基于plc控制机械手自动装箱系统设计

摘要
在现代化的工业生产中常常需要对产品进行计数和包装，如果这些繁杂的工作由人工完成的话不但效率低，而且劳动强度大，不适合现代化的生产需要。

本文主要对基于生产线自动装箱的PLC控制系统进行了详细的研究。

该系统有一个机械手和两个传送带，即运物机械手，包装箱传送带和产品传送带。

运物机械手用来转移饮料瓶，即把产品传送带上的饮料送到包装箱传送带的饮料箱中。

包装箱传送带用来传送产品包装箱，其功能是把已经装满的包装箱运走，并用一只空箱来代替。

为使空箱恰好对准机械手松开端，使饮料瓶装进包装箱中，在包装箱传送带的中间装一光电传感器，用以检测包装箱是否到位。

为使产品传送带将产品从生产车间传送到合适位置，在产品传送带的中间也装有一光电传感器。

当产品被送到传送带的末端，会自动停止并由机械手将其送到包装箱中。

本控制系统具有精度高、成本低、抗干扰能力强、故障率低、操作维护简单等特点，具有良好的应用价值。

关键词: 可编程控制器，自动装箱控制系统，传送带控制，机械手
Abstract
Often need to carry out counting and package on the product in the commercial run being modernized, not only the inefficient, moreover intensity of labour working from the words that the manpower accomplishes if these are complicated and overloaded is big , the childbirth being unfit to be modernized needs. Detailed research the main body of a book has been carried out on the PLC navar enchasing owing to production line automation mainly. Be system's turn to have two conveyer belts , be package box conveyer belt and product conveyer belt. The package box conveyer belt is used to deliver the product package box , whose function is that the package box luck already filling to full is leaked , is uses one to replace to come empty space box and. End being to make the empty space box aim at the product conveyer belt fitly, just the drop-in package box is hit by the messenger product, before package box conveyer belt centre install one photoelectricity sensor, in order to check if package box arrive at a place. And the product conveyer belt transmits a product from producing a workshop to package box , pawn some one products deliver to the conveyer belt end , the meeting automation drop-in package box inner, change from another sensor becoming counting pulse. Navar has accuracy height , the low , anti-interference ability of cost is strong , the malfunction leads a characteristic low , operation upkeep waits for simplely, have fine application value.
Key words : programming controller Automation encasement navar The conveyer belt is controlled
目录
摘要 (1)
Abstract (2)
目录 (3)
第一章绪论 (4)
1.1 课题背景 (4)
1.2 生产线自动化的发展概况 (4)
1.2.1 国内生产线自动化发展概况 (4)
系统、基于PC的控制系统等。

(4)
1.2.2 国外生产线自动化发展概况 (5)
1.3 本文主要研究内容 (6)
1.3.1设计任务书 (6)
1.3.2 主要解决的问题 (7)
第2章控制系统的设计 (8)
2.1.1采用传统继电————接触器电气控制系统 (8)
2.1.2 采用PLC可编程序控制器控制系统 (8)
2.1.3 方案比较与选择 (9)
2.2 PLC的硬件结构及工作原理 (9)
2.2.1 PLC控制系统组成 (10)
2.2.2 PLC的工作过程 (10)
2.3 控制系统构成图和工作流程 (11)
2.3.1 控制系统构成图 (11)
2.3.2 控制系统工作流程 (11)
2.4 控制系统硬件设计 (12)
2.5 控制系统软件设计 (17)
2.5.1 控制系统逻辑分析 (17)
2.6 系统程序调试及结果 (25)
结论 (26)
致谢 (27)
参考文献 (28)
第一章绪论
1.1 课题背景
近年来，生产线上的自动化控制应用已越来越多，越来越广泛。

随着工业生产自动化水平的不断加快，对控制系统提出了愈来愈严格的要求。

随着大规模集成电路广泛应用，控制系统本身也得到长足发展，已由原来的分立元件、继电器控制，发展成为大规模集成电路的微机控制。

控制方式也由原来的分散控制发展为集中控制。

正是在这种发展的需求下，可编程控制器应运而生。

由于可编程控制器（PLC）具有体积小、抗干扰能力强、组态灵活等优点，因而在工业控制系统中得到非常广泛的应用。

在自动生产线检测控制系统中，可编程控制器主要用作下位机，检测各状态点的状态，直接控制系统的启、停和其他控制单元的投切，并将各点的状态送给上位机——计算机，计算机综合可编程控制器和其他设备的数据，作出相应的处理和显示。

自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。

同时，PLC的功能也不断完善。

今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。

1.2 生产线自动化的发展概况
1.2.1 国内生产线自动化发展概况
中国的包装业相对发达国家如日本和美国相当落后，具有非常大的发展潜力。

控制系统从20世纪四十年代就开始使用了，早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了控制系统的前身。

现在所说的控制系统，多指采用电脑或微处理器进行智能控制的系统，在控制系统的发展史上，称为第三代控制系统。

这一代系统以PLC和DCS为代表，从七十年代开始应用以来，在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展。

其中PLC，即可编程控制器，主要是从顺序控制发展而来的，但从九十年代开始，随着电子技术、计算机技术和通信技术的发展，PLC的性能扩展的越来越广，PLC的应用也逐渐向连续流程工业拓展。

同时，DCS也开始向小型化的方向拓展。

之后，陆续出现了现场总线控制系统、基于PC的控制系统等。

在中国，自动化技术还未成熟，还需要长时间的发展，所以将会有很大的空
间来发展此技术。

这也是未来的发展方向和趋势。

中国的经济高速度发展也需要这项技术来促进和加速，相信在自动化技术成熟以后，中国的经济也将有飞跃性的进步。

当前中国的经济发展格局也是非常的需要高技术来支持。

这样中才会有稳定的发展状态。

向西部发展的经济战略思想必然需要有高技术随之转移，生产也将需要自动化技术的支持，这样发展高技术自动化也就是必然的趋势。

1.2.2 国外生产线自动化发展概况
从上世纪30年代开始，机械加工企业为了提高生产效率，采用机械化流水作业的生产方式，大型自动生产线承担的加工对象也随之改变。

生产线的控制系统使用的继电器数量很多，在频繁动作情况下寿命较短，使生产线的可靠性降低。

为了解决这一问题，自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC 得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。

同时，PLC的功能也不断完善。

随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。

今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。

作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%～30%。

随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。

但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。

综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。

PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。

它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。

用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。

运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。

PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。

PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。

不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。

PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。

它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。

大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运
算。

把计算结果送给PLC的控制器。

相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。

PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS 方式要低很多。

一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。

如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。

PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。

近十几年来，国外PLC技术取得了飞跃，其容量成倍扩大、体积不断缩小、功能不断增强，不但具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有PID等特殊控制功能，可直接进行A/D、D/A转换，还开发管控一体化。

1.3 本文主要研究内容
1.3.1设计任务书
一设备概述
该自动装箱系统可把24瓶饮料装成一箱。

本系统由皮带传输机传送瓶子，当到达装箱位置时，机械手下降夹起瓶子后上升，上升到位后再向右移动，把瓶子装进纸箱内，然后机械手返回原位，开始下一个动作。

该系统中皮带传输机、机械手均由PLC控制，机械手由三台电动机控制，一台电机带动夹紧机构，一台电机带动升降机构，一台电机带动移动机构。

图1.1 机械手控制示意图
二 设计任务和要求
用PLC 控制整个控制装置要达到以下要求：
(1)按下启动按钮后，传送带A 运行直到光电开关PS1检测到饮料瓶，才停止。

(2)传送带A 停止后，机械手下降。

下降到位后机械手夹紧饮料瓶，2s 后开始上升，而机械手保持加紧。

上升到位右转，右转到位下降，下降到位机械手松开，将饮料瓶放进B 传送带上的空箱内，2s 后机械手上升。

上升到位左转，左转到位下降，开始下一循环，用PLC 作计数控制，对机械手这一循环计数。

(3)计到24次循环后，传送带B 开始运行，当PS2检测到下一空箱后，传送带B 停止。

(4)上述过程周而复始的进行，直到按下停止按钮，传送带A 和传送带B 同时停止。

其工作流程图如图1.2所示。

(5)应有必要的信号指示，如电源有电，传送带A 工作，机械手工作，传送带B 工作。

(6)传送带A ，机械手和传送带B 应有独立点动控制，以便于调试和维修。

图1.2
生产线自动装箱工作流程图
1.3.2 主要解决的问题
在传统的工业控制中，一般都是由继电器来进行控制的，当今的PLC 吸收了 微电子技术和计算机技术的成果。

在很多领域，PLC 已经取代了继电器进行控制。

在传统的控制中，传送带的控制通常是通过继电器来完成，维护复杂。

本设计介 绍了通过PLC 来对传送带进行自动控制。

该系统有一个机械手和两个传送带，即运物机械手，包装箱传送带和产品传送带。

运物机械手用来转移饮料瓶，即把产品传送带上的饮料送到包装箱传送带的饮料箱中。

包装箱传送带用来传送产品包装箱，其功能是把已经装满的包装箱运走，并用一只空箱来代替。

为使空箱恰好
对准机械手松开端，使饮料瓶装进包装箱中，在包装箱传送带的中间装一光电传感器，用以检测包装箱是否到位。

为使产品传送带将产品从生产车间传送到合适位置，在产品传送带的中间也装有一光电传感器。

当产品被送到传送带的末端，会自动停止并由机械手将其送到包装箱中。

依据提出的要求，我们需要解决的关键是对机械手的上升，下降，左转，右和夹紧，松开的执行；对传送带A拖动饮料瓶到指定位置的控制；对传送带B拖动空箱到指定位置的控制；以及传送带A制动后机械手的运行，对这一循环的计数和传送带B的运动，怎么使其形成一个循环的过程；对机械手和传送带的控制还应该设置报警功能；同时机械手，传送带A和传送带B应有独立点动控制，以便于调试和维修；最后还要对机械手运送的产品进行指定数量的检测。

对于传送带的控制可采用步控指令实现步进控制；而对于传送带的独立点动控制可设置一个手动控制按钮，当其按下时，系统可进行独立点动控制。

对于PLC这些都可通过软件完成要求；其中需要用传感器来进行位置检测和产品计数。

第2章控制系统的设计
2.1 方案论证
2.1.1采用传统继电————接触器电气控制系统
由于继电—接触器电气控制线路简单，价格低廉，多年来在各种生产机械的电气控制领域中，应用十分广泛，而且技术上也十分成熟，因此受到大力推广。

但是在一些较为复杂的控制系统中，特别是涉及到时序控制的自动控制系统，必须使用大量的中间继电器、时间继电器、接触器等，而且控制线路复杂、器件多、接点多，因而在这类控制系统中可靠性低、可维护性差。

2.1.2 采用PLC可编程序控制器控制系统
PLC可编程序控制器其实就是工业控制计算机，用以取代传统的中间继电器、时间继电器、计数器等，并具有一切计算机控制系统的功能。

目前PLC已成为工业控制的标准设备，其应用面几乎覆盖了整个工业企业，广泛应用于化工、石油等企业的现代过程控制中。

2.1.3 方案比较与选择
采用传统据电—接触器电气控制系统，虽然价格低廉，但大量的中间继电器、时间继电器，使得线路复杂、器件多、接点多、可靠性低，而且一旦出现故障，检修困难。

用于自动控制系统中，其反应时间、跟踪能力差，有可能使得系统不能正常运行。

而采用PLC可编程序控制器，其优点如下：
（1）具有高可靠性。

PLC除采用优质器件等外，在硬件方面采用了较先进的电源，用以防止由电源回路串入干扰。

其内部采用了电磁屏蔽，以防辐射干扰。

而外部输入/输出电路则一律采用光电隔离，加上常规滤波和数字滤波；软件方面设置了警戒时钟WDT、自诊断等措施。

因而使得PLC的平均无故障时间达到30万小时，被称为“永远不坏的控制器”，因而可靠性优于传统继电—接触器电气控制系统。

（2）灵活性高、扩展性好、通用性强。

它采用程序使得硬件软件化，对于不同的控制系统，只需改变程序即可，因而通用性强。

而且现场接口容易，设计周期短。

（3）功能强。

PLC具有自诊断、监控和各种报警功能既可完成过程控制，又可进行闭环回路的调节控制，而且在将来的工控领域，可以说是无所不能。

由于生产线上的恶劣环境和电磁干扰，一般的电子仪器都会受到干扰。

而PLC是从取代工厂内继电器线路、进行顺序控制发展开来的工业控制产品。

PLC 由于具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，以及编程简单，维护方便，通讯灵活等优点。

在电器控制系统中得到广泛应用。

PLC不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成定时、计算、计数和各种闭环控制功能。

整个控制系统利用PLC的控制实现了空箱传送、产品运输、产品计数等功能。

并且有手动控制和自动控制两种控制方式。

在生产线自动装箱控制的控制系统应用，可使生产线的控制更加灵活、可靠。

进而提高生产效率，突现节约用工，改善工人工作环境，减轻工人劳动强度，节约材料消耗和用工。

因此，本文选择PLC控制系统。

2.2 PLC的硬件结构及工作原理
PLC采用的是典型的计算机结构，主要包括CPU,RAM,ROM和输入、输出接口电路等。

其内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。

如果把PLC看作一个系统，该系统由输入变量→PLC→输出变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测信号等均作为PLC的输入变量，它们经PLC外部输入端子输入到内部
寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算、处理后送到输出端子，作为PLC的输出变量，对外围设备进行控制。

PLC的一般内部逻辑结构框图如图2-1 所示。

图2-1 PLC的逻辑硬件结构框图
2.2.1 PLC控制系统组成
①输入部分：如按钮开关、限位开关等，直接与PLC输入端子相连接，用以产生
输入控制信号，这些信号一般来自操作台上的人工指令。

②控制部分:反复执行根据被控对象的实际控制要求所编制的处理程序，并产生各种输出号。

③输出部分:如接触器、电磁阀等，它们与PLC输出端子相连接，用以控制被控对象的动作。

2.2.2 PLC的工作过程
①输入处理:PLC以重复扫描方式执行用户处理程序，在执行程序前首先按地址编码顺序将所有输入端子的通断状态(输入信号)读入输入映象寄存器中，然后开始执行用户处理程序.在执行过程中，即使输入信号发生变化，输入映象寄存器的内容也不变，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才重新读取输入状态。

②程序控制:在程序执行阶段，PLC顺序扫描用户程序，每执行一条程序所需要的信息都从输入映象寄存器和其他内部寄存器中读出并参与计算，然后将执行结果写入有关输出映象寄存器中。

③输出处理:当全部指令执行完毕后，将输出映象寄存器中的状态全部传送到输
出锁存寄存器中，构成PLC的实际输出并由输出端子送出。

随着微电子技术的发展，可编程序控制器（PLC）以微处理器为核心，适用于开关量、模拟量和数字量的控制，已进入过程控制和位置控制等领域，成为一种多功能、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机。

2.3 控制系统构成图和工作流程
2.3.1 控制系统构成图
生产线自动装箱的PLC控制系统图如图2-2所示。

图2-2 生产线自动装箱的PLC控制系统图
2.3.2 控制系统工作流程
1 按下启动按钮后，传送带A运行直到光电开关PS1检测到饮料瓶，才停止。

2 传送带A停止后，机械手下降。

下降到位后机械手夹紧饮料瓶，2s后开始上升，而机械手保持加紧。

上升到位右转，右转到位下降，下降到位机械手松开，将饮料瓶放进B传送带上的空箱内，2s后机械手上升。

上升到位左转，左转到位下降，开始下一循环，用PLC作计数控制，对机械手这一循环计数。

3 计到24次循环后，传送带B开始运行，当PS2检测到下一空箱后，传送带B 停止。

4 上述过程周而复始的进行，直到按下停止按钮，传送带A和传送带B同时停止。

其工作流程图如图2.3所示。

5 当按下手动选择按钮后，系统停止上述的自动控制运行，而可以手动进行
控制传送带A和传送带B的运行，以便于调试和维修。

2.4 控制系统硬件设计
根据自动装箱系统的控制要求,系统应有手动控制和自动控制功能。

为了避免意外事故或故障的发生，系统设有报警器。

系统的具体设计过程如下：（1） I/O点数的估算
系统输入信号：
自动控制按钮，需要1个输入端；
手动控制按钮，需要1个输入端；
停止按钮，需要1个输入端；
手动控制时，传送带A和传送带B独立点动控制按钮需要2个输入端；
产品数量检测信号SQ1和空箱位置检测信号SQ2，需要2个输入端；
机械手的上升下降，左移右移，夹紧放松，需要6个输入端；
故障报警消音按钮，需要1个输入端。

以上共需14个输入信号点。

系统输出信号：
机械手的上升下降，左移右移，夹紧放松，需要5个输出端；
传送带A和传送带B，需用2个控制输出端；
系统上电指示和手动指示、装箱指示需要3个输出端；
一个报警器，需要1个输出端。

以上共需11个输出信号点。

（2）用户应用程序占用内存大小的估算
用户应用程序占用多少内存与I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等因素有关，因此在程序设计之前只能粗略地估算。

根据经验，此应用程序占用内存的大小可作如下估算：
开关量输入：8*10=80字节；
开关量输出：6*8=48字节；
定时器/计数器：（2*3+1*3）=9字节。

共计137字节，在加上程序存储空间和备用存储空间，初步估计共需1K字节。

（3） PC型号的选择
因为本系统是对开关量进行控制的应用系统，而且对控制速度要求不高，所以可选用西门子S7-200系列的CPU226型可编程控制器PLC作为控制核心，该单
元为40点I/O，24点输入，16点输出，所以满足系统输入、输出点需要。

西门子S7-200系列CPU224型 PLC的特点：
·高速计数器能方便的测量高速运动的加工件。

·扩展能力增强，最大到12ch的模拟量。

·带高速扫描和高速中断的高速处理。

·可方便的与西门子的可编程序终端(PT)相连接，为机器操作提供一个可视化界面。

·可进行分散控制和模拟量控制。

·通讯功能增强，提供内置RS232C端口及RS485的适配器。

西门子小型系列PLC具有优异的性能价格比，所组成的控制系统具有如下技术特点：
·稳定的性能西门子系列PLC外型小巧结构紧凑，西门子公司长期积累的生产控制经验和严格的技术标准保证了其可靠稳定的性能，即使在恶劣的工业环境下仍然能正常运行。

更经过高低温的考验，使得该PLC可以适用在特殊的场合。

·通讯功能增强提供内置的RS232C端口和RS422端口。

西门子完全开放的通讯协议可以方便的实现上位机远程监控功能，用户可以随心所欲自己定制开发通讯监控系统。

·高速的程序执行速度更快的程序指令执行速度，使得控制过程精确无误。

（4）系统I/O点的分配
系统I/O点的分配如表2-3所示。

图2-3系统I/O点的分配如表
系统输入/输出接线图如图2-4所示。

原点
上升
下降
左移
右移
夹紧与松开
传送带A输出
传送带B输出
指示灯
图2-4 系统输入/输出接线图
（5）传感器的选择
近年来，随着生产自动化程度的提高，光电传感器的功能不断完善，现已成为与PLC相配套的系列产品，广泛用于自动包装、打胶、罐装、以及自动装配流水线。

针对本文设计要求，我们可采用光电开关来对产品计数和空箱到位检测。

这类光电传感器利用光电元件受光照或无光照时“有”“无”电信号输出的特性将被测量转换成断续变化的开关信号。

为此，要求光电元件灵敏度高，而对光照特性的线性要求不高。

这类传感器主要应用于零件或产品的自动记数、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光电编码器以及光电报警装置等方面。

光电开关可分为两类：透射型和反射型两种。

透射型光电开关是由分离的发射器和接收器组成并相对放置。

发射器发射的红外线直接照射到接收器上，当有物品通过时，将红外线光源切断遮挡住了，接收器收不到红外光，于是就发出一个信号。

可用于产品计数。

反射型光电开关的接收部分和发射部分合做在一起，利用物体对发射部分发射出的红外线反射回去，由接收部分接收，从而判断是否有物体存在。

当有物体通过，接收器接收不到红外光，于是就发出一个信号。

可用于空箱是否到位检测。

当采用接近开关、光电开关等两线式传感器时，由于传感器的漏电流较大，可
能出现错误的输入信号而导致PLC的误动作，此时可在PLC输入端并联旁路电
阻Ｒ，如图2-5所示。

当漏电流不足lmA时可以不考虑其影响。

图2-5 PLC与光电开关的连接
反射式光电传感器的工作原理如图2-6所示。