基于PLC的物料分拣系统标准设计.doc

毕 业 设 计（论 文）

论文题目： 基于PLC物料分拣系统设计 

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摘  要 

自动分拣系统是指能够识别物品属性并对物品进行分类传输自动系统。自动分拣系统由传输供件同时导入装置、识别及控制系统、机械分拣机构及信息处理系统等组成。 
本文关键介绍在自动生产线上经过PLC控制为关键,MCGS组态软件为监控软件，变频器、传感器和电磁阀为电气元件，气缸和电动机为动力设备来实现物料分拣，然后把物料运输到生产线上。设计目标就是为企业降低劳动力，增加生产速度，大大加大企业经济效益。我使用功效分析法，文件研究法，观察法 ，来对这一项目进行研究。研究结果证实了自动分拣系统能够依据企业生产线多种需要对物料进行分拣，含有较大经济和社会意义。 

关键词： PLC  、变频器 、 物料分拣

Abstract 

Automatic sorting system is able to identify the item attributes and items for the automatic classification of transmission system. Automatic sorting system for by the transmission synchronization import composition of the device, to identify and control systems, mechanical sorting institutions and information processing systems, etc. 
This paper describes the automatic production line PLC control MCGS configuration software for the monitoring software, inverter, sensors and solenoid valves, electrical components, cylinder and motor-powered equipment to achieve the sorting of materials, then transport the materials toproduction line. The design goal is for companies to reduce labor, increase production speed, and greatly increase the economic efficiency of enterprises. I use functional analysis, documentary research, observation, study of this project. The study shows that automatic sorting system based on the production line a variety of materials are sorted, have greater economic and social significance. 

Keywords ：PLC、inverter、material、sorting

目 录

第一章 可编程序控制器 1
第一节PLC发展历史 1
第二节 PLC定义和特点 1
第三节 PLC基础结构和基础原理 2
第二章 物料分拣系统工作过程和设备选择 3
第一节 物料分拣系统工作过程 3
第二节 物料分拣系统设备选择 3
第三节 传感器 7
第三章 物料分拣系统设计图 8
第一节PLC外部端子接线图 8
第二节 变频器端子接线图 9
第三节 步进梯形图 10
第四节 PLC梯形图 11
第四章 物料分拣系统组态技术 13
第一节 组态技术概述 13
第二节 组态技术功效和优点 13
结束语 15
谢 辞 16
参考文件 17

第一章 可编程序控制器 
第一节PLC发展历史
在可编程序控制器诞生之前，是以继电器、接触器为主体控制系统广泛应用于工业生产。1968年，为适应生产需要，美国通用汽车企业提出一个新型工业控制器。1969年，美国数字设备企业研制出世界上第一台可编程逻辑控制器，目标是替换继电器，这打开了新控制技术发展大门。紧接着美国MODICON企业也开发出同门控制器。1971年，日本从美国引进这项技术，也研制出日本第一台可编程序控制器。1973年，西欧部分国家也相继开发出她们可编程序控制器。中国则在1977年成功研制出以1个微处理器MC14500为关键可编程序控制器，并用于工业生产。
PLC大约经历四个阶段： 
(1)初级阶段：第一代PLC替换继电器，关键功效是逻辑运算和计时、计数功效。CPU由中小规模数字集成电路组成。第一代只采取了梯形图语言作为编程方法，尽管有些枯燥，但却形成了工厂编程标准。 
(2)扩展阶段：从20世纪70年代到70年代末期，PLC扩展功效包含数据传送、数据比较和运算、模拟量运算等功效。 
(3)通讯阶段：20世纪70年代末期到80年代中期，PLC产品和计算机相连，不过各个厂家联络不亲密，独自经营，所以PLC快速扩散到其它行业。 
(4)开放阶段：20世纪80年代中期开始， PLC在开放功效上取得较大发展。关键在通信系统开放，使各厂商产品能够通信。另外，PLC开始采取标准化软件系统，增加高级语言编程，并完成了编程语言标准化工作。这一阶段产品关键有西门子企业S7系列，AB企业PLC-5,SLC500、德维森V80和PPC11，加拿大ONLINE CONTROL企业和合控电气企业所开发OPENPLC等。 
PLC在以后发展方向能够概括为： 
（1)发展简易、经济小型、微型PLC； 
(2)致力于提升功效性价比； 
(3)能研制出功效强大、系统庞大、技术完善PLC。 

第二节 PLC定义和特点 
一、PLC定义 
可编程序控制器简称PLC，是一个专门为在工业环境下应用而设计数字运算操作电子装置。它采取能够编制程序存放器，用来在其内部存放实施逻辑运算、次序运算、计时、计数和算术运算等操作指令，并能经过数字式或模拟式输入和输出，控制多种类型机械或生产过程。PLC及相关外围设备全部应根据易于和工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功效标准而设计。    
二、PLC特点 
(1)可靠性高、抗干扰能力强； 
(2)编程简单、易于掌握； 
(3)功效强、通用性好； 
(4)设计、安装轻易、维护工作量少； 
(5)体积小、重量轻、功耗低。 

第三节 PLC基础结构和基础原理 
一 PLC基础结构 

图1.1 PLC基础组成 
PLC基础组成： 
(1)中央处理单元； 
(2)存放器； 
(3)输入/输出接口； 
(4)电源及外部设备。 
二、PLC工作原理 
当PLC运行后，工作过程分为三个阶段：输入采样、用户程序实施和输出刷新。完成三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLCCPU以一定扫描速度反复实施上述三个阶段。

第二章 物料分拣系统工作过程和设备选择
第一节 物料分拣系统工作过程
1、按下开启按钮X0，物料台检测到有物料，则变频器驱动电机，使圆盘转动，再由圆盘通道和机械手把物料送到物料分拣带上检测，以上动作实现了上料过程。 
2、把物料送到检测台。假如在4秒钟内检测不到物料，红灯闪烁，不然绿灯闪烁，机械手、电动机和变频器不动作，整个系统停止。当检测到物料时，物料提升到上限时，机械手臂先伸出，手爪夹紧物料后，手臂提升，再缩回，然后右旋，手臂伸出，下降，松开物料，手臂再提升，缩回，再回到左旋初始位置。 
3、分拣台上光电传感器检测到物料时，开启传送带；当电感传感器检测到金属物质物料时，活塞1伸出推进物料进入料槽再缩回；当到电容传感器检测到非金属物料时，活塞2伸出推进物料进入料槽再缩回。当物料台再次检测到物料时，循环以上动作。 
4、物料传输是经过机械手和三相异步电动机及变频器来实现，机械手可经过伸出，下降，夹紧物料，提升，缩回等动作将物料从物料台送到传输带上，而三相异步电动机开启传送带动作及变频器改变传输带速度。 
5、在传输带上，光电传感器是开启传输带运行信号，用电容传感器和电感传感器来分拣传输带上物料，电感传感器可检测金属物质物料，电容传感器可检测非金属物料。这是实现分拣动作。 

第二节 物料分拣系统设备选择 
一、三菱PLC选型
I/O点数估算时应考虑合适余量，通常依据统计输入输出点数，再增加10%～20%可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。依据物料分拣系统工作过程可知，系统输入信号有19个，输出信号有16，所以选三菱FX2N-48MR。 

表2.1 I/O分配表

二、三菱变频器选择 
在实践中常常将机械设备依据负载转矩特征不一样，分为以下三类： 
（1）恒转矩负载； 
（2）恒功率负载； 
（3）流体类负载。
2、依据负载特征选择合适控制方法三菱变频器 
三菱变频器控制方法关键分为：V/f控制，包含开环和闭环；矢量控制，包含无速度传感器和带速度传感器控制；直接转矩控制；多个种方法优缺点以下:
(1）V/f开环控制 
优点：结构简单，调整轻易，可用于通用鼠笼型异步电机； 
缺点：低速力矩难确保，不能采取力矩控制，调速范围小； 
关键采取场所：通常风机，泵类节能调速或一台变频器带多台电机传动场所。
（2）V/f闭环控制 
优点：结构简单，调速精度比较高，可用于通用性异步电机； 
缺点：低速力矩难确保，不能采取力矩控制，调速范围小，要增加速度传感器； 关键采取场所：用于保持压力，温度，流量，PH定值等过程场所。 
（3）无速度传感器矢量控制 
优点：不需要速度传感器，力矩响应好、结构简单，速度控制范围较广；缺点：需要设定电机参数，须有自动测试功效； 采取场所：通常工业设备，大多数调速场所。 
（4）带有速度传感器矢量控制 
优点：力矩控制性能良好，力矩响应好，调速精度高，速度控制范围大；缺点：需要正确设定电机参数，需要自动测试功效，要高精度速度传感器；使用场所：要求正确控制力矩和速度高动态性能应用场所。 
（5）直接转矩控制 
优点：不需要速度传感器，力矩响应好，结构较简单，速度控制范围较大； 缺点：需要设定电机参数，须有自动测试功效； 
采取场所：要求正确控制力矩高动态性能应用场所，如起重机、电梯、轧机等。 依据物料分拣系统可知，我们可选三菱FR-E500。 三菱FR-E500介绍： 
（1）功率：7.5KW； 
简易磁通矢量控制方法，实现1Hz时输出转矩达120%； 
柔性PWM，实现低噪音运行； 
内置PID，变频器/工频切换和能够实现多泵循环运行功效； 
内置RS485通讯口； 
使用长寿命元器件；
ID，15段速度等功效选择。 
三菱FR-E500特点： 
（1）更省能源； 
（2）环境保护，寿命长，维护简单； 
（3）最适用风扇； 
（4）操作简单，网路化； 
（5）适用全球化； 
（6）丰富多彩功效。 
三、气动控制和实施元件 
气动控制元件是控制气体压力、流量及运动方向元件，如多种阀类；能完成一定逻辑功效元件，如气动逻辑元件。气动控制元件按功效分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。 
1、电磁阀 
气动电磁阀工作原理：气动电磁阀里有密闭腔，在不一样位置开有通孔，气动电磁阀每个孔全部通向不一样油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边。气动电磁阀经过控制阀体移动来档住或漏出不一样排油孔，而进油孔是常开，液压油就会进入不一样排油管，然后经过气动电磁阀油压力来推进油刚活塞，这么经过控制气动电磁阀电磁铁电流就控制了整个电磁阀机械运动。 
气动电磁阀是用来控制流体自动化基础元件，属于实施器；气动电磁阀并不限于液压，气动；气动电磁阀用于控制液压流动方向，工厂机械装置通常全部由液压钢或电磁阀来控制。

 图2.1 直动式电磁阀原理图
图2.1表示 (五路二位)直动式电磁阀(常断型)结构简单剖面图及工作原理。起始状态，1，2进气；4，5排气；线圈通电时，静铁芯产生电磁力，使先导阀动作，压缩空气经过气路进入阀先导活塞使活塞开启，在活塞中间，密封圆面打开通道，1，4进气，2，3排气；当断电时，先导阀在弹簧作用下复位，恢复到原来状态。 
 本设计能够采取二位二通气动电磁阀，它操作轻便，又能快速实现气缸正反转，易于实现自动化，所以应用广泛。  
2、气缸 
引导活塞在其中进行直线往复运动圆筒形金属机件。工质在发动机气缸中经过膨胀将热能转化为机械能；气体在压缩机气缸中接收活塞压缩而进步压力。涡轮机、旋转活塞式发动机等壳体通常也称“气缸”。气缸应用领域：印刷（张力控制）、半导体（点焊机、芯片研磨）、自动化控制、机器人等等。英文名：cylinder。  
气缸-气缸种类 气压传动中将压缩气体压力能转换为机械能气动实施元件。气缸有作往复直线运动和作往复摆动两类。作往复直线运动气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸 4种。 
气缸作用：将压缩空气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。 
气缸分类：直线运动往复运动气缸、摆动运动摆动气缸、气爪等。气缸结构：气缸是由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件组成。      
当传感器检测到物料时，活塞运动，然后自动缩回，所以我们能够选单作用气缸。 

第三节 传感器 
（1）光电式传感器 
光电式传感器，基于光电效应传感器，在受到可见光照射后即产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。它除能测量光强之外，还能利用光线透射、遮挡、反射、干涉等测量多个物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，所以是一个应用极广泛关键敏感器件。光电测量时不和被测对象直接接触,光束质量又近似为零,在测量中不存在摩擦和对被测对象几乎不施加压力。所以在很多应用场所，光电式传感器比其它传感器有显著优越性。其缺点是在一些应用方面，光学器件和电子器件价格较贵，而且对测量环境条件要求较高。 
（2）电感式传感器 
电感式传感器是利用电磁感应把被测物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈自感系数和互感系数改变，再由电路转换为电压或电流改变量输出，实现非电量到电量转换。
(3)电容式传感器 
电容式传感器也常常被大家称为电容式物位计，电容式物位计电容检测元件是依据圆筒形电容器原理进行工作，电容器由两个绝缘同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为e电解质时，两圆筒间电容量为C=2∏eL/lnD/d，式中L为两筒相互重合部分长度；D为外筒电极直径；d为内筒电极直径；e为中间介质电介常数。在实际测量中D、d、e是基础不变，故测得C即可知道液位高低，这也是电容式传感器含有使用方便，结构简单和灵敏度高，价格廉价等特点原因之一。 

第三章 物料分拣系统设计图 
第一节PLC外部端子接线图

图3.1 PLC外部接线图
图3.1，当PLC投入运行时，按下开启，给出XO信号，物料经过圆盘升到上限，给出信号X11；在经过机械手一系列动作，给出X7、X5、X3、X4信号；传送到传送带时，光电传感器动作，给出X22信号；当有物料时，电机使传送带动作；电感传感器动作时，给出X20信号，让电磁阀动作推进气缸动作，给出X14、X15信号；电容传感器动作时，给出X21信号，让电磁阀动作推进气缸动作，给出X16、X17信号。 
第二节 变频器端子接线图 

图3.2 变频器端子接线图
图3.2，L1,L2,L3接三相交流电，PE接地；U,V,W接三相电机；STF，RM端子接PLC端子Y21；SD端子接COM5。
第三节 步进梯形图

 图3.3 步进梯形图 
图3.3，给出开启信号，整个系统开始运行。光电传感器开始检测物料，圆盘动作传送到底，机械手开始动作，把物料送到检测带上，传送带动作。在运输过程中，电感传感器有检测时，气缸1动作；电容传感器有检测时，气缸2动作。
第四节 PLC梯形图

图3.5 梯形图 
程序运行过程分析图3.5，按下开启按钮X0，物料驱动电机，这时Y0接通；此时光电传感器检测物料，X13动作，物料被圆盘提升，此时Y1接通；当上升到限位时，X11动作，此时接通Y2,机械手臂伸出，伸到限位时，X5动作，此时接通Y4，手爪下降；下降到限位时，X10动作，X2也动作，此时接通Y15，手爪抓紧；然后手臂缩回并抵达限位，X6、Y3动作；这时手臂右旋并抵达限位，X4和Y7动作；当机械手将物料送到分拣台时，光电传感器动作,X22动作，此时接通Y21，电机带动传送带，传送带动作，物料运动；当电感传感器动作时，X20动作，接通Y11，气缸推进物料，然后气缸缩回，Y10动作；当电容传感器动作时，X21动作，此时接通Y12，气缸推进物料，然后气缸缩回，接通Y13；整个系统结束，当需要急停时，按下X1，系统就会停止。 

第四章 物料分拣系统组态技术 
第一节 组态技术概述
一、组态定义 
  组态软件是一个面向工业自动化通用数据采集和监控软件，也称人机界面。用于数据采集和过程控制专用软件。 
二、组态发展
20世纪40年代，多数工业处于手工状态，大家凭经验和手工控制生产过程。50年代后，部分工厂企业生产实现仪表化和自动化。生产过程中关键参数普遍采取仪表进行显示。进入60年代，伴随工业生产和电子技术不停发展，开始大量采取气动、电动单元组合仪表对关键参数进行指示，计算机控制系统开始应用于控制，实现数字控制和设定值控制。70年代，伴随计算机开发、应用和普及，对全厂或整个工艺步骤集中控制成为可能。 
世界上第一款组态软件InTouch在20世纪80年代中期由美国Wonderware企业开发。组态软件依据其提供多种软件模块能够积木式搭建人机监控界面，不仅提升了自动化系统开发速度，也确保了自动化应用成熟性和可靠性。 
目前组态软件有国外InTouch、Ifix、Citect、Wincc、RSView32、TraceMode,中国组态王、力控、WebAccess、MCGS、开物、易控、杰控、世纪星及紫金桥组态软件等。 

第二节 组态技术功效和优点
一、组态软件功效 
（1）读写不一样类型PLC、仪表、智能模块和板卡，采集工业现场多种信号，对工业现场进行监视和控制。 
（2）能够以图形和动画等直观形象方法展现工业现场信息。 
（3）能够将控制系统中紧急工况立即通知给相关人员，使之立即掌控系统运行情况。 
（4）能够对工业现场数据进行逻辑运算和数字运算等处理，并将结果返回给控制系统。 
（5）能够对控制系统得到数据进行统计存放。 
（6）能够将工程运行情况、实时数据、历史数据、警告和外部数据库中数据和统计运算结果制成报表，供运行和管理人员参考。 
（7）能够将不一样系统数据联络和整合在一起。 
（8）能够网络实现分布式监控，实现复杂远程监控。 
（9）能够依据需要干预生产现场或过程。 
二、组态软件优点 
功效强大； 
简单易学； 
扩展性好； 
实时多任务。
三、组态软件画面

 图4.1 组态画面 
 图4.1，当物料检测灯变成绿灯时，整个系统开始运行，不然灯变红，系统停止。系统运行时，转盘和机械手动作，把物料送到检测通道，传送带指示灯亮。当检测到金属物体时，灯变绿，然后电磁阀动作，电磁阀灯变绿，带动气缸，推进物料。当检测到非金属物体时，灯变绿，然后电磁阀动作，灯变绿，带动气缸，推进物料。
结束语
本文具体介绍了依据实际生产需要，采取PLC设计出了物料分拣系统，并用组态作为监控软件。物料分拣系统在现代自动化生产中含有很大实用价值。在设计之前阅读了大量资料和文件，还请教了老师，从阅读资料中学到很多知识很宝贵。在设计中碰到很多困难，比如说程序设计、设备选型、担心系统出现问题、设计是否合理、是否受到外界干扰、通讯能不能成功等。设计上一定有不完美地方，物料分拣系统还需进步改善，提升系统优越性、可靠性。

谢 辞 
本文是在老师悉心指导和精心培养下完成。老师严谨治学态度、缜密思维方法、扎实工作作风和对事业执着和对我教导给我留下了深印象，并使我终生受益。谨此对杨老师表示衷心感谢和高尚敬意。

参考文件 

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2.陆艺，郭斌，潘小旺，范伟军. [N]仪器仪表学报。。 
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6.王艳秋.电机及电机拖动，北京：化学工业出版社。。 
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8.袁秀英.组态控制技术，北京：电子工业出版社。。 
9.吴志强，鲁晓春.物流设施和设备，北京：清华大学出版社。。
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