基于西门子PLC和变频器的物料分拣系统设计.pdf

务l 4 g 地 基于西门子P L C 和变频器的物料分拣系统设计 Th e des i gn of m at er i al s or t i n g s y s t em b as ed on si e m en s PLC an d f r equen cy c on ver t er 李庭贵 L I Ti n g - g u i ’ ’ 1 ． 泸州职业技术学院，泸州 6 4 6 0 0 5 ；2 ． 四川省泸州市工程机械智能优化设计重点实验室，泸州 6 4 6 0 0 5 摘 要采用西门子P L C 和变频器，搬运机械手将物料从上料机构取出传送给物料分拣装置，再由传送 带将物料向前传送至分拣口，通过传感器的辨别 ，实现不同颜色或材质物料的分拣。实践表 明，该控制系统运行可靠，分拣误差率低，劳动生产率显著提高 ，劳动强度大大降低 ，具有 广阔的应用前景。 关键词西门子P L C； 物料分拣系统；步进电机；机械手 中图分类号T P 2 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 ～0 1 3 4 2 0 1 3 0 6 下 一 0 0 9 2 0 4 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 0 6 ． 2 7 0 引言 物料分拣是把货物按 品种从不 同的地 点和单 位 分配到所设 置的场地 的作业 。按分拣 的手段不 同 ，可分为人工分拣 、机械分拣和 自动分拣 。在 技术 日益发展的今天 ，以往 采用人 工进行物料分 拣的企业，生产效率低下，生产成本高n 】 ，无法适 应激烈的市场竞争。鉴此，应用P L C 技术和变频器 技术，设计物料分拣 系统u 3 】 ，能够 自动连续对物 料进行分拣。 1 系统总体结构设计 1 ． 1系统结构设计 基于P LC 控制 的物料分拣 系统主要 由上 料机 构 、搬运机械手机构、分拣机构等组成 ，系统 结 构示意图如图1 所示。 图1 P L C控制的物料分拣系统结构示意图 上料机构口 由推料气缸 、存放料台、工件 、 光电传感器、井式工件库、安装支架等组成，主 要完成将物料依次送至存放料 台上 。搬运机械手 机 构 由步进 电动机 及驱动 器 、电磁 阀、机械 手臂伸缩气缸、机械手 气动手爪 、机械手前臂升 降气缸 、电感传感器 、磁性传感器等组成 ，主要 完成将 物料从上料机构 的存放料 台输送到分拣机 构的入料 口。为了确定机械手 的位置基准 ，在其 底座安装 有电感传感器 。为 了防止机械手旋转越 位，在其左／ 右旋转的极限位置安装有限位开关 。 物料分拣机 构u 由推料气缸 、导料气缸 、变频 器 、三相异步电动机 、输送带 、分拣料槽 1 、 2 、3 、磁性传感器 、光 电传感器、电感传感 器、光纤传感器及电磁 阀等组成 ，主要 完成物料 的输送及分拣任务。 1 ．2 系统工作流程 采用西门子P L C 控制器，搬运机械手将物料从 上料机构取 出，通过一定的时间间隔连 续地传送 给物料分拣装置 ，再 由传送带将物料向前传送至 分拣 口，通过传感器的辨别 ，实现不同颜色或材 质物料的分拣。系统工作流程如图2 所示。 2 系统硬件设计 P L C 控制的物料分拣系统的硬件主要 由P L C 控 收稿日期2 0 1 3 - 0 1 - 0 4 基金项目I t l 省泸州市科技局资助项 目泸州地区中小机电企业智能化技术改造研究 泸市科 [ 2 0 1 1 】1 0 8 号 作者简介李庭贵 1 9 7 3一，男，15 t t l 泸县人，副教授，工程师，硕士，研究方向为智能优化与控制。 【 9 2 】 第3 5 卷第6 期2 0 1 3 - 0 6 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 匐 化 送料机构 ] 放置物料 l 工件库 搬运机械手机构 机械手抓取物料 机械手搬运物料 机械手放开物料 分拣机构 分拣槽传感器 检测物料 挡块将黑色尼龙 物料推入 3 料槽 光纤传感器检测 白色尼龙物料 推料气缸将白色尼 龙物料推入2 料槽 电感式传感器 检测金属物料 推料气缸将 金属 物料推入 1 料槽 光电传感器检测 入料口物料 启动变频器 电动机运行 皮带传输送工件 图2 P L C 控制的物料分拣系统工作流程图 制模块 、步进驱动模块 、变频器模块 、气动控制 模块等组成 。 2 _ 1 P L C 控制模块 根据 系统 的控制 要求，该系统需要2 1 个输入 点与1 4 个输 出点 ，共计3 5 个I ／ O点，因此选用西门 子C P U2 2 6 C N P L C 作为控制器 ，它具有2 4 个输入点 与1 6 个输出点，而且该P L C 具有高速脉冲输出P T O P u l s e T r a i n Ou t p u t ，脉冲 串输 出功能，可以驱 动步进电机运动 。西 门子P L C控制的物料分拣系统 输入输出端子接线图如图3 所示。 图3 西门子P L C 控制的物料分拣系统输入输出端子接线图 2 ．2 步进驱动模块 步进驱动模块主要包括步进 电动机和步进 驱 动器，通过P L C输 出脉冲个数进行精确定位 ，用 于控制搬运机械手u M 的向右旋转 机械手搬运物 料和向左旋转 机械手复位 。 选用S Y NT R ON 森创公司的三相混合式步 进电机5 7 B YG3 5 0 C L [ 1 ，步距角为 1 ． 2 。，P L C的输 出点QO ． 1 控制其旋转方向，QO ． 0 输出脉冲信号的频 率和数 目分别控制机械手的旋转速度和旋转角度。 选用雷塞科技公司的细分型步进 电机驱动器 3 MD5 6 0 [ 1 。为 了达到更精确的控制精度，通过设 置 其 拨 码 开 关 S W 6 O F F、 S W 7O F F、 S W8 OF F，可使细分精度达到 1 0 0 0 0 步数／ 圈，即 P I 输出1 0 0 0 0 个脉冲使步进电机转一圈，每个脉冲 步进 电机转动 0 ． 0 3 6 。 3 6 0 。 ／ 1 0 0 0 00 ． 0 3 6 。 。 设 置驱动 器 的拨码开 关S W 1 ON、S W2 ON、 S W3 O N、S W4 O N，其输 出相 电流为6 ． 0 A，使 步进 电动机能够输 出足够 的转矩 ，从而驱动搬运 机械手动作 。 2 ． 3变频器模块 选用西 门子公 司的MI C RO MAS T E R 4 2 0 变频 器 ，实现调速和节能 目的 。在分拣机构的入料 口 处安装有光电传感器 ，当其检测到物料时，给P L C 发 出信号 ，P L C 控制变频器启动 ，变频器以3 0 Hz 第3 5 卷第6 期2 0 1 3 - 0 6 下 [ 9 3 1 怡 几 至 一 一 报 Y [ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 甸 化 频率工作 ，三相交流异步 电动机运行 ，从而带动 输送带运送物料 。 当料槽检 测传感器检测到有工件经过时 ，说 明该工 件 为黑 色尼龙 物料 ，通 过挡 块推 入3 料 槽 ，此时变频器低频运行 ，三相交流异步 电动机 停止 ，输送带停止 。对MI CR 0MAS T E R 4 2 0 变频 器进行参数设置，如表1 所示 。 表1 MI CR OMAS T E R 4 2 0 变频器主要参数设置 序号 参数代号 设置值 说明 1 P 0 1 o 0 0 工频选择 2 P O 3 O 4 3 8 0 电动机的额定电压 3 P 0 3 0 5 O ． 1 7 电动机的额定电流 4 P 0 3 0 7 O ． O 3 电动机的额定功率 5 P O 3 1 O 5 0 电动机的额定频率 6 P 0 3 1 5 0 0 电动机的额定速度 7 P l O o 0 1 选择频率设定值 8 P 1 O 8 O O 电动机最小频率 9 P 1 0 8 2 5 0 ．o 0 电动机最大频率 1 0 P 1 1 2 0 2 ．o o 斜坡上升时间 1 l P 1 1 2 1 5 ．0 o 斜坡下降时间 1 2 P 1 O 4 O 3 0 频率设定 2 ． 4气动控制模块 搬运机械手 系统采用气动控 制方式 ，气动控 制模 块主 要 由送料气 缸Q1 、机械 手臂 伸缩气 缸 Q2 、机械手前 臂升降 气缸Q3 、机 械手气动 手爪 Q4 、推料 气缸Q5 、导料气缸Q6 、电感传感器 、 磁性传感器、电磁 阀等组成u 。推料气缸Qm 用于 将工件推到存放料台上 。机械手水平手臂伸出、 缩 回由Q2 控制 ，机械手垂直手臂上升 、下降由Q3 控制，工件的抓取 由Q4 完成。推料气缸Q5 控制将 金属物料推入1 号料槽 ，由单 电控二位五通电磁阀 YV6 控制。导料气缸Q6 控制将白色尼龙物料推入2 号料槽，由单电控二位五通电磁阀Y V7 控制 。 为 了进 行气缸 的位 置检 测 ，在气 缸Q1 ～Q6 上 ，均 安装有磁性传感器 。当气缸准确到位后 ， 磁性开关指示灯亮，磁性传感器给P L C 发出信号。 气动机 械手向左旋转 或向右旋转到位后 ，电感传 感器 向P L C 发 出信号。P L C 控制的物料分拣 系统气 动控制原理图如图4 所示。 3 系统软件设计 根据 系统工作流程 ，P L C 控 制的物料分拣 系 统程序设计 ，主要包括上料程序段 、搬运机械手 程序段、分拣程 序段 。搬运机械手程序段主要包 括机械 手程序 、QO ． 0 输 出脉冲子程序 、停止QO ． 0 输 出脉冲子程序 等模块 ，为程序设计 的重点和难 点，下面主要讨论其程序设计。 3 ． 1机械手程序设计 物料搬运机械手的运动过程包括机械手抓取 物料、搬运物料 、放开物料 、复位等 ，完成该过 程后，等待下 一个物料到位 ，重复上面的动作 ， 其流程图u 如图5 所示。 3 -2启动Q 0 ．0 输出脉冲子程序设计 送料气缸机械手臂伸妻 宣 气缸 机械手前臂升降气缸 g t C l--q a i ri 图4 P L C 控制的物料分拣系统气动原理图 [ 9 4 1 第3 5 卷第6 期2 0 1 3 0 6 下 通过P T O P u l s e T r a i n Ou t p u t ，脉 冲 串输 出 编程 ，运 用脉冲输 出指令 P L S ，可在西 门子C P U2 2 6 C N P L C的高 速脉冲输 出点QO ． 0 上控制脉冲 串输 出， 驱动步进 电机5 7 B YG3 5 0 C L 工作，从而 实现抓料机械手的旋转运动 。 QO ． 0 输 出脉 冲 串配置为 加速 、匀 速、减速3 段 。第一段为加速阶段 ，初 始周期为2 0 0 0 u s ，周期增量为一 4 ，输 出 脉冲数为1 0 个 。第二段为匀速阶段，初 始周期为8 0 0 u s ，周期增量为0 ，输出脉 冲 数 为 1 7 5 0个 机 械 手 向 右 旋 转 x 3 6 0 。 6 3 。或3 0 0 0 个 机械手 1 0 0 0 0 ． n0 向左旋转 3 0 0 0 1 0 8 ，复位 。 第 三 段 为 减 速 阶 段 ， 初 始 周 期 为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 载物台物抖检测光电传感器 1 0 4 检测物料到位_ ． 机械手水平手臂伸出 0 0 4 』 l 水 平手臂伸出限位传感器 1 0 7 检 测到 位， 延时0 5 。 垂直 手臂下降 Q 0 5 I I 垂直手臂下降限位传感器 1 1 1 检爰 I 到位，延时 0 5 s _ ． 气动手爪夹紧 ∞ 6 ．抓取物 l 气 动手爪夹紧限位传感器 I I 3 检测到夹紧信号．延时 0 5 s 垂直手臂上升 q 0 ． 5 I 垂直手臂上升 限位传感器 I 1 2 检爰 I 到位一水平 手臂嫡回 q 0 4 I 装入 1 7 5 0个脉冲．设置步进电机向右旋转 q 0 ． i l 水平手臂缩回限位传感器 I I ． 0 检测到位_ ． 机械手向右旋转 I 调用 启动 Q O 0输出脉冲子程序 ，机械手 向右旋转 6 3度 l 机械 手向右旋转到位，调用 “ 停止 q 0 0输出脉冲子程序 ”一机械手水平 手臂伸 出 Q O 4 I 水 平 手 臂 伸 出 限 位 传 感 器 I 。 ． 7 检 测 到 位 ． 延 时 O ． 5 s 垂 直 手 臂 下 降 ∞ ． 5 l l 垂直手臂下降限位传感器 I l I 检测到位 ．延时 0 ． 5 s - ’气动手爪松开 Q O 7 ，放开物料 J 气动手爪夹蠕限位传感器 I 1 3 未检测到夹紧信号， 延时 0 5 s 一垂直手臂上升 Q O 5 垂直手臂上升限位传感器 I I ． 2 检测到位_ ． 水平手臂缩回 Q O 4 J 装入 3 0 0 0个脉冲 ，设置步进电机向左旋转 Q O 1 ； 水平手臂缩回限位传感器 I 1 0 检测到位一机械手 向右旋转 l 调用 启动 Q O ． 0输出脉冲子程序 ，机械手向左旋转 1 0 8 度 l 机 械 手 向 左 旋 转 到 位 ． 调 用 “ 停 止 Q 0 ． 。 输 出 脉 冲 子 程 序 ， 系 统 回 到 初 始 位 置 复 位 I 图5 搬运物料机械手动作流程图 2 0 0 0 I t S ，周期增量为 1 ，输 出脉冲数 为1 。其多段 P T O操作包络表与P T O 控制字设置n 如表2 所示。 表2 多段P T O操作的包络表设置 设置项 目 设置参数 包络段数 VB 5 0 0 - 3 l 初始周期 V W5 0 1 2 0 0 0 1a s l 脉冲周期增量 V W5 0 3 ． 4 1 脉冲敬 V D5 0 5 1 0 2 W始周期 V W5 0 9 8 0 0 2 脉冲周期增量 V W5 1 1 0 V D 5 1 3 R O U ND VD 3 0 0 3 0 0 0 机械手复位 2 脉冲数 VD 5 1 3 RO U ND V D3 0 0 1 7 5 0 机械手向右旋转 3 初始周期 V W5 1 7 2 0 0 0 p s 3 脉冲周期增量 v 、 Ⅳ 5 1 9 1 3 脉冲数 V D5 2 1 1 P T O 控制字 S MB 6 7 1 6 A O 允许P T O，多段操作，时基O s 起始地址偏移量 S MW1 6 8 5 IX 执行P L S 指令结果 激活P T O 0 操作，启动Q O ． 0 输出脉冲 频 率 的 倒 数 为 周 期 ， 最 大 频 率 为 5 Ⅲ z，最 小频 率 为 l ‘ 2 5 k H z， Q O ． 0 输 出脉冲的频率／ 时间图如图6 所示。 图6 Qo ． o 输出脉冲的频率， 时间图 QO ． 0 输出脉冲子程序流程图如图7 所示。 设置包络段数3 V B 5 0 0 l 设定 1 初始周期2 0 0 0 P s V W 5 0 1 设定 1 脉冲周期增量一 4 一w5 D 3 ； 设定 1 输出脉冲数l O V D 5 0 5 l 设定 2 初始周期8 0 0 s v w 5 0 g 设定 2 脉冲周期增量O V W 5 1 1 定 2 输出脉冲数V D 3 0 0 取整 D 5 1 3 i 设定 3 初始周期 ；2 0 0 0 p s V W 5 1 7 ； 设定 3 脉冲周期增量；l w5 l 9 ； 设定 3 输出脉冲数1 V D 5 2 1 l 设置 P T O 0 控制寄存器1 6 A 0 --S 6 7 设置包络表的起始位置5 o 0 一s 删1 6 8 l 允许中断E N I l 执行 P L S指令启动 Q 0 0输出脉冲 』 子程序返回 图7 启动Q o ． o 输出脉冲子程序流程图 3 ．3停止Q 0 ． 0 输出脉冲子程序设计 设 置P T O控制字S MB 6 7 为 1 6 0 0 禁止P T O输 出，即关 闭P T O 0 ，执行P L S 指令 ，停止QO ． 0 输 出脉冲信号。 4 结束语 本 系统采用西 门子P L C控制物 料分拣系统 ， 详 细介 绍 了 系统 的 总体 结构 设计 、硬 件设 计 和 软件设计 。实践表 明，该 系统能够 自动连续对物 料进行分拣 ，分拣误差率低 ，劳动 生产率显著提 高 ，劳动强度大大降低 。针对不同行业的分拣对 象，选 择相应的传感 器辨 识物料 的颜 色、大小或 第3 5 卷第0 期2 0 1 3 - 0 6 下 [ 9 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 訇 化 者材料 属性 等，对本 系统稍加修 改即可实现物料 分拣，其原理和技术可扩展到物流配送中心、医 药 、食品加工 、机械 电子等行业 ，具有广 阔的应 用前景。 参考文献 [ 1 】崔保春， 单鹏．基于P L C的物料分拣控制的设计[ J 】 _ 科技信 息， 2 0 1 0 ， 3 2 6 4 0 ． 【 2 】李 海 雯 ． 基 于PLC的物 料 分 拣 系 统 设 计 [ J 】 ． 电 工 技 术， 2 0 1 2 ， 6 4 7 4 8 ． 【 3 】吴迎春， 徐连强， 张家骅． 触摸屏和P L C 在物料分拣系统中 的应用【 J 】 _ 机械制造与 自动化， 2 0 1 2 ， 4 2 0 2 1 7 1 - 1 7 3 ． 【 4 】蔡文明． 人机界面与P L C 在物料分拣系统中的应用【 J 】 ． 浙 江工贸职业技术学院学报， 2 0 0 8 ， 8 3 2 5 2 8 ． 【 5 】李明钊， 杨承志． 基于P L C的卷烟自动分拣系统【 J 】 ．工业控 制计算机， 2 0 0 8 ， 2 1 3 8 8 ， 9 0 ． 【 6 】蒋少茵． 材料分拣装置的可编程控制系统设计[ J ] ． 华侨大 学学报 自然科学版 ， 2 0 0 5 ， 2 6 4 4 4 2 4 4 4 ． 【 7 】王强， 张明珠． 材料 自动分拣系统中的P L C 应用研究[ J 】 ． 首 都师范大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 1 ， 3 2 6 5 8 ． [ 8 】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 下 1 3 6 1 3 8 , 【 9 】于吴． P L C在材料 自动分拣系统 中的应用[ J 】 ． 煤炭技 术， 2 0 1 1 ， 3 0 1 2 3 1 3 2 ． [ 1 0 】 张有东， 赵金宪． P L C 材料 自动分拣系统的研究[ J 】 - 煤炭技 术， 2 0 0 2 ， 2 1 7 1 0 5 ， 1 1 0 ． 【 1 1 】 刘 明． 基 于P L C 的材料分拣 系统 【 J 】 ． 科技信息， 2 0 1 1 ， 3 5 2 0 ． [ 1 2 】 郭新照， 汪兴科． 采用MC GS 在焊接用材料分拣装置中的 监控软件设计【 J ] ． 装备制造技术， 2 0 0 9 ， 3 7 3 7 4 ． 【 1 3 】 张铁异， 何国金， 黄振峰． 基于P L C 控制的混合型气动机械 手的设计与实现[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 8 ， 9 6 - 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