自动分拣PLC.docx
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自动分拣PLC.docx
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自动分拣PLC
毕业设计论文
题目
基于PLC分拣站控制系统设计论文
专业名称
机电一体化
学生姓名
张亚平
指导教师
周伟
毕业时间
2013年6月
毕业任务书
一、题目
自动分拣站(PLC+交流电机+气动元件)控制系统设计。
二、指导思想和目的要求
以PLC为核心,为产品分拣自动生产线设计一个电气控制系统。
三、主要技术指标
(1)正确选择PLC和交流电机。
(2)掌握电气控制元件的选择。
(3)掌握气动元件选择与运用。
(4)正确使用传感器、变频器。
(5)掌握变频器的选择方法。
四、设计要求
实现对不同材质、不同颜色货物的自动输送、分拣。
五、主要参考书及参考资料
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北京:
机械工业出版社,1998,24-241
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学生张亚平指导教师___周伟___
摘要
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。
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。
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。
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。
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。
关键词:
PLC传感器气动控制
Abstract
Inthispaperwediscussthematerialsortingcontrolsystem,completedthematerialtobeautomaticsortingsystemallbasicwork.ItUSESthePLC,sensors,positioncontrol,electrictransmissionandpneumatictechnology,differentmaterialscanberealizedtheautomaticsortingandclassifiedfunction,andcanbeconfigurationmonitoringsoftwarebythePCmonitoring.Materialstobeautomaticsortingsystemcancontinuous,enmassesortinggoods,notaffectedbyclimate,time,theperson'sphysicalstrengthoflimitation,cancontinuousoperation,atthesametimeasautomaticsortingsystemunittimesortingnumber,soautomaticsortingsystemcanmakeupforhumansortinginrepeatsortingaspectsofthelowefficiencywork,andsortingerrorrateisextremelylow,automaticsortingsystemsortingerrorratesizemaindependsontheaccuracyoftheinformationinputsortingsize,itdependsonthesortinginformationinputmechanism,ifuseartificialkeyboardorspeechrecognitionmodeinput,theerrorrateinmorethan3%,ifusesensorinformationinput,unlessthecharacteristicsofmaterialitselfisamistake,otherwisewillnotgowrong.Therefore,thisdesignUSESsensorscreeningmaterialexternalcharacteristicsasinformationinputmechanism,inordertomaximizereducesortingerror.Theuseofpersonnelisonlylimitedtothesuperiortothewholecontrolsystemonmonitoringanddifferentproductionrequirementsmodifysystemcontrolprocess,thebasicdounmannedproduction.Thissystemgeneralityisextremelystrong,goodreliability,programdevelopmentissimple,canadapttothedemandofproductionlineformaterialsorting.
Keyword:
PLCsensorspositioncontrol
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1分拣系统基本介绍1
1.2分拣系统的意义2
1.3主要内容3
第2章分拣机构的分析4
2.1分拣单元的结构组成4
2.2分拣单元的工作原理4
第3章气压驱动系统的分析与选择6
3.1气动元件选取及工作原理6
3.1.1气源装置6
3.1.2执行元件6
3.1.3控制元件7
3.2电磁阀8
3.3气动回路的工作原理9
3.4变频器的选择及工作原理10
3.4.1变频器的工作原理10
3.5交流电动机的选择及工作原理11
3.5.1三相异步电动机的工作原理11
3.6旋转编码器的概述12
第4章传感器的应用14
4.1传感器的选择14
4.1.1光电传感器14
4.1.2电感传感器15
4.1.3电容传感器15
4.1.4光纤传感器17
4.1.5磁感应接近开关传感器18
第5章控制系统PLC的选型及控制原理19
5.1设计系统的硬件结构框图19
5.2PLC控制系统设计的基本原则19
5.3PLC种类及型号选择20
5.3.1PLC的选型20
5.3.2PLC的选择21
5.4I/O点数分配21
5.5自动分拣装置输入、输出接线图22
5.6系统控制流程图24
5.7系统控制的梯形图24
总结28
参考文献29
致谢30
附录31
第1章绪论
1.1分拣系统基本介绍
自动分拣系统(Automaticsortingsystem)是先进配送中心所必需的设施条件之一。
它具有很高的分拣效率,通常每小时可分拣物料6000-12000箱,可以说,自动分拣机是提高物流配送效率的一项关键因素。
它是二次大战后在美国、日本的物流中心中广泛采用的一种自动分拣系统,该系统目前已经成为发达国家大中型物流中心不可缺少的一部分。
自动分拣机是自动分拣系统的一个主要设备。
它本身需要建设短则40-50米,长则150-200米的机械传输线,还有配套的机电一体化控制系统、计算机网络及通信系统等,这一系统不仅占地面积大(动辄20000平方米以上),而且还要建3-4层楼高的立体仓库和各种自动化的搬运设施(如叉车)与之相匹配,这项巨额的先期投入通常需要花10-20年才能收回。
该系统的作业过程可以简单描述如下:
物流中心每天接收成百上千家供应商或货主通过各种运输工具送来的成千上万种物料,在最短的时间内将这些物料卸下并按物料品种、货主、储位或发送地点进行快速准确的分类,将这些物料运送到指定地点(如指定的货架、加工区域、出货站台等),同时,当供应商或货主通知物流中心按配送指示发货时,自动分拣系统在最短的时间内从庞大的高层货存架存储系统中准确找到要出库的物料所在位置,并按所需数量出库,将从不同储位上取出的不同数量的物料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。
自动分拣系统一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口组成。
控制装置的作用是识别、接收和处理分拣信号,根据分拣信号的要求指示分类装置、按物料品种、按物料送达地点或按货主的类别对物料进行自动分类。
这些分拣需求可以通过不同方式,如可通过条形码扫描、色码扫描、键盘输入、重量检测、语音识别、高度检测及形状识别等方式,输入到分拣控制系统中去根据对这些分拣信号判断,来决定某一种物料该进入哪一个分拣道口。
分类装置的作用是根据控制装置发出的分拣指示,当具有相同分拣信号的物料经过该装置时,该装置动作,使改变在输送装置上的运行方向进入其它输送机或进入分拣道口。
分类装置的种类很多,一般有推出式、浮出式、倾斜式和分支式几种,不同的装置对分拣货物的包装材料、包装重量、包装物底面的平滑程度等有不完全相同的要求。
输送装置的主要组成部分是传送带或输送机,其主要作用是使待分拣物料贯通过控制装置、分类装置,并输送装置的两侧,一般要连接若干分拣道口,使分好类的物料滑下主输送机(或主传送带)以便进行后续作业。
分拣道口是已分拣物料脱离主输送机(或主传送带)进入集货区域的通道,一般由钢带、皮带、滚筒等组成滑道,使物料从主输送装置滑向集货站台,在那里由工作人员将该道口的所有物料集中后或是入库储存,或是组配装车并进行配送作业。
以上四部分装置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自动分拣系统。
1.2分拣系统的意义
二次大战以后,自动分拣系统逐渐开始在西方发达国家投入使用,成为发达国家先进和物流中心,配送中心或流通中心所必需的设施条件之一。
(1)能连续、大批量地分拣货物
由于采用大生产中使用的流水线自动作业方式,自动分拣系统不受气候、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,它可以连续运行100个小时以上,每小时可分拣7000件包装物料,如用人工分拣则每小时只能分拣150件左右,同时分拣人员也不能在这种劳动强度下连续工作8小时。
(2)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,如采用条形码扫描输入,除非条形码的印刷本身有差错,否则不会出错。
因此,目前自动分拣系统主要采用条形码技术来识别货物。
(3)分拣作业基本实无人化
国外建立自动分拣系统的目的之一就是为了减少人员的使用,减轻员工的劳动强度,提高人员的使用效率,因此自动分拣系统能最大限度地减少人员的使用,基本做到无人化。
分拣作业本身并不需要使用人员,人员的使用仅局限于送货车辆抵达自动分拣线的进货端时,由人工接货,由人工控制分拣系统的运行,分拣线末端由人工将分拣出来的货物进行集载、装车,自动分拣系统的经营、管理与维护。
对于分拣系统的应用前景,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。
但因分拣系统其要求使用者必须具备一定的技术经济条件,因此,在发达国家,物流中心、配送中心或流通中心不用自动分拣系统的情况也很普遍。
对于自动分拣系统因其自身存在的一些问题,在一定程度上限制了其应用的领域及其范围。
在引进和建设自动分拣系统时一定要考虑以下条件:
自动分拣系统的一次性投资巨大,其本身需要建设短则40~50米,长则150~200米的机械传输线,还有配套的机电一体化控制系统、计算机网络及通信系统等,这一系统不仅占地面积大,动辄2万平方米以上,而且一般自动分拣系统都建在自动主体仓库中,这样就要建3~4层楼高的立体仓库,库内需要配备各种自动化的搬运设施,这丝毫不亚于建立一个现代化工厂所需要的硬件投资。
这种巨额的先期投入要花10~20年才能收回,如果没有可靠的货源作保证,则有可能系统大都由大型生产企业或大型专业物流公司投资,小企业无力进行此项投资。
它对物料外包装要求也很高,自动分拣机只适于分拣底部平坦且具有刚性的包装规则的物料。
袋装物料、包装底部柔软且凹凸不平、包装容易变形、易破损、超长、超薄、超重、超高、不能倾覆的物料不能使用普通的自动分拣机进行分拣,因此为了使大部分物料都能用机械进行自动分拣,可以采取二条措施:
一是推行标准化包装,使大部分物料的包装符合国家标准;二是根据所分拣的大部分物料的统一的包装特性定制特定的分拣机。
但要让所有物料的供应商都执行国家的包装标准是很困难的,定制特写的分拣机又会使硬件成本上升,并且越是特别的其通用性就越差。
因此公司要根据经营物料的包装情况来确定是否建或建什么样的自动分拣系统。
1.3本系统设计内容
在本文中,以货物材料的分拣系统为例,详细的分析了在基于PLC控制的自动分拣系统的设计,文中介绍了分拣系统中信号的采集分析中传感器的一些基本知识,并通过要求与比较,确定了硬件系统中的一些元器件的选择与确定了PLC的选型。
在介绍了一些PLC与气动元件的基本知识后,对本课题进行硬件与软件设计,设计出主电路与控制回路,并建立了实际的模型,在软件设计中,确定了I/O分配,并按照控制要求设计出了PLC梯形图。
在本系统完成其设计之后,对其进行整体调试。
在硬件部分,调试其各部分安装的位置及角度,使其材料物块的运行与传感器安装的角度适合。
将硬件各部分的动作幅度进行调试之后,进行了软硬件综合调试,实现材料分拣系统中上料、传送与分拣的全过程。
第2章自动分拣组成机构的分析
2.1自动分拣的结构
图2-1分拣单元实物的全貌
自动分拣的结构组成为:
传送和分拣机构、传动机构、变频器模块、电磁阀组、接线端口、PLC模块、底板等。
2.2自动分拣的工作过程
自动分拣是对需要分拣的物料进行分拣,使不同颜色、不同材质的工件从不同的料槽分流的功能。
当送来工件放到传送带上并为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。
自动分拣控制系统组成主要有传感器、断电延时器、进料槽、传送带、分拣推手等组成。
当第一个光电传感器检测到进料槽有物体时,上料传感器输出信号给PLC,PLC控制输送带继续运转,同时控制上料气动阀进行上料,每次上料时间间隔可以根据实际情况进行调整。
第一个物料传感器为电感传感器,当检测出物料为铁质物料时,反馈信号送PLC,由PLC控制气动阀动作选出该物料;第二个物料传感器为电容传感器,当检测出物料为铝质物料时,反馈信号送PLC,PLC控制气动阀动作选出该物料;第三、四个物料传感器为两个光纤传感器,当检测出物料的颜色为待检测颜色时,PLC控制气动阀动作选出该物料。
分拣系统能灵活地与其他物流设备无缝连接,实现对物料信息流的分配和管理。
第3章气压驱动的分析与选择
3.1气动元件选取及工作原理
气压驱动是利用压缩气体的压力能来实现能量传递的一种方式,其介质主要是空气,也包括燃气和蒸汽。
本系统采用气压传动系统由以下三部分组成:
气源装置、执行元件、控制元件。
3.1.1气源装置
气源装置是获得具有一定能量的压缩空气的装置,其主体部分是空气压缩机,有的还配有气源净化处理装置、气罐等附属设备。
它将原动机提供的机械能转变为气体的压力能。
本系统气压传动对气源的要求:
(1)要求压缩空气具有一定的压力和足够的流量。
(2)要求压缩空气有一定的清洁度和干燥度。
本系统采用的气源装置元件如下:
1、空气压缩机
空气压缩机是产生压缩空气的气压发生装置,是气源主要的设备。
按结构和工作原理可分为速度型和容积型两大类。
本设计选用容积型压缩机是利用特殊形状的转子或活塞压缩吸入封闭容积室空气的体积来增加空气的压力。
容积型结构简单、使用方便。
2、储气罐
本设计选用储气罐是用来调节气流,减少输出气流的脉动,使输出气流连续和气压稳定,也作为应急气源使用,还可以进一步分离油水杂质。
储气罐上装有安全阀,使其极限压力比正常工作压力高10%,并装有指示罐内压力的压力表和排污阀等。
罐的型式可分为立式和卧式两种。
本设计选用立式储气罐,因为它的进气口在下,出气口在上,以利用进一步分离空气中的油、水。
3.1.2执行元件
执行元件是以压缩空气为工作介质产生机械运动,并将气体的压力能转变为机械能的能量转换装置,有两种气缸输出直线往复式机械能,摆动气缸输出回转摆动式机械能。
1、气缸输出直线往复式
气缸是气动执行元件之一。
目前最常选用的是标准气缸,其结构和参数都已系列化、标准化、通用化。
水平伸缩气缸选用单活塞杆双作用气缸。
单活塞杆双作用气缸一般由缸筒、前后缸盖、活塞、活塞杆、密封件和紧固件等组成。
其工作原理:
对于前伸/回缩气缸,当左侧无杆腔进气,右侧有杆腔排气时活塞杆前伸,反之,活塞杆回缩。
2、摆动气缸输出回转摆动式
摆动气缸分为单叶片式和双叶片式。
单叶片式摆动气缸:
压缩空气由进气口输入,作用在叶片上,带动轴回转产生转矩,另一腔的空气从排气口排出。
双叶片式摆动气缸:
从进气口进入的压缩空气作用在一个叶片上,同时通过轴上的气路也作用在另一叶片上带动轴回转。
这样双叶片式产生的伸出距将是单叶片式的2倍。
本设计采用输出直线往复式气缸,用于气缸推料时的伸出与缩回。
3.1.3控制元件
本系统的控制元件是用来调节压缩空气的压力、流量和控制其流动方向,使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向,并按规定的程序工作。
气动控制元件按功能分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。
1、压力控制阀
调节和控制压力大小的气动元件称为压力控制阀。
它包括调压阀、溢流阀、顺序阀及多功能组合阀。
调压阀是出口侧压力可调,并能保持出口侧压力稳定的压力控制阀。
溢流阀是在回路中的压力达到阀的规定值时,使部分气体从排气侧排出,以保持回路内的压力在规定值的阀。
调速阀是根据“流量负反馈”原理设计而成的单路流量阀。
调速阀一般用于执行元件负载变化大而运动速度要求稳定的系统中。
调速阀根据“串联减压式”和“并联溢流式”,又分为调速阀和溢流节流阀两种主要类型。
本设计选用串联减压式调速阀。
2、方向控制阀
方向控制阀是改变压缩空气流动方向和气流通断状态,使气动执行元件的动作或状态发生变换的控制阀,本设计使用的单向型控制阀和换向型控制阀在分拣系统的作用如下分析:
(1)单向型控制阀
单向阀是指气流只能向一个方向流动而不能反向流动通过的阀,是最简单的单向型方向阀。
在气动系统中,单向阀除单独使用之外,经常与流量阀、换向阀和压力阀组合成只能单向控制的阀。
单向调速阀就是单向阀与节流阀并联而成。
单向调速阀是把节流阀芯分成了上阀芯和下阀芯两部分。
当流体正向流动时,其节流过程与调速阀是一样的,节流缝隙的大小可通过手柄进行调节;当流体反向流动时,靠流体的压力把阀芯压下,下阀芯起单向阀作用,单向阀打开,可实现流体反向自由流动。
当正向流动时,经过节流阀节流。
当反向流动时,单向阀打开,不节流。
(2)换向型控制阀
本设计使用的换向型方向控制阀为电磁控制。
换向阀是利用阀芯和阀体间相对位置的不同来变换不同管路间的通断关系,实现接通、切断,或改变流体方向的阀。
换向阀的性能的主要要求是:
(1)油液流经换向阀时的压力损失小;
(2)互不相通的油口间的泄漏小;
(3)换向可靠、迅速且平稳无冲击。
按工作位置数和控制的通道数有:
二位二通阀、二位三通阀、二位四通阀、二位五通阀、三位四通阀、三位五通阀等。
本设计选用二位五通电磁换向阀理由如下:
(1)电磁换向阀是利用电磁铁吸力推动阀芯来改变阀的工作位置。
由于它操作轻便,易于实现自动化。
(2)当二位五通电磁换向阀两端电磁铁都断电时,用于物料的缩回,而不能用于推出。
(3)使用二位五通电磁换向阀能够快速实现气缸的正反向运动。
本设计使用的电磁阀由电磁铁和阀体组成。
其作用是利用电磁原理将信号转换成阀芯(动铁芯)的位移。
此分拣系统的电磁阀组(如图3-1)使用4个二位五通的带手控开关的电控电磁阀,安装在汇流板上。
此4个阀分别对铁物块,铝物块、非金属黑料气缸和非金属白料气缸的气路控制,以改变各自进行的动作状态。
图3-1电磁阀组
所采用的电磁阀所带手控开关有锁定(LOCK)和开启(PUSH)2种位置。
在进行设备调试时,使手控开关处于开启位置,可以使用手控开关对电磁阀组进行控制,从而实现对相应气路的控制,以改变推料缸等执行机构的控制,达到调试的目的。
分拣单元的电磁阀安装时需注意,一是安装位置,应使得工件从滑槽中间推出,二是要安装水平,或稍微略向下,否则推出时导致工件翻转。
3.2气动回路的工作原理
本设计的气动控制回路的工作原理如图3-2所示。
图中1B1、1B2分别为安装在分拣气缸一的前、后极限工作位置的磁感应接近开关,2B1、2B2分别为安装在分拣气缸二的前、后极限工作位置的磁感应接近开关,3B1、3B2分别为安装在分拣气缸三的前、后极限工作位置的磁感应接近开关,4B1、4B2分别为安装在分拣气缸四的前、后极限工作位置的磁感应接近开关。
1Y1、2Y1、3Y1、4Y1分别为控制分拣气缸一、分拣气缸二、分拣气缸三、分拣气缸四的电磁阀的电磁控制端。
图3-2分拣单元气动控制回路工作原理图
3.4变频器的选择及其工作原理
图3-3电动机和电源及变频器的接线方法
本设计使用的变频电机是通过改变输入三相交流电的频率改变电机的转速,一句话,变频是用来调速的
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