基于PLC的物料分拣控制系统设计.docx

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基于PLC的物料分拣控制系统设计

毕业教学环节成果

（2017届）

题目基于PLC的物料分拣控制系统

学院信息工程学院

专业电气自动化

班级自动化XXX

学号XXXXXXXXXXX

姓名XX

指导教师XXX

2017年1月1日

XXXXXXXXXXX毕X业教学成果

摘要.....................................................................1

ABSTRAC.T................................................................1

引言.....................................................................2

1物料分拣装置结构及总体设计.............................................3

1.1物料分拣装置的结构..................................................3

1.2物料分拣装置工作过程概述............................................3

1.3系统的控制要求......................................................4

2物料分拣系统的控制方案.................................................4

2.1控制方案的确定......................................................4

2.2物料分拣控制系统框图的设计..........................................5

3元器件的选型...........................................................6

3.1PLC的选型..........................................................6

3.2传感器的选型.......................................................6

3.2.1电感式传感器的选型...............................................6

3.2.2电容式传感器的选型...............................................7

3.2.3颜色传感器的选型.................................................9

3.3变频器的选型......................................................10

4硬件电路的设计........................................................10

4.1主电路的设计.......................................................10

4.2I/O分配表..........................................................11

4.3PLC接口电路设计....................................................11

5控制程序设计..........................................................12

5.1编程思路...........................................................12

5.2物料分拣控制系统的程序设计.........................................13

6系统调试..............................................................17

6.1联机调试............................................................18

6.2调试结果...........................................................18

结论与谢辞..............................................................19

参考文献................................................................20

附件1．程序清单.........................................................21

附件2．PLC外部接线图...................................................25

附件3．流程图...........................................................25

基于PLC的物料分拣控制系统设计

信息工程学院电气自动化技术专业XX

摘要:

本文主要介绍了利用三菱PLC来完成物料分拣的自动控制,该PLC控制系统从利用

传感器实现对物料的识别入手,结合气动元件进行对物料的分拣、传送,通过梯形图的形

式来编写PLC程序从而实现对物料分拣系统整个过程的自动控制。

基于可编程控制器的

物料分拣系统具有性价比高、工作可靠、可根据分拣材料的不同进行简单程序修改就可

以快速投入使用等特点，它将在今后自动化程度愈来愈高的生产过程中有着较高的实用

价值和应用前景。

关键词:

PLC物料分拣自动控制

Designofmaterialsortingcontrolsystembased

onPLC

（MajorofElectricalAutoimmunizationTechnology,InformationandEngineeringcollege,

JinHuaPolytechinc,XXXXXXX）

Abstract:

ThispapermainlyintroducestheautomaticcontrolusingMITSUBISHIPLCto

completethematerialsorting,thePLCcontrolsystemtoachieverecognitionofthestarting

materialfromusingthesensor,pneumaticcomponentswithsorting,materialtransfer,through

theladderformtowritePLCprogramtorealizetheautomaticcontrolofthematerialsorting

systemthewholeprocessofmaterialsorting.Systembasedonprogrammablecontrollerwith

highperformance,reliablework,accordingtothesortingofdifferentmaterialssimple

programmodificationscanbequicklyputintouse,itwillinthefutureproductionautomation

degreemoreandmorehighhasahighpracticalvalueandapplicationprospect.

Keyword:

PLCMaterialsortingautomaticcontrol

-1-

引言

自动化的程度是工作发展程度的标志，自动分拣正是自动化中的一个必不可的部分，

而PLC控制分拣装置以其成本低，效率高的优点，已经成为主流，他可以根据设定的程

序无人的，高效的工作，维护费用极少。

由于全部采用机械自动化作业，因此，分拣处

理能力较大，分拣分类数量也较多。

节省了大量的人力劳动，减少了企业的额外支出，

是企业节省成本最好的方法。

材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，非常方面。

PLC控制是目前工业上最常用的自动化控制方法，由于其控制方便，能够承受恶劣的

环境，因此，在工业上优于单片机的控制。

材料分拣装置的PLC控制系统利用了PLC技术、位置控制技术、气动技术、传感器技术、

电动技术传动技术等，这些技术都是自动化技术中必要的，可以说是现代工作生产现场

生产设备的一个微小的模型。

-2-

1物料分拣装置结构及总体设计

PLC控制分拣装置涵盖了PLC技术、气动技术、传感器技术、位置控制技术等内容，

是实际工业现场生产设备的微缩模型。

本章主要介绍分拣装置的工艺过程及控制要

求。

要想进行PLC控制系统的设计，首先必须对控制对象进行调查，搞清楚控制对象的工

艺过程、工作特点，明确控制要求以及各阶段的特点和各阶段之间的转换条件。

1.1物料分拣装置的结构

物料分拣装置的结构如图1-1所示，物料分拣系统包括下料传感器，电感式传感器，电

容式传感器，颜色传感器，传送带，推送气缸，物料槽，电动机。

下料传感器用于检测

下料槽有无物料；电感式传感器用于检测物料是否为铁质物料；电容式传感器用于检测

物料是否为铝质物料；颜色传感器用于检测物料是否为所需颜色物料；传送带用于物料

的输送；推送气缸用于将对应物料推送至对应物料槽内；物料槽用于存放对应物料；电

动机用于带动传送带的运转。

图1-1物料分拣装置结构

1.2物料分拣装置工作过程概述

系统上电后，可编程序控制器首先控制启动输送带，下料传感器SN检测料槽有

无物料，若无料，输送带运转一个周期后自动停止等待下料；当料槽有料时，下料传感

器输出信号给PLC，PLC控制输送带继续运转，同时控制气动阀5进行下料。

物料传感

-3-

器SA为电感传感器，当检测出物料为铁质物料时，反馈信号送PLC，由PLC控制气动

阀1动作选出该物料；物料传感器SB为电容传感器，当检测出物料为铝质物料时，反

馈信号送PLC,PLC控制气动阀2动作选出该物料；物料传感器SC为颜色传感器，当检

测出物料的颜色为待检测颜色时，PLC控制气动阀3动作选出该物料。

物料传感器SD

为备用传感器。

当系统设定为分拣某种颜色的金属或非金属物料时，由程序记忆各传感

器的状态，完成分拣任务。

1.3系统的控制要求

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8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铁物料时，推汽缸1动作

（5）当电容传感器检测到铝物料时，推汽缸2动作

（6）当颜色传感器检测到材料为某一颜色时，推汽缸3动作

（7）汽缸运行应有动作限位保护

（8）下料槽内无下料时，延时后自动停机

2物料分拣系统的控制方案

2.1控制方案的确定

（1）采用MPS系统控制

MPS系统是一套包含工业自动化系统中不同程度的复杂控制过程的教学培训装置。

MPS具有综合性、模块性、及扩充性等特点。

应用MPS可以完成加工系统中机械设计、

组装、编程、传感器、电器控制、调试、操作、维护和纠错等一系列课题的不同层次的

培训。

（2）采用微控制器单片机控制

单片机具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活和使用方

便等优点，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检

测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统。

某些专用单片机设计用于

实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。

-4-

（3）采用PLC可编程控制器控制

PLC接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达

方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现

继电器电路的功能。

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，

使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

三菱PLC的特点：

1.结构灵活--不收环境的限制，有电即可组建网络，同时

可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率，在移动方面可与WLAN媲

美。

2.传输质量高、速度快、宽带稳定。

3.范围广--无所不在的电力线网络也是

这种技术的优势。

它是以微处理器为核心的专用计算机，是专为工厂现场应用环

境设计的，利用它面向用户的编程语言，不仅能实现逻辑控制，还能实现各种顺

序和定时控制以及复杂的闭环控制；利用它内部大量的辅助继电器可以实现无触

点控制；利用它控制可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、在恶劣环境下能长时

间不间断运行、编程容易且维护工作量小、还配有通讯接口和各种模块的特点，

可以把它作为下位机放在自动生产线的工作现场完成各种控制任务。

对比以上控制方式，选择PLC控制系统来控制，不仅取代了传统的大电继电器接线，

减少了系统出现故障的概率，而且也改善了单片机的不稳定性，提高物料分拣系统的可

靠性，因此本设计使用PLC控制系统。

2.2物料分拣控制系统框图的设计

根据物料分拣的控制要求，设计出系统框图如下图2-1所示。

系统以PLC为核心，

通过输入端接收信号，处理后由输出端输出控制信号，控制4组电磁阀的得电与失电，

从而控制气缸进行伸出与缩回。

其中输入信号由七个传感器与一个启动按钮组成，分别

是物料传感器，电感传感器，电容传感器，颜色传感器，同时还有三个对应物料气阀口

的传感器。

其输出信号分别输出到变频器、指示灯与电磁阀。

同时由电磁阀控制推送气

缸的伸出缩回，由变频器控制电动机的运转。

-5-

图2-1物料分拣控制系统框图

3元器件的选型

3.1PLC的选型

在PLC选型时应详细分析系统的控制要求，明确控制任务所需的操作和动作，然后

根据控制要求估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，

最后选择有较高性能和性价比的PLC型号。

由控制要求可知，物料分拣控制系统的物理量有数字量和模拟量。

其中，输入开关

量有：

启动按钮1个、下料传感器1个、电感式传感器1个、电容式传感器1个、颜色

传感器1个、气阀口传感器3个共8个输入量。

输出开关量有：

变频器信号1个、气缸

限位3个、电动机信号1个、指示灯1个，共6个输出量。

根据物料分拣控制系统所需

的输入量和输出量，同时考虑留有适当的余量，选择MELSECFX3U-32M型PLC，它有17

点输入和17点输出，可以满足物料分拣的要求。

3.2传感器的选型

3.2.1电感式传感器的选型

根据控制要求，本系统选用M18X1X40电感传感器。

电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换

成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现

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非电量到电量的转换。

该电感式传感器具有以下特点：

（1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。

（2）灵敏度和分辨力高，能测出0.01微米的位移变化。

传感器的输出信号强，电

压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。

（3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感

器非线性误差可达0.05%~0.1%。

同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显

示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。

但不足的是，它有频率响应较低，不

宜快速动态测控等缺点。

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LC高频

振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，

使物体内部产生涡流。

这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电

路的参数发生变化。

由此，可识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。

图3-1M18X1X10DC二线常开式电感传感器接线图

图3-2电感式传感器工作原理图

3.2.2电容式传感器的选型

根据系统的控制要求，本系统选用非埋入式的M30电容式传感器

该电容式传感器具有以下特点：

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（1）温度稳定性好，电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，这有利于选择

温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。

而电阻传感器有铜损，易发

热产生零漂。

（2）结构简单，电容式传感器结构简单，易于制造和保证高的精度，可以做得非

常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可

以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能

对带磁工作进行测量。

（3）动态响应好，电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个

10^（-5）N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很

轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫兹的频率下工作，特别适用于

动态测量。

又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。

它可用于

测量高速变化的参数。

（4）可以非接触测量且灵敏度高，可非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚

珠轴承的径向间隙等。

当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工

件表面粗糙度等对测量的影响。

电容式传感器除了上述的优点外，还因其带电极板间的静电引力很小，所需输入力

和输入能量极小，因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，

分辨力高，能感应0.01μm甚至更小的位移。

由于其空气等介质损耗小，采用差动结构

并接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵

敏度。

图3-3电容式传感器工作原理图

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图3-4电容式传感器接线图

3.2.3颜色传感器的选型

根据系统的控制要求，本系统选用型号为TCS230的颜色传感器。

此传感器为RGB（红绿蓝）颜色传感器，可检测目标物体对三基色的反射比率，从

而鉴别物体颜色。

该传感器是一种可编程彩色光到频率的转换器。

该传感器具有分辨率高、可编程

的颜色选择与输出定标、单电源供电等特点；输出为数字量，可直接与微处理器连接。

它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在

单一芯片上还集成了红绿蓝（RGB）三种滤光器，是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩

色传感器。

该传感器的输出信号是数字量，可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，因

此可直接与微处理器或其它逻辑电路相连接。

由于输出的是数字量，并且能够实现每个

彩色信道10位以上的转换精度，因而不再需要A/D转换电路，使电路变得更简单。

该传感器采用8引脚的SOIC表面贴装式封装，在单一芯片上集成有64个光电二

极管。

这些二极管共分为四种类型。

其中16个光电二极管带有红色滤波器，16个光电

二极管带有绿色滤波器，16个光电二极管带有蓝色滤波器，其余16个不带有任何滤波

器，可以透过全部的光信息。

这些光电二极管在芯片内是交叉排列的，能够最大限度地

减少入射光幅射的不均匀性，从而增加颜色识别的精确度；另一方面，相同颜色的16

个光电二极管是并联连接的，均匀分布在二极管阵列中，可以消除颜色的位置误差。

工

作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器。

该传感器的典型输出频率范

围从2Hz~500kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择100%、20%或2%的输出比例因

子，或电源关断模式。

输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了

它的适应能力。

-9-

图4-5TCS230颜色传感器外部接线图

3.3变频器的选型

这里选用E700变频器，实现调速和节能的目的。

其优点为：

（1）在0.5Hz情况下，使用先进磁通矢量控制模式可以使转矩提高到200（3.7KW

以下）。

（2）短时超载增加到200时允许持续时间为3S（以前的产品超载200时只允许持

续0.5S以内），误报警将更少发生。

（3）提供标准USB接口（迷你-B连接器）。

在没有USB-RS-485转换器的情况下变

频器也能很方便的和计算机进行连接。

FRConfigurator（变频器设置软件）与变频器的

数据交互功能，可以简化变频器的调试和维护。

另外,USB的高速图表功能使计算机高

速取样显示得以实现。

（4）选件插口支持数字量输入、模拟量输出扩展功能，以及几乎所有FR-A700系

列变频器所支持的各种通讯协议。

（可以安装任一类型的选件卡。

每种类型的选件卡都

有相应的前盖板一起出售。

）

（5）除了标准配置的端子排，还可以选用模拟量、脉冲列及2对RS-485端子等。

（即将发布）可拆卸式控制端子排。

在更换变频器时，只需把原来变频器上的控制端子

排拆卸下来安装到同类型的变频器上即可。

（6）支持EIA-485（RS-485）、ModbusRTU（内置）,CC-Link,PROFIBUS-DP、

DeviceNetò、LONWORK

（7）外置制动电阻对应变频器容量为0.4K至15K.若要增强制动能力，可增加外置

制动电阻。

4硬件电路的设计

4.1主电路的设计

根据控制要求及功能原理，绘制出主电路接线图如图4-1所示。

三相电经过

空气开关及熔断器的保护到达变频器，再由变频器给出一个低速RL信号来控制电

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机M来达到传送带低速运行。

图4-1