自动线分拣单元控制系统设计(毕业论文doc)

摘摘 要要 本课题主要运用气动控制技术 机械技术 机械传动 机械连接等 传感 器应用技术 PLC 控制技术以及变频器技术等专业核心课程展开自动线分拣单 元控制系统设计 分拣单元是自动生产线的最后一单元 是整条生产线中不可缺少的自动生 产设备 它靠气动传动 依靠气缸等执行元件推动物料 在控制系统中起着举 足轻重的作用 而控制运行的 PLC 系统要求也越来越高 要求达到系统运行的 稳 准 快 的运行目的 该系统主要由 PLC 逻辑控制电路组成 其 中包括交流电机 变频器 传感器和笔形气缸组成为一体的自动控制系统 本机控制单元采用三菱公司的 PLC 对机器进行全过程控制 其控制系统结 构简单 运行效率高 易于理解与掌握 关键词 PLC 交流电机 变频器 编码器 传感器 l 目目 录录 摘 要 第一章 绪论 1 第二章 可编程控制器的概述 3 2 1 PLC 的基本概念 3 2 1 1 PLC 的特点 3 2 1 2 PLC 的发展阶段 5 2 2 PLC 的分类与应用及前景 6 2 2 1 PLC 的分类 6 2 2 2 可编程控制器 PLC 的应用与前景 7 2 3 可编程控制器的几种编程语言 9 2 3 1 梯形图编程语言 9 2 3 2 功能块图编程语言 10 2 4 传感器的概述 10 2 4 1 磁性传感器的工作原理 11 2 4 2 电感式接近开关的工作原理 11 2 4 3 光电式接近开关的工作原理 12 2 4 4 光纤传感器的工作原理 13 2 4 5 金属传感器的工作原理 14 2 4 6 电磁换向阀的工作原理 14 2 5 气动装置的概述 15 2 5 1 气泵的认识与选择 15 2 5 2 空气压缩机 16 2 5 3 储气罐 17 l 2 5 4 压力控制阀 17 2 5 5 辅助元件 17 2 5 6 气动执行元件 18 第三章 材料分拣装置硬件系统 20 3 1 基本功能及控制要求 20 3 2 系统的结构设计 20 3 3 材料分拣装置的组成及各部的功能 21 第四章 PLC 硬件设计 24 4 1 PLC 选型 24 4 2 I O 地址分配 24 4 3 I O 连接图 25 第五章 PLC 软件设计 26 5 1 程序流程图 26 5 2 梯形图及说明 27 5 3 PLC 指令 29 第六章 控制系统的调试 30 6 1 硬件调试 30 6 2 软件调试 30 6 3 整体调试 30 结论 32 致谢 33 参考文献 34 附录一 35 附录二 36 l 第一章第一章 绪论绪论 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 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 气动技术 是实际工业现场生产设备的微缩模型 应用 PLC 结合气动技术 传感器技术和位置控制技术 设计不同的自动分 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 l 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 1 分拣出金属与非金属 2 分拣某一颜色块 3 分拣出金属中某一颜色块 4 分拣出非金属中某一颜色块和非金属中某一颜色块 5 分拣出金属中某一颜色块和非金属中某一颜色块 分拣颜色 红 黄 蓝 分拣材料 铁 铝 塑料 l 第二章第二章 可编程控制器的概述可编程控制器的概述 2 12 1 PLCPLC 的基本概念的基本概念 可编程控制器 Programmable Controller 是计算机家族中的一员 是为 工业控制应用而设计制造的 早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller 简称 PLC 它主要用来代替继电器实现 逻辑控制 随着技术的发展 这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围 因此 今天这种装置称作可编程控制器 简称 PC 但是为了避免与个人计算机 Personal Computer 的简称混淆 所以将可编程控制器简称 PLC 其硬件结 构示意图如图 2 1 所示 图 2 1 PLC 的硬件结构示意图 2 1 12 1 1 PLCPLC 的特点的特点 1 PLC 的主要特点 1 高可靠性 1 所有的 I O 接口电路均采用光电隔离 使工业现场的外电路与 PLC 内 l 部电路之间电气上隔离 2 各输入端均采用 R C 滤波器 其滤波时间常数一般为 10 20ms 3 各模块均采用屏蔽措施 以防止辐射干扰 4 采用性能优良的开关电源 5 对采用的器件进行严格的筛选 6 良好的自诊断功能 一旦电源或其他软 硬件发生异常情况 CPU 立 即采用有效措施 以防止故障扩大 7 大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成表决系统 使可靠性更进一步提高 2 丰富的 I O 接口模块 PLC 针对不同的工业现场信号 如 交流或直流 开关量或模拟量 电压或电流 脉冲或电位 强电或弱电等 有相应的 I O 模块与工业现场的器件或设备 如 按钮 行程开关 接近开关 传感器及变送器 电磁线圈 控制阀 直接连接 另外为了提高操作性能 它还有多种人 机对话的接口模块 为了组成工业局部网络 它还有多种通讯联网的接口模块 等等 3 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要 除了单元式的小型 PLC 以外绝大多数 PLC 均 采用模块化结构 PLC 的各个部件包括 CPU 电源 I O 等均采用模块化设计 由机架及电缆将各模块连接起来 系统的规模和功能可根据用户需要自行组合 4 编程简单易学 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式 对使用者来说 不需要具备计算机的专门知识 因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握 5 安装简单维修方便 l PLC 不需要专门的机房 可以在各种工业环境下直接运行使用 使用时只 需将现场的各种设备与 PLC 相应的 I O 端相连接即可投入运行 各种模块上均 有运行和故障指示装置 便于用户了解运行情况和查找故障 由于采用模块化 结构 因此一旦某模块发生故障 用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢 复运行 2 PLC 的功能 1 逻辑控制 2 定时控制 3 计数控制 4 步进 顺序 控制 5 PID 控制 6 数据控制 7 通信和联网 8 其它 PLC 具有数据处理能力 还有许多特殊功能模块 适用于各种特殊控制的 要求 如 定位控制模块 CRT 模块 2 1 22 1 2 PLCPLC 的发展阶段的发展阶段 虽然 PLC 问世时间不长 但是随着微处理器的出现 大规模 超大规模集 成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步 PLC 也迅速发展 其发展 过程大致可分三个阶段 1 早期的 PLC 60 年代末 70 年代中期 早期的 PLC 一般称为可编程逻辑控制器 这时的 PLC 多少有点继电器控制 装置的替代物的含义 其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制 定 时等 它在硬件上以准计算机的形式出现 在 I O 接口电路上作了改进以适应 工业控制现场的要求 装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路 存储器采用磁芯存储器 另外还采取了一些措施 以提高其抗干扰的能力 在 软件编程上 采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式 梯 形图 因此 早期的 PLC 的性能要优于继电器控制装置 其优点包括简单易懂 便于安装 体积小 能耗低 有故障指示 能重复使用等 其中 PLC 特有的编 程语言 梯形图一直沿用至今 2 中期的 PLC 70 年代中期 80 年代中后期 在 70 年代微处理器的出现使 PLC 发生了巨大的变化 美国 日本 德国等 一些厂家先后开始采用微处理器作为 PLC 的中央处理单元 CPU 这样使 PLC 的功能大大增强 在软件方面 除了保持其原有的逻辑运算 计时 计数等功能以外 还增 l 加了算术运算 数据处理和传送 通讯 自诊断等功能 在硬件方面 除了保 持其原有的开关模块以外 还增加了模拟量模块 远程 I O 模块 各种特殊功 能模块 并扩大了存储器的容量 使各种逻辑线圈的数量增加 还提供了一定 数量的数据寄存器 使 PLC 的应用范围得以扩大 3 近期的 PLC 80 年代中后期至今 进入 80 年代中 后期 由于超大规模集成电路技术的迅速发展 微处理器 的市场价格大幅度下跌 使得各种类型的 PLC 所采用的微处理器的档次普遍提 高 而且为了进一步提高 PLC 的处理速度 各制造厂商还纷纷研制开发了专用 逻辑处理芯片 这样使得 PLC 软 硬件功能发生了巨大变化 2 22 2 PLCPLC 的分类与应用及前景的分类与应用及前景 2 2 12 2 1 PLCPLC 的分类的分类 PLC 的种类繁多 其规格和性能也各不相同 对 PLC 的分类 通常根据其 形式的不同 功能的差异和 I O 点数的多少等进行大致分类 1 按 PLC 结构形式分类 根据 PLC 结构形式的不同 可将 PLC 分为整体式和模块式两类 1 整体式 PLC 整体式 PLC 是将电源 CPU I O 接口等各部件都集中装在一个机箱内 有结构紧凑 体积小 价格低的特点 小型 PLC 一般都采用这种整体式机构 整体式 PLC 由不同 PLC 点数的基本单元和扩展单元组成 基本单元内有 CPU I O 接口 与 I O 扩展单元相连的扩展口 以及编程器或 EPROM 写入器相 连的接口等 扩展单元内有 I O 没有 CPU 基本单元和扩展单元之间一般用扁 平电缆连接 整体式 PLC 一般还可配备特殊功能单元 如模拟量单元 位置控 制单元等 使其功能得以扩展 2 模块式 PLC 模块式 PLC 是将 PLC 各组成部分分别作成若干个单独的模块 如 CPU 模块 I O 模块 电源模块 有的含在 CPU 模块中 以及其他模块 模块式 PLC 由框 架或基板和各种模块组成 模块装在框架或基板的插座上 这种模块式 PLC 的 特点是配置灵活 可根据需要选配不同规模的系统 而且装配方便 便于扩展 和维修 大 中型 PLC 一般都采用这种模块式结构 另一些 PLC 将整体式和模块式的特点结合起来 构成所谓叠装式 PLC 叠 装式 PLC 其 CPU 电源 I O 接口等也是各自独立的模块 但它们之间是非电缆 联接 并且各模块可以叠装 这样不但系统可以灵活配置 还可以做的体积小 巧 l 2 按功能分类 根据 PLC 所具有的功能不同 可将 PLC 分为低 中 高档次 1 低档 PLC 具有逻辑运算 定时 计数 移位以及自诊断监控等基本功 能 还可以少量模拟量输入 输出 算术运算 数据传送和比较等功能 主要用 于逻辑控制 顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统 2 中档 PLC 除具有低档 PLC 的功能外 还具有模拟量输入 输出 算术 运算 数据传送和比较 数据转换 远程 I O 子程序 通信联网等功能 有 些还可增设中断控制 PID 控制等功能 适应于复杂控制系统 3 高档 PLC 除具有中档 PLC 的功能外 还增加了符号算术运算 矩阵运 算 位逻辑运算 平方根运算及其他特殊功能函数的运算 制表及表格传递功 能等 高档 PLC 具有更强的通信联网功能 可用于大规模过程控制或构成分布 式网络控制系统 实现工厂自动化 3 按 I O 点数分类 根据 PLC 的 I O 点数的多少 可将 PLC 分为小型 中型和大型三类 1 小型 PLC I O 点数2048 点 多 CPU 16 位 32 位处理器 用户 存储器容量 8 16K S7 400 德国西门子公司 GE IV GE 公司 C 2000 立石公司 K3 三菱公司 l 2 2 22 2 2 可编程控制器可编程控制器 PLCPLC 的应用与前景的应用与前景 一 PLC 的应用 目前 在国内外 PLC 已广泛应用冶金 石油 化工 剪彩 机械制造 电 力 汽车 轻工 环保及文化娱乐等各行各业 随着 PLC 性能价格的不断提高 且应用领域不断扩大 从应用类型看大致可归纳为以下几个方面 1 强量逻辑运算 利用 PLC 最基本的逻辑运算 定时 计收等功能实现逻辑运算 可取代传 统的继电器控制用于单片机控制 多机群控制 生产自动线控制等 例 机床 注塑机印刷机械 装配生产线 电镀流水线及电梯的控制等 这是 PLC 最基本 的应用 也是 PLC 最广泛的应用领域 2 运动控制 大多数 PLC 都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块 这 一功能广泛用于各种机械设备 例如 各种机床 装配机械 机器人等进行运 动控制 3 过程控制 大 中型 PLC 都具有多路模拟量 I O 模块和 PID 控制功能 有的小型 PLC 也具有模拟量输入输出 所以 PLC 可实现模拟量控制而且具有 PID 控制功能的 PLC 可构成闭环控制 用于过程控制 这一功能已广泛用于铝炉 反应堆 水 处理 酿酒及闭环位置控制和速度控制等方面 4 数据处理 现代的 PLC 都具有数学运算数据传递 转换 排序和查表等功能 可进行 数据的采集 分析和处理 同时通过通信接口将这些数据传送给其电智能装置 例如 CNC 设备进行处理 5 通信联网 PLC 的通信包括 PLC 与 PLC PLC 与计算机 PLC 与其它智能设备之间的通 信 PLC 系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元 通信转换单元相连构 成网络 来实现信息的交换和构成 PLC 在问世以来 经过 40 多年的发展 在国外也取得了较好的发展 在美 德国等工业发达国家已成为重要的产业之一 世界总销售额不断上升 生产厂 家不断涌现 品种不断翻新 产量产值大幅度上升而价格则不断下降 目前 世界上有 200 多个厂家生产 PLC 较多的有美国 AB 通用电气 莫迪康公司 日本 松下 三菱 富士 欧姆龙等 德国 西门子公司 法国 TE 施耐德公 司 韩国 三星 LG 公司等 二 PLC 的发展前景 1 产品规模向大小两个方向发展 l 大 I O 点数达 14336 点 32 位微处理器 多 CPU 并行工作 大容量存储 器 扫描速度快高速 小 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 管理分散控制的多级分布式控制系统 满足工厂自动化 FA 系统发展的 需要 2 32 3 可编程控制器的几种编程语言可编程控制器的几种编程语言 可编程控制器的编程语言按 IEC61131 3 国际标准来分主要包括图形化编 程语言和文本化编程语言 图形化编程语言包括 梯形图 LD Ladder Diagram 功能块图 FBD Function Block Diagram 顺序功能图 SFC Sequential Function Chart 文本化编程语言包括 指令表 IL Instruction List 和结构 化文本 ST Structured Text 这些语言是基于 WINDOWS 操作系统的编程语言 而 SFC 编程语言则在两类编程语言中均可使用 下面分别来介绍这两种编程语 言 2 3 12 3 1 梯形图编程语言梯形图编程语言 LD Ladder LD Ladder Diagram Diagram 梯形图来源于继电器逻辑控制系统的描述 是 PLC 编程中被最广泛使用的 一种图形化语言 由于梯形图类似于继电器控制的电气接线图 便于理解 因此 许多编程人员和维护人员都选择了这一编程方式 而且其图形结构类似于登高 用的梯子 故名梯形图 梯形图程序的左右两侧有两垂直的电力轨线 左侧的 电力轨线名义上为功率流从左向右沿着水平梯级通过各个触点 功能 功能块 线圈等提供能量 功率流的终点是右侧的电力轨线 每一个触点代表了一个布 尔变量的状态 每一个线圈代表了一个实际设备的状态 一个简单的梯形图程 序如图 2 2 所示 l 图 2 2 梯形图程序示例 梯形图的每个梯级表示一个因果关系 事件发生的条件表示在梯形的左面 事件发生的结果表示在梯级的右面 梯形图编程语言具有如下特点 1 与电气操作原理图相对应 具有直观性和对应性 2 与原有继电器逻辑控制技术相一致 易于掌握和学习 3 对于复杂控制系统描述 仍不够清晰 4 可读性仍不够好 几乎所有 PLC 厂商提供的 PLC 都支持梯形图编程语言 而且都比较容易理解 只是在梯形图结构上可能稍有变化 比如西门子的 S7 系列梯形图就没有右边的 电力轨线 2 3 22 3 2 功能块图编程语言功能块图编程语言 FBD Function FBD Function BlockBlock Diagram Diagram 功能块图编程语言采用功能模块表示所具有的功能 不同的功能模块具有 不同的功能 功能模块用矩形来表示 每一个功能模块的左侧有不少于一个的 输入端 右侧有不少于一个的输出端 功能模块的类型名称通常写在块内 其 输入输出名称写在块内的输入输出点对应的地方 功能模块基本上分为两类 基本功能模块和特殊功能模块 基本功能模块如 AND OR XOR 等等 特殊功能模块如 ON 延时 脉冲输出 计数器等等 功能块图编程语言具有以下特点 1 以功能模块为单位 从控制功能入手 使控制方案的分析和理解变得 容易 2 功能模块用图形化的方式描述功能 较直观 易掌握 方便组态 易 操作 是有发展前途的一种编程语言 3 对较复杂系统 由于控制功能关系能够比较清晰的描述 因此缩短了 编程和调试时间 4 因为每一个功能模块要占用一定程序存储空间 所以对功能模块的执 行需要一定的执行时间 因此 这种语言在大中型可编程控制器和分散控制系 统中应用较广泛 2 42 4 传感器的概述传感器的概述 国家标准 GB7665 87 对传感器下的定义是 能感受规定的被测量并按照 一定的规律转换成可用信号的器件或装置 通常由敏感元件和转换元件组成 传感器是一种检测装置 能感受到被测量的信息 并能将检测感受到的信息 l 按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出 以满足信息的传输 处理 存储 显示 记录和控制等要求 它是实现自动检测和自动控制的首要 环节 传感器的使用 传感器应用于科学和技术领域 在研究中 高敏感度和特 殊传感器被用来做实验 在自动化技术中 标准和特殊传感器全部得到使用 在日常使用的设备中 更多用的是简单的传感器 然而 这种传感器要求非常 可靠的操作 传感器信号 传感器把物理量转换成一个电信号 二进制传感器也称为开 关 与模拟传感器输出信号的类型不同而有所区别 2 4 12 4 1 磁性传感器的工作原理磁性传感器的工作原理 本系统所使用的气缸都是带磁性开关的气缸 这些气缸的缸筒采用导磁性 弱 隔磁性强的材料 如硬铝 不锈钢等 在非磁性体的活塞上安装一个永久 磁铁的磁环 这样就提供了一个反映气缸活塞位置的磁场 而安装在气缸外侧 的磁性开关则是用来检测气缸活塞位置 即检测活塞的运动行程的 有触点式的磁性开关用舌簧开关作磁场检测元件 舌簧开关成型于合成树 脂块内 并且一般还有动作指示灯 过电压保护电路也塑封在内 下图是带磁 性开关气缸的工作原理图 如图 2 3 当气缸中随活塞移动的磁环靠近开关时 舌簧开关的两根簧片被磁化而相互吸引 触点闭合 当磁环移开开关后 簧片 失磁 触点断开 触点闭合或断开时发出电控信号 在 PLC 的自动控制中 可 以利用该信号判断推料缸及顶料缸的运动状态或所处的位置 以确定工件是否 被推出或气缸是否返回 在磁性开关上设置的 LED 显示用于显示其信号状态 供调试时使用 磁性 开关动作时 输出信号 1 LED 亮 磁性开关不动作时 输出信号 0 LED 不亮 图 2 3 磁性开关原图 图 2 4 磁性开关电路图 磁性开关的安装位置可以调整 调整方法是松开它的紧定螺栓 让磁性开 关顺着气缸滑动 到达指定位置后 再旋紧紧定螺栓 磁性开关有蓝色和棕色 2 根引出线 使用时蓝色引出线应连接到 PLC 输入公共端 棕色引出线应连接 l 到 PLC 输入端 磁性开关的内部电路如图 2 4 所示 2 4 22 4 2 电感式接近开关的工作原理电感式接近开关的工作原理 电感式接近开关是利用电涡流效应制造的传感器 电涡流效应是指当金属 物体处于一个交变的磁场中 在金属内部会产生交变的电涡流 该涡流又会反 作用于产生它的磁场这样一种物理效应 如果这个交变的磁场是由一个电感线 圈产生的 则这个电感线圈中的电流就会发生变化 用于平衡涡流产生的磁场 利用这一原理 以高频振荡器 LC 振荡器 中的电感线圈作为检测元件 当被测金属物体接近电感线圈时产生了涡流效应 引起振荡器振幅或频率的变 化 由传感器的信号调理电路 包括检波 放大 整形 输出等电路 将该变 化转换成开关量输出 从而达到检测目的 在接近开关的选用和安装中 必须认真考虑检测距离 设定距离 保证生 产线上的传感器可靠动作 安装距离注意说明如图 2 5 所示 图 2 5 接近开关安装示意图 2 4 32 4 3 光电式接近开关的工作原理光电式接近开关的工作原理 光电传感器 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 大多使用可 视光 主要为红色 也用绿色 蓝色来判断颜色 和红外光 按照接收器接收光的方式的不同 光电式接近开关可分为对射式 反射式 和漫射式 3 种 如下图 2 6 所示 l 图 2 6 3 种不同的光电开关原理图 2 4 42 4 4 光纤传感器的工作原理光纤传感器的工作原理 光纤传感器 图 2 7 所示 由光纤检测头 光纤放大器两部分组成 放大 器和光纤检测头是分离的两个部分 光纤检测头的尾端部分分成两条光纤 使 用时分别插入放大器的两个光纤孔 图 2 8 是放大器的安装示意图 图 2 7 光纤传感器 图 2 8 光纤传感器的安装示意图 光纤传感器也是光电传感器的一种 光纤传感器具有下述优点 抗电磁干 扰 可工作于恶劣环境 传输距离远 使用寿命长 此外 由于光纤头具有较 小的体积 所以可以安装在很小空间的地方 l 光纤式光电接近开关的放大器的灵敏度调节范围较大 当光纤传感器灵敏 度调得较小时 反射性较差的黑色物体 光电探测器无法接收到反射信号 而 反射性较好的白色物体 光电探测器就可以接收到反射信号 反之 若调高光 纤传感器灵敏度 则即使对反射性较差的黑色物体 光电探测器也可以接收到 反射信号 进行放大器灵敏度调节 顺时针旋转灵敏度增大 时 会看到 入 光量显示灯 发光的变化 当探测器检测到物料时 动作显示灯 会亮 提示 检测到物料 如下图 2 9 所示 图 2 9 光纤传感器的外形 2 4 52 4 5 金属传感器的工作原理金属传感器的工作原理 金属传感器又叫电感式接近开关 为了检测物料是否为金属 在分拣工件 导向件右侧装有一个电感传感器 图 2 10 所示 图 2 10 金属传感器实物图 其原理是利用电涡流原理制成的 利用电涡流效应制成的具有开关量输出 的位置传感器 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 个能产生电磁场的振荡感应头时 使物体内部产生电涡流 这个涡流反过来作 用于接近开关使接近开关振荡能力减弱 导致内部参数发生变化 由此来识别 是否是金属物料 进而控制开关的开与断 2 4 62 4 6 电磁换向阀的工作原理电磁换向阀的工作原理 顶料或推料气缸 其活塞的运动是依靠向气缸一端进气 并从另一端排气 再反过来 从另一端进气 一端排气来实现的 气体流动方向的改变则由能改 变气体流动方向或通断的控制阀即方向控制阀加以控制 在自动控制中 方向 l 控制阀常采用电磁控制方式实现方向控制 称为电磁换向阀 电磁换向阀是利 用其电磁线圈通电时 静铁芯对动铁芯产生电磁吸力使阀芯切换 达到改变气 流方向的目的 所谓 位 指的是为了改变气体方向 阀芯相对于阀体所具有的不同的工 作位置 通 的含义则指换向阀与系统相连的通口 有几个通口即为几通 图 2 11 分别给出二位三通 二位四通和二位五通单控电磁换向阀的图形符号 图 形中有几个方格就是几位 方格中的 和 符号表示各接口互不相通 图 2 11 部分单电控电磁换向阀的图形符号 自动线所有工作单元的执行气缸都是双作用气缸 因此控制它们工作的电 磁阀需要有二个工作口和二个排气口以及一个供气口 故使用的电磁阀均为二 位五通电磁阀 供料单元用了两个二位五通的单电控电磁阀 这两个电磁阀带有手动换向 和加锁钮 有锁定 LOCK 和开启 PUSH 2 个位置 用小螺丝刀把加锁钮旋 到在 LOCK 位置时 手控开关向下凹进去 不能进行手控操作 只有在 PUSH 位 置 可用工具向下按 信号为 1 等同于该侧的电磁信号为 1 常态时 手控开关的信号为 0 在进行设备调试时 可以使用手控开关对阀进行控 制 从而实现对相应气路的控制 以改变推料缸等执行机构的控制 达到调试 的目的 两个电磁阀是集中安装在汇流板上的 汇流板中两个排气口末端均连接了 消声器 消声器的作用是减少压缩空气在向大气排放时的噪声 这种将多个阀 与消声器 汇流板等集中在一起构成的一组控制阀的集成称为阀组 而每个阀 的功能是彼此独立的 2 52 5 气动装置的概述气动装置的概述 气动系统是以压缩空气为工作介质来进行能量与信号的传递 利用空气压 缩机将电动机或其它原动机输出的机械能转变为空气的压力能 然后在控制元 件和辅助元件的配合下 通过执行元件把空气的压力能转变为机械能 从而完 成直线或回转运动并对外作功 2 5 12 5 1 气泵的认识与选择气泵的认识与选择 气泵包括 空气压缩机安全保护器 储气罐 主管道过滤器 压力开关 过载压力表 气源开关 如图 2 12 所示 l 图 2 12 气泵及其周围元件 气源处理组件是气动控制系统中的基本组成器件 它的作用是除去压缩空 气中所含的杂质及凝结水 调节并保持恒定的工作压力 在使用时 应注意经 常检查过滤器中凝结水的水位 在超过最高标线以前 必须排放 以免被重新 吸入 气源处理组件的气路入口处安装一个快速气路开关 用于启 闭气源 当 把气路开关向左拔出时 气路接通气源 反之把气路开关向右推入时气路关闭 2 5 22 5 2 空气压缩机空气压缩机 空气压缩机是产生压缩空气的气压发生装置 是气源主要的设备 如图 2 13 所示 按结构和工作原理可分为速度型和容积型两大类 容积型压缩机是 利用特殊形状的转子或活塞压缩吸入封闭容积室空气的体积来增加空气的压力 容积型结构简单 使用方便 本设计选用容积型压缩机 空压机供气量的大小应包括 目前气动系统中各设备所需的耗气量 考虑 未来扩充设备所需耗气量及修正系数 如避免空压机在全负荷下不停地运转 气动元件和管接头的漏损及各种气动设备是否同时连续使用等 其公式为 Q 为气动系统的最大耗气量 m3 Min K 为修正系数 一般可取 1 3 1 5 有了供气压力与供气量 按空压机的特性要求 选择空压机的类型 和型号 l 图 2 13 压缩机及储气罐 2 5 32 5 3 储气罐储气罐 储气罐可以调节气流 减少输出气流的脉动 使输出气流连续和气压稳定 也可以作为应急气源使用 还可以进一步分离油水杂质 如图 2 13 所示 储 气罐上装有安全阀 使其极限压力比正常工作压力高 10 并装有指示罐内压 力的压力表和排污阀等 罐的型式可分为立式和卧式两种 本设计选用立式储 气罐 因为它的进气口在下 出气口在上 以利用进一步分离空气中的油 水 2 5 42 5 4 压力控制阀压力控制阀 调节和控制压力大小的气动元件称为压力控制阀 它包括调压阀 溢流阀 顺序阀及多功能组合阀 1 调压阀是出口侧压力可调 并能保持出口侧压力稳定的压力控制阀 如图 2 14 图 2 14 压力调节阀及过滤干燥系统 2 减压阀的作用是降低由空气压缩机来的压力 以适于每台气动设备的需 要部分压力保持稳定 3 溢流阀的作用是当系统压力超过调定值时 便自动排气 使系统的压力 下降 以保证系统安全 故也称其为安全阀 4 调速阀是根据 流量负反馈 原理设计而成的单路流量阀 调速阀一般 l 用于执行元件负载变化大而运动速度要求稳定的系统中 调速阀根据 串联减 压式 和 并联溢流式 又分为调速阀和溢流节流阀两种主要类型 本设计选 用串联减压式调速阀 2 5 52 5 5 辅助元件辅助元件 辅助元件是保证压缩空气的净化 元件的润滑 元件间的连接及消声等所 必须的 可分为气源净化装置和其他辅助元件两大类 1 气源净化装置 过滤器 调压阀和油雾器等组合在一起称为空气处理单元 又称为气动三 联件 压缩的空气中含有各种杂质 这些杂质的存在会降低气动元件的耐用度 和性能 造成误动作和事故 必须清除 空气处理单元就是用来清除压缩空气 的杂质 提高空气质量的元件 2 消声器 消声器是降低排气噪声的装置 压缩空气完成驱动工作后 由换向阀的排 气口排入大气 此时的压缩空气是以接近音速的状态进入大气 由于压力的骤 然变化 使空气急速膨胀从而发出噪音 其音量一般为 80dB 100dB 为了改 善劳动条件 应使用消声器 常用的消声器有三种类型 吸收型 膨胀型和吸 收膨胀型 吸收型消声器是依靠吸声材料来消声的 膨胀型消声器的结构比较简单 相当于一段比排气口径大的管件 当气流通过时 让气流在其内部扩散 膨胀 碰壁撞击 反射 相互干涉而消声 吸收膨胀型消声器是上述两种的结合 气 流由斜孔引入 气流束相互撞击 干涉 进一步减速 再通过设在消声器内表 面的吸声材料消声 最后排向大气 本设计选用膨胀型消声器 2 5 62 5 6 气动执行元件气动执行元件 分拣站的执行元件是以压缩空气为工作介质产生机械运动 并将气体的压 力能转变为机械能的能量转换装置 如气缸输出直线往复式机械能 摆动气缸 输出回转摆动式机械能 分拣站中的气缸为输出直线往复式气缸 气缸是气动 执行元件之一 目前最常选用的是标准气缸 其结构和参数都已系列化 标准 化 通用化 水平伸缩气缸选用单活塞杆双作用气缸 单活塞杆双作用气缸一 般由缸筒 前后缸盖 活塞 活塞杆 密封件和紧固件等组成 其工作原理 对于前伸 回缩气缸 当左侧无杆腔进气 右侧有杆腔排气时 活塞杆前伸 反之 活塞杆回缩 对于上升 下降气缸 当上侧无杆腔进气 下 侧有杆腔排气时 活塞杆下降 反之活塞杆上升 标准气缸是指气缸的功能和规格是普遍使用的 结构容易制造的 制造厂 通常作为通用产品供应市场的气缸 单气缸自动往复回路如图 2 15 所示 l a 气动回路图 b 电气回路图 图 2 15 单汽缸自动往复回路 直线气缸是指活塞的往复运动均由压缩空气来推动 直线气缸具有结构简 单 输出力稳定 行程可根据需要选择的优点 但由于是利用压缩空气交替作 用于活塞上实现伸缩运动的 回缩时压缩空气的有效作用面积较小 所以产生 的力要小于伸出时产生的推力 气缸的理论输出力 普通单作用气缸 预伸型 理论拉力为 理论拉力 式中 D 缸径 m d 活塞杆直径 m p 工作压力 Pa Ft1 复位弹簧预压量及行程所产生的弹簧力 N Ft2 复位弹簧预紧力 N 为了使气缸的动作平稳可靠 应对气缸的运动速度加以控制 常用的方法 是使用单向节流阀来实现 单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的流量控 制阀 常用于控制气缸的运动速度 所以也称为速度控制阀 1 22 0 4 t FpdDF 20t FF l l 第三章第三章 材料分拣装置硬件系统材料分拣装置硬件系统 3 13 1 基本功能及控制要求基本功能及控制要求 本实验装置根据材料的材质不同来进行分拣 主要实现如下基本功能 1 分拣出金属与非金属 2 分拣某一颜色块 3 分拣出金属中某一颜色块 4 分拣出非金属中某一颜色块和非金属中某一颜色块 5 分拣出金属中某一颜色 块和非金属中某一颜色块 系统利用各种传感器对待测材料进行检测并分类 当待测物体经过下料装 置送入传送带后 依次按受各种传感器检测 如果被某种传感器检测中 通过 相应的气动装置将其推入料箱 否则继续前行 其控制过程如下 接通电源 启下启动开关 传送带开始运行 系统启动后 下料传感器 光 电传感器 检测到料口有料时 传送带停止 同时出料气缸开始动作 将待测 物料推到传送带上 电机启动 待测物体开始在传送带运行 当电感传感器检测金属物料时 电机停止 同时出料气缸动作 将物料推 入相应的料槽 然后电机启动运转 当电容传感器检测到非金属物料时 电机停止 同时出料气缸动作 将物 料推入相应的料槽 然后电机启动运转 当颜色传感器检测到物料为某一颜色时 电机停止 同时出料气缸动作 将物料推入相应的料槽 然后电机启动带动传送带运转 剩余的材料到达备用 传感器 备用传感器检测到物料时 电机停止 同时出料气缸动作 将物料推 入相应的料槽 然后电机启动带动传送带运转 竖井式下料槽无料时 传送带 运行一个行程后自动停止 3 23 2 系统的结构设计系统的结构设计 系统结构设计 系统总体结构如图 3 1 所示 PLC 控制器与材料分拣装置 相连接 通过采集材料分拣装置各传感器 气缸传达的信号 经程序判断将控 制信号传送到材料分拣装置各气缸 输出控制动作 l 图 3 1 材料分拣系统硬件图 3 33 3 材料分拣装置的组成及各部的功能材料分拣装置的组成及各部的功能 本系统采用台式结构 内置电源 有竖井式产品输入料槽 滑板式产品输 出料槽 转接板上设计了与 PLC 连接接口 材料分拣装置结构如图 3 2 所示 该装置选用了颜色识别传感器及对不同材质敏感的电感和电容式传感器 分别 被固定在网孔板不同的区域安装 整个控制系统由气动部件和电气部件两大部 分组成 图 3 2 材料分拣结构装置图 一 气动部分 由减压阀 气压指示表 气缸 空气压缩机等部分组成 空气压缩机 把电能转变为气压能 为气源部分 选用 FB 0 048 7 静音空 气压缩机 压力开关 被调节到一个最高压力时 停止电动机 降至最低压力时 重 l 新激活电动机 安全保护器 当储气罐内的压力超过允许限度 可将压缩空气排出单向阀 阻止压缩空气反方向流动 储气罐 存储压缩空气储气罐 主要用来调节气流 减少输出气流的压力 脉动 使输出气流具有流量连续性和气压稳定性 压力表 显示储气罐内的压力 气源开关 向气路中提供气源的开关 系统工作时 必须打开 主管道过滤器 它清除主要管道内灰尘 水分和油 主管道过滤器必须具 有最小的压力降和油雾分离能力 气缸 引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件 将压缩空气 的压力能转换为机械能 驱动机构作直线往复运动 摆动和旋转运动 气缸是 由缸筒 端盖 活塞 活塞杆和密封件组成 二 电气部分 由电感传感器 电容传感器 颜色传感器 光电传感器 备用传感器 开关电源 电磁阀 步进电动机等部分组成 电感传感器 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 本文选用 M18X1X40 电感传感 器 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 体的本身 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非金属物体 选用 E3S VS1E4 电容传感器 光电传感器 光电接近开关的简称 它是利用被检测物体对光束的遮光或反 射 由同步回路选通电路 从而检测物体的有无 其物体不限于金属 对所有能反 射光线的物体均可被检测 光电开关是一种电量传感器 把电流或电压的变化以 光电的方式传送出去 即进行电信号 光信号 电信号的转换 多数光电开关选 用的是接近可见光的红外线 光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射 出 接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测 本装置中 光电传感器是用于检测物体有无 选用欧姆龙 E3Z K 光电开关传感器 颜色传感器 选用欧姆龙公司生产的 型号为 E2S X8ME1 颜色传感器 此 传感器为 RGB 红绿蓝 颜色传感器 可检测目标物体对三基色的反射比率 从而鉴别物体颜色 l 备用传感器 采用的传感器工作原理和光电传感器一样 故采用和光电传感 器同一类型的光电传感器 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 另一个部分就是料槽 料槽是一个手动入库自动出库的装置 使用时可先 将料块放入料槽中 当光电传感器检测到料块时系统开始运行 即启动输送带 并由出库气缸将库内最底层料块推入输送带 电动机输送带是由步进交流电动 机驱动的皮带式输送装置 步进电动机选用的型号为 42BYGH101 l l 第四章第四章 PLCPLC 硬件设计硬件设计 PLC 控制系统的硬件设计 主要是根据被控制对象的对 PLC 控制系统的功 能要求 确定系统所需的用户输入 输出设备 选择合适的 PLC 类型 并分配 I O 接点 4 14 1 PLCPLC 选型选型 一 确定 I O 点数 根据控制要求 输入信号应该有 5 个传感器输入信号 包括电感 电容 光电 颜色 备用五种传感器的输入信号 加上启动开关输入信号和停止开关 输入信号 共计 7 个输入接口 输出控制电动机运行的接触器接口 以及 5 个控 制气缸动作的电磁阀输出接口 共计 6 个输出接口 总需 I O 点 13 个 其中 7 个输入接口 6 个输出接口 二 PLC 的选型 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 FX2N 32MR 型 4 24 2 I OI O 地址分配地址分配 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 下表所示 通过 I O 的连接 即可实现 PLC 对分拣装置的控制 输入端子用于采集各传感器信号 启动开关信号和停止开关信号 均为数 字量信号 输入地址分配如表 4 1 所示 输出端子用于气缸控制信号 均为数字量信号 输出地址分配如表 4 2 所 示 表 4 1 输入 I O 地址分配表 地址符号采集信息 X000LS1 光电传感器 X001LS2 电感传感器 X002LS3 电容传感器 X003LS4 颜色传感器 X004LS5 备用传感器 X005SB1 启动开关 l X006SB2 停止开关 表 4 2 输出 I O 地址分配表 地址符号驱动对象 Y000YV5 汽缸 5 电磁阀 Y001YV1 汽缸 1 电磁阀 Y002YV2 汽缸 2 电磁阀 Y003YV3 汽缸 3 电磁阀 Y004YV4 汽缸 4 电磁阀 Y010 KM 交流接触器 4 34 3 I OI O 连接图连接图 根据系统控制要求和 I O 地址分配表 绘制出 FX2N 32MR 型 PLC 系统 I O 接线图 如图 4 1 所示 图 4 1 I O 连接图 l 第五章第五章 PLCPLC 软件设计软件设计 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 以及必须的保护和联锁 还要确定所有的控制参 数 根据生产设备的需要 把应有的按钮 接触器 传感器等装置按照输入 输出分类 每一类型设备按顺序分配输入和输出地址 列出 PLC 的 I O 地址分 配表 每一个输入信号占用一个输入地址 每一个输出地址驱动一个外部负载 然后根据上述规划来绘制程序流程图 5 15 1 程序流程图程序流程图 根据系统的硬件结构特点 确定系统控制过程 接通电源 传送带开始转动 光电传感器检测料仓是否有料 如果料仓没 料 开始计时 传送带到达一个运行周期 电机停止 当料仓有料时 下料气 缸动作 将物料推入传送带 传送带运行 当 SA 检测到物料时 铁皮出料气缸 动作 分拣出铁皮材料 当 SB 检测到物料时 铝出料气缸动作 对铝材料进行 分拣 当 SC 检测到物料时 颜色出料气缸动作 分拣出所需材料 剩余材料到 达 SD 时 其相对应气缸动作 将所剩物料推入相应料槽 程序流程图如图 5 1 所示 l 图 5 1 程序流程图 5 25 2 梯形图及说明梯形图及说明 根据硬件控制要求以及 I O 地址分配表和程序流程图 编写 PLC 程序 其 梯形图如图 5 2 所示 l 图 5 2 梯形图 接通电源 按下启动开关 X005 接通 辅助继电器 M7 得电 同时常开触点 M7 闭合 接触器 Y010 得电 电动机启动 带动