基于PLC的物料分拣系统设计

]。当然，现在的国际之间的交流越来越容易，国内许多企业也逐渐开始研究和发展这方面的能力，近几年来，我国对物质要求越来越高，尤其是网上购物，致使分拣方面得到飞速发展，就最近很火的义务快递分拣机器人，简称小黄人，咋一看就像扫地机器人，但分拣速度却不慢，它主要是为60厘米以内50厘米宽的长度，约为5千克小包装重量，设置扫描码，称重，分拣功能，配送的最优路径，每个扫描码在一秒，速度有3米/秒，每个小时就可以完成18000件分类。还有很多类似的机器人或者分拣设备在各地实施投入使用。但是除了物流行业外的其他行业，运用到自动分拣系统的不是很多，而我国的相关部门和企业对此正在对此做着研究和发展，我相信，在不久的将来，我们的自动分拣技术会获得了较大的进发展。

2相关概述2.1分拣系统2.1.1分拣系统的基本组成根据预定义的分拣模式进行分拣的自动分拣系统，也就是说根据设计的程序的不同，能分拣的类别、状态及运输地点都可以改变，大大的提高生产输送的灵活性。该系统由控制装置、设备分类、输送装置、分拣通道四部分组成，通过计算机网络相互连接，自动分拣系统与人为监管相结合的，能根据用户的要求、不同环境、货物进行分拣。自动分拣机种类很多，其对象也有所不同，却能起到很好的分拣效果。物料分拣线的控制功能要求：（1）系统能够实现不同材质、不同颜色工件的判断，并能够根据检测结果自动分拣。（2）非正确放置的工件将被判断为不合格品，系统自动识别并作弃置处理。（3）所有经分拣或者弃置工件的具体数量能够通过PLC进行统计，最终由触摸屏显示。（4）输送皮带的频率可通过触摸屏实时调整并能够显示当前运行频率。（5）系统要求有严谨的安全保护机制，配备相关的紧急和复位操作，在缺料和非原点位置时不允许启动。系统的基本组成：本文设计的系统其结构图如图3-1所示：图3-1系统结构图（1）控制装置的功能是识别和接收分拣信号，并快速处理大量的分拣信息和指令，准确识别每件物料。根据分拣信号的要求，运输系统和物料分拣装置由系统的控制网络控制，物料按物料种类、交货地点或货主类型进口。自动分拣，及时、准确、协调地完成分拣作业，并将作业信息和数据反馈给主控监控系统。分拣要求可以以不同的方式输入到分拣控制系统中，例如条形码扫描、彩色码扫描、键盘输入、重量检测、语音识别、高度检测和形状识别。根据这些分选信号的判断，可以决定某类物料应该进入哪个分选入口。（2）物料分拣装置的功能是根据控制装置发出的分拣指令，当具有相同分拣信号的商品通过物料分拣装置时，改变输送带上的操作方向，进入其他输送机或进入分拣入口。分类设备有很多种，如发射、浮标、倾斜和分支。不同的设备对包装材料、包装重量和包装底面平整度有不同的要求。（3）输送机的主要部件是输送带或输送机。其主要功能是通过控制装置和分类装置对鱼进行分类，并连接输送装置的两侧。通常，连接几个分拣端口，以便分拣的物料滑下主传送带（或主传送带）以便随后操作。（4）分拣入口是被分拣物料离开主输送机（或主输送带）进入收集区域的通道。一般来说，它由钢带、皮带、滚筒等组成，使物料从主输送机滑到收集平台，入口处的所有物料由工作人员集中、储存或组装。2.1.2物料分拣电气控制系统的基本功能（1）系统可以实现对不同材质、不同颜色的工件的判断，并可根据检测结果自动对工件进行分类。（2）对放置不正确的工件进行不合格判定，系统自动识别并处理。（3）PLC可对被分拣或丢弃工件的具体数量进行计数，触摸屏显示传送带的频率可实时调节，并可显示当前的运行频率。该系统要求有严格的安全保护机制，配备相应的紧急和重置操作，并且不允许在没有材料和非原点位置时启动。2.1.3物料分拣电气控制系统的结构特点物料分拣系统是一套灵活的开发设备，可由多个工作站组成。根据分拣的实际需要，可以增加和减少每个工作站的类型和数量。模块化设计使其安装和拆卸非常方便。除安装拆卸方便外，物料分拣电气控制系统还集成了多种关键技术，如机械制造技术、传感检测技术、变频技术、触摸屏应用和PLC技术。学。该系统能显示企业的实际生产过程，使企业的产品控制过程具有自己的显示平台，直观的企业生产，能为企业的技术反思和后续技术改进提供良好的开发平台。其主要特点概括如下：（1）系统执行机构采用气动技术，具有清洁、节能、高效的优点。（2）分离单元，拆装灵活，安装灵活。（3）采用三菱小型PLC实现程序控制，以最小的经济投入获得最大的实际效益。（4）触摸屏和物理按钮的结合，使系统的控制更加方便快捷，界面更加友好。2.2PLC简介可编程逻辑控制器（PLC）是一种用于内部存储程序的可编程存储器，用于执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算术运算等面向用户的指令，控制各种机械或生产过程。数字或模拟输入/输出。可编程控制器的电源在整个系统中起着重要的作用。没有一个好的、可靠的供电系统，就不可能正常工作。因此，可编程序控制器的制造商也非常重视电源的设计和制造。一般来说，交流电压的波动在±10%（±15%）范围内。PLC可以直接连接到AC网络，而不采取其他措施。

3系统总体设计思路3.1物料分拣过程本设计要求做到，能准确分拣出铁物、铝物以及在铁物、铝物的前提下分拣出红色的还是蓝色的。具体过程：当一批物料需要分拣时，由下料模块开始，感应到有物料时，由送料气缸将物料送到输送装置传送带上，并下达指令，电机动作带着传送带工作，有接下来的限位开关和传感器控制传送带的停动状态，然后由电感、电容传感器测量物体的属性，再由对应的气缸送入接下来的颜色检测的传送带上，同时对应的传送带工作，将物体运到特定地方，开始检测其颜色属性，最后将分拣好的物料送到对应的收集器中，这样整个装置的运转就完成了一次。这样的分拣过程就需要有严格的硬件设备和规范严谨的程序控制，接下来会对本设计的硬件设备以及程序进行介绍。3.2系统的硬件设备3.2.1硬件结构框图图3-1硬件结构框图3.2.2下料模块在硬件结构框图中，能看到物料在被检测分拣前，需要有装置将其放到送料模块前，此装置就是下料模块。3.2.3送料模块送料模块是用来推送被分拣装置利用传感器检测出来物的物体，在软件程序中，由传感器和程序共同设定，当被检测出需要分拣的物体，就下达送料指令，这时送料模块动作。图3-2送料模块示意图3.2.4输送装置当物料被送料装置送出之后，需要有一定的装置将其运送到接下来的检测环节，即输送装置。本实验的输送装置就由一般的传送带完成，在PLC中，编译程序，给予电机相应的输出，就能让电机带着传送带动作，传送带开始工作，将被检测的物料运送到相应位置，在碰到对应的限位开关，程序控制电机输出为“0”，则传送带停止工作。图3-3传送带示意图3.3检测元件3.3.1下料传感器即作为光电传感器，光电检测传感器检测到光信号的位移量的变化，再转变成电信号。3.3.2电感传感器电感传感器用来测量铁质物料。在物料进入检测距离之后，感应瓷罐感应到物料，接下来就如图中所示过程处理，最后由传感器处理信号，传出PLC所能接收的开关量信号。图3-4电感传感器工作原理图3.3.3电容传感器电容式传感器跟电感传感器一样是具有开关量。图3-5电容传感器工作原理图

3.3.4颜色传感器本设计使用TCS3200D颜色传感器，它的工作电压在+2.7V～+5.5V，最好的测量距离是10毫米，能检测基本上所有的可见光，对本设计来说完全足够了。3.4PLC的选择3.4.1PLC简介可编程逻辑控制器，它开始是由美国最大的造汽车的公司，通用公司研造的。设计的产品要解决能多技术上的难题，要找到一种比继电器更好，更稳定的控制器，提出了许多要求，为了满足要求，世界上第一台可编程控制器PDP-14，研制成功，成功应用并取得了明显的效果，由此PLC出世了。3.4.2PLC的种类和选择经过多年以来，可编程控制器发展迅猛，不再像以前那么紧缺，功能上也有了大的进步，在应用方面能独当一面，适应不同的工作环境，利用率很高，在节约成本，节省劳动力，加快运营，促进社会进步上有很大的贡献。德国西门子公司的SS系列，S7系列；美国GE公司；还有美国AB公司PLC-5系列；日本三菱公司；还有我国无锡的华光SU、SG系列。本设计采用西门子公司的S7-300完成了程序的编写和设计。3.4.3PLC的工作原理PLC的工作方式是循环扫描，其扫描过程如图4-1所示。图3-6扫描过程

4下位机本设计PLC采用西门子S7-300，所以下位机编程软件就用SETP7。4.1STEP7的安装与使用4.1.1安装STEP7将STEP7安装包下载好,双击其中的Setup.exe图标，按照向导提示安装。因为STEP7是一个集合的软件包，里面有很多的软件，其功能也是非常的强大，我们点击所需的安装，在正式安装前会提示安装类型的选择，典型的、最小和自定义，我们选择典型的安装。安装过程中出现“SSF文件出错”，发现保存的各级文件的名称不能使用中文，当然为防止电脑自带的安全卫士软件出错，还是关闭了这些软件。4.1.2使用SETP7安装完成后，双击打开此图标，在文件中新建，名称为本设计的名称，右键项目名称，单机建好的站点，在硬件中插入所需的CPU型号，如图。图4-1编辑硬件结构在“”下打开“OB1”，开始编辑，进入编辑后还要选择编程语言，在工具栏“视图”下选择“LAD”。

4.2PLC程序的编写4.2.1I/O点分配在后面与上位机通信中，不能与PLC的数字量输入（比如I0.0）相连接，所以在SETP7程序编写时就将就I点换成储存位M来写。表4-1I/O分配表符号输入地址数据类型符号输出地址数据类型启动技钮M1.0BOOL启动指示灯Q0.0BOOL停止技钮M1.1BOOL停止指示灯Q0.1BOOL送料气缸伸出M1.3BOOL缺料指示灯Q0.2BOOL逹料气缸缩回M1.4BOOL送料气缸Q0.3BOOL气缸一伸出M1.5BOOL铁物Q0.5BOOL气缸一缩回M1.6BOOL铝物Q0.6BOOL气缸二伸出M1.7BOOL红色铁物Q0.7BOOL气缸二缩回M2.0BOOL篮色铁物Q1.0BOOL气缸三伸出M2.1BOOL绿色铁物Q1.1BOOL气缸三缩回M2.2BOOL红色铝物Q1.2BOOL气缸四伸出M2.3BOOL蓝色铝物Q1.3BOOL气SI四缩回M2.4BOOL绿色铝物Q1.4BOOL气缸五伸出M2.5BOOL气缸一动作Q1.5BOOL气缸五缩回M2.6BOOL气缸二动作Q1.6BOOL气缸六伸出M2.7BOOL气缸三动作Q1.7BOOL气缸六缩回M3.0BOOL气缸四动作Q2.0BOOL气缸七伸出M3.1BOOL气缸五动作Q2.1BOOL气缸七缩回M3.2BOOL气缸六动作Q2.2BOOL气缸八伸出M3.3BOOL气釭七动作Q2.3BOOL气缸八缩回M3.4BOOL气缸八动作Q2.4BOOL下料传感器M3.5BOOL电机1动作Q2.5BOOL电感传感器M3.6BOOL电机2动作Q2.6BOOL电容传感器M3.7BOOL电机3动作Q2.7BOOL红色传感器M4.0BOOL定时器1T1TIMER蓝色传感器M4.1BOOL定时器2T2TIMER绿色传感器M4.2BOOL定时器3T3TIMER铁物接近开关M4.3BOOL定时器4T4TIMER铝物接近开关M4.4BOOL定时器5T5TIMER红铁接近开关M4.5BOOL定时器6T6TIMER蓝铁接近开关M4.6BOOL定时器7T7TIMER红铝掊近开关M4.7BOOL蓝铝掊近开关M5.0BOOL复位M5.1BOOL4.2.2控制要求本文主要对物料的材质和颜色进行分拣，具体的控制如下连接电源，起动按钮，系统起动状态，启动灯亮。下料传感器开始检测，若有物料，在送料气缸缩回状态下，送料气缸就动作，将物料送上传送带，气缸动作2s。2s后，电机1动作，带动传送带1运转。当感传测到物体为铁质，且对应的铁物接近开关测到物体时，电机1停止运转，在气缸缩回状态下，对应的气缸动作2s，将物料推送到下一个传送带上继续检测。或者电机1运转到铝质接近开关时，电机1停止运转，容传测到铝质，且对应的气缸缩回，则气缸动作2s，将铝物送到颜色检测带上。2s后颜色检测带运转，当红传测到物质为红色，且红物接近开关测到材料，对应的传送带停止运转，在气缸缩回状态下，气缸动作2s，将红物送下检测带并收集。或者蓝物接近开关感应到材料，对应的传送带停止运转，且蓝色传感器感应到蓝物，在气缸缩回状态，气缸动作2s，将蓝物推下并收集。按下复位按钮即可进行下一次的分拣。在系统操作期间按下停止按钮，整个装置停止运转。4.2.3控制流程图图4-4流程图4.2.4PLC控制程序梯形图（一）当启动按钮按下，启动指示灯亮，系统准备就绪，并有自保持功能；如系统在执行中出现意外，只要将停止按钮按下，则整个系统停止工作。图4-5启动停止状态（二）下料状态，在下料传感器感应到物料，并且送料气缸缩回状态，送料气缸动作，此时定时器开始计时，这里采用接通延时定时器，2s后T1常闭开关断开，送料气缸停止工作。图4-6下料状态（三）2s后，T1定时器常开开关连上，电机1动作，让传送带1工作，将物料往后送，当物料碰到铁物接近开关且电感器传感器感应到铁物，或者物料到铁物限制开关但是检测不是铁物，传送带继续工作，到铝物接近开关时，电机1停止工作。图4-7电机1动作状态当物体到达铁物接近开关，电感传感器检测到时铁物，且对应的气缸缩回状态，即检测为铁物，这时对应的气缸动作，将铁物送到下一个检测带上，并开始计时，气缸动作2s，2s后铁物到达相应位置，且铁物灯亮。图4-8铁物检测阶段（五）在检测完铁物后，铁物已经到达颜色检测的传送带上，并且传送带开始工作，当物体到达红铁接近开关，且红色传感器感应为红色，电机2停止工作；或者没有检测出红色，到达蓝铁接近开关，电机2也会停止工作。图4-9电机2动作（六）开始检测铁物的颜色，物体到达红铁接近开关，红色传感器感应为红色，在对应的气缸缩回状态下，对应气缸动作2s，将物体送进收集器，2s后红色铁物指示灯亮。图4-10检测铁物为红色程序中检测铝物、检测铁物为蓝色、检测铝物的颜色不一一列出，过程与上述检测铁物，检测铁物为红色基本一致。按下复位键，所有定时器复位，准备下一次分拣。图4-11复位4.2.5PLC的仿真把编辑好的程序保存好后，点击图标，就可以把已经编好的程序块下载到PLC中了，然后点击SIMATIC管理器的工具栏上按钮，打开仿真软件功能，这时系统会自动装载程序，在工具栏中插入所需的输入、输出、位储存器以及定时器等。图4-12加入输入\输出仿真显示单击仿真模拟面板的“RUN”按钮，使仿真对象OB1处于运行状态，此时系统已经在仿真了，我们可以打开编辑器下的块中的OB1，单机工具栏中按钮，就能实时看到程序运行到哪一步，在具体的操作中，可以一步步的仿真程序的准确性。先是在RUN状态下，将仿真编辑器M1.0置为“1”，此时能看到Q0.0变成“1”，而且在监控状态下，程序Q0.0线圈通了，即输出转换到梯形图中了。图4-13启动模拟仿真图下料状态：在启动状态下，将下料传感器M3.5置“1”、送料气缸缩回置“1”，此时能看到送料气缸Q0.3被置为“1”，对应的线圈通路了，在自保持状态下，一直置为“1”，且定时器1开始定时。图4-14下料状态模拟仿真定时器1两秒后，被接通，常闭合触点就断开了，那么可以看到送料气缸Q0.3就不接通，不工作了。而电机1因为定时器1常开点闭合工作了，这一段的仿真时安全正确的。图4-15电机1工作模拟仿真接下来的仿真就一步步的模拟下去，在完成整个程序的仿真后，得出程序梯形图没有问题，且能完成预先设计要求，那么至此下位机的部分全部设计完成。

5上位机本设计使用的事西门子的PLC，故上位机采用WINCC。5.1组态软件WINCCflexible的安装此软件和普通软件的安装很相似，下载好安装包后，打开文件夹中的Setup.exe，单机对话框中的“下一步”，确认要安装的软件，因为有些已经安装过了，其前面的方框显示灰色。单机下一步，就开始安装了，此过程不需要操作，完全自动，直至弹出“安装程序已在计算机上成功安装了软件”对话框，重启电脑，即完成安装。同样，在安装过程中也会有错误的提示，跟安装STEP7一样需要打开执行，删除一个文件即可。5.2WINCCflexible与PLC集成通信我们先将WINCC与PLC建立通信后，再开始设计。先在STEP7项目结构视图中右键项目，在新建对象中插入“SIMATICHIMStation”，此时会自动开启WINNCC软件，并选择一个面板较大的设备，如图。图5-1“选择设备”对话框我们在用硬件组态工具进行建立连接两个站点，双击SIMATIC300站点里的“硬件”，就会打开“HWConfig”窗口，双击cpu所在行，弹出来的窗口中属性改成如下状态。图5-2HMI联网窗口在硬件组态窗口中，双击其中的“IFIBMPI/DP”所在的行，在出现的对话框中，用与连接SIMATIC300站到MPI网络一样的方法连接到MPI网络上。在每次组建完成后，一定要单机工具栏上的“保存与编译”图标。最后我们要在WINCC中建立与STEP7的联系，在WINCC项目里，双击“通讯”的“连接”，打开连接窗口，单机连接表中第一行，就会自动呈现在S7-300的连接将名称书写一致，把“激活的”和“在线”调成“开”状态，并把“工作站”设置成先前保存的文件，另外还要编辑“通信”中的“变量”，双击变量表下方一个空白行，就会出来一个默认的变量，且生成的变量跟上一个的差不多，只需要改变不一样的地方即可。图5-3WINCC连接设置5.3在WINCCflexible中画画5.3.1组态按钮、开关在组态画面右侧“工具”中，有很多图形元素，默认有“简单对象”、“增强对象”、“图形”和“库”，我们就要在这些元素中寻找构成整个画面的所有元素，完成上位机基本界面。如图。图5-4组态画面工具栏首先在“简单对象”中会用到“按钮”和“开关”点击“按钮”图标，将其拖至画面适当位置，松开鼠标，在其四周的8个小正方形上改变其大小。单机图标，最下方会出现该按钮的属性，我们要做的就是对其属性进行编辑，达到让按钮动作时有相应的事件发生。在属性中“常规”一栏，将按钮的名称写上，在“事件”类的“按下”中单击视图右侧最上一行，在单击它右侧出现的黑色下拉键，列表中的“编辑位”下的函数“SetBit”，并设置成我们所需要的变量即可，在“释放”下一样操作，只需要将函数改成“ResetBit”如图。图5-5按钮属性设置上述是按下按钮之后为1，松开之后为0的状态，实际上我们还需要另一种按钮，单击松开鼠标之后保持为1，再次按下松开变为0，只需要在“事件”下“单击”属性中进行编辑，将内容设置成“InvertBit”，即可实现该功能。“开关”就简单一点了，在属性里，将“常规”里名称设置成我们所需要显示的名称，在“过程变量”里找到对应的限位开关即可。5.3.2组态指示灯在默认的工具中是没有显示“开/关”状态的指示灯，所以我们在“库”中，右键点击空白区，执行“库”下的“打开”，在出现的对话框中打开文件夹“C\ProgramFiles\Siemens\SIMATICWinCCflexble\WinCCflexibleSupport\Libraries\System-Libraies”,“Button_and_switches.wlf”。这样我们在“库”中刚插入的“Button_and_switches”下“Indicator_switches”找到知识灯，将其拖到画面合适位置，改变大小就可以用了。要想指示灯有相应的动作，就一定要将指示灯与连接的变量建立连接，还是将属性中“常规”中变量改成相应的变量。我还用到了一些其它的元素，比如线、矩形等。有些一样要在仿真中有所变化，就给相应的变量就行了。5.3.3画面图5-6组态画面在WINCC画面画完之后，将每一个元素，包括开关、按钮、指示灯等全部对象，进行属性编辑，全部编辑完成后上位机的所有内容都编写完成了。5.3.4WINCCflexible与PLCSIM集成控制先在SIMATICManangr中单机工具栏图标，打开仿真器，将仿真页面中调到“RUN-P”状态，然后单击图标，在弹出来的对话框中全部点“是”，将之前编写好的PLC程序下载下来，然后打开WINCC，在工具栏中单击图标，启动运行系统，等待一会后，整个模拟系统就开始运行了。单击组态画面页面中的“启动”按钮，在PLCSIM中MB1的字节视图看到第0位的输出为“1”，表示通过WINCC控制，M1.0位被传到PLC中置为“1”，从而使启动指示灯的控制位Q0.0变成为“1”状态，对应的组态画面上的指示灯也亮了。如下图。图5-7启动状态调试运行结果下料状态：在启动状态下，单机“下料”按钮，表示下料传感器感应到物体、将“送缩”开关置为“1”，此时能看到送料气缸Q0.3被置为“1”，对应的线圈通路了，在自保持状态下，一直置为“1”，且定时器1开始定时，在WINCC里看到送料气缸有一个向前的动作。如下图。图5-8下料状态调试运行结果当定时器1两秒后，被接通，常闭合触点就断开了，那么可以看到送料气缸Q0.3就不接通，从而退回了原地。而电机1因为定时器1常开点闭合工作了，即图示中传送带1变绿了。图5-9电机1运行状态调试运行结果之前电机1一直工作，被检测物体一直随着传送带走，将“铁”（铁质接近开关）开关置为“1”，单击“感传”这时电机1停止工作，传送带颜色变回白色，定时器2开始计时，气缸1动作2秒，将物体推上传送带2上；两秒后Q0.5接通，白色物体变蓝，表示检测为铁物，且电机2工作，传到带2颜色变为绿色。如下图。图5-10铁物检测状态模拟仿真图将之前的限位全部置为“0”，再进行铁物的颜色检测，铁物跟着传送带2走，到红色检测处，（模拟不是红色的）红色传感器并没有反应，所以电机2继续动作，到蓝色接近开关处，将“蓝铁”（蓝铁接近开关）开关置为“1”并点击“蓝传”将其置为“1”，此时电机2停止工作，在定时器5的定时下气缸四动作2秒，将物体推下传送带收集，2秒后气缸四停止动作，并且代表蓝铁的灯亮起。如图。图5-11检测蓝铁状态模拟仿真图结论在PLC中符号表的输入输出，完成I/O点的分配很重要，这是后面编程的前提，在WINCC中也多次进行调用，然后是梯形图的完成与仿真，在调试监控状态下，能清楚的看到程序运行的过程，及是否正确，在多次修改之后，完成了PLC的编程。在上位机WINCC中，通过阅读文献以及寻求帮助下，解决很多问题，顺利完成上位机的监控画面，并进行模拟仿真。本设计针对物料的铁铝，红蓝进行分拣，最后通过在仿真模式下，手动控制传感器的输入，准确的完成了对物料的分拣。经过这段不短的时间里，我对本专业的知识有了进一步的掌握，本身有一些不能理解和没弄懂的地方，在这次的论文编写中应用到了，这说明我所掌握的知识还需要加强才能应付，所以在这段时间里，学习到了很多东西。学到的东西跟能拿出来应用是不一样的，就拿PLC编程的梯形图来说，在纸上画出大概的框图，但是实际在仿真里，有很多不一样的麻烦，常闭常开弄反了，接线接的不对，逻辑关系错误等等，总之理论与实践总会有误差，我们只有不断地通过实践来完善，要求做到最好，并在以后的学习中打好基础。通过这次实际操作，还明白了团体合作的重要性，分工的合理性能要事情变得事半功倍。

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