毕业设计（论文）-基于模拟量输入调速的分拣单元控制系统设计.doc

毕业教学环节成果毕业教学环节成果 （2017 届） 题 目 基于模拟量输入调速的 分拣单元控制系统设计 学 院 信息工程学院 专 业 电气自动化技术 班 级 自动化 XXX 班 学 号 XXXXXXXXXXX 姓 名 XXX 指导教师 XXX 2017 年 6 月 14 日 XXXXXXXXXXXXXXXX 毕业教学成果毕业教学成果 目目 录录 摘要.1 英文摘要.1 引言.2 1 控制方案的设计.3 1.1 基本功能及控制要求.3 1.2 控制方案.4 1.3 PLC 型号确定 .5 1.3.1 确定 I/O 点数.5 1.3.2 PLC 的型号 .5 1.4 变频器型号确定.5 2 硬件设计.6 2.1 电源电路.6 2.2 PLC 的外围接线图 .6 2.3 PLC 模拟量扩展模块 .7 2.4 变频器外部接线.9 2.5 电磁阀组和气动控制回路.9 3 软件设计.11 3.1 分拣程序设计.11 3.1.1 I/O 分配表 .11 3.1.2 编程思路及程序流程图.11 3.1.3 启动停止程序.12 3.1.4 指示灯程序.13 3.1.5 分拣程序.13 3.2 模拟量调速设计.15 3.2.1 变频器参数设置.15 3.2.2 模拟量调速程序设计.15 4 控制系统的调试.17 4.1 硬件调试.17 4.1.1 传感器的调试.17 4.1.2 气缸的调节.17 4.2 软件模拟调试.17 4.3 整体实物调试.18 结论与谢辞.19 参考文献.20 附件 1I/O 分配表.21 附件 2PLC 外部接线图.22 附件 3分拣流程图 .23 附件 4程序清单 .24 1 基于模拟量输入调速的分拣单元控制系统设计基于模拟量输入调速的分拣单元控制系统设计 信息工程学院电气自动化技术专业信息工程学院电气自动化技术专业 XXXX 摘要摘要: :本设计主要运用气动控制技术、传感器应用技术、PLC 控制技术以及变频器技术 的分拣单元控制系统设计。它通过模拟量对变频器调速，旋转编码器进行定位，依靠 PLC 控制传感器、气缸等执行元件推动物料。画出了电源电路图、PLC 外围电路图、变 频器控制电路，画出了程序流程图，编写 PLC 梯形图。系统调试表明，其系统结构简 单，运行效率高，易于理解与掌握。 关键词关键词: :PLC 模拟量 传感器 变频器 气缸 Design of Sorting Unit Control System Based on Analog Input Speed Regulation (Major of Applied Electronic Technology,Information and Engineering college, JinHua PolytechnicXXXX XX) Abstract: This article has analyzed and applied professional core courses-pneumatic control technology, sensor application technology, PLC control technology and converter technology for the design of sorting unit control system based on analog input speed regulation.The sorting unit is the last project of the automatic production line and the indispensable automatic production equipment of the entire production line.It adjusts the speed through the analog input of converter and promotes the material relying on PLC control sensors,cylinders and other components.Therefore,it plays a decisive role in the control system.This system is mainly composed of converter,PLC,logical control circuit,which includes AC motor, converter, sensor and pen cylinder as one of the automatic control system.Its control system is simple in structure, high in operation efficiency and easy to understand and master. Keyword: PLC analog input sensor converter cylinder 2 引言引言 随着科学技术的发展,工业自动化程度的不断提高,市场竞争的激烈，传统的人工 分拣生产效率低，成本高，企业竞争力差，已经无法满足现代化生产的需要。因此， 企业都迫切需要改进生产技术，提高生产效率，节约成本，增强竞争力，而可编程控 制器的出现则克服了这些困难，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置，是自动 化控制系统的关键设备。而在调速方面，在数控机床行业中，有越来越多的机床制造 商采用变频器调速方式来替代数控驱动模块伺服电动机的控制方式，自动分拣系统具 有以下主要特点： 1)能连续、大批量地分拣货物。由于大生产中采用的流水线自动作业方式，自动 分拣系统不受气候、时间、人的体力等的限制，可以连续运行，同时自动分拣系统单 位时间分拣件数多。因此自动分拣系统可以连续运行 100 个小时以上，每小时可分拣 7000 件包装商品，如用人工则每小时只能分拣 150 件左右，同时分拣人员也不能在这 种劳动强度下连续工作 8 小时。 2)分拣误差率极低。自动分拣系统的分拣误差率大小主要取决于所输入分拣信息 的准确性大小，这又取决于分拣信息的输入机制，如果采用人工键盘或语音识别方式 输入，则误差率在 3%以上，如采用条形码扫描输入，除非条形码的印刷本身有差错， 否则不会出错。因此，目前自动分拣系统主要采用条形码技术来识别货物。 3)分拣作业基本是无人化。国外建立自动分拣系统的目的之一就是为了减少人员 的使用，减轻员工的劳动强度，提高人员的使用效率，因此自动分拣系统能最大限度 地减少人员的使用，基本做到无人化。分拣作业本身并不需要使用人员，人员的使用 仅局限于以下工作： （1）送货车辆抵达自动分拣线的进货端时，由人工接货。 （2）由人工控制分拣系统的运行。 （3）分拣线末端由人工将分拣出来的货物进行集载、装车。 （4）自动分拣系统的经营、管理与维护。 物料分拣采用可编程控制器 PLC 进行控制，能连续地分拣货物，分拣误差率低且 劳动强度大大降低，可显著提高劳动生产率。而且分拣系统能灵活的与其它物流设备 无缝连接，实现对物料实物流，物料信息流的分配与管理，其设计采用标准化，模块 化的组装，具有系统布局灵活，维护，检修方便等特点。 材料分拣装置使用了 PLC 技术，传感器技术，位置控制技术，电气传动和气动技 3 术， 4 是实际现场生产设备的微缩模型。应用变频器，PLC 结合气动技术，传感器技术和位置 控制技术，设计不同的基于模拟量调速的自动分拣控制系统，该系统灵活性较强，程 序开发简单，适用于进行材料分拣的生产线的要求，且可以实现不同材料的自动分拣 和归类功能。本文设计的材料分拣系统可以实现以下功能： 通过模拟量控制变频器进行调速，并在不同速度下进行分拣，分拣部件分别为白 色芯金属件部件，白色芯塑料部件和黑色芯部件。 1 1 控制方案的设计控制方案的设计 1.11.1 基本功能及控制要求基本功能及控制要求 分拣单元主要实现如下基本功能：（1）分拣出白色芯金属件部件；（2）分拣出 白色芯塑料部件；（3）分拣出黑色芯部件。如图 1-1 为分拣单元总体结构图。 图 1-1 分拣单元总体结构图 系统利用各种传感器对待测材料进行检测并分类。当待测物体被送入传送带后， 接受传感器检测，根据不同材质传感器回馈的不同信号，通过相应物料仓位置时传送 带停止运行，然后气动装置将其推入料箱，否则继续前行。其控制过程如下： 设备上电和气源接通后，若工作单元的三个气缸均处于缩回位置，则 “正常工作” 指示灯 HL1 常亮，表示设备准备好。否则，该指示灯以 1Hz 频率闪烁。启下启动开关, 传送带开始运行。系统启动后，入料口的光电传感器检测到料口有料时，电机启动， 传送带开始运行，待测物体开始在传送带运行。经过检测位置时，电感传感器、光纤 传感器检测经过的器件属性，如果工件为白色芯金属件，则该工件对到达 1 号滑槽中 5 间，传送带停止，工件对被推到 1 号槽中；如果工件为白色芯塑料，则该工件对到达 2 号滑槽中间，传送带停止，工件对被推到 2 号槽中；如果工件为黑色芯，则该工件对 到达 3 号滑槽中间，传送带停止，工件对被推到 3 号槽中。工件被推出滑槽后，该工 作单元的一个工作周期结束。仅当工件被推出滑槽后，才能再次向传送带下料。 1.21.2 控制方案控制方案 通过按钮控制 PLC 向变频器输入不同的模拟量来控制传送带电机的转速，改变传 送带运行速度，使用旋转编码器做定位检测，运用 PLC 可编程控制逻辑器件，通过编程 实现逻辑输入输出的功能，配合传感器的信号达到一个实现控制要求的目的，最后通 过气缸来推动物料实现分拣。 自动分拣系统由硬件电路和控制程序两部分组成。硬件电路主要由 PLC、变频器、 电机、气缸、旋转编码器、按钮、指示灯、传感器、传送带等组成。主要通过变频器 控制电机的速度来控制传送带，通过 PLC、传感器、旋转编码器、气缸等实现自动分拣 工作，将物料准确用气缸推入相应的物料仓内。根据控制要求，设计的系统的总体结 构如图 1-2 所示。 图 1-2 材料分拣系统结构图 6 1.31.3 PLCPLC 型号确定型号确定 1.3.11.3.1 确定确定 I/OI/O 点数点数 根据控制要求，输入信号应该有 6 个传感器输入信号，编码器输入信号，加上启 动开关输入信号和停止开关输入信号,共计 10 个输入接口。输出控制电动机运行的接 触器接口,以及 3 个控制气缸动作的电磁阀输出接口,变频器控制信号、以及指示灯 2 个，共计 7 个输出接口。总需 I/O 点 17 个，其中 10 个输入接口，7 个输出接口。 1.3.21.3.2 PLCPLC 的型号的型号 由于该材料分拣装置的控制为开关量控制，且所需的 I/O 点数不多，因此，选择 一般的小型机即可满足控制要求，故本系统选择 PLC 机型为三菱 FX2N48MR 型。 1.41.4 变频器型号确定变频器型号确定 选用变频器的类型，按照生产机械的类型、调速范围、静态速度精度、起动转矩 的要求，决定选用那种控制方式的变频器最合适。所谓合适是既要好用，又要经济， 以满足工艺和生产的基本条件和要求。这里我选用了三菱 FR-E700，该变频器额定电压 等级为三相 400V，适用点击容量 0.75KW 及以下的电动机。 7 2 2 硬件设计硬件设计 2.12.1 电源电路电源电路 本系统的电路总电源由三相电引入，由三相漏电保护开关保护，传送带电机连接 在变频器上。如图 2-1。 图 2-1 电源电路图 2.22.2 PLCPLC 的外围接线图的外围接线图 图 2-2 PLC 外围接线 8 旋转编码器：分拣单元使用了具有 A、B 两相 90 相位差的通用型旋转编码器， 用于计算工件在传送带上的位置。编码器直接连接到传送带主动轴上。该旋转编码器 的三相脉冲采用 NPN 型集电极开路输出，分辨率 500 线，工作电源 DC1224V。本工 作单元没有使用 Z 相脉冲，A、B 两相输出端直接连接到 PLC（S7-224XP AC/DC/RLY 主单元）的高速计数器输入端。计算工件在传送带上的位置时，需确定每两个脉冲之 间的距离即脉冲当量。分拣单元主动轴的直径为 d=43 mm,则减速电机每旋转一周，皮 带上工件移动距离 L=d =3.1443=136.35 mm。故脉冲当量 为 =L/5000.273 mm。 光电传感器：光电传感器在本设计里被用作进料检测。它是利用光的各种性质， 检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器，其中输出形式为开关量的传感器为光 电式接近开关。光电式接近开关主要由光发射器和光接收器构成。如果光发射器发射 的光线因检测物体不同而被遮掩或反射，到达光接收器的量将会发生变化，光接收器 的敏感元件将检测出这种变化，并转换为电气信号，进行输出。 光纤传感器：光纤传感器在本设计里被用作颜色检测。它的的基本工作原理是将 来自光源的光信号经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后， 导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被 调制的信号源，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数，从而鉴别物体 颜色。 电感传感器：电感传感器在本设计里被用作金属检测。它由 LC 高频振荡器和放大 处理电路组成。利用金属物体在接近开关这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体 内部产生涡流，这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的 参数发生变化。由此，可识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。 气缸：三个气缸是分别用来推出白色金属，白色塑料，黑色物料三种不同的物料， 将其推入相应的物料仓内。 气缸到位接近开关：三个气缸到位接近开关分别为安装在各分拣气缸的前极限工 作位置的磁感应接近开关，当气缸伸出到底后便会传出相应的信号到 PLC，通过 PLC 的 程序控制来达到让气缸到位后再缩回的动作。 绿灯：绿灯在本系统里为 HL1，负责在电源接通时对系统设备正常与否的指示。 红灯：红灯在本系统里为 HL2，负责在系统启动后长亮提示设备正在运行状态。 9 2.32.3 PLCPLC 模拟量扩展模块模拟量扩展模块 FX 系列 PLC 把 A/D、D/A 转换功能集成于模拟量扩展模块内，通过 PLC 主单元的扩 展接口实现连接，构成 PLC 系统的整体。分拣单元 PLC 所连接的混合型模拟量模块为 FX3U-3A。模块的电源要求为 24VDC+-10%、90mA，数字电路电源要求为 5VDC、30mA,由 PLC 主单元的内部电路供给。接线时使用电压输入/输出的方式，如出现较大的电压波 动或有过多的电噪声，要在相应的位置并联一个约 25V、0.1-0.47uF 的电容。模拟和 数字电路之间用光电耦合器隔离，但模拟通道之间无隔离。 如图 2-3 和 2-4 分别为模拟量输入和输出的接线原理图。 图 2-3 模拟量输入接线图 10 图 2-4 模拟量输出接线图 2.42.4 变频器外部接线变频器外部接线 三相电经过空气开关 的保护到达变频器 变频器上，由于新一代通用变频器的整 流器都是二极管三相桥构成的，因此可以不考虑电源的相序；电动机接线端子为 U、V、W，可按照转向要求调整相序；变频器上端子 2 和端子 5 为变频器的电压模拟量 输入输出点。在 PLC 上接上 FX3U-3A 模拟量模块，连上变频器的模拟量输入输出点， PLC 通过 D/A 转换向变频器输出模拟信号，以实现电动机的连续调速，通过 A/D 转换采 样变频器的模拟输出信号，获得变频器运行频率、输出电流等信息。 如图 2-5 为变频器的外部接线图： 图 2-5 变频器外部接线图 2.52.5 电磁阀组和气动控制回路电磁阀组和气动控制回路 电磁阀：利用电磁线圈得电时，静铁芯对动铁芯产生电磁力使其切换以改变气流 11 方向的阀，称为电磁控制换向阀，简称电磁阀。这种阀易于实现电气联合控制， 能实现远距离操作，故得到广泛应用，气动回路中通常选用二位五通电磁阀。通电时， 电磁线圈得电，静铁芯对动铁芯产生电磁力使其切换以改变气流方向；断电时，通过 弹簧使其复位，从而达到换向的目的。 分拣单元的电磁阀组使用了三个二位五通的单电控电磁阀，它们安装在汇流板上。 这三个阀分别对白色金属，白色塑料，黑色物料推动气缸的气路进行控制，改变各自 的动作状态。这里的气动控制回路如图 2-6 所示。 图 2-6 气动控制回路图 12 3 3 软件设计软件设计 3.13.1 分拣程序设计分拣程序设计 3.1.13.1.1 I/OI/O 分配表分配表 根据所选择的 PLC 机型，对 PLC 的 I/O 点分配编号，系统的 I/O 分配表如下表 3-1 所示，通过 I/O 的连接，即可实现 PLC 对分拣装置的控制。 表 3-1 I/O 分配表 输入输出 X3 光电传感器 Y0 电机正转 X4 电感传感器 Y4 气缸 1 X5 光纤传感器 Y5 气缸 2 X7 气缸 1 到位接近开关 Y6 气缸 3 X10 气缸 2 到位接近开关 Y10 绿灯 X11 气缸 3 到位接近开关 Y11 红灯 X12 停止按钮 X13 启动按钮 X0 旋转编码器输入 A X1 旋转编码器输入 B 3.1.23.1.2 编程思路及程序流程图编程思路及程序流程图 根据分拣系统的工作要求，确定其工作具体流程，以便于梳理编程思路。 接通电源，入料口的光电传感器检测料仓是否有料，当料仓有料时，电机启动， 传送带开始运行。经过光纤传感器和电感传感器检测确定物料为何属性，然后继续传 送到分拣区域。如果工件为白色芯金属件，则该工件到达 1 号滑槽中间时，传送带停 止，气缸推出，工件被推到 1 号槽中，气缸缩回；如果工件为白色芯塑料，则该工件 到达 2 号滑槽中间时，传送带停止，气缸推出，工件被推到 2 号槽中，气缸缩回；如 果工件为黑色芯，则该工件到达 3 号滑槽中间时，传送带停止，气缸推出，工件被推 到 3 号槽中，气缸缩回。 13 根据上述分拣工作的流程得到程序流程图如图 3-2 所示。 3.1.33.1.3 启动停止程序启动停止程序 如图 3-3 所示为启动停止程序，当按下启动按钮 X13，标志位 M0 得电并自锁，MO 常开点闭合，只要放料使 X3 常开点闭合，计时器 T0 开始计时，计时完毕常开点 T0 闭 图 3-2 程序流程图 闭合，传送带电机 T0 启动，分拣工作开始；当按下停止按钮 X12，标志位 M1 得电自锁， M1 常闭点断开，不会干扰到正在进行的分拣工作，而再次放料将无法启动分拣工作。 14 图 3-3 启动停止程序 3.1.43.1.4 指示灯程序指示灯程序 如图 3-4 所示为指示灯程序,当气缸都缩回时，限位开关没有被触动，常闭点 X7,X10,X11 闭合，标志位 M99 得电，常开点 M99 闭合，指示灯 Y12 长亮。 当有气缸没有缩回，限位开关被触动，常闭点 X7,X10,X11 有位置断开，标志位 M99 未得电，常开点 M99 未闭合，常闭点 M99 导通，指示灯 Y12 已 1HZ 频率闪烁。 当启动后，标志位 M100 得电，常开点 M100 闭合，指示灯 Y13 长亮。 15 图 3-4 为指示灯程序 3.1.53.1.5 分拣程序分拣程序 如图 3-5 所示为分拣程序，当物料经过光纤传感器和电感传感器时，如果物料为 金属物件，则 X4 闭合，M2 置位 1；如果物料为白色物件，则 X5 闭合，M3 置位 1，以 此确定物料的属性。 当物料为白色金属物件，M2 和 M3 置位 1，M2 和 M3 常开点闭合，当物件到达白色 金属物料仓位置，Y4 置位 1，气缸 1 打出到底，将物料推置仓内，同时气缸触到限位 开关 X7，X7 常开点闭合，将 Y4 复位 0，气缸 1 缩回。 当物料为白色塑料物件， M3 置位 1， M3 常开点闭合，当物件到达白色金属物料 仓位置，Y5 置位 1，气缸 2 打出到底，将物料推置仓内，同时气缸触到限位开关 X10，X10 常开点闭合，将 Y5 复位 0，气缸 2 缩回。 当物料为黑色物件， M3 常闭点接通，当物件到达黑色物料仓位置，Y6 置位 1，气 缸 3 打出到底，将物料推置仓内，同时气缸触到限位开关 X11，X11 常开点闭合，将 Y6 复位 0，气缸 3 缩回。 16 图 3-5 分拣程序 3.23.2 模拟量调速设计模拟量调速设计 3.2.13.2.1 变频器参数设置变频器参数设置 根据任务要求对变频器参数进行如下设置。 将“Pr73”的参数设置为“1” 。将端子 2 的模拟量输入规格改为 0-5V。 将“Pr7”参数设置为“0.1” 。设定其电机加速所需的时间为 0.1S。 将“Pr8”参数设置为“0.1” 。设定其电机减速所需的时间为 0.1S。 3.2.23.2.2 模拟量调速程序设计模拟量调速程序设计 D8262 为电压模拟量输入通道，MOV 指令为赋值指令，把 D10 的值赋入 D8262，根 据模拟量输入的不同值输入相应的频率以达到不同的频率。 在这里通过按钮操作次数来操控电机运转频率，当按下一次启动按钮时，M50 导通， 会往 D10 里赋值 K400，即会使传送带电机以大约 10HZ 频率运转；当按下两次启动按钮 时，计数器 C0 得电，常开点 C0 闭合，M51 导通，会往 D10 里赋值 K600，即会使传送 带电机以大约 15HZ 频率运转；当按下三次启动按钮时，计数器 C1 得电，常开点 C1 闭 合，M52 导通，会往 D10 里赋值 K800，即会使传送带电机以大约 20HZ 频率运转。 如图 3-6 为模拟量调速程序。 17 图 3-6 模拟量调速程序 4 4 控制系统的调试控制系统的调试 在软硬件设计完成后，应进行调试工作，因为在程序设计过程中，难免会有疏漏 的地方，因此，在将 PLC 连接到现场设备之前，必须进行软件测试，以排除程序中的 错误，同时，也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期，另外一些硬件如传感器， 在使用前也应事先调试好。 4.14.1 硬件调试硬件调试 4.1.14.1.1 传感器的调试传感器的调试 在通电状态下，在传感器下方的输送带上，放置不同属性的器件，观察指示灯发 光，确认传感器的好坏，并根据实际运行时所需位置，对传感器位置进行调整。 4.1.24.1.2 气缸的调节气缸的调节 用电磁阀上的手动换向按钮验证各个推料气缸的初始和动作位置是否正确。 将气源送上，调节气动阀气源管上的螺栓就可以调节气动阀的动作力度，将手放 到气缸前感受气缸力度，直到气动阀的动作力度合适为止，确保气缸动作时无冲击、 18 无卡滞现象。 观察气缸伸出长度，确保气缸整个伸出，才能确保气缸将物料完全推入物料仓并 触到行程开关。如果气缸伸出不够，则要检查具体气泵气压不够导致气缸无法完全伸 出，还是气路漏气导致的气压不足，亦或是气缸本身出现了损坏。 4.24.2 软件模拟调试软件模拟调试 将所编写的梯形图程序进行编译，通过上下位机的连接电缆把程序下载到 PLC 中。 刚编好的程序难免有这样那样的错误或缺陷，为了及时发现和消除程序中的错误，减 少系统现场调试的工作量，确保系统在各种正常或异常情况下都能做出正确响应，需 要进行离线测试，即不将 PLC 的输出接到设备上。按照要求在指定的输入端输入信号， 观察输出指示灯的状态，如果输出不符合要求，则要查找原因，将其排除。 按下模拟开始按钮，进入模拟调试模式。如图 4-1。 图 4-1 模拟开始按钮 首先进行指示灯程序调试，模拟连通电源，然后分别对气缸的三个限位开关的常 闭点进行强制断开，观察指示灯是否按照设计要求长亮或闪烁。然后模拟按下开始按 钮下料传感器模拟得到信号，观察传送带电机是否能够正常启动。电机启动后开始模 拟放料，给颜色传感器和金属传感器给上不同信号，观看程序是否能够顺利完成分拣 流程。最后要注意在分拣工作完成后，程序是否能够正常对各信号进行复位工作，以 便下一轮放料分拣工作。反复模拟各种物料，保证程序的可靠性。 4.34.3 整体实物调试整体实物调试 将设备接入 PLC，进行联机测试，看是否满足要求，如果不满足要求，可通过综合 调整软件和硬件系统，直到满足要求为止。 将 PLC，变频器，气缸等整个系统连接完毕，然后将电脑连上 PLC，将程序写入 PLC。将系统的所有设备接通电源后，PLC 在计算机的监视下进行分拣调试。首先观察 指示灯 HL1 在设备准备正常的情况下是否能正常长亮，然后可以主动将气缸推出后再 开启电源，模拟在设备未准备好的情况，观察指示灯 HL1 是否按照要求闪烁，指示灯 HL1 调试完毕后将设备归位至正常状态，然后按下启动按钮，观察指示灯 HL2 是否有常 亮。直至指示灯调试完毕后开始下一步分拣调试。 将物料放入，观察传送带是否正常启动，然后依次放上白色金属物料，白色塑料 19 物料，黑色物料，查看系统是否按照分拣流程正常完成分拣工作，物料是否准确停在