应用PLC实现自动输送分拣系统控制设计.docx
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应用PLC实现自动输送分拣系统控制设计
摘要
随着社会的不断发展,市场竞争越来越激烈,因此各个生产企业都迫切地需要改进生产技术。
在需要进行产品分拣的企业,以往一直采用人工分拣的方法,效率低下致使企业的竞争能力差。
针对上述问题,利用PLC技术设计了自动分拣装置,在产品分拣过程中取得较好的控制效果。
本设计应用PLC实现具有传输、分类、入库保管功能自动分拣系统的自动控制系统并应组态做上位机监控,机械结构采用传送带、气缸等机械部件;电气控制采用传感器、编码器、开关电源、换向阀等电子部件;可编程控制器采用目前比较流行的西门子PLC。
软件部分采用组态王监控整个分拣过程的运行,系统采用台式结构,选用颜色识别、电容式和电感式三种传感器,同时,还设置了气动装置的减压器、滤气器、气压指示等,可与各类气源相连接。
本设计是将PLC技术,位置控制技术、气动技术、组态通讯监控技术有机结合成一体的自动输送分拣系统,具有响应速度快,准确率高、性能可靠等优点。
关键词:
PLC;传感器;编码器;自动分拣系统;上位机监控
Abstract
Withthecontinuousdevelopmentofsociety,thecompetitionisfierceinthemarket,Thereforeproductionenterprisesareurgentlyneededtoimproveproductiontechnologyespeciallyintheenterpriseproductssorting,hasbeenusinganartificialofsortingmethodbeforecausethecompetitiveoftheenterpriseispoor.Theresponsetotheseproblems,tousePLCtechnologydesignofautomaticsortingequipment,obtainsgoodcontroleffectintheprocessofproductsorting.
ThedesignappliesPLCtoachieveautomationcontrolAutomaticSortingSystemwhichhavefunctionsoftransfers、classifyandstorage,themechanicalstructureadoptsmechanicalassemblyasconveyorbelt、cylinder.Theelectriccontroladoptselectronicassemblyassensor、coder、switchingpowersupply、reversingvalveandsoon;ProgrammablelogiccontrolleradoptsthemorepopularPLCofSiemenscurrently.Thesystemadoptsdesktopstructure,choosecolorrecognitionsensor、capacitiveproximityswitchandinductiveproximityswitch,atthesametime,alsocollocatespneumaticreductor、airfilterdevice、displayofairpressureandsoon,canconnectwithdifferentgassource.ThisdesignistheautomaticSortingSystemwhichcoverthetechnologyofPLC、thetechnologyofcontrolposition、thetechnologyofpneumaticandorganicallycombinedthemintoone.Itpossessesalotofadvantagesasfastresponsespeed,accuratenessandreliabilityandsoforth.
Keywords:
PLC;sensor;coder;AutomaticSortingSystem;PCmonitor
目 录
1绪论
1.1本课题研究的内容
本课题研究的内容是应用PLC实现自动输送分拣系统的自动控制并用组态监控系统的运行。
本系统通过传感器信号采集,PLC控制,对交流电机、电磁阀进行开关量控制、位置控制、时序逻辑控制,实现对传送带上的物料进行定位、辨识、分类的功能,并通过组态监控界面监控整个过程的进行。
1.2课题研究的目的及意义
自动输送分拣系统是物流系统中广泛采用的一种分拣系统。
一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口四部分组成,它们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分拣系统。
其主要特点有:
能连续、大批量地分拣货物,分拣误差率极低,分拣作业基本实现无人化,可通过计算机监控整个分拣过程。
自动分拣系统中人员的使用仅局限于进货时的接货、系统的控制、系统的经营、管理与维护等,这恰好符合了企业对减少人员使用、减轻员工劳动强度、提高人员使用效率的要求,因此受到了广泛重视。
1.3国内外相关技术现状及发展趋势
1.3.1国外有关研究的综述
以美国、日本及欧洲为代表的发达国家,在分拣系统的应用上呈现出自动化程度越来越高的特点。
自动分拣系统已成为发达国家大中型物流中心、配送中心或流通中心不可缺少的一部分。
自动分拣系统是二战后在美国、日本以及欧洲的大中型物流中心广泛采用的一种分拣系统,参照邮局分拣信件自动化的经验配置而成。
就国外进行配送业务的行业或企业来说,自动拣选系统已被广泛应用在医药、化妆品制造等行业。
自动分拣机作为自动分拣系统中的关键设备,因其较高的效率,已在发达国家得到广泛应用。
然而,尽管自动分拣系统有非常多的优点,但因其要求使用者必须具备一定的技术经济条件,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。
其主要原因有两点:
1、专业的自动分拣设备一次性投资巨大,先期投入回收慢。
系统的设备复杂,投资和运营成本较高,需要可靠的货源作保证,也许只有大型生产企业或专业物流公司才有能力投资,小企业则无能为力。
2、系统对商品外包装要求高。
为使大部分商品都能用机械进行自动分拣,需要采取诸如推行标准化包装、根据分拣商品统一的包装特性定制分拣机等措施。
但要让所有商品的供应商都执行相同的包装标准是很困难的,定制分拣机又会使硬件成本上升,且越是特别的通用性就越差,不利于推广。
除自动分拣系统外,配送中心对于计算机辅助拣选系统的利用也相当普遍。
在流通领域,特别是连锁超市、便利店的配送中心都广泛使用电子标签、RF等计算机辅助拣选系统。
1.3.2国内有关研究的综述
与整个物流业的大环境相似,我国在分拣系统和技术方面相对发达国家还比较落后,人工作业的情况仍比较普遍,电子标签、RF技术等辅助拣选系统的生产和使用还不多,自动拣选系统更是寥寥无几。
总的来说,我国分拣系统的应用呈现出集约化程度低、自动化系统和设备应用范围不广泛的特点。
阻碍自动分拣系统发展的因素有很多,有些则是与我国整个物流业存在的问题相一致的。
物流标准化就是我国物流业长期关注的一个问题。
商品的条码化、包装的标准化等是自动化拣选系统得以顺利运行的保证,而在我国,由于很多商品包装箱上没有印刷条码,商业系统至今尚没有认真研究过运用自动分拣机。
另外,由于一个公司或企业往往无法左右整个行业的进展,一些大企业倾向于开发适合自己业务特点的系统,这又进一步造成了实际中接口的障碍。
自动化设备和系统的价格问题也是另一个阻碍因素,小企业一般无力购进高价的专业设备。
如今,国际竞争日益加剧,为了发展我国物流业,国内的许多企业和政府部门做了很多努力,也已取得了一定的成效,例如:
随着科技的日新月异,国内的一些物流配送中心也开始结合自身特点,采用高技术含量的设备和系统来提高分拣配送效率。
1.4可行性分析
本课题设计是应用PLC实现自动输送分拣系统的自动控制,要求系统具有传输、分类、保管等功能,并通过组态监控整个分拣过程。
根据此系统的功能构造,其可行性分析如下:
首先,在器件选择上看。
所需器件:
电感式接近开关、电容式接近开关、标识传感器、光电开关、编码器、电动机、传送带、计算机、空压机、气缸、换向阀、输气管道、稳压电源、网孔板。
其次,从经济角度来看。
为了实现准确可靠的系统功能,因此,在器件选择上,尤其是在传感器上,要求稳定性好,准确率高,这样相对的价格就会高一些,但与其性能相比,此系统还是具备了较高的性价比,较好的实现了分拣系统的基本功能。
最后,从效率角度来看。
运用传感器扫描输入识别技术具有响应速度快,准确可靠等特点。
工作效率可高达98%,具有良好的应用前景。
2总体设计
在设计初期,为了使控制系统具备更佳的工作性能,需要进行总体设计,此部分包括方案选择、设计思想以及总体设计方案。
2.1方案论证
2.1.1系统硬件选择
由于本课题的研究内容有多种实现方案,因此,方案选择成为本次设计的重中之重。
具体方案论证如下:
第一种方案:
利用PLC实现分拣控制,根据物料材质及颜色进行分拣,分别分拣铁质、铝质及黄色的物料。
系统有底座、气动部分、传送部分及电气控制等四部分组成。
气动部分由电磁阀、气缸和各种与气源相连的部件组成,电气控制由西门子、三菱或欧姆龙的可编程控制器、电源、传感器等部件组成。
通过传感器信号采集,PLC控制,实现对开关、异步电机、电磁阀等进行较复杂的控制等功能,并采用编码器和高速计数器完成对物料间间距的测量,并通过编码器的测量,测得传感器与气缸之间的步距,从而使得气缸准确地将物料推入滑道,有效的实现分拣功能。
同时,具有报警功能,一旦分拣系统出现故障,气缸打出时将物料卡住,传送带立即停止,并由蜂鸣器发出报警,使得分拣系统更加直观化、系统化。
由于可编程控制器成功率高,可靠性好,设计程序简单,因此,在工业生产中得到广泛应用,但因PLC成本较高限制了其应用的范围。
第二种方案:
根据单片机实现分拣控制,采用机械手进行分拣,系统可分为底座、传送部分、电气控制及分拣部分。
电气控制由单片机、电源、传感器等部件组成。
同样通过传感器信号的采集和PLC控制,实现对异步电机和机械手进行较复杂的位置控制、开关控制等功能。
程序部分则按照设计的基本逻辑要求进行编程。
通过各限位信号及检测信号实现对机械手的控制,实现分拣功能。
由于单片机成本低、效益高,因此在许多领域受到关注,但因其稳定性和抗电磁干扰能力比较弱,所以在一些高性能的系统中不被广泛采用。
综上所述,比较第一种方案和第二种方案,由于后者运行可靠性低、抗干扰能力差,程序修改繁琐,对于物料的出库及入库位置不够精准,并且通讯设计也比较繁琐。
虽然前者成本较高,但是考虑到分拣的准确性和可靠性,为了使系统具备更好的工作性能,本设计选择第一种方案作为总体方案。
2.1.2上位机监控软件选择
在制作产品分拣控制系统上位机监控系统时,可以使用Visualbasic6.0或组态等软件。
使用组态王和VB软件都可以实现监控功能、制作出上位机监控系统,但在使用VB制作过程中,每一步都不好实现。
使用组态王软件制作上位机监控程序的过程远比使用VB简单的多。
首先使用VB制作监控画面不能使监控画面十分逼真完美,而且由于VB的画图功能有限,制作一个简单的监控画面也十分困难,只有采用第三方软件画出图形,再使用VB调用该图形的方法;其次使用VB制作运行的动画效果十分繁琐复杂且制作出来的动画也无法达到令人满意的逼真效果;第三,也是最重要的,使用VB和PLC进行通信最终达到监控数据的过程十分复杂。
而通用组态软件有强大的界面制作系统,可制作各种复杂形状及色彩的图形,这将使监控界面生动形象且十分人性化。
通过对比,为了更好的完成设计,我最终选择了组态软件作为上位机监控软件,并用其中比较熟悉的组态王软件实现了设计要求。
2.2设计思想
本次设计的自动输送分拣系统按照设计要求首先配置可编程控制器,可将其放置实验台下面以避免不必要的空间浪费,然后配置传输系统,为了节省实验台面积和配合传感器工作,我采用体积小、噪音低的减速电机驱动宽为2.5cm、长为83cm、高约为7cm的立式传送带,为了控制和测量物料间的距离,在电机的一头加上编码器。
最后配置了分拣系统,出于节省空间和对周边环境污染小的缘故,我采用了气动装置来实现分拣功能,这样,就需要一个气泵来提供气压,由于气泵相对体积较大,故可放在地上,不占用实验台面积。
气动装置包括气缸、电控换向阀、分水滤气器、减压器、油雾器、阀岛及输气管道。
在面板上,为了节省面板面积,传感器采用悬挂式检测方式,出于方便传感器悬挂的原因,本设计采用了垂直式网孔板,为了满足传感器检测的距离范围,将电感传感器安装在垂直高于传送带2.6cm的位置处,电容传感器安装在垂直高于传送带2.8cm处,颜色传感器则为2.7cm。
每个气缸间距离为8cm,传感器与相应气缸距离为7mm,出料处距第一处气缸26cm。
各传感器位置如下:
图2.1各传感器位置分布图
在硬件测量设计上主要利用编码器进行测量。
首先,在编译程序上定义1个高速计数器。
然后,在系统正常工作时,编码器将电机转速转换成脉冲信号,再驱动高速计数器对其进行计数。
最后,通过对脉冲的计数设计出相邻物料之间的步距、传感器与气缸之间的步距以及物品从出库到终点的步距。
2.3总体设计
本次控制系统设计由硬件和设计软件设计两部分组成。
硬件部分可详细地分为控制部分、传感器部分、气动部分、电动部分、输送部分以及电源部分。
控制部分采用西门子S7-200型PLC(CPU224)外加1个扩展模块(EM221);传感器部分由标识传感器、电容式接近开关、电感式接近开关、编码器、光电开关组成;输送部分则是由单相交流异步电动机驱动的皮带式输送装置;气动部分采用亚达空压机、分水滤气器、减压器、油雾器、气缸及输气管道;电动部分主要有电控换向阀、阀岛及磁性开关组成;电源供电采用24伏直流稳压电源。
软件设计部分主要通过设计PLC梯形图实现分拣功能和设计组态界面实现上位机监控功能。
控制程序设计部分大体分为5个部分:
定义和调用高速计数器、传送带的运行和停止、设定档位、流程、物料的出库及分拣、报警保护。
组态设计主要有组态与PLC的通讯、监控界面绘制、数据变量分配等。
3系统的硬件设计
3.1系统硬件选型设计
针对本课题的研究内容,首先,建立本课题的硬件系统,然后,根据所要实现的功能,选择相关器件。
为了使系统具有稳定可靠的工作性能,则需要对元器件进行选型,那么,选用何种产品能使得硬件系统具有更高的性价比也就成为硬件设计的重点。
3.1.1编码器的选型设计
1.编码器简介
编码器为传感器类的一种,是将信号或数据编制、转换为可用以通讯、传输和存储形式的设备。
编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。
按照读出方式,编码器可以分为接触式和非接触式两种。
接触式采用电刷输出,以电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”;非接触式的接受敏感元件是光敏元件,采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”;旋转编码器是一种光电式旋转测量装置,它将被测的角位移直接转换成数字信号(高速脉冲信号)。
因此,可将旋转编码器的输出脉冲信号直接输入给PLC,利用PLC的高速计数器对其脉冲信号进行计数,以获得测量结果。
不同型号的旋转编码器,其输出脉冲的相数也不同。
按照工作原理,编码器可分为增量式和绝对式两类。
增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号,再把这个电信号转变成计数脉冲,用脉冲的个数表示位移的大小。
绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码,因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关,而与测量的中间过程无关。
增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相;由于A、B两相相差90度,可通过比较A相在前还是B相在前,以判别编码器的正转与反转,通过零位脉冲,可获得编码器的零位参考位。
它的优点是原理构造简单、机械平均寿命长、抗干扰能力强、可靠性高、适合于长距离传输。
2.编码器的选型及性能特点
为了节省系统所占空间和不影响周边环境,并且具备较好的工作性能,本次设计选择日本欧姆龙公司生产的E6A2-CW5C型号的编码器。
此型号编码器采用密封轴承和半径8mm的不锈钢旋转轴,输出脉冲为A、B两相,具有响应频率高,无噪音等特点。
主要应用在一些计数,变速等场合。
3.E6A2-CW5C编码器的技术参数
此类型编码器主要相关参数如下:
工作电压12~24V;分辨率100P/R;输出相A、B两相;最大响应频率20KHz;旋转方向正向;输出方式集电极开路输出。
3.1.2可编程控制器的选型设计
1.可编程控制器简介
可编程控制器实质上是一种工业计算机,只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言,故可编程控制器与计算机的组成十分相似。
从硬件结构看,它有中央处理单元、存储器、输入/输出单元、编程器、电源等主要部件组成。
如下图所示:
图3.1可编程控制器基本结构
2.可编程控制器的选型及性能特点
本次设计的系统的控制部分可选用西门子、三菱、欧姆龙等多家PLC,介于西门子公司生产的可编程控制器具有极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块并适用于各种场合中的检测、监控等优点,本次设计采用此品牌可编程控制器,为了在实现功能的同时也能将成本降到最低,因此,通过对输入输出点的计算选用S7-200系列CPU224的可编程控制器以及一个扩展模块EM221。
3.CPU224可编程控制器的技术参数
此类型可编程控制器主要相关参数如下:
工作电压24V直流电;输入点数14;输出点数10;可扩展模块数量7块;高速计数器数量6个(HSC0~5)。
3.1.3空气压缩机的选型设计
1.空气压缩机简介
空气压缩机是气源装置中的主体,它是将电动机的机械能转换成气压的装置,是压缩空气的气压发生装置。
空气压缩机按工作原理可分为容积型压缩机和速度型压缩机。
容积型压缩机的工作原理是压缩气体的体积,使单位体积内气体分子的密度增加以提高压缩空气的压力。
速度型压缩机的工作原理是提高气体分子的运动速度,使气体分子具有的动能转化为气体的压力能,从而提高压缩空气的压力。
2.空气压缩机的选型及性能特点
本设计的系统的空气压缩机可分为容积式、螺杆式、活塞式空气压缩机,因为螺杆式空气压缩机具有优良的可靠性能,因此,本次设计选择此种空压机,同时这种工作方式的空压机还具有机组重量轻、震动小、噪声低、操作方便、运行效率高等特点,通过市场调研及多方咨询,选择杭州萧山亚达公司的WY5.2型号的静音空气压缩机,同时,此型号的空气压缩机还具备体积小、操作简单、供压适中的特点。
3.WY5.2静音空压机的技术参数
此类型空压机主要相关参数:
工作电压220V;额定功率125W;适用压力0.8Mpa;最高压力1.3Mpa。
3.1.4换向阀的选型设计
1.气动换向阀简介
换向型方向控制阀(简称换向阀),是通过改变气流通道而使气体流动方向发生变化,从而达到改变气动执行元件运动方向目的。
它包括气压控制换向阀、电磁控制换向阀、机械控制换向阀、人力控制换向阀和时间控制换向阀等。
2.换向阀的选型及工作性能
为了安全环保及从可行性等方面考虑,本次设计采用气动装置完成物料的出库、入库。
在整个气动装置中起到主导控制作用的就是电控换向阀,出于无污染,不用提供动力资源且使用寿命长,体积小的原因,此次设计选用济南杰菲特公司生产的SR540-RN18R型号的电控换向阀。
同时,为了使设计的气动部分工作更加顺利,并能适应设计的规模,整个气动部分均选用这一公司的生产装置,有气缸、磁性开关、减压器、油雾器等部件。
3.SR540换向阀的技术参数
此类型换向阀主要相关参数:
换向时间小于0.03秒;工作介质洁净压缩空气;工作压力范围0.15~0.7Mpa。
3.1.5电动机的选型设计
1.单相交流电动机简介
单相交流电动机只有一个绕组,并且转子是鼠笼式的。
由于单相电不能产生旋转
磁场。
因此,要使单相电动机能自动旋转起来,就要在定子中加上一个起动绕组,起动绕组与主绕组在空间上相差90度,这样起动绕组就要串接一个合适的电容,使得与主绕组的电流在相位上近似相差90度。
这样两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组,将会在空间上产生(两相)旋转磁场,在这个旋转磁场作用下,转子就能自动起动。
2.单相交流电动机的选型及性能特点
此次设计的自动分拣系统的传送部分主要由电动机完成,在电动机的选择上也就尤为重要,电动机转速过快,传感器无法识别传送带上的物品,转速过慢,则会浪费更多的时间。
由于大部分电机转速过快且噪音大,因此,不适合本次设计的系统。
为了能配合传感器的识别工作以及实验室环境,我采用了联谊公司生产的带减速器的YN60-6型号电机作为设计传送部分的动力来源。
其中,配套的减速器为60JB150G08型号的变速齿轮箱。
此外,此电机还具有体积小、免维修、寿命长等优点。
3.YN60-6单相交流电机的技术参数
主要相关参数:
工作电压220V;额定频率50Hz;额定电流0.15A;额定功率6W;减速比1:
30;空载转速1550r/min。
3.1.6稳压电源的选型设计
1.直流稳压电源简介
直流稳压电源又称直流稳压器。
它的供电电压大都是交流电压,当交流供电电压或负载电阻变化时,稳压器的直流输出电压都能保持稳定。
2.直流稳压电源的选型及性能特点
为了使本次设计更加趋于实验室环境,故设备规模较小,由于外部设备较多,PLC内部供电不足,因此需要一个稳压电源供电,将我们日常所用的220V交流电转换成24V直流电,为了得到更高的性价比,本次设计的电源部分选用上海明纬电子有限公司生产的HS-50-24型号的稳压电源。
3.HS-50-24直流稳压电源的技术参数
主要相关参数如下:
输入电压电流115VAC,1.3A/230VDC,0.65A;输入频率50/60Hz;输出电压电流24VDC,2.1A。
3.1.7传感器的选型设计
本次毕业设计的自动分拣系统可检测3种材质的物品,在设计中对每种材质的物品的检测均有多种检测方法。
由于物料分3种,分别是铁质、铝质和塑料。
由于铝质传感器很难在市场上找到,故选用金属传感器代替。
因此在传感器排序上要安排得当,否则,无法达到预期的设计效果。
我将铁质传感器放在第1位,金属传感器放在第2位,最后的是颜色传感器。
接近传感器可以在不与目标物实际接触的情况下检测靠近传感器的金属目标物。
根据操作原理,接近传感器大致可以分为以下三类:
利用电磁感应的高频振荡型、使用磁铁的磁力型和利用电容变化的电容型。
一般接近开关有两种安装方式:
齐平安装和非齐平安装。
齐平安装:
接近开关头部可以和金属安装支架相平安装。
非齐平安装:
接近开关头部不能和金属安装支架相平安装。
一般,可以齐平安装的接近开关也可以非齐平安装,但非齐平安装的接近开关不能齐平安装。
这是因为,可以齐平安装的接近开关头部带有屏蔽,齐平安装时,其检测不到金属安装
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