基于PLC的自動進樣器控制系統(tǒng)設計摘要本設計是以PLC控制器為核心單元的自動進樣器控制系統(tǒng)，選用步進電機控制機械手在X、Y、Z三個方向上的運動和取樣針模塊的運動，選用步進電機驅動樣品旋轉托盤模塊；通過CAN總線通訊在上位機可以輸入取樣量的多少及洗針次數(shù)；當實際取樣量與設定值不符時系統(tǒng)報警，進樣系統(tǒng)停止運行；最終通過組態(tài)王進行仿真驗證。關鍵詞：PLC；自動進樣器；步進電機；CAN總線目錄TOC\o"1-3"\h\u16003第1章緒論 緒論1.1課題研究背景由于新型計數(shù)的不斷進步，使得科研發(fā)展中對于樣品的需求量不斷增加。傳統(tǒng)的樣品輸送都是以人工進行進樣與取樣，樣品的供給呈現(xiàn)出復雜化和不確定性，增加了人工成本。同時由于樣品種類的繁多，進樣與取樣過程中增加了不可靠性以及不穩(wěn)定性。因此，如何將現(xiàn)有的自動化技術與傳統(tǒng)的樣品供給系統(tǒng)進行有效結合，形成高規(guī)模、高安全、高便捷的樣品輸送控制系統(tǒng)就顯得至關重要?，F(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展，使得工業(yè)制造自動化的水平也越來越高，對于很多行業(yè)而言高速的自動化將會提高生產的效率，然而對于當前的取樣器來說，傳統(tǒng)的人工操作已經沒有辦法滿足實時社會的需求量，盡管可以通過增加人員數(shù)量去增加工作效率，但是對于長期的社會發(fā)展的角度而言，已經不能充分滿足。一方面，社會發(fā)展的速度單單依靠人工數(shù)量增加的方法不能解決社會需求而帶來的產品數(shù)量極劇變化的需求；另一方面復雜化的操作流程，人工的方式已經不能夠提供較為高質量的保障，促使自動進樣的控制系統(tǒng)的極劇發(fā)展，進一步發(fā)展工業(yè)自動化的水平。隨著科研和生產技術的不斷發(fā)展,優(yōu)良實驗室的規(guī)范已經確立,人們對分析測試的要求在樣品數(shù)量、分析周期、數(shù)據(jù)準確性、降低工作成本和提高工作效率等方面都提出了更高的標準和要求REF_Ref10537\w\h[4]。傳統(tǒng)的進樣操作由于是人為操作，不可避免地會出現(xiàn)一定的誤差，不僅會影響最后的實驗結果，而且效率低。采用自動進樣器替代傳統(tǒng)的由實驗員完成的操作，既能減少人為因素對實驗數(shù)據(jù)的影響，提高分析實驗的準確性；又可以避免一些危險藥品對實驗員的所造成的傷害REF_Ref8039\w\h[1]。這不僅簡化了操作流程，還減輕了工人的勞動強度。相信在將來自動進樣器會越來越普及。1.2國內外研究現(xiàn)狀到目前為止，自動進樣器在國外的許多實驗室都得到了應用，它們在實驗過程中所起到的作用也越來越大?？萍伎偸窃谝恢边M步的，所以自動進樣器他能扮演的角色也越來越多，功能越來越強大。20世紀末，國內開始引進自動化技術，進取控制系統(tǒng)不再由傳統(tǒng)的人工進行進取樣品，逐漸向自動化進取的轉變，因此對于自動化進取的技術研究仍然處于相對的不成熟，或者其研究成本較高等等，仍然存在對其研究的重要意義。國內對于自動進樣器的控制系統(tǒng)的研究也一直沒有停過，從近代開始的民族企業(yè)發(fā)展的人工搬運式的進樣，到如今利用半人工的方式進行識別物品的等等，隨著科技與集成芯片的發(fā)展，人工智能的理論開始逐漸演進于各個領域中。在自動進樣中，已經開始將人工智能將其運用其中，以圖像識別加深度強化算法對樣品進行有效分揀。自動進樣系統(tǒng)是自動進送樣品系統(tǒng)的一個重要分支，廣泛應用于各個領域的樣品的進取樣。自動進取樣品系統(tǒng)主要由位置檢測裝置、輸送裝置、控制系統(tǒng)、機械手裝置等部分組成，是對樣品進行自動進取、整理的關鍵設備之一。進樣器是能夠定額的將實驗試劑送入色譜儀的裝置。廣泛應用于石油，化學，農業(yè)化學，生物化學，醫(yī)藥衛(wèi)生，食品等領域。國內第一臺自動進樣器于2009年被克萊克特公司生產研發(fā)出來，身為先行者率先打開了國內在該領域的市場，沖破了其他國際公司對該關鍵技術的封鎖，高精度的馬達被應用于該公司研制的設備，在很大程度上提高了驅動精度，和取樣精度。同時穩(wěn)定性較其他公司設備也有所提高。到二十一世紀的今天，國外許多國家已經將其應用到工業(yè)各個領域等，成熟的樣品進取系統(tǒng)可以快速精確的處理樣品的各個狀態(tài)。當前，樣品進取系統(tǒng)已經分布在國外國家生活的各個領域，人們對于樣品進取系統(tǒng)的關注始終都是放在重要位置，隨著科技的不斷進步，樣品進取系統(tǒng)也將伴隨著科技的進步日趨完善。1.3應用價值及應用前景當今世界，伴隨著各種檢測設備的日益更新迭代，自動進樣器作為一種高度自動化的設備，可以輔助色譜儀完成準確無誤的進樣操作，進而得出更準確的實驗結果。在藥品檢驗領域,隨著藥品質量標準的不斷提高,藥品檢驗工作越來越倚重于儀器設備,儀器的性能確認能夠為檢驗數(shù)據(jù)的準確性提供重要保障,證明儀器能達到預期的檢驗分析效果REF_Ref8289\w\h[13]。本次系統(tǒng)的設計從實際角度出發(fā)，基于PLC對自動進樣系統(tǒng)進行設計，其研究的系統(tǒng)不僅擁有較強的理論價值，同時還具有較強的社會意義和社會價值。1.4主要研究內容本次基于PLC的自動進樣系統(tǒng)設計主要分成三個部分，分別是輸入端、輸出端以及組態(tài)監(jiān)控端，在輸入端中主要是對進取轉動圓盤位置的采集、樣品的感應、清水感應以及機械臂的各個狀態(tài)檢測以及拉取的限位檢測，輸出端主要是對機械手的控制、轉盤電機的控制、取樣臺垂直運動控制以及指示燈控制，監(jiān)控端主要是利用MCGS組態(tài)軟件實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時監(jiān)控與對系統(tǒng)的功能驗證?；谏鲜鰷蕜t，本次設計內容主要有四大功能，分別如下：（1）檢測功能：實時檢測轉盤上工位的位置變化、樣品瓶檢測以及機械臂的抓手、取樣模塊位置檢測，實時完成對上述四個不同傳感器信號的采集；（2）步進電機控制：根據(jù)各個傳感器輸入的信號。利用PLC控制步進電機的各個動作；（3）監(jiān)控功能：在組態(tài)軟件中創(chuàng)建仿真畫面，實時反映各模塊的工作狀態(tài)，并驗證自己的設計思想是否有誤；（4）夾取控制：在接收到傳感器的信號后，PLC控制機械手對對應位置的試劑瓶進行夾取與放松；第2章總體設計方案當前，使用的自動化技術的自動進樣器都是以控制強弱電的邏輯程序與傳統(tǒng)的機械式電氣結構組成的一套完成的系統(tǒng)。通常在該系統(tǒng)中，主要是以機械臂的抓手位置識別系統(tǒng)、機械臂控制系統(tǒng)、轉盤識別系統(tǒng)、樣品瓶識別系統(tǒng)、夾緊氣缸系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)組成的自動進樣管控系統(tǒng)。在識別系統(tǒng)主要利用光電、限位以及樣品瓶識別實現(xiàn)對不同轉盤、樣品瓶、拉伸位置以及機械臂的抓手正確識別，并且進行信號傳輸，其設定傳感器信號是以轉盤、機械手識別與樣品的識別，最終形成識別系統(tǒng)。在此過程涉及對不同識別后的樣品使用分揀氣缸夾緊樣品，利用機械臂的功能將其放入到轉盤中，隨后進行對其使用后的樣品進行清洗，并且利用機械臂控制不同的樣品放置到不同的地方?？刂茖ο笫且苑謷飧着c電機為對象，利用不同的傳感器形成不同的控制決策。自動進樣器示意圖如圖2.1所示。圖2.1自動進樣器示意圖對系統(tǒng)進行功能需求分析，包括對系統(tǒng)的信號檢測、控制決策以及功能組成，具體的功能分析如下：所有的轉盤工作必須使用PLC控制步進電機進行動作執(zhí)行，轉盤的運動是由步進電機驅動的；樣品的進取的選取必須經過機械臂進行動作，機械臂的動作，必須是由傳感器檢測信號進行控制執(zhí)行；所有樣品進行清洗時，其清洗的次數(shù)與時間直接是由PLC進行；對于每一個樣品進取而言，使用傳感器正確識別后，PLC將會控制機械臂與氣缸對不同的樣品進行進取與夾緊動作控制；本次的控制系統(tǒng)處于正常自動進樣狀態(tài)時，此時PLC將會控制工作指示燈進行正常顯示；由于利用步進電機進行運動控制的時候，距離方面沒有辦法進行把控，因此設置了每個維度方向的限位開關進行信號傳遞；在所有的系統(tǒng)當中，必須配備有可以進行系統(tǒng)緊急制動的開關；機械臂的抓手的到位的控制也是必須由限位開關進行控制。具體系統(tǒng)框圖如圖2.2所示。圖2.2總體設計框圖2.1機械手方案設計為確保機械手移動的精確可靠，本系統(tǒng)使用三個步進電機來提供動力，以實現(xiàn)X、Y、Z三個方向的移動，同時加裝限位傳感器，保障精度。用滾珠絲杠傳動機構實現(xiàn)三個方向的運動傳遞。機械手的執(zhí)行部分由一個手爪和吸盤組成。對每個位置建立水平坐標系XOY，以最邊角為原點，根據(jù)每相鄰兩個試劑瓶孔中心的距離設置坐標點，根據(jù)位置指示按照編好的路徑以一定的速度到達目標點。如每一行，每一列之間都相距兩厘米，當需要移動到（2,3）時，X軸先運動4厘米，Y軸再移動6厘米。檢測處的物料盤每次需要放置或者夾取的位置都停在同一處，等待機械手過去放置或夾取，所以機械手每次與檢測處的物料盤接觸都是在同一位置，可以直接設坐標點，每次都到固定的該坐標點處。如(3,-4)點。2.2旋轉托盤方案設計本次設計中樣品托盤可容納的試劑瓶數(shù)為六個，圓形碼盤的正反方向旋轉和定位，依靠其下方的步進電機來實現(xiàn)。主要包括圓形碼盤的初始和停止位置、樣品位置定位、儀器進樣口位置定位。定位精度靠其轉子旋轉一定的角度、光電傳感器來實現(xiàn)。2.3取樣模塊方案設計取樣模塊的上下移動和定位靠位移電機實現(xiàn)，具體需要定位的位置大概有三個：針筒插入試劑瓶深度的定位，針筒插入進樣口深度的定位，和初始位置的定位。用同步帶傳動實現(xiàn)取樣模塊和電機之間的聯(lián)系，并加裝導軌實現(xiàn)整個取樣模塊做垂直運動。電機徑向極限距離為針頭將要到試劑瓶底到承載拖車上極限之間的距離?？芍@段距離為一定值，根據(jù)這段距離來定位每次針頭插入進樣口的深度。溶液試劑抽取和注射控制，是由一個特定的電機用于控制針筒的拉桿，通過一定的換算關系，將提升的行程換算成一定的體積，電機與針筒拉桿之間的傳動靠定比傳動皮帶實現(xiàn)。因此選用一個高精度的電機，和皮帶傳動機構就尤為重要。第3章系統(tǒng)硬件設計本章主要是對本次進樣器控制系統(tǒng)設計的各個硬件選型進行選擇，包括對控制器、上位機、及進樣器各部分硬件結構進行理論依據(jù)選擇，同時對進樣器控制系統(tǒng)設計的電路與PLC端口配置進行設計。3.1PLC選型如果單純地從控制器的角度說，STC89C52單片機無疑是一個不錯的選擇，其采用的是經典的8051引腳結構，同時8位的中央處理器被集中于芯片的內部，提高了運算速度，并且在編程時可調整的空間也是相當大的，大大的節(jié)約了工作人員的時間和精力，下載的步驟更簡單。但是針對本次的系統(tǒng)而言，其控制的步進電機的精確度以及輸入信號的具體采集，52單片機已經遠遠不能滿足系統(tǒng)的需求。針對該功能需求，本次系統(tǒng)選擇PLC為系統(tǒng)的主要控制芯片，具體的優(yōu)勢如下：首先使用PLC的系統(tǒng)在當前的自動化產業(yè)中具有很高的應用場所與應用實用性。對于一般的系統(tǒng)而言，使用PLC可以具有穩(wěn)定的系統(tǒng)運行效率。同時對于一個系統(tǒng)而言，通常根據(jù)不同的控制對象可以將其劃分為4大類控制功能，它們?yōu)椤?,1”的開關量、運動理論的控制、信息傳輸通信控制以及常見的模擬量控制。針對上述四大類的功能控制，使用PLC可以很好的解決控制的難題。在使用PLC時，由于其維護性高，現(xiàn)場調試的難度較小以及安裝的簡易性，使得在絕大數(shù)的自動化產業(yè)中，都是以PLC為主要的控制器，因此本次的自動自動進樣系統(tǒng)也是選擇PLC為控制器。通過三菱系列PLC與西門子系列PLC的對比發(fā)現(xiàn)，西門子系列編程簡單，方便控制。并且西門子系列曾在之前的課程中學習過一段時間，并且價格相較三菱便宜一些。對于企業(yè)來說應綜合考慮成本，價格，后期維修等費用。所以應選擇西門子系列。西門子PLC型號主要分為：小型、中型、大型三種，依次為：S7-200，S7-1200是一檔，S7-300，S7-400是一檔。越往上邏輯處理能力越強。西門子S7系列PLC不僅體積小巧、信號處理速度快、結構標準化，還具有網(wǎng)絡通信能力高，功能多，可靠性高等優(yōu)點。從本次設計出發(fā)，共需I\O口30個，型號為CPU226的PLC完全能夠滿足設計要求。圖3.1S7-200CPU226原理圖3.1.1I\O口分配表考慮到使用人員對該儀器的靈活配置，本設計對功能進行了充分細化REF_Ref26233\r\h[3]。本次設計一共定義了18個輸入點，12個輸出口，具體的I/O端口分配如表3.3所示。表3.1I\O口分配表輸入信號名稱輸出信號名稱I0.0啟動Q0.0機械手左電機信號I0.1停止Q0.1機械手右電機信號I0.2轉盤1號光電傳感器Q0.2機械手前電機信號I0.3轉盤2號光電傳感器Q0.3機械手后電機信號I0.4轉盤3號光電傳感器Q0.4機械手上電機信號I0.5轉盤4號光電傳感器Q0.5機械手下電機信號I0.6轉盤5號光電傳感器Q0.6轉盤正轉信號I0.7轉盤6號光電傳感器Q0.7轉盤反轉信號I1.0機械手左限位Q1.0氣動機械手夾I1.1機械手右限位Q1.1取樣針抽樣電機I1.2機械手前限位Q1.2取樣臺拉伸電機上I1.3機械手后限位Q1.3取樣臺拉伸電機下I1.4機械手上限位Q1.4報警指示燈I1.5機械手下限位I1.6樣品感應I1.7清水感應I2.0取樣拉伸電機下限I2.1取樣拉伸電機上限I2.2提取量異常檢測信號3.2上位機設計3.2.1人機界面設計在本次系統(tǒng)設計中，需要用到上位機來反映各個模塊的工作狀態(tài)等信息，各個模塊的信息采集主要是由各個傳感器和PLC進行手機與處理。本系統(tǒng)上位機的仿真設計需要用到“MCGS”組態(tài)軟件，其人機界面主要由幾個模塊組成，包括系統(tǒng)工作模塊，指示燈模塊，參數(shù)修改模塊等。具體的功能如下：系統(tǒng)工作畫面：系統(tǒng)工作畫面主要模擬呈現(xiàn)自動進樣器系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)實時監(jiān)測。其中又包含“啟動”、“停止”按鍵，當按下“啟動”按鍵時，進樣系統(tǒng)啟動，進入初始化狀態(tài)。按下“停止”按鍵時，進樣器停止當前任務。工作指示燈畫面：工作指示燈畫面主要呈現(xiàn)系統(tǒng)工作時各個運動部件的位置情況。參數(shù)設定畫面：參數(shù)設定畫面其功能包括可以設置取樣量的多少和洗針的次數(shù)。故障報警畫面：當系統(tǒng)定位不準確或者取樣時吸取的量和設定的值不一致時指示燈會發(fā)出報警信號。3.2.2上位機通訊設計上位機與PLC之間的通訊網(wǎng)絡可以是總線，CAN總線屬于現(xiàn)場總線。它是一種串行通信網(wǎng)絡，可以有效地支持分布式控制或實時控制，與許多基于R線的RS-485分布式控制系統(tǒng)相比，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)具有許多優(yōu)點，例如，實時通信能力強,網(wǎng)絡節(jié)點之間的時間間隔短，開發(fā)周期短，前景廣闊等。上層計算機通過適配卡接口連接到CANBUS以進行信息交換，而PLC通過串行接口芯片連接到CANBUS，PC負責監(jiān)視和管理整個CANBUS系統(tǒng)。它具有幾個功能模塊，如設置系統(tǒng)參數(shù)，設置監(jiān)視狀態(tài)，發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)請求，本地狀態(tài)查詢，節(jié)點狀態(tài)查詢，數(shù)據(jù)接收中止等，上位機將命令發(fā)送到下位節(jié)點和PLC識別并執(zhí)行相應的讀操作；PLC還可以根據(jù)設置將工作狀態(tài)發(fā)送給上位機，以實現(xiàn)對PLC的監(jiān)控。3.3電源模塊設計本此設計中由于需要用到步進電機驅動器和PLC，它們都需要24V電壓來驅動，因此需要選取合適的降壓元件，查閱相關資料并進行比對后，選用開關電源LRS-150-24型，其主要參數(shù)如表3.2所示。表3.2開關電源參數(shù)表輸入范圍170~264VAC直流電壓24V額定電流6.5A額定功率156WLRS-150-24型開關電源實物圖如圖3.5所示：圖3.2電源實物圖3.4驅動系統(tǒng)選型3.4.1三軸機械電機選型以下是以X軸為例電機的選型過程。1慣性的計算螺桿的負載慣性JJ式中ρ為絲杠密度，L為絲杠長度，D為螺桿軸頸。工作物與工作臺的負載慣性JJ式中P為螺桿導程，m為工件與工作臺的總質量?？傌撦d慣性JJ2所需轉矩的計算工作物與工作臺的軸向負載FF=式中FA為外力，α負載轉矩TT式中η為電機效率0.9，μ0為螺桿內部摩擦系數(shù)0.3，F(xiàn)0為預負載工作脈沖數(shù)AA=式中λ為移動量，θs運動脈沖頻率ff=式中t0為定位時間，t加速轉矩TT所需轉矩TT=3選型電機的判定項目的計算安全率SS=式中Tr為1.317N慣性比ββ加減速常數(shù)TT經過計算，選用型號為AZM66AC+AZD-C+CC010VZF的步進電機，安裝尺寸60mm,其勵磁最大靜止轉矩為1.2N?m，轉子轉動慣量為370×3.4.2樣品旋轉托盤電機選型本次設計中的旋轉碼盤電機采用步進電機，其選型計算過程如下所示。假設轉盤直徑D=310mm，厚度Lt=40mm，材料密度ρ=2×101慣性的計算工作臺的負載慣性J工作物的負載慣性J總負載慣性J2所需轉矩的計算負載轉矩T工作脈沖數(shù)AA=運動脈沖頻率f加速轉矩T所需轉矩T=3選型電機的判定項目的計算安全率S=慣性比β加減速常數(shù)T綜上所述選擇的步進電機型號為DGM200R-AZAC+AZD-C+CC010VZF脈沖序列輸入性電機,其安裝尺寸為200mm,轉動慣量9.16×10?2kg?m3.4.3取樣針模塊電機選型位移電機的選型過程如下：1慣性的計算帶輪的負載慣性JJ式中ρ為帶輪密度，ω為帶輪寬度，D為帶輪直徑。工作物與工作臺的負載慣性JJ式中m為工件與工作臺的總質量。總負載慣性JJ2所需轉矩的計算滑動部的摩擦力FF=式中FA為外力，α負載轉矩TT式中η為電機效率0.9。工作脈沖數(shù)AA=式中λ為移動量，θs運動脈沖頻率ff=式中t0為定位時間，t加速轉矩TT所需轉矩TT=3選型電機的判定項目的計算安全率SS=式中Tr為12N慣性比ββ加減速常數(shù)TT經過計算，選用型號為DGM130R-AZAC+AZD-C+CC010VZF的步進電機，安裝尺寸130mm,其勵磁最大靜止轉矩為12N?m，轉子轉動慣量為147.38×取樣電機的選型過程如下：1慣性的計算滑輪的負載慣性JPJ式中ρ為帶輪密度，ω為絲杠長度，D為帶輪直徑。工作物與皮帶的負載慣性JJ式中m為工作物與皮帶的總質量。總負載慣性JJ2所需轉矩的計算滑動部的摩擦力FF=式中FA為外力，α負載轉矩TT式中η為電機效率0.9。工作脈沖數(shù)AA=式中λ為移動量，θs運動脈沖頻率ff=式中t0為定位時間，t加速轉矩TT所需轉矩TT=3選型電機的判定項目的計算安全率SS=式中Tr為1.317N慣性比ββ加減速常數(shù)TT經過計算，選用型號為AZM48AC+AZD-C+CC010VZF的步進電機，安裝尺寸42mm,其勵磁最大靜止轉矩為0.77N?m，轉子轉動慣量為115×3.5檢測模塊設計檢測模塊需要實現(xiàn)的功能是對自動進樣器各個模塊是否正常工作進行實時監(jiān)測，運用光電傳感器和限位傳感器進行信號收集，再經過信號處理電路處理后，向外界展示系統(tǒng)是否正常運行。3.5.1光電傳感器選型本次的基于PLC的自動進樣控制系統(tǒng)中對于轉動光盤是否存在或者是否到達指定轉達中的位置進行檢測，其傳感器的類型為光電傳感器，該傳感器具有高靈敏度、低功耗，實時檢測到關于轉動光盤的位置。傳感器主要是以光信號與電信號之間的關系，實現(xiàn)對轉動光盤位置的檢測，起具體的原理主要是以對轉動光盤進行照射，而產生反射光，接收端對反射光進行采集，一旦轉動光盤進入到該傳感器檢測的單位之內時，此時傳感器內部將會自動調節(jié)光進行發(fā)射，經過轉動光盤的反射接收端將會接受到光，，此時的信號量將會產生較大變化，代表轉動光盤到達指定的位置，否則，當入光型反射式傳感器沒有檢測到任何信號時，表示沒有貨品出現(xiàn)，此時信號輸出較小。圖3.3光電傳感器3.5.2限位傳感器選型本次的自動進樣系統(tǒng)中對于樣品是否存在或者是否到達指定位置進行檢測，其傳感器的類型為EE-SPY402，該傳感器具有高靈敏度、低功耗，實時檢測到關于樣品的位置。同時該傳感器是由當今較為出名的自動化廠家歐姆龍生產與研發(fā)。傳感器主要是以光信號與電信號之間的關系，實現(xiàn)對樣品以及機械臂等位置的檢測，起具體的原理主要是以對樣品進行照射，而產生反射光，接收端對反射光進行采集，一旦樣品以及機械臂進入到該傳感器檢測的單位之內時，此時傳感器內部將會自動調節(jié)光進行發(fā)射，經過樣品以及機械臂的反射接收端將會接受到光，，此時的信號量將會產生較大變化，代表樣品以及機械臂到達指定的位置，否則，當入光型反射式傳感器沒有檢測到任何信號時，表示沒有樣品以及機械臂出現(xiàn)，此時信號輸出較小。具體的傳感器的構造如下圖3.3所示。圖3.4限位傳感器3.6報警模塊設計報警模塊是比較重要的模塊，當系統(tǒng)運行出現(xiàn)錯誤時，對應的報警指示燈就會點亮以提醒操作人員及時對機器進行維修。本系統(tǒng)當出現(xiàn)以下信號時進行報警，機械手夾取時定位錯誤，轉盤旋轉定位時定位不準確，取樣針取樣時取樣量的錯誤等。報警電路的使用一方面可以防止危險情況的發(fā)生，另一方面也可以給操作人員以提醒，來判斷此時的系統(tǒng)工況是否正常。在本次設計中，僅依靠紅色報警燈的點亮與否來判斷，當指示燈點亮時代表系統(tǒng)出現(xiàn)故障，之后系統(tǒng)內部根據(jù)各個傳感器發(fā)出的信號來判斷到底是那部分出現(xiàn)的問題，再將具體的故障碼顯示在上位機中。3.7電氣原理圖設計在確認完本系統(tǒng)所需的I\O口之后，那么就需要針對自身系統(tǒng)的特點和該型號CPU架構繪制出本系統(tǒng)的電氣原理圖。具體的外部接線圖如圖3.2所示。圖3.5CPU226外部接線圖3.8本章小結本章主是對主控制器選型進行分析，同時利用本次自動進樣的實際運行情況，分析了各傳感器具體工作參數(shù)，進行選擇合理的器件，同時完成了I/O口的分布以及外部接線圖的設計。系統(tǒng)軟件設計4.1編程軟件和梯形圖介紹針對本系統(tǒng)所采用的PLC，有固定搭配的編程軟件位STEP7，編程方式靈活，界面簡潔人性化，方便初學者上手。該軟件擁有的函數(shù)庫，可以很好的將開發(fā)者想要的程序編寫出來，并且在后期尋找錯誤時，可以根據(jù)軟件的備注提醒，方便的查找出來，可以說不管是用戶體驗，還是軟件操作，都比較符合本次的設計要求?，F(xiàn)如今的工業(yè)公司都在逐步實現(xiàn)自動化，而在實現(xiàn)這一目標的過程中必不可少的都要用到梯形圖這一編程語言，在本次系統(tǒng)設計中，同樣也采用梯形圖進行程序的編寫。相較于其他的編程語言，其編程邏輯更加直觀簡潔，便于剛剛接觸這一行業(yè)的人員學習。另外，梯形圖也受到市面上大多自動化公司的青睞，所以也方便后續(xù)的維修與改變。4.2系統(tǒng)工作流程圖本次的樣品分揀控制系統(tǒng)設計的主要工作流程為：利用系統(tǒng)配備的檢測功能，進行功能切換，當系統(tǒng)上電之后，此時所有單元將會進入到初始化中，并進行位置標定；當機械手開始對樣品進行抓取動作處理，并將樣品進行夾緊操作，同時機械臂開始移動，并將其樣品進行實時特定的，夾緊移動到抓盤中，而轉盤的檢測是由光電傳感器進行實時檢測，并將其檢測的信號傳輸?shù)絇LC中，控制器將會控制機械臂將樣品放入到轉盤中，隨后進行實時處理；此時當樣品放入到轉盤中，轉盤將會實時轉動，轉到一定次數(shù)后，此時樣品感應傳感器將會進行檢測，到感應完畢后，此時將會對樣品進行清洗，清洗一定次數(shù)后，此時PLC將會根據(jù)清洗的結果，對其限定，清洗完畢后，此時機械臂將會在PLC控制下，對其進行取樣，將清洗完畢后的樣品重新放置到取樣臺上。為了保證系統(tǒng)整體運行的安全性，系統(tǒng)配備有急停操作，該操作可以將樣品運輸過程將立即停止，即機械臂、氣缸以及傳感器將立即關閉。根據(jù)系統(tǒng)工作過程的分析得出，示意圖4.1所示。圖4.1程序流程圖4.2.1機械手系統(tǒng)設計在系統(tǒng)啟動后，操作人員在PC上輸入需要抓取試劑瓶的位置信息，經電腦分析后向PLC發(fā)出電信號，PLC在收到信號后控制電機運動，使得機械手能夠運動到指定試劑瓶的上方，之后夾具夾緊試劑瓶，PLC再次控制電機使機械手將試劑瓶運送到旋轉托盤的指定位置處，然后松開會到初始位置。待進樣操作完成后，再將試劑瓶運回初試位置。圖4.2機械手系統(tǒng)流程圖4.2.2旋轉托盤系統(tǒng)設計機械手將試劑放到旋轉碼盤上后，托盤旋轉至取樣針下方，此時用試劑洗針，次數(shù)與設定值相等，第一次洗針完成后，旋轉托盤與取樣針配合完成進樣與取樣操作。之后旋轉托盤將清水試劑旋轉至取樣針下方，用清水洗針，次數(shù)與設定值相等。最后再將試劑瓶旋轉至初始位置處。圖4.3旋轉托盤系統(tǒng)流程圖4.2.3取樣針系統(tǒng)設計取樣針在收到PLC的指令后向下移動，其工作方式是取樣還是進樣取決于它運動的路程大小，小行程是取樣，大行程是進樣。取樣或進樣操作完成后按照PLC的指令向上移動，直到上限位停止。圖4.4取樣針系統(tǒng)流程圖4.6本章小結本章完成了系統(tǒng)程序的編譯，并繪制出主要的功能流程圖。第5章系統(tǒng)模擬測試5.1組態(tài)工程的建立本次設計所采用的仿真工程軟件是“MCGS6.2”通用組態(tài)軟件，作為一款致力于制作仿真的工程軟件，它面向用戶的操作也是非常簡單的，首先打開軟件點擊文件，新建工程就可以生成一個新工程。如下圖5.1所示，是該組態(tài)軟件的初始界面。圖5.1初始界面之后我們就要新建一個工程文件，第一步首先點擊文件里的新建工程，然后就要設置對應的PLC型號，建立系統(tǒng)的變量庫，如圖5.2和5.3所示。圖5.2PLC選擇圖5.3數(shù)據(jù)庫5.2組態(tài)軟件界面設計經過上面的介紹后，我們已經通過軟件建立了一個我們自己的工程文件和數(shù)據(jù)庫，接下來我們要做的就是繪制仿真時需要用到的圖形等。首先我們需要進入特定的制作界面，之后調出工具箱，在工具箱里選擇圖形繪制，繪制出自己想要的效果，也可以直接點擊想要的圖標進行拖曳，再然后就是繪制一些輔助元器件，比如各種指示燈，或者電機等等。圖5.4組態(tài)仿真界面5.3建立動畫連接在所有的組態(tài)仿真中，最為重要的步驟當屬于將上述定義的各種工作畫面與工作變量進行關聯(lián)，利用變量的變化實現(xiàn)哦工作畫面的動作，根據(jù)不同的變量指令實現(xiàn)將畫面的三維動態(tài)變化，具體的就是以時間或者數(shù)值為核心進行畫面的不斷重塑，實現(xiàn)多元化的動態(tài)視頻。本次的自動進樣系統(tǒng)的動畫連接就是將不同變量與實時狀態(tài)指示燈進行連接，同時對模式的切換的功能進行動畫連接，具體的動畫如下圖4.4所示。圖5.5元件繪制與屬性設置5.4組態(tài)仿真在上述所有流程以及系統(tǒng)設計完畢之后，此時需要對系統(tǒng)的本身進行驗證，除了對梯形圖語法檢測意外，就是需要利用組態(tài)軟件對設計的樣品分揀系統(tǒng)進行全面檢測，確保系統(tǒng)從理論上不存在任何偏差，具體的組態(tài)示意圖如下：圖5.6初始界面圖機械臂開始對樣品進行進樣處理，同時PLC開始控制機械臂進行處理，處理后的樣品將會在機械臂的抓手的作用將其放置到轉盤中，轉盤經過旋轉將試劑瓶運送到指定地方，等待取樣臺的伸縮，進行后續(xù)的取樣處理。圖5.7機械手運行畫面當系統(tǒng)中的樣品到達指定位置時，此時取樣臺伸縮并開始對其進行取樣，取樣的多少與設定值相等，如下圖為取樣操作的組態(tài)示意圖：圖5.8取樣操作取樣容量達10ml以后，此時取樣結束，根據(jù)設定取樣的設定，對其進行樣品瓶清洗，不僅保證清洗后的樣品瓶的干凈，也保證取樣針的干凈，以防下次工作室對實驗結果造成影響，具體的組態(tài)示意圖如下：圖5.9清洗操作5.5仿真中存在的問題在本次自動進樣系統(tǒng)的調試過程中遇到了一些問題，主要分為三個部分，分別是程序控制方面、信號輸入輸出問題以及組態(tài)仿真上的問題。1、程序控制方面程序控制之前關聯(lián)就是控制器，在使用控制器對程序進行邏輯控制的時候，存在延遲時間設置不合理，設置的監(jiān)測判定邏輯存在不合理，為了便于驗證延遲設置的是否合理，使用組態(tài)以及上下梯形圖進行校驗，同時為了滿足對于信