PLC的自动化生产线供料单元的结构与控制.docx

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PLC的自动化生产线供料单元的结构与控制

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第三章供料单元的结构与控制

3.1 供料单元的结构

3.1.1 供料单元的功能

供料单元是 YL-335A 中的起始单元，在整个系统中，起着向系统中的其他单元提供

原料的作用。

具体的功能是：

按照需要将放置在料仓中待加工工件（原料）自动地推

出到物料台上，以便输送单元的机械手将其抓取，输送到其他单元上。

如图 3-1 所示

为供料单元实物的全貌。

3.1.2 供料单元的结构组成

供料单元的结构组成如图 3-2 所示。

其主要结构组成为：

工件推出与支撑，工件漏

斗，阀组，端子排组件，PLC，急停按钮和启动/停止按钮，走线槽、底板等。

1．工件推出与支撑及漏斗部分

该部分如图 3-3 所示。

用于储存工件原料，并在需要时将料仓中最下层的工件

推出到物料台上。

它主要由大工件装料管、推料气缸、顶料气缸、磁感应接近开关、

漫射式光电传感器组成。

该部分的工作原理是：

工件垂直叠放在料仓中，推料缸处于料仓的底层并且其活

塞杆可从料仓的底部通过。

当活塞杆在退回位置时，它与最下层工件处于同一水平位

置，而夹紧气缸则与次下层工件处于同一水平位置。

在需要将工件推出到物料台上时，

首先使夹紧气缸的活塞杆推出，压住次下层工件；然后使推料气缸活塞杆推出，从而

把最下层工件推到物料台上。

在推料气缸返回并从料仓底部抽出后，再使夹紧气缸返

回，松开次下层工件。

这样，料仓中的工件在重力的作用下，就自动向下移动一个工

件，为下一次推出工件做好准备。

为了使气缸的动作平稳可靠，气缸的作用气口都安装了限出型气缸截流阀。

气缸截

流阀的作用是调节气缸的动作速度。

截流阀上带有气管的快速接头，只要将合适外径

的气管往快速接头上一插就可以将管连接好了，使用时十分方便。

图 3-4 是安装了带

快速接头的限出型气缸截流阀的气缸外观。

图 3-5 是一个双动气缸装有两个限出型气缸节流阀的连接和调节原理示意图，当

.

A

.

调节节流阀 A 时，是调整气缸的伸出速度，而当调节节流阀 B 时，是调整气缸的缩回

速度。

从图 3-4 上可以看到，气缸两端分别有缩回限位和伸出限位两个极限位置，这两个

极限位置都分别装有一个磁感应接近开关，如图 3-6（a）所示。

磁感应接近开关的基本

工作原理是：

当磁性物质接近传感器时，传感器便会动作，并输出传感器信号。

若在

气缸的活塞（或活塞杆）上安装上磁性物质，在气缸缸筒外面的两端位置各安装一个

磁感应式接近开关，就可以用这两个传感器分别标识气缸运动的两个极限位置。

当气

缸的活塞杆运动到哪一端时，哪一端的磁感应式接近开关就动作并发出电信号。

在 PLC

的自动控制中，可以利用该信号判断推料及顶料缸的运动状态或所处的位置，以确定

工件是否被推出或气缸是否返回。

在传感器上设置有 LED 显示用于显示传感器的信号

状态，供调试时使用。

传感器动作时，输出信号“1”，LED 亮；传感器不动作时，输

出信号“0”，LED 不亮。

传感器（也叫做磁性开关）的安装位置可以调整，调整方法

是松开磁性开关的紧定螺栓，让磁性开关顺着气缸滑动，到达指定位置后，再旋紧紧

定螺栓。

磁性开关有蓝色和棕色 2 根引出线，使用时蓝色引出线应连接到 PLC 输入公共端，

棕色引出线应连接到 PLC 输入端子。

磁性开关的内部电路如图 3-6 虚线框内所示，为

了防止实训时错误接线损坏磁性开关，YL-335A 上所有磁性开关的棕色引出线都串联

了电阻和二极管支路。

因此，使用时若引出线极性接反，该磁性开关不能正常工作。

图 3-6 磁性开关内部电路

在底座和装料管第 4 层工件位置，分别安装一个漫射式光电开关。

漫射式光电接近

开关是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

漫射光，故称为漫射式光电接近开关。

它的光发射器与光接收器处于同一侧位置，且

为一体化结构。

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，则没有光被反射到接收器，接近开关处于常态而不动作；反之若接近开关的

.

.

前方一定距离内出现物体，只要反射回来的光强度足够，则接收器接收到足够的漫射

光就会使接近开关动作而改变输出的状态。

图 3-7 为漫射式光电接近开关的工作原理

示意图。

图 3-7 漫射式接近开关的工作原理

由此可见，若该部分机构内没有工件，则处于底层和第 4 层位置的两个漫射式光电

接近开关均处于常态；若仅在底层起有 3 个工件，则底层处光电接近开关动作而第 4

层处光电接近开关常态，表明工件已经快用完了。

这样，料仓中有无储料或储料是否

足够，就可用这两个光电接近开关的信号状态反映出来。

在控制程序中，就可以利用

该信号状态来判断底座和装料管中储料的情况，为实现自动控制奠定了硬件基础。

供料单元中，用来检测工件不足或工件有无的漫射式光电接近开关选用 OMRON 公司

的 E3Z-L 型放大器内置型光电开关（细小光束型）。

该光电开关的外形和顶端面上的调

节旋钮和显示灯如图 3-8 所示。

图 3-9 给出该光电开关的内部电路原理框图。

图 3-9E3Z-L 光电开关电路原理图

被推料缸推出的工件将落到物料台上。

物料台面开有小孔，物料台下面设有一个园

柱形漫射式光电接近开关，工作时向上发出光线，从而透过小孔检测是否有工件存在，

以便向系统提供本单元物料台有无工件的信号。

在输送单元的控制程序中，就可以利

用该信号状态来判断是否需要驱动机械手装置来抓取此工件。

该光电开关选用 OTS41

.

.

型。

2、电磁阀组

阀组，就是将多个阀与消声器、汇流板等集中在一起构成的一组控制阀的集成，而

每个阀的功能是彼此独立的。

供料单元的阀组只使用两个由二位五通的带手控开关的

单电控电磁阀，两个阀集中安装在汇流板上，汇流板中两个排气口末端均连接了消声

器，消声器的作用是减少压缩空气在向大气排放时的噪声。

阀组的结构如图 3-10 所示。

本单元的两个阀分别对顶料气缸和推料气缸进行控制，以改变各自的动作状态。

本单元所采用的电磁阀，带手动换向、加锁钮，有锁定（ LOCK）和开启（PUSH）2

个位置。

用小螺丝刀把加锁钮旋到在 LOCK 位置时，手控开关向下凹进去，不能进行手

控操作。

只有在 PUSH 位置，可用工具向下按，信号为“1”，等同于该侧的电磁信号为

“1”；常态时，手控开关的信号为“0”。

在进行设备调试时，可以使用手控开关对阀

进行控制，从而实现对相应气路的控制，以改变推料缸等执行机构的控制，达到调试

的目的。

3.1.3 气动控制回路

气动控制回路是本工作单元的执行机构，该执行机构的控制逻辑控制功能是由 PLC

实现的。

气动控制回路的工作原理如图 3-11 所示。

图中 1A 和 2A 分别为推料气缸和顶

料气缸。

1B1 和 1B2 为安装在推料缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关，2B1 和

2B2 为安装在推料缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关。

1Y1 和 2Y1 分别为控制推

料缸和顶料缸的电磁阀的电磁控制端。

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图 3-11 供料单元气动控制回路工作原理图

3.2 供料单元的 PLC 控制及编程

3.2.1 PLC 的 I/O 接线

本单元中，传感器信号占用 7 个输入点，留出 1 个点提供给启/停按钮作本地主令

信号，则所需的 PLC I/O 点数为 8 点输入/2 点输出。

选用西门子 S7-222 主单元，共 8

点输入和 6 点继电器输出，供料单元的 I/O 接线原理图如图 3-12 所示。

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图 3-12 供料单元 PLC 的 I/O 接线原理图

供料单元 PLC 的 I/O 接线是采用双层接线端子排连接的，端子排集中连接本工作单

元所有电磁阀、传感器等器件的电气连接线、PLC 的 I/O 端口及直流电源。

上层端子

用作连接公共电源正、负极（Vcc 和 0V），连接片的作用是将各分散端子片上层端子排

进行电气短接，下层端子用作信号线的连接，固定端板是将各分散的组成部分进行横

向固定，保险座内插装有 2A 的保险管。

接线端口上的每一个端子旁都有数字标号，以

说明端子的位地址。

接线端口通过导轨固定在底板上。

图 3-13 和图 3-14 分别是本单

元的接线端口外观和端子接线图。

3.2.2 供料单元的本地控制和网络控制

1、本地控制

YL-335A 允许各工作单元作为独立设备运行，但在供料单元中，主令信号输入点被

限制为 1 个，如果需要有启动和停止 2 种主令信号，只能由软件编程实现。

图 3-15

是软件实现用一个按钮产生启动/停止信号的一个方法。

图 3-15用一个按钮产生启动/停止信号程序

2、网络控制

YL-335A 着重考虑采用 RS485 串行通信实现的网络控制方案，系统的主令信号均从

连接到输送站 PLC（主站）的按钮/指示灯模块发出，经输送站 PLC 程序处理后，把控

制要求存储到其发送缓冲区，通过调用 NET_EXE 子程序，向各从站发送控制要求，以

实现各站的复位、启动、停止等等操作。

供料、加工、装配、分拣各从站单元在运行

.

.

过程中的状态信号，应存储到该单元 PLC 规划好的数据缓冲区，等待主站单元的读取

而回馈到系统，以实现整个系统的协调运行。

以第二章所举的例子为例，按表 2-2 的规划，主站单元发送的控制要求，存放在供

料单元 VB1000 处，而供料单元运行过程中需要回馈到系统的状态信号则应写入到

VB1010 处。

VB1000 和 VB1010 的具体内容以及控制程序如何编制，取决于系统工艺过

程的要求，下面以 YL-335A 出厂例程为实例说明。

例：

在网络控制方式下供料单元的控制要求如下：

系统启动后，供料站把待加工

工件推到物料台上，向系统发出物料台有物料信号，并且推料气缸缩回，准备下一次

推料。

若供料站的料仓和料槽内没有工件或工件不足，则向系统发出报警或预警信号。

物料台上的工件被输送站机械手取出后，须等待系统本工作周期结束，输送站机械手

装置返回原点位置，才进行下一次推出工件操作。

如果在工作过程中，系统曾发出停

止信号，则不再进行下一次推料操作。

由控制要求可知，程序应包括两部分，一是如何响应系统的启动、停止指令和状态

信息的返回，二是送料过程的控制。

可以编写实现这二个功能的子程序，在主程序中

调用。

1）主程序如图 3-16 所示。

图 3-16 主程序梯形图

2）启动/停止子程序

.

.

图 3-17 启动/停止子程序梯形图

3）送料子程序

图 3-18送料子程序梯形图

主站在读取供料站回馈信息后如何处理，将在第八章中说明。

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第四章 加工单元的结构与控制

4.1 加工单元的结构

4.1.1 加工单元的功能

加工单元的功能是完成把待加工工件从物料台移送到加工区域冲压气缸的正下方；

完成对工件的冲压加工，然后把加工好的工件重新送回物料台的过程。

如图 4-1 所示

为加工单元实物的全貌

4.1.2 加工单元的结构组成

加工单元主要结构组成为：

物料台及滑动机构，加工（冲压）机构，电磁阀组，接

线端口，PLC 模块，急停按钮和启动/停止按钮，底板等，加工机构的总成如图 4-2 所

.

.

1．物料台及滑动机构

物料台及滑动机构如图 4-3 所示。

物料台用于固定被加工件，并把工件移到

加工（冲压）机构正下方进行冲压加工。

它主要由手爪气动、手指、物料台伸缩

气缸、线性导轨及滑块、磁感应接近开关、漫射式光电传感器组成。

滑动物料台的工作原理：

滑动物料台在系统正常工作后的初始状态为伸缩气

缸伸出，物料台气动手爪张开的状态，当输送机构把物料送到料台上，物料检测

传感器检测到工件后，PLC 控制程序驱动气动手指将工件夹紧→物料台回到加工

区域冲压气缸下方→冲压气缸活塞杆向下伸出冲压工件→完成冲压动作后向上

缩回→物料台重新伸出→到位后气动手指松开的顺序完成工件加工工序，并向系

统发出加工完成信号。

为下一次工件到来加工做准备。

在移动料台上安装一个漫射式光电开关。

若物料台上没有工件，则漫射式

光电开关均处于常态；若物料台上有工件，则光电接近开关动作，表明物料台上

已有工件。

该光电传感器的输出信号送到加工单元 PLC 的输入端，用以判别物料

台上是否有工件需进行加工；当加工过程结束，物料台伸出到初始位置。

同时，

PLC 通过通信网络，把加工完成信号回馈给系统，以协调控制。

移动料台上安装的漫射式光电开关仍选用 OMRON 公司的 E3Z-L 型放大器内

置型光电开关（细小光束型），该光电开关的原理和结构以及调试方法在前面已

经介绍过了。

移动料台伸出和返回到位的位置是通过调整伸缩气缸上两个磁性开关位置来

定位的。

要求缩回位置位于加工冲头正下方；伸出位置应与输送单元的抓取机械

手装置配合，确保输送单元的抓取机械手能顺利地把待加工工件放到料台上。

2、加工（冲压）机构

加工（冲压）机构如图4-4 所示。

加工机构用于对工件进行冲压加工。

它主

要由冲压气缸、冲压头、安装板等组成。

冲压台的工作原理：

当工件到达冲压位置既伸缩气缸活塞杆缩回到位，冲压

缸伸出对工件进行加工，完成加工动作后冲压缸缩回，为下一次冲压做准备。

冲头根据工件的要求对工件进行冲压加工，冲头安装在冲压缸头部。

安装板

用于安装冲压缸，对冲压缸进行固定。

加工单元机械部件的装配和调整请参阅“YL-335A 机械装配手册”。

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3、电磁阀组

加工单元的气爪、物料台伸缩气缸和冲压气缸均用三个二位五通的带手控开

关的单电控电磁阀控制，三个控制阀集中安装在带有消声器的汇流板组成，如图

4-5 所示。

图中，前面的冲压缸控制电磁阀所配的快速接头口径较大，这是由于

冲压缸对气体的压力和流量要求比较高，冲压缸的配套较粗气管的缘故。

图 4-5 电磁阀组

这三个阀分别对冲压气缸、物料抬手爪气缸和物料台伸缩气缸的气路进行控

制，以改变各自的动作状态。

电磁阀所带手控开关有锁定（LOCK）和开启（PUSH）2 种位置。

在进行设备

调试时，使手控开关处于开启位置，可以使用手控开关对阀进行控制，从而实现

对相应气路的控制，从而实现对相应气路的控制，以改变冲压缸等执行机构的控

制，达到调试的目的。

4.1.3 气动控制回路

本工作单元气动控制回路的工作原理如图 4-6 所示。

1B1 和 1B2 为安装在冲

压气缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关，2B1 和 2B2 为安装在物料台伸缩

气缸的两个极限工作位置的磁感应接近开关，3B1 为安装在手爪气缸工作位置的

磁感应接近开关。

1Y1、2Y1 和 3Y1 分别为控制冲压气缸、物料台伸缩气缸和手

爪气缸的电磁阀的电磁控制端。

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图 4-6 加工单元气动控制回路工作原理图

从图 4-6 可以看到，当气源接通时，料台伸出气缸的初始状态是在伸出位置。

这一点，在进行气路安装时应予注意。

4.2 加工单元的 PLC 控制及编程

4.2.1 PLC 的 I/O 接线

本单元中，传感器信号占用 6 个输入点，留出 2 个点提供给提供给急停按钮

和启/停按钮作本地主令信号，则所需的 PLC I/O 点数为 8 点输入/3 点输出，选

用西门子 S7-222 AC/DC/RLY 主单元，共 8 点输入和 6 点继电器输出，加工单元

的 I/O 接线原理图如图 4-7 所示，接线端口的端子接线图则如图 4-8 所示。

.

.

图 4-7 加工单元 PLC 的 I/O 接线原理图

4.2.2 加工单元的编程要点

1、在 YL-335 的加工单元中，提供一个启动/停止按钮和一个急停按钮。

与供

料单元同样，如果需要有启动和停止 2 种主令信号，只能由软件编程实现，实现

方法在第三章中已经阐述，这里不再重复。

本单元的急停按钮是当本单元出现紧

.

.

急情况下提供的局部急停信号，一旦发生，本单元所有机构应立即停止运行，直

到急停解除为止；同时，急停状态信号应回馈到系统，以便协调处理。

2、加工单元的工艺过程也是一个顺序控制：

物料台的物料检测传感器检测到

工件后，按照，机械手指夹紧工件→物料台回到加工区域冲压气缸下方→冲压气

缸向下伸出冲压工件→完成冲压动作后向上缩回→物料台重新伸出→到位后机

械手指松开的顺序完成工件加工工序，并向系统发出加工完成信号。

下面给出 YL-335A 出厂例程中加工单元程序清单供读者在实训时参考。

主程序如图 4-9 所示，它只是在每一扫描周期（SM0.0 ON）调用 2 个子程序，

一个是启动/停止子程序，其功能是在读取主站发送来的控制命令以及把本站状

态信号写到通信数据存储区。

另一个子程序则是完成加工工艺控制功能。

图 4-9 加工站主程序梯形图

启动/停止子程序如图 4-10 所示

图 4-10 启动/停止子程序梯形图

.

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第六章 分拣单元的结构与控制

6.1 分拣单元的结构

6.1.1 分拣单元的功能

分拣单元是 YL-335A 中的最末单元，完成对上一单元送来的已加工、装配的

工件进行分拣，使不同颜色的工件从不同的料槽分流的功能。

当输送站送来工件

放到传送带上并为入料口光电传感器检测到时，即启动变频器，工件开始送入分

拣区进行分拣。

如图 6-1 所示分拣单元实物的全貌。

图 6-1 分拣单元实物的全貌

6.1.2 分拣单元的结构组成

分拣单元的结构组成如图 6-2 所示。

其主要结构组成为：

传送和分拣机构，

传动机构，变频器模块，电磁阀组，接线端口，PLC 模块，底板等。

传送和分拣机构如图 6-3 所示。

传送已经加工、装配好的工件，在光纤传感

器检测到并进行分拣。

它主要由传送带、物料槽、推料（分拣）气缸、漫射式光

电传感器、光纤传感器、磁感应接近式传感器组成。

传送带是把机械手输送过来加工好的工件进行传输，输送至分拣区。

导向件

是用纠偏机械手输送过来的工件。

两条物料槽分别用于存放加工好的黑色工件和

白色工件。

传送和分拣的工作原理：

本站的功能是完成从装配站送来的装配好的工件进

行分拣。

当输送站送来工件放到传送带上并为入料口漫射式光电传感器检测到

时，将信号传输给 PLC，通过 PLC 的程序启动变频器，电机运转驱动传送带工作，

把工件带进分拣区，如果进入分拣区工件为白色，则检测白色物料的光纤传感器

动作，作为 1 号槽推料气缸启动信号，将白色料推到 1 号槽里，如果进入分拣区

工件为黑色，检测黑色的光纤传感器作为 2 号槽推料气缸启动信号，将黑色料推

到 2 号槽里。

自动生产线的加工结束。

在每个料槽的对面都装有推料（分拣）气缸，把分拣出的工件推到对号的料

槽中。

在两个推料（分拣）气缸的前极限位置分别装有磁感应接近开关，在 PLC

的自动控制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

物料推出时磁感应接近开关动作输出信号为“1”，反之，输出信号为“0”。

.

.

在安装和调试传送、分拣机构时须注意：

⑴分拣单元的两个气缸安装时需注意：

一是安装位置，应使工件从料槽中间

被推入；二是要注意安装水平，否则有可能推翻工件。

⑵为了准确且平稳地把工件从滑槽中间推出，需要仔细地调整两个分拣气缸

的位置和气缸活塞杆的伸出速度，调整方法在前面已经叙述过了。

⑶在传送带入料口位置装有漫射式光电传感器，用以检测是否有工件输送过

来进行分拣。

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

出启动变频器信号，从而驱动三相减速电动机启动，将工件输送至分拣区。

该光电开关灵敏度的调整以能在传送带上方检测到工件为准，过高的灵敏度

会引入干扰。

⑷在传送带上方分别装有两个光纤传感器如图 6-4 所示，光纤传感器由光纤

检测头、光纤放大器两部分组成，放大器和光纤检测头是分离的两个部分，光纤

检测头的尾端部分分成两条光纤，使用时分别插入放大器的两个光纤孔。

放大器

的安装示意如图 6-5 所示

光纤传感器也是光电传感器的一种，相对于传统电量型传感器（热电偶、热

电阻、压阻式、振弦式、磁电式），光纤传感器具有下述优点：

抗电磁干扰、可

工作于恶劣环境，传输距离远，使用寿命长，此外，由于光纤头具有较小的体积，

所以可以安装在很小空间的地方。

光纤式光电接近开关的放大器的灵敏度调节范围较大。

当光纤传感器灵敏

度调得较小时，反射性较差的黑色物体，光电探测器无法接收到反射信号；而反

射性较好的白色物体，光电探测器就可以接收到反射信号。

反之，若调高光纤传

感器灵敏度，则即使对反射性较差的黑色物体，光电探测器也可以接收到反射信

号。

从而可以通过调节灵敏度判别黑白两种颜色物体，将两种物料区分开，从而

完成自动分拣工序。

图 6-6 给出了放大器单元的俯视图，调节其中部的 8 旋转灵敏度高速旋钮

就能进行放大器灵敏度调节（顺时针旋转灵敏度增大）。

调节时，会看到“入光

量显示灯”发光的变化。

当探测器检测到物料时，“动作显示灯”会亮，提示检

测到物料。

E3Z-NA11 型光纤传感器电路框图如图 6-7 所示，接线时请注意根据导线颜

.

.

色判断电源极性和信号输出线，本单元使用的是褐色、黑色、和蓝色线。

图 6-7E3Z-NA11 型光纤传感器电路框图

2、传动机构

传动机构如图 6-8 所示。

采用的三相减速电机，用于拖动传送带从而输送物

料。

它主要由电机支架、电动机、联轴器等组成。

三相电机是传动机构的主要部分，电动机转速的快慢由变频器来控制（变频

器具体操作见 6.2.2），其作用是带传送带从而输送物料。

电机支架用于固定电

动机。

联轴器由于把电动机的轴和输送带主动轮的轴联接起来，从而组成一个传

动机构。

在安装和调整时，要注意电动机的轴和输送带主动轮的轴必须要保持在

同一直线上。

3.电磁阀组

分拣单元的电磁阀组只使用了两个由二位五通的带手控开关的单电控电磁

阀，它们安装在汇流板上。

这两个阀分别对白料推动气缸和黑料推动气缸的气路

进行控制，以改变各自的动作状态。

所采用的电磁阀所带手控开关有锁定（LOCK）和开启（PUSH）2 种位置。

在

进行设备调试时，使手控开关处于开启位置，可以使用手控开关对阀进行控制，

从而实现对相应气路的控制，以改变推料缸等执行机构的控制，达到调试的目的。

6.1.3 气动控制回路

本单元气动控制回路的工作原理如图 6-9 所示。

图中 1A 和 2A 分别为分拣一

气缸和分拣二气缸。

1B1 为安装在分拣一气缸的前极限工作位置的磁感应接近开

.

.

关，2B1 为安装在分拣二气缸的前极限工作位置的磁感应接近开关。

1Y1 和 2Y1

分别为控制分拣一气缸和分拣二气缸的电磁阀的电磁控制端。

图 6-9 分拣单元气动控制回路工作原理图

6.2 分拣单元的 PLC 控制及编程

6.2.1 PLC 的 I/O 接线

本单元中，传感器信号占用 5 个输入点，留出 2 个点提供给急停按钮和启/

停按钮作本地主令信号，共需 7 点输入；输出点数为