本科毕业设计基于plc的材料分拣装置设计论文.docx
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本科毕业设计基于plc的材料分拣装置设计论文
课程设计论文
基于PLC的材料分拣装置设计
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摘要
随着科学技术的飞速发展,现代工业控制系统越来越复杂,传统控制科学面临着新的挑战。
PLC以其体积小、功能齐全、价格低廉和可靠性高等方面具有独特的优点,在各个领域获得了广泛应用。
PLC的使用大大提高了控制系统的可靠性和自控程度,为企业提供了更可靠的生产保障。
如何在PLC自动控制领域充分发挥PLC的优势,是目前自动控制学科的重要课题之一。
本课题正是在这样的背景下,围绕基于PLC的材料分拣装置设计展开研究。
论文首先叙述了PLC的材料分拣装置的发展背景、现状和发展方向。
然后,说明了PLC自动分拣控制系统工作原理和与传统继电器的区别。
本文详细叙述了一种基于PLC的材料分拣装置设计及自动控制编程,以及怎样通过PLC程序设计来实现材料分拣和自动控制。
其电路结构简单,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。
关键词:
PLC;材料分拣;自动控制;传感器
第3章PLC材料分拣系统的硬件设计
第1章绪论
1.1PLC材料分拣装置的研究背景
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展,计算机控制几乎扩展到所有工业领域。
现代社会要求制造业对市场要求做出迅速的反应,生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品[1]。
为了满足这一要求,生产设备和自动生产线的看着系统必须具有极高的可靠性和灵活性,可编程控制器(ProgrammableLogicController,PLC)正是顺应着一要求出现的,它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。
PLC的应用面广、功能强大、使用方便,是当代工业自动化系统的主要设备之一。
PLC已经广泛的应用于各种机械设备和生产过程的自动化控制中,PLC在其他领域,例如民用个家庭自动化也得到了迅速的发展。
而在众多工业生产领域中,对不同的材料进行分拣,以往常采用传统的继电器接触控制,使用硬连接电器多,可靠性差,自动化程度不高。
目前已有许多企业采用先进控制器对传统接触控制进行改造,大大提高了控制系统的可靠性和自动控制程度,为企业提供了更可靠的生产保障。
本文在此介绍一种采用可编程控制器(PLC)对材料自动分拣的一种方法,其电路结构简单,投资少(可利用原有设施改造),自动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。
本控制系统是一简单的材料分拣控制系统,在本系统的基础上,可以将之改进为物流分拣系统、自动分拣机,从而服务于人们的日常生活中。
1.2PLC材料分拣系统的现状
随着生产趋于个性化、集约化,许多企业开始加深对物流的认识及其价值的深度挖掘,通过物流建设降低成本,提升竞争力。
自动化物流系统逐渐应用于烟草、制造、家电、医药、食品、图书等领域。
随着物流市场需求的增长,国内物流系统及装备供应商通过自主技术创新、引进消化吸收,从起初低端技术、国外进口到现在高端创新、与国外厂商同台竞技,物流装备技术水平已明显提高,但在高端技术方面也还存在较大差距。
1.3PLC材料分拣系统的发展方向
PLC材料分拣系统未来发展方向可以分为系统集成、工艺创新和自动分拣机三个方向。
1.3.1系统集成
由于专业高度分工和全球经济一体化,系统集成是一种理念和趋势。
国内厂商应采取国内集成、国外配套的合作思路,充分利用合作方在高端产品、关键设备上技术先进成熟的优势,迅速实现优势互补,提高整个物流系统的技术含量和技术水平。
集成不是简单的设备组合,是以系统思维的方式对设备功能的充分应用,并保证软硬接口的无缝和快捷,目的是实现集成创新。
1.3.2工艺创新
物流系统应充分注重“系统”概念,系统由多个单元组成。
单元的有效组合,即是流程及工艺的设计,这是一个全局优化的复杂过程。
工艺设计中最重要的是了解用户的实际需求,不同的行业和用户对物流的需求有着较大的差异,这是一种个性化的服务,应不断拓展创新。
就从烟草行业来讲,结合卷烟生产工艺,将物流做宽做深,从烟叶醇化到成品发货,从制丝分组加工到储叶储丝模块化精益生产,工艺创新和装备已融入并实现工厂生产自动化(FA)。
现在社会上己将物流的高科技产品(自动分拣机、自动化立体仓库、信息处理及通讯自动化等)广泛应用于各个流通领域。
自动分拣系统是一次大战后在美国、日本的配送中心广泛采用的一种物流设备,己经成为发达国家大中型物流中心不可缺少的一部分。
可以肯定,随着物流大环境的逐步改善,科学技术日新月异的进步,特别是感测技术、电子标签及计算机控制技术等的引入使用,自动分拣系统在我国发展空间巨大。
1.3.3自动分捡机
在商业配送领域自动分捡机的应用较为广泛,可实现多品种、小批量、多批次、短周期的物品分拣和配送作业。
自动分捡机的种类很多,有滑靴式、翻板式、交叉带式等,国内厂商能提供相应产品,但从分类能力、可靠性等指标来看,性参数能较国外先进水平还有较大差距。
目前,项目系统集成中进口比例较高,在机场物流行李分拣系统中,由于分拣量大及高可靠性要求,基本都从国外进口。
随着商业配送物流的快速发展,配送中心对自动分拣机将会有更多需求,分拣技术水平和设备性能将会有较大提高。
物流配送中心是从事配送业务的物流场所或组织,它的作业流程包括“入库—保管—拣货—分拣—暂存—出库”。
物流中心每天接受众多供应商或货主通过各种运输工具送来的成千上万种物品,用最短的时间将物品卸下并按品种、货主、储位或发送地点进行快速准确的分类,然后将物品运送到指定地点。
当订货商向物流中心发出配送订单后,自动分拣系统在最短时间内从自动化立体仓库中准确找到要出库的物品所在位置,并按所需数量出库,最后将从不同储位上取出的不同数量的物品按配送地点的不同运送到不同的存货区域进行分拣,以便装车配送。
值得一提的是对于小件物品的分拣技术和设备近几年发展较快,主要集中在卷烟配送行业,从电子标签拣选模式到立式、通道式分发机半自动分拣,甚至全自动补货、分拣、装箱,技术和设备都更新很快,目前各供应商仍以高速分拣、高度自动化的方向快速发展。
第2章材料分拣装置结构及总体设计
PLC控制分拣装置涵盖了PLC技术、气动技术、传感器技术、位置控制技术等内容,是实际工业现场生产设备的微缩模型。
本章主要介绍分拣装置的工艺过程及控制要求。
要想进行PLC控制系统的设计,首先必须对控制对象进行调查,搞清楚控制对象的工艺过程、工作特点,明确控制要求以及各阶段的特点和各阶段之间的转换条件。
2.1材料分拣装置工作过程概述
如图1-1所示为本分拣装置的结构示意图。
图2-1材料分拣装置结构示意图
它采用台式结构,内置电源,有步进电机、汽缸、电磁阀、旋转编码器、气动减压器、滤清器、气压指示等部件,可与各类气源相连接。
选用颜色识别传感器及对不同材料敏感的电容式和电感式传感器,分别固定在网板上,且允许重新安装传感器排列位置或选择网板不同区域安装。
系统上电后,可编程序控制器首先控制启动输送带,下料传感器SN检测料槽有无物料,若无料,输送带运转一个周期后自动停止等待下料;当料槽有料时,下料传感器输出信号给PLC,PLC控制输送带继续运转,同时控制气动阀5进行下料,每次下料时间间隔可以进行调整。
物料传感器SA为电感传感器,当检测出物料为铁质物料时,反馈信号送PLC,由PLC控制气动阀1动作选出该物料;物料传感器SB为电容传感器,当检测出物料为铝质物料时,反馈信号送PLC,PLC控制气动阀2动作选出该物料;物料传感器SC为颜色传感器,当检测出物料的颜色为待检测颜色时,PLC控制气动阀3动作选出该物料。
物料传
感器SD为备用传感器。
当系统设定为分拣某种颜色的金属或非金属物料时,由程序记忆各传感器的状态,完成分拣任务。
2.2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
2.3系统的设计要求
系统的设计要求主要包括功能要求和控制要求,进行设计之前,首先应分析控制对象的要求。
2.3.1功能要求
材料分拣装置应实现基本功能如下
(1)分拣出金属和非金属
(2)分拣某一颜色块
(3)分拣出金属中某一颜色块
(4)分拣出非金属中某一颜色块
(5)分拣出金属中某一颜色块和非金属中某一颜色块
2.3.2系统的控制要求
系统利用各种传感器对待测材料进行检测并分类。
当待测物体经下料装置送入传送带后,依次接受各种传感器检测。
如果被某种传感器测中,通过相应的气动装置将其推入料箱;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)电机运行,带动传输带传送物体向前运行
(3)有物料时,下料汽缸动作,将物料送出
(4)当电感传感器检测到铁物料时,推汽缸1动作
(5)当电容传感器检测到铝物料时,推汽缸2动作
(6)当颜色传感器检测到材料为某一颜色时,推汽缸3动作
(7)其他物料被送到SD位置时,推汽缸4动作
(8)汽缸运行应有动作限位保护
(9)下料槽内无下料时,延时后自动停机
第3章PLC材料分拣系统的硬件设计
3.1PLC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、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2.1所示。
图3.1材料分捡系统工作原理示意图
1—气瓶2—PLC3—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2.2所示。
图3.2系统结构图
3.2系统的硬件配置
系统由气动部件、电气部件和硬件三大部分组成。
系统的硬件配置如表3.1。
表2.1系统硬件配置
PLC
1台
底座
1个
启动开关
1个
光电传感器
2个
铁传感器
1个
电机
2个
铝传感器
1个
气缸
5个
颜色传感器
1个
限位开关
10个
气瓶
1个
皮带
1条
电源
1个
气压传动装置
1套
3.3系统的运行方式
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,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2.3所示。
在图2.3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M1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。
图3.3系统主电路图
3.4PLC与传统继电器的区别及选型
3.4.1PLC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。
3.4.2PLC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。
3.5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2.4。
因此,本系统中检测铁物料选用霍尔传感器为2AV系列。
图3.4霍尔接近开关的工作原理图
3.6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2.5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3.5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3.6的等效电路。
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。
图3.6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3.7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3.7铝传感器开关原理图
3.7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,就可以分析投射到TCS230传感器上的光的颜色,本文选择红色滤波器。
3.8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。
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。
3.9气压传动装置选用
3.9.1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3.8。
图3.8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3.8气源装置结构图
3.9.2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,0.015—0.2MPa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3.9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
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