基于PLC的材料分拣装置设计Word格式文档下载.docx

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自动控制；

传感器

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,modernindustrialcontrolsystemsbecomemorecomplicated,thetraditionalcontrolofscienceisfacingnewchallenges.PLCwithitssmallsize,full-featured,lowcostandhighreliabilityhasuniqueadvantages,invariousfieldshasbeenappliedwidely.TheuseofPLCcontrolsystemgreatlyimprovedthereliabilityandautomationlevel,providingamorereliableproductionandprotection.HowtogivefullplaytoPLCautomaticcontroladvantages,isanimportantsubjectinoneoftheautomaticcontrol.

Thistopicisinthiscontext,thesurroundingmaterialsortingdevicebasedonPLCdesignofastudy.PaperfirstdescribesthematerialsortingdevicePLCbacksthedevelopment,currentstatusandfuturedirections.Then,showtheworkofPLCcontrolsystemforautomaticsortingprincipleandthedifferencebetweentraditionalrelays.

ThispaperdescribesthematerialsortingbasedonPLCcontroldevicedesignandprogramming,PLCprogrammingandhowtoachievebymaterialsortingandautomaticcontrol.Thecircuitstructureissimple,lessinvestment（transformationofexistingfacilitiescanbeused）,sortingsystemisnotonlyahighdegreeofautomation,butalsochangeswiththeonlinefeatures,flexibility,accuratedataacquisitionsystemwithhighreliabilityandsystemcostlow.

Keywords:

PLC；

materialsorting；

automaticcontrol；

sensor

第1章绪论

PLC材料分拣装置的研究背景

随着微处置器、运算机和数字通信技术的飞速进展，运算机控制几乎扩展到所有工业领域。

现代社会要求制造业对市场要求做出迅速的反映，生产出小批量、多品种、多规格、低本钱和高质量的产品[1]。

为了知足这一要求，生产设备和自动生产线的看着系统必需具有极高的靠得住性和灵活性，可编程控制器（ProgrammableLogicController，PLC）正是顺应着一要求出现的，它是以微处置器为基础的通用工业控制装置。

PLC的应用面广、功能壮大、利用方便，是今世工业自动化系统的主要设备之一。

PLC已经普遍的应用于各类机械设备和生产进程的自动化控制中，PLC在其他领域，例如民用个家庭自动化也取得了迅速的进展。

而在众多工业生产领域中，对不同的材料进行分拣，以往常采用传统的继电器接触控制，利用硬连接电器多，靠得住性差，自动化程度不高。

目前已有许多企业采用先进控制器对传统接触控制进行改造，大大提高了控制系统的靠得住性和自动控制程度，为企业提供了更靠得住的生产保障。

本文在此介绍一种采用可编程控制器（PLC）对材料自动分拣的一种方式，其电路结构简单，投资少（可利用原有设施改造），自动分拣系统不仅自动化程度高，还具有在线修改功能，灵活性强。

本控制系统是一简单的材料分拣控制系统，在本系统的基础上，能够将之改良为物流分拣系统、自动分拣机，从而服务于人们的日常生活中。

PLC材料分拣系统的现状

随着生产趋于个性化、集约化，许多企业开始加深对物流的熟悉及其价值的深度挖掘，通过物流建设降低，提升竞争力。

自动化物流系统逐渐应用于烟草、制造、家电、医药、食物、图书等领域。

随着物流市场需求的增加，国内物流系统及装备供给商通过自主技术、引进消化吸收，从起初低端技术、入口到此刻高端创新、与国外厂商同台竞技，物流装备技术水平已明显提高，但在高端技术方面也还存在较大差距。

PLC材料分拣系统的进展方向

PLC材料分拣系统未来进展方向能够分为系统集成、工艺创新和自动分拣机[2]三个方向。

1.3.1系统集成

由于专业高度分工和全世界经济一体化，系统集成是一种理念和趋势。

国内厂商应采取国内集成、国外配套的合作思路，充分利用合作方在高端产品、关键设备上技术先进成熟的优势，迅速实现优势互补，提高整个物流系统的技术含量和技术水平。

集成不是简单的设备组合，是以系统思维的方式对设备功能的充分应用，并保证软硬接口的无缝和快捷，目的是实现集成创新。

1.3.2工艺创新

物流系统应充分注重“系统”概念，系统由多个单元组成。

单元的有效组合，即是流程及工艺的设计，这是一个全局优化的复杂进程。

工艺设计中最重要的是了解用户的实际需求，不同的行业和用户对物流的需求有着较大的不同，这是一种个性化的服务，应不断拓展创新。

就从烟草行业来讲，结合卷烟生产工艺，将物流做宽做深，从烟叶醇化到成品发货，从制丝分组加工到储叶储丝模块化精益生产，工艺创新和装备已融入并实现工厂生产自动化（FA）。

此刻社会上己将物流的高科技产品（自动分拣机、自动化立体仓库、信息处置及通信自动化等）普遍应用于各个流通领域。

自动分拣系统是一次大战后在美国、日本的配送中心普遍采用的一种物流设备，己经成为发达国家大中型物流中心不可缺少的一部份。

能够肯定，随着物流大环境的慢慢改善，科学技术日新月异的进步，专门是感测技术、电子标签及运算机控制技术等的引入利用，自动分拣系统在我国进展空间庞大。

1.3.3自动分捡机

在商业领域自动分捡机的应用较为普遍，可实现多品种、小批量、多批次、短周期的物品分拣和配送作业。

自动分捡机的种类很多，有滑靴式、翻板式、交叉带式等，国内厂商能提供相应产品，但从分类能力、靠得住性等指标来看，性参数能较国外先进水平还有较大差距。

目前，项目系统集成中入口比例较高，在机场物流行李分拣系统中，由于分拣量大及高靠得住性要求，大体都从国外入口。

随着商业配送物流的快速进展，配送中心对自动分拣机将会有更多需求，分拣技术水平和设备性能将会有较大提高。

物流配送中心是从事配送业务的物流场所或组织，它的作业流程包括“入库—保管—拣货—分拣—暂存—出库”。

物流中心天天同意众多供给商或货主通过各类运输工具送来的成千上万种物品，用最短的时刻将物品卸下并按品种、货主、储位或发送地址进行快速准确的分类，然后将物品输送到指定地址。

当定货商向物流中心发出配送定单后，自动分拣系统在最短时刻内从自动化立体仓库中准确找到要出库的物品所在位置，并按所需数量出库，最后将从不同储位上掏出的不同数量的物品按配送地址的不同输送到不同的存货区域进行分拣，以便装车配送。

值得一提的是对于小件物品的分拣技术和设备近几年进展较快，主要集中在卷烟配送行业，从电子标签拣选模式到立式、通道式分发机半自动分拣，乃至全自动补货、分拣、装箱，技术和设备都更新专门快，目前各供给商仍以高速分拣、高度自动化的方向快速进展。

第2章PLC材料分拣系统的硬件设计

PLC自动分拣控制系统工作原理

本文所设计的PLC材料分拣系统采用推块式分拣机的台式结构，有竖井式材料输入料槽，滑板式产品输出料槽口。

同时，输送带作为传动结构，为了方便较快速度的启动和停止，用异步交流电机驱动；

对不同材质的三种传感器别离固定在网孔板上；

为了保证整个系统的安全性又加了一个光电传感器。

整个控制系统有气动部件、电气部件和硬件三大部份组成。

气动部份由空气紧缩机、气缸、气瓶、气压指示表、分水过滤器、冷却器、减压阀、配气器、等部件组成；

电气部份由PLC、铁检测传感器、铝检测传感器、颜色检测传感器、光电传感器、异步交流电机、开关、电源等部件组成；

硬件部份由传送带异步电动机、传送带、底座、支架等组成。

材料分捡系统工作原理示意图如图所示。

图材料分捡系统工作原理示用意

1—气瓶2—PLC3—料槽4—电源5—电机

6—料槽传感器7—料仓气缸8—皮带9—仓库10—气缸11—传感器

其工作进程是开启电源，气动系统开始工作，系统进入自检状态。

下料传感器检测下料槽内是不是有物料，若没有物料，延时后自动等待上料；

当下料槽内有物料时，系统自动运行。

第一，下料传感器发送信号给PLC，PLC传送信号给下料气缸。

经过一按时刻，下料汽缸将物料推至传送带。

当物料在传送带传送时，PLC计数器开始计数，电机开始运行。

当传感器检测到物料为铁金属时，发出反馈信号给PLC，由PLC控制气缸一动作，将物料推到料仓。

当气缸电磁阀运行到后限位开关时，电磁阀复位，回到原状态。

同理，可通过相应传感器分拣相应的物料。

系统的结构图如图所示。

图系统结构图

系统的硬件配置

系统由气动部件、电气部件和硬件三大部份组成。

系统的硬件配置如表。

表系统硬件配置

PLC

1台

底座

1个

启动开关

光电传感器

2个

铁传感器

电机

铝传感器

气缸

5个

颜色传感器

限位开关

10个

气瓶

皮带

1条

电源

气压传动装置

1套

系统的运行方式

系统是全自动的运行方式。

在系统开始工作前需要人工合上刀闸开关，然后手动启动系统的电源开关。

系统开始运行，进入自检状态，当有物料进入料槽时，系统开始自动运行；

当料槽中没有物料时，系统进入自检状态，等待物料再次进入料槽，然后自动运行。

系统需要停止工作时，需要人工切断系统电源，然后再切断主电源。

自动运行方式是由一台可编程序控制器（PLC）来控制整个系统自动运行，系统按照传感器传出的信号执行事前编译好程序[3]。

系统主电路图和结构图如图所示。

在图中，M1为传送带提供动力的异步电动机，M2为空气紧缩机。

FU1为主电路的熔断器，起短路保护的作用。

当电路发生短路时，通过熔体的电流使其发烧，当达到熔化温度时自行熔断，从而分段电路。

接触器KM1控制电动机M1的运行。

当接触器收到PLC为1的信号时，接触器闭合，电动机就可以够启动运行。

FR1、FR2别离为电机过载保护用的热继电器，电动机一旦出现长时刻过载自动切断电路。

并能购随过载程度而改变更作时刻的继电器，充分发挥了电动机的过载能力，保证电动机的正常启动和运转。

图系统主电路图

PLC与传统继电器的区别及选型

2.4.1PLC与传统继电器的区别

最初研制生产PLC主要用于代替传统的由继电器接触器组成的控制装置，但这二者的运行方式是不相同的：

（1）当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作[4]。

但CPU不可能同时去执行过个操作，它只能按分时操作方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。

由于CPU的运算处置速度专门快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结构似乎是同时完成的。

这种串行工作进程称为PLC的扫描工作方式。

用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从第一步开始，在无中断或跳转控制的情形下，按程序存储顺序的前后，逐条执行用户程序，直到程序结束。

然后再从头开始扫描执行，周而复始重复运行。

继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即若是那个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会当即同时动作。

（2）PLC的长处：

靠得住性高，抗干扰能力强；

控制系统结构简单，通用性强；

配套齐全，功能完善，适用性强；

易学易用，深受工程技术人员欢迎；

系统的设计，工作量小，保护方便，容易改造；

设计、施工、调试的周期短。

2.4.2PLC设计选型的一般原则

1、选择自己熟悉的机种和机型：

一样的控制设备的设计，能够用任何一样级别的PLC来完成。

若是选用你不熟悉的PLC，你就必需从头熟悉它，虽然不费太多的事，但毕竟没有效你熟悉的机型来的快。

　　2、不要牛鼎烹鸡：

什么样的规模设计任务就选用什么样规模的PLC，避免造成太多的硬件资源的浪费。

　　3、具体的控制对象，具体选择：

按照不同的设计任务，来选择PLC的机型。

　　4、选用易采购的机型：

有的产品经销商较少，不容易采购或进行比较，有的产品经销商很多，容易采购和比较，你就可以够选用信用好、价钱优惠、技术上能够给与支持的公司。

　　五、常常了解PLC产品的进展动态：

PLC产品更新换代专门快，你熟悉的机型或许过几年就见不着了，所以，你最好在设计选型之前，先了解一下市场情形。

目前在国内市场上有从美国、德国、日本等国引进的多种系列PLC，国内也有许多厂家组装、开发数十种PLC，故PLC系列标准不一，功能良莠不齐，价钱差异。

在此情形下，PLC的选择应着重考虑PLC的性能价钱比，选择靠得住性高，功能相当，负载能力适合，经济实惠的PLC。

本文介绍以PLC的材料分拣装置系统输入、输出点数的要求，选择为三菱公司的FX2N系列的FX2N-32MR-001。

铁传感器的选用

霍尔接近开关来检测材料是不是是磁性铁金属。

霍尔元件是一种磁敏元件。

利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关[5]。

当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生转变，由此识别周围有无磁性物体存在，进而控制开关的通或断。

本系统中，当材料是铁时传感器开关闭合，产生电流驱动线圈。

霍尔接近开关的工作原理见图。

因此，本系统中检测铁物料选用霍尔传感器为2AV系列。

图霍尔接近开关的工作原理图

铝传感器的选用

当通过金属体的磁通过转变时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流[6]。

电涡流的产生必然要消耗一部份能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生转变，这一物理现象称为涡流效应。

电涡流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的转变而进行测量的。

如图所示，一个扁平线圈置于金属导体周围，当线圈中通有交变电流I1时，线圈周围就产生一个交变磁场H1。

置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2，电涡流也将产生一个新磁场H2，H2与H1方向相反，因此抵消部份原磁场，

使通电线圈的有效阻抗发生转变。

图电涡流传感器原理图

咱们能够把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环，如此就可取得如图的等效电路。

图中R1、L1为传感器线圈的电阻和电感。

短路环能够以为是一匝短线路圈，其电阻为R2、电感为L2。

线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的减小而增大。

当铝检测传感器检测到金属材料时，传感器的线圈阻抗就会发生转变。

图电涡流传感器等效电路图

利用这一性质能够把铝传感器和继电器如图连接，实现开关功能。

所以本系统铝传感器选用电涡流传感器为ST系列。

图铝传感器开关原理图

颜色传感器的选用

咱们所看到的物体颜色，实际上是物体表面吸收了照射到它上面，白光（日光）中的一部份有色成份以后，反射出的另一部份有色光在人眼中的反映[7]。

白色是由各类频率的可见光混合在一路组成的，也就是说白光中包括着各类颜色的色光（如红、黄、绿、青、蓝、紫）。

按照三原色理论可知，各类颜色是由不同比例的三原色（红、绿、蓝）混合而成的。

若是明白组成各类颜色的三原色的值，就可以够明白所测试物体的颜色。

高分辨率颜色传感器TCS230，是咱们常用的颜色传感器。

对于TCS230来讲，被选定一个颜色滤波器时，它只允许某种特定的原色通过，阻止其它原色的通过。

例如：

被选择红色滤波器时，入射光中只有红色能够通过，蓝色和绿色都被阻止，如此就可以够取得红色光的光强，同理，选择其它的滤波器，就可以够取得蓝色光和绿色光的光强。

通过这三个值，就可以够分析投射到TCS230传感器上的光的颜色，本文选择红色滤波器。

光电传感器的选用

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都可被检测。

光电开关是一种电量传感器，把电流或电压的转变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。

光电式传感器工作原理:

光电传感器在一般情形下，有三部份组成，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。

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。

气压传动装置选用

2.9.1气源装置

气源装置是为气动系统提供具有必然压力和足够流量、知足必然净化程度的紧缩空气的能源装置,它是气动系统的重要组成部份[8]。

气源装置包括气压产生、紧缩空气净化与贮存、压力稳固和传输管道等装置，这些设备一般布置于紧缩空气站内，作为整个工厂或车间的同一气源，气源装置结构见图。

图中，电动机带动空气紧缩机旋转，经吸气口的空气过滤器将大气中的空气吸入[9]。

冷却器将紧缩空气降温冷却，使高温汽化的水、油凝结分离。

油水分离器将冷凝出来的水滴、油滴、杂质等分离并排出系统。

储气罐用以紧缩空气、稳固紧缩空气的压力，并除去其中的部份油、水等杂质，储气罐输出的紧缩空气可用于不同空气质量要求的气动系统。

图气源装置结构图

2.9.2气压发生装置

气压发生装置包括正压发生装置和负压发生装置，正压发生装置为空气紧缩机。

这也正是本系统所利用的气压发生装置。

空气紧缩机属于正压发生装置，它是将机械能转换成气体压力的能量转换装置，提供高于大气压力的气压。

排气压力低于的一般称为风机（低于的称为通风机，—的称为鼓风机），它们用于通风系统。

排气压力高于的适应上成为紧缩机，气动系统中通常采用紧缩机提供气源。

气动系统中多数气动元件都是在高于大气压力下工作的，用这些元件组成的启动系统称为正压系统。

下面介绍常常利用的活塞式空气紧缩机的工作原理：

气压传动系统中最常常利用的是往复活塞式空气紧缩机，其工作原理如图所示，当电动机带动曲柄7旋转时，通过连杆六、滑块5和活塞4的传递转换，使活塞3在气缸2内作往复运动。

当活塞向右移动时，缸内左腔密封容积逐渐增大，使其中的气压低于大气压，吸气阀8被外界大气压力顶开，空气在大气压力作用下进入气缸内，形成吸气进程；

当活塞向左移动时，缸内左腔密封容积逐渐减小，空气受压使气压升高，将吸气阀关闭，形成紧缩进程；

当缸内紧缩空气压力升至高于输气管路中压力时，排气阀1顶开，紧缩空气排入输气管路，形成排气进程。

活塞式空气紧缩机的长处是结构简单，利用寿命长，容易实现大流量和高压输出；

缺点是振动大、噪声大，输出流量、压力有脉动，需利用储气罐稳压。

图活塞式空气紧缩机工作原理

1—排气阀；

2—气缸；

3—活塞；

4—活塞；

5—滑块；

6—连杆；

7—曲柄；

8—吸气阀；

9—弹簧

2.9.3冷却器

冷却器安装在空气紧缩机出口的管道上，将空气紧缩机排出的温度高达120℃—150℃的气体冷却到40℃—50℃，从而使其中的水蒸气和被高温氧化的油雾冷凝成水滴和油滴而析出，进而初步分离，以便对紧缩空气实施进一步净化处置。

因冷却介质为水，它的冷却效率高，常用于中型和大型紧缩机。

在工作时，一般是水在管内流动，空气在管间流动。

管内流动的冷却水多为单程或双程流动，管间空气能够自由流动。

紧缩空气在冷却进程中生成的冷凝水可通过排水器排出。

在冷却器上应安装温度计以监测工作情形。

2.9.4储气罐

储气罐的主要作用是：

贮存必然数量的紧缩空气，以备发生故障或临时需要应急利用；

消除由于空气紧缩机断续排气而对系统引发的压力脉动，保证输出气流的持续性和平稳性。

进一步分离紧缩空气中的油、水等杂质。

2.9.5气动控制装置

气动系统不同于液压系统，一般每一个液压系统都自带液压源（液压泵）；

而在气动系统中，一般来讲由空气紧缩机先将空气紧缩，贮存在贮气罐内，然后经管路输送给各个气动装置利用。

有些气动回路需要依托回路中压力的转变来实现控制两个执行元件的顺序动作，所用的这种阀就是顺序阀。

顺序阀与单向阀的组合称为单向顺序阀。

所有的气动回路或贮气罐为了安全起见，当压力超过允许压力值时，需要实现自动向外排气，这种压力控制阀叫安全阀。

限位开关的选用

限位开关又称行程开关或位置开关。

它是一种按照运动部件的行程位置而切换电路工作状态的控制电器。

行程开关的动作原理与控制按钮相似，在机床设备中，事前将行程开关按照工艺要求安装在必然的行程位置上。

部件在运行中，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，使行程开关的触点动作而实现电路的切换，达到控制运动部件行程位置的目的。

直动式行程开关的机构原理与复式按钮相似。

机床撞块压下推杆时，其常闭触头分开，而常开触头闭合；

当撞块离开推杆时，触头在弹簧力作用下恢恢复来状态。

这种行程开关结构简单、价钱廉价，因此本设计采用直动式限位开关型号为LX19K。

熔断器的选用

熔断器一种简单而有效的保护电器。

在电路中主要起短路保护作用。

其主要由熔体和安装熔体的绝缘管（绝缘座）