基于人机界面的物料自动分拣装置的PLC控制系统设计Word格式文档下载.docx
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whichcombinesthetraditional
relay
controltechnology,
computer
technologyandcommunication
technologyintegration,
designedspecificallyforindustrialcontrol,
strongfunctions,
universalandflexible,
highreliabilityandenvironmentaladaptability,
simpleprogramming,
smallvolume,
convenient
and
lightweight,
lowpowerconsumption,
aseriesofadvantages
touse,
sotheapplication
inindustrymoreandmorewidely.
Thispaper
ismainly
aboutPLC
application
basedonhumanmachineinterface
automaticsortingsystem,
theuseofprogrammablelogiccontroller
（PLC）,
automaticmaterial
designof
lowcostandhighefficiency.
TakingSIEMENS
S7-200PLCasthemaincontroller,
theWinCC
flexibleconfigurationsoftware
for
monitoringsoftware,
combinedwith
pneumaticdeviceandsensortechnology.
Automaticsorting
fieldcontrol
material.
Thesystem
hasahighdegreeofautomation,
stableoperation,
highprecision,
easyto
controlthe
characteristics
ofdifferentsortingobject,
slightlymodified
thesystemrequirementscanbeachieved.
Keywords:
programmable
controller,
apneumaticdevice,
sensor,WinCC
flexibleconfigurationsoftware
第一章绪论………………………………………………………………………………1
第一节物料自动分拣的意义………………………………………………………1
第二节设计任务要求………………………………………………………………1
一、功能要求…………………………………………………………………1
二、设计要求…………………………………………………………………2
第三节设计任务分析………………………………………………………………2
第二章物料自动分拣装置结构及总体设计方案………………………………………3
第一节物料自动分拣装置总体结构………………………………………………3
一、总体结构示意图…………………………………………………………3
二、上料机构…………………………………………………………………3
三、分拣装置…………………………………………………………………4
第2节设计方案……………………………………………………………………5
一、上料机构…………………………………………………………………5
二、分拣装置…………………………………………………………………5
第三章控制系统的硬件设计……………………………………………………………6
第一节基本结构……………………………………………………………………6
第二节主要组成部件………………………………………………………………6
一、PLC的型号选择……………………………………………………………6
二、电动机及变频器的选取和工作原理……………………………………7
三、气动元件的选取及工作原理……………………………………………10
第四章控制系统的软件设计……………………………………………………………15
第一节I/O分配表…………………………………………………………………15
第二节PLC硬件接线图……………………………………………………………17
第三节软件控制流程图……………………………………………………………18
第四节顺序控制功能图……………………………………………………………19
第五节PLC的控制程序……………………………………………………………19
一、开机清零与工作模式的选择……………………………………………19
二、启动、自动/单循环、预停的程序………………………………………20
三、急停的程序………………………………………………………………20
四、警示灯的程序……………………………………………………………21
五、计数的程序………………………………………………………………22
第五章人机界面的设计…………………………………………………………………23
第一节组态控制界面的设计………………………………………………………23
第二节组态控制参数及通信参数的设置…………………………………………23
一、连接的建立………………………………………………………………23
二、变量的生成………………………………………………………………24
三、按钮置位的设置…………………………………………………………24
四、按钮复位的设置…………………………………………………………24
五、系统输出部分的组态监控………………………………………………25
第三节组态监控功能概述…………………………………………………………26
第四节物料自动分拣系统的调试…………………………………………………26
第六章系统成本的估算…………………………………………………………………27
第一节系统所使用的元件…………………………………………………………27
第二节系统的总开支………………………………………………………………27
结束语……………………………………………………………………………………28
致谢………………………………………………………………………………………29
参考文献…………………………………………………………………………………30
第一章绪论
第一节物料自动分拣的意义
分拣是把很多货物按品种从不同的地点和单位分配到所设置的场地的作业。
按分拣的手段不同，可分为人工分拣、机械分拣和自动分拣。
目前自动分拣已逐渐成为主流，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。
由于全部采用机械自动作业，因此，分拣处理能力较大，分拣分类数量也较多。
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生产技术，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唯一选择。
针对上述问题，利用PLC技术设计了一种成本低，效率高的材料自动分拣装置，在材料分拣过程中取得了较好的控制效果。
物料分拣采用可编程控制器PLC进行控制，能连续、大批量地分拣货物，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，分拣系统能灵活地与其他物流设备无缝连接，实现对物料实物流、物料信息流的分配和管理。
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，受场地原因影响不大。
同时，只要根据不同的分拣对象，对本系统稍加修改即可实现要求。
PLC控制分拣装置涵盖了PLC技术、气动技术、传感器技术、组态控制技术等内容，是实际工业现场生产设备的微缩模型。
应用PLC技术结合气动、传感器和位置控制等技术，设计不同类型材料的自动分拣控制系统。
该系统的灵活性较强，程序开发简单，可适应进行材料分拣的弹性生产线的需求。
第二节设计任务要求
一、功能要求
该控制系统应能使物料分拣具有自动循环、单循环、单动作三种工作方式，且能使各种工作方式不相互发生冲突；
应能完成铁料、铝料、不同颜色的塑料分拣至不同料槽的控制要求；
应具有启动、预停、急停和计数功能；
应具有短路保护、过载保护、失压保护等功能。
二、设计要求
应确定具体的控制过程、控制系统的总体及软件设计；
确定PLC的型号规格；
确定PLC各I/O元件；
设计气动系统控制原理图；
确定各气动元件；
设计电动机及变频器的主电路及控制电路原理图；
确定变频器型号及各电气元件；
设计物料分拣系统的单动作手动程序、单循环程序、自动循环程序，故障报警和信号显示程序；
利用组态的人机界面控制；
上机调试程序；
进行成本估算。
第三节设计任务分析
分拣的物料都是圆柱形规则工件，我们可以先把物料装进一个垂直的套筒，然后就让物料在重力的作用下一个一个的向下移动到推料气缸前，再由气缸将物料推送至传送带。
在这个过程中需要设计一个上料机构来完成这一步骤。
接着物料到达传送带时，我们要把铁、铝、塑料（黄、蓝色）物料进行分拣，可以用各种传感器来进行物料识别，这就需要设计一个分拣装置。
这两个装置可以用接触器控制，也可以用PLC控制，考虑到接线方面的麻烦，决定用PLC来控制整个流程！
第二章物料自动分拣装置结构及总体设计方案
第一节物料自动分拣装置总体结构
一、总体结构示意图
本装置是由上料机构和分拣机构构成，物料通过上料机构推送至传送带进行分拣。
如图2.1所示。
图2.1总体结构示意图
二、上料机构
上料机构由料筒、漫反射光电传感器、安装支架、推料气缸、顶料气缸、警示灯等部分组成，如下图2.2所示。
图2.2上料机构示意图
（一）漫光电检测传感器SJ、SK：
检测到有物料时，为PLC提供输入信号，实现气缸的顶料与推料；
（二）顶料气缸：
将物料顶住；
（三）推料气缸：
将物料推送至传送带；
（四）警示灯：
设备急停或过载时警示红灯亮，设备正常运行时警示绿灯亮，料筒缺料时警示黄灯亮。
（五）料筒：
用于存放直径100mm的圆柱型工件，料筒侧面有观察槽。
（六）5B1：
顶料气缸复位磁性开关，为PLC提供提供输入信号，反馈顶料气缸的位置信息。
（七）6B1：
推料气缸复位磁性开关，为PLC提供提供输入信号，反馈推料气缸的位置信息。
（八）安装支架：
用于安装料筒和气缸。
三、分拣装置
整个分拣装置由气动部件和电气部件两大部分组成。
气动部分由空气压缩机、气动三联件、气缸等部件组成；
电气部分由PLC、电感传感器、电容传感器、颜色传感器、光电传感器、三相异步电动机、开关电源、电磁阀等部件组成。
其外形结构、各传感器位置见图2.1。
（一）SG:
漫反射光电传感器,当物料被推送至传送带入料口时，为PLC提供输入信号。
（二）SC:
电感式传感器,检测铁材料，检测距离为2—5cm。
（三）SD:
电容传感器,检测铝材料，检测距离为2—5cm。
（四）SE:
颜色传感器,用于检测非金属的蓝色物料，检测距离为3—8cm,检测距离可通过传感器放大器的点位器调节。
（五）SF：
漫反射光电传感器传感器，用于检测分拣剩余的黄色塑料物料。
（六）1B1：
磁性开关，气缸缩回到位时，为PLC提供输入信号。
（七）1B2：
磁性开关，气缸伸出到位时，为PLC提供输入信号。
（八）1号料槽：
用于放置铁物料。
（九）2号料槽：
用于放置铝物料。
（十）3号料槽：
用于放置蓝色塑料物料。
（十一）4号料槽：
用于放置黄色塑料物料。
（十二）传送带：
由三相异步电动机拖动，将物料输送到相应的分拣位置。
（十三）三相异步电动机：
为传送带提供动力，由变频器控制。
第二节设计方案
一、上料机构
启动后，气缸缩回复位，推料气缸光电传感器检测到物料，顶料气缸伸出顶住次层物料。
定时器延时2秒后，推料气缸伸出将物料推送到传送带。
传送带入料口传感器得到信号，推料气缸缩回，待单次循环结束后，顶料气缸缩回到位，料仓物料在重力作用下自动向下移动一个工件。
若顶料气缸传感器未检测到物料，此时黄灯亮，加入物料黄灯灭。
二、分拣机构
当传送带入料口漫射式光电传感器检测到物料时，将信号传输给PLC，通过PLC的程序启动变频器，三相异步电动机正转驱动传送带工作，将工件输送至分拣区，当料槽一电感传感器检测到铁物料时，推料一号气缸动作，将铁物料推入一号料槽，并计数；
当料槽二电容传感器检测到铝物料时，推料二气缸动作，将铝物料推入二号料槽，并计数；
当料槽三颜色传感器检测到蓝色物料时，推料三气缸动作，将蓝色物料推入三号料槽，并计数；
当料槽四漫反射光电传感器检测到分拣剩余的黄色物料时，推料四气缸动作，将黄色物料推入料槽，并计数。
分拣装置的一个自动分拣周期结束。
第三章控制系统的硬件设计
第一节基本结构
硬件部分由传感器、可编程控制器、变频器、气缸、三相异步电动机、气体压缩机组成，他们之间的关系如图3.10所示。
图3.10系统的硬件结构框图
第二节主要组成部件
一、PLC的型号选择
根据输入输出点数合理选择PLC，由I/O分配表4.1可知使用输入点为24点，使用输出点为10点，考虑到以后使用中的升级、添加功能的需要，点数应略多于现用的点数。
对比下表3.1可知。
表3.1S7-200主要技术指标
特性
CPU221
CPU222
CPU224
CPU226
外形尺寸
90×
80×
62
120.5×
190×
本机I/O
数字量
6入/4出
8入/6出
14入/10出
24入/16出
扩展模块
0个模块
2个模块
7个模块
I/O映象区
256（128入/128出）
西门子S7-200系列中CPU226DC/DC/DC有24个输入点和16个输出点，输入输出点较多。
所以选择6ES7216-2AD23-0XB8CPU226S7-200CN型号的PLC作为自动分拣装置所用可编程控制器。
二、电动机及变频器的选取和工作原理
（一）电动机的工作原理
电动机（Motors）是把电能转换成机械能的一种设备。
它是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子鼠笼式式闭合铝框形成磁电动力旋转扭矩。
电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。
电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。
（二）电动机的选择
电动机主要带动传送带，要想选择合适的电动机，必须考虑到传送带的工作压力和输送的速度。
由于传送带上有五个传感器，所以传送带上最多同时有五个工件，假设都是铁，已知工件的底面直径为100mm，高20mm,密度为
kg/
。
由已知条件可以计算传送带上物料的重量：
M=5×
S×
h×
=5×
3.14×
0.05
×
0.02×
7.9×
=6.2kg
传送带总长4m,厚0.008m，宽0.15m。
材质为橡胶，密度为
，传送带重量为：
=7.68kg
所以传送带的工作压力：
F=（6.2+7.68）×
10=138.8N
假设传送带的速度V=0.8m/s，卷筒的直径D=100mm。
1）确定工作机需要的功率
和卷筒的转速
=
=0.11kw
=152.87r/min
2）初定电机类型和转速
初估系统的总效率为0.8-0.9,需要电动机功率为，
=0.12～0.14kw
根据P
≥P
，则可以选用的电机有Y2-71M1-2、Y2-71M2-2、Y2-71M1-4、Y2-71M2-4四种。
以这四种方案做一比较见下表3.2，综合考虑到装置各方面的因素，拟选用电动机的型号为Y2-71M2-4，该电动机的额定功率
=0.37kw,转速
=1330r/min.
表3.2电机的型号与参数
方案
电动机型号
额定功率/kw
满载转速r/min
额定电流
1
Y2-71M1-2
0.37
2740
6.1
2
Y2-71M2-2
0.55
3
Y2-71M1-4
0.25
1330
5.2
4
Y2-71M2-4
3）电动机的主电路图
电动机的主电路由刀开关QS、熔断器FU、热继电器FR、变频器组成，它的接线图如图3.11。
图3.11电动机主电路图接线图
合上刀开关QS后，电路通路，变频器得电，控制电动机的转动。
当电路过载或短路时，熔断器FU和热继电器FR会切断电路，起到保护电路的作用。
（三）变频器的选择
1）变频器工作原理
变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。
对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。
变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。
2）选择变频器的型号
考虑到变频器使用的功能以及各系列变频器的特点，最终决定使用西门子MicroMaster440系列的变频器。
该型号变频器有以下几个优点：
①易于安装调试；
②可由IT中性点不接地电源供电；
③HMI纯文本面板简化了操作，并支持使用多种外国语言；
④动态驱动和制动；
⑤具有各种控制和制动类型；
⑥具有通信功能；
⑦各种通讯接口可确保能够用于最常见的网络应用。
⑧具有过电压/欠电压保护、变频器过热保护、接地故障保护、短路保护。
变频器主要是用来控制输送带的电动机，因为所选电动机的功率是0.37kw,且西门子MicroMaster440系列的变频器工作的功率范围是120W～200kw,足够安全，所以选用西门子MicroMaster440系列变频器。
3）硬件连接
①三角形连接为：
变频器U、V、W端分别接入电机的U1、V1、W1,电机端U1接V2,V1接W2,W1接U2。
图3.12变频器硬件端子图
②变频器控制端口连接为：
端子5（DIN1）为正转，端子6（DIN2）为反转，PLC端子公共端接入端子9（lso24V），端子1（10V）和端子2（0V）给电位器供电，端子3（A1N1+）接电位器中间滑点，端子4（A1N11-）接电位器负极以及端子2（0V）。
③变频器连接为：
L1、L2、L3分别接入三相电源的L1、L2、L3。
4）参数设置
电动机的参数设置如下表3.3所示。
表3.3电动机参数设置
参数设置
出厂值
设置值
说明
P0003
设用户访问级为标准级
P0010
快速调试
P0100
工作地区，功率KW表示，频率50HZ
P0304
230
380
电动机额定电压V
P0305
3.25
电动机额定电流A
P0307
0.75
电动机额定功率KW
P0308
0.8
电动机额定功率因素cos
P0310
50
电动机额定频率Hz
P0311
1310
电动机额定转速r/min
设置完成后，P0010设置为0，变频器处于准备状态，可正常运行。
5）电位器的选择
电位器的工作原理：
首先在应该选用正比例变化线性的电位器，这种电位器的转动角度基本上跟电阻值的变化成正比例，这样根据电阻器的分压原理，就可以实现旋转角度大小转变成电压大小了。
选择的型号是LA42DWQ-2210K。
三、气动元件的选取及工作原理
（一）气动回路原理
图3.13气动回路图
（二）气源装置
由于气路图是并联连接，所以只要计算出最大压力就是气源需要的压力。
气动系统装置中，经过分析，顶料气缸需要的压力最大，而且当顶铁物料时需要的压力最大。
假设料筒可以装20个物料，已知工件的底面直径为100mm，高20mm，密度为7.9×
kg/m
由已知条件可以计算出当顶铁物料时，料筒中物料的总重量为，
M=20×
=20×
×
=24.8kg
经查资料可
升级会员 