FX2N型PLC控制的物料自动分拣装置毕业设计

FX-2N型PLC控制的物料自动分拣装置摘 要PLC已在现代自动控制中得到了广泛的应用，本次设计基于THJDZH-1物料自动分拣装置的基础上，应用三菱PLC对装置进行编程，实现其原有的功能。物料自动分拣装置THJDZH-1是模拟自动化工业生产部分过程的微缩模型，是由供料单元、机械手搬运单元和分拣单元组成。由供料单元把物料送到机械手搬运单元处，再由机械手搬运单元使用物料送给分拣单元，当机械手搬运单元送来的物料到位后，并为分拣单元入料口光电传感器检测到时，使机械手动作，机械手把物料搬运到传送带上并为光电传感器检测到时，即启动变频器，使传送带电动机转动，物料开始进入分拣区进行分拣。THJDZH-1使用了PLC控制、传感器、位置控制、电气控制和气动等技术，可以实现不同材料的自动分拣和归类功能，并可配置监控软件由上位机监控。经过模拟实验满足要求实现的功能。关键词 PLC 传感器 物料分拣 机械手I目 录引 言1第一章 THJDZH-1物料自动分拣装置的PLC控制21. PLC程序控制要求2第二章 装置的组成部分32.1 上料机构32.2 搬运机械手机构42.3 分拣机构5第三章 PLC对装置的控制原理和方法63.1 步进电机的PLC控制63.2 PLC对变频器控制方法及原理83.3 输入端的接线及原理9第四章 气动原理图与主要气动元件124.1 气动回路的主要部件124.2 气动原理图13第五章 硬件设计145.1 PLC的选择145.2 PLC的外部接线图15第六章 软件设计166.1 装置的运行流程16 6.2 梯形图程序17第七章 调试197.1 安装调试197.2 软件的调试19参考文献24附录25II引 言随着PLC逻辑控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能等多功能控制器技术的发展，在工业控制中得到了广泛的运用。长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。对于I/O点数多，且点数分散的控制系统，可通过PLC网络通信功能实现控制要求，实现PLC的远程控制。由于PLC已成为当代自动控制的一种重要的控制方式，那么如何正确高效把PLC运用到实际的生产中，对于我们大专毕业生尤为重要。所以本文介绍的THJDZH-1物料自动分拣装置是由PLC编程控制的工业自动生产的部分微缩模型，通过对它的重新编程设计控制，对于PLC的运用有了整体的理解，例如，I/O口的连接，根据PLC的I/O口结构形式选择何种传感器等。物料自动分拣装置的PLC选为三菱Fx2n系列的PLC，主要运用于对变频器，步进电机，电磁阀等器件的控制。完成此次设计对使用三菱PLC有了整体认识，如I/O端传感器与输出设备的连接，梯形图的编制等都得到了提高，为以后在工作中使用PLC打下了基础。1第一章 物料自动分拣装置的PLC控制1. PLC程序控制要求（1）上料机构在复位完成后，按下“启动”按钮，料筒光电传感器检测到有工件时，推料气缸将工件推出至存放料台后，推料气缸缩回，若3秒钟后，料筒检测光电传感器仍未检测到工件，则说明料筒内无物料，这时警示黄灯闪烁，放入物料后熄灭；机械手将工件取走后，推料气缸再次将工件推出至存放料台后，重复上述动作。（2）搬运机械手机构当存放料台检测光电传感器检测物料到位后，机械手手臂前伸，手臂伸出限位传感器检测到位后，延时0.5秒，手爪气缸下降，手爪下降限位传感器检测到位后，延时0.5秒，气动手爪抓取物料,手爪夹紧限位传感器检测到夹紧信号后；延时0.5秒，手爪气缸上升，手爪提升限位传感器检测到位后，手臂气缸缩回，手臂缩回限位传感器检测到位后；手臂向右旋转，手臂旋转一定角度后，手臂前伸，手臂伸出限位传感器检测到位后，手爪气缸下降，手爪下降限位传感器检测到位后，延时0.5秒，气动手爪放开物料,手爪气缸上升，手爪提升限位传感器检测到位后，手臂气缸缩回，手臂缩回限位传感器检测到位后，手臂向左旋转，等待下一个物料到位，重复上面的动作。在完成分拣后，再将物料放入输送线上。（3）分拣机构当入料口光电传感器检测到物料时，变频器接收启动信号，三相交流异步电机以30HZ的频率正转运行，皮带开始输送工件，当料槽一到位检测传感器检测到金属物料时，推料一气缸动作，将金属物料推入一号料槽，料槽检测传感器检测到有工件经过时，电动机停止；当料槽二检测传感器检测到白色物料时，旋转气缸动作，将白色物料导入二号料槽，料槽检测传感器检测到有工件经过时，旋转气缸转回原位，同时电动机停止；当物料为黑色物料直接导入三号料槽，料槽检测传感器检测到有工件经过时，电动机停止。（4）启动、停止、复位、警示系统上电后，按下“复位”按钮后系统复位，将存放料台、皮带上的工件清空，按下“启动”按钮，警示绿灯亮，缺料时警示黄灯闪烁；放入工件后设备开始运行，不得人为干预执行机构，以免影响设备正常运行。按下“停止”按钮，所有部件停止工作，警示红灯亮，缺料警示黄闪烁。（5）然断电的处理突然断电，设备停止工作。电源恢复后，按下“复位”按钮，再按下“启动”按钮。2第二章 装置的组成部分2.1 上料机构图2-1 上料机构图(1) 光电传感器：物料检测传感器为光电漫反射型传感器，检测到有物料时推料气缸将物料推出到存放料台，有物料时为PLC提供一个输入信号。(2) 推料气缸：依次将工件推到存放料台上，由单相电控气阀控制。(3) 警示灯：在设备停止时警示红灯亮，在设备运行时警示绿灯，在无物料时警示黄灯闪烁。(4) 储料筒：用于存放32mm的圆柱形工件，料筒侧面有观察槽。(5) 安装支架：用于安装工件库和推料气缸。32.2 搬运机械手机构图2-2 机械手搬运机构图(1) 气动手爪：完成工件的抓取动作，由双向电控阀控制，手爪夹紧时磁性传感器有信号输出，磁性开关指示灯亮。(2)双导杆气缸：控制机械手臂伸出、缩回，由电控气阀控制。(3) 单杆气缸：控制气动手爪的提升、下降，由电控气阀控制。(4) 电感传感器：机械手臂左摆或右摆到位后，电感传感器有信号输出。（接线注意棕色接“+”、蓝色接“-”、黑色接“输出”）。(5) 磁性传感器：用于气缸的位置检测。当检测到气缸准确到位后将给PLC发出一个到位信号。（磁性传感器接线时注意蓝色接“-”，棕色接“PLC输入端”）。(6) 步进电机及驱动器：用于控制机械手手臂的旋转。通过脉冲个数进行精确定位。42.3 分拣机构图2-3 分拣机构图(1)光电传感器：当有物料放入时，给PLC一个输入信号。（接线注意棕色接“+”、蓝色接“-”、黑色接“输出”）。(2)入料口：物料入料位置定位。(3)电感式传感器：检测金属材料，检测距离为25mm（接线注意棕色接“+”、蓝色接“-”、黑色接“输出”）。(4)光纤传感器：用于检测非金属的白色物料，检测距离为38mm，检测距离可通过传感器放大器的电位器调节。（接线注意棕色接“+”、蓝色接“-”、黑色接“输出”）。(5)1号料槽：用于放置金属物料。(6)2号料槽：用于放置白色尼龙物料。(7)3号料槽：用于放置黑色尼龙物料。(8)推料气缸：将物料推入料槽，由单向电控气阀控制。(9)导料气缸：在检测到有白色物料时，将导料块旋转到相应的位置。(10)皮带输送线：由三相交流异步电动机拖动，将物料输送到相应的位置。(11)三相异步电动机：驱动传送带转动，由变频器控制。5第三章 PLC对装置的控制原理和方法3.1步进电机的PLC控制3.1.1步进电机的控制原理PLC通过对步进电机驱动器发出特定信号，从而对电机进行控制。步进电机驱动器的PUL、DIR、ENA与PLC的输出端连接起来，PLC输出特定的信号通过步进电机驱动器使得步进电机正转、反转、启动、停止、定位等控制。如图所示，PLC向PUL端口输送脉冲信号，步进电机驱动器收到一个脉冲信号则控制步进电机转一个步距，DIR端口输入高低电平，控制电机的正反转，ENA端口输入高低电平，控制电机的开和关。图3-1 步进电机控制示意图3.1.2步进电机驱动器3MD560（1）概述3MD560细分型三相混合式步进电机驱动器，采用直流18-50V供电，适合驱动相电流小于6A、外径42-86毫米三相混合式步进电机。此驱动器采用交流伺服驱动器的电流环节进行细分控制，电机的转矩波动很小，低速运行平稳，震动和噪音小，定位精度高。（细分电流和步距角都通过拨码开关组合进行调整的）（2）接线信号功能PUL+ PLC- 脉冲控制信号：控制电机运行步数。DIR+ DIR- 方向控制信号：TTL电平信号，高低电平控制电机运转方向。ENA+ ENA- 使能信号： 此输入信号用于使能/禁止，ENA+接电源时，ENA-高电平使能，低电平驱动器不能工作。6（3）接线原理图图3-2 步进电机驱动器与PLC接线图3.1.3步进电机驱动区的细分细分就是对电机的步距角进行选择，应编程的需要电机步距为10000步/转，根据细分表，只需将拨码开关的SW6、SW7、SW8分别打到OFF、OFF、OFF即可完成设定。表3-1 步进电机细分表步数/圈SW6SW7SW8200ONONON400OFFONON500ONOFFON1000OFFOFFON2000ONONOFF4000OFFONOFF5000ONOFFOFF10000OFFOFFOFF73.2 PLC对变频器控制方法及原理3.2.1 变频调速的优点三相异步电机采用变频调速技术有着非常明显的节能、增产、提高产品质量的效果，节电率一般在 10%30%，有的高达40%，更重要的是生产中的一些技术难点也得到了解决。变频调速技术作为新技术，同基础技术和节能技术一样，已经渗透到经济领域的所有技术部门中。变频调速技术使得三相异步电动机实现了无级调速，让三相异步电动机的使用性能得到了改善。3.2.2控制方法利用变频器的外部端子对变频器进行控制，首先将变频器的运行频率设定为装置要求的30Hz，然后调整变频器的内部参数的控制方式调整为外端子控制，如下图，我们主要是STF正转、STR反转、RH高速、RM中速、RL低速、SD公共端这六个端头对变频器进行控制，例如开关S1接通时变频器就按设定控制电机正转启动运行（就和按下RUN按钮相同），开关S1断开时变频器控制电机停止，利用PLC代替开关S1就可实现自动编程控制。图3-3 变频器外部端子控制原理83.3 输入端的接线及原理3.3.1 概述PLC的数字量输入接口并不复杂，我们都知道PLC为了提高抗干扰能力，输入接口都采用光电耦合器来隔离输入信号与内部处理电路的传输。目前PLC数字量输入端口一般分单端共点与双端输入，单端共点（COM）的接口有光电耦合器正极共点与负极共点之分，日系PLC通常采用正极共点，欧系PLC通常采用负极共点；为了能灵活使用又发展了单端共点（S/S）可选型，根据需要单端共点可以接负极也可以接正极。3.3.2 PLC的输入端的类型PLC的数字量输入端子，按电源分直流和交流，按输入接口分类由单端共点输入和双端输入，单端共点接电源正极为SINK（拉电流），单端共点接电源负极为SRCE（灌电流）。表3-2 PLC的输入端子的种类3.3.3 PLC与传感器的连接本装采用的是三菱PLC Fx2N系列的，日系PLC为单端共点接电源正极为SINK（拉电流），SINK漏型为电流从输入端流出，那么输入端与电源负极相连即可，说明接口内部的光电耦合器为单端共点为电流正极，可接NPN型传感器。（1）有源三线制传感器的接线方法有源三线制传感器 （电感接近开关、电容接近开关、霍尔接近开关、光电开关等）直流有源三线制接近开关与光电开关输出管使用三极管输出，因此传感器分NPN和PNP输出，也有的是四线制，有双NPN或双PNP，只是状态刚好相反，也有NPN和PNP结合的四线制输出。9图3-4 有源三线制NPN输出传感器传感器引出线的接线方法：棕色表示 “+”接“24V+” ，蓝色表示“-”接“24V-”， 黑色表示“输出”接“PLC的输入端”。由于，单端共点SINK输入接线（内部共点端子COM24V+，外部共线24V-）。那么，棕色线接内部共点端子，蓝色线接外部共线，黑色线接PLC的输入端子。一旦传感器受到信号，就会接通PLC的X0端口输入信号。如图下所示：图3-5 有源三线制NPN输出传感器与PLC输入的连接（2）有源两线制传感器的接法有源两线传感器（接近开关、有源舌簧磁性开关）此传感器的特点就是两根线，传感器输出端导通后，为了保证电路正常工作需要一个保持电压来维持电路工作，通常在3.5-5V之间，静态泄露电流要小于1mA，这个参数很重要，如果过大，在传感器没有信号输出时，就使得PLC的输入端的光电耦合器导通，发出错误信号使装置误动作。直流两线制接近开关分为二极管极性保护与桥整流极性保护，前者在接PLC时需要注意极性，后者就不需要注意极性。有源舌簧磁性开关10主要用在气缸是做位置检测，由于需要信号指示，内部有双向二极管回路，因此也不需要注意极性。图3-6 有源两线制传感器传感器引出线的接线方法：棕色表示 “+”接“PLC的输入端” ，蓝色表示“-”接“24V-” 。由于，单端共点SINK输入接线（内部共点端子COM24V+，外部共线24V-）。那么，棕色线接内部共点端子，蓝色线接外部共线。如图下所示：图3-7 有源两线制传感器与PLC输入端的连接3.3.4小结PLC输入接口电路形式和外接元件（传感器）输出信号形式的多样性，因此在PLC输入模块接线前必要了解PLC输入电路形式和传感器输出信号的形式，才能确保PLC输入模块接线正确无误，为后期的编程工作和系统稳定奠定基础。11第四章 气动原理图与主要气动元件4.1 气动回路的主要部件气动执行元件：单杆气缸、薄型气缸、气动手爪、导杆气缸、双导杆气缸、旋转气缸。气动控制元件：单电控电磁换向阀、双电控控电磁换向阀。(1)气缸气缸的正确运动使物料到达相应的位置，只要交换进出气的方向就能改变气缸的伸出（缩回）运动，气缸两侧的磁性开关可以识别气缸是否已经运动到位。图4-1 气缸示意图(2)双向电磁阀双向电磁阀用来控制气缸进气和出气，从而实现气缸的伸出、缩回运动。图4-2 双电控电磁换向阀示意图(3)单向电磁阀单向电磁阀用来控制气缸单向运动，控制实现气缸的伸出、缩回运动。与双向电磁阀的区别在双向电磁阀初始位置是任意的，可以控制两个位置，而单向电磁阀初始位置是固定的，只能控一个方向。图4-3 单电控电磁换向阀示意图12(4)气动手指气动夹爪是能实现各种抓取功能，是现代器气动机械手的关键部件。双作用结构，能实现双向抓取，抓取力矩恒定。图4-4 气动手指示意图4.2 气动原理图图4-5 自动分拣装置气动原理图13第五章 硬件设计5.1 PLC的选择根据输入输出点数合理选择PLC，由表5-1可知输入使用21点，输出使用14点，考虑到以后使用中的升级、添加功能的需要，点数应略多于现用的点数，装置带有步进电机驱动，要求输出脉冲信号；根据上述要求，选择三菱FX2N-48MT型号的PLC作为自动分拣装置所用器件。表5-1 I/O地址分配及功能说明表序号PLC地址名称及功能说明序号PLC地址名称及功能说明1X0启动按钮1Y0步进电机驱动器PUL-2X1停止按钮2Y1步进电机驱动器DIR-3X2复位按钮3Y2步进电机驱动器ENA-4X3物料检测光电传感器4Y3物料推出5X4物料推出检测光电传感器5Y4手臂伸出6X5推料伸出限位传感器6Y5手爪下降7X6推料缩回限位传感器7Y6手爪夹紧8X7手臂伸出限位传感器8Y7手爪松开9X10手臂缩回限位传感器9Y10推料气缸10X11手爪下降限位传感器10Y11导料气缸11X12手爪提升限位传感器11Y12警示红灯12X13手爪夹紧限位传感器12Y13警示绿灯13X14机械手基准传感器13Y14警示黄灯14X15推料一伸出限位传感器14Y20变频器STF15X16推料一缩回限位传感器16X17导料转出限位传感器17X20导料原位限位传感器18X21入料检测光电传感器19X22料槽一检测传感器20X23料槽二检测传感器21X24分拣槽检测光电传感器145.2 PLC的外部接线图图5-1 PLC的外部接线图15第六章 软件设计6.1 装置的运行流程装置上电后，按下“复位”按钮对其进行复位，复位之后点动“启动”按钮，使装置进入工作状态,绿灯亮起。上料机构的物料检测光电开关检测到物料后，使推料气缸伸出把物料推到指定位置后缩回，待机械手将物料拿走后，再补充物料。机械手把到位的物料抓起，旋转一定的角度，如果这时分拣机构的传送带上没有物料，那么机械手就将物料放到传送带上，再回去爪取物料，如果传送带上还有物料存在，那么机械手在转动一定的角度后，停止等待，直到传送带上的物料进人分拣料槽后，再将物料放上传送带，物料到达传送带时，传送带上的光电开关检测到物料，使传送带电机启动，传送带将物料送到第一个检测位置如果传感器检测物料为金属就会气缸把物料推入1号料槽，传送带停止，如果不是金属，物料就会到达第二个检测位置，如果检测到物料是白色，那么摆动气缸将物料拦下使其进入第二个料槽，如果不是物料会自动进入第三个料槽，在物料竟然料槽后传送带停止。装置运行期间按下停止按钮会使装置停止，红灯亮起，再次启动需要先复位。无物料是黄灯闪烁。图6-1 装置运行流程图166.2 梯形图程序1718第七章 调试7.1安装调试自动分拣装置由上料机构、机械手搬运机构、分拣机构三部分组成，上料机构主要是检测到的物料后，使推料气缸把物料推到指定位置和装置的运行指示，加入物料看光电开关是否检测到，检测到后推料气缸能否把加人的物料推到指定工位，如不能，原因很可能是安装位置不当造成的。装置中的气缸的动作速度都能通过该缸上的节流阀调节。机械手搬运机构主要气动系统和步进电机组成，机械手的定向是由电感式传感器检测机械手的基准位置，只有机械手定位无误后，才能准确的将物料抓取，步进电机驱动器的细分决定了电机的步距，步数由程序控制，所以驱动器的细分应与程序对应，否则会使与步进电机相连的机械手转动的角度不准。气动元件的位置反馈信号是否正常，气动元件的位置反馈信号是PLC的输入信号，再者气动元件工作需要一定的气压，气压不能达到要求，可能是漏气和气压发生器没有工作造成的。分拣机构主要对物料进行分拣入库，检测到物料为金属物料时，推料气缸能否快速准确的将物料推入指定料槽，光纤传感器在一定范围内只对白色物料有反应，光纤传感器安装在合适的距离下才能发出正确的信号，才能正确的判别出物料的颜色。由于三个部分为一个整体，正确合理的安装位置才能使得各机构可靠的运行。7.2软件的调试由于GX-Developer编程软件无法完成软件仿真，本装置要求的FX2N-48MT型号的PLC没有，则用FX2N-48MR型号的PLC完成模拟调试。软件调试是用模拟运行流程的办法用按钮、开关等器件代替各种传感器发出信号，观察输出情况是否与要求一致。因为程序中有较高的脉冲输出，FX2N-48MR无法达到，所以在调试过程中的程序中的参数都有调低，但不影响程序本身的调试。该程序是一个整体式的结构，大体可以分为三个部分但是又不能完全被分开三者是相互联系的。调试时由三个部分按装置动作流程交替进行，经过模拟调试结果完全满足第一章提出的要求。部分调试说明如下：无物料报警调试当物料检测光电传感器X3没有信号输出时延时三秒后T0动作接通Y14，19M8013使得Y14按一秒的频率接通和断开。加入物料X3检测到信号停止输出。机械手调试机械手夹持物料，机械手基准传感器X14有信号输出，说明机械手处于基准位置，机械手伸出只能使得Y6接通气动手指夹紧工件，夹紧后缩回。20步进电机控制调试由于气动手指已经将物料夹紧，所以手指夹紧限位传感器X13有信号输出，当手臂缩回到位会使X10动作将17（1750）送PLSY脉冲输出指令输出17（1750）个脉冲，同时使步进电机气动器ENA和DIR接通使步进电机正转，脉冲发送完成后特殊辅助继电器M8029动作是步进电机停转。物料分拣调试入料检测光电传感器X21检测到机械手搬来的物料，Y20输出传送带动作，物料到达第一个检测点，料槽一检测传感器Y22对物料进行检查，由于Y22为电感式传感器，只对金属有反应，Y22有信号输出，使Y10动作把物料送入1号料槽内，物料进入料槽的同时，分拣槽检测光电传感器线X24发出信号使动作停止。2122结 束 语经过两个月的工作，基于PLC控制的物料自动分拣装置设计已经完成。经试验验证，满足设计要求。本次设计主要涉及了三菱PLC的编程相关知识及三菱PLC使用的诸多要领。在设计中，我积极查阅资料，细心钻研各个技术细节，同学之间互相合作，协调一致地完成了小软件的开发与调试，也让我们明白了在设计中考虑问题应该全面，以及需要互相合作的精神。在设计中既锻炼了我的动手能力，又学会查阅资料，提炼需要的信息。本次设计是PLC的编程控制，除PLC梯形图的编制外，其中还涉及了气动、步进电机的控制、变频器、传感器和电气控制的使用。设计中涉及的许多问题，更是对以前所学的知识的回顾及在过去的三年中学到知识的系统总结，这次设计对我们将来的工作有一定的帮助。在设计中，指导老师何兵、李庭贵给予了我很大的帮助。何老师不仅为我收集资料，而且对于设计中出现的疑问，也及时解答和指导，使我的设计得以顺利完成。在此，谨向何兵、李庭贵老师表示衷心感谢。由于本人水平有限，在文中肯定存在许多不足，恳请各位老师批评指正。23参考文献1 华满香.电气控制及PLC应用M 北京:北京大学出版社，2009.2 郑凤翼.图解PLC控制系统梯形图和语句表M 北京:人民邮电出版社，2006.3 计时鸣.机电一体化控制技术与系统M 西安:西安电子科技大学出版社，2009.4 赵燕,周新建.可变程序控制器原理及应用M 北京:北京大学出版社，2006.5 PLC与传感器的接线方法J. 机电之家网 5 三菱GX-Developer编程软件使用说明书Z. MITSUBISHI7 THJDZH-1实训指导书Z. 浙江天煌科技实业有限公司8 三菱FX2n系列微型可编程控制器使用手册Z. MITSUBISHI24附 录附录A 三个机构的相对位置简图25附录 装置传感器位置及运动简图26