基于PLC的物料分拣控制系统的设计.docx

1、基于PLC的物料分拣控制系统的设计PLC技术应用项目说明书 产品自动分拣计数控制系统的设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械电子工程 班 级 2012级机电1班 学生姓名 李 钊 指导老师 王 蕊 2015 年 10 月 30 日课 程 设 计 任 务 书兹发给 2012级机电1 班学生 李钊 课程设计任务书，内容如下：1设计题目： 产品自动分拣计数控制系统的设计 2应完成的项目：（1）选题的背景和意义； （2）明确设计任务，拟定总体设计方案（有机械结构的要进行结构设计，三维软件建模）； （3）硬件设计，传感器、PLC（和电机）选型，设计信号采集、转换电路，画出PLC端口分配图、接线控制端子

2、连接图； （4）软件设计，编写控制程序流程图（或重要程序），设计人机界面； （5）课程设计说明书1份。 3参考资料以及说明：（1）金发庆.传感器技术与应用（第二版）M.北京：机械工业出版社，2004 （2）钟肇新.可编程控制器原理及应用M.广州：华南理工大学出版社，2003 （3）常晓玲.电气控制系统与可编程控制器M.北京：机械工业出版社，2004 （4）盖超会，阳胜峰.三菱PLC与变频器、触摸屏综合培训教程M.北京：中国电力出版社，2011 （5）濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计M.北京：高等教育出版社，2013 4本设计任务书于2015年10月12日发出，应于2015年10月30日前完成，

3、然后进行答辩。指导教师 签发 2015 年 10 月 30 日课程设计评语：课程设计总成绩： 指导老师签字： 年 月 日摘 要分拣控制系统在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。是工业控制及现代物流系统的重要组成部分，实现物料同时进行多口多层连续的分拣。在社会各行业如：物流配送中心、邮局、仓库等行业得到广泛应用。本文在对熟悉了自动及分拣系统的原理的基础上，根据一定的分拣要求，采用了整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化，设计了一个物料传送及分拣系统。此系统以PLC为主控制器，结合传感器技术，气动装置和位置控制等技术，并运用梯形图编程，实现对铁质、铝质和不同颜色的材料的自动分

4、拣。具有自动化程度高、容易控制、运行稳定、分拣精度高的特点，对不同的分拣对象，稍加修改本系统即可实现要求。关键词：可编程控制器（PLC），传感器，气动控制，物料分第一章 绪论1.1分拣系统背景自动分拣系统(Automatic sorting system)在配送中心处于十分必要的地位。具有非常高的效率，一般来说每小时所分拣商品的数量达6000-12000箱不等，可以说，自动分拣作为能够提高物流分配、发送效率重要因素之一。也是二战后在许多国家例如日本等国家物流中心所广泛使用的一种自动分拣系统，目前，该系统已广泛的应用于发达国家的大中型物流中心。关于自动分拣系统的作业流程的描述如下：物流中心吸收供

5、应商送来的各种商品，并且在最短时间内这把上述商品卸下,然后根据商品的种类、供应商和发送地点来准确分类，并将上述商品送到指定目的地，同时，如果供应商通知物流中心按自己所要求的配送指示发送货物时，分拣系统能够在最短的时间内，从高层货存架存储系统中准确的找到要出库的商品及其所在位置，并按所需要求出库。从不同储位上取出的不同数量的商品按配送地点的不同运送到不同的理货区域或配送站台集中，以便装车配送。1.1.1分拣系统的发展前景 最初的分拣系统是完全基于人力的作业系统, 通过人工搜索、承运货物完成货物的提取。在这个系统中,书面文档生产和发现,如手动处理浪费了巨大的人力资源,效率很低,显然不能满足现代物流

6、的速度、精度要求高的特点。 随着科学技术的飞速发展,分拣系统开始运用各种各样的自动化设备,计算机控制技术和信息技术成为信息传递和处理的重要手段。虽然在大部分分拣系统中有些作业环节到目前为止需要有人工的参与,但作业强度越来越小。完全由机械完成分拣作业的自动分拣系统也与之而生。机械化、自动化、智能化成为现代分拣系统的主要特点与发展趋势。 现代物流配送中,高科技的应用为作业效率和质量的提高提供了坚实的技术保证。现代化的分拣系统逐渐成为物流机械化系统、信息系统以及管理组织系统的有机组合。物流机械化系统主要是各种物流设备的有效组合和配置,信息系统是分拣信息和控制信息等流动的载体,管理组织系统负责设备、人

7、员的调度,控制系统总体的运作模式。计算机控制技术、信息技术以及物流自动化机械成为现代分拣系统的重要组成部分。 1.1.2国内外分拣系统的对比 应用现状及趋势 纵观国内外分拣系统的应用情况可以发现,国外的物流配送中心倾向于采用自动化程度很高的分拣系统。而在我国,由于物流业起步晚,分拣系统中人工作业的比例也较高。 国外自动分拣系统的广泛使用 以美国、日本及欧洲为代表的发达国家,在分拣系统的应用上体现出自动化程度越来越高的特点。代表美国、日本和欧洲发达国家的应用分类系统反映的特点,自动化程度越来越高。自动分拣系统已成为发达国家大中型物流中心、配送中心或一个配送中心是不可或缺的一部分。自动分拣系统是二

8、战后在美国,日本和其他国家的一个广泛应用于大中型物流中心分拣系统,参照邮局排序字母自动化经验配置。一般包括控制装置、分类装置、传动装置和分拣道口,它们通过计算机网络联结在一起,配合人工控制及相应的人工处理环节构成一个完整的分拣系统。其主要特点为: 能连续、大量的来给货物分类,分类错误率极低,基本实现无人操作排序。自动分拣系统中人员的使用仅局限于进货时的接货、系统的控制、系统的经营、管理与维护等,这恰好达到了国外企业的下列要求：减少人员使用、减轻员工劳动强度、提高人员使用效率，所以受到了他们的广泛重视。 就国外进行配送业务的行业或企业来说,自动拣选系统已广泛应用在医药制造业和其他行业,比如日本,

9、资生堂,如大木有限公司。自动排序作为关键设备在自动分拣系统,因为它可以达到每小时5000 - 5000例排序的效率,也广泛用于日本和欧洲,日本,连锁经营企业(如西友、高岛屋等)和众议院JiBian(大和,佐川等等)是广泛使用的自动分选机;在日本唱片中心,CD及录像带的新出版品也利用高端的机器人自动分拣机拣货。目前常用自动分拣系统世界知名的自动化物流系统集成商德国德马泰克开发的自动分拣系统及相关系统；范德兰德；丹麦的克瑞斯普兰（德国伯曼机械）的全自动分拣系统；深圳市天和双力物流自动化设备有限公司的自动分拣系统；康大基业电子标签拣货系统；上海邮政通用技术设备公司的交叉带式分拣机控制系统；壹比多系列

10、电子分拣系统等等。1.2 研究分拣系统的意义1、可以连续的,大批量的货物进行分类。由于使用自动用于大规模生产流水线、自动分拣系统不受气候、时间、身体条件的限制,如可以连续运行,同时由于数量的自动分拣系统单位时间排序,排序能力排序系统自动人工分拣系统能够连续运行100小时以上,每小时7000件包装商品,分类,比如使用人工分拣150件/小时左右,同时分拣工人无法工作8小时连续在这种劳动强度。2、 分类错误率极低。自动分类系统的分类误差的大小主要取决于准确的信息输入订单,反过来取决于分类信息输入系统,如果使用手动键盘输入或语音识别方法,出错率超过3%,如使用条码扫描输入,除非条码印刷本身有错误,或者

11、你不会出错。因此,目前自动分拣系统主要使用条形码技术来识别商品。3、基本实现无人整理活动的外国自动分拣系统的目的之一是为了减少人员的使用,降低了工人的劳动强度,提高使用效率的员工,因此自动分拣系统能减少人员,使用基本是无人驾驶的。整理活动本身并不需要使用人员,人员使用限于以下工作:（1）、送货车辆到达结束自动分拣线进货,由工人来提货。（2）、通过人工控制操作系统的分类。（3）、排序,通过人工整理排在最后的负载、装载货物。（4）、自动分拣系统,管理和维护业务。如美国一家公司配送中心占地面积约100000平方米,每天近400000项排序,仅使用400名左右员工，这其中部分人员都在从事上述（1）、（

12、3）、（4）项工作，自动分拣线作到了无人化作业对于分拣系统应用前景，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、成本等方而来考虑。但是自动分拣系统对商品外包装要求也很高，自动分拣系统只适合于平坦和刚性包装底部的规则排序货物。包装商品,柔软而不均匀的底部的包装,包装,容易变形,容易损坏,长、苗条、超重、超高、不能推翻的商品不能用正常的自动分类机进行排序,所以为了使大部分的货物已经完成了机械自动排序,可以采取两种措施:一是促进标准化的包装,使大部分的商品包装是符合国家标准的统一;二是基于排序的大部分商品的包装功能定制特定的分类机。但是让所有供应商货物符合国家包装是非常困

13、难的,自定义特性分类机,使硬件成本的上升,和它的普遍性是更糟更特殊。所以公司应该根据操作和货物的包装决定建立或建立什么样的自动分拣系统1。 1.3分拣系统的工作过程概述1.3.1 分拣系统结构图图1-1 材料分拣系统的示意图1.3.2 分拣系统的控制要求本课题是基于区分材料材质的不同而设计的材料分拣系统，主要是实现对铁质、铝质和不同颜色的材料的自动分拣，具体控制过程为：（1）接通电源，按下启动开关SB1，系统进入启动状态，指示灯绿灯L2亮。（2）系统启动后，下料传感器SQ1(光电传感装置)检测到料槽无材料或各气缸未复位时，传送带须继续运行一个行程10S后自动停机,指示灯红灯L1亮。（3）系统启

14、动后，下料传感器(光电传感装置)检测到料槽有材料，出料气缸每隔2S动作一次，动作时间维持为1S，将待测材料推到传送带上，待测物体开始在传送带上运行，并对其进行计数。（4）当电感传感器SA检测到铁质材料时，且其对应的接近开关SQ2感应到材料接近，铁出料气缸将待测物体推下，并对其进行计数。（5）当电容检测传感器SB检测到材料为铝质时，且其对应的接近开关SQ3感应到材料接近，铝出料气缸动作将被检测到的材料推下，并对其进行计数。（6）当颜色检测传感器SC检测到材料为红色时，且其对应的接近开关SQ4感应到材料接近，红色出料气缸动作将待测物体推下，并对其进行计数。（7）剩余材料在传送带上继续传送，当最后滑

15、槽对应的接近开关感应到材料接近，其出料气缸动作将被检测到的材料推下，并对其进行计数。第二章 分拣系统的硬件设计2.1 PLC及其组件的选型及控制原理2.1.1 PLC的型号选择对PLC型号选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比，选择时应考虑以下几点。（1）PLC的硬件功能开关量控制的基本功能是PLC的开关量控制系统,主要需要考虑是否最大数量的开关PLC的I / O点可以满足系统要求。一些系统有特殊要求对PLC的功能,如通信、网络、PID闭环控制,响应速度快,高速计数和运动控制、模块化PLC应该考虑是否有相应的特殊功能模块。一些积分PLC集成有高速计数器

16、,高速脉冲输出,模拟电位器来调整,和脉冲捕获、实时时钟和中断功能。对模拟输入/输出系统、PLC需要考虑最大的模拟I / O是否可以满足要求,模块的分辨率和转换时间，以及平均每点的价格。本系统不需要跨范围使用PLC对某些功能或信号也没有特殊的速度要求，不需要选用具有高速I/O理功能的PLC。（2）PLC指令系统的功能对于小型单台仅需要开关量控制的设备，一般的小型PLC便可以满足要求。如果系统要求PLC完成某些特殊的功能，应考虑PLC指令系统是否有相应的指令来支持。此系统只需用开关量控制，选用一般小型PLC即可（3）PLC物理结构的选择根据物理结构，可以将PLC分为整体式和模块式，集成PLC每个I

17、 / O点的平均价格是便宜的,一般采用PLC模块类型,在小控制系统。但方便灵活、模块化PLC功能扩展I / O点,如比率多少输出,输入点和点,和类型的I / O模块块,特殊的I / O模块的使用选择的是更大的比积分PLC,判断故障范围改变了在维护模块,也很方便,因此更复杂,要求更高的一般选择模块化PLC系统。考虑此系统控制比较简单，应用于小批量的生产线故此选择整体试PLC的结构形式较为合适。（4）确定输入/输出（I/O）点数应该确定哪些信号需要输入给PLC，哪些负载由PLC驱动，是开关量还是模拟量，是直流量还是交流量，以及电压的等级；是否有特殊要求，例如快速响应等，并建立相应的表格。如果系统不

18、同部分相互距离很远，可以考虑使用远程I/O。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， 4）输入信号的类型及电压等级开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流直流输入三种种类。选择时主要根据输入信号和周围环境因素等。直流输入模块的延迟时间较短，也可以直接和接近开关、光电开关和其他电子输入设备连接;交流输入模块可靠性好,适合油雾、灰尘的条件下使用。开关量输入模块的输入信号和电压等级有:直流5 V、12 V、24 V,48 V,60 V等;交流,110 V,220 V,等等。在选择时应根据输入装置和输入模块之间的距离来考虑。一般5 V、12 V、24V近距离传输的场合,例如5

19、 v的输入模块最远不得超过10米。远高模块应选用输入电压水平2。本系统传输距离较近可选择24直流输入。2.1.2 I/O模块的选型PLC的型号选好后，根据I/O表和可以供选择的I/O模块的类型，确定I/O模块的型号和块数。选择I/O模块时，I/O点数一般应留有一定的余量，以备今后系统改进或者扩充时使用。（1）开关量输入模块的选择开关量输入模块的输入电压为AC220V DC24V可一般。直流输入电路延迟时间较短,可以直接和接近开关、光电开关和其他电子输入设备连接。交流输入模式适合于Zaiyou油雾、灰尘的条件下使用,在这些条件下交流输入触点的接触较为可靠。1）输入接线方式开关量输入模块主要有汇点

20、式和分组式两种接线方式。汇点式的开关量输入模块和所有输入点共享一个公共端(COM);和数据包类型开关输入模块输入点分成几组,每组(几个输入点)有公共边,团体之间是分开的。分组的开关输入模块和一个结点更高的价格,如果你不需要单独的输入信号之间,一般选择转运站。所以本系统考虑价格便宜问题，且输入信号之间不需要分隔，选用汇点式较合适。 2）输入门槛电平为了提高系统的可靠性,必须考虑输入的大小阈值水平。阈值水平越高,抗干扰能力强,传输距离越远,具体可以参考指令PLC。（2）开关量输出模块的选择开关输出模块是低电压转换为驱动在PLC外部开关信号输出装置,实现PLC信号内部和外部电气隔离。在选择时应该考虑

21、以下几个方面:继电器型输出模块的工作电压范围广，触点的导通压降小，承受瞬时过电压和瞬时过电流的能力较强，但是速度动作较慢，触点寿命（动作次数）有一定的限制。如果系统的输出信号变化不是很频繁，建议优先选用继电器型的。输出方式开关输出模块有继电器输出,晶闸管输出和晶体管输出三种方式。继电器输出是便宜的,可以用来驱动交流负载,可用于直流负载,电压应用到广泛的大小、传导电压降小,同时有更好的能力去承受暂态过电压和过电流,它属于接触单元,缓慢的速度(驱动电感负载,接触行动频率必须小于1 hz),短寿命和可靠性较差,只适合于频繁的开启和关闭。对于经常打开和关闭负载,应选择晶闸管输出或输出晶体管,他们属于非

22、接触式组件。但晶闸管输出只能用于交流负载,和晶体管输出只能用于直流负载。本系统为中小型生产线自动控制系统，需要考虑价格相对要便宜，而本系统对动作速度要求不高，所以选择继电器输出作为输出方式。2）输出接线方式开关输出模块主要包括数据包类型,和单独的两个连接的方式。输出分组类型是几个点作为一个群体,一个组织有一个公众方面,两组之间是分开的,外部输出设备可以用来驱动不同的力,是输出为每个输出点有公共边,孤立的输出点。选择时主要取决于类型的PLC输出设备的电源和电压等级和多少。一般分两个包类型的PLC输出和输出。系统输出选项包类型。3）驱动能力输出电流的开关输出模块(驱动)必须大于额定电流的PLC外部

23、输出设备。用户应根据实际的输出设备的电流大小来选择输出模块输出电流。如果实际的输出设备较大,当前输出模块不能直接驱动,可以增加放大在中间。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/O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：FX2N32MR，合计总数32点16点输入，DC24V，16点继电器输出；尺寸（mm）：2208790，其性能、价格都优于其他PLC。FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列，它能最大范围地包容了标准特点，程式执行更快，全面补充通讯功能，适合世界各国不同的电

24、源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化控制应用提供最大的灵活性和控制能力。2.2 传感器的选择2.2.1传感器的简介国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“可以把具体的测量信息(如物理、化学的内容,生物质等)转换为信号设备可根据一定的规则或设备。传感器是一种完整的检测设备(或系统),可以感觉测量信息,并可以检测感觉信息,按一定规律改变成为电信号输出,或其他形式的信息需要满足信息传输、处理、存储、显示、记录和控制的要求3。是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器生物体感官的工程模拟量；反之，感觉,可以被视为一种自然的生物传感器。所谓的“可用信号”,是指促进运输,方便处

25、理信号。目前,电子信号最符合要求的运输方便,易于加工。因此,也可以把传感器是狭隘的定义为:外面的世界非电量信息转化为电信号输出设备或装置。传感器一般由变换元件、敏感元件和其他辅助元件组成。随着传感器集成技术的发展，把传感器的信号调理与转换电路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将会是未来的发展趋势。因此，信号调理电路以及所需辅助电源都应作为传感器组成的一部分，如图2所示 图2-1 传感器的组成示意图敏感元件是用来感受被测量，输出与被测量成确定关系的其他量的元件，例如波纹管和膜片，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），就兼为传感元件。另外还有一些新型传感器

26、，如压阻式和谐振式压力传感器等，其敏感元件和传感器是一体的。变换元件又称传感元件，是传感器的重要组成元件。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，如热敏电阻和热电偶。传感元件也可以间接感受被测量，只感受与被测量成确定关系的其他非电量。一般情况下使用的都是这种传感元件。信号调理与转换电路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的电路。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，常用的电路有放大器、电桥、阻抗变换器和振动器等。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；可以使带反馈的闭环系统，也可以是不带反馈的开环系统。因此，传感器的

27、组成将依不同的情况而有所差异4。2.2.2传感器的选择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。主要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。根据本论文设计的要求，经分析可知：需要对位置检测装置、视觉传感器进行选用。位置检测装置用来检测气缸动作是否到位，视觉传感器是用来完成对不同物料的识别。（1）位置检测装置在本设计中，应有相应的位置检测装置检测当气缸执行动作时是否到位。常用的位置检测装置是行程开关。行程开关又称限位开关，是根据运动部件位置而切换电路的自动控制电器、。动作时，由挡块与行程开关的滚轮碰撞，使触头接通或断开，用来控制运动部件的运动

28、方向、行程大小及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。行程开关的品种规格很多，有机械式和电子式两种。按其操作结构可分为直动、滚轮直动、杠杆单、双轮等。选用行程开关时，应结合不同使用场合，满足各方面的要求等来进行选择。在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。（2）视觉传感器视觉传感器的作用就是最大程度模仿人的眼睛，能够对不同的物体进行识别，本系统采用材质传感器和颜色传感器，对物料进行分拣。电容传感器也属于具有

29、开关量输出的位置传感器，是一个具有可变参数的电容量。多数场合下，电容由两个金属平行极板组成的，并且以空气为介质。是一个接近开关。电容传感器的测量头构成电容器的一个板,另一个是板待测物的本身。当对象移动到接近开关、接近开关的对象和介电常数的变化,和测量头相连的电路状态也相应地改变。因此,可以控制开关是开启和关闭。在本设计里面电容传感器用于检测铝质材料。电感式传感器属于有开关量输出的位置传感器，是利用电磁感应原理，将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L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现由非电量到电量转换的装置。用来检测金属物体。它由LC高频振

30、荡器和放大电路,使用金属物体可以产生电磁振荡诱导在接近头部,使对象在涡。涡流产生的反应在接近开关,接近开关振荡容量衰减、内部参数变化的电路。总之,电感式传感器可以找出存在的金属物体接近,和控制开关打开或关闭。在这种设计使用设备来检测铁材料5。根据不同物料有不同的颜色，可以对同一种颜色的物料进行拣出。颜色传感器也属于具有开关量输出的位置传感器。它是在Si等多数光电二极管之前，分别放置R（红）、G（绿）、B（蓝）三种颜色的彩色滤光器，通过处理各自的输出信号并识别彩色的方法。材料分拣系统采用颜色传感器主要是用来识别红色与绿色的材料。目前，用于颜色识别传感器有两种基本类型:(1)颜色代码传感器,它使用

31、一个白炽光源或单色LED光源;(2)RGB(红、绿、蓝)颜色传感器,检测对象的反射比的三个主要的颜色,以便识别物体色。许多这样的设备被温暖的反射式、梁式、纤维类型、包装在各种金属和聚碳酸酯住房,典型的输出是:NPN型和PNP型、继电器。为了便于PCL控制程序的编写，综合公司企业的经济效益及其各种情况，在本设计中，选择RGB颜色传感器作为识别物料颜色的装置，继电器输出方式，使得PLC控制系统简单化，控制系统更容易实现46 。2.3 驱动部分的分析与选择系统的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置，其驱动系统根据动力源的不同，分为气压、液压、电气、机械、气液联合和电液联合等多种方式。目前主要采用的有

32、气压、液压、电气这三种驱动方式。气压驱动，价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强、在工业机械手中应用较多。另一方面，气动技术作为一种“廉价的自动化技术”,由于不断提高性能的组件,降低生产成本,广泛应用于现代工业生产领域。在现代设备和自动化生产线,几乎所有配备气动系统。气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要使用工具。液压驱动，功率重量比大，可实现频繁平稳的变速和换向，容易实现过载保护，可自行润滑，使用寿命长。但也存在其油液容易泄露污染环境，需要配备油源，成本较高，工作噪声较大。电气驱动，控制精度高，驱动力较大，响应快，信号检测、传递、处理方便。但是由于电气驱动方式价格昂贵，限制了电气驱动在一些场合的应用。因此，人