毕业论文材料分拣装置PLC控制系统.docx

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毕业论文材料分拣装置PLC控制系统

论文题目：

材料分拣PLC控制装置

摘要

本文详细阐述了可编程控制器（PLC）在自动材料分拣系统中的应用。

利用可编程控制器，设计成本低、效率高的材料分拣装置。

以PLC为主控制器，结合气动装置、传感技术等，现场控制材料的自动分拣。

系统具有自动化程度高、运行稳定、精度高、易控制的特点，能连续、大批量地分拣货物，分拣误差率低且人工劳动强度大大降低，可明显提高劳动生产率。

而且，分检系统能灵活地与其他物流设备无缝连接，实现对材料的分配和管理。

其设计采用标准化、模块化的组装，系统布局灵活，系统开发简单，维护方便，可适应进行材料分拣的弹性生产线的需要，受场地等因素的影响不大。

同时，只要对系统稍加修改即可实现各种不同生产线的要求。

关键词:

可编程控制器，分拣装置，PLC控制系统，传感技术，气动技术。

Abstract:

Thispaperdescribesaprogrammablelogiccontroller（PLC）,automaticmaterialsortingsystem.Theuseofprogrammablecontrollers,lowdesigncost,high-efficiencymaterialssortingdevice.PLC-basedcontroller,thecombinedpneumaticdevices,sensortechnology,automaticcontrolofmaterialsatthescenesorting.Thesystemhasahighdegreeofautomation,stableoperation,highprecision,easytocontrol,canbecontinuous,largequantitiesofsortinggoods,sortingerrorrateislowandgreatlyreducelaborintensity,cansignificantlyincreasetheproductivityoflabor.Andsortingsystemflexibilityandotherlogisticsequipment,seamlessconnectivity,toachievetheallocationandmanagementofmaterial.Itsdesignistheuseofstandardized,modularassembly,aflexiblesystemlayout,systemdevelopmentissimple,easytomaintain,canbeadaptedtotheneedsoftheelasticmaterialsortingproductionline,byfactorsvenues.Atthesametime,aslongasthesystemisslightlymodifiedtoachievetherequirementsofthevariousproductionlines.

Keywords:

programmablelogiccontroller,sortingdevice,PLCcontrolsystem.

目录

摘要：

-II-

绪论：

-1-

第1章材料分拣机系统硬件介绍-4-

1.1系统中硬件简介-4-

1.1.1可编程控制器PLC-4-

1.1.2PLC的种类-5-

1.1.3PLC种类及型号选择-6-

1.2执行机构电动机及传送带-7-

1.3换向器介绍-9-

1.4传送带的简介及分类-10-

1.5传感器介绍及其原理-10-

1.5.1颜色传感器-10-

1.5.2传感器介绍及其工作原理-11-

第2章系统介绍与软件分析-14-

2.1材料分拣系统介绍-14-

2.2材料分拣系统设计原理-14-

2.3材料分拣系统分析-14-

2.3.1设计思路-14-

2.3.2系统软件流程图-16-

第3章课题研究的方法和手段-18-

3.1硬软件比较-18-

3.2PLC的特点及功能-18-

3.2.1PLC的优点-18-

3.2.2PLC的缺点-18-

3.2.3PLC的功能-19-

3.3PLC控制系统的发展趋势-20-

第4章结果和讨论-21-

4.1PLC控制材料分拣装置的硬件设计-21-

4.2程序设计-22-

4.3PLC的软件设计-24-

4.4PLC调试过程及分析-25-

第5章展望-27-

致谢：

-28-

参考文献:

-29-

附件-30-

1.指令表-30-

2.梯形图：

-32-

绪论

1.材料分拣的发展

自动分拣系统（Automaticsortingsystem）是先进配送中心所必需的设施条件之一。

它具有很高的分拣效率，通常每小时可分拣商品6000-12000箱，可以说，自动分拣机是提高物流配送效率的一项关健因素。

它是二次大战后在美国、日本的物流中心中广泛采用的一种自动分拣系统，该系统目前已经成为发达国家大中型物流中心不可缺少的一部分。

2.自动分拣机介绍

自动分拣机是自动分拣系统的一个主要设备。

它本身需要建设短则40-50米，长则150-200米的机械传输线，还有配套的机电一体化控制系统、计算机网络及通信系统等，这一系统不仅占地面积大（动辄20000平方米以上），而且还要建3-4层楼高的立体仓库和各种自动化的搬运设施（如叉车）与之相匹配，这项巨额的先期投入通常需要花10-20年才能收回。

3.系统的作业过程

流中心每天接收成百上千家供应商或货主通过各种运输工具送来的成千上万种商品，在最短的时间内将这些商品卸下并按商品品种、货主、储位或发送地点进行快速准确的分类，将这些商品运送到指定地点（如指定的货架、加工区域、出货站台等），同时，当供应商或货主通知物流中心按配送指示发货时，自动分拣系统在最短的时间内从庞大的高层货存架存储系统中准确找到要出库的商品所在位置，并按所需数量出库，将从不同储位上取出的不同数量的商品按配送地点的不同运送到不同的理货区域或配送站台集中，以便装车配送。

自动分拣系统一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口组成。

控制装置的作用是识别、接收和处理分拣信号，根据分拣信号的要求指示分类装置、按商品品种、按商品送达地点或按货主的类别对商品进行自动分类。

这些分拣需求可以通过不同方式，如可通过条形码扫描、色码扫描、键盘输入、重量检测、语音识别、高度检测及形状识别等方式，输入到分拣控制系统中去根据对这些分拣信号判断，来决定某一种商品该进入哪一个分拣道口。

分类装置的作用是根据控制装置发出的分拣指示，当具有相同分拣信号的商品经过该装置时，该装置动作，使改变在输送装置上的运行方向进入其它输送机或进入分拣道口。

分类装置的种类很多，一般有推出式、浮出式、倾斜式和分支式几种，不同的装置对分拣货物的包装材料、包装重量、包装物底面的平滑程度等有不完全相同的要求。

输送装置的主要组成部分是传送带或输送机，其主要作用是使待分拣商品贯通过控制装置、分类装置，并输送装置的两侧，一般要连接若干分拣道口，使分好类的商品滑下主输送机（或主传送带）以便进行后续作业。

分拣道口是已分拣商品脱离主输送机（或主传送带）进入集货区域的通道，一般由钢带、皮带、滚筒等组成滑道，使商品从主输送装置滑向集货站台，在那里由工作人员将该道口的所有商品集中后或是入库储存，或是组配装车并进行配送作业。

以上四部分装置通过计算机网络联结在一起，配合人工控制及相应的人工处理环节构成一个完整的自动分拣系统。

4.材料分拣系统的意义

二次大战以后，自动分拣系统逐渐开始在西方发达国家投入使用，成为发达国家先进和物流中心，配送中心或流通中心所必需的设施条件之一。

1.能连续、大批量地分拣货物由于采用大生产中使用的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，它可以连续运行100个小时以上，每小时可分拣7000件包装商品，如用人工分拣则每小时只能分拣150件左右，同时分拣人员也不能在这种劳动强度下连续工作8小时。

2.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，目前自动分拣系统主要采用条形码技术来识别货物。

3.分拣作业基本实无人化国外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送货车辆抵达自动分拣线的进货端时，由人工接货，由人工控制分拣系统的运行，分拣线末端由人工将分拣出来的货物进行集载、装车，自动分拣系统的经营、管理与维护。

如美国一公司配送中心面积为10万平方米左右，每天可分拣近40万件商品，仅使用400名左右员工，自动分拣线做到了无人化作业。

对于分拣系统的应用前景，主要着眼于分拣系统的可靠性，优越性，应用领域的适用性以及系统的经济效益、成本等方而来考虑。

但因分拣系统其要求使用者必须具备一定的技术经济条件，因此，在发达国家，物流中心、配送中心或流通中心不用自动分拣系统的情况也很普遍。

对于自动分拣系统因其自身存在的一些问题，在一定程度上限制了其应用的领域及其范围。

在引进和建设自动分拣系统时一定要考虑以下条件：

自动分拣系统的一次性投资巨大，其本身需要建设短则40~50米，长则150~200米的机械传输线，还有配套的机电一体化控制系统、计算机网络及通信系统等，这一系统不仅占地面积大，动辄2万平方米以上，而且一般自动分拣系统都建在自动主体仓库中，这样就要建3~4层楼高的立体仓库，库内需要配备各种自动化的搬运设施，这丝毫不亚于建立一个现代化工厂所需要的硬件投资。

它对商品外包装要求也很高，自动分拣机只适于分拣底部平坦且具有刚性的包装规则的商品。

袋装商品、包装底部柔软且凹凸不平、包装容易变形、易破损、超长、超薄、超重、超高、不能倾覆的商品不能使用普通的自动分拣机进行分拣，因此为了使大部分商品都能用机械进行自动分拣，可以采取二条措施：

一是推行标准化包装，使大部分商品的包装符合国家标准；二是根据所分拣的大部分商品的统一的包装特性定制特定的分拣机。

但要让所有商品的供应商都执行国家的包装标准是很困难的，定制特写的分拣机又会使硬件成本上升，并且越是特别的其通用性就越差。

因此公司要根据经营商品的包装情况来确定是否建或建什么样的自动分拣系统。

第1章材料分拣机系统硬件介绍

1.1系统硬件介绍

1.旋转编码器

旋转编码器是与步进电机连接在一起，在本系统中可用来作为控制系统的计数器并提供脉冲输入，它转化为位移量，可对传输带上的物料进行位置控制。

传送至相应的传感器时，发出信号到PLC，以进行分拣，也可用来控制步进电机的转速。

本次设计选用E6A2—CW5C旋转编码器。

2.电容传感器

电容传感器属于具有开关量输出的位置传感器，是一种接近式开关，它的测量头通常是构成电容的一个极板，而另一个极板是待测物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化。

由此，便可控制开关的接通和断开。

本装置中电容传感器是用于检测非金属物料，选用E2K—X8ME1电容传感器。

3.电感传感器

电感式传感器也属于有开关量输出的位置传感器，也是一种接近式开关，用来检测金属物体。

它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流，这个涡流反作用于接近开关，使接近开关震荡能力衰减，内部电路的参数发生变化。

由此，可识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通和断，选用M18X1X40电感传感器。

4.颜色传感器

选用OMRON公司生产的，型号为E3S—VS1E4颜色传感器。

此传感器为RGB（红绿蓝）颜色传感器，可检测目标物体对三基色的反射比率，从而鉴别物体颜色。

5.步进电机

步进电机在控制系统中具有广泛的应用。

它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等。

1.1.1可编程控制器PLC

可编程控制器（ProgrammableController）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乘坐可编程逻辑控制器（PersonalController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制的范围，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（ProgrammableLogicController）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。

传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。

1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，

第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。

个人计算机发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。

PLC的定义有许多种。

国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。

在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

1.1.2PLC的种类

目前，在我国PLC的分类还没有一个统一的标准。

根据性能和应用范围可将其进行如下分类。

1.按性能分类

根据PLC的I/O点数、用户程序存储器容量和控制功能的不同，可将其分为小型、中型和大型二类。

小型PLC又称低档PLC，它的I/O点数小于128点，用户程序存储器容量小于4K字，功能简单，以开关量控制为主，可实现条件控制、顺序控制、定时记数控制。

适用于单机或小规模生产过程。

中型PLC又称中档PLC，它的I/O点数在128~512点之间，用户程序存储器容量为4K~8K字，功能比较丰富、兼有开关量和模拟量的控制能力，具有浮点数运算、数制转换、中断控制、通信联网和PID调节等功能。

适用于小型连续生产过程的复杂逻辑控制和闭环过程控制。

大型PLC又称高档PLC，它的I/O点数在512点以上，用户程序存储器容量达到8K字以上，控制功能完善，在中档机的基础上，扩大和增加了函数运算、数据库、监视、记录、打印及中断控制、智能控制、远程控制的功能。

适用于大规模的过程控制、集散式控制系统和工厂自动化网络。

2.按结构分类

根据PLC的构成形式，可将PLC分为整体式和机架式（模块式）两大类。

整体式PLC是将CPU、存储单元、输入输出模块和电源部件集中配置在一个机箱内。

这种PLC输入输出点数少、体积小，价格低，便于装入设备内部。

小型PLC通常采用这种结构。

机架式PLC将各单元做成独立的模块，使用时将这些模块分别插入机架底板的插座上。

可根据生产实际的控制要求建立模块，构成不同的控制系统。

这种PLC输入输出点数多，配置灵活方便，易于扩展。

大中型PLC通常采用这种结构。

3.按应用范围分类

根据应用范围的不同，可将PLC分为通用型和专用型两类。

通用型PLC作为标准工业控制装置可在各个领域使用，而专用型PLC是为了某类控制要求专门设计的PLC，如数控机床专用型、锅炉设备专用型、报警监视专用型等。

由于应用的专一性，使其控制质量大大提高[。

图1-1

1.1.3PLC种类及型号选择

PLC种类较多，主要有西门子（如图1-1）、三菱、OMRON、FANAC、东芝等，但能配套生产，大、中、小、微型均有配套且目前用得最广泛的的主要是西门子、三菱、OMRON的PLC。

根据系统中的控制要求PLC点数：

实际输入点15点，实际输出点8点，综合对比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西门子系列、OMRON系列中I/O点数为32点各型号的PLC的价格、性能、实用场合等各方面，本系统可选择PLC型号为：

西门子公司的S7-200系列CPU226型PLC，合计总数32点—16点输入，DC24V，16点继电器输出；尺寸（mm）：

220×87×90，其性能、价格都优于其他PLC。

S7-200系列是西门子公司PLC家族中比较先进的系列，它能最大范围地包容了标准特点，程式执行更快，全面补充通讯功能，适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化控制应用提供最大的灵活性和控制能力。

由于S7-200系列具备如下特点：

最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。

该型号PLC有16个输入节点，16个输出节点，能够满足系统要求并留有一定的余量。

1.2执行机构电动机及传送带

1.2.1电动机的介绍

电动机应用广泛，种类繁多。

我们一般的是根据电机的分类来区别电动机的应用于交易。

电动机详细分类如下：

图1-2三相异步电动机及其一些指数

1.按工作电源种类划分

可分为直流电动机和交流电动机。

直流电动机按结构及工作原理可划分：

无刷直流电动机和有刷直流电动机。

有刷直流电动机可划分：

永磁直流电动机和电磁直流电动机。

电磁直流电动机划分：

串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。

永磁直流电动机划分：

稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。

其中交流电机还可分：

单相电机和三相电机。

2.按结构和工作原理划分

可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。

同步电动机可划分：

永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。

异步电动机可划分：

感应电动机和交流换向器电动机。

感应电动机可划分：

三相异步电动机（如图1-3、1-4所示）、单相异步电动机和罩极异步电动机等。

图1-3三相笼型异步电动机

3.按起动与运行方式分类

电动机按起动与运行方式可分为电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。

4.按用途分类

电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。

驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。

步进电机在控制系统中具有广泛的应用。

它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等。

（1）步进电机的工作原理

该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。

只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。

图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。

图1-4四相步进电机步进示意图

开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。

当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。

而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。

依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。

单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。

八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示：

图1-5步进电机工作时序波形图

2.基于AT89C2051的步进电机驱动器系统电路原理

（2）步进电动机的选择

步进电机步进电机作为执行机构用于带动传输带输送物料前行，与旋转编码器连接在一起．

可以通过控制脉冲个数，来控制角位移量，从而达到准确定位的目的．同时，可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，达到调速的目的．步进电机选用的型号为42BYGH101。

5.换向器介绍

交流换向器电动机可划分：

单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。

根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。

其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。

电动机按结构及工作原理可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。

同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。

异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。

感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。

交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。

直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。

有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。

电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。

永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。

1.3传送带的简介及分类

17世纪中，美国开始应用架空索道传送散状物料；19世纪中叶，各种现代结构的传送带输送机相继出现。

1868年，在英国出现了皮带式式传送带输送机；1887年，在美国出现了螺旋输送机；1905年，在瑞士出现了钢带式输送机；1906年，在英国和德国出现了惯性输送机。

此后，传送带输送机受到机械制造、电机、化工和冶金工业技术进步的影响，不断完善，逐步由完成车间内部的传送，发展到完成在企业内部、企业之间甚至城市之间的物料搬运，成为