PLC物料分拣系统设计

PLC物料分拣系统设计PLC物料分拣系统设计/PLC物料分拣系统设计目次1绪论 11.1分拣系统基本介绍 11.2分拣系统的技术指标 21.3本文研究的主要内容 32自动分拣系统硬件设计 42.1分拣系统主要硬件组成 42.1.1整体外观 42.1.2系统概述 42.1.3系统组成 42.1.4送料机构 52.1.5机械手搬运机构 62.1.6物料传送和分拣机构 72.2PLC的选型 82.2.1PLC的分类 82.2.2PLC种类及型号选择 92.3传感器的选择 92.3.1传感器的简介 92.3.2传感器的选择 102.4驱动部件分析与选择 122.5执行机构的选择 132.6硬件设计及实际模型的建立 142.7其他元器件及其选择 152.8I/O口的选择及PLC接线 163物料自动分拣系统软件设计 203.1可编程控制器（PLC）简介 203.2分拣系统的控制要求及其流程图 233.3软件设计及编程 244物料分拣系统的安装与调试 294.1PLC程序的模拟调试 294.2硬件的安装调试 294.2.1气缸的调试 304.2.2电感、电容传感器的调试 304.2.3光电传感器的调试 304.3联机调试 304.4调试结果 31结论 32致谢 33参考文献 341绪论1.1分拣系统基本介绍自动分拣系统(Automaticsortingsystem)是先进配送中心所必需的设施条件之一。它具有很高的分拣效率，通常每小时可分拣商品6000-12000箱，可以说，自动分拣机是提高物流配送效率的一项关健因素。它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，该系统目前已经成为发达国家大中型物流中心不可缺少的一部分。自动分拣机是自动分拣系统的一个主要设备。该系统的作业过程可以简单描述如下：物流中心每天接收成百上千家供应商或货主通过各种运输工具送来的成千上万种商品，在最短的时间内将这些商品卸下并按商品品种、货主、储位或发送地点进行快速准确的分类，将这些商品运送到指定地点（如指定的货架、加工区域、出货站台等），同时，当供应商或货主通知物流中心按配送指示发货时，自动分拣系统在最短的时间内从庞大的高层货存架存储系统中准确找到要出库的商品所在位置，并按所需数量出库，将从不同储位上取出的不同数量的商品按配送地点的不同运送到不同的理货区域或配送站台集中，以便装车配送[1]。自动分拣系统一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口组成。控制装置的作用是识别、接收和处理分拣信号，根据分拣信号的要求指示分类装置、按商品品种、按商品送达地点或按货主的类别对商品进行自动分类。这些分拣需求可以通过不同方式，如可通过条形码扫描、色码扫描、键盘输入、重量检测、语音识别、高度检测及形状识别等方式，输入到分拣控制系统中去根据对这些分拣信号判断，来决定某一种商品该进入哪一个分拣道口。分类装置的作用是根据控制装置发出的分拣指示，当具有相同分拣信号的商品经过该装置时，该装置动作，使改变在输送装置上的运行方向进入其它输送机或进入分拣道口。分类装置的种类很多，一般有推出式、浮出式、倾斜式和分支式几种，不同的装置对分拣货物的包装材料、包装重量、包装物底面的平滑程度等有不完全相同的要求。输送装置的主要组成部分是传送带或输送机，其主要作用是使待分拣商品贯通过控制装置、分类装置，并输送装置的两侧，一般要连接若干分拣道口，使分好类的商品滑下主输送机（或主传送带）以便进行后续作业。分拣道口是已分拣商品脱离主输送机（或主传送带）进入集货区域的通道，一般由钢带、皮带、滚筒等组成滑道，使商品从主输送装置滑向集货站台，在那里由工作人员将该道口的所有商品集中后或是入库储存，或是组配装车并进行配送作业。以上四部分装置通过计算机网络联结在一起，配合人工控制及相应的人工处理环节构成一个完整的自动分拣系统[2]。1.2分拣系统的技术指标二次大战以后，自动分拣系统逐渐开始在西方发达国家投入使用，成为发达国家先进和物流中心，配送中心或流通中心所必需的设施条件之一。（1）能连续、大批量地分拣货物由于采用大生产中使用的流水线自动作业方式，自动分拣系统不受气候、时间、人的体力等的限制，可以连续运行，同时由于自动分拣系统单位时间分拣件数多，它可以连续运行100个小时以上，每小时可分拣7000件包装商品，如用人工分拣则每小时只能分拣150件左右，同时分拣人员也不能在这种劳动强度下连续工作8小时。（2）分拣误差率极低自动分拣系统的分拣误差率大小主要取决于所输入分拣信息的准确性大小，这又取决于分拣信息的输入机制，如果采用人工键盘或语音识别方式输入，则误差率在3%以上，如采用条形码扫描输入，除非条形码的印刷本身有差错，否则不会出错。因此，目前自动分拣系统主要采用条形码技术来识别货物。（3）分拣作业基本实无人化国外建立自动分拣系统的目的之一就是为了减少人员的使用，减轻工员的劳动强度，提高人员的使用效率，因此自动分拣系统能最大限度地减少人员的使用，基本做到无人化。分拣作业本身并不需要使用人员，人员的使用仅局限于送货车辆抵达自动分拣线的进货端时，由人工接货，由人工控制分拣系统的运行，分拣线末端由人工将分拣出来的货物进行集载、装车，自动分拣系统的经营、管理与维护。如美国一公司配送中心面积为10万平方米左右，每天可分拣近40万件商品，仅使用400名左右员工，自动分拣线做到了无人化作业。对于分拣系统的应用前景，主要着眼于分拣系统的可靠性，优越性，应用领域的适用性以及系统的经济效益、成本等方而来考虑。但因分拣系统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。对于自动分拣系统因其自身存在的一些问题，在一定程度上限制了其应用的领域及其范围。在引进和建设自动分拣系统时一定要考虑以下条件：自动分拣系统的一次性投资巨大，其本身需要建设短则40~50米，长则150~200米的机械传输线，还有配套的机电一体化控制系统、计算机网络及通信系统等，这一系统不仅占地面积大，动辄2万平方米以上，而且一般自动分拣系统都建在自动主体仓库中，这样就要建3~4层楼高的立体仓库，库内需要配备各种自动化的搬运设施，这丝毫不亚于建立一个现代化工厂所需要的硬件投资。这种巨额的先期投入要花10~20年才能收回，如果没有可靠的货源作保证，则有可能系统大都由大型生产企业或大型专业物流公司投资，小企业无力进行此项投资[3]。它对商品外包装要求也很高，自动分拣机只适于分拣底部平坦且具有刚性的包装规则的商品。袋装商品、包装底部柔软且凹凸不平、包装容易变形、易破损、超长、超薄、超重、超高、不能倾覆的商品不能使用普通的自动分拣机进行分拣，因此为了使大部分商品都能用机械进行自动分拣，可以采取二条措施：一是推行标准化包装，使大部分商品的包装符合国家标准；二是根据所分拣的大部分商品的统一的包装特性定制特定的分拣机。但要让所有商品的供应商都执行国家的包装标准是很困难的，定制特写的分拣机又会使硬件成本上升，并且越是特别的其通用性就越差。因此公司要根据经营商品的包装情况来确定是否建或建什么样的自动分拣系统。1.3本文研究的主要内容在本文中，以生产线上不同物料的分拣系统为例，详细分析了基于PLC控制的自动分拣系统的设计，介绍了分拣系统中传感器信号的采集、处理的一些基本知识，并通过设计要求与技术指标的比较，确定了硬件系统中的各种元器件及其模块的选型。在介绍了一些PLC、传感器、气动系统基本知识后，对本课题进行硬件与软件设计，设计出主电路与控制回路，并建立了实际的模型，在软件设计中，确定了I/O分配，并按照控制要求设计出了PLC梯形图。在本系统完成其设计之后，对其进行整体安装与调试。在硬件部分，调试其各部分安装的位置及角度，使其材料物块的运行与传感器安装的角度适合。将各气缸的动作速度进行调试之后，进行了软硬件综合调试，实现材料分拣系统中上料、传送与分拣的全过程[4]。2自动分拣系统硬件设计2.1分拣系统主要硬件组成2.1.1整体外观如图2-1所示为PLC物料自动分拣系统的整体硬件图。图2-1自动分拣系统硬件图2.1.2系统概述本物料分拣装置主要由PLC控制模块、变频器、机械手、位置检测与控制、物料输送及分拣、气动系统等模块组成。通过传感器信号采集，PLC编程，对电磁阀、直流电机、交流电机等进行复杂的开关量控制、位置控制及时序逻辑控制，实现物料提升、故障报警、气动机械手搬运、皮带机输送、物料分拣等功能。2.1.3系统组成（1）该装置由型材实训台、物料提升机构、气动机械手、物料输送及分拣机构、PLC模块、变频器模块、按钮模块、电源模块、各种传感器、物料、I/O接口板和气管等组成。（2）电源模块由三相电源总开关（带漏电和短路保护）、熔断器、单相电源输出、三相电源输出、电源插座、开关电源（提供DC24V）等组成。（3）按钮模块由急停按钮、转换开关、复位按钮、自锁按钮、指示灯等组成。（4）变频器模块由欧姆龙3G3JV-AB004变频器及接线柱组成。（5）PLC模块由三菱主机为FX1N-40MR-001内置开关量I/O（24路开关量输入/16路继电器输出）构成，机箱内装有24V/5A的开关电源为系统提供直流电源。（6）物料提升机构由单出杆气缸、电磁阀、磁性开关、警示灯、直流减速电机、机械结构件等组成。（7）气动机械手机构由单出杆气缸、双出杆气缸、旋转气缸、气爪、磁性开关、缓冲阀、电磁阀、机械结构件等组成。（8）物料输送及分拣机构由三相交流电机、皮带、单出杆气缸、磁性开关（磁电传感器）、电磁阀、电涡流式电感传感器、电容式传感器、漫反射型光电传感器、机械结构件等组成[5]。2.1.4送料机构如图2-2所示为送料机构硬件图。其中包括放料转盘：转盘中共放两种物料，一种金属物料、一种非金属物料。驱动电机：电机采用24V直流减速电机，转速10r/min，转矩30kg/cm；用于驱动放料转盘旋转；物料滑槽：放料转盘旋转，物料互相推挤趋向入料口，物料则从入料口顺着滑槽落到提升台上；提升台：将物料和滑槽有效分离，并确保每次只提升一个物料；物料检测传感器：物料检测为光电漫反射型传感器，主要为PLC提供一个输入信号，如果有物料在提升台上，就会驱动提升气缸提升物料；如果运行中，光电传感器没有检测到物料并保持4秒钟，则让系统停机然后报警；磁性传感器：用于提升台气缸的位置检测。检测气缸伸出和缩回是否到位，为此在前点和后点上各一个，当检测到气缸准确到位后将给PLC发出一个信号。磁性传感器接线时注意。蓝色接GND，棕色经过负载接PLC输入端；提升气缸：提升气缸使用的是单向电控气阀。当电控气阀得电，物料提升台上升，当电控气阀断电，则物料提升台下降。图2-2送料机构图2.1.5机械手搬运机构如图2-3所示为机械手搬运机构的硬件图。整个搬运机构能完成四个自由度动作，手臂伸缩、手臂旋转、手爪上下、手爪紧松。手爪提升气缸：提升气缸采用双向电控气阀控制，气缸伸出或缩回可任意定位；磁性传感器：检测手爪提升气缸处于伸出或缩回位置；手爪：抓取物料由单向电控气阀控制，当单向电控气阀得电，手爪夹紧磁性传感器有信号输出，指示灯亮，单控气阀断电，手爪松开；旋转气缸：机械手臂的正反转，由双向电控气阀控制；接近传感器：机械手臂正转和反转到位后，接近传感器信号输出；双杆气缸：机械手臂伸出、缩回，由双向电控气阀控制。气缸上有装有两个磁性传感器，检测气缸伸出或缩回位置；调速阀：调节旋转气缸的转动速度和力度，同时也可调节提升气缸的伸缩速度和力度；缓冲器：旋转气缸高速正转和反转到位时，起缓冲速作用[6]。图2-3机械手搬运机构图表2-1为各环节输入点的输入点一输出点控制序号动作顺序PLC输出点M状态说明1机械手的双臂伸出Y7M112手爪下降Y11M123抓取物料（手爪夹紧）Y13M134手爪提升Y12M145手臂缩回Y10M156旋转气缸右转Y5M167手爪下降Y11M178手爪松开，放料（单缸）RSTY13M189手爪提升Y12M1910旋转气缸左转Y6M20初始态（系统启动后，物料在料台高位）M10终止态（整个搬运结束）最后机械手返回原位，重新开始下一个循环。M21表2-1各环节输入点的输入点一输出点控制2.1.6物料传送和分拣机构如图2-4所示为物料传送和分拣机构的硬件图。其中包括落料光电传感器：检测是否有物料到传送带上，并给PLC一个输入信号；落料口：物料落料位置定位；金属料槽：放置金属物料；塑料料槽：放置非金属物料；电涡流式电感传感器：检测金属材料，检测距离为2～5mm；电容式传感器：用于检测非金属材料，检测距离为3～8mm；三相低速电动机：驱动传送带转动，由变频器控制；推料气缸：将物料推入料槽，由单向电控气阀控制[7]。图2-4物料传送和分拣机构图2.2PLC的选型2.2.1PLC的分类目前，在我国PLC的分类还没有一个统一的标准。根据性能和应用范围可将其进行如下分类。（1）按性能分类根据PLC的I/O点数、用户程序存储器容量和控制功能的不同，可将其分为小型、中型和大型二类。小型PLC又称低档PLC，它的I/O点数小于128点，用户程序存储器容量小于4K字，功能简单，以开关量控制为主，可实现条件控制、顺序控制、定时记数控制。适用于单机或小规模生产过程。中型PLC又称中档PLC，它的I/O点数在128~512点之间，用户程序存储器容量为4K~8K字，功能比较丰富、兼有开关量和模拟量的控制能力，具有浮点数运算、数制转换、中断控制、通信联网和PID调节等功能。适用于小型连续生产过程的复杂逻辑控制和闭环过程控制。大型PLC又称高档PLC，它的I/O点数在512点以上，用户程序存储器容量达到8K字以上，控制功能完善，在中档机的基础上，扩大和增加了函数运算、数据库、监视、记录、打印及中断控制、智能控制、远程控制的功能。适用于大规模的过程控制、集散式控制系统和工厂自动化网络。（2）按结构分类根据PLC的构成形式，可将PLC分为整体式和机架式(模块式)两大类。整体式PLC是将CPU、存储单元、输入输出模块和电源部件集中配置在一个机箱内。这种PLC输入输出点数少、体积小，价格低，便于装入设备内部。小型PLC通常采用这种结构。机架式PLC将各单元做成独立的模块，使用时将这些模块分别插入机架底板的插座上。可根据生产实际的控制要求建立模块，构成不同的控制系统。这种PLC输入输出点数多，配置灵活方便，易于扩展。大中型PLC通常采用这种结构。（3）按应用范围分类根据应用范围的不同，可将PLC分为通用型和专用型两类。通用型PLC作为标准工业控制装置可在各个领域使用，而专用型PLC是为了某类控制要求专门设计的PLC，如数控机床专用型、锅炉设备专用型、报警监视专用型等。由于应用的专一性，使其控制质量大大提高[8]。2.2.2PLC种类及型号选择PLC种类较多，主要有西门子、三菱、OMRON、FANAC、东芝等，但能配套生产，大、中、小、微型均有配套且目前用得最广泛的的主要是西门子、三菱、OMRON的PLC。根据系统中的控制要求PLC点数：实际输入点15点，实际输出点8点，综合对比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西门子系列、OMRON系列中I/O点数为32点各型号的PLC的价格、性能、实用场合等各方面，本系统可选择PLC型号为：三菱主机为FX1N-40MR内置开关量I/O（24路开关量输入/16路继电器输出）；机箱内装有24V/5A的开关电源为系统提供直流24V电源。三菱FX1N-40MRPLC拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点.。三菱FX1N-40MR是三菱电机推出的功能强大的普及型PLC。具有扩展输入输出，模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性。是一款广泛应用于一般的顺序控制三菱PLC[9]。2.3传感器的选择2.3.1传感器的简介国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器是一个完整的测量装置（或系统），能把被测非电量转换为与之有确定关系的有用电量输出，以满足信息的传输处理、记录、显示和控制等要求。传感器一般由敏感元件、变换元件和其他辅助元件组成。但是随着传感器集成技术的发展，传感器的信号调理与转换电路也会安装在传感器的壳体内或者与敏感元件集成在同一芯片之上。因此，信号调理电路以及所需辅助电源都应作为传感器组成的一部分，如图2-5所示[10]。图2-5传感器的组成示意图敏感元件——感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量的元件，如膜片和波纹管，可以把被测压力变成位移量。若敏感元件能直接输出电量（如热电偶），就兼为传感元件了。还有一些新型传感器，如压阻式和谐振式压力传感器、差动变压器式位移传感器等，其敏感元件和传感器就完全是融为一体的。变换元件——又称传感元件，是传感器的重要组成元件。它可以直接感受被测量（一般为非电量）且输出与被测量成确定关系的电量，如热电偶和热敏电阻。传感元件也可以不直接感受被测量，而只感受与被测量成确定关系的其他非电量。例如，差动变压器式压力传感器，并不直接感受压力，而只是感受与被测压力成确定关系的衔铁位移量，然后输出电量。一般情况下使用的都是这种传感元件。信号调理与转换电路——能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用信号的电路。信号调理与转换电路根据传感元件类型的不同有很多种类，常用的电路有电桥、放大器、振动器和阻抗变换器等。传感器根据使用要求的不同，可以做的很简单，也可以做的很复杂；可以使带反馈的闭环系统，也可以是不带反馈的开环系统。因此，传感器的组成将依不同的情况而有所差异[11]。2.3.2传感器的选择传感器是将被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。它主要被用于检测系统本身与作业对象、作业环境的状态，为有效地控制系统的动作提供信息。根据本设计的要求需要对位置检测装置、金属传感器进行选用。位置检测装置检测气缸动作是否到位，金属传感器是为了完成对物料的识别。（1）位置检测装置在本设计中，当气缸执行动作时，应有相应的位置检测装置检测动作是否到位，常用的位置检测装置是行程开关。行程开关又称限位开关，是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。行程开关的品种规格很多，按其操作结构可分为直动、滚轮直动、杠杆单、双轮等。选用行程开关时，应根据不同使用场合，满足各方面的要求来进行选择。本设计中采用直线接触式磁感应开关检测气缸回位动作是否到位，当运动到指定位置时，碰到行程开关，终结上一个动作，准备执行下一个动作。（2）金属传感器金属传感器按工作原理分大致可以分为以下三类：利用电磁感应高频振荡型，使用磁铁磁力型和利用电容变化电容型。接近传感器可以不与目标物实际接触情况下检测靠近传感器金属目标物。按检测方法分：所有金属型：相同检测距离内检测任何金属。有色金属型：主要检测铝一类有色金属。通用型：主要检测黑色金属(铁)。非接触检测，避免了对传感器自身和目标物损坏。无触点输出，操作寿命长。有水或油喷溅苛刻环境中也能稳定检测。反应速度快。小型感测头，安装灵活。接近传感器原理：电容式接近传感器由高频振荡器和放大器等组成，由传感器检测面与外界构成一个电容器，参与振荡回路工作，起始处于振荡状态。当物体接近传感器检测面对，回路电容量发生变化，使高频振荡器振荡。振荡与停振这二种状态转换为电信号经放大器转化成二进制开关信号。高频振荡型接近传感器工作原理：电感式接近传感器由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。振荡器传感器检测面产生一个交变电磁场，当金属物体接近传感器检测面时，金属中产生涡流吸收了振荡器能量，使振荡减弱停振。振荡器振荡及停振这二种状态，转换为电信号整形放大转换成二进制开关信号，经功率放大后输出。通用型接近传感器工作原理：振幅变化程度随目标物金属种类不同而不同，检测距离也随目标物金属种类不同而不同。所有金属型传感器工作原理：所有金属型传感器基本上属于高频振荡型。和普通型一样，它也有一个振荡电路，电路中因感应电流目标物内流动引起能量损失影响到振荡频率。目标物接近传感器时，目标物金属种类如何，振荡频率都会提高。传感器检测到这个变化并输出检测信号。有色金属型传感器工作原理：有色金属传感器基本上属于高频振荡型。它有一个振荡电路，电路中因感应电流目标物内流动引起能量损失影响到振荡频率变化。当铝或铜之类有色金属目标物接近传感器时，振荡频率增高；当铁一类黑色金属目标物接近传感器时，振荡频率降低。振荡频率高于参考频率，传感器输出信号[12]。2.4驱动部件分析与选择系统的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置，其驱动系统根据动力源的不同，分为液压、气压、电气、机械、气液联合和电液联合等多种方式。目前采用的主要有液压、气压、电气这三种驱动方式。液压驱动，功率重量比大，可实现频繁平稳的变速和换向，容易实现过载保护，可自行润滑，使用寿命长。但也存在其油液容易泄露污染环境，需要配备油源，成本较高，工作噪声较大。电气驱动，控制精度高，驱动力较大，响应快，信号检测、传递、处理方便。但是由于这种驱动方式价格昂贵，限制了在一些场合的应用。因此，人们寻求其他一些经济适用的驱动方式。气压驱动具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强、在工业机械手中应用较多。另一方面，气动技术作为“廉价的自动化技术”，由于其元器件性能的不断提高，生产成本的不断降低，被广泛应用于现代化工业生产领域。在现代化的成套设备与自动化生产线上，几乎都配有气动系统。气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要使用工具。表2-2给出了各种控制方式的比较：项目气压传动液压传动电气传动机械传送系统结构简单复杂复杂较复杂安装自由度大大中小输出力稍大大小不太大定位精度一般一般很高高动作速度大稍大大小响应速度慢快快中清洁度清洁可能有污染清洁较清洁维护简单比气动复杂需要专门技术简单价格一般稍高高一般技术要求较低较高最高较低控制自由度大大中小危险性几乎无问题注意着火一般无问题无特殊问题表2-2各种控制方式的比较通过以上三种驱动方式的比较选用气动驱动的方式，不仅能够满足了本设计的要求，而且节约了成本[13]。2.5执行机构的选择在气压传动系统中，组成气动回路是为了驱动用于各种不同目的机械装置，其最重要的三个控制内容是：力的大小、运动的方向和运动的速度。与生产装置相连接的各种类型的气缸，靠压力控制阀、方向控制阀和流量控制阀分别实现对三个内容的控制，正是利用它们组成了各种气动控制回路。现今各控制系统中用于分拣物料的执行机构主要有以下几种：（1）机械手夹持式夹持式手部的结构与人手类似，是工业机械广泛应用的一种手部形式。它主要由手指、传动机构、驱动机构组成。其又可分为内撑式、外夹式和内外夹持式，区别在于夹持工件的部位不同，手爪动作方向相反。夹持式手部设计时应注意以下事项：①手指应有一定的开闭范围；②手指应具有适当的夹紧力；③要保证工件在手指内的定位精度；④结构紧凑，重量轻，效率高；⑤通用性和可换性。（2）气吸式气吸式手部又称为真空吸盘式手部，它是通过吸盘内产生真空或负压，利用压差而将工件吸附，是工业机械手常用的一种吸持工件的装置。它由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，具有结构简单、质量轻、不易损伤工件、使用方便可靠等优点；但要求工件上与吸盘接触的部位光滑平整、清洁、被吸附工件材质致密，没有透气空隙。主要适应于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、纸张及塑料等表面光滑工件的抓取。气吸式又可分为：负压吸盘：真空式、喷气式、自挤式空气吸盘；磁力吸盘：永磁吸盘、电磁吸盘。真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附头的空气而形成真空，故称真空式。喷气式吸附的工作原理是当压缩空气高速进入喷嘴时，由于管路的开始段截面积是逐渐收缩的，所以气流速度逐渐增大，在吸气口处形成负压。吸附头与吸气口连同，故形成真空，以吸住工件。自挤式空气吸盘是将软质吸盘按压在工件的表面，挤出吸盘内的空气、从而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的导磁性，利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附材料工件。（3）气缸式气缸输出直线往复式气缸是气动执行元件之一。目前最常选用的是标准气缸，其结构和参数都已系列化、标准化、通用化。水平伸缩气缸选用单活塞杆双作用气缸。单活塞杆双作用气缸一般由缸筒、前后缸盖、活塞、活塞杆、密封件和紧固件等组成。其工作原理：对于前伸/回缩气缸，当左侧无杆腔进气，右侧有杆腔排气时活塞杆前伸，反之，活塞杆回缩；对于上升/下降气缸，当上侧无杆腔进气，下侧有杆腔排气时，活塞杆下降，反之活塞杆上升。当气缸动作时动作限位开关断开，气缸快速弹出，此时先导式电磁阀复位，当气压太大时而气缸没有复位时气缸复位限位开关感应动作从而关闭先导式电磁阀从而起到保护气缸的作用。气缸式的执行机构动作比较稳定，易于维修，控制过程简单，所以该材料分拣系统执行机构选择气缸推动式[14]。2.6硬件设计及实际模型的建立材料分拣机的PLC控制用于对相关材料的自动化分拣，其硬件结构框图如图2-6所示。图2-6系统的硬件结构框图2.7其他元器件及其选择料槽是一个材料手动入库而自动出库的装置，底部有一个光电传感器。使用时可先人为地将材料放入料槽中，此时光电传感器检测到料块时系统开始运行。当系统运行时，启动传送带并由出料气缸将料库内底层材料推入传送带。传送带是由单向感应电机驱动的皮带式输送装置。调压阀、空气滤器与气压指示仪表集中于一个模块上，它们接收来自气源的气压并传送到下面的2个气阀中。调节调压阀降压，使其输出压力与每台气动设备和装置所需要的压力一致，并保持该压力的稳定。空气过滤器作用是滤除压缩空气中的水分、油滴以及杂质微粒等危害，以达到系统要求的净化程度。油雾器是一种特殊的注油装置，它以压缩空气为动力，将润滑油喷成雾状并混合于压缩空气中，并随空气进入需要润滑的部件，达到润滑的目的，使压缩空气具有润滑气动元件的能力。自动分选部分由传感器、先导式电磁换向阀、气缸及导料轨道组成。当传感器检测到相应料块时，对应的先导式电磁换向阀动作驱动气缸动作将其推人应去的滑道。例如：当电感传感器感应到铁块时，对应的气缸动作，将铁块推入对应的导料轨道。导料轨道主要作用是当气缸推出材料时导出材料。单向感应电动机作为执行机构用于带动传输带输送物料前行。内置电源可以将220交流电转换成24伏的直流电供给各个传感器与气阀以及转接板上的各个指示灯，同时也为单向感应电动机提供稳定的220伏电压。控制器采用三菱FX1N40MR型PLC。它接受料槽光电传感器、各材料传感器、先导式电磁换向阀、感应电动机、气缸位置传感器的信号，根据要求分别控制输送带电机和各电磁阀动作[15]。2.8I/O口的选择及PLC接线根据材料分拣系统的工作过程由可知，系统的控制有输入信号24个，均为开关量。输出信号有16个，其中一个控制电动机，两个控制指示灯，剩下的控制气阀，也都是开关量[16]。根据分拣系统的需要配置出I/O对应功能，列表如表2-3（a,b）所示：表2-3（a）分拣系统I/O点的输入部分表2-3（b）分拣系统I/O点的输出部分电源及公共端部分如表2-4所示：表2-4电源及公共端部分（系统低入高出）根据控制要求可得PLC系统的接线图如图2-8所示图2-8PLC系统外部接线图3物料自动分拣系统软件设计3.1可编程控制器（PLC）简介在可编程序控制器问世之前，继电器接触器控制在工业控制领域中占有主导地位。但随着工业的发展，继电器接触器控制已不能满足人们的要求。为了解决这一问题，早在1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM公司)，为了适应汽车型号不断翻新，以求在激烈竞争的汽车工业中占有优势，就提出要用一种新型的控制装置取代继电器接触器控制装置，并且对未来的新型控制装置做出了具体设想。要把计算机的完备功能以及灵活性、通用性好等优点和继电器接触器控制的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点溶入于新的控制装置中，且要求新的控制装置编程简单，使得不熟悉计算机的人员也能很快掌握它的使用技术。美国数字设备公司(DEC)根据GM公司招标的技术要求，于1969年研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车自动装配线上试用，获得成功。其后，日本、德国等相继引入这项新技术，可编程序控制器由此而迅速发展起来[17]。在20世纪70年代初期、中期，可编程序控制器虽然引入了计算机的优点，但实际上只称为PLC(ProgrammableLogicalController)。随着微处理器技术的发展，20世纪70年代末至80年代初，可编程序控制器的处理速度大大提高，增加了许多特殊功能，使得可编程序控制器不仅可以进行逻辑控制，而且可以对模拟量进行控制。因此，美国电器制造协会(NEMA)将可编程序控制器命名为PC(ProgrammableController)，但人们习惯上将之仍称为PLC，以便与个人计算机PC(PersonalComputer)相区别。80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路技术韵迅猛发展，以16位和32位微处理器为核心的可编程序控制器得到迅速发展。这时的PLC具有了高速计数、中断技术、PID调节和数据通信等功能，从而使PLC的应用范围和应用领域不断扩大。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。PLC的发展初期，不同的开发制造商对PLC有不同的定义。为使这一新型的工业控制装置的生产和发展规范化，国际电工委员会(IEC)于1985年1月制定了PLC的标准，并给它作了如下定义：可编程序控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则而设计。PLC硬件系统的基本结构框如图3-1所示：图3-1PLC结构框图（1）中央处理单元（CPU）中央处理器是可编程控制器的核心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分的工作任务等。（2）存储器存储器是可编程控制器存放系统程序、用户程序以及运算数据的单元。可编程序控制器配有两种存储器，即系统存储器(EPROM)和用户存储器(RAM)。（3）输入/输出（I/O）电路输入输出电路是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。输入口用来接收生产过程的各种参数，输出口用来送出可编程控制器的运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。按照信号的种类归类有直流信号输入、输出，交流信号的输入、输出；按照信号的输人、输出形式分有数字量输入、输出，开关量输入、输出，模拟量输入、输出。（4）电源可编程控制器的电源包括可编程控制器各工作单元供电的开关电源以及为掉电保护电路供电的后备电源，后者一般为电池。（5）编程器编程器是PLC的重要外部设备，利用编程器可将用户程序送入PLC的用户程序存储器，调试程序、监控程序的执行过程。编程器从结构上可分为三种类型，简易编程器、图形编程器和通用计算机编程。基本工作原理：我们已经知道PLC是一种存储程序的控制器。用户根据某一对象的具体控制要求，编制好控制程序后，用编程器将程序键人到PLC的用户程序存储器中寄存。PLC的控制功能就是通过运行用户程序来实现的[18]。PLC运行程序的方式与微型计算机相比有较大的不同，微型计算机运行程序时，一旦执行到END指令，程序运行结束。而PLC从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条执行用户程序，直到END指令结束。然后再从头开始执行，并周而复始地重复，直到停机或从运行(RUN)切换到停止(STOP)状态。我们把PLC这种执行程序的方式称为扫描工作方式。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期。另外，PLC对输入、输出信号的处理与微型计算机不同。微型计算机对输入、输出信号实时处理，而PLC对输入、输出信号是集中批处理。下面我们具体介绍PLC的扫描工作过程。PLC扫描工作方式主要分三个阶段：输入采样、程序执行、输出刷新。（1）输入采样PLC在开始执行程序之前，首先扫描输入端子，按顺序将所有输入信号，读人到寄存输入状态的输入映像寄存器中，这个过程称为输入采样。PLC在运行程序时，所需的输入信号不是现时取输人端子上的信息，而是取输入映像寄存器中的信息。在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，只有到下一个扫描周期输入采样阶段才被刷新。（2）程序执行PLC完成了输入采样工作后，按顺序从0000号地址开始的程序进行逐条扫描执行，并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获得所需的数据进行运算处理。再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到输出端子上。（3）输出刷新在执行到END指令，即执行完了用户的所有程序后，PLC将输出映像寄存器中的内容送到输出锁存器中进行输出，驱动用户设备。PLC工作过程除了包括上述三个主要阶段外，还要完成内部处理、通信处理等工作，在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。在通信服务阶段，PLC与其他的带微处理器的智能装置实现通信。3.2分拣系统的控制要求及其流程图本课题是基于区分材料材质的不同而设计的材料分拣系统，主要是实现对金属与分金属的材料的自动分拣，具体控制过程为：按下启动按扭SB1后，系统正常标志绿色指示灯亮，PLC启动送料电机驱动放料盘旋转，物料由送料槽滑到物料提升位置，物料检测光电传感器开始检测；如果送料电机运行4秒钟后，物料检测光电传感器仍未检测到物料，则说明送料机构已经无物料，这时停机并报警，同时红色指示灯亮。当物料检测光电传感器检测到有物料，将给PLC发出信号，由PLC驱动上料单向电磁阀上料，机械手臂伸出手爪下降抓物料，然后手爪提升臂缩回,手臂向右旋转到右限位,手爪下降将物料放到传送带上,传送带输送物料，传感器则根据物料性质(金属和非金属)，分别由PLC控制相应电磁阀使气缸动作，对物料进行分拣。最后机械手返回原位重新开始下一个流程。按下停止按钮SB2，系统停止，绿色指示灯灭；上料单元及机械手立即复位，传送带传送完最后一个物料后停止。由分拣控制系统的分拣要求画出控制系统的程序流程图，图3-2所示。图3-2材料分拣系统的程序流程图3.3软件设计及编程三菱电机公司提供专用的编程软件。早期是MEDOC，目前是GPPW编程软件和SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件包。GX编程软件（GX开发器）可以用于生成涵盖所有三菱电机公司PLC设备的软件包，使用该软件可以为FX/A/QnA/Q系列PLC生成程序。GX使用Windows操作平台，用梯形图、指令表或者SFC进行编程，程序可以与原先包括基于DOS操作系统的程序在内的编程软件相兼容。三菱SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件如图3-3是应用于FX系列PLC的中文编程软件，可在Windows9x或Windows3.1及以上操作系统运行。材料分拣系统采用该软件作为编程软件。图3-3SWOPC-FXGP/WIN-C窗口根据分拣系统的要求设计出梯形图，梯形图的程序如下： 图3-4分拣系统的梯形图的程序当程序设计好之后必须下载到PLC中才可以运行系统，下载时使用的是三菱PLC专用的编程电缆SC—09。这根电缆的一端是接电脑的RS232串口，一端接在PLC的RS422通讯串口上。当电缆接好之后，打开软件，进入要下载的文件。先转换文件，然后选择菜单栏里的“PLC”选择“传送”-“写入”，便可以下载程序到PLC中[19]。传送程序时，应注意以下问题：（1）计算机的RS-232端口及PLC之间必须用指定的缆线及转换器连接；（2）执行完“读入”后，计算机中的程序将被丢失，原有的程序将被读入的程序所替代，PLC模式改变成被设定的模式；（3）在“写出”时，PLC应停止运行，程序必须在RAM或EE-PROM内存保护关断的情况下写出，然后进行校验。

4物料分拣系统的安装与调试4.1PLC程序的模拟调试将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通／断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载(如接触器、电磁阀等)。可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。在设计和模拟调试程序的同时，可以设计、制作控制台或控制柜，PLC之外的其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行[20]。4.2硬件的安装调试自动分拣装置由上料机构、机械手搬运机构、分拣机构三部分组成，上料机构主要是检测到的物料后，使推料气缸把物料推到指定位置和装置的运行指示，加入物料看光电开关是否检测到，检测到后推料气缸能否把加人的物料推到指定工位，如不能，原因很可能是安装位置不当造成的。装置中的气缸的动作速度都能通过该缸上的节流阀调节。机械手搬运机构主要气动系统和步进电机组成，机械手的定向是由电感式传感器检测机械手的基准位置，只有机械手定位无误后，才能准确的将物料抓取，步进电机驱动器的细分决定了电机的步距，步数由程序控制，所以驱动器的细分应与程序对应，否则会使与步进电机相连的机械手转动的角度不准。气动元件的位置反馈信号是否正常，气动元件的位置反馈信号是PLC的输入信号，再者气动元件工作需要一定的气压，气压不能达到要求，可能是漏气和气压发生器没有工作造成的。分拣机构主要对物料进行分拣入库，检测到物料为金属物料时，推料气缸能否快速准确的将物料推入指定料槽。由于三个部分为一个整体，正确合理的安装位置才能使得各机构可靠的运行。4.2.1气缸的调试传感器对应的各个气缸在感应到材料后便开始动作，但由于气压的原因，材料不是被打飞，就是根本没有触到材料。首先将总气源的气压稳定在2.5Mp,然后逐个调试气阀的进气开关，使气缸的气量保留在合适适中的位置。在软件与硬件都已经准备好之后，开始对系统进行调试。4.2.2电感、电容传感器的调试在电容传感器下方的传送带上，放置塑料料块，调整传感器上两螺母，使传感器上下移动，恰好使传感器上端指示灯发光，该高度即为传感器对塑料材料的检出点。材料随传输带传送到传感器时，传感器并不能感应到材料，说明传感器与物体的距离不适合。通过多次调试找到了适合的位置，即传感器的底部与传送带的距离。传感器通过在通电状态下，将待分拣的物料块放置在传送带上，通过不停调节电位器并通过调节角度等将传感器调节至最佳状态。电感传感器与传送带最合适距离为28CM，电容传感器与传送带最佳距离为25CM。4.2.3光电传感器的调试在光电传感器的下方，放置料块，调整传感器上两螺母，使传感器上下移动，恰好使传感器上端指示灯发光，该高度即为传感器对材料的检出点[21]。4.3联机调试联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可。系统调试应首先按控制要求将电源、外部电路与输入输出端子连接好，然后装载程序于PLC中，运行PLC进行调试。将PLC与现场设备连接。在正式调试前全面检查整个PLC控制系统，包括电源、接地线、设备连接线、I/O连线等。在保证整个硬件连接正确无误的情况下即可送电[22]。把PLC控制单元的工作方式设置为“RUN”开始运行。反复调试消除可能出现的各种问题。在调试过程中也可以根据实际需求对硬件作适当修改以配合软件的调试。应保持足够长的运行时间使问题充分暴露并加以纠正。调试中多数是控制程序问题。一般分以下几步进行:（1）对每一个现场信号和控制量做单独测试;（2）检查硬件/修改程序;（3）对现场信号和控制量做综合测试;（4）带设备调试;（5）调试结束。4.3.1调试过程（1）先将PLC程序写入PLC中，只连接启动与停止开关。（2）按下启动按钮，然后用万能表测模拟量I/O点之间的电压，看是否按照规定的结果运行。如果运行正确，则证明PLC部分调试成功。（3）连接PLC的输出点与变频器的输入点，并且调试好变频器的参数设置，然后把变频器的输出与电机连接号。（4）最后打开启动按钮，电机正常运行。4.4调试结果在推料气缸调试的过程中，出现有一个推料气缸伸出后不能及时缩回去，观察后发现是气缸后去调节气压的旋钮太紧，将旋钮拧松点气缸不缩回现象即消失，恢复正常工作状态。在机械手左右摆动的过程中发现限位不紧缺出现拿料位置的偏差，通过调节机械手左右旋转处的限位点的位置从而达到准确的定位，使之避免出现由于取料位置的误差而对整体系统造成的影响在程序的模拟调试中出现程序有几处小错误，发现后对程序进行修改并完成整体程序。联机调试中偶尔出现机械手夹料不紧的现象，通过调节进气阀从而得以改善并能很好的完成任务。最后通过联机调试中状况的出现与解决完善了整个物料分拣系统。

结论综全文所述，本文对