基于PLC的物料自动分拣系统设计毕业设计

基于PLC的物料自动分拣系统设计摘 要随着工业自动化的普及和发展，生产过程中物料分拣的效率问题越来越引起人们的关注。重复繁琐的人工分拣物料过程已不能满足企业追求的生产效益和如今社会的需求。人、机器与物料三者关系的协调，已成为我们需要解决的重要问题之一。理所当然，用尽可能少的人力控制机器分拣物料来完成如期的生产任务是最佳的选择模式即采用自动化技术代替人工分拣物料的过程。本文主要讲述PLC在材料分拣系统中的应用，利用可编程控制器( PLC) ，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、位置控制等技术，控制产品的自动分拣。 系统具有自动化程度高、运行稳定、精度高、易控制的特点，可根据不同对象，稍加修改本系统即可实现要求。关键词： 传感器 PLC 物料分拣 目 录第1章 绪论11.1 论文研究背景11.2 研究现状及发展趋势11.3 论文研究的意义11.4 本论文研究的主要内容2第2章 物料分拣装置结构及总体设计32.1 材料分拣装置工作过程概述32.2 系统的技术指标42.3 系统的设计要求42.3.1功能要求42.3.2系统的控制要求4第3章 控制系统的硬件设计63.1系统的硬件结构63.2 系统关键技术63.2.1系统对PLC的要求63.2.2 PLC的选择73.2.3 PLC的输入输出端子分配93.2.4 PLC输入输出接线端子图103.3 检测元件与执行装置的选择113.3.1 输入电气元件113.3.2 输出电气元件163.3.3 执行电气元件18第4章 控制系统的软件设计224.1控制系统流程图设计224.2 西门子编程软件、模拟仿真软件234.2.2 西门子仿真软件234.3 控制系统程序设计24第5章 控制系统的调试305.1硬件调试305.2软件调试30第6章 总 结31参考文献32致 谢33附录34II 第1章 绪论1.1 论文研究背景在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展，自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作，更需要自动控制系统来实现。现在工业控制的三大支柱中PLC控制越来得到重视，所以物料的自动分拣已成为企业的最佳选择。1.2 研究现状及发展趋势我国自动分拣机的应用大约始于1980 年代, 近期的市场兴起和技术发展始于1997 年。自动分拣的概念先在机场行李处理和邮政处理中心得到应用, 然后普及到其他行业。随着业界对现代化物流的实际需求的增长, 各行业对高速精确的分拣系统的要求正在不断地提高。这一需求最明显地表现在烟草、医药、图书及超市配送领域, 并有望在将来向化妆品及工业零配件等领域扩展。这些领域的一个共同特点是产品的种类繁多、附加值高、配送门店数量多、准确性要求高和人工处理效率低等特点。 随着社会的不断发展，市场的竞争也越来越激烈，因此各个生产企业都迫切地需要改进生产技术，提高生产效率，尤其在需要进行材料分拣的企业，以往一直采用人工分拣的方法，致使生产效率低，生产成本高，企业的竞争能力差，材料的自动分拣已成为企业的最佳选择。 目前自动分拣已逐渐成为主流，因为自动分拣是从货物进入分拣系统送到指定的分配位置为止，都是按照人们的指令靠自动分拣装置来完成的。这种装置是由接受分拣指示情报的控制装置、计算机网络，把到达分拣位置的货物送到别处。1.3 论文研究的意义 随着社会的不断发展，市场的竞争也越来越激烈，因此各个生产企业都迫切地需要改进生产技术，提高生产效率，尤其在需要进行材料分拣的企业，以往一直采用人工分拣的方法，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，所以这一环节被很多企业采用。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。所以为了提高生产效率，降低生产成本，提高企业的竞争能力，我们必须加大对自动分拣系统的普及与应用。针对上述问题，利用 PLC 技术设计了一种成本低，效率高的材料自动分拣装置，在材料分拣过程中取得了较好的控制效果。 物料分拣采用可编程控制器PLC 进行控制，能连续、大批量地分拣货物，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，分拣系统能灵活地与其他物流设备无缝连接，实现对物料实物流、物料信息流的分配和管理。 其设计采用标准化、模块化的组装，具有系统布局灵活，维护、检修方便等特点，受场地原因影响不大。同时，该系统的灵活性较强，程序开发简单，可适应进行材料分拣的弹性生产线的需求。1.4 本论文研究的主要内容在本文中，以货物材料的分拣系统为例，详细的分析了在基于PLC控制的自动分拣系统的设计，文中介绍了分拣系统中信号的采集分析中传感器的一些基本知识，并通过要求与比较，确定了硬件系统中的一些元器件的选择与确定了PLC的选型。在介绍了一些PLC的基本知识后，对本课题进行硬件与软件设计，在软件设计中，确定了I/O分配，并按照控制要求设计出了PLC梯形图。在本系统完成其设计之后，对其进行整体调试。在硬件部分，调试其各部分安装的位置及角度，使其材料物块的运行与传感器安装的角度适合。将硬件各部分的动作幅度进行调试之后，进行了软硬件综合调试，实现材料分拣系统中上料、传送与分拣的全过程。38第2章 物料分拣装置结构及总体设计PLC控制分拣装置涵盖了PLC技术、气动技术、传感器技术、位置控制技术等内容，是实际工业现场生产设备的微缩模型。本章主要介绍分拣装置的工作过程及控制要求。要想进行PLC控制系统的设计，首先必须对控制对象进行调查，搞清楚控制对象的工作过程、工作特点，明确控制要求以及各阶段的特点和各阶段之间的转换条件。2.1 材料分拣装置工作过程概述如图2-1所示为本分拣装置的结构示意图。图2-1 材料分拣装置结构示意图它采用台式结构，内置电源，有步进电机、汽缸、电磁阀、旋转编码器、气动减压器、滤清器、气压指示等部件，可与各类气源相连接。选用颜色识别传感器及对不同材料敏感的电容式和电感式传感器，分别固定在网板上，且允许重新安装传感器排列位置或选择网板不同区域安装。系统上电后，可编程序控制器首先控制启动输送带，下料传感器SN检测料槽有无物料，若无料，输送带运转一个周期后自动停止等待下料；当料槽有料时，下料传感器输出信号给PLC，PLC控制输送带继续运转，同时控制气动阀5进行下料，每次下料时间间隔可以进行调整。物料传感器SA为电感传感器，当检测出物料为铁质物料时，反馈信号送PLC，由PLC控制气动阀1动作选出该物料；物料传感器SB为电容传感器，当检测出物料为铝质物料时，反馈信号送PLC, PLC控制气动阀2动作选出该物料；物料传感器SC为颜色传感器，当检测出物料的颜色为待检测颜色时，PLC控制气动阀3动作选出该物料。物料传感器SD为备用传感器。当最后一种物料经过被检测到时，PLC控制气动阀4动作选出该物料，完成分拣任务。2.2 系统的技术指标输入电压：AC200240V（带保护地三芯插座）消耗功率：240W环境温度范围：-1040气源：大于0.3MPa切小于0.8Mpa2.3 系统的设计要求系统的设计要求主要包括功能要求和控制要求，进行设计之前，首先应分析控制对象的要求。2.3.1功能要求材料分拣装置应实现基本功能如下 （1）分拣出金属和非金属（2）分拣某一颜色块（3）分拣出非金属中某一颜色块（4）分拣出金属中某一颜色块和非金属中某一颜色块2.3.2系统的控制要求系统利用各种传感器对待测材料进行检测并分类。当待测物体经下料装置送入传送带后，依次接受各种传感器检测。如果被某种传感器测中，通过相应的气动装置将其推入料箱；否则，继续前行。其控制要求有如下9个方面：（1）系统送电后，光电编码器便可发生所需的脉冲 （2）电机运行，带动传输带传送物体向前运行（3）有物料时，下料汽缸动作，将物料送出（4）当电感传感器检测到铁物料时，推汽缸1动作（5）当电容传感器检测到铝物料时，推汽缸2动作（6）当颜色传感器检测到材料为某一颜色时，推汽缸3动作 （7）剩余物料被送到SD位置时，推汽缸4动作 （8）汽缸运行应有动作限位保护 （9）下料槽内无下料时，延时后自动停机第3章 控制系统的硬件设计PLC控制系统的硬件设计，主要是根据被控制对象对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点。3.1系统的硬件结构设计系统的硬件结构框图，如图3-1所示。图3-1 系统的硬件结构框3.2 系统关键技术系统关键技术即分析控制系统的要求，确定I/O点数，选择PLC的型号，然后进行I/O分配。3.2.1系统对PLC的要求（1）功能要求在满足一般开关量输入信号控制要的同时，系统要进行步进电机控制，要求输出脉冲信号，所以输出类型为继电器输出形式。（2）I/O点数要求根据控制要求，输入应该有2个开关信号，6个传感器信号，包括电感传感器、电容传感器、颜色传感器、备用传感器，以及检测下料的传感器和计数传感器。相应地，有5个汽缸运动位置信号，每个汽缸有动作限位和回位限位，共计10个信号。输出包括控制电动机运行的接触器，以及5个控制汽缸动作的电磁阀。共需I/ O点24个，其中18个输入，6个输出。3.2.2 PLC的选择（1） PLC的分类按I/O点数容量分类1）小型机小型机的功能一般以开关量控制为主，其输入、输出总点数一般在256点以下，用户程序存储器容量在4K字左右。例如：SIEMENS的S7-200系列（如图3-2）；OMRON的CPM2A系列；MITSUBISHI的FX系列；AB的SCL500系列等整体式PLC产品。图3-2 s7-200系列2）中型机中型机的输入、输出总点数在2562048点之间。用户程序存储器容量在8K字左右。+例如： SIEMENS的S7-300系列；OMRON的C200系列；AB的SCL500系列等模块式PLC产品。3）大型机大型PLC的输入、输出总点数在2048点以上，用户程序存储器容量达到16K字以上。典型的大型PLC有SIEMENS的S7-400、OMRON的CVM1和CS1系列、AB的SLC5/05等系列产品。按结构形式分根据PLC的结构形式的不同，PLC主要分为整体式和模块式两种。1）整体式结构其特点是将PLC的基本部件，如CPU板，输入板、输出板、电源板、通讯端口、I/O扩展端口等组装在一个标准机壳内，构成一个整体，组成PLC的一个基本单元（主机）或扩展单元。小型PLC一般为整体式结构。2）模块式结构这种结构的PLC是将CPU、输入单元、输出单元、电源单元、智能I/O单元等分别做成相应的电路板或模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块、通信模块和各种功能模块等，各模块可以插在带有总线的底板上。目前，大中型PLC均采用模块式结构（如图3-3所示）图3-3 大中型模块式PLC（2） PLC种类及型号选择PLC种类较多，主要有西门子、三菱、OMRON、FANAC、东芝等，但能配套生产，大、中、小、微型均有配套且目前用得最广泛的的主要是西门子、三菱、OMRON的PLC。根据前面确定的PLC点数：实际输入点18点，实际输出点6点，综合对比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西门子系列、OMRON系列各型号的PLC的价格、性能、实用场合等各方面。本系统可选择PLC型号为：S7-200-226（如图3-4），它有24个输入点，16个输出点，满足本系统的要求。图3-4 S7-200 PLC3.2.3 PLC的输入输出端子分配根据所选择的PLC型号，对本系统中PLC的输入输出端子进行分配，如表3-1所示西门子PLC(I/O)分拣系统接口(I/O)备注输入部分I0.0UCP(计数传感器)接旋转编码器I0.1SN(下料传感器)判断下料有无I0.2SA(电感传感器)I0.3SB(电容传感器)I0.4SC(颜色传感器)I0.5SD(备用传感器)I0.6SFW1(推气缸1动作限位)I0.7SEW2(推气缸2动作限位)I1.0SFW3(推气缸3动作限位)I1.1SFW4(推气缸4动作限位)I1.2SFW5(下料气缸动作限位)I1.3SBW1(推气缸1回位限位)I1.4SBW2(推气缸2回位限位)I1.5SBW3(推气缸3回位限位)I1.6SBW4(推气缸4回位限位)I1.7SBW5(下料气缸回位限位)I2.0SB1(启动)I2.1SB2(停止) 输出部分Q0.0M(输送带电机驱动器)Q0.1YV1(推气缸1电磁阀)Q0.2YV2(推气缸2电磁阀)Q0.3YV3(推气缸3电磁阀)Q0.4YV4(推气缸4电磁阀)Q0.5YV5(下料气缸电磁阀)表3-1 材料分拣装置PLC输入/输出端子分配表3.2.4 PLC输入输出接线端子图根据表1可以绘制出PLC的输入输出接线端子图，如图3-5所示。图3-5 PLC输入输出接线端子图3.3 检测元件与执行装置的选择3.3.1 输入电气元件 （1）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。本系统选用M18X1X40电感传感器，用该器件来检测铁质材料。接线图如图3-6，原理图如图3-7。图3-6 M18X1X40 DC二线常开式电感传感器接线图图3-7 电感传感器工作原理图电感传感器介绍： 由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。电感式传感器的特点是：无活动触点、可靠度高、寿命长；分辨率高；灵敏度高；线性度高、重复性好；测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；无输入时有零位输出电压，引起测量误差；对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；不适用于高频动态测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。（2）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。本系统选用E2KX8ME1电容传感器，用于检测铝质材料，原理图如图3-7。图3-7 电容传感器工作原理图电容传感器介绍：用电测法测量非电学量时，首先必须将被测的非电学量转换为电学量而后输入之。通常把非电学量变换成电学量的元件称为变换器；根据不同非电学量的特点设计成的有关转换装置称为传感器，而被测的力学量（如位移、力、速度等）转换成电容变化的传感器称为电容传感器。从能量转换的角度而言，电容变换器为无源变换器，需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。力学量中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切联系的量；这些量又都是通过长度或者长度比值进行测量的量，而其测量方法的相互关系也很密切。另外，在有些条件下，这些力学量变化相当缓慢，而且变化范围极小，如果要求测量极小距离或位移时要有较高的分辨率，其他传感器很难做到实现高分辨率要求，在精密测量中所普遍使用的差动变压器传感器的分辨率仅达到15 m数量级；而有一种电容测微仪，他的分辨率为0.01 m，比前者提高了两个数量级，最大量程为100±5 m，因此他在精密小位移测量中受到青睐。对于上述这些力学量，尤其是缓慢变化或微小量的测量，一般来说采用电容式传感器进行检测比较适宜，主要是这类传感器具有以下突出优点：测量范围大其相对变化率可超过100%；灵敏度高，如用比率变压器电桥测量，相对变化量可达10-7数量级；动态响应快，因其可动质量小，固有频率高，高频特性既适宜动态测量，也可静态测量；稳定性好由于电容器极板多为金属材料，极板间衬物多为无机材料，如空气、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高温、低温强磁场、强辐射下长期工作，尤其是解决高温高压环境下的检测难题。（3） 颜色传感器选用TAOS公司生产的，型号为TCS230颜色传感器。此传感器为RGB(红绿蓝) 颜色传感器，可检测目标物体对三基色的反射比率，从而鉴别物体颜色。TCS230传感器引脚如图3-8所示图3-8 TCS230颜色传感器RGB颜色传感器介绍：TCS230是美国TAOS公司生产的一种可编程彩色光到频率的转换器。该传感器具有分辨率高、可编程的颜色选择与输出定标、单电源供电等特点；输出为数字量，可直接与微处理器连接。它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上还集成了红绿蓝(RGB)三种滤光器，是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器。TCS230的输出信号是数字量，可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，因此可直接与微处理器或其它逻辑电路相连接。由于输出的是数字量，并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度，因而不再需要A/D转换电路，使电路变得更简单。TCS230采用8引脚的SOIC表面贴装式封装，在单一芯片上集成有64个光电二极管。这些二极管共分为四种类型。其中16个光电二极管带有红色滤波器，16个光电二极管带有绿色滤波器，16个光电二极管带有蓝色滤波器，其余16个不带有任何滤波器，可以透过全部的光信息。这些光电二极管在芯片内是交叉排列的，能够最大限度地减少入射光幅射的不均匀性，从而增加颜色识别的精确度；另一方面，相同颜色的16个光电二极管是并联连接的，均匀分布在二极管阵列中，可以消除颜色的位置误差。工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器。该传感器的典型输出频率范围从2Hz500kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择100%、20%或2%的输出比例因子，或电源关断模式。输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。当入射光投射到TCS230上时，通过光电二极管控制引脚S2、S3的不同组合，可以选择不同的滤波器；经过电流到频率转换器后输出不同频率的方波(占空比是50%)，不同的颜色和光强对应不同频率的方波；还可以通过输出定标控制引脚S0、S1选择不同的输出比例因子，对输出频率范围进行调整，以适应不同的需求。S0、S1用于选择输出比例因子或电源关断模式；S2、S3用于选择滤波器的类型；OE是频率输出使能引脚，可以控制输出的状态，当有多个芯片引脚共用微处理器的输入引脚时，也可以作为片选信号；OUT是频率输出引脚，GND是芯片的接地引脚，VCC为芯片提供工作电压。表3-2是S0、S1及S2、S3的可用组合。表3-2 S0、S1及S2、S3的组合选项S0S1输出频率定标S2S3滤波器类型LL关断电源LL红色LH20%LH蓝色HL20%HL无HH100%HH绿色（4） 光电传感器光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。本系统选用FPG系列小型放大器内藏型光电传感器。原理如图3-9所示，其中负载可接至PLC。图3-9 FPG光电传感器原理图光电传感器介绍：光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。光电传感器采用光电元件作为检测元件，首先把被测量的变化转变为信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件3部分组成。光电传感器是将光信号转换为电信号的光敏器件。它可用于检测直接引起光强变化的非电量，也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多。传感器的结构简单，形式灵活多样，体积小。近年来,随着光电技术的发展，光电式传感器已成为系列产品，其品种及产量日益增加，用户可根据需要选用各种规格的产品，它在机电控制、计算机、国防科技等方面的应用都非常广泛。3.3.2 输出电气元件 （1） 旋转编码器旋转编码器是与步进电机连接在一起，在本系统中可用来作为控制系统的计数器，并提供脉冲输入。它转化为位移量，可对传输带上的物料进行位置控制。 传送至相应的传感器时，发出信号到PLC ，以进行分拣，也可用来控制步进电机的转速。本系统选用E6A2CW5C旋转编码器,原理如图3-10所示。图3-10 旋转编码器原理旋转编码器介绍：旋转编码器是用来测量转速的装置。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。它分为单路输出和双路输出两种。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。编码器如以信号原理来分，可分为增量脉冲编码器（SPC）和绝对脉冲编码器（APC）两者一般都应用于速度控制或位置控制系统的检测元件。编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。工作原理如下：由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D，每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。 由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。分辨率：编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度510000线。信号输出: 信号输出有正弦波（电流或电压），方波（TTL、HTL），集电极开路（PNP、NPN），推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动（对称A，A-；B，B-；Z，Z-），HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。信号连接：编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。A、B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。 A、A-，B、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。 对于TTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150米。 对于HTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达300米。（2）电磁阀本系统使用了五个由三位五通的带手控开关的单电控电磁阀，它们安装在汇流板上。这五个阀分别对推料、金属铁、金属铝、红色非金属和黑色非金属气缸的气路进行控制，以改变各自的动作状态。图3-10 电磁阀组所采用的电磁阀所带手控开关有锁定（LOCK）和开启（PUSH）2种位置。在进行设备调试时，使手控开关处于开启位置，可以使用手控开关对电磁阀组进行控制，从而实现对相应气路的控制，以改变推料缸等执行机构的控制，达到调试的目的。分拣单元的两个电磁阀安装时需注意，一是安装位置，应使得工件从滑槽中间推出，二是要安装水平，或稍微略向下，否则推出时导致工件翻转。3.3.3 执行电气元件（1） 泵的认识与选择气泵包括：空气压缩机安全保护器、储气罐、主管道过滤器、压力开关、过载压力表、气源开关（如图3-11所示） 图3-11气泵及其周围元件气源处理组件是气动控制系统中的基本组成器件，它的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水，调节并保持恒定的工作压力。在使用时，应注意经常检查过滤器中凝结水的水位，在超过最高标线以前，必须排放，以免被重新吸入。气源处理组件的气路入口处安装一个快速气路开关，用于启/闭气源，当把气路开关向左拔出时，气路接通气源，反之把气路开关向右推入时气路关闭。（2） 空气压缩机 空气压缩机是产生压缩空气的气压发生装置，是气源主要的设备（如图3-2所示）。按结构和工作原理可分为速度型和容积型两大类。容积型压缩机是利用特殊形状的转子或活塞压缩吸入封闭容积室空气的体积来增加空气的压力。容积型结构简单、使用方便。本设计选用容积型压缩机。.空压机供气量的大小应包括：目前气动系统中各设备所需的耗气量、考虑未来扩充设备所需耗气量及修正系数（如避免空压机在全负荷下不停地运转、气动元件和管接头的漏损及各种气动设备是否同时连续使用等）。其公式为 Q为气动系统的最大耗气量（m3Min），K为修正系数。一般可取=1.31.5。 有了供气压力与供气量，按空压机的特性要求，选择空压机的类型和型号。图3-2 压缩机及储气罐（3） 储气罐储气罐可以调节气流，减少输出气流的脉动，使输出气流连续和气压稳定，也可以作为应急气源使用，还可以进一步分离油水杂质（如图3-2所示）。储气罐上装有安全阀，使其极限压力比正常工作压力高10%，并装有指示罐内压力的压力表和排污阀等。罐的型式可分为立式和卧式两种。本设计选用立式储气罐，因为它的进气口在下，出气口在上，以利用进一步分离空气中的油、水。（4）推料气缸本系统的推料气缸由单向电控阀控制。（5）步进电机步进电机作为执行机构用于带动传输带输送物料前行，与旋转编码器连接在一起。可以通过控制脉冲个数，来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。 同时，可以通过控制脉冲频率来控制材料分拣装置的可编程控制系统控制电机转动的速度，达到调速的目的。步进电机选用的型号为42BYGH101。序号名称型号数量备注品牌或公司1PLCS7-200CPU226124输入，16输出， 继电器输出形式西门子2静音空气压缩机FB-0.048/71噪音低、性能稳定、工作安全可靠,功率0.55KW韩国SANWO3气阀SVK01205先导式电磁换向阀, 交流：110v,220v（50hz） 直流：24V韩国SANWO4气缸SCDJB10-45S5产品与气阀的型号相配套，推动物料进行分拣韩国SANWO5旋转编码器E6A2CW5C1产品与步进电机配合使用，为传送带提供动力6步进电机42BYGH1011产品与旋转编码器配合使用，为传送带提供动力7磁感应开关D-C735额定电压：DC24V AC110V额定电流：DC：540mA AC: 520mA气缸回位限位开关易电国际集团8接近开关CAT2-12GM5静电容量式接近开关判断物料是否到位易电国际集团9光电开关E3R-5DE41判断有无物料欧姆龙10电感式 接传感器M18X1X401额定电压：DC：636V额定电流：300mA百斯特11电容式传感器E2KX81ME11静电容量型近接开关额定电压：DC1224V(DC1030V)欧姆龙12颜色传感器TCS2301额定电压：DC：1224V额定电流：400mA美国TAOS13内置电源MD35-341输入电压：AC220伏 ±15%输出电压：DC24伏DADONG14滑槽4铝合金15传送带1表3-3 主要元器件清单第4章 控制系统的软件设计第三章中已对系统硬件进行了设计，通过各类输入输出元器件为实现系统功能做好了准备，本章利用PLC作为核心控制部件将各类元器件通过逻辑关系联系起来，实现系统控制要求。4.1控制系统流程图设计根据系统生产工艺的要求，分析各个设备的操作内容和操作顺序，可画出程序流程图，如图4-1所示。图4-1 控制系统流程图该系统可选择连续或单次运行工作状态。 若为连续运行状态，则系统软件设计流程图中的汽缸4动作后，程序再转到开始;若为单次运行，则汽缸4动作后停机。 如果需要，该系统可在分拣的同时对分拣的材料进行数量的统计，这只需在各汽缸动作的同时累计即可。应用高速计数器编制程序，可以实现系统的定位控制功能。用高速计数器计数步进电机转过的圈数，来确定物料到达传感器的距离，实现定位功能。定位时，电机停转，计数器清零，传感器开始工作，对物料进行分拣处理。 在汽缸13动作后，电机重新运行，高速计数器也重新计数。 如果相应的传感器没有检测到物体，则电机重新运行，高速计数器也重新计数，继续运行到下一位置。 如果只对材料的某一特性进行分拣，比如只分拣金属和非金属，则只需对传感器的安放或程序进行修改即可。4.2 西门子编程软件、模拟仿真软件近年来，各PLC厂家都相继开发了基于个人计算机的图示化编程软件，例如西门子S7-200系列可编程控制器使用的STEP7 Micro/WIN32编程软件，三菱FX2N系列PLC使用的SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件等。这些软件一般都具有编程及程序调试等多种功能，是PLC用户不可缺少的开发工具。4.2.1 西门子PLC编程软件STEP7 Micro/WIN32编程软件（如图4-2所示)。是西门子公司早期开发的比较成熟的软件，适用于S7-200中的CPU216、CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等系列可编程控制器。图4-2 西门子S7-200编程软件4.2.2 西门子仿真软件本次设计采用西门子S7-200V2.0（如图4-3所示）版本进行仿真调试。仿真软件的功能就是将编写好的程序在电脑中虚拟运行，如果没有编好的程序，是无法进行仿真的。 所以，在安装仿真软件之前，必须先安装编程软件，并且版本要互相兼容。图4-3 西门子S7-200仿真软件4.3 控制系统程序设计根据所绘流程图，在STEP7-Micro/WIN32软件中编写梯形图程序。程序清单见附录。此指令为高速脉冲输出指令，当使能端输入有效时，检测用程序设置的特殊功能寄存器位，激活由控制位定义得脉冲操作，从Q0.0或Q0.1输出高速脉冲。 此指令为高速计数器定义指令，使能输入有效时，为指定的高速计数器分配一种工作模式。高速计数是用来累计比PLC扫描频率更高的脉冲输入。此指令为高速计数器指令，使能输入有效时，根据高速计数器特殊存储器位的状态，并按照HDEF指令指定的模式，设置高速计数器并控制其工作。下面对所编写梯形图作简要的介绍：第一次扫描 SM0.1=1，将Q0.0清零/I2.0启动，I2.1停止调用子程序SBRO（1）以上为主程序，首先I2.0启动后，M0.1得电并自锁，为之后电动机得电做好准备，I2.1为停止按钮。当PLC处于RUN模式时，SM0.1通电一个周期，Q0.0复位清零，并调用子程序。/当系统处于RUN模式时，设置PWM控制字节/设置脉宽/设置周期/延时后自动停机/脉冲输出（2）以上为子程序中的高速脉冲指令，该程序先将控制脉冲指令的特殊功能寄存器进行初始化，然后当I0.0（下料传感器）检测到有料时，启动PLS（脉冲输出）指令；如果I0.0检测没有物料时，启动定时器T33，延时30秒自动停机。/定义HSCO的控制方式/设置预设值/HSCO的当前值清零/开始计数/中断/当前值等于预设值时，调用中断程序/定义HSCO的工作模式（3）以上为子程序中的高速计数指令，首先进行高速计数指令的初始化操作，当电机旋转时，带动光电码盘发出脉冲，并输入PLC的接收端，由高速计数指令进行计数，计算步进电机转过的步数，进行定位控制。其中设定预置值为50，当计数至50时，调用中断程序。/气缸1动作/气缸3动作/气缸2动作/气缸4动作/气缸5动作（4）以上为中断程序，当高速计数指令计数至预置值时，这时物料移动至传感器的位置，M0.0得电，导致高速脉冲输出停止，步进电机停转。由于汽缸动作需要1秒，让电机停转一秒后继续运转。当物料被相应的传感器检测中后，相应的汽缸动作，将物料推下。I1.3，I1.4，I1.5，I1.6，I1.7为汽缸的回位限位开关，初始状态为闭合，I0.6，I0.7，I1.0，I1.1，I1.2为汽缸的动作限位开关，初始状态为关断。汽缸动作时，回位限位开关关断，到达动作限位开关时，动作限位开关闭合。第5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，难免会有疏漏的地方，因此在将PLC连接到现场设备之前，必需进行软件测试，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。另外，一些硬件如传感器等，在使用前，也需事先调试好。5.1硬件调试1电感传感器的调试在电感传感器下方的传送带上，放置铁质料块，调整传感器上两螺母，使传感器上下移动，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。2电容传感器的调试在电容传感器下方的传送带上，放置铝质料块，调整传感器上两螺母，使传感器上下移动，恰好使传感器上端指示灯发光，该高度即为传感器对铝质材料的检出点。3颜色传感器的调试通电状态下，在颜色传感器下方的传送带上，放置带有某一颜色料块，调节传感器上的电位器，观察窗口中红绿（或蓝）指示灯，当两灯恰同时发光时，该灵敏点即为料块颜色检出点。5.2软件调试程序的调试是设计过程中一个比较重要环节，很少有程序是一经编制就可以运行成功的，只有经过调试运行甚至现场运行才能发现程序中不合理的地方并且进行修改。通过仿真软件按照控制要求一步步进行输入输出端口设置，看输出是否满足控制要求。仿真调试时是否正常按预期效果运行，若不是按预期效果输出，再仔细检查程序并修改后，再仿真调试。若有异再修改程序，这样反复调试，直至程序可用模拟调试运行正常。第6章 总 结物料分拣采用可编程控制器PLC进行控制，能连续、大批量地分拣货物，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，分拣系统能灵活地与其他物流设备无缝连接，实现对物料实物流、物料信息流的分配和管理。 其设计采用标准化、模块化的组装，具有系统布局灵活，维护、检修方便等特点，受场地原因影响不大。 同时，只要根据不同的分拣对象，对本系统稍加修改即可实现求。本论文的设计主要取得了以下成果：对物料自动化分拣的结构形式、驱动装置、控制系统等各组成部分进行了较为全面的分析，最后得出其总体设计方案。气动驱动系统是强的非线性系统，其根本原因是空气具有可压缩性，使得系统中存在流量饱和效应，非线性摩擦力等因素，实现气缸的精度定位非常困难。因此在其应用中，要对各参数进行调定，以达到比较理想状态。自动化的控制系统采用了技术性、可靠性非常高的PLC进行控制。这使得自动化设备更加灵活，动作准确，易于维护，劳动生产率大大得到了提高。各种操作方式自由切换，满足了各种生产要求。通过本次毕业设计，我对电气控制方面变得更加的执着，无论是以后的学习还是工作我都会比较重视。此时让我想起孔子的一句话：“知之者，不如好知者；好之者，不如乐知者。”由于自己的水平有限，文中必定会有错误的地方和不足之处，恳请各位老师批评指正。参考文献1 姜培刚. 机电一体化系统设计. 机械工业出版社 (2004年9月) 2 李景学，金广业. 可编程控制器应用系统设计. 北京:电子工业出版社,19983 王淑英. 电气控制与PLC应用. 机械工业出版社（第四版）4 愈 林.西门子S7-200PLC应用教程. 北京：机械工业出版社，20075 郎宏仁.可编程控制全自动化系统. 哈尔滨出版社，1999。6 崔亚军. 可编程序控制器的原理及程序设计. 电子工业出版社主编， 2006致 谢本论文是在老师的悉心指导下完成的，论文从选题到写作及最后的成稿，老师都给予了精心的指导和极大的帮助。在此谨向尊敬的导师致以由衷的感谢和崇高的敬意！毕业论文的这个机会，好好地总结一下我在学校所学的各门课程，将它们分化理解，合理分类，融会贯通。也不愧三年来老师含辛茹苦的授课和课下的谆谆教导，以及同学间的团结互助。这次毕业设计，老师给予我们许多帮助，同时也为我们指明了方向。通过这次毕业设计，我们把以前所学都综合起来，感觉自己的水平提高很多。我们了解到了做一个系统的基本常识，为我们以后从事技术工作打下良好的基础。我要感谢在大学三年里传授我知识的每一位任课老师和曾经帮助过我的同学，我会永远的记住你们，在此真心的向你们说声谢谢！在学校中我学会了自学，懂得了许多为人处世的道理，很大部分都是听取了老师们的良言。在次感谢各位老师，学到最后你们所传授的知识都是很有用的，这点我一直都是这样认为的。最后非常感谢我的指导老师傅贵兴老师，感谢你对我的支持，感谢你乐观处事的态度，感谢你给予的帮助，谢谢！ 附录