材料分拣装置的PLC控制系统设计.docx
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材料分拣装置的PLC控制系统设计
摘要……………………………………………………………………………1
第1章绪论……………………………………………………………………3
1.1本课题研究的意义…………………………………………………………3
1.2设计的一般过程……………………………………………………………3
1.3设计的准备工作……………………………………………………………4
1.4总体方案的设计……………………………………………………………5
第2章系统的总体设计…………………………………………………………6
2.1主要组成部件…………………………………………………………………6
2.2控制过程 ………………………………………………………………… 6
2.2.1系统的结构框图 …………………………………………………………6
2.2.2控制系统机械流程图 ……………………………………………………7
3系统硬件设计 …………………………………………………………………8
3.1 PLC的产生与发展………………………………………………………… 8
3.2 PLC的基本结构…………………………………………………………… 9
3.3 PLC控制方法 ………………………………………………………………10
3.4 PLC系统的先进性 …………………………………………………………11
3.5系统的主电路设计 ……………………………………………………………12
3.5.1主电路图 …………………………………………………………………13
3.5.2控制电动机运行 …………………………………………………………14
3.5.3主电路元件选型 ……………………………………………………………15
4分拣装置的软件设计 ……………………………………………………………23
4.1分拣装置部分的I/0点数分配与PLC连线图 ………………………………23
4.2分拣装置部分的顺序功能图 ………………………………………………25
4.3分拣装置部分的控制系统流程图 ……………………………………… 26
总结 …………………………………………………………………27
附录 …………………………………………………………………27
摘要
从二十世纪20年代开始，随着汽车、滚动轴承、小型电动机和缝纫机等工业发展，机械制造中开始出现自动线，最早出现的是组合机床自动线。
在此之前，首先是在汽车工业中出现了流水生产线和半自动生产线，随后发展成为自动线。
第二次世界大战后，在工业发达国家的机械制造业中，自动线的数目出现了急剧增加。
采用自动线进行生产的产品应有足够大的产量；产品设计和工艺应先进、稳定、可靠，并在较长时间内保持基本不变。
在大批、大量生产中采用自动线能提高劳动生产率，稳定和提高产品质量，改善劳动条件，缩减生产占地面积，降低生产成本，缩短生产周期，保证生产均衡性，有显著的经济效益。
材料分拣装置是模拟自动化工业生产过程的微缩模型，它使用了PLC控制、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选和归类功能，并可配置监控软件由上位机监控。
该装置采用台式结构是典型的机电一体化教学实验装置。
装置由料块仓库、电动输送带、自动分选部件和控制器组成。
料块仓库是一个手动入库自动出库的装置。
使用时可将料块放入仓库中，当光电传感器感测到料块时系统开始运行，即启动输送带并由出库气缸将库内最底层料块推入输送带。
电动输送带是由交流电机驱动的皮带式水平输送装置。
它将料块匀速平稳的送至自动分选部件。
自动分选部件由物料传感器、旋转编码器、微型直线气缸及滑道组成。
当传感器检测到相应料块时，对应的气缸将其推入应去的滑道；当料块的材料或颜色为非分选要求时，经旋转编码器计量后对应的气缸将其推入应去的滑道。
控制器采用PLC，该系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力，保证了系统运行的可靠性、降低了威胁率，提高了工作效率。
它接受仓库传感器、各料块传感器、旋转编码器、气缸位置传感器的信号，根据要求分别控制输送带电机和各电磁换向阀。
由于PLC控制受环境的限制，在使用过程中会受到各种干扰，影响系统的可靠性，因此必须采用各种抗干扰措施，以提高控制系统的可靠性。
关键词：
PLC、分拣装置、控制系统、传感器、气动技术。
第一章绪论
1.1本课题研究的意义
机电一体化是一种复合技术,是机械技术与微电子技术、信息技术互相渗透的产物,是机电工业发展的必然趋势。
文章简述了机电一体化技术的基本结构组成和主要应用领域,并指出其发展趋势。
现代科学技术的发展极大地推动了不同学科的交叉与渗透,引起了工程领域的技术改造与革命。
在机械工程领域,由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化,使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化,使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。
机电一体化的核心技术：
机电一体化包括软件和硬件两方面技术。
硬件是由机械本体、传感器、信息处理单元和驱动单元等部分组成。
1.2设计的一般过程
根据设计的内容和方法不同，设计的一般过程大体上可分为7个阶段。
第一阶段：
（1）仔细阅读设计任务书；
（2）了解并明确设计任务。
第二阶段：
（1）收集有关资料；
（2）分析研究设计对象的工作原理与基本结构；（3）准备有关设计工具书。
第三阶段：
（1）提出几个不同的设计方案，经分析、比较后，确定最佳方案；
（2）应运所学知识进行计算；（3）绘制有关的设计图。
第四阶段：
（1）电气控制系统设计；
（2）电气原理图、接线图设计；（3）编写相应的控制软件（或部分软件）。
第五阶段：
（1）检查设计图样，修改出现的错误；
（2）整理设计文件，编写设计说明书。
第六阶段：
（1）设计答辩；
（2）评定成绩。
1.3设计的准备工作
本系统可以分为毫无联系的机械本体和电气控制面板两部分。
在学习的过程中，可以自由分配各个接口，并且需要自己动手连接，这就可以使学生的分析设计能力和实际动手能力得到进一步的锻炼。
这就是开放式设备的优越性。
设计的准备工作是一个必不可少的环节，它是将设计的思路条理化、清楚化、明显化，叙述整理的过程，为整体方案的设计奠定基础。
1.4总体方案的设计
总体方案直接影响到机电一体化产品的最终运行结果。
一般满足设计要求的总体方案往往有很多个，这时要根据具体情况进行分析比较，确定一个最佳方案。
第二章PLC控制材料分拣系统的总体设计
本文讨论的材料分拣控制系统，完成了材料自动分拣系统的所有基本工作。
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,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，因此自动分拣系统可以弥补人力分拣在重复分拣方面的低效率工作,而且分拣误差率极低,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，本设计使用传感器甄别物料外部特征作为信息输入机制,以最大限度的降低分拣误差。
人员的使用上也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,基本做到无人化生产。
文中主要介绍了系统的硬件及软件设计...PLC;材料分拣;梯形图编程。
2.1装置简介
装置由料块仓库、电动输送带、自动分选部件和控制器组成。
料块仓库是一个手动入库自动出库的装置。
使用时可将料块放入仓库中，当光电传感器感测到料块时系统开始运行，即启动输送带并由出库气缸将库内最底层料块推入输送带。
电动输送带是由交流减速电机驱动的皮带式水平输送装置。
它将料块匀速平稳的送至自动分选部件。
自动分选部件由传感器、旋转编码器、微型直线气缸及滑道组成。
当传感器检测到相应料块时，对应的气缸将其推入应去的滑道；当料块的材料或颜色为非分选要求时，经旋转编码器计量后对应的气缸将其推入应去的滑道。
2.2材料分拣装置概念与使用性
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选和归类功能，并可配置监控软件由上位计算机监控。
适用于各类学校机电专业的教学演示、教学实验、实习培训和课程设计，可以培养学生对PLC控制系统硬件和软件的设计与调试能力；分析和解决系统调试运行过程中出现的各种实际问题的能力，实际工业现场生产设备的微缩模型。
2.3材料分拣装置结构及组成
该装置采用台式结构，配有控制器（PLC）、传感器（光电式、电感式、颜色、磁感应式）、旋转编码器、电动机、输送带、气缸、电磁阀、直流电源、空气过滤减压器、编程练习面板等，构成典型的机电一体化教学训练装置。
自动分选部件由物料传感器、旋转编码器、微型直线气缸及滑道组成。
当传感器检测到相应料块时，对应的气缸将其推入应去的滑道；当料块的材料或颜色为非分选要求时，经旋转编码器计量后对应的气缸将其推入应去的滑道。
当传感器检测到相应料块时，对应的气缸将其推入应去的滑道；当料块的材料或颜色为非分选要求时，经旋转编码器计量后对应的气缸将其推入应去的滑道。
材料分拣装置系统由实训桌、井式供料装置、传送装置、气动部分及电气控制面板等组成。
2.4材料分拣装置工作过程概述
本课题组针对料库的尺寸、存储货物的种类等要求所设计的材料分拣系统需要实现对铁、铝、不同颜色塑料的自动分拣。
具体控制过程为：
（1）接通电源，按下启动开关，传送带开始运行；
（2）系统启动后，下料传感器（光电传感装置）检测到料槽有料，出料气缸开始动作，将待测物体推到传送带上，待测物体开始在传送带上运行；
（3）当铁检测传感器检测到铁材料时，铁出料气缸动作将待测物体推下；
（4）当铝检测传感器检测到铝材料时，铝出料气缸动作将待测物体推下；
（5）当颜色检测传感器检测到非金属材料为黄色时，颜色出料气缸动作将待测物体推下；
（6）剩余非金属材料（蓝色塑料块）被送到最后一个出料气缸位置时，气缸动作将待测物体推下；
（7）竖井式下料槽无待下料时，传送带须继续运行一个行程后自动停机。
2.5系统的结构框图
本分拣装置为工业现场生产设备，采用台式结构，内置电源，有竖井式产品输入料槽，滑板式产品输出料槽，转接板上还设计了可与PLC连接的转接口。
同时，输送带作为传动机构，采用步进电机驱动，对不同材质敏感的三种传感器分别固定在网孔板上。
整个控制系统由气动部件和电气部件两大部分组成。
气动部分由减压阀、气压指示表、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、旋转编码器、单相交流电机、开关电源、电磁阀等部件组成。
该系统的结构框图如图1所示。
下料传感器
铁检测传感器
铝检测传感器
颜色检测传感器
PLC
输送带和下料气缸
铁出料气缸
铝出料气缸
颜色出料气缸
空气压缩机
其它出料气缸
图1材料分拣系统的结构框图
2.6控制过程
本课题组针对料库的尺寸、存储货物的种类等要求所设计的材料分拣系统需要实现对铁、铝、不同颜色塑料的自动分拣。
具体控制过程为：
（1）接通电源，按下启动开关，传送带开始运行；
（2）系统启动后，下料传感器（光电传感装置）检测到料槽有料，出料气缸开始动作，将待测物体推到传送带上，待测物体开始在传送带上运行；
（3）当铁检测传感器检测到铁材料时，铁出料气缸动作将待测物体推下；
（4）当铝检测传感器检测到铝材料时，铝出料气缸动作将待测物体推下；
（5）当颜色检测传感器检测到非金属材料为黄色时，颜色出料气缸动作将待测物体推下；
（6）剩余非金属材料（蓝色塑料块）被送到最后一个出料气缸位置时，气缸动作将待测物体推下；
（7）竖井式下料槽无待下料时，传送带须继续运行一个行程后自动停机。
2.7传感器设计
一个完整的推理控制系统的设计，一般由传感器的设计和推理控制器的设计两部分组成。
其中传感器的设计是推理控制系统设计的关键。
没有性能优越的传感器，推理控制系统就不能把被控对象控制好，就不能满足工艺的要求。
传感器从描述过程的方式上看，可分为输入输出法、状态空间法。
从研究的方法上可分为代数方法和人工智能方法。
从研究的对象上看，可分为线性推理和非线性推理。
从其特点上看，又可分为静态和动态特性。
传感器工作原理。
2.7.1颜色传感器
颜色传感器通过一种特殊的三色方式发挥作用。
传感器把光（红、蓝、绿）投射到将被检测的物体上，计算来自反射辐射的色度坐标，并与之前存储的三色值进行比较。
当三色值在设定的允许偏差范围内，就会产生一个交换输出。
2.7.2光电传感器
光电传感器的功能主要有：
检测物体的有无，检测透明物体，检测色标，检测颜色，检测发光物体，检测位移，激光传感器，CCD视像传感器，槽形开关等；检测和测量的光栅及传感器的功能主要有：
测量物体的外形，纠偏，检测微小的透明物体，测量位移等；安全光幕的功能主要有：
对人的手指，手掌，手臂等身体各部位的2级和4级保护；温度控制器的功能主要有：
PID控制和自动演算，自诊断，自动调谐和自适应等功能以及三级软件安全锁。
光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。
它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。
光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。
近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。
第三章PLC控制系统设计
摘要：
在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，工业现场中的这些自动控制问题，可编程控制器（PLC）已成为解决的最有效的工具之一。
PLC控制系统设计时应注意以下几点。
关键字：
PLC控制系统设计
PLC控制系统设计包括硬件系统设计和软件系统设计。
硬件系统设计主要包括PLC及外围线路的设计、电气线路的设计和抗干扰措施的设计等。
软件系统设计主要指编程PLC控制程序。
选定PLC及其扩展模块（如需要的话）和分配完I/O地址后，硬件设计的主要内容就是电气控制系统原理图的设计，电气控制元器件的选择和控制柜的设计。
在程序设计时，除I/O地址列表外，有时还要把在程序中用到的中间继电器（M）、定时器（T）、计数器（C）、和存储单元（V）以及它们的作用或功能列写出来，以便编写程序和阅读程序。
在编程语言的选择上，用梯形图编程还是用语句表编程或使用功能图编程，有些PLC使用梯形图编程不是很方便（例如书写不方便），则可以用语句表编程，但梯形图总比语句表直观。
经验丰富的人员可用语句表直接编程，就像使用汇编语言一样。
如果是清晰的单程序、选择顺序或并发顺序的控制任务，则最好是用功能图来设计程序。
PLC控制系统设计步骤及内容如下图2所示
3.1PLC控制硬件系统设计
3.1.1PLC的产生与发展
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
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，使用情况大致可归纳为开关量的逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理、数据处理等几类。
PLC在其应用上具有以下优点：
可靠性高，抗干扰能力强、配套齐全，功能完善，适用性强、易学易用，深受工程技术人员欢迎。
系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造、体积小，重量轻，能耗低。
3.1.2PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图3所示：
编程器
中央处理单元
（CPU）
输
入
电
路
系统程序存储器
用户程序存储器
输
出
电
路
电源
1、中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
2、存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
3.1.3PLC型号的选择
在做出系统控制方案的决策之前，要详细了解被控对象的控制要求，从而决定是否选用PLC进行控制。
在控制系统逻辑关系较复杂（需要大量中间继电器、时间继电器、计数器等）、工艺流程和产品改型频繁、需要进行数据处理和信息管理（有数据运算、模拟量的控制、PID调节等）、系统要求有较高的可靠性和稳定性、准备实现工厂自动化联网等情况下，使用PLC控制是很必要的。
目前，国内外众多的生产厂家提供了多种系列功能各异的PLC产品，使用户眼花缭乱、无所适从。
所以全面权衡利弊、合理地选择机型才能达到经济实用的目的。
一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。
机型的选择可从以下几个方面来考虑。
3.1.4对输入/输出点的选择
1）盲目选择点数多的机型会造成一定浪费。
要先弄清除控制系统的I/O总点数，再按实际所需总点数的15～20％留出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需PLC的点数。
另外要注意，一些高密度输入点的模块对同时接通的输入点数有限制，一般同时接通的输入点不得超过总输入点的60％；PLC每个输出点的驱动能力（A/点）也是有限的，有的PLC其每点输出电流的大小还随所加负载电压的不同而异；一般PLC的允许输出电流随环境温度的升高而有所降低等。
在选型时要考虑这些问题。
PLC的输出点可分为共点式、分组式和隔离式几种接法。
隔离式的各组输出点之间可以采用不同的电压种类和电压等级，但这种PLC平均每点的价格较高。
如果输出信号之间不需要隔离，则应选择前两种输出方式的PLC。
2）对存储容量的选择
对用户存储容量只能作粗略的估算。
在仅对开关量进行控制的系统中，可以用输入总点数乘10字/点＋输出总点数乘5字/点来估算；计数器/定时器按（3～5）字/格估算；有运算处理时按（5～10）字/量估算；在有模拟量输入/输出的系统中，可以按每输入/（或输出）一路模拟量约需（80～100）字左右的存储容量来估算；有通信处理时按每个接口200字以上的数量粗略估算。
最后，一般按估算容量的50～100％留有裕量。
对缺乏经验的设计者，选择容量时留有容量要大些。
3）对I/O响应时间的选择
PLC的I/O响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在2～3格扫描周期）等。
对开关量控制的系统，PLC和I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑I/O响应问题。
但对模拟量控制的系统、特别是闭环系统就要考虑这个问题。
根据输出负载的特点选型不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。
例如，频繁通断的感性负载，应选择晶体管或晶闸管输出型的，而不应选用继电器输出型的。
但继电器输出型的PLC有许多优点，如导通压降小，有隔离作用，价格相对较便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，其负载电压灵活（可交流、可直流）且电压等级范围大等。
所以动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型的PLC。
对在线和离线编程的选择离线编程示指主机和编程器共用一个CPU，通过编程器的方式选择开关来选择PLC的编程、监控和运行工作状态。
编程状态时，CPU只为编程器服务，而不对现场进行控制。
专用编程器编程属于这种情况。
在线编程是指主机和编程器各有一个CPU，主机的CPU完成对现场的控制，在每一个扫描周期末尾与编程器通信，编程器把修改的程序发给主机，在下一个扫描周期主机将按新的程序对现场进行控制。
计算机辅助编程能实现离线编程，也能实现在线编程。
在线编程需购置计算机，并配置编程软件。
采用哪种编程方法应根据需要决定。
4）根据是否联网通信选型
若PLC控制的系统需要联入工厂自动化网络，则PLC需要有通信联网功能，即要求PLC应具有连接其他PLC、上位计算机及CRT等的接口。
大、中型机都有通信功能，目前大部分小型机也具有通信功能。
5）对PLC结构形式的选择
在相同功能和相同I/O数据的情况下，整体式比模块式价格低。
但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择PLC的结构形式。
分配输入/输出点一般输入点和输入信号、输出点和输出控制是一一对应的。
分配好后，按系统配置的通道与接点号，分配给每一个输入信号和输出信号，即进行编号。
在个别情况下，也有两个信号用一个输入点的，那样就应在接入输入点前，按逻辑关系接好线（如两个触点先串联或并联），然后再接到输入点。
6）确定I/O通道范围
不同型号的PLC，其输入/输出通道的范围是不一样的，应根据所选PLC型号，查阅相应的编程手册，决不可“张冠李戴”。
必须参阅有关操作手册。
部辅助继电器内部辅助继电器不对外输出，不能直接连接外部器件，而是在控制其他继电器、定时器/计数器时作数据存储或数据处理用。
从功能上讲，内部辅助继电器相当于传统电控柜中的中间继电器。
参阅有关操作手册。
3.2PLC控制软件设计
PLC软件系统设计的步骤
在了解了程序结构和编程方法的基础上，就要实际地编写PLC程序了。
编写PLC程序和编写其他计算机程序一样，都需要经历如下过程。
1）对系统任务分块
分块的目的就是把一个复杂的工程，分解成多个比较简单的小任务。
这样就把一个复杂的大问题化为多个简单的小问题。
这样可便于编制程序。
2）编制控制系统的逻辑关系图
从逻辑关系图上，可以反应出某一逻辑关系的结果是什么，这一结果又英国导出哪些动作。
这个逻辑关系可以是以各个控制活动顺序为基准，也可能是以整个活动的时间节拍为基准。
逻辑关系图反映了控制过程中控制作用与被控对象的活动，也反应了输入与输出的关系。
3）绘制各种电路图
绘制各种电路的目的，是把系统的输入输出所设计的地址和名称联系起来。
这是很关键的一步。
在绘制PLC的输入电路时，
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