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基于PLC的物料分拣控制系统毕业设计论文

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关键词：: 基于 plc 物料分拣控制系统毕业设计论文

资源描述：

摘要………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract ………………………………………………………………………………Ⅱ

第1章绪论………………………………………………………………………………1

1.1 课题研究目的和意义……………………………………………………………1

1.2 课题研究现状及分析……………………………………………………………2

1.3 设计内容及拟解决主要问题……………………………………………………6

第2章物料分拣控制系统的总体方案设计……………………………………… 7

2.1 技术要求…………………………………………………………………………7

2.2 系统的构成………………………………………………………………………7

2.3 系统流程图及工作原理………………………………………………………… 8

2.4 本章小结…………………………………………………………………………9

第3章物料分拣控制系统的硬件设计 ……………………………………10

3.1 PLC的选择………………………………………………………………………10

3.2 传感器的选择……………………………………………………………………18

3.3 本章小结…………………………………………………………………………21

第4章物料分拣控制系统的软件设计……………………………………22

4.1控制系统I/O分配………………………………………………………………22

4.2 PLC外部接线图………………………………………………………………24

4.3软件设计…………………………………………………………………………25

4.4本章小节………………………………………………………………………… 29

结论……………………………………………………………………………………… 30

参考文献 ………………………………………………………………………………31

致谢………………………………………………………………………………………33

附录………………………………………………………………………………………34

摘要

传送带在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

本文在纵观了近年来传送带发展状况的基础上，结合传送带方面的设计，对传送带技术进行了系统的分析，提出了PLC控制的设计方案。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对物料分拣传送带的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用气动驱动，控制系统中选择PLC的控制单元来完成对金属工件根据工件大小进行大中小分类，并进行计数；对非金属材料通过传送带向后传送，并进行计数；实现对传送带启动，停止的控制等功能。

通过以上部分的工作，得出了经济型、实用型、高可靠型物料分拣传送带的设计方案，对其他经济型PLC控制系统的设计也有一定的借鉴价值。

关键词：PLC；物料分拣；传送带；控制系统；自动化

ABSTRACT

The conveyor belt plays an extremely important role in the field of advanced manufacture. It can handle cargo, sort items and take the place of the heavy labor of the people. It can achieve the mechanization and automation of production, and can operate in hazardous environments in order to protect the personal safety, which is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sector.

This article has investigated the latest development of conveyor belt, combined the design of conveyor belt, carried out a systematic analysis on the conveyor belt technology, and put forward a PLC control program. This design uses the idea of overall design, and gives full consideration to the software and hardware characteristics and complementary optimization. It has also analyzed and designed the overall structure of the material sorting conveyor, the executive structure of the drive system and control system. In its drive system and control system, pneumatic drive and PLC’s control unit have been not only used to classify medium and small metal materials and count based on the materials’ size, but also used to transmit and count non-metallic materials by conveyor, which achieves the functions

on the conveyor belt to start, stop, control.

Throughout the above work, this design has obtained an economical, practical, highly reliable material sorting conveyor design program, which also has a reference value for other economic PLC control system’s design.

Key words: PLC；Material sorting；Conveyor belt；Control system；Automation

3.2传感器的选择

对于金属物料分拣的小、中、大采用3个接近开关进行判断。接近开关分别放置于传送带1的上方，并调整好固定高度。2、3、4传送带的启动分别通过安装于传送带前方的光电接近开关进行控制。物料的到位由装设在汽缸处的接近开关检测，通过PLC程序控制判断由哪个汽缸执行推出动作并进行计数[21]。

3.2.1电感式接近开关传感器的选择

采用电感式接近开关，这种开关有时也叫涡流式接近开关。它是利用导电物体在接近这个能产生电磁场接近开关时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电体。接近开关由于具有体积小、重复定位精度高、使用寿命长、抗干扰性能好、可靠性高、防尘、放油等特点被广泛应用于各种自动化生产线。传感器的接线方式采用直流（DC）二线常开（NO）型。

1.电感式接近开关传感器的电气指标

1）工作电压：是指电感式接近开关传感器的供电电压范围，在此范围内可以保证传感器的电气性能及安全工作。

2）工作电流：是指电感式接近开关传感器连续工作时的最大负载电流。

3）电压降：是指在额定电流下开关导通时，在开关两端或输出端所测量到的电压，

4）空载电流：是指在没有负载时，测量所得的传感器自身所消耗的电流。

5）剩余电流：是指开关断开时，流过负载的电流。

6）极性保护：防止电源极性误接的保护功能。

7）短路保护：超过极限电流时，输出会周期性地封闭或释放，直至短路被清除。

2.使用方法

1）直流两线制接近开关的ON状态和OFF状态实际上是电流大、小的变化，当接近开关处于OFF状态时，仍有很小电流通过负载，当接近开关处于ON状态时，电路上约有5V的电压降，因此在实际使用中，必须考虑控制电路上的最小驱动电流和最低驱动电压，确保电路正常工作。

2）直流三线制串联时，应考虑串联后其电压降的总和。

3）如果在传感器电缆线附近，有高压或动力线存在时，应将传感器的电缆线单独装入金属导管内，以防干扰。

4）使用两线制传感器时，连接电源时，需确定传感器先经负载再接至电源，以免损坏内部元件。当负载电流<3mA时，为保证可靠工作，需接假负载[22]。

R≤US/（IL-3）

P>US2/R

P为假负载消耗功率；

R为假负载阻值；

IL为传感器的负载电流[23]

3.使用仪器

万用表、示波器、电源（+12V）

4.调试步骤

1）接好电源，测量T1的c极电压应为6V；

2）用示波器观察T1的e极，应有高频振荡波形；若无振荡波形，应仔细检查电感线圈接线是否正确，T1周围R、C参数是否正确无误，采取相应措施处理，直到出现振荡波形为止；

3）用示波器观察输出，应为高电平，且LED不亮，然后用金属物体靠近电感线圈，其输出应变为低电平，同时LED亮，说明工作正常；

4）若不正常，应检查T2、T3、T4的状态及周围元件，无金属物体接近电感线圈时，T2导通，T3、T4截止，有金属物体接近时，T2截止，T4导通[24]。

5.电感式接近开关传感器的选型

1）根据安装要求，合理选用外形及检测距离。

2）根据供电，合理选用工作电压。

3）根据实际负载，合理选择传感器[/URL]工作电流。

4）选择接线方式[25]。

6.可根据使用对象的要求合理选择接线方式[26]

表3.5国内、国际常用色线对照

类型国际国内

+V棕红

GND蓝黑

Vout黑绿

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Image 049.png

Image 050.png

内容简介：: 本科学生毕业设计基于 PLC的物料分拣控制系统设计系部名称：机电工程学院专业班级：机械设计制造及其自动化 08-1班学生姓名： XXX 指导教师： XXX 职称： XXX 二一二年六月 nts The Graduation Design for Bachelors Degree the Design of Material Sorting Based on PLC Control System Candidate： Specialty： Mechanical Design and Manufacture & Automation Class： Mechannism 08-1 Supervisor： 2012-06Harbin nts 摘要传送带在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。本文在纵观了近年来传送带发展状况的基础上，结合传送带方面的设计，对传送带技术进行了系统的分析，提出了 PLC 控制的设计方案。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对物料分拣传送带的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用气动驱动，控制系统中选择 PLC 的控制单元来完成对金属工件根据工件大小进行大中小分类，并进行计数；对非金属材料通过传送带向后传送，并进行计数；实现对传送带启动，停止的控制等功能。通过以上部分的工作，得出了经济型、实用型、高可靠型物料分拣传送带的设计方案，对其他经济型 PLC 控制系统的设计也有一定的借鉴价值。关键词： PLC；物料分拣；传送带；控制系统；自动化 nts ABSTRACT The conveyor belt plays an extremely important role in the field of advanced manufacture. It can handle cargo, sort items and take the place of the heavy labor of the people. It can achieve the mechanization and automation of production, and can operate in hazardous environments in order to protect the personal safety, which is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sector. This article has investigated the latest development of conveyor belt, combined the design of conveyor belt, carried out a systematic analysis on the conveyor belt technology, and put forward a PLC control program. This design uses the idea of overall design, and gives full consideration to the software and hardware characteristics and complementary optimization. It has also analyzed and designed the overall structure of the material sorting conveyor, the executive structure of the drive system and control system. In its drive system and control system, pneumatic drive and PLCs control unit have been not only used to classify medium and small metal materials and count based on the materials size, but also used to transmit and count non-metallic materials by conveyor, which achieves the functions on the conveyor belt to start, stop, control. Throughout the above work, this design has obtained an economical, practical, highly reliable material sorting conveyor design program, which also has a reference value for other economic PLC control systems design. Key words: PLC； Material sorting； Conveyor belt； Control system； Automation nts 目录摘要 Abstract 第 1 章绪论 1 1.1 课题研究目的和意义 1 1.2 课题研究现状及分析 2 1.3 设计内容及拟解决主要问题 6 第 2章物料分拣控制系统的总体方案设计 7 2.1 技术要求 7 2.2 系统的构成 7 2.3 系统流程图及工作原理 8 2.4 本章小结 9 第 3 章物料分拣控制系统的硬件设计 10 3.1 PLC 的选择 10 3.2 传感器的选择 18 3.3 本章小结 21 第 4 章物料分拣控制系统的软件设计 22 4.1 控制系统 I/O 分配 22 4.2 PLC 外部接线图 24 4.3 软件设计 25 4.4 本章小节 29 结论 30 参考文献 31 致谢 33 附录 34 nts 1 第 1 章绪论 1.1 课题研究目的和意义近二十年来 , 电气技术的应用领域迅速拓宽 , 尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合 , 使整个系统自动化程度更高 , 控制方式更灵活 , 性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展 ,对气动技术提出了更多更高的要求。本文主要针对生产线上的自动化设计了一个四段物料分拣传送带，实现生产的自动化。启动后，供料传送带启动并开始供料，当物料为金属物料时，首先判断物料尺寸大小，传送带输出物料分别对大、中、小物料进行计数，物料到位，通过汽缸将物料推出，然后停止传送带；当物料为非金属时，直接将物料输送出去，并对非金属物料进行计数 1。伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机传送带就在这样诞生了 ,其中的自动分拣传送带是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；广泛的应用传送带，可以逐步改善劳动条件，更强与可控的生产能力，加快产品更新换代，提高生产效率和保证产品质量，消除枯燥无味的工作，节约劳动力，提供更安全的工作环境，降低工人的劳动强度，减少劳动风险，提高机床，减少工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存，显著地提高劳动生产率，提高企业竞争力，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。本设计拟开发的基于 PLC的物料分拣传送带可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，可分拣重量较大的工件，采用 PLC 控制，和传统继电器控制相比较，具有稳定性高，接线简单，抗干扰能力强，维修方便等优点。可以简化控制线路，节省成本，进一步提高劳动生产率。 PLC 具有许多明显的优点： 1）高可靠性： PLC 所有的输入输出接口电路都采用光电隔离，使工业现场的外部电路与 PLC 内部电路之间实现电气隔离； PLC 各输入上均采用 R-C 滤波技术，其滤波时间常数一般为 10-20ms； PLC 各模块采用了性能良好的开关电源； PLC 所采用的器件都进行严格的筛选和老化。 nts 2 2）丰富的输入输出模块： PLC 针对不同的工业现场信号，有丰富的模块供用户选用，如： DC/AC,数字量 /模拟量，电压 /电流，脉冲 /电位等等。 PLC 相应的输入输出模块与工业现场的多种器件或者设备相连接。与输入模块相连有按钮、行程开关、接近开关等；与输出模块相连的有电磁阀、接触器、电机、指示灯等。为了提高 PLC 的功能，它还提供了多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络， PLC 还有多种通信模块。 3）采用模块化结构：除了厢体式的小型 PLC，目前绝大多数 PLC 均采用模块化结构。 PLC 的各个部件如 CPU、电源等都采用模块化设计，由机架和电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能用户可自己组合。 4）编程简单： PLC 的编程大多数采用类似于继电器控制线路的梯形图格式，形象直观，易学易懂。 5）安装简单，维修方便 2。 1.2 课题研究现状及分析 1.2.1 国内外 PLC 发展现状和趋势工业生产过程中，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 PLC3。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的 PLC 主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。 20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的 PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称 PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为 Programmable Logic Controller（ PLC）。 20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、 PID 功能及极高的性价比奠定了nts 3 它在现代工业中的地位。 20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为 3040%。在这时期， PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高， PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展 4。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 PLC 的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列、杭州机床电器厂生产的 DKK 及 D 系列、大连组合机床研究所生产的 S 系列、苏州电子计算机厂生产的 YZ 系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的 PLC 生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入， PLC 在我国将有更广阔的应用天地 5。 1.2.2 PLC 的发展趋势 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nts 4 及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用 6。其主要表现为： 1）产品规模向大、小两个方向发展大： I/O 点数达 14336 点、 32 位为微处理器、多 CPU 并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。小：由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。 2） PLC 在闭环过程控制中应用日益广泛 3）不断加强通讯功能 4）新器件和模块不断推出高档的 PLC 除了主要采用 CPU 以提高处理速度外，还有带处理器的 EPROM 或 RAM 的智能 I/O 模块、高速计数模块、远程 I/O 模块等专用化模块。 5）编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的 PLC 指令系统。 6）发展容错技术采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。 7）追求软硬件的标准化 7。 1.2.3 国内外传送带发展现状和发展趋势 17 世纪中，美国开始应用架空索道传送散状物料； 19 世纪中叶，各种现代结构的传送带输送机相继出现。 1868 年，在英国出现了皮带式传送带输送机； 1887年，在美国出现了螺旋输送机； 1905 年，在瑞士出现了钢带式输送机； 1906 年，在英国和德国出现了惯性输送机。此后，传送带输送机受到机械制造、电机、化工和冶金工业技术进步的影响，不断完善，逐步由完成车间内部的传送，发展到完成在企业内部、企业之间甚至城市之间的物料搬运，成为物料搬运系统机械化和自动化不可缺少的组成部分。传送带一般按有无牵引件来进行分类。具有牵引件的传送带一般包括牵引件、承载构件、驱动装置、张紧装置、改向装置和支承件等。牵引件用以传递牵引力，可采用输送带、牵引链或钢丝绳；承载构件用以承放物料，有料斗、托架或吊具等；驱动装置给输送机以动力，一般由电动机、减速器和制动器 (停止器 )等组成；张紧装置一般有螺杆式和重锤式两种，可使牵引件保持一定的张力和垂度，以保证传送带正常运转；支承件用以承托牵引件或承载构件，可采用托辊、滚轮等。具有牵引件的传送带设备的结构特点是：被运送物料装在与牵引件连结在一起的承载构件内，或直接装在牵引件 (如输送带 )上，牵引件绕过各滚筒或链轮首尾相连，形成包括运送物料的有载分支和不运送物料的无载分支的闭合环路，利用牵引件的连续运动输送物料。这类的传送带设备种nts 5 类繁多，主要有带式输送机、板式输送机、小车式输送机、自动扶梯、自动人行道、刮板输送机、埋刮板输送机、斗式输送机、斗式提升机、悬挂输送机和架空索道等。没有牵引件的传送带设备的结构组成各不相同，用来输送物料的工作构件亦不相同。它们的结构特点是：利用工作构件的旋转运动或往复运动，或利用介质在管道中的流动使物料向前输送。例如，辊子输送机的工作构件为一系列辊子，辊子作旋转运动以输送物料；螺旋输送机的工作构件为螺旋，螺旋在料槽中作旋转运动以沿料槽推送物料；振动输送机的工作构件为料槽，料槽作往复运动以输送置于其中的物料等 8。 1.2.4 传送带设备的发展方向未来传送带设备将向着大型化发展、扩大使用范围、物料自动分拣、降低能量消耗、减少污染等方面发展。大型化包括大输送能力、大单机长度和大输送倾角等几个方面。水力输送装置的长度已达 440 公里以上带式输送机的单机长度已近 15 公里，并已出现由若干台组成联系甲乙两地的 “带式输送道 ”。不少国家正在探索长距离、大运量连续输送物料的更完善的输送机结构。扩大输送机的使用范围，是指发展能在高温、低温条件下有腐蚀性、放射性、易燃性物质的环境中工作的，以及能输送炽热、易爆、易结团、粘性物料的传送带设备。常见传送带有 TD75 型和 DT 型传送带 ,带式输送机 9。 1.2.5 本设计所采用的传送机构就是带式传送机 . 带式传送机是在一定的线路上连续输送物料的物料搬运机械，又称连续输送机。输送机可进行水平、倾斜和垂直输送，也可组成空间输送线路，输送线路一般是固定的。输送机输送能力大，运距长，还可在输送过程中同时完成若干工艺操作，所以应用十分广泛。带式输送机（直线式）该输送机用于物料的输送。采用不锈钢网带作为载体，适用于各种食品行业的烘干、去湿、冷冻等、热处理等；不锈钢制成，具有耐高温、便于清洗等特点；具体尺寸可以根据客户要求定做。带式输送机应用行业：食品、冶金、电力、煤炭、化工、建材、码头、粮食等。带式输送机结构形式有：水平直线输送、提升爬坡输送、转弯输送等多种形式，输送带上还可增设提升挡板、侧挡板等附件，能满足各种工艺要求。带式输送机输送机材质：有 A3 低碳钢、 201 不锈钢、304 不锈钢等。驱动方式有：减速电机驱动。调速方式有：变频调速、无极变速 10。 nts 6 1.3 设计内容及拟解决主要问题随着传送带技术的飞速发展和传送带应用领域的不断深化，不仅要求其控制可靠性强、使用灵活性高和操作灵活性好，还要其成本低、可开发经济性强。本论文主要研究物料分拣传送带以下几个方面的内容： 1）对金属工件根据工件大小进行大中小分类，并进行计数。 2）对非金属材料通过传送带向后传送，并进行计数。 3）实现对传送带启动，停止的控制。主要解决问题如下： 1)分拣装置设计 2)分拣装置控制系统流程设计 3)PLC 的选择 4)传感器选择 5)控制系统 I/O 分配 11 nts 7 第 2 章物料分拣控制系统的总体方案设计 2.1 技术要求 1）对于金属工件能根据工件大小进行大、中、小分类，并按大、中、小分拣至不同的分装箱内，同时对不同类型的工件进行计数。 2）本系统还将对不同材料进行分拣，对于非金属材料则通过传送带向后输送，并进行非金属工件的计数。 3）能实现 4 段传送带的运转、停止的顺序控制。 2.2 系统的构成正如图 2.1 所显示，系统的主要组成部分分为传送带四条、接近开关十个。 X 1 ( 上 )X 2 ( 中 )X 3 ( 下 )小中大X 7Y 5( 推出机构 )X 1 0( 检测到部件 )Y 6( 推出机构 )X 1 1( 检测到部件 )Y 7( 推出机构 )X 1 0( 检测到部件 )Y 0 ( 供给指令 )X 0 ( 原点指令 )Y 1 （输送带正转）X 4Y 2 ( 输送带正转 )X 5Y 3 ( 输送带正转 )X 6Y 4 ( 输送带正转 )图 2.1 物料分拣装置示意图 nts 8 2.3 系统流程图及工作原理启动供料传送带 1 输送计数到？结束物料尺寸传送带输送计数到位？推出大？停转传送带 2 物料尺寸传送带输送计数到位？推出中？停转传送带 2 物料尺寸传送带输送计数到位？推出小？停转传送带 2 传送带输送非金属工件图 2.2 分拣装置控制系统流程图 nts 9 如图 2.2 所示，启动后，供料传送带启动并开始供料，当物料为金属物料时，首先判断物料尺寸大小，传送带输出物料分别对大、中、小物料进行计数，物料到位，通过汽缸将物料推出，然后停止传送带；当物料为非金属时，直接将物料输送出去，并对非金属物料进行数 12。 2.4 本章小结本章根据技术要求设计了主系统结构框图，系统的构成，以及系统的工作原理。通过图示可以清晰地看出系统结构的连接方式。物料分拣控制系统以 FX2N-48MR-001为中心，控制传送带来实现其预期的结果。 nts 10 第 3 章物料分拣控制系统的硬件设计物料分拣控制系统的硬件设计包括 PLC 的选择和传感器的选择两部分 13 。 3.1 PLC 的选用 3.1.1 什么是 PLC PLC的全称是 Programmable Logic Controller（可编程序控制器） ,刚引入国内时，曾简称为 PC。后来， IBM-PC获得广泛应用， PC成了个人电脑的代名词，才改为 PLC。PLC还有另外的一个意思是 Power Line Carrier(电力线载波 ) 14。 3.1.2 PLC与单片机的区别 1） PLC是建立在单片机之上的产品，单片机是一种集成电路，两者不具有可比性。 2）单片机可以构成各种各样的应用系统，从微型、小型到中型、大型都可， PLC是单片机应用系统的一个特例。 3）不同厂家的 PLC有相同的工作原理，类似的功能和指标，有一定的互换性，质量有保证，编程软件正朝标准化方向迈进。这正是 PLC获得广泛应用的基础。而单片机应用系统则是八仙过海，各显神通，功能千差万别，质量参差不齐，学习、使用和维护都很困难。最后，从工程的角度，谈谈 PLC与单片机系统的选用； 4）对单项工程或重复数极少的项目，采用 PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高，可靠性好，手尾少，但成本较高。 5）对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。最好的方法是单片机系统嵌入 PLC的功能，这样可大大简化单片机系统的研制时间，性能得到保障，效益也就有保证 15。 3.1.3 PLC与继电器系统的异同继电器接触器是以电磁开关为主体的低压电器元件，其构成的系统是用导线依一定的规律将它们连接起来，实现不同的控制功能。从逻辑控制看， PLC与继电器系统的区别主要是 : （一）组成器件不同 nts 11 （二）触点数量不同（三）实时控制的方法不同（四）工作方式不同 16 3.1.4 PLC 的硬件组成与各部分的作用可编程控制器 (PLC)是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。其结构如下图 : 可编程控制器基本单元（ M）电源按钮微处理器（ CPU）接触器输输限位开关入运算器出指示灯接接 KV.触点口控制器口电磁阀 COM 端电源编辑器其它 PC 外存储器扩扩打印机设展展计算机接系统程序用户程序接单写入器口口元图 3.1 PLC 硬件基本组成的简化框图 nts 12 由图可见， PLC的硬件是由主机（基本单元）、 I/O扩展模块以及各种外部设备组成，通过各自的端口联成一个整体。其主要组成及各部分作用是： 1） CPU CPU是 PLC的核心，起神经中枢的作用，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成， CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。每套 PLC至少有一个 CPU，它按 PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 2）存储器存储器分为系统存储器和用户存储器 , 用户存储器包括用户程序存储器和数据存储器两种，前者用于存放用户程序，后者用来存放用户程序执行过程中使用 NO/OFF状态量或数值量，以生成用户数据区。用户存储器内容由用户根据控制需要可读可写，可任意修改、删除。可采用高密度、低功耗的 CMOS RAM或 EPROM与EEPROM。他在 PLC技术指标中的内存容量系指用户存储器容量，是 PC等级的一项重要指标；系统存储器用于固化 PLC生产厂家编写的各种系统工作程序，相当于单片机的监控程序或个人计算机的操作系统，在很大程度上他决定该种 PC的性能和质量，用户无法更改或调用。 3）输入、输出单元（ I/O单元） I/O口单元称为 I/O接口电路， PLC程序执行过程中需要用的各种开关量、数字量或模拟量等各种外部设备或设定量，都通过输入电路进入 PLC。而程序执行结果又是通过输出电路送到控制现场实现外部控制功能。由于生产过程当中的信号电平、频率是多种多样的，外部执行机构所需的电平、频率也是千差万别的，而 CPU处理的信号只是标准电平，其工作节拍又与外部环境不一样。所以 PLC与通用计算机 I/O电路有着类似的作用，即电平变换、速度匹配、驱动功率放大、信号隔离等。不同的是， PC产品的 I/O单元是顾及其工作环境和各种要求而经过精心设计和制造的。通用计算机则要求拥护根据使用条件自行开发，其可靠性、抗干扰能力往往达不到系统要求 17。 (1) 输入接口电路各种 PLC输入电路大致相同，其输入方式有三种类型：一种是直流输入（ DC12V或 24V），另一种是交流输入（ AC100 120V或 200 240V），第三种是交直流输入（交直流 12V或 24V）。外部输入器件可以是无源触点，如按钮、行程开关、主令开关等，也可以是有源器件，如各类传感器、集电极开路的晶体管接近开关、光电开关等。在PLC内部电源容量允许前提下，有源输入器件可采用 PLC输出电源，否则必须外设电nts 13 源。当输入信号为模拟量时，信号必须经过专用的模拟量输入模块进行 A/D转换，然后通过输入电路进行 PLC。输入信号是通过输入断子经 RC滤波、光电隔离进入内部电路。图 3.2是一个直流 24V输入连路的内部原理线路，由装在 PLC面板上的来显示某一输入点是否有信号输入。 +24V LED 内部电源输入口 COM 接近开关图 3.2 24V输入接口电路 (2) 输出接口电路为适应不同负载需求，各类 PLC的输出有三种方式，即继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。继电器输出最常用，适用交直流负载，其特点是带负载能力强，但动作频率和响应速度慢。晶体管适应直流负载，其特点是动作频率高，响应速度快，但带负载能力小。晶闸管输出使用交流负载，响应速度快，带载能力不大。外部负载直接与 PLC输出端子相联，输出电路的负载电源由用户根据负载要求自行分配。输出电路仅是提供输出通道。同时考虑不同类型，不同性质负载的接线要求，通常 PLC输出端口的公共端子是分组设置的。每 4-8点共一个 COM端子，各组相互隔离。在实际应用中应该注意各类 PLC输出端子的输出电流不能超出其额定值，同时还要注意输出电流与负载性质有关，例如 FX2型 PLC继电器输出的负载能力在电源电压 250V以下时，电阻性负载为 2A/点；感性负载为 80VA/点，灯负载为 100W/点。 4. 电源单元 PLC对供电电源要求不高，可直接采用普通单相交流电。允许电源电压额定值在 +10% -15%范围内波动。也有用直流 24V供电。 PLC内部有一个高质量开关型nts 14 稳压电源，用于对 CPU、 I/O单元供电，还可以为外部传感器提供 DC24V电源 18。 3.1.5 PLC的选型原则 1、输入输出（ I/O）点数的估算 I/O 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加 10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商 PLC 的产品特点，对输入输出点数进行圆整。 2、存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量 I/O 点数的 10 15 倍，加上模拟 I/O 点数的 100 倍，以此数为内存的总字数（ 16 位为一个字），另外再按此数的 25%考虑余量。控制功能的选择：该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 3、对 PLC 响应时间的要求响应速度即响应时间包括输入滤波时间，输出滤波时间和扫描周期。 PLC 一般以顺序扫描工作方式进行工作，对小于扫描时间的输入信号，有可能造成接收信号不可靠。因此，对有维持很短时间的输入信号来讲，需要选取扫描速度高的 PLC。一般机器对扫描时间的限定值为 100 200ms，而实际上执行一千条指令仅需时间 1 10ms ,对一般规模的 PLC 程序，则输入信号能维持在 10ms 左右就完全能安全地被接收到，但对模拟量输入则需要考虑与 PLC 的响应时间的配合问题。 4、系统可靠性根据生产环境及工艺要求，应采用功能完善可靠性适宜的 PLC。对可靠性要求极高的系统，应考虑是否采用冗余控制系统或热备份系统。 5、编程器与外围设备小型 PLC 控制系统一般选用价格便宜的简易编程器；如果系统较大或多台 PLC共用，可以选用功能强，编程方便的图形编辑器；如果有现成的个人计算机，可选用能在计算机上使用的编程软件 19。 3.1.5 三菱 PLC 分类： FX1S 系列 :三菱 PLC 是一种集成型小型单元式 PLC。且具有完整的性能和通讯功nts 15 能等扩展性。如果考虑安装空间和成本是一种理想的选择。 FX1N 系列 :是三菱电机推出的功能强大的普及型 PLC。具有扩展输入输出，模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性。是一款广泛应用于一般的顺序控制三菱 PLC。 FX2N 系列 :是三菱 PLC 是 FX 家族中最先进的系列。具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。 FX3U:是三菱电机公司新近推出的新型第三代三菱 PLC,可能称得上是小型至尊产品。基本性能大幅提升，晶体管输出型的基本单元内置了 3 轴独立最高 100kHz 的定位功能，并且增加了新的定位指令，从而使得定位控制功能更加强大，使用更为方便。 FX1NC、 FX2NC、 FX3UC 三菱 PLC:在保持了原有强大功能的基础上实现了极为可观的规模缩小 I/O 型接线接口降低了接线成本，并大大节省了时间。 Q 系列三菱 PLC:三菱机公司推出的大型 PLC,CPU 类型有基本型 CPU，高性能型CPU，过程控制 CPU,运动控制 CPU,冗余 CPU 等。可以满足各种复杂的控制需求。三菱电机中国事业的快速发展，为了更好地满足国内用户对三菱 PLC， Q 系列产品高性能、低成本的要求，三菱电机自动化特推出经济型 QUTESET 型三菱 PLC，即一款以自带 64 点高密度混合单元的 5 槽 Q00JCOUSET；另一款自带 2 块 16 点开关量输入及2 块 16 点开关量输出的 8 槽 Q00JCPU-S8SET，其性能指标与 Q00J 完全兼容，也完全支持 GX-Developer 等软件，故具有极佳的性价比。 A 系列三菱 PLC: 使用三菱专用顺控芯片（ MSP），速度 /指令可媲美大型三菱PLC;A2ASCPU 支持 32 个 PID 回路。而 QnASCPU 的回路数目无限制，可随内存容量的大小而改变；程序容量由 8K 步至 124K 步，如使用存储器卡， QnASCPU 则内存量可扩充到 2M 字节；有多种特殊模块可选择，包括网络，定位控制，高速计数，温度控制等模块。 FX2N 系列 PLC 是功能齐全的中小型 PLC，其控制规模包括 16 点 /32 点 /48 点 /64点 /80 点 /128 点 PLC，输出具有继电器 /晶体管 /晶闸管输出，内置 8KB 容量的 EEPROM存储器， CPU 运算处理速度 0.55-0.7s/基本指令，可连接 I/O 扩展模块和特殊功能模块。根据控制系统的控制要求可以了解系统所需要的 I/O 点数，选择 FX2N-48MR-001型 PLC20。 3.1.6 PLC 的技术指标 1)FX2N 系列小型 PLC 一般技术指标一般技术指标主要是指 PLC 产品的工作条件与一般工作环境的适应程度。 PLC 是nts 16 专为工业控制设计的，充分考虑了工业环境种种恶劣因数。其技术指标如表 3-1 所示。表 3.1 一般技术指标环境温度 0 55 环境湿度 35% 85%RH（不结露）抗震 JIS C0911 标准 10 55Hz 0.55mm（最大 2g） 3 轴方向各 2h 抗冲击 JIS C0912 标准 10g 3 轴方向各 3 个抗噪音干扰用噪音仿真器产生电压为 1000Vp-p,噪音脉冲宽度为 1s,频率为30 100Hz 噪音，在此噪音干扰下 PLC 正常工作耐压 1500AC 1min 绝缘电压 5M 以上， 500V DC 接地第 3 种接地，不能接地时，亦可浮空使用环境禁止腐蚀性气体，严禁尘埃 2)性能技术指标性能技术指标标志某种 PLC 在硬件和软件反面所具备功能。不同机型差异较大，在 PLC 选型时要逐一考虑该项技术指标能否满足要求。 PLC 的性能包括：输入指标、输出指标和电源指标方面。如表 3-2、 3-3、 3-4 所示。表 3.2 输入技术指标输入电压 24V DC 隔离光电耦合输出电流 7mA 响应时间 10ms 表 3.3 输出技术指标项目继电器输出 SSR 输出晶体管输出外部电源 250V AC， 30V DC 85 242V AC 5 30V DC 最大负载电阻负载 2A/点 0.3A/点， 0.8A/4 点 0.5A/1 点， 0.8A/4点感性负载 80VA 15VA/100V AC 30VA/240V AC 12W/24V DC 灯负载 100W 30W 1.5W/24V DC 开路漏电流 _ 1mA/100V AC 2.4mA/240V AC 0.1mA/30V DC 最小负载 _ 0.4VA/100V AC 2.3VA/240V AC _ 响应时间 OFF-NO 约 10ms 1ms 以下 0.2ms 以下 NO-OFF 约 10ms 最大 10 ms 0.2ms 以下隔离方式继电器隔离光电晶闸管隔离晶体管隔离 nts 17 表 3.4 电源技术指标项目 FX-16M FX-24M FX-32M FX-32E FX-48M FX-48E FX-64M FX-80M 电源电压（ 100 240V） +10%-15%AC 50/60Hz(120/240V 电源系统 ) 瞬间断电允许时间对于 10ms 以下的瞬间断电控制动作不受影响电源熔丝 250V 2A， 5mm*20mm 250V 5A,5mm*20mm 电力消耗/VA 30 35 40 50 60 70 传感器无扩展模块电源有扩展模块 24V DC 250mA 以下 24V DC 100mA 以下（扩展 16 点时） 24V DC 400 mA 以下 24V DV 150 mA（扩展 32 点时） 3.2 传感器的选择对于金属物料分拣的小、中、大采用 3 个接近开关进行判断。接近开关分别放置于传送带 1 的上方，并调整好固定高度。 2、 3、 4 传送带的启动分别通过安装于传送带前方的光电接近开关进行控制。物料的到位由装设在汽缸处的接近开关检测，通过PLC 程序控制判断由哪个汽缸执行推出动作并进行计数 21。 3.2.1 电感式接近开关传感器的选择采用电感式接近开关，这种开关有时也叫涡流式接近开关。它是利用导电物体在接近这个能产生电磁场接近开关时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电体。接近开关由于具有体积小、重复定位精度高、使用寿命长、抗干扰性能好、可靠性高、防尘、放油等特点被广泛应用于各种自动化生产线。传感器的接线方式采用直流（ DC）二线常开（ NO）型。 1.电感式接近开关传感器的电气指标 1）工作电压：是指电感式接近开关传感器的供电电压

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