物料自动分拣装置的PLC控制系统.docx

毕 业 设 计（论文）

题目： 物料自动分拣装置的PLC控制系统设计

姓名 黄 建 军
学号 20110103159
专业 机电一体化技术
年级 2011级
指导教师 陆莲仕
完成时间 2013年11月25日

目 录
第一章 绪 论 1
1.1 物料自动分拣的意义 1
1.2 设计任务要求 2
1.3 设计任务分析 2
第二章 物料自动分拣装置结构及总体设计方案 3
2.1 机械构造分布 3
2.2 设计方案 5
第三章 系统硬件设计 6
3.1 基本结构 6
3.2 主要组成部件 6
第四章 系统软件设计 17
4.1 I/O分配表 17
续表 18
4.2 接线图 19
4.3 软件控制流程图 20
4.4 顺序控制功能图 21
4.5 PLC控制程序 22
第五章 系统总成本估算 28
5.1 系统使用的零部件 28
5.2 系统总开支 29
第六章 毕业设计总结 30
参考文献 31

第一章 绪 论
1.1 物料自动分拣的意义
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。PLC将传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体,专门为工业控制而设计,具有功能强、通用灵活、可靠性高、环境适应性强、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。本文主要讲述PLC在材料分拣系统中的应用，利用可编程控制器( PLC) ,设计成本低、效率高的材料自动分拣装置。以PLC 为主控制器,结合气动装置、传感技术、位置控制等技术,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、精度高、易控制的特点,可根据不同对象,稍加修改本系统即可实现要求。
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，配有S7-200型CPU、传感器（光电式、电感式、颜色、磁感应式）、旋转编码器、交流电动机、输送带、气缸、电磁阀、直流电源、空气过滤减压器等是典型的机电一体化教学实验装置。
本系统采用的可编程控制器，只要结合不同的传感器，比如根据材料的属性、尺寸的大小、物体的颜色等选择相应的传感器，就可对不同的物料进行分拣，具有广泛的应用前景。
1.2 设计任务要求
该控制系统应能使物料分拣具有自动循环、单循环、单动作三种工作方式，且能使各种工作方式不相互发生冲突；应能完成铁料、铝料、不同颜色的塑料分拣至不同料槽的控制要求；应具有启动、预停、急停和计数功能；应具有短路保护、过载保护、失压保护等功能。
应确定具体的控制过程、控制系统的总体及软件设计；确定PLC的型号规格；确定PLC各I/O元件；设计气动系统控制原理图；确定各气动元件；设计电动机及变频器的主电路及控制电路原理图；确定变频器型号及各电气元件；设计物料分拣系统的单动作手动程序、单循环程序、自动循环程序，故障报警和信号显示程序；上机调试程序；进行成本估算。
1.3 设计任务分析
分拣的物料都是规则的，而且是圆柱形，我们可以先把物料装进一个套筒，然后就让它在重力的作用下一个一个的掉到输送带。在这个过程中需要设计一个上料机构来完成这一步骤。接着物料到达输送带时，我们要把铁、铝、塑料（黄、蓝色）物料进行分拣，可以用各种传感器来进行分拣，这就需要设计一个分拣装置。这两个装置可以用接触器控制，也可以用PLC控制，考虑到接线方面的麻烦，决定用PLC来控制整个流程！

第二章 物料自动分拣装置结构及总体设计方案
本装置是由上料机构和分拣机构构成，工件通过上料机构流到输送带进行分拣。
2.1 机械构造分布
2.1.1上料机构
上料机构由简图、光电传感器、安装支架、挡料气缸、顶料气缸、警示灯等部分组成，如下图2.1所示

图2.1 上料机构示意图
（1）光电检测传感器：物料检测传感器为光电漫反射型传感器，检测到有物料时，推料气缸将物料推出，有物料是为PLC提供一个输入信号。
（2）顶料气缸：将工件顶住。
（3）挡料气缸：将工件一一的放下来。
（3）警示灯：在设备停止时警示红灯亮，在设备运行时警示绿灯亮，在无物料是警示黄灯亮。
（4）储料筒：用于存放直径100mm的圆柱型工件，料筒侧面有观察槽。
（5）安装支架：用于安装工件库和气缸。
1.1.2 分拣装置
分拣装置由输送带、气缸、各种传感器、电动机等部分组成，它的结构图如图2.2所示

图2 .2 分拣装置示意图
（1）SN:光电传感器,当有物料放入输送带时，给PLC一个输入信号。
（2）SA:电感式传感器,检测铁材料，检测距离为2—5mm。
（3）SB:电容传感器,检测铝材料，检测距离为2—5mm。
（4）SC:颜色传感器,用于检测非金属的蓝色物料，检测距离为3—8mm,检测 距离可通过传感器放大器的点位器调节。
（5）SD：备用传感器，用于检测黄色塑料物料。
(6) SBW气缸缩回到位。
(7) SFW气缸伸出到位。
（8）1号料槽：用于放置铁物料。
（9）2号料槽：用于放置铝物料。
（10）3号料槽：用于放置蓝色塑料物料。
（11）4号料槽：用于放置黄色塑料物料。
（12）皮带输送线：由三相异步电动机拖动，将物料输送到相应的位置。
（13）三相异步电动机：驱动传动带传动，由变频器控制。
2.2 设计方案
1.上料机构
在复位完成后，按下“启动”按钮，料筒光电传感器检测到有工件时，推料气缸将工件推出，推料气缸缩回，若3秒钟后，料筒检测光电传感器仍未检测到工件，则说明料筒内无物料，这时警示灯黄灯闪烁，放入物料后黄灯熄灭；
2.分拣机构
当入料口光电传感器检测到物料时，变频器接收启动信号，三相异步电动机正转运行，皮带开始输送工件，当料槽一到位检测传感器检测到铁物料时，推料一号气缸动作，将铁物料推入一号料槽；当料槽二检测传感器检测到铝物料时，推料二气缸动作，将铝物料推入二号料槽；当检测器检测到蓝色物料时，推料三气缸动作，将蓝色物料推入三号料槽；当物料为黄色物料直接导入四号料槽，料槽检测传感器检测到有工件经过，推料四气缸动作，将黄色物料推入料槽。

第三章 系统硬件设计
3.1 基本结构
硬件部分由传感器、可编程控制器、气缸、变频器、电机、气体空压机组成，他们之间的关系如图3.10所示。

图3.10 系统的硬件结构框图
3.2 主要组成部件
3.2.1 PLC的型号选择
根据输入输出点数合理选择PLC，由表5—1可知输入使用19点，输出使用9点，考虑到以后使用中的升级、添加功能的需要，点数应略多于现用的点数。对比表3.2可知，

表3-1 S7-200主要技术指标
特性
CPU221
CPU222
CPU224
CPU226
外形尺寸
90X80X62
90X80X62
120.5X80X62
190X80X62
本机I/O
数字量

6入/4出

8入/6出

14入/10出

24入/16出
扩展模块
0个模块
2个模块
7个模块
7个模块
I/O映象区
256（128入/128出）
西门子S7-200系列中CPU226 DC/DC/DC有24个输入点和16个输出点。 所以选择CPU226 DC/DC/DC 6ES7 216-2AD23-0XB8型号的PLC作为自动分拣装置所用器件。
3.2.2电动机及变频器的选取及工作原理
1.电动机的工作原理
电动机(Motors)是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈(也就是定子绕组)产生旋转磁场并作用于转子鼠笼式式闭合铝框形成磁电动力旋转扭矩。电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线(磁场方向)方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。
2.电动机的选择
电动机主要带动传送带，要想选择合适的电动机，必须考虑到传送带的工作压力和输送的速度。由于传送带上有四个传感器，所以传送带上最多同时有五个工件，假设都是铁，已知工件的底面直径为100mm，高20mm,密度7.9kg/m
由已知条件可以计算传送带上物料的重量
M=5xSxhxP=5x3.14X0.5 X0.02X7.9=0.62kg
估计输送带总长4000mm，总重量50kg，所以输送带的工作压力
F=（50+0.62）X10=506.2N
假设输送带的速度V=0.8m/s，卷筒的直径D=100mm，效率n=0.72。
①确定工作机需要的功率P和卷筒的转速n
P==0.56kw
n==152.8r/min
②初定电机类型和转速
初估系统的总效率为0.8-0.9,需要电动机功率为
P==0.7—0.62kw
根据P≥P，则可以选用的电机有Y2-801-2、Y2-802-4、Y2-90S-6三种。以这三种方案做一比较见表3-1，综合考虑到装置各方面的因素，拟选用电动机
的型号为Y-802-4，额定功率P =0.75kw,转速n =1390r/min.
表3-2 电机的型号与参数
方案
电动机型号
额定功率/kw
满载转速 r/min
电流
效率
1
Y2-801-2
0.75
2830
1.8
75
2
Y2-802-4
0.75
1390
2.0
73
3
Y2-90S-6
0.75
910
2.2
69
③电动机的主电路图
电机的主电路由刀开关QS1、热继电器QF1、交流接触器KM1、变频器组成，它的接线图如图3.11.

图3.11 电机主电路图接线图
3.变频器的选择
①变频器工作原理
变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。
②选择变频器的型号
考虑到变频器使用的功能以及各系列变频器的特点，最终决定使用西门子MICROMASTER 440系列的变频器。他有以下几点特点：
引导调试简单
模块化结构允许组态的最大灵活性
六个可编程的独立数字量输入
两个可量测的模拟量输入(0V到10V,0mA到20mA) 也可以被用作第7个/ 第8个数字量输入
一个可编程模拟量输出（0mA到20mA）
三个可编程继电器输出（30V DC/5A,阻性负载；250 V AC/2 A，感性负载）
因高脉冲频率而获得低噪音电机运转,可调节（如果必要，可降额运行）。
变频器主要是用来控制输送带的电动机，然而电动机的功率是0.75kw,西门子MICROMASTER 440系列的变频器工作的功率范围是0.1~15kw,足够安全，所以选用西门子MICROMASTER 440系列变频器。
③硬件连接
1） 三角形连接为：变频器U、V、W端分别接入电机的U1、V1、W1,电机端U1接W2,W1接V2,V1接U2

图3.12 变频器硬件端子图
2）变频器控制端口连接为：端口DIN1（5）为正转，端口DIN2（6）为反转，端子公共端接入端子9（OUTPUT），端子1（10V）和端子2（0V）给电位器供电，ANT1+(3)接电位计中间滑点，ANT1-（4）接电位计负极以及端子2（0V）。
3）变频器连接为：L1、L2、L3分别接入三相电源的L1、L2、L3
④参数设置
1）电动机的参数设置
表3-3 电动机参数设置
参数设置
出厂值
设置值
说明
P003
1
1
设用户访问级为标准级
P0010
0
1
快速调试
P0100
0
0
工作地区，功率KW表示，频率50HZ
P0304
230
380
电动机额定电压v
P0305
3.25
0.8
电动机额定电流A
P0307
0.75
0.2
电动机额定功率KV
P0308
0
0.8
电动机额定功率因素cos
P0310
50
50
电动机额定频率HZ
P0311
0
1400
电动机额定转速r/min
设置完成后，P0010设置为0，变频器处于准备状态，可正常运行。
2）模拟信号操作控制参数
表3-4 模拟信号操作控制参数
参数设置
出厂值
设置值
说明
P003
1
2
设用户访问级为标准级
P0700
2
2
命令源选择为端子排输入
P0701
1
1
ON接通正转，OFF停止
P0702
1
2
ON接通反转，OFF停止
P1000
2
2
频率设定值选择为模拟输入
P1080
0
0
电动机运行的最低频率
P1082
50
50
电动机运行的最高频率
电位器的选择
电位器的工作原理：首先在应该选用正比例变化线性的电位器，这种电位器的转动角度基本上跟电阻值的变化成正比例，这样根据电阻器的分压原理，就可以实现旋转角度大小转变成电压大小了。选择的型号是LA42DWQ-22 10K。
3.2.3气动元件的选取及工作原理
1.气动回路原理

图3.13 气动回路图
2.气源装置
由于气路图是并联连接，所以只要计算出最大压力就是气源需要的压力。气动系统装置中，经过分析，顶料气缸需要的压力最大，而且当顶铁物料时需要的压力最大。假设料筒可以装20个物料，已知工件的底面直径为100mm，高20mm，密度为7.9kg/m。
由已知条件可以计算出当顶铁物料时，料筒最底下的那块铁重量
M=20SHP=20x3.14x0.5x0.02x7.9=2.48kg
经查资料可知铁与塑料的摩擦因数为0.25，所以要想物料不落下，气缸所需要的顶力F，由力的平衡方程可得：
u F=㎎
F==9.92N
考虑到各种元器件之间的摩擦，最终选择需要的最大压力必须大于9.92N。
空压机的选用是以气压传动系统所需要的工作压力和流量两个参数为依据，根据计算，可选用额定排气压力为0.7~1MPa的低压空气压缩机。输出流量根据整个气动系统对压缩空气的需要，再加一定的备用余量，作为选择空气压缩机流量的依据。根据估算，选择小型（流量1~10m/min）的空气压缩机。
3.执行元件
执行元件主要是气缸，选择双作用气缸，亚德客品牌的普通型，型号为CDJ2B16-75-B。它的工作原理及特点是：压缩空气驱动活塞沿轴线双方向运动，活塞杆伸出和返回的伸出力和速度不相等，压缩空气消耗量也不相等。
气缸的负载是推动工件，考虑到气缸内部存在一定的摩擦，所以气缸理论输出力为10N（略大9.92N），经过查资料《启动传动与控制》，可以确定缸径D=8mm，压力P=0.2MPa

图3.14 双作用气缸
4.控制元件
主要的控制元件是二位五通单电控电磁阀，选择亚德客品牌，型号为4V110-06 DC24,它的气动符号图如图3.15工作原理：1是进气管，2、4两个是出气管，3、5两个是排气管。当线圈通电时，阀工作在右阀位，进气由1经过阀从2出去，管4的气经阀从5排出；当线圈掉电时，阀在弹簧的弹力作用下，阀工作在左阀位。

图3.15 二位五通单电控制阀
5.辅助元件
①气源调节装置
气源调节装置由过滤器、减压阀和油雾器三部分组成，简称为三联件，他连接图如图3.16。过滤器用于从压缩空气中进一步除去水分和固体杂质粒子等，减压阀用于将进气调节系统所需的压力；油雾器可以把油滴喷射到压缩空气中，以便对气动元件进行润滑。选择亚德客品牌，型号为AC2000

图3.16 气动三联件
②单向节流阀
单向阀作用是只允许气体沿一个方向流到，反之则被截止。它的图形符号如图3.17所示，节流阀利用阀芯与阀口之间的缝隙大小来控制流量，缝隙越小节流出过流面积越小，通过流量就越少；缝隙越大，通过的流量就越大。单向阀与节流阀就组成了单向节流阀，它只适用于负载和温度变化不大或速度稳定性要求不高的场合。选择品牌为SMC,型号是AS1201F-M5-04

图3.17 单向节流阀
6.检测元件的选取及工作原理
①磁性传感器(简称磁性开关)是一种非接触式位置检测开关，其图形符号如图3.18所示，它的工作原理：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

图3.18 磁性传感器
②光电传感器工作原理，在工作时，光发射始终发射检测光，若接近开关前方一定距离内没有物体，则没有光被发射到接收器，光电开关处于常态而不动作；
反之若接近开关的前方一定距离内出现物体，只要发射回来的光强度足够，则接收器接收到足够的漫射光就会使接近开关动作而改变输出的状态。其图形符号如图3.19所示。

图3.19 光电传感器
③电感传感器的工作原理，它是利用电涡流效应制成的有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理器组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生电涡流。这个电涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。其图形符号如图3.20所示。

图3.20 电感传感器
④电容传感器，电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容量变化的一种传感器。其图形符号如图3.21所示。

图3.21 电容传感器
⑤颜色传感器，将物体颜色同前面已经示教过的参考颜色进行比较来检测颜色的机器我们称之为颜色传感器 。颜色传感器是通过将物体颜色同前面已经示教过的参考颜色进行比较来检测颜色，当两个颜色在一定的误差范围内相吻合时，输出检测结果

第四章 系统软件设计
4.1 I/O分配表
表4-1 I/O分配表
序号
地址
注释
1
I0.0
启动按钮
2
I0.1
急停按钮
3
I0.2
停止按钮
4
I0.3
顶料气缸伸出到位
5
I0.4
顶料气缸缩回到位
6
I0.5
挡料气缸伸出到位
7
I0.6
档料气缸缩回到位
8
I0.7
气缸一伸出到位
9
I1.0
气缸一缩回到位
10
I1.1
气缸二伸出到位
11
I1.2
气缸二缩回到位
12
I1.3
气缸三伸出到位
13
I1.4
气缸三缩回到位
14
I1.5
气缸四伸出到位
15
I1.6
气缸四缩回到位
16
I1.7
缺料传感器
17
I2.0
下料传感器
续表
18
I2.1
电感传感器
19
I2.2
电容传感器
20
I2.3
颜色传感器
21
I2.4
备用传感器
22
Q0.0
启动指示灯
23
Q0.1
停止指示灯
24
Q0.2
缺料指示灯
25
Q0.3
(YA1)顶料气缸
26
Q0.4
(YA2)挡料气缸
27
Q0.5
(YA3)铁物料）
28
Q0.6
(YA4)铝物料
29
Q0.7
(YA5)黄色物料
30
Q1.0
(YA6)蓝色物料
31
Q1.1
(KM1)变频器上电
4.2 接线图

图4.1 PLC硬件接线图
4.3 软件控制流程图

图4.2 软件控制流程图

4.4 顺序控制功能图

图4.3 顺序控制功能图

4.5 PLC控制程序

第五章 系统总成本估算
5.1 系统使用的零部件
表5-1 零件名单表
序号
名称
牌子
型号
数量
单价/元
总价/元
1
光电传感器
SICK 
CDD-11N NPN
3个
40
120
2
磁性传感器
OMDHON
GHG12-10A
12
12
144
3
电感传感器
OMDHON
PR18-8DN
1个
11
11
4
电容传感器
QW前卫
CM18-3008NA
1个
83
83
5
颜色传感器

1个
50
50
6
三相异步电动机
上海贤特
Y-802-4
1台
360
360
7
变频器
西门子
MICROMASTER 440
1台
1730
1730
8
刀开关
上海德力西
HD11F-100/38
1个
30
30
9
热继电器
正泰
JRS1-09~25/Z 5.5-8A
1个
16
16
10
接触器
正泰
CJX2-1801 110/220
1个
41
41
11
可编程序控制器
西门子
6ES7 216-2AD23-0XB8
1台
1780
1780
12
双作用气缸
SMC
CDJ2B16-75-B
6个
30
180
13
警示灯

LTA-205
1个
63
63

续表
14
二位五通电磁阀
亚德客
4V110-06 DC24
6个
30
180
15
单向节流阀
SMC
AS1201F-M5-04
6个
17
102
16
气动三联件
亚德客
AC2000
1个
26
26
17
电位器
上海天逸
LA42DWQ-22 10K
1个
32
32

5.2 系统总开支
根据上面的表5-1可以计算出系统的总开支为4948元。

第六章 毕业设计总结
随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过几周的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值!有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。
在此要感谢我的指导老师陆老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。

参考文献
1.吕景泉.自动化生产线安装与调试。北京：中国铁道出版社，2009
2.王兆义等.变频器应用——专业技能入门与精通。北京：机械工业出版社， 2010
3.孙承志等.西门子S7-200/300/400PLC基础与应用技术。北京：机械工业出版社，2009
4.孙承志等.西门子PLC与变频器、触摸屏综合应用教程。北京：中国电力出版社，2009
5. 王守城等。液压元件及选用。北京：化学工业出版社，2007