机电自考毕业设计.docx
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机电自考毕业设计.docx
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机电自考毕业设计
河南科技大学
毕业设计说明书
(机电一体化工程)
地市:
南阳市宛城区
准考证号:
姓名:
指导教师:
河南省高等教育自学考试
高等教育自学考试
毕业设计任务书
一、题目基于PLC的自动生产线分拣装置控制系统设计
二、本环节自2013年12月10日起至2014年3月25日止
三、进行地点河南工业职业技术学院
四、内容要求1、分拣出金属与非金属;2、分拣出金属中某一颜色块;3、分拣出非金属中某一颜色块。
指导教师:
批准日期:
摘要
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。
利用可编程控制器(PLC)设计效率高的材料分拣装置,以PLC为主控制器,结合气动装置、传感器和位置控制等技术,现场控制产品的分拣,该系统灵活性较强,程序开发简单,自动化程度高,运行稳定,精度高,易控制的特点,可适应进行材料分拣的弹性生产线的需求。
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。
关键词:
可编程器PLC,传感器,硬件设计
ABSTRACT
ThispaperismainlyabouttheapplicationofPLCinmaterialsortingsystem,theuseofprogrammablelogiccontroller(PLC),automaticsortingdevicedesignoflowcost,highefficiency.WithPLCasthemaincontroller,combinedwithpneumaticdevice,sensingtechnology,positioncontroltechnology,automaticcontrolproducts.Thesystemhasahighdegreeofautomation,stableoperation,highprecision,easycontrol,accordingtothedifferentobject,slightlymodifyingthesystemrequirementscanbeachieved.
Theuseofprogrammablelogiccontroller(PLC)materialssortingthedesignoflowcost,highefficiencyofthedevice,withPLCasthemaincontroller,combinedwithpneumaticdevice,sensorandpositioncontroltechnology,sortingcontrolproducts,thesystemflexibility,thedevelopmentofsimpleprocedures,highdegreeofautomation,stableoperation,highprecision,easytocontroltheflexibleproductionline,canadapttothedemandofmaterialsorting.ThePLCcontrolisthemostcommonlyusedindustrialautomationcontrolmethod,becauseofitsconvenientcontrol,abletowithstandtheharshenvironment,therefore,betterthanMCUcontrolintheindustrial.PLCwillbethetraditionalrelaycontroltechnology,computertechnologyandcommunicationtechnologycom.,designedspecificallyforindustrialcontrol,withstrongfunctions,flexible,highreliability,strongenvironmentaladaptability,simpleprogramming,convenientandhastheadvantagesofsmallvolume,lightweight,lowpowerconsumption,aseriesofadvantages,thereforetheapplicationinindustrymoreandmorewidely.
KEYWORDS:
programmablePLC,sensor,hardwaredesign
第一章绪论
1.1目的和意义
1.1.1设计的目的
根据自己在学校所学的基础理论、基础知识、基本技能对实际问题有分析和解决的能力。
然后逐步了解和掌握工业生产流水线中材料分拣系统的工作原理。
1.1.2设计的意义
PLC控制的材料分拣装置系统可以在自动化生产线上对产品进行自动分拣,在需要材料分拣的企业,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,所以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。
采用可编程控制器PLC进行控制物料分拣,能连续,大批量的分拣货物,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,分拣作业基本是无人化,而且分拣系统能灵活地与其他物流设备无缝连接,实现对物料实物液、物料信息液的分配和管理,其设计采用标准化、模块化的组装、具有系统布局灵活、维护、检修方便等优点且受场地影响不大。
1.2材料分拣装置的发展介绍
自动分拣设备是典型的机电一体化设备,是一种能把物件从主输送线按一定的规律分别导入到指定的分支输送线上,具有对物件进行分类或重组功能的设备。
自动分拣设备的技术和形式会根据设备主体结构及功能的不同而不同。
材料分拣(亦称自动分拣)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,该系统已经成为发达国家先进和大中型物流中心,配送中心或流通中心所必需的设施条件之一,但因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。
1.3设计任务及原理
1.3.1设计任务
通电状态下,下料时,下料传感器动作,传送带运行,电感传感器检测到铁块材料时,汽缸1动作将材料推下,电容传感器检测到铝块材料时,汽缸2动作将材料推下,颜色传感器检测非金属材料为黄色块时汽缸3动作将材料推下。
其它颜色非金属材料块被传送到SD位置时,汽缸4动作将材料推下,竖井式下料槽无料时,传送带运行一个行程自动停机。
1.3.2设计原理
根据分拣装置工作过程设计功能表图,设计电气控制原理图,在设计的电气控制原理图的基础上对它进行研究,分析工作过程的每一个环节,再选择合适的PLC类型,编写I/O分配图。
1.4分拣站装置工作过程
它采用台式结构,内置电源,有步进电机、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容式和电感式传感器,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,可编程序控制器首先控制启动输送带,下料传感器SN检测料槽有无物料,若无料,输送带运转一个周期后自动停止等待下料;当料槽有料时,下料传感器输出信号给PLC,PLC控制输送带继续运转,同时控制气动阀5进行下料,每次下料时间间隔可以进行调整。
物料传感器SA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1动作选出该物料;物料传感器SB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2动作选出该物料;物料传感器SC为颜色传感器,当检测出物料的颜色为待检测颜色时,PLC控制气动阀3动作选出该物料。
物料传传感器SD为备用传感器。
当系统设定为分拣某种颜色的金属或非金属物料时,由程序记忆各传感器的状态,完成分拣任务。
如图1-1所示分拣装置的结构图。
图1-1分拣装置的结构图
第二章控制系统的硬件设计
2.1系统控制要求
系统利用各种传感器对待测材料进行检测并分类。
当待测物体经下料装置送入传送带后,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箱;否则,继续前行。
其控制要求有如下9个方面:
(1)系统送电后,光电编码器便可发生所需的脉冲;
(2)电机运行,带动传输带传送物体向前运行;
(3)有物料时,下料汽缸动作,将物料送出;
(4)当电感传感器检测到铁物料时,推汽缸1动作;
(5)当电容传感器检测到铝物料时,推汽缸2动作;
(6)当颜色传感器检测到材料为某一颜色时,推汽缸3动作;
(7)其他物料被送到SD位置时,推汽缸4动作;
(8)汽缸运行应有动作限位保护;
(9)下料槽内无下料时,延时后自动停机。
2.2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设计系统的硬件结构框图
2.3系统的关键技术
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。
2.3.1确定I/O点数
根据控制要求,输入应该有3个开关信号,5个传感器信号,包括电感传感器、电容传感器、颜色传感器、备用传感器,以及检测下料的传感器。
相应地,有5个汽缸运动位置信号。
输出包括控制电动机运行的变频器,以及5个控制汽缸动作的电磁阀。
共需I/O点25个,其中16个输入,9个输出。
2.3.2PLC的选型
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CPU226型PLC。
它有24输入点,16输出点,满足本系统的要求。
2.3.3PLC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2-1所示材料分拣装置PLC输入/输出端子分配表
表2-1所示材料分拣装置PLC输入/输出端子分配表
西门子PLC(I/O)
信号名称
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
物料口检测传感器
I0.4
SA(电感传感器)
I0.5
SB(电容传感器)
I0.6
SC(颜色传感器)
I0.7
SD(备用传感器)
I1.0
气缸1到位检测
I1.1
气缸2到位检测
I1.2
气缸3到位检测
I1.3
气缸4到位检测
I1.4
气缸5到位检测
I2.0
SB1停止
I2.1
SB2启动
I1.7
急停
输
出
部
分
Q0.0
V/F(驱动器)
Q0.1
YV1(气缸1电磁阀)
Q0.2
YV2(气缸2电磁阀)
Q0.3
YV3(气缸3电磁阀)
Q0.4
YV4(气缸4电磁阀)
Q0.5
YV5(下料气缸电磁阀)
Q0.6
黄色指示灯
Q0.7
绿色指示灯
Q1.0
红色指示灯
2.3.4PLC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示:
图2-2示PLC输入输出接线端子图
第三章控制元件与执行装置的选择
3.1传感器
(1)电感传感器
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M18X1X40电感传感器。
接线表如表3-1,原理图如图3-2。
表3-1S0、S1及S2、S3的组合选项
S0
S1
输出频率定标
S2
S3
滤波器类型
L
L
关断电源
L
L
红色
L
H
20%
L
H
蓝色
H
L
20%
H
L
无
H
H
100%
H
H
绿色
图3-2电感传感器工作原理图
电感式传感器的特点是:
a、无活动触点、可靠度高、寿命长;
b、分辨率高;
c、灵敏度高;
d、线性度高、重复性好;
e、测量范围宽(测量范围大时分辨率低);
f、无输入时有零位输出电压,引起测量误差;
g、对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高;
h、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)电容传感器
电容传感器也属于具有开关量输出的位置传感器,是一种接近式开关。
它的测量头通常是构成电容器的一个极板,而另一个极板是待测物体的本身。
当物体移向接近开关时,物体和接近开关的介电常数发生变化,使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化。
由此,便可控制开关的接通和关断。
本系统选用E2KX8ME1电容传感器,接线图可参考图3-1,原理图如图3-3。
图3-3电容传感器工作原理图
电容式传感器进行检测比较适宜,主要是这类传感器具有以下突出优点:
a、测量范围大其相对变化率可超过100%;
b、灵敏度高,如用比率变压器电桥测量,相对变化量可达10-7数量级;
c、动态响应快,因其可动质量小,固有频率高,高频特性既适宜动态测量,也可静态测量;
d、稳定性好由于电容器极板多为金属材料,极板间衬物多为无机材料,如空气、玻璃、陶瓷、石英等;因此可以在高温、低温强磁场、强辐射下长期工作,尤其是解决高温高压环境下的检测难题。
(3)颜色传感器
选用TAOS公司生产的,型号为TCS230颜色传感器。
此传感器为RGB(红绿蓝)颜色传感器,可检测目标物体对三基色的反射比率,从而鉴别物体颜色。
TCS230传感器引脚如图3-4所示
图3-4TCS230颜色传感器
RGB颜色传感器介绍:
TCS230是美国TAOS公司生产的一种可编程彩色光到频率的转换器。
该传感器具有分辨率高、可编程的颜色选择与输出定标、单电源供电等特点;输出为
数字量,可直接与微处理器连接。
它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上,同时在单一芯片上还集成了红绿蓝(RGB)三种滤光器,是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器。
TCS230的输出信号是数字量,可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入,因此可直接与微处理器或其它逻辑电路相连接。
由于输出的是数字量,并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度,因而不再需要A/D转换电路,使电路变得更简单。
TCS230采用8引脚的SOIC表面贴装式封装,在单一芯片上集成有64个光电二极管。
这些二极管共分为四种类型。
其中16个光电二极管带有红色滤波器,16个光电二极管带有绿色滤波器,16个光电二极管带有蓝色滤波器,其余16个不带有任何滤波器,可以透过全部的光信息。
这些光电二极管在芯片内是交叉排列的,能够最大限度地减少入射光幅射的不均匀性,从而增加颜色识别的精确度;另一方面,相同颜色的16个光电二极管是并联连接的,均匀分布在二极管阵列中,可以消除颜色的位置误差。
工作时,通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器。
该传感器的典型输出频率范围从2Hz~500kHz,用户还可以通过两个可编程引脚来选择100%、20%或2%的输出比例因子,或电源关断模式。
输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围,提高了它的适应能力。
当入射光投射到TCS230上时,通过光电二极管控制引脚S2、S3的不同组合,可以选择不同的滤波器;经过电流到频率转换器后输出不同频率的方波(占空比是50%),不同的颜色和光强对应不同频率的方波;还可以通过输出定标控制引脚S0、S1选择不同的输出比例因子,对输出频率范围进行调整,以适应不同的需求。
S0、S1用于选择输出比例因子或电源关断模式;S2、S3用于选择滤波器的类型;OE是频率输出使能引脚,可以控制输出的状态,当有多个芯片引脚共用微处理器的输入引脚时,也可以作为片选信号;OUT是频率输出引脚,GND是芯片的接地引脚,VCC为芯片提供工作电压。
表3-1是S0、S1及S2、S3的可用组合。
3.2PLC
可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,PLC),它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
(1)PLC的工作原理:
a、输入采样阶段;
b、用户程序执行阶段;
c、输出刷新阶段。
(2)PLC的特点:
a、使用方便,编程简单;
b、功能强,性能价格比高;
c、硬件配套齐全,用户使用方便,适应性强可靠性高;
d、抗干扰能力强;
f、系统的设计、安装、调试工作量少;
g、维修工作量小,维修方便。
3.3步进电机驱动器
步进电机驱动器的原理,采用单极性直流电源供电。
只要对步进a电机的各相绕组按合适的时序通电,就能使步进电机步进转动。
图3-7是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
图3-5四相反应式步进电机工作原理图
四相步进电机步进示意图开始时,开关SB接通电源,SA、SC、SD断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐,同时,转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿,2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。
当开关SC接通电源,SB、SA、SD断开时,由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用,使转子转动,1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。
而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿,2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。
依次类推,A、B、C、D四相绕组轮流供电,则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
四相步进电机按照通电顺序的不同,可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。
单四拍与双四拍的步距角相等,但单四拍的转动力矩小。
八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
图3-6单四拍、双四拍与八拍工作方式波形图
单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图3-6a、b、c所示。
驱动器相当于开关的组合单元。
通过上位机的脉冲信号有顺序给电机相序通电使电机转动。
3.4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3-7所示:
图3-7增量式旋转编码器
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、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m,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
3.5电动机
步进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),如图3-9所示:
图3-8JSCC三相异步电动机
图3-9电机外形图
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。
3.6电磁阀及气缸
气源处理装置:
气源处理组件及其回路原理图分别如图1-14所示。
气源处理组件是气动控制系统中的基本组成器件,它的作用是除去压
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