基于PLC控制金属塑料自动分拣系统设计

1 摘要摘要 本论文阐述了利用 PLC 控制技术结合气动技术 传感器技术 光电感应器 的应用 气缸的应用和位置控制技术等 并运用 PLC 的硬件设计以及软件编程 来实现对金属和塑料两种材料进行自动分拣的控制装置 该系统的通用性极强 可靠性好 程序开发简单 可适应进行材料分拣生产线的需求 目前自动分拣已逐渐成为主流 这种装置是由接受分拣指示情报的控制装 置 计算机网络 把到达分拣位置的货物送到别处的的搬送装置 由于全部采 用机械自动作业 因此 分拣处理能力较好 分拣分类数量也较多 关键词 PLC 金属 塑料分拣 梯形图编程 2 目录目录 绪论 第一章 自动分拣系统简介及设计 1 自动分拣系统的简介 2 方案设计 第二章 硬件电路设计 1 总体结构及原理分析 2 传感器的工作原理 2 1 电感式传感器 2 2 电容式传感器 3 三相异步电机的工作原理 4 电磁阀的工作原理 5 光电感应器的工作原理 6 气缸的作用 第三章 可编程控制器 1 PLC 的选择 2 PLC 的结构及工作原理 3 PLC 输入 输出口的分配 4 自动分拣装置输入 输出接线图 5 系统控制流程图 6 系统控制的梯形图 结束语 致谢 3 参考文献 4 绪论绪论 随着社会的不断发展 市场的竞争也越来越激烈 因此各个 生产企业都迫切地需要改进技术 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选 择 利用计算机技术对生产线上的分拣设备进行智能化控制是一种 既能节约成本 又能提高生产效率的方法 现今社会科技发展迅速 各个行业不断创新突破 随着人们生活的需要 PLC 的应用已经渗 透到了国民经济的各个领域 本系统是利用可编程控制器 PLC 控 制金属 塑料自动分拣装置 以 PLC 为主控制器 结合气动装置 传感技术 位置控制等技术 实现现场控制产品的自动分拣 系统 具有自动化程度高 运行稳定 精度高 易控制的特点 可根据不 同对象 广泛应用于生活的各个场所 5 第一章第一章 自动分拣系统的简介及设计自动分拣系统的简介及设计 1 自动分拣系统的简介 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 按材料性质自动分类 这些分拣需求可以通过不同方式 如可通过条形码 扫描 色码扫描 键盘输入 重量检测 语音识别 高度检测及形状识别等方 式 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 分类装置的作用是根据控制装置发出的分拣指示 当具有相同分拣信号的 材料经过该装置时 该装置动作 使改变在输送装置上的运行方向进入其它输 送机或进入分拣道口 分类装置的种类很多 一般有推出式 浮出式 倾斜式 和分支式几种 不同的装置对分拣材料性质等有不完全相同的要求 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材料 通过控制装置 分类装置 并输送装置的两侧 一般要连接若干分拣道口 使 分好类的材料滑下主输送机 或主传送带 以便进行后续作业 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 一般由钢带 皮带 滚筒等组成滑道 使商品从主输送装置滑向集货站台 在 那里由工作人员将该道口的所有商品集中后或是入库储存 或是组配装车并进 行配送作业 以上四部分装置通过计算机网络联结在一起 配合人工控制及相应的人工 处理环节构成一个完整的自动分拣系统 2 2 方案设计思路 PLC 控制金属塑料自动分拣的装置 具有较高的能动性 采用光电感应器 来控制识别金属和塑料的材料性质 控制系统中加入气缸 采用推出式的分类 金属和塑料 再用传送带来传送 在传送带同侧有两个分拣道口 利用气缸将 金属和塑料推出各自的分拣道口 而每个气缸的动作时有光电感应器所判别出 的信号来控制的 此控制系统的控制原理如下 1 由按钮 SB4 作系统的待机控制 按下 SB4 系统进入待机状态 若此时各 部件处于复位状态 待机指示灯 绿色 发光 只有在待机指示灯 绿色 正 常发光后 系统才能开始下料运行 待机指示灯 绿色 只作系统通电后按下 6 SB4 的待机状态指示灯用 系统运行后应熄灭 2 由按钮 SB5 作系统正常停止控制 按下 SB5 系统立刻提示停止下料 红色指示灯发光 同时系统在完成传送带上的工件分拣后停机 3 下料时 要求工件每隔 2S 下料一次 每次下料一个 以保证工件的分拣 每次下料后 停止下料指示灯 红色 都会发光 每次发光 2S 后熄灭 红色指 示灯熄灭的同时下料指示灯 黄色 发光 提示可以下料 但若在黄色指示灯 发光 3S 后仍未下料 黄色指示灯就会发生闪烁 每秒闪光 2 次 以提示缺料 直至下料后才恢复正常指示 7 第二章第二章 硬件电路设计硬件电路设计 1 总体结构及原理分析 自动分拣系统由光电感应器 电感式传感器 电容式传感器 三相异步电 动机和气缸等元器件组成 原理分析原理分析 当光电感应器 1 检测到工件后 三相异步电动机给传送带提供动力 传送带带动工件开始运动 光电感应器检测到的是金属材料时 如图 位 置的电感式传感器接收信号 气缸 A 动作将金属工件推向出料口 当检测 到的是塑料材料时 图中 位置的电容式传感器接收信号 使气缸 B 动作 将塑料工件推向出料口 依次反复 将构成金属 塑料的自动分拣系统 2 2 传感器的工作原理传感器的工作原理 2 1 电感式传感器 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这个能产生电磁场 的振荡感应时 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 本系统选用M18X1X40 DC 电感传感器 原理图如 1 2 3 BA DE 1 23 G AB 6 7 8 9 8 下 此类传感器的优点 1 无活动触点 可靠度高 寿命长 2 分辨率高 灵敏度高 3 线性度高 重复性好 测量范围大 4 无输入时有零位输出电压 引起测量误差 5 适用于低频动态测量 2 2 电容式传感器 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 原理图如图 9 电容式传感器的感应由两个同轴金属电极构成 这两个电极构成一个电 容 串联在 RC 振荡回路内 电源接通时 RC 振荡器不振荡 当一个目标朝着 电容器的电极靠近时 电容器的容量增加 使振荡器开始振荡 通过后级电路 的处理 将停振和振荡两种信号转换成开关信号 从而起到检测有无物体存在 的目的 该传感器能检测金属物体 也能检测非金属物体 对金属物体可以获 得最大的动作距离 对非金属物体动作距离决定于材料的介电系数 介电系数 越大 获得的动作距离越大 当一个目标靠近时 电容式传感器的电流消耗随 之增加 本系统选用的是 E2K X8ME1 电容式传感器 原理图如下 此类传感器的优点 1 测量范围大 灵敏度高 2 质量小 动态响应快 固有频率高 高频特性 3 稳定性好 过载能力大 4 结构简单 对环境适应性强 3 三相异步电动机的工作原理 感应电极 具备屏障罐 铝材 料 被测电 容 震荡 电路 F V 变 换 信 号 处 理 开 关 输 出 量 10 三相交流异步电动机是一种将电能转化为机械能的电力拖动装置 它主要 由定子 转子和它们之间的气隙构成 当给电动机的三相定子绕组 各相差 120 度电角度 通入三相交流电源后 将产生一个旋转磁场 该旋转磁场切割 转子绕组 在转子绕组中产生感应电流 转子绕组是闭合通路 载流的转子 导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力 从而在电动机转轴上形成电磁转矩 使转子朝着旋转磁场旋转的方向旋转 当向三相定子绕组中通入对称的三相交流电时 就产生了一个以同步转速 n1 沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场 由于旋转磁场以 n1 转速旋转 转子导体开始时是静止的 故转子导体切割定子旋转磁场而产生感 应电动势 感应电动势的方向用右手定则判定 由于导体两端被短路环短接 在感应电动势的作用下 转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感应 电流 转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用 力的方向用左手定则 判定 电磁力对转子轴产生电磁转矩 驱动转子 沿着旋转磁场方向旋转 三相交流异步电动机具有结构简单 运行可靠 价格便宜 过载能力强及 使用 安装 维护方便等优点 被广泛应用于各个领域 系统选用 J0 H80 355 小型三相异步电动机 此类电动机为 0 75 315KW 外 壳为封闭式 可防止灰尘 水滴侵入 用于无特殊要求的各种机械设备和运输 机械等 对称三相绕组通 入对称三相电流 转子绕组在磁场 中受到电磁力的 作用 转子旋转起来 转子绕组中产e和i 旋转磁场 磁场能量 磁场绕组切割转 子绕组 机械负载旋转起 三相交流电能 输出机械能量 11 4 电磁阀的工作原理 电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件 属于执行器 并不限于液压 气动 电磁阀是用于控制气体流动方向的 自动分拣装置一般都由气缸控制 所 以用到电磁阀 工作原理工作原理 电磁阀里有密闭的腔 不同位置开有通孔 每个孔都通向不同的气管 腔中间 是阀 两面是两块电磁铁 哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边 通过 控制阀体的移动来档住或漏出不同的排气的孔 而进气孔是常开的 气体就会 进入不同的排气管 然后通过气体的压力来推动气缸的活塞 活塞又带动活塞 杆 活塞竿带动机械装置动 这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动 5 光电感应器的工作原理 光电传感器的构成 光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的 光电传感器在一般情况下 有三部分构成 它们分为 发送器 接收器和检 测电路 发送器对准目标发射光束 发射的光束一般来源于半导体光源 发光二极 管 LED 和激光二极管 光束不间断地发射 或者改变脉冲宽度 接收器有光 电二极管或光电三极管组成 在接收器的前面 装有光学元件如透镜和光圈等 在其后面是检测电路 它能滤出有效信号和应用该信号 此外 光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维 6 气缸的作用及工作原理 1 气缸作用 1 引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件 工质在发动机气 缸中通过膨胀将热能转化为机械能 气体在压缩机气缸中接受活塞压缩而 提高压力 涡轮机 旋转活塞式发动机等的壳体通常也称 气缸 12 2 气缸的应用领域 印刷 张力控制 半导体 点焊机 芯片研磨 自 动化控制 机器人等等 3 气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件 气缸有 作往复直线运动的和作往复摆动的两类 2 气缸工作原理 气缸的运动速度主要由所驱动的工作机构的需要来决定 要求速度缓慢 平稳时 宜采用气液阻尼缸或采用节流调速 节流调速的 方式有 排气节流和进气节流 排气节流主要用于水平安装推力载荷中 进气 节流主要用于垂直安装升举载荷中 用缓冲气缸可使缸在行程终点不发生冲击 现象 通常缓冲气缸在阻力载荷且速度不高时 缓冲效果才明显 如果速度高 行程终端往往会产生冲击 设计中主要是通过直动性气缸将金属与塑料推入相应的斜槽中 13 第三章第三章 可编程控制器可编程控制器 1 PLC 的选择 可编程控制器通常也简称为可编程控制器 英文缩写为 PC 或 PLC 是以微 处理器为基础 综合了计算机技术 自动控制技术和通信技术发展起来的一种 通用的工业自动控制装置 它具有体积小 功能强 程序设计简单 灵活通用 维护方便等一系列的优点 特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的 能力 更是得到了用户的好评 因而在冶金 能源 化工 交通 电力等领域 中得到了越来越广泛的应用 成为现代控制的三大支柱 PLC 机器人和 CAD CAM 之一 设计中选用的 PLC 为 名称 三菱 PLC 型号 FX2N 选用三菱 PLC FX2N 的意义 1 结构灵活 不受环境的限制 有电即可组建网络 同时可以灵活扩展接入端口数量 使资源保持较高的利用率 在移动性方面可与WLAN 媲美 2 范围广 无所不在的电力线网络也是这种技术的优势 虽然 无线网络可以做到 不破墙 但对于高层建筑来说 其必需布设N 多个 AP 才能满足需求 而且 同样不能避面信号盲区的存在 而电力线是最基础的网络 它的规模之大 14 是其他任何网络无法比拟的 由此 运营商就可以轻松地把这种网络接入服 务渗透到每一处有电力线的地方 这一技术一旦全面进入商业化阶段 将给 互联网普及带来极大的发展空间 终端用户只需要插上电力猫 就可以实现 因特网接入 电视频道接收节目 打电话或者是可视电话 3 低成本 充分利用现有的低压配电 网络基础设施 无需任何布线 节约了资源 无需挖沟和穿墙打洞 避免了对建筑物 公用设施 家庭装潢的破坏 同时 也节省了人力 相对传统的组网技术 PLC 成本更低 工期短 可扩展性和 可管理性更强 目前国内已开通电力宽带上网的地方 其包月使用费用一般 为 50 80 元 月左右 这样的价格和很多地方的ADSL 包月相持平 4 适用面广 PLC 作为利用电力线组网的一种接入技术 提供宽带网络 最后一公 里 的解决方案 广泛适用于居民小区 酒店 办公区 监控安防等领 域 它是利用电力线作为通信载体 使得PLC 具有极大的便捷性 只要 在房间任何有电源插座的地方 不用拨号 就立即可享受4 5 45Mbps 的高速网络接入 来浏览网页 拨打电话 和观看在线电影 从而实现 集数据 语音 视频 以及电力于一体的 四网合一 综上所述 三菱 PLC FX2N 32MR 是此设计 金属 塑料分拣装置自动化控制 系统 的最佳选择 2 PLC 的结构及工作原理 1 PLC 的基本结构 世界各国生产的可编程控制器外观各异 但作为工业控制的计算机 其硬件结构都大体相同 主要由中央处理器 PLC 存储器 RAM ROM 输入 输出器件 I O 接口 电源及编程设备几大部分构成 2 PLC 的工作原理 可编程控制器的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的 可以简单地表 达为在系统程序的管理下 通过运行应用程序完成用户任务 但个人计算机与 15 PLC 的工作方式有所不同 计算机一般采用等待命令的工作方式 如常见的键 盘扫描方式或 I O 扫描方式 当键盘有键按下或 I O 口有信号输入时 中断转 入相应的子程序 而 PLC 在确定了工作任务 装入了专用程序后成为一种专用 机 它采用循环扫描工作方式 系统工作任务管理及应用程序执行都是以循环 扫描方式完成 3 PLC 输入 输出口的分配 输入端 输出端 X0 SB4 待机控制 Y0 HL2 绿灯 待机提示 X1 SB5 停机控制 Y1 HL3 红灯 禁止下料提示 X2 金属检测Y2 HL1 黄灯 允许下料提示 X3 塑料检测Y3 三相异步电动机 X5 检测下料装置Y4 气缸 1 Y5 气缸 2 4自动分拣装置输入 输出接线图 16 5系统控制流程图 气缸2 气缸1 电磁阀线 圈 黄 允许下料提 示 红 停止下料 提示 绿 待机提示 塑料检测 金属检测 下料检测 停机控制 待机控制 17 6 系统控制梯形图 18 结束语 本设计所采用的日本三菱可编程控制器的硬件配置和程序设计是完全可行 的 在实际控制中 由于 PLC 产品自身具有可靠性高 灵活性强 对工作环境 无要求和抗干扰性能好等诸多优点 使之完全可以将操作人员从恶劣的现场环 境中解放出来 因而深受用户欢迎 同时采用 PLC 控制金属塑料的自动分拣 该控制系统可用较少的资金投入 达到很高的控制精度 本设计已通过模拟仿 真检验 有很好的推广价值 任何设计的控制系统都是要经过实