畢業(yè)設計（論文）基于PLC的物料分揀設備自動化控制系統設計

1、漯河職業(yè)技術學院基于plc的物料分揀設備自動化控制系統設計系 部： 機 電 工 程 系 專 業(yè)： 電氣工程及自動化 班 級： 09 電 氣 一 班 學 號： 學生姓名： 指導老師： 2012年3月摘 要分揀控制系統在社會各行各業(yè)如：物流配送中心、郵局、采礦、港口、碼頭、倉庫等行業(yè)得到廣泛運用，分揀系統能夠大大提高企事業(yè)單位該環(huán)節(jié)的生產效率。 本文主要講述plc在材料分揀系統中的應用，利用可編程控制器( plc) ,設計成本低、效率高的材料自動分揀裝置。以plc 為主控制器,結合氣動裝置、傳感技術、位置控制等技術,現場控制產品的自動分揀。 系統具有自動化程度高、運行穩(wěn)定、精度高、易控制的特點,可

2、根據不同對象,稍加修改本系統即可實現要求。 關鍵詞: 可編程控制器，分揀裝置，控制系統，傳感器目 錄緒 論1第1章 材料分揀裝置結構設計21.1 材料分揀裝置工作過程概述21.2 系統的技術指標31.3 系統的設計要求3第2章 控制系統的硬件設計52.1 控制系統設計52.2 系統關鍵技術52.3 檢測元件與執(zhí)行裝置的選擇9第3章 控制系統的軟件設計113.1 控制系統順序功能圖設計113.2 控制系統程序設計123.3 觸摸屏設計17第4章 控制系統的調試214.1 硬件調試214.2 plc程序調試214.3 觸摸屏調試224.4 整體調試22總結與展望23致 謝24參考文獻25附 錄26

3、緒 論分揀是把很多貨物按品種從不同的地點和單位分配到所設置的場地的作業(yè)。按分揀的手段不同，可分為人工分揀、機械分揀和自動分揀。目前自動分揀已逐漸成為主流，因為自動分揀是從貨物進入分揀系統送到指定的分配位置為止，都是按照人們的指令靠自動分揀裝置來完成的。這種裝置是由接受分揀指示情報的控制裝置、計算機網絡，把到達分揀位置的貨物送到別處的的搬送裝置。由于全部采用機械自動作業(yè)，因此，分揀處理能力較大，分揀分類數量也較多。隨著社會的不斷發(fā)展，市場的競爭也越來越激烈，因此各個生產企業(yè)都迫切地需要改進生產技術，提高生產效率，尤其在需要進行材料分揀的企業(yè)，以往一直采用人工分揀的方法，致使生產效率低，生產成本高

4、，企業(yè)的競爭能力差，材料的自動分揀已成為企業(yè)的唯一選擇。針對上述問題，利用 plc 技術設計了一種成本低，效率高的材料自動分揀裝置，在材料分揀過程中取得了較好的控制效果。物料分揀采用可編程控制器plc 進行控制，能連續(xù)、大批量地分揀貨物，分揀誤差率低且勞動強度大大降低，可顯著提高勞動生產率。而且，分揀系統能靈活地與其他物流設備無縫連接，實現對物料實物流、物料信息流的分配和管理。 其設計采用標準化、模塊化的組裝，具有系統布局靈活，維護、檢修方便等特點，受場地原因影響不大。同時，只要根據不同的分揀對象，對本系統稍加修改即可實現要求。plc控制分揀裝置涵蓋了plc技術、氣動技術、傳感器技術、位置控制

5、技術等內容，是實際工業(yè)現場生產設備的微縮模型。應用plc技術結合氣動、傳感器和位置控制等技術，設計不同類型材料的自動分揀控制系統。該系統的靈活性較強，程序開發(fā)簡單，可適應進行材料分揀的彈性生產線的需求。本文主要介紹了plc控制系統的硬件和軟件設計，以及一些調試方法。第1章 材料分揀裝置結構設計plc控制分揀裝置涵蓋了plc技術、氣動技術、傳感器技術、位置控制技術等內容，是實際工業(yè)現場生產設備的微縮模型。本章主要介紹分揀裝置的工藝過程及控制要求。要想進行plc控制系統的設計，首先必須對控制對象進行調查，搞清楚控制對象的工藝過程、工作特點，明確控制要求以及各階段的特點和各階段之間的轉換條件。1.1

6、 材料分揀裝置工作過程概述如圖1-1 所示為本分揀裝置的結構示意圖。圖1-1 材料分揀裝置結構示意圖如圖所示是一個傳送、分揀金屬工件和塑料工件的系統 。工件由供料盤推出至位置的供料架后，由機械手氣爪夾持送至傳送帶位置的下料孔，工件經電感式接近開關檢測確定為金屬工件后，即由裝在傳送帶位置的氣缸活塞桿推至分揀斜槽，若檢測為塑料工件，則由傳送帶繼續(xù)向前傳送，由位置的氣缸活塞桿推至分揀斜槽。1.2 系統的技術指標輸入電壓：ac360400vdc24v消耗功率：1000w環(huán)境溫度范圍：-540氣源：大于0.2mpa切小于0.85mpa1.3 系統的設計要求系統的設計要求主要包括功能要求和控制要求，進行設

7、計之前，首先應分析控制對象的要求。1.3.1功能要求材料分揀裝置應實現的基本功能：下料、傳送、分揀金屬工件和塑料工件。1.3.2控制要求系統利用電容式接近開關傳感器和電感式接近開關傳感器對待測材料進行檢測并分類。當待測物體經下料裝置送入傳送帶后，依次接受各種傳感器檢測。如果被某種傳感器測中，通過相應的氣動裝置將其推入料箱；否則，繼續(xù)前行。其控制要求有如下8個方面：1由按鈕sb1控制系統啟動。系統需在原點狀態(tài)下才能啟動。系統原點狀態(tài)時，原點指示燈（黃燈）閃光（每秒閃光1次）。原點狀態(tài)要求是： （1）供料盤停止轉動； （2）機械手無夾持工件，氣爪松開，機械手直線氣缸活塞桿退回，機械手停止在左邊的限

8、止位置上； （3）傳送帶電動機停止轉動；傳送帶上各直線氣缸活塞桿退回；2當系統啟動后，運行指示燈（綠燈）發(fā)光。3、系統啟動后，當供料架無工件時，供料盤應立刻轉動，直至供料架的光電傳感器檢測到工件才停止。4當供料架的光電傳感器檢測到工件后，氣動機械手的手臂就伸出、下降，用氣爪將工件夾緊（夾緊1s），然后上升、縮回，轉動至右限止位置，再伸出，下降，氣爪放松，通過位置的下料孔將工件放到皮帶傳送機的傳送帶上。5機械手放下夾持工件1s后上升、縮回，轉回左限止位置后繼續(xù)進行工件傳送。6當傳送帶位置的傳感器檢測到工件后，傳送帶電機立刻啟動運行（變頻器輸出頻率為45hz）。若是金屬工件，就由位置的直線氣缸a分

9、揀到斜槽11；若是非金屬工件，就由位置的直線氣缸b分揀到斜槽12。分揀用直線氣缸動作由氣缸上的磁性開關控制。物料被分揀后，氣缸活塞復位。7若傳送帶位置的傳感器連續(xù)6s都檢測不到工件，則指示燈（紅色）閃光（1s閃爍3次），提示皮帶傳送機缺料。當傳送帶位置的傳感器檢測到工件后才熄滅。8按鈕sb2控制系統正常停機。按下sb2，運行指示燈（綠燈）熄滅。若機械手已無夾持工件，系統就會在完成工件的傳送與分揀后，回到原點位置上，進入待機狀態(tài)。若機械手夾持有工件，則系統會繼續(xù)進行工件的傳送與分揀，在工作完成后才停止運行并使系統回到原點位置上，進入待機狀態(tài)。第2章 控制系統的硬件設計plc控制系統的硬件設計，主

10、要是根據被控制對象對plc控制系統的功能要求，確定系統所需的用戶輸入、輸出設備，選擇合適的plc類型，并分配i/o點。2.1 控制系統設計設計控制系統的結構框圖，如圖2-1 所示。圖2-1 控制系統的結構框圖2.2 系統關鍵技術系統關鍵技術即分析控制系統的要求，確定i/o點數，選擇plc的型號，然后進行i/o分配。傳感器的類型選擇，執(zhí)行部件的運動精度的問題。2.2.1確定i/o點數根據控制要求，采用觸摸屏控制，plc的輸入信號全部來自傳感器，光電傳感器2個，電容式接近開關傳感器3個，電感式接近開關傳感器1個，機械手各動作到位檢測傳感器5個，a、b氣缸動作到位檢測傳感器4個，共計15個。輸出包括

11、指示燈3個，供料電機1個，皮帶電機1個，機械手控制氣缸動作的電磁閥7個，控制a、b氣缸動作的電磁閥4個，共計16個。輸入輸出共需要i/o點31個。2.2.2 plc選擇根據上面所確定的i/ o 點數，且該材料分揀裝置的控制為開關量控制。因此，選擇一般的小型機即可滿足控制要求。本系統選用三菱公司的fx 2n系列48mr型plc。它有24個輸入點，24個輸出點，滿足本系統的要求。2.2.3 plc輸入輸出端子及其它軟元件分配根據所選擇的plc型號，對本系統中plc的輸入輸出端子及其它軟元件進行分配，如表2-1、表2-2、表2-3所示表2-1 材料分揀裝置plc 輸入端子i/ o分配表輸入繼電器作用

12、備注x0機械手左轉到位檢測x1機械手右轉到位檢測x2位置下料檢測x3位置工件檢測金屬檢測x4位置工件檢測塑料檢測x5氣缸a伸出到位檢測x6氣缸a后退到位檢測x7氣缸b伸出到位檢測x10氣缸b后退到位檢測x11位置工件檢測x12機械手氣爪夾緊檢測x13機械手伸出到位檢測x14機械手后退到位檢測x15機械手下降到位檢測x16機械手上升到位檢測表2-2 材料分揀裝置plc 輸出端子i/ o分配表輸出繼電器作用備注y0原點指示hl1黃燈（1s閃爍1次）y1運行指示hl2綠燈y2缺料指示hl3紅燈（1s閃爍3次）y3氣缸a伸出y4氣缸a退回y5氣缸b伸出y6氣缸b推出y7供料盤電機y10機械手氣爪y11

13、機械手伸出y12機械手退回y13機械手下降y14機械手上升y15機械手左轉y16機械手右轉y20皮帶電機控制表2-3 材料分揀裝置plc 其它軟元件分配表名稱作用備注c220總工件計數c221金屬工件計數c222塑料工件計數m10急停m11計數器復位m12正常停止m13機械手回歸原點手動m14啟動m15手動/自動選擇閉合：手動；斷開：自動m16機械手伸出手動m17機械手后退手動m18機械手下降手動m19機械手上升手動m20機械手左轉手動m21機械手右轉手動m22機械手氣爪夾緊手動m23機械手氣爪松開手動2.2.4 plc輸入輸出端子接線圖根據表2-1、表2-2可以繪制出plc的輸入輸出接線端子

14、圖，如圖2-2所示。圖2-2 io接線圖2.3 檢測元件與執(zhí)行裝置的選擇主要是對各個傳感器的選擇，并對其作簡要介紹。2.3.1電感式接近開關電感式接近開關屬于有開關量輸出的位置傳感器，用來檢測金屬物體。它由lc高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個能產生電磁場的振蕩感應頭時，使物體內部產生渦流。這個渦流反作用于接近開關，使接近開關振蕩能力衰減，內部電路的參數發(fā)生變化。由此，可識別出有無金屬物體接近，進而控制開關的通或斷。本系統用該器件來檢測金屬材料。2.3.2電容式接近開關電容接近開關也屬于具有開關量輸出的位置傳感器，是一種接近式開關。它的測量頭通常是構成電容器的一個極板,而另一

15、個極板是待測物體的本身。當物體移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化。由此，便可控制開關的接通和關斷。本裝置中電容式接近開關是用于檢測塑料材料。2.3.3光電傳感器光電傳感器是指能夠將可見光轉換成某種電量的傳感器。光電傳感器采用光電元件作為檢測元件，首先把被測量的變化轉變?yōu)樾盘柕淖兓缓蠼柚怆娫M一步將光信號轉換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件3部分組成。光電傳感器是將光信號轉換為電信號的光敏器件。它可用于檢測直接引起光強變化的非電量，也可用來檢測能轉換成光量變化的其他非電量。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)

16、點，而且可測參數多。傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，體積小。第3章 控制系統的軟件設計軟件設計是plc控制系統的核心，程序設計的主要任務是根據控制要求及工藝流程，設計出順序功能圖。3.1 控制系統順序功能圖設計根據系統生產工藝的要求，分析各個設備的操作內容和操作順序，可畫出順序功能圖，如圖3-1所示。（a） 圖（b） 圖圖3-1 順序功能圖3.2 控制系統程序設計根據所繪順序功能圖，在gx developer軟件中編寫梯形圖程序。程序清單見附錄。以下為程序簡介。如圖3-2所示，為程序結構框圖。下面將分別介紹各段程序。圖3-2 程序結構框圖3.2.1 急停如圖3-3所示，為急停程序，當需要急停時

17、，拍下“急停”按鈕，對程序進行復位，并初始化！圖3-3 急停程序3.2.2 計數器復位如圖3-4所示，為計數器復位程序，當在觸摸屏上點擊“清除數據”時，對c220、c221、c222進行復位，清除所記數據。圖3-4 計數器復位程序3.2.3 正常停止如圖3-5所示，為正常停止程序，點擊觸摸屏上的“停止”按鈕，運行指示燈（綠燈）熄滅。若機械手已無夾持工件，系統就會在完成工件的傳送與分揀后，回到原點位置上，進入待機狀態(tài)并解除停止信號。若機械手夾持有工件，則系統會繼續(xù)進行工件的傳送與分揀，在工作完成后才停止運行并使系統回到原點位置上，進入待機狀態(tài)并解除停止信號。圖3-5 正常停止程序3.2.4 供料

18、電機控制如圖3-6所示，為供料電機控制程序。按下啟動按鈕后，程序運行，運行指示燈（y001）亮，位置傳感器（x011）檢測有無工件，若無工件，y007得電閉合，驅動電機，供料盤轉動，傳感器檢測到物料后，停止電機轉動。圖3-6 供料電機控制程序3.2.5 脈沖信號如圖3-7所示，為0.3s脈沖發(fā)生器程序，當程序啟動，t200計時器開始計時，altp為交替指令，m100每0.32s閉合一次，1s約閉合3次。圖3-7 0.3s脈沖程序3.2.6 缺料提示如圖3-8所示，為缺料檢測與指示程序，當啟動程序時，t10開始計時，當位置在6s內未檢測到工件，t10閉合，缺料指示燈（y002）1s閃3次。圖3-

19、8 缺料檢測與指示程序3.2.7 工件計數如圖3-9所示，為工件計數程序，當工件進過位置、時進行計數，c220為總工件計數器，c221為金屬工件計數器，c222為塑料工件計數器。此處采用記憶型計數器，斷電后數據不會丟失，來電在原有數據上繼續(xù)計數。圖3-9 工件計數程序3.2.8 原點指示如圖3-10所示，為原點指示程序，供料盤停止轉動；機械手氣爪松開，機械手直線氣缸活塞桿退回，停止在左邊的限止位置上；傳送帶電動機停止轉動，傳送帶上各直線氣缸活塞桿退回，m0閉合，原點指示燈（y000）1s閃一次。圖3-10 原點指示程序3.2.9 手動控制如圖3-11所示，為機械手手動程序。由m15的斷開、閉合

20、作選擇條件，m15斷開選擇自動控制，m15閉合選擇手動控制。點擊觸摸屏上各相應按鈕，機械手可以完成伸出、后退、下降、上升、左轉、右轉、氣爪夾緊、氣爪松開各動作。圖3-11 機械手手動程序3.2.10 機械手回歸原點如圖3-12所示，為機械手回歸原點程序，當在觸摸屏上點擊“回歸原點”按鈕，機械手氣爪松開，同時機械手開始上升、后退、左轉，回歸原點。圖3-12 機械手回歸原點程序3.3 觸摸屏設計觸控屏（touch panel）又稱為觸控面板，是個可接收觸頭等輸入訊號的感應式液晶顯示裝置，當接觸了屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋系統可根據預先編程的程式驅動各種連結裝置，可用以取代機械式的按鈕面板

21、，并借由液晶顯示畫面制造出生動的影音效果。3.3.1 歡迎畫面歡迎畫面如圖3-13所示，點擊屏幕任何一處，都會進入主畫面。圖3-13 觸摸屏歡迎畫面3.3.2 主畫面主畫面如圖3-14所示，主畫面可以完成原點指示，運行指示，缺料指示，啟動，停止，手動自動控制切換，以及手動畫面、監(jiān)控畫面、統計畫面、歡迎畫面的切換。圖3-14 觸摸屏主畫面3.3.3 手動畫面如圖3-15所示，手動畫面是對機械手的操作畫面，在主畫面將控制方式切換到手動，點擊“手動”按鈕，畫面切換到手動畫面，可以完成機械手的上升、下降、伸出、后退、左轉、右轉、氣爪夾緊、氣爪松開一系列動作，也可以按住“回歸原點”按鈕，使機械手回歸原點

22、。點擊“返回”按鈕，回到主畫面。圖3-15 觸摸屏手動畫面3.3.4 監(jiān)控畫面 如圖3-16所示，是對分揀系統運行狀態(tài)的監(jiān)視，能直觀的反映出分揀系統運行的現狀。在主畫面點擊“監(jiān)控”按鈕，進入監(jiān)控畫面，左邊是機械手的運行監(jiān)視，右邊是皮帶機的運行監(jiān)視。點擊“返回”按鈕，返回主畫面。圖3-16 觸摸屏監(jiān)控畫面3.3.5 統計畫面如圖3-17所示，是對工件的統計畫面。在主畫面點擊“統計”按鈕，進入工件統計畫面，顯示分揀的金屬工件、塑料工件以及總的下料數的個數，點擊“清除數據”，可以清除所統計的數據，重新開始計數。點擊“返回”按鈕，回到主畫面。圖3-17 觸摸屏統計畫面3.3.6 缺料報警畫面如圖3-1

23、8所示，是缺料報警畫面。當系統檢測到缺料時，觸摸屏上將彈出缺料報警畫面，缺料報警畫面上的缺料指示燈將1s閃爍三次發(fā)出警報。圖3-18 觸摸屏缺料報警畫面第4章 控制系統的調試在plc軟硬件設計完成后，應進行調試工作。因為在程序設計過程中，難免會有疏漏的地方，因此在將plc連接到現場設備之前，必需進行軟件測試，以排除程序中的錯誤，同時也為整體調試打好基礎，縮短整體調試的周期。另外，一些硬件如傳感器等，在使用前，也需事先調試好。4.1 硬件調試4.1.1電感傳感器的調試在電感傳感器下方的傳送帶上，放置金屬料塊，調整傳感器上兩螺母，使傳感器上下移動，恰好使傳感器上端指示燈發(fā)光，該高度即為傳感器對金屬

24、材料的檢出點。4.1.2 電感傳感器的調試在電容傳感器下方的傳送帶上，放置塑料料塊，調整傳感器上兩螺母，使傳感器上下移動，恰好使傳感器上端指示燈發(fā)光，該高度即為傳感器對塑料材料的檢出點。4.1.3 光電傳感器的調試在光電傳感器的下方，放置料塊，調整傳感器上兩螺母，使傳感器上下移動，恰好使傳感器上端指示燈發(fā)光，該高度即為傳感器對材料的檢出點。4.2 plc程序調試將所編寫的梯形圖程序進行編譯，通過上下位機的連接電纜把程序下載到plc中。剛編好的程序難免有這樣那樣的缺陷或錯誤。為了及時發(fā)現和消除程序中的錯誤，減少系統現場調試的工作量，確保系統在各種正常和異常情況時都能作出正確的響應，需要進行離線測

25、試，既不將plc的輸出接到設備上。按照控制要求在指定輸入端輸入信號，觀察輸出指示燈的狀態(tài)，若輸出不符合要求，則查找原因，并排除之。4.3 觸摸屏調試將在gt designer2軟件中編寫的畫面，通過上下位機的連接電纜把畫面下載到三菱f940got-swd-c觸摸屏中，用通信電纜連接觸摸屏和plc，使其構成通信。點擊觸摸屏上的按鈕，對plc發(fā)出操作指令，觀察plc的輸出信號，若輸出信號不符合要求，則查找原因，并排除之。4.4 整體調試將設備接入plc，進行聯機調試，看是否滿足要求，如果不滿足要求，可通過綜合調整軟件和硬件系統，直到滿足要求為止?？偨Y與展望物料分揀采用可編程控制器plc 進行控制，能連續(xù)、大批量地分揀貨物，分揀誤差率低且勞動強度大大降低，可顯著提高勞動生產率。而且，分揀系統能靈活地與其他設備無縫連接，實現對物料實物流、物料信息流的分配和管理。 其設計采用標準化、模塊化的組裝，具有系統布局靈活，維護、檢修方便等特點，受場地原因影響不大。 同時，只要根據不同的分揀對象，對本系統稍加修改即可實現求。 本系統采用的可編程控制器，只要結合不同的傳感器，比如根據材