基于PLC的物料分拣控制系统设计

（2017届）

题目基于PLC的物料分拣控制系统学院信息工程学院

专业电气自动化

班级自动化XXX

学号XXXXXXXXXXX

姓名XX

指导教师XXX

2017 年1月1日XXXXXXXXXXXX毕业教学成果

目录

摘要 (1)

ABSTRACT (1)

引言 (2)

1 物料分拣装置结构及总体设计 (3)

1.1 物料分拣装置的结构 (3)

1.2 物料分拣装置工作过程概述 (3)

1.3 系统的控制要求 (4)

2 物料分拣系统的控制方案 (4)

2.1 控制方案的确定 (4)

2.2 物料分拣控制系统框图的设计 (5)

3 元器件的选型 (6)

3.1 PLC的选型 (6)

3.2 传感器的选型 (6)

3.2.1 电感式传感器的选型 (6)

3.2.2 电容式传感器的选型 (7)

3.2.3 颜色传感器的选型 (9)

3.3 变频器的选型 (10)

4 硬件电路的设计 (10)

4.1 主电路的设计 (10)

4.2 I/O分配表 (11)

4.3 PLC接口电路设计 (11)

5 控制程序设计 (12)

5.1 编程思路 (12)

5.2 物料分拣控制系统的程序设计 (13)

6 系统调试 (17)

6.1联机调试 (18)

6.2调试结果 (18)

结论与谢辞 (19)参考文献 (20)

附件1．程序清单 (21)

附件2．PLC外部接线图 (25)

附件3．流程图 (25)基于PLC的物料分拣控制系统设计

信息工程学院电气自动化技术专业 XX

摘要:本文主要介绍了利用三菱PLC来完成物料分拣的自动控制,该PLC控制系统从利用传感器实现对物料的识别入手,结合气动元件进行对物料的分拣、传送,通过梯形图的形式来编写PLC程序从而实现对物料分拣系统整个过程的自动控制。基于可编程控制器的物料分拣系统具有性价比高、工作可靠、可根据分拣材料的不同进行简单程序修改就可以快速投入使用等特点，它将在今后自动化程度愈来愈高的生产过程中有着较高的实用价值和应用前景。

关键词: PLC 物料分拣自动控制

Design of material sorting control system based

on PLC

(Major of Electrical Autoimmunization Technology,Information and Engineering college,

JinHua Polytechinc, XXX XXXX)

Abstract:This paper mainly introduces the automatic control using MITSUBISHI PLC to complete the material sorting, the PLC control system to achieve recognition of the starting material from using the sensor, pneumatic components with sorting, material transfer, through the ladder form to write PLC program to realize the automatic control of the material sorting system the whole process of material sorting. System based on programmable controller with high performance, reliable work, according to the sorting of different materials simple program modifications can be quickly put into use, it will in the future production automation degree more and more high has a high practical value and application prospect.

Keyword: PLC Material sorting automatic control引言

自动化的程度是工作发展程度的标志，自动分拣正是自动化中的一个必不可的部分，而PLC控制分拣装置以其成本低，效率高的优点，已经成为主流，他可以根据设定的程序无人的，高效的工作，维护费用极少。由于全部采用机械自动化作业，因此，分拣处理能力较大，分拣分类数量也较多。节省了大量的人力劳动，减少了企业的额外支出，是企业节省成本最好的方法。

材料分拣采用可编程控制器PLC 进行控制，能连续、大批量地分拣货物，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，分拣系统能灵活地与其他物流设备无缝连接，实现对物料实物流、物料信息流的分配和管理。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，受场地原因影响不大。同时，只要根据不同的分拣对象，对本系统稍加修改即可实现要求，非常方面。

PLC控制是目前工业上最常用的自动化控制方法，由于其控制方便，能够承受恶劣的环境，因此，在工业上优于单片机的控制。

材料分拣装置的PLC控制系统利用了PLC技术、位置控制技术、气动技术、传感器技术、电动技术传动技术等，这些技术都是自动化技术中必要的，可以说是现代工作生产现场生产设备的一个微小的模型。

1 物料分拣装置结构及总体设计

PLC控制分拣装置涵盖了PLC技术、气动技术、传感器技术、位置控制技术等内容，是实际工业现场生产设备的微缩模型。本章主要介绍分拣装置的工艺过程及控制要求。

要想进行PLC控制系统的设计，首先必须对控制对象进行调查，搞清楚控制对象的工艺过程、工作特点，明确控制要求以及各阶段的特点和各阶段之间的转换条件。

1.1 物料分拣装置的结构

物料分拣装置的结构如图1-1 所示，物料分拣系统包括下料传感器，电感式传感器，电容式传感器，颜色传感器，传送带，推送气缸，物料槽，电动机。下料传感器用于检测下料槽有无物料；电感式传感器用于检测物料是否为铁质物料；电容式传感器用于检测物料是否为铝质物料；颜色传感器用于检测物料是否为所需颜色物料；传送带用于物料的输送；推送气缸用于将对应物料推送至对应物料槽内；物料槽用于存放对应物料；电动机用于带动传送带的运转。

图 1-1物料分拣装置结构

1.2 物料分拣装置工作过程概述

系统上电后，可编程序控制器首先控制启动输送带，下料传感器SN检测料槽有无物料，若无料，输送带运转一个周期后自动停止等待下料；当料槽有料时，下料传感器输出信号给PLC，PLC控制输送带继续运转，同时控制气动阀5进行下料。物料传感

器SA为电感传感器，当检测出物料为铁质物料时，反馈信号送PLC，由PLC控制气动阀1动作选出该物料；物料传感器SB为电容传感器，当检测出物料为铝质物料时，反馈信号送PLC,PLC控制气动阀2动作选出该物料；物料传感器SC为颜色传感器，当检测出物料的颜色为待检测颜色时，PLC控制气动阀3动作选出该物料。物料传感器SD 为备用传感器。当系统设定为分拣某种颜色的金属或非金属物料时，由程序记忆各传感器的状态，完成分拣任务。

1.3 系统的控制要求

系统利用各种传感器对待测材料进行检测并分类。当待测物体经下料装置送入传送带后，依次接受各种传感器检测。如果被某种传感器测中，通过相应的气动装置将其推入料箱；否则，继续前行。其控制要求有如下8 个方面：

（1）系统送电后，光电编码器便可发生所需的脉冲

（2）电机运行，带动传输带传送物体向前运行

（3）有物料时，下料汽缸动作，将物料送出

（4）当电感传感器检测到铁物料时，推汽缸1 动作

（5）当电容传感器检测到铝物料时，推汽缸2 动作

（6）当颜色传感器检测到材料为某一颜色时，推汽缸3 动作

（7）汽缸运行应有动作限位保护

（8）下料槽内无下料时，延时后自动停机

2 物料分拣系统的控制方案

2.1 控制方案的确定

（1）采用MPS系统控制

MPS系统是一套包含工业自动化系统中不同程度的复杂控制过程的教学培训装置。MPS具有综合性、模块性、及扩充性等特点。应用MPS可以完成加工系统中机械设计、组装、编程、传感器、电器控制、调试、操作、维护和纠错等一系列课题的不同层次的培训。

（2）采用微控制器单片机控制

单片机具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活和使用方便等优点，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统。某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。

（3）采用PLC可编程控制器控制

PLC接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

三菱PLC的特点：1.结构灵活--不收环境的，有电即可组建网络，同时可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率，在移动方面可与WLAN媲美。2.传输质量高、速度快、宽带稳定。3.范围广--无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。它是以微处理器为核心的专用计算机，是专为工厂现场应用环境设计的，利用它面向用户的编程语言，不仅能实现逻辑控制，还能实现各种顺序和定时控制以及复杂的闭环控制；利用它内部大量的辅助继电器可以实现无触点控制；利用它控制可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、在恶劣环境下能长时间不间断运行、编程容易且维护工作量小、还配有通讯接口和各种模块的特点，可以把它作为下位机放在自动生产线的工作现场完成各种控制任务。

对比以上控制方式，选择PLC控制系统来控制，不仅取代了传统的大电继电器接线，减少了系统出现故障的概率，而且也改善了单片机的不稳定性，提高物料分拣系统的可靠性，因此本设计使用PLC控制系统。

2.2 物料分拣控制系统框图的设计

根据物料分拣的控制要求，设计出系统框图如下图2-1所示。系统以PLC为核心，通过输入端接收信号，处理后由输出端输出控制信号，控制4组电磁阀的得电与失电，从而控制气缸进行伸出与缩回。其中输入信号由七个传感器与一个启动按钮组成，分别是物料传感器，电感传感器，电容传感器，颜色传感器，同时还有三个对应物料气阀口的传感器。其输出信号分别输出到变频器、指示灯与电磁阀。同时由电磁阀控制推送气缸的伸出缩回，由变频器控制电动机的运转。

图 2-1物料分拣控制系统框图

3 元器件的选型

3.1 PLC的选型

在PLC选型时应详细分析系统的控制要求，明确控制任务所需的操作和动作，然后根据控制要求估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能和性价比的PLC型号。

由控制要求可知，物料分拣控制系统的物理量有数字量和模拟量。其中，输入开关量有：启动按钮1个、下料传感器1个、电感式传感器1个、电容式传感器1个、颜色传感器1个、气阀口传感器3个共8个输入量。输出开关量有：变频器信号1个、气缸限位3个、电动机信号1个、指示灯1个，共6个输出量。根据物料分拣控制系统所需的输入量和输出量，同时考虑留有适当的余量，选择MELSEC FX3U-32M型PLC，它有17点输入和17点输出，可以满足物料分拣的要求。

3.2 传感器的选型

3.2.1 电感式传感器的选型

根据控制要求，本系统选用M18X1X40 电感传感器。

电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。

该电感式传感器具有以下特点：

（1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。

（2）灵敏度和分辨力高，能测出0.01微米的位移变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。

（3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达0.05%~0.1%。同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。

电感式接近开关属于有开关量输出的位置传感器，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。

图 3-1 M18X1X10DC 二线常开式电感传感器接线图

图 3-2 电感式传感器工作原理图

3.2.2 电容式传感器的选型

根据系统的控制要求，本系统选用非埋入式的M30电容式传感器

该电容式传感器具有以下特点：（1）温度稳定性好，电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，这有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有铜损，易发热产生零漂。

（2）结构简单，电容式传感器结构简单，易于制造和保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。

（3）动态响应好，电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小(约几个

10^(-5)N)，需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫兹的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。

（4）可以非接触测量且灵敏度高，可非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。

电容式传感器除了上述的优点外，还因其带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力高，能感应0.01μm甚至更小的位移。由于其空气等介质损耗小，采用差动结构并接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。

图 3-3 电容式传感器工作原理图图 3-4 电容式传感器接线图

3.2.3 颜色传感器的选型

根据系统的控制要求，本系统选用型号为TCS230的颜色传感器。

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。

该传感器是一种可编程彩色光到频率的转换器。该传感器具有分辨率高、可编程的颜色选择与输出定标、单电源供电等特点；输出为数字量，可直接与微处理器连接。它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上还集成了红绿蓝(RGB)三种滤光器，是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器。该传感器的输出信号是数字量，可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，因此可直接与微处理器或其它逻辑电路相连接。由于输出的是数字量，并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度，因而不再需要A/D转换电路，使电路变得更简单。

该传感器采用8引脚的SOIC表面贴装式封装，在单一芯片上集成有个光电二极管。这些二极管共分为四种类型。其中16个光电二极管带有红色滤波器，16个光电二极管带有绿色滤波器，16个光电二极管带有蓝色滤波器，其余16个不带有任何滤波器，可以透过全部的光信息。这些光电二极管在芯片内是交叉排列的，能够最大限度地减少入射光幅射的不均匀性，从而增加颜色识别的精确度；另一方面，相同颜色的16个光电二极管是并联连接的，均匀分布在二极管阵列中，可以消除颜色的位置误差。工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器。该传感器的典型输出频率范围从2Hz~500kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择100%、20%或2%的输出比例因子，或电源关断模式。输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。

图 4-5 TCS230颜色传感器外部接线图

3.3 变频器的选型

这里选用E700变频器，实现调速和节能的目的。其优点为：

（1）在0.5Hz情况下，使用先进磁通矢量控制模式可以使转矩提高到200 (3.7KW 以下)。

（2）短时超载增加到200时允许持续时间为3S（以前的产品超载200时只允许持续0.5S以内），误报警将更少发生。

（3）提供标准USB接口（迷你-B连接器）。在没有USB-RS-485转换器的情况下变频器也能很方便的和计算机进行连接。FR Configurator (变频器设置软件)与变频器的数据交互功能，可以简化变频器的调试和维护。另外, USB的高速图表功能使计算机高速取样显示得以实现。

（4）选件插口支持数字量输入、模拟量输出扩展功能，以及几乎所有FR-A700系列变频器所支持的各种通讯协议。（可以安装任一类型的选件卡。每种类型的选件卡都有相应的前盖板一起出售。）

（5）除了标准配置的端子排，还可以选用模拟量、脉冲列及2对RS-485端子等。（即将发布）可拆卸式控制端子排。在更换变频器时，只需把原来变频器上的控制端子排拆卸下来安装到同类型的变频器上即可。

（6）支持EIA-485 (RS-485)、ModbusRTU (内置), CC-Link, PROFIBUS-DP、DeviceNetÒ、LONWORK

（7）外置制动电阻对应变频器容量为0.4K至15K.若要增强制动能力，可增加外置制动电阻。

4 硬件电路的设计

4.1 主电路的设计

根据控制要求及功能原理，绘制出主电路接线图如图4-1所示。三相电经过空气开关及熔断器的保护到达变频器，再由变频器给出一个低速RL信号来控制电机M来达到传送带低速运行。

图 4-1主电路接线图

4.2 I/O分配表

根据控制要求及功能原理，绘制出I/O分配表如表4-1所示。

表 4-1 I/O分配表

输入输出

I/O点用途I/O点用途

X3 检测有无物料Y0 正转

X4 检测是否铁质物料Y4 一推

X5 检测是否铝质物料Y5 二推

X6 检测是否对应颜色物料Y6 三推

X7 气缸一气阀口Y10 RL

X10 气缸二气阀口Y15 HL2

X11 气缸三气阀口

X13 启动按钮

根据I/O分配表，PLC的接线图如图4-3所示。X13用于物料分拣的启动，X3～X7用于传感器的输入，X10、X11、X13用于三个气缸阀的限位输入，Y0用于电动机正转的输出，Y4～Y6用于输出控制电磁阀，Y13用于输出控制指示灯，最后输出端与AC220V零线相连。

图 4-3 PLC外部接线图

5 控制程序设计

5.1 编程思路

在这个项目里，通过分析我们可以得出结论：对于任何一种物料来说，动作只有四步：传送带正转，传送带停止，推料气缸伸出，推料气缸缩回。唯一不同的是，不同材质的物料由不同的推料气缸推入不同的槽道，在这个项目中，我们可以很方便地利用SET（置位）和RST（复位）指令来编写控制程序。

控制一号推料气缸活塞伸出推料的y3在电感式传感器有信号时得电，当推出动作完成时断电。其他两个推料气缸的动作可以仿照一号推料气缸的控制方式来进行控制程序设计。

图 5-1 物料分拣结构流程图

5.2 物料分拣控制系统的程序设计

按下启动按钮X013，系统相应产生一个置位信号M10，保证系统持续运行，PLC发出信号给变频器E700，变频器控制电动机低速运转，带动传送带运转，等待下料传感器得到信号，详细梯形图见附件1.程序清单。

图 5-2 物料分拣系统启动程序

下料传感器SN检测料槽有无物料，T0是一个定时器，系统上电后若下料传感器在规定时间内没有得到信号若，输送带运转一个周期后自动停止；若在规定时间内，下料传感器接收到有物料的信号，下料传感器输出信号给 PLC，送至下一环节详细梯形图见附件1.程序清单。

图 5-3 物料检测及编码器计数

物料传感器 SA为电感传感器，其输入信号为X004，当物料通过该传感器且该物料为铁质物料时，电感传感器X004发出反馈信号送给 PLC，X007为气缸1的气阀口传感器，当该传感器检测到物料时，反馈信号给PLC，由 PLC 控制气动阀 1 动作选出该物料，推进物料槽1，详细梯形图见附件1.程序清单。

图 5-4 检测铁质物料程序

物料传感器 SB为电容传感器，其输入信号为X006，当物料通过该传感器且该物料为铝质物料时，电容传感器X006发出反馈信号送给 PLC，X010为气缸2的气阀口传感器，当该传感器检测到物料时，反馈信号给PLC，由 PLC 控制气动阀 2动作选出该物料，推进物料槽2，详细梯形图见附件1.程序清单。

图 5-5 检测铝质物料程序

物料传感器 SC为电感传感器，其输入信号为X006，当物料通过该传感器且该物料为所选颜色物料时，颜色传感器X006发出反馈信号送给 PLC，X011为气缸3的气阀口传感器，当该传感器检测到物料时，反馈信号给PLC，由 PLC 控制气动阀 3动作选出该物料，推进物料槽3，详细梯形图见附件1.程序清单。

图 5-6 检测对应颜色物料程序

物料传感器SD为备用传感器，因实验室设备问题，该传感器无法使用，故没有被前三种传感器检测物料，视为其他物料，推入物料槽4，详细梯形图见附件1.程序清单。

下料槽内下料传感器检测无物料时，电机带动传送带延时后自动停机，同时运行指示灯熄灭。

图 5-7 无物料延时断电6 系统调试

6.1联机调试

通过计算机和PLC连接，使用三菱编程软件GX works2上的联机模拟调试功能对系统进行模拟调试，是系统调试必须要进行的环节，具体操作步骤如下：

(1)在通电情况下，用编程电缆（PC/PPI电缆）将计算机和PLC主机相连。

(2)在计算机上运行GX works2软件，并进行正确的通信参数设置。

(3)通过GX works2软件,将控制系统的程序导入至PLC中，并将相关的数据同时写入PLC中。

(4)建立计算机和PLC主机的在线联系。

(5)用户程序监视运行。当PLC主机上的工作方式开关在RUN位置时，执行GX works2菜单中的PLC—RUN命令，则PLC在联机状态下运行，再打开工具栏中的“监控开始（全窗口）”，这时闭合触点和通电线圈内部颜色变蓝色（呈阴影状态）。某些外部输入信号，可以通过强制方式模拟信号输入（执行“软元件—ON”命令）。随着输入条件的改变，可以动态观察程序的运行。

(7)用户程序动态调试。结合程序监视运行的动态显示，分析程序运行的结果，以及影响程序运行的因素，然后退出程序运行和监视状态，在STOP状态下对程序进行修改编辑，重新编译、下载、监视运行，如此反复修改调试，直至得出正确运行结果为止。

6.2调试结果

程序编写完成后，进行联机调试。在调试的过程中，我在已经编好的的程序与连接的设备中发现了许多在未调试前不曾发现的问题。在第一次调试中，按下启动按钮，就发现电机转动带动传送带的速度，与自己预先设想的不一样，经排查发现变频器的设置有些许问题，修改之后，重新开始调试设备。再次调试设备时，发现物料通过传感器时，传感器的指示灯并没有闪烁，说明该传感器没有检测到该物料，反复测试以及调试，找出传感器的摆放有些问题，经过不断调试，最终将传感器摆放在最佳位置。经过几次测试后，又发现气缸口的传感器的反馈信号与传送带的运行速度又不是很一致，导致推料气缸无法正确将对应物料推进对应物料槽，仔细排查，以及经过对变频器的不断调试，最终将传送带的运送速度控制在一个误差极小的范围内，经过反复调试，最终系统能在设备上稳定运行。按下启动按钮，系统上电，电动机启动，带动传送带运转，各传感器能正确检测到对应物料，以及气缸能正确将对应物料推进对应物料槽内；若是没有检测到物料，系统也可在一定时间后自动关闭。

结论与谢辞

参考文献

[1] 王成福，PLC控制系统设计与调试[M].人民邮电出版社,2010 15-18

[2] 张崇巍，李汉强. 运动控制系统［M］. 2版. 北京：机械工业出版社，2006

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[4] 汪小澄，袁立宏，张世荣. 可编程序控制器运动控制技术［M］.北京：机械工业

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[5] 高鸿斌，孔美静，赫孟合.西门子PLC与工业控制网络应用【M】.电子工业出版社，

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[9] 杨永平,《液压与气动技术基础》，北京：化学工业出版社。2001.4

附件1．程序清单

附件2．PLC外部接线图附件3．流程图