毕业设计论文基于plc的材料分拣装置设计管理资料.docx

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毕业设计论文基于plc的材料分拣装置设计管理资料

学号_

密级___________________

武汉大学东湖分校本科毕业论文

基于PLC的材料分拣装置设计

院（系）名称：

工学院

专业名称：

电气工程及其自动化

学生姓名：

指导教师：

二○一○年五月

郑重声明

本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。

对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。

本学位论文的知识产权归属于培养单位。

本人签名：

日期：

摘要

随着科学技术的飞速发展，现代工业控制系统越来越复杂，传统控制科学面临着新的挑战。

PLC以其体积小、功能齐全、价格低廉和可靠性高等方面具有独特的优点，在各个领域获得了广泛应用。

PLC的使用大大提高了控制系统的可靠性和自控程度，为企业提供了更可靠的生产保障。

如何在PLC自动控制领域充分发挥PLC的优势，是目前自动控制学科的重要课题之一。

本课题正是在这样的背景下，围绕基于PLC的材料分拣装置设计展开研究。

论文首先叙述了PLC的材料分拣装置的发展背景、现状和发展方向。

然后，说明了PLC自动分拣控制系统工作原理和与传统继电器的区别。

本文详细叙述了一种基于PLC的材料分拣装置设计及自动控制编程，以及怎样通过PLC程序设计来实现材料分拣和自动控制。

其电路结构简单，投资少（可利用原有设施改造），分拣系统不仅自动化程度高，还具有在线修改功能，灵活性强，系统具有数据采集准确、可靠性高及系统成本低等优点。

关键词：

PLC；材料分拣；自动控制；传感器

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,modernindustrialcontrolsystemsbecomemorecomplicated,thetraditionalcontrolofscienceisfacingnewchallenges.PLCwithitssmallsize,full-featured,lowcostandhighreliabilityhasuniqueadvantages,invariousfieldshasbeenappliedwidely.TheuseofPLCcontrolsystemgreatlyimprovedthereliabilityandautomationlevel,providingamorereliableproductionandprotection.HowtogivefullplaytoPLCautomaticcontroladvantages,isanimportantsubjectinoneoftheautomaticcontrol.

Thistopicisinthiscontext,thesurroundingmaterialsortingdevicebasedonPLCdesignofastudy.PaperfirstdescribesthematerialsortingdevicePLCbacksthedevelopment,currentstatusandfuturedirections.Then,showtheworkofPLCcontrolsystemforautomaticsortingprincipleandthedifferencebetweentraditionalrelays.

ThispaperdescribesthematerialsortingbasedonPLCcontroldevicedesignandprogramming,PLCprogrammingandhowtoachievebymaterialsortingandautomaticcontrol.Thecircuitstructureissimple,lessinvestment（transformationofexistingfacilitiescanbeused）,sortingsystemisnotonlyahighdegreeofautomation,butalsochangeswiththeonlinefeatures,flexibility,accuratedataacquisitionsystemwithhighreliabilityandsystemcostlow.

Keywords:

PLC；materialsorting；automaticcontrol；sensor

第1章绪论

PLC材料分拣装置的研究背景

随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制几乎扩展到所有工业领域。

现代社会要求制造业对市场要求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品[1]。

为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的看着系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器（ProgrammableLogicController，PLC）正是顺应着一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。

PLC的应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化系统的主要设备之一。

PLC已经广泛的应用于各种机械设备和生产过程的自动化控制中，PLC在其他领域，例如民用个家庭自动化也得到了迅速的发展。

而在众多工业生产领域中，对不同的材料进行分拣，以往常采用传统的继电器接触控制，使用硬连接电器多，可靠性差，自动化程度不高。

目前已有许多企业采用先进控制器对传统接触控制进行改造，大大提高了控制系统的可靠性和自动控制程度，为企业提供了更可靠的生产保障。

本文在此介绍一种采用可编程控制器（PLC）对材料自动分拣的一种方法，其电路结构简单，投资少（可利用原有设施改造），自动分拣系统不仅自动化程度高，还具有在线修改功能，灵活性强。

本控制系统是一简单的材料分拣控制系统，在本系统的基础上，可以将之改进为物流分拣系统、自动分拣机，从而服务于人们的日常生活中。

PLC材料分拣系统的现状

随着生产趋于个性化、集约化，许多企业开始加深对物流的认识及其价值的深度挖掘，通过物流建设降低成本，提升竞争力。

自动化物流系统逐渐应用于烟草、制造、家电、医药、食品、图书等领域。

随着物流市场需求的增长，国内物流系统及装备供应商通过自主技术创新、引进消化吸收，从起初低端技术、国外进口到现在高端创新、与国外厂商同台竞技，物流装备技术水平已明显提高，但在高端技术方面也还存在较大差距。

PLC材料分拣系统的发展方向

PLC材料分拣系统未来发展方向可以分为系统集成、工艺创新和自动分拣机[2]三个方向。

由于专业高度分工和全球经济一体化，系统集成是一种理念和趋势。

国内厂商应采取国内集成、国外配套的合作思路，充分利用合作方在高端产品、关键设备上技术先进成熟的优势，迅速实现优势互补，提高整个物流系统的技术含量和技术水平。

集成不是简单的设备组合，是以系统思维的方式对设备功能的充分应用，并保证软硬接口的无缝和快捷，目的是实现集成创新。

物流系统应充分注重“系统”概念，系统由多个单元组成。

单元的有效组合，即是流程及工艺的设计，这是一个全局优化的复杂过程。

工艺设计中最重要的是了解用户的实际需求，不同的行业和用户对物流的需求有着较大的差异，这是一种个性化的服务，应不断拓展创新。

就从烟草行业来讲，结合卷烟生产工艺，将物流做宽做深，从烟叶醇化到成品发货，从制丝分组加工到储叶储丝模块化精益生产，工艺创新和装备已融入并实现工厂生产自动化（FA）。

现在社会上己将物流的高科技产品（自动分拣机、自动化立体仓库、信息处理及通讯自动化等）广泛应用于各个流通领域。

自动分拣系统是一次大战后在美国、日本的配送中心广泛采用的一种物流设备，己经成为发达国家大中型物流中心不可缺少的一部分。

可以肯定，随着物流大环境的逐步改善，科学技术日新月异的进步，特别是感测技术、电子标签及计算机控制技术等的引入使用，自动分拣系统在我国发展空间巨大。

在商业配送领域自动分捡机的应用较为广泛，可实现多品种、小批量、多批次、短周期的物品分拣和配送作业。

自动分捡机的种类很多，有滑靴式、翻板式、交叉带式等，国内厂商能提供相应产品，但从分类能力、可靠性等指标来看，性参数能较国外先进水平还有较大差距。

目前，项目系统集成中进口比例较高，在机场物流行李分拣系统中，由于分拣量大及高可靠性要求，基本都从国外进口。

随着商业配送物流的快速发展，配送中心对自动分拣机将会有更多需求，分拣技术水平和设备性能将会有较大提高。

物流配送中心是从事配送业务的物流场所或组织，它的作业流程包括“入库—保管—拣货—分拣—暂存—出库”。

物流中心每天接受众多供应商或货主通过各种运输工具送来的成千上万种物品，用最短的时间将物品卸下并按品种、货主、储位或发送地点进行快速准确的分类，然后将物品运送到指定地点。

当订货商向物流中心发出配送订单后，自动分拣系统在最短时间内从自动化立体仓库中准确找到要出库的物品所在位置，并按所需数量出库，最后将从不同储位上取出的不同数量的物品按配送地点的不同运送到不同的存货区域进行分拣，以便装车配送。

值得一提的是对于小件物品的分拣技术和设备近几年发展较快，主要集中在卷烟配送行业，从电子标签拣选模式到立式、通道式分发机半自动分拣，甚至全自动补货、分拣、装箱，技术和设备都更新很快，目前各供应商仍以高速分拣、高度自动化的方向快速发展。

第2章PLC材料分拣系统的硬件设计

PLC自动分拣控制系统工作原理

本文所设计的PLC材料分拣系统采用推块式分拣机的台式结构，有竖井式材料输入料槽，滑板式产品输出料槽口。

同时，输送带作为传动结构，为了方便较快速度的启动和停止，用异步交流电机驱动；对不同材质的三种传感器分别固定在网孔板上；为了保证整个系统的安全性又加了一个光电传感器。

整个控制系统有气动部件、电气部件和硬件三大部分组成。

气动部分由空气压缩机、气缸、气瓶、气压指示表、分水过滤器、冷却器、减压阀、配气器、等部件组成；电气部分由PLC、铁检测传感器、铝检测传感器、颜色检测传感器、光电传感器、异步交流电机、开关、电源等部件组成；硬件部分由传送带异步电动机、传送带、底座、支架等组成。

。

1—气瓶2—PLC3—料槽4—电源5—电机

6—料槽传感器7—料仓气缸8—皮带9—仓库10—气缸11—传感器

其工作过程是开启电源，气动系统开始工作，系统进入自检状态。

下料传感器检测下料槽内是否有物料，若没有物料，延时后自动等待上料；当下料槽内有物料时，系统自动运行。

首先，下料传感器发送信号给PLC，PLC传送信号给下料气缸。

经过一定时间，下料汽缸将物料推至传送带。

当物料在传送带传送时，PLC计数器开始计数，电机开始运行。

当传感器检测到物料为铁金属时，发出反馈信号给PLC，由PLC控制气缸一动作，将物料推到料仓。

当气缸电磁阀运行到后限位开关时，电磁阀复位，回到原状态。

同理，可通过相应传感器分拣相应的物料。

。

系统结构图

系统的硬件配置

系统由气动部件、电气部件和硬件三大部分组成。

。

系统硬件配置

PLC

1台

底座

1个

启动开关

1个

光电传感器

2个

铁传感器

1个

电机

2个

铝传感器

1个

气缸

5个

颜色传感器

1个

限位开关

10个

气瓶

1个

皮带

1条

电源

1个

气压传动装置

1套

系统是全自动的运行方式。

在系统开始工作前需要人工合上刀闸开关，然后手动启动系统的电源开关。

系统开始运行，进入自检状态，当有物料进入料槽时，系统开始自动运行；当料槽中没有物料时，系统进入自检状态，等待物料再次进入料槽，然后自动运行。

系统需要停止工作时，需要人工切断系统电源，然后再切断主电源。

自动运行方式是由一台可编程序控制器（PLC）来控制整个系统自动运行，系统根据传感器传出的信号执行事先编译好程序[3]。

。

，M1为传送带提供动力的异步电动机，M2为空气压缩机。

FU1为主电路的熔断器，起短路保护的作用。

当电路发生短路时，通过熔体的电流使其发热，当达到熔化温度时自行熔断，从而分段电路。

接触器KM1控制电动机M1的运行。

当接触器收到PLC为1的信号时，接触器闭合，电动机就可以启动运行。

FR1、FR2分别为电机过载保护用的热继电器，电动机一旦出现长时间过载自动切断电路。

并能购随过载程度而改变动作时间的继电器，充分发挥了电动机的过载能力，保证电动机的正常启动和运转。

系统主电路图

PLC与传统继电器的区别及选型

PLC与传统继电器的区别

最初研制生产PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：

（1）当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作[4]。

但CPU不可能同时去执行过个操作，它只能按分时操作方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。

由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结构似乎是同时完成的。

这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。

用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从第一步开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。

然后再从头开始扫描执行，周而复始重复运行。

继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。

（2）PLC的优点：

可靠性高，抗干扰能力强；控制系统结构简单，通用性强；配套齐全，功能完善，适用性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造；设计、施工、调试的周期短。

PLC设计选型的一般原则

1、选择自己熟悉的机种和机型：

同样的控制设备的设计，可以用任何同样级别的PLC来完成。

如果选用你不熟悉的PLC，你就必须从头熟悉它，虽然不费太多的事，但毕竟没有用你熟悉的机型来的快。

　　2、不要大材小用：

什么样的规模设计任务就选用什么样规模的PLC，避免造成太多的硬件资源的浪费。

　　3、具体的控制对象，具体选择：

根据不同的设计任务，来选择PLC的机型。

　　4、选用易采购的机型：

有的产品经销商较少，不容易采购或进行比较，有的产品经销商很多，容易采购和比较，你就可以选用信誉好、价格优惠、技术上能够给与支持的公司。

　　5、经常了解PLC产品的发展动态：

PLC产品更新换代很快，你熟悉的机型也许过几年就见不着了，所以，你最好在设计选型之前，先了解一下市场情况。

目前在国内市场上有从美国、德国、日本等国引进的多种系列PLC，国内也有许多厂家组装、开发数十种PLC，故PLC系列标准不一，功能参差不齐，价格悬殊。

在此情况下，PLC的选择应着重考虑PLC的性能价格比，选择可靠性高，功能相当，负载能力合适，经济实惠的PLC。

本文介绍以PLC的材料分拣装置系统输入、输出点数的要求，选择为三菱公司的FX2N系列的FX2N-32MR-001。

霍尔接近开关来检测材料是否是磁性铁金属。

霍尔元件是一种磁敏元件。

利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关[5]。

当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有无磁性物体存在，进而控制开关的通或断。

本系统中，当材料是铁时传感器开关闭合，产生电流驱动线圈。

。

因此，本系统中检测铁物料选用霍尔传感器为2AV系列。

霍尔接近开关的工作原理图

当通过金属体的磁通过变化时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流[6]。

电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。

电涡流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。

，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流I1时，线圈周围就产生一个交变磁场H1。

置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2，电涡流也将产生一个新磁场H2，H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，

使通电线圈的有效阻抗发生变化。

电涡流传感器原理图

我们可以把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环，。

图中R1、L1为传感器线圈的电阻和电感。

短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R2、电感为L2。

线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的减小而增大。

当铝检测传感器检测到金属材料时，传感器的线圈阻抗就会发生变化。

电涡流传感器等效电路图

，实现开关功能。

所以本系统铝传感器选用电涡流传感器为ST系列。

铝传感器开关原理图

我们所看到的物体颜色，实际上是物体表面吸收了照射到它上面，白光（日光）中的一部分有色成分之后，反射出的另一部分有色光在人眼中的反应[7]。

白色是由各种频率的可见光混合在一起构成的，也就是说白光中包含着各种颜色的色光（如红、黄、绿、青、蓝、紫）。

根据三原色理论可知，各种颜色是由不同比例的三原色（红、绿、蓝）混合而成的。

如果知道构成各种颜色的三原色的值，就能够知道所测试物体的颜色。

高分辨率颜色传感器TCS230，是我们常用的颜色传感器。

对于TCS230来说，当选定一个颜色滤波器时，它只允许某种特定的原色通过，阻止其它原色的通过。

例如：

当选择红色滤波器时，入射光中只有红色可以通过，蓝色和绿色都被阻止，这样就可以得到红色光的光强，同理，选择其它的滤波器，就可以得到蓝色光和绿色光的光强。

通过这三个值，就可以分析投射到TCS230传感器上的光的颜色，本文选择红色滤波器。

利用被检测物体对光束的遮光或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体的有无。

其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可被检测。

光电开关是一种电量传感器，把电流或电压的变化以光电的方式传送出去，即进行电信号→光信号→电信号的转换。

光电式传感器工作原理:

光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为发送器，接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）和激光二极管。

接收器有光电二极管或光电三极管组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

气压传动装置选用

气源装置是为气动系统提供具有一定压力和足够流量、满足一定净化程度的压缩空气的能源装置,它是气动系统的重要组成部分[8]。

气源装置包括气压产生、压缩空气净化与储存、压力稳定和传输管道等装置，这些设备一般布置于压缩空气站内，作为整个工厂或车间的同一气源，。

，电动机带动空气压缩机旋转，经吸气口的空气过滤器将大气中的空气吸入[9]。

冷却器将压缩空气降温冷却，使高温汽化的水、油凝结分离。

油水分离器将冷凝出来的水滴、油滴、杂质等分离并排出系统。

储气罐用以压缩空气、稳定压缩空气的压力，并除去其中的部分油、水等杂质，储气罐输出的压缩空气可用于不同空气质量要求的气动系统。

气压发生装置包括正压发生装置和负压发生装置，正压发生装置为空气压缩机。

这也正是本系统所使用的气压发生装置。

空气压缩机属于正压发生装置，它是将机械能转换成气体压力的能量转换装置，提供高于大气压力的气压。

（，—），它们用于通风系统。

，气动系统中通常采用压缩机提供气源。

气动系统中多数气动元件都是在高于大气压力下工作的，用这些元件组成的启动系统称为正压系统。

下面介绍常用的活塞式空气压缩机的工作原理：

气压传动系统中最常用的是往复活塞式空气压缩机，，当电动机带动曲柄7旋转时，通过连杆6、滑块5和活塞4的传递转换，使活塞3在气缸2内作往复运动。

当活塞向右移动时，缸内左腔密封容积逐渐增大，使其中的气压低于大气压，吸气阀8被外界大气压力顶开，空气在大气压力作用下进入气缸内，形成吸气过程；当活塞向左移动时，缸内左腔密封容积逐渐减小，空气受压使气压升高，将吸气阀关闭，形成压缩过程；当缸内压缩空气压力升至高于输气管路中压力时，排气阀1顶开，压缩空气排入输气管路，形成排气过程。

活塞式空气压缩机的优点是结构简单，使用寿命长，容易实现大流量和高压输出；

缺点是振动大、噪声大，输出流量、压力有脉动，需使用储气罐稳压。

活塞式空气压缩机工作原理

1—排气阀；2—气缸；3—活塞；4—活塞；

5—滑块；6—连杆；7—曲柄；8—吸气阀；9—弹簧

冷却器安装在空气压缩机出口的管道上，将空气压缩机排出的温度高达120℃—150℃的气体冷却到40℃—50℃，从而使其中的水蒸气和被高温氧化的油雾冷凝成水滴和油滴而析出，进而初步分离，以便对压缩空气实施进一步净化处理。

因冷却介质为水，它的冷却效率高，常用于中型和大型压缩机。

在工作时，一般是水在管内流动，空气在管间流动。

管内流动的冷却水多为单程或双程流动，管间空气可以自由流动。

压缩空气在冷却过程中生成的冷凝水可通过排水器排出。

在冷却器上应安装温度计以监测工作情况。

储气罐的主要作用是：

储存一定数量的压缩空气，以备发生故障或临时需要应急使用；消除由于空气压缩机断续排气而对系统引起的压力脉动，保证输出气流的连续性和平稳性。

进一步分离压缩空气中的油、水等杂质。

气动系统不同于液压系统，一般每一个液压系统都自带液压源（液压泵）；而在气动系统中，一般来说由空气压缩机先将空气压缩，储存在贮气罐内，然后经管路输送给各个气动装置使用。

有些气动回路需要依靠回路中压力的变化来实现控制两个执行元件的顺序动作，所用的这种阀就是顺序阀。

顺序阀与单向阀的组合称为单向顺序阀。

所有的气动回路或贮气罐为了安全起见，当压力超过允许压力值时，需要实现自动向外排气，这种压力控制阀叫安全阀。

限位开关又称行程开关或位置开关。

它是一种根据运动部件的行程位置而切换电路工作状态的控制电器。

行程开关的动作原理与控制按钮相似，在机床设备中，事先将行程开关根据工艺要求安装在一定的行程位置上。

部件在运行中，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，使行程开关的触点动作而实现电路的切换，达到控制运动部件行程位置的目的。

直动式行程开关的机构原理与复式按钮相似。

机床撞块压下推杆时，其常闭触头分开，而常开触头闭合；当撞块离开推杆时，触头在弹簧力作用下恢复原来状态。

这种行程开关结构简单、价格便宜，因此本设计采用直动式限位开关型号为LX19K。

熔断器一种简单而有效的保护电器。

在电路中主要起短路保护作用。

其主要由熔体和安装熔体的绝缘管（绝缘座）组成。

使用时，熔体串接于被保护的电路中，当电路发生短路故障时，熔体被瞬时熔断而分断电路，起到保护作用。

熔断器的工作原理是：

当电路发生故障或异常时，伴随着电流不断升高，升高的电流有可能损坏电路中的某些重要器件或贵重器件，也有可能烧毁电路甚至造成火灾。

若电路中正确地安置了熔断器，那么，熔断器就会在电流异常升高到一定的高度和一定的时候，自身熔断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用。

由于系统容量较小，系统容量主要是电动机，故选用RCIA系列熔断器。

电动机分为直流电机和交流电机，交流电机又分为同步电机和异步电机。

由于异步电动机具有结构简单，制造、使用方便，运行可靠，成本低廉，效率较高等优点而得到广泛应用。

例如，在工业生产中，异步