基于PLC的自動分揀控制系統(tǒng)課件

大家好1大家好1基于PLC的自動分揀控制系統(tǒng)主講人：孫文飛2基于PLC的自動分揀控制系統(tǒng)主講人：孫文飛2引言分揀控制系統(tǒng)在社會各行各業(yè)如：物流配送中心、郵局、采礦、港口、碼頭、自動生產(chǎn)、等行業(yè)得到廣泛運用，分揀系統(tǒng)能夠大大提高企事業(yè)單位該環(huán)節(jié)的生產(chǎn)效率。本文在對熟悉了自動及分揀系統(tǒng)的原理的基礎上，根據(jù)一定的分揀要求,對材料分揀進行了以三菱PLC為控制核心，MCGS組態(tài)軟件為監(jiān)控軟件，設計出材料分揀控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。該材料分揀系統(tǒng)以PLC為主控制器,結合氣動裝置、傳感器技術、組態(tài)監(jiān)控等技術,可以進行現(xiàn)場控制產(chǎn)品的自動分揀。系統(tǒng)具有自動化程度高、運行穩(wěn)定、分揀精度高、易控制的特點,對不同的分揀對象,稍加修改本系統(tǒng)即可實現(xiàn)要求。對本系統(tǒng)完成其設計之后，進行了整體調(diào)試。在硬件部分，調(diào)試其各部分安裝的位置及角度，使其材料物塊的運行與傳感器安裝的角度適合。將硬件各部分的動作幅度進行調(diào)試之后，進行了軟硬件綜合調(diào)試，實現(xiàn)材料分揀系統(tǒng)中上料、傳送與分揀的全過程。3引言分揀控制系統(tǒng)在社會各行各業(yè)如：物流配送中心、郵局、1 緒論2分揀系統(tǒng)中硬件設計1.1分揀系統(tǒng)基本介紹 1.2分揀系統(tǒng)的意義 1.3本文研究的主要內(nèi)容 2.1PLC的選型

2.1.1PLC的分類

2.1.2PLC種類及型號選擇 2.2傳感器的選擇

2.2.1傳感器的簡介

2.2.2傳感器的選擇 2.3驅動部分的分析與選擇

2.4執(zhí)行機構的選擇 2.5硬件設計及實際模型的建立 2.6其他元器件及其選擇 2.7I/O口的選擇及PLC接線 41 緒論2分揀系統(tǒng)中硬件設計1.1分揀系統(tǒng)基本介紹 2.13自動分揀系統(tǒng)的軟件設計4監(jiān)控畫面的設計3.1可編程控制器（PLC）簡介 3.2分揀系統(tǒng)的控制要求及其流程圖

3.3軟件設計及編程 3.4材料分揀系統(tǒng)的調(diào)試 4.1組態(tài)控制技術 4.2模型的建立 4.3PLC與組態(tài)軟件之間的通信

53自動分揀系統(tǒng)的軟件設計4監(jiān)控畫面的設計3.1可編程控制器（1.1分揀系統(tǒng)基本介紹分類裝置的作用是根據(jù)控制裝置發(fā)出的分揀指示，當具有相同分揀信號的商品經(jīng)過該裝置時，該裝置動作，使改變在輸送裝置上的運行方向進入其它輸送機或進入分揀道口。分類裝置的種類很多，一般有推出式、浮出式、傾斜式和分支式幾種，不同的裝置對分揀貨物的包裝材料、包裝重量、包裝物底面的平滑程度等有不完全相同的要求。輸送裝置的主要組成部分是傳送帶或輸送機，其主要作用是使待分揀商品貫通過控制裝置、分類裝置，并輸送裝置的兩側，一般要連接若干分揀道口，使分好類的商品滑下主輸送機（或主傳送帶）以便進行后續(xù)作業(yè)。分揀道口是已分揀商品脫離主輸送機（或主傳送帶）進入集貨區(qū)域的通道，一般由鋼帶、皮帶、滾筒等組成滑道，使商品從主輸送裝置滑向集貨站臺，在那里由工作人員將該道口的所有商品集中后或是入庫儲存，或是組配裝車并進行配送作業(yè)。以上四部分裝置通過計算機網(wǎng)絡聯(lián)結在一起，配合人工控制及相應的人工處理環(huán)節(jié)構成一個完整的自動分揀系統(tǒng)。61.1分揀系統(tǒng)基本介紹61.2分揀系統(tǒng)的意義二次大戰(zhàn)以后，自動分揀系統(tǒng)逐漸開始在西方發(fā)達國家投入使用，成為發(fā)達國家先進和物流中心，配送中心或流通中心所必需的設施條件之一。（1）能連續(xù)、大批量地分揀貨物由于采用大生產(chǎn)中使用的流水線自動作業(yè)方式，自動分揀系統(tǒng)不受氣候、時間、人的體力等的限制，可以連續(xù)運行，同時由于自動分揀系統(tǒng)單位時間分揀件數(shù)多，它可以連續(xù)運行100個小時以上，每小時可分揀7000件包裝商品，如用人工分揀則每小時只能分揀150件左右，同時分揀人員也不能在這種勞動強度下連續(xù)工作8小時。（2）分揀誤差率極低自動分揀系統(tǒng)的分揀誤差率大小主要取決于所輸入分揀信息的準確性大小，這又取決于分揀信息的輸入機制，如果采用人工鍵盤或語音識別方式輸入，則誤差率在3%以上，如采用條形碼掃描輸入，除非條形碼的印刷本身有差錯，否則不會出錯。因此，目前自動分揀系統(tǒng)主要采用條形碼技術來識別貨物。（3）分揀作業(yè)基本實無人化國外建立自動分揀系統(tǒng)的目的之一就是為了減少人員的使用，減輕工員的勞動強度，提高人員的使用效率，因此自動分揀系統(tǒng)能最大限度地減少人員的使用，基本做到無人化。分揀作業(yè)本身并不需要使用人員，人員的使用僅局限于送貨車輛抵達自動分揀線的進貨端時，由人工接貨，由人工控制分揀系統(tǒng)的運行，分揀線末端由人工將分揀出來的貨物進行集載、裝車，自動分揀系統(tǒng)的經(jīng)營、管理與維護。71.2分揀系統(tǒng)的意義二次大戰(zhàn)以后，自動分揀系統(tǒng)逐漸開始1.2分揀系統(tǒng)的意義如美國一公司配送中心面積為10萬平方米左右，每天可分揀近40萬件商品，僅使用400名左右員工，自動分揀線做到了無人化作業(yè)。對于分揀系統(tǒng)的應用前景，主要著眼于分揀系統(tǒng)的可靠性，優(yōu)越性，應用領域的適用性以及系統(tǒng)的經(jīng)濟效益、成本等方而來考慮。但因分揀系統(tǒng)其要求使用者必須具備一定的技術經(jīng)濟條件，因此，在發(fā)達國家，物流中心、配送中心或流通中心不用自動分揀系統(tǒng)的情況也很普遍。對于自動分揀系統(tǒng)因其自身存在的一些問題，在一定程度上限制了其應用的領域及其范圍。在引進和建設自動分揀系統(tǒng)時一定要考慮以下條件：自動分揀系統(tǒng)的一次性投資巨大，其本身需要建設短則40~50米，長則150~200米的機械傳輸線，還有配套的機電一體化控制系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡及通信系統(tǒng)等，這一系統(tǒng)不僅占地面積大，動輒2萬平方米以上，而且一般自動分揀系統(tǒng)都建在自動主體倉庫中，這樣就要建3~4層樓高的立體倉庫，庫內(nèi)需要配備各種自動化的搬運設施，這絲毫不亞于建立一個現(xiàn)代化工廠所需要的硬件投資。這種巨額的先期投入要花10~20年才能收回，如果沒有可靠的貨源作保證，則有可能系統(tǒng)大都由大型生產(chǎn)企業(yè)或大型專業(yè)物流公司投資，小企業(yè)無力進行此項投資。它對商品外包裝要求也很高，自動分揀機只適于分揀底部平坦且具有剛性的包裝規(guī)則的商品。袋裝商品、包裝底部柔軟且凹凸不平、包裝容易變形、易破損、超長、超薄、超重、超高、不能傾覆的商品不能使用普通的自動分揀機進行分揀，因此為了使大部分商品都能用機械進行自動分揀，可以采取二條措施：一是推行標準化包裝，使大部分商品的包裝符合國家標準；二是根據(jù)所分揀的大部分商品的統(tǒng)一的包裝特性定制特定的分揀機。但要讓所有商品的供應商都執(zhí)行國家的包裝標準是很困難的，定制特寫的分揀機又會使硬件成本上升，并且越是特別的其通用性就越差。因此公司要根據(jù)經(jīng)營商品的包裝情況來確定是否建或建什么樣的自動分揀系統(tǒng)[6]。81.2分揀系統(tǒng)的意義如美國一公司配送中心面積為10萬平1.2本文研究的主要內(nèi)容在本文中，以貨物材料的分揀系統(tǒng)為例，詳細的分析了在基于PLC控制的自動分揀系統(tǒng)的設計，文中介紹了分揀系統(tǒng)中信號的采集分析中傳感器的一些基本知識，并通過要求與比較，確定了硬件系統(tǒng)中的一些元器件的選擇與確定了PLC的選型。在介紹了一些PLC與組態(tài)軟件的基本知識后，對本課題進行硬件與軟件設計，設計出主電路與控制回路，并建立了實際的模型，在軟件設計中，確定了I/O分配，并按照控制要求設計出了PLC梯形圖。在實際工作過程中，需要對整個控制過程進行監(jiān)控，運用組態(tài)軟件(MCGS)建立其實際的模型，并進行動態(tài)畫面的設定與數(shù)據(jù)報表的輸出，完成一個較完整的監(jiān)控界面。在本系統(tǒng)完成其設計之后，對其進行整體調(diào)試。在硬件部分，調(diào)試其各部分安裝的位置及角度，使其材料物塊的運行與傳感器安裝的角度適合。將硬件各部分的動作幅度進行調(diào)試之后，進行了軟硬件綜合調(diào)試，實現(xiàn)材料分揀系統(tǒng)中上料、傳送與分揀的全過程。91.2本文研究的主要內(nèi)容在本文中，以貨物材料的分揀系統(tǒng)2分揀系統(tǒng)中硬件設計

102分揀系統(tǒng)中硬件設計

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2.1PLC的分類

目前，在我國PLC的分類還沒有一個統(tǒng)一的標準。根據(jù)性能和應用范圍可將其進行如下分類。

1、按性能分類根據(jù)PLC的I/O點數(shù)、用戶程序存儲器容量和控制功能的不同，可將其分為小型、中型和大型二類。小型PLC又稱低檔PLC，它的I/O點數(shù)小于128點，用戶程序存儲器容量小于4K字，功能簡單，以開關量控制為主，可實現(xiàn)條件控制、順序控制、定時記數(shù)控制。適用于單機或小規(guī)模生產(chǎn)過程。中型PLC又稱中檔PLC，它的I/O點數(shù)在128~512點之間，用戶程序存儲器容量為4K~8K字，功能比較豐富、兼有開關量和模擬量的控制能力，具有浮點數(shù)運算、數(shù)制轉換、中斷控制、通信聯(lián)網(wǎng)和PID調(diào)節(jié)等功能。適用于小型連續(xù)生產(chǎn)過程的復雜邏輯控制和閉環(huán)過程控制。大型PLC又稱高檔PLC，它的I/O點數(shù)在512點以上，用戶程序存儲器容量達到8K字以上，控制功能完善，在中檔機的基礎上，擴大和增加了函數(shù)運算、數(shù)據(jù)庫、監(jiān)視、記錄、打印及中斷控制、智能控制、遠程控制的功能。適用于大規(guī)模的過程控制、集散式控制系統(tǒng)和工廠自動化網(wǎng)絡。

2、按結構分類根據(jù)PLC的構成形式，可將PLC分為整體式和機架式(模塊式)兩大類。整體式PLC是將CPU、存儲單元、輸入輸出模塊和電源部件集中配置在一個機箱內(nèi)。這種PLC輸入輸出點數(shù)少、體積小，價格低，便于裝入設備內(nèi)部。小型PLC通常采用這種結構。機架式PLC將各單元做成獨立的模塊，使用時將這些模塊分別插入機架底板的插座上?？筛鶕?jù)生產(chǎn)實際的控制要求建立模塊，構成不同的控制系統(tǒng)。這種PLC輸入輸出點數(shù)多，配置靈活方便，易于擴展。大中型PLC通常采用這種結構。

3、按應用范圍分類根據(jù)應用范圍的不同，可將PLC分為通用型和專用型兩類。通用型PLC作為標準工業(yè)控制裝置可在各個領域使用，而專用型PLC是為了某類控制要求專門設計的PLC，如數(shù)控機床專用型、鍋爐設備專用型、報警監(jiān)視專用型等。由于應用的專一性，使其控制質量大大提高[9]。11

2.1PLC的分類

目前，在我國PLC的分類還沒

2.1.2PLC種類及型號選擇

PLC種類較多，主要有西門子、三菱、OMRON、FANAC、東芝等，但能配套生產(chǎn)，大、中、小、微型均有配套且目前用得最廣泛的的主要是西門子、三菱、OMRON的PLC。根據(jù)系統(tǒng)中的控制要求PLC點數(shù)：實際輸入點15點，實際輸出點8點，綜合對比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西門子系列、OMRON系列中I/O點數(shù)為32點各型號的PLC的價格、性能、實用場合等各方面，本系統(tǒng)可選擇PLC型號為：FX2N—32MR，合計總數(shù)32點—16點輸入，DC24V，16點繼電器輸出；尺寸（mm）：220×87×90，其性能、價格都優(yōu)于其他PLC。

FX2N系列是FX系列PLC家族中最先進的系列，它能最大范圍地包容了標準特點，程式執(zhí)行更快，全面補充通訊功能，適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為工廠自動化控制應用提供最大的靈活性和控制能力。FX2N系列是FX系列PLC家族中最先進的系列。由于FX2N系列具備如下特點：最大范圍的包容了標準特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為工廠自動化應用提供最大的靈活性和控制能力。該型號PLC有16個輸入節(jié)點，16個輸出節(jié)點，能夠滿足系統(tǒng)要求并留有一定的余量。12

2.1.2PLC種類及型號選擇

PLC種類較多，

2.2傳感器的選擇

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2.2傳感器的選擇

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2.1.2PLC種類及型號選擇

PLC種類較多，主要有西門子、三菱、OMRON、FANAC、東芝等，但能配套生產(chǎn)，大、中、小、微型均有配套且目前用得最廣泛的的主要是西門子、三菱、OMRON的PLC。根據(jù)系統(tǒng)中的控制要求PLC點數(shù)：實際輸入點15點，實際輸出點8點，綜合對比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西門子系列、OMRON系列中I/O點數(shù)為32點各型號的PLC的價格、性能、實用場合等各方面，本系統(tǒng)可選擇PLC型號為：FX2N—32MR，合計總數(shù)32點—16點輸入，DC24V，16點繼電器輸出；尺寸（mm）：220×87×90，其性能、價格都優(yōu)于其他PLC。

FX2N系列是FX系列PLC家族中最先進的系列，它能最大范圍地包容了標準特點，程式執(zhí)行更快，全面補充通訊功能，適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為工廠自動化控制應用提供最大的靈活性和控制能力。FX2N系列是FX系列PLC家族中最先進的系列。由于FX2N系列具備如下特點：最大范圍的包容了標準特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為工廠自動化應用提供最大的靈活性和控制能力。該型號PLC有16個輸入節(jié)點，16個輸出節(jié)點，能夠滿足系統(tǒng)要求并留有一定的余量。14

2.1.2PLC種類及型號選擇

PLC種類較多，

2.2.1傳感器的簡介

國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器是一個完整的測量裝置（或系統(tǒng)），能把被測非電量轉換為與之有確定關系的有用電量輸出，以滿足信息的傳輸處理、記錄、顯示和控制等要求。[3]傳感器一般由敏感元件、變換元件和其他輔助元件組成。但是隨著傳感器集成技術的發(fā)展，傳感器的信號調(diào)理與轉換電路也會安裝在傳感器的殼體內(nèi)或者與敏感元件集成在同一芯片之上。因此，信號調(diào)理電路以及所需輔助電源都應作為傳感器組成的一部分，如圖2-1所示。

敏感元件——感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的其他量的元件，如膜片和波紋管，可以把被測壓力變成位移量。若敏感元件能直接輸出電量（如熱電偶），就兼為傳感元件了。還有一些新型傳感器，如壓阻式和諧振式壓力傳感器、差動變壓器式位移傳感器等，其敏感元件和傳感器就完全是融為一體的。

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2.2.1傳感器的簡介

國家標準GB7665-8

變換元件——又稱傳感元件，是傳感器的重要組成元件。它可以直接感受被測量（一般為非電量）且輸出與被測量成確定關系的電量，如熱電偶和熱敏電阻。傳感元件也可以不直接感受被測量，而只感受與被測量成確定關系的其他非電量。例如，差動變壓器式壓力傳感器，并不直接感受壓力，而只是感受與被測壓力成確定關系的銜鐵位移量，然后輸出電量。一般情況下使用的都是這種傳感元件。信號調(diào)理與轉換電路——能把傳感元件輸出的電信號轉換為便于顯示、記錄和控制的有用信號的電路。信號調(diào)理與轉換電路根據(jù)傳感元件類型的不同有很多種類，常用的電路有電橋、放大器、振動器和阻抗變換器等。傳感器根據(jù)使用要求的不同，可以做的很簡單，也可以做的很復雜；可以使帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，也可以是不帶反饋的開環(huán)系統(tǒng)。因此，傳感器的組成將依不同的情況而有所差異[2]。

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16圖2-1傳感器的組成示意圖17圖2-1傳感器的組成示意圖17

2.2.2傳感器的選擇

傳感器是將被檢測對象的各種物理變化量變?yōu)殡娦盘柕囊环N變換器。它主要被用于檢測系統(tǒng)本身與作業(yè)對象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制系統(tǒng)的動作提供信息。根據(jù)本設計的要求需要對位置檢測裝置、視覺傳感器進行選用。位置檢測裝置檢測氣缸動作是否到位，視覺傳感器是為了完成對物料的識別。（1）位置檢測裝置在本設計中，當氣缸執(zhí)行動作時，應有相應的位置檢測裝置檢測動作是否到位，常用的位置檢測裝置是行程開關。行程開關又稱限位開關，是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切換電路的電器，用于控制機械設備的行程及限位保護。在實際生產(chǎn)中，將行程開關安裝在預先安排的位置，當裝于生產(chǎn)機械運動部件上的模塊撞擊行程開關時，行程開關的觸點動作，實現(xiàn)電路的切換。行程開關的品種規(guī)格很多，按其操作結構可分為直動、滾輪直動、杠桿單、雙輪等。選用行程開關時，應根據(jù)不同使用場合，滿足各方面的要求來進行選擇。本設計中采用直線接觸式磁感應開關檢測氣缸回位動作是否到位，當運動到指定位置時，碰到行程開關，終結上一個動作，準備執(zhí)行下一個動作。

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2.2.2傳感器的選擇

傳感器是將被檢測對象的各

（2）視覺傳感器系統(tǒng)視覺的作用就是最大程度模仿人的眼睛，能夠對不同的物體進行識別，本系統(tǒng)采用材質傳感器和顏色傳感器，對物料進行分揀。電感式接近開關屬于有開關量輸出的位置傳感器，用來檢測金屬物體。它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個能產(chǎn)生電磁場的振蕩感應頭時，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個渦流反作用于接近開關，使接近開關振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化。由此，可識別出有無金屬物體接近，進而控制開關的通或斷。本系統(tǒng)用該器件來檢測鐵質材料。電容傳感器也屬于具有開關量輸出的位置傳感器，是一種接近式開關。它的測量頭通常是構成電容器的一個極板,而另一個極板是待測物體的本身。當物體移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化。由此，便可控制開關的接通和關斷。本裝置中電容傳感器是用于檢測鋁質材料[1]。根據(jù)不同物料有不同的顏色，可以針對一種顏色的物料進行揀出。顏色傳感器同樣也屬于具有開關量輸出的位置傳感器。它是在Si等多數(shù)光電二極管之前，分別放置R（紅）、G（綠）、B（藍）三種顏色的彩色濾光器，以便處理各自的輸出信號并識別彩色的方法。材料分揀系統(tǒng)采用它主要是用來識別紅色與綠色的材料。目前，用于顏色識別的傳感器有兩種基本類型：①色標傳感器，它使用一個白熾燈光源或單色LED光源；②RGB（紅綠藍）顏色傳感器，它檢測物體的對三基色的反射比率，從而鑒別物體顏色。這類裝置許多是溫反射型、光束型、光纖型的，封裝在各種金屬和聚碳酸脂外殼中。典型的輸出有：NPN和PNP、繼電器和模擬輸出。為了便于PCL控制程序的編寫，利于公司企業(yè)的經(jīng)濟效益，綜合其各種情況，在本設計，選擇RGB顏色傳感器著為識別物料顏色的裝置，繼電器輸出方式，便于PLC控制系統(tǒng)的簡單化，控制系統(tǒng)更容易實現(xiàn)[4~5]。19

（2）視覺傳感器19

2.2.2傳感器的選擇

傳感器是將被檢測對象的各種物理變化量變?yōu)殡娦盘柕囊环N變換器。它主要被用于檢測系統(tǒng)本身與作業(yè)對象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制系統(tǒng)的動作提供信息。根據(jù)本設計的要求需要對位置檢測裝置、視覺傳感器進行選用。位置檢測裝置檢測氣缸動作是否到位，視覺傳感器是為了完成對物料的識別。（1）位置檢測裝置在本設計中，當氣缸執(zhí)行動作時，應有相應的位置檢測裝置檢測動作是否到位，常用的位置檢測裝置是行程開關。行程開關又稱限位開關，是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切換電路的電器，用于控制機械設備的行程及限位保護。在實際生產(chǎn)中，將行程開關安裝在預先安排的位置，當裝于生產(chǎn)機械運動部件上的模塊撞擊行程開關時，行程開關的觸點動作，實現(xiàn)電路的切換。行程開關的品種規(guī)格很多，按其操作結構可分為直動、滾輪直動、杠桿單、雙輪等。選用行程開關時，應根據(jù)不同使用場合，滿足各方面的要求來進行選擇。本設計中采用直線接觸式磁感應開關檢測氣缸回位動作是否到位，當運動到指定位置時，碰到行程開關，終結上一個動作，準備執(zhí)行下一個動作。

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2.2.2傳感器的選擇

傳感器是將被檢測對象的各

2.3驅動部分的分析與選擇

系統(tǒng)的驅動系統(tǒng)是驅動執(zhí)行機構運動的傳動裝置，其驅動系統(tǒng)根據(jù)動力源的不同，分為液壓、氣壓、電氣、機械、氣液聯(lián)合和電液聯(lián)合等多種方式。目前采用的主要有液壓、氣壓、電氣這三種驅動方式。液壓驅動，功率重量比大，可實現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向，容易實現(xiàn)過載保護，可自行潤滑，使用壽命長。但也存在其油液容易泄露污染環(huán)境，需要配備油源，成本較高，工作噪聲較大。電氣驅動，控制精度高，驅動力較大，響應快，信號檢測、傳遞、處理方便。但是由于這種驅動方式價格昂貴，限制了在一些場合的應用。因此，人們尋求其他一些經(jīng)濟適用的驅動方式。氣壓驅動具有價格低廉、結構簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強、在工業(yè)機械手中應用較多。另一方面，氣動技術作為“廉價的自動化技術”，由于其元器件性能的不斷提高，生產(chǎn)成本的不斷降低，被廣泛應用于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)領域。在現(xiàn)代化的成套設備與自動化生產(chǎn)線上，幾乎都配有氣動系統(tǒng)。氣動機械手技術已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實踐要求的一種重要使用工具。表2-1給出了各種控制方式的比較：

通過以上三種驅動方式的比較選用氣動驅動的方式，不僅能夠滿足了本設計的要求，而且節(jié)約了成本。21

2.3驅動部分的分析與選擇

系統(tǒng)的驅動系統(tǒng)是驅動執(zhí)表2-1各種控制方式的比較22表2-1各種控制方式的比較22

2.4執(zhí)行機構的選擇

在氣壓傳動系統(tǒng)中，組成氣動回路是為了驅動用于各種不同目的機械裝置，其最重要的三個控制內(nèi)容是：力的大小、運動的方向和運動的速度。與生產(chǎn)裝置相連接的各種類型的氣缸，靠壓力控制閥、方向控制閥和流量控制閥分別實現(xiàn)對三個內(nèi)容的控制，正是利用它們組成了各種氣動控制回路?，F(xiàn)今各控制系統(tǒng)中用于分揀物料的執(zhí)行機構主要有以下幾種：（1）機械手夾持式 夾持式手部的結構與人手類似，是工業(yè)機械廣泛應用的一種手部形式。它主要由手指、傳動機構、驅動機構組成。其又可分為內(nèi)撐式、外夾式和內(nèi)外夾持式，區(qū)別在于夾持工件的部位不同，手爪動作方向相反。夾持式手部設計時應注意以下事項：①手指應有一定的開閉范圍；②手指應具有適當?shù)膴A緊力；③要保證工件在手指內(nèi)的定位精度；④結構緊湊，重量輕，效率高；⑤通用性和可換性。（2）氣吸式氣吸式手部又稱為真空吸盤式手部，它是通過吸盤內(nèi)產(chǎn)生真空或負壓，利用壓差而將工件吸附，是工業(yè)機械手常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤、吸盤架及進排氣系統(tǒng)組成，具有結構簡單、質量輕、不易損傷工件、使用方便可靠等優(yōu)點；但要求工件上與吸盤接觸的部位光滑平整、清潔、被吸附工件材質致密，沒有透氣空隙。主要適應于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、紙張及塑料等表面光滑工件的抓取。23

2.4執(zhí)行機構的選擇

在氣壓傳動系統(tǒng)中，組成氣動回

氣吸式又可分為：負壓吸盤：真空式、噴氣式、自擠式空氣吸盤；磁力吸盤：永磁吸盤、電磁吸盤。真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附頭的空氣而形成真空，故稱真空式。噴氣式吸附的工作原理是當壓縮空氣高速進入噴嘴時，由于管路的開始段截面積是逐漸收縮的，所以氣流速度逐漸增大，在吸氣口處形成負壓。吸附頭與吸氣口連同，故形成真空，以吸住工件。自擠式空氣吸盤是將軟質吸盤按壓在工件的表面，擠出吸盤內(nèi)的空氣、從而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的導磁性，利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁力來吸附材料工件。（3）氣缸式氣缸輸出直線往復式氣缸是氣動執(zhí)行元件之一。目前最常選用的是標準氣缸，其結構和參數(shù)都已系列化、標準化、通用化。水平伸縮氣缸選用單活塞桿雙作用氣缸。單活塞桿雙作用氣缸一般由缸筒、前后缸蓋、活塞、活塞桿、密封件和緊固件等組成。其工作原理：對于前伸/回縮氣缸，當左側無桿腔進氣，右側有桿腔排氣時活塞桿前伸，反之，活塞桿回縮；對于上升/下降氣缸，當上側無桿腔進氣，下側有桿腔排氣時，活塞桿下降，反之活塞桿上升。當氣缸動作時動作限位開關斷開，氣缸快速彈出，此時先導式電磁閥復位，當氣壓太大時而氣缸沒有復位時氣缸復位限位開關感應動作從而關閉先導式電磁閥從而起到保護氣缸的作用。氣缸式的執(zhí)行機構動作比較穩(wěn)定，易于維修，控制過程簡單，所以該材料分揀系統(tǒng)執(zhí)行機構選擇氣缸推動式。24

氣吸式又可分為：負壓吸盤：真空式、噴氣式、自擠式空

2.5硬件設計及實際模型的建立

材料分揀機的PLC控制用于對相關材料的自動化分揀，其硬件結構框圖如圖2-2所示。

圖2-2系統(tǒng)的硬件結構框圖25

2.5硬件設計及實際模型的建立

材料分揀機的

根據(jù)材料分揀系統(tǒng)的結構框圖，可得出其結構示意圖如圖2-3所示。按下啟動按鈕后，電動機M運行，綠燈L2亮，傳送帶運轉，表示可以進物料。材料經(jīng)傳感器對其進行識別，檢測其分別為鐵質、鋁質、紅色，其相對應的氣缸進行動作，將材料推入滑槽內(nèi)，若不是上述的幾種材料，則最后剩余的氣缸動作，將其推入滑槽內(nèi)，以完成對其的分揀。圖2-3材料分揀系統(tǒng)的示意圖

26

根據(jù)材料分揀系統(tǒng)的結構框圖，可得出其結構示意圖如圖2

2.6其他元器件及其選擇料槽是一個材料手動入庫而自動出庫的裝置，底部有一個光電傳感器。使用時可先人為地將材料放入料槽中，此時光電傳感器檢測到料塊時系統(tǒng)開始運行。當系統(tǒng)運行時，啟動傳送帶并由出料氣缸將料庫內(nèi)底層材料推入傳送帶。傳送帶是由單向感應電機驅動的皮帶式輸送裝置。調(diào)壓閥、空氣濾器與氣壓指示儀表集中于一個模塊上，它們接收來自氣源的氣壓并傳送到下面的5個氣閥中。調(diào)節(jié)調(diào)壓閥降壓，使其輸出壓力與每臺氣動設備和裝置所需要的壓力一致，并保持該壓力的穩(wěn)定?？諝膺^濾器作用是濾除壓縮空氣中的水分、油滴以及雜質微粒等危害，以達到系統(tǒng)要求的凈化程度。油霧器是一種特殊的注油裝置，它以壓縮空氣為動力，將潤滑油噴成霧狀并混合于壓縮空氣中，并隨空氣進入需要潤滑的部件，達到潤滑的目的，使壓縮空氣具有潤滑氣動元件的能力。自動分選部分由傳感器、先導式電磁換向閥、氣缸及導料軌道組成。當傳感器檢測到相應料塊時，對應的先導式電磁換向閥動作驅動氣缸動作將其推人應去的滑道。例如：當電感傳感器感應到鐵塊時，對應的氣缸動作，將鐵塊推入對應的導料軌道。導料軌道主要作用是當氣缸推出材料時導出材料。單向感應電動機作為執(zhí)行機構用于帶動傳輸帶輸送物料前行。內(nèi)置電源可以將220交流電轉換成24伏的直流電供給各個傳感器與氣閥以及轉接板上的各個指示燈，同時也為單向感應電動機提供穩(wěn)定的220伏電壓?？刂破鞑捎萌釬X2N---32MR型PLC。它接受料槽光電傳感器、各材料傳感器、先導式電磁換向閥、感應電動機、氣缸位置傳感器的信號，根據(jù)要求分別控制輸送帶電機和各電磁閥動作。本系統(tǒng)共設置了三個檢測材料的傳感器，同時預留了一個空余的氣閥與氣缸用來添加其它的傳感器。用戶可以根據(jù)自己的需求選擇相應的傳感器安裝即可。27

2.6其他元器件及其選擇料槽是一個材料手動入庫而自表2-2主要元器件清單28表2-2主要元器件清單2829292.7I/O口的選擇及PLC接線根據(jù)材料分揀系統(tǒng)的工作過程由可知，系統(tǒng)的控制有輸入信號15個，均為開關量。輸出信號有8個，其中一個控制電動機，兩個控制指示燈，剩下的控制氣閥，也都是開關量。根據(jù)分揀系統(tǒng)的需要配置出I/O對應功能，列表如表2-3所示：

表2-3分揀系統(tǒng)I/O口配置302.7I/O口的選擇及PLC接線表2-33131圖2-4PLC系統(tǒng)外部接線圖32圖2-4PLC系統(tǒng)外部接線圖32

3自動分揀系統(tǒng)的軟件設計3.1分揀系統(tǒng)的控制要求及其流程圖

本課題是基于區(qū)分材料材質的不同而設計的材料分揀系統(tǒng)，主要是實現(xiàn)對鐵質、鋁質和不同顏色的材料的自動分揀，具體控制過程為：（1）接通電源，按下啟動開關，系統(tǒng)進入啟動狀態(tài)，指示燈綠燈亮。（2）系統(tǒng)啟動后，下料傳感器(光電傳感裝置)檢測到料槽無材料或各氣缸未復位時，傳送帶須繼續(xù)運行一個行程10S后自動停機,指示燈紅燈亮。（3）系統(tǒng)啟動后，下料傳感器(光電傳感裝置)檢測到料槽有材料，每隔2S出料氣缸動作一次，動作時間維持為1S，將待測材料推到傳送帶上，待測物體開始在傳送帶上運行，并對其進行計數(shù)。（4）當電感傳感器檢測到鐵質材料時，且其對應的接近開關感應到材料接近，鐵出料氣缸將待測物體推下，并對其進行計數(shù)。（5）當電容檢測傳感器檢測到材料為鋁質時，且其對應的接近開關感應到材料接近，鋁出料氣缸動作將被檢測到的材料推下，并對其進行計數(shù)。（6）當顏色檢測傳感器檢測到材料為紅色時，且其對應的接近開關感應到材料接近，紅色出料氣缸動作將待測物體推下，并對其進行計數(shù)。（7）剩余材料在傳送帶上繼續(xù)傳送，當最后滑槽對應的接近開關感應到材料接近，其出料氣缸動作將被檢測到的材料推下，并對其進行計數(shù)。由分揀控制系統(tǒng)的分揀要求畫出控制系統(tǒng)的程序流程圖，圖3-2所示。33

3自動分揀系統(tǒng)的軟件設計3.1分揀系統(tǒng)的控制要求及其流圖3-2材料分揀系統(tǒng)的程序流程圖3434

3.2軟件設計及編程三菱電機公司提供專用的編程軟件。早期是MEDOC，目前是GPPW編程軟件和SWOPC-FXGP/WIN-C編程軟件包。GX編程軟件（GX開發(fā)器）可以用于生成涵蓋所有三菱電機公司PLC設備的軟件包，使用該軟件可以為FX/A/QnA/Q系列PLC生成程序。GX使用Windows操作平臺，用梯形圖、指令表或者SFC進行編程，程序可以與原先包括基于DOS操作系統(tǒng)的程序在內(nèi)的編程軟件相兼容。三菱SWOPC-FXGP/WIN-C編程軟件如圖3-3是應用于FX系列PLC的中文編程軟件，可在Windows9x或Windows3.1及以上操作系統(tǒng)運行。材料分揀系統(tǒng)采用該軟件作為編程軟件。

圖3-3SWOPC-FXGP/WIN-C窗口35

3.2軟件設計及編程三菱電機公司提供專用的編程軟件

根據(jù)分揀系統(tǒng)的要求設計出梯形圖，梯形圖的程序如下：36

根據(jù)分揀系統(tǒng)的要求設計出梯形圖，梯形圖的程序如下：3

37

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當程序設計好之后必須下載到PLC中才可以運行系統(tǒng)，下載時使用的是三菱PLC專用的編程電纜SC—09。這根電纜的一端是接電腦的RS232串口，一端接在PLC的RS422通訊串口上。當電纜接好之后，打開軟件，進入要下載的文件。先轉換文件，然后選擇菜單欄里的“PLC”選擇“傳送”-“寫入”，便可以下載程序到PLC中。傳送程序時，應注意以下問題：

1）計算機的RS-232端口及PLC之間必須用指定的纜線及轉換器連接；

2）執(zhí)行完“讀入”后，計算機中的程序將被丟失，原有的程序將被讀入的程序所替代，PLC模式改變成被設定的模式；

3）在“寫出”時，PLC應停止運行，程序必須在RAM或EE-PROM內(nèi)存保護關斷的情況下寫出，然后進行校驗[11]。

PLC程序的傳送如圖3-5所示：38

當程序設計好之后必須下載到PLC中才可以運行系統(tǒng)

圖3-5PLC程序的傳送39

圖3-5PLC程序的傳送39

3.4材料分揀系統(tǒng)的調(diào)試在軟件與硬件都已經(jīng)準備好之后，開始對系統(tǒng)進行調(diào)試。這個過程便于我們發(fā)現(xiàn)問題與不足。通上電源，觀察指示燈，一切正常之后開始加材料。通過運行，在材料加入料槽后發(fā)現(xiàn)材料容易被氣缸打飛。從兩個方面解決這個問題，首先調(diào)低氣缸的氣壓，但氣壓波動較大，仍然無法解決問題；從另一個方面入手在出槽口的一端加上擋板，通過試驗，大部分材料可以正常步入傳送帶。此問題順利得到解決。將氣源送上。調(diào)節(jié)氣動閥氣源管上的螺栓即可調(diào)節(jié)氣動閥的動作力度，直至氣動閥的動作力度合適為止。材料隨傳輸帶傳送到傳感器時，傳感器并不能感應到材料，說明傳感器與物體的距離不適合。通過多次調(diào)試找到了適合的位置，即傳感器的底部與傳送帶的距離。傳感器通過在通電狀態(tài)下，將待分揀的物料塊放置在傳送帶上，通過不停調(diào)節(jié)電位器，觀察監(jiān)控畫面的對應開關的通斷，并通過調(diào)節(jié)角度等將傳感器調(diào)節(jié)至最佳狀態(tài)。電感傳感器與傳送帶最合適距離為28CM，電容傳感器與傳送帶最佳距離為25CM。顏色傳感器最合適距離為30CM，傳感器對應的各個氣缸在感應到材料后便開始動作，但由于氣壓的原因，材料不是被打飛，就是根本沒有觸到材料。首先將總氣源的氣壓穩(wěn)定在2.5Mp,然后逐個調(diào)試氣閥的進氣開關，使氣缸的氣量保留在合適適中的位置。在軟件與硬件都已經(jīng)準備好之后，開始對系統(tǒng)進行調(diào)試。將硬件各部分的動作幅度進行調(diào)試之后，運行PLC程序，進行軟硬件的結合，觀察材料分揀系統(tǒng)中上料、傳送與分揀的過程，完成系統(tǒng)的調(diào)試。40

3.4材料分揀系統(tǒng)的調(diào)試在軟件與硬件都已經(jīng)準備好之后

4監(jiān)控畫面的設計41

4監(jiān)控畫面的設計41

4.1組態(tài)控制技術工控組態(tài)軟件能夠很好地解決傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的種種問題，使用戶能根據(jù)自己的控制對象和控制目的任意組態(tài)，完成最終的自動化控制工程。本系統(tǒng)采用MCGS作為上位機的監(jiān)控軟件。材料分揀MCGS組態(tài)軟件設計是對分揀系統(tǒng)的實時采集以及監(jiān)控，從而實現(xiàn)操作者可以遠離操作現(xiàn)場就能實現(xiàn)對生產(chǎn)線的控制。組建工程的總體規(guī)劃是先建立一個用戶窗口，其次是編輯畫面和定義數(shù)據(jù)對象，再次是動畫連接和編寫控制流程，最后是設備的連接和調(diào)試。MCGS組態(tài)軟件是由北京昆侖自動化有限公司研制開發(fā)的，其英文全稱為MonitorandControlGeneratedSystem，即“監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)”。MCGS系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩部分。用戶的所有組態(tài)配置過程都在組態(tài)環(huán)境中運行，組態(tài)環(huán)境相當于一套完整的工具軟件，它幫助用戶設計和構造自己的應用系統(tǒng)。用戶組態(tài)生成的結果是一個數(shù)據(jù)庫文件，稱為組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫。運行環(huán)境是一個獨立的運行系統(tǒng)，按照組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫中用戶指定的方式進行各種處理，完成用戶組態(tài)設計的目標和功能。運行環(huán)境本身沒有任何意義，必須與組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫一起作為一個整體，才能構成用戶應用系統(tǒng)。一旦組態(tài)工作完成，運行環(huán)境和組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫就可以離開