基于模拟量输入调速的分拣单元控制系统设计.docx
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基于模拟量输入调速的分拣单元控制系统设计
毕业教学环节成果
（2017届）
题目基于模拟量输入调速的
分拣单元控制系统设计
学院信息工程学院
专业电气自动化技术
班级自动化XXX班
学号XXXXXXXXXXX
姓名XXX
指导教师XXX
2017年6月14日
XXXXXXXX毕业教学成果
目录
摘要1
英文摘要1
引言2
1控制方案的设计3
1.1基本功能及控制要求3
1.2控制方案4
1.3PLC型号确定5
1.3.1确定I/O点数5
1.3.2PLC的型号5
1.4变频器型号确定5
2硬件设计6
2.1电源电路6
2.2PLC的外围接线图6
2.3PLC模拟量扩展模块7
2.4变频器外部接线9
2.5电磁阀组和气动控制回路9
3软件设计11
3.1分拣程序设计11
3.1.1I/O分配表11
3.1.2编程思路及程序流程图11
3.1.3启动停止程序12
3.1.4指示灯程序13
3.1.5分拣程序13
3.2模拟量调速设计15
3.2.1变频器参数设置15
3.2.2模拟量调速程序设计15
4控制系统的调试17
4.1硬件调试17
4.1.1传感器的调试17
4.1.2气缸的调节17
4.2软件模拟调试17
4.3整体实物调试18
结论与谢辞19
参考文献20
附件1．I/O分配表21
附件2．PLC外部接线图22
附件3．分拣流程图23
附件4．程序清单24
基于模拟量输入调速的分拣单元控制系统设计
信息工程学院电气自动化技术专业XX
摘要:
本设计主要运用气动控制技术、传感器应用技术、PLC控制技术以及变频器技术的分拣单元控制系统设计。
它通过模拟量对变频器调速，旋转编码器进行定位，依靠PLC控制传感器、气缸等执行元件推动物料。
画出了电源电路图、PLC外围电路图、变频器控制电路，画出了程序流程图，编写PLC梯形图。
系统调试表明，其系统结构简单，运行效率高，易于理解与掌握。
关键词:
PLC模拟量传感器变频器气缸
DesignofSortingUnitControlSystemBasedonAnalogInputSpeedRegulation
（MajorofAppliedElectronicTechnology,InformationandEngineeringcollege,
JinHuaPolytechnicXXXXXX）
Abstract:
Thisarticlehasanalyzedandappliedprofessionalcorecourses-----pneumaticcontroltechnology,sensorapplicationtechnology,PLCcontroltechnologyandconvertertechnologyforthedesignofsortingunitcontrolsystembasedonanaloginputspeedregulation.Thesortingunitisthelastprojectoftheautomaticproductionlineandtheindispensableautomaticproductionequipmentoftheentireproductionline.ItadjuststhespeedthroughtheanaloginputofconverterandpromotesthematerialrelyingonPLCcontrolsensors,cylindersandothercomponents.Therefore,itplaysadecisiveroleinthecontrolsystem.Thissystemismainlycomposedofconverter,PLC,logicalcontrolcircuit,whichincludesACmotor,converter,sensorandpencylinderasoneoftheautomaticcontrolsystem.Itscontrolsystemissimpleinstructure,highinoperationefficiencyandeasytounderstandandmaster.
Keyword:
PLCanaloginput sensor converter cylinder
引言
随着科学技术的发展,工业自动化程度的不断提高,市场竞争的激烈，传统的人工分拣生产效率低，成本高，企业竞争力差，已经无法满足现代化生产的需要。
因此，企业都迫切需要改进生产技术，提高生产效率，节约成本，增强竞争力，而可编程控制器的出现则克服了这些困难，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置，是自动化控制系统的关键设备。
而在调速方面，在数控机床行业中，有越来越多的机床制造商采用变频器调速方式来替代数控驱动模块伺服电动机的控制方式，自动分拣系统具有以下主要特点：
1）能连续、大批量地分拣货物。
由于大生产中采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，同时自动分拣系统单位时间分拣件数多。
因此自动分拣系统可以连续运行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）分拣作业基本是无人化。
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，减轻员工的劳动强度，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以下工作：
（1）送货车辆抵达自动分拣线的进货端时，由人工接货。
（2）由人工控制分拣系统的运行。
（3）分拣线末端由人工将分拣出来的货物进行集载、装车。
（4）自动分拣系统的经营、管理与维护。
物料分拣采用可编程控制器PLC进行控制，能连续地分拣货物，分拣误差率低且劳动强度大大降低，可显著提高劳动生产率。
而且分拣系统能灵活的与其它物流设备无缝连接，实现对物料实物流，物料信息流的分配与管理，其设计采用标准化，模块化的组装，具有系统布局灵活，维护，检修方便等特点。
材料分拣装置使用了PLC技术，传感器技术，位置控制技术，电气传动和气动技术，
是实际现场生产设备的微缩模型。
应用变频器，PLC结合气动技术，传感器技术和位置控制技术，设计不同的基于模拟量调速的自动分拣控制系统，该系统灵活性较强，程序开发简单，适用于进行材料分拣的生产线的要求，且可以实现不同材料的自动分拣和归类功能。
本文设计的材料分拣系统可以实现以下功能：
通过模拟量控制变频器进行调速，并在不同速度下进行分拣，分拣部件分别为白色芯金属件部件，白色芯塑料部件和黑色芯部件。
1控制方案的设计
1.1基本功能及控制要求
分拣单元主要实现如下基本功能：
（1）分拣出白色芯金属件部件；
（2）分拣出白色芯塑料部件；（3）分拣出黑色芯部件。
如图1-1为分拣单元总体结构图。
图1-1分拣单元总体结构图
系统利用各种传感器对待测材料进行检测并分类。
当待测物体被送入传送带后，接受传感器检测，根据不同材质传感器回馈的不同信号，通过相应物料仓位置时传送带停止运行，然后气动装置将其推入料箱，否则继续前行。
其控制过程如下：
设备上电和气源接通后，若工作单元的三个气缸均处于缩回位置，则“正常工作”指示灯HL1常亮，表示设备准备好。
否则，该指示灯以1Hz频率闪烁。
启下启动开关,传送带开始运行。
系统启动后，入料口的光电传感器检测到料口有料时，电机启动，传送带开始运行，待测物体开始在传送带运行。
经过检测位置时，电感传感器、光纤传感器检测经过的器件属性，如果工件为白色芯金属件，则该工件对到达1号滑槽中间，传送带停止，工件对被推到1号槽中；如果工件为白色芯塑料，则该工件对到达2号滑槽中间，传送带停止，工件对被推到2号槽中；如果工件为黑色芯，则该工件对到达3号滑槽中间，传送带停止，工件对被推到3号槽中。
工件被推出滑槽后，该工作单元的一个工作周期结束。
仅当工件被推出滑槽后，才能再次向传送带下料。
1.2控制方案
通过按钮控制PLC向变频器输入不同的模拟量来控制传送带电机的转速，改变传送带运行速度，使用旋转编码器做定位检测，运用PLC可编程控制逻辑器件，通过编程实现逻辑输入输出的功能，配合传感器的信号达到一个实现控制要求的目的，最后通过气缸来推动物料实现分拣。
自动分拣系统由硬件电路和控制程序两部分组成。
硬件电路主要由PLC、变频器、电机、气缸、旋转编码器、按钮、指示灯、传感器、传送带等组成。
主要通过变频器控制电机的速度来控制传送带，通过PLC、传感器、旋转编码器、气缸等实现自动分拣工作，将物料准确用气缸推入相应的物料仓内。
根据控制要求，设计的系统的总体结构如图1-2所示。
图1-2材料分拣系统结构图
1.3PLC型号确定
1.3.1确定I/O点数
根据控制要求，输入信号应该有6个传感器输入信号，编码器输入信号，加上启动开关输入信号和停止开关输入信号,共计10个输入接口。
输出控制电动机运行的接触器接口,以及3个控制气缸动作的电磁阀输出接口,变频器控制信号、以及指示灯2个，共计7个输出接口。
总需I/O点17个，其中10个输入接口，7个输出接口。
1.3.2PLC的型号
由于该材料分拣装置的控制为开关量控制，且所需的I/O点数不多，因此，选择一般的小型机即可满足控制要求，故本系统选择PLC机型为三菱FX2N－48MR型。
1.4变频器型号确定
选用变频器的类型，按照生产机械的类型、调速范围、静态速度精度、起动转矩的要求，决定选用那种控制方式的变频器最合适。
所谓合适是既要好用，又要经济，以满足工艺和生产的基本条件和要求。
这里我选用了三菱FR-E700，该变频器额定电压等级为三相400V，适用点击容量0.75KW及以下的电动机。
2硬件设计
2.1电源电路
本系统的电路总电源由三相电引入，由三相漏电保护开关保护，传送带电机连接在变频器上。
如图2-1。
图2-1电源电路图
2.2PLC的外围接线图
图2-2PLC外围接线
旋转编码器：
分拣单元使用了具有A、B两相90º相位差的通用型旋转编码器，用于计算工件在传送带上的位置。
编码器直接连接到传送带主动轴上。
该旋转编码器的三相脉冲采用NPN型集电极开路输出，分辨率500线，工作电源DC12～24V。
本工作单元没有使用Z相脉冲，A、B两相输出端直接连接到PLC（S7-224XPAC/DC/RLY主单元）的高速计数器输入端。
计算工件在传送带上的位置时，需确定每两个脉冲之间的距离即脉冲当量。
分拣单元主动轴的直径为d=43mm,则减速电机每旋转一周，皮带上工件移动距离L=π•d=3.14×43=136.35mm。
故脉冲当量μ为μ=L/500≈0.273mm。
光电传感器：
光电传感器在本设计里被用作进料检测。
它是利用光的各种性质，检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器，其中输出形式为开关量的传感器为光电式接近开关。
光电式接近开关主要由光发射器和光接收器构成。
如果光发射器发射的光线因检测物体不同而被遮掩或反射，到达光接收器的量将会发生变化，光接收器的敏感元件将检测出这种变化，并转换为电气信号，进行输出。
光纤传感器：
光纤传感器在本设计里被用作颜色检测。
它的的基本工作原理是将来自光源的光信号经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被调制的信号源，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数，从而鉴别物体颜色。
电感传感器：
电感传感器在本设计里被用作金属检测。
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开关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，使接近开关振荡能力衰减，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，进而控制开关的通或断。
气缸：
三个气缸是分别用来推出白色金属，白色塑料，黑色物料三种不同的物料，将其推入相应的物料仓内。
气缸到位接近开关：
三个气缸到位接近开关分别为安装在各分拣气缸的前极限工作位置的磁感应接近开关，当气缸伸出到底后便会传出相应的信号到PLC，通过PLC的程序控制来达到让气缸到位后再缩回的动作。
绿灯：
绿灯在本系统里为HL1，负责在电源接通时对系统设备正常与否的指示。
红灯：
红灯在本系统里为HL2，负责在系统启动后长亮提示设备正在运行状态。
2.3PLC模拟量扩展模块
FX系列PLC把A/D、D/A转换功能集成于模拟量扩展模块内，通过PLC主单元的扩展接口实现连接，构成PLC系统的整体。
分拣单元PLC所连接的混合型模拟量模块为FX3U-3A。
模块的电源要求为24VDC+-10%、90mA，数字电路电源要求为5VDC、30mA,由PLC主单元的内部电路供给。
接线时使用电压输入/输出的方式，如出现较大的电压波动或有过多的电噪声，要在相应的位置并联一个约25V、0.1-0.47uF的电容。
模拟和数字电路之间用光电耦合器隔离，但模拟通道之间无隔离。
如图2-3和2-4分别为模拟量输入和输出的接线原理图。
图2-3模拟量输入接线图
图2-4模拟量输出接线图
2.4变频器外部接线
三相电经过空气开关的保护到达变频器变频器上，由于新一代通用变频器的整流器都是二极管三相桥构成的，因此可以不考虑电源的相序；电动机接线端子为U、V、W，可按照转向要求调整相序；变频器上端子2和端子5为变频器的电压模拟量输入输出点。
在PLC上接上FX3U-3A模拟量模块，连上变频器的模拟量输入输出点，PLC通过D/A转换向变频器输出模拟信号，以实现电动机的连续调速，通过A/D转换采样变频器的模拟输出信号，获得变频器运行频率、输出电流等信息。
如图2-5为变频器的外部接线图：
图2-5变频器外部接线图
2.5电磁阀组和气动控制回路
电磁阀：
利用电磁线圈得电时，静铁芯对动铁芯产生电磁力使其切换以改变气流方向的阀，称为电磁控制换向阀，简称电磁阀。
这种阀易于实现电——气联合控制，能实现远距离操作，故得到广泛应用，气动回路中通常选用二位五通电磁阀。
通电时，电磁线圈得电，静铁芯对动铁芯产生电磁力使其切换以改变气流方向；断电时，通过弹簧使其复位，从而达到换向的目的。
分拣单元的电磁阀组使用了三个二位五通的单电控电磁阀，它们安装在汇流板上。
这三个阀分别对白色金属，白色塑料，黑色物料推动气缸的气路进行控制，改变各自的动作状态。
这里的气动控制回路如图2-6所示。
图2-6气动控制回路图
3软件设计
3.1分拣程序设计
3.1.1I/O分配表
根据所选择的PLC机型，对PLC的I/O点分配编号，系统的I/O分配表如下表3-1所示，通过I/O的连接，即可实现PLC对分拣装置的控制。
表3-1I/O分配表
输入
输出
X3
光电传感器
Y0
电机正转
X4
电感传感器
Y4
气缸1
X5
光纤传感器
Y5
气缸2
X7
气缸1到位接近开关
Y6
气缸3
X10
气缸2到位接近开关
Y10
绿灯
X11
气缸3到位接近开关
Y11
红灯
X12
停止按钮
X13
启动按钮
X0
旋转编码器输入A
X1
旋转编码器输入B
3.1.2编程思路及程序流程图
根据分拣系统的工作要求，确定其工作具体流程，以便于梳理编程思路。
接通电源，入料口的光电传感器检测料仓是否有料，当料仓有料时，电机启动，传送带开始运行。
经过光纤传感器和电感传感器检测确定物料为何属性，然后继续传送到分拣区域。
如果工件为白色芯金属件，则该工件到达1号滑槽中间时，传送带停止，气缸推出，工件被推到1号槽中，气缸缩回；如果工件为白色芯塑料，则该工件到达2号滑槽中间时，传送带停止，气缸推出，工件被推到2号槽中，气缸缩回；如果工件为黑色芯，则该工件到达3号滑槽中间时，传送带停止，气缸推出，工件被推到3号槽中，气缸缩回。
根据上述分拣工作的流程得到程序流程图如图3-2所示。
3.1.3启动停止程序
如图3-3所示为启动停止程序，当按下启动按钮X13，标志位M0得电并自锁，MO常开点闭合，只要放料使X3常开点闭合，计时器T0开始计时，计时完毕常开点T0闭
图3-2程序流程图
闭合，传送带电机T0启动，分拣工作开始；当按下停止按钮X12，标志位M1得电自锁，M1常闭点断开，不会干扰到正在进行的分拣工作，而再次放料将无法启动分拣工作。
图3-3启动停止程序
3.1.4指示灯程序
如图3-4所示为指示灯程序,当气缸都缩回时，限位开关没有被触动，常闭点X7,X10,X11闭合，标志位M99得电，常开点M99闭合，指示灯Y12长亮。
当有气缸没有缩回，限位开关被触动，常闭点X7,X10,X11有位置断开，标志位M99未得电，常开点M99未闭合，常闭点M99导通，指示灯Y12已1HZ频率闪烁。
当启动后，标志位M100得电，常开点M100闭合，指示灯Y13长亮。
图3-4为指示灯程序
3.1.5分拣程序
如图3-5所示为分拣程序，当物料经过光纤传感器和电感传感器时，如果物料为金属物件，则X4闭合，M2置位1；如果物料为白色物件，则X5闭合，M3置位1，以此确定物料的属性。
当物料为白色金属物件，M2和M3置位1，M2和M3常开点闭合，当物件到达白色金属物料仓位置，Y4置位1，气缸1打出到底，将物料推置仓内，同时气缸触到限位开关X7，X7常开点闭合，将Y4复位0，气缸1缩回。
当物料为白色塑料物件，M3置位1，M3常开点闭合，当物件到达白色金属物料仓位置，Y5置位1，气缸2打出到底，将物料推置仓内，同时气缸触到限位开关X10，X10常开点闭合，将Y5复位0，气缸2缩回。
当物料为黑色物件，M3常闭点接通，当物件到达黑色物料仓位置，Y6置位1，气缸3打出到底，将物料推置仓内，同时气缸触到限位开关X11，X11常开点闭合，将Y6复位0，气缸3缩回。
图3-5分拣程序
3.2模拟量调速设计
3.2.1变频器参数设置
根据任务要求对变频器参数进行如下设置。
将“Pr73”的参数设置为“1”。
将端子2的模拟量输入规格改为0-5V。
将“Pr7”参数设置为“0.1”。
设定其电机加速所需的时间为0.1S。
将“Pr8”参数设置为“0.1”。
设定其电机减速所需的时间为0.1S。
3.2.2模拟量调速程序设计
D8262为电压模拟量输入通道，MOV指令为赋值指令，把D10的值赋入D8262，根据模拟量输入的不同值输入相应的频率以达到不同的频率。
在这里通过按钮操作次数来操控电机运转频率，当按下一次启动按钮时，M50导通，会往D10里赋值K400，即会使传送带电机以大约10HZ频率运转；当按下两次启动按钮时，计数器C0得电，常开点C0闭合，M51导通，会往D10里赋值K600，即会使传送带电机以大约15HZ频率运转；当按下三次启动按钮时，计数器C1得电，常开点C1闭合，M52导通，会往D10里赋值K800，即会使传送带电机以大约20HZ频率运转。
如图3-6为模拟量调速程序。
图3-6模拟量调速程序
4控制系统的调试
在软硬件设计完成后，应进行调试工作，因为在程序设计过程中，难免会有疏漏的地方，因此，在将PLC连接到现场设备之前，必须进行软件测试，以排除程序中的错误，同时，也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期，另外一些硬件如传感器，在使用前也应事先调试好。
4.1硬件调试
4.1.1传感器的调试
在通电状态下，在传感器下方的输送带上，放置不同属性的器件，观察指示灯发光，确认传感器的好坏，并根据实际运行时所需位置，对传感器位置进行调整。
4.1.2气缸的调节
用电磁阀上的手动换向按钮验证各个推料气缸的初始和动作位置是否正确。
将气源送上，调节气动阀气源管上的螺栓就可以调节气动阀的动作力度，将手放到气缸前感受气缸力度，直到气动阀的动作力度合适为止，确保气缸动作时无冲击、无卡滞现象。
观察气缸伸出长度，确保气缸整个伸出，才能确保气缸将物料完全推入物料仓并触到行程开关。
如果气缸伸出不够，则要检查具体气泵气压不够导致气缸无法完全伸出，还是气路漏气导致的气压不足，亦或是气缸本身出现了损坏。
4.2软件模拟调试
将所编写的梯形图程序进行编译，通过上下位机的连接电缆把程序下载到PLC中。
刚编好的程序难免有这样那样的错误或缺陷，为了及时发现和消除程序中的错误，减少系统现场调试的工作量，确保系统在各种正常或异常情况下都能做出正确响应，需要进行离线测试，即不将PLC的输出接到设备上。
按照要求在指定的输入端输入信号，观察输出指示灯的状态，如果输出不符合要求，则要查找原因，将其排除。
按下模拟开始按钮，进入模拟调试模式。
如图4-1。
图4-1模拟开始按钮
首先进行指示灯程序调试，模拟连通电源，然后分别对气缸的三个限位开关的常闭点进行强制断开，观察指示灯是否按照设计要求长亮或闪烁。
然后模拟按下开始按钮下料传感器模拟得到信号，观察传送带电机是否能够正常启动。
电机启动后开始模拟放料，给颜色传感器和金属传感器给上不同信号，观看程序是否能够顺利完成分拣流程。
最后要注意在分拣工作完成后，程序是否能够正常对各信号进行复位工作，以便下一轮放料分拣工作。
反复模拟各种物料，保证程序的可靠性。
4.3整体实物调试
将设备接入PLC，进行联机测试，看是否满足要求，如果不满足要求，可通过综合调整软件和硬件系统，直到满足要求为止。
将PLC，变频器，气缸等整个系统连接完毕，然后将电脑连上PLC，将程序写入PLC。
将系统的所有设备接通电源后，PLC在计算机的监视下进行分拣调试。
首先观察指示灯HL1在设备准备正常的情况下是否能正常长亮，然后可以主动将气缸推出后再开启电源，模拟在设备未准备好的情况，观察指示灯HL1是否按照要求闪烁，指示灯HL1调试完毕后将设备归位至正常状态，然后按下启动按钮，观察指示灯HL2是否有常亮。
直至指示灯调试完毕后开始下一步分拣调试。
将物料放入，观察传送带是否正常启动，然后依次放上白色金属物料，白色塑料物料，黑色物料，查看系统是否按照分拣流程正常完成分拣工作，物料是否准确停在了相应物料仓口，保证气缸能够顺利将物料推入物料仓内，如果出现偏差，则要对程序内的数值进行反复调整，直至三种物料都能准确停在相应位置。
当系统能够成功完成分拣后，开始调试在不同模拟量输入速度下的分拣工作
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