【文章內(nèi)容簡介】 PLC 材料分揀 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) PLC 自動(dòng)分揀 控制系統(tǒng) 工作原理 本文所設(shè)計(jì)的 PLC 材料分揀系統(tǒng) 采用推塊式分揀機(jī)的臺(tái)式結(jié)構(gòu)，有豎井式材料輸入料槽，滑板式產(chǎn)品輸出料槽口。同時(shí)，輸送帶作為傳動(dòng)結(jié)構(gòu)， 為了方便較快速度的啟動(dòng)和停止， 用異步交流電機(jī)驅(qū)動(dòng) ； 對(duì)不同材質(zhì)的三種傳感器分別固定在網(wǎng)孔板上 ；為了保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性又加了一個(gè)光 電傳感器 。整個(gè)控制系統(tǒng)有氣動(dòng)部件、 電氣部件 和硬件三 大部分組成。氣動(dòng)部分由空氣壓縮機(jī)、氣缸、 氣瓶、 氣壓指示表、分水過濾器、冷卻器、減壓閥、配氣器、等部件組成；電氣部分由 PLC、鐵檢測傳感器、鋁檢測傳感器、顏色檢測傳感器、光電傳感器、 異步交流電機(jī)、開關(guān)、電源等部件組成；硬件部分由傳送帶異步電動(dòng)機(jī)、傳送帶、底座、支架等組成。 材料分撿系統(tǒng)工作原理 示意 圖 如 圖 所示 。 圖 材料分撿系統(tǒng)工作原理 示意圖 1— 氣瓶 2— PLC 3— 料槽 4— 電源 5— 電機(jī) 6— 料槽傳感器 7— 料倉氣缸 8— 皮帶 9— 倉庫 10— 氣缸 11— 傳感器 1234567891011 8 其工作過程是開啟電源， 氣動(dòng)系統(tǒng)開始工作，系統(tǒng)進(jìn)入自檢狀態(tài)。 下料 傳感器檢測下料槽內(nèi)是否有物料，若沒有物料，延時(shí)后自動(dòng)等待上料；當(dāng)下料槽內(nèi)有物料 時(shí) ，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。首先，下料傳感器發(fā)送信號(hào)給 PLC， PLC 傳送信號(hào) 給 下料氣 缸。 經(jīng) 過一定時(shí)間，下料汽缸將物料推至傳 送 帶。當(dāng)物料 在 傳 送 帶傳 送 時(shí)，PLC 計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，電機(jī) 開始 運(yùn)行。當(dāng)傳感器檢測到物料為 鐵 金屬時(shí)，發(fā)出反饋信號(hào)給 PLC，由 PLC 控制 氣 缸一動(dòng)作，將物料推到料倉。當(dāng) 氣 缸電磁閥運(yùn)行到后 限位 開關(guān) 時(shí)，電磁閥復(fù)位， 回 到原狀態(tài)。同理， 可通過相應(yīng)傳感器分揀相應(yīng)的物料。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng) 的硬件配置 系統(tǒng) 由 氣動(dòng)部件、 電氣部件 和硬件三 大部分組成 。系統(tǒng)的硬件配置 如 表 。 表 系統(tǒng)硬件配置 PLC 1 臺(tái) 底座 1 個(gè) 啟動(dòng)開關(guān) 1 個(gè) 光電傳感器 2 個(gè) 鐵傳感器 1 個(gè) 電機(jī) 2 個(gè) 鋁傳感器 1 個(gè) 氣缸 5 個(gè) 顏色傳感器 1 個(gè) 限位開關(guān) 10 個(gè) 氣瓶 1 個(gè) 皮帶 1 條 電源 1 個(gè) 氣壓傳動(dòng)裝置 1 套 下料傳感器 P L C 鐵檢測傳感器 鋁檢測傳感器 光電檢測傳感器 輸送帶和下料氣缸 鐵出料氣缸 其他出料氣缸 塑料出料氣缸 鋁出料氣缸 空氣壓縮機(jī) 顏色料傳感器 9 系統(tǒng)的運(yùn)行方式 系統(tǒng)是 全自動(dòng)的 運(yùn)行方式 。在系統(tǒng)開始工作前需要人工合上刀閘開關(guān)， 然后手動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)的電源開關(guān)。系統(tǒng)開始運(yùn)行，進(jìn)入自檢狀態(tài)，當(dāng)有物料進(jìn)入料槽時(shí)，系統(tǒng)開始自動(dòng)運(yùn)行；當(dāng)料槽中沒有物料時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入自檢狀態(tài)，等待物料再次進(jìn)入料槽，然后自動(dòng)運(yùn)行。系統(tǒng)需要停止工作時(shí)，需要人工切斷系統(tǒng)電源，然后再切斷主電源。 自動(dòng)運(yùn)行方式是由一臺(tái)可編程序控制器 （ PLC） 來控制 整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，系統(tǒng)根據(jù) 傳感器傳出的信號(hào)執(zhí)行事先編譯好程序 [3]。 系統(tǒng)主電路圖和結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 在圖 中， M1 為傳送帶提供動(dòng)力的異步 電動(dòng)機(jī) ， M2 為 空氣壓縮機(jī)。 FU1 為主電路的熔斷器，起短路保護(hù)的作用。當(dāng)電路發(fā)生短路時(shí)，通過熔體的電流使其發(fā)熱，當(dāng)達(dá)到熔化溫度時(shí)自行熔斷，從而分段電路。接觸器 KM1 控制電動(dòng)機(jī) M1 的運(yùn)行。當(dāng) 接觸器收到 PLC 為 1 的信號(hào)時(shí)，接觸器閉合， 電動(dòng)機(jī) 就可以啟動(dòng)運(yùn)行。 FR FR2 分別為 電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器，電動(dòng)機(jī)一旦出現(xiàn)長時(shí)間過載自動(dòng)切斷電路。并 能 購 隨過載程度而改變動(dòng)作時(shí)間的繼電器，充分發(fā)揮了電動(dòng)機(jī)的過載能力，保證電動(dòng)機(jī)的正常啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)。 圖 系統(tǒng)主電路圖 PLC 與傳統(tǒng)繼電器的區(qū)別 及選型 L 1L 3L 2QFR 1 FR 2KM 1M 13~M 23~NFU 1 10 PLC 與傳統(tǒng)繼電器的區(qū)別 最初研制生產(chǎn) PLC 主要用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器接觸器構(gòu)成的控制裝置，但這 兩者的運(yùn)行方式是不相同 的： （ 1） 當(dāng) PLC 運(yùn)行時(shí)，是通過 執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來完成控制任務(wù)的，需要執(zhí)行眾多的操作 [4]。 但 CPU不可能同時(shí)去執(zhí)行過個(gè)操作，它只能按分時(shí)操作方式，每一次執(zhí)行一個(gè)操作，按順序逐個(gè)執(zhí)行。由于 CPU的運(yùn)算處理速度很快，所以從宏觀上來看， PLC 外部出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)似乎是同時(shí)完成的。這種串行工作過程稱為 PLC 的掃描工作方式。用掃描工作方式執(zhí)行用戶程序時(shí)，掃描是從第一步 開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情 況下，按程序存儲(chǔ)順序的先后，逐條執(zhí)行用戶程序， 直到 程序結(jié)束。然后再從頭開始掃描執(zhí)行，周而復(fù)始重復(fù)運(yùn)行。 繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運(yùn)行的方式，即如果這個(gè)繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點(diǎn)（包括其常開或常閉觸點(diǎn)）在繼電器控制線路的哪個(gè)位置上都會(huì)立即同時(shí)動(dòng)作。 （ 2） PLC 的優(yōu)點(diǎn)： 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)；配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)；易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，工作量小，維護(hù)方便，容易改造；設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試的周期短。 PLC 設(shè)計(jì)選型的一般原則 選擇自己熟悉的機(jī)種和機(jī)型：同樣的控制設(shè)備的設(shè)計(jì)，可以用任何同樣級(jí)別的 PLC 來完成。如果選用你不熟悉的 PLC，你就必須從頭熟悉它，雖然不費(fèi)太多的事，但畢竟沒有用你熟悉的機(jī)型來的快。 不要大材小用：什么樣的規(guī)模設(shè)計(jì)任務(wù)就選用什么樣規(guī)模的 PLC，避免造成太多的硬件資源的浪費(fèi)。 具體的控制對(duì)象，具體選擇：根據(jù)不同的設(shè)計(jì)任務(wù)，來選擇 PLC 的機(jī)型。 選用易采購的機(jī)型：有的產(chǎn)品經(jīng)銷商較少，不容易采購或進(jìn)行比較，有的產(chǎn)品經(jīng)銷商很多，容易采購和比較，你就可以選用信譽(yù)好、價(jià)格優(yōu)惠、技術(shù)上能夠給與支持 的公司。 經(jīng)常了解 PLC 產(chǎn)品的發(fā)展動(dòng)態(tài)： PLC 產(chǎn)品更新?lián)Q代很快，你熟悉的機(jī)型也許過幾年就見不著了，所以，你最好在設(shè)計(jì)選型之前，先了解一下市場情況 。 目前在國內(nèi)市場上有從美國、德國、日本等國引進(jìn)的多種系列 PLC，國 內(nèi)也 11 有許多廠家組裝、開發(fā)數(shù)十種 PLC，故 PLC 系列標(biāo)準(zhǔn)不一，功能參差不齊，價(jià)格懸殊。在此情況下， PLC 的選擇應(yīng)著重考慮 PLC 的性能價(jià)格比，選擇可靠性高，功能相當(dāng)，負(fù)載能力合適，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的 PLC。本文介紹以 PLC 的材料分揀裝置 系統(tǒng)輸入、輸出點(diǎn)數(shù)的要求， 選擇為三菱公司的 FX2N 系列的 FX2N32MR001。 鐵傳感器的選用 霍爾接近開關(guān) 來檢測材料是否是磁性鐵金屬。 霍爾元件是一種磁敏元件。利用霍爾元件做成的開關(guān)，叫做霍爾開關(guān) [5]。當(dāng)磁性物件移近霍爾開關(guān)時(shí)，開關(guān)檢測面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應(yīng)而使開關(guān)內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識(shí)別附近有 無 磁性物體存在，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。 本系統(tǒng)中， 當(dāng)材料是鐵時(shí)傳感器開關(guān)閉合，產(chǎn)生電流驅(qū)動(dòng)線圈。 霍爾接近開關(guān) 的工作原理見圖 。 因此，本系統(tǒng)中檢測鐵物料選用霍爾傳感器 為 2AV系列 。 圖 霍爾接近開關(guān)的工作原理圖 鋁傳感器的選用 當(dāng)通過金屬體 的磁通過變化時(shí)，就會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電流，這種電流在導(dǎo)體中是自行閉合的，這就是所謂電渦流 [6]。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分能量，從而使產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。電渦流式傳感器是利用渦流效應(yīng)，將非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化而進(jìn)行測量的。 如圖 所示， 一個(gè)扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，當(dāng)線圈中通有交變電流 I1時(shí)，線圈周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變磁場 H1。置于這一磁場中的金屬導(dǎo)體就產(chǎn)生電渦流+ 15VR 1R fU 0V 1R 2V 2R 3 15VR 44123 12 I2，電渦流也將產(chǎn)生一個(gè)新磁場 H2， H2 與 H1 方向相反，因而抵消部分原磁場，使通電線圈的有效阻抗發(fā)生變化。 圖 電渦流傳感器原理圖 我們可以把被測導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)短路環(huán)，這樣就可得到如圖 的等效電路。 圖中 R L1 為傳感器線圈的電阻和電感。短路環(huán)可以認(rèn)為是一匝短路線圈，其電阻為 R電感為 L2。線圈與導(dǎo)體間存在一個(gè)互感 M，它隨線圈與導(dǎo)體間距的減小而增大。當(dāng)鋁檢測傳感器檢測到金屬材料時(shí)，傳感器的線圈阻抗就會(huì)發(fā)生變化。 圖 電渦流傳感器等效電路圖 利用這一性質(zhì)可以把鋁傳感器和繼電器如 圖 連接，實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。 所以本系統(tǒng)鋁傳感器選用 電渦流傳感器 為 ST 系列 。 圖 鋁傳感器開關(guān)原 理圖 H 1H 2HI 1I 2線圈被測導(dǎo)體R 1 R 2ML 1 L 2I 2I 1U 1R2 11 2A D 2 2 0 V 電源 繼電器 13 顏色傳感器的選用 我們所看到 的 物體 顏色， 實(shí)際上是物體 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應(yīng) [7]。白色是由各種頻率的可見光混合在一起構(gòu)成的，也就是說白光中包含著各種顏色的色光(如紅、黃、綠、青、藍(lán)、紫 )。根據(jù)三原色理論可知，各種顏色是由不同比例的三原色 (紅、綠、藍(lán) )混合而成的。如果知道構(gòu)成各種顏色的三原色的值，就能夠知道所測試物體的顏色。 高分辨率顏色傳感器 TCS230，是 我們 常 用的顏色傳感器。 對(duì)于 TCS230 來說，當(dāng)選定一個(gè)顏色濾波器時(shí)， 它只允許某種特定的原色通過，阻止其它原色的通過。例如：當(dāng)選擇紅色濾波器時(shí)，入射光中只有紅色可以通過，藍(lán)色和綠色都被阻止，這樣就可以得到紅色光的光強(qiáng) ， 同理，選擇其它的濾波器，就可以得到藍(lán)色光和綠色光的光強(qiáng)。通過這三個(gè)值，就可以分析投射到TCS230 傳感器上的光的顏色 ，本文選擇 紅 色濾波器 。 光電傳感器的選用 利用被檢測物體對(duì)光束的遮光或反射 ， 由同步回路選通電路 ， 從而檢測物體的有無 。 其物體不限于金屬 ， 對(duì)所有能反射光線的物體均可被檢測 。 光電開關(guān)是一種電量傳感器 ， 把電流或電壓的變化以光電的方式傳送出去 ， 即進(jìn)行電 信號(hào) →光信號(hào) → 電信號(hào)的轉(zhuǎn)換 。 光電式傳感器工作原理 :光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為發(fā)送器，接收器和檢測電路。發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管 （ LED）和 激光二極管 。 接收器有光電二極管或光電三極管組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。 氣壓傳動(dòng) 裝置選用 氣源裝置 氣源裝置是為氣動(dòng)系統(tǒng)提供具有一定壓力和足夠流量、滿足一定凈化程度的壓縮空氣的能源裝置 ,它是氣動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分 [8]。 氣源裝置包括氣壓產(chǎn)生、壓縮空氣凈化與儲(chǔ)存、壓力穩(wěn)定和傳輸管道等裝置，這些設(shè)備一般布置于壓縮空氣站內(nèi)，作為整個(gè)工廠或車間的同一氣源，氣源裝置結(jié)構(gòu)見圖 。 14 圖 中，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空氣壓縮機(jī) 旋轉(zhuǎn)，經(jīng)吸氣口的空氣過濾器將大氣中的空氣吸入 [9]。冷卻器將壓縮空氣降溫冷卻，使高溫汽化的水、油凝結(jié)分離。油水分離器將冷凝出來的水滴、油滴、雜質(zhì)等分離并排出系統(tǒng)。儲(chǔ)氣罐用以壓縮空氣、穩(wěn)定壓縮空氣的壓力，并除去其中的部分油、水等雜質(zhì)，儲(chǔ)氣罐輸出的壓縮空氣可用于不同空氣質(zhì)量要求的氣動(dòng)系統(tǒng)。 圖 氣源裝置結(jié)構(gòu)圖 氣壓發(fā)生裝置 氣壓發(fā)生裝置包括正壓發(fā)生裝置和負(fù)壓發(fā)生裝置，正壓發(fā)生裝置為空氣壓縮機(jī)。這也正是本系統(tǒng)所使用的氣壓發(fā)生裝置。 空氣壓縮機(jī)屬于正壓發(fā)生裝置，它是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力的能量轉(zhuǎn)換裝置，提供高于大氣壓力的氣壓。排氣壓力低于 的一般稱為風(fēng)機(jī)（低于 的稱為通風(fēng)機(jī)， — 的稱為鼓風(fēng)機(jī)），它們用于通風(fēng)系統(tǒng)。排氣壓力高于 的習(xí)慣上成為壓縮機(jī)，氣動(dòng)系統(tǒng)中通常采用壓縮機(jī)提供氣源。氣動(dòng)系統(tǒng)中多數(shù)氣動(dòng)元件都是在高于大氣壓力下工作的，用這些元件組成的啟動(dòng)系統(tǒng)稱為正壓系統(tǒng) 。 下 面介紹常用的活塞式空氣壓縮機(jī)的工作原理： 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中最常用的是往復(fù)活塞式空氣壓縮機(jī)，其工作原理如圖 所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲柄 7 旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過連桿 滑塊 5 和活塞 4 的傳遞轉(zhuǎn)換，使活塞 3 在氣缸 2 內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞向右移動(dòng)時(shí)，缸內(nèi)左腔密封容積逐漸增大，空氣壓縮機(jī)冷卻劑 油水分離器 儲(chǔ)氣罐氣壓表出氣口 15 使其中的氣壓低于大氣壓，吸氣閥 8 被外界大氣壓力頂開，空氣在大氣壓力作用下進(jìn)入氣缸內(nèi)，形成吸氣過程；當(dāng)活塞向左移動(dòng)時(shí)，缸內(nèi)左腔密封容積逐漸減小，空氣受壓使氣壓升高，將吸氣閥關(guān)閉，形成壓縮過程；當(dāng)缸內(nèi)壓縮空氣壓力升至高于輸氣管路中壓力時(shí)，排氣閥 1 頂開，壓縮空 氣排入輸氣管路，形成排氣過程 ?；钊娇諝鈮嚎s機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，容易實(shí)現(xiàn)大流量和高壓輸出；缺點(diǎn)是振動(dòng)大、噪聲大，輸出流量、壓力有脈動(dòng)，需使用儲(chǔ)氣罐穩(wěn)壓。