基于PLC控制的全自動物料分揀系統(tǒng)設(shè)計

1、目 錄1 引言12 可編程序控制器22.1 PLC的發(fā)展歷史22.2 PLC的定義和特點22.3 PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理33 物料分揀系統(tǒng)的工作過程和設(shè)備選擇43.1 物料分揀系統(tǒng)的工作過程43.2物料分揀系統(tǒng)的設(shè)備選擇44 物料分揀系統(tǒng)的設(shè)計圖104.1 PLC外部端子接線圖104.2 變頻器端子接線圖114.3 步進梯形圖124.4 PLC梯形圖135 物料分揀系統(tǒng)的組態(tài)技術(shù)155.1 組態(tài)技術(shù)概述155.2組態(tài)技術(shù)功能和優(yōu)點15結(jié) 論17致 謝18參 考 文 獻191 引言自動分揀系統(tǒng)是指能夠識別物品屬性并對物品進行分類傳輸?shù)淖詣酉到y(tǒng)。自動分揀系統(tǒng)由傳輸供件同步導入裝置、識別及控制系

2、統(tǒng)、機械分揀機構(gòu)及信息處理系統(tǒng)等組成。自動分揀系統(tǒng)是二戰(zhàn)后在美國、日本以及歐洲的大型物流中心廣泛采用的一種分揀系統(tǒng)。廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥行業(yè)、生產(chǎn)制造業(yè)等行業(yè)。國外的自動化程度很高，而在我國，由于物流業(yè)起步晚，始于1980年代，自動化程度不高，大部分處于人工作業(yè)近期的市場興起和技術(shù)發(fā)展始于1990年代。一開始使用于機場行李處理和郵政處理，然后逐漸普及到其他行業(yè)。近二十年來，特別是物流行業(yè)，隨著經(jīng)濟發(fā)展，商品趨于短小輕薄。分揀作業(yè)已成為工作的重要環(huán)節(jié)。我國目前自動化程度不高，處于人工分揀階段。自動分揀的優(yōu)點是能連續(xù)、大批量的分揀貨物，分揀誤差率低，分揀作業(yè)基本實現(xiàn)無人化。雖然國內(nèi)自動分揀系統(tǒng)使用還很少

3、，但有關(guān)部門和企業(yè)正在做出努力。自動分揀機是一個很成熟的產(chǎn)品，已成為當代物流技術(shù)發(fā)展的重要標志。2 可編程序控制器2.1 PLC的發(fā)展歷史 在可編程序控制器誕生之前，是以繼電器、接觸器為主體的控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。1968年，為適應(yīng)生產(chǎn)需要，美國通用汽車公司提出一種新型工業(yè)控制器。1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司研制出世界上第一臺可編程邏輯控制器，目的是取代繼電器，這打開了新的控制技術(shù)發(fā)展的大門。緊接著美國MODICON公司也開發(fā)出同門的控制器。1971年，日本從美國引進這項技術(shù)，也研制出日本第一臺可編程序控制器。1973年，西歐一些國家也相繼開發(fā)出他們的可編程序控制器。我國則在1977年成

4、功研制出以1個微處理器MC14500為核心的可編程序控制器，并用于工業(yè)生產(chǎn)。PLC大約經(jīng)歷四個階段：(1)初級階段：第一代PLC取代繼電器，主要功能是邏輯運算和計時、計數(shù)功能。CPU由中小規(guī)模數(shù)字集成電路構(gòu)成。第一代只采用了梯形圖語言作為編程方式，盡管有些枯燥，但卻形成了工廠的編程標準。(2)擴展階段：從20世紀70年代到70年代末期，PLC的擴展功能包括數(shù)據(jù)的傳送、數(shù)據(jù)的比較和運算、模擬量的運算等功能。(3)通訊階段：20世紀70年代末期到80年代中期，PLC的產(chǎn)品與計算機相連，但是各個廠家聯(lián)系不密切，獨自經(jīng)營，所以PLC迅速擴散到其他行業(yè)。(4)開放階段：20世紀80年代中期開始， PLC

5、在開放功能上取得較大發(fā)展。主要在通信系統(tǒng)的開放，使各廠商的產(chǎn)品可以通信。此外，PLC開始采用標準化軟件系統(tǒng)，增加高級語言編程，并完成了編程語言的標準化工作。這一階段的產(chǎn)品主要有西門子公司的S7系列，AB公司的PLC-5,SLC500、德維森的V80和PPC11，加拿大ONLINE CONTROL公司與合控電氣公司所開發(fā)的OPENPLC等。PLC在以后的發(fā)展方向可以概括為：(1)發(fā)展簡易、經(jīng)濟的小型、微型PLC；(2)致力于提高功能性價比；(3)能研制出功能強大、系統(tǒng)龐大、技術(shù)完善的PLC。2.2 PLC的定義和特點2.2.1 PLC的定義可編程序控制器簡稱PLC，是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而

6、設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。 2.2.2 PLC的特點（1）可靠性高、抗干擾能力強；（2）編程簡單、易于掌握；（3）功能強、通用性好；（4）設(shè)計、安裝容易、維護工作量少；（5）體積小、重量輕、功耗低。2.3 PLC的基本結(jié)構(gòu)和基本原理2.3.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)圖1 PLC的基本組成如圖1，PLC的基本組成：（1）中央處理單元；（2）存儲

7、器；（3）輸入/輸出接口；（4）電源及外部設(shè)備。2.3.2 PLC的工作原理當PLC運行后，工作過程分為三個階段：輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新。完成三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。3 物料分揀系統(tǒng)的工作過程和設(shè)備選擇3.1 物料分揀系統(tǒng)的工作過程1、按下啟動按鈕X0，物料臺檢測到有物料，則變頻器驅(qū)動電機，使圓盤轉(zhuǎn)動，再由圓盤通道和機械手把物料送到物料分揀帶上檢測，以上動作實現(xiàn)了上料的過程。2、把物料送到檢測臺。如果在4秒鐘內(nèi)檢測不到物料，紅燈閃爍，否則綠燈閃爍，機械手、電動機和變頻器不動作，整個系統(tǒng)停止。當檢測到物料時，物料提升

8、到上限時，機械手臂先伸出，手爪夾緊物料后，手臂提升，再縮回，然后右旋，手臂伸出，下降，松開物料，手臂再提升，縮回，再回到左旋初始位置。3、分揀臺上光電傳感器檢測到物料時，啟動傳送帶；當電感傳感器檢測到金屬物質(zhì)的物料時，活塞1伸出推動物料進入料槽再縮回；當?shù)诫娙輦鞲衅鳈z測到非金屬的物料時，活塞2伸出推動物料進入料槽再縮回。當物料臺再次檢測到物料時，循環(huán)以上動作。4、物料傳輸是通過機械手和三相異步電動機及變頻器來實現(xiàn)，機械手可通過伸出，下降，夾緊物料，提升，縮回等動作將物料從物料臺送到傳輸帶上，而三相異步電動機啟動傳送帶的動作及變頻器改變傳輸帶的速度。5、在傳輸帶上，光電傳感器是啟動傳輸帶運行的信

9、號，用電容傳感器和電感傳感器來分揀傳輸帶上的物料，電感傳感器可檢測金屬物質(zhì)的物料，電容傳感器可檢測非金屬的物料。這是實現(xiàn)分揀的動作。3.2物料分揀系統(tǒng)的設(shè)備選擇 三菱PLC的選型表1 I/O分配表輸入部分輸出部分功能地址功能地址啟動按鈕X0物料驅(qū)動電動機Y0物料檢測X13紅燈Y17物料提升上限X11綠燈Y16物料提升下限X12物料提升Y1手臂伸出限位X5手臂伸出Y2手臂縮回限位X6手臂縮回Y3手爪提升上限X7手爪提升Y5手爪下降下限X10手爪下降Y4手爪磁性開關(guān)X2手爪(電磁閥)Y15手臂左旋限位X3手臂左旋Y6手臂右旋限位X4手臂右旋Y7光電傳感器X22推料一伸出Y11電感傳感器X20推料一

10、縮回Y10電容傳感器X21推料二伸出Y12推料一伸出限位X14推料二縮回Y13推料一縮回限位X15電動機轉(zhuǎn)動及中速Y21推料二伸出限位X16推料二縮回限位X17停止按鈕X1I/O點數(shù)估算時應(yīng)考慮適當?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加10%20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。根據(jù)物料分揀系統(tǒng)的工作過程可知，系統(tǒng)的輸入信號有19個，輸出信號有16，因此選三菱FX2N-48MR。 三菱變頻器的選擇1、在實踐中常常將機械設(shè)備根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩特性不同，分為如下三類：（1）恒轉(zhuǎn)矩負載；（2）恒功率負載；（3）流體類負載。 2、根據(jù)負載特性選取適當控制方式的三菱變頻器三菱變頻器的控

11、制方式主要分為：V/f控制，包括開環(huán)和閉環(huán)；矢量控制，包括無速度傳感器和帶速度傳感器控制；直接轉(zhuǎn)矩控制；幾種種方式的優(yōu)缺點如下：（1）V/f開環(huán)控制 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)容易，可用于通用鼠籠型異步電機；缺點：低速力矩難保證，不能采用力矩控制，調(diào)速范圍?。恢饕捎脠龊希阂话愕娘L機，泵類節(jié)能調(diào)速或一臺變頻器帶多臺電機傳動場合。（2）V/f閉環(huán)控制優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)速精度比較高，可用于通用性異步電機；缺點：低速力矩難保證，不能采用力矩控制，調(diào)速范圍小，要增加速度傳感器；主要采用場合：用于保持壓力，溫度，流量，PH定值等過程場合。（3）無速度傳感器的矢量控制優(yōu)點：不需要速度傳感器，力矩響應(yīng)好、結(jié)構(gòu)簡單

12、，速度控制范圍較廣； 缺點：需要設(shè)定電機參數(shù)，須有自動測試功能；采用場合：一般工業(yè)設(shè)備，大多數(shù)調(diào)速場合。（4）帶有速度傳感器的矢量控制優(yōu)點：力矩控制性能良好，力矩響應(yīng)好，調(diào)速精度高，速度控制范圍大；缺點：需要正確設(shè)定電機參數(shù)，需要自動測試功能，要高精度速度傳感器； 使用場合：要求精確控制力矩和速度的高動態(tài)性能應(yīng)用場合。（5）直接轉(zhuǎn)矩控制優(yōu)點：不需要速度傳感器，力矩響應(yīng)好，結(jié)構(gòu)較簡單，速度控制范圍較大；缺點：需要設(shè)定電機參數(shù)，須有自動測試功能；采用場合：要求精確控制力矩的高動態(tài)性能應(yīng)用場合，如起重機、電梯、軋機等。根據(jù)物料分揀系統(tǒng)可知，我們可選三菱FR-E500。三菱FR-E

13、500介紹：（1）功率：7.5KW；（2）簡易磁通矢量控制方式，實現(xiàn)1Hz時輸出轉(zhuǎn)矩達120%；（3）柔性PWM，實現(xiàn)低噪音運行；（4）內(nèi)置PID，變頻器/工頻切換和可以實現(xiàn)多泵循環(huán)運行功能；（5）內(nèi)置RS485通訊口；（6）使用長壽命元器件；（7）ID，15段速度等功能選擇。三菱FR-E500特點：（1）更省能源；（2）環(huán)保，壽命長，維護簡單；（3）最適用風扇；（4）操作簡單，網(wǎng)路化；（5）適用全球化；（6）豐富多彩的功能。 氣動控制和執(zhí)行元件氣動控制元件是控制氣體壓力、流量及運動方向的元件，如各種閥類；能完成一定邏輯功能的元件，如氣動邏輯元件。氣動控制元件按功能分為壓力控制閥、流量控制閥和

14、方向控制閥。1、電磁閥氣動電磁閥工作原理：氣動電磁閥里有密閉的腔，在的不同位置開有通孔，氣動電磁閥的每個孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊。氣動電磁閥通過控制閥體的移動來檔住或漏出不同的排油的孔，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過氣動電磁閥的油的壓力來推動油剛的活塞，這樣通過控制氣動電磁閥的電磁鐵的電流就控制了整個電磁閥的機械運動。氣動電磁閥是用來控制流體的自動化基礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行器；氣動電磁閥并不限于液壓，氣動；氣動電磁閥用于控制液壓流動方向，工廠的機械裝置一般都由液壓鋼或電磁閥來控制。圖2 直動式電磁閥原理圖圖2表示

15、 (五路二位)直動式電磁閥(常斷型)結(jié)構(gòu)的簡單剖面圖及工作原理。起始狀態(tài)，1，2進氣；4，5排氣；線圈通電時，靜鐵芯產(chǎn)生電磁力，使先導閥動作，壓縮空氣通過氣路進入閥先導活塞使活塞啟動，在活塞中間，密封圓面打開通道，1，4進氣，2，3排氣；當斷電時，先導閥在彈簧作用下復位，恢復到原來的狀態(tài)。 本設(shè)計可以采用二位二通的氣動電磁閥，它操作輕便，又能快速實現(xiàn)氣缸的正反轉(zhuǎn)，易于實現(xiàn)自動化，因此應(yīng)用廣泛。作用氣 2、氣缸引導活塞在其中進行直線往復運動的圓筒形金屬機件。工質(zhì)在發(fā)動機氣缸中通過膨脹將熱能轉(zhuǎn)化為機械能；氣體在壓縮機氣缸中接受活塞壓縮而進步壓力。渦輪機、旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動機等的殼體通常也稱“氣缸”。氣

16、缸的應(yīng)用領(lǐng)域：印刷（張力控制）、半導體（點焊機、芯片研磨）、自動化控制、機器人等等。英文名：cylinder。 氣缸-氣缸種類氣壓傳動中將壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能的氣動執(zhí)行元件。氣缸有作往復直線運動的和作往復擺動的兩類。作往復直線運動的氣缸又可分為單作用、雙作用、膜片式和沖擊氣缸 4種。氣缸的作用：將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，驅(qū)動機構(gòu)作直線往復（運動、擺動和旋轉(zhuǎn)運動。氣缸的分類：直線運動往復運動的氣缸、擺動運動的擺動氣缸、氣爪等。氣缸的結(jié)構(gòu)：氣缸是由缸筒、端蓋、活塞、活塞桿和密封件組成。 當傳感器檢測到物料時，活塞運動，然后自動縮回，所以我們可以選單缸。3、傳感器（1）光電式傳感器光電

17、式傳感器，基于光電效應(yīng)的傳感器，在受到可見光照射后即產(chǎn)生光電效應(yīng)，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。它除能測量光強之外，還能利用光線的透射、遮擋、反射、干涉等測量多種物理量，如尺寸、位移、速度、溫度等，因而是一種應(yīng)用極廣泛的重要敏感器件。光電測量時不與被測對象直接接觸,光束的質(zhì)量又近似為零,在測量中不存在摩擦和對被測對象幾乎不施加壓力。因此在許多應(yīng)用場合，光電式傳感器比其他傳感器有明顯的優(yōu)越性。其缺點是在某些應(yīng)用方面，光學器件和電子器件價格較貴，并且對測量的環(huán)境條件要求較高。圖3 光電式傳感器（2）電感式傳感器電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測的物理量如位移，壓力，流量，振動等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感

18、系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。圖4 電感式傳感器（3）電容式傳感器電容式傳感器也常常被人們稱為電容式物位計，電容式物位計的電容檢測元件是根據(jù)圓筒形電容器原理進行工作的，電容器由兩個絕緣的同軸圓柱極板內(nèi)電極和外電極組成，在兩筒之間充以介電常數(shù)為e的電解質(zhì)時，兩圓筒間的電容量為C=2eL/lnD/d，式中L為兩筒相互重合部分的長度；D為外筒電極的直徑；d為內(nèi)筒電極的直徑；e為中間介質(zhì)的電介常數(shù)。在實際測量中D、d、e是基本不變的，故測得C即可知道液位的高低，這也是電容式傳感器具有使用方便，結(jié)構(gòu)簡單和靈敏度高，價格便宜等特點的原因之一。圖5 電容式傳感器4

19、 物料分揀系統(tǒng)的設(shè)計圖4.1 PLC外部端子接線圖圖6 PLC外部接線圖 如圖6，當PLC投入運行時，按下啟動，給出XO信號，物料通過圓盤升到上限，給出信號X11；在通過機械手一系列動作，給出X7、X5、X3、X4信號；傳送到傳送帶時，光電傳感器動作，給出X22信號；當有物料時，電機使傳送帶動作；電感傳感器動作時，給出X20信號，讓電磁閥動作推動氣缸動作，給出X14、X15信號；電容傳感器動作時，給出X21信號，讓電磁閥動作推動氣缸動作，給出X16、X17信號。4.2 變頻器端子接線圖圖7 變頻器端子接線圖 如圖7，L1,L2,L3接三相交流電，PE接地；U,V,W接三相電機；STF，RM端子

20、接PLC端子Y21；SD端子接COM5。4.3步進梯形圖圖8 步進梯形圖如圖8，給出啟動信號，整個系統(tǒng)開始運行。光電傳感器開始檢測物料，圓盤動作傳送到底，機械手開始動作，把物料送到檢測帶上，傳送帶動作。在運輸過程中，電感傳感器有檢測時，氣缸1動作；電容傳感器有檢測時，氣缸2動作。4.4 PLC梯形圖圖9 梯形圖程序運行過程分析 如圖9，按下啟動按鈕X0，物料驅(qū)動電機，這時Y0接通；此時光電傳感器檢測物料，X13動作，物料被圓盤提升，此時Y1接通；當上升到限位時，X11動作，此時接通Y2,機械手臂伸出，伸到限位時，X5動作，此時接通Y4，手爪下降；下降到限位時，X10動作，X2也動作，此時接通Y

21、15，手爪抓緊；然后手臂縮回并到達限位，X6、Y3動作；這時手臂右旋并到達限位，X4和Y7動作；當機械手將物料送到分揀臺時，光電傳感器動作,X22動作，此時接通Y21，電機帶動傳送帶，傳送帶動作，物料運動；當電感傳感器動作時，X20動作，接通Y11，氣缸推動物料，然后氣缸縮回，Y10動作；當電容傳感器動作時，X21動作，此時接通Y12，氣缸推動物料，然后氣缸縮回，接通Y13；整個系統(tǒng)結(jié)束，當需要急停時，按下X1，系統(tǒng)就會停止。5 物料分揀系統(tǒng)的組態(tài)技術(shù)5.1 組態(tài)技術(shù)概述 組態(tài)定義 組態(tài)軟件是一種面向工業(yè)自動化的通用數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控軟件，也稱人機界面。用于數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件。 組態(tài)發(fā)展

22、 20世紀40年代，多數(shù)工業(yè)處于手工狀態(tài)，人們憑經(jīng)驗和手工控制生產(chǎn)過程。50年代后，一些工廠企業(yè)的生產(chǎn)實現(xiàn)儀表化和自動化。生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵參數(shù)普遍采用儀表進行顯示。進入60年代，隨著工業(yè)生產(chǎn)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，開始大量采用氣動、電動單元組合儀表對關(guān)鍵參數(shù)進行指示，計算機控制系統(tǒng)開始應(yīng)用于控制，實現(xiàn)數(shù)字控制和設(shè)定值控制。70年代，隨著計算機開發(fā)、應(yīng)用和普及，對全廠或整個工藝流程的集中控制成為可能。世界上第一款組態(tài)軟件InTouch在20世紀80年代中期由美國Wonderware公司開發(fā)。組態(tài)軟件根據(jù)其提供的各種軟件模塊可以積木式搭建人機監(jiān)控界面，不僅提高了自動化系統(tǒng)的開發(fā)速度，也保證了自動化應(yīng)

23、用的成熟性和可靠性。當前的組態(tài)軟件有國外的InTouch、Ifix、Citect、Wincc、RSView32、TraceMode,國內(nèi)的組態(tài)王、力控、WebAccess、MCGS、開物、易控、杰控、世紀星及紫金橋組態(tài)軟件等。5.2組態(tài)技術(shù)功能和優(yōu)點組態(tài)軟件的功能（1）讀寫不同類型的PLC、儀表、智能模塊和板卡，采集工業(yè)現(xiàn)場的各種信號，對工業(yè)現(xiàn)場進行監(jiān)視和控制。（2）可以以圖形和動畫等直觀形象的方式呈現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場信息。（3）可以將控制系統(tǒng)中的緊急工況及時通知給相關(guān)人員，使之及時掌控系統(tǒng)運行情況。（4）可以對工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行邏輯運算和數(shù)字運算等處理，并將結(jié)果返回給控制系統(tǒng)。（5）可以對控制系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)進行記錄存儲。（6）可以將工程運行的狀況、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、警告和外部數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計運算結(jié)果制成報表，供運行和管理人員參考。（7）可以將不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)聯(lián)系和整合在一起。（8）可以網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)分布式監(jiān)控，實現(xiàn)復雜的遠程監(jiān)控。（9）可以根據(jù)需要干預(yù)生產(chǎn)現(xiàn)場或過程。 組態(tài)軟件的優(yōu)點（1）功能強大；（2）簡單易學；（3）擴展性好；（4）實時多任務(wù)。 組態(tài)軟件畫