基于PLC和触摸屏的物料自动分拣系统的电气化设计.pdf

2 0 1 4年 1 月 第4 2卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAULI CS J a n ． 2 01 4 V0 1 ． 4 2 No ． 2 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 3 6 基于 P L C和触摸屏的物料 自动分拣系统的电气化设计 乔 东凯 ，廖辉 ，杨向宇 ，赵世伟 ，蔡业彬 1 ．广东石油化工学院机 电工程学院，广 东茂名 5 2 5 0 0 0； 2 ．华南理工大学电力学院，广东广州 5 1 0 6 4 1 摘要某零件的弹片在生产过程中会出现弹力大小不同的现象 ，而该弹力的大小直接影响系统的性能，所以对不同范 围弹力的弹片进行分拣是提高系统性能的关键因素，采用触摸屏和P L C控制的弹片弹力 自动分拣控制系统能够很好地满足 系统要求。根据用户要求 ，设计了 P L C控制系统的 I ／ 0分配图和控制流程图，详细阐述了系统的设计原理和控制方法。在 实际实施过程中，该控制方法的控制效果很好。 关键词触摸屏 ；可编程控制器；弹片；自动分拣系统；电气化设计 中图分类号T P 2 7 1 ． 3 文献标识码B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 21 0 6 4 El e c t r i c a l De s i g n o f t he Au t o ma t i c S o r t i ng S y s t e m o f M a t e r i a l Ba s e d o n PLC a n d GOT Q I A O D o n g k a i ，L I A O H u i ， Y A N G X i a n g y u ， Z HA O S h i w e i ，C A I Y e b i n 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e ri n g ， G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f P e t r o c h e m i c a l T e c h n o l o g y ， Ma o mi n g Gu a n g d o n g 5 2 5 00 0， Ch i na； 2 ． S c h o o l o f El e c t r i c P o w e r ，S o u t h C h i n a Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy ， G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 6 4 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e e l a s t i c f o r c e s o f c e r t a i n s h r a p n e l s v a r y wi d e l y i n t h e i r p r o d u c t i o n p r o c e s s ，a n d t h e s i z e o f s t r e t c h w i l l s e ri o u s l y a f - f e c t t h e p e rf o r ma n c e o f t h e s y s t e m d i r e c t l y ． I n o r d e r t o i mp r o v e t h e p e r f o r ma n c e o f s y s t e m，i t i s v e r y e s s e n t i a l t o s o r t t h e d i f f e r e n t s h r a p n e l b a s e d o n t h e i r e l a s t i c f o r c e ． T h e a u t o ma t i c s o rt i n g c o n t r o l s y s t e m W as p u t f o r wa r d b a s e d o n P L C a n d GOT，t h e s y s t e m c o u l d b e u s e d t o s o r t t h e s h r a p n e l a c c o r d i n g t o t h e s i z e o f t h e i r e l a s t i c f o r c e s ．T h e I ／ O d i s t ri b u t i o n d i a g r a m a n d c o n t r o l fl o w c h a r t we r e d e s i g n e d，t h e d e s i g n p ri n c i p l e s a n d c o n t r o l me t h o d s w e r e e l a b o r a t e d ．T h i s wa y h a s b e e n t a k e n g o o d e f f e c t i n p r a c t i c e ． Ke y wo r d s T o u c h s c r e e n；P L C；S h r a p n e l ；Au t o ma t i c s o r t i n g s y s t e m ；El e c t ric a l d e s i g n 随着社会的不断进步和持续发展，市场竞争越来 越激烈，提高劳动生产率是现代企业的核心任务。某 公司在生产电饭煲温控器所必需的弹片时 ，采用人工 方式对不同弹力的弹片进行分拣 ，使得生产费用高、 生产率水平低下 ，已成为制约该公司发展的瓶颈，严 重影 响该 产品的质量和市场 占有率 ，所以对该弹片 的 压力大小进行测试并提取合格的弹片是该厂的首要任 务 。 1 不同弹力的弹片分拣装置工作原理 图 1为弹片弹力分选机结构示意图，当接通电源 后，气阀Y V 1 ～ Y V 1 0处于复位状态 限位开关 S Q 2 为气缸回程限位 。Y V 3 、Y V 5～Y V 9的气缸 回程限 位在右限位开关处，Y V 4的气缸 回程 限位在左限位 开关处。当按下启动按钮后，气阀 Y V 1和 Y V 2的气 缸动作，两个气缸同时下行 ，到达气缸动作限位处 后，一方面，控制气阀 Y V 3和 Y V 4的气缸动作并检 测 3 S Q 1和 4 S Q 2限位开关信号 ，确认到位 ；另一方 面，控制器对压力传感器信号进行处理 ，处理完毕， 气阀 Y V 2的气缸上行及 Y V 5～Y V 9中与压力对应的 气缸动作并检测到位信号，气阀 Y V 1 0的气缸左行， 行至 1 0 S Q 1限位 开关后 ，气 阀 Y V 1的气 缸上 行， Y V 3和 Y V 4复位 ，同时 Y V 1 0气缸 返 回 ，气 阀 Y V 1 、 Y V 3 、Y V 4和 Y V 1 0的气缸 分别到达 1 S Q 2 、3 S Q 2 、 4 S Q 1和 1 0 S Q 2限位开关位置 时，气 阀 Y V 5～Y V 9 其中之一复位 ，H K 1检测最前端弹片到位情况 ， 弹片不到位机器停止工作，H K 2检测后端弹片排列 情况，弹片排满，震动盘停止 ，直震不停。 收稿 日期 2 0 1 21 2 0 7 基金项目广东高校石油化工装备故障诊断与信息化控制工程技术开发中心2 0 1 1年资助项 目 2 0 3 5 0 2 作者简介乔东凯 1 9 7 4 一 ，男 ，博士研究生，副教授，长期从事机械设计制造及其 自动化方面的研究工作。Em a i l 1 3 5 5 3 6 7 2 8 0 0 1 6 3 ． c o n。 第 2期 乔东凯 等 基于 P L C和触摸屏的物料 自动分拣系统的电气化设计 1 0 7 图 1 弹片弹力分选机结构示意图 2 控制方法 通常针对此类运动的控制有 P L C控制和单片机 控制。单片机控制多应用于大批量的通用项 目开发 ， 具有成本低 、效益高等优点，但需要有很强的研发力 量和行业经验才能使系统可靠稳定地运行 ，当市场需 求非常大的时候该种方法是首选 ，系统工作对环境的 要求相对比较高⋯；而对单项工程或重复数极少的工 程开发采用 P L C控制是明智之举，机械加工及化工 等行业的环境非常差 ，往往具有污染严重、湿度大、 震动强、粉尘多、腐蚀性强等特点，不宜采用单片机 控制，而 P L C具有可靠性高、结构灵活、适用范围 广、成本低，体积小、质量轻 、能耗低等优点 ，所 以优先采用 P L C来对系统进行控制。 基于 P L C控制 的该系统 由主 回路 、I ／ O分配图 和梯形图等要素组成 ，在具体应用中重点解决的 是确定系统输入输出的点数和梯形 图的编制 ，而系 统的难点是怎样实现在 自动控制方式下系统对零件 的压力检测和在触摸屏上读 出弹片的弹力大小等控 制 问题 。 2 ． 1 P L C的选 型 根据控制要求 ，系统的启动、停止等开关量信 号用触摸屏来控制 ，P L C系统的输入有 2个红外线 检测开关量信号，物料分选控制器输 出有 5个开关 量信号 ，系统还有 1 0个气缸运动位置信号，每个 气缸有动作 限位和 回程限位共计 2 0个信号。输 出 包括控制振动盘电动机运行的接触器和 1 O个控制 气缸动作 的气动 阀。共需 I ／ O点数为 4 8个，其 中 2 7个输入、1 1个输出。根据上面所确定 的 I ／ O点 数和该弹片分拣装置 的控制为开关量控制，再考虑 到控制规模、特点及用户在使用过程中还需要增加 新的功能、进行扩展等要求 ，选择一般的小型机即 可满足控制要求。选用 了 日本三菱公司 M I T S U B ． I S H 型 号 为 F X 3 U - 6 4 MR E S ． A 的 P L C，该 机 型 是 日本三菱电机 自动化公司的顶级产品，正在逐步替 代 F X 2 N系列和 F X 1 N等系列 P L C产品 。它完全 可 以满足控制系统的要求 ，暂不需使用扩展单元。 F X 3 U - 6 4 M R E S A可提供输入输 出点各 3 2个，P L C 控制系统的 I ／ O分配如图2所示。 1 0 8 机床与液压 第 4 2卷 红外 检测1 红 外 检测2 气 阀1 上 限位 气 阀1 下限 位 气 阀2 上 限位 气 阀2 下 限位 气 阀3 亳 右 限位 气 阀4 左 限位 气 阀4 右 限位 气阀5 左 限位 气 阀5 右 限位 气 阀6 左 限位 气 阀6 右 限位 气 阀7 左 限位 气 阀7 右 限位 气 阀8 左 限位 气 阀8 右 限位 气 阀9 左限 位 气 阀9 右 限位 气 阀1 O 左 限位 气 阀1 0 右 限位 5 0 g 以下 5 0 6 5g 6 5 - 8 0g 8 0 9 5 g C0M HK l 一 X0 H K2 Xl F1 J l AC 2 2 X 2 C OM0 E 1 S Q1 F R1 ■ 一 X 3 网 Y 0 1．．．．_ _ J 2 S Q2 ■ 厂_ _ X4 FU2DC 一 X 5 C 0Ml _ E三 } 1 Il 卜 _ _ 3 S Q1 ■ 一 X6 Y4 _ 卜 X 7 曼 s Y5 _ X1 0 ， 4 S Q2 XI I Y6 _ ■ 厂 _ 5 S Q1 一 X1 2 Y7 _ 5 S Q2 ■ r XI 3 COM 2 _ 磐L X I 4 Y 1 0 。 竽_ X l 5 Y l l _ X1 6 7 S Q2 Yl 2 _ ■ 一 Xl 7 J磐-L Y 1 3 _ X 2 0 _ 8 S Q2 X2 1 C0M3 ■ r __ X2 2 Y1 4 _ 9 S Q2 Y1 5 ● ■ 一 X2 3 1 0 S Q1 ■ 广 _ X2 4 1 0 S Q2 ■ 厂 _ X2 5 M 1 ■ ／一 X2 6 M 2 ■ ／一 X2 7 M 3 ■ 一 X3 0 M 4 ■ ，一 X3 l M S ■／一 X3 2 F X3 U． 2 AD 图2 P L C控制系统的 I ／ O分配图 2 ． 2压 力信号 的提 取 当 弹 片 进 行 压 力 测 试 时 ，压 力 信 号 被 送 入 U N I 8 0 0 C物料分选控制器 ，该器件主要是对各种不 同质量规格的物件进行分选 ，分选段数多达 7段 ，适 用于各种电阻应变式称重传感器的应用场合。在轻 工 、冶金 、化工 、能源 、机械等行业工业物料分选过 程上得 到广泛应用 。U N I 8 0 0 C经 过严格 的电磁 兼容测 试 ，采用 S M T生产 ，体积小，可靠性高，可 以方便 地与 P L C等工控设备连接配套。由于用户要求弹片 弹力分为 6个范 围，分别是Y 1 0输出 0～5 0 g ； Y 1 1 5 0～6 5 g ；Y 1 2 6 5～8 0 g ；Y 1 3 8 O～9 5 g ；Y 1 4 9 5～1 1 0 g ；大于 1 1 0 g的弹片 由机 械 系 统的斜坡 自动滑到最低端。 试 验 中将 称 重 传 感 器 的微 电 压 信 号 送 给 U N I 8 0 0 C，称重传感器和 U N I 8 0 0 C的接线图如图 3 所 示 。图 3中 ，E X C 为 正 激 励 、E X C一为 负 激 励 、 S E N 为正反馈、S E N一为负反馈、S I G为正信号、 S I G一为负信号、S H D为屏蔽地。通过调试 ，不同范 围弹力的上下限信号转换成 U N I 8 0 0 C的开关量信号。 图3 称重传感器和 U N I 8 0 0 C的接线图 试验 中通过设置好各参数 即可满足 不同范围压力 对应有开关量输 出 ，U N I 8 0 0 C中的 M1 ～M 5分别对应 P L C中 的 X 2 6～X 3 2 。U N I S 0 0 C通 过 R S 2 3 2接 口和 P L C的连接 ，接线 图如图 4所示 。 图4 U N I 8 0 0 C和 P L C的连接 图 U N I 8 0 0 C的开关量信号转化为 P L C的开关量输 入信号如图5所示 ，当压力信号给定后 ，U N I 8 0 0 C中 会发出一个高电平信号给图5中晶体管的基极 ，图 5 中的负载相当于 P L C的输入点 ，因 F X 3 U系列 P L C 可以接成源型或漏型输入 ，设计 中采用图 5所示接 线 ，所 以 P L C接成源型输入 即可满足要求 。 图5 U N I 8 0 0 C和 P L C的开关量信号转化图 2 ． 3 触摸屏界 面的设计 根据现 场实 际情 况，设 计 中触 摸屏采 用三菱 G T 1 0 5 5 一 Q S B D C，压力大小显示和开关按钮等都设置 在触摸屏上 ，触摸屏界面上的设置如表 1 所示。 第 2期 乔东凯 等基于 P L C和触摸屏的物料 自动分拣系统的电气化设计 1 0 9 表 1 触摸屏界 面系统功能和 P L C内部寄存器的关系 系统功能 地址 系统功能 地址 系统功能 地址 系统启动M 0 Y V 1上升／ 下降M 5 Y V 3 前进／ 后退 M 1 0 系统停止M1 Y V 2上升／ 下降M 6 Y V 3 前进／ 后退 [V I I I 手动／ 自动 M 2 Y V 3 前进／ 后退M 7 Y V 3 前进／ 后退 M 1 2 桶振启动M 3 Y V 3 前进／ 后退M 8 Y V 3 前进／ 后退 M 1 3 桶振停止M 4 Y V 3 前进／ 后退M 9 Y V 3 前进／ 后退 M 1 4 2 ． 4 系统的控 制 方 式 系统的控制有手动控制方式 、单周期运行方式和 全 自动控制方式 3种 ，用户可 以根据需要 随机 选择。 控制系统工作的流程图如图6所示 ，用户在触摸 屏上按下手动／自动／ 单周期运行键时，系统将选择其 中之一方式运行 ，手动方式时蓝灯点亮，自动方式下 绿灯点亮 ，单周期运行时黄色指示灯点亮。当系统测 到弹片没有排列在工作位置时，或触摸 M 3键时，都 可以使 Y 0置位 ，带动振动盘振动；若红外检测 2检 测到弹片排满到该位置时，或触摸 M 4键时 ，都可以 使 Y 0复位，振动盘停止振动。这样 当系统开机后若 生产线上弹片没有排满系统就启动进料 ，而当弹片排 得足够多时送料机构 自动停止工作 ，实现了生产线上 弹片的自动进料过程。气动阀 Y V 1～Y V1 0的手动控 制利用触摸屏来实现，在此不再赘述。 广 条件1十条件2卜 一条件3 手动方式 I l 全 自动方式 l I 单周期方式 主 YV 3 ，YV 4 气缸动作 YVI ，YV 2 气缸动作 压力 测 试 ，信 号送 U NI 8 0 0 C U NI S 0 0 C发 出信 号 送 P L C YV 2的气缸 复 位 YV S Y V9 其 中之 一 ， YV1 0 动作 ，Y V3 Y V4 复位 YV 5 ～ Y V9 其 中之 一 YV1 0 复位 图 6 控制系统的工作流程图 以全 自动控制为例，当在触摸屏上选择全自动运 行方式时，触摸 M 0键 启动时，状态转移，气阀 Y V 1 ～ Y V 1 0全部复位，再对 Y V 3和 Y v 4通电，使相 应气缸到达动作限位处，检测到有元件时，Y V 1和 Y V 2的气缸 向下运动 ，当它们都到达动作 限位后 ， 状态转移，此时称重系统已经检测到质量了，为了准 确称量，系统设定 了0 ． 3 S的时间延时 ，目的为了称 量准确，防止在刚压下去的时候称重信号的波动。当 延时时间到，系统对称重气动阀 Y V 2复位，其气缸 恢复到原位后，状态转移，当 Y V 5～Y V 1 0的气缸全 部在 原位 时 ，Y1 5 通 电 ，Y V 1 0通电左移 ，一旦 Y V 1 0 左移 ，就复位 Y V 3和 Y V 4 ，同时开 通 Y V 5～Y V 9中 相应 的气动 阀 ，延 时 1 s ，让弹 片有 足够 的时问到达 相应的位置处落下 ；当延时时间到，且满足 Y V 5～ Y V 9中有一 个打 开 的情 况下 ，Y V 1 0左移 到位 ，Y V 3 和 Y V 4确已复位了，状态才可以转移 ，此时复位气 动阀 Y V 1 ，其气缸恢复到原位，再复位所有气动阀。 当 Y V1 0的气缸回到原位后 ，若系统状态为 自动运行 时，则进人下一个循环；若系统状态为手动运行时， 则跳转进人手动控制。 3 结束语 从电气控制方案、元器件选型及系统现场环境等 因素综合考虑 ，根据弹力的大小对弹片的自动分拣进 行了电气化设计。系统采用 日本三菱公司的 F X 3 U ． 8 0 MR E S A型号 P L C，根据材料的质量进行分拣 ，设 计了一套弹片 自动分拣系统，具有广泛的应用前景。 弹片分拣采用 P L C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。且分拣系统能灵活地与其他物流设 备无缝连接 ，实现物料对信息流的分配和管理。该设 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 - 8 ] 。自从弹片弹力分选机投 入使用以后 ，该公司的劳动成本消耗大大减小 ，系统 工作的稳定性和可靠性大大增强 ，实操非 常方便。 2 0 1 0年 7月广 东 福尔 电子有 限公 司实 施 该项 目后 ， 到 目前为止该设备从 未 出现过故 障，工作效 率为 1 0 0 ％，系统工作的稳定性 、安全性和可靠性得到了 有效保证 ，受到了行业人员的一致好评。 参考文献 【 1 】 钟肇新． 可编程序控制器原理与应用[ M] ． 广州 华南理 工大学出版社 ， 2 0 1 0 3 6 3 8 ． 【 2 】 廖常初． 可编程序控制器应用技术[ M] ． 重庆 重庆大学 出版社 ， 2 0 0 6 1 8 2 0 ． 【 3 】 乔东凯． 基于 P L C对污水处理行业移动罩滤池控制系 统的改造技术研究 [ J ] ． 给水排水， 2 0 1 2， 3 8 6 1 1 6一 l 1 8． 【 4 】 董淑冷 ， 茅红伟． 物料自动分拣系统中 P L C与上位机的 通信[ J ] ． 计算机工程 ， 2 0 0 7 ， 3 3 1 1 2 6 7 2 6 9 ． 【 5 】 王艳艳， 吴耀华， 刘鹏． 自动分拣系统分拣作业任务优化 [ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 7 ， 4 7 2 0 1 01 7 ． 【 6 】 付伟． P L C在材料自动分拣系统中的应用[ J ] ． 制造业 自 动化 ， 2 0 1 2 ， 3 4 3 1 3 61 3 8 ． 【 7 】 董淑冷． P L C在 自动分拣系统中的应用[ J ] ． 机床与液 压 ， 2 0 0 5 5 1 4 6～1 4 7 ． 【 8 】 李鑫 ， 张勇 ， 叶成涛． 基于 P L C的车身气动焊装夹具设 计[ J ] ． 重庆理工大学学报 自然科学版， 2 0 1 1 ， 2 5 1 2 1 21 8．