物料自动分拣装置的PLC控制系统设计方案

1 物料自动分拣装置的 制系统设计方案 物料自动分拣的意义 制是目前工业上最常用的自动化控制方法，由于其控制方便，能够承受恶劣的环境，因此，在工业上优于单片机的控制。 传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体 ,专门为工业控制而设计 ,具有功能强、通用灵活、可靠性高、环境适应性强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点 ,因此在工业上的应用越来越广泛。本文主要讲述 材料分拣系统中的应用，利用可编程控制器 ( ,设计成本低、效率高的材料自动分拣装置 。以 主控制器 ,结合气动装置、传感技术、位置控制等技术 ,现场控制产品的自动分拣。 系统具有自动化程度高、运行稳定、精度高、易控制的特点 ,可根据不同对象 ,稍加修改本系统即可实现要求。 材料分拣装置是模拟自动化工业生产过程的微缩模型，它使用了 制、传感器、位置控制、电气传动和气动等技术，可以实现不同材料的自动分选和归类功能，并可配置监控软件由上位机监控。该装置采用台式结构，配有 感器（光电式、电感式、颜色、磁感应式）、旋转编码器、交流电动机、输送带、气缸、电磁阀、直流电源、空 气过滤减压器等是典型的机电一体化教学实验装置。 本系统采用的可编程控制器，只要结合不同的传感器，比如根据材料的属性、尺寸的大小、物体的颜色等选择相应的传感器，就可对不同的物料进行分拣，具物料自动分拣装置的 制系统设计 2 有广泛的应用前景。 设计任务要求 该控制系统应能使物料分拣具有自动循环、单循环、单动作三种工作方式，且能使各种工作方式不相互发生冲突；应能完成铁料、铝料、不同颜色的塑料分拣至不同料槽的控制要求；应具有启动、预停、急停和计数功能；应具有短路保护、过载保护、失压保护等功能。 应确定具体的控制过程、控制系统的总体及软件设 计；确定 型号规格；确定 I/O 元件；设计气动系统控制原理图；确定各气动元件；设计电动机及变频器的主电路及控制电路原理图；确定变频器型号及各电气元件；设计物料分拣系统的单动作手动程序、单循环程序、自动循环程序，故障报警和信号显示程序；上机调试程序；进行成本估算。 设计任务分析 分拣的物料都是规则的，而且是圆柱形，我们可以先把物料装进一个套筒，然后就让它在重力的作用下一个一个的掉到输送带。在这个过程中需要设计一个上料机构来完成这一步骤。接着物料到达输送带时，我们要把铁、铝、塑料（黄、蓝色 ）物料进行分拣，可以用各种传感器来进行分拣，这就需要设计一个分拣装置。这两个装置可以用接触器控制，也可以用 制，考虑到接线方面的麻烦，决定用 控制整个流程！ 3 第二章 物料自动分拣装置结构及总体设计方案 本装置是由上料机构和分拣机构构成，工件通过上料机构流到输送带进行分拣。 机械构造分布 料机构 上料机构由简图、光电传感器、安装支架、挡料气缸、顶料气缸、警示灯等部分组成，如下图 示 图 上料机构示意图 （ 1）光电检测传感器：物料检测传感器为光电漫反射型传感器，检测到有物料时，推料气缸将物料推出，有物料是为 供一个输入信号。 （ 2）顶料气缸：将工件顶住。 （ 3）挡料气缸：将工件一一的放下来。 物料自动分拣装置的 制系统设计 4 （ 3）警示灯：在设备停止时警示红灯亮，在设备运行时警示绿灯亮，在无物料是警示黄灯亮。 （ 4）储料筒：用于存放直径 100圆柱型工件，料筒侧面有观察槽。 （ 5）安装支架：用于安装工件库和气缸。 分拣装置 分拣装置由输送带、气缸、各种传感器、电动机等部分 组成，它的结构图如图 示 图 2 分拣装置示意图 （ 1） 电传感器 ,当有物料放入输送带时，给 个输入信号。 （ 2） 感式传感器 ,检测铁材料，检测距离为 2 5 （ 3） 容传感器 ,检测铝材料，检测距离为 2 5 （ 4） 色传感器 ,用于检测非金属的蓝色物料，检测距离为 3 8测 距离可通过传感器放大器的点位器调节。 （ 5） 用传感器，用于检测 黄色塑料物料。 (6) 缸缩回到位。 (7) 缸伸出到位。 5 （ 8） 1 号料槽：用于放置铁物料。 （ 9） 2 号料槽：用于放置铝物料。 （ 10） 3 号料槽：用于放置蓝色塑料物料。 （ 11） 4 号料槽：用于放置黄色塑料物料。 （ 12）皮带输送线：由三相异步电动机拖动，将物料输送到相应的位置。 （ 13）三相异步电动机：驱动传动带传动，由变频器控制。 设计方案 在复位完成后，按下 “ 启动 ” 按钮，料筒光电传感器检测到有工件时，推料气缸将工件推出，推料气缸缩回，若 3 秒钟后，料筒检测光电传 感器仍未检测到工件，则说明料筒内无物料，这时警示灯黄灯闪烁，放入物料后黄灯熄灭； 当入料口光电传感器检测到物料时，变频器接收启动信号，三相异步电动机正转运行，皮带开始输送工件，当料槽一到位检测传感器检测到铁物料时，推料一号气缸动作，将铁物料推入一号料槽；当料槽二检测传感器检测到铝物料时，推料二气缸动作，将铝物料推入二号料槽；当检测器检测到蓝色物料时，推料三气缸动作，将蓝色物料推入三号料槽；当物料为黄色物料直接导入四号料槽，料槽检测传感器检测到有工件经过，推料四气缸动作，将黄色物料推入料槽。 物料自动分拣装置的 制系统设计 6 第三章 系统硬件设计 基本结构 硬件部分由传感器、可编程控制器、气缸、变频器、电机、气体空压机组成，他们之间的关系如图 示。 图 系统的硬件结构框图 主要组成部件 型号选择 根据输入输出点数合理选择 表 5 1 可知输入使用 19 点，输出使用 9点，考虑到以后使用中的升级、添加功能的需要，点数应略多于现用的点数。对比表 知， 7 表 3要技术指标 特性 形尺寸 90090机 I/O 数字量 6 入 /4 出 8 入 /6 出 14 入 /10 出 24 入 /16 出 扩展模块 0 个模块 2 个模块 7 个模块 7 个模块 I/O 映象区 256（ 128 入 /128 出） 西门子 列中 C/C 有 24 个输入点和 16 个输出点。 所以选择 C/C 616号的 为自动分拣装置所用器件。 动机及变频器的选取及工作原理 电动机 (把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈 (也就是定子绕组 )产生旋转磁场并作用于转子鼠笼式式闭合铝框形成磁电动力旋转扭矩。电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线 (磁场方向 )方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。 电动机主要带动传送带，要想选择合适的电动机，必须考虑到传送带的工作压 力和输送的速度。由于传送带上有四个传感器，所以传送带上最多同时有五个工件，假设都是铁，已知工件的底面直径为 100 20度 由已知条件可以计算传送带上物料的重量 M=5计输送带总长 4000重量 50以输送带的工作压力 物料自动分拣装置的 制系统设计 8 F=（ 50+设输送带的速度 V=s，卷筒的直径 D=100率 确定工作机需要的功率 1000. 00060= 初定电机类型和转速 初估系统的总效率为 要电动机功率为 Pd=据 d，则可以选用的电机有 种。以这三种方案做一比较见表 3合考虑到装置各方面的因素，拟选用电动机 的型号为 定功率 速 390r/表 3电机的型号与参数 电动机的主电路图 电机的主电路由刀开关 继电器 流接触器 频器组成，它的接线图如图 方案 电动机型号 额定功率 /载转速 r/流 效率 1 830 5 2 390 3 3 10 9 9 图 电机主电路图接线图 变频器工作原理 变频器是把工频电源 (50 60换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成 交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的 及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。 选择变频器的型号 考虑到变频器使用的功能以及各系列变频器的特点，最终决定使用西门子40 系列的变频器。他有以下几点特点： 引导调试简单 模块化结构允许组态的最大灵活性 六个可编程的独立数字量输入 两个可量测的模拟量输入 (0V 到 10V,0 20也可以被用作第 7 个 / 第物料自动分拣装置的 制系统设计 10 8 个数字量输入 一个可编程模拟量输出 （ 0 20 三个可编程继电器输出（ 30V A,阻性负载； 250 V A，感性负载） 因高脉冲频率而获得低噪音电机运转 ,可调节（如果必要，可降额运行）。 变频器主要是用来控制输送带的电动机，然而电动机的功率是 门子 40 系列的变频器工作的功率范围是 5够安全，所以选用西门子 40 系列变频器。 硬件连接 1） 三角形连接为：变频器 U、 V、 W 端分别接入电机的 机端 1 接 1 接 变频器硬件端子图 2）变频器控制端口连接为：端口 5）为正转，端口 6）为反转，端子公共端接入端子 9（ 端子 1（ 10V）和端子 2（ 0V）给电位器供电，3)接电位计中间滑点， 4）接电位计负极以及端子 2（ 0V）。 3） 变频器连接为： 别接入三相电源的 参数设置 11 1）电动机的参数设置 表 3电动机参数设置 参数设置 出厂值 设置值 说明 1 设用户访问级为标准级 1 快速调试 0 工作地区，功率 示，频率 500304 230 380 电动机额定电压 v 动机额定电流 A 动机额定功率 0308 0 动机额定功率因素 0310 50 50 电动机额定频率 0311 0 1400 电动机额定转速 r/置完成后， 置为 0，变频器处于准备状态，可正常运行。 2）模拟信号操作控制参数 表 3模拟信号操作控制参数 参数设置 出厂值 设置值 说明 2 设用户访问级为标准级 2 命令源选择为端子排输入 1 通正转， 止 2 通反转， 止 2 频率设定值选择为模拟输入 0 电动机运行的最低频率 0 50 电动机运行的最高频率 物料自动分拣装置的 制系统设计 12 电位器的选择 电位器的工作原理：首先在应该选用正比例变化线性的电位器，这种电位器的转动角度基本上跟电阻值的变化成正比例，这样根据电阻器的分压原理，就可以实现旋转角度大小转变成电压大小了。选择的型号是 0K。 动元件的选取及工作原理 图 气动回路图 由于气路图是并联连接，所以只要计算出最大压力就是气源需要的压力。气动系统装置中，经过分析，顶料气缸需要的压力最大，而且当顶铁物料时需要的压力最大。假设料筒可以装 20 个物料，已知工件的底面直径为 100 20度为 m 。 由已知条件可以计算出当顶铁物料时，料筒最底下的那块铁重量 M=20 13 经查资料可知铁与塑料的摩擦因数为 以要想物料不落下，气缸所需要的顶力 力的平衡方程可得： u FN=虑到各种元器件之间的摩擦，最终选择需要的 最大压力必须大于 空压机的选用是以气压传动系统所需要的工作压力和流量两个参数为依据，根据计算，可选用额定排气压力为 低压空气压缩机。输出流量根据整个气动系统对压缩空气的需要，再加一定的备用余量，作为选择空气压缩机流量的依据。根据估算，选择小型（流量 110m /空气压缩机。 执行元件主要是气缸，选择双作用气缸，亚德客品牌的普通型，型号为的工作原理及特点是：压 缩空气驱动活塞沿轴线双方向运动，活塞杆伸出和返回的伸出力和速度不相等，压缩空气消耗量也不相等。 气缸的负载是推动工件，考虑到气缸内部存在一定的摩擦，所以气缸理论输出力为 10N（略大 经过查资料启动传动与控制，可以确定缸径 D=8力 P= 双作用气缸 主要的控制元件是二位五通单电控电磁阀，选择亚德客品牌，型号为4的气动符号图如图 作原理： 1 是进气管， 2、 4 两个是出气管， 3、 5 两个是排气管。当线圈通电时，阀工作在右阀位，进气由 1 经过阀从物料自动分拣装置的 制系统设计 14 2 出去，管 4 的气经阀从 5 排出；当线圈掉电时，阀在弹簧的弹力作用下，阀工作在左阀位。 图 二位五通单电控制阀 气源调节装置 气源调节装置由过滤器、减压阀和油雾器三部分组成，简称为三联件，他连接图如图 滤器用于从压缩空气中进一步除去水分和固体杂质粒子等，减压阀用于将进气调节系统所 需的压力；油雾器可以把油滴喷射到压缩空气中，以便对气动元件进行润滑。选择亚德客品牌，型号为 气动三联件 单向节流阀 单向阀作用是只允许气体沿一个方向流到，反之则被截止。它的图形符号如图 示，节流阀利用阀芯与阀口之间的缝隙大小来控制流量，缝隙越小节流出过流面积越小，通过流量就越少；缝隙越大，通过的流量就越大。单向阀与节流阀就组成了单向节流阀，它只适用于负载和温度变化不大或速度稳定性要求不高的场合。选择品牌为 号是 单向节流阀 15 磁性传感器 (简称磁性开关 )是一种非接触式位置检测开关，其图形符号如图 示，它的工作原理：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。 图 磁性传感器 光电传感器工作原理，在工作时，光发射始终发射检测光，若接近开关前方一定距离内没有 物体，则没有光被发射到接收器，光电开关处于常态而不动作； 反之若接近开关的前方一定距离内出现物体，只要发射回来的光强度足够，则接收器接收到足够的漫射光就会使接近开关动作而改变输出的状态。其图形符号如图 示。 图 光电传感器 电感传感器的工作原理，它是利用电涡流效应制成的有开关量输出的位置传感器，它由 频振荡器和放大处理器组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生电涡 流。这个电涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。其图形符号如图 示。 物料自动分拣装置的 制系统设计 16 图 电感传感器 电容传感器，电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容量变化的一种传感器。其图形符号如图 示。 图 电容传感器 颜色传感器，将物体颜色同前面已经示教过的参考颜色进行比较来检测颜色的机器我们称之为颜色传感器 。颜色传感器是通过将物体颜色同前面已经示教过的参考颜色进行比较来检测颜色，当两个颜色在一定的误差范围内相吻合时，输出检测结果 17 第四章 系统软件设计 I/O 分配表 表 4I/O 分配表 序号 地址 注释 1 动按钮 2 停按钮 3 止按钮 4 料气缸伸出到位 5 料气缸缩回到位 6 料气缸伸出到位 7 料气缸缩回到位 8 缸一伸出到位 9 缸一缩回到位 10 缸二伸出到位 11 缸二缩回到位 12 缸三伸出到位 13 缸三缩回到位 14 缸四伸出到位 15 缸四缩回到位 16 料传感器 17 料传感器 物料自动分拣装置的 制系统设计 18 续表 18 感传感器 19 容传感器 20 色传感器 21 用传感器 22 动指示灯 23 止指示灯 24 料指示灯 25 料气缸 26 料气缸 27 物料） 28 物料 29 色物料 30 色物料 31 频器上电 19 接线图 图 件接线图 物料自动分拣装置的 制系统设计 20 软件控制流程图 图 软件控制流程图 21 顺序控制功能图 图 顺序控制功能图 物料自动分拣装置的 制系统设计 22 制程序 23 物料自动分拣装置的 制系统设计 24 25 物料自动分拣装置的 制系统设计 26 27 物料自动分拣装置的 制系统设计 28 第五章 系统总成本估算 系统使用的零部件 表 5零件名单表 序号 名称 牌子 型号 数量 单价 /元 总价 /元 1 光电传感器 个 40 120 2 磁性传感器 2 12 144 3 电感传感器 个 11 11 4 电容传感器 卫 个 83 83 5 颜色传感器 1 个 50 50 6 三相异步电动机 上海贤特 台 360 360 7 变频器 西门子 40 1 台 1730 1730 8 刀开关 上海德力西 8 1 个 30 30 9 热继电器 正泰 5/Z 个 16 16 10 接触器 正泰 10/220 1 个 41 41 11 可编程序控制器 西门子 616 台 1780 1780 12 双作用气缸 个 30 180 13 警示灯 个 63 63 29 续表 14 二位五通电磁阀 亚德客 4 个 30 180 15 单向节流阀 个 17 102 16 气动三联件 亚德客 个 26 26 17 电位器 上海天逸 0K 1 个 32 32 系统总开支 根据上面的表 5以计算出系统的总开支为 4948 元。 物料自动分拣装置的 制系统设计 30 第六章 毕业设计总结 随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过几周的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计