宿州学院毕业论文分拣装置的PLC系统设计.doc

宿州学院 2013届本科生毕业论文 附录 绪论 自动分拣系统一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口组成。控制装置的作用是识别、接收和处理分拣信号，根据分拣信号的要求指示分类装置、输送装置进行相应的作业。分类装置的作用是根据控制装置发出的分拣指令，当具有相同分拣信号的商品经过该装置时，该装置动作，使其改变输送装置上的运行方向进入其它输送机或进入分拣道口。输送装置的主要组成部分是传送带或输送机，其主要作用是使待分拣商品鱼贯通过控制装置、分类装置，并沿固定线路运送商品。分拣道口是已分拣商品脱离主输送机进入集货区域的通道。用可编程控制器实现材料分选装置的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地对金属材料与非金属的分拣及其颜色的分选。分析了现代工厂在材料分选在控制与管理的现状，结合工厂的实际情况阐述了材料分选控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的工厂材料分拣装置控制系统的PLC设计方案。可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。如何利用当今计算机与自动控制技术，有效地进行材料分选，提高工厂的生产效率是值得我们研究的新课题。 随着社会的不断进步, 市场竞争的日趋激烈, 各个生产企业都迫切地需要改进生产技术,提高生产效率, 尤其在需要进行材料分拣的企业, 以往一直采用人工分拣的方法, 致使生产效率低, 生产成本高, 企业的竞争能力差, 材料的自动分拣已成为企业的唯一选择。分析了现代工厂在材料分选在控制与管理的现状，结合工厂的实际情况阐述了材料分选控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的工厂材料分拣装置控制系统的PLC设计方案。可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。PLC自动分拣系统装置简单、经济，能够提高企业的生产效率。第 2 页 共 24 页宿州学院 2013届本科生毕业论文 PLC概述 第一章 PLC概述1.1 PLC的发展历史 随着PLC的普及与推广，其应用领域越来越广泛。特别对于许多新建、扩建项目和设备的技术改造，常常用PLC作为控制装置。在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable ,是世界上公认的第一台PLC。我国对PLC的研制和应用起步比较晚，但是发展速度很快，如宝钢一期工程整个生产线上就使用了数百台PLC，二期工程使用的PLC数量更多。我国对PLC技术的研究和应用与美、日、德、法等工业发达国家相比还有较大差距，但潜在市场广阔。21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用1。1.2 PLC的优点 可编程控制器之所以能够得到迅速发展和广泛应用，主要是由于具有一下特点： 1. 可靠性高、抗干扰能力强。2. 编程简单、易于掌握。PLC采用梯形图方式编写程序，与继电器控制逻辑的设计相似，具有直观、简单、容易掌握等优点。3. 功能完善、灵活方便。4. 体积小、质量轻、功耗低。目前国内引用PLC在自动分拣过程中主要是作为自动分拣的控制器。基于PLC的材料分拣，可以把各种不同种类、不同颜色的材料进行甄别分拣。应用于工业生产的过程控制中可以大大的缩短运转周期，节约人力财力，提高生产效率。所以运用PLC作为材料的分拣是可行的也是现代工业生产所必要的手段。第 3 页 共 27 页宿州学院 2013届本科生毕业论文 设计方案的选择 第二章 设计方案的选择2.1自动分拣系统2.1.1自动分拣系统的组成 自动分拣系统一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口组成。 1.控制装置。控制装置的作用是识别、接收和处理分拣信号，根据分拣信号的要求指示分类装置、输送装置进行相应的作业。 2.分类装置。分类装置的作用是根据控制装置发出的分拣指令，当具有相同分拣信号的商品经过该装置时，该装置动作，使其改变输送装置上的运行方向进入其它输送机或进入分拣道口。3.输送装置。输送装置的主要组成部分是传送带或输送机，其主要作用是使待分拣商品鱼贯通过控制装置、分类装置，并沿固定线路运送商品。 4分拣道口。分拣道口是已分拣商品脱离主输送机(或主传送带)进入集货区域的通道2。2.1.2 自动分拣系统的主要特点 1能连续、大批量的分解货物。由于采用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，同时由于自动分拣系统单位时间分拣件数多，因此自动分拣系统的分拣能力是人工分拣系统无法比拟的。例如，目前世界上一般的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，除非条形码的印制本身有差错，否则不会出错。因此，目前自动分解系统主要采取条形码技术来识别货物。3分拣作业基本实行无人化。建立自动分拣系统的目的之一就是为了减少人员的使用，减轻人员的劳动强度，提高人员的使用效率，因此自动分拣系统能最大限度的减少人员的使用，基本做到无人化。分拣作业本身并不需要使用人员，人员使用仅局限于以下工作：送货车辆抵达自动分拣线的进货端时，由人工接货；由人工控制分拣系统的运行；分拣线末端由人工将分拣出来的货物进行集载、装车； 自动分拣系统经营、管理与维护。材料的分拣控制系统主要有继电器控制系统、单片机和PLC控制系统，三种控制系统都有各自的优缺点。 2.2 继电器控制 控制系统中，所用继电器数量不多的情况下，可采用此方案，因为这样较经济。但实际控制中会面临许多问题。 首先，继电器控制系统的接线多且复杂、体积大、功耗大、系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。另外，几点起的触点数量有限，所以继电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大的限制。从控制速度上看，电器控制系统依靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题。从定时和计数控制上看，继电器控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制，时间继电器的延时时间易受环境和温度变化的影响，定时精度不高。从可靠性和维护上看，由于继电器控制系统使用了大量的机械触点，其存在机械磨损，电弧烧伤等，寿命短，系统的接线多，所以可靠性和维护性较差。由此分析得继电器控制系统不合适自动分拣的控制。2.3 单片机控制 单片机具有集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功率低、使用方便、价格低廉等特点，在各个领域得到了广泛的应用与发展。但它的程序修改难度较大，可靠性比PLC要差，也要设计专门的接口电路和抗干扰措施。其需要设计和制作第 5页 共 27 页输入/输出接口电路、放大电路和印刷电路板，还需要用编程语言写控制程序，所以设计制作工作量大，周期长，而且它的抗扰能力很弱，对环境的适应性差。在使用时要求较好的工作环境，维护技术也较高，系统设计较复杂，调试技术难度大，需要有系统的计算机知识，对于一般人来说能力不够。2.4 可编程逻辑控制器（PLC）控制 从控制方式上来看，PLC采用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式放在存储器中，要改变控制逻辑只需要改变程序，因而很容易改变或增强系统功能。系统连线少、体积小、功耗小，而且PLC所谓“软继电器”实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的，PLC系统的灵活性和可扩展性好。 进入20世纪70年代，采用微处理器的工业控制计算机出现了，它与PLC共同推动着传统工业技术的改造。经过较长时间的实践，人们又发现，PLC它与一般公寓控制计算机相比，PLC还有这较强的优势，其原因是PLC专为工业环境下的应用而设计，在PLC中采用了如下的硬件和软件措施：1.光电耦合隔离和R-C滤波器，有效地防止了干扰信号的进入。2.内部采用电磁屏蔽，防止辐射干扰。3.采用优良的开关电源，防止电源线引入干扰。4.具有良好的自诊断功能可对CPU等内部的电路进行检测，一旦出错，立即报警。随着构成PLC的元器件性能的提高，PLC的可靠性也在相应的提高。一般PLC的平均无故障时间可达几万小时以上。经过大量实践人们发现PLC系统在使用中发生的故障大多是由于PLC外部的开关、传感器、执行机构引起的，而不是PLC本身发生的。抛开成本问题，PLC控制系统也是很适合自动分拣控制系统的。综合比较，本设计选用PLC控制方案3。宿州学院 2013届本科生毕业论文 控制系统的硬件设计第三章 控制系统的硬件设计设计分为两大类：硬件部分和软件部分，硬件部分包括气动部分和检测元件；软件为PLC程序部分。 3.1 气动装置 气动自动化控制技术是利用压缩空气作为传递动力或信号的工作介质，配合气动控制系统的主要气动元件，与机械、液压、电气、电子等部分或全部综合构成的控制回路，使气动元件按生产工艺要求的工作状况，自动按设定的顺序或条件动作的一种自动化技术。用气动自动化控制技术实现生产过程自动化，是工业自动化的一种重要手段，是一种低成本自动化技术。3.1.1气动控制系统 电气控制的气动系统在自动化应用中是相当广泛的。电气控制的特点是响应快，动作准确。在气动自动化系统中，电气控制主要是控制电磁阀的换向。电气控制也由继电器回路控制发展成今天的可编程序控制器控制。气动控制由于PLC的参与，才使庞大、复杂、多变的系统控制起来简单明了，使程序的编制、修改变得容易。早期由于电磁阀线圈的功率即PLC输出功率的原因，还要在阀与PLC之间采用一些中间环节。如今随着气动技术的发展，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，所以阀与PLC之间省却了许多中间环节，使控制系统变得简单。如今，随着工业的发展，自动化程度越来越高，气动应用领域越来越广，加上检测技术的发展，气动控制乃至自动化控制越来越离不开PLC。3.1.2气压传动的优缺点 1.优点： (1)用空气作为传动介质，来源方便，取之不尽，用之不竭，只要有压缩机即可比较简单地得到压缩空气。用后直接排入大气而不污染环境，且不需回气管路，故气动系统管路比较简单。第 14页 共 27 页 (2)与液压传动相比，气压传动反应快，动作迅速，一般只需0.02-0.03S就可以建立起需要的压力和速度。在一定的超载运行下也能保证系统安全工作，并且不易发生过热现象。因此，它特别适用于实现系统的自动控制。 (3)空气的粘度较小，在管道中流动是的沿程压力损失小，所以节能、高效。它有利于集中供气和远距离输送。(4)空气的性质受温度的影响小，高温下不会发生燃烧和爆炸，使用安全，所以对工作环境的适应性好，特别是在易燃、易爆、高尘土、强磁、辐射及振动等恶劣环境中，比液压、电气及电子控制都优越。(5)由于工作压力较低，降低了气动元件对材质和精度的要求，使气动元件结构简单、成本低、寿命长。(6)由于气体的可压缩性，便于实现系统的过载保护。(7)介质清洁，管道不易堵塞，不存在介质变质及介质的补充和更换问题。元件使用方便，维护简单。2.与其他传动形式相比，气压传动的缺点如下： (1)由于空气的可压缩性大，所以气动系统的动作稳定性差，负载变化是对工作速度的影响较大，给位置控制和速度控制精度带来很大的影响。(2)由于工作压力低，且结构尺寸不一过大，所以气压系统不易获得较大的输出力和力矩。因此，气动传动系统不适于重载系统。(3)气动装置中的信号传递速度比光、电信号慢，故不宜用于信号传递速度要求十分高的复杂线路中。同时，实现生产过程的遥控也比较困难，但对于一般机械设备，气动信号的传递速度是能满足需要的。(4)气动系统有较大的排气噪声，尤其在超音速排气时，需要加装消声器。(5)因工作介质空气本身无润滑性能，如不是采用无给油气动元件，需在气路中设置给润滑装置。(6)气压系统有泄漏，这是能量的损失。一定的外泄露也是允许的，但尽可能减少泄漏4。3.2 检测元件 传感器是测量装置和控制系统的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠地测量，无论是信号转换、信息处理、或者最佳数据的显示和控制，都将成为一句空话。现代电子技术和电子计算机为信息转换与处理系统提供了及其完善的手段，使检测与控制技术发展到崭新的阶段。但是如果没有精确可靠地传感器去检测各原始数据并提供真是的信息，那么计算机将无法发挥其应有的作用。3.2.1 光电码盘 光电码盘是与电机连接在一起，本装置中可用来作为控制系统的计数器，并提供脉冲输入。它转化为位移量，可对传输带上的物料进行位置控制，传送到相应的传感器时，发出信号到PLC，已进行分拣，也可用来控制电机的转速。本装置中用光电码盘作为控制系统的计数器。3.2.2 光电传感器 光电传感器是用来检测物体的靠近、通过等状态的光电传感器。从原理上讲，光电开关是由红外发射元件与光敏接收元件组成。光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。光电传感器采用光电元件作为检测元件，首先将被测量的变化转变为信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。它可用于检测直接引起光强变化的非电量，也可用来检测能转换成光亮变化的其他非电量。在本装置中光电传感器用来检测物体有无的。3.2.3 电感传感器 1.特点 电感传感器用作发信装置，可非接触检测金属物体的运动，并将检测结果转化为电信号输出。广泛应用于机器人、生产线、机械加工及传送系统等场合，其特点如下： (1)传感器能检测所有穿过或停留在高频磁场中的金属物体。第 9页 共 27 页 (2)传感器是非接触式的，即传感头与被测物体不直接接触。 (3)传感器的传感头无需配专门的机械装置。 (4)传感器靠电子装置接收检测信号，便于信号处理。 2.基本工作原理电感式接近开关属于有开关量输出的位置传感器，用来检测金属物体。它由LC高频振荡和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的震荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关震荡能力衰减，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。本装置中电感传感器用来检测铁质材料5。3.2.4 电容传感器 电容传感器也属于具有开关量输出的位置传感器，是一种接近式开关。它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是待测物体本身。当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此，便可控制开关的接通和关断。本装置中电容传感器是用于检测铝质材料。3.2.5 颜色传感器 颜色传感器是通过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。本装置中颜色传感器用来检测黄色非金属材料6。图1分拣装置结构示意图3.3 分拣系统的工作原理 本设计是基于区分材料的材质不同而设计的材料分拣系统，主要是实现对铁质、铝质、不同颜色的材料的自动分拣。具体控制过程为：1.系统送电后，按下启动开关，系统进入启动状态。2.电机运行，带动传输带传送物体向前运行。3.有材料时，下料传感器动作，传送带运行，将材料送出。4.当电感传感器检测到铁材料块时，气缸动作，将材料推下。5.当电容传感器检测到铝块材料时，气缸动作，将材料推下。6.当颜色传感器检测到非金属材料黄块时，气缸动作，将材料推下。7.其他颜色非金属材料被传送到SD位置，气缸动作，将材料推下。8.下料槽内无下料时，传送带运行一个行程自动停机。3.4确定PLC的容量 PLC的容量包括I/O点数和用户存储容量两个方面。 1.确定系统的实际输入点数 系统有光电码盘、光电传感器、电感传感器、电容传感器、颜色传感器、备用传感器、还有五个推气缸回限位和动作限位，共有十六个输入点。2.确定系统实际输出点数系统有五个气动控制元件YV1、YV2、YV3、YV4、YV5和电机，共六个输出点。 3.确定应选择PLC的点数 PLC平均的I/O点的价格还比较高因此应该合理选用PLC的I/O点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的I/O点最少，但必须留有一定的裕量。通常IO点数是根据被控制对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%-15%的裕量来确定7。 控制器采用西门子S7200系列的CPU224的PLC。它接受电感传感器、电容传感器、颜色传感器、单向感应电动机，气缸位置传感器的信号，根据要求分别控制输送带电机和各电磁阀动作。内置电源可以将220交流电转换成24V的直流电供给各个传感器与气阀以及转接板上的各个指示灯，同时也向单向感应电动机提供稳定的220V电压。 根据材料分拣系统的工作过程可知，系统的控制有输入信号16个，均为开关量。输出信号有6个，其中一个控制电动机，剩下的控制电磁阀，也都是开关量。 由于S7200的输入接口只有14个，所以要扩展I/O编址。CPU本机的I/O点具有固定的I/O地址，可以把扩展的I/O模块接至主机右侧来增加I/O点数，扩展模块I/O链中的位置决定。输入输出模块的地址不会冲突，模拟量控制模块不会影响数字量控制模块。对于本装置只需要扩展输入点数，所以只用扩展模块0。模块0输入点有I2.0-I2.7，无输出点。主机CPU224模块0EM221图2主机和扩展模块的连接示意图3.5 硬件电路的设计 自动分拣系统是由控制装置、分类装置、输送装置、及分拣道口组成。控制装置的作用是识别、接收和处理分拣信号，根据分拣信号的要求指示分类装置按材料性质、颜色的不同对材料进行自动分类。这些分拣需求可以通过不同方式，如可通过把不同的材料信号，输入到分拣控制系统中去，根据对这些分拣信号判断，来决定某一种材料该进入哪一个分拣道口8。西门子PLC(I/O)分拣系统接口（I/O）备注输入部分I0.0swf1(推气缸1动作限位)I0.1swf2(推气缸2动作限位)I0.2swf3(推气缸3动作限位)I0.3wf4(推气缸4动作限位)I0.4swf5(推气缸5动作限位)I0.5 SA (电感传感器)I0.6SB（电容传感器）I0.7SC（颜色传感器）I1.0SD（传感器）备用传感器I1.1sbw1(推气缸1回位限位)I1.2sbw2(推气缸2回位限位)I1.3sbw3(推气缸3回位限位)I1.4sbw4(推气缸4回位限位)I1.5sbw5(推气缸5回位限位)I2.0sn(下料传感器)判断有无下料I2.1UCP（计数传感器）输出部分Q0.0YV1(推气缸1电磁阀)Q0.1YV2(推气缸2电磁阀)Q0.2YV3(推气缸3电磁阀)Q0.3YV4(推气缸4电磁阀)Q0.4YV5(推气缸5电磁阀)Q0.5M（传送带电动机）表1 I/O地址分配第 13页 共 27 页根据I/O地址功能表得出下图的PLC外部接线图图3 PLC硬件接线图 第四章 控制程序设计分拣单元的主要工作过程是分拣控制。应在上电后，首先进行初始状态的检查，确认系统准备就绪后，按下启动按钮，进入运行状态，才开始分拣过程的控制。初始状态检查的程序流程，与前面所述的供料、加工等单元是类似的。但前面所述的几个特定位置数据，须在上电第一个扫描周期写到相应数据存储器中。系统进入运行状态后，随时检查是否有停止按钮按下。若停止指令已经发出，则系统完成一个工作周期回到初始步时，复位运行状态和初始化使系统停止。开始下料气缸是否回到原位下料气缸内是否有料Y光电码盘发脉冲电机运行皮带开始转动加计数器到预留值下料气缸5动作SA检测到物体SB检测到物体SC检测到物体N推气缸4工作连续动作 连续动作NNYN推气缸1动作推气缸2动作推气缸3动作YYY图4 控制系统流程图宿州学院 2013届本科生毕业论文 系统调试第五章 系统调试5.1 硬件调试 1.在通电状态下，在颜色传感器的下方的传送带上，放置某一有颜色的料块，调节传感器上的电位器，观察窗口中的红黄指示灯，当两灯同时发光时，该灵敏点为料块颜色检出点。2.在电感传感器下方的传送带上，放置铁质物块，调整传感器上的两螺母，使传感器上下移动，恰好使传感器上端的指示灯发光，该高度即传感器对铁质材料的检出点。 3.在电容传感器下方的传送带上，放置铝料物块，调整传感器上两螺母，使传感器上下移动，恰好使传感器上端的指示灯发光，该高度即传感器对铝质材料的检出点。4.气压表标值定在0.2MPa-0.85MPa。5.2 软件调试 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。编好的程序难免有这样那样的缺陷或失误。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和异常情况时都能作出正确的响应，需要进行离线测试，既不将PLC的输出接到设备上。按照控制要求在指定输入端输入信号，观察输出指示灯的状态，若输出不符合要求，则查找原因，并排除之。 出现的问题： 1.在调试中，程序不能循环运行。 解决方法：当下料槽无下料时，传送带运行一个行程自动停机后，让与开时串联的定时器复位，则可循环的运行。2.光电码盘是用来检测物块的个数，相当于技术传感器，没用上。解决方法：在此用了一个递增计数器，预置值为0，该传感器检测到一物块递加1，则最后的数为在该传送带上检测物块的个数。且当传送带停止运行时，计数器复位。通过对本例的设计使我们认识到PLC在工业生产中的重要作用。本装置使我们学习到了如何对系统进行设计，以及在元件选择方面的许多知识。在对系统进行设计时，必须首先了解该装置的功能和任务，在搞清楚这点以后才能对整个系统的设计方案有一个初步的认识，然后根据系统的需要来进行元件的选取和系统的模块化细分。近年来随着电子技术和计算机技术应用领域不断扩大，PLC技术已经成为电子技术领域中的一个新的亮点，使PLC技术成为一门综合应用技术，也是电子技术发展也革新的一个潮流。随着我们对PLC控制系统的认识的不断加深，相信在以后的工作和生产中我们会更加深