材料分拣装置的PLC控制系统

1河 南 工 业 职 业 技 术 学 院Henan Polytechnic Institute毕 业 设 计 （ 论 文 ）题 目材料分拣装置的 PLC 控制系统班 级 姓 名 指导教师 2目录第一章 绪论 .1第二章 可编程控制器的概述 .32.1 PLC 的基本概念 .32.2 PLC 的分类与应用及前景 .62.4 传感器及气动装置的概述 .13第三章 材料分拣装置硬件系统 .153.1 基本功能及控制要求 .153.2 系统的结构设计 .153.3 材料分拣装置的组成及各各部的功能 .16第四章 PLC 硬件设计 .204. 1 PLC 选型 .204. 2 I/O 地址分配 .204. 3 I/O 连接图 .214. 4 与上位机通讯 .22第五章 PLC 软件设计 .235. 1 程序流程图 .235. 2 梯形图及说明 .245. 3 PLC 指令 .26第六章 控制系统的调试 .286.1 硬件调试 .286.2 软件调试 .286.3 整体调试 .293结论 .30致谢 .32参考文献 .33附件一： .34附件二： .354毕 业 设 计 任 务 书 16一、 设计题目： 材料分拣装置的 PLC 控制系统二、设计目的（1） 通过毕业设计培养学生综合运用所学的基础理论、基础知识、基本技能进行分析和解决实际问题的能力；（2） 使学生受到 PLC 系统开发的综合训练，达到能够进行PLC 系统设计和实施的目的；（3）使学生掌握工业生产流水线中材料分拣系统的工作原理。三、设备概述及技术数据1、材料分拣装置工作过程下面为材料分拣装置的结构示意图。其工作过程为：通电状态下，下料时，下料传感器动作，传送带运行，电感传感器检测到铁块材料时，汽缸 1 动作将材料推下。电容传感器检测到铝块材料时，汽缸 2 动作将材料推下。颜色传感器检测到非金属材料黄色块时，汽缸 3 动作将材料推下。其它颜色非金属材料块被传送到 SD 位置时，汽缸 4 动作将材料推下。竖井式下料槽无料时，传送带运行一个行程自动停机。52、技术数据输入电压：AC200240V消耗功率：250W环境温度范围：540四、设计要求1、控制要求（1）分拣出金属与非金属（2）分拣某一颜色块（3）分拣出金属中某一颜色块（4）分拣出非金属中某一颜色块（5）分拣出金属中某一颜色块和非金属中某一颜色块分拣颜色为：红、黄、蓝；分拣材料为：铁、铝、塑料。2、设计内容（1）根据分拣装置工作过程设计功能图表6（2）设计电气控制原理图（3）进行 PLC 选型及 I/O 分配 （4）设计 PLC 硬件系统（5）设计控制程序。 （6）按要求撰写毕业设计说明书 （7）绘制设计图样五、参考文献 PLC 编程及应用 机械工业出版社 工厂电气控制技术 清华大学出版社 机电类专业毕业设计指南 机械工业出版社 传感器原理及工程应用 西安科技电子大学出版社 电子技术与应用 机械工业出版社 7摘要 本文详细阐述了可编程控制器（PLC）在自动材料分拣系统中的应用。利用可编程控制器，设计成本低、效率高的材料自动分拣装置。以 PLC 为主控制器，结合气动装置、传感技术等，现场控制材料的自动分拣。系统具有自动化程度高、运行稳定、精度高、易控制的特点，能连续、大批量地分拣货物，分拣误差率低且人工劳动强度大大降低，可明显提高劳动生产率。而且，分拣系统能灵活地与其他物流设备无缝连接，实现对材料的分配和管理。其设计采用标准化、模块化的组装，系统布局灵活，程序开发简单，维护、检修方便，可适应进行材料分拣的弹性生产线的需求，受场地等因素的影响不大。同时，只要对本系统稍加修改即可实现各种不同生产线的要求。 关键词：可编程控制器,分拣装置,控制系统,传感技术,气动技术 Abstract The design of an automatic sorting device with low cost and high efficiency is presented in the paper which regards programmable logic controller (PLC) as the master controller and combines pneumatic device sensing technology and other technology to implement automatic selecting of the products. The device is characteristic of high automation, steady running, high precision and easy control .It can be continuous, large quantities of goods are sorted, sorting error rate low ,greatly reduce labor intensity, can significantly increase labor productivity. Furthermore, the sorting system would be flexibly and seamlessly connect to other logistics equipment. The design use of standardized and modular assembly , a flexible system layout, simple program development and easy maintenance. It adapts to elasticity production line for materials sorting. The system affected by the venue and other factors with little impact. Meanwhile it can fulfill different requirement according to different situations with little modifications. Keywords: PLC; sorting device; control system; Sensing Technology; Pneumatic Technology1第一章 绪论随着科学技术的发展,工业自动化程度的不断提高,市场竟争的激烈，传统的人工分拣生产效率低，成本高，企业竟争力差，已经无法满足现代化生产的需要，因此，企业都迫切需要改进生产技术，提高生产效率，节约成本，增强竟争力。而编程控制器出现则克服了这些困难，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置，是自动化控制系统的关键设备。自动分拣系统具有以下主要特点 1、 能连续、大批量地分拣货物 由于采用大生产中使用的流水线自动作业方式，自动分拣系统不受气候、时间、人的体力等的限制，可以连续运行，同时由于自动分拣系统单位时间分拣件数多，因此自动分拣系统的分拣能力是人工分拣系统可以连续运行 100 个小时以上，每小时可分拣 7000 件包装商品，如用人工则每小时只能分拣 150 件左右，同时分拣人员也不能在这种劳动强度下连续工作 8 小时。 2、 分拣误差率极低 自动分拣系统的分拣误差率大小主要取决于所输入分拣信息的准确性大小，这又取决于分拣信息的输入机制，如果采用人工键盘或语音识别方式输入，则误差率在 3%以上，如采用条形码扫描输入，除非条形码的印刷本身有差错，否则不会出错。因此，目前自动分拣系统主要采用条形码技术来识别货物。 3、 分拣作业基本实无人化 国外建立自动分拣系统的目的之一就是为了减少人员的使用，减轻工员的劳动强度，提高人员的使用效率，因此自动分拣系统能最大限度地减少人员的使用，基本做到无人化。分拣作业本身并不需要使用人员，人员的使用仅局限于以下工作： （1）送货车辆抵达自动分拣线的进货端时，由人工接货。 （2）由人工控制分拣系统的运行。 2（3）分拣线末端由人工将分拣出来的货物进行集载、装车。 （4）自动分拣系统的经营、管理与维护。物料分拣采用可编程控制器 PLC 进行控制，能连续地分拣货物，分拣误差率低且劳动强度大大降低，可显著提高劳动生产率。而且分拣系统能灵活的与其它物流设备无缝连接，实现对物料实物流，物料信息流的分配与管理，其设计采用标准化，模块化的组装，具有系统布局灵活，维护，检修方便等的特点材料分拣装置使用了 PLC 技术，传感器技术，位置控制技术，电气传动和气动技术，是实际工业现场生产设备的微缩模型。应用 PLC 结合气动技术，传感器技术和位置控制技术，设计不同的自动分拣控制系统，该系统灵活性较强，程序开发简单，可造用于进行材料分拣的弹性生产线的要求，且可以实现不同材料的自动分拣和归类功能。本文设计的材料分拣系统可以实现以下功能：（1）分拣出金属与非金属（2）分拣某一颜色块（3）分拣出金属中某一颜色块（4）分拣出非金属中某一颜色块和非金属中某一颜色块。（5）分拣出金属中某一颜色块和非金属中某一颜色块。分拣颜色：红黄蓝；分拣材料为：铁，铝，塑料。3第二章 可编程控制器的概述2.1 PLC 的基本概念可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller） ， 简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制随着技术的发展这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。2.1.1 PLC 的特点1 PLC 的主要特点（1）高可靠性1）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。2）各输入端均采用 R-C 滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms。3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。4）采用性能优良的开关电源。5）对采用的器件进行严格的筛选。6）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。7）大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三4CPU 构成表决系统,使可靠性更进一步提高。（2）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。（3）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（4）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5（5）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2PLC 的功能（1） 逻辑控制（2） 定时控制（3） 计数控制（4） 步进（顺序）控制（5） PID 控制（6） 数据控制PLC 具有数据处理能力（7） 通信和联网（8） 其它PLC 还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，CRT 模块。2.1.2 PLC 的发展阶段虽然 PLC 问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC 也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：1早期的 PLC（60 年代末70 年代中期）早期的 PLC 一般称为可编程逻辑控制器。这时的 PLC 多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上以准计算机的形6式出现，在 I/O 接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的 PLC 的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中 PLC 特有的编程语言梯形图一直沿用至今。2中期的 PLC（70 年代中期80 年代中后期）在 70 年代微处理器的出现使 PLC 发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为 PLC 的中央处理单元（CPU） 。这样，使 PLC 得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程 I/O 模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使 PLC 得应用范围得以扩大。3近期的 PLC（80 年代中后期至今）进入 80 年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的 PLC 所采用的微处理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC 的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得 PLC 软、硬件功能发生了巨大变化。2.2 PLC 的分类与应用及前景2.2.1 PLC 的分类PLC 的种类繁多，其规格和性能也各不相同，对 PLC 的分7类，通常根其形式的不同、功能的差异和 I/O 点数的多少等进行大致分类.根据1 PLC 的结构形式可将 PLC 分为整体式和模块式两类（1）整体式 PLC 整体式 PLC 是将电源、CPU 、I/O 接口等各件都集中装在一个机箱内，有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型 PLC一般采用这种整体式机构。整体 PLC 由不同 PLC 点数的基本单元和扩展单元组成，基本单元内有 CPU、I/O 接口，与 I/O 扩展单元相连的扩展口、以及编程器或 EPROM 写入器相连的接口等。扩展单元内只有 I/O和电等，没有 CPU，基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式 PLC 一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展(2) 模块式 PLC 模块式 PLC 是将 PLC 各组成部分分别作成若干个单独的模块，如 CPU 模块、I/O 模块、电源模块（有的含在 CPU 模块中）以及其他模块。模块式 PLC 由框架或基板和各种模块组成，模块装在框架或基板的插座上。这种模块式 PLC 的特点是配置灵活、可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型 PLC 一般采用这种模块式结构。还有一些 PLC 将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式 PLC。叠装式 PLC 其 CPU，电源，I/O 接口等也是各自独立的模块。但它们之间是非电缆进行联接，并且各模块可以应地叠装，这样不但系统可以灵活配置，还可以做的体积小巧。2 按功能分类根据 PLC 所具有的功能不同，可将 PLC 分为低，中，高档次（1）低档 PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断监控等基本功能还可以少量模拟量输入/输出，算术运算，数据传送和比较等功能，主要用于逻辑控制，顺序控制或少量模8拟量控制的单机控制系统。（2）中档 PLC 出具有低档 PLC 的功能外，还具有模拟量输入/ 输出，算术运算，数据传送和比较；数据转换，远程 I/O，子程序，通信联网等功能，有些还可增设中断控制，PID 控制等功能，适应于复杂控制系统。（3）高档 PLC 除具有中档 PLC 的功能外，还增加了符号算术运算，矩阵运算，位逻辑运算，平方根运算及其他特殊功能函数的运算，制表及表格传递功能等。高档 PLC 具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。3 按 I/O 点数分类根据 PLC 的 I/O 点数的多少，可将 PLC 分为小型，中型和大型三类（1）.型 PLCI/O 点数2048 点，多 CPU，16位、32 位处理器，用户存储器容量 8-16KS7-400 德国西门子公司GE-IV GE 公司C-2000 立石公司K3 三菱公司2.2.2 可编程控制器 PLC 的应用与前景一、.PLC 的应用目前，在国内外 PLC 已广泛应用冶金，石油，化工，剪彩，机械制造，电力，汽车，轻工，环保及文化娱乐等各行各业，随着 PLC 性能价格 的不断提高，器应用领域不断扩大，从应用类型看大致可归纳为以下几个方面：1. 强量逻辑运算利用 PLC 最基本的逻辑运算，定时，计收等功能实现逻辑运算，科取代传统的继电器控制用于单片机控制，多机群控制，生产自动线控制等。例：机床，注塑机印刷机械，装配生产线，电镀流水线及电梯的控制等。这是 PLC 最基本的应用，也是PLC 最广泛的应用领域。2.运动控制大多数 PLC 都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，这一功能广泛用于各种机械设备。例如：各种机床，装配机械。机器人等进行运动控制。3.过程控制大，中型 PLC 都具有多路模拟量 I/O 模块和 PID 控制功能。有的小型 PLC 也具有模拟量输入输出，所以 PLC 可实现模拟量控制而且具有 PID 控制功能的 PLC 可构成闭环控制，用于过程控制。这一功能已广泛用于铝炉，反应堆，水处理，酿酒及闭环10位置控制和速度控制等方面。4.数据处理现代的 PLC 都具有数学运算数据传递，转换，排序和查表等功能，可进行数据的采集，分析和处理，同时的通过通信接口将这些数据传送给其电智能装置。例如：CNC 设备进行处理。5.通信联网PLC 的通信包括 PLC 与 PLC，PLC 与计算机，PLC 与其它智能设备之间的通信，PLC 系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元，通信转换单元相连构成网络，已实现信息的交换和构成。集中二、 国外 PLC 发展概况PLC 在问世以来，经过 40 多年的发展。在美、德国等工业发达国家已成为重要的产业之一，世界总销售额不断上升，生产厂家不断涌现，品种不断翻新，产量产值大幅度上升而价格则不断下降。目前，世界上有 200 多个厂家生产 PLC。较多的有美国：AB 通用电气、莫迪康公司；日本：松下、三菱、富士、欧姆龙等；德国：西门子公司；法国：TE 施耐德公司。韩国：三星、LG 公司等二、 PLC 的发展前景（1）产品规模向大小两个方向发展大：I/O 点数达 14336 点，32 位微处理器，多 CPU 并行工作 ，大容量存储器，扫描速度快高速；小：整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本；（2）PLC 在闭环过程中应用日益广泛；（3 不断加强通讯功能；（4）新器件和模块不断推出管理分散控制的多级分布式控制系统。满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。112.3 可编程控制器的几种编程语言 可编程控制器的编程语言按 IEC61131-3 国际标准来分主要包括图形化编程语言和文本化编程语言。图形化编程语言包括:梯形图(LD-Ladder Diagram)、功能块图(FBD-Function Block Diagram)、顺序功能图 (SFC-Sequential Function Chart)。文本化编程语言包括:指令表(IL-Instruction List)和结构化文本(ST-Structured Text)。这些语言是基于 WINDOWS 操作系统的编程语言.而 SFC 编程语言则在两类编程语言中均可使用。下面分别来介绍这几种编程度语言。2.3.1 梯形图编程语言(LD-Ladder Diagram) 梯形图来源于继电器逻辑控制系统的描述，是 PLC 编程中被最广泛使用的一种图形化语言，由于梯形图类似于继电器控制的电气接线图，便于理解,因此许多编程人员和维护人员都选择了这一编程方式。而且其图形结构类似于登高用的梯子，故名梯形图。梯形图程序的左右两侧有两垂直的电力轨线，左侧的电力轨线名义上为功率流从左向右沿着水平梯级通过各个触点、功能、功能块、线圈等提供能量，功率流的终点是右侧的电力轨线。每一个触点代表了一个布尔变量的状态，每一个线圈代表了一个实际设备的状态，一个简单的梯形图程序如图 1 所示:图 2-3-1 梯形图程序示例 梯形图的每个梯级表示一个因果关系,事件发生的条件表示在梯形的左面,事件发生的结果表示在梯级的右面。12 梯形图编程语言具有如下特点: (1) 与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性; (2) 与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于掌握和学习; (3) 对于复杂控制系统描述,仍不够清晰;(4) 可读性仍不够好。 几乎所有 PLC 厂商提供的 PLC 都支持梯形图编程语言,而且都比较容易理解，只是在梯形图结构上可能稍有变化。比如西门子的 S7 系列梯形图就没有右边的电力轨线。有时在有此参考书中右边的电力轨线也常常被省略。2.3.2 功能块图编程语言(FBD-Function Block Diagram)功能块图编程语言采用功能模块表示所具有的功能，不同的功能模块具有不同的功能。功能模块用矩形来表示，每一个功能模块的左侧有不少于一个的输入端，右侧有不少于一个的输出端。功能模块的类型名称通常写在块内，其输入输出名称写在块内的输入输出点对应的地方。 功能模块基本上分为两类:基本功能模块和特殊功能模块。基本功能模块如 AND，OR XOR 等等.特殊功能模块如 ON 延时，脉冲输出，计数器等等。功能块编程语言具有以下特点:(1) 以功能模块为单位 ,从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变的容易;(2) 功能模块用图形化的方式描述功能，较直观易掌握，方便组态，易操作。是有发展前途的一种编程语言;(3) 对较复杂系统，由于控制功能关系能够比较清晰的描述，因此缩短了编程和调试时间;(4) 因为每一个功能模块要占用一定程序存储空间，对功能块的执行需要一定的执行时间，因此，这种语言在大中型可编程控制器和分散控制系统中应用较广泛。、132.4 传感器及气动装置的概述2.4.1 传感器的概述国家标准 GB7665-87 对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的使用：传感器应用于科学和技术领域。在研究中，高敏感度和特殊传感器被用来做实验。在自动化技术中，标准和特殊传感器全部得到使用。在日常使用的设备中，更多用的是简单的传感器，然而，这种传感器要求非常可靠的操作。传感器信号：传感器把物理量转换成一个电信号。二进制传感器也称为开关，与模拟传感器输出信号的类型不同而有所区别。二进制传感器：二进制传感器进产生两种信号，开关状态“开”或“关” 。物理变量的每一个特定值引起开关状态转换到另一个状态。模拟传感器：模拟传感器产生的是一个随物理量变化的连续的电信号。相关函数并不一定是线性的。但是与二进制传感器相比，它能够获得物理量的瞬时值。因此，尽管信号处理要复杂一些，模拟传感器可比二进制传感器提供更多的信息。线性电位器：线性电位器使用分压原理测量距离，位移信息被转换成电压形式传递出去。它的电阻核心外面包着一层电阻性塑料，它上面有一个滑动杆。电压从滑杆导出，与滑杆所处位置和供应电压成正比。气动系统工作原理2.4.1 气动装置的概述气动系列统是以压缩空气为工作介质来进行能量与信号的传14达递，利用空气压缩机将电动机或其它原动机输出的机械能转变为空气的压力能，然后在控制元件和辅助元件的配合下，通过执行元件把空气的压力能转变为机械能，从而完成直线或回转运动并对外作功。15第三章 材料分拣装置硬件系统3.1 基本功能及控制要求本实验装置根据材料的材质不同来进行分拣,主要实现如下基本功能。 （1）分拣出金属与非金属（2）分拣某一颜色块（3）分拣出金属中某一颜色块（4）分拣出非金属中某一颜色块和非金属中某一颜色块。 （5）分拣出金属中某一颜色块和非金属中某一颜色块。系统利用各种传感器对待测材料进行检测并分类。当待测物体经过下料装置送入传送带后，依次按受各种传感器检测。如果被某种传感器检测中，通过相应的气动装置将其推入料箱，否则继续前行。其控制过程如下接通电源,启下启动开关,传送带开始运行。系统启动后，下料传感器（光电传感器）检测到料口有料时，传送带停止，同时出料气缸开始动作，将待测无物料推到传送带上，电机启动，待测物体开始在传送带运行。当电感传感器检测金属物料时，电机停止，同时出料气缸动作，将物料推入相应的料槽，然后电机启动运转当电容传感器检测到时非金属物料时，电机停止，同时出料气缸动作，将物料推入相应的料槽，然后电机启动运转。当颜色传感器检测到材料为某一颜色时，电机停止，同时出料气缸动作，将物料推入相应的料槽，然后电机启动带动传送带运转。剩余的材料到达备用传感器，备用传感器检测到物料时，电机停止，同时出料气缸动作，将物料推入相应的料槽，然后电机启动带动传送带运转。竖井式下料槽无料时，传送带运行一个行程后自动停止。163.2 系统的结构设计系统结构设计，系统总体结构如图 1 所示，PLC 控制器与材料分拣装置相连接，通过采集材料分拣装置各传感器，气缸传达送带的信号，经程序判断将控制信号传送到材料分拣装置各气缸，输出控制动作。 图 32 材料分拣系统硬件图3.3 材料分拣装置的组成及各各部的功能本系统采用台式结构，内置电源，有竖井式产品输入料槽，滑板式产品输出料，转接板上设计了与 PLC 连接接口，材料分拣装置结构如图 2 所示，该装置选用了颜色识别传感器及对不同材质敏感的电感和电容式传感器，分别被固定在网孔板不同的区域安装。17图 33 材料分拣结构装置图整个控制系统由气动部件和电气部件两大部分组成。气动部分：减压阀，气压指示表，气缸，空气压缩机等部分组成。电气部分：电感传感器，电容传感器，颜色传感器，光电传感器备用传感器，开关电源，电磁阀，步进电动机等部分组成。料槽是一个手动入库自动出库的装置，使用时可先将料块放入料槽中，当光电传感器检测到料块时系统开始运行，即启动输送带并由出库气缸将库内最底层料块推入输送带。电动机输送带是由步进交流电动机驱动的皮带式输送装置。步进电动机选用的型号为 42BYGH101。电感传感器 电感式接近开关属于有开关量输出的位置传感器，用来检测金属物体，它由 LC 高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近开关这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流，这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此，可识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断，本文先用 M18X1X40电感传感器。电容传感器 电容传感器也属于具有开关量输出的位置传感器，是一种接近式开关，它的测量头通常是构成电容器的一个极18板，而另一个极板是待测物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此，便可控制开关的接通和关断，本装置中电容传感器是用于检测非金属物体，选用 E3S-VS1E4 电容传感器。光电传感器(光电开关) 是光电接近开关的简称,它是利用被检测物体对光束的遮光或反射,由同步回路选通电路,从而检测物体的有无.其物体不限于金属,对所有能反射光线的物体均可被检测.光电开关是一种电量传感器,把电流或电压的变化以光电的方式传送出去.即进行电信号光信号电信号的转换,多数光电开关选用的是接近可见光的红外线.光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。本装置中光电传感器是用于检测物体有无，选用欧姆龙 E3Z-K 光电开关传感器。颜色传感器 选用欧姆龙公司生产的，型号为 E2SX8ME1 颜色传感器，此传感器为 RGB（红绿蓝）颜色传大感器，可检测目标物体对三基色的反射比率，从而鉴别物体颜色。备用传感器 采用的传感器工作原理和光电传感器一样,故采用和光电传感器同一类型的光电传感器。电磁阀 利用电磁线圈得电时，静铁心对动铁心产生电磁力使切换以改变气流方向的阀，称为电磁控制换向阀，简称电磁阀，这种阀易于实现电气联合控制，能实现远距离操作，故得到广泛应用。气动回路中通常选用二位五通电磁阀。通电时，电磁线圈得电，静铁心对动铁心产生电磁力使切换以改变气流方向的阀，断电时，通过弹簧使其复位。从而达到换向的目的。（一）气源装置认知（气泵）气泵由下列部件构成空气压缩机：把电能转变为气压能，为气源部分,选用 FB-0.048/7 静音空气压缩机。压力开关： 被调节到一个最高压力时，停止电动机，降至19最低压力时，重新激活电动机。安全保护器：当储气罐内的压力超过允许限度，可将压缩空气排出单向阀，阻止压缩空气反方向流动。储气罐：存储压缩空气储气罐，主要用来调节气流，减少输出气流的压力脉动，使输出气流具有流量连续性和气压稳定性。压力表：显示储气罐内的压力。气源开关：向气路中提供气源的开关，系统工作时，必须打开。主管道过滤器：它清楚主要管道内灰尘，水分和油。主管道过滤器必须具有最小的压力降和油雾分离能力。 气缸引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件，将压缩空气的压力能转换为机械能，驱动机构作直线往复运动、摆动和旋转运动。气缸是由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件组成。20第四章 PLC 硬件设计PLC 控制系统的硬件设计，主要是根据被控制对象的对 PLC控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入，输出设备，选择合适的 PLC 类型，并分配 I/O 接点。4. 1 PLC 选型确定 I/O 点数 根据控制要求，输入信号应该有 6 个传感器输入信号，包括电感传感受器输入信号，电容传感器输入信号，光电传感器输入信号，颜色传感器输入信号，备用传感器输入信号和启动开关输入信号和停止开关输入信号,共计 8 个输入接口。输出控制电动机运行的接触器接口,以及 5 个控制气缸动作的电磁阀输出接口,共计 6 个输出接口。共需 I/O 点 13 个，其中 8 个输入接口，5 个输出接口。PLC 的选型 由于该材料分拣装置的控制为开关量控制，且所需的 I/O 点数不多，因此，选择一般的小型机即可满足控制21要求，故本系统选择 PLC 机型为三菱 FX2N32MR 型。4. 2 I/O 地址分配建立 I/O 地址分配表 根据所选择的 PLC 机型，对 PLC 的I/O 点分配编号，系统的 I/O 分配表，如下表所示，通过 I/O 的连接，即可实现 PLC 对分拣装置的控制。输入端子用于采集各传感器信号和启动开关和停止开关信号，均为数字量信号，输入地址分配表如下而输出端子用于气缸控制信号，均为数字量信号，输出地址分配如下表所示输入 I/O 地址分配表地址 符号 采集信息X000 SN 光电传感器X001 SA 电感传感器X002 SB 电容传感器X003 SC 颜色传感器X004 SD 备用传感器X005 SB1 启动开关X006 SB2 停止开关输出 I/O 地址分配表地址 符号 驱动对象Y000 YV5 汽缸 5 电磁阀Y001 YV1 汽缸 1 电磁阀Y002 YV2 汽缸 2 电磁阀Y003 YV3 汽缸 3 电磁阀Y004 YV4 汽缸 4 电磁阀Y005 KM1 电动机驱动224. 3 I/O 连接图根据系统控制要求和 I/O 连接图，绘制出 FX2N32MR 型PLC 系统接线图。如图 53 所示。图 4-3 I/O 连接图4. 4 与上位机通讯该系统上位机软件采用 MCGS 组态软件，通过 RS232 接口23与三菱 FX2N-32MR 进行通讯，并对整个控制系统进行在线监控。第五章 PLC 软件设计 软件设计是整个 PLC 电气控制部分设计的核心,根据控制要求,确定控制的操作方式,应完成的动作,以及必须的保护和连锁,还要确定所有的控制参数。根据生产设备的需要，把应有的按钮，接触器，传感器等装置，按照输入，输出分类，每一类型设备按顺序分配输入和输出地址，列出 PLC 的 I/O 地址分配表，每一个输入信号占用一个输入地址，每一个输出地址驱动一个外部负载，然后根据上述规划来绘制程序流程图。在此给出了程序流程图，如图所示5. 1 程序流程图根据系统的硬件结构特点,确定系统控制过程,程序流程图如图接通电源，传送带开始转动，光电传感器检测料仓是否有料，如果料仓没料，开始计时，传送带到达一个运行周期，电机停止。当料仓有料时，下料气缸动作，将物料推入传送带，传送带运行，当 SA 检测到物料时，铁皮出料气缸动作，分拣出铁皮材料。当SB 检测到物料时，铝出料气缸动作，对铝材料进行分拣。当 SC检测到物料时，颜色出料气缸动作，分拣出所需材料，剩余材料到达 SD 时，其相对应气缸动作，将所剩物料推入相应料槽。24图 5-1 程序流程图5. 2 梯形图及说明根据硬件控制要求以及 I/O 地址分配和程序流程图，编写PLC 程序，其梯形图如下所示。25接通电源,按下启动开关,X005 接通,辅助继电器 M7 得电,同时常开触点 M7 闭合,接触器 Y010 得电,电动机启动,带动传送带运转；当按下停止开关时，X006 常闭触点断开， M7 断电，电动机停止转动，传送带停止运行。当光电传感器检测到料口有料时，常开触点 X000 闭合，YV5 电磁阀 Y000 得电，驱动相应气缸进行动作，同时常闭触点Y000 断开，电动机停止。当电感传感器检测到相应物料时，常开触点 X001 闭合，YV1 电磁阀 Y001 得电，驱动相应气缸进行动作，同时常闭触点Y001 断开，电动机停止。当电容传感器检测到相应物料时，常开触点 X002 闭合，YV2 电磁阀 Y002 得电，驱动相应气缸进行动作，同时常闭触点Y002 断开，电动机停止。当颜色传感器检测到相应物料时，常开触点 X003 闭合，YV3 电磁阀 Y003 得电，驱动相应气缸进行动作，同时常闭触点Y003 断开，电动机停止。当备用传感器检测到相应物料时，常开触点 X004 闭合，YV4 电磁阀 Y004 得电，驱动相应气缸进行动作，同时常闭触点26Y004 断开，电动机停止。当料口没有物料时，光电传感器检测不到物料，X000 常闭触点处于闭合状态，T0 接通，开始计时(设定时间为 300 秒)，即一个运行周期。计时时间达到设定值时，常闭触点 T0 断开，电机停止。当计时时间没有到达设定值，料口有料，光电传感器 X000 常开触点闭合， Y000 接通，常闭触点 Y000 断开，定时器 T0 断电。5. 3 PLC 指令根据梯形图编写指令程序，如下：2728第六章 控制系统的调试在 PLC 软硬件设计完成后，应进行调试工作，因为在程序设计过程中，难免会有疏漏得地方，因此，在将 PLC 连接到现场设备之前，必须进行软件测试，以排除程序中的错误，同时，也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期，另个，一些硬件如传感器，在使用前，也应事先调试好。6.1 硬件调试一、传感器的调试 在通电状下，在颜色传感器下方的输送带上，放置待分拣颜色的物料块，调节传感器上的电位器，观察窗口中红黄或绿指示灯，当两灯恰同时发光时，该灵敏点就是料块颜色检出点；在电感传感器下方的输送带上，放置铁质料块，调整传感器的垂直位置，恰好使传感器上端指示灯发光，该高度即为传感器对铁质材料的检出点。在电容传感器下方的输送带上，放置铝质物料块，调整传感器的垂直位置，恰好能使传感器上端指示灯发光，该高度就是传感器对铝质材料的检出点。在光电传感器下方的输送带上，放置任意料块，调整传感器的垂直位置，恰好使传感器上端指示灯发光，该高度即为传感器对材料的检出点。在备用传感器下方的输送带上，放置任意料块，调整传感器的垂直位置，恰好使传感器上端指示灯发光，该高度即为传感器对材料的检出点。二、气动阀的调节将气源送上，调节气动阀气源管上的螺栓就可以调节气动阀的动作力度，直到气动阀的动作力度合适为止。6.2 软件调试将所编写的梯形图程序进行编译，通过上下位机的连接电缆29把程序下载到 PLC 中。刚编好的程序难免有这样那样的错误或缺陷。为了及时发现和消除程序中的错误，减少系统现场调试的工作量，确保系统在各种正常或异常情况下都能做出正确响应，需要进行离线测试，既不将 PLC 的输出接到设备上。按照要求在指定的输入端输入信号，观察输出指示灯的状态，如果输出不符合要求，则要查找原因，将其排除。6.3 整体调试将设备接入 PLC，进行联机测试，看是否满足要求，如果不满足要求，可通过综合调整软件和硬件系统，直到满足要求为止。30结论 本系统采用可编程控制器作为控制系统的核心，充分发挥了可编程控制器编程方便，控制灵活，可靠性高的优点。系统的资源利用率较高，并且取得了良好的控制效果。该控制系统经过实际运行，其工作可靠性高，稳定。运用该系统可取得以下三方面效益：一是节省人力和资金支出，采用该系统之前动用的人力较多，支出的资金也较高。而现在只用一名操作人员就可完成此项工作，节省了大量的人力和资金。二是由于该系统采用 PLC 控制技术，PLC 具有稳定性，这就避免了外界环境的干扰，而且整个过程是自动控制，一切工作都是由机器来完成，这样就减少了由于人工操作失误造成的差错，提高了效率。三是在在提高了效率，在没有采用自动分拣系统之前，一切工作都是由人来完成，工作效率较低，而采用此系统则大大搞高了工作效率，尤其是在分拣大批量货物时，其效果更为明显。因此，材料分拣系统在现代化工业中得到了广泛的应用。但也有我们需要改进之处，整个系统的购置需要的投资比较大，且 它 的 维 修 成 本 较 高 ， 在 引 进 和 建 设 自 动 分 拣 系 统 时 一定 要 考 虑 有 充 足 的 资 本 做 基 础 。 所 以 要 求 使 用 者 必 须 具 备 一定 的 技 术 经 济 条 件 。它 对 商 品 外 包 装 要 求 高 ， 自 动 分 拣 机 只 适 于 分 拣 底 部 平坦 且 具 有 刚 性 的 包 装 规 则 的 商 品 。 袋 装 商 品 、 包 装 底 部 柔 软 且凹 凸 不 平 、 包 装 容 易 变 形 、 易 破 损 、 超 长 、 超 薄 、 超 重 、 超 高、 不 能 倾 覆 的 商 品 不 能 使 用 普 通 的 自 动 分 拣 机 进 行 分 拣 ， 因 此为 了 使 大 部 分 商 品 都 能 用 机 械 进 行 自 动 分 拣 ， 可 以 采 取 二 条 措施 ： 一 是 推 行 标 准 化 包 装 ， 使 大 部 分 商 品 的 包 装 符 合 国 家 标 准； 二 是 根 据 所 分 拣 的 大 部 分 商 品 的 统 一 的 包 装 特 性 定 制 特 定 的31分 拣 机 。 但 要 让 所 有 商 品 的 供 应 商 都 执 行 国 家 的 包 装 标 准 是 很困 难 的 ， 定 制 特 写 的 分 拣 机 又 会 使 硬 件 成 本 上 升 ， 并 且 越 是 特别 的 其 通 用 性 就 越 差 。32致谢在本文即将结束之际，我要由衷地感谢在我毕业设计阶段，乃至大专三年学习生活中帮助过我的师长与同学。毕业设计是大学三年里最后一次学习和提高性综合考核，在这次设计中我不仅从知识和动手能力上得到了很大的提高，而且心理上也成熟了。通过这次设计,培养了我的综合运用所学的基础理论、基础知识、基本技能进行分析和解实际问题的能力;使我受到了 PLC系统开发的综合训练, 达到能够进行 PLC 系统设计和实施的目的, 还掌握了工业生产流水线中材料分拣系统的工作原理。回想起以往的美好时光，此时感慨万千，首先感谢指导教师姜岩蕾老师在毕业设计中对我的帮助，鼓励和精心指导，姜老师治学严谨，指导有方，严格要求，为我营造了一种良好的精神氛围。本论文的选题、研究内容、研究方法及论文的形成是在姜老师支持、鼓励和悉心指导下完成的，她让我获得深思熟虑的意见和概念清晰的见解，在设计中对本论文提出许多意见和建议，既激发了我的灵感，又给了我持久不断的鼓励。在设计中倾注了老师大量的心血，在论文完成之际，特向我尊敬的姜岩蕾老师表示衷心的感谢。毕业设计的完成也算是对我们学习生涯的一个句号，回想三年大学时光，与老师和同学们的点点滴滴，你们给与我的种种帮助，使我得以今天能顺利完成毕业设计，完成学业。谢谢你们，我所有的老师与同学。最后衷心的祝愿你们工作顺利、家庭幸福、身体健康！33参考文献1史增芳，可编程控制器原理与应用M.北京：中国林业出版社，北京希望电子出版社，2006.122吕景泉，自动化生产线安装与调试M.北京：中国铁道出版社，2008.12郭润夏，白兰萍，PLC 在自动材料分拣系统中的应用J. 微计算机信息，2006，22（5-1）：22-233张有素，赵有宪，PLC 材料自动分拣装置系统J.的研究，煤炭技术J.2002，1（7）62-64蒋少菌，材料分拣装置的可编程控制系统设计J.华侨大学学报(自然科学版)，2005.26(4):442-444.4刘振，可编程控制器材料分拣系统设计与实现J.中国机新技术新产品，2008 NO.075周天沛，PLC 在材料自动分拣系统中的应用J.工业控制计算机，2009 年 22 卷第 5 期6王煜东，传感器及应用M.北京：机械工业出版社， 2008.27廖常初，FX 系列 PLC 编程及应用M.北京：机械工业出版社，2005.434附件一：PLC 程序指令35附件二：所有器材明细表器材名称 型号PLC 三菱 FX2N-32MR电感传感器 M18X1X40电容传感器 E3S-VS1E4光电开关传感器 欧姆龙 E3Z-K颜色传感器 E2SX8ME1备用传感器 欧姆龙 E3Z-K步进电动机 42BYGH101电磁阀 二位五通单电控 4V310-08空气压缩机 FB-0.048/7