材料分拣控制系统的方案设计书1.docx

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材料分拣控制系统的方案设计书1

毕业论文（设计）

材料分拣控制系统设计

摘要

自动分拣控制系统广泛应用于社会各行各业。

本文作者通过查阅大量资料，对自动分拣系统及其相关的技术发展、现状和趋势作了一个比较全面的总结。

在熟悉了自动分拣系统的原理的基础上，根据一定的分拣要求以三菱PLC为控制核心，设计出材料分拣控制系统。

该材料分拣系统以PLC为主控制器,结合气动装置、传感器技术,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、分拣精度高、易控制的特点,对不同的分拣对象,稍加修改本系统即可实现要求。

关键词：

材料分拣；三菱PLC

Abstract

Automaticcontrolsystemiswidelyusedinallwalksoflife。

Theauthorofthisarticlethroughaccesstolargeamountsofdata,theautomaticsortingsystemanditsrelatedtechnologydevelopment,currentsituationandtrendmadeamorecomprehensivesummary.Familiarwiththeautomaticsortingsystembasedontheprinciples,accordingtocertainsortingrequirementstoMitsubishiPLCasthecontrolcore,designmaterialsortingcontrolsystem.ThematerialsortingsystemtakingPLCasmaincontroller,combineswiththeaerodynamicdevice,sensortechnology,controltechnology,controlproductsautomaticsorting.Thesystemhasahighdegreeofautomation,stableoperation,highaccuracy,easysortingcontrolcharacteristics,fordifferentsortingobjects,modifythesystemcanreachtherequirements.

Keyword

materialsorting；mitsubishiplc

引言

自动分拣是指货物进入分拣系统到指定的分配位置为止，都是按照人们的指令靠自动装置来完成的。

这种装置是由接受分拣指示信息的控制装置、计算机网络、搬运装置、分支装置（负责把到达分拣位置的货物按运到别处的装置）、缓冲站（在分拣位置临时存放货物的装置）等构成。

除了使用终端的键盘、鼠标或者其它方式向控制装置输入分拣指示信息的作业外，由于全部采用自动控制作业，因此它的分拣能力、分拣数量同人为分拣相比都比较大，效率也得到了进一步突破。

自动分拣系统的规模和能力已有很大的发展，目前大型分拣系统大多能分拣几十到几百个种类的物品，分拣能力达到每小时万件以上。

国外分拣系统规模都很大，主要包括进给台、信号盘、分拣机、分拣信息识别系统、设备控制系统和计算机管理系统等几大部分，还要配备外围的各种运输和装卸机械，组成一个庞大而复杂的系统。

自动分拣大部分与自动化立体仓库连接起来，配合自动引导车（AGV）、托链小车等其它复杂的系统，分拣系统在总体布置上，可以说千变万化。

从分拣技术水平上说，欧美各国发展最早，技术比较成熟，目前处于世界领先地位。

美国和欧洲在60年代开始使用，日本则在第二次世界大战后才引进分拣机，但近二十年来由于其本国经济发展需要发展迅速，后来者居上，从1970--1985年共有338台自动分拣机投入运行，其中58.32%用于储运业，17.15%用于销售业。

到1987年就已经拥有自动分拣机1000台，号称是世界上拥有分拣机最多的国家。

我国自动分拣技术起步较晚，目前已能与国际先进水平保持同步，但是缺少技术创新能力，使自动分拣技术的物流系数也减少，大部分小型超市配送中心仍然靠人工分拣。

在二十世纪80年代，我国最初是一些邮局采用小型的半自动翻盘分拣机，用于邮包分拣。

1990年为迎接第十一届亚运会，从荷兰引进了一套有3个入口，60个出口的自动分拣系统，成立了北京食品配送中心，每小时可以配送3000件货物，使我国的分拣技术有了一个飞跃。

而如今分拣技术已经用于我国的各行各业，使这环节的效率得到了很大的提高。

自动分拣机最先在邮政部门开始应用，大量的信件和邮包要在极端的时间内正确分拣，非凭借高度自动化的分拣措施不可。

此后，运输企业、配送中心、通讯出版部门、烟草部门、出版行业、食品化工、造纸业、化工业、机械制造以及各类工业企业亦相继应用。

近二十年来,特别是物流行业，随着经济和生产的发展,商品趋势趋于"短小轻薄"，流通趋于小批量多品种和准时制（JUST-IN-TIME，简称JIT）。

分拣作业已成为一项重要的工作环节，分拣系统的应用已经日趋普遍。

我国目前多数配送中心和物流企业都是人工分拣。

显然，随着分拣量的增加、分送点的增多、配货响应时间的缩短和服务质量的提高，单凭人工分拣将无法满足大规模配送的要求，所以这一环节亟待提高。

而国外一些配送中心多采用分拣系统进行分拣，充分发挥了分拣技术分拣速度快、分拣点多、差错率极低、效率高和基本上全自动操作的优势。

日本一位物流专家认为，在用户需求表现为多种小批量的时代，物流技术的三大措施是自动分拣机、自动化仓库和无人自动引导车。

自动分拣机是其中最接近与成熟的产品，这可以认为是国家对于自动分拣在物流技术中的地位和现状的一个较好的概括。

自动分拣系统成为当代物流技术发展的三大标志之一。

1系统整体设计方案

1.1 控制装置的选择

控制装置作为材料分拣系统的核心控制器，需要有满足系统运行实际情况要求的反映速度和足够的输入/输出接口的控制器，在系统设计之初，统计出系统需要的I/O接口约为26个左右，传感器反映时间肉眼无法分辨，所以至少需要一个能够实时处理信息的控制器。

综合考虑设计题目的要求和最大系统开销时的运算强度，尝试了使用不同的PLC作为控制器，最终选择了欧姆龙（CPM1A-V1）可编程序控制器来作为整个控制装置的信息处理器。

欧姆龙（CPM1A-V1）拥有高速处理能力，CPU内置最多六路高速计数器（30KHz），而且有30点I/O，通过扩展可达100点数。

完全可以满足题目要求的26个输入/输出点的要求，并且是目前可以选择的比较经济的控制器。

使用PLC控制所有输入信号在程序处理前统一读入，并在程序处理过程中不再变化。

而程序处理的结果也是在扫描周期的最后时段统一输出。

其工作特点是将一个连续的过程分解成若干静止的状态，极类似放映电影的原理。

所以PLC仅在扫描周期的起始时段读取外部输入状态，该时段相对较短，抗输入信号串入的干扰极为有利。

这种方式对于高速变化的过程可能漏掉变化的信号，也会带来系统响应的滞后。

为克服上述问题，可利用立即输入输出、脉冲捕获、高速计数器或中断技术。

本设计中变量的变化速度较小，欧姆龙（CPM1A-V1）PLC完全可以满足设计要求。

1.2软件算法的选择

根据题目要求，只要料仓内有料，就要以一定的时间间隔连续出料，并且准确地检测到不同材质物料，及时分拣，。

软件基本算法为使用单回路控制系统，只要仓内有料，经过测试每隔2秒出一次料最为适当，当物料从物料仓被气杆放出，经过传送带运送到传感器的探测头下方时，进入探测范围，探测头进行相应动作，传感器感受到其对应的物料产生信号（即电感传感器能够对铁块产生反馈信号，电容传感器对铝块产生反馈信号，颜色传感器对黄色塑料块产生反馈信号），传感器产生的信号经过I/O接口输入控制器，控制器根据程序设计发出相应控制指令，让对应的器件工作。

2PLC的基本知识

2.1PLC的发展历史

在可编程序控制器问世之前，继电器接触器控制在工业控制领域中占有主导地位。

但随着工业的发展，继电器接触器控制已不能满足人们的要求。

为了解决这一问题，早在1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM公司），为了适应汽车型号不断翻新，以求在激烈竞争的汽车工业中占有优势，就提出要用一种新型的控制装置取代继电器接触器控制装置，并且对未来的新型控制装置做出了具体设想。

要把计算机的完备功能以及灵活性、通用性好等优点和继电器接触器控制的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点溶入于新的控制装置中，且要求新的控制装置编程简单，使得不熟悉计算机的人员也能很快掌握它的使用技术。

美国数字设备公司（DEC）根据GM公司招标的技术要求，于1969年研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车自动装配线上试用，获得成功。

其后，日本、德国等相继引入这项新技术，可编程序控制器由此而迅速发展起来。

在20世纪70年代初期、中期，可编程序控制器虽然引入了计算机的优点，但实际上只称为PLC（ProgrammableLogicalController）。

随着微处理器技术的发展，20世纪70年代末至80年代初，可编程序控制器的处理速度大大提高，增加了许多特殊功能，使得可编程序控制器不仅可以进行逻辑控制，而且可以对模拟量进行控制。

因此，美国电器制造协会（NEMA）将可编程序控制器命名为PC（ProgrammableController），但人们习惯上将之仍称为PLC，以便与个人计算机PC（PersonalComputer）相区别。

80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路技术韵迅猛发展，以16位和32位微处理器为核心的可编程序控制器得到迅速发展。

这时的PLC具有了高速计数、中断技术、PID调节和数据通信等功能，从而使PLC的应用范围和应用领域不断扩大。

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

2.2PLC的定义和特点

PLC的发展初期，不同的开发制造商对PLC有不同的定义。

为使这一新型的工业控制装置的生产和发展规范化，国际电工委员会（IEC）于1985年1月制定了PLC的标准，并给它作了如下定义：

可编程序控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关的外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则而设计。

它的一些性能与继电器相比具有以下特点：

1可靠性高

可靠性包括产品的有效性和可维修性。

可编程控制器的可靠性高，表现在下列几个方面：

a）可编程控制器不需要大量的活动部件和电子元件，接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间缩短，因此可靠性得到提高。

b）可编程控制器采用一系列可靠性设计方法进行设计，例如冗余设计，掉电保护，故障诊断，报警和运行信息显示和信息保护及恢复等。

c）可编程控制器有较强的易操作性，它具有编程简单，操作方便，编程的出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。

d）可编程控制器的硬件设计方面，采用了一系列提高可靠性的措施。

例如，采用可靠性高的工业级元件，采用先进的电子加工工艺（SMT）制造，对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等；存储器内容的保护，采用看门狗和自诊断措施，便于维修的设计等。

2操作性高

a）操作方便：

对PLC的操作包括程序的输入和程序更改操作，大多数PLC采用编程器进行程序输入和更改操作。

现在的PLC的编程器大部分可以用电脑直接进行，更改程序也可根据所需地址编号、继电器编号或接点号等直接进行搜索或按顺序寻找，然后可以在线或离线更改。

b）编程方面：

PLC有多种程序设计语言可以使用，梯形图与电气原理图相似；编程语句是功能的缩写，便于记忆；功能图表语言以过程流程进展为主线，十分适合设计人员与工艺专业人员设计思想的沟通。

功能模块图和结构化文本语言，功能清晰，易于理解等优点。

C）维修方便：

PLC所具有的自诊断功能对维修人员的技术要求较低，当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以根据有关故障代码的显示和故障信号灯的提示等信息，或通过编程器和HMI屏幕的设定，直接找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间，提高了效率。

3灵活性好

a）编程的灵活性：

PLC采用的标准编程语言有梯形图、指令表、功能图表、功能模块图和结构化文本编程语言等。

使用者只要掌握其中一种编程语言就可进行编程，编程方法的多样性使编程方便。

b）扩展的灵活性：

PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。

它可以根据应用的规模不断扩展，即进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。

它不仅可以通过增加输入输出模块增加点数，通过扩展单元扩大容量和功能，也可以通过多台PLC的通信来扩大容量和功能。

c）操作的灵活性：

操作的灵活性指设计工作量、编程工作量、和安装施工的工作量的减少。

操作变得十分方便和灵活，监视和控制变得很容易。

在继电器顺序控制系统中所需的一些操作得到简化，不同生产过程可采用相同的控制台和控制屏等。

d）可实现机电一体化

为了使工业生产的过程控制更平稳，更可靠，向优质、高产、低耗要效益，对过程控制设备和装置提出了机电一体化，即仪表、电子、计算机综合的要求，而PLC正是这一要求的产物，它是专门为工业过程而设计的控制设备，具有体积小、功能强，抗干扰性好等优点，它将机械与电气部件有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合集成在一起，因此，它已经成为当今数控技术、工业机器人、离散制造和过程流程等领域的主要控制设备，成为工业自动化三大支柱（PLC，机器人，CAD/CAM）之一。

可编程控制器现在已经成为了一个不可代替的控制系统，它们可以与其它系统通讯，提供产品报表，生产调度，诊断自身和设备的故障，这些技术上的改进，让PLC成为今天的各行各业的高质量和产量的重要的贡献者。

2.3PLC基本结构和工作原理

基本结构:

目前，可编程序控制器的产品很多，不同厂家生产的PLC以及同一厂家生产的不同型号的PLC，其结构各不相同，但就其基本组成和基本工作原理而言，是大致相同的。

它们都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持。

实际上可编程序控制器就是一种新型的工业控制计算机。

PLC硬件系统的基本结构框图。

如图所示：

PLC硬件系统结构框图

1中央处理器（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输入输出接口

输入输出接口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；按照信号的输人、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。

下面通过开关量输入、输出模块来说明I/O模块与CPU的连接方式。

（1）开关量输入模块

开关量输人设备是各种开关、按钮、传感器等，其信号可能是交流电压（110V或220V），直流电压（12～24V）等。

因此，输入模块要能将生产现场的信号转换成CPU能接收的TTL标准电平的数字量信号。

对于开关量中交流输入模块的工作原理，只是在输人端先通过整流将交流输入信号变成直流信号，其他与开关量直流输入模块工作原理相同。

（2）开关量输出模块

输出模块的作用是将CPU执行用户程序所输出的TTL电平的控制信号转化为生产现场所需的，能驱动特定设备的信号，以驱动执行机构的动作。

通常开关量输出模块有三种形式，即继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出。

继电器输出可接直流或交流负载，晶体管输出属直流输出，只能接直流负载。

当开关量输出的频率低于1000Hz，一般选用继电器输出模块。

当开关量输出的频率大于1000Hz，一般选用晶体管输出。

而双向晶闸管输出属交流输出。

对于继电器输出型，CPU输出时接通或断开继电器的线圈，继电器的触点闭合或断开，通过继电器触点控制外电路的通断。

对于晶体管输出型，则是通过光电耦合使开关晶体管截止或饱和导通以控制外部电路。

对于晶闸管输出型，采用的是光触发型双向晶闸管。

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供电的开关电源以及为掉电保护电路供电的后备电源，后者一般为电池。

5外部设备

编程器是PLC的重要外部设备，利用编程器可将用户程序送人PLC的用户程序存储器，调试程序、监控程序的执行过程。

编程器从结构上可分为以下三种类型。

（1）简易编程器

（2）图形编程器（3）通用计算机编程。

工作原理：

我们已经知道PLC是一种存储程序的控制器。

用户根据某一对象的具体控制要求，编制好控制程序后，用编程器将程序键人到PLC的用户程序存储器中寄存。

PLC的控制功能就是通过运行用户程序来实现的。

PLC运行程序的方式与微型计算机相比有较大的不同，微型计算机运行程序时，一旦执行到END指令，程序运行结束。

而PLC从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条执行用户程序，直到END指令结束。

然后再从头开始执行，并周而复始地重复，直到停机或从运行（RUN）切换到停止（STOP）状态。

我们把PLC这种执行程序的方式称为扫描工作方式。

每扫描完一次程序就构成一个扫描周期。

另外，PLC对输入、输出信号的处理与微型计算机不同。

微型计算机对输入、输出信号实时处理，而PLC对输入、输出信号是集中批处理。

下面我们具体介绍PLC的扫描工作过程。

PLC扫描工作方式主要分三个阶段：

输入采样、程序执行、输出刷新。

1）输入采样

PLC在开始执行程序之前，首先扫描输入端子，按顺序将所有输入信号，读人到寄存输入状态的输入映像寄存器中，这个过程称为输入采样。

PLC在运行程序时，所需的输入信号不是现时取输人端子上的信息，而是取输入映像寄存器中的信息。

在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，只有到下一个扫描周期输入采样阶段才被刷新。

2）程序执行

PLC完成了输入采样工作后，按顺序从0000号地址开始的程序进行逐条扫描执行，并分别从输人映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获得所需的数据进行运算处理。

再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。

但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到输出端子上。

3）输出刷新

在执行到END指令，即执行完了用户的所有程序后，PLC将输出映像寄存器中的内容送到输出锁存器中进行输出，驱动用户设备。

PLC扫描过程示意图如下图所示。

PLC扫描过程示意图

PLC工作过程除了包括上述三个主要阶段外，还要完成内部处理、通信处理等工作，在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。

在通信服务阶段，PLC与其他的带微处理器的智能装置实现通信。

3设备选型及硬件电路的设计

3.1材料分拣系统的主要硬件结构

该系统采用台式结构，内置电源，设置的转接面板上设计了可与PLC连接的转接口。

本装置还设置了气动方面的减压器、滤清、气压指示等，可与各类气源相连接。

其外形结构、各传感器位置见图

材料分拣系统的主要结构图

材料分拣系统的各部分的结构如下：

1、转接面板

2、单向感应电动机

3、三菱PLC

4、调压阀、空气滤器、油雾器与气压指示表

5、内置电源

6、传送带

7、挡板

8、料槽

9、10、11、12、13、先导式电磁换向阀

14、16、18、20、23、气缸回位限位开关（磁感应开关）

15、17、19、21、22、气缸动作限位开关（磁感应开关）

24、电容传感器SB

25、颜色传感器SC

26、电感传感器SA

28、29、30、31、导料轨道

32、气缸1

33、气缸2

34、气缸3

35、气缸4

36、气缸5

材料分拣系统各结构的功能：

料槽（图6中的8）是一个材料手动入库而自动出库的装置，底部有一个光电传感器。

使用时可先人为地将材料放入料槽中，此时光电传感器检测到料块时系统开始运行。

当系统运行时，启动传送带（图6中的6）并由出料气缸（图6中的36）将料库内底层材料推入传送带。

传送带是由单向感应电机（图6中的2）驱动的皮带式输送装置。

为了防止气缸的压力过大而导致材料被打飞，所以在出料口加了挡板（图6中的7）。

自动分选部分由传感器（图6中的24、25、26）、先导式电磁换向阀（图6中的9、10、11、12）、气缸（图6中的32、33、34、35）及导料轨道（图6中的28、29、30、31）组成。

当传感器检测到相应料块时，对应的先导式电磁换向阀动作驱动气缸动作将其推人应去的滑道。

例如：

当电感传感器感应到铁块时，对应的气缸（图6中的36）动作，将铁块推入对应的导料轨道（图6中的31）。

调压阀、空气滤器与气压指示仪表（图6中的4）集中于一个模块上，它们接收来自气源的气压并传送到下面的5个气阀中。

来自气源的压缩空气其压力通常都高于设备和装置所需的工作压力，因压力波动比较大，因而需要调节调压阀降压，使其输出压力与每台气动设备和装置所需要的压力一致，并保持该压力的稳定。

空气过滤器是气动系统中最常见的一种空气净化装置，安装在使用压缩空气的设备气动系统气源的入口处。

其作用是滤除压缩空气中的水分、油滴以及杂质微粒等危害，以达到系统要求的净化程度。

过滤的原理是根据固体物质和空气中的分子的大小和质量不同，利用惯性、阻隔和吸附的方法将空气中的水分、油滴以及杂质微粒等危害去除。

油雾器是一种特殊的注油装置，它以压缩空气为动力，将润滑油喷成雾状并混合于压缩空气中，并随空气进入需要润滑的部件，达到润滑的目的，使压缩空气具有润滑气动元件的能力。

目前气动控制阀、气缸和气马达主要是靠这种有油雾颗粒的压缩空气来实现润滑，它的主要优点是方便、干净、润滑的质量高。

在气压传动系统中，组成气动回路是为了驱动用于各种不同目的机械装置，其最重要的三个控制内容是：

力的大小、运动的方向和运动的速度。

与生产装置相连接的各种类型的气缸，靠压力控制阀、方向控制阀和流量控制阀分别实现对三个内容的控制，正是利用它们组成了各种气动控制回路。

材料分拣系统选用的是方向控制阀中的先导式电磁换向阀。

气动换向阀是利用电磁力的作用来实现阀的换向的。

主要有电磁部分和主阀两部分组成，按照控制方式的不同可以分为直动式和先导式。

先导式电磁换向阀首先由直动式电磁阀（先导阀）提供控制气压，再去控制主阀（气控阀）阀芯的运动，实现主阀的换向。

因为这种阀的输出流量较大，故常作为控制气缸的主控阀。

当传感器感应到有材料通过时，输出一个信号，这个信号通过PLC实现对先导式电磁换向阀的控制，先导式电磁换向阀又控制相对应的气缸来弹出材料到导料轨道。

每个气缸上都有两个磁感应开关，它们是有开关量