江西理工大学应用科学学院毕业设计基于PLC的智能分拣装置.docx
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江西理工大学应用科学学院毕业设计基于PLC的智能分拣装置
摘要
在众多控制器当中,PLC(可编程控制器)控制是目前国内外自动控制工业产业中控制应用非常广泛,而且它历经几十年的发展技术已经相当成熟。
因为其控制的操作要求与环境要求的简单,因此,在当前的工商业应用中不论应用范围还是技术的发展程度与其他如单片机控制都要更加有优势。
PLC之所以逐渐取代单片机成为大多数工业控制器的首要选择,是因为PLC把继电器控制、PC机(包含现场总线)和通信技术融合为一体。
目前,PLC发展迅速,许多部门正在积极的研究并推广,在社会工矿企业等诸多项目中应用广泛,我国虽然由于历史且工业起步交晚等原因在可编程控制器方面起步较晚,但在近几年来,沿海等发达城市和各产业部门不断引进生产线及设备技术,并借鉴国外先进技术,积极消化吸收且不断深化研究,使得PLC技术在我国的发展空前迅猛。
同时随着近现代各种工业产业的不断完善和崛起,PLC技术的不断发展,也因为各高校和职业院校适应社会需求,越来越偏向于对于实际应用的人才培养,更加注重专业性、实用性、技术性。
通过基于PLC的不断研究与和越来越多的设计应用,能够对培养应用型人才产生一定的推动作用。
本设计采用PLC、变频器及传感器控制,本系统发挥了PLC强大的编程控制能力,对传感器、气动、变频技术进行整合,借助相应的继电器,实现了借助在自动传输带上的自动分拣目的。
利用变频器控制传输速度,相应的外部材料的不同而借助传感器传输,PLC推动气动是机械推动动作进行分拣,并归纳到不同产品槽内,借助外力堆放不同仓库。
在对假想实现厂房的实际考察之后,根据其现实环境极其布置的电力系统,并对PLC控制系统具体分析后提出具体电气控制方案,气动布局,极其现实规划。
结合梯形图展示该系统的设计思路。
关键字:
控制器传感器变频器气动
ABSTRACT
PLCwillrelaycontroltechnology,computertechnologyandcommunicationtechnologyintegrationasone,tobecomethefirstchoiceforindustrialcontroldesign.Now,withtherapiddevelopmentofPLC,manydepartmentsareactivelyresearchandpromotion,widelyusedinsocialindustrialandminingenterprises,andmanyotherprojects,ourcountryalthoughduetothehistoryandindustrystartedlatedeliveryandotherreasonsinprogrammablelogiccontroller(PLC)startedlate,butinrecentyears,coastalofurbanandindustrialsectorscontinuedtointroduceproductionlinesandequipmenttechnologyandreferenceofforeignadvancedtechnology,activedigestionandabsorption,andconstantlydeepenthestudy,makingPLCtechnologyinthedevelopmentofChina'sunprecedentedrapid.AlsowiththedevelopmentofmodernindustrycontinuestoriseandPLCtechnology,practicalapplicationinuniversitiesandcollegesandvocationalcollegesforthecultivationofappliedtalentsismoreandmoreattention,paymoreattentiontotheprofessional,practicalandtechnicalnature.TheapplicationofPLCinintelligentsortingdeviceisdescribedinthispaper.
Keywords:
controllersensortransducerpneumatic
绪论
自动分拣控制系统始自二战之后,初步被运用于西方发达国家的商品生产与物流中心,成为其必需品之一。
其能连续大批量的分件货物、差错率低、基本无人化等的优势使得在与人工分拣方面的比较中十分先进。
但对于智能分拣系统的可靠性、优越性以及应用领域的适用性也是十分重要的参考标准,即便是在发达国家,其诸多物流中心的生产中心依然采用人工分拣的现象也依然普遍。
对于我国等发展中国家来说,大型商品生产企业以及大型物流分拨也有诸多智能分拣系统的应用,但通多多方的考察,一般物流等企业也依然采用人工分拣。
其智能分拣系统无法大规模应用的原因有许多,其中设备昂贵,更新速度跟不上现代生产运输的发展速度,对于环境限制和商品外包装的限制也比较高等原因使得自动分拣系统的推广应用及其研究水平难以飞速发展。
特别是对于智能分拣系统的研究处在一个相对于独立的局面,而想要促进智能分拣系统的研究发展,便要依靠其他相关应用产业产品的协调与配合,使其同步发展。
现代物流的高速发展,在物流配送中,高科技的自动控制应用提高了作业效率和质量,降低了错误率。
物流自动控制机械化系统、计算机信息系统以及主要管理系统的完美结合已经成为现代物流分拣系统的通用模式。
整体的机械化系统在物流行业中的应用主要是全套物流设备的高效优质的组合和配置,分拣信息和控制信息等信息流通的载体是物流信息系统,核心的管理组织系统主要对各种控制设备、操作人员人员的调配,所以管理组织系统始控制系统的总体,也是该运作模式的总体控制。
信息系统计算机控制及物流系统中的自动机械化设备成为现代物流企业分拣系统的核心。
伴随着现代经济和社会生产的高速发展,工业产品的流通趋于网络和告诉的流通,种类的繁多并且趋于微商品时代,大量而繁杂的分类与设计仅凭人工的分拣耗时耗力,且错误频繁。
大型工业且不说,人居用品的流通速度逐渐加快,物流行业的兴起便是典范。
自动分拣系统在物流企业中的广泛应用提高了物流分拣的作业效率,操作的简单性和随用性使得自动分拣系统大大提高了物流的配送效率。
可以说,配备货物自动分拣系统不光为物流企业节约了人员资源成本,其维护的简单性和安全可靠性也使企业大大省掉诸多不必要的额外意外支出,最重要的是适应了社会的高速发展以满足人们对于现代商品货物流通的速度要求。
然而在考察的诸多物流仓库之中几乎很少有用到智能分拣系统,仍然在以传统的人工分拣以维护市场运作。
随着商品生产于流通速度的逐渐加快,传统的人工分拣注定满足不了即将到来的智能时代。
目前,我国除了大型物流中心与一些生产必须厂家配有智能分拣系统,并且充分体现出智能分拣系统速度快、分拣点低、差错率低等等众多优势之外,仍有诸多地方物流企业与中小成产企业因为效益与各方面原因而欠缺智能分拣系统的配有。
我们此番对于PLC的智能分拣系统的目的就是应对这一社会现状,对于智能分拣的研究或许可以对这一逐渐脱轨的现状进行有效的改善。
本文以货物外包装颜色的分拣以区分不同类别货物运送为例,详细的分析了在现代物流分拣系统中PLC的应用。
在基于PLC系统的信号采集中一些传感器的应用,通过应用比较以确定各种元器件的选用。
首先会整体的规划系统的设计流程图,之后会介绍一些基本的电器元器件,之后是对主电路图的设计的控制系统的整体配合。
本次自动控制分拣系统应用PLC控制需要安装的分拣装置需要包括编程控制技术、气压制动技术、传感器和位置启停等控制内容和技术,是应用在实际工矿等工业企业的一个具有实际参照性的对应模型。
本设计应用具有先进控制功能的可编程控制器与执行设备气动技术的结合以及传感器和其他自动控制科技设备等,设计针对不同类别货物包装颜色不同的区分分拣。
由于该系统的发展技术较为成熟,所以灵活性和可操作性较强,编程简单,可有诸多同类相似程序可供借鉴,再根据实际需要做出稍许改动就可投入运行。
可以在物流分拣系统做出调整是进行相应的弹性调整。
本设计应用主要是根据PLC控制理论技术结合其他机械设备理论进行系统控制整合达到其在物流分拣系统中的现实应用,以及配套的硬件设计和软件应用,另外还有调试系统的步聚及注意事项。
第1章材料分拣装置结构及总体设计
本章总体介绍自动分拣系统的设计思路与工作方法。
包括其程序的先后顺序,启停的控制方法,方案的可行性分析,控制要求等。
我国经济技术的不断发展,货物流通速度的不断加快,带动了物流行业的迅速发展,随着电子商务等由于网络化而出现的组多行业的兴起,物流这一联通现实与网络的媒介势必会发展壮大。
但是,从目前的发展来看,物流行业的市场没有成熟的制度规范,人员素质和准入门槛参差不齐;监管力度不到位,经常可以看到快递的突发事件于报端;制度不够完善,由于成本等原因导致下属的一线工作人员对于本身职责不够明确等等。
那么,本次设计便是针对目前物流企业一线分部对于不同类别物体没有分类包装所造成的不同材质材料类别的物体只根据大小轻重来区别运送车辆,然而诸多易损易碎的物品极不稳定,故而导致诸多快件被损坏使企业和客户双双受损。
本次设计便是解决这一物流中的现实问题。
需要提及的是,本设计系统对于成本较小,但需要物流行业的制度配合,对于一线物流从业制度的更新。
即首先对需要寄送的物品类别进行区分,不同类别的物品采用不同颜色的包装,这便是一种不加成本的制度更改,而且可行性极高。
在本次设计系统中,我们主要利用颜色传感器对于四种颜色的区分,所以对应的可将寄存物品相应的分为四类,具体标准可由物流行业统一协商区分。
1.1分拣装置过程工作概述
我们对于物流分拣车间的总体要求是:
根据不同类别物体的包装颜色的不同,通过分拣传送装置之后进行堆类存放寄送。
采用主体由PLC的控制方案,由变频器控制传送速度,采用气压传动操控分拣任务。
系统整个设计具体要做的工作:
根据要求,选用相关设备,分析、验证可行性,设计系统模型,并进行硬件布局设计、电气控制设计及程序编写,调试组装,验证可行性,分析交流运行效果。
设计顺序图如下图1-1所示。
图1-1设计顺序图
根据实际情况,本设计将台式结构作为系统的主设计结构,与之相配合的设备有步进电机、汽缸与电磁阀组合、旋转编码器、气动减压器、滤清器、气压显示等部件,电源内置,可与各类气源相连接。
主要利用颜色传感器区分不同类别货物包装,并且将对应的颜色识别传感器安装在传送带上端对应的网板上,并且使其可随时调整位置以保证位置精度的较高程度,从而保证系统的精确性和出错率低的目的。
图1-2,即为为本次物流分拣系统的结构装置示意图。
图1-2分拣装置结构示意图
由图可知,电源开关打开对系统供电以后,步进电机运行,带动传送带转动。
同时传感器和PLC控制器通电进入工作状态。
下料传感器SN首先扫描传送带一个周期,如果检测到传送带上没有货物,则将信息传送到PLC控制器,控制电机停转,下料气缸5启动运行,对堆积的货物进行按件依次装往传送带。
当检测到传送带上有货物时,控制绿色传感器SC1检测货物是否为绿色,若是绿色则传送带制动几秒同时气缸1动作将货物分拣至料槽1绿色类别货物堆放槽;若不为绿色则传动带不停转继续运行,并且红色传感器SC2工作在货物到达该位置时检测货物是否为红色,若是红色,电机停转相同时间气缸2动作将货物分拣至绿色类别货物堆放槽;若不为红色电机不停转继续运行至蓝色传感器SC3位置处时,SC3检测该货物是否为蓝色包装,若是,则电机停转相同时间同时气缸3动作将货物分拣至绿色类别堆放槽中;若不是则电机不停转继续运行,当货物到达白色传感器SC4位置处时,检测该货物包装是否为白色,即白色传感器是否有反应,若有则控制电机停转同样时间并且控制气缸4动作将货物分拣至白色类别的堆放槽中。
若无反应则证明该货物包装颜色不符合要求,并且从传动带末端排出重新返回包装。
该设计系统采用传感器不间断式工作模式,即当某一货物不满足某一传感器并运送到下移传感器位置时,下一未检测货物补齐到本传感器当中,不必等到某一货物检测周期完全结束后再进行下一货物的检测分拣,达到了节省时间提高效率的目的。
1.2系统的技术指标
输入电压:
AC200~240V(带保护地三芯插座)
消耗功率:
250W
环境温度范围:
-5~40℃
气源:
大于0.2MPa切小于0.85Mpa
1.3设计控制方式
本设计系统需要满足某些功能要求和控制条件要求。
所以,前期工作要根据实际要求来确定设计方案,分析控制对象应该进行哪些具体要求。
本设计系统主要针对物流企业,若想在物流行业中实现大规模运行,需要物流企业根据配送货物前进行分类包装以适应本次分拣系统设计的要求。
这也需要物流企业做出对应的规范制度的调整,但所需费用及其他成本较为低廉,可行度十分高。
1.3.1功能要求
材料分拣装置应实现基本功能如下
1、分拣出绿色包装
2、分拣出红色包装
3、分拣出蓝色包装
4、分拣出白色包装
5、分拣出某些未采用标准颜色包装货物
1.3.2系统的控制要求
本设计系统主要利用四组颜色传感器对货物的外包装的颜色分类进行检测。
将需要被分类货物包装后经过下料气缸5推送到传送带上后,依次接受绿、红、蓝、白四组颜色传感器检测。
如果被某个颜色传感器测中,通过相对应的气动装置将其推入对应的货物分类堆放槽中;否则,继续前行。
其控制要求有如下9个方面:
1、系统送电后,光电编码器便可发生所需的脉冲
2、有物料时,下料汽缸5作,将物料送出
3、当绿色检测传感器检测到绿色包装货物时,推汽缸1动作
4、当红色检测传感器检测到红色包装货物时,推汽缸2动作
5、当蓝色检测传感器检测到蓝色包装货物时,推汽缸3动作
6、当白色检测传感器检测到白色包装货物时,推汽缸4动作
7、汽缸运行应有动作限位保护
8、下料槽内无下料时,延时后自动停机
1.3.3系统的运行方式
本设计系统采用人工和机械相结合的自动化程度较高的半自动控制方式(近似于全自动)。
系统的开启与停止需要人工合上或断开系统控制电源开关。
当工作人员合上控制刀闸后,系统开始运行,进入自动检测模式,在有货物堆放到气缸5所控制的待检测堆放槽中时,自动控制系统根据信号指示自己动作进入工作状态;当待检测堆放槽中没有货物时,该系统自动停机进入待检测模式,等待人工将货物堆放到待检测堆放槽中后再次进入工作模式。
当货物分拣完毕后,需要停止系统工作时,需要人工关断系统控制开关,使系统进入待测状态,若需要再次启动则再次按下系统控制运行按钮;若不需要运行则人工断开总控制刀闸,系统断电。
本系统主要由可编程控制器控制系统的自动运行状态,而传感器通过信号传递向PLC控制器传送状态信息,控制器通过事先编好的程序控制执行装置执行相应指令并做出相应动作。
图1-3为系统的主电路图。
在图1-3中,异步电机M1为传送带提供旋转动力,一带动待检测货物变换检测位置,空气压缩机M2为气动执行装置提供分拣动力。
因为该系统主电路执行需要稳定的高电压供电,为了安全起见,对电路系统安装熔断器FU1,以对电路的短路事故起保护作用。
异步电机M1的转速及运行当中的停转由接触器KM1控制。
当KM1收到PLC为1的高电平信号时,接触器KM1自动闭合,异步电机M1自动投入运行。
热继电器FR1、FR2也是对主电路及控制系统起到一个很好的保护作用,防止电机过载损坏电路。
当有较大或质量过大的货物投放到传送带当中,致使电机过载或者气缸过载的状况时,继电器动作自动是系统断电。
为了避免这种事故的发生,也可以在线下设计一个称重系统或人工称重装置,将超标货物进行人工分类或使用其他人力操控辅助机械进行相应分类。
图1-3系统主电路图
第2章控制系统的硬件设计
该自动分拣控制系统的硬件设计,主体介绍主要硬件设备诸如PLC控制器、气动设备以及执行元件和辅助机械等,主要传动方式为气压传动、主要检测器件为传感器、以及机械手工作方式等。
根据对实际情况的分析和规划,包括对应用的物流企业的规模和适应的环境范围等客观条件的分析,确定硬件(包括PLC型号、执行元件的机械种类以及传感器的各种型号)做出选择,并了解各硬件的主要基础知识和工作用途,确定之后进行I/O点分配以确定PLC的引脚接线。
2.1系统的硬件结构
如图2-1为该自动分拣系统的硬件结构图。
图2-1系统的硬件结构框图
根据以上绘制的物流货物自动分拣系统的结构图,可以简单的绘制出图2-2类似的结构想象图。
按下启动按钮后,控制异步电机M1运行转动带动传送带转动,表示可以进物料。
货物经传感器对其进行识别,检测其分别为绿、红、蓝、白,之后由相对应的气缸动作将货物准确的分拣至相对应的分类堆放槽当中,如果没有传感器检测出的货物则自动从传送带末端排出进行外包装人工检测,必要时进行再包装,完成后再次检测。
图2-2结构示意图
2.2检测元件与执行装置的选择
对于主要装置类型的选择,主要是对PLC控制器的型号,旋转编码器的基本知识、用途、选型,颜色传感器的选择和调试,以及步进电机的型号等硬件设备的选择。
2.2.1旋转编码器
本小节主要简单介绍旋转编码器的基本知识和工作原理。
旋转编码器需要与步进电机连接到一起而工作并产生作用,而本次分拣系统中,旋转编码器的主要作用是充当分拣系统控制的计数器,并且可以提供控制电机启停的输入脉冲。
而脉冲输入又可以转化为位移量从而控制传送带上待检测货物的位置。
当待检测货物传送到相应传感器的位置时,可以向PLC发送脉冲使PLC控制器发出正确的指令而控制运行,附加作用也可以适量的控制步进电机运行速度。
本设计系统多方考虑选用增量式旋转编码器,该编码器的器件内部装设有两个光敏接受管,该光电码盘的角度码盘的相位的角度的改变,可以在编码器角度码盘上得到相对应的相位角度的偏移(增加或减少相位)。
增量型编码器简单的工作原理:
该类型编码器存有一个带有中心轴的光电码盘,该光电码盘上刻有环形线,能够进行光电发射和读取,形成A、B、C、D四组正弦波信号,在一个波的周期为360度的周期波中每个正弦波的相位差为90度,如果为了得到稳定的信号,可以将C、D正弦波反向,将它们叠加在A、B两相上;那么零参考相位可利用每个旋转周期输出的一个Z相脉冲代表。
通过比较A相在前还是B相在前(利用A、B相位在一个选装周期内为90度。
),以此来具体判断该编码器的对应的零位参考位以及正转与反转。
图2-3就是增量式编码器输出的脉冲波和工作相位原理图。
注意逆时针旋转对应的脉冲输出波为图中从左向右的波形,而顺时针对应从右到左。
图2-3增量式旋转编码器输出脉冲典型波型
当该编码器为顺时针旋转时,有相位超前相位。
当该编码器旋转方向为逆时针时,则相位对应相反,对应的编码器输出的电平脉冲直接由其相位的旋转位置决定。
如果编码器在旋转一周之后所确定的输出脉冲数相同,那么精度也较高,因为编码器的精度也是由脉冲数而决定的。
根据对编码器基本知识及其工作原理的认识,我们可以从中读取出相应的脉冲数,那么根据脉冲数的多少也可以计算出相对应的位移量,只要有一个参考位置那么便可以计算出某一个绝对位置。
根据实际需要和系统功能分析,该设计选用E6A2CW5C旋转编码器,该编码器电源电压为DC12-24V,A、B两项输出,分辨率为100P/R(脉冲/转),原理如图2-4所示。
图2-4旋转编码器原理示意图
2.2.2颜色传感器
根据物理学原理,人眼之所以能够看得到物体表面的颜色,从根本上讲是因为该物体的表面反射了当白光照射在物体上面吸收了白光(由各种有色光合成)中不是他本身颜色的一部分有色光之后白光中剩余的有色光的反映。
根据光学原理我们知道白光是由各种不同颜色(如红、黄、绿、青、蓝、紫)的色光根据一定比例混合而成。
对于色光的三原色原理,我们可知由三原色光(红、绿、蓝)经过混合可以生成其他不同颜色的色光。
那么我们就可以通过探究了解并且知道不同颜色当中三原色的每种颜色所占有的比例,通过这个比例也就可以推算出所能检测的具体的颜色。
颜色传感器TCS230在自动控制系统中是最常用的颜色传感器,它具有分辨率高、调试简单等优势。
根据对于颜色传感器原理的认识,选用TCS230,通过调试三原色的比例,我们可以根据需要调节设置它只允许某种特定的色光通过,而其他色光被阻止。
举个例子:
当我们需要分拣红色包装货物时,我们可以设置红色滤波器,那么久只可以通过红色货物包装上吸收的红色光,而其他蓝色和绿色则相应的被阻止,这个原理也使我们可以准确得到红色光的光强。
那么同理,若我们需要选择其他颜色滤波传感器时,也可以得到其他颜色的光强。
我们可以根据三原色光的比例的不同可以确定TCS230传感器上的光的颜色,从而检测出待分拣货物包装颜色的不同。
本文选择TAOS公司生产的绿、红、蓝、白四种TCS230颜色传感器。
如图2-5是TCS230颜色传感器的引脚图。
图2-5TCS230颜色传感器
RGB颜色传感器介绍:
TAOS作为美国的生产可编程转换器、传感器的公司,设计出TCS230这一款可识别彩色光的颜色传感器。
通过对相关文献的了解,可以知道该传感器颜色的选择与输出信号可以由编程定值设定,同时具有分辨率高的特点,电源可有单电源供电。
对该传感器输入一个光信号,内置模数转换,输出为数字量。
其内置的硅光二极管定制在一个CMOS电路上,同时该电路上设置电流频率转换器。
带有数字兼容接口的颜色(RGB)滤波器集成在一个芯片中。
该传感器与CPU或其他逻辑电路直接相连,其数字量输出决定了其可以驱动的输入为TTL或COMS逻辑输入。
该传感器的内置电路比较简单,其输出不需要再设置A/D转换器,因为其转换精度较高,直接能够实现10位以上的单彩色通道的精度。
该传感器的单芯片上设置有64个光电二极管集成,拥有8个引脚封装。
根据光电二极管的分类标准,这64个光电二极管可以分为四类。
其中红绿蓝三色控制滤波器各被16个光电二极管带有,另外16个光电二极管不带有任何滤波器,所以任何色光都可以透过该类滤波器。
为了使眼色识别更加准确,并且使入射光辐射的均匀性较强一点,所以采用交叉排列的方式来分部这些光电二极管。
与其相对应的是,用于控制同一种颜色滤波器的光电二极管采用并联链接,并且为了使颜色误差降到最低,可以使这16个光电二极管均匀分布在阵列中。
该传感器专门设置两个引脚通过编程来动态的根据需要选择滤波器。
而为了提高该传感器的适应能力,同时提高不同测量范围的适应能力,使用者可以选用100%、20%或2%的输出比例因子来调整,该范围可以通过两个可编程的引脚来控制,同时要特别提出的是2Hz~500kHz是该传感器的典型输出脉冲。
总之,该传感器可以最大限度的根据用户的需求进行相应的设置调整,适应能力高、可操作调整型强的特点使该传感器的市场不断加强,应用范围逐渐增加。
当该传感器上有入射光投射时,为了输出占空比为50%的不同频率的方波,可以设置引脚S2、S3在控制相对应颜色滤波器的光电二极管的控制下根据比例选择控制不同颜色的滤波器并且经电流到频率转换器后可以达成该目的;前面我们讲过该传感器具有定标的功能,所以我们还可以根据实际情况下需要颜色的比例因子而设置输出定标控制引脚S0、S1选择,通过如此频率范围的调整也可以达到上述目的
根据对该传感器的分析理
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