物料自动分拣装置的PLC控制系统设计论文

1、毕业设计（论文）题目 物料自动分拣装置的 PLC控制系统设计姓名黄建 军学号 20110103159专业机电一体化技术年级 2011 级指导教师陆莲仕完成时间2013年11月25日目录第一章绪论 01.1 物料自动分拣的意义 01.2 设计任务要求 11.3 设计任务分析 1 第二章物料自动分拣装置结构及总体设计技术方案 22.1 机械构造分布 22.2 设计技术方案 4 第三章系统硬件设计 53.1 基本结构 53.2 主要组成部件 5 第四章系统软件设计 164.1 I/O 分配表 16 续表 174.2 接线图 184.3 软件控制流程图 194.4 顺序控制功能图 204.5 PLC

2、控制程序 21 第五章系统总成本估算 275.1 系统使用的零部件 275.2 系统总开支 28 第六章毕业设计归纳总结 29 参考文献 30第一章 绪 论1.1 物料自动分拣的意义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 ( P

3、LC) , 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。材料分拣装置是模拟自动化工业生产过程的微缩模型，它使用了PLC控制、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选和归 类功能，并可配置监控软件由上位机监控。该装置采用台式结构，配有S7-200型CPU传感器(光电式、电感式、颜色、磁感应式)、旋转编码器、交流电动机、输送带、气缸、电磁阀、直流电源、空气过滤减压器等

4、是典型的机电一体化教案 实验装置。本系统采用的可编程控制器， 只要结合不同的传感器， 比如根据材料的属性、 尺寸的大小、物体的颜色等选择相应的传感器，就可对不同的物料进行分拣，具 有广泛的应用前景。1.2 设计任务要求该控制系统应能使物料分拣具有自动循环、单循环、单动作三种工作方式，且能使各种工作方式不相互发生冲突；应能完成铁料、铝料、不同颜色的塑料分 拣至不同料槽的控制要求；应具有启动、预停、急停和计数功能；应具有短路保 护、过载保护、失压保护等功能。应确定具体的控制过程、 控制系统的总体及软件设计； 确定 PLC 的型号规格； 确定 PLC 各 I/O 元件；设计气动系统控制原理图；确定各

5、气动元件；设计电动机 及变频器的主电路及控制电路原理图；确定变频器型号及各电气元件；设计物料 分拣系统的单动作手动程序、单循环程序、自动循环程序，故障报警和信号显示 程序；上机调试程序；进行成本估算。1.3 设计任务分析分拣的物料都是规则的，而且是圆柱形，我们可以先把物料装进一个套筒， 然后就让它在重力的作用下一个一个的掉到输送带。在这个过程中需要设计一个 上料机构来完成这一步骤。接着物料到达输送带时，我们要把铁、铝、塑料（黄、 蓝色）物料进行分拣，可以用各种传感器来进行分拣，这就需要设计一个分拣装 置。这两个装置可以用接触器控制，也可以用 PLC 控制，考虑到接线方面的麻烦， 决定用PLC来

6、控制整个流程！该控制系统应能使物料分拣具有自动循环、单循环、单动作三种工作方式， 且能使各种工作方式不相互发生冲突；应能完成铁料、铝料、不同颜色的塑料分 拣至不同料槽的控制要求；应具有启动、预停、急停和计数功能；应具有短路保 护、过载保护、失压保护等功能。应确定具体的控制过程、控制系统的总体及软件设计；确定PLC的型号规格;确定PLC各I/O元件；设计气动系统控制原理图；确定各气动元件；设计电动机 及变频器的主电路及控制电路原理图；确定变频器型号及各电气元件；设计物料 分拣系统的单动作手动程序、单循环程序、自动循环程序，故障报警和信号显示 程序；上机调试程序；进行成本估算。1.3 设计任务分析

7、分拣的物料都是规则的，而且是圆柱形，我们可以先把物料装进一个套筒， 然后就让它在重力的作用下一个一个的掉到输送带。在这个过程中需要设计一个 上料机构来完成这一步骤。接着物料到达输送带时，我们要把铁、铝、塑料（黄、 蓝色）物料进行分拣，可以用各种传感器来进行分拣，这就需要设计一个分拣装 置。这两个装置可以用接触器控制，也可以用PLC控制，考虑到接线方面的麻烦，决定用PLC来控制整个流程！（3）警示灯：在设备停止时警示红灯亮，在设备运行时警示绿灯亮，在无物 料是警示黄灯亮。（4 ）储料筒：用于存放直径100m m的圆柱型工件，料筒侧面有观察槽。（5 ）安装支架：用于安装工件库和气缸。1.1.2分拣

8、装置分拣装置由输送带、气缸、各种传感器、电动机等部分组成，它的结构图如图2.2所示图2 .2 分拣装置示意图（1） SN:光电传感器,当有物料放入输送带时，给PLC 个输入信号。（2） SA:电感式传感器，检测铁材料，检测距离为25mm（3） SB:电容传感器，检测铝材料，检测距离为2 5mm（4） SC:颜色传感器,用于检测非金属的蓝色物料，检测距离为3 8mm,检测 距离可通过传感器放大器的点位器调节。（5）SD:备用传感器，用于检测黄色塑料物料。（6）SBW气缸缩回到位。SFW气缸伸出到位8）1 号料槽：用于放置铁物料（9）2 号料槽：用于放置铝物料。（10）3 号料槽：用于放置蓝色塑料

9、物料。（11）4 号料槽：用于放置黄色塑料物料。（12）皮带输送线：由三相异步电动机拖动，将物料输送到相应的位置。（13）三相异步电动机：驱动传动带传动，由变频器控制。2.2 设计技术方案1. 上料机构在复位完成后，按下“启动”按钮，料筒光电传感器检测到有工件时，推料 气缸将工件推出，推料气缸缩回，若3 秒钟后，料筒检测光电传感器仍未检测到工件，则说明料筒内无物料，这时警示灯黄灯闪烁，放入物料后黄灯熄灭；2. 分拣机构当入料口光电传感器检测到物料时，变频器接收启动信号，三相异步电动机 正转运行，皮带开始输送工件，当料槽一到位检测传感器检测到铁物料时，推料 一号气缸动作，将铁物料推入一号料槽；当

10、料槽二检测传感器检测到铝物料时， 推料二气缸动作，将铝物料推入二号料槽；当检测器检测到蓝色物料时，推料三 气缸动作，将蓝色物料推入三号料槽；当物料为黄色物料直接导入四号料槽，料槽检测传感器检测到有工件经过，推料四气缸动作，将黄色物料推入料槽(8) 1号料槽：用于放置铁物料(9) 2号料槽：用于放置铝物料。(10) 3号料槽：用于放置蓝色塑料物料。(11) 4号料槽：用于放置黄色塑料物料。(12) 皮带输送线：由三相异步电动机拖动，将物料输送到相应的位置(13) 三相异步电动机：驱动传动带传动，由变频器控制。2.2设计技术方案1. 上料机构在复位完成后，按下“启动”按钮，料筒光电传感器检测到有工

11、件时，推料气缸将工件推出，推料气缸缩回，若3秒钟后，料筒检测光电传感器仍未检测到工件，则说明料筒内无物料，这时警示灯黄灯闪烁，放入物料后黄灯熄灭；2. 分拣机构当入料口光电传感器检测到物料时，变频器接收启动信号，三相异步电动机正转运行，皮带开始输送工件，当料槽一到位检测传感器检测到铁物料时，推料一号气缸动作，将铁物料推入一号料槽；当料槽二检测传感器检测到铝物料时，推料二气缸动作，将铝物料推入二号料槽；当检测器检测到蓝色物料时，推料三 气缸动作，将蓝色物料推入三号料槽；当物料为黄色物料直接导入四号料槽，料表3-1 S7-200主要技术指标特性CPU221CPU222CPU224CPU226外形尺

12、寸90X80X6290X80X62120.5X80X62190X80X62本机I/O数字量6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出扩展模块0个模块2个模块7个模块7个模块I/O映象区256（ 128 入/128 出）西门子S7-200系列中CPU226 DC/DC/DC有24个输入点和16个输出点。所以选择 CPU226DC/DC/DC 6ES7 216-2AD23-0XB8型号的 PLC作为自动分拣装置所 用器件。3.2.2电动机及变频器的选取及工作原理1. 电动机的工作原理电动机（Motors）是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并作用于转

13、子鼠笼式式闭合铝框形成磁电动力旋转扭 矩。电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方 向和磁感线（磁场方向）方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使 电动机转动。2. 电动机的选择电动机主要带动传送带，要想选择合适的电动机，必须考虑到传送带的工作 压力和输送的速度。由于传送带上有四个传感器，所以传送带上最多同时有五个 工件，假设都是铁，已知工件的底面直径为100mm高20mm密度7.9kg/m 3由已知条件可以计算传送带上物料的重量2M=5xSxhxP=5x3.14X0.5X0.02X7.9=0.62kg估计输送带总长 4000mm，总重量50kg，所以输送带

14、的工作压力F= (50+0.62 ) X10=506.2N假设输送带的速度V=0.8m/s，卷筒的直径 D=100mm效率nw =0.72。确定工作机需要的功率Pw和卷筒的转速nPw=巴=0.56kw1000nwnw60X1000V =152.8r/min3.14D 初定电机类型和转速初估系统的总效率为0.8-0.9,需要电动机功率为=0.7 0.62kw根据Ped >P d，则可以选用的电机有Y2-801-2、Y2-802-4、Y2-90S-6 三种。以这三种技术方案做一比较见表3-1，综合考虑到装置各方面的因素，拟选用电动机的型号为 丫-802-4，额定功率 Ped =0.75kw,

15、转速 nd =1390r/min.表3-2电机的型号与参数技术 方 案电动机型号额定功率/kw满载转速r/mi n电流效率1Y2-801-20.7528301.8752Y2-802-40.7513902.0733Y2-90S-60.759102.269电动机的主电路图电机的主电路由刀开关QS1、热继电器 QF1、交流接触器 KM1变频器组成, 它的接线图如图 3.11.Li LP L 3图3.11电机主电路图接线图3. 变频器的选择变频器工作原理变频器是把工频电源 （50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成

16、直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需 要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子 绕组供电的频率来达到调速的目的选择变频器的型号考虑到变频器使用的功能以及各系列变频器的特点，最终决定使用西门子MICROMASTER 44系列的变频器。他有以下几点特点：引导调试简单模块化结构允许组态的最大灵活性六个可编程的独立数字量输入两个可量测的模拟量输入（0V到10V,0mA到20mA）也可以被用作第 7个/第8 个数字量输入一个可编程模拟量输出（0mA到 20mA三个可编程继

17、电器输出（30V DC/5A, 阻性负载； 250 V AC/2 A ，感性负载）因高脉冲频率而获得低噪音电机运转 , 可调节（如果必要，可降额运行） 。 变频器主要是用来控制输送带的电动机，然而电动机的功率是 0.75kw, 西门 子 MICROMASTER 440系列的变频器工作的功率范围是0.115kw, 足够安全，所以选用西门子 MICROMASTER 440系列变频器。 硬件连接1）三角形连接为：变频器U、V、W端分别接入电机的U1、VI、W1,电机端U1 接 W2,W1 接 V2,V1 接 U2图 3.12 变频器硬件端子图2）变频器控制端口连接为：端口DIN1 （ 5）为正转，端

18、口 DIN2 （ 6）为反转, 端子公共端接入端子 9（ OUTPUT，端子1（ 10V）和端子2（ 0V）给电位器供电,ANT1+（3） 接电位计中间滑点， ANT1-（ 4）接电位计负极以及端子2（0V）3）变频器连接为：L1、L2、L3分别接入三相电源的L1、L2、L3 参数设置1）电动机的参数设置表3-3电动机参数设置参数设置出厂值设置值说明P00311设用户访冋级为规范级P001001快速调试P010000工作地区，功率 KW表示，频率 50HZP0304230380电动机额定电压 VP03053.250.8电动机额定电流 AP03070.750.2电动机额定功率 KVP030800

19、.8电动机额定功率因素cosP03105050电动机额定频率 HZP031101400电动机额定转速r/mi n设置完成后，P0010设置为0，变频器处于准备状态，可正常运行2）模拟信号操作控制参数表3-4模拟信号操作控制参数参数设置出厂值设置值说明P00312设用户访冋级为规范级P070022命令源选择为端子排输入P070111ON接通正转， OFF停止P070212ON接通反转，OFF停止P100022频率设定值选择为模拟输入P108000电动机运行的最低频率P10825050电动机运行的最咼频率电位器的选择电位器的工作原理：首先在应该选用正比例变化线性的电位器，这种电位器的转动角度基本上

20、跟电阻值的变化成正比例，这样根据电阻器的分压原理，就可 以实现旋转角度大小转变成电压大小了。选择的型号是LA42DWQ-22 10K。323气动元件的选取及工作原理1. 气动回路原理图3.13 气动回路图2. 气源装置20mm由于气路图是并联连接，所以只要计算出最大压力就是气源需要的压力。气 动系统装置中，经过分析，顶料气缸需要的压力最大，而且当顶铁物料时需要的 压力最大。假设料筒可以装20个物料，已知工件的底面直径为100mm高密度为7.9kg/m日。由已知条件可以计算出当顶铁物料时，料筒最底下的那块铁重量M=20SHP=20x3.14x0.5x0.02x7.9=2.48kg经查资料可知铁与

21、塑料的摩擦因数为0.25，所以要想物料不落下，气缸所需 要的顶力Fn，由力的平衡方程可得：u F n =哑Fn =mg=9.92Nu考虑到各种元器件之间的摩擦，最终选择需要的最大压力必须大于9.92N。空压机的选用是以气压传动系统所需要的工作压力和流量两个参数为依据，根据计算，可选用额定排气压力为0.71MPa的低压空气压缩机。输出流量根据整个气动系统对压缩空气的需要，再加一定的备用余量，作为选择空气压缩机流量的依据。根据估算，选择小型（流量110m/min ）的空气压缩机。3. 执行元件执行元件主要是气缸，选择双作用气缸，亚德客品牌的普通型，型号为CDJ2B16-75-B。它的工作原理及特点

22、是：压缩空气驱动活塞沿轴线双方向运动， 活塞杆伸出和返回的伸出力和速度不相等，压缩空气消耗量也不相等。气缸的负载是推动工件，考虑到气缸内部存在一定的摩擦，所以气缸理论输出力为10N （略大9.92N ），经过查资料启动传动与控制，可以确定缸径 D=8mm压力 P=0.2MPa图3.14 双作用气缸4. 控制元件主要的控制元件是二位五通单电控电磁阀，选择亚德客品牌，型号为4V110-06 DC24,它的气动符号图如图3.15工作原理：1是进气管，2、4两个是出1经过阀从气管，3、5两个是排气管。当线圈通电时，阀工作在右阀位，进气由2出去，管4的气经阀从5排出；当线圈掉电时，阀在弹簧的弹力作用下，

23、阀工作在左阀位。图3.15二位五通单电控制阀5. 辅助元件 气源调节装置气源调节装置由过滤器、减压阀和油雾器三部分组成，简称为三联件，他连接图如图3.16。过滤器用于从压缩空气中进一步除去水分和固体杂质粒子等，减压阀用于将进气调节系统所需的压力；油雾器可以把油滴喷射到压缩空气中，以便对气动元件进行润滑。选择亚德客品牌，型号为AC2000图3.16 气动三联件 单向节流阀单向阀作用是只允许气体沿一个方向流到，反之则被截止。它的图形符号如图3.17所示，节流阀利用阀芯与阀口之间的缝隙大小来控制流量，缝隙越小节流 出过流面积越小，通过流量就越少；缝隙越大，通过的流量就越大。单向阀与节 流阀就组成了单

24、向节流阀，它只适用于负载和温度变化不大或速度稳定性要求不高的场合。选择品牌为SMC型号是AS120仆-M5-04图3.17单向节流阀6. 检测元件的选取及工作原理磁性传感器（简称磁性开关）是一种非接触式位置检测开关，其图形符号如 图3.18所示，它的工作原理：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用 输出信号的器件或装置图3.18磁性传感器光电传感器工作原理，在工作时，光发射始终发射检测光，若接近开关前方一定距离内没有物体，则没有光被发射到接收器，光电开关处于常态而不动作;反之若接近开关的前方一定距离内出现物体，只要发射回来的光强度足够，则接收器接收到足够的漫射光就会使接近开关动作而改变输

25、出的状态。其图形符 号如图3.19所示.-TTMR L图3.19光电传感器 电感传感器的工作原理，它是利用电涡流效应制成的有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理器组成， 利用金属物体在接近这个能产生 电磁场的振荡感应头时， 使物体内部产生电涡流。 这个电涡流反作用于接近开关, 使接近开关振荡能力衰减，内部电路参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。其图形符号如图3.20所示。Rl图3.20电感传感器 电容传感器，电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成 电容量变化的一种传感器。其图形符号如图3.21所示。图3.21 电容传感器 颜色传感器，将

26、物体颜色同前面已经示教过的参考颜色进行比较来检测颜色的机器我们称之为颜色传感器。颜色传感器是通过将物体颜色同前面已经示教过的参考颜色进行比较来检测颜色，当两个颜色在一定的误差范围内相吻合时， 输出检测结果第四章系统软件设计4.1 I/O 分配表表4-1 I/O 分配表序号地址注释1I0.0启动按钮2I0.1急停按钮3I0.2停止按钮4I0.3顶料气缸伸出到位5I0.4顶料气缸缩回到位6I0.5挡料气缸伸出到位7I0.6档料气缸缩回到位8I0.7气缸一伸出到位9I1.0气缸一缩回到位10I1.1气缸二伸出到位11I1.2气缸二缩回到位12I1.3气缸三伸出到位13I1.4气缸三缩回到位14I1.

27、5气缸四伸出到位15I1.6气缸四缩回到位16I1.7缺料传感器17I2.0下料传感器续表18I2.1电感传感器19I2.2电容传感器20I2.3颜色传感器21I2.4备用传感器22QO.O启动指示灯23Q0.1停止扌曰示灯24Q0.2缺料指示灯25Q0.3(YA1)顶料气缸26Q0.4(YA2)挡料气缸27Q0.5(YA3)铁物料)28Q0.6(YA4)铝物料29Q0.7(YA5)黄色物料30Q1.0(YA6)蓝色物料31Q1.1(KM1)变频器上电4.2 接线图卿气瞬即惟迪-俾暗惟铀i棘龜世仲制气蚱编醐神锂阳if肪惟 气仙轴昨二用传麟反 电報騎叵馳传般反oI卜屮10.0IC.l10.2K.

28、：I：/10,51C.610711.0ILL11.4 EM11.511.6II 712.012.1IE?12.31M 1L + QC.0 Q0AQ0.2Q0,3Q0.4Q0.5QC£Q0.72V3L +QLO21,LEC - lit t24V图4.1 PLC 硬件接线图并*1比I.C 制 24V6图 4.2 软件控制流程图4.3 软件控制流程图4.4顺序控制功能图IQDS0l2 -11-7IEM105S0L5 -回103106S0.6 OU)Q0L4M.4 【R )S0.3tt002003S07QQ3 "C >S1.UQQ6 T )SL10017 _1 )、1上I0J

29、 I1J11.1ii5-13-iil-L - J115IUfQU5 T R >S1.3(IJ0113IMIU图4.3顺序控制功能图4.5 PLC控制程序冋络1阳貉标極I幵机逬入初旳1爲SM0.1I02网站处初贻状态sag?禹S0.0SCHS0.2H R )20SQ0£ )1网络3inn|选择绿灯，启动系铳SD2©RT）网络*I选择函灯，科向制料11.7S13|/ |心 J瞬红灯,累绕偉止n?切4（SCRT）网站7< SCFE)网络GI初旅态前睡S0.2SCR镰灯奥起SMQ.0Qao< )11.7I0.4I0.5S0.5网络10I SO狱态结束SCRE)网络

30、11网络12丁克起SM0.0Q0.2)网络13I SU.瞅态结束SCRE)网络14网络lbS04W：SCRE)网络17网络27I迭择益色物料12.4S1.2（SCRT）冋络27I SO &犬态结束（SCRE）网络20网络30I诜择缩回气缸二10.711.0S1.3（SCRT）网络31"刀犬态结束网络32网络34I递1缩回气益二11.2S1.3（SCRT）网络35I S1.瞅态结朿SCRE)网络36（SCRT）网络39|5LI状念结宋(SCRF)网络40S1.2网络42I迭择缩回气缸四网络43S1.3(SCRT)SCRE)冋络44网络45I气缸一到气缸四缔回SMO.OQ0.5I

31、 IR)4网络46I傅不11.011.211.411.6S0.2（SCRT）第五章系统总成本估算5.1系统使用的零部件表5-1 零件名单表序号名称牌子型号数量单价/元总价/元1光电传感器SICKCDD-11N NPN3个401202磁性传感器N1212144OMDHOGHG12-10A3电感传感器OMDHONPR18-8DN1个11114电容传感器1个8383QW前卫CM18-3008NA5颜色传感器1个50506三相异步电动机上海贤特Y-802-41台3603607变频器西门子MICROMASTER 4401台173017308刀开关1个3030上海德力西HD11F-100/389热继电器正泰JRS1-0925/Z5.5-8A1个161610接触器正泰CJX2-1801 110/2201个414111可编程序控制器西门子6ES7216-2AD23-0XB81台1780178012双作用气缸SMCCDJ2B16-75-B6个3018013警示灯LTA-2051个636