基于PLC的郵件分揀機控制系統(tǒng)設計

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1、圖書分類號： 密 級： 畢業(yè)設計(論文) 基于PLC的郵件分揀機控制系統(tǒng)設計 MAIL SORTING MACHINE BASED ON PLC CONTROL SYSTEM DESIGN 學生姓名 學院名稱 信電工程 學號 班級 專業(yè)名稱 電氣工程及其自動化 指導教師 2014年 5月 23日 徐州工程學院學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明： 所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用或參考的內容外，本論文不含任何其他個人或集體已

2、經發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標注。 本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 論文作者簽名： 　　 　　日期： 年 月 　日 徐州工程學院學位論文版權協(xié)議書 本人完全了解徐州工程學院關于收集、保存、使用學位論文的規(guī)定，即：本校學生在學習期間所完成的學位論文的知識產權歸徐州工程學院所擁有。徐州工程學院有權保留并向國家有關部門或機構送交學位論文的紙本復印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱。徐州工程學院可以公布學位論文的全部或部分內容，可以將本學位論文的全部或部分內容提交至各類

3、數(shù)據(jù)庫進行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 論文作者簽名： 導師簽名： 　　 日期： 年 月　 　日 日期： 　　 年 　月　 　日 摘要 本論文利用PLC對分揀系統(tǒng)進行控制設計，擺脫了使用繼電器進行分揀的系統(tǒng)，缺乏較好的穩(wěn)定性，適應性不夠強，且不能滿足特殊的控制要求等缺陷，實現(xiàn)了對郵件進行自動分揀的主要目標。本論文充分利用了可編程邏輯控制器的優(yōu)秀性能，設計出了具有運行穩(wěn)定、故障率低等優(yōu)勢的系統(tǒng)。 本論文首先介紹了論文題目的起源及其背景資料

4、、訂立的系統(tǒng)實施方案、設計思想和合理性推斷；隨后對系統(tǒng)開始進行硬件選型、硬件電路設計，軟件程序設計，并繪制了梯形圖；接下來又對系統(tǒng)進行調試以確定其可行性，然后利用MCGS組態(tài)軟件對整個系統(tǒng)進行組態(tài)仿真；最后，本論文對全部的設計內容和結果進行總結陳述。 關鍵詞 可編程邏輯控制器（PLC）；郵件分揀 Abstract Using PLC to design sorting system gets rid of the defect of using relay for sorting system lack of stability a

5、nd adaptability, and can not meet the requirement of the special control. And PLC sorting system realizes the main target for automatic sorting mail. This paper makes full use of the excellent performance of Programmable Logic Controller to design a system which has advantages of stable operation an

6、d low failure rate. This article firstly introduces the origin and background of the topic of the thesis, and then establishes a system implementation scheme, design idea and rationality of inference. Secondly the system starts hardware selection, hardware circuit design, software program design,

7、and draws the ladder diagram. Then the system debugging is carried out to determine the feasibility, and then the thesis using the MCGS configuration software makes configuration simulation of the whole system. Finally, this article summarizes the result of the total design content and presentation.

8、 Keywords Programmable Logic Controller (PLC) sorting mail 目 錄 1緒論 1 1.1選題的研究背景和研究意義 1 1.2郵件分揀系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1 1.3本設計的主要研究內容 2 2總體設計方案 3 2.1控制要求分析 3 2.2 可編程邏輯控制器（PLC）介紹 3 2.2.1 PLC的硬件構成 3 2.2.2 PLC的特點 4 2.2.3 控制系統(tǒng)的PLC工作流程 5 3系統(tǒng)硬件設計 6 3.1 PLC控制系統(tǒng)設計的基

9、本原則 6 3.2 PLC控制系統(tǒng)設計的一般步驟 6 3.3元件選擇及電器功能說明 7 3.3.1系統(tǒng)元件總覽 7 3.3.2 PLC的選型 8 3.3.3驅動元件的選擇 8 3.3.4傳感器的選擇 9 3.3.5條形碼掃描器 10 3.3.6撥碼器 10 3.3.7其他元器件選擇 10 3.4郵件分揀系統(tǒng)的主電路圖 11 3.5 PLC的硬件接線圖 12 3.6 I/O地址分配 12 4郵件分揀系統(tǒng)的程序設計 14 4.1 PLC編程軟件 14 4.1.1編程語言 14 4.1.2 STEP7-Micro/WIN編程軟件 14 4.2郵件分揀系統(tǒng)的控制要求

10、15 4.3程序流程圖 15 4.4郵件分揀系統(tǒng)的PLC程序編寫 16 5系統(tǒng)調試 20 5.1系統(tǒng)調試結果 20 5.2調試中遇到的問題 23 6組態(tài)軟件 25 6.1 MCGS組態(tài)簡介 25 6.2 PLC與組態(tài)軟件的連接 25 6.3 組態(tài)設計 25 6.3.1主控制窗口設計 25 6.3.2組態(tài)仿真 26 結論 31 致謝 32 參考文獻 33 附錄 34 1緒論 1.1選題的研究背景和研究意義 現(xiàn)代化的社會生活離不開郵政工作。由于人們生活水平的不斷提高，

11、社會的快速進步，郵政工作也變得越來越復雜化。郵件分揀系統(tǒng)在最早的時候完全是由人力作業(yè)的系統(tǒng)。系統(tǒng)在工作時是由人工提取、人工搬運來進行貨物的分類與運送。這種系統(tǒng)的分揀效率不高，且出錯率較高，無法適應目前郵件分揀的快速度和高準確性的要求。因此，為了改變這種情況，以實現(xiàn)郵件分揀作業(yè)的智能化，提升郵件的分揀速度，減少多余的人力，適應現(xiàn)代化社會的發(fā)展需求，從而依靠自動控制系統(tǒng)來實現(xiàn)郵件自動分揀這一新興工程誕生了。由于科技的快速進步，各類自動化機械設備在分揀系統(tǒng)中開始被啟用。信息的傳遞和處理出現(xiàn)了以計算機控制技術為主要方式的時代。郵件分揀系統(tǒng)的最重要的設計要求就是時刻把握住機械化、自動化和智能化這三點自動

12、化設計的方向和準則。 伴隨著計算機控制技術的迅猛發(fā)展，可編程邏輯控制器（PLC）開始登上了歷史大舞臺，其功能也在短短的幾十年時間內發(fā)展得越來越多樣化。可編程邏輯控制器是一種把微處理器作為其核心，將微機控制技術、自動化技術以及通信技術進行綜合性研發(fā)而成的新興工業(yè)自動控制設備。在實際應用上，PLC有著遠超同類設備的巨大優(yōu)越性，它具有穩(wěn)定性強，抗干擾能力強；適用范圍廣泛，應用方式靈活多變；程序編寫簡單，容易應用；功能完善，擴展功能強大；控制系統(tǒng)設計、調試、安裝方便快捷；體積小，易于滿足機電一體化的要求等特點。與目前的工控自動系統(tǒng)中的其他具有類似功能的硬件相比較，可編程邏輯控制器的地位已開始逐漸上升

13、，它越來越被設計人員所喜愛，逐步成為最重要、最被廣泛應用的工控裝置，PLC應用的寬度和廣度已經逐漸成為評定某個國家的工業(yè)自動化水平高低的標準之一。 1.2郵件分揀系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 近年來郵政行業(yè)發(fā)生了翻天覆地的巨大變化。郵政通信的技術復雜化程度不斷增漲，郵件分揀已基本實現(xiàn)了機械化，正在朝著自動化的方向挺進，利用機械實現(xiàn)郵件的自動分揀則是其中的關鍵。我國的郵件分揀研究于20世紀70年代中后期開始起步，40多年來，科研工作者們在世界分揀技術的發(fā)展進程中不斷有了革命性的進展?，F(xiàn)在已經得到普遍應用的郵件分揀機一小時的額定分揀量約為4萬到5萬封信。 郵件自動分揀系統(tǒng)的誕生提高了郵政工作的效率，

14、并減少了出錯率。郵件分揀系統(tǒng)的優(yōu)勢有以下的幾個方面： 1.分揀誤差率低。分揀的誤差率越低，則分揀的準確性越高，分揀系統(tǒng)越可靠。分揀信息的輸入機制在很大的程度上決定了郵件分揀系統(tǒng)的分揀準確度。假如采用人工鍵盤或者語音識別的方式進行信息輸入，那么出現(xiàn)誤差的概率在4.0%左右；如果采用掃描條形碼的輸入方式，除非條形碼的印刷出現(xiàn)了差錯，不然將不會出錯。因此，在目前的郵件自動分揀系統(tǒng)中，條形碼技術逐步代替了原始的輸入方式來實現(xiàn)郵件的分揀作業(yè)。 2.能長時間、大批量作業(yè)。由于流水線自動作業(yè)方式已經被設計者們由工業(yè)自動化生產中逐漸地移植到了郵件分揀系統(tǒng)中，因此目前的郵件分揀系統(tǒng)可以克服氣候因素、時間因

15、素、人為因素等限制在較長的時間內連續(xù)運行。同時由于郵件自動分揀系統(tǒng)在單位時間內分揀數(shù)量大，因此可以實現(xiàn)大批量分揀。 3.分揀作業(yè)人工需求量小。提高郵件分揀的自動化水平是為了簡化生產工作流程、減少工作的人數(shù)，減輕員工的工作強度，而這個目標也就是設計者創(chuàng)立自動分揀系統(tǒng)的初衷。因此目前的郵件分揀系統(tǒng)已經逐步實現(xiàn)了提升人員工作效率，長效無人作業(yè)的目標。 1.3本設計的主要研究內容 本課題需要實現(xiàn)利用PLC對郵件自動分揀系統(tǒng)控制過程進行設計，并使用實驗室的郵件分揀模塊對系統(tǒng)進行調試以確保程序的可行性，最后再對系統(tǒng)進行組態(tài)驗證。在本設計中需要完成的研究內容如下： (1)系統(tǒng)運行的原理設計； (

16、2)選擇正確的元器件型號以及正確分配輸入輸出量； (3)對PLC控制程序進行梯形圖的設計； (4)硬件的安裝與PLC程序的調試； (5)運用MCGS組態(tài)對郵件分揀系統(tǒng)進行組態(tài)驗證。 2總體設計方案 M4 M5 郵件 SP1 SP2 SP3 SP4 M1 M2 M3 一區(qū) 二 區(qū) 三區(qū) 四區(qū) 2.1控制要求分析 郵件檢測 啟動 L2 L1 錯誤提示 進郵件

17、 圖2-1 郵件分揀系統(tǒng)模擬圖 如圖2-1所示，M5是控制傳送帶運行的電動機。M1~M4是四個推桿電動機，分別用來控制四個推桿對各個地區(qū)的郵件進行分揀。一區(qū)~四區(qū)的郵箱分別代表了4個不同的分揀區(qū)域，用來裝入對應地區(qū)的郵件。SP1~SP4是用來控制4個地區(qū)推桿電動機動作的接近開關。L1為進郵件提示燈，L2為無效郵碼提示燈。 2.2 可編程邏輯控制器（PLC）介紹 2.2.1 PLC的硬件構成 PLC主要由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入單元與輸出單元、通信接口、擴展接口等部件構成。在這些組成部件之中，核心部件是CPU。連接CPU與生產現(xiàn)場的輸入以及輸出端口的

18、組成部件就是輸出單元以及輸入單元。通信接口則是連接上位機、編程器等控制設備的端口。 1.中央處理單元（CPU） PLC的核心部件就是CPU。不同型號的PLC的CPU屬性往往是不同的，在PLC控制系統(tǒng)運行的過程中，CPU按照編寫好的程序指令，安排PLC進行有序的工作。 2．存儲器 存儲器主要分為兩大類。第一類是可讀/寫的隨機存儲器，第二類是只讀存儲器。存儲器是PLC的主要構成元件之一，它是主要用來實現(xiàn)存放用戶編寫的程序和工作時產生的數(shù)據(jù)的功能元件。 3．輸入/輸出單元 輸入/輸出單元通常也被稱作為I/O單元或I/O模塊。PLC通過輸入接口可以接收受控對象的數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)作為對受控

19、對象進行控制的根據(jù)。系統(tǒng)工作結束后，PLC會將已經被處理完畢的結果通過輸出接口傳輸?shù)绞芸貙ο笾?，以此來完成控制過程，以達到控制要求。 4．通信接口 PLC配備有多種通信接口，大部分通信接口都裝備著通信處理器。通信接口是PLC用來與監(jiān)視器、打印機、微機等設備通信的部件。PLC與監(jiān)視器連接，可以把控制的運行過程通過能流圖的方法表現(xiàn)出來。 2.2.2 PLC的特點 一、器件結構簡易，使用方便。由于PLC產品的系統(tǒng)化和集成化，PLC提供種類齊全的硬件裝置讓用戶來選擇。當受控對象的硬件設置完成后，就可修改程序以適應控制要求的變化。 二、功能強大，適應性強。最新的PLC同時擁有邏輯運算、順序控

20、制、計時、計數(shù)、D/A和A/D的轉換以及數(shù)據(jù)處理等功能。它既可對數(shù)字量進行控制，也可對模擬量進行控制。它既可控制單一的生產機械和生產線，也可以控制單一的生產過程。 三、穩(wěn)定性強。使用繼電器和開關控制的郵件分揀系統(tǒng)雖然也具有比較好的抗干擾能力，但是這類控制系統(tǒng)運用了大量的機械觸頭，使得設備的連線非常繁瑣復雜，器件長時間的使用無法避免地會造成器件的損耗，這會極大地降低系統(tǒng)的可靠性。然而PLC運用微電子技術，開關的動作由不包含觸點的電子存儲器來動作，因此絕大部分的繼電器和紛繁復雜的接線被編寫的程序所替代，所以此系統(tǒng)的壽命極大增漲，可靠性也就極大地提高。 三、系統(tǒng)的設計、安裝、調試方便快捷。PLC

21、使用軟件程序替代了使用繼電器控制的系統(tǒng)中的絕大部分控制硬件，還擁有非常齊全的模塊化結構，同時由于其使用用戶編寫的程序來取代絕大部分的硬件控制來實現(xiàn)其功能，這使得安裝時的接線工作量極大地減少。所以只需要一臺PLC和電腦就可以完成對用戶程序的調試與仿真，但是繼電器開關的系統(tǒng)則需要在生產現(xiàn)場進行實時調試，不僅工作量非常大而且出錯率較高，不便于控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。 四、器件體積小，質量輕，功耗低。因為PLC是將微電子技術運用在工業(yè)生產中的設備，并且它擁有結構緊密、體積小、質量輕、功耗低的優(yōu)勢，同時還具有良好的適應環(huán)境變化的能力，因此PLC可以非常方便地安置在設備的內部，從而更加容易實現(xiàn)設備的機電一體化要

22、求。 2.2.3 控制系統(tǒng)的PLC工作流程 PLC的工作原理用一句話來概括就是 “順序掃描，連續(xù)循環(huán)”。在本系統(tǒng)中，通過掃描器、撥碼器、啟動和復位開關以及接近開關對分揀信息進行采集與輸入，再通過PLC對接觸器和指示燈進行控制。結合上述設想的控制功能，PLC的工作流程圖如圖2-2所示： PLC 接觸器 狀態(tài)顯示 開關量輸入模塊 啟動開關 復位開關 掃描器 撥碼器 接近開關 圖2-2 控制系統(tǒng)的PLC工作流程圖 3系統(tǒng)硬件設計 3.1 PLC控制系統(tǒng)設計的基本

23、原則 設計者們在對控制系統(tǒng)進行設計時必須遵循要盡量滿足被控對象的控制要求這一客觀要求。因此，設計者們在使用PLC對控制系統(tǒng)進行設計時，應當遵循以下幾條原則： 1.盡量滿足被控對象的控制要求 滿足受控對象的控制要求是設計系統(tǒng)的客觀前提，只有設計出符合實際要求的系統(tǒng)才具有現(xiàn)實生產的實際意義。因此，設計人員在開始設計之前就必須對被控對象進行深入研究，收集被控對象的相關資料。 2.確保PLC控制系統(tǒng)的可靠性 能夠進行較長時間工作的，安全穩(wěn)定地運行的PLC控制系統(tǒng)才具有可供生產運用的實際意義。因此，設計人員在系統(tǒng)設計、系統(tǒng)元件的選擇、編寫程序上要全方位地考慮，來確?？刂葡到y(tǒng)的可靠性。 3.力

24、求簡單、高效以及便宜 一個PLC控制工程可能能夠提高產品的效能，帶來相當?shù)慕洕蜕鐣б?，但是一個新工程的投資也會導致投入資金的增長。因此，在滿足控制要求的基礎上，首先要注意不斷地提高工程的收益，然后也需要爭取降低設計的成本。這就需要設計人員不僅要設計出簡單、經濟的控制系統(tǒng)，而且需要設計出使用簡潔、維護方便、成本低廉的控制系統(tǒng)。 4.適應發(fā)展的需求 因為科學技術的快速發(fā)展，控制系統(tǒng)的設計要求也在相應地提高，所以設計者們在設計的時候要適時地考慮往后控制系統(tǒng)的發(fā)展和更新的需求。這就要設計者們在對PLC元件進行選型、確定輸入以及輸出模塊、分配I/O接口和計算內存容量的時候，要適當?shù)亓粝略Ａ浚?/p>

25、便滿足往后發(fā)展的要求和工藝的進步。 3.2 PLC控制系統(tǒng)設計的一般步驟 1.分析被控對象并提出控制要求 仔細分析受控對象的工作要求和控制需求，理解被控對象內部的配合，提出被控對象對控制系統(tǒng)的控制需求，確立設計方案，擬定設計任務計劃書。 2.確定輸入與輸出設備 根據(jù)所要實現(xiàn)的系統(tǒng)的控制要求，來確立系統(tǒng)中所需要的輸入設備和輸出設備，接著擬定與PLC相連的輸入以及輸出設備，最終確定PLC的I/O接口分布圖。 3.選擇PLC 根據(jù)系統(tǒng)提出的要求對PLC的機型、容量、I/O模塊、電源等具體要求進行選擇。 4.分配I/O接口并設計PLC外部硬件線路圖 （1）分配I/O接口 確立PLC

26、的I/O接口與輸入/輸出設備的連接圖或對應的分布圖，該步驟也可以在第2步中就進行。 （2）設計PLC外部硬件線路 設計出系統(tǒng)剩余部分的電氣線路圖，包括了主電路圖與PLC外圍的控制電路圖。到此為止，就基本完成了對控制系統(tǒng)的硬件電氣設計。 5.程序設計 （1）程序設計 根據(jù)系統(tǒng)提出的控制要求，運用適當?shù)脑O計方式來設計PLC的梯形圖程序。設計出來的程序要必須滿足系統(tǒng)的控制要求，在此前提下設計者對系統(tǒng)的各個控制功能進行逐一編寫，然后逐步地完善系統(tǒng)所要求的功能。 （2）程序模擬調試 程序模擬調試就是用各種元器件或者仿真和組態(tài)軟件模擬現(xiàn)場的實際情況，為程序的運行創(chuàng)造出一定的實現(xiàn)環(huán)境。根據(jù)生產

27、現(xiàn)場的實現(xiàn)方式的不同，模擬調試分為硬件模擬調試法和軟件模擬調試法這兩種實現(xiàn)方式。 3.3元件選擇及電器功能說明 3.3.1系統(tǒng)元件總覽 系統(tǒng)中所需要用到的元件如表3-1： 表3-1 系統(tǒng)元件選擇 序列 名稱 型號 數(shù)量 1 PLC CPU-226 1 2 電動機 Y2-63M1-4 5 3 傳送帶 DV60 1 4 啟動/復位按鈕 LA23-D-GW 2 6 指示燈 XDN1-24 2 7 熔斷器 TRF250-800 15 8 交流接觸器 3TB40 5 9 快速斷路器 DZ47-60 1P 1A 1 10

28、熱繼電器 NR2-25G/Z 0.5A 5 3.3.2 PLC的選型 本設計根據(jù)控制要求需要11個輸入點和11個輸出點，因此本設計選擇西門子S7-200系列的CPU-226型PLC。 這個型號的PLC擁有24個輸入、16個輸出的數(shù)字量I/O接口，256個定時器，足夠滿足本設計的硬件配置要求。在對元器件進行選型的時候需要注意，CPU-226型PLC的輸出口是繼電器型，因此可以既可以接交流負載也可以接直流負載。 3.3.3驅動元件的選擇 驅動系統(tǒng)是一種由驅動元件來進行傳動的組合裝置。驅動系統(tǒng)可以根據(jù)其使用的動力源的區(qū)別，而被分為液壓、氣壓、電氣和機械等多種傳動方式。 表3-2 各種

29、控制方式的比較 項目 氣壓傳動 液壓傳動 電氣傳動 機械傳送 系統(tǒng)結構 簡單 復雜 復雜 較復雜 安裝自由度 大 大 中 小 輸出力 稍大 大 小 不太大 定位精度 一般 一般 很高 高 動作速度 大 稍大 大 小 通過表3-2可知，電氣驅動的精確度最高，郵件分揀系統(tǒng)的精確度較高，因此本文選擇電氣傳動的驅動方式。 電氣傳動中需要考慮的是電動機的選擇，本設計中需要選擇2種電動機。第一種電動機需要控制傳送帶的運動，由于郵件的質量一般不超過70Kg，傳送帶的摩擦系數(shù)一般取0.3，假設傳送帶移動速度為0.2 m/s，可以根據(jù)式(3.1)求

30、出負載功率為41.16 W。 式（3.1） 式中 ——表示傳送帶平移作用力； ——表示傳送帶平移速度； ——表示傳送帶摩擦因數(shù)； ——表示郵件質量； ——表示重力加速度。 在查詢了小型三相異步電動機的型號后，本論文先選擇了Y2-63M1-4型三相異步電動機。此型號的電動機性能如表3-3所示，其效率為0.57，一般的傳送帶系統(tǒng)的傳動效率為0.8，由式（3.2）可求得為90.26 W。由于此電動機需要頻繁啟動，因此在選擇電動機的功率上要選擇較大一點的電動機，一般選擇1.2倍的電動機，而Y2-63M1-4型三相異步電動機的額定

31、功率為120W，滿足設計的要求。 式（3.2） 式中 ——表示電動機的效率； ——表示傳送帶系統(tǒng)的傳動效率。 在選擇電動機的型號時還需要檢驗電動機的轉矩是否滿足等效負載轉矩的要求。可以根據(jù)式（3.3）求出電動機的等效負載轉矩為0.35Nm，而Y2-63M1-4型三相異步電動機的額定轉速可根據(jù)式（3.4）求得為0.83 Nm，完全滿足本設計的要求，因此本設計選擇了Y2-63M1-4型三相異步電動機。 表3-3 Y2-63M1-4型三相異步電動機性能表 型號 額定功率

32、 額定電流 轉速 效率 功率因數(shù) 最大轉矩 最小轉矩 堵轉轉矩 額定轉矩 額定轉矩 額定轉矩 kW A r/min % 倍 倍 倍 Y2-63M1-4 0.12 0.4 1370 57 0.72 2.2 1.7 2.1 式（3.3） 式中 ——表示電動機轉子轉速。 式（3.4） 式中 ——表示電動機的額定功率； ——表示電動機轉子的額定轉速。 第二種電動

33、機用于控制分揀推桿，其選擇方法類似于第一種電動機。假設推動速度為0.2 m/s，郵件與傳送帶的摩擦因數(shù)為0.3，推桿系統(tǒng)的傳動效率一般為0.8，可以根據(jù)式（3.1）求出負載功率為41.16W，所以本設計選擇了Y2-63M1-4型三相異步電動機。同時還要檢驗電動的轉矩是否符合等效負載轉矩的要求，由式（3.3）可以求得等效負載轉矩為0.35 Nm，因此本設計選擇了Y2-63M1-4型三相異步電動機。 綜上所述，本論文的系統(tǒng)一共需要5臺Y2-63M1-4型三相交流電動機。 3.3.4傳感器的選擇 傳感器是一種檢測被測對象的各種物理量的狀態(tài)變化，再將這種狀態(tài)變化量轉化為電信號的電氣元件。它主要的

34、使用范圍有檢測系統(tǒng)與作業(yè)的對象、工作環(huán)境的狀態(tài)，為準確地控制系統(tǒng)的工作提供相應的信息。 在本設計中，需要用到接近開關。由于郵件檢測的實物要求，接近開關必須要能準確地識別紙制、塑料、金屬等屬性的材料，同時由于只有當郵件通過時接近開關才會動作，所以輸出方式必須是常開型。因此，本設計選用了CP-18R8DN型接近開關。 CP-18R8DN型接近開關是一種圓柱形電容式交流接近開關，感應距離為8mm，可感應非金屬材料，輸出方式為常開型，工作電壓為交流24V。 3.3.5條形碼掃描器 在對郵碼進行檢測時要使用掃描器。掃描器是一種自身可以發(fā)射光線去照射郵件上的郵碼，然后利用光電轉換器來接收郵碼的反射

35、光線，并將反射光線的亮暗區(qū)別轉換為數(shù)字信號進行處理的裝置。由于在對郵件上的郵碼進行檢測的過程中，郵件的大小形狀、包裹方式、郵碼位置等不盡相同，因此，本設計選用了LS 6004-I000型全方位掃描器。 3.3.6撥碼器 撥碼器將條形碼掃描器傳輸過來的信號進行數(shù)字過濾，以便實現(xiàn)穩(wěn)定的信號輸出，以此來完成數(shù)字信息的轉換，從而傳輸?shù)絇LC中進行精準的控制。 本設計選用DS-05型撥碼器，此種撥碼器有5個撥碼開關，工作電壓直流24V，額定電流0.025A，足夠滿足本設計的要求。 3.3.7其他元器件選擇 （一）接觸器的選擇 接觸器是一種利用電磁感應來對電動機進行控制的元器件。在選擇接觸器的

36、型號時，需要考慮接觸器觸頭的額定電流，額定電流是在大于8小時的運行情形下的接觸器的運行電流，一般按照負荷額定電流的1.5～2.0倍來選取。由于本設計選用的電動機的額定工作電流為0.4A，因此本設計選用了3TB40西門子交流接觸器，此接觸器主觸頭的額定工作電流為1A,主觸頭工作電壓為交流24V，滿足電動機的電流要求。 （二）熔斷器 熔斷器是一種用于過電流保護的保護元件，它串聯(lián)在線路中，當出現(xiàn)長時間的過電流時，高溫會融斷熔斷器的熔體以達到保護電路的目的。本設計選擇的電動機額定電流為0.4A，一般用來保護電動機的熔斷器的額定電流為負載額定電流的1.5～2.5倍。因此，本設計選擇了TRF250-8

37、00型熔斷器，額定電流為0.8A，最大工作電壓為250V，滿足設計要求。 （三）斷路器 斷路器是一種串聯(lián)在電路中，能夠對線路和電動機進行實時保護，在欠電壓和過電流等異常工作狀態(tài)時進行動作的保護元件。一般取負載額定電流的1.5～2倍，在需要頻繁啟動的電動機電路中則需要增加倍數(shù)。本論文選取DZ47-60 1P 1A型斷路器，此種斷路器動作電流為1A，工作電壓為220V～400V，滿足設計要求。 （四）熱繼電器 熱繼電器是一種通過流過的電流所產生的熱量使不同膨脹系數(shù)的金屬片發(fā)生不同程度的形變，以分斷接觸器控制電路來斷開主電路的電氣保護元件。熱繼電器的額定電流一般取1.2倍的負載額定電流，因此

38、本論文選擇了NR2-25G/Z 0.5A型號的熱繼電器，額定電流為0.5A，滿足設計要求。 3.4郵件分揀系統(tǒng)的主電路圖 根據(jù)控制要求設計出如圖3-1所示的主電路圖。系統(tǒng)是通過PLC對KM1~KM9這9個接觸器進行控制，進而控制M1~M5這5個電動機的正反轉以達到控制要求的。 圖3-1 主電路圖 3.5 PLC的硬件接線圖 根據(jù)控制要求可得PLC系統(tǒng)的I/O接線圖如圖3-2所示： 圖3-2 PLC的I

39、/O接線圖 3.6 I/O地址分配 本文分揀系統(tǒng)的I/O對應分配表如表3-3所示。由表可知，系統(tǒng)總共需要I/O端口數(shù)為11個輸入，11個輸出。 表3-4 分揀系統(tǒng)I/O口分配表 輸入 編號 輸出 編號 啟動 I0.0 紅燈L1提示進郵件 Q0.0 郵件檢測 I0.1 綠燈L2提示無效郵碼 Q0.1 撥碼器1號線 I0.2 1號電機正轉KM1 Q0.2 撥碼器2號線 I0.3 2號電機正轉KM2 Q0.3 撥碼器3號線 I0.4 3號電機正轉KM3 Q0.4 續(xù)表3-4 撥碼器4號線 I0.5 4號電機正轉KM4 Q0.5

40、 接近開關1（SP1） I0.6 5號電機正轉KM5 Q0.6 接近開關2（SP2） I0.7 1號電機反轉KM6 Q0.7 接近開關3（SP3） I1.0 2號電機反轉KM7 Q1.0 接近開關4（SP4） I1.1 3號電機反轉KM8 Q1.1 復位開關 I1.2 4號電機反轉KM9 Q1.2 4郵件分揀系統(tǒng)的程序設計 4.1 PLC編程軟件 4.1.1編程語言 梯形圖是一種PLC程序設計中常用的編程語言。梯形圖的優(yōu)點是：其具有廣泛的直觀性和對應性；與系統(tǒng)的繼電器控制的動作一致

41、，設計人員便于掌控。在運用梯形圖進行編程時需要注意其與原有的繼電器控制的區(qū)別，在梯形圖中的能流并不是通常意義上的電流，其內部的輔助繼電器也并不是實際存在著的繼電器。因此，設計人員在應用時需要注意區(qū)分其與繼電器控制的概念的異同。 4.1.2 STEP7-Micro/WIN編程軟件 STEP7-Micro/WIN編程軟件是西門子S7-200可編程邏輯控制器的配套編程軟件。STEP7-Micro/WIN的界面窗口如圖4-1所示。 主界面可以分成以下幾個模塊：瀏覽條、指令樹、數(shù)據(jù)塊、狀態(tài)圖、符號表、輸出窗口和程序編輯器。 圖4-1 STEP7-Micro/WIN軟件

42、的界面窗口 4.2郵件分揀系統(tǒng)的控制要求 按下啟動按鈕后5號電動機開始工作，傳送帶啟動，紅燈L1亮提示可以進入郵件，從撥碼器開始讀入郵碼，當1號信號線上有信號輸入則表示進入了1號郵件，當2號信號線上有信號輸入則表示進入了2號郵件，當3號信號線上有信號輸入表示進入了3號郵件，當4號信號線上有信號輸入則表示進入了4號郵件。如果是這4個區(qū)的郵碼中的任意一個，則紅燈L1熄滅，傳送帶將郵件傳送到對應1～4號郵箱位置處時接近開關有信號輸入，傳送帶停止，對應的推桿電動機將郵件推到對應的郵箱內，完成后推桿反轉回歸原位，傳送帶繼續(xù)啟動，L1燈亮，提示可以繼續(xù)放入郵件。如果郵碼錯誤，傳送帶停止，綠

43、燈L2閃爍提示無效郵碼，需要重新按下啟動按鈕系統(tǒng)才能繼續(xù)分揀。 4.3程序流程圖 本設計的程序流程圖如圖4-2所示： 郵件檢測 若可判別，L1熄滅，電動機5繼續(xù)運行 傳送帶停止，推桿電機啟動 L1亮，推桿電機反轉，傳送帶繼續(xù)啟動 不可判別，綠燈L2閃爍，電動機5停止運行 重啟 系統(tǒng)啟動，紅燈L1亮，電動機5運行 圖4-2 本設計的程序流程圖 4.4郵件分揀系統(tǒng)的PLC程序編寫 本論文的梯形圖程序編寫沒有用到子程序，所有的功能都在主程序中實現(xiàn)，并通過調試確保了程序的正確性與可行性，完整

44、的程序可參照附錄。 （一）系統(tǒng)啟動程序 如圖4-3所示：當按下啟動按鈕后，系統(tǒng)啟動并自鎖，紅燈L1點亮，提示可以進入郵件；當完成某一區(qū)的分揀后，L1重新點亮，提示可以進入郵件。 圖4-3 系統(tǒng)啟動程序 （二）傳送帶啟動程序 如圖4-4所示：當按下啟動按鈕（I0.1）時傳送帶啟動；當某區(qū)的郵件分揀結束后，推桿電動機開始反轉時，傳送帶重新啟動。 圖4-4 傳送帶啟動程序 （二）傳送帶停止程序 如圖4-5所示：按下復位開關時，傳送帶停

45、止；當各個區(qū)的接近開關有信號輸出時，傳送帶停止；當出現(xiàn)無效郵碼時傳送帶停止。 圖4-5 傳送帶停止程序 （三）郵碼信號自鎖程序 郵碼檢測信號的輸入和郵碼輸入信號是一個瞬時量而不是一個過程量。因此，本設計在每一個郵碼輸入后都加上了自鎖，再利用輔助繼電器實現(xiàn)對分揀系統(tǒng)的控制,同時為了使信號自鎖在下次郵碼輸入前清零，本設計又通過借用控制推桿電動機的定時器來分斷自鎖信號，如圖4-6所示就是將1區(qū)郵碼自鎖的梯形圖程序，其中T40是控制1區(qū)推桿電動機正轉時間的定時器。 圖4-6 1區(qū)郵碼自鎖的梯形圖程序 （四）1號推桿電動機正轉分揀程序 在完

46、成對1區(qū)郵碼信號的自鎖之后，傳送帶將郵件向前傳送，直到1區(qū)的接近開關感應到郵件后，傳送帶停止，1號分揀電動機啟動，計時器T40開始計時，4秒后完成對郵件的分揀，電動機的自鎖斷開，傳送帶重新運行，如圖4-7所示： 圖4-7 1號推桿電動機正轉分揀程序 （五）1號推桿電動機反轉程序 如圖4-8和圖4-9所示：當1號電動機完成對郵件的分揀后，接觸器的觸頭KM6合上，電動機開始反轉，4秒后停止。 圖4-8 1號推桿電動機反轉程序 圖4-9 1號推桿電動機反轉計時程序

47、（六）故障報警程序 本論文主要考慮了2種系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障情形：第一種，輸入的郵碼不是已知的郵碼中的任何一種；第二種，輸入的郵碼同時出現(xiàn)幾個區(qū)的郵碼。下圖（網(wǎng)絡25和網(wǎng)絡26）就是將2種故障情形合一而成的故障報警程序。郵碼檢測輸入后自鎖，直到1～4區(qū)的接近開關有輸入后解鎖。在推桿將郵件分揀之前，如果出現(xiàn)不滿足圖4-10所示的比較指令的信號則判斷為故障郵碼，傳送帶停止，L2閃爍。 圖4-10 無效郵碼故障處理梯形圖程序 5系統(tǒng)調試 5.1系統(tǒng)調試結果 （一）系統(tǒng)硬件連線圖 按照設計的硬件連接圖連接好實物如圖5-1，其中由于學校的郵件分揀模塊功能不能滿足本設計的需求，所以本設計

48、將推桿電機的反轉輸出（Q0.7-1.2）連接到紅綠黃3個燈管上。郵件分揀模塊上已經點亮的4盞紅燈表示電動機待機。 圖5-1 PLC硬件連接圖 （二）運用STEP7-Micro/WIN軟件對程序進行監(jiān)控如圖5-2所示： 圖5-2 程序實時監(jiān)測圖 （三）如圖5-3所示：按下啟動按鈕（I0.0），紅燈L1亮，提示可以放入郵件。 圖5-3 系統(tǒng)啟動工作圖 （四）如圖5-4所示：按下模擬郵件檢測的按鈕I0.1，L1熄滅，同時傳送帶電動機啟動。

49、 圖5-4 郵碼檢測信號輸入后系統(tǒng)狀態(tài)圖 （五）如圖5-5所示：按下按鈕2區(qū)郵碼I0.3，再按下接近開關I0.7，M2開始正轉分揀，傳送帶停止。 圖5-5 2區(qū)郵件分揀狀態(tài)圖 （六）如圖5-6所示：M2正轉結束后開始反轉，綠燈HL2亮，推桿回歸原位，傳送帶繼續(xù)啟動。 圖5-6 推桿電動機反轉示意圖 （七）2區(qū)推桿回歸原位后，L1重新點亮。其它3區(qū)的分揀過程同2區(qū)。當出現(xiàn)無效郵碼時，如圖5-

50、7所示：傳送帶停止，綠燈L2閃爍。 圖5-7 無效郵碼故障狀態(tài)圖 5.2調試中遇到的問題 （一）郵碼信號自鎖程序 在進行梯形圖程序的編寫過程中，剛開始本設計并沒有考慮到郵碼檢測信號的輸入和郵碼輸入信號是一個瞬時量而不是一個過程量，導致了程序在調試過程中必須要保持模擬按鈕一直接通，而這是不實際的也不合理的。因此，本設計在每一個信號輸入后都加上了自鎖，再利用輔助繼電器實現(xiàn)對分揀系統(tǒng)的控制。但是，在對信號進行自鎖之后必須在下個信號進來之前就斷開，所以本設計又通過借用控制推桿電動機的定時器來分斷自鎖信號，如圖5-8所示： 圖5-8 1區(qū)郵碼自鎖

51、的梯形圖程序 （二）故障報警程序 在編寫故障報警程序的過程中，本設計考慮了兩種故障情形：第一種，輸入的郵碼不是已知的郵碼中的任何一種；第二種，輸入的郵碼同時出現(xiàn)幾個區(qū)的郵碼。因此本設計在最初的程序編寫中，將著兩種故障情形分別用兩種處理程序進行報警，但是在調試過程中，本設計利用了STEP7-Micro/WIN中的程序監(jiān)控功能對程序的運行過程進行了實時監(jiān)控，本設計發(fā)現(xiàn)梯形圖中的能流出現(xiàn)同時運行的沖突，在此基礎上本設計將程序進行修改，把兩種故障情形合成了一種處理監(jiān)控程序圖，如圖5-9所示： 圖5-9無效郵碼故障處理梯形圖程序

52、 6組態(tài)軟件 6.1 MCGS組態(tài)簡介 MCGS組態(tài)是一款用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，主要用于數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制等作用。 本文應用了MCGS5.5通用版組態(tài)來對論文的系統(tǒng)進行組態(tài)的調試。 6.2 PLC與組態(tài)軟件的連接 由于學校實訓樓9樓實驗室里的電腦無法安裝MCGS組態(tài)以及其他各類軟件，因此本論文在進行組態(tài)仿真時在8樓實驗室中進行，又因為8樓實驗室沒有郵件分揀模塊，所以本設計在調試成功后使用指示燈來代替各類輸出，連接圖如圖6-1所示： 圖6-1 MCGS組態(tài)仿真

53、硬件連接圖 6.3 組態(tài)設計 6.3.1主控制窗口設計 打開MCGS通用版5.5，新建項目后進入“用戶窗口”界面將本系統(tǒng)所要用到的各類元器件畫在窗口內，如圖6-2所示： 圖6-2 用戶窗口制作圖 6.3.2組態(tài)仿真 （一）完成“用戶窗口”的設計后，進入“實時數(shù)據(jù)庫窗口”對需要用到的變量進行編譯，設置變量的屬性。由于本系統(tǒng)中不需要對數(shù)據(jù)進行顯示，所以各個變量都設置成開關量，如圖6-3所示： 圖6-3 實時數(shù)據(jù)庫的變量設置 （二）完

54、成對“實時數(shù)據(jù)窗口”的設置后，進入“設備窗口”對I/O口進行定義和設置。由于設備定義時不能以數(shù)字開頭，所以本設計將1-4區(qū)郵碼輸入定義為A-B區(qū)郵碼輸入，如圖6-4所示： 圖6-4 設備窗口設置 （三）完成“設備定義窗口”的設計后，進入“用戶窗口”對每一個制作的元件進行對象定義與動畫連接設置，如圖6-5就是對接近開關1進行設置： 圖6-5 設置對象動畫 (四)全部的設置完成后，運行組態(tài)，點擊“啟動”按鈕，L1亮，如圖6-6：

55、 圖6-6 啟動系統(tǒng) （五）點擊“郵件檢測”按鈕，L1熄滅，傳送帶電動機M5閃爍，郵件開始隨著傳送帶運動，如圖6-7所示： 圖6-7 郵件檢測狀態(tài)圖 （六）按下1區(qū)郵碼輸入按鈕，當郵件運動到1區(qū)時，按下接近開關1，傳送帶停止，1號電動機開始正轉，開始對郵件進行分揀，如圖6-8所示： 圖6-8 1區(qū)郵件分揀圖 （七）郵件分揀完成后，1號電動機反轉，傳送帶電動機M5繼續(xù)啟動，如圖6-9所示：

56、 圖6-9 1區(qū)推桿電動機反轉圖 （八）1區(qū)電動機反轉結束后，L1亮，提示可以繼續(xù)放入郵件,如圖6-10所示。到此一次完整的分揀過程就結束了，其他3區(qū)的分揀過程也是如此。 圖6-10 分揀完成后的狀態(tài)圖 （九）故障情形。點擊郵件檢測按鈕，然后在硬件的按鈕中同時按下I0.2和I0.3按鈕，此時傳送帶電動機M5停止運行，紅燈L2開始閃爍，如圖6-11所示： 圖6-11 無效郵碼狀態(tài)圖 結論 本文使用可編程邏輯控制器（PLC）對郵件分揀系統(tǒng)進行了完整的設計，并通

57、過調試與仿真驗證了設計的正確性與可行性，實現(xiàn)了對不同區(qū)域的郵件進行準確的分揀，并且制作了故障報警系統(tǒng)以提高系統(tǒng)的分揀準確性，減小了誤差率。 本文在對PLC控制技術進行深入研究的基礎上，完成了以下幾個方面的工作： （1）對系統(tǒng)的分揀控制要求進行了完善，考慮了多種故障處理方案，完成了PLC程序設計。 （2）對系統(tǒng)的控制流程進行了優(yōu)化，對梯形圖程序進行了調試，增強了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和準確性。 （3）對系統(tǒng)的生產現(xiàn)場進行了組態(tài)仿真，以確保了系統(tǒng)的社會現(xiàn)實性與可行性。 （4）對系統(tǒng)的各種元器件進行了計算與挑選，豐富了論文內容。 最終，本論文實現(xiàn)了滿足控制要求的郵件自動控制分揀的設計。利用掃描

58、器對郵碼進行檢測，啟動傳送帶。檢測完成后利用撥碼器對PLC進行分區(qū)輸入，傳送帶將郵件傳送到對應的郵箱處，接觸開關接收到信號后傳送帶停止，啟動對應區(qū)域的推桿電動機將郵件推入對應的郵箱中。然后傳送帶重新啟動，推桿電動機反轉回歸原位，紅燈L1亮提示可以繼續(xù)分揀郵件。至此，一次完整的郵件分揀就完成了。當出現(xiàn)了無效郵碼時，傳送帶停止，綠燈L2 閃爍，需要再次按下啟動按鈕才能繼續(xù)分揀。 致謝 本次畢業(yè)論文設計要十分感謝筆者的畢業(yè)論文指導老師曹言敬，在她的督促下筆者才能不慌不忙、腳踏實地地完成論文設計。她對筆者的悉心教導幫助筆者解決了一

59、些程序上的疏漏和論文內容上的不妥之處，她對PLC方面的深入研究讓筆者頗為嘆服，她對待工作一絲不茍的態(tài)度使筆者對畢業(yè)后的工作產生了深遠悠長的影響。 同時，筆者還要感謝信電工程學院的全體老師和同學在大學四年中給我的關懷和照顧，讓筆者在這四年中學到了很多對工作和生活有用的知識，鍛煉了筆者的耐心和承受力，磨礪了筆者的脾氣和心性，讓筆者決定在離開學校后把這種精神傳承下去，迎接充滿挑戰(zhàn)的漫長人生，筆者對此充滿了信心。 在此，筆者表示由衷的感謝。 參考文獻 [1] 陳宏.可編程控制器(PLC)的選型[J]

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