基于plc的自动分拣系统设计.docx
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基于plc的自动分拣系统设计
摘要
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。
关键词:
PLC,分拣装置,变频器,传感器
封面···········································I
摘要··········································II
目录·········································III
绪论···········································1
第1章材料分拣装置结构及总体设计··············2
1.1材料分拣装置工作过程概述···························2
1.2系统的技术指标·····································3
1.3系统的设计要求·····································3
1.3.1功能要求·········································3
1.3.2系统的控制要求································3
第2章控制系统的硬件设计······················4
2.1系统的硬件结构·····································4
2.2系统关键技术·······································4
2.2.1确定I/O点数····································4
2.2.2PLC的选择·······································4
2.2.3PLC的I/O分配···································4
2.2.4PLC输入输出接线端子图···························5
2.3检测元件与执行装置的选择····························6
2.3.1光电式旋转编码器·································6
2.3.2电感式接近开关································8
2.3.3光纤传感器·······································9
2.3.4变频器···········································10
2.3.5电动机···········································13
2.3.6磁控开关·········································14
2.3.7光电开关··········································16
2.3.8电磁阀及气缸······································17
第3章控制系统的软件设计······················18
3.1控制系统流程图设计································18
3.2控制系统程序设计·······························18
第4章控制系统的调试·································23
4.1硬件调试··········································23
4.2软件调试··········································23
4.3整体调试···········································23
结论·········································24
致谢·········································25
参考文献······································26
附录(PLC程序)································27
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,而且错误率极低。
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,尤其在需要进行材料分拣的企业,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,材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,效率高的材料自动分拣装置,在材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设备无缝连接,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。
同时,只要根据不同的分拣对象,对本系统稍加修改即可实现要求。
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设备的微缩模型。
应用PLC技术结合气动、传感器和位置控制等技术,设计不同类型材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,可适应进行材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。
第1章材料分拣装置结构及总体设计
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设备的微缩模型。
本章主要介绍分拣装置的工艺过程及控制要求。
要想进行PLC控制系统的设计,首先必须对控制对象进行调查,搞清楚控制对象的工艺过程、工作特点,明确控制要求以及各阶段的特点和各阶段之间的转换条件。
1.1材料分拣装置工作过程概述
如图1-1所示为本分拣装置的结构示意图。
图1-1材料分拣装置结构示意图
它采用台式结构,内置电源,有三相异步电机、汽缸、电磁阀、旋转编码器、气动减压器、滤清器、气压指示等部件,可与各类气源相连接。
选用颜色识别传感器及对不同材料敏感的电感式传感器,分别固定在网板上,且允许重新安装传感器排列位置或选择网板不同区域安装。
系统上电后,要等到手动启动后系统才进入运行状态,当有物料从料口到传送带上时,光电传感器输出信号给PLC,同时电感传感器和光纤传感器进行检测,将物料信息反馈给PLC,PLC根据物料的材质和颜色,选择不同的速度传送道不同的位置,并控制对应的电磁阀动作,将物料推入对应的仓中。
1.2系统的技术指标
输入电压:
AC200~240V(带保护地三芯插座)
消耗功率:
250W
环境温度范围:
-5~40℃
气源:
大于0.2MPa切小于0.85Mpa
1.3系统的设计要求
系统的设计要求主要包括功能要求和控制要求,进行设计之前,首先应分析控制对象的要求。
1.3.1功能要求
材料分拣装置应实现基本功能如下
(1)分拣出金属和非金属
(2)分拣黑色和白色
(3)金属料、白色非金属和黑色非金属料分别用不同的速度传送
1.3.2系统的控制要求
系统利用各种传感器对待测材料进行检测并分类。
当待测物体经机械手或其他传送机构送入传送带后,依次接受各种传感器检测。
如果被某种传感器测中,通过相应的气动装置将其推入料仓中。
其控制要求有如下几个方面:
(1)系统送电后,各部分在初始位置时,需要手动启动后方可运行
(2)电机运行,带动传输带传送物体向前运行
(3)有物料时,电动机带动传送带动作,将物料送走
(4)当电感传感器检测到金属物料时,汽缸1动作
(5)当光纤传感器检测到白色非金属物料时,汽缸2动作
(6)当电感传感器和光纤传感器均没有检测到,而光电传感器检测到有物料时,汽缸3动作
(7)汽缸运行应有伸出限位保护
(8)按下停止按钮,要等到该物料分拣完成后方可停止
(9)启动后,有物料就自动分拣,而分拣完成就自动停止
(10)分拣时,根据检测到的不同材料,应有不同的速度运行
第2章控制系统的硬件设计
PLC控制系统的硬件设计,主要是根据被控制对象对PLC控制系统的功能要求,确定系统所需的用户输入、输出设备,选择合适的PLC类型,并分配I/O点。
2.1系统的硬件结构
设计系统的硬件结构框图,如图2-1所示。
图2-1系统的硬件结构框图
2.2系统关键技术
系统关键技术即分析控制系统的要求,确定I/O点数,选择PLC的型号,然后进行I/O分配。
2.2.1确定I/O点数
根据控制要求,输入应该有2个开关信号,3个传感器信号,包括电感传感器、光纤感器。
相应地,有3个汽缸运动位置信号,每个汽缸的动作到位信号,共计11个信号。
输出包括控制电动机以不同速度运行的3个发向变频器的信号,以及3个控制汽缸动作的电磁阀。
共需I/O点18个,其中11个输入,8个输出。
2.2.2PLC的选择
根据上面所确定的I/O点数,且该材料分拣装置的控制为开关量控制。
因此,选择一般的小型机即可满足控制要求。
本系统选用西门子公司的S7-200系列CPU224CN型PLC。
它有14个输入点,10个输出点,满足本系统的要求。
2.2.3PLC的I/O分配
根据所选择的PLC型号,对本系统中PLC的输入输出端子进行分配,如表1所示
表1材料分拣装置PLC输入和输出端子分配表
西门子PLC(I/O)
分拣系统接口(I/O)
备注
输
入
部
分
I0.0
编码器A相
I0.1
编码器B相
I0.2
编码器Z相
I0.3
光电开关
检测有没有料
I0.4
电感传感器
检测金属料
I0.5
光纤传感器
检测黑白色
I0.6
磁性开关1
I0.7
磁性开关2
I1.0
磁性开关3
I1.1
启动按钮
I1.2
停止按钮
输
出
部
分
Q0.0
变频器5号端子
接通时以15Hz运行
Q0.1
变频器6号端子
接通时以20Hz运行
Q0.2
变频器7号端子
接通时以25Hz运行
Q0.3
电磁阀1
Q0.4
电磁阀2
Q0.5
电磁阀3
Q0.6
指示灯1
准备就绪
Q0.7
指示灯2
运行指示灯
Q1.0
指示灯3
分拣完成指示灯
2.2.4PLC输入输出接线端子图
根据表1可以绘制出PLC的I/O接线图,如图2-2所示
图2-2S7-200-224CNPLC的外形及I/O接线图
2.3检测元件与执行装置的选择
主要是对旋转编码器和各个传感器的选择,并对其作简要介绍。
2.3.1光电式旋转编码器
旋转编码器是与步进电机连接在一起,在本系统中可用来作为控制系统的计数器,并提供脉冲输入。
它转化为位移量,可对传输带上的物料进行位置控制。
传送至相应的传感器时,发出信号到PLC,以进行分拣,也可用来控制步进电机的转速。
本系统选用鑫亚H38S6-500-3-2-24增量式旋转编码器,其组成和原理如图2-3所示。
图2-3旋转编码器的组成及原理示意图
旋转编码器介绍:
旋转编码器是用来测量转速的装置。
技术参数主要有每转脉冲数(几十个到几千个都有),和供电电压等。
它分为单路输出和双路输出两种。
单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲,而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲,通过这两组脉冲不仅可以测量转速,还可以判断旋转的方向。
编码器如以信号原理来分,可分为增量脉冲编码器(SPC)和绝对脉冲编码器(APC)两者一般都应用于速度控制或位置控制系统的检测元件。
编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料,玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线,其热稳定性好,精度高,金属码盘直接以通和不通刻线,不易碎,但由于金属有一定的厚度,精度就有限制,其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级,塑料码盘是经济型的,其成本低,但精度、热稳定性、寿命均要差一些。
工作原理如下:
由一个中心有轴的光电码盘,其上有环形通、暗的刻线,有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差(相对于一个周波为360度),将C、D信号反向,叠加在A、B两相上,可增强稳定信号;另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。
由于A、B两相相差90度,可通过比较A相在前还是B相在前,以判别编码器的正转与反转,通过零位脉冲,可获得编码器的零位参考位。
分辨率:
编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率,也称解析分度、或直接称多少线,一般在每转分度5~10000线。
信号输出:
信号输出有正弦波(电流或电压),方波(TTL、HTL),集电极开路(PNP、NPN),推拉式多种形式,其中TTL为长线差分驱动(对称A,A-;B,B-;Z,Z-),HTL也称推拉式、推挽式输出,编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。
信号连接:
编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机,PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分,开关频率有低有高。
如单相联接,用于单方向计数,单方向测速。
A、B两相联接,用于正反向计数、判断正反向和测速。
A、B、Z三相联接,用于带参考位修正的位置测量。
A、A-,B、B-,Z、Z-连接,由于带有对称负信号的连接,电流对于电缆贡献的电磁场为0,衰减最小,抗干扰最佳,可传输较远的距离。
对于TTL的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达150米。
对于HTL的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达300米。
H38S6-500-3-2-24增量式旋转编码器的分辨率为500线,而本系统带动传送带的带轮半径为30mm,所以脉冲当量为
U=2πr/500=0.0377mm
从料口到1、2、3号仓的距离分别为200mm、300mm、400mm,所以脉冲数分别为
n1=L1/u=530
n2=L2/u=796
n3=L3/u=1061
2.3.2电感式接近开关
电感式接近开关属于有开关量输出的位置传感器,用来检测金属物体。
它由LC高频振荡器和放大处理电路组成,利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时,使物体内部产生涡流。
这个涡流反作用于接近开关,使接近开关振荡能力衰减,内部电路的参数发生变化。
由此,可识别出有无金属物体接近,进而控制开关的通或断。
本系统选用LJG2A-4/ZONA2电感传感器。
接线图如图2-4,原理图如图2-5。
图2-4LJG2A-4/ZONA2型电感传感器接线图
图2-5电感传感器工作原理图
电感传感器介绍:
由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器,又称电感式位移传感器。
这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的,其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。
当把线圈接入测量电路并接通激励电源时,就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。
电感式传感器的特点是:
①无活动触点、可靠度高、寿命长;②分辨率高;③灵敏度高;④线性度高、重复性好;⑤测量范围宽(测量范围大时分辨率低);⑥无输入时有零位输出电压,引起测量误差;⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高;⑧不适用于高频动态测量。
电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量(如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等)的测量。
常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。
在实际应用中,这三种传感器多制成差动式,以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。
2.3.3光纤传感器
选用欧姆龙(OMRON)公司生产的,型号为E3X-NA11光纤传感器。
此传感器为黑白颜色传感器,可检测目标物体对黑白色的反射比率,从而鉴别物体颜色。
E3X-NA11传感器引脚如图2-7所示
图2-6光纤传感器电路图
图2-7光纤传感器俯视图
光纤传感器介绍:
光纤是光电接近开关(简称光纤式光电开关)由光纤检测头、光纤放大器两部分组成,放大器和光纤检测头是分离的两部分,光纤检测头的尾部部分分成分别插入两个光纤孔。
光纤是光电传感器的输出连接至PLC。
光纤式光电开关的传感器部分没有丝毫电路连接,不产生热量,只利用很少的光能,这些特点使光纤传感器成为危险环境下的理想选择。
还可以用于关键生产设备的长期高温可靠稳定的监视。
相对于传统传感器,光纤传感器的优点有:
抗电磁干扰,可工作于恶劣黄警,传输距离长,使用寿命长,此外,由于光纤头具有较小的体积,所以可以安装在很小的空间里。
光纤传感器调试:
安装完成后,用螺丝刀进行灵敏度的调节,调节时会看到“入光量指示灯”发生的变化。
在检测距离固定后当白色共检出现在光纤头下方时,“动作显示灯”亮,提示检测到工件,当黑色共检出现在光纤头下方时,“动作显示灯”不亮,这个光线是光电开关调试完成。
2.3.4变频器
变频器采用西门子公司的MICROMASTER420变频器
MM420变频器的安装和接线
。
图2-8变频器与电机的安装接线图及外形图
三相交流电源经熔断器、空气断路器、变频器输出到交流电动机。
在上图中,有两点需要注意,一是屏蔽,二是接地。
变频器到电动机的线采用屏蔽线,而且屏蔽层要接地,另外带电设备的机壳要接地。
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,外形如图2-8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
•操作面板:
基本操作板(BOP)
拆卸盖板后可以看到变频器的接线端子如图2-9所示。
图2-9MM420变频器的接线端子
变频器控制电路的接线见图2-10
图2-10变频器接线图
图2-11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。
表2基本操作面板(BOP)上的按钮及其功能
显示/按钮
功能
功能的说明
状态显示
LCD显示变频器当前的设定值
启动变频器
按此键起动变频器。
缺省值运行时此键是被封锁的。
为了使此键的操作有效,应设定P0700=1
停止变频器
OFF1:
按此键,变频器将按选定的斜坡下降速率减速停车,缺省值运行时此键被封锁;为了允许此键操作,应设定P0700=1。
OFF2:
按此键两次(或一次,但时间较长)电动机将在惯性作用下自由停车。
此功能总是“使能”的。
改变电动机的转动方向
按此键可以改变电动机的转动方向,电动机的反向时,用负号表示或用闪烁的小数点表示。
缺省值运行时此键是被封锁的,为了使此键的操作有效应设定P0700=1
电动机点动
在变频器无输出的情况下按此键,将使电动机起动,并按预设定的点动频率运行。
释放此键时,变频器停车。
如果变频器/电动机正在运行,按此键将不起作用。
功能
此键用于浏览辅助信息。
变频器运行过程中,在显示任何一个参数时按下此键并保持不动2秒钟,将显示以下参数值(在变频器运行中从任何一个参数开始):
1.直流回路电压(用d表示–单位:
V)
2.输出电流A
3.输出频率(Hz)
4.输出电压(用o表示–单位V)
5.由P0005选定的数值(如果P0005选择显示上述参数中的任何一
个(3,4或5),这里将不再显示)。
连续多次按下此键将轮流显示以上参数。
跳转功能在显示任何一个参数(rXXXX或PXXXX)时短时间按下此键,将立即跳转到r0000,如果需要的话,您可以接着修改其它的参数。
跳转到r0000后,按此键将返回原来的显示点。
访问参数
按此键即可访问参数。
增加数值
按此键即可增加面板上显示的参数数值。
减少数值
按此键即可减少面板上显示的参数数值。
表3本系统变频器的参数
参数好
参数值
说明
P0700
2
命令元选择“由外部端子输入”
P1000
3
选择固定频率
P0701
16
开启5号端子
P0702
16
开启6号端子
P0703
16
开启7号端子
P1001
15
5号端子固定频率为15Hz
P1002
20
6号端子固定频率为20Hz
P1003
25
7号端子固定频率为25Hz
P1120
1
加速时间为1S
P1121
1
减速时间为1S
2.3.5电动机
异步电机作为执行机构用于带动传输带输送物料前行,与旋转编码器连接在一起。
可以通过控制脉冲个数,来控制角位移量,从而达到准确定位的目的。
同时,可以通过控制变频器的输出频率来控制电机转动的速度,达到调速的目的。
电机选用的型号为JSCC80YS25GY38(德国精研电机),如下图所示:
图2-12JSCC三相异步电动机
图2-13电机外形图及接线
本电机在机壳内带有一个减速机构,可很方便实现减速。
电机用柔性联轴器与带动皮带的塑料轮相连接,塑料轮的另外一端与旋转编码器相连。
2.3.6磁控接近开关
磁控接近开关(简称磁控开关)主要用于检测位置变化磁控开关是一种非接触式位置检测开关,不会磨损和损伤被测对象速度比较快。
磁控接近开关工作原理:
当有磁性物质接近磁控开关时,磁控开关被磁化而使得接点吸合在一起,从而使回路接通。
在本系统中,采用上海双旭电子有限公司的D-C73磁性开关,在气缸的活塞杆上安装磁性物质,在汽缸缸筒外面各安装一个磁控开关,这样就能识别各是否到极限位置。
应用时,采用共阴接法,棕色线接PLC输入端,蓝色线接公共端。
图2-14磁性开关的外观及工作原理
图2-15磁性开关的内部电路
调试:
先将磁控开关安装在气缸外面,先不拧紧,把气缸杆拉出,然后调节磁控开关的位置,调到指示灯亮的时候,说明位置刚好
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