电气自动化技术毕业论文

基于PLC的物料分拣控制系统设计与实现摘要随着工业自动化技术的飞速发展，物料分拣作为生产流程中的关键环节，其效率与精度直接影响整个生产线的产能与产品质量。本文以典型的工业物料分拣场景为研究对象，设计并实现了一套基于可编程逻辑控制器（PLC）的物料分拣控制系统。该系统通过PLC作为核心控制单元，结合传感器检测技术、气动执行机构以及人机交互界面，实现了对不同材质、颜色或形状物料的自动识别、分拣与归类。论文首先分析了物料分拣系统的控制要求与工作流程，进而完成了系统的总体方案设计，包括硬件选型（PLC型号、传感器类型、执行器等）和电气原理图设计。在此基础上，重点阐述了PLC控制程序的设计思路与实现方法，包括主程序、初始化模块、手动/自动切换模块、物料检测与识别模块、分拣执行模块以及故障报警模块等。同时，利用组态软件设计了上位机监控界面，实现了系统运行状态的实时监控与参数设置。通过系统联调与实验验证，该物料分拣控制系统能够稳定、准确地完成预定的分拣任务，具有较高的自动化程度、可靠性和实用价值，可为相关工业自动化生产线的升级改造提供参考。关键词：PLC；物料分拣；控制系统；传感器；组态监控引言1.1研究背景与意义在现代制造业中，物料的分拣与搬运是生产过程中不可或缺的环节，广泛应用于食品、医药、电子、物流等多个行业。传统的人工分拣方式不仅劳动强度大、效率低下，而且分拣精度易受人为因素影响，难以满足现代化大生产对速度、精度和柔性的要求。因此，开发高效、可靠的自动化物料分拣系统已成为提高生产效率、降低生产成本、提升企业竞争力的重要途径。可编程逻辑控制器（PLC）作为工业控制领域的核心设备，凭借其高可靠性、强抗干扰能力、灵活的编程方式以及易于扩展等优点，在自动化生产线控制中得到了广泛应用。将PLC技术与传感器技术、气动技术、人机交互技术相结合，构建物料分拣自动化控制系统，能够有效实现物料的自动识别、快速分拣和有序输送，对于推动工业生产向智能化、无人化方向发展具有重要的现实意义和应用价值。1.2国内外研究现状物料分拣技术的发展经历了从人工分拣到机械分拣，再到自动化、智能化分拣的过程。目前，国际上先进的分拣系统已普遍采用PLC或工业机器人作为控制核心，并结合机器视觉、激光扫描等先进识别技术，实现了高速、高精度的物料分拣。例如，在物流行业，大型交叉带分拣系统的分拣效率可达每小时数万件。国内在物料分拣自动化领域的研究与应用也取得了长足进步。PLC以其成熟的技术和较高的性价比，仍是中小型企业实现物料分拣自动化的首选控制方案。近年来，随着机器视觉技术的普及和成本的降低，基于PLC与视觉识别相结合的分拣系统也日益增多，能够处理更复杂的物料特征识别任务。然而，针对特定场景、特定物料的分拣系统设计，仍需要根据实际需求进行定制化的方案论证、硬件选型和软件开发，以确保系统的经济性和实用性。1.3本文主要研究内容和结构安排本文旨在设计一套基于PLC的物料分拣控制系统，实现对不同特性物料的自动分拣。主要研究内容包括：1.分析物料分拣系统的工作流程和控制要求，进行系统总体方案设计。2.完成系统硬件选型与配置，包括PLC控制器、传感器、气动元件、输送装置及人机界面等，并设计电气控制原理图。3.基于选定的PLC型号，采用梯形图或结构化文本等编程语言，开发系统控制程序，实现物料检测、逻辑判断、执行机构驱动等功能。4.设计上位机组态监控界面，实现对系统运行状态的实时监测与必要的参数设置。5.搭建系统实验平台，进行软硬件联调与功能测试，验证系统设计的可行性与稳定性。本文的结构安排如下：第一章为引言，阐述研究背景、意义及主要内容；第二章介绍系统总体方案设计，包括控制要求分析和总体结构设计；第三章详细说明系统硬件选型与电气原理图设计；第四章重点论述PLC控制程序的设计与实现；第五章介绍上位机组态监控系统的设计；第六章进行系统调试与实验结果分析；最后为结论与展望。2.系统总体方案设计2.1控制要求分析本物料分拣控制系统的主要功能是对传送带上输送的不同物料（例如，根据材质分为金属与非金属，根据颜色分为红、黄、蓝等）进行自动识别，并将其分拣到对应的料箱中。具体控制要求如下：1.物料输送与定位：传送带能够平稳输送物料，当物料到达检测与分拣区域时，系统能对其进行可靠定位或识别其位置。2.物料特征识别：通过相应的传感器（如金属传感器、颜色传感器）对物料的特定属性进行检测，判断物料类型。3.分拣执行：根据传感器检测到的物料类型信号，PLC控制相应的分拣执行机构（如气动推杆或旋转气缸）动作，将物料推送到对应的料箱。4.工作模式：系统应具备手动和自动两种工作模式。手动模式下，可通过按钮单独控制各执行元件（如传送带启停、各分拣推杆动作），用于设备调试和维护；自动模式下，系统按预设流程自动完成物料的输送、检测与分拣。5.状态指示与报警：系统应设有工作状态指示灯（如运行、停止、故障），当出现物料堵塞、传感器故障等异常情况时，能发出声光报警信号并停止传送带运行。6.人机交互：通过触摸屏或按钮、指示灯等实现简单的参数设置（如传送带速度、分拣延迟时间）和运行状态监控。2.2系统总体结构设计根据上述控制要求，本物料分拣控制系统采用分层结构设计，主要由机械执行部分和电气控制部分组成。系统总体结构框图如图2-1所示（此处应有图，实际论文中需绘制）。机械执行部分：主要包括输送带及驱动装置、物料导向机构、分拣执行机构（如气动推杆组件）和物料存储料箱。输送带负责物料的输送；导向机构确保物料在传送带上的运动轨迹，便于检测和分拣；分拣执行机构根据PLC的指令动作，完成物料的推送分拣。电气控制部分：以PLC为核心，主要包括：1.传感检测层：包括用于检测物料有无的光电传感器（或接近开关）、用于识别物料材质的金属传感器、用于识别物料颜色的颜色传感器等。这些传感器将检测到的物理信号转换为电信号传送给PLC。2.控制层：核心为PLC控制器，负责接收各传感器的输入信号，按照预设的控制逻辑进行运算和判断，并向执行机构发出控制指令。3.执行驱动层：包括用于驱动输送带电机的变频器或电机驱动器、控制气动推杆动作的电磁阀、以及用于指示状态的指示灯和报警装置等。4.人机交互层：包括触摸屏（HMI）和若干控制按钮（如急停按钮、启动/停止按钮、手动/自动切换按钮）。通过HMI可以直观显示系统运行状态、故障信息，并进行参数设置；按钮用于实现基本的操作控制。系统工作流程大致如下：人工将待分拣物料放置在传送带起始端→传送带启动，物料随传送带向前运动→当物料到达第一个检测点时，光电传感器检测到物料并发送信号给PLC，PLC开始计时或启动后续检测→物料继续运动至特征检测区域，金属传感器、颜色传感器等依次对物料进行检测，并将检测结果反馈给PLC→PLC根据接收到的传感器信号判断物料类型→当物料运动至对应类型的分拣工位时，PLC控制相应的气动推杆动作，将物料推入对应的料箱→空物料盘或空物料框继续随传送带运动至末端，可由人工回收或进入下一流程。若在设定时间内未检测到物料通过或传感器信号异常，系统发出报警并停机。3.系统硬件选型与电气设计3.1PLC控制器选型PLC作为控制系统的核心，其性能和I/O点数直接影响系统的稳定性和功能实现。在选型时，主要考虑以下因素：所需I/O点数（包括数字量输入DI、数字量输出DO、模拟量I/O——若需要）、指令执行速度、存储容量、通信能力、性价比及用户的编程习惯等。根据本物料分拣系统的控制要求，输入信号主要包括：各传感器信号（光电、金属、颜色等，均为数字量）、手动控制按钮信号（启动、停止、急停、手动/自动切换、各手动操作按钮）；输出信号主要包括：控制输送带电机启停及方向的信号（若采用变频器则可能为模拟量或数字量脉冲，若直接控制接触器则为数字量）、各分拣推杆对应的电磁阀控制信号、状态指示灯及报警装置驱动信号。经初步估算，系统所需数字量输入点数约为十几个，数字量输出点数也约为十几个。综合考虑控制规模、成本预算及市场应用情况，本系统选用某主流品牌的小型PLC，其基本单元已集成足够的DI/DO点数，且具备扩展能力和基本的通信功能，能够满足系统控制需求。具体型号选择应结合实际供货情况和性价比进行最终确定，例如可选择带有高速计数器功能的型号，以便于实现对物料位置的精确计数或测速。3.2传感器选型传感器是物料分拣系统的“眼睛”，其性能直接影响分拣精度和可靠性。1.光电传感器：用于检测传送带上是否有物料到来，通常安装在物料进入检测区域的前端或分拣工位的特定位置。可选用漫反射型光电传感器，安装调试方便；若环境光干扰较大或检测距离要求较高，也可选用对射型或镜面反射型。其输出信号为开关量（NPN或PNP型）。2.金属传感器：用于检测物料是否为金属材质。选用电感式接近开关，当金属物体靠近其检测面时，传感器输出开关量信号。选择时需考虑检测距离、响应频率及安装尺寸。3.颜色传感器：用于检测物料的颜色。选用对特定颜色敏感的光电传感器或RGB颜色传感器模块。颜色传感器应能区分系统要求识别的几种颜色（如红、黄、蓝），并输出相应的数字信号或通过通信方式将颜色信息传送给PLC。部分颜色传感器可通过teach-in方式进行颜色示教，使用灵活。3.3执行机构选型1.输送带及驱动装置：输送带可选用皮带式或链板式，根据物料重量和尺寸选择。驱动装置采用减速电机，为实现输送带速度调节，可配置变频器。电机的功率根据输送带长度、物料重量及运行速度确定。2.分拣执行机构：采用气动执行元件，具有响应速度快、结构简单、成本低等优点。通常选用双作用气缸配合单向节流阀（用于调节气缸伸出和缩回速度）和二位五通电磁阀（由PLC控制其通断电，进而控制气缸动作）组成分拣推杆。每个分拣工位配置一套这样的气动推杆组件。3.4人机交互设备选型1.触摸屏（HMI）：选用小型彩色触摸屏，用于显示系统运行状态（如当前分拣物料类型、数量统计、各传感器状态）、故障报警信息，并可进行简单的参数设置（如分拣延时、传送带速度设定值等）。触摸屏需支持与所选PLC的通信协议。2.按钮与指示灯：配置必要的物理按钮，如急停按钮（必须为常闭、红色蘑菇头）、总启动按钮、总停止按钮、手动/自动切换开关。状态指示灯包括电源指示灯、运行指示灯、故障报警指示灯。3.5电源及其他辅助元件系统电源采用AC220V供电，通过开关电源转换为DC24V，为PLC、传感器、电磁阀、触摸屏等直流设备供电。其他辅助元件还包括中间继电器（当PLC输出点容量不足或为了隔离强电时使用）、断路器、熔断器、接线端子排、导轨、安装底板等。3.6电气原理图设计电气原理图是系统硬件设计的核心文档，主要包括主电路和控制电路两部分。主电路：主要绘制输送带电机（若有变频器，则为变频器主回路）、控制变压器、开关电源等强电部分的电气连接。控制电路：主要绘制PLC的I/O接线图、各传感器的接线图、电磁阀线圈及指示灯的控制回路接线图、按钮等操作元件的接线图。在设计电气原理图时，应遵循电气制图规范，采用标准图形符号，合理布局，标注清晰的元件代号和端子号，确保电路的安全性、可靠性和可维护性。例如，所有电磁阀线圈两端应并联续流二极管，以保护PLC输出触点；急停按钮应串联在控制回路的关键位置，确保其动作时能切断危险能源。设计工具可选用专业的电气CAD软件。4.系统软件设计4.1PLC控制程序设计PLC控制程序是整个系统的“大脑”，其设计质量直接决定了系统的控制性能。编程软件应选用PLC厂商提供的专用编程环境。4.1.1编程语言选择梯形图（LD）是PLC编程中最常用的语言，其图形符号与传统继电器控制电路相似，直观易懂，适合逻辑控制。本系统主要以逻辑控制为主，因此优先采用梯形图进行编程。对于一些复杂的算法或数据处理，也可结合结构化文本（ST）语言。4.1.2控制程序总体结构采用结构化编程思想，将控制程序划分为若干功能相对独立的模块，如主程序模块、初始化模块、手动控制模块、自动控制模块、物料检测与识别模块、分拣执行模块、报警处理模块等。这样不仅使程序结构清晰，易于编写、调试和维护，也提高了代码的可重用性。主程序主要负责调用各个功能模块，并处理模块间的数据传递和状态转换。程序的大致执行流程如下：1.系统上电，执行初始化模块，对各输出端口、内部寄存器、计数器、定时器等进行复位或赋初值。2.检测“急停”信号，若急停按钮被按下，则所有输出关闭，程序停留在初始状态。3.检测“手动/自动”切换信号，进入相应的工作模式。4.1.3主要功能模块设计1.初始化模块：在PLC上电第一个扫描周期或系统复位时执行，初始化各中间变量、标志位、定时器和计数器的当前值，确保系统从确定的初始状态开始运行。2.手动控制模块：当“手动/自动”开关置于手动位置时，程序进入手动模式。在此模式下，通过相应的手动按钮控制输送带的启停、各分拣推杆的单独伸出和缩回。例如，按下“手动输送带启动”按钮，输送带电机运行；按下“1号推杆伸出”按钮，对应的电磁阀得电，推杆伸出。3.自动控制模块：当“手动/自动”开关置于自动位置，且按下“自动启动”按钮后，系统进入自动运行模式。此模块是程序的核心，主要包括以下子过程：a.输送带控制：自动模式启动后，输送带开始连续运行（或在有物料等待时运行）。b.物料检测与识别：当光电传感器检测到物料到来时，PLC开始采集金属传感器、颜色传感器等的检测信号，并根据预设的逻辑判断物料类型。例如，若金属传感器检测到信号，则判断为金属物料；若金属传感器无信号，再根据颜色传感器的信号判断为红色、黄色或蓝色非金属物料。此过程中需注意传感器信号的稳定读取，可能需要加入适当的延时或滤波处理，避免误判。c.分拣执行控制：PLC根据识别出的物料类型，结合物料在传送带上的位置信息（可通过光电传感器触发后延时计时，或通过编码器脉冲计数来实现），当物料到达对应分拣工位时，控制相应的分拣电磁阀得电，驱动推杆伸出，将物料推入料箱。延时一段时间后，控制电磁阀失电，推杆缩回，等待下一次