电子论文-基于PLC控制的模块化自动分拣系统.pdf

1 基于 PLC 控制的模块化自动分拣系统 Modular automatic sorting system based on PLC control 基于 PLC 控制的模块化自动分拣系统 Modular automatic sorting system based on PLC control 郑州大学机械工程学院 刘巧红刘巧红 刘广瑞刘广瑞 摘要 摘要 本文阐述了利用西门子公司生产的 PLC 结合传感器 气动 极限位置和 MPI 通信等技 术 并运用梯形图编程 设计并实现不同颜色材质工件的模块化自动分拣系统 该系统的灵 活性较强 程序开发简单 可适应进行工件分拣的柔性生产线的需求 文中也介绍了系统的 硬件和软件设计 关键词 关键词 模块化自动分拣系统 PLC MPI 传感器 气动 中图分类号 TP 278 文献标识码 B Abstract Abstract This paper described how to combine the PLC that was made by Siemens with sensor pneumatic limit the location and communications technologies such as MPI and program with the ladder shape figure designing and realizing the modular automatic system that sorts out the workpieces that were made by different color and material The flexibility of this system is fine and programming is easy It adapts to flexible production line for workpiece selecting The design of hardware and software are introduced also Key words Key words Modular automatic sorting system Programmable logic controller Multi Point Interface Sensor Pneumatic 0 引言 0 引言 成品或半成品工件的分拣是许多工业生产线上的重要环节 工件的分拣过去常采用机械 的 人工的分拣 劳动强度大 速度慢 效率低 生产成本高 以至企业的竞争能力差 随 着机械自动化水平的不断提高 自动分拣技术在物品分拣中的应用越来越广泛 已成为企业 提高竞争能力的唯一选择 既减少人力资源的浪费 又减轻工人的劳动强度 还提高生产效 率 大大加强产品生产的自动化 本文着重介绍了由传感器和 PLC 等构成的自动分拣系统 1 系统的构成和工作原理 1 系统的构成和工作原理 1 1 系统的构成 1 1 系统的构成 该系统有供料检测单元和工件分装单元构成 每个单元都是由各种独立的模块组成 系 统的结构分布示意图如图 1 所示 该系统的动力采用了气动技术 即空气压缩机为气源 控 制动作由 PLC 来执行 每个单元由一个 PLC 来控制 PLC 之间的通讯采用了 MPI 的通信方式 供料检测单元是按照需要将放置在料仓中的工件从料仓中自动取出 并对其进行材料和 颜色的识别 再将其送到下一单元 即工件分装单元 主要由送料模块 检测模块 转运模 块 I O 接线端子 真空发生器 气源处理件组件 传感器 CP 阀组 消声器 控制面板 线槽 铝合金底板 若干导线及管线等组成 工件分装单元是将经过转运模块放置在传送带上的工件分别送入不同的滑槽 主要由传 送模块 滑槽模块 气源处理组件 I O 接线端子 传感器 CP 阀组 控制面板 若干导线 及管线等组成 其中传送模块主要由传送带模块 导轨 传感器和分离器组成 1 2 工作原理 1 2 工作原理 系统在工作过程中 首先有供料单元中的传感器 A1 对射式光电传感器 检测到料仓 有料 气缸 1 推料气缸 开始动作 将工件推到料槽中 极限位置的磁感应式接近开关 B2 动作时 工件送到了预定位置 同时传感器 A3 和传感器 A4 电感式及光电式传感器 识别 工件的颜色和材质 传感器完成检测工件的特性 黑色 红色 金属色 后 转运模块的旋 转气缸 气缸 2 动作 其摆臂的转角范围是 0 150 由旋转气缸驱动摆臂到工件位置 2 图 1 系统结构分布示意图 图 1 系统结构分布示意图 极限位置有行程开关 B3 来限定 到位后真空发生器动作 由已产生真空的真空吸盘来吸取 工件 并由真空检测传感器判断是否有工件被吸住 真空吸盘在摆臂转动过程中 一直保持 垂直向下的姿态 另一个极限位置的行程开关 B4 动作时 释放真空 将工件放到工件分装 单元的传送带上 传送带由一个 24V 直流电机驱动 传送带的始端和中端装有两个气控的拨叉 负责将黑 色工件送入第一个滑槽 红色工件送入第二个滑槽 将金属工件送入第三个滑槽 在滑槽的 入口处装有反射式光电传感器 A5 用于检测是否有工件划入滑槽 或者判断滑槽中的工件 是否已满 当工件被放在传送带起始位置时 受到传感器 A2 漫反射式光电传感器 的检 测 检测到传送带上有工件 则电机开始动作 传送带运动 根据供料检测单元的传感器 A3 和 A4 的信号 传送带和气控的拨叉合作将其分拣到正确的滑槽上 2 驱动系统的设计2 驱动系统的设计 驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置 气动系统具有起源使用方便 不污染环境 动作灵活迅速 工作安全可靠 操作维修简便以及适合在恶劣环境下工作等特点 本系统采 用气动技术来实现所要求的操作 气动原理图如图 2 所示 图中控制汽缸 1 汽缸 2 和真空发生器的电磁阀集成在一个 CP 阀组上 位于供料检测 单元 控制汽缸 3 和汽缸 4 的电磁阀集成在一个 CP 阀组上 位于工件分装单元 气源开关打开 压力空气经过单电控的二位五通电磁阀 1Y1 进入汽缸 1 电磁线圈得电 空气进入汽缸 1 的无杆腔 使活塞杆向前运动从而使物料被推出料仓 即从料仓中提取工件 的过程 当电磁线圈失电时 压力空气不会进入无杆腔 在弹簧的作用下活塞杆回到原位置 图 2 系统气动原理图 图 2 系统气动原理图 空气经过双电控的二位五通电磁阀 2Y1 和 2Y2 进入真空发生器 此发生器的进气口与真 空吸盘相连 从而执行对工件的吸附和释放的动作 当电磁阀 2Y1 得电 2Y2 失电时 产生 真空 真空吸盘执行吸住工件的动作 而当电磁阀 2Y1 失电 2Y2 得电时 释放真空 真空 3 吸盘执行放置工件的动作 压力空气经过双电控的三位五通电磁阀 3Y1 和 3Y2 进入汽缸 2 实现摆臂左右运动 达到 将工件运送到传送带上的目的 当电磁阀 3Y1 得电 3Y2 失电时 摆动汽缸摆向 B3 位置执 行抓取动作 而当电磁阀 3Y1 失电 3Y2 得电时 摆动汽缸摆向摆向 B4 位置执行放置动作 压力空气经过单电控的二位五通电磁阀 4Y1 分别进入汽缸 3 电磁线圈得电 空气进入 汽缸 3 的无杆腔 使活塞杆向前运动从而使黑色工件被推到第一个滑槽中 当电磁线圈失电 时 压力空气不会再进入无杆腔 在弹簧的作用下活塞杆回到原位置 电磁阀 5Y1 和汽缸 4 的联合作用下使红色工件被推到第二个滑槽同理于与黑色工件的 3 控制系统的硬件组成 3 控制系统的硬件组成 3 1 系统的硬件配置 3 1 系统的硬件配置 该系统的控制部分有工控机一台 CP5412 通信卡一块 西门子 S7 300 的 PLC 两个 型 号均为 CPU315 2DP 4 个具有 8 个输出和 8 个输入的 I O 模块 控制模板两个 工控机运行 应用的操作程序和通信程序 控制模板可让操作员启动分拣系统 PLC 是控制系统的核心部件 其正确的选择对于保证整个控制系统的技术经济性能指标 起着重要的作用 此系统选择 S7 300 型号的 PLC 控制点数较多 控制功能强 用于中型 控制场合 在通信网络中可作主站也可作从站 且选用模块式的机构形式 配置灵活 装配 方便 便于扩展和维修 CPU 是 PLC 系统的运算控制核心 它根据系统程序的要求完成以下任务 接收并存储用 户程序和数据 接收现场输入设备的状态和数据 诊断 PLC 内部电路工作状态和编程过程中 的语法错误 完成用户程序规定的运算任务 更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内 容 实现输出控制或数据通信等功能 此系统选用了 CPU315 2DP 其是具有中到大容量程 序存储器和 PROFIBUS DP 主 从接口的 CPU 它用于包括分布式及集中式 I O 的任务中 带 有现场总线 PROFIBUS SINEC L2 DP 接口的 CPU 模块 I O 模块也即信号模块 是 CPU 模块与现场输入输出元件和设备连接的桥梁 用户可根 据现场输入 输出设备选择各种用途的 I O 模块 3 2 I O 接点分配 3 2 I O 接点分配 此系统的输出主要是电磁阀和指示灯 根据各方面要求选用了三个 DI8 DO8 24DC 0 5A 的 SM323 输入 输出模块 I O 接点的分配此处略 如需要可向作者索要 4 控制系统的软件设计 4 控制系统的软件设计 软件设计是整个 PLC 电气控制部分设计的核心 根据控制要求 确定控制的操作方式 应完成的动作 以及必须的保护和连锁 还要确定所有的控制参数 4 1 单元的生产工艺流程 4 1 单元的生产工艺流程 控制程序需要根据规划中的工艺流程来编制 在此给出了工艺流程流程图如图 3 4 2 PLC 之间的通信 4 2 PLC 之间的通信 该系统的通信速率要求不高 通信数据量不大 所以可以采用一种简单经济的通信方式 即 MPI Multi Point Interface 通信 它不需要额外的硬件和软件就可组成小型 PLC 通 信网络 S7 300CPU 都集成了 MPI 通信协议 连接电缆为 PROFIBUS 电缆 屏蔽双绞线 网 络插头 PROFIBUS 接头 带有终端电阻 在设置 PLC 侧参数进行硬件组态时 MPI 的波特率固定地设为 187 5kbps MPI 地址分 别设为 2 和 4 在 PC 侧设置参数时选择 CP5412 作为通信卡 然后将这些组态信息通过 PC Adapter PC 适配器 和 PLC 侧的 MPI 口连接下载到 CPU 中 在该系统中的 MPI 通信方法采用 了全局数据块通信的方式 硬件连接将两个 PLC 的 MPI 口用屏蔽双绞线对接即可 但要额外 定义组态数据的发送区和接收区 并且也要把这些均下载到 CPU 中 如图 4 所示连接示意图 4 图 3 供料检测单元和工件分装单元的工艺流程图图 3 供料检测单元和工件分装单元的工艺流程图 图 4 MPI 网络连接示意图 图 4 MPI 网络连接示意图 4 3 编写控制程序 4 3 编写控制程序 采用 STEP7 软件对该控制系统进行编程 该软件功能强大 可实现测试 在线编程运行 诊断等多种功能 并且具有友好的用户界面 它支持梯形图 LAD 功能图块 FBD 语句 表 STL 等多种编辑语言 用户完全可以根据自己的爱好进行选择 此系统的编程思路是先考虑各个输出状态 把与每一个输出动作有联系的各个输入器件 的状态列出来 而且要考虑系统控制的具体要求 当操作人员按下急停按钮时系统要立即停 止动作 同时为了保证系统的安全运行 在编程时应设置一些必要的联锁 例如摆臂的抓取 工件和放置工件的动作 此功能完全相反 在编程时要特别注意不能使此系列的输出同时置 ON 当编好程序后 用厂家专门提供的 PC 适配器从计算机的 RS 232 串行口下载程序到 PLC 的 MPI 接口 从而该系统既执行所需要的动作 此处不附带具体程序 如需要可向作者索取 5 结束语 5 结束语 该系统采用了西门子系列的可编程控制器作为控制系统的核心 并酝酿气动装置 传感 技术 且采用了先进的 MPI 通信技术为平台 扩展性好 工件分拣准确率高 提高了分拣效 率 降低了物流成本 另外的优点是只要根据不同的情况 对象场地 对该系统稍加改动即 可实现要求 即该系统具有推广价值 参考文献 参考文献 1 杨公源 可编程控制器 PLC 原理与应用 M 北京 电子工业出版社 2004 2 樊尚春 传感器技术及应用 M 北京 北京航空航天大学出版社 2004 5 3 王伯雄 测试技术基础 M 北京 清华大学出版社 2003 4 秦益霖 西门子 S7 300PLC 应用技术 M 北京 电子工业出版社 2007 5 郭润夏 PLC 在自动材料分拣系统中的应 J 微计算机信息 2006 5 1 62 64 6 何瑞 模块化生产加工系统应用教程 M 天津 天津大学出版社 2008 作者简介作者简介 刘巧红 1983 女 汉族 籍贯 河南 郑州大学机械工程学院硕士研究生 研究方向 管控一体化 刘广瑞