制器的使用技术，对提高我国工业自动化生产及生产效率都有十分重要的意义。
可编程控制器(Programmable Controller)也可称逻辑控制器(Programmable Logic Controller),是一微处理器为核心的工业自动控制通用装置，是计算机家族的一名成员，简称PC。为了与个人电脑（也简称PC）相混淆通常将可编程控制器称为PLC。
可编程控制器的产生和继电器—接触器控制系统有很大的关系。继电器—接触器控制已经有伤百年的历史，它是一种弱电信号控制强电信号的电磁开关，具有结构简单、电路直观、价格低廉、容易操作、易于维修的有优点。对于工作模式固定、要求比较简单的场合非常使用，至今仍有广泛的用途。但是当工作模式改变时，就必须改变系统的硬件接线，控制柜中的物件以及接线都要作相应的变动，改造工期长、费用高，用户宁愿扔掉旧控制柜，另做一个新控制柜使用，阻碍了产品更新换代。
随着工业生产的迅速发展，市场竞争的激烈，产品更新换代的周期日益缩短，工业生产从大批量、少品种，向小批量、多品种转换，继电器—接触器控制难以满足市场要求，此问题首先被美国通用汽车公司（GM公司）提了出来。通用汽车公司为适合汽车型号的不断翻新，满足用户对产品多样性的需求，公开对外招标，要求制造一种新的工业控制装置，取代传统的继电器—接触器控制。其对新装置性能提出的要求就是著名的GM10条，即:
1.编\程方便，现场可修改程序；
2. 维修方便，采用模块化结构；
3. 可靠性高于继电器控制装置；
4. 体积小于继电器控制装置；
5. 数据可直接送入管理计算机；
6. 成本可与继电器控制装置竞争；
7. 输入可以是交流115V；
8. 输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；
9. 在扩展时，原系统只要很小变更；
10. 用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
这十项指标就是现代PLC的最基本功能，值得注意的是PLC并不等同于普通计算机，它与有关的外部设备，按照“易于与工业控制系统连成一体”和“便于扩充功能”的原则来设计。
用可编程控制器代替了继电器—接触器的控制，实现了逻辑控制功能，并且具有计算机功能灵活、通用性等有点，用程序代替硬接线，并且具有计算机功能灵活、通用性能强等优点，用程序代替硬接线，减少了重新设计，重新接线的工作，此种控制器借鉴计算机的高级语言，利用面向控制过程，面向问题的“自然语言”编程，其标志性语言是极易为IT电器人员掌握的梯形图语言，使得部熟悉计算机的人也能方便地使用。这样，工作人员不必在变成上发费大量地精力，只需集中精力区考虑如何操作并发挥改装置地功能即可，输入、输出电平与市电接口，市控制系统可方便地在需要地地方运行。所以，可编程控制器广泛地应用于各工业领域。
1969年，第一台可编程控制器PDP—14由美国数字设备公司（DEC）制作成功，并在GM公司汽车生产线上使用取得良好的效果，可编程控制器由此诞生，在控制领域内产生了历史性革命。
PLC问世时间不长，但是随着微处理器的发展，大规模、超大规模集成电路不断出现，数据通信技术不断进步，PLC迅速发展。PLC进入九十年代后，工业控制领域几乎全被PLC占领。国外专家预言，PLC技术将在工业自动化的三大支柱（PLC、机器人和CAC/CAM）种跃居首位。
我国在八十年代初才开始使用PLC，目前从国外应进的PLC使用较为普遍的由日本OMRON公司C系列、三菱公司F系列、灭国GE公司GE系列和德国西门子公司S系列等。
PLC实质是一种专用于工业控制计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，中央处理单元(CPU)，如图1所示。

图1 PLC原理示意图
PLC具有高可靠性：
所有的I/O 接口电路均采用光电隔离使工业现场的外电路与PLC 内部电路之间电气上隔离；
各输入端均采用R-C 滤波器其滤波时间常数一般为10-20ms；
各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰；
采用性能优良的开关电源；
对采用的器件进行严格的筛选；
良好的自诊断功能一旦电源或其他软硬件发生异常情况CPU立即采用有效措施以防止故障扩大；
大型PLC 还可以采用由双CPU 构成冗余系统或有三CPU 构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
丰富的I/O 接口模块：
PLC针对不同的工业现场信号如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等；
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀；
直接连接另外为了提高操作性能它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络它还有多种通讯联网的接口模块等等。
采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型PLC 以外，绝大多数PLC 均采用模块化结构，PLC 的各个部件包括CPU 电源I/O 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
安装简单维修方便
PLC不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需将现场的各种设备与PLC 相应的I/O 端相连接即可投入运行，各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障，由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。

1.2课程设计题目与方案分析
基于FX0N – 60MR可编程控制器的定位清洗机控制系统
在内燃机生产线上，有形状复杂并且多空腔的缸盖和缸体等部件，需要多次定位和加工。因此，必须设置清洗机的喷口，进行定位定点脉冲射流清洗，以达到与高精度相适应的清洁度。
清洗机主要由步进式液压输送机构、清洗泵及清洗液过滤循环系统、水位控制装置、油水分离装置、排屑装置、集中润滑系统、异常显示及事故报警系统等组成。使用步进输送待洗部件，喷口组件有规律地运行工作。
清洗机有6个工位，中间4个工位在清洗室和吹干室内，工件由步进输送机构直线运送。控制要求如下：
1） 工位1是待洗工位。有工件碰到进料口定位行程开关时，经延时2s后机门打开，
步进输送杆将工件送入清洗室内。
2） 工位2是清洗工位。由固定喷嘴和动喷嘴系统对工件形成六面包容，轮番喷洗2
次，每次大约5s，间隔2 s。水压达4个大气压以上。洗净后，工件进入过渡工位3，经延时2s后，进入工位4。
3） 工位4是吹干工位。用压缩空气喷吹2次，每次大约5s，间隔2 s，以除去残留
液体，并用常温空气吹干工件，需要5 s。
4） 工位5是待出工位。经延时2s后，工位6将洗净的工件送至下一道工序。
注：每一道工序结束时必须有指示灯显示。
根据题意画出清洗机控制系统流程图：

图2 清洗机流程图

2 定位清洗机硬件设计

2.1 定位清洗机控制系统I/O分配

按钮SB0、SB2：按动SB0，电机启动，步进传送带开始工作，整个系统进入准备状态；按动SB2，紧停按钮，所有动作停止。
行程开关SQ1：当工件在步进传送带上碰到行程开关SQ1时候，程序从初始化进入到步进程序中，当各传感器反应正常时开始执行各步骤。
水压传感器SA3：在实验面板上用SA3开关来代替水压传感器的信号，当SA3闭合时候说明清洗机水压达到4各大气压，可以正常运行，否则清洗程序不运行。
接触器KM0、KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6分别控制步进电机M1的运行、机门的开关、固定清洗喷嘴的运行、移动喷嘴的运行、压缩空气的运行、常温空气的运行和最后的送出工件。
与此同时，每一步在运行时候会有外端指示灯亮起，以表示清洗机正在运行这一步。
清洗机I/O端口的分配如表1所示：
表1 I/O分配表
输入
PLC端口
作用
硬件代号
PLC端口
作用
硬件代号
X000
开始按钮
SB0
X001
行程开关
SQ1
X002
紧停按钮
SB2
X003
水压传感器
SA3
输出
PLC端口
作用
硬件代号
PLC端口
作用
硬件代号
Y000
步进电机M1
KM0
Y010
电机指示灯
L0
Y001
机门开关
KM1
Y011
机门指示灯
L1
Y002
固定喷嘴
KM2
Y012
固喷指示灯
L2
Y003
移动喷嘴
KM3
Y013
移喷指示灯
L3
Y004
压缩空气
KM4
Y014
压缩指示灯
L4
Y5
常温空气
KM5
Y15
常温指示灯
L5
Y6
送出工件
KM6
Y16
送出指示灯
L6

2.2 定位清洗机控制系统端子接线图

根据设计的I/O分配做硬件的端子接线图如图3所示：

图3 清洗机端子接线图

2.3 主控电路图

图4 主控电路图
图4的电路控制图适合步进电机的循环运转、喷嘴的清洗、压缩空气和常温空气的清洁等接线
2.4 元件选择
电机及电气元件的选择：按照工作要求及工作条件选用三相异步电动机，封闭式结
构，电压380V Y132M-6型，额定功率4KW，同步转速为1000r/min，满载转速为960r/min额定电流9.4A。接触器型号CJX2-32,额定电流32A。热继电器型号JR20-63,32-47A热继电器。熔断器型号RT14-32,适用与交流50HZ、额定电压交流380V、额定电流至32A的配电线路中作过载和短路保护。
在之前的I/O分配表中可以知道，要选择的PLC需要至少4个输入端和14个输出端。通过对三菱FX2N系列中的各种信号进行查询，选定FX2N-32MT。这款PLC的I/O点一共有32个，分别是16个输出端和16个输入端。输出端比设计的系统多出来两个，可以作为备用端或者扩展端口。
3 定位清洗机软件设计

3.1 定位清洗机程序设计

3.1.1 设计思路

参照之前的流程设计，决定采用顺序控制法，在定位清洗机上同一时刻只有一个零件在清洗，在清洗完后，送入等待工位时下一个工件开始清洗。通过步进图编写程序，再上试验箱模拟修改。

3.1.2状态转移图（SFC）

图7 状态转移图（SFC）
3.1.3 时序图

图8 时序图

4 调试过程

首先，将设计好的程序写入PLC后，逐条检查，看是否有书写错误。其次，用PLC自带的功能调试一下后，导出程序。然后用PLC仿真软件进行仿真，全程监视程序的执行情况。
1.按下启动电机指令X000，电机Y000启动，指示灯Y010亮。

2.按下行程开关X001，延时2秒后机门打开Y001，指示灯Y011亮。

3.按下水压传感器开关X003同时延时2秒结束后固定喷嘴Y002工作，之后按顺序自动执行下一步指令到Y006送出工件。

在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。
程序中某些定时器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。
结束语
这次课程设计基本上涵盖了我们所学习的PLC程序的大部分知识点，课程设计题目要求不仅要求对课本知识有较深刻的了解，同时要求程序设计者由较强的思维能力和操作动手能力。这次课程设计使我对PLC程序的编程、程序的录入、以及在上机操作调试有了很大的提高。

致谢
紧张而又愉快的三星期过去了，虽然没有很完美，但是也顺利的完成了课程设计的任务要求，在此过程中收获良多。

参考文献
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附录1：指令程序

附录2 状态梯形图（STL）

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