自动化生产线中分拣单元的设计毕业论文.docx

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自动化生产线中分拣单元的设计毕业论文

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1.绪论

分拣是把很多货物按品种从不同的地点和单位分配到所设置的场地的作业。

按分拣的手段不同，可分为人工分拣、机械分拣和自动分拣。

目前自动分拣已逐渐成为主流，因为自动分拣是从货物进入分拣系统送到指定的分配位置为止，都是按照人们的指令靠自动分拣装置来完成的。

这种装置是由接受分拣指示情报的控制装置、计算机网络，把到达分拣位置的货物送到别处的搬送装置。

由于全部采用机械自动作业，因此，分拣处理能力较大，分拣分类数量也较多。

随着社会的不断发展，市场的竞争也越来越激烈，因此各个生产企业都迫切地需要改进生产技术，提高生产效率，尤其在需要进行物料分拣的企业，以往一直采用人工分拣的方法，致使生产效率低，生产成本高，企业的竞争能力差，物料的自动分拣已成为企业的唯一选择。

针对上述问题，利用PLC技术设计了一种成本低，效率高的物料自动分拣装置，在物料分拣过程中取得了较好的控制效果。

物料分拣采用可编程控制器PLC进行控制，能连续、大批量地分拣货物，分拣误差率低且劳动强度大大降低，可显著提高劳动生产率。

而且，分拣系统能灵活地与其他物流分拣单元无缝连接，实现对物料实物流、物料信息流的分配和管理。

其设计采用标准化、模块化的组装，具有系统布局灵活，维护、检修方便等特点，受场地原因影响不大。

PLC控制分拣装置涵盖了PLC技术、气动技术、传感器技术、位置控制技术等内容，是实际工业现场生产分拣单元的微缩模型。

应用PLC技术结合气动、传感器和位置控制等技术，设计不同类型物料的自动分拣控制系统。

该系统的灵活性较强，程序开发简单，可适应进行物料分拣的弹性生产线的需求。

本文主要介绍了PLC控制系统的硬件和软件设计，以及一些调试方法。

2.分拣单元的结构和工作过程

分拣单元是自动化生产线中的最末单元，完成对上一单元送来的已加工、装配的工件进行分拣。

使不同颜色的工件从不同的料槽分流的功能。

当输送站送来工件放到传送带上并被入料口光电传感器检测到时，即启动变频器，工件开始送入分拣区进行分拣。

分拣单元主要结构组成为：

传送和分拣机构，传动带驱动机构，变频器模块，电磁阀组，接线端口，PLC模块，按钮/指示灯模块及底板等。

其中，机械部分的装配总成如图2-1所示。

图2-1分拣单元外型图

2.1传送和分拣机构

传送和分拣机构主要由传送带、出料滑槽、推料（分拣）气缸、漫射式光电传感器、光纤传感器、磁感应接近式传感器组成。

传送已经加工、装配好的工件，在被光纤传感器检测到并进行分拣。

传送带是把机械手输送过来加工好的工件进行传输，输送至分拣区。

导向器是用纠偏机械手输送过来的工件。

两条物料槽分别用于存放加工好的黑色、白色工件或金属工件。

传送和分拣的工作原理：

当输送站送来工件放到传送带上并被入料口漫射式光电传感器检测到时，将信号传输给PLC，通过PLC的程序启动变频器，电机运转驱动传送带工作，把工件带进分拣区，如果进入分拣区工件为白色，则检测白色物料的光纤传感器动作，作为1号槽推料气缸启动信号，将白色料推到1号槽里；如果进入分拣区工件为黑色，检测黑色的光纤传感器作为2号槽推料气缸启动信号，将黑色料推到2号槽里，如果是金属工件被金属传感器检测到将其推到3号槽里。

自动生产线的加工结束

2.2电磁阀组和气动控制回路

分拣单元的电磁阀组使用了三个由二位五通的带手控开关的单电控电磁阀，它们安装在汇流板上。

这三个阀分别对金属、白料和黑料推动气缸的气路进行控制，以改变各自的动作状态。

本单元气动控制回路的工作原理如图5-3所示。

图中1A、2A和3A分别为分拣1#气缸、分拣2#气缸和分拣3#气缸。

1B1、2B1和3B1分别为安装在各分拣气缸的前极限工作位置的磁感应接近开关。

1Y1、2Y1和3Y1分别为控制3个分拣气缸电磁阀的电磁控制端。

图2-2分拣单元气动控制回路工作原理图

2．3传动带驱动机构

传动带驱动机构机构如图5-2所示。

采用的三相减速电机，用于拖动传送带从而输送物料。

它主要由电机支架、电动机、联轴器等组成

三相异步电动机是传动机构的主要部分，电动机转速的快慢由变频器来控制，其作用是带传送带从而输送物料。

电机支架用于固定电动机。

联轴器由于把电动机的轴和输送带主动轮的轴联接起来，从而组成一个传动机构。

3.分拣单元的结构组成设计

3.1传感器

在自动化生产线上各工作单元所使用的传感器都是接近传感器，它利用传感器对所接近的物体具有的敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号，因此，接近传感器通常也称为接近开关。

接近传感器有多种检测方式，包括利用电磁感应引起的检测对象的金属体中产生的涡电流的方式、捕捉检测体的接近引起的电气信号的容量变化的方式、利用磁石和引导开关的方式、利用光电效应和光电转换器件作为检测元件等等。

YL-335B所使用的是磁感应式接近开关（或称磁性开关）、电感式接近开关、漫反射光电开关和光纤型光电传感器等。

3.1.1磁性开关

YL-335B所使用的气缸都是带磁性开关的气缸。

这些气缸的缸筒采用导磁性弱、隔磁性强的材料，如硬铝、不锈钢等。

在非磁性体的活塞上安装一个永久磁铁的磁环，这样就提供了一个反映气缸活塞位置的磁场。

而安装在气缸外侧的磁性开关则是用来检测气缸活塞位置，即检测活塞的运动行程的。

有触点式的磁性开关用舌簧开关作磁场检测元件。

舌簧开关成型于合成树脂块内，并且一般还有动作指示灯、过电压保护电路也塑封在内。

图2-10所示是带磁性开关气缸的工作原理图。

当气缸中随活塞移动的磁环靠近开关时，舌簧开关的两根簧片被磁化而相互吸引，触点闭合；当磁环移开开关后，簧片失磁，触点断开。

当触点闭合或断开时发出电控信号，在PLC的自动控制中，可以利用该信号判断推料及顶料缸的运动状态或所处的位置，以确定工件是否被推出或气缸是否返回。

图3-1带磁性开关气缸的工作原理图

在磁性开关上设置的LED显示用于显示其信号状态，供调试时使用。

磁性开关动作时，输出信号“1”，LED亮；磁性开关不动作时，输出信号“0”，LED不亮。

磁性开关的安装位置可以调整，调整方法是松开它的紧固定位螺栓，让磁性开关顺着气缸滑动，到达指定位置后，再旋紧固定螺栓。

磁性开关有蓝色和棕色2根引出线，使用时蓝色引出线应连接到PLC输入公共端，棕色引出线应连接到PLC输入端。

磁性开关的内部电路如图3-2中虚线框内所示。

图3-2磁性开关内部电路

3.1.2光电式接近开关

“光电传感器”是利用光的各种性质，检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器。

其中输出形式为开关量的传感器为光电式接近开关。

光电式接近开关主要由光发射器和光接收器构成。

如果光发射器发射的光线因检测物体不同而被遮掩或反射，到达光接收器的量将会发生变化。

光接收器的敏感元件将检测出这种变化，并转换为电气信号，输出电信号传送到PLC中。

大多接近开关使用可视光（主要为红色，也用绿色、蓝色来判断颜色）和红外光。

按照接收器接收光的方式的不同，光电式接近开关可分为对射式、反射式和漫射式3种.

3.1.3电感式接近开关

电感式接近开关是利用电涡流效应制造的传感器。

电涡流效应是指，当金属物体处于一个交变的磁场中，在金属内部会产生交变的电涡流，该涡流又会反作用于产生它的磁场这样一种物理效应。

如果这个交变的磁场是由一个电感线圈产生的，则这个电感线圈中的电流就会发生变化，用于平衡涡流产生的磁场。

利用这一原理，以高频振荡器（LC振荡器）中的电感线圈作为检测元件，当被测金

属物体接近电感线圈时产生了涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路（包括检波、放大、整形、输出等电路）将该变化转换成开关量输出，从而达到检测目的。

电感式接近传感器工作原理框图如图3－3所示。

图３－3电感式传感器原理框图

接近开关的选用和安装中，必须认真考虑检测距离、设定距离.

3.1.4旋转编码器

旋转编码器是通过光电转换，将输出把轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字信号的传感器，主要用于速度或位置（角度）的检测。

典型的旋转编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。

光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形狭缝。

由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图3-4所示；通过计算每秒旋转编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

图3-4旋转编码器原理示意图

一般来说，根据旋转编码器产生脉冲的方式的不同，可以分为增量式、绝对式以及复合式三大类。

自动线上常采用的是增量式旋转编码器。

增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90，用于辩向：

当A相脉冲超前B相时为正转方向，而当B相脉冲超前A相时则为反转方向。

Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。

如图3-5所示。

YL-335B分拣单元使用了这种具有A、B两相90º相位差的通用型旋转编码器，用于计算工件在传送带上的位置。

编码器直接连接到传送带主动轴上。

该旋转编码器的三相脉冲采用NPN型集电极开路输出，分辨率500线，工作电源DC12～24V。

本工作单元没有使用Z相脉冲，A、B两相输出端直接连接到PLC（S7-224XPAC/DC/RLY主单元）的高速计数器输入端。

图３－5增量式编码器输出的三组方波脉冲

计算工件在传送带上的位置时，需确定每两个脉冲之间的距离即脉冲当量。

分拣单元主动轴的直径为d=43mm,则减速电机每旋转一周，皮带上工件移动距离L=π•d=3.14×43=136.35mm。

故脉冲当量μ为μ=L/500≈0.273mm。

按如图３－6所示的安装尺寸，当工件从下料口中心线移至传感器中心时，旋转编码器约发出430个脉冲；移至第一个推杆中心点时，约发出614个脉冲；移至第二个推杆中心点时，约发出963个脉冲；移至第二个推杆中心点时，约发出1284个脉冲。

图３－6传送带位置计算用图

应该指出的是，上述脉冲当量的计算只是理论上的推算。

实际上各种误差因素不可避免，例如传送带主动轴直径（包括皮带厚度）的测量误差，传送带的安装偏差、张紧度，分拣单元整体在工作台面上定位偏差等等，都将影响理论计算值。

因此理论计算值只能作为估算值。

脉冲当量的误差所引起的累积误差会随着工件在传送带上运动距离的增大而迅速增加，甚至达到不可容忍的地步。

因而在分拣单元安装调试时，除了要仔细调整尽量减少安装偏差外，尚须现场测试脉冲当量值。

现场测试脉冲当量的方法，如何对输入到PLC的脉冲进行高速计数，以计算工件在传送带上的位置，将结合本项目的工作任务，在PLC编程思路中作介绍。

3.2西门子MM420变频器简介

３.2.１MM420变频器的安装和接线

西门子MM420（MICROMASTER420）是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。

该系列有多种型号。

YL-335B选用的MM420订货号为6SE6420-2UD17-5AA1，外形如图３－１０所示。

该变频器额定参数为：

•电源电压：

380V～480V，三相交流

•额定输出功率：

0.75KW

•额定输入电流：

2.4A

•额定输出电流：

2.1A

•外形尺寸：

A型

•操作面板：

基本操作板（BOP）

1.MM420变频器的安装和拆卸

在使用中，MM420变频器通常安装在配电箱内的DIN导轨上。

•安装的步骤：

①用导轨的上闩销把变频器固定到导轨的安装位置上。

②向导轨上按压变频器，直到导轨的下闩销嵌入到位。

•从导轨上拆卸变频器的步骤：

取下。

为了松开变频器的释放机构，将螺丝刀插入释放机构中。

向下施加压力，导轨的下闩销就会松开。

将变频器从导轨上

2.MM420变频器的接线

打开变频器的盖子后，接线端子在变频器机壳下盖板内，就可以连接电源和电动机的接线端子。

（１）频器主电路的接线

YL-335B分拣单元变频器主电路电源由配电箱通过自动开关（断路器）QF单独提供一路三相电源，连接到图5-13的电源接线端子，电动机接线端子引出线则连接到电动机。

注意接地线PE必须连接到变频器接地端子，并连接到交流电动机的外壳。

（２）频器控制电路的接线见图3－7

图３-7MM420变频器方框图

３.2.２MM420变频器的BOP操作面板

图３-15所示是基本操作面板（BOP）的外形。

利用BOP可以改变变频器的各个参数。

BOP具有7段显示的五位数字，可以显示参数的序号和数值，报警和故障信息，以及设定值和实际值。

参数的信息不能用BOP存储。

参数如图3-1

基本操作面板（BOP）备有8个按钮，表3-8列出了这些按钮的功能。

表３－8ＢＯＰ按钮功能

３.2.３MM420变频器的参数

1、参数号和参数名称

参数号是指该参数的编号。

参数号用0000到9999的4位数字表示。

在参数号的前面冠以一个小写字母“r”时，表示该参数是“只读”的参数。

其它所有参数号的前面都冠以一个大写字母“P”。

这些参数的设定值可以直接在标题栏的“最小值”和“最大值”范围内进行修改。

[下标]表示该参数是一个带下标的参数，并且指定了下标的有效序号。

通过下标，可以对同一参数的用途进行扩展，或对不同的控制对象，自动改变所显示的或所设定的参数。

2、参数设置方法

用BOP可以修改和设定系统参数，使变频器具有期望的特性，例如，斜坡时间，最小和最大频率等。

选择的参数号和设定的参数值在五位数字的LCD上显示。

更改参数的数值的步骤可大致归纳为：

①查找所选定的参数号；②进入参数值访问级，修改参数值；③确认并存储修改好的参数值。

图5-14说明如何改变参数P0004的数值。

按照图中说明的类似方法，可以用‘BOP’设定常用的参数。

参数P0004（参数过滤器）的作用是根据所选定的一组功能，对参数进行过滤（或筛选），并集中对过滤出的一组参数进行访问，从而可以更方便地进行调试。

P0004可能的设定值如表３－9所示，缺省的设定值=0。

表３-9参数P0004的设定值

假设参数P0004设定值=0，需要把设定值改为3。

３.2.４MM420变频器的参数访问

MM420变频器有数千个参数，为了能快速访问指定的参数，MM420采用把参数分类，屏蔽（过滤）不需要访问的类别的方法实现。

实现这种过滤功能的有如下几个参数：

（1）上面所述的参数P0004就是实现这种参数过滤功能的重要参数。

当完成了P0004的设定以后再进行参数查找时，在LCD上只能看到P0004设定值所指定类别的参数。

（2）参数P0010是调试参数过滤器，对与调试相关的参数进行过滤，只筛选出那些与特定功能组有关的参数。

P0010的可能设定值为：

0（准备），1（快速调试），2（变频器），29（下载），30（工厂的缺省设定值）；缺省设定值为0。

（3）参数P0003用于定义用户访问参数组的等级，设置范围为1～4，其中：

“1”标准级：

可以访问最经常使用的参数。

“2”扩展级：

允许扩展访问参数的范围，例如变频器的I/O功能。

“3”专家级：

只供专家使用。

“4”维修级：

只供授权的维修人员使用—具有密码保护。

该参数缺省设置为等级1（标准级），对于大多数简单的应用对象，采用标准级就可以满足要求了。

用户可以修改设置值，但建议不要设置为等级4（维修级），用BOP或AOP操作板看不到第4访问级的参数。

3.3西门子S7-200型PLC介绍

可编程控制器（ProgrammableController），简称PLC。

PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。

可编程控制器具有能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单等优点，是当代工业生产自动化的主要手段和重要的自动化控制分拣单元。

由于PLC在不断发展，因此，对它进行确切的定义是比较困难的。

美国电气制造商协会（NEMA）经过四年的调查工作，于1980年正式将可编程序控制器命名为PC（ProgrammableController），但为了与个人计算机PC（PersonalComputer）相区别，常将可编程序控制器简称为PLC，并给PLC作了定义：

可编程序控制器是一种带有指令存储器、数字的或模拟的输入/输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和运算等功能，用于控制机器或生产过程的自动化控制装置。

1982年，国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee，IEC）颁布了PLC标准草案第一稿，1985年提交了第2稿，并在1987年的第3稿中对PLC作了如下的定义：

“PLC是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。

它采用可编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或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围分拣单元，都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。

”

上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程的一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。

3.3.1S7-200系列可编程控制器

德国的西门子（SIEMENS）公司是欧洲最大的电子和电气分拣单元制造商，生产的SIMATIC可编程序控制器在欧洲处于领先地位。

其第一代可编程序控制器是于1975年投放市场的SIMATICS3系列控制系统。

1979年微处理器技术被应用到可编程序控制器中后，产生了SIMATICS5系列，随后在20世纪末又推出了S7系列产品。

在2000年以前，西门子在中国市场的PLC产品主要是大中型PLC，日本的小型PLC占据了中国的大部分市场份额。

最近几年来的小型PLC市场上S7-200PLC成了主流产品。

1.CPU模块

从CPU模块的功能来看，SIMATICS7-200系列小型可编程序控制器的发展，大致经历了两代：

第一代产品其CPU模块为CPU21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU站：

CPU212，CPU214，CPU215和CPU216，对第一代PLC产品不再作具体介绍。

第二代产品其CPU模块为CPU22X，是在21世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通信能力。

它具有四种不同结构配置的CPU站：

CPU221，CPU222、CPU224和CPU226，除CPU221之外，其他都可加扩展模块。

3.3.2　PLC选型

PLC的选择包括机型的选择、CPU的选择、1/0模块的选择、通讯模块选择等。

柔性制造生产线实现教学平台主要选用西门子PLCS7-200系列。

主要根据如下:

（l）西门子PLC目前应用比较成熟，技术上有保证，且有丰富的成功经验可以鉴戒，利于缩短系统开发的周期，降低成本。

（2）选用该机型可以满足柔性自动化生产线工艺控制要求。

（3）易于联网通信，配合上位计算机后容易形成一个多级的分布式控制系统，扩展比较容易。

（4）两路高速脉冲输出能够满足加工工作站的步进电机控制。

分拣单元PLC选用S7-224XPAC/DC/RLY主单元，共14点输入和10点继电器输出。

选用S7-224XP主单元的原因是，当变频器的频率设定值由HMI指定时，该频率设定值是一个随机数，需要由PLC通过D/A变换方式向变频器输入模拟量的频率指令，以实现电机速度连续调整。

S7-224XP主单元集成有2路模拟量输入，1路模拟量输出，有两个RS-485通信口。

4分拣单元的PLC控制及编程

4.1工作任务

１.分拣单元的工作目标是完成对白色芯金属工件、白色芯塑料工件和黑色芯的金属或塑料工件进行分拣。

为了在分拣时准确推出工件，要求使用旋转编码器作定位检测。

并且工件材料和芯体颜色属性应在推料气缸前的适应位置被检测出来。

２.分拣单元上电和气源接通后，若工作单元的三个气缸均处于缩回位置，则“正常工作”指示灯HL1常亮，表示分拣单元已准备好。

否则，该指示灯以1Hz频率闪烁。

３.若分拣单元已准备好，按下启动按钮，系统启动，“分拣单元运行”指示灯HL2常亮。

当传送带入料口人工放下已装配的工件时，变频器立即启动，驱动传动电动机以频率固定为30Hz的速度，把工件带往分拣区。

如果工件为白色芯金属件，则该工件对到达1号滑槽中间，传送带停止，工件对被推到1号槽中；如果工件为白色芯塑料，则该工件对到达2号滑槽中间，传送带停止，工件对被推到2号槽中；如果工件为黑色芯，则该工件对到达3号滑槽中间，传送带停止，工件对被推到3号槽中。

工件被推出滑槽后，该工作单元的一个工作周期结束。

仅当工件被推出滑槽后，才能再次向传送带下料。

如果在运行期间按下停止按钮，该工作单元在本工作周期结束后停止运行。

4.2PLC的I/O接线

根据工作任务要求，分拣单元机械装配和传感器安装如图４－１所示。

图４－１分拣单元机械安装效果图

分拣单元装置侧的接线端口信号端子的分配如表４－１所示。

由于用于判别工件材料和芯体颜色属性的传感器只须安装在传感器支架上的电感式传感器和一个光纤传感器，故光纤传感器2可不使用。

表４－１分拣单元装置侧的接线端口信号端子的分配

分拣单元PLC选用S7-224XPAC/DC/RLY主单元，共14点输入和10点继电器输出。

选用S7-224XP主单元的原因是，当变频器的频率设定值由HMI指定时，该频率设定值是一个随机数，需要由PLC通过D/A变换方式向变频器输入模拟量的频率指令，以实现电机速度连续调整。

S7-224XP主单元集成有2路模拟量输入，1路模拟量输出，有两个RS-485通信口。

可满足D/A变换的编程要求（见项目六）。

本项目工作任务仅要求以30Hz的固定频率驱动电动机运转，只须用固定频率方式控制变频器即可。

本例中，选用MM420的端子“5”（DIN1）作电机启动和频率控制，PLC的信号表见表４－3，I/O接线原理图如图４－3所示。

表４－２分拣单元PLC的I/O信号表

为了实现固定频率输出，变频器的参数应如下设置：

●命令源P0700=2（外部I/O），选择频率设定的信号源参数P1000=3（固定频率）；

●DIN1功能参数P0701=16（直接选择+ON命令），P1001=30Hz；

●斜坡上升时间参数P1120设定为1秒，斜坡下降时间参数P1121设定为0.2秒。

（注：

由于驱动电动机功率很小，此参数设定不会引起变频器过电压跳闸）

图４－3分拣单元PLC的I/O接线原理图

４.３分拣单元的编程要点

４.３.１高速计数器的编程

高速计数器的编程方法有两种，一是采用梯形图或语句表进行正常编程，二是通过STEP7-Micro/WIN编程软件进行引导式编程。

不论那一种方法，都先要根据计数输入信号的形式与要求确定计数模式；然后选择计数器编号，确定输入地址。

分拣单元所配置的PLC是S7-224XPAC/DC/RLY主单元，集成有6点的高速计数器，编号为HSC0～HSC5，每一编号的计数器均分配有固定地址的输入端。

同时，高速计数器可以被配置为12种模式中的任意一种。

如表４－4所示。

表４－4S7-200PLC的HSC0～HSC5