PLC物料分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC物料分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)PLC物料分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)/PLC物料分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)目次1緒論 11.1分揀系統(tǒng)基本介紹 11.2分揀系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo) 21.3本文研究的主要內(nèi)容 32自動(dòng)分揀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 42.1分揀系統(tǒng)主要硬件組成 42.1.1整體外觀 42.1.2系統(tǒng)概述 42.1.3系統(tǒng)組成 42.1.4送料機(jī)構(gòu) 52.1.5機(jī)械手搬運(yùn)機(jī)構(gòu) 62.1.6物料傳送和分揀機(jī)構(gòu) 72.2PLC的選型 82.2.1PLC的分類 82.2.2PLC種類及型號(hào)選擇 92.3傳感器的選擇 92.3.1傳感器的簡介 92.3.2傳感器的選擇 102.4驅(qū)動(dòng)部件分析與選擇 122.5執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇 132.6硬件設(shè)計(jì)及實(shí)際模型的建立 142.7其他元器件及其選擇 152.8I/O口的選擇及PLC接線 163物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 203.1可編程控制器（PLC）簡介 203.2分揀系統(tǒng)的控制要求及其流程圖 233.3軟件設(shè)計(jì)及編程 244物料分揀系統(tǒng)的安裝與調(diào)試 294.1PLC程序的模擬調(diào)試 294.2硬件的安裝調(diào)試 294.2.1氣缸的調(diào)試 304.2.2電感、電容傳感器的調(diào)試 304.2.3光電傳感器的調(diào)試 304.3聯(lián)機(jī)調(diào)試 304.4調(diào)試結(jié)果 31結(jié)論 32致謝 33參考文獻(xiàn) 341緒論1.1分揀系統(tǒng)基本介紹自動(dòng)分揀系統(tǒng)(Automaticsortingsystem)是先進(jìn)配送中心所必需的設(shè)施條件之一。它具有很高的分揀效率，通常每小時(shí)可分揀商品6000-12000箱，可以說，自動(dòng)分揀機(jī)是提高物流配送效率的一項(xiàng)關(guān)健因素。它是二次大戰(zhàn)后在美國、日本的物流中心中廣泛采用的一種自動(dòng)分揀系統(tǒng)，該系統(tǒng)目前已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國家大中型物流中心不可缺少的一部分。自動(dòng)分揀機(jī)是自動(dòng)分揀系統(tǒng)的一個(gè)主要設(shè)備。該系統(tǒng)的作業(yè)過程可以簡單描述如下：物流中心每天接收成百上千家供應(yīng)商或貨主通過各種運(yùn)輸工具送來的成千上萬種商品，在最短的時(shí)間內(nèi)將這些商品卸下并按商品品種、貨主、儲(chǔ)位或發(fā)送地點(diǎn)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的分類，將這些商品運(yùn)送到指定地點(diǎn)（如指定的貨架、加工區(qū)域、出貨站臺(tái)等），同時(shí)，當(dāng)供應(yīng)商或貨主通知物流中心按配送指示發(fā)貨時(shí)，自動(dòng)分揀系統(tǒng)在最短的時(shí)間內(nèi)從龐大的高層貨存架存儲(chǔ)系統(tǒng)中準(zhǔn)確找到要出庫的商品所在位置，并按所需數(shù)量出庫，將從不同儲(chǔ)位上取出的不同數(shù)量的商品按配送地點(diǎn)的不同運(yùn)送到不同的理貨區(qū)域或配送站臺(tái)集中，以便裝車配送[1]。自動(dòng)分揀系統(tǒng)一般由控制裝置、分類裝置、輸送裝置及分揀道口組成?？刂蒲b置的作用是識(shí)別、接收和處理分揀信號(hào)，根據(jù)分揀信號(hào)的要求指示分類裝置、按商品品種、按商品送達(dá)地點(diǎn)或按貨主的類別對(duì)商品進(jìn)行自動(dòng)分類。這些分揀需求可以通過不同方式，如可通過條形碼掃描、色碼掃描、鍵盤輸入、重量檢測(cè)、語音識(shí)別、高度檢測(cè)及形狀識(shí)別等方式，輸入到分揀控制系統(tǒng)中去根據(jù)對(duì)這些分揀信號(hào)判斷，來決定某一種商品該進(jìn)入哪一個(gè)分揀道口。分類裝置的作用是根據(jù)控制裝置發(fā)出的分揀指示，當(dāng)具有相同分揀信號(hào)的商品經(jīng)過該裝置時(shí)，該裝置動(dòng)作，使改變?cè)谳斔脱b置上的運(yùn)行方向進(jìn)入其它輸送機(jī)或進(jìn)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(duì)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(jī)，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(cè)，一般要連接若干分揀道口，使分好類的商品滑下主輸送機(jī)（或主傳送帶）以便進(jìn)行后續(xù)作業(yè)。分揀道口是已分揀商品脫離主輸送機(jī)（或主傳送帶）進(jìn)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(tái)，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(chǔ)存，或是組配裝車并進(jìn)行配送作業(yè)。以上四部分裝置通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)在一起，配合人工控制及相應(yīng)的人工處理環(huán)節(jié)構(gòu)成一個(gè)完整的自動(dòng)分揀系統(tǒng)[2]。1.2分揀系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)二次大戰(zhàn)以后，自動(dòng)分揀系統(tǒng)逐漸開始在西方發(fā)達(dá)國家投入使用，成為發(fā)達(dá)國家先進(jìn)和物流中心，配送中心或流通中心所必需的設(shè)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(dòng)作業(yè)方式，自動(dòng)分揀系統(tǒng)不受氣候、時(shí)間、人的體力等的限制，可以連續(xù)運(yùn)行，同時(shí)由于自動(dòng)分揀系統(tǒng)單位時(shí)間分揀件數(shù)多，它可以連續(xù)運(yùn)行100個(gè)小時(shí)以上，每小時(shí)可分揀7000件包裝商品，如用人工分揀則每小時(shí)只能分揀150件左右，同時(shí)分揀人員也不能在這種勞動(dòng)強(qiáng)度下連續(xù)工作8小時(shí)。（2）分揀誤差率極低自動(dòng)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(zhǔn)確性大小，這又取決于分揀信息的輸入機(jī)制，如果采用人工鍵盤或語音識(shí)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(cuò)，否則不會(huì)出錯(cuò)。因此，目前自動(dòng)分揀系統(tǒng)主要采用條形碼技術(shù)來識(shí)別貨物。（3）分揀作業(yè)基本實(shí)無人化國外建立自動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度，提高人員的使用效率，因此自動(dòng)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(dá)自動(dòng)分揀線的進(jìn)貨端時(shí)，由人工接貨，由人工控制分揀系統(tǒng)的運(yùn)行，分揀線末端由人工將分揀出來的貨物進(jìn)行集載、裝車，自動(dòng)分揀系統(tǒng)的經(jīng)營、管理與維護(hù)。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(dòng)分揀線做到了無人化作業(yè)。對(duì)于分揀系統(tǒng)的應(yīng)用前景，主要著眼于分揀系統(tǒng)的可靠性，優(yōu)越性，應(yīng)用領(lǐng)域的適用性以及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)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(shù)經(jīng)濟(jì)條件，因此，在發(fā)達(dá)國家，物流中心、配送中心或流通中心不用自動(dòng)分揀系統(tǒng)的情況也很普遍。對(duì)于自動(dòng)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(yīng)用的領(lǐng)域及其范圍。在引進(jìn)和建設(shè)自動(dòng)分揀系統(tǒng)時(shí)一定要考慮以下條件：自動(dòng)分揀系統(tǒng)的一次性投資巨大，其本身需要建設(shè)短則40~50米，長則150~200米的機(jī)械傳輸線，還有配套的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通信系統(tǒng)等，這一系統(tǒng)不僅占地面積大，動(dòng)輒2萬平方米以上，而且一般自動(dòng)分揀系統(tǒng)都建在自動(dòng)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(dòng)化的搬運(yùn)設(shè)施，這絲毫不亞于建立一個(gè)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(jìn)行此項(xiàng)投資[3]。它對(duì)商品外包裝要求也很高，自動(dòng)分揀機(jī)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(dòng)分揀機(jī)進(jìn)行分揀，因此為了使大部分商品都能用機(jī)械進(jìn)行自動(dòng)分揀，可以采取二條措施：一是推行標(biāo)準(zhǔn)化包裝，使大部分商品的包裝符合國家標(biāo)準(zhǔn)；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(jī)。但要讓所有商品的供應(yīng)商都執(zhí)行國家的包裝標(biāo)準(zhǔn)是很困難的，定制特寫的分揀機(jī)又會(huì)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(dòng)分揀系統(tǒng)。1.3本文研究的主要內(nèi)容在本文中，以生產(chǎn)線上不同物料的分揀系統(tǒng)為例，詳細(xì)分析了基于PLC控制的自動(dòng)分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹了分揀系統(tǒng)中傳感器信號(hào)的采集、處理的一些基本知識(shí)，并通過設(shè)計(jì)要求與技術(shù)指標(biāo)的比較，確定了硬件系統(tǒng)中的各種元器件及其模塊的選型。在介紹了一些PLC、傳感器、氣動(dòng)系統(tǒng)基本知識(shí)后，對(duì)本課題進(jìn)行硬件與軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出主電路與控制回路，并建立了實(shí)際的模型，在軟件設(shè)計(jì)中，確定了I/O分配，并按照控制要求設(shè)計(jì)出了PLC梯形圖。在本系統(tǒng)完成其設(shè)計(jì)之后，對(duì)其進(jìn)行整體安裝與調(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(yùn)行與傳感器安裝的角度適合。將各氣缸的動(dòng)作速度進(jìn)行調(diào)試之后，進(jìn)行了軟硬件綜合調(diào)試，實(shí)現(xiàn)材料分揀系統(tǒng)中上料、傳送與分揀的全過程[4]。2自動(dòng)分揀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1分揀系統(tǒng)主要硬件組成2.1.1整體外觀如圖2-1所示為PLC物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)的整體硬件圖。圖2-1自動(dòng)分揀系統(tǒng)硬件圖2.1.2系統(tǒng)概述本物料分揀裝置主要由PLC控制模塊、變頻器、機(jī)械手、位置檢測(cè)與控制、物料輸送及分揀、氣動(dòng)系統(tǒng)等模塊組成。通過傳感器信號(hào)采集，PLC編程，對(duì)電磁閥、直流電機(jī)、交流電機(jī)等進(jìn)行復(fù)雜的開關(guān)量控制、位置控制及時(shí)序邏輯控制，實(shí)現(xiàn)物料提升、故障報(bào)警、氣動(dòng)機(jī)械手搬運(yùn)、皮帶機(jī)輸送、物料分揀等功能。2.1.3系統(tǒng)組成（1）該裝置由型材實(shí)訓(xùn)臺(tái)、物料提升機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)機(jī)械手、物料輸送及分揀機(jī)構(gòu)、PLC模塊、變頻器模塊、按鈕模塊、電源模塊、各種傳感器、物料、I/O接口板和氣管等組成。（2）電源模塊由三相電源總開關(guān)（帶漏電和短路保護(hù)）、熔斷器、單相電源輸出、三相電源輸出、電源插座、開關(guān)電源（提供DC24V）等組成。（3）按鈕模塊由急停按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、復(fù)位按鈕、自鎖按鈕、指示燈等組成。（4）變頻器模塊由歐姆龍3G3JV-AB004變頻器及接線柱組成。（5）PLC模塊由三菱主機(jī)為FX1N-40MR-001內(nèi)置開關(guān)量I/O（24路開關(guān)量輸入/16路繼電器輸出）構(gòu)成，機(jī)箱內(nèi)裝有24V/5A的開關(guān)電源為系統(tǒng)提供直流電源。（6）物料提升機(jī)構(gòu)由單出桿氣缸、電磁閥、磁性開關(guān)、警示燈、直流減速電機(jī)、機(jī)械結(jié)構(gòu)件等組成。（7）氣動(dòng)機(jī)械手機(jī)構(gòu)由單出桿氣缸、雙出桿氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸、氣爪、磁性開關(guān)、緩沖閥、電磁閥、機(jī)械結(jié)構(gòu)件等組成。（8）物料輸送及分揀機(jī)構(gòu)由三相交流電機(jī)、皮帶、單出桿氣缸、磁性開關(guān)（磁電傳感器）、電磁閥、電渦流式電感傳感器、電容式傳感器、漫反射型光電傳感器、機(jī)械結(jié)構(gòu)件等組成[5]。2.1.4送料機(jī)構(gòu)如圖2-2所示為送料機(jī)構(gòu)硬件圖。其中包括放料轉(zhuǎn)盤：轉(zhuǎn)盤中共放兩種物料，一種金屬物料、一種非金屬物料。驅(qū)動(dòng)電機(jī)：電機(jī)采用24V直流減速電機(jī)，轉(zhuǎn)速10r/min，轉(zhuǎn)矩30kg/cm；用于驅(qū)動(dòng)放料轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)；物料滑槽：放料轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，物料互相推擠趨向入料口，物料則從入料口順著滑槽落到提升臺(tái)上；提升臺(tái)：將物料和滑槽有效分離，并確保每次只提升一個(gè)物料；物料檢測(cè)傳感器：物料檢測(cè)為光電漫反射型傳感器，主要為PLC提供一個(gè)輸入信號(hào)，如果有物料在提升臺(tái)上，就會(huì)驅(qū)動(dòng)提升氣缸提升物料；如果運(yùn)行中，光電傳感器沒有檢測(cè)到物料并保持4秒鐘，則讓系統(tǒng)停機(jī)然后報(bào)警；磁性傳感器：用于提升臺(tái)氣缸的位置檢測(cè)。檢測(cè)氣缸伸出和縮回是否到位，為此在前點(diǎn)和后點(diǎn)上各一個(gè)，當(dāng)檢測(cè)到氣缸準(zhǔn)確到位后將給PLC發(fā)出一個(gè)信號(hào)。磁性傳感器接線時(shí)注意。藍(lán)色接GND，棕色經(jīng)過負(fù)載接PLC輸入端；提升氣缸：提升氣缸使用的是單向電控氣閥。當(dāng)電控氣閥得電，物料提升臺(tái)上升，當(dāng)電控氣閥斷電，則物料提升臺(tái)下降。圖2-2送料機(jī)構(gòu)圖2.1.5機(jī)械手搬運(yùn)機(jī)構(gòu)如圖2-3所示為機(jī)械手搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的硬件圖。整個(gè)搬運(yùn)機(jī)構(gòu)能完成四個(gè)自由度動(dòng)作，手臂伸縮、手臂旋轉(zhuǎn)、手爪上下、手爪緊松。手爪提升氣缸：提升氣缸采用雙向電控氣閥控制，氣缸伸出或縮回可任意定位；磁性傳感器：檢測(cè)手爪提升氣缸處于伸出或縮回位置；手爪：抓取物料由單向電控氣閥控制，當(dāng)單向電控氣閥得電，手爪夾緊磁性傳感器有信號(hào)輸出，指示燈亮，單控氣閥斷電，手爪松開；旋轉(zhuǎn)氣缸：機(jī)械手臂的正反轉(zhuǎn)，由雙向電控氣閥控制；接近傳感器：機(jī)械手臂正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)到位后，接近傳感器信號(hào)輸出；雙桿氣缸：機(jī)械手臂伸出、縮回，由雙向電控氣閥控制。氣缸上有裝有兩個(gè)磁性傳感器，檢測(cè)氣缸伸出或縮回位置；調(diào)速閥：調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)氣缸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和力度，同時(shí)也可調(diào)節(jié)提升氣缸的伸縮速度和力度；緩沖器：旋轉(zhuǎn)氣缸高速正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)到位時(shí)，起緩沖速作用[6]。圖2-3機(jī)械手搬運(yùn)機(jī)構(gòu)圖表2-1為各環(huán)節(jié)輸入點(diǎn)的輸入點(diǎn)一輸出點(diǎn)控制序號(hào)動(dòng)作順序PLC輸出點(diǎn)M狀態(tài)說明1機(jī)械手的雙臂伸出Y7M112手爪下降Y11M123抓取物料（手爪夾緊）Y13M134手爪提升Y12M145手臂縮回Y10M156旋轉(zhuǎn)氣缸右轉(zhuǎn)Y5M167手爪下降Y11M178手爪松開，放料（單缸）RSTY13M189手爪提升Y12M1910旋轉(zhuǎn)氣缸左轉(zhuǎn)Y6M20初始態(tài)（系統(tǒng)啟動(dòng)后，物料在料臺(tái)高位）M10終止態(tài)（整個(gè)搬運(yùn)結(jié)束）最后機(jī)械手返回原位，重新開始下一個(gè)循環(huán)。M21表2-1各環(huán)節(jié)輸入點(diǎn)的輸入點(diǎn)一輸出點(diǎn)控制2.1.6物料傳送和分揀機(jī)構(gòu)如圖2-4所示為物料傳送和分揀機(jī)構(gòu)的硬件圖。其中包括落料光電傳感器：檢測(cè)是否有物料到傳送帶上，并給PLC一個(gè)輸入信號(hào)；落料口：物料落料位置定位；金屬料槽：放置金屬物料；塑料料槽：放置非金屬物料；電渦流式電感傳感器：檢測(cè)金屬材料，檢測(cè)距離為2～5mm；電容式傳感器：用于檢測(cè)非金屬材料，檢測(cè)距離為3～8mm；三相低速電動(dòng)機(jī)：驅(qū)動(dòng)傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)，由變頻器控制；推料氣缸：將物料推入料槽，由單向電控氣閥控制[7]。圖2-4物料傳送和分揀機(jī)構(gòu)圖2.2PLC的選型2.2.1PLC的分類目前，在我國PLC的分類還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)性能和應(yīng)用范圍可將其進(jìn)行如下分類。（1）按性能分類根據(jù)PLC的I/O點(diǎn)數(shù)、用戶程序存儲(chǔ)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(diǎn)數(shù)小于128點(diǎn)，用戶程序存儲(chǔ)器容量小于4K字，功能簡單，以開關(guān)量控制為主，可實(shí)現(xiàn)條件控制、順序控制、定時(shí)記數(shù)控制。適用于單機(jī)或小規(guī)模生產(chǎn)過程。中型PLC又稱中檔PLC，它的I/O點(diǎn)數(shù)在128~512點(diǎn)之間，用戶程序存儲(chǔ)器容量為4K~8K字，功能比較豐富、兼有開關(guān)量和模擬量的控制能力，具有浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、數(shù)制轉(zhuǎn)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(fù)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(diǎn)數(shù)在512點(diǎn)以上，用戶程序存儲(chǔ)器容量達(dá)到8K字以上，控制功能完善，在中檔機(jī)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大和增加了函數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)庫、監(jiān)視、記錄、打印及中斷控制、智能控制、遠(yuǎn)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(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。（2）按結(jié)構(gòu)分類根據(jù)PLC的構(gòu)成形式，可將PLC分為整體式和機(jī)架式(模塊式)兩大類。整體式PLC是將CPU、存儲(chǔ)單元、輸入輸出模塊和電源部件集中配置在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)。這種PLC輸入輸出點(diǎn)數(shù)少、體積小，價(jià)格低，便于裝入設(shè)備內(nèi)部。小型PLC通常采用這種結(jié)構(gòu)。機(jī)架式PLC將各單元做成獨(dú)立的模塊，使用時(shí)將這些模塊分別插入機(jī)架底板的插座上?？筛鶕?jù)生產(chǎn)實(shí)際的控制要求建立模塊，構(gòu)成不同的控制系統(tǒng)。這種PLC輸入輸出點(diǎn)數(shù)多，配置靈活方便，易于擴(kuò)展。大中型PLC通常采用這種結(jié)構(gòu)。（3）按應(yīng)用范圍分類根據(jù)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制裝置可在各個(gè)領(lǐng)域使用，而專用型PLC是為了某類控制要求專門設(shè)計(jì)的PLC，如數(shù)控機(jī)床專用型、鍋爐設(shè)備專用型、報(bào)警監(jiān)視專用型等。由于應(yīng)用的專一性，使其控制質(zhì)量大大提高[8]。2.2.2PLC種類及型號(hào)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(diǎn)數(shù)：實(shí)際輸入點(diǎn)15點(diǎn)，實(shí)際輸出點(diǎn)8點(diǎn)，綜合對(duì)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(diǎn)數(shù)為32點(diǎn)各型號(hào)的PLC的價(jià)格、性能、實(shí)用場合等各方面，本系統(tǒng)可選擇PLC型號(hào)為：三菱主機(jī)為FX1N-40MR內(nèi)置開關(guān)量I/O（24路開關(guān)量輸入/16路繼電器輸出）；機(jī)箱內(nèi)裝有24V/5A的開關(guān)電源為系統(tǒng)提供直流24V電源。三菱FX1N-40MRPLC擁有無以匹及的速度，高級(jí)的功能邏輯選件以及定位控制等特點(diǎn).。三菱FX1N-40MR是三菱電機(jī)推出的功能強(qiáng)大的普及型PLC。具有擴(kuò)展輸入輸出，模擬量控制和通訊、鏈接功能等擴(kuò)展性。是一款廣泛應(yīng)用于一般的順序控制三菱PLC[9]。2.3傳感器的選擇2.3.1傳感器的簡介國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器是一個(gè)完整的測(cè)量裝置（或系統(tǒng)），能把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)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。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(shù)的發(fā)展，傳感器的信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路也會(huì)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(hào)調(diào)理電路以及所需輔助電源都應(yīng)作為傳感器組成的一部分，如圖2-5所示[10]。圖2-5傳感器的組成示意圖敏感元件——感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的其他量的元件，如膜片和波紋管，可以把被測(cè)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(dòng)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。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(cè)量（一般為非電量）且輸出與被測(cè)量成確定關(guān)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(cè)量，而只感受與被測(cè)量成確定關(guān)系的其他非電量。例如，差動(dòng)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(cè)壓力成確定關(guān)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(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路——能把傳感元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄和控制的有用信號(hào)的電路。信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)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(dòng)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(fù)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[11]。2.3.2傳感器的選擇傳感器是將被檢測(cè)對(duì)象的各種物理變化量變?yōu)殡娦盘?hào)的一種變換器。它主要被用于檢測(cè)系統(tǒng)本身與作業(yè)對(duì)象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制系統(tǒng)的動(dòng)作提供信息。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求需要對(duì)位置檢測(cè)裝置、金屬傳感器進(jìn)行選用。位置檢測(cè)裝置檢測(cè)氣缸動(dòng)作是否到位，金屬傳感器是為了完成對(duì)物料的識(shí)別。（1）位置檢測(cè)裝置在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)氣缸執(zhí)行動(dòng)作時(shí)，應(yīng)有相應(yīng)的位置檢測(cè)裝置檢測(cè)動(dòng)作是否到位，常用的位置檢測(cè)裝置是行程開關(guān)。行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，是一種根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的行程位置而切換電路的電器，用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，將行程開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時(shí)，行程開關(guān)的觸點(diǎn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。行程開關(guān)的品種規(guī)格很多，按其操作結(jié)構(gòu)可分為直動(dòng)、滾輪直動(dòng)、杠桿單、雙輪等。選用行程開關(guān)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同使用場合，滿足各方面的要求來進(jìn)行選擇。本設(shè)計(jì)中采用直線接觸式磁感應(yīng)開關(guān)檢測(cè)氣缸回位動(dòng)作是否到位，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)，碰到行程開關(guān)，終結(jié)上一個(gè)動(dòng)作，準(zhǔn)備執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作。（2）金屬傳感器金屬傳感器按工作原理分大致可以分為以下三類：利用電磁感應(yīng)高頻振蕩型，使用磁鐵磁力型和利用電容變化電容型。接近傳感器可以不與目標(biāo)物實(shí)際接觸情況下檢測(cè)靠近傳感器金屬目標(biāo)物。按檢測(cè)方法分：所有金屬型：相同檢測(cè)距離內(nèi)檢測(cè)任何金屬。有色金屬型：主要檢測(cè)鋁一類有色金屬。通用型：主要檢測(cè)黑色金屬(鐵)。非接觸檢測(cè)，避免了對(duì)傳感器自身和目標(biāo)物損壞。無觸點(diǎn)輸出，操作壽命長。有水或油噴濺苛刻環(huán)境中也能穩(wěn)定檢測(cè)。反應(yīng)速度快。小型感測(cè)頭，安裝靈活。接近傳感器原理：電容式接近傳感器由高頻振蕩器和放大器等組成，由傳感器檢測(cè)面與外界構(gòu)成一個(gè)電容器，參與振蕩回路工作，起始處于振蕩狀態(tài)。當(dāng)物體接近傳感器檢測(cè)面對(duì)，回路電容量發(fā)生變化，使高頻振蕩器振蕩。振蕩與停振這二種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)經(jīng)放大器轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制開關(guān)信號(hào)。高頻振蕩型接近傳感器工作原理：電感式接近傳感器由高頻振蕩、檢波、放大、觸發(fā)及輸出電路等組成。振蕩器傳感器檢測(cè)面產(chǎn)生一個(gè)交變電磁場，當(dāng)金屬物體接近傳感器檢測(cè)面時(shí)，金屬中產(chǎn)生渦流吸收了振蕩器能量，使振蕩減弱停振。振蕩器振蕩及停振這二種狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)整形放大轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制開關(guān)信號(hào)，經(jīng)功率放大后輸出。通用型接近傳感器工作原理：振幅變化程度隨目標(biāo)物金屬種類不同而不同，檢測(cè)距離也隨目標(biāo)物金屬種類不同而不同。所有金屬型傳感器工作原理：所有金屬型傳感器基本上屬于高頻振蕩型。和普通型一樣，它也有一個(gè)振蕩電路，電路中因感應(yīng)電流目標(biāo)物內(nèi)流動(dòng)引起能量損失影響到振蕩頻率。目標(biāo)物接近傳感器時(shí)，目標(biāo)物金屬種類如何，振蕩頻率都會(huì)提高。傳感器檢測(cè)到這個(gè)變化并輸出檢測(cè)信號(hào)。有色金屬型傳感器工作原理：有色金屬傳感器基本上屬于高頻振蕩型。它有一個(gè)振蕩電路，電路中因感應(yīng)電流目標(biāo)物內(nèi)流動(dòng)引起能量損失影響到振蕩頻率變化。當(dāng)鋁或銅之類有色金屬目標(biāo)物接近傳感器時(shí)，振蕩頻率增高；當(dāng)鐵一類黑色金屬目標(biāo)物接近傳感器時(shí)，振蕩頻率降低。振蕩頻率高于參考頻率，傳感器輸出信號(hào)[12]。2.4驅(qū)動(dòng)部件分析與選擇系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)力源的不同，分為液壓、氣壓、電氣、機(jī)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(qū)動(dòng)方式。液壓驅(qū)動(dòng)，功率重量比大，可實(shí)現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向，容易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，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(qū)動(dòng)，控制精度高，驅(qū)動(dòng)力較大，響應(yīng)快，信號(hào)檢測(cè)、傳遞、處理方便。但是由于這種驅(qū)動(dòng)方式價(jià)格昂貴，限制了在一些場合的應(yīng)用。因此，人們尋求其他一些經(jīng)濟(jì)適用的驅(qū)動(dòng)方式。氣壓驅(qū)動(dòng)具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強(qiáng)、在工業(yè)機(jī)械手中應(yīng)用較多。另一方面，氣動(dòng)技術(shù)作為“廉價(jià)的自動(dòng)化技術(shù)”，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(yīng)用于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。在現(xiàn)代化的成套設(shè)備與自動(dòng)化生產(chǎn)線上，幾乎都配有氣動(dòng)系統(tǒng)。氣動(dòng)機(jī)械手技術(shù)已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐要求的一種重要使用工具。表2-2給出了各種控制方式的比較：項(xiàng)目氣壓傳動(dòng)液壓傳動(dòng)電氣傳動(dòng)機(jī)械傳送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單復(fù)雜復(fù)雜較復(fù)雜安裝自由度大大中小輸出力稍大大小不太大定位精度一般一般很高高動(dòng)作速度大稍大大小響應(yīng)速度慢快快中清潔度清潔可能有污染清潔較清潔維護(hù)簡單比氣動(dòng)復(fù)雜需要專門技術(shù)簡單價(jià)格一般稍高高一般技術(shù)要求較低較高最高較低控制自由度大大中小危險(xiǎn)性幾乎無問題注意著火一般無問題無特殊問題表2-2各種控制方式的比較通過以上三種驅(qū)動(dòng)方式的比較選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式，不僅能夠滿足了本設(shè)計(jì)的要求，而且節(jié)約了成本[13]。2.5執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇在氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，組成氣動(dòng)回路是為了驅(qū)動(dòng)用于各種不同目的機(jī)械裝置，其最重要的三個(gè)控制內(nèi)容是：力的大小、運(yùn)動(dòng)的方向和運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)內(nèi)容的控制，正是利用它們組成了各種氣動(dòng)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(jī)構(gòu)主要有以下幾種：（1）機(jī)械手夾持式夾持式手部的結(jié)構(gòu)與人手類似，是工業(yè)機(jī)械廣泛應(yīng)用的一種手部形式。它主要由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(dòng)作方向相反。夾持式手部設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：①手指應(yīng)有一定的開閉范圍；②手指應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力；③要保證工件在手指內(nèi)的定位精度；④結(jié)構(gòu)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(fù)壓，利用壓差而將工件吸附，是工業(yè)機(jī)械手常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤、吸盤架及進(jìn)排氣系統(tǒng)組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、不易損傷工件、使用方便可靠等優(yōu)點(diǎn)；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(zhì)致密，沒有透氣空隙。主要適應(yīng)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。氣吸式又可分為：負(fù)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(dāng)壓縮空氣高速進(jìn)入噴嘴時(shí)，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(fù)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(zhì)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(dǎo)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(fù)式氣缸是氣動(dòng)執(zhí)行元件之一。目前最常選用的是標(biāo)準(zhǔn)氣缸，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)都已系列化、標(biāo)準(zhǔn)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(duì)于前伸/回縮氣缸，當(dāng)左側(cè)無桿腔進(jìn)氣，右側(cè)有桿腔排氣時(shí)活塞桿前伸，反之，活塞桿回縮；對(duì)于上升/下降氣缸，當(dāng)上側(cè)無桿腔進(jìn)氣，下側(cè)有桿腔排氣時(shí)，活塞桿下降，反之活塞桿上升。當(dāng)氣缸動(dòng)作時(shí)動(dòng)作限位開關(guān)斷開，氣缸快速彈出，此時(shí)先導(dǎo)式電磁閥復(fù)位，當(dāng)氣壓太大時(shí)而氣缸沒有復(fù)位時(shí)氣缸復(fù)位限位開關(guān)感應(yīng)動(dòng)作從而關(guān)閉先導(dǎo)式電磁閥從而起到保護(hù)氣缸的作用。氣缸式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)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(jī)構(gòu)選擇氣缸推動(dòng)式[14]。2.6硬件設(shè)計(jì)及實(shí)際模型的建立材料分揀機(jī)的PLC控制用于對(duì)相關(guān)材料的自動(dòng)化分揀，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2-6所示。圖2-6系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖2.7其他元器件及其選擇料槽是一個(gè)材料手動(dòng)入庫而自動(dòng)出庫的裝置，底部有一個(gè)光電傳感器。使用時(shí)可先人為地將材料放入料槽中，此時(shí)光電傳感器檢測(cè)到料塊時(shí)系統(tǒng)開始運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)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(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)模塊上，它們接收來自氣源的氣壓并傳送到下面的2個(gè)氣閥中。調(diào)節(jié)調(diào)壓閥降壓，使其輸出壓力與每臺(tái)氣動(dòng)設(shè)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(zhì)微粒等危害，以達(dá)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(dòng)力，將潤滑油噴成霧狀并混合于壓縮空氣中，并隨空氣進(jìn)入需要潤滑的部件，達(dá)到潤滑的目的，使壓縮空氣具有潤滑氣動(dòng)元件的能力。自動(dòng)分選部分由傳感器、先導(dǎo)式電磁換向閥、氣缸及導(dǎo)料軌道組成。當(dāng)傳感器檢測(cè)到相應(yīng)料塊時(shí)，對(duì)應(yīng)的先導(dǎo)式電磁換向閥動(dòng)作驅(qū)動(dòng)氣缸動(dòng)作將其推人應(yīng)去的滑道。例如：當(dāng)電感傳感器感應(yīng)到鐵塊時(shí)，對(duì)應(yīng)的氣缸動(dòng)作，將鐵塊推入對(duì)應(yīng)的導(dǎo)料軌道。導(dǎo)料軌道主要作用是當(dāng)氣缸推出材料時(shí)導(dǎo)出材料。單向感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于帶動(dòng)傳輸帶輸送物料前行。內(nèi)置電源可以將220交流電轉(zhuǎn)換成24伏的直流電供給各個(gè)傳感器與氣閥以及轉(zhuǎn)接板上的各個(gè)指示燈，同時(shí)也為單向感應(yīng)電動(dòng)機(jī)提供穩(wěn)定的220伏電壓?？刂破鞑捎萌釬X1N40MR型PLC。它接受料槽光電傳感器、各材料傳感器、先導(dǎo)式電磁換向閥、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、氣缸位置傳感器的信號(hào)，根據(jù)要求分別控制輸送帶電機(jī)和各電磁閥動(dòng)作[15]。2.8I/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(hào)24個(gè)，均為開關(guān)量。輸出信號(hào)有16個(gè)，其中一個(gè)控制電動(dòng)機(jī)，兩個(gè)控制指示燈，剩下的控制氣閥，也都是開關(guān)量[16]。根據(jù)分揀系統(tǒng)的需要配置出I/O對(duì)應(yīng)功能，列表如表2-3（a,b）所示：表2-3（a）分揀系統(tǒng)I/O點(diǎn)的輸入部分表2-3（b）分揀系統(tǒng)I/O點(diǎn)的輸出部分電源及公共端部分如表2-4所示：表2-4電源及公共端部分（系統(tǒng)低入高出）根據(jù)控制要求可得PLC系統(tǒng)的接線圖如圖2-8所示圖2-8PLC系統(tǒng)外部接線圖3物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1可編程控制器（PLC）簡介在可編程序控制器問世之前，繼電器接觸器控制在工業(yè)控制領(lǐng)域中占有主導(dǎo)地位。但隨著工業(yè)的發(fā)展，繼電器接觸器控制已不能滿足人們的要求。為了解決這一問題，早在1968年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司(GM公司)，為了適應(yīng)汽車型號(hào)不斷翻新，以求在激烈競爭的汽車工業(yè)中占有優(yōu)勢(shì)，就提出要用一種新型的控制裝置取代繼電器接觸器控制裝置，并且對(duì)未來的新型控制裝置做出了具體設(shè)想。要把計(jì)算機(jī)的完備功能以及靈活性、通用性好等優(yōu)點(diǎn)和繼電器接觸器控制的簡單易懂、操作方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)溶入于新的控制裝置中，且要求新的控制裝置編程簡單，使得不熟悉計(jì)算機(jī)的人員也能很快掌握它的使用技術(shù)。美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)根據(jù)GM公司招標(biāo)的技術(shù)要求，于1969年研制出世界上第一臺(tái)可編程序控制器，并在GM公司汽車自動(dòng)裝配線上試用，獲得成功。其后，日本、德國等相繼引入這項(xiàng)新技術(shù)，可編程序控制器由此而迅速發(fā)展起來[17]。在20世紀(jì)70年代初期、中期，可編程序控制器雖然引入了計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際上只稱為PLC(ProgrammableLogicalController)。隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)70年代末至80年代初，可編程序控制器的處理速度大大提高，增加了許多特殊功能，使得可編程序控制器不僅可以進(jìn)行邏輯控制，而且可以對(duì)模擬量進(jìn)行控制。因此，美國電器制造協(xié)會(huì)(NEMA)將可編程序控制器命名為PC(ProgrammableController)，但人們習(xí)慣上將之仍稱為PLC，以便與個(gè)人計(jì)算機(jī)PC(PersonalComputer)相區(qū)別。80年代以來，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)韻迅猛發(fā)展，以16位和32位微處理器為核心的可編程序控制器得到迅速發(fā)展。這時(shí)的PLC具有了高速計(jì)數(shù)、中斷技術(shù)、PID調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信等功能，從而使PLC的應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)。PLC的發(fā)展初期，不同的開發(fā)制造商對(duì)PLC有不同的定義。為使這一新型的工業(yè)控制裝置的生產(chǎn)和發(fā)展規(guī)范化，國際電工委員會(huì)(IEC)于1985年1月制定了PLC的標(biāo)準(zhǔn)，并給它作了如下定義：可編程序控制器是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作命令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)的外部設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則而設(shè)計(jì)。PLC硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框如圖3-1所示：圖3-1PLC結(jié)構(gòu)框圖（1）中央處理單元（CPU）中央處理器是可編程控制器的核心，它在系統(tǒng)程序的控制下，完成邏輯運(yùn)算、數(shù)學(xué)運(yùn)算、協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作任務(wù)等。（2）存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是可編程控制器存放系統(tǒng)程序、用戶程序以及運(yùn)算數(shù)據(jù)的單元?？删幊绦蚩刂破髋溆袃煞N存儲(chǔ)器，即系統(tǒng)存儲(chǔ)器(EPROM)和用戶存儲(chǔ)器(RAM)。（3）輸入/輸出（I/O）電路輸入輸出電路是可編程控制器和工業(yè)控制現(xiàn)場各類信號(hào)連接的部分。輸入口用來接收生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，輸出口用來送出可編程控制器的運(yùn)算后得出的控制信息，并通過機(jī)外的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成工業(yè)現(xiàn)場的各類控制。按照信號(hào)的種類歸類有直流信號(hào)輸入、輸出，交流信號(hào)的輸入、輸出；按照信號(hào)的輸人、輸出形式分有數(shù)字量輸入、輸出，開關(guān)量輸入、輸出，模擬量輸入、輸出。（4）電源可編程控制器的電源包括可編程控制器各工作單元供電的開關(guān)電源以及為掉電保護(hù)電路供電的后備電源，后者一般為電池。（5）編程器編程器是PLC的重要外部設(shè)備，利用編程器可將用戶程序送入PLC的用戶程序存儲(chǔ)器，調(diào)試程序、監(jiān)控程序的執(zhí)行過程。編程器從結(jié)構(gòu)上可分為三種類型，簡易編程器、圖形編程器和通用計(jì)算機(jī)編程。基本工作原理：我們已經(jīng)知道PLC是一種存儲(chǔ)程序的控制器。用戶根據(jù)某一對(duì)象的具體控制要求，編制好控制程序后，用編程器將程序鍵人到PLC的用戶程序存儲(chǔ)器中寄存。PLC的控制功能就是通過運(yùn)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)的[18]。PLC運(yùn)行程序的方式與微型計(jì)算機(jī)相比有較大的不同，微型計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序時(shí)，一旦執(zhí)行到END指令，程序運(yùn)行結(jié)束。而PLC從0000號(hào)存儲(chǔ)地址所存放的第一條用戶程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)的情況下，按存儲(chǔ)地址號(hào)遞增的方向順序逐條執(zhí)行用戶程序，直到END指令結(jié)束。然后再從頭開始執(zhí)行，并周而復(fù)始地重復(fù)，直到停機(jī)或從運(yùn)行(RUN)切換到停止(STOP)狀態(tài)。我們把PLC這種執(zhí)行程序的方式稱為掃描工作方式。每掃描完一次程序就構(gòu)成一個(gè)掃描周期。另外，PLC對(duì)輸入、輸出信號(hào)的處理與微型計(jì)算機(jī)不同。微型計(jì)算機(jī)對(duì)輸入、輸出信號(hào)實(shí)時(shí)處理，而PLC對(duì)輸入、輸出信號(hào)是集中批處理。下面我們具體介紹PLC的掃描工作過程。PLC掃描工作方式主要分三個(gè)階段：輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新。（1）輸入采樣PLC在開始執(zhí)行程序之前，首先掃描輸入端子，按順序?qū)⑺休斎胄盘?hào)，讀人到寄存輸入狀態(tài)的輸入映像寄存器中，這個(gè)過程稱為輸入采樣。PLC在運(yùn)行程序時(shí)，所需的輸入信號(hào)不是現(xiàn)時(shí)取輸人端子上的信息，而是取輸入映像寄存器中的信息。在本工作周期內(nèi)這個(gè)采樣結(jié)果的內(nèi)容不會(huì)改變，只有到下一個(gè)掃描周期輸入采樣階段才被刷新。（2）程序執(zhí)行PLC完成了輸入采樣工作后，按順序從0000號(hào)地址開始的程序進(jìn)行逐條掃描執(zhí)行，并分別從輸入映像寄存器、輸出映像寄存器以及輔助繼電器中獲得所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。再將程序執(zhí)行的結(jié)果寫入寄存執(zhí)行結(jié)果的輸出映像寄存器中保存。但這個(gè)結(jié)果在全部程序未被執(zhí)行完畢之前不會(huì)送到輸出端子上。（3）輸出刷新在執(zhí)行到END指令，即執(zhí)行完了用戶的所有程序后，PLC將輸出映像寄存器中的內(nèi)容送到輸出鎖存器中進(jìn)行輸出，驅(qū)動(dòng)用戶設(shè)備。PLC工作過程除了包括上述三個(gè)主要階段外，還要完成內(nèi)部處理、通信處理等工作，在內(nèi)部處理階段，PLC檢查CPU模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。在通信服務(wù)階段，PLC與其他的帶微處理器的智能裝置實(shí)現(xiàn)通信。3.2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(zhì)的不同而設(shè)計(jì)的材料分揀系統(tǒng)，主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬與分金屬的材料的自動(dòng)分揀，具體控制過程為：按下啟動(dòng)按扭SB1后，系統(tǒng)正常標(biāo)志綠色指示燈亮，PLC啟動(dòng)送料電機(jī)驅(qū)動(dòng)放料盤旋轉(zhuǎn)，物料由送料槽滑到物料提升位置，物料檢測(cè)光電傳感器開始檢測(cè)；如果送料電機(jī)運(yùn)行4秒鐘后，物料檢測(cè)光電傳感器仍未檢測(cè)到物料，則說明送料機(jī)構(gòu)已經(jīng)無物料，這時(shí)停機(jī)并報(bào)警，同時(shí)紅色指示燈亮。當(dāng)物料檢測(cè)光電傳感器檢測(cè)到有物料，將給PLC發(fā)出信號(hào)，由PLC驅(qū)動(dòng)上料單向電磁閥上料，機(jī)械手臂伸出手爪下降抓物料，然后手爪提升臂縮回,手臂向右旋轉(zhuǎn)到右限位,手爪下降將物料放到傳送帶上,傳送帶輸送物料，傳感器則根據(jù)物料性質(zhì)(金屬和非金屬)，分別由PLC控制相應(yīng)電磁閥使氣缸動(dòng)作，對(duì)物料進(jìn)行分揀。最后機(jī)械手返回原位重新開始下一個(gè)流程。按下停止按鈕SB2，系統(tǒng)停止，綠色指示燈滅；上料單元及機(jī)械手立即復(fù)位，傳送帶傳送完最后一個(gè)物料后停止。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。圖3-2材料分揀系統(tǒng)的程序流程圖3.3軟件設(shè)計(jì)及編程三菱電機(jī)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(jī)公司PLC設(shè)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(tái)，用梯形圖、指令表或者SFC進(jìn)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(yīng)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(yùn)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窗口根據(jù)分揀系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)出梯形圖，梯形圖的程序如下： 圖3-4分揀系統(tǒng)的梯形圖的程序當(dāng)程序設(shè)計(jì)好之后必須下載到PLC中才可以運(yùn)行系統(tǒng)，下載時(shí)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(dāng)電纜接好之后，打開軟件，進(jìn)入要下載的文件。先轉(zhuǎn)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[19]。傳送程序時(shí)，應(yīng)注意以下問題：（1）計(jì)算機(jī)的RS-232端口及PLC之間必須用指定的纜線及轉(zhuǎn)換器連接；（2）執(zhí)行完“讀入”后，計(jì)算機(jī)中的程序?qū)⒈粊G失，原有的程序?qū)⒈蛔x入的程序所替代，PLC模式改變成被設(shè)定的模式；（3）在“寫出”時(shí)，PLC應(yīng)停止運(yùn)行，程序必須在RAM或EE-PROM內(nèi)存保護(hù)關(guān)斷的情況下寫出，然后進(jìn)行校驗(yàn)。

4物料分揀系統(tǒng)的安裝與調(diào)試4.1PLC程序的模擬調(diào)試將設(shè)計(jì)好的程序?qū)懭隤LC后，首先逐條仔細(xì)檢查，并改正寫入時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤。用戶程序一般先在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，實(shí)際的輸入信號(hào)可以用鈕子開關(guān)和按鈕來模擬，各輸出量的通／斷狀態(tài)用PLC上有關(guān)的發(fā)光二極管來顯示，一般不用接PLC實(shí)際的負(fù)載(如接觸器、電磁閥等)?？梢愿鶕?jù)功能表圖，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候用開關(guān)或按鈕來模擬實(shí)際的反饋信號(hào)，如限位開關(guān)觸點(diǎn)的接通和斷開。對(duì)于順序控制程序，調(diào)試程序的主要任務(wù)是檢查程序的運(yùn)行是否符合功能表圖的規(guī)定，即在某一轉(zhuǎn)換條件實(shí)現(xiàn)時(shí)，是否發(fā)生步的活動(dòng)狀態(tài)的正確變化，即該轉(zhuǎn)換所有的前級(jí)步是否變?yōu)椴换顒?dòng)步，所有的后續(xù)步是否變?yōu)榛顒?dòng)步，以及各步被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載是否發(fā)生相應(yīng)的變化。在調(diào)試時(shí)應(yīng)充分考慮各種可能的情況，對(duì)系統(tǒng)各種不同的工作方式、有選擇序列的功能表圖中的每一條支路、各種可能的進(jìn)展路線，都應(yīng)逐一檢查，不能遺漏。發(fā)現(xiàn)問題后應(yīng)及時(shí)修改梯形圖和PLC中的程序，直到在各種可能的情況下輸入量與輸出量之間的關(guān)系完全符合要求。如果程序中某些定時(shí)器或計(jì)數(shù)器的設(shè)定值過大，為了縮短調(diào)試時(shí)間，可以在調(diào)試時(shí)將它們減小，模擬調(diào)試結(jié)束后再寫入它們的實(shí)際設(shè)定值。在設(shè)計(jì)和模擬調(diào)試程序的同時(shí)，可以設(shè)計(jì)、制作控制臺(tái)或控制柜，PLC之外的其他硬件的安裝、接線工作也可以同時(shí)進(jìn)行[20]。4.2硬件的安裝調(diào)試自動(dòng)分揀裝置由上料機(jī)構(gòu)、機(jī)械手搬運(yùn)機(jī)構(gòu)、分揀機(jī)構(gòu)三部分組成，上料機(jī)構(gòu)主要是檢測(cè)到的物料后，使推料氣缸把物料推到指定位置和裝置的運(yùn)行指示，加入物料看光電開關(guān)是否檢測(cè)到，檢測(cè)到后推料氣缸能否把加人的物料推到指定工位，如不能，原因很可能是安裝位置不當(dāng)造成的。裝置中的氣缸的動(dòng)作速度都能通過該缸上的節(jié)流閥調(diào)節(jié)。機(jī)械手搬運(yùn)機(jī)構(gòu)主要?dú)鈩?dòng)系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)組成，機(jī)械手的定向是由電感式傳感器檢測(cè)機(jī)械手的基準(zhǔn)位置，只有機(jī)械手定位無誤后，才能準(zhǔn)確的將物料抓取，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分決定了電機(jī)的步距，步數(shù)由程序控制，所以驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分應(yīng)與程序?qū)?yīng)，否則會(huì)使與步進(jìn)電機(jī)相連的機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)的角度不準(zhǔn)。氣動(dòng)元件的位置反饋信號(hào)是否正常，氣動(dòng)元件的位置反饋信號(hào)是PLC的輸入信號(hào)，再者氣動(dòng)元件工作需要一定的氣壓，氣壓不能達(dá)到要求，可能是漏氣和氣壓發(fā)生器沒有工作造成的。分揀機(jī)構(gòu)主要對(duì)物料進(jìn)行分揀入庫，檢測(cè)到物料為金屬物料時(shí)，推料氣缸能否快速準(zhǔn)確的將物料推入指定料槽。由于三個(gè)部分為一個(gè)整體，正確合理的安裝位置才能使得各機(jī)構(gòu)可靠的運(yùn)行。4.2.1氣缸的調(diào)試傳感器對(duì)應(yīng)的各個(gè)氣缸在感應(yīng)到材料后便開始動(dòng)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(gè)調(diào)試氣閥的進(jìn)氣開關(guān)，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(zhǔn)備好之后，開始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。4.2.2電感、電容傳感器的調(diào)試在電容傳感器下方的傳送帶上，放置塑料料塊，調(diào)整傳感器上兩螺母，使傳感器上下移動(dòng)，恰好使傳感器上端指示燈發(fā)光，該高度即為傳感器對(duì)塑料材料的檢出點(diǎn)。材料隨傳輸帶傳送到傳感器時(shí)，傳感器并不能感應(yīng)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。4.2.3光電傳感器的調(diào)試在光電傳感器的下方，放置料塊，調(diào)整傳感器上兩螺母，使傳感器上下移動(dòng)，恰好使傳感器上端指示燈發(fā)光，該高度即為傳感器對(duì)材料的檢出點(diǎn)[21]。4.3聯(lián)機(jī)調(diào)試聯(lián)機(jī)調(diào)試是將通過模擬調(diào)試的程序進(jìn)一步進(jìn)行在線統(tǒng)調(diào)。聯(lián)機(jī)調(diào)試過程應(yīng)循序漸進(jìn)，從PLC只連接輸入設(shè)備、再連接輸出設(shè)備、再接上實(shí)際負(fù)載等逐步進(jìn)行調(diào)試。如不符合要求，則對(duì)硬件和程序作調(diào)整。通常只需修改部份程序即可。系統(tǒng)調(diào)試應(yīng)首先按控制要求將電源、外部電路與輸入輸出端子連接好，然后裝載程序于PLC中，運(yùn)行PLC進(jìn)行調(diào)試。將PLC與現(xiàn)場設(shè)備連接。在正式調(diào)試前全面檢查整個(gè)PLC控制系統(tǒng)，包括電源、接地線、設(shè)備連接線、I/O連線等。在保證整個(gè)硬件連接正確無誤的情況下即可送電[22]。把PLC控制單元的工作方式設(shè)置為“RUN”開始運(yùn)行。反復(fù)調(diào)試消除可能出現(xiàn)的各種問題。在調(diào)試過程中也可以根據(jù)實(shí)際需求對(duì)硬件作適當(dāng)修改以配合軟件的調(diào)試。應(yīng)保持足夠長的運(yùn)行時(shí)間使問題充分暴露并加以糾正。調(diào)試中多數(shù)是控制程序問題。一般分以下幾步進(jìn)行:（1）對(duì)每一個(gè)現(xiàn)場信號(hào)和控制量做單獨(dú)測(cè)試;（2）檢查硬件/修改程序;（3）對(duì)現(xiàn)場信號(hào)和控制量做綜合測(cè)試;（4）帶設(shè)備調(diào)試;（5）調(diào)試結(jié)束。4.3.1調(diào)試過程（1）先將PLC程序?qū)懭隤LC中，只連接啟動(dòng)與停止開關(guān)。（2）按下啟動(dòng)按鈕，然后用萬能表測(cè)模擬量I/O點(diǎn)之間的電壓，看是否按照規(guī)定的結(jié)果運(yùn)行。如果運(yùn)行正確，則證明PLC部分調(diào)試成功。（3）連接PLC的輸出點(diǎn)與變頻器的輸入點(diǎn)，并且調(diào)試好變頻器的參數(shù)設(shè)置，然后把變頻器的輸出與電機(jī)連接號(hào)。（4）最后打開啟動(dòng)按鈕，電機(jī)正常運(yùn)行。4.4調(diào)試結(jié)果在推料氣缸調(diào)試的過程中，出現(xiàn)有一個(gè)推料氣缸伸出后不能及時(shí)縮回去，觀察后發(fā)現(xiàn)是氣缸后去調(diào)節(jié)氣壓的旋鈕太緊，將旋鈕擰松點(diǎn)氣缸不縮回現(xiàn)象即消失，恢復(fù)正常工作狀態(tài)。在機(jī)械手左右擺動(dòng)的過程中發(fā)現(xiàn)限位不緊缺出現(xiàn)拿料位置的偏差，通過調(diào)節(jié)機(jī)械手左右旋轉(zhuǎn)處的限位點(diǎn)的位置從而達(dá)到準(zhǔn)確的定位，使之避免出現(xiàn)由于取料位置的誤差而對(duì)整體系統(tǒng)造成的影響在程序的模擬調(diào)試中出現(xiàn)程序有幾處小錯(cuò)誤，發(fā)現(xiàn)后對(duì)程序進(jìn)行修改并完成整體程序。聯(lián)機(jī)調(diào)試中偶爾出現(xiàn)機(jī)械手夾料不緊的現(xiàn)象，通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥從而得以改善并能很好的完成任務(wù)。最后通過聯(lián)機(jī)調(diào)試中狀況的出現(xiàn)與解決完善了整個(gè)物料分揀系統(tǒng)。

結(jié)論綜全文所述，本文對(duì)