【基于PLC的物料检测与分拣系统设计研究7900字（论文）】

福建工程学院本科生毕业设计（论文）基于PLC的物料检测与分拣系统设计研究目录TOC\o"1-3"\h\u2380第一章引言 189941.1自动分拣系统的发展现状 1114901.2选题的背景及意义 1252911.3主要控制要求 231934第二章自动分拣系统总体设计 372462.1物料检测与分拣设备的设计思路 3215252.1.1上料模块 434002.1.2检测模块 451952.1.3下料分拣模块 4109792.2硬件介绍及功能特点 4230142.2.1PLC的选型及特点 4213552.2.2传感器的选型及特点 530303第三章自动分拣系统的PLC控制系统电路设计 8136743.1PLC系统设计的原则 8156833.2PLC系统设计的步骤 8247643.3PLC输入/输出分配 8264873.4硬件接线原理图 922847第四章PLC控制系统程序的设计 1396434.1TIAPortalV15.1软件介绍 13114.2自动分拣PLC控制程序设计 138204.2.1主程序及启停程序 1339204.2.2实际重量转换程序 1412534.2.3物料分类检测程序 1516204.2.4气缸控制程序 162989第五章MHI界面设计 1836185.1MHI介绍 182435.2界面设计 18258305.2.1主界面的设计 18171625.2.2重量参数设置界面的设计 1933495.3调试仿真 2014914第六章总结 21847参考文献 23第一章引言1.1自动分拣系统的发展现状自动分拣系统(Automaticsortingsystem)在许多物流配送中心起着重要的作用。该系统用时短，效率高，能够提高物流配送以及货物发送效率，在日常生活被广泛应用。一个国家的自动生产设备的水平和制造能力代表了设备制造能力的最高水平，并且全面反映了一个国家的制造业发展水平及其综合实力。在很早之前，自动化生产技术起源于美国，从而使得美国的制造业得到空前发展，同时也提高了生产技术的发展。第一代自动生产线主要由传统机械部件控制，结构复杂，制造工艺要求高，自动生产效率低，不适合现代多品种，小批量生产。自动生产线系统的一部分采用继电器控制代替传统的机械部件来实现自动化，但电路非常复杂，可靠性低且动态性能差。目前，第三代自动化生产线被广泛应用于机、电、液、气一体化自动化生产设备中，结构得到了简化。同时，大大减少了触点的数量,控制或电气控制系统由继电器,接触器,等等代替,通过实现系统应用程序,组态王软件MCGS和其他配置,应用监控功能实时监测，适用于监督生产线,生产线是安全的一个重要衡量。1.2选题的背景及意义随着现代工业化的发展，传统检测及分拣装置已经跟不上现代工业的发展要求。传统的方式不仅生产效率低，而且精确度不高，容易出现分拣误差，为了提高效率，降低工人能耗，改善劳动强度，本课题设计高精度的自动化生产设备，改善自动化生产水平，适应现代化工业的发展要求。目前，自动分拣系统是现代工业生产中应用的一个热点。物料分拣是实际生产过程中必不可少的一道工序，是物料加工装配流水线上的重要工序。物料的检测与识别是自动分拣系统的关键。在进行系统设计之前，要了解材料的颜色、重量等等，以及下道工序的要求，所需零件的装配对整个设计控制系统具有重要意义。我国的智能分拣系统的在工业上的使用较少,在很多公司中，生产线大多通过人工的分拣方式，其他一些公司的工厂采用自动与人工交互的方式分拣，而采用智能的分拣方式在工厂中的使用率也不高，主要还是由于在技术方面的不成熟，对一些领域使用达不到理想效果。但智能化的技术在工业中的广泛应用，使我国在分拣能力有较大提高，智能分拣技术有着其他分拣方式中难超越的优势。其意义在于:可以降低工人的劳动负荷；可以减少人力资源；可以提高分拣合格率；可以提高分拣分辨效率；1.3主要控制要求①本设计主要由电机控制传送带，利用电机的转动功能实现传送带传送物料的功能，上料下料利用电磁阀控制气压进行驱动，装置中含有检测的传感器（光电传感器、称重传感器、基恩士色标传感器等）。系统设置触摸屏控制系统启停，通过触摸屏按钮方式可自行更改称重检测范围，称重物料控制在50公斤内。物料重量等级分为三档分别为：0-16公斤，16-32公斤，33-50公斤。称重时间可通过触摸屏设置。颜色识别也有三种模式分别为：黑，白，橙。此设备功能共实现9种组合的检测与分拣。第二章自动分拣系统总体设计2.1物料检测与分拣设备的设计思路本设计采用可编程逻辑控制器（PLC）作为物料检测与分拣设备的控制器，利用可编程逻辑控制器的优点是采用继电器与计算机程序控制相结合，自动化技术、计算机技术与通信技术相结合。PLC控制器主要由中央处理器、存储器、输入输出接口电路、电源单元和编程单元组成，通过循环扫描程序按其先后顺序执行。本系统采用模块化设计的思想，主要分为上料模块、检测模块和分拣下料模块。上料模块主要负责物料的上料和传送，检测模块通过传感器进行颜色和重量的识别，分拣下料模块主要负责分拣物料并下料到指定位置。在本次设计过程中，物料从源头的上料模块进入输送系统，然后进入检测模块。由于物料的化学性质不同，因此它们的重量和颜色也会有所不同，经过检查模块将分成9类，由分拣下料模块的气缸推挤后滑入对应的分拣位置。系统整体框架如图2-1所示。图2-1系统整体框架设计本系统的上料模块，检测模块和分拣下料模块通过西门子PLC实现控制，使其完成所有的需求功能。系统通过触摸屏启动，光电传感器检测有无物料，通过电机驱动传送带传送物料，经称重检测模块，将不同颜色和重量的物料识别出来，然后通过气缸实现物料的下料分拣.2.1.1上料模块系统上料口装有用于物料检测的光电传感器，检查是否有物料。若长时间检查到没有无物料，系统会进行报警处理，电机控制传送带减速运行。物料定位支架可以将物料进行限位和固定，此模块的作用实现有无物料的反馈输入控制上料电机的启动。2.1.2检测模块随着技术的发展，由称重传感器组成的电子测量机广泛应用于各个领域，实现了对材料的快速准确测量。特别是随着微处理器的出现，工业生产过程的自动化程度将不断提高。检测模块主要分为两大部分，一是由称重传感器用于检测物料重量，二是色标传感器，用于物料颜色的识别。称重传感器结合信号放大器共同实现将测试信号反馈到PLC控制器。色标传感器主要实现黑、白和橙三种颜色的识别。2.1.3下料分拣模块下料分拣模块主要由电磁阀驱动气缸将物料推送到指定位置。气动装置用于压缩空气并传递气压作为输出力，以控制和驱动各种机械设备，从而完成机械化和自动化的生产。它是机械自动化中流体传输的重要组成部分，并且在控制中也起着非常重要的作用。由于其主要工作介质为空气，因此具有防爆，防火，无污染，结构简单的特点。2.2硬件介绍及功能特点2.2.1PLC的选型及特点在整个系统的设计过程中器件的选型占据着至关重要的地位，本系统采用PLC控制器，因此PLC控制器的选型显得尤为重要。目前市场，PLC的种类繁多，占据了相当大的市场，很多品牌的PLC，包括西门子、三菱、欧姆龙等等。本次考虑设计的复杂程度以及功能结构的合理性，结合多方面考虑选择西门子S7-1200PLC作为控制的核心部件。PLC基本单元组成结构如图2-2所示图2-2PLC基本单元组成结构图（1）西门子S7-1200PLC的主要特点1）通信功能强，使用以太网电缆进行通讯，可以进行下载监控，通信方式简单。2）指令系统的设计简单合理，配置灵活，编程简单。3）具有良好的兼容性。4）有很强的故障诊断和显示功能，有诊断缓冲区、巡视窗口的诊断选项卡和读取错误信息的指令。可以用LED显示有故障的模拟量模块的通道。（2）PLC的工作原理PLC的工作方式不同于其他的微型计算机，一般情况下，其功能特点二者是相似的。PLC的工作方式主要是循环扫描，而微型计算机是等待下达命令，CPU的一个扫描周期即第一条指令的执行到最后一条指令执行的过程，I/O刷新和执行指令是一个扫描周期中最为主要的两个阶段。PLC每次读取数据是通过I/O口刷新得到，把变量状态读入PLC，并通过内部寄存器存储起来，经运算器发送到输入端，这个过程就是I/O刷新。在更新输入输出时，如果输入状态变量发生变化，输出将产生与输入相关的响应，并将在输出结束时发生一系列的转换。如果在更新输入输出后更改输入变量，输出将返回。下一次扫描创建一个访问响应项，并在输出时发生相应的转换。PLC采用周期扫描方式，扫描周期对响应速度有很大影响。其中，指令执行速度、指令占用时间、指令数量等是影响扫描周期长度的三个主要因素。2.2.2传感器的选型及特点传感器在工业制造的各个领域都起着至关重要的作用，在信息化的时代，首先是要获取有利可靠信息，而传感器则是获取可靠信息最有效的途径之一。传感器主要由敏感元件和转换元件组成，是一种用于检测的装置，它可以将测量的信息转化为我们所需的形式输出，能够满足信息的传输、处理，存贮等等要求。传感器装置在自动化领域扮演着重要的角色。由此可见，传感器的发展关系着社会的进步。传感器工作原理如图2-3所示。图2-3传感器工作原理图（1）称重传感器本次设计采用的称重传感器为微型测力传感器L10A型，他生产于上海久制传感仪器有限公司。该传感器为不锈钢材质，外型小巧，适合安装。其供电电压为5V。该传感器的量程为0-50kg。因为该传感器直接输出电压非常微弱，无法直接与PLC相接，因此需要经过信号放大器，将其输出信号进行放大，然后接入PLC的模拟量模块，从而检测出物料的实际重量，选择信号放大器为LN-1604型信号放大器，该放大电路的工作原理简单，内部含有精密的放大器，内部稳压电路、电压电流转换电路、温度线性补偿等等。称重传感器外形如图2-4所示。图2-4称重传感器示意图（2）色标传感器本次设计选择的是基恩士公司生产的RGB数字光纤传感器作为颜色检测装置，型号是CZ-V21AP/22AP,PNP型，具有高分辨率，用于颜色的识别，满足识别要求。该传感器应用广泛，其工作原理简单，色标传感器也是光电检测传感器的一种。区别于光电传感器，它是采用光发射接收原理，发出调制光，接收被测物体的反射光，并根据接收光信号的强弱来区分不同的颜色，或判别物体的存在与否。图2-5色标传感器实物图（3）光电传感器光电传感器主要使用光电元件作为传感装置，主要包括光源，光路和光电元件组成。利用发光二极管，光敏三极管作为光电转换的元件。传感器在工作过程中首先将检测到的变化转换为光信号，然后通过传感器设计的光电组件将光信号转换为电信号。系统设计采用同轴反射光电传感器，传感器为主要是产品外观的特点是体积小，易于应用相对稳定，产品类型的使用寿命更长，传感器的响应变化很快，而且在抗振性和性能方面耐冲击性好，输入信号不受外界干扰。图2-6光电传感器实物图第三章自动分拣系统的PLC控制系统电路设计3.1PLC系统设计的原则（1）对于控制对象，PLC系统应尽可能满足过程设计的要求。在系统设计的初期，应分析生产过程，收集有关技术要求和参数。系统结构简单，PLC控制系统在满足控制要求的前提下，结构简单，经济实用，使用维护方便。确保控制系统的安全性和可靠性。控制系统的稳定性和可靠性是提高生产效率和产品质量的必要保证，也是衡量控制质量的主要因素之一。控制系统可以轻松扩展和升级。系统设计应考虑生产的发展和技术的进步，应选择具有一定裕度的PLC硬件设备。人机界面友好。对于包含人机界面的PLC系统，人机界面的设计应人性化，易于操作和使用PLC系统。3.2PLC系统设计的步骤在进行PLC系统设计时，需要了解设计系统的工艺过程和设计要求，首先选取什么样的控制方式，了解系统的输入输出，哪些需要输入，哪些需要输出，通过什么元件来驱动负载，掌握各个模块的相互关联，是否需要保护措施。控制系统的设计是一个不断完善的过程，具体设计步骤如下：详细了解控制系统，针对控制系统做合适的方案设计及器件选型；确定输入/输出元件，及I/O口分配；绘制硬件接线图，编写梯形程序；进行仿真调试，进一步完善其功能；设备安装调试；3.3PLC输入/输出分配根据控制系统的实际需要，将西门子S7-1200的输入输出端子进行合理分配，I/O口分配表如表3-1所示。输入地址输出地址序号地址备注序号地址备注1I0.0物料达到1#传送带1Q0.01#传送带推动气缸2I0.1物料达到2#传送带2Q0.12#传送带推动气缸3I0.2物料达到3#传送带3Q0.23#传送带推动气缸4I0.3物料达到4#传送带4Q0.34#传送带推动气缸5I0.4物料达到5#传送带5Q0.45#传送带推动气缸6I0.5物料达到6#传送带6Q0.56#传送带推动气缸7I0.6物料达到7#传送带7Q0.67#传送带推动气缸8I0.7物料达到8#传送带8Q0.78#传送带推动气缸9I1.0物料达到9#传送带9Q1.09#传送带推动气缸10I1.1分拣传送带有物料10Q1.1备用11I1.2首节传送带末端传感器11Q2.0上料工位传送带电机12I1.3检测工位末端传感器12Q2.1检测工位传送带电机13I1.4检测工位首端传感器13Q2.2分拣工位传送带电机14I1.5备用14Q2.3备用1215I2.0黑色物料15Q2.4备用1316I2.1白色物料16Q2.5备用1417I2.2橙色物料17Q2.6备用1518I2.3自动模式18Q2.7备用1619I2.4初始化按钮20I2.5急停按钮21I2.6启动按钮22I2.7停止按钮表3-1I/O口分配表3.4硬件接线原理图本次设计自动分拣系统的硬件电路主要分为五六大部分：主电路、PLC的I/O电路、PLC扩展模块电路、传感器接线图、电磁阀控制电路。进行PLC硬件结构的配置时，要先了解每一个控制变量的分配要求，再分析需要什么样的控制要求，进而配置PLC的硬件结构。运用PLC的电源输出优点，PLC内部输入输出接线图如图3-1所示图3-1PLCI/O接线图图3-2PLC扩展模块接线图根据本设计的控制要求，所用到的传感器有称重传感器，基恩士色标传感器，光电传感器，基恩士色标传感器用于识别不同颜色的物料，外部接电源。称重传感器由于输出信号微弱，不能与PLC直接相连，因此需要加信号放大器，传感器外部接线图如图3-3所示。图3.3传感器接线图本设计共实现9种组合的检测与分拣，根据物料的9种分类分别控制1#~9#电磁阀动作，通过推动气缸将分拣出的物料进行分类。电磁阀的控制电路如图3-4所示。图3-4电磁阀控制电路图第四章PLC控制系统程序的设计本设计主要采用博途软件TIAPortalV15.1进行梯形图程序的编写。整个控制程序的设计中都按照系统的工艺流程进行设计，为方便系统编程调试与仿真，检查问题，因此按照模块化的方法对系统进行设计编程。4.1TIAPortalV15.1软件介绍TIAPortalV15.1又称博途v15.1，是一款由西门子打造的全集成自动化编程软件，整合了STEP7,WINCC,STARTDRIVE等，让工程师只需要用博途一个软件就能对触摸屏，PLC驱动进行编程调试和仿真操作。此软件功能强大，支持windows10操作系统。TIAPortalV15.1界面如图4-1所示。图4-1TIAPortalV15.1界面4.2自动分拣PLC控制程序设计4.2.1主程序及启停程序系统的开启与停止这部分控制就是要求系统可以正常的开启运行或者停止系统，通过定义输入变量控制系统的启动停止。启动按钮按下，检测工位前端传感器检测触发，自动模式开启，上料传送带启动。当物品经过检测工位末端传送带，上料传送带停止，延时后，检测工位传送带启动。同时设计手自动切换启停传送带，系统启动程序梯形图，如图4-2所示。图4-2启停梯形图4.2.2实际重量转换程序（1）实际重量转换程序模拟量输入转换程序，就是把PLC的输入模拟量信号转换到具体的重量数值，S7-1200模拟量取过冲和下冲范围做一个比较，若输入量在范围外则程序判断出现故障，若输入量在范围內则程序正常运行，然后进行模拟量转实际重量数值，就可以得到一个具体数值，称重检测转换梯形图如图4-3所示。图4-3称重检测转换梯形图4.2.3物料分类检测程序当得到物料的具体重量数值时，接下去就可以结合物料的颜色检测结构进行物料的分类。程序设计3类物品的重量，通过与设定重量的比较，得出3种重量物品分拣方式，另外色标传感器提供黑，白，橙颜色识别分拣3种方式，本设计共实现9种组合的检测与分拣。物料分类梯形图如图4-4所示图4-4称重检测梯形图4.2.4气缸控制程序当物品到达物料传送带，分拣传送带开始工作，在自动工作模式下，依据上面的检测分类结果，通过气缸控制物料的走向进行物料的分拣，梯形图如图4-5所示。图4-5气缸梯形图第五章MHI界面设计5.1MHI介绍HMI是人们俗称的人机界面，是控制系统与用户之间交流信息的媒介，它能实现信息的转换。本文通过对博途软件自带的触摸屏TP700HMI进行组态，同时增加了人机界面，可实现初始化功能、手动/自动切换功能、系统参数的设置/选择功能，还可查看历史报警数据等，方便操作人员复检和标定。并运行程序，得到仿真结果,物料检测与分拣系统仿真结果如图5-1所示。图5-1MHI界面图5.2界面设计5.2.1主界面的设计在主界面中，F1按钮表示进入欢迎界面，F2按钮表示进入主画面F3按钮表示进入参数设置界面，F4按钮表示进入按钮工位，F5按钮表示进入称重工位，F6按钮表示进入推动工位，F7按钮表示进入历史报警画面，F8按钮表示进入当前报警画面。每个按钮功能一一对应。如下图5-2所示。图5-2主界面设计图在图5-2中，M1表示上料工位传送带，M2表示检测工位传送带，M3表示分拣工位传送带，Y1-Y9表示9种下料的位置。在整个触摸屏的监控界面，主界面设置有模式选择按钮，还有报警显示，急停选择。根据设计的检测装置对物料进行分拣，利用气缸将其推送到指定位置。5.2.2重量参数设置界面的设计图5-3界面的为称重检测范围和称重时间的设定.界面清晰，用户控制灵活方便。图5-3称重设置界面5.3调试仿真调试时先从各功能单元入手，设定输入信号，观察输出信号的变化情况。各功能单元调试完成后，再调试全部程序，调试各部分的接口情况，直到满意为止。程序调试可以在实验室进行，也可以在现场进行。如果在现场进行测试，需将可编程控制器系统与现场信号隔离，可以切断输入/输出模板的外部电源，以免引起机械设备动作。程序调试过程中先发现错误，后进行纠错。基本原则是“集中发现错误，集中纠正错误”。图5-4仿真过程图第六章总结本文设计的基于PLC控制的物料检测与分拣设备系统，在通过阅读大量文献，查阅大量参考资料后，顺利完成此次设计。本次设计通过了解自动分拣设备的研究背景和发展现状，进一步对其工作原理，及各个模块的学习，并结合所学知识开发了该系统。该系统采用西门子系列的PLC控制器件,通过PLC控制以及传感器技术的应用把各个独立的模块连接成一个整机，构成了智能控制的检测与分拣系统，在设计的后期通过加入触摸屏技术的应用实现对对系统的控制与调节。自动检测和分拣系统的设计适合现场生产要求，并通过相应地改进模型设计可应用于不同的生产场合。完成了对PLC和变频器控制知识技能的学习，刚刚开始做，很多内容不知道怎么做，不知道从哪里开始，基于西门子PLC，电气控制和PLC的应用以及电气控制电路，人机界面技术的深入研究，并结合了本科生的机械自动化的知识，慢慢地构想了论文的大纲，在论文撰写过程中遇到了许多困难，例如气动控制原理图的设计和触摸屏的应用等。本论文取得以下成果：（1）对物料分类过程进行模块化设计，并对各个组成部分进行更全面的分析，最终得出其总体设计方案；（2）掌握传感器的选型及各自的工作原理，参数要求等；（3）系统采用西门子S7-1200PLC系列控制装置，使分拣过程更加灵活，分拣精确，可以通过实验大大提高生产分拣效率。通过本次毕业设计，发现有很多需要学习和研究的问题，该设计的研究非常有意义，应用前景广阔，设计上还有不足之处，还需后期更加努力。参考文献[1]武海燕,关锐钟.基于PLC自动控制实训平台的研究与开发[J].机械管理开发,2020,35(11):211-213+243.[2]张翠云.基于PLC的物料分拣控制系统设计与实现[J].机电工程技术,2020,49(09):158-160.[3]潘运丹.控制与PLC虚拟仿真实验系统的 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