自动化生产线中分拣工作站的设计毕业设计.docx
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自动化生产线中分拣工作站的设计毕业设计
毕业设计论文
题目：
自动化生产线中分拣工作站的设计
专业：
电气工程及自动化
班级：
（本科）
学生：
指导教师：
二○一一年
摘要
我国的自动分拣技术才开始起步，仅在邮电部门的邮政局有一些小型的半自动的翻盘分拣用于邮包分拣，在别的行业就很少见到一定规模和一定水平的分拣系统。
但是，自动分拣已逐渐成为工业生产主流，因为自动分拣是从货物进入分拣系统送到指定的分配位置为止，都是按照人们的指令靠自动分拣装置来完成的。
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。
本设计在计算机上安装组态软件，通过组态软件，构建画面，模拟现场实际，实现动态的监控。
利用可编程控制器（PLC）,设计成本低、效率高的材料自动分拣装置。
以PLC为主控制器，结合气动装置、传感技术、位置控制等技术，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。
关键词：
可编程控制器,分拣装置,控制系统,传感器,定位控制
第一章绪论
组态（Configuration）的意思就是模块的任意组合。
采用组态技术构成的计算机系统在硬件设计上，除采用工业PC机外，系统大量采用各种成熟通用的I/0接口设备和现场设备，基本不再需要单独进行具体电路设计。
这不仅节约了硬件开发时间，更提高了工控系统的可靠性。
在软件设计上由于采用成熟的工控专用组态软件进行系统设计，软件开发周期大大缩短了。
组态软件实际上是一个专为工控开发的工具软件。
它为用户提供了多种通用工具模块，用户不需要掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能。
系统设计人员可以把更多的注意力集中在如何选择最优的控制方法，设计合理的控制系统结构，选择合适的控制算法等这些提高控制品质的关键问题上。
另一方面，从管理的角度来看，用组态软件开发的系统具有与Windows一致的图形化操作界面，非常便于生产的组织与管理。
组态技术是计算机控制技术综合发展的结果，是技术成熟化的标志，由于组态技术的介入，计算机控制系统的应用速度大大加快了。
第二章材料分拣装置的结构及设计
2.1材料分拣装置的结构
材分拣装置的结构示意图，如图1所示。
它采用台式结构，内置电源，有步进电机、汽缸、电磁阀、旋转编码器、气动减压器、滤清器、气压指示等部件，可与各类气源相连接。
选用颜色识别传感器及对不同材料敏感的电容式和电感式传感器，分别固定在网板上，且允许重新安装传感器排列位置或选择网板不同区域安装。
材料分拣装置能实现如下3种基本功能：
（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和非金属中某一颜色块。
2.2控制要求
系统利用各种传感器对待测材料进行检测并分类。
当待测物体经下料装置送入传送带后,依次接受各种传感器检测。
如果被某种传感器测中，通过相应的气动装置将其推入料箱；否则,继续前行。
其控制要求有如下9个方面。
（1）系统送电后,光电编码器便可发生所需的脉冲。
（2）电机运行,带动传输带传送物体向前运行。
（3）有物料时,下料汽缸动作,将物料送出。
（4）当电感传感器检测到金属物料时,推汽缸1动作将待测物料推入下料槽。
（5）当电容传感器检测到非金属物料时,推汽缸2动作将待测物料推入下料槽。
（6）当颜色传感器检测到材料为某一颜色时,推汽缸3动作将待测物料推入下料槽。
（7）其他物料被送到SD位置时,汽缸4动作将待测物料推入下料槽。
（8）汽缸运行应有动作限位保护。
（9）下料槽内无下料时,延时后自动停机。
图2-1材料分拣装置结构示意图
第三章TVT-99B材料分拣装置的设计
3.1TVT-99B装置的介绍
该装置采用台式结构，内置电源，配装FP0系列主机，转接面板上设计了可与其它PLC或单片机连接的转接口。
该装置中，选用了颜色识别传感器及对不同材质敏感的电容式和电感式传感器。
3.2硬件设计
3.2.1系统的硬件结构
系统的硬件结构框图，如图3-1所示。
其工作过程是开启电源，步进电机运行并驱动传输带,下料传感器检测下料槽内是否有物料。
若无物料,延时后自动停止并等待上料；当下料槽内有物料时，系统自动运行。
首先，下料传感器发送信号给PLC，并转送给推汽缸.经过一定时间,下料汽缸依次将物料推至传输带。
当物料由传输带传输时，光电编码器发脉冲开始进行计数，电机运行，实现定位控制。
当电感传感器检测到物料为金属物料时，发出反馈信号给PLC，由PLC控制推汽缸1动作,将物料推到卸料斗。
当推汽缸电磁阀运行到限位时，电磁阀复位，恢复原状态。
此时，电机重新工作驱动传输带到下一位置，同理,可通过相应传感器分拣相应的物料。
图3-1系统的硬件结构框图
3.2.2检测元件及执行装置的选择
（1）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。
它由三大部分组成：
振荡器、开关电路及放大输出电路。
振荡器产生一个交变磁场。
当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，这个涡流反作用于接近开关，从而导致振荡衰减，内部电路的参数发生变化。
振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。
本文选用BLT18A4-8-Z7BIZ。
（2）电容式接近传感器
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.电容式接近传感器由高频振荡器和放大器等组成，由传感器的检测面与大地间构成一个电容器，参与振荡回路工作，起始处于振荡状态。
当物体接近传感器件测面对，回路的电容量发生变化，使高频振荡器振荡。
振荡与停振这二种状态转换为电信号经放大器转化成二进制的开关信号。
本装置中电容传感器是用于检测非金属物料,选用E2K2X8ME1电容传感器。
（3）旋转编码器
旋转编码器是与步进电机连接在一起,在本系统中可用来作为控制系统的计数器。
并提供脉冲输入,它转化为位移量,可对传输带上的物料进行位置控制。
传送至相应的传感器时,发出信号到PLC,以进行分拣,也可用来控制步进电机的转速。
本文选用E6A22CW5C旋转编码器。
（4）光电传感器
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。
光电传感器主要由发光的投光部和接受光线的受光部构成。
如果投射的光线因检测物体不同而被遮掩或反射，到达受光部的量将会发生变化。
受光部将检测出这种变化，并转换为电气信号，进行输出。
在本设计中，光电传感器选用的型号E3S-VSIE4,检测距离是12mm，就是物体在探头12mm之内才会动作，所以可能就是离探头比较近才会动作。
（5）步进电机
步进电机作为执行机构用于带动传输带输送物料前行,与旋转编码器连接在一起。
可以通过控制脉冲个数,来控制角位移量,从而达到准确定位的目的。
同时,可以通过控制脉冲频控制电机转动的速度,达到调速的目的。
步进电机选用的型号42BYGH101。
3.3软件技术
3.3.1系统设计流程图
根据系统控制要求，可画出如图3-2所示的系统软件流程图。
该系统可选择连续或单次运行工作状态。
若为连续运行状态，则系统软件设计流程图中的汽缸4动作后，程序再转到开始；若为单次运行，则汽缸4动作后停机。
如果需要，该系统可在分拣的同时对分拣的材料进行数量的统计，这只需在各汽缸动作的同时累计即可。
应用高速计数器编制程序，可以实现系统的定位控制功能。
用高速计数器计数步进电机转过的圈数，来确定物料到达传感器的距离，实现定位功能。
定位时，电机停转。
计数器清零，传感器开始工作，对物料进行分拣处理1在汽缸1～3动作后，电机重新运行，高速计数器也重新计数。
如果相应的传感器没有检测到物体，则电机重新运行，高速计数器也重新计数，继续运行到下一位置。
图3-2系统软件流程图
3.3.2PLC程序的设计
a）确定I/O分配
根据控制要求,输入应该有6个传感器信号，包括电感传器、电容传感器、颜色传感器、预留传感器（可根据要求设置），以及检测下料的传感器和计数传感器.相应地,有相应的5个汽缸运动位置信号，每个汽缸有动作限位和回位限位，共计10个信号。
输出包括控制电动机运行的接触器，以及5个控制汽缸动作的电磁阀。
共需I/O点22个，其中16个输入,6个输出。
b）PLC的选择
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。
本系统PLC采用松下电工生产的袖珍型FP0-C14RS作为主机，并配有扩展单元，最多使用三个扩展单元。
采用堆叠方式不需要任何电缆。
采用FP0-E8作为扩展单元。
选择此PLC的理由是：
1）.小型尺寸W25×H90×D60mm。
在尺寸方面优于一般的小型PC机，可与机器组合控制为控制单元小型化作出贡献，32点的控制单元宽度为W30mm。
2）.最大可以扩展到3个单元128点。
采用了无需扩展电缆的堆叠扩展方式。
在扩展3单元的情况下宽度仅为105mm非常节省空间。
3）.扫描时间约为1ms的高速运算。
500步的程序只需1ms就可处理完毕。
处理速度可充分满足小型PLC的需求。
c）建立I/O地址分配表
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,如表3-1所示。
通过I/O的连接,即可实现PLC对分拣装置的控制。
松下plc（I/O）
分拣系统接口（I/O）
备注
输
入
部
分
x27
sfw1（推气缸1动作限位）
x1
sfw2（推气缸2动作限位）
x2
sfw3（推气缸3动作限位）
x3
sfw4（推气缸4动作限位）
x4
sfw5（下料气缸动作限位）
x5
sa（电感传感器）
x6
sb（电容传感器）
x7
sc（颜色1传感器）
x20
sbw1（推气缸1回位限位）
x21
sbw2（推气缸2回位限位）
x22
sbw3（推气缸3回位限位）
x23
sbw4（推气缸4回位限位）
x24
sbw5（下料气缸回位限位）
x25
sd（颜色2传感器）
预留传感器
x26
sn（下料传感器）
判断下料有无
x0
ucp（计数传感器）
输
出
部
分
y0
yv1（推气缸1电磁阀）
y1
yv2（推气缸2电磁阀）
y2
yv3（推气缸3电磁阀）
y3
yv4（推气缸4电磁阀）
y6
yv5（下料气缸电磁阀）
y5
m（输送带电机）
表3-1PLC的I/O点分配编号
d）PLC程序的设计过程
①R9013是运行（RUN）开始后的第一个扫描周期为ON，从第二个扫描周期开始变为OFF。
DT9052为高数计数器控制标志，下图梯形图的作用是：
初始化时，高数计数器的经过值位置放置为0并开始计数。
高速计数的功能：
对单相配备了4通道，2相则为2通道。
在单相的情况下，4通道合计为10kHz；2相的情况下，2通道合计为2kHz。
以此计数速度，可用于对变频器进行控制等。
②当检测到物料时，下料汽缸动作，经过3秒后关闭。
梯形图如下：
③当电感传感器检测到金属物料时，推汽缸1动作将物料推入下料槽，梯形图如下：
④当前三个汽缸未动作时，气缸四动作。
SET：
置1指令，RET：
为置零指令；梯形图如下：
⑤F118加/减计数器指令，当检测到铁块时，寄存器加1（D+1）,可以检测铁块的数量，梯形图如下：
第四章组态软件（昆仑通态MCGS）监控系统
4.1MCGS系统介绍
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem,通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft（各种32位Windows平台上）运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，它充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。
4.2MCGS组态软件的整体结构
MCGS5.1软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。
组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。
运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。
MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。
两部分互相独立，又紧密相关。
4.3MCGS系统的构成和组成部分的功能
MCGS生成的用户应用系统，其结构有主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，如图4-1所示。
图4-1MCGS用户系统结构图
4.4材料分拣监控系统的设计方法
4.4.1工程的建立
<1>首先双击桌面MCGS组态图标，进入组态环境，出现如图4-2所示画面。
屏幕中间窗口为工作台。
<2>单击“文件”菜单，弹出下拉菜单，单击“新建工程”，如图4-3所示。
图4-2MCGS组态环境图4-3新建工程
<3>单击“文件”菜单，弹出下拉菜单，单击“工程另存为”，弹出文件保存窗口。
<4>在文件名一栏内输入工程名，如“分拣系统”，单击保存按钮，工程建立完毕。
4.4.2变量的定义
<1>单击工作台中的“实时数据库”选项卡，如图4-4所示，窗口中列出了系统已有的变量的名称。
其中一部分为系统内部建立的数据对象，将对象添加进去。
图4-4实时数据库图4-5数据库
<2>单击工作台右侧“新增对象”按钮，在数据对象列表中立刻出现了一个新的数据对象。
<3>选中该数据对象，中击右侧“对象属性”按钮或直接双击该数据对象，弹出“数据对象属性设置”窗口。
<4>将“对象名称”改为：
启动按钮；“对象初值”改为：
O;“对象类型”改为：
开关型；“对象内容注释”栏填入：
分拣系统启动控制信号，SBI输入，l有效。
<5>单击“确定”按钮。
<6>重复2一5，定义其他数据对象，注意对象初值应设置为无效状态。
<7>单击“保存”按钮，如图4-5。
4.4.3设备驱动程序的装入
<1>单击工作台中的“设备窗口”选项卡，如图4-6所示。
图4-6设备窗口图4-7设备组态
<2>单击右侧“设备组态”按钮，选择“设备0-松下FCP“如图4-7所示”。
4.4.4画面的设计
<1>画面建立
单击“用户窗口“选项卡，在单击有侧”新建窗口“按钮”出现“窗口0”图标，如图4-8所示。
<2>画面编辑
画面效果如图4-9所示：
图4-8窗口图4-9画面效果
第五章TVT-99B分拣装置的调试过程
5.1技术要求及指标
1）、输入电压AC200V—240V（带保护地三芯插座）
2）、气源>0.2Mpa且<0.85Mpa
3）、分拣功能：
〈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的某一颜色块
〈6〉建议分拣颜色为：
红、绿、兰
〈7〉建议分拣材料为：
铁、铝、塑料等。
5.2使用方法
<1>气源由二联体左侧进气口连接Φ6气管，另一端接至气源。
（非长期使用，不要向油杯里注油）。
<2>当选用外部PLC时,可通过转接板与I/O接口连接，见表5-1。
（意:
一定要将原配FP0主机联线拔掉）。
表5-1DB37针-D型接口
序号
对PLC的I/O口
硬板位置号
1
X23
1
2
X3
9
3
X22
2
4
X2
10
5
X21
3
6
X1
11
7
X20
4
8
X27
12
9
X24
5
10
X4
13
11
X5
6
12
X26
14
13
X6
7
14
X0
15
15
X7
8
16
X25
16
17、18
Y2
C
21、22
Y0
A
23、24
Y1
B
25、26
Y3
D
27、28
Y6
E
29、30
Y5
KA
19、33-37
COM
+24V
20
（0）
0
<3>编制程序
<4>接通电源
<5>将料块放入竖井式料槽。
<6>运行方式：
有料时自动运行，无料时走完一个行程自动停机。
5.3传感器位置及信号接口
该装置采用台式结构，内置电源，配装FP0系列主机，转接面板上设计了可与其它PLC或单片机连接的转接口。
该装置中，选用了颜色识别传感器及对不同材质敏感的电容式和电感式传感器，分别被固定在网板上．允许学员重新安装传感器排列位
置或选择网板不同区域安装（如三个传感器集中装在汽缸5附近的网板区域）。
可增加编程难度，开发学员创造能力。
本装置还设置了气动方面的减压器、滤清、气压指示等，可与各类气源相连接。
各传感器位置见图5-2
图5-2各传感器位置图
5.4传感器调试方法
〈1〉通电状态下，在颜色传感器下方的传送带上，放置带有某一颜色料块，调节传感器上的电位器，观察窗口中红黄（或绿）指示灯，当两灯恰同时发光时，该灵敏点即为料块颜色检出点。
（注：
顺时针旋转检测色温向低端移动，否则反之）。
〈2〉在电感传感器下方的传送带上，放置铁质料块，调整传感器上两螺母，使传感器上下移动，恰好使传感器上端指示灯发光，该高度即为传感器对铁质材料的检出点。
（不同检测体的修正系数见图5-3所示）
图5-3不同检测体的修正系数
〈3〉在电容传感器下方的传送带上，放置铝质料块，调整传感器上两螺母，使传感器上下移动，恰好使传感器上端指示灯发光，该高度即为传感器对铝质材料的检出点。
〈4〉气压表标值建议调定在0.12Mpa。
5.5监控系统
在windows98系统中，把光盘放入光驱中，自动运行MCGS组态软件。
此时出现对话框，安装MCGS组态软件通用版，直至安装完毕，桌面快捷方式出现两个新图标，即MCGS组态环境和MCGS运行环境。
MCGS组态环境为开发编写监控程序平台；MCGS运行环境为运行您所开发的监控程序平台。
安装监控程序，用windows资源管理器浏览此光盘，找到分拣系统目录下的分拣系统SETUP下的SETUP，EXE，运行SETUP．EXE，运行MCGS运行环境，进入监控系统．如果出现监控的数据与实际不一样，可能通讯口连接不对，或与PLC连接的不是COM2口，请您换在COM2口上，如果没有COM2的计算机，必须进入MCGS组态环境，如图5-4所示。
图
图5-4工作台
用鼠标双击MCGS设备窗口项，设备O-（串口父设备），更改串口端口号（O-COM1）确认，如图5-5所示，F5进入MCGS运行环境，进入监控状态（见附录二）。
图5-5串行口设置PLC程序
参考文献
[1].材料分拣装置的可编程控制系统设计.福建：
华侨大学学报.2005年10月；
[2]TVT－99B材料分拣装置实习指导.天津：
源峰科技发展公司
[3]组态软件（组态王kingview或昆仑通态MCGS）用户指南、参考手册；
[4].传感器技术及应用.北京:
北京航空航天大学出版社,2004年12；
致谢
本论文的研究工作是在导师*****老师的严格要求和悉心指导下完成的。
从论文的选题、课题的研究到论文的撰写，导师都倾注了大量的心血。
他对待事情的严谨细致，对工作的认真负责，对人的平和等等，都给我留下了极深刻的印象。
在此论文完成之际我向我的导师****老师表示最衷心的感谢和最崇高的敬意!
感谢电气工程及其自动化专业的各位老师和同学在我求学期间所给予的教导和帮助!
再次向所有教导、关怀和帮助过我的人们致以深深的谢意！
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