毕业设计论文PLC自动输送分拣系统设计.docx

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毕业设计论文PLC自动输送分拣系统设计

摘要

随着我国工业的急速发展，自动化产业中材料分拣系统日趋重要。

它在产品质量检测和运输过程中，常常需要根据产品的形状、重量以及质量将其进行分类。

这样的分类方法主要有手工分拣和自动分拣两种，自动分拣中，还有诸如光电扫描、图像识别、机械筛网、利用各种传感器的各种形式。

本文设计一种利用计算机控制的自动分拣智能系统，利用传感器检测物块，然后传感器根据接收的信号和用户的设定，控制相应气动阀，通过工控软件组态王与PLC实时通信完成产品的自动分拣，从而实现对自动分拣输送系统的监控。

关键字：

自动分拣；计算机控制；PLC；组态

Abstract

WiththerapiddevelopmentofChina'sindustrialautomationindustriesinthematerialsortingsystemhasbecomeincreasinglyimportant.Itsproductqualityinspectionandtransportationprocess,theproductsareoftenthebasisoftheshape,weightandqualityofitsclassification.Thisclassificationmainlymanualsortingandautomaticsortingtwotypesofautomaticsorting,suchasoptoelectronicscanning,imagerecognition,machinescreen,usingvarioussensorsinallitsforms.Thisarticledesignacomputer-controlledautomaticsortingintelligentsystems,sensorsdetecttheuseofourblock,andsensorsbasedonthereceivedsignalandusersettings,thecorrespondingpneumaticvalvecontrol,throughtheIndustrialControlSoftwareConfigurationandPLCReal-timecommunicationproductstocompletetheautomaticsorting.Toachievetheautomaticsortingconveyorsystemofmonitoring.

Keywords:

automaticsorting;computercontrol;PLC;configuration

1绪论

1.1本课题研究的内容

本课题所研究内容是通过计算机对材料分拣装置进行监控。

材料自动分拣系统对于生产过程中需要重复分拣某些特征明显物料的工作的效率提高有重要的现实意义。

在提高分拣速度的同时，又能保证分拣质量和实现对整个分拣系统的监控。

本文讨论的材料分拣模型控制系统设计，完成了材料自动分拣系统的所有基本工作。

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,可根据不同对象,稍加修改本系统即可实现不同对象要求。

材料分拣是物流的中心，物流科学自产生以来已显示出强大的生命力，成为当代最活跃、最有影响的新学科之一。

物流科学是以物的动态流转过程为主要研究对象，揭示了物流活动（运输、存储、包装、装卸搬运、配送、流通加工、物流信息等）之间存在相互关联、相互制约的内在联系。

中国现代物流经过了数十年的发展，得到了迅速的发展。

随着互联网时代和工业自动化的到来，使得信息的传播、交流和控制系统的自动化程度发生了巨大的变化。

信息是物流系统的灵魂，互联网技术推动了信息革命，目前物流商品化、物流管理自动化、物流信息收集的数据化和代码化、物流信息处理的电子化、物流信息传递的标准化和实时化物流信息存储的数字化等已经成为主流。

通过对材料分拣的研究，这次我所使用的是利用传感器进行分拣，材料分拣自动输送系统并且通过组态软件来实现计算机监控。

1.2设计的目的和意义

本设计材料自动分拣系统所使用的材料分拣装置是一个模拟自动化工业生产过程的微缩模型，它使用了PLC、传感器、位置控制、电气传动和气动等技术，可以实现不同材料的自动分拣和归类功能，并可配置监控软件由上位计算机监控。

材料自动分拣系统能连续、大批量地分拣货物由于采用流水线自动作业方式，自动分拣系统不受气候、时间、人的体力等的限制，可以连续运行，同时由于自动分拣系统单位时间分拣件数多，因此自动分拣系统的可以弥补人力分拣在重复分拣方面的低效率工作。

分拣误差率极低自动分拣系统的分拣误差率大小主要取决于所输入分拣信息的准确性大小，这又取决于分拣信息的输入机制，如果采用人工键盘或语音识别方式输入，则误差率在3%以上，如采用传感器信息输入，除非物料本身的特征有差错，否则不会出错。

因此，本设计计划使用传感器甄别物料外部颜色特征作为信息输入机制。

分拣作业实现自动分拣的目的之一就是为了减少工员的使用，减轻工员的劳动强度，提高人员的使用效率，因此自动分拣系统能最大限度地减少人员的使用，基本做到无人化。

分拣作业本身并不需要使用人员，人员的使用仅局限于在上位机上对整个控制系统进行监控和针对不同生产要求修改系统控制流程。

对于工业自动化物流的发展有着举足轻重的意义。

1.3国内外相关技术发展概况

工业自动化系统可以说是应用分拣技术历史最悠久，使用面最广泛，并一直掌握前沿技术的行业。

国外工业自动分拣系统在上个世纪四十年代开始采用人工输入分拣信号，由机器进行对物品邮件进行分拣。

目前国际上使用文字识别技术的信函分拣机的分拣效率已经达到3.6万件/小时。

扁平件分拣机分拣效率达到了1.6万件/小时，普通工件类分拣机的效率达到1.2件/小时。

我国的分拣技术从1958年在自动化分拣系统开始起步。

1960年代，上海工厂分拣中使用最初的分拣机只是一个皮带传输机，分拣员只是将带有不同颜色的夹子夹在不同路向的工件上，在传输带两侧的拣收人员按着颜色挑选进行分拣。

1964年，北京天桥邮局使用小车携带机械编码信号的翻盘式印刷品分拣机，1966年，改用原邮电部第二研究所提供的机械编码弹子鼓模拟信号的同步控制装置。

从某种意义上讲，这是我国第一台包裹类自动分拣机。

60年代未起重所研制了具有磁编码控制分拣的推式悬挂传输系统在轮胎及汽车制造企业中开始使用。

1970年代中期，原邮电部邮政研究所研制了斜行带式分拣机，用于国际包裹的分拣机。

原邮电部第三研究所研制了具有文字识别功能的信函分拣机。

在北京、上海、贵阳、沈阳、浙江、广东等地，原邮政系统的邮政局及工厂在上个世纪六七十年代年大量使用的机械翻盘式的包裹印刷品分拣机、邮袋推式悬挂分拣系统基本满足了当时国内邮政生产的需要。

近年来我国开始从荷兰、丹麦、德国、美国引进先进的技术和设备。

国内企业自身的研发及制造能力也进一步加强，国产高速自动分拣传输系统装备了很多物流企业。

2方案论证

对于自动输送分拣系统的实现方法有很多种，此次毕业设计对于自动输送分拣系统列出了2套方案。

我国分拣设备的研发和应用起步较晚，与国外相比约晚20年左右。

前期主要受历史因素影响，相当长的时期内只停留在研究和中试阶段，改革开放以来，通过国外产品引进及与国外专业厂商技术合作与交流，引入了国外先进技术和理念，国内对分拣设备的研制越来越成熟，应用也越来越多。

早期主要应用于在邮政行业，生产和流通领域运用的并不是太多。

近几年，输送分拣系统由于它能有效地解决生产分拣过程人工作业运行成本高、效率低等弊病，所以应用越来越广泛。

虽然近年来推出了许多种新型的分拣机，但大体上仍分属于俩大类:

即直线式分拣机和环状式分拣机。

2.1方案选择

2.1.1直线式分拣机

当分拣格口的数量相对较小时，例如只有10-40个分发格口，直线式分拣系统是最具有成本效益的分拣方式。

许多不同类型的转向机构可以应用于直线式分拣，其中包括滑靴式分拣机与上跃式滚轮分拣机，并依据一些产品特性，输送速度与吞吐量要求等因素进行选择。

直线式分拣机的一个缺点是：

这类分拣机常常需要相当复杂的汇流站，以有效地将产品导入到系统中。

汇流通常会将从几条输送机输送的产品汇集入一条输送线，同时依分拣型式的不同，需要在产品之间保持固定或变动的间隙，使它们较容易进入分拣机。

2.1.2环状式分拣机

连续的环状式分拣机通常都比直线式分拣机更贵，但是它们却比直线式分拣机具有更好的功能和柔性。

环状式分拣机可以设计成每小时高达40000件的高吞吐量，而且可以分拣到数百个分拣路口。

将货物导入环状式分拣机比导入直线式分拣机更容易，因此环状式分拣机特别适合于越库输送的应用。

2.2方案确定

通过上述两种分拣机对于其优缺点的描述可以确定使用直线式分拣机，直线式分拣机对于我国小型工厂居多这一现状来说具有成本低于环状式分拣机，高性价比是选择这个方案的原因。

直线式分拣机对于传感器的种类要求较少，符合设计要求。

3总体设计

3.1测量原理

3.1.1传感器检测原理

（1）颜色传感器的工作原理

颜色传感器通常是在独立的光电二极管上覆盖经过修正的红、绿、兰滤光片,然后对输出信号进行相应的处理,才能将颜色信号识别出来;有的将两者集合起来,但是输出模拟信号,需要一个A/D电路进行采样,对该信号进一步处理,才能进行识别,增加了电路的复杂性,并且存在较大的识别误差,影响了识别的效果。

（2）电容传感器的工作原理

是利用力学量变化使电容中其中的一个参数发生变化的方法来实现信号变换的。

根据改变电容器的参数不同，电容传感器种类也不同。

根据不同的非电学量的特点设计成的有关转换装置称为传感器，而被测的力学量（如位移、速度、力等）转换成电容变化的传感器称为电容传感器。

本次设计就是把通过对压力不同的检测，进行电容传感器参数的变化，从而达到识别作用。

（3）电感传感器的工作原理

电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化。

从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。

因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式俩大类，主要有螺旋管式电感传感器、差动螺线管式、差动变压器式等，在工程应用中十分广泛。

3.1.2传感器的选型

现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。

当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。

测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。

（1）传感器的选型原则

要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。

因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：

量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。

在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。

（2）灵敏度的选择

通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。

因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。

但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。

因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的厂扰信号。

传感器的灵敏度是有方向性的。

当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

（3）频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。

传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。

在动态测量中，应根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等）响应特性，以免产生误差。

（4）线性范围

传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。

以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。

传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。

在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。

但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。

当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。

（5）稳定性

传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。

影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。

因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。

在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。

传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。

在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。

（6）精度

精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。

传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。

这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。

如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。

对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。

自制传感器的性能应满足使用要求。

综上所述对于传感器的选择有了了解，所以我们选择颜色传感器、电容传感器、电感传感器。

3.2系统软件的设计

3.2.1组态软件概述

过程的监控是由组态王软件来实现的。

组态王是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计，组态软件是近年来在工控自动化领域兴起的一种新型的软件开发技术，通常不需要编制具体的指令和代码，只要利用组态软件包中的工具，通过硬件组态、数据组态、图象组态等工作台即可完成所需应用软件后期发工作台。

它的优点的是开发简便、开发周期短、通用性强、可靠性高等。

在物流监控系统中引入组态软件技术，可以避开复杂的计算机软件代码编制问题，而重点解决对系统的数据进行处理、分析，从而达到实时监视和控制的目标。

组态王软件包由工程管理器、工程浏览器、画面运行系统三部分组成。

其中，工程管理器用于新建工程、工程管理等。

工程浏览器内嵌画面开发系统，既组态王开发系统工程浏览器和画面运行系统是各自独立的Windows应用程序，均可单独使用；同时，两者又相互依存，在工程浏览器画面开发系统中设计开发的画面应用程序必须在画面运行系统运行环境中才能运行。

本次毕设使用的组态软件是组态王，是北京亚控科技发展有限公司自主知识产权组态软件，是国内较早出现的组态软件产品之一。

已有九千多个现场（钢铁，化工，电力，国属粮库，邮电通信，环保，水处理，冶金等各行业，含“中华世纪坛”国家标志工程）应用实例。

支持1500多种硬件设备（包括PLC、总线设备、板卡、变频器及仪表）。

组态王基于网络的概念，是一个工业级软件平台。

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统HMI（人机接口软件，human machine interface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具，或开发环境。

在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。

组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。

对应于原有的易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。

具有相对较低的拥有成本；具有的优势日趋明显。

组态软件作为一种工业控制组态软件在国内已得到了非常广泛的应用。

其具有强大的硬件支持能力，对国内外绝大多数PLC、变频器、板卡、模块、仪器仪表都编写了相应的驱动程序，使用起来相当方便快捷。

本课题使用的硬件设备是德国西门子PLC.因此，实现PLC与组态王的数据通讯是一个必须解决的问题。

组态王是一个集成的人机界面（HMI）系统和监控管理系统，可与可编程控制器（PLC）、智能模块、板卡智能仪表、远程数据采集装置（RTV）等多种外部设备进行通讯。

而其软件系统与用户最终使用的现场设备无关，对于不同的硬件设施，用户只需要按照安装向导的提示完成I/O设备的配置工作，为组态王配置相应的通讯设备的硬件驱动程序，并由硬件设备驱动程序完成组态王与I/O设备的通讯。

在系统运行的过程中，组态王通过内嵌的设备管理程序完成与I/O设备的实时数据交换。

组态王版本较多，如通用版、专用版、网络版、嵌入版等。

变化也较快，如今为6.X。

如组态王6.0，具有如下十大特点：

工程管理、画面制作系统、报警和事件系统、报表系统、控件、OPC、通信系统、安全系统、网络功能、冗余系统。

（1）工程管理器

工程管理器主要用于组态王工程的管理，如新建工程、搜索工程、工程的备份、工程的恢复、变量的导入导出、定义工程的属性等。

（2）工程浏览器

工程浏览器是“组态王”软件的核心部分和管理开发系统，它将画面制作系统中已设计的图形画面、命令语言、设备驱动程序管理、配方管理、数据报表等工程资源进行集中管理，并在一个窗口中进行树行结构排列，这种功能与Windowsxp操作系统中的资源管理器的功能相似。

（3）组态王画面开发系统

组态王画面开发系统是应用程序的集成开发环境。

工程人员在这个环境中完成界面的设计、动面连接的定义等。

画面开发系统具有先进完善的图形生成功能；数据库中有多种数据类型，能合理地抽象控制对象的特性，对数据的报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能有简单的操作方法。

利用组态王丰富的图库，用户可以大大减少设计界面的时间，从整体上提高工控软件的质量。

3.2.2可编程控制器原理

这里设计的材料分拣的程序，是利用了PLC的可编程控制功能。

通过逻辑分析来实现的，从上述程序可以看出，在系统启动时，输入I0.1的高电平引起运行中间寄存器M0.1的自锁，从而进入系统自运转状态。

PLC的扫描工作方式与电器控制的工作原理明显不同。

电器控制装置采用硬逻辑的并行工作方式，如果某个继电器的线圈通电或断电，那么该继电器的所有常开和常闭触点不论处在控制线路的哪个位置上，都会立即同时动作；而PLC采用扫描工作方式（串行工作方式），如果某个软继电器的线圈被接通或断开，其所有的触点不会立即动作，必须等扫描到该时才会动作。

但由于PLC的扫描速度快，通常PLC与电器控制装置在I/O的处理结果上并没有什么差别。

3.2.3组态王实现分拣系统的监控

（1）建立新项目　

首先启动组态王工程浏览器。

工程浏览器运行后，建立一个新项目，在工程浏览器中选择菜单“工程/新建”，出现“新建工程”对话框。

在对话框中输入工程名称：

物品分拣，在工程描述中输入：

工程路径自动指定为当前目录下以工程名称命名的子目录。

如果需要更改工程路径，请单击“浏览”按扭。

单击“确定”。

组态王工程将在工程路径中显现出来。

（2）基本变量类型

变量的基本类型共有两类：

内存变量、I/O变量。

I/O变量是指可与外部数据采集程序直接进行数据交换的变量，如下位机数据采集设备（如PLC、仪表等）或其它应用程序（如DDE、OPC服务器等）。

这种数据交换是双向的、动态的，在“组态王”系统运行过程中，每当I/O变量的值改变时，该值就会自动写入下位机或其它应用程序：

每当下位机或应用程序中的值改变时，“组态王”系统中的变量值也会自动更新。

内存变量是指那些不需要和其它应用程序交换数据、也不需要从下位机得到数据、只在“组态王”内需要的变量，比如计算过程的中间变量，就可以设备成“内存变量”。

（3）变量的数据类型

组态王中变量的数据类型与一般程序设计语言中的变量比较类似,主要有以下几种：

实型变量

类似一般程序设计语言中的浮点型变量，用于表示浮点（float）型数据，取值范围10E-38~10E+38，有效值7位。

离散变量

类似一般程序设计语言中的布尔（BOOL）变量，只有0，1两种取值，用于表示一些开关量。

字符串型变量

类似一般程序设计语言中的字符串变量，可用于记录一些有特定含义的字符串，如名称，密码等，该类型变量可以进行比较运算和赋值运算。

字符串长度最大值为128个字符。

整数变量

类似一般程序设计语言中的有符号长整数型变量，用于表示带符号的整型数据，取值范围（-2147483648）~2147483647

结构变量

当组态王工程中定义了结构变量时，在变量类型的下拉列表框中会自动列出已定义的结构变量，一个结构变量做为一种变量类型，结构变量下可包含多个成员，每一个成员就是一个基本变量，成员类型可以为：

内存离散、内存整型、内存实型、内存字符串，IO离散、IO整型、IO实型、IO特殊变量类型。

（4）特殊变量类型

有报警窗口变量，历史趋势曲线变量、系统预设变量三种。

这几种特殊的变量正是体现了“组态王”系统面向工控软件、自动生成人机接口的特色。

报警窗口变量

这是工程人员在制作画面时通过定义报警窗口生成的，在报警窗口定义对话框中有一选项为：

“报警窗口名”，工程人员在此处键入的内容即为报警窗口变量。

此变量在数据中是找不到的，是组态王内部定义的特殊变量。

可用命令语言编制程序来设置或改变报警窗口的一些特性，如改变报警组名或优先级，在窗口内上下翻页等。

历史趋势曲线变量

在制作画面时通过定义历史趋势曲线时生成的，在历史趋势曲线定义对话框中有一选项为：

“历史趋势曲线名”，在此处键入的内容即为历史趋势曲线变量（区分大小写）。

此变量在数据中是找不到的，是组态王内部定义的特殊变量。

可用命令语言编制程序来设置或改变历史趋势曲线的一些特性，如改变历史趋势曲线的起始时间或显示的时间长度等。

系统预设变量

预设变量中有8个时间变量是系统已经在数据库中定义的，用户可以直接使用；

$年：

返回系统当前日期的年份。

$月：

返回1到12之间的整数，表示当前日期的月份。

$日：

返回1到31之间的整数，表示当前日期的日。

$时：

返回0到23之间的整数，表示当前时间的时。

$分：

返回0到59之间的整数，表示当前时间的分。

$日期：

返回系统当前日期字符串。

$时间：

返咽系统当前时间字符串。

以上变量由系统自动更新，只能读取时间变量，而不能改变它们的值。

预设变量还有：

$用户名：

在程序运行时记录当前登录的用户的名字。

$访问权限：

在程序运行时记录当前登录的用户的