基于PLC的工件自动分选控制系统设计Word文档格式.docx
《基于PLC的工件自动分选控制系统设计Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的工件自动分选控制系统设计Word文档格式.docx（35页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
监控
TheDesignfortheControlSystemofWorkpieceAutomaticSortingBasedonPLC——PLCControlSystemDesign
ElectricalEngineeringandAutomationSpecialty
Abstract:
Alongwiththedevelopmentofindustrialproduction,itispeopletothedemandofproductionautomationlevelthatishigherandhigher.Andforworkpiecesortingunderindustrialproduction,putforwardselfdemand.Forthisreason,thisdesignresearchesforthecontrolsystemofworkpieceautomaticsorting;
analyseshardwaresystemofthecontrolsystemofworkpieceautomaticsortingsuchasexecutivesystemanddrivesystem;
introducestheworkingprincipleofprimaryelements;
mainlyresearchesforPLCcontrolsystem,includingdistributingI/Otable,designingPLCexternalcircuitconnectiondiagram,writingPLCprogram.Bymeansofon-linedebug,achieveautomaticsortingtotwodifferentcolorsofworkpieces,meanwhilemonitorworkpiecesortingprocesswithKingViewsoftware.
Keywords:
Automaticsorting;
programmablelogiccontroller;
controlsystem;
KingView;
monitoring
1引言
1.1自动分选控制系统提出的意义
随着工业自动化的发展，PLC与自动生产线在工业生产中应用越来越广泛，尤其是PLC具有强大的算术运算、定时、计数、逻辑控制、顺序控制、存储等功能。
不仅能通过数字量与模拟量对各类系统的控制，也能通过以太网与上位机通讯。
自动生产线是由工件传送系统和控制系统，将一组自动机床和辅助设备按照工艺顺序联结起来，自动完成产品全部或部分制造过程的生产系统。
自动生产线的工件传送系统一般包括上下料装置、传送装置、组合加工和储料装置。
在特定情况下需要采用执行机构完成不同工件的传送。
主要描述自动生产线中的一个环节，通过自动分选装置分别将不同的工件输送到不同的生产线上[1]。
在工业生产中，采用自动分选系统能提高劳动生产率，稳定和提高产品质量，改善劳动条件，缩减生产占地面积，降低生产成本，缩短生产周期，保证生产均衡性，有显著的经济效益。
1.2自动分选系统的现状和发展趋势
随着科学技术的发展，各行各业生产出的产品只要有需要分选的工作，大多数都希望实现自动化，这样不但节省人力，而且不受人的主观意识所影响，因此针对于不同目的所开发的自动分选系统应运而生。
随着电子技术和计算机图像技术的发展，对物品的颜色进行测量判别的分选系统采用了光电传感器或CCD摄像机，这已成为自动分选系统的一个发展趋势。
因为它们对物品进行不损伤的非接触性计量，因此适用于任何种类的物品。
对于物品的外观品质进行分选的分选系统，最初是采用辨色传感器提取物品的单一颜色信息，以此判别物品的某项要求。
现在，由于PC计算机和有关图像处理硬件成本的下降，新崛起的彩色CCD摄像机已逐渐地取代了辨色传感器，成为综合分选的分选系统。
例如美国俄勒冈州的AlleElectronics公司设计的分选系统，其采用高晰像度的CCD摄像机，能识别以每分钟580英尺速度，在传送带上移动的产品上仅1mm大小的变色部分和缺陷部分。
该类型分选系统能按产品的色泽或大小进行分选，并能将特定产品分选内容参数编成程序预先储存在存储器内，是目前较为先进的新型分选系统。
许多物品单靠外表观察是无法判定其内部品质的，像水果的含糖量、成熟度以及是否有空洞等。
为此开发了采用X射线、红外线、紫外线、气敏以及敲打振动式等传感器技术的内部品质分选系统[2]。
中国加入WTO后越来越多的国际公司把其制造基地转移到中国。
同时，中国的国有企业和民营企业也在利用难得的历史机遇大力发展制造业。
中国正在努力成为世界新的制造业基地，制造企业为提高劳动生产率和产品质量，必然会实现产品自动化生产，从而为自动分选系统提供了广阔的应用前景。
其中，自动分选系统的发展趋势主要体现在以下三个方面：
（1）能连续、大批量地分选物品
由于采用自动作业方式，自动分选系统不受气候、时间、人的体力等的限制，可以连续运行，单位时间分选能够分选更多物品。
（2）极低的分选误差率
自动分选系统的分选误差率大小主要取决于所输入分选信息的准确性大小，这又取决于分选信息的输入机制，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，目前自动分选系统主要采用条形码技术来识别货物。
（3）基本实现无人化作业
国外建立自动分选系统的目的之一就是为了减少人员的使用，减轻工人的劳动强度，提高人员的使用效率，因此自动分选系统能最大限度地减少人员的使用，基本做到无人化。
1.3主要研究的内容及设计预期
随着自动化技术的飞速发展和自动分选系统应用领域的不断深化，不仅要求其控制可靠性强、使用灵活性高和操作灵活性好，还要其成本低、可开发经济性强。
本设计主要研究工件自动分选系统以下几个方面的内容：
（1）硬件系统的设计
（2）软件系统的设计
软件系统是自动分选系统的指挥系统，它控制驱动系统，让执行系统按规定的要求和时序进行工作。
自动分选系统采用可编程控制器（PLC）进行控制，主要包括I/O口的选择、控制系统接线图、自动程序梯形图的绘制等内容。
本系统设计利用松下FPWIN—GR软件进行的PLC编程，选用松下FP1—C40型PLC，通过联机调试，检查并完善PLC程序，下载程序到PLC中，连接外部电路，最终实现机械手对不同颜色工件的自动分选。
2工件自动分选控制系统的硬件设计
2.1执行机构的分析
执行机构包括工件输入装置、两个机械手、工件传送装置、工件槽等部分组成。
工件输入装置用于将工件输入到工件台；
机械手用于将工件转移到工件传送装置或工件槽；
工件传送装置用于将工件从一端传送到另一端；
工件槽用于存放不同颜色的工件。
自动分选系统示意图如图1所示。
图1执行机构示意图
执行机构的工作原理：
工件通过工件输入装置将其输入到左端，然后机械手动作将工件转移到工件传送装置，工件传送装置先将工件从右端传送到中间，经过色标传感器识别，工件槽执行相应的动作，之后工件传送装置再将工件从中间传送到左端，另一机械手再将工件转移到工件槽的相应位置，实现不同颜色工件的自动分选。
具体过程为初始位置→Y1左移，将工件送到左端→Y2伸出→Y3下降→Y4抓取工件→Y3上升→Y2缩回→Y3下降→Y4松开工件→Y3上升→Y6上升→Y5左移，将工件传送到中间，此时色标传感器检测工件，判断YA是否移动→Y6下降→Y5右移→Y6上升→Y5左移，将工件传动到左端→Y6下降→Y5右移→Y8下降→Y9抓取工件→Y8上升→Y7伸出→Y8下降→Y9松开工件，将工件放入工件槽的对应位置→Y8上升→Y7缩回→初始位置。
控制系统的动作在整个过程中都是连续可循环的[3]。
2.2驱动系统的分析
2.2.1驱动系统的选择
工件自动分选系统液压驱动，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、在工业生产中应用较多。
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。
据统计：
在工业发达国家中，全部自动化流程中约有30﹪装有气动系统，有90﹪的包装机械，70﹪的铸造、焊接设备，50﹪的自动操机、40﹪的锻造设备和洗衣设备、30﹪的采煤机械，20﹪的纺织机械、制鞋业、木材加工、食品机械，43﹪的工业机器人装有气压系统。
日、美、德等国的气动元件销售平均每年增长超过10-15﹪。
许多工业发达国家的气动元件产值已接近液压元件的产值，且仍以较大速度发展，气动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[4]。
表1给出了各种控制方式的比较：
表1各种控制方式的比较
项目
气压传动
液压传动
电气传动
机械传动
系统结构
简单
复杂
较复杂
输出力
稍大
大
小
不太大
定位精度
一般
很高
高
动作速度
响应速度
慢
快
中
维护
比气动复杂
需要专门技术
价格
稍高
技术要求
较低
较高
最高
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[5]。
2.2.2驱动系统的控制设计
根据工件自动分选的要求，在驱动系统中气缸的运动方式为直线运动（缸体固定，活塞杆运动或活塞杆固定，缸体运动）。
气动系统包括八个二位二通电磁阀、十个气缸、两个机械手、磁性开关、接近开关、调速阀和消声器（若干）等。
其中调速阀控制气缸或活塞杆上升和下降、伸长和缩短过程中的速度，防止速度过大对物料及机械手臂的冲击；
二位二通电磁换向阀是改变气缸的运动方向。
2.2.3元件选取及工作原理
气压驱动是利用压缩气体的压力能来实现能量传递的一种方式，其介质主要是空气，也包括燃气和蒸汽。
典型的气压传动系统由以下几部分组成：
（1）气源装置
空气压缩机（aircompressor）是气源装置中的主体，它是将原动机（通常是电动机）的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置[6]。
（2）执行元件
气缸是一种气动执行元件,其种类很多。
在机械手控制系统中主要用的气缸为带磁性开关的气缸。
对于气缸进、排气口,当左边进气。
右边排气时,活塞向右运动,反之活塞向左运动。
当活塞运动到位时,活塞上的永久磁铁将使磁性开关产生开关信息。
舌簧开关
当磁铁接近磁性开关时,磁性开关中的舌簧开关闭合,电路导通,指示灯亮;
反之,舌簧开关断开,指示灯灭。
当指示灯亮时,说明活塞运动到位。
磁性开关电路原理图如图2所示。
电源
保护电路
指示灯
图2磁性开关电路原理图
（3）控制元件
控制元件是用来调节压缩空气的压力、流量和控制其流动方向，使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作。
气动控制元件按功能分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。
a、压力控制阀
调节和控制压力大小的气动元件称为压力控制阀。
它包括调压阀、溢流阀、顺序阀及多功能组合阀。
调压阀是出口侧压力可调，并能保持出口侧压力稳定的压力控制阀。
溢流阀是在回路中的压力达到阀的规定值时，使部分气体从排气侧排出，以保持回路内的压力在规定值的阀。
调速阀是根据“流量负反馈”原理设计而成的单路流量阀。
调速阀一般用于执行元件负载变化大而运动速度要求稳定的系统中。
调速阀根据“串联减压式”和“并联溢流式”，又分为调速阀和溢流节流阀两种主要类型。
本设计选用串联减压式调速阀[7]。
b、电控换向阀
电控换向阀是一种气动控制元件,简称电磁阀。
它是通过电控改变气缸中进气和排气方向,从而改变活塞运动方向的元件。
本设计中用的电控电磁阀为二位五通单电控换向阀。
二位五通表示有两个工作位置和五个通气口。
单电控是指电磁阀通电时,活塞运动,改变气体通路;
断电时,活塞不运动,恢复原气体通路。
当电磁阀线圈断电时,依靠弹簧作用,活塞保持初始状态,当电磁阀线圈通电时,活塞向左运动,即可通过电磁阀线圈的通电与断电便可改变气缸内气体流向,从而实现对气缸活塞运动的控制。
其中，电磁阀Model：
4V210-08Pressure：
1.5~8kgf/cm2。
电磁阀的符号及规格图如图3所示。
图3电磁阀的符号及规格图
（4）辅助元件
辅助元件是保证压缩空气的净化、元件的润滑、元件间的连接及消声等所必须的。
可分为气源净化装置和其他辅助元件两大类。
a、气源净化装置
过滤器、调压阀和油雾器等组合在一起称为空气处理单元，又称为气动三联件。
压缩的空气中含有各种杂质，这些杂质的存在会降低气动元件的耐用度和性能，造成误动作和事故，必须清除。
空气处理单元就是用来清除压缩空气的杂质，提高空气质量的元件。
b、消声器
消声器是降低排气噪声的装置。
压缩空气完成驱动工作后，由换向阀的排气口排入大气。
此时的压缩空气是以接近音速的状态进入大气，由于压力的骤然变化，使空气急速膨胀从而发出噪音，其音量一般为80dB～100dB，为了改善劳动条件，应使用消声器。
常用的消声器有三种类型吸收型、膨胀型和吸收膨胀型。
吸收型消声器是依靠吸声材料来消声的。
膨胀型消声器的结构比较简单，相当于一段比排气口径大的管件，当气流通过时，让气流在其内部扩散、膨胀、碰壁撞击、反射、相互干涉而消声。
吸收膨胀型消声器是上述两种的结合。
气流由斜孔引入，气流束相互撞击、干涉、进一步减速，再通过设在消声器内表面的吸声材料消声，最后排向大气[8]。
（5）传感器
a、位移传感器
在各类开关中，有一种对接近它物件有“感知”能力的元件——位移传感器。
利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，这就是接近开关。
接近开关又称无触点行程开关，它除可以完成行程控制和限位保护。
具有工作可靠、寿命长、功耗低、复定位精度高、操作频率高以及适应恶劣的工作环境等特点[9]。
工件自动分选控制系统所用接近开关是LJ8A3系列中的LJ8A3-1-Z／BX，直流DC三线制6～36V。
型号LJ8A3-1-Z／BX，其中B代表常开，A则常闭；
X代表NPN型，Y则PNP型。
另直流DC二线制如LJ6A3-1-Z／D（E）X，其中D，E分别代表常闭，常开。
M6×
1×
50mm检测距离：
1mm；
M8×
M10×
2mm。
接近开关原理框图如图4所示。
图4接近开关原理框图
b、颜色识别传感器
色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。
色标传感器实际是一种反向装置，光源垂直于目标物体安装，而接收器与物体成锐角方向安装，让它只检测来自目标物体的散射光，从而避免传感器直接接收反射光，并且可使光束聚焦很窄。
白炽灯和单色光源都可用于色标检测。
以白炽灯为基础的传感器用有色光源检测颜色，这种白炽灯发射包括红外在内的各种颜色的光，因此用这种光源的传感器可在很宽范围上检测颜色的微小变化。
另外，白炽灯传感器的检测电路通常都十分简单，因此可获得极快的响应速度。
然而，白炽灯不允许振动和延长使用时间，因此不适用于有严重冲击和振动的场合。
使用单色光源（即绿色或红色LED）的色标传感器就其原理来说并不是检测颜色，它是通过检测色标对光束的反射或吸收量与周围材料相比的不同而实现检测的。
所以，颜色的识别要严格与照射在目标上的光谱成分相对应。
在单色光源中，绿光LED（565mm）和红光LED（660mm）各有所长。
绿光LED比白炽灯寿命长，并且在很宽的颜色范围内比红光源灵敏度高。
红光LED对有限的颜色组合有响应，但它的检测距离比绿光LED远。
通常红光源传感器的检测距离是绿光源传感器的6～8倍[10]。
红色LED型D11SN6FP色标传感器接线图如图5所示。
图5红色LED型D11SN6FP色标传感器接线图
3PLC控制系统的设计
PLC控制系统的设计是整个工件自动分选控制系统设计的关键和核心。
它在结构和功能上的合理划分与巧妙实现，对提高工件自动分选控制系统整体可靠性、实用性具有重要的意义，同时也是降低制造成本、缩短开发周期的有效途径。
3.1松下PLCFP1产品性能介绍
FP1是日本松下电工生产的小型PLC，该产品有C14、C16、C24、C40、C56、C72多种规格，形成系列化。
虽然是小型机性能价格比却很高，特别适合于中小企业。
本设计选用机型号为FP1—C40。
下面详细介绍其规格及系统构成，其控制单元的外形图如图6所示。
图6FP1—C40型PLC控制单元的外形图
FP1硬件配置除主机外还可加I/O扩展模块，A/D（模/数转换）、D/A（数/模转换）模块等智能单元。
最多可配置几百点，机内有高速计数器，可输入频率高达10kHz的脉冲，并可同时输入两路脉冲，还可输出频率可调的脉冲信号（晶体管输出型）。
该机型具有8个中断源的中断优先权管理。
允许输入最小脉冲宽度为0.5ms。
可调输入延时滤波功能可以使输入响应时间随外围设备情况而调节，调节范围在1~128ms之间。
手动拨盘式寄存器功能，可通过调节面板上的电位器，使特殊寄存器DT9040~9043中的数值在0~255间改变，实现从外部进行输入设定。
此外，该机型还具有强制置位、强制复位控制功能、口令保护功能、固定扫描时间设定功能、时钟/日历控制功能等。
该机配有RS—232和RS—422接口，可实现PLC与计算机通信，并可直接在计算机上用几种方式编制程序[11]。
FP1有190多条功能指令，除基本逻辑运算外还可进行+、-、×
、÷
等四则运算。
有8位、16位、32位数字处理功能，并能进行多种码制变换。
FP1还有中断、子程序调用、凸轮控制、高速计数、字符打印、步进指令等特殊功能指令。
FP1监控功能很强，可实现梯形图监控、列表继电器监控、动态时序图监控（可同时监控16个I/O点的时序）具有几十条监控命令，多种监控方式。
指令和监控结果可用日、英、德、意四种文字显示。
另外还有链接单元，例如用于远程信息交换的I/OLINK单元；
用于PLC与计算机间通信的C—NET适配器。
FP1-C40产品的基本性能见附录三。
3.2自动分选系统的组成
工件自动分选系统由电源、执行机构、驱动机构、检测机构、控制机构和上位机等组成。
工件自动分选系统结构图，如图7所示。
图7工件自动分选控制系统结构图
电源：
为系统提供所需电压；
执行机构—电磁阀：
PLC的输出信号给电磁阀，驱动气缸动作；
驱动机构—空气压缩机：
提供气缸运作的动力；
控制机构—PLC：
控制系统的核心，气缸动作的一切操作按PLC程序执行；
检测机构—磁性开关和传感器：
提供PLC的输入信号；
上位机—PC机：
通过RS232电缆与PLC相连，监控系统工作过程[11]。
3.3自动分选系统移动的工艺流程
控制系统是自动分选系统的指挥系统。
控制系统中需要用到二位五通的电磁阀，对气缸进行控制，涉及气缸到位与否检测，采用传感器来实现。
工件自动分选系统工件时的简单工作流程，如图8所示。
图8自动分选系统移动工件简易图
系统上电，接通空气压缩机给系统供气。
传感器的检测信号作为PLC输入信号，经PLC程序处理，由PLC输出口输出控制信号，使电磁阀接通，电磁阀做出相应的机械动作，打开气路，驱动气缸的活塞运动，完成机械手臂的前移、下移、夹取动作；
传感器检测到相应动作到位后，再给PLC一个控制输入信号，经PLC程序处理，使相应的电磁阀关断，气缸回复，完成机械手臂的后移、上升、卸料动作。
当工件传送到传送装置中间位置时，由中间的接近开关检测到位，同时色标传感器检测工件颜色，根据颜色不同，决定工件槽是否移动。
工件为红色时，驱动工件槽的气缸杆不伸出；
工件为黑色时，驱动工件槽的气缸杆伸出，工件槽右移。
这样来实现不同颜色工件的自动分选。
3.4系统I/O分配及I/O接线
根据系统工艺要求，所用气缸个数10，连接10个电磁换向阀，I/O分配输出10个；
相对应需要20个传感器检测气缸到位情况，考虑到机械手1、机械手2抓取动作不需要传感器位置检测，故除去4个传感器；
传送台需要3个物料检测传感器，分别为左中右物料检测，色彩识别传感器2个，工件输入检测传感器1个。
除了输入工件槽和输出工件槽各少用一个，共少用2个，由此，可以完成PLC的输入输出分配，需要传感器个数为20，即20个I/O输入点数；
10个电控换向阀驱动10个气缸动作，即10个I/O输出点数。
根据以上分析，输入输出点共计30个，因此得到的PLC的I/O分配，如表2、3所示。
表2输入点分配表
输入设备
输入点
1号气缸右限位
X2
机械手2伸出限位
XC
机械手1缩回限位
X3
机械手2上升限位
XD
机械手1伸出限位
X4
机械手2下降限位
XE
机械手1上升限位
X5
输出工件槽右限位
XF
机械手1下降限位
X6
色标传感器1
X11
传送装置右限位
X7
色标传感器2
升级会员 