基于plc的材料分拣装置设计论文(编辑修改稿)

基于plc的材料分拣装置设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

PLC 材料分拣 系统的硬件设计 PLC 自动分拣 控制系统 工作原理 本文所设计的 PLC 材料分拣系统 采用推块式分拣机的台式结构，有竖井式材料输入料槽，滑板式产品输出料槽口。 同时，输送带作为传动结构， 为了方便较快速度的启动和停止， 用异步交流电机驱动 ； 对不同材质的三种传感器分别固定在网孔板上 ；为了保证整个系统的安全性又加了一个光 电传感器。 整个控制系统有气动部件、 电气部件 和硬件三 大部分组成。 气动部分由空气压缩机、气缸、 气瓶、 气压指示表、分水过滤器、冷却器、减压阀、配气器、等部件组成；电气部分由 PLC、铁检测传感器、铝检测传感器、颜色检测传感器、光电传感器、 异步交流电机、开关、电源等部件组成；硬件部分由传送带异步电动机、传送带、底座、支架等组成。 材料分捡系统工作原理 示意 图 如 图 所示。 图 材料分捡系统工作原理 示意图 1— 气瓶 2— PLC 3— 料槽 4— 电源 5— 电机 6— 料槽传感器 7— 料仓气缸 8— 皮带 9— 仓库 10— 气缸 11— 传感器 1234567891011 8 其工作过程是开启电源， 气动系统开始工作，系统进入自检状态。 下料 传感器检测下料槽内是否有物料，若没有物料，延时后自动等待上料；当下料槽内有物料 时 ，系统自动运行。 首先，下料传感器发送信号给 PLC， PLC 传送信号 给 下料气 缸。 经 过一定时间，下料汽缸将物料推至传 送 带。 当物料 在 传 送 带传 送 时，PLC 计数器开始计数，电机 开始 运行。 当传感器检测到物料为 铁 金属时，发出反馈信号给 PLC，由 PLC 控制 气 缸一动作，将物料推到料仓。 当 气 缸电磁阀运行到后 限位 开关 时，电磁阀复位， 回 到原状态。 同理， 可通过相应传感器分拣相应的物料。 系统的结构图如图 所示。 图 系统结构图 系统 的硬件配置 系统 由 气动部件、 电气部件 和硬件三 大部分组成。 系统的硬件配置 如 表。 表 系统硬件配置 PLC 1 台 底座 1 个 启动开关 1 个 光电传感器 2 个 铁传感器 1 个 电机 2 个 铝传感器 1 个 气缸 5 个 颜色传感器 1 个 限位开关 10 个 气瓶 1 个 皮带 1 条 电源 1 个 气压传动装置 1 套 下料传感器 P L C 铁检测传感器 铝检测传感器 光电检测传感器 输送带和下料气缸 铁出料气缸 其他出料气缸 塑料出料气缸 铝出料气缸 空气压缩机 颜色料传感器 9 系统的运行方式 系统是 全自动的 运行方式。 在系统开始工作前需要人工合上刀闸开关， 然后手动启动系统的电源开关。 系统开始运行，进入自检状态，当有物料进入料槽时，系统开始自动运行；当料槽中没有物料时，系统进入自检状态，等待物料再次进入料槽，然后自动运行。 系统需要停止工作时，需要人工切断系统电源，然后再切断主电源。 自动运行方式是由一台可编程序控制器 （ PLC） 来控制 整个系统自动运行，系统根据 传感器传出的信号执行事先编译好程序 [3]。 系统主电路图和结构图如图 所示。 在图 中， M1 为传送带提供动力的异步 电动机 ， M2 为 空气压缩机。 FU1 为主电路的熔断器，起短路保护的作用。 当电路发生短路时，通过熔体的电流使其发热，当达到熔化温度时自行熔断，从而分段电路。 接触器 KM1 控制电动机 M1 的运行。 当 接触器收到 PLC 为 1 的信号时，接触器闭合， 电动机 就可以启动运行。 FR FR2 分别为 电机过载保护用的热继电器，电动机一旦出现长时间过载自动切断电路。 并 能 购 随过载程度而改变动作时间的继电器，充分发挥了电动机的过载能力，保证电动机的正常启动和运转。 图 系统主电路图 PLC 与传统继电器的区别 及选型 L 1L 3L 2QFR 1 FR 2KM 1M 13~M 23~NFU 1 10 PLC 与传统继电器的区别 最初研制生产 PLC 主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这 两者的运行方式是不相同 的： （ 1） 当 PLC 运行时，是通过 执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作 [4]。 但 CPU不可能同时去执行过个操作，它只能按分时操作方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。 由于 CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看， PLC 外部出现的结构似乎是同时完成的。 这种串行工作过程称为 PLC 的扫描工作方式。 用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从第一步 开始，在无中断或跳转控制的情 况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序， 直到 程序结束。 然后再从头开始扫描执行，周而复始重复运行。 继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。 （ 2） PLC 的优点： 可靠性高，抗干扰能力强；控制系统结构简单，通用性强；配套齐全，功能完善，适用性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造；设计、施工、调试的周期短。 PLC 设计选型的一般原则 选择自己熟悉的机种和机型：同样的控制设备的设计，可以用任何同样级别的 PLC 来完成。 如果选用你不熟悉的 PLC，你就必须从头熟悉它，虽然不费太多的事，但毕竟没有用你熟悉的机型来的快。 不要大材小用：什么样的规模设计任务就选用什么样规模的 PLC，避免造成太多的硬件资源的浪费。 具体的控制对象，具体选择：根据不同的设计任务，来选择 PLC 的机型。 选用易采购的机型：有的产品经销商较少，不容易采购或进行比较，有的产品经销商很多，容易采购和比较，你就可以选用信誉好、价格优惠、技术上能够给与支持 的公司。 经常了解 PLC 产品的发展动态： PLC 产品更新换代很快，你熟悉的机型也许过几年就见不着了，所以，你最好在设计选型之前，先了解一下市场情况。 目前在国内市场上有从美国、德国、日本等国引进的多种系列 PLC，国 内也 11 有许多厂家组装、开发数十种 PLC，故 PLC 系列标准不一，功能参差不齐，价格悬殊。 在此情况下， PLC 的选择应着重考虑 PLC 的性能价格比，选择可靠性高，功能相当，负载能力合适，经济实惠的 PLC。 本文介绍以 PLC 的材料分拣装置 系统输入、输出点数的要求， 选择为三菱公司的 FX2N 系列的 FX2N32MR001。 铁传感器的选用 霍尔接近开关 来检测材料是否是磁性铁金属。 霍尔元件是一种磁敏元件。 利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关 [5]。 当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有 无 磁性物体存在，进而控制开关的通或断。 本系统中， 当材料是铁时传感器开关闭合，产生电流驱动线圈。 霍尔接近开关 的工作原理见图。 因此，本系统中检测铁物料选用霍尔传感器 为 2AV系列。 图 霍尔接近开关的工作原理图 铝传感器的选用 当通过金属体 的磁通过变化时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流 [6]。 电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。 电涡流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。 如图 所示， 一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流 I1时，线圈周围就产生一个交变磁场 H1。 置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流+ 15VR 1R fU 0V 1R 2V 2R 3 15VR 44123 12 I2，电涡流也将产生一个新磁场 H2， H2 与 H1 方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。 图 电涡流传感器原理图 我们可以把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环，这样就可得到如图 的等效电路。 图中 R L1 为传感器线圈的电阻和电感。 短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为 R电感为 L2。 线圈与导体间存在一个互感 M，它随线圈与导体间距的减小而增大。 当铝检测传感器检测到金属材料时，传感器的线圈阻抗就会发生变化。 图 电涡流传感器等效电路图 利用这一性质可以把铝传感器和继电器如 图 连接，实现开关功能。 所以本系统铝传感器选用 电涡流传感器 为 ST 系列。 图 铝传感器开关原 理图 H 1H 2HI 1I 2线圈被测导体R 1 R 2ML 1 L 2I 2I 1U 1R2 11 2A D 2 2 0 V 电源 继电器 13 颜色传感器的选用 我们所看到 的 物体 颜色， 实际上是物体 表面 吸收了照射到它上面 ， 白光 (日光 )中的一部分有色成分 之后 ， 反射出的另一部分有色光在人眼中的反应 [7]。 白色是由各种频率的可见光混合在一起构成的，也就是说白光中包含着各种颜色的色光(如红、黄、绿、青、蓝、紫 )。 根据三原色理论可知，各种颜色是由不同比例的三原色 (红、绿、蓝 )混合而成的。 如果知道构成各种颜色的三原色的值，就能够知道所测试物体的颜色。 高分辨率颜色传感器 TCS230，是 我们 常 用的颜色传感器。 对于 TCS230 来说，当选定一个颜色滤波器时， 它只允许某种特定的原色通过，阻止其它原色的通过。 例如：当选择红色滤波器时，入射光中只有红色可以通过，蓝色和绿色都被阻止，这样就可以得到红色光的光强 ， 同理，选择其它的滤波器，就可以得到蓝色光和绿色光的光强。 通过这三个值，就可以分析投射到TCS230 传感器上的光的颜色 ，本文选择 红 色滤波器。 光电传感器的选用 利用被检测物体对光束的遮光或反射 ， 由同步回路选通电路 ， 从而检测物体的有无。 其物体不限于金属 ， 对所有能反射光线的物体均可被检测。 光电开关是一种电量传感器 ， 把电流或电压的变化以光电的方式传送出去 ， 即进行电 信号 →光信号 → 电信号的转换。 光电式传感器工作原理 :光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为发送器，接收器和检测电路。 发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管 （ LED）和 激光二极管。 接收器有光电二极管或光电三极管组成。 在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。 在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。 气压传动 装置选用 气源装置 气源装置是为气动系统提供具有一定压力和足够流量、满足一定净化程度的压缩空气的能源装置 ,它是气动系统的重要组成部分 [8]。 气源装置包括气压产生、压缩空气净化与储存、压力稳定和传输管道等装置，这些设备一般布置于压缩空气站内，作为整个工厂或车间的同一气源，气源装置结构见图。 14 图 中，电动机带动空气压缩机 旋转，经吸气口的空气过滤器将大气中的空气吸入 [9]。 冷却器将压缩空气降温冷却，使高温汽化的水、油凝结分离。 油水分离器将冷凝出来的水滴、油滴、杂质等分离并排出系统。 储气罐用以压缩空气、稳定压缩空气的压力，并除去其中的部分油、水等杂质，储气罐输出的压缩空气可用于不同空气质量要求的气动系统。 图 气源装置结构图 气压发生装置 气压发生装置包括正压发生装置和负压发生装置，正压发生装置为空气压缩机。 这也正是本系统所使用的气压发生装置。 空气压缩机属于正压发生装置，它是将机械能转换成气体压力的能量转换装置，提供高于大气压力的气压。 排气压力低于 的一般称为风机（低于 的称为通风机， — 的称为鼓风机），它们用于通风系统。 排气压力高于 的习惯上成为压缩机，气动系统中通常采用压缩机提供气源。 气动系统中多数气动元件都是在高于大气压力下工作的，用这些元件组成的启动系统称为正压系统。 下 面介绍常用的活塞式空气压缩机的工作原理： 气压传动系统中最常用的是往复活塞式空气压缩机，其工作原理如图 所示，当电动机带动曲柄 7 旋转时，通过连杆 滑块 5 和活塞 4 的传递转换，使活塞 3 在气缸 2 内作往复运动。 当活塞向右移动时，缸内左腔密封容积逐渐增大，空气压缩机冷却剂 油水分离器 储气罐气压表出气口 15 使其中的气压低于大气压，吸气阀 8 被外界大气压力顶开，空气在大气压力作用下进入气缸内，形成吸气过程；当活塞向左移动时，缸内左腔密封容积逐渐减小，空气受压使气压升高，将吸气阀关闭，形成压缩过程；当缸内压缩空气压力升至高于输气管路中压力时，排气阀 1 顶开，压缩空 气排入输气管路，形成排气过程。 活塞式空气压缩机的优点是结构简单，使用寿命长，容易实现大流量和高压输出；缺点是振动大、噪声大，输出流量、压力有脉动，需使用储气罐稳压。