毕业设计（论文）基于PLC的物料分拣设备自动化控制系统设计.doc

漯河职业技术学院基于PLC的物料分拣设备自动化控制系统设计系 部： 机 电 工 程 系 专 业： 电气工程及自动化 班 级： 09 电 气 一 班 学 号： 学生姓名： 指导老师： 2012年3月摘 要分拣控制系统在社会各行各业如：物流配送中心、邮局、采矿、港口、码头、仓库等行业得到广泛运用，分拣系统能够大大提高企事业单位该环节的生产效率。 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,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、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: 可编程控制器，分拣装置，控制系统，传感器目 录绪 论1第1章 材料分拣装置结构设计21.1 材料分拣装置工作过程概述21.2 系统的技术指标31.3 系统的设计要求3第2章 控制系统的硬件设计52.1 控制系统设计52.2 系统关键技术52.3 检测元件与执行装置的选择9第3章 控制系统的软件设计113.1 控制系统顺序功能图设计113.2 控制系统程序设计123.3 触摸屏设计17第4章 控制系统的调试214.1 硬件调试214.2 PLC程序调试214.3 触摸屏调试224.4 整体调试22总结与展望23致 谢24参考文献25附 录26绪 论分拣是把很多货物按品种从不同的地点和单位分配到所设置的场地的作业。按分拣的手段不同，可分为人工分拣、机械分拣和自动分拣。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的的搬送装置。由于全部采用机械自动作业，因此，分拣处理能力较大，分拣分类数量也较多。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唯一选择。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，只要根据不同的分拣对象，对本系统稍加修改即可实现要求。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。应用PLC技术结合气动、传感器和位置控制等技术，设计不同类型材料的自动分拣控制系统。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。本文主要介绍了PLC控制系统的硬件和软件设计，以及一些调试方法。第1章 材料分拣装置结构设计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艺过程及控制要求。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艺过程、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。1.1 材料分拣装置工作过程概述如图1-1 所示为本分拣装置的结构示意图。图1-1 材料分拣装置结构示意图如图所示是一个传送、分拣金属工件和塑料工件的系统 。工件由供料盘推出至位置的供料架后，由机械手气爪夹持送至传送带位置的下料孔，工件经电感式接近开关检测确定为金属工件后，即由装在传送带位置的气缸活塞杆推至分拣斜槽，若检测为塑料工件，则由传送带继续向前传送，由位置的气缸活塞杆推至分拣斜槽。1.2 系统的技术指标输入电压：AC360400VDC24V消耗功率：1000W环境温度范围：-540气源：大于0.2MPa切小于0.85Mpa1.3 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。1.3.1功能要求材料分拣装置应实现的基本功能：下料、传送、分拣金属工件和塑料工件。1.3.2控制要求系统利用电容式接近开关传感器和电感式接近开关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8个方面：1由按钮SB1控制系统启动。系统需在原点状态下才能启动。系统原点状态时，原点指示灯（黄灯）闪光（每秒闪光1次）。原点状态要求是： （1）供料盘停止转动； （2）机械手无夹持工件，气爪松开，机械手直线气缸活塞杆退回，机械手停止在左边的限止位置上； （3）传送带电动机停止转动；传送带上各直线气缸活塞杆退回；2当系统启动后，运行指示灯（绿灯）发光。3、系统启动后，当供料架无工件时，供料盘应立刻转动，直至供料架的光电传感器检测到工件才停止。4当供料架的光电传感器检测到工件后，气动机械手的手臂就伸出、下降，用气爪将工件夹紧（夹紧1s），然后上升、缩回，转动至右限止位置，再伸出，下降，气爪放松，通过位置的下料孔将工件放到皮带传送机的传送带上。5机械手放下夹持工件1s后上升、缩回，转回左限止位置后继续进行工件传送。6当传送带位置的传感器检测到工件后，传送带电机立刻启动运行（变频器输出频率为45Hz）。若是金属工件，就由位置的直线气缸A分拣到斜槽11；若是非金属工件，就由位置的直线气缸B分拣到斜槽12。分拣用直线气缸动作由气缸上的磁性开关控制。物料被分拣后，气缸活塞复位。7若传送带位置的传感器连续6s都检测不到工件，则指示灯（红色）闪光（1s闪烁3次），提示皮带传送机缺料。当传送带位置的传感器检测到工件后才熄灭。8按钮SB2控制系统正常停机。按下SB2，运行指示灯（绿灯）熄灭。若机械手已无夹持工件，系统就会在完成工件的传送与分拣后，回到原点位置上，进入待机状态。若机械手夹持有工件，则系统会继续进行工件的传送与分拣，在工作完成后才停止运行并使系统回到原点位置上，进入待机状态。第2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。2.1 控制系统设计设计控制系统的结构框图，如图2-1 所示。图2-1 控制系统的结构框图2.2 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。传感器的类型选择，执行部件的运动精度的问题。2.2.1确定I/O点数根据控制要求，采用触摸屏控制，PLC的输入信号全部来自传感器，光电传感器2个，电容式接近开关传感器3个，电感式接近开关传感器1个，机械手各动作到位检测传感器5个，A、B气缸动作到位检测传感器4个，共计15个。输出包括指示灯3个，供料电机1个，皮带电机1个，机械手控制气缸动作的电磁阀7个，控制A、B气缸动作的电磁阀4个，共计16个。输入输出共需要I/O点31个。2.2.2 PLC选择根据上面所确定的I/ O 点数，且该材料分拣装置的控制为开关量控制。因此，选择一般的小型机即可满足控制要求。本系统选用三菱公司的FX 2N系列48MR型PLC。它有24个输入点，24个输出点，满足本系统的要求。2.2.3 PLC输入输出端子及其它软元件分配根据所选择的PLC型号，对本系统中PLC的输入输出端子及其它软元件进行分配，如表2-1、表2-2、表2-3所示表2-1 材料分拣装置PLC 输入端子I/ O分配表输入继电器作用备注X0机械手左转到位检测X1机械手右转到位检测X2位置下料检测X3位置工件检测金属检测X4位置工件检测塑料检测X5气缸A伸出到位检测X6气缸A后退到位检测X7气缸B伸出到位检测X10气缸B后退到位检测X11位置工件检测X12机械手气爪夹紧检测X13机械手伸出到位检测X14机械手后退到位检测X15机械手下降到位检测X16机械手上升到位检测表2-2 材料分拣装置PLC 输出端子I/ O分配表输出继电器作用备注Y0原点指示HL1黄灯（1s闪烁1次）Y1运行指示HL2绿灯Y2缺料指示HL3红灯（1s闪烁3次）Y3气缸A伸出Y4气缸A退回Y5气缸B伸出Y6气缸B推出Y7供料盘电机Y10机械手气爪Y11机械手伸出Y12机械手退回Y13机械手下降Y14机械手上升Y15机械手左转Y16机械手右转Y20皮带电机控制表2-3 材料分拣装置PLC 其它软元件分配表名称作用备注C220总工件计数C221金属工件计数C222塑料工件计数M10急停M11计数器复位M12正常停止M13机械手回归原点手动M14启动M15手动/自动选择闭合：手动；断开：自动M16机械手伸出手动M17机械手后退手动M18机械手下降手动M19机械手上升手动M20机械手左转手动M21机械手右转手动M22机械手气爪夹紧手动M23机械手气爪松开手动2.2.4 PLC输入输出端子接线图根据表2-1、表2-2可以绘制出PLC的输入输出接线端子图，如图2-2所示。图2-2 IO接线图2.3 检测元件与执行装置的选择主要是对各个传感器的选择，并对其作简要介绍。2.3.1电感式接近开关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金属材料。2.3.2电容式接近开关电容接近开关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。本装置中电容式接近开关是用于检测塑料材料。2.3.3光电传感器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。第3章 控制系统的软件设计软件设计是PLC控制系统的核心，程序设计的主要任务是根据控制要求及工艺流程，设计出顺序功能图。3.1 控制系统顺序功能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，可画出顺序功能图，如图3-1所示。（a） 图（b） 图图3-1 顺序功能图3.2 控制系统程序设计根据所绘顺序功能图，在GX Developer软件中编写梯形图程序。程序清单见附录。以下为程序简介。如图3-2所示，为程序结构框图。下面将分别介绍各段程序。图3-2 程序结构框图3.2.1 急停如图3-3所示，为急停程序，当需要急停时，拍下“急停”按钮，对程序进行复位，并初始化！图3-3 急停程序3.2.2 计数器复位如图3-4所示，为计数器复位程序，当在触摸屏上点击“清除数据”时，对C220、C221、C222进行复位，清除所记数据。图3-4 计数器复位程序3.2.3 正常停止如图3-5所示，为正常停止程序，点击触摸屏上的“停止”按钮，运行指示灯（绿灯）熄灭。若机械手已无夹持工件，系统就会在完成工件的传送与分拣后，回到原点位置上，进入待机状态并解除停止信号。若机械手夹持有工件，则系统会继续进行工件的传送与分拣，在工作完成后才停止运行并使系统回到原点位置上，进入待机状态并解除停止信号。图3-5 正常停止程序3.2.4 供料电机控制如图3-6所示，为供料电机控制程序。按下启动按钮后，程序运行，运行指示灯（Y001）亮，位置传感器（X011）检测有无工件，若无工件，Y007得电闭合，驱动电机，供料盘转动，传感器检测到物料后，停止电机转动。图3-6 供料电机控制程序3.2.5 脉冲信号如图3-7所示，为0.3S脉冲发生器程序，当程序启动，T200计时器开始计时，ALTP为交替指令，M100每0.32S闭合一次，1S约闭合3次。图3-7 0.3S脉冲程序3.2.6 缺料提示如图3-8所示，为缺料检测与指示程序，当启动程序时，T10开始计时，当位置在6S内未检测到工件，T10闭合，缺料指示灯（Y002）1S闪3次。图3-8 缺料检测与指示程序3.2.7 工件计数如图3-9所示，为工件计数程序，当工件进过位置、时进行计数，C220为总工件计数器，C221为金属工件计数器，C222为塑料工件计数器。此处采用记忆型计数器，断电后数据不会丢失，来电在原有数据上继续计数。图3-9 工件计数程序3.2.8 原点指示如图3-10所示，为原点指示程序，供料盘停止转动；机械手气爪松开，机械手直线气缸活塞杆退回，停止在左边的限止位置上；传送带电动机停止转动，传送带上各直线气缸活塞杆退回，M0闭合，原点指示灯（Y000）1S闪一次。图3-10 原点指示程序3.2.9 手动控制如图3-11所示，为机械手手动程序。由M15的断开、闭合作选择条件，M15断开选择自动控制，M15闭合选择手动控制。点击触摸屏上各相应按钮，机械手可以完成伸出、后退、下降、上升、左转、右转、气爪夹紧、气爪松开各动作。图3-11 机械手手动程序3.2.10 机械手回归原点如图3-12所示，为机械手回归原点程序，当在触摸屏上点击“回归原点”按钮，机械手气爪松开，同时机械手开始上升、后退、左转，回归原点。图3-12 机械手回归原点程序3.3 触摸屏设计触控屏（Touch panel）又称为触控面板，是个可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。3.3.1 欢迎画面欢迎画面如图3-13所示，点击屏幕任何一处，都会进入主画面。图3-13 触摸屏欢迎画面3.3.2 主画面主画面如图3-14所示，主画面可以完成原点指示，运行指示，缺料指示，启动，停止，手动自动控制切换，以及手动画面、监控画面、统计画面、欢迎画面的切换。图3-14 触摸屏主画面3.3.3 手动画面如图3-15所示，手动画面是对机械手的操作画面，在主画面将控制方式切换到手动，点击“手动”按钮，画面切换到手动画面，可以完成机械手的上升、下降、伸出、后退、左转、右转、气爪夹紧、气爪松开一系列动作，也可以按住“回归原点”按钮，使机械手回归原点。点击“返回”按钮，回到主画面。图3-15 触摸屏手动画面3.3.4 监控画面 如图3-16所示，是对分拣系统运行状态的监视，能直观的反映出分拣系统运行的现状。在主画面点击“监控”按钮，进入监控画面，左边是机械手的运行监视，右边是皮带机的运行监视。点击“返回”按钮，返回主画面。图3-16 触摸屏监控画面3.3.5 统计画面如图3-17所示，是对工件的统计画面。在主画面点击“统计”按钮，进入工件统计画面，显示分拣的金属工件、塑料工件以及总的下料数的个数，点击“清除数据”，可以清除所统计的数据，重新开始计数。点击“返回”按钮，回到主画面。图3-17 触摸屏统计画面3.3.6 缺料报警画面如图3-18所示，是缺料报警画面。当系统检测到缺料时，触摸屏上将弹出缺料报警画面，缺料报警画面上的缺料指示灯将1S闪烁三次发出警报。图3-18 触摸屏缺料报警画面第4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。4.1 硬件调试4.1.1电感传感器的调试在电感传感器下方的传送带上，放置金属料块，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金属材料的检出点。4.1.2 电感传感器的调试在电容传感器下方的传送带上，放置塑料料块，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塑料材料的检出点。4.1.3 光电传感器的调试在光电传感器的下方，放置料块，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材料的检出点。4.2 PLC程序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把程序下载到PLC中。刚编好的程序难免有这样那样的缺陷或错误。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和异常情况时都能作出正确的响应，需要进行离线测试，既不将PLC的输出接到设备上。按照控制要求在指定输入端输入信号，观察输出指示灯的状态，若输出不符合要求，则查找原因，并排除之。4.3 触摸屏调试将在GT Designer2软件中编写的画面，通过上下位机的连接电缆把画面下载到三菱F940GOT-SWD-C触摸屏中，用通信电缆连接触摸屏和PLC，使其构成通信。点击触摸屏上的按钮，对PLC发出操作指令，观察PLC的输出信号，若输出信号不符合要求，则查找原因，并排除之。4.4 整体调试将设备接入PLC，进行联机调试，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。总结与展望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。 本系统采用的可编程控制器，只要结合不同的传感器，比如根据材料的属性、尺寸的大小、物体的颜色等选择相应的传感器，就可对不同的物料进行分拣，具有广泛的应用前景。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。在设计的过程中遇到许多困难，在老师的帮助下，通过查资料，把困难都一一克服。另外我们在设计的过程中还得到许多同学的帮助，对于良师益友的帮助，我深表感谢。同时也感谢学校提供给我们一次提高的机会，我在此深表感谢。父母十几年寒心茹苦将我抚养成人，并以坚定的意志负担起我求学的重担，使我能安心学业，顺利完成大学学习任务，实现儿时的梦想。还有我的兄弟们在我成长期间一如既往地给我极大的关心与鼓舞，在此真诚感谢他们！最后，再次向所有帮助过我，激励过我，关心过我的人，致以最诚挚的谢意和最美好的祝福！参考文献1 郭艳萍. 气控制与PLC应用M. 北京：人民邮电出版社 20102 郭艳萍. 电气控制与PLC实训M. 北京：师范大学出版社 20083 陈相志. 交直流调速系统M. 北京：人民邮电出版社 20114 孙余凯. 传感器应用电路300例M. 北京：电子工业出版社 20085 陶红艳. 传感器与现代检测技术M. 北京：清华大学出版社 20096 王美娇. 液压与气动技术M. 北京：清华大学出版社 20097 郝芸. 传感器原理与应用M. 北京：电子工业出版社 20008 张池. 电机与拖动M. 北京：中国电力出版社 20099 梁森. 自动检测与转换技术M. 北京：机械工业出版社 2011附 录