基于PLC的材料分拣装置设计

基于PLC分拣装置系统设计一、设计要求：根据当前PLC控制系统的发展和自动控制的理论，设计出了一个基于PLC 的材料分拣装置控制系统。

系统利用PLC控制编程，自动控制材料分拣。

二、设计作用与目的:实现了利用PLC控制编程技术对材料进行自动控制分拣。

电路结构简单，投资少（可利用原有设施改造），分拣系统不仅自动化程度高，还具有在线修改功能，灵活性强，系统具有数据采集准确、可靠性高及系统成本低等优点。

采用模块化的程序设计方法，大量采用代码重用，减少软件的开发和维护。

利用对PLC软件的设计,实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启动和停止。

该系统具有稳定可靠、性价比高、可扩展性强、警示明显、设计人性化等优点。

三、PLC材料分拣系统的硬件设计3.1 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3.1所示。

图3.1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1234567891011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3.2所示。

图3.2 系统结构图3.2 系统的硬件组成系统由气动部件、电气部件和硬件三大部分组成。

3.3系统主电路设计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3.3所示。

图3.3 系统主电路图在图3.3中，M 1为传送带提供动力的异步电动机，M 2为空气压缩机。

FU 1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KM 1控制电动机M 1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 1、FR 2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。

3.4系统气压传动装置设计3.4.1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3.4。

图2.8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L 1L 3L 2Q FR 1FR 2KM 1M 13~M 23~N FU 1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3.4气源装置结构图3.4.2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0.2MPa 的一般称为风机（低于0.015MPa 的称为通风机，0.015—0.2MPa 的称为鼓风机），它们用于通风系统。

排气压力高于0.2MPa 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3.5所示，当电动机带动曲柄7旋转时，通过连杆6、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，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，压缩空气排空气压缩机冷却剂油水分离器储气罐气压表出气口入输气管路，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。

图3.5 活塞式空气压缩机工作原理1—排气阀； 2—气缸； 3—活塞； 4—活塞；5—滑块； 6—连杆； 7—曲柄； 8—吸气阀； 9—弹簧3.4.3冷却器冷却器安装在空气压缩机出口的管道上，将空气压缩机排出的温度高达120℃—150℃的气体冷却到40℃—50℃，从而使其中的水蒸气和被高温氧化的油雾冷凝成水滴和油滴而析出，进而初步分离，以便对压缩空气实施进一步净化处理。

因冷却介质为水，它的冷却效率高，常用于中型和大型压缩机。

在工作时，一般是水在管内流动，空气在管间流动。

管内流动的冷却水多为单程或双程流动，管间空气可以自由流动。

压缩空气在冷却过程中生成的冷凝水可通过排水器排出。

在冷却器上应安装温度计以监测工作情况。

3.4.4储气罐储气罐的主要作用是：储存一定数量的压缩空气，以备发生故障或临时需要应急使用；消除由于空气压缩机断续排气而对系统引起的压力脉动，保证输出气流的连续性和平稳性。

进一步分离压缩空气中的油、水等杂质。

3.4.5气动控制装置Pa 123456789Pa气动系统不同于液压系统，一般每一个液压系统都自带液压源（液压泵）；而在气动系统中，一般来说由空气压缩机先将空气压缩，储存在贮气罐内，然后经管路输送给各个气动装置使用。

有些气动回路需要依靠回路中压力的变化来实现控制两个执行元件的顺序动作，所用的这种阀就是顺序阀。

顺序阀与单向阀的组合称为单向顺序阀。

所有的气动回路或贮气罐为了安全起见，当压力超过允许压力值时，需要实现自动向外排气，这种压力控制阀叫安全阀。

3.5系统检测电路设计3.5.1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3.6。

因此，本系统中检测铁物料选用霍尔传感器为2A V 系列。

图3.6 霍尔接近开关的工作原理图3.5.2铝传感器的选用+15VR 1R fU 0V 1R 2V 2R 3-15V R 44123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3.7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I 1时，线圈周围就产生一个交变磁场H 1。

置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I 2，电涡流也将产生一个新磁场H 2，H 2与H 1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3.7 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3.8的等效电路。

图中R 1、L 1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 2、电感为L 2。

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3.8 电涡流传感器等效电路图H 1H 2HI 1I 2线圈被测导体R 1R2M L 1L 2I 2I 1U 1利用这一性质可以把铝传感器和继电器如图3.9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3.9 铝传感器开关原理图 3.5.3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。