毕业设计气动分拣系统.docx

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毕业设计气动分拣系统

气动物料分拣实训设备设计及制作

摘要：

本文主要介绍了利用PLC来完成物料分拣的自动控制，并结合组态软件来对整个监控过程进行仿真。

PLC控制是目前工业上最常用的自动化控制技术、计算机技术及通信技术融为一体，专门为工业控制而设计，具有功能强、通用灵活、可靠性高环境适应强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点，因此在工业上的应用越来越广泛。

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，同时运用组态软件对系统运行过程中各个环节进行监控，从而使整个画面的运行状态得以清晰体现。

关键词：

物料分拣；PLC程序；传感器

AnimalfeedgassortingtrainingequipmentdesignandmanufactureAnimal

Abstract：

Thispapermainlyintroducesthe useof PLCtocompletethe automaticcontrol ofmaterialsorting, and to simulatethewhole process of monitoring configurationsoftware. PLCcontrolis themostcommonlyusedindustrialautomation controltechnology, computertechnologyandcommunicationtechnology com., designedspecificallyforindustrialcontrol,strongfunction, highreliability, flexible adaptationtotheenvironment, simpleprogramming,convenient and hastheadvantagesofsmallvolume, lightweight, lowpowerconsumptionandseriesof advantages, inindustrialapplicationsbecome morewidely.ThePLCcontrol systemfromthe identificationof material by combining with sensor, pneumaticcomponents aresorted, transfer ofmaterials, throughthe ladderdiagramform towritePLCprogram torealizethe automaticcontrolof thewholeprocess ofthe materialsortingsystem, atthesametime, theconfigurationsoftware tomonitor allaspectsof therunningprocessofthesystem application, thusmakeoperation thewholepicture canbeclearly reflected thestateof

Keywords:

Thematerialsorting;ThePLCprogram;Sensor

第1章绪论

1.1气动分拣系统的基本介绍

自动分拣系统（自动分拣系统）是一个必要的先进的配送中心设施。

它具有分选效率很高，通常每小时6000至12000箱货物分类，可以说，自动分拣机是提高物流配送效率的关键因素。

它是二次大战后在美国、日本的物流中心中广泛采用的一种自动分拣系统，该系统目前已经成为发达国家大中型物流中心不可缺少的一部分。

系统运行的过程可以简单描述如下：

物流中心的几万的货每天接待数以百计的供应商或货主通过各种运输方式发送的，在最短的时间将这些货物卸下，并根据货物品种，存储或传递给这些货物快速和准确的分类的主人，运送到指定地点（如指定的货架，加工区，交付平台等）的同时，当供应商或货主通知物流中心根据交货指示发货时，自动分拣系统在最短的时间内从大货架存储系统高层准确地根据位置找到货物，和出境的数量，不同数量的货物从不同的存储空间，根据不同的交货地点不同区域分销平台理货区域或配送站台集中以便装车配送。

自动分拣系统一般由控制装置，分级装置，输送装置和分拣道口组成。

控制装置的作用识别，接收和处理装置，信号分拣控制装置，按商品品种分类，按商品交货地点或根据货主的类别根据自动分类分拣信号指示的要求。

这些要求可以通过不同的方式，如通过扫描条形码，颜色码扫描，键盘输入，重量检测，语音识别，高度检测和形状识别等方法，对分拣控制系统的输入。

根据分拣信号的判断，以决定某一商品在什么样的分拣道口。

分类装置的作用是根据控制装置发出的分简指示，根据控制装置发出的指令，当货物的分拣信号的装置，通过该装置，改变输送装置的运行方向或进入其他输送机分拣道口。

许多种类的分类装置，一般有推出，浮动，倾斜和分枝数，不是一个设备的不同包装材料，货物包装要求，包装重量的底面平整度等。

输送带及输送的主要成分，其主要作用是使货物要整理分类装置和控制装置，在传送带的两侧，通常有一些交叉，一种很好的商品下滑的主要输送（或主带）的通道中的货物地区，一般滑由钢带，皮带，滚筒，使货物滑集货平台从主传送带，那里的工作人员将所有货物的交叉或集中存储，或配备汽车集团和分销业务。

以上四部分装置通过计算机网络，采用人工控制和人工处理环节相应的形成了一个完整的自动分拣系统。

1.2气动物料分拣的技术指标和研究目的及意义

二次大战以后，自动分拣系统逐渐在西方发达国家投入使用，成为发达国家先进的物流中心、配送中心或流通中心所必需的设施条件之一。

（1）能连续、大批量地分拣货物，由于采用大生产中使用的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，它可以连续运行100小时以上，每小时可分拣7000件包装商品，如果用人工分拣每小时只能分拣150件左右，同时分拣人员也不能在这种劳动强度下连续工作8小时。

（2）分拣误差率极低自动分拣系统的分拣误差率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，如采用条形码输入，除非条形码的印刷本身有误差，否则不会出错。

因此，自动分拣系统采用条形码技术识别货物。

（3）分拣作业基本无人化国外建立分拣系统的目的之一就是为了减少人员的使用，减轻人员的劳动强度，提高人员的使用率，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，人员的使用近局限于送货车辆抵达自动分拣线的进货端时，由人工接货，由人工控制分拣系统的运行，分拣线末端由人工将分拣出来的货物进行集载、装车，自动分拣系统是经营、管理和维护。

如美国一公司配送中心面积为10万平方米左右，每天可分拣近40万件商品，仅使用400名左右员工，自动分拣线做到了无人化作业。

对于分拣系统的应用前景，主要着眼于分拣系统的可靠性、优越性，应用领域的适用性以及系统的经济效益、成本等方面考虑。

对于自动分拣系统因其自身存在的一些问题，在一定程度上限制了其应用的领域及其范围，在引进和建设自动分拣系统时一定要考虑以下条件：

自动分拣系统的一次性投资巨大其本身需要建设短则40-50米，长则150-200米的机械传输线，还有配套的机电一体化控制系统，计算机网络及通信系统等，这一系统不仅占地面积大，动辄2万平方米以上，而且一般自动分拣系统都建在自动主体仓库中，这样就要建3-4层楼高的立体仓库，库内需要配备各种自动化的搬运设施，这丝毫不亚于建立一个现代化工厂所需要的硬件投资。

这种巨额的先期投入要花10-20年才能收回，如果没有可靠的货源作保证，则有可能系统大都由大型生产企业或大型专业物流公司投资，小企业无力进行此项投资。

它对商品的包装要求也很高，为整理和平底刚性货物包装规则自动分拣机。

袋装商品，包装，包装和软底不易变形，易断裂，超长，超薄，超重，超高不能倾覆的商品不能使用普通货物分拣机分拣，所以为了使大部分商品可以用于自动分拣，可以采取两个措施：

一是实施标准化包装，大多数商品的商品符合国家标准；二是基于绝大多数产品排序定制特定的分拣机包装特点的统一。

但让所有商品的供应商在全国实施包装标准是很困难的，定制特定的分拣机将使硬件成本的增加，并且越是特别的其通用性就越差。

因此公司根据商品的包装来决定是否建立或建立什么样的分拣系统。

1.3气动物料分拣实训设备设计及制作课题研究的内容

在本文中，以生产线上不同物料的分拣系统为例，详细分析了基于PLC控制的自动分拣系统的设计，介绍了分拣系统中传感器信号的采集、处理的一些基本知识，并通过设计要求与技术指标的比较，确定了硬件系统中的各种元器件及其模块的选型。

在介绍了一些PLC、传感器、气动系统基本知识后，对本课题进行硬件与软件设计，设计出主电路与控制回路，并建立了实际的模型，在软件设计中，确定了I/O分配，并按照控制要求设计出了PLC梯形图。

在本系统完成本设计之后，对其进行整体安装与调试。

在硬件部分，调试其各部分安装的位置及角度，使其材料物块的运行与传感器安装的角度适合。

将各气缸的动作速度进行调试之后，进行了软硬件综合调试，实现物料分拣系统中上料、传送与分拣的全过程。

第2章气动物料分拣系统的硬件设计

2.1气动物料分拣系统的组成

（1）该装置由型材实训台、物料提升机构、物料传送及分拣机构、PLC模块、变频器模块、按钮模块、电源模块、各种传感器、物料、I/O接口板和气管等组成。

（2）电源模块由三相电源总开关（带漏电和短路保护）、熔断器、单相电源输出、三相电源输出、电源插座、开关电源（提供DC24）等组成。

（3）按钮模块由急停按钮、转换开关、复位按钮、自锁按钮、指示灯等组成。

（4）变频器模块由欧姆龙3G3JV-AB004变频器及接线柱组成。

（5）PLC模块由三菱主机为FX1N-40MR-001内置开关量I/O（24路开关量输入/16路继电器输出）构成，机箱内装有24V/5A的开关电源为系统提供直流电源。

（6）物料提升机构由单出杆气缸、电磁阀、磁性开关、警示灯、直流减速电机、机械结构件等组成。

（7）物料传输及分拣机构由三相交流电机、皮带、单出杆气缸、磁性开关（磁电传感器）、电磁阀、电涡流式电感传感器、电容式传感器、漫反射型光电传感器、机械结构件等组成。

2.2系统的概述

本物料分拣装置主要由PLC控制模块、变频器、传感器、位置检测与控制、物料输送及分拣、气动系统等模块组成。

通过传感器信号采集，PLC编程，对电磁阀、直流电机、交流电机等进行复杂的开关量控制、位置控制及时序逻辑控制，实现物料提升、故障报警、气动机械手搬运、皮带机输送、物料分拣等功能。

2.3送料机构

如图2-2所示为送料机构硬件图。

其中包括放料转盘：

转盘中共放两种物料，一种金属物料、一种非金属物料。

驱动电机：

电机采用24V直流减速电机，转速10r/min，转矩30kg/cm；用于驱动放料转盘旋转；物料滑槽：

放料转盘旋转，物料相互推挤趋向入料口，物料则从入料口顺着滑槽落到提升台上；提升台：

将物料和滑槽有效分离，并确保每次提升一个物料；物料检测传感器：

物料检测为光电漫反射型传感器，主要为PLC提供一个输入信号，如果有物料在提升台上，就会驱动提升气缸提升物料；如果运行中，光电传感器没有检测到物料并保持4秒钟，则让系统停机然后报警；磁性传感器：

用于提升台气缸的位置检测。

检测气缸伸出和缩回是否到位，为此在前点和后点上各一个，当检测到气缸准确到位后将给PLC发出一个信号。

磁性传感器接线时注意;蓝色姐GND,棕色经过负载接PLC输入端；提升气缸：

提升气缸使用的是单向电控气阀。

当电控气阀得电，物料提升台上升，当电控气阀断电，则物料提升台下降。

图2-1送料机构图

2.4物料传送和分拣机构

如图2-2所示为物料传送和分拣机构的硬件图。

其中包括落料光电传感器：

检测是否有物料到传送带上，并给PLC一个输入信号；落料口：

物料落料位置定位；金属料槽：

放置金属物料；塑料料槽：

放置非金属物料电涡流式电感传感器：

检测金属物料，检测距离为2-5mm；电容式传感器：

用于检测非金属材料，检测距离为3-8mm；三相低速电动机：

驱动传送带转动，由变频器控制；推料气缸：

将物料推入料槽，有单向电控气阀控制。

图2-2物料传送和分拣机构图

第3章气动物料分拣系统软件设计

3.1PLC的分类

目前PLC生产厂家的产品种类众多，型号规格也不统一，其分类也没有统一的标准，通常可有3种形式分类。

3.1.1按结构形式分类

根据结构形式不同PLC可分为整体式和模块式两种。

（1）整体式

整体式是把PLC的各组成部分（I/O接口电路、CPU、存储器等）安装在一块或少数几块印刷电路板上，并连同电源一起装在机壳内形成一个单一的整体。

输入、输出接线端子及电源进线分别在机箱的上、下两侧，并有相应的发光二极管显示输入/输出状态。

面板上留有编程器的插座、扩展单元的接口插座等。

其特点是简单紧凑、体积小、重量轻、价格较低。

通常小型或小型PLC常采用这种结构。

如松下电工的FP1型产品。

整体式PLC的主机可通过扁平电缆与I/O扩展单元、智能单元（如A/D、D/A单元）等相连接。

这类机适合于单机控制的场合。

（2）模块式

模块式是把PLC的各基本组成部分做成独立的模块，如CPU模块（包含存储器）、输入模块、输出模块、电源模块等。

其他各种智能单元和特殊功能单元也制成各自独立的模块。

然后以搭积木的方式将它们组装在一个具有标准尺寸并带有若干个插槽的机架内构成完整的系统。

框架上有电源及开关，对整个系统供电。

每个模块都有弹性锁扣将模板固定在框架中。

框架上有地址开关，以便系统识别。

通常中型或大型PLC常采用这种结构。

如松下电工的FP3型产品就采用了模块式结构。

此种结构的PLC具有组装灵活、对现场的应变能力强、便于扩展和维修方便等优点，用户可根据需要灵活方便地将各种功能模块及扩展单元（如A/D、D/A单元和各种智能单元等）插入机架底板的插槽中，以组成不同功能的控制系统。

3.1.2按功能分类

按PLC所具有的功能不同，可分为高、中、低三档。

（1）抵挡机

具有逻辑运算、定时、计数、移位及自诊断、监控等基本功能。

有些还有少量模拟输入输出（即A/D、D/A转换）、算数运算、数据传送、远程I/O和通信等功能。

常用于开关量控制、定时/计数控制、顺序控制及少量模拟控制等场合。

由于其价格低廉、实用，是PLC中量大而面广的产品。

（2）中档机

除具有抵挡机的功能外还有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送与比较、数制转换、子程序调用、远程I/O以及通信联网等功能，有些还具有中断控制、PID回路控制等功能。

使用于既有开关量又有模拟量的较为复杂的控制系统，如过程控制、位置控制等。

（3）高档机

除了进一步增加以上功能外，还具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功能的函数运算、监视、记录、打印等功能，以及更强的通信联网、中断控制、智能控制、过程控制等功能。

可用于更大规模的过程控制系统，构成分布式控制系统，形成整个工厂的自动化网络。

高档PLC因其外部设备配置齐全，可与计算机系统结为一体，可采用梯形图、流程图及高级语言等多种方式编程。

它是集管理和控制于一体，实现工厂自动化的重要设备。

3.1.3按I/O点数和程序容量分类

PLC按I/O点数和内存容量可分为超小型机、小型机、中型机和大型机4类，如下表：

分类

I/O点数

程序容量

超小型机

小型机

中型机

大型机

<64

64—256

256—2048

>2048

256—1000字节

1—3.6k字节

3.6—13k字节

13k字节

3.2PLC的简介与选择

PLC种类较多，主要由西门子、三菱、OMRON、FANAC、东芝等，但能配套生产大、中、小、微型均有配套且目前用得最广泛的主要是西门子、三菱、OMRON的PLC。

根据系统中的控制要求PLC点数：

实际输入点15点，实际输出点8点，综合对比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西门子系列、OMRON系列中I/P点数为32点各型号的PLC的价格、性能、实用场合等各方面，本系统可选择PLC型号为：

三菱主机为FX1N-40MR内置开关量I/O（24路开关量输入/16路继电器输出）；机箱内装有24V/5A的开关电源为系统提供24V电源。

三菱FX1N-40MRPLC拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制特点。

三菱FX1N-40MR是三菱电机推出的功能强大的普及型PLC.具有扩展输入输出，模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性。

是一款广泛用于一般的顺序控制三菱PLC。

3.3传感器的相关知识介绍与选择

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：

能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

3.3.1传感器的定义

传感器是一个完整的测量装置（或系统），能把被测非电量转换为与之有关的有用电量输出，以满足信息的传输处理、记录、显示和控制等要求。

3.3.2传感器的组成

传感器一般由敏感元件、变换元件和其他辅助元件组成。

但是随着传感器集成技术的发展，传感器的信号调理与转换电路也会安装在传感器的壳体内或者与敏感元件集成在同一芯片上。

因此，信号调理电路以及所需辅助电源都应为传感器组成的一部分，如图3-1所示。

图3-1传感器的组成示意图

敏感元件——感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量的元件，如膜片和波纹管，可以把被测压力变成位移量。

若敏感元件能直接输出电量（如热电偶），就兼为传感器元件了。

还有一些新型传感器，如压阻式和谐振式压力传感器、差动变压器式位移传感器等，其敏感元件和传感器就完全是融为一体的。

变换元件——又称传感元件，是传感器的重要组成元件。

它可以直接感受被测量（一般为非电量）且输出与被测量成确定关系的电量，如热电偶和热敏电阻。

传感元件也可以不直接感受被测量，而只感受与被测量成确定关系的其他非电量。

例如，差动变压器式压力传感器，并不直接感受压力，而只是感受与被测压力成确定关系的衔铁位移量，然后输出电量。

一般情况下都是这种传感器元件。

信号调理与转换电路——能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用信号电路。

信号调理与转换电路根据传感元件类型的不同有很多种类，常用的电路有电桥、放大器、振动器和阻抗变换器等。

传感器根据使用要求的不同，可以做的很简单，也可以做的很复杂；可以是带反馈的闭环系统，也可以是不带反馈的开环系统。

因此，传感器的组成将依据不同的情况而有所差异。

传感器是将被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。

它主要被用于检测系统本身与作业对象、作业环境的状态，为有效地控制系统的动作提供信息。

3.3.3位置检测装置

在本设计中，当气缸执行动作时，应有相应的位置检测装置检测动作是否到位，常用的位置检测装置：

行程开关，也被称为限位开关，是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，用于机械设备的行程限位保护。

在实际生产中，在预定位置安装行程开关，当安装在机械零件生产对行程开关模块的影响，行程开关的触点动作，实现电路切换。

行程开关的规格很多，根据操作的结构可分为直动、滚轮直动、杠杆单、双轮等。

选用行程开关时，应根据不同的场合，满足各方面的要求来进行选择。

本设计中采用直线接触式磁感应开关检测气缸回位动作是否到位，当运动到指定位置时，碰到行程开关，终结上一个动作，准备执行下一个动作。

3.3.4传感器的分类与检测

金属传感器按工作原理大致可以分为以下三类：

利用电磁感应高频振荡型，使用磁铁磁力型和利用电容变化电容型。

接近传感器可以不与目标物实际接触情况下检测靠近传感器金属目标物。

按检测方法分：

所有金属型：

相同检测距离内检测任何金属。

有色金属：

主要检测铝一类有色金属。

通用型：

主要检测黑色金属（铁）。

3.3.5传感器的工作原理

接近传感器原理：

电容式接近传感器的原理是由高频振荡器和放大器等组成，由传感器检测面和外界组成电容器，参与振荡回路工作，在振荡状态，当物体接近传感器检测面时，电路中的电容发生变化，高频振荡器振荡。

这两种振荡和停振状态转变为电子信号经放大器转化为二进制开关信号，高频振荡型接近传感器的工作原理：

电感式接近传感器由高频振荡，放大，检测，触发输出电路等组成，振荡器传感器检测面产生一个交变电磁场，当金属物体接近传感器检测时，金属中产生涡流吸收了振荡器能量，使振荡减弱停振。

振荡器的振动和两种状态，转换为电信号整形放大成一个二进制开关信号，经功率放大输出。

通用型接近传感器工作原理：

振振幅变化程度随目标物金属种类不同而不同。

所有的金属传感器的工作原理：

所有金属型传感器基本上属于高频振荡器。

像普通型一样，它也有一个振荡电路，电路中因感应电流目标物内流动引起能量损失影响到振荡频率。

不管接近传感器的目标物金属种类如何，振荡频率将增加。

传感器检测并输出检测信号的变化。

3.3.6传感器的选择

根据本设计的要求需要对位置检测装置、金属传感器进行选用。

位置检测装置检测气缸动作是否到位，金属传感器是为了完成对物料的识别。

3.4PLC的基本结构及工作原理

3.4.1PLC的组成结构

PLC硬件系统的基本结构如图3-2所示：

图3-2PLC结构框图

（1）中央处理单元（CPU）

中央处理器是可编程控制器的核心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分的工作任务等。

（2）存储器

存储器是可编程控制器存放系统程序、用户程序以及运算数据的单元。

可编程序控制器配有两种存储器，即系统存储器（EPROM）和用户存储器（RAM）.

（3）输入/输出（I/O）电路

输入输出电路是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。

输入口用来接收生产过程的各种参数，输出口用来送出可编程控制器的运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。

按照信号的种类归类有直流信号输入、输出，交流信号的输入、输出；按照信号的输入、输出形式分有数字量输入、输出，开关量输入、输出，模拟量输入、输出。

（4）电源

可编程控制器的电源包括可编程控制器各工作单元的开关电源以及为断电保护电路供电的后备电源，后者一般为电池。

3.4.2PLC的基本控制原理

任何一种继电器控制系统都是由三个基本部分组成：

即输入部分、逻辑部分和输出部分。

其中，输入部分是指各类按钮、开关类主令电器；逻辑部分是由各种继电器及其触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路；而输出部分则是包括各种电磁阀线圈、接通电动机的接触器、信号指示灯等执行电器。

根据操作台上的操作命令，按下按钮或扳动开关或来自被控对象上的各种开关信息，如限位开关、光电管信号去推动逻辑电路。

它是一种按被控对象实际需要的动作要求而设计，并由许多继电器按某种固定方式接好的控制线路。

程序固定在线路中，不能灵活变更，由逻辑电路动作结果去驱动执行电器。

和继