物料分拣控制系统的设计PLC.docx
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物料分拣控制系统的设计PLC
中文摘要
英文摘要
1绪论
1.1课题的背景和意义
1.2材料分拣系统国内外研究现状
1.3材料分拣系统特点
1.4PLC简介及特点
1.5本课题的设计内容
2材料分拣系统工作原理和总体设计
2.1工作原理
2.2总体设计
2.2.1结构设计
2.2.2系统结构组成
3PLC控制系统的硬件设计
3.1系统主回路设计
3.2PLC控制系统的设备组成
3.3CPU及数字量扩展模块选择
4PLC控制系统的软件设计
4.1PLC程序结构
4.2PLC编程
4.3PID控制的功能指令
5结论
致谢
参考文献
（附录）
基于PLC的材料分拣系统
摘要
随着社会的不断进步，市场竞争的日趋激烈，各个生产企业都迫切地需要改进生产技术，提高生产效率，尤其在需要进行材料分拣的企业，以往一直采用人工分拣的方法，致使生产效率低，生产成本高，企业的竞争能力差，材料的自动分拣已成为企业的唯一选择。
本论文分析材料分拣系统的工作原理及系统的组成结构，采用稳定性较好的工控设备PLC对材料的运输、分拣进行实时控制。
最后对系统的软硬件设计进行详细的介绍。
本论文的材料分拣系统已在国内外许多实际的材料分拣系统中得到应用，并取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。
经实践证明该系统能极大的节省劳力，具有明显的经济效益和社会效益。
关键词：
材料分拣；自动生产线；物料传送；PLC；
ThematerialsortingsystembasedonPLC
Abstract
Withthedevelopmentofsociety,marketcompetitionbecomeveryfierce.Everyenterprisetriesitsbesttoimproveproductiontechnologyforimprovingtheproductivityefficiency,especiallyintheenterpriseswhichneedthetechnologyofmaterialsorting.Manyyearsago,weusehandtosortmaterial.Thismethodhaslowproductionefficiency,buthighproductioncosts.Soautomaticsortinghasbecometheonlychoiceofenterprises.
Thispaperanalyzestheworkingprincipleofmaterialsortingsystemandintroducethestructureofthesystem.ThissystemhasusedPLCwhichhasagoodstability.IusePLCtocontrolthetransportationofmaterialandsorting.Intheend,thesystemhardwareandsoftwaredesigningwereintroducedindetail.Thematerialsortingsysteminthispaperhasbeenusedinmanyfactoriesathomeandabroad.Andithasastableandreliableperformanceandgoodeffectinenergysaving.Usingthiscontrolsystemcansavethelaborandgetobviouseconomicbenefitsandsocialbenefits.
Keywords:
materialsorting;Automaticproductionline;PLC;
1绪论
1.1课题的背景和意义
从二十世纪20年代开始，随着汽车、滚动轴承、小型电动机和缝纫机等工业发展，机械制造中开始出现自动线，最早出现的是组合机床自动线。
在此之前，首先是在汽车工业中出现了流水生产线和半自动生产线，随后发展成为自动线。
第二次世界大战后，在工业发达国家的机械制造业中，自动线的数目出现了急剧增加。
采用自动线进行生产的产品应有足够大的产量；产品设计和工艺应先进、稳定、可靠，并在较长时间内保持基本不变。
在大批、大量生产中采用自动线能提高劳动生产率，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。
随着社会的不断进步，市场竞争的日趋激烈，各个生产企业都迫切地需要改进生产技术，提高生产效率，尤其在需要进行材料分拣的企业，以往一直采用人工分拣的方法，致使生产效率低，生产成本高，企业的竞争能力差，材料的自动分拣已成为企业的唯一选择。
材料自动分拣系统对于生产过程中需要重复分拣某些特征明显物料的工作的效率提高有重要的现实意义。
在提高分拣速度的同时，又能保证分拣质量和实现对整个分拣系统的监控。
本设计材料自动分拣系统所使用的材料分拣装置是一个模拟自动化工业生产过程的微缩模型，它使用了PLC、传感器、位置控制、电气传动和气动等技术，可以实现不同材料的自动分拣和归类功能，并可配置监控软件由上位计算机监控。
材料自动分拣系统能连续、大批量地分拣货物由于采用流水线自动作业方式，自动分拣系统不受气候、时间、人的体力等的限制，可以连续运行，同时由于自动分拣系统单位时间分拣件数多，因此自动分拣系统的可以弥补人力分拣在重复分拣方面的低效率工作。
分拣误差率极低自动分拣系统的分拣误差率大小主要取决于所输入分拣信息的准确性大小，这又取决于分拣信息的输入机制，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，如采用传感器信息输入，除非物料本身的特征有差错，否则不会出错。
因此，本设计计划使用传感器甄别物料的材质及外部颜色特征作为信息输入机制。
分拣作业基本实无人化建立自动分拣系统的目的之一就是为了减少人员的使用，减轻工员的劳动强度，提高人员的使用效率，因此自动分拣系统能最大限度地减少人员的使用，基本做到无人化。
分拣作业本身并不需要使用人员，人员的使用仅局限于在上位机上对整个控制系统进行监控和针对不同生产要求修改系统控制流程。
利用可编程控制器（PLC）,设计成本低、效率高的材料自动分拣装置。
以PLC为主控制器,结合气动装置、传感技术、位置控制等技术,现场控制产品的自动分拣。
系统具有自动化程度高、运行稳定、精度高、易控制的特点,可根据不同对象,稍加修改本系统即可实现不同对象要求。
1.2使用装置简介及其特点
材料分拣装置是模拟自动化工业生产过程的微缩模型，它使用了PLC控制、传感器、位置控制、电气传动和气动等技术，可以实现不同材料的自动分选和归类功能，并可配置监控软件由上位机监控。
该装置采用台式结构，配有S7-200型CPU、传感器（光电式、电感式、颜色、磁感应式）、交流电动机、输送带、气缸、电磁阀、直流电源、气泵、编程练习面板等，是典型的机电一体化教学实验装置。
装置由料块仓库、电动输送带、自动分选部件和控制器组成。
料块仓库是一个手动入库自动出库的装置。
使用时可将料块放入仓库中，当光电传感器感测到料块时系统开始运行，即启动输送带并由出库气缸将库内最底层料块推入输送带。
电动输送带是由交流电机驱动的皮带式水平输送装置。
它将料块匀速平稳的送至自动分选部件。
自动分选部件由物料传感器、微型直线气缸及滑道组成。
当传感器检测到相应料块时，对应的气缸将其推入应去的滑道；控制器采用SIEMENSS7-200型PLC，该系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力，保证了系统运行的可靠性、降低了威胁率，提高了工作效率。
它接受仓库传感器、各料块传感器、旋转编码器、气缸位置传感器的信号，根据要求分别控制输送带电机和各电磁换向阀。
1.3PLC简介及其应用
1.3.1PLC的概念
可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC
1.3.2PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如下所示：
（1）中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的适用性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
（2）存储器
PLC的存储器可以分为两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理、监控程序和用户程序编译程序，这类程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要用于存放用户编制的应用程序和各种数据。
（3）电源
PLC的电源是指为CPU、存储器和I/O接口等内部电子电路工作所配备的直流开关电源。
电源的交流输入端一般都有脉冲吸收电路，交流输入电压范围一般比较宽，抗干扰能力比较强。
电源的直流输出电压多为直流5V和直流24V。
直流5V电源供PLC内部使用，直流24V电源除了供内部使用外还可以供输入/输出单元和各种传感器使用。
1.3.3PLC种类
PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。
对PLC的分类通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。
1．按结构形式分类
根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。
（1）整体式PLC整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。
小型PLC一般采用这种整体式结构。
整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。
基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。
扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。
基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。
整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。
（2）模块式PLC模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。
模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。
模块装在框架或基板的插座上。
这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。
大、中型PLC一般采用模块式结构。
还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。
叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。
这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。
2．按功能分类
根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。
（1）低档PLC
具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。
主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
（2）中档PLC
除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。
有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。
（3）高档PLC
除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。
高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。
3．按I/O点数分类
根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。
（1）.小型PLC----I/O点数<256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。
产品型号
生产厂家
GE-I型
美国通用电气（GE）公司
TI100
美国德洲仪器公司
F、F1、F2
日本三菱电气公司
C20C40
日本立石公司（欧姆龙）
S7-200
德国西门子公司
EX20EX40
日本东芝公司
SR-20/21
中外合资无锡华光电子工业有限公司
（2）.中型PLC----I/O点数256～2048点；双CPU，用户存储器容量2～8K
产品型号
生产厂家
S7-300
德国西门子公司
SR-400
中外合资无锡华光电子工业有限公司
SU-5、SU-6
德国西门子公司
C-500
日本立石公司
GE-Ⅲ
美国通用电气（GE）公司
（3）.大型PLC----I/O点数>2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8～16K
产品型号
生产厂家
S7-400
德国西门子公司
GE-Ⅳ
美国通用电气（GE）公司
C-2000
日本立石公司
K3
日本三菱电气公司
1.3.4PLC的特点
高可靠性
PLC所有的I/O接口电路采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内附电路之间电气隔离；各输入端均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms；各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；采用性能优良的开关电源；具有良好的自诊断功能，一旦电源或者其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大；简化编程语言，对信息进行保护和恢复，设置警戒时钟WDT；对程序和动态数据进行电池后备。
上述措施使PLC有高的可靠性，而采用循环扫描工作也提高其抗干扰能力。
环境适应性强
PLC具有良好的环境适应性，可应用于十分恶劣的工业现场。
在电源瞬间断电的情况下，仍可以正常工作；具有很强的抗空间电磁干扰能力，可以抗峰值1000V，脉宽10μS的矩形波空间电磁干扰；具有良好的抗振能力和冲击能力。
一般对环境温度要求不高，在环境温度为-20℃。
C~65℃，相对湿度为35%~85%的情况下可正常工作。
通用性强、采用模块化结构
各个PLC的生产厂家都有各种系列化产品和各种模块供用户选择。
用户可以根据控制对象的规模和控制要求，选择合适的PLC产品，组成所需要的控制系统。
在做应用设计时，一般不需要用户制作任何附加装置，从而能使设计工作简化。
为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC意外，绝大多数PLC均采用模块化结构，PLC的各个部件。
包括CPU、电源、I/O均采用模块化的设计，由机架及电缆将各个模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合扩充方便、组合灵活。
此外PLC具有丰富的I/O接口模块、编程简单易学、手段多；安装简单、维修方便；速度快等特点，是“机电一体化”特有的产品。
1.3.5PLC的工作原理
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。
然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（一）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
（二）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
（三）输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
1.3.6PLC的应用
PLC在工业自动化领域起举足轻重的作用，在国内外已广泛应用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、交通等行业。
时间证明80%以上的工业控制可以使用PLC来完成。
PLC可用于逻辑顺序控制、过程控制、运动及位置控制、数据处理、通信连网等。
使用PLC可实现步进电机的控制，可使步进电机动作的抗干扰能力增强、可靠性提升。
21世纪，PLC会有更大的发展。
从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。
目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。
伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
1.4本课题的设计内容
经过系统调研和分析，并结合需方的实际要求，本次研究的主要内容是基于PLC的材料分拣系统的开发与制作。
整个系统的控制实现微机自动化管理，设备管理达到最优效果，运行调节达到最佳节能。
论文主要对以下内容进行描述：
（1）论文在对课题进行分析和研究的基础上，提出了系统的设计方案和思路，确定论文主要的研究内容和研究方法。
（2）分析了材料分拣系统的原理，给出了材料分拣系统的理论模型；确定材料分拣系统的控制方案，给出了材料分拣的控制流程及工作原理；
（3）介绍了基于PLC的材料分拣自动控制系统，以及电气传动和气动等技术。
对材料分拣系统的构成和工作过程、控制系统的硬件设计和PLC程序设计进行研究。
2材料分拣系统原理和总体设计
2.1系统功能及工作原理
本设计是开环控制系统的一个典型应用，它能把料仓中的3个物块：
铁块、铝块和一个带颜色的木块自动检测出来，并把它们送到指定的位置，完成工件的自动分拣。
当输送站送来的工件放到传送带并为入料口漫射式光电传感器检测到时，将信号传输PLC，通过PLC的程序使电机运转驱动传送带工作，把工件带进分拣区，如果进入分拣区的工件为铁块，则检测铁制物料的电感传感器动作，作为一号槽推料气缸启动信号，将铁块推到一号料槽，如果进入分拣区的工件为铝块，则检测金属物料的电容传感器动作，作为二号槽推料气缸启动信号，将铝块推到二号料槽里。
如果进入分拣区的工件为黄色木块，则检测黄色物料的光纤传感器动作，作为三号槽推料气缸启动信号，将黄色物块推到三号料槽里。
在井型料仓下方有一个漫射式光电传感器，有工件时，漫射式光电传感器将信号传输给PLC，用户PLC程序输出信号，从而驱动电动机启动，将工件输送至分拣区。
漫射式光电传感器利用光照射到被测物体上后反射回来的光线而工作的，由于物体反射的光线为发散的，故称为漫射式光电传感器。
它的光发射器与光接收器处于同一位置，且优化结构。
在工作时，光发射器始终发射检测光，若接近开关前方一定距离内没有物体，则没有光反射到接收器，接近开关处于常态而不动作，反之若接近开关的一定距离内出现物体，只要反射回来的光强度足够，则接收器收到足够的漫射光使接近开关动作而改变输出的状态，完成整个下料过程。
在每个料槽的对面都有推料（分拣）气缸，把分拣出来的工件推到对号的料槽中，在三个推料（分拣）气缸的前限位置和原始位置分别装有动作限位和回位限位传感器，在PLC的自动自动控制下可根据该信号来判别分拣气缸当前所处位置。
当推料（分拣）气缸将物料推出时动作限位传感器输出信号为“1”，回位限位传感器输出信号为“0”。
反之，动作限位传感器输出信号为“0”，回位限位传感器输出信号为“1”。
PLC通过它们的输出信号，来控制气缸的动作，使物料分拣出来。
2.2总体设计
2.2.1结构设计
以项目建设目标为基本原则，图2.1构建了一个基于PLC的材料分拣自动控制系统：
图2.1
2.2.2系统结构组成
按上述结构的成套控制装置主要包括：
（1）逻辑可编程控制器（PLC）
（2）计算机
（3）电动机
（4）气泵
（5）气缸
（6）传感器
（7）传送带
（8）系统软件
2.2.3PLC的输入信号及控制对象
系统以PLC为核心，其输入信号主要包括：
下料传感器输出信号，下料气缸回位限位传感器输出信号，下料气缸动作限位传感器输出信号，气缸1、气缸2、气缸3动作限位传感器及其回位限位传感器输出信号，电容传感器输出信号，电感传感器输出信号，颜色传感器输出信号。
PLC的输出主要控制对象：
（1）电机，传送带
（2）气缸
3PLC控制系统的硬件设计
3．1系统主回路设计
系统通过PLC程序控制电机和气缸的动作，并且需要一个气泵来给气缸提供动力，当然更离不开传感器提供的输入信号，来完成物料的传送与分拣。
为了使物料得到正确地分拣我设计了如下控制框图：
注：
本系统
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