材料分拣装置的PLC控制系统的设计

综合毕业实践说明书(论文)题目：材料分拣装置的PLC控制系统的设计 系 别： 机电工程系 专 业： 机电一体化 学 号： 姓 名： 指导教师： 2011年10月19日摘 要自动分拣控制系统广泛应用于社会各行各业，如：物流配送中心、邮局、采矿、港口、码头、仓库该控制系统的应用可以大大提高企事业单位该环节的生产效率。 本文作者通过查阅大量资料，对自动分拣系统及其相关的技术发展、现状和趋势作了一个比较全面的总结。在熟悉了自动分拣系统的原理的基础上，根据一定的分拣要求以三菱PLC为控制核心，Mcgs组态软件为监控软件，设计出材料分拣控制系统。该材料分拣系统以PLC为主控制器,结合气动装置、传感器技术、组态监控等技术,现场控制产品的自动分拣。系统具有自动化程度高、运行稳定、分拣精度高、易控制的特点,对不同的分拣对象,稍加修改本系统即可实现要求。关键词：材料分拣 三菱PLC Mcgs组态软件 目录摘要2目录3引言 41 概述1.1 PLC的发展历史 51.2PLC的定义和特点 61.3PLC基本结构和工作原理 82 组态控制技术112.1 组态技术概述122.2组态控制技术相对于传统计算机控制技术的优点 132.3 常用于组态控制技术的计算机系统和组态软件133 设备选型及硬件电路的设计 143.1材料分拣系统的硬件结构及功能143.2材料分拣系统的整个工作过程 173.3材料分拣系统各设备的选型173.4材料分拣系统梯形图的编辑、设计与输入224 材料分拣系统组态监控画面及参数设置 244.1组态控制画面的设计244.2组态控制参数与通讯参数的设定254.3 组态监控功能概述294.4材料分拣控制系统的调试29结束语 29致谢 31参考文献 32附录 33引言自动分拣系统的概述 自动分拣是指货物进入分拣系统到指定的分配位置为止，都是按照人们的指令靠自动装置来完成的。这种装置是由接受分拣指示信息的控制装置、计算机网络、搬运装置、分支装置（负责把到达分拣位置的货物按运到别处的装置）、缓冲站（在分拣位置临时存放货物的装置）等构成。除了使用终端的键盘、鼠标或者其它方式向控制装置输入分拣指示信息的作业外，由于全部采用自动控制作业，因此它的分拣能力、分拣数量同人为分拣相比都比较大，效率也得到了进一步突破。自动分拣系统的规模和能力已有很大的发展，目前大型分拣系统大多能分拣几十到几百个种类的物品，分拣能力达到每小时万件以上。国外分拣系统规模都很大，主要包括进给台、信号盘、分拣机、分拣信息识别系统、设备控制系统和计算机管理系统等几大部分，还要配备外围的各种运输和装卸机械，组成一个庞大而复杂的系统。自动分拣大部分与自动化立体仓库连接起来，配合自动引导车（AGV）、托链小车等其它复杂的系统，分拣系统在总体布置上，可以说千变万化。 从分拣技术水平上说，欧美各国发展最早，技术比较成熟，目前处于世界领先地位。美国和欧洲在60年代开始使用，日本则在第二次世界大战后才引进分拣机，但近二十年来由于其本国经济发展需要发展迅速，后来者居上，从1970-1985年共有338台自动分拣机投入运行，其中58.32%用于储运业，17.15%用于销售业。到1987年就已经拥有自动分拣机1000台，号称是世界上拥有分拣机最多的国家。 我国自动分拣技术起步较晚，目前已能与国际先进水平保持同步，但是缺少技术创新能力，使自动分拣技术的物流系数也减少，大部分小型超市配送中心仍然靠人工分分拣。在二十世纪80年代，我国最初是一些邮局采用小型的半自动翻盘分拣机，用于邮包分拣。1990年为迎接第十一届亚运会，从荷兰引进了一套有3个入口，60个出口的自动分拣系统，成立了北京食品配送中心，每小时可以配送3000件货物，使我国的分拣技术有了一个飞跃。而如今分拣技术已经用于我国的各行各业，使这环节的效率得到了很大的提高。自动分拣机最先在邮政部门开始应用，大量的信件和邮包要在极端的时间内正确分拣，非凭借高度自动化的分拣措施不可。此后，运输企业、配送中心、通讯出版部门、烟草部门、出版行业、食品化工、造纸业、化工业、机械制造以及各类工业企业亦相继应用。近二十年来,特别是物流行业，随着经济和生产的发展,商品趋势趋于短小轻薄，流通趋于小批量多品种和准时制（JUST-IN-TIME，简称JIT)。分拣作业已成为一项重要的工作环节，分拣系统的应用已经日趋普遍。我国目前多数配送中心和物流企业都是人工分拣。显然，随着分拣量的增加、分送点的增多、配货响应时间的缩短和服务质量的提高，单凭人工分拣将无法满足大规模配送的要求，所以这一环节亟待提高。而国外一些配送中心多采用分拣系统进行分拣，充分发挥了分拣技术分拣速度快、分拣点多、差错率极低、效率高和基本上全自动操作的优势。日本一位物流专家认为，在用户需求表现为多种小批量的时代，物流技术的三大措施是自动分拣机、自动化仓库和无人自动引导车。自动分拣机是其中最接近与成熟的产品，这可以认为是国家对于自动分拣在物流技术中的地位和现状的一个较好的概括。自动分拣系统成为当代物流技术发展的三大标志之一。1.1 PLC的发展历史在可编程序控制器问世之前，继电器接触器控制在工业控制领域中占有主导地位。但随着工业的发展，继电器接触器控制已不能满足人们的要求。 为了解决这一问题，早在1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM公司)，为了适应汽车型号不断翻新，以求在激烈竞争的汽车工业中占有优势，就提出要用一种新型的控制装置取代继电器接触器控制装置，并且对未来的新型控制装置做出了具体设想。要把计算机的完备功能以及灵活性、通用性好等优点和继电器接触器控制的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点溶入于新的控制装置中，且要求新的控制装置编程简单，使得不熟悉计算机的人员也能很快掌握它的使用技术。 美国数字设备公司(DEC)根据GM公司招标的技术要求，于1969年研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车自动装配线上试用，获得成功。其后，日本、德国等相继引入这项新技术，可编程序控制器由此而迅速发展起来。 在20世纪70年代初期、中期，可编程序控制器虽然引入了计算机的优点，但实际上只称为PLC(Programmable Logical Controller)。随着微处理器技术的发展，20世纪70年代末至80年代初，可编程序控制器的处理速度大大提高，增加了许多特殊功能，使得可编程序控制器不仅可以进行逻辑控制，而且可以对模拟量进行控制。因此，美国电器制造协会(NEMA)将可编程序控制器命名为PC(Programmable Controller)，但人们习惯上将之仍称为PLC，以便与个人计算机PC(Personal Computer)相区别。80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路技术韵迅猛发展，以16位和32位微处理器为核心的可编程序控制器得到迅速发展。这时的PLC具有了高速计数、中断技术、PID调节和数据通信等功能，从而使PLC的应用范围和应用领域不断扩大。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。 1.2PLC的定义和特点 PLC的发展初期，不同的开发制造商对PLC有不同的定义。为使这一新型的工业控制装置的生产和发展规范化，国际电工委员会(IEC)于1985年1月制定了PLC的标准，并给它作了如下定义：可编程序控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则而设计。 它的一些性能与继电器相比具有以下特点：1可靠性高 可靠性包括产品的有效性和可维修性。可编程控制器的可靠性高，表现在下列几个方面： a)可编程控制器不需要大量的活动部件和电子元件，接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间缩短，因此可靠性得到提高。 b)可编程控制器采用一系列可靠性设计方法进行设计，例如冗余设计，掉电保护，故障诊断，报警和运行信息显示和信息保护及恢复等。c)可编程控制器有较强的易操作性，它具有编程简单，操作方便，编程的出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。 d)可编程控制器的硬件设计方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性高的工业级元件，采用先进的电子加工工艺（SMT）制造，对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等；存储器内容的保护，采用看门狗和自诊断措施，便于维修的设计等。 2操作性高 a)操作方便：对PLC的操作包括程序的输入和程序更改操作，大多数PLC采用编程器进行程序输入和更改操作。现在的PLC的编程器大部分可以用电脑直接进行，更改程序也可根据所需地址编号、继电器编号或接点号等直接进行搜索或按顺序寻找，然后可以在线或离线更改。 b)编程方面：PLC有多种程序设计语言可以使用，梯形图与电气原理图相似；编程语句是功能的缩写，便于记忆；功能图表语言以过程流程进展为主线，十分适合设计人员与工艺专业人员设计思想的沟通。功能模块图和结构化文本语言，功能清晰，易于理解等优点。 c)维修方便：PLC所具有的自诊断功能对维修人员的技术要求较低，当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以根据有关故障代码的显示和故障信号灯的提示等信息，或通过编程器和HMI屏幕的设定，直接找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间，提高了效率。 3灵活性好 a)编程的灵活性：PLC采用的标准编程语言有梯形图、指令表、功能图表、功能模块图和结构化文本编程语言等。使用者只要掌握其中一种编程语言就可进行编程，编程方法的多样性使编程方便。 b)扩展的灵活性：PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可以根据应用的规模不断扩展，即进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。它不仅可以通过增加输入输出模块增加点数，通过扩展单元扩大容量和功能，也可以通过多台PLC的通信来扩大容量和功能。c)操作的灵活性：操作的灵活性指设计工作量、编程工作量、和安装施工的工作量的减少。操作变得十分方便和灵活，监视和控制变得很容易。在继电器顺序控制系统中所需的一些操作得到简化，不同生产过程可采用相同的控制台和控制屏等。 4可实现机电一体化 为了使工业生产的过程控制更平稳，更可靠，向优质、高产、低耗要效益，对过程控制设备和装置提出了机电一体化，即仪表、电子、计算机综合的要求，而PLC正是这一要求的产物，它是专门为工业过程而设计的控制设备，具有体积小、功能强，抗干扰性好等优点，它将机械与电气部件有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合集成在一起，因此，它已经成为当今数控技术、工业机器人、离散制造和过程流程等领域的主要控制设备，成为工业自动化三大支柱（PLC，机器人，CAD/CAM）之一。 可编程控制器现在已经成为了一个不可代替的控制系统，它们可以与其它系统通讯，提供产品报表，生产调度，诊断自身和设备的故障，这些技术上的改进，让PLC成为今天的各行各业的高质量和产量的重要的贡献者。1.3 PLC基本结构和工作原理 基本结构目前，可编程序控制器的产品很多，不同厂家生产的PLC以及同一厂家生产的不同型号的PLC，其结构各不相同，但就其基本组成和基本工作原理而言，是大致相同的。它们都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持。实际上可编程序控制器就是一种新型的工业控制计算机。PLC硬件系统的基本结构框如图所示：PLC硬件系统结构框图1 中央处理器（CPU）中央处理器是可编程控制器的核心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分的工作任务等。2 存储器 存储器是可编程控制器存放系统程序、用户程序以及运算数据的单元。可编程序控制器配有两种存储器，即系统存储器(EPROM)和用户存储器(RAM)。 3 输入输出接口输入输出接口是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。 输入口用来接收生产过程的各种参数，输出口用来送出可编程控制器的运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。按照信号的种类归类有直流信号输入、输出，交流信号的输入、输出；按照信号的输人、输出形式分有数字量输入、输出，开关量输入、输出，模拟量输入、输出。 下面通过开关量输入、输出模块来说明I/O模块与CPU的连接方式。 (1)开关量输入模块 开关量输人设备是各种开关、按钮、传感器等，其信号可能是交流电压(110 V或 220 V)，直流电压(1224 V)等。因此，输入模块要能将生产现场的信号转换成CPU能接收的TTL标准电平的数字量信号。对于开关量中交流输入模块的工作原理，只是在输人端先通过整流将交流输入信号变成直流信号，其他与开关量直流输入模块工作原理相同。 (2)开关量输出模块 输出模块的作用是将CPU执行用户程序所输出的TTL电平的控制信号转化为生产现场所需的，能驱动特定设备的信号，以驱动执行机构的动作。 通常开关量输出模块有三种形式，即继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出。继电器输出可接直流或交流负载，晶体管输出属直流输出，只能接直流负载。当开关量输出的频率低于1000 Hz，一般选用继电器输出模块。当开关量输出的频率大于1 000 Hz，一般选用晶体管输出。而双向晶闸管输出属交流输出。对于继电器输出型，CPU输出时接通或断开继电器的线圈，继电器的触点闭合或断开，通过继电器触点控制外电路的通断。对于晶体管输出型，则是通过光电耦合使开关晶体管截止或饱和导通以控制外部电路。对于晶闸管输出型，采用的是光触发型双向晶闸管。4 电源可编程控制器的电源包括可编程控制器各工作单元供电的开关电源以及为掉电保护电路供电的后备电源，后者一般为电池。5 外部设备 编程器是PLC的重要外部设备，利用编程器可将用户程序送人PLC的用户程序存储器，调试程序、监控程序的执行过程。编程器从结构上可分为以下三种类型。(1)简易编程器(2)图形编程器(3)通用计算机编程。基本工作原理 我们已经知道PLC是一种存储程序的控制器。用户根据某一对象的具体控制要求，编制好控制程序后，用编程器将程序键人到PLC的用户程序存储器中寄存。PLC的控制功能就是通过运行用户程序来实现的。 PLC运行程序的方式与微型计算机相比有较大的不同，微型计算机运行程序时，一旦执行到END指令，程序运行结束。而PLC从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条执行用户程序，直到END指令结束。然后再从头开始执行，并周而复始地重复，直到停机或从运行(RUN)切换到停止(STOP)状态。我们把PLC这种执行程序的方式称为扫描工作方式。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期。另外，PLC对输入、输出信号的处理与微型计算机不同。微型计算机对输入、输出信号实时处理，而PLC对输入、输出信号是集中批处理。下面我们具体介绍PLC的扫描工作过程。 PLC扫描工作方式主要分三个阶段：输入采样、程序执行、输出刷新。 1)输入采样 PLC在开始执行程序之前，首先扫描输入端子，按顺序将所有输入信号，读人到寄存输入状态的输入映像寄存器中，这个过程称为输入采样。PLC在运行程序时，所需的输入信号不是现时取输人端子上的信息，而是取输入映像寄存器中的信息。在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，只有到下一个扫描周期输入采样阶段才被刷新。 2)程序执行 PLC完成了输入采样工作后，按顺序从0000号地址开始的程序进行逐条扫描执行，并分别从输人映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获得所需的数据进行运算处理。再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到输出端子上。 3)输出刷新 在执行到END指令，即执行完了用户的所有程序后，PLC将输出映像寄存器中的内容送到输出锁存器中进行输出，驱动用户设备。PLC扫描过程示意图如下图所示。PLC扫描过程示意图PLC工作过程除了包括上述三个主要阶段外，还要完成内部处理、通信处理等工作，在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。在通信服务阶段，PLC与其他的带微处理器的智能装置实现通信。2组态控制技术2.1组态技术概述组态控制技术是一种计算机控制技术。利用组态控制技术构成的计算机测控系统与一般计算机控制系统在结构上没有本质的区别，它们都是由被控对象、传感器、I/O接口、计算机和执行机构几部分组成。现场参数I/O接口现场设备执行器传感器被控对象I/O接口计算机显示器键盘一般计算机控制系统的结构组成传感器的作用是可以把被控对象的各种参数进行检测，然后将参数显示于计算机的显示器上。并根据参数实际值与设定值的偏差，按照一定的控制算法发出控制命令，控制执行机构的动作，从而完成任务。I/O接口负责沟通传感器、执行器，它是计算机与现场设备的桥梁。内部有将数字量转换成模拟量D/A转换器、模拟量转换数字量的A/D转换器、对开关量进行隔离的光电隔离器等。执行器由一些机械设备组成，如：电机、电源、管道、气阀、集成电路等组成。2.2组态控制技术相对于传统计算机控制技术的优点 组态的概念是伴随着集散型控制系统（Distributed Control System简称DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。这些优势主要体现在：PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已经成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成本；PC的软件资源和硬件资丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。组态（Configuration）的意思就是模块的任意组合。简单的讲，组态就是用应用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一具体任务的过程。 在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序（如使用BASIC,C,FORTRAN等）来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。 这样系统设计人员就可以把更多的注意力集中在如何选择最优的控制方法上，设计出合理的控制系统结构，选者合适的控制算法等这些提高控制品质的关键问题上。一方面，从管理的角度讲，用组态软件开发的系统具有与Windows一致的图形化操作界面,非常便于生产的组织与管理。 2.3常用于组态控制技术的计算机系统和组态软件一般来说，只要采用IPC（工业控制计算机），选择通用接口部件和组态软件，这样构成的系统都是基于组态控制技术的。世界上有许多自动化设备生产厂家生产了许多基于这种技术的DSC（集散式控制系统）计算机系统。如：中国的研华公司、时利和公司、德国的西门子公司、日本三菱等等。与上面系统专用组态软件相对的是通用组态软件，常用的国产通用组态软件有微控可视组态、MCGS、King view(组态王)等等。本系统采用MCGS作为上位机的监控软件。3设备选型及硬件电路的设计3.1 材料分拣系统的主要硬件结构 该系统采用台式结构，内置电源，设置的转接面板上设计了可与PLC连接的转接口。本装置还设置了气动方面的减压器、滤清、气压指示等，可与各类气源相连接。其外形结构、各传感器位置见图材料分拣系统的主要结构图材料分拣系统的各部分的结构如下：1、转接面板2、单向感应电动机 3、三菱PLC4、调压阀、空气滤器、油雾器与气压指示表5、内置电源6、传送带7、挡板8、料槽9、10、11、12、13、先导式电磁换向阀14、16、18、20、23、气缸回位限位开关（磁感应开关）15、17、19、21、22、气缸动作限位开关（磁感应开关）24、电容传感器 SB25、颜色传感器 SC26、电感传感器 SA28、29、30、31、导料轨道32、气缸133、气缸234、气缸335、气缸436、气缸5材料分拣系统各结构的功能 料槽(图6中的8)是一个材料手动入库而自动出库的装置，底部有一个光电传感器。使用时可先人为地将材料放入料槽中，此时光电传感器检测到料块时系统开始运行。当系统运行时，启动传送带（图6中的6）并由出料气缸（图6中的36）将料库内底层材料推入传送带。传送带是由单向感应电机(图6中的2)驱动的皮带式输送装置。为了防止气缸的压力过大而导致材料被打飞，所以在出料口加了挡板（图6中的7）。自动分选部分由传感器（图6中的24、25、26）、先导式电磁换向阀（图6中的9、10、11、12）、气缸（图6中的32、33、34、35）及导料轨道（图6中的28、29、30、31）组成。当传感器检测到相应料块时，对应的先导式电磁换向阀动作驱动气缸动作将其推人应去的滑道。例如：当电感传感器感应到铁块时，对应的气缸（图6中的36 ）动作，将铁块推入对应的导料轨道（图6 中的31）。调压阀、空气滤器与气压指示仪表（图6中的4）集中于一个模块上，它们接收来自气源的气压并传送到下面的5个气阀中。来自气源的压缩空气其压力通常都高于设备和装置所需的工作压力，因压力波动比较大，因而需要调节调压阀降压，使其输出压力与每台气动设备和装置所需要的压力一致，并保持该压力的稳定。空气过滤器是气动系统中最常见的一种空气净化装置，安装在使用压缩空气的设备气动系统气源的入口处。其作用是滤除压缩空气中的水分、油滴以及杂质微粒等危害，以达到系统要求的净化程度。过滤的原理是根据固体物质和空气中的分子的大小和质量不同，利用惯性、阻隔和吸附的方法将空气中的水分、油滴以及杂质微粒等危害去除。油雾器是一种特殊的注油装置，它以压缩空气为动力，将润滑油喷成雾状并混合于压缩空气中，并随空气进入需要润滑的部件，达到润滑的目的，使压缩空气具有润滑气动元件的能力。目前气动控制阀、气缸和气马达主要是靠这种有油雾颗粒的压缩空气来实现润滑，它的主要优点是方便、干净、润滑的质量高。在气压传动系统中，组成气动回路是为了驱动用于各种不同目的机械装置，其最重要的三个控制内容是：力的大小、运动的方向和运动的速度。与生产装置相连接的各种类型的气缸，靠压力控制阀、方向控制阀和流量控制阀分别实现对三个内容的控制，正是利用它们组成了各种气动控制回路。材料分拣系统选用的是方向控制阀中的先导式电磁换向阀。气动换向阀是利用电磁力的作用来实现阀的换向的。主要有电磁部分和主阀两部分组成，按照控制方式的不同可以分为直动式和先导式。先导式电磁换向阀首先由直动式电磁阀（先导阀）提供控制气压，再去控制主阀（气控阀）阀芯的运动，实现主阀的换向。因为这种阀的输出流量较大，故常作为控制气缸的主控阀。当传感器感应到有材料通过时，输出一个信号，这个信号通过PLC实现对先导式电磁换向阀的控制，先导式电磁换向阀又控制相对应的气缸来弹出材料到导料轨道。 每个气缸上都有两个磁感应开关，它们是有开关量输入输出的传感器。分别作为气缸回位限位开关、气缸动作限位开关。磁感应开关是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在传感器的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。当气缸动作时动作限位开关断开，气缸快速弹出，此时先导式电磁阀复位，当气压太大时而气缸没有复位时气缸复位限位开关感应动作从而关闭先导式电磁阀从而起到保护气缸的作用。 导料轨道（图6中的28、29、30、31、）主要作用是当气缸推出材料时导出材料。 转接板上有相对应的指示灯，用于指示各个输入输出信号的指示以便于我们进一步控制。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。本系统用该器件来检测铁质材料。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铝质材料。颜色传感器同样也属于具有开关量输出的位置传感器。它是在Si等多数光电二极管之前，分别放置R（红）、G（绿）、B（蓝）三种颜色的彩色滤光器，以便处理各自的输出信号并识别彩色的方法。材料分拣系统采用它主要是用来识别绿色与黄色的材料。 单向感应电动机作为执行机构用于带动传输带输送物料前行。 控制器采用三菱FX2N-32MR型PLC（图6中的3）。它接受料槽光电传感器、各材料传感器、先导式电磁换向阀、单向感应电动机、气缸位置传感器的信号，根据要求分别控制输送带电机和各电磁阀动作。内置电源（图6中的5 ）可以将220交流电转换成24伏的直流电供给各个传感器与气阀以及转接板上的各个指示灯，同时也为单向感应电动机提供稳定的220伏电压。本系统共设置了三个检测材料的传感器，同时预留了一个空余的气阀与气缸用来添加其它的传感器。用户可以根据自己的需求选择相应的传感器安装即可。3.2材料分拣系统的整个工作过程 本课题是基于区分材料的材质的不同而设计的材料分拣系统，主要是实现对铁质、铝质、不同颜色的材料的自动分拣。具体控制过程为:(1)接通电源，按下启动开关，系统进入启动状态。(2)系统启动后，下料传感器(光电传感装置)检测到料槽有材料，每隔2秒出料气缸动作一次，将待测材料推到传送带上，待测物体开始在传送带上运行。如果下料传感器没有感应到材料，传送带不运行。(3)当铁检测传感器检测到铁质材料时，铁出料气缸将待测物体推下。(4) 当颜色检测传感器检测到材料为黄色或者绿色时，颜色出料气缸动作将被检测到的材料推下。 (5)当铝检测传感器检测到铝质材料时，铝出料气缸动作将待测物体推下。(6)剩余红色非金属材料落到传送带后方。 (7)当料槽无材料时，传送带须继续运行一个行程后自动停机。3.3 材料分拣系统各设备的选型 三菱PLC的选型 根据材料分拣系统的工作过程由可知，系统的控制有输入信号12个，均为开关量。输出信号有5个，其中一个控制电动机，剩下的控制气阀，也都是开关量。根据分拣系统的需要配置出I/O对应功能，列表如下：三菱PLC(I/O)分拣系统接口(I/O)备注输入部分X010SFW2气缸动作限位开关X011SFW3气缸动作限位开关X017SFW4气缸动作限位开关X013SFW5气缸动作限位开关X000SA电感传感器X001SB电容传感器X002SC颜色传感器X005SBW2气缸回位限位开关X006SBW3气缸回位限位开关X007SBW4气缸回位限位开关X015SBW5气缸回位限位开关X014SN判断下料有无(下料传感器)输出部分Y000YV2先导式电磁换向阀11Y001YV3先导式电磁换向阀10Y003YV4先导式电磁换向阀 9Y004YV5先导式电磁换向阀13Y005M传送带表1：材料分拣系统的I/O列表再根据PLC选型的要求，在实际统计的输入/输出点数的基础上需有15%-20% 的备用量，因此选择三菱FX2N32MR的PLC作为主机，它可以满足本系统的需求，且还有一定的剩余I/O以备将来的扩展。 气动装置选型气源选择FB0.048/7静音空气压缩机，该空气压缩机具有噪音低、性能稳定、工作安全可靠的特点 ，适合于材料分拣系统的要求。它的技术参数如下：FB0.048/7静音空气压缩机 一台功率KW压力MPa排气量L/min转速r.p.m噪音dB(A)储气罐容积L重量Kg外形尺寸cm0.550.748280045153240x40x58调压阀、油雾器与气压指示表综合于一体，该部分选用SANWO（三和）SAW2000型号的产品。空气滤器选用SANWO（三和） SAL2000型号的产品。调压阀、油雾器、气压指示表、空气滤器也综合于一体。该套产品质量可靠，性能稳定、体积紧凑，适合使用。气阀选用SANWO（三和）SVK0120型号的先导式电磁换向阀。采用它的优点：（1）外漏堵绝，内漏易控，使用安全。（2）系统简单，便接电脑，价格低廉。（3）动作快递，功率微小，外形轻巧。该电磁阀的线圈为DC24伏，2.5瓦的线圈，电源来自分拣系统的内置电源，内置电源通过将220伏转化为24伏电压而来。它的技术参数如下表：SANWO（三和） SVK0120先导式电磁换向阀 个数：5接电方式（G）出线式标准电源交流：110v,220v（50hz） 直流：24V绝缘及保护额定电压的-10%+10%功率交流启动：5.6VA 持续：3.4VA直流2.5W气缸采用SANWO（三和）SCDJB10-45S型号的产品，该产品与气阀的型号相配套，性能优越。传感器的选型气缸回位限位开关、气缸动作限位开关都选用DC73型号的磁感应开关，控制功率高、作用距离大、结构简单、成本低、工作稳定可靠、寿命长。适合用于自动控制系统中，进行自动检测、定位、保护等。 它的技术参数如下：DC73磁感应开关 个数：10额定电压DC24V AC110V额定电流DC：540mA AC: 520mA而震程度1050HZ使用温度060摄氏度电感式接传感器选择百斯特BLJ18A48Z/B1Z 技术参数如下：百斯特BLJ18A48Z/B1Z 个数：1额定电压DC：636V额定电流300mA颜色传感器选择OMRON的E3SVS1E4型，该传感器具有灵敏度高，易调节的优点。技术参数如下：OMRON E3SVS1E4型 个数：1额定电压DC：1224V额定电流400mA输出形式直流3线式NPN电容式传感器选择OMRON的E2KX81ME1型，技术参数如下：OMRON E2KX81ME1型 个数：1Description静电容量型近接开关Sensing Distance8mmOutput直流3线式NPNSizeM18电动机与内置电源的选型 电机选择LINIX的单向感应电动机，它具有功率效率高、功率消耗低、更低的噪声以及在应用中更易控制的优点。型号为YN606 ，技术参数如下：LINIX YN606型单向感应电动机 个数：1功率W电压V频率HZ电流A极数P启动转矩mN.M(g.cm)额定转矩mN.M(g.cm)额定转速R/mim电容F/VAC6220500.15439(400)4713801/450内置电源为DADONG MD35-34型号的电源，具有易散热，工作性能稳定的特点。 技术参数如下：DADONG MD3534型号的电源 个数：1输入电压AC220伏 15%输出电压DC24伏材料分拣系统的控制流程图 由分拣控制系统的分拣要求画出控制系统的程序流程图，图如下。图7 材料分拣系统的程序流程图 流程图详细的描述了材料分拣系统的工作过程，当电源得电时，即流程图开始的时刻，整个系统开始运行。首先由光电传感器判断有无材料，没有材料时系统直接进入一个循环周期，周期时间到的时候系统停止运行。当有材料时，程序判断YV5是否复位，当它没有复位时传输带不运行，复位时，传输带自动运行且气缸自动将材料打出，并每隔一定时间打一次。在气缸将材料送至传送带的过程中，传送带运行停止，当气缸复位时传送带正常运行。材料随着传送带的运行而前进，遇到传感器相对应的传感器时，传感器给PLC发出信号，同时PLC给对应的气阀发出信号，于是同组的气缸开始动作打出材料。如果气缸没有复位则传送带就停止运行。这就是整个程序的流程。3.4梯形图编辑软件的设计与输入简介 材料分拣系统采用三菱公司的GX Developer Version7作为编程软件。GX Developer Version7是专为三菱PLC而设计的编程软件，适用于三菱任何型号的PLC。它是基于Windows的应用软件，可以在Windows 2000、Windows XP、Windows vista等系统上进行运行操作。运行GX Developer Version7，可以通过梯形图符号、指令语句以及SFC符号创建编辑程序，还可以在程序中加入中文或者英文注释，并且还可以通过该软件监控PLC运行时各编程元件的状态及数据变化，还具有程序和监控结果打印的功能。图8 GX Developer Version7 主界面 运行软件，即可进入GX Developer Version7 主界面。首先新建工程，然后就可以编辑梯形图。主界面主要由菜单栏、工具栏、编辑区、状态栏组等部分组成。GX Developer Version7 主界面如图8所示。梯形图的设计先新建一个工程，然后进行梯形图的输入。如下图：图9 梯形图的输入根据分拣系统的要求设计出梯形图，梯形图的部分程序如下：图10 材料分拣系统的部分梯形图 程序的下载 当程序设计好之后必须下载到PLC中才可以运行系统，下载时使用的是三菱PLC专用的编程电缆SC09。这根电缆的一端是接电脑的RS232串口，一端接在PLC的RS422通讯串口上。当电缆接好之后，打开GX Developer Version7软件，进入要下载的文件。先转换文件，然后选择菜单栏里的“在线”选择“写入”，便可以下载程序到PLC中。如下图所示：图11 GX Developer Version7程序的下载4 材料分拣系统组态监控画面及参数设置4.1 组态控制画面的设计 打开MCGS组态环境这个软件，进入它的主界面。设计出监控的画面如下：图12 材料分拣系统的组态监控画面4.2组态控制参数与通讯参数的设定首先对画面上的按钮进行动画连接设置。例如：单击画面上的材料库指示灯，在表达式里设置SN=1，闪烁实现方式与闪烁速度的设置如下图：图13 动态组态属性设置对于其它的指示灯设置方法也如材料库指示灯，但表达式必须对应各自的变量参数。当其它指示灯的对应变量设置完成之后。对组态的通讯参数进行设置，打开设备窗口分别添加如下两个设备：通用串口父设备和FX系列编程口。图 14 设备的添加双击通用串口父设备弹出通用串口父设备属性编辑对话框，对它的参数作如下设置，当设置好参数后点击检查，无误后点确定。图 15 通用串口设备属性编辑再对FX系列编程口进行设置，双击FX系列编程口弹出设备属性编辑对话框，对它的参数作如表2和图16设置，当设置好参数后点击检查，无误后点确定。对应数据对象通道类型SN只读X00000SA只读X00001SB只读X00002SC只读X00003SFW2只读X00004SFW3只读X00005SFW4只读X00006SFW5只读X00007SBW2只读X00010SBW3只读X00011SBW3只读X00012SBW4只读X00013SBW5只读X00014YV2读写Y00000YV3读写Y00001YV4读写Y00002YV5读写Y00003M读写Y00004表2 通道连接的设置图16 设备属性4.3 组态监控功能概述 通过对组态的画面与通讯参数的设置之后就可以对材料分拣进行监控了。当材料库里有材料时，材料库指示灯开始闪烁。同时传送带的指示灯也闪烁，表明传送带在工作。SA、SB、SC分别为铁块、颜色、铝块的指示灯，当材料分拣系统感应到对应的材料时指示灯开始指示。SBW2、SBW3、SBW4、SBW5的指示灯在汽缸动作时熄灭，当汽缸复位时灯变亮。YV2、YV3、YV4、YV5为气阀的指示灯，当气阀动作时对应的指示灯变亮。4.4材料分拣系统的调试在软件与硬件都已经准备好之后，开始对系统进行调试。这个过程便于我们发现问题与不足。通上电源，观察指示灯，一切正常之后开始加材料。通过运行，在材料加入料槽后发现材料容易被气缸打飞。从两个方面解决这个问题，首先调低气缸的气压，但气压波动较大，仍然无法解决问题；从另一个方面入手在出槽口的一端加上挡板，通过试验，大部分材料可以正常步入传送带。此问题顺利得到解决。材料随传输带传送到传感器时，传感器并不能感应到材料，说明传感器与物体的距离不适合。通过多次调试找到了适合的位置，即传感器的底部与传送带的距离。电感传感器与传送带最合适距离为28CM，颜色传感器最合适距离为30CM，电容传感器与传送带最佳距离为25CM。传感器对应的各个气缸在感应到材料后便开始动作，但由于气压的原因，材料不是被打飞，就是根本没有触到材料。首先将总气源的气压稳定在2.5Mp, 然后逐个调试气阀的进气开关，使气缸的气量保留在合适适中的位置。结束语综全文所述，本文对PLC及组态技术的工作原理、适用领域做出了详细的介绍，根据材料分拣的实际需求采用PLC设计出了材料分拣系统，并使用组态作为监控软件具有很高的实用价值。现对全文做出如下总结： 一、设计材料分拣系统之前，阅读了大量的资料和文献，不但了解了自动分拣系统发展的历史，发展现状，应用背景。还学习了气动技术、传感器技术、位置控制技术、及用组态软件实现上位机监控的知识。 二、用组态技术实现对分拣系统的现场监控，实现了现场无人化监控。 三、完成了材料分拣系统的硬件设计工作。并且基于该平台完成了控制系统的软件。通过实验测试了材料分拣系统硬件和软件。 实际的设计工作中，出现了不少难题：气源于气阀的气压不能实现精确调制，传感器的容易受到外界因素的干扰，上位机与下位机通信不稳定等问题。通过多次试验与实践以上问题基本上得到了解决，如何进一步提高控制性能，工作展望如下:一、进一步提高气源气压的稳定性，这样可以提高气阀的工作性能，为材料正常进入、弹出传送带打下基础。 二、在硬件上进一步改进挡板、出料轨道、传送带、进料仓，这对系统的实用与可靠性的提高有重大意义。三、采用步进电机以实现传送带速度的可控制性、实现系统的分拣效率的质的提高。四、进一步提高传感器的性能，找出一系列可靠的参数，实现系统的稳定。五、进一步分析研究各种分拣系统地优劣，提出材料分拣系统的综合性能。致 谢本论文是在指导老师薛桂娥的悉心指导和精心培养下完成的。老师严谨的治学态度、缜密的思维方式、踏实的工作作风和对事业的执着，以及对我的谆谆教诲都给我留下了深刻的印象，并使我终身受益。谨此对薛老师表达衷心的感谢和崇高的敬意。 还要感谢我的其他许多老师和同学，感谢你们在学习和生活上给我的帮助。此外，我还要感谢我的父母，谢谢他们一直以来对我的学业的支持和帮助。 最后，祝所有关心、帮助和支持我的人们身体健康、工作顺利！参 考 文 献1袁秀英。组态控制技术，北京：电子工业出版社。2003.8。2张万忠、周渊深。可编程控制器应用技术，北京：化学工业出版社。2001.4。3使用手册三菱系列微型可编程控制器。1999.11。4常斗南。可编程控制器，北京：机械工业出版社。1998.7。5TVT-99系列教学实物模型使用说明书。1999.11。6静音空气压缩机使用说明书。2007.11。7杨永平。液压与气动技术基础，北京：化学工业出版社。2001.4。8张福学。2004/2005传感器与执行器大全传感器变送器执行器 年卷北京：机械工业出版社。2005.129郝芸。传感器原理与应用，北京：电子工业出版社。2000.5。10吴丛，蒲钟佑。液压与气动，北京：北京理工大学出版社。1994.12。11吴志强 鲁晓春。物流设施与设备，北京：清华大学出版社北京交通大学出版社。2005。12SWOD5CFXTRNBEGC用户手册,2003.3。13柳贵国。检测技术及应用，北京：电子工业出版社。2006.6。14王艳秋。电机及电力拖动，北京：化学工业出版社。2005.8。附 录：（1） PLC 接线图（2） 材料分捡系统的梯形图34