機電一體化技術畢業(yè)論文—物料自動分揀裝置的PLC控制系統(tǒng)設計

1、目 錄第一章 緒 論11.1 物料自動分揀的意義11.2 設計任務要求21.3 設計任務分析2第二章 物料自動分揀裝置結構及總體設計方案32.1 機械構造分布32.2 設計方案5第三章 系統(tǒng)硬件設計63.1 基本結構63.2 主要組成部件6第四章 系統(tǒng)軟件設計174.1 i/o分配表17續(xù)表184.2 接線圖194.3 軟件控制流程圖204.4 順序控制功能圖214.5 plc控制程序22第五章 系統(tǒng)總成本估算285.1 系統(tǒng)使用的零部件285.2 系統(tǒng)總開支29第六章 畢業(yè)設計總結30參考文獻31第一章 緒 論1.1 物料自動分揀的意義plc控制是目前工業(yè)上最常用的自動化控制方法，由于其控制

2、方便，能夠承受惡劣的環(huán)境，因此，在工業(yè)上優(yōu)于單片機的控制。plc將傳統(tǒng)的繼電器控制技術、計算機技術和通信技術融為一體,專門為工業(yè)控制而設計,具有功能強、通用靈活、可靠性高、環(huán)境適應性強、編程簡單、使用方便以及體積小、重量輕、功耗低等一系列優(yōu)點,因此在工業(yè)上的應用越來越廣泛。本文主要講述plc在材料分揀系統(tǒng)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(tǒng)具有自動化程度高、運行穩(wěn)定、精度高、易控制的特點,可根據不同對象,稍加修改本系統(tǒng)即可實現要求。材料分揀裝置是模擬自動化工業(yè)

3、生產過程的微縮模型，它使用了plc控制、傳感器、位置控制、電氣傳動和氣動等技術，可以實現不同材料的自動分選和歸類功能，并可配置監(jiān)控軟件由上位機監(jiān)控。該裝置采用臺式結構，配有s7-200型cpu、傳感器（光電式、電感式、顏色、磁感應式）、旋轉編碼器、交流電動機、輸送帶、氣缸、電磁閥、直流電源、空氣過濾減壓器等是典型的機電一體化教學實驗裝置。本系統(tǒng)采用的可編程控制器，只要結合不同的傳感器，比如根據材料的屬性、尺寸的大小、物體的顏色等選擇相應的傳感器，就可對不同的物料進行分揀，具有廣泛的應用前景。1.2 設計任務要求該控制系統(tǒng)應能使物料分揀具有自動循環(huán)、單循環(huán)、單動作三種工作方式，且能使各種工作方式

4、不相互發(fā)生沖突；應能完成鐵料、鋁料、不同顏色的塑料分揀至不同料槽的控制要求；應具有啟動、預停、急停和計數功能；應具有短路保護、過載保護、失壓保護等功能。應確定具體的控制過程、控制系統(tǒng)的總體及軟件設計；確定plc的型號規(guī)格；確定plc各i/o元件；設計氣動系統(tǒng)控制原理圖；確定各氣動元件；設計電動機及變頻器的主電路及控制電路原理圖；確定變頻器型號及各電氣元件；設計物料分揀系統(tǒng)的單動作手動程序、單循環(huán)程序、自動循環(huán)程序，故障報警和信號顯示程序；上機調試程序；進行成本估算。1.3 設計任務分析分揀的物料都是規(guī)則的，而且是圓柱形，我們可以先把物料裝進一個套筒，然后就讓它在重力的作用下一個一個的掉到輸送帶

5、。在這個過程中需要設計一個上料機構來完成這一步驟。接著物料到達輸送帶時，我們要把鐵、鋁、塑料（黃、藍色）物料進行分揀，可以用各種傳感器來進行分揀，這就需要設計一個分揀裝置。這兩個裝置可以用接觸器控制，也可以用plc控制，考慮到接線方面的麻煩，決定用plc來控制整個流程！第二章 物料自動分揀裝置結構及總體設計方案本裝置是由上料機構和分揀機構構成，工件通過上料機構流到輸送帶進行分揀。2.1 機械構造分布2.1.1上料機構上料機構由簡圖、光電傳感器、安裝支架、擋料氣缸、頂料氣缸、警示燈等部分組成，如下圖2.1所示 圖2.1 上料機構示意圖（1）光電檢測傳感器：物料檢測傳感器為光電漫反射型傳感器，檢測

6、到有物料時，推料氣缸將物料推出，有物料是為plc提供一個輸入信號。（2）頂料氣缸：將工件頂住。（3）擋料氣缸：將工件一一的放下來。（3）警示燈：在設備停止時警示紅燈亮，在設備運行時警示綠燈亮，在無物料是警示黃燈亮。（4）儲料筒：用于存放直徑100mm的圓柱型工件，料筒側面有觀察槽。（5）安裝支架：用于安裝工件庫和氣缸。1.1.2 分揀裝置分揀裝置由輸送帶、氣缸、各種傳感器、電動機等部分組成，它的結構圖如圖2.2所示 圖2 .2 分揀裝置示意圖（1）sn:光電傳感器,當有物料放入輸送帶時，給plc一個輸入信號。（2）sa:電感式傳感器,檢測鐵材料，檢測距離為25mm。（3）sb:電容傳感器,檢測

7、鋁材料，檢測距離為25mm。（4）sc:顏色傳感器,用于檢測非金屬的藍色物料，檢測距離為38mm,檢測 距離可通過傳感器放大器的點位器調節(jié)。（5）sd：備用傳感器，用于檢測黃色塑料物料。(6) sbw氣缸縮回到位。(7) sfw氣缸伸出到位。（8）1號料槽：用于放置鐵物料。（9）2號料槽：用于放置鋁物料。（10）3號料槽：用于放置藍色塑料物料。（11）4號料槽：用于放置黃色塑料物料。（12）皮帶輸送線：由三相異步電動機拖動，將物料輸送到相應的位置。（13）三相異步電動機：驅動傳動帶傳動，由變頻器控制。2.2 設計方案1.上料機構在復位完成后，按下“啟動”按鈕，料筒光電傳感器檢測到有工件時，推料

8、氣缸將工件推出，推料氣缸縮回，若3秒鐘后，料筒檢測光電傳感器仍未檢測到工件，則說明料筒內無物料，這時警示燈黃燈閃爍，放入物料后黃燈熄滅；2.分揀機構當入料口光電傳感器檢測到物料時，變頻器接收啟動信號，三相異步電動機正轉運行，皮帶開始輸送工件，當料槽一到位檢測傳感器檢測到鐵物料時，推料一號氣缸動作，將鐵物料推入一號料槽；當料槽二檢測傳感器檢測到鋁物料時，推料二氣缸動作，將鋁物料推入二號料槽；當檢測器檢測到藍色物料時，推料三氣缸動作，將藍色物料推入三號料槽；當物料為黃色物料直接導入四號料槽，料槽檢測傳感器檢測到有工件經過，推料四氣缸動作，將黃色物料推入料槽。第三章 系統(tǒng)硬件設計3.1 基本結構 硬

9、件部分由傳感器、可編程控制器、氣缸、變頻器、電機、氣體空壓機組成，他們之間的關系如圖3.10所示。圖3.10 系統(tǒng)的硬件結構框圖3.2 主要組成部件3.2.1 plc的型號選擇根據輸入輸出點數合理選擇plc，由表51可知輸入使用19點，輸出使用9點，考慮到以后使用中的升級、添加功能的需要，點數應略多于現用的點數。對比表3.2可知，表3-1 s7-200主要技術指標特性cpu221cpu222cpu224cpu226外形尺寸90x80x6290x80x62120.5x80x62190x80x62本機i/o數字量6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出擴展模塊0個模塊2個模塊7個模塊7個模

10、塊i/o映象區(qū)256（128入/128出）西門子s7-200系列中cpu226 dc/dc/dc有24個輸入點和16個輸出點。 所以選擇cpu226 dc/dc/dc 6es7 216-2ad23-0xb8型號的plc作為自動分揀裝置所用器件。 3.2.2電動機及變頻器的選取及工作原理1.電動機的工作原理電動機(motors)是把電能轉換成機械能的一種設備。它是利用通電線圈(也就是定子繞組)產生旋轉磁場并作用于轉子鼠籠式式閉合鋁框形成磁電動力旋轉扭矩。電動機主要由定子與轉子組成，通電導線在磁場中受力運動的方向跟電流方向和磁感線(磁場方向)方向有關。電動機工作原理是磁場對電流受力的作用，使電動機

11、轉動。2.電動機的選擇電動機主要帶動傳送帶，要想選擇合適的電動機，必須考慮到傳送帶的工作壓力和輸送的速度。由于傳送帶上有四個傳感器，所以傳送帶上最多同時有五個工件，假設都是鐵，已知工件的底面直徑為100mm，高20mm,密度7.9kg/m由已知條件可以計算傳送帶上物料的重量 m=5xsxhxp=5x3.14x0.5 x0.02x7.9=0.62kg估計輸送帶總長4000mm，總重量50kg，所以輸送帶的工作壓力f=（50+0.62）x10=506.2n假設輸送帶的速度v=0.8m/s，卷筒的直徑d=100mm，效率n=0.72。確定工作機需要的功率p和卷筒的轉速np=0.56kwn=152.8

12、r/min初定電機類型和轉速初估系統(tǒng)的總效率為0.8-0.9,需要電動機功率為p=0.70.62kw根據pp，則可以選用的電機有y2-801-2、y2-802-4、y2-90s-6三種。以這三種方案做一比較見表3-1，綜合考慮到裝置各方面的因素，擬選用電動機的型號為y-802-4，額定功率p =0.75kw,轉速n =1390r/min.表3-2 電機的型號與參數方案電動機型號額定功率/kw滿載轉速 r/min電流效率1y2-801-20.7528301.8752y2-802-40.7513902.0733y2-90s-60.759102.269電動機的主電路圖電機的主電路由刀開關qs1、熱繼

13、電器qf1、交流接觸器km1、變頻器組成，它的接線圖如圖3.11.圖3.11 電機主電路圖接線圖3.變頻器的選擇變頻器工作原理變頻器是把工頻電源(50hz或60hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現電機的變速運行的設備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉矩計算的cpu以及一些相應的電路。變頻調速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調速的目的。選擇變頻器的型號考慮到變頻器使用的功能以及各系列變頻器的特點，最終決定使用西門子mi

14、cromaster 440系列的變頻器。他有以下幾點特點：引導調試簡單模塊化結構允許組態(tài)的最大靈活性六個可編程的獨立數字量輸入兩個可量測的模擬量輸入(0v到10v,0ma到20ma) 也可以被用作第7個/ 第8個數字量輸入一個可編程模擬量輸出（0ma到20ma）三個可編程繼電器輸出（30v dc/5a,阻性負載；250 v ac/2 a，感性負載）因高脈沖頻率而獲得低噪音電機運轉,可調節(jié)（如果必要，可降額運行）。變頻器主要是用來控制輸送帶的電動機，然而電動機的功率是0.75kw,西門子micromaster 440系列的變頻器工作的功率范圍是0.115kw,足夠安全，所以選用西門子microm

15、aster 440系列變頻器。硬件連接1） 三角形連接為：變頻器u、v、w端分別接入電機的u1、v1、w1,電機端u1接w2,w1接v2,v1接u2圖3.12 變頻器硬件端子圖2）變頻器控制端口連接為：端口din1（5）為正轉，端口din2（6）為反轉，端子公共端接入端子9（output），端子1（10v）和端子2（0v）給電位器供電，ant1+(3)接電位計中間滑點，ant1-（4）接電位計負極以及端子2（0v）。3）變頻器連接為：l1、l2、l3分別接入三相電源的l1、l2、l3參數設置1）電動機的參數設置表3-3 電動機參數設置參數設置出廠值設置值說明p00311設用戶訪問級為標準級p0

16、01001快速調試p010000工作地區(qū)，功率kw表示，頻率50hzp0304230380電動機額定電壓vp03053.250.8電動機額定電流ap03070.750.2電動機額定功率kvp030800.8電動機額定功率因素cosp03105050電動機額定頻率hzp031101400電動機額定轉速r/min設置完成后，p0010設置為0，變頻器處于準備狀態(tài)，可正常運行。2）模擬信號操作控制參數表3-4 模擬信號操作控制參數參數設置出廠值設置值說明p00312設用戶訪問級為標準級p070022命令源選擇為端子排輸入p070111on接通正轉，off停止p070212on接通反轉，off停止p1

17、00022頻率設定值選擇為模擬輸入p108000電動機運行的最低頻率p10825050電動機運行的最高頻率電位器的選擇電位器的工作原理：首先在應該選用正比例變化線性的電位器，這種電位器的轉動角度基本上跟電阻值的變化成正比例，這樣根據電阻器的分壓原理，就可以實現旋轉角度大小轉變成電壓大小了。選擇的型號是la42dwq-22 10k。3.2.3氣動元件的選取及工作原理1.氣動回路原理圖3.13 氣動回路圖2.氣源裝置由于氣路圖是并聯連接，所以只要計算出最大壓力就是氣源需要的壓力。氣動系統(tǒng)裝置中，經過分析，頂料氣缸需要的壓力最大，而且當頂鐵物料時需要的壓力最大。假設料筒可以裝20個物料，已知工件的底

18、面直徑為100mm，高20mm，密度為7.9kg/m。由已知條件可以計算出當頂鐵物料時，料筒最底下的那塊鐵重量 m=20shp=20x3.14x0.5x0.02x7.9=2.48kg經查資料可知鐵與塑料的摩擦因數為0.25，所以要想物料不落下，氣缸所需要的頂力f，由力的平衡方程可得：u f=f=9.92n 考慮到各種元器件之間的摩擦，最終選擇需要的最大壓力必須大于9.92n。空壓機的選用是以氣壓傳動系統(tǒng)所需要的工作壓力和流量兩個參數為依據，根據計算，可選用額定排氣壓力為0.71mpa的低壓空氣壓縮機。輸出流量根據整個氣動系統(tǒng)對壓縮空氣的需要，再加一定的備用余量，作為選擇空氣壓縮機流量的依據。根

19、據估算，選擇小型（流量110m/min）的空氣壓縮機。3.執(zhí)行元件執(zhí)行元件主要是氣缸，選擇雙作用氣缸，亞德客品牌的普通型，型號為cdj2b16-75-b。它的工作原理及特點是：壓縮空氣驅動活塞沿軸線雙方向運動，活塞桿伸出和返回的伸出力和速度不相等，壓縮空氣消耗量也不相等。氣缸的負載是推動工件，考慮到氣缸內部存在一定的摩擦，所以氣缸理論輸出力為10n（略大9.92n），經過查資料啟動傳動與控制，可以確定缸徑d=8mm，壓力p=0.2mpa圖3.14 雙作用氣缸4.控制元件主要的控制元件是二位五通單電控電磁閥，選擇亞德客品牌，型號為4v110-06 dc24,它的氣動符號圖如圖3.15工作原理：1

20、是進氣管，2、4兩個是出氣管，3、5兩個是排氣管。當線圈通電時，閥工作在右閥位，進氣由1經過閥從2出去，管4的氣經閥從5排出；當線圈掉電時，閥在彈簧的彈力作用下，閥工作在左閥位。圖3.15 二位五通單電控制閥5.輔助元件氣源調節(jié)裝置氣源調節(jié)裝置由過濾器、減壓閥和油霧器三部分組成，簡稱為三聯件，他連接圖如圖3.16。過濾器用于從壓縮空氣中進一步除去水分和固體雜質粒子等，減壓閥用于將進氣調節(jié)系統(tǒng)所需的壓力；油霧器可以把油滴噴射到壓縮空氣中，以便對氣動元件進行潤滑。選擇亞德客品牌，型號為ac2000 圖3.16 氣動三聯件單向節(jié)流閥單向閥作用是只允許氣體沿一個方向流到，反之則被截止。它的圖形符號如圖

21、3.17所示，節(jié)流閥利用閥芯與閥口之間的縫隙大小來控制流量，縫隙越小節(jié)流出過流面積越小，通過流量就越少；縫隙越大，通過的流量就越大。單向閥與節(jié)流閥就組成了單向節(jié)流閥，它只適用于負載和溫度變化不大或速度穩(wěn)定性要求不高的場合。選擇品牌為smc,型號是as1201f-m5-04圖3.17 單向節(jié)流閥6.檢測元件的選取及工作原理磁性傳感器(簡稱磁性開關)是一種非接觸式位置檢測開關，其圖形符號如圖3.18所示，它的工作原理：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。圖3.18 磁性傳感器光電傳感器工作原理，在工作時，光發(fā)射始終發(fā)射檢測光，若接近開關前方一定距離內沒有物體，則沒有光

22、被發(fā)射到接收器，光電開關處于常態(tài)而不動作；反之若接近開關的前方一定距離內出現物體，只要發(fā)射回來的光強度足夠，則接收器接收到足夠的漫射光就會使接近開關動作而改變輸出的狀態(tài)。其圖形符號如圖3.19所示。圖3.19 光電傳感器電感傳感器的工作原理，它是利用電渦流效應制成的有開關量輸出的位置傳感器，它由lc高頻振蕩器和放大處理器組成，利用金屬物體在接近這個能產生電磁場的振蕩感應頭時，使物體內部產生電渦流。這個電渦流反作用于接近開關，使接近開關振蕩能力衰減，內部電路參數發(fā)生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進而控制開關的通或斷。其圖形符號如圖3.20所示。圖3.20 電感傳感器電容傳感器，電容式傳感器是

23、將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉換成電容量變化的一種傳感器。其圖形符號如圖3.21所示。圖3.21 電容傳感器顏色傳感器，將物體顏色同前面已經示教過的參考顏色進行比較來檢測顏色的機器我們稱之為顏色傳感器 。顏色傳感器是通過將物體顏色同前面已經示教過的參考顏色進行比較來檢測顏色，當兩個顏色在一定的誤差范圍內相吻合時，輸出檢測結果第四章 系統(tǒng)軟件設計4.1 i/o分配表表4-1 i/o分配表序號地址注釋1i0.0啟動按鈕2i0.1急停按鈕3i0.2停止按鈕4i0.3頂料氣缸伸出到位5i0.4頂料氣缸縮回到位6i0.5擋料氣缸伸出到位7i0.6檔料氣缸縮回到位8i0.7氣缸一伸出到位9i1.0氣缸

24、一縮回到位10i1.1氣缸二伸出到位11i1.2氣缸二縮回到位12i1.3氣缸三伸出到位13i1.4氣缸三縮回到位14i1.5氣缸四伸出到位15i1.6氣缸四縮回到位16i1.7缺料傳感器17i2.0下料傳感器 續(xù)表18i2.1電感傳感器19i2.2電容傳感器20i2.3顏色傳感器21i2.4備用傳感器22q0.0啟動指示燈23q0.1停止指示燈24q0.2缺料指示燈25q0.3(ya1)頂料氣缸26q0.4(ya2)擋料氣缸27q0.5(ya3)鐵物料）28q0.6(ya4)鋁物料29q0.7(ya5)黃色物料30q1.0(ya6)藍色物料31q1.1(km1)變頻器上電4.2 接線圖圖4.

25、1 plc硬件接線圖4.3 軟件控制流程圖圖4.2 軟件控制流程圖 4.4 順序控制功能圖圖4.3 順序控制功能圖4.5 plc控制程序第五章 系統(tǒng)總成本估算5.1 系統(tǒng)使用的零部件表5-1 零件名單表序號名稱牌子型號數量單價/元總價/元1光電傳感器sickcdd-11n npn3個401202磁性傳感器omdhonghg12-10a12121443電感傳感器omdhonpr18-8dn1個11114電容傳感器qw前衛(wèi)cm18-3008na1個83835顏色傳感器1個50506三相異步電動機上海賢特y-802-41臺3603607變頻器西門子micromaster 4401臺173017308

26、刀開關上海德力西hd11f-100/381個30309熱繼電器正泰jrs1-0925/z 5.5-8a1個161610接觸器正泰cjx2-1801 110/2201個414111可編程序控制器西門子6es7 216-2ad23-0xb81臺1780178012雙作用氣缸smccdj2b16-75-b6個3018013警示燈lta-2051個6363 續(xù)表14二位五通電磁閥亞德客4v110-06 dc246個3018015單向節(jié)流閥smcas1201f-m5-046個1710216氣動三聯件亞德客ac20001個262617電位器上海天逸la42dwq-22 10k1個32325.2 系統(tǒng)總開支根據上面的表5-1可以計算