1、 基于 PLC 分拣装置系统设计一、设计要求：根据当前 PLC 控制系统的发展和自动控制的理论，设计出了一个基于 PLC 的材料分拣装置控制系统。系统利用 PLC 控制编程，自动控制材料分拣。二、设计作用与目的:实现了利用 PLC 控制编程技术对材料进行自动控制分拣。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。采用模块化的程序设计方法，大量采用代码重用，减少软件的开发和维护。利用对 PLC 软件的设计,实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启动和停止。该系统具有稳定可靠、性价比高、可扩展
2、性强、警示明显、设计人性化等优点。三、PLC 材料分拣系统的硬件设计3.1 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、
3、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。材料分捡系统工作原理示意图如图 3.1 所示。图 3.1 材料分捡系统工作原理示意图1气瓶 2PLC 3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12 34567891011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
4、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。系统的结构图如图 3.2 所示。下料传感器PLC铁检测传感器铝检测传感器光电检测传感器输送带和下料气缸铁出料气缸其他出料气缸塑料出料气缸铝出料气缸空气压缩机颜色料传感器图 3.2 系统结构图3.2 系统的硬件组成系统由气动部件、电气部件和硬件三大部分组成。3.3 系统主电路设计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
5、，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。系统主电路图和结构图如图 3.3 所示。图 3.3 系统主电路图在图 3.3 中，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 M
6、1 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。3.4 系统气压传动装置设计3.4.1 气源装置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，气源装置结构见图 3.4。图 2.8
7、 中，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L1L3L2 QFR1 FR2KM1M13 M23NFU1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。图 3.4 气源装置结构图3.4.2 气压发生装置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
8、大气压力的气压。排气压力低于 0.2MPa 的一般称为风机（低于 0.015MPa 的称为通风机，0.0150.2MPa 的称为鼓风机） ，它们用于通风系统。排气压力高于 0.2MPa 的习惯上成为压缩机，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，其工作原理如图 3.5 所示，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
9、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 压 缩 机 冷 却 剂 油 水 分 离 器 储 气 罐气 压 表出气口空气排入输气管路，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。图 3.5 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
10、杆； 7曲柄； 8吸气阀； 9弹簧3.4.3 冷却器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 120150的气体冷却到 4050，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。3.4.4 储气罐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
11、；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。Pa 12 34 5 6789Pa3.4.5 气动控制装置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。3.5 系统检测电
12、路设计3.5.1 铁传感器的选用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。霍尔接近开关的工作原理见图 3.6。因此，本系统中检测铁物料选用霍尔传感器为 2AV 系列。图 3.6 霍尔接近开关的工作原理图+15V R1 RfU0V1 R2V2R3-15V R441233.5.2 铝传感器的选用当通过金属体的磁通过变化时，就会在导体中产生
13、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。如图 3.7 所示，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。图 3.7 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，这样就可得到如图 3.8 的
14、等效电路。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。H1H2 HI1I2线圈被 测导 体图 3.8 电涡流传感器等效电路图利用这一性质可以把铝传感器和继电器如图 3.9 连接，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。图 3.9 铝传感器开关原理图3.5.3 颜色传感器的选用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
15、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
16、射到 TCS230 传感器上的光的颜色，本文选择红色滤波器。3.5.4 光电传感器的选用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。R1 R2ML1 L2 I2I1U1R2 11 2AD20V电 源 继 电 器其物体不限于金属，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
17、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。3.6 系统电气部件选型3.6.1 限位开关的选用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
18、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。3.6.2 熔断器的选用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
19、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。3.6.3 电动机的选用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，异步电动机用于拖动中小型轧钢设备，各种金属切削机床，轻工机械和矿山机械等；在农业生产中，异步电动机用于拖动水泵，粉碎机以及其他农副产品的加工机械；在民用电器方面的电风扇、洗衣机、空调机等也都是用异步电动机拖动的。所以系统中电机选用为异步电机，因为系统容量较小所以选用电机为 ST-MS90S系列。3.7 PLC 与传统继电
20、器的区别及选型3.7.1 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
21、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。3.7.2 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
22、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
23、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。四、PLC 自动控制的软件设计4.1 系统程序流程PLC 程序工作流程 10-12如下：(1) 接通电源，按下启动开关，系统启动，进入自检状态，等待物体进入料槽；(2) 下料光电传感器检测到料槽有料时，料槽出料气缸开始动作，将物料推到传送带上；当气缸碰到前限位开关的时候，计
24、数器加一，气缸停止前进，开始后退；当气缸碰到后限位开关的时候停止后退。 (3)气缸碰到后限位开关停止后退时，传送带上电机开始转动。(4) 当铁传感器检测到铁制物料通过的时候，气缸一开始动作，把物料推到一号料仓中；当气缸碰到前限位开关的时候，气缸停止前进，开始后退；当气缸碰到后限位开关的时候停止后退。(5) 气缸碰到后限位开关停止后退时，计数器减一。(6) PLC 判断计数器是否为零，是零的话，系统复位；不为零的时候在料仓光电传感器有信号的时候下料气缸动作；下料气缸没有信号的时候返回传动带电机，执行下一步操作。(7)当铝传感器检测到铝制物料通过的时候，气缸二开始动作，把物料推到二号料仓中；当气缸
25、碰到前限位开关的时候，气缸停止前进，开始后退；当气缸碰到后限位开关的时候停止后退。(8) 气缸碰到后限位开关停止后退时，计数器减一。(9) PLC 判断计数器是否为零，是零的话，系统复位；不为零的时候在料仓光电传感器有信号的时候下料气缸动作；下料气缸没有信号的时候返回传动带电机，执行下一步操作。(10)当颜色传感器检测到红颜色物料通过的时候，气缸三开始动作，把物料推到三号料仓中；当气缸碰到前限位开关的时候，气缸停止前进，开始后退；当气缸碰到后限位开关的时候停止后退。(11) 气缸碰到后限位开关停止后退时，计数器减一。(12) PLC 判断计数器是否为零，是零的话，系统复位；不为零的时候在料仓光
26、电传感器有信号的时候下料气缸动作；下料气缸没有信号的时候返回传动带电机，执行下一步操作。(13)当光电传感器检测到物料通过的时候，气缸四开始动作，把物料推到四号料仓中；当气缸碰到前限位开关的时候，气缸停止前进，开始后退；当气缸碰到后限位开关的时候停止后退。(14) 气缸碰到后限位开关停止后退时，计数器减一。(15) PLC 判断计数器是否为零，是零的话，系统复位；不为零的时候在料仓光电传感器有信号的时候下料气缸动作；下料气缸没有信号的时候返回传动带电机，执行下一步操作。(16)当四个传感器都没有信号时，PLC 判断计数器是否为零，是零的话，系统复位；不为零的时候在料仓光电传感器有信号的时候下料
27、气缸动作；下料气缸没有信号的时候返回传动带电机，执行下一步操作，系统流程图如图 4.1下 料 气 缸 动 作系 统 复 位下 料 气 缸 停传 送 带 电 机 转计 数 器 加 一气 缸 一 动 作气 缸 一 停计 数 器 减 一是 否 前限 位 到是 否有 料是 否 后限 位 到铁 传感 器是 否 前限 位 到是 否 后限 位 到YNYNYNYNYNYN气 缸 二 动 作气 缸 二 停计 数 器 减 一铝 传感 器是 否 前限 位 到是 否 后限 位 到YNYNYN气 缸 三 动 作气 缸 三 停计 数 器 减 一颜 色 传感 器是 否 前限 位 到是 否 后限 位 到YNYNYN气 缸 四
28、 动 作气 缸 四 停计 数 器 减 一光 电 传感 器是 否 前限 位 到是 否 后限 位 到YNYNYN计 数 器是 否 零Y是 否有 料NNY所示。图 4.1 系统的流程图4.2 系统 I/O 分配I/O 分配如表 4.1 所示，为了实现系统的自动控制，系统的五个传感器需要五个输入口，十个限位开关需要 10 个输入口，输出口分别分配给一个传送带电机和五个气缸共需要 6 个输出口。型号为 FX2N-32MR-001 型的 PLC 分别有 16 个输入口和输出口，符合系统的 I/O 分配要求。表 4.1 I/O 分配表输入继电器 外部器件 输出继电器 外部器件X000 料仓光电传感器 Y00
29、0 下料气缸电磁阀X001 料仓前限位开关 Y001 传送带电机X002 料仓后限位开关 Y002 气缸一电磁阀X003 铁传感器 Y003 气缸二电磁阀X004 气缸一前限位开关Y004 气缸三电磁阀X005 气缸一后限位开关Y005 气缸四电磁阀X006 铝传感器X007 气缸二前限位开关X010 气缸二后限位开关X011 颜色传感器X012 气缸三前限位开关X013 气缸三后限位开关X014 光电传感器X0150气缸四前限位开关X016 气缸四后限位开关I/O 接线图如图 4.2 所示图 4.2 I/O 接线图4.3 系统功能表图功能表图又称做状态转移图，它是描述控制系统的控制过程、功能
30、和特性的一种图形，也是设计 PLC 的顺序控制程序的有力工具。功能表图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，它是一种通用的技术语言，可以用于进一步设计和不同专业的人员之间进行技术交流。功能表图一般主要有步、有向连线、转换、转换条件和动作组成。由系统程序流程图绘制出来的系统功能表图如图 4.3 所示。图 4.3 系统的功能表图Y000Y001Y002Y002Y003Y003Y004Y004Y005Y005Y000M302M303C200M312M313M314M315M316M317M307M310M311M304M305M306 C200 C200 C200 C200M301M300M8002X000X001X002X004X005X003 X003X006X007X010X003X006X011X012X013X015X003X006X011X014X016C200 C200X000C200X000X003X006X011X014
