PLC、触摸屏、变频器控制货物分拣系统设计

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广西工业职业技术学院
毕业设计
课题名称： PLC、触摸屏、变频器控制的
货物分拣系统设计
专业：机电一体化技术
班级：机电1032班
姓名：
指导教师：
为期两年半的学习即将结束,两年半来在老师的精心辅导下,我的理论知识有了很大的提高.为检验两年半来的学习成果，我选择了PLC、触摸屏、变频器控制货物分拣系统设计。

在设计过程中，我根据所学知识再联系自己的实际进行设计。

没想到看起来简单的设计，实际干起来却有太多疑问。

有时为了弄懂一个问题，除了要一遍遍的查找资料，还要向老师及网友请教；经过两个多月的努力，终于有了以下这份毕业设计，虽然设计的内容中还存在着许多的缺陷，但确是自己辛勤劳动的结果。

通过这次设计，使我学到了许多新的知识，更深深地了解到自已所学的知识太少，还需要进一步努力。

这次的毕业设计完成是与翟红云老师的悉心教导和组员的努力分不开的，在此表示衷心的感谢！
摘要
一、设计任务与要求
1.1设计任务 (2)
1.2 设计要求 (2)
二、自动化生产线简介
2.1 自动线的简介 (3)
2.2 自动线发展 (3)
2.3 TVT2000G机电气一体化实训系统介绍 (4)
三、设备核心技术应用
3.1 PLC技术 (8)
3.2 传感检测技术 (8)
3.3 气动技术 (10)
3.4 变频驱动技术 (13)
3.5 步进电机及驱动技术 (15)
3.6 组态与触摸屏技术 (18)
四、控制系统设计
4.1 气动控制系统原理图 (19)
4.2PLC控制系统设计 (19)
4.2.1 I/O分配表 (19)
4.2.2 PLC硬件接线图 (20)
4.2.3 PLC梯形图 (21)
4.3 触摸屏控制画面 (29)
4.4TVT-2000G所需要的硬件设备 (30)
五、心得体会 (31)
六、谢辞 (32)
七、参考文献 (33)
摘要
本毕业设计的题目是PLC、触摸屏、变频器控制货物分拣系统设计，重点是采用TVT-2000G 机电气一体化实训系统、西门子S7-200系列PLC和变频器实现自动化生产线分拣的自动化控制，该设置包含三个工作状态, 分别为：上料检测站、传送站、物料分拣，并掌握运用设计硬件电路图的方法和按设计需要选择元件的类型。

通过毕业设计，提高我们学生的设计与调试能力，并学会发现问题，解决问题。

把理论结合于实践当中，强化我们学生的动手能力。

关键词：西门子PLC、变频器、物料分拣。

一、设计任务与要求
1.1 设计任务
使用TVT-2000G 机电气一体化培训系统，应用PLC控制技术，结合变频器、步进电机驱动技术、气动技术、传感检测技术和触摸屏控制技术，将黄色金属、黄色塑料、蓝色金属、蓝色塑料四种性质的物料分别输送至平面仓储系统的任意四个料仓。

1.2 设计要求
（1）画出系统气动控制回路图。

（2）列出I/O分配表，画出系统PLC控制回路图。

（3）设定变频器参数表。

（4）编写PLC梯形图。

（5）设计组态王画面，实现触摸屏的控制和操作。

（6）列出系统设备参数、型号、数量等一览表。

（7）安装、接线、调试。

（8）编写毕业设计论文
二、自动化生产线简介
2.1 自动线的简介
自动化生产线是在流水线的基础上逐渐发展起来的。

他不仅要求线体上各种
机械加工装置能自动的完成预定的各道工序及工艺过程，使产品成为合格的制品，而且要求在装卸工件、定位夹紧、工件在工序间的输送、工件的分拣甚至包装等都能自动的进行。

使其按照规定的程序自懂地进行工作。

我们称这种自动工
作的机械电气一体化系统为自动生产线（简称自动线）。

2.2 自动线发展
看看自动线所涉及的技术领域是很广泛的，所以它的发展、完善是与各种相关技术的进步及互相渗透是紧密相连的。

因而自动线的发展概况就必须与整个支持自动生产线有关技术的发展联系起来。

技术应用发展如下：
(1) 应用可编程序控制器技术
它是一种以顺序控制为主，回路调节为辅的工业控制机。

不仅能完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算计运算等功能，而且能大规模地控制开关量和模拟量，克服了工业控制计算机用于开关控制系统所存在的编程复杂、非标准外部接口的配套复杂、机器资源未能充分利用而导致功能过剩、造价高昂、对工程现场环境适应性差等缺点。

由于可编程序控制器具有一系列优点，因而替代了许多传统的
顺序控制器，如继电器控制逻辑等，并广泛应用于自动线的控制。

(2) 应用机器手、机器人技术
机器手在自动线中的装卸工件、定位夹紧、工件在工序间的输送、加工余料的排除、加工操作、包装等部分得到广泛使用。

现在正在研制的第三代只能机器人不但具有运动操作技能，而且还有视觉、听觉、触觉等感觉的辨别能力。

具有判断、决策能力，能掌握自然语言的自动装置也正在逐渐应用到自动生产线中。

(3) 应用传感技术
传感技术随着材料科学的发展和固体物理效应的不断出现，形成并建立了一个完整的独立科学体系——传感技术。

在应用上出现了带微处理器的“智能传感器”，它在自动生产线的生产中监视着各种房主的自动控制程序，起着极重要的作用。

(4) 应用液压和气压传动技术
特别是气动技术，由于使用的是取之不尽的空气作为介质，具有传动反应快、动作迅速、气动原件制作容易、成本小和便于集中供应和长距离输送的优点，而引起人们的普遍重视。

气动技术已经发展成为一个独立的技术领域。

在各行业，特别是在自动线中得到迅速发展和广泛地应用。

(5) 应用网络技术的飞跃发展
就是网络技术的飞跃，无论是现场总线还是工业以太网络，使得自动线中的各个控制单元构成一个协调运转的整体。

2.3 TVT2000G机电气一体化实训系统介绍
TVT-2000G是一套融合实验、实训及综合开发的新型培训系统，该系统工业元器件，所欲传感器、执行器接口开放，系统内部含有网络接口可组成PLC 网络，是包含PLC、传感器、变频器、变频调速、步进电机、启动等技术的综合应用培训系统。

该系统的结构主要由控制单元、材料分拣小系统、平面仓储小系统、接口单元等组成。

控制单元由电源模块、2个PLC组成。

可选择松下FPΣ型PLC、西门子S7-200型PLC/OMRON的CP1H型、三菱FX2N型的PLC。

电源单元选用开关电源，主要作用是为系统提供直流24V的电源。

系统选用2台PLC主要是用于分别控制平面仓储小系统和材料分拣小系统，然后通过PLC网络实现PLC之间的互相通讯，完成系统的统一动作。

PLC之间的网络根据PLC的机型特点，可分别选用PPI/PC-PCINK/C-NET等网络方式。

材料分拣小系统由传送带、启动机械手、传感器组、变频器、交流电机、旋转编码器、井式出料塔、气动推料机构等组成。

其中变频器、旋转编码器、交流电机与PLC 组成带位置反馈的速度控制系统。

传感器组成由电容传感器、电感传感器、颜色传感器、光电传感器组成，可以识别货物的颜色、材质、熟料等属性。

平面仓储小系统由步进电机及其驱动器、平面库、直线导轨、气动入库机构等组成。

通过控制气动图库机构在直线导轨上的唯一，实现不用货物进入到不同的仓位。

接口单元采用开放式结构，系统所有控制线盒信号线均通过导线引导面板上来，因此在试验时，只需要在面板上接线即可！平面仓储小系统由平面仓库系统、直线导轨送料单元、步进电机单元、气动单元、传感器单元等组成。

其结构示意图如下：
平面仓储小系统通过网络读取上一单元的工作信号及存储数据值，根据系统设定将不同标识的货物送入到不同的仓库中区。

其控制流程如下所示：
当材料分拣小系统进入工作状态以后，平面仓储小系统自动完成抚慰操作，送料机构会到系统的原点。

当机械手单元将货物移动到下一个单元时，系统将货物的属性标识、当前状态等数据传送到平面仓储小系统，平面仓储小系统就会根
据参数进行控制。

在直线导轨上总共有10 个运动工位，分为原点、接货区、仓位1 区、仓位2 区、仓位3 区、仓位4 区、仓位5 区、仓位6 区、仓位7 区、仓位8 区。

其示意图如下所示：
当系统复位时，送料机构位于原点，当机械手旋转到位后，送料机构位于接货区，完成货物的转载后，根据货物的标识送入不同的仓位中去。

送料机构的定位是由步进电机单元进行控制。

其定位点可根据系统的不同设
定进行手动示教调整。

接口单元：
接口单元由货物分拣系统接口板和平面仓储系统接口板组成.该单元将所有元器件的接口都引到面板上，故学生进行试验操作时，只需要将相对应得段子用安全接插线进行连接，省去了元器件接线的麻烦。

为了我们接线的方便，所有接线端子的底座都用颜色进行标记。

如PLC德输入端在面板上涌蓝色标识，而面板上所欲传感器的输出端、旋转编码器的输出端也是用蓝色标识；PLC的输出端在面板上用青色标识，而变频器、气缸、步进电机的控制型号也是用青色标识；电源输出的争端时用红色标识，负端是个用黑色标识，因策其它器件的电源引线的正端时用红色标识，负端是用黑色标识。

为了引用电源线方便，子啊每个接口板的左右两侧都有电源输出的正负段子，因此在接线时同侧电源线即可。

注意接线时必须断开电源，同时注意信号的流向。

面板结构图如下：
三、设备核心技术应用
3.1 PLC技术
可编程序控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一个新型、通用工业自动控制装置。

它具有适应于各种工业自动化控制所必需的高可靠性、配置可扩展的灵活性等特点，且具有易于编程、使用维护方便等优点。

可编程序控制器在工业自动化控制的各个领域得到了广泛的就用代表着控制技术的发展方向，被业界称为现代工业自动化的三大支柱之一。

可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充的原则设计。

3.2 传感检测技术
传感器的介绍
传感器像是人的眼睛，耳朵，鼻子等感官器件，是自动生产线的检测元件，能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成电信号输出。

在自动线中主要用到了磁性开关，电感式接近传感谢器。

光电开关。

光电编码器等五种传感器。

本自动生产线中主要用到了电感传感器、颜色传感器、光电传感器。

1.电感传感器
在供料单元中，为了检测带分拣工件是否为金属材料，在运输带上方安装了一个电感式传感器。

电涡流接近开关属于电感传感器的一种，是利用电涡流效应制成的有开关量输出的位置传感器，他由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磁场的正当感应头时，使物体内部产生电涡流。

这个电涡流作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出
有无金属物体接近，从而控制开关的通或断。

这种接近开关所能检测的物体必须
是金属物体，其工作原理图如下。

2.光纤式光电接近开关简介
在运输带上方安装有一个光纤式接近开关，光纤式
光电接近开关由光纤检测头、光纤放大器两部分组成，
放大器和光纤检测头式分离的两个部分，光纤检测头的
尾部分分成两条光纤，使用时分别插入放大器的两个光
纤孔。

光纤式光电接近开关的输出连接至PLC。

相对于
传统传感器光纤传感器具体下素优点：抗电磁干扰、可工作于恶劣环境，出书距离远，使用寿命长，此外，由于光纤头具有较小的体积，所以可以安装在很小空间的地方。

在供料单元中光纤式光电开关的放大器的灵敏度可以调节，当光纤传感器的灵敏调得的较小时，对于反射性较差的黑色物体，光纤放大器无法接受到反射信号；而对于反射性较好的白色物体，光纤放大器光电探测器就可以接受到反射信号。

从而可以通过调节光纤光电开关的灵敏度来判别黑白两种颜色物体，将两种物料区分开，从而完成自动分拣工序。

3.光电开关
光电接近开关（简称光电开关）通常在环境条件比较好，无粉尘污染的场合下使用。

光电开关工作时对被测对象几乎无任何影响。

因此，在供料单元中，料仓中工件的检测利用的就是光电开关。

在料仓外侧装设两个光电开关分别用于缺料和供料不足检测不足。

这样，料仓中有无储料或出料是否足够，就可以用这个光电接近开关的型号状态反应出。

本单元中采用细小光束、放大器内置型漫射式光电开关。

在本设计中，当工件进入传送带时，传送带上方的光电开关发出的光线遇到工件反射回自身的光敏元件，光电开关输出信号启动输送带运转。

根据下图所示，将光电开关褐色线接PLC输入模块电源“+”端，蓝色线接
“-”端，黑色线接PLC的输入点。

①①
图 3.2-1 光电开关接线示意图
4.光电编码器简介
在本设计中生产线的分拣单元的控制中，传送带定位控制是由光电编码器来完成的。

同时光电编码器还要完成电机转速的测量。

光电编码器是通过光电转换，将机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，它主要用于速度或位置（角度）的检测。

典型的光电编码器由码盘（Dish）、检测光栅（Mask）、光电转换电路（包括光源、光敏器件、信号转换电路）、机械部件等组成。

一般来说，根据光电编码器产生脉冲的方式不同，可以分为增量式、绝对式以及复合式三类，生产线上常采用的是增量式光电编码器。

光电编码器用于分拣单元传动带的位置控制及转速测量，在本次培训系统中，主要用来控制步进电机的转速与位置控制。

3.3 气动技术
气动系统是以压缩空气为工作介质来进行能量与信号的传递，利用空气压缩机将电动或其他原动机输出的机械能转变为空气的压力能，然后在控制元件的控制和辅助元件的配合下，通过执行元件把空气的压力能转变为机械能，从而完成直线或回转运动并对外做功。

气动传动气动传动简称气动,是指以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号,控制和驱动各种机械和设备,以实现生产过程机械化、自动化的一门技术。

它是流体传动及控制学科的一个重要分支。

因为以压缩空气为工作介质，具有防火、防爆、防电磁干扰，抗振动、冲击、辐射，无污染，结构简单，工作可靠等特点。

气压传动的优点：
（1）空气随处可取，取之不尽，节省了购买、贮存、运输介质的费用；
（2）空气在使用完后排入大气中去，对环境无污染，处理方便，不必设置回收管路。

（3）因空气粘度小，在管内流动阻力小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送。

（4）与液压相比，气动反应快，制造容易，适用于标准化、系列化、通用化。

（5）气动元件对工作环境适应性好.
（6）空气具有可压缩性,使气动系统能够实现过载自动保护。

气压传动系统的组成典型的气压传动系统是由气压发生装置、执行元件、控制元件和辅助元件四个部分组成：
①气压发生装置简称气源装置，是获得压缩空气的能源装置，其主体部分是空气压缩机，另处还有气源净化设备。

空气压缩机将原动机供的机械能转化为空气的压力能；而气源净化设备用以降低压缩空气中的水分、油分以及污染杂质等。

②执行元件是以压缩空气为工作介质，并将压缩空气的压力能变为机械能的能量转换装置。

③控制元件又称操纵、运算、检测元件，是用来控制压缩空气流的压力、流量和流动方向等，以便使执行机构完成预定运动规律的元件。

④辅助元件是使压缩空气净化、润滑、消声以及元件间连接所示需要的一些装置。

气源装置气源装置给系统提供足够清洁、干燥且具有一定压力和流量的压缩空气。

根据气动系统对压缩空气品质的要求来设置气源装置。

常见的气源装置是空气压缩机。

空气压缩机简称空压机，是气源装置的核心，用以将原动机输出的机械能转化为气体的压力能。

气动执行元件气动执行元件有作直线往复运动的气缸、作连续回转运动的气马
达和作不连续回转运动的摆动马达等。

气缸的结构：
普通气缸的结构组成见图1.3.1-1。

主要由前盖、后盖9、活塞6、活塞杆4、
缸筒5 其他一些零件组成。

图3.7 普通气缸示意图
1—组合防尘圈；—前端盖；3—轴用YX 密封圈；4—活塞杆；5—缸筒；
6—活塞；7—孔用YX 密封圈；8—缓冲调节阀；9—后端盖
气缸的种类很多。

一般按压缩空气作用在活塞面上的方向、结构特征和安装方式来分类。

气缸的选用：
选择气缸时应注意以下几个方面：
（1）选择气缸类型：根据使用场合和负载特点选择不同类型的气缸。

（2）选择安装形式：由气缸的安装位置、使用目的等因素来决定。

（3）确定气缸作用力大小：根据工作机构所示需的作用力的大小来确定。

（4）确定气缸行程：与使用场合和机构所示需的行程比有关，也受加工和结构的限制。

（5）确定运动速度：普通气缸的运动速度为0.5∽1m/s，应根据需要在系统中设置调速元件，如节流阀等。

气动辅助元件：
1 油雾器
油雾器是以压缩空气为动力，将润滑油喷射成雾状并混合于压缩空气中，使该压缩空气具有润滑气动元件的能力。

目前，气动控制阀，气缸和气马达主要是靠这种带有油雾的压缩空气来实现润滑的，其优点是方便、干净、润滑质量高。

2 消声器
气压传动装置的噪声一般都比较大，尤其当压缩气体直接从气缸或阀中排向大气，较高的压差使气体体积急剧膨胀，产生涡流，引起气体的振动，发出强烈的噪声，为消除这种噪声应安装消声器。

消声器是指能阻止声音传播而允许气流通过的一种气动元件，气动装置中的消声器主要有阻性消声器、抗性消声器及阻抗复合消声器三大类。

3 转换器
在气动控制系统中，也与其它自动控制装置一样，有发信、控制和执行部分，其控制部分工作介质为气体，而信号传感部分和执行部分不一定全用气体，可能用电或液体传输，这就要通过转换器来转换。

常用的转换器有：气一电、电一气、
气一液等。

4 气电转换器和电气转换器
气电转换器是将压缩空气的气信号转变成电信号的装置，又称压力继电器。

电气转换器是将电信号转换成气信号的装置，各种电磁换向阀可作为电气转换。

3.4 变频驱动技术
变频器的介绍：
在自动化生产线中，由许多机械运动控制，就像人的手和足一样，用来完成机械运动和动作。

实际上自动化生产线中作为动力源的传动装置有各种电动机、启动装置等。

在本设计中，分拣单元传送带的运动控制由交流电机来完成。

在运行中，不仅要求可以改变速度，也需要改变方向，所以我们在这里就应用到变频器。

在TVT-2000G中使用到的变频器时西门子MM420。

西门子通用变频器MM420由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为功率输出器件，它具有很高的运行可靠性和功能的多样性。

脉冲宽度调制的开关时可选的，降低了电动机运行的噪音。

包含数字输入点：DIN1(端子5)，DIN2（端子6），DIN3（端子7），内部电源+24V(端子8)，内部电源0V（端子9）；模拟输入点：AIN+（端子3），内部电源+10V(端子1)，内部电源0V（端子2）；继电器输出：RL1—B（端子10），RL1—C（端子11）；模拟量输出; AOUT+(端子12)，AOUT--（端子13）；RS—485串行通信接口：P+（端子14），N—（端子15）等输入/输出接口。

同时带有人机交互接口基本操作板。

其核心部件为CPU单元，根据设定的参数，经过运算输出控制正弦波信号，经过SPWM调制，放大输出三相交流电动机运转。

变频器控制输出正选拨的驱动电源是以恒定电压比（U/f）保持刺痛不变为基础的，经过正旋波脉宽调制驱动主电路，以产生U、V、W三相交流电驱动三相交流异步电动机。

图3-2 SPWM交-直-交变压变频器的原理框图
如图3-6所示，它先将50HZ交流经变压器得到所需的电压后，经二极管整流桥和LC滤波，形成恒定的直流电压，再送入6个大功率晶体管构成的逆变器
主电路，输出三相频率和电压均可调整的等效于正旋波的脉宽调制波，即可拖动三相异步电机运转。

MM420变频器（参数设计）
变频器与电机的安装接线:
图3.4-1 变频器与电机的安装接线
3.5 步进电机及驱动技术
步进电机的运动控制
步进电机是生产机械上常用的另一种运动部件，它具有结构简单，控制方便，定位准确，成本低廉等优点，因而应用十分广泛。

目前世界上主要的PLC 厂家生产的PLC 均有专门的步进电机控制指令，可以很方便地和步进电机构成运动控制系统。

步进电机和生产机械的连接有很多种，常见的一种是步进电机和丝杠连接，将步进电机的旋转运动转变成工作台面的直线运动。

在这种应用中，关系运动直接后果的参数有以下几个：
N：PLC 发出的控制脉冲的个数
n：步进电机驱动器的脉冲细分数（如果步进电机驱动器有脉冲细分驱动）
θ：步进电机的布距角，即步进电机每收到一个脉冲变化，轴所转过的角度
d：丝杠的螺纹距，它决定了丝杠每转过一圈，工作台面前进的距离
根据以上几个参数，我们可以得到以下结果：
PLC 发出的脉冲个数到达步进电机上，脉冲实际有效数应为N/n
步进电机每转过一圈，需要的脉冲个数为360/θ
则PLC 发出N 个脉冲，工作台面移动的距离为：
L =Ndθ/360n
PLC 要和步进电机配合实现运动控制，还需要在PLC 内部进行一系列设定，或者是编制一定的程序。

不同的PLC 类型所要编制的程序不同，控制字也有不同，参考其说明书就可以知道这种差异。

另外，步进电机控制是要用高速脉冲控制的，所以PLC 必须是可以输出高速脉冲的晶体管输出形式，不可以使用继电器输出形式的PLC 来控制步进电机。

步进电机的原理与选择：
1.步进电机的工作原理
步进电机是数字控制系统中的执行电动机，当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲按某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。

因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制。

当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。

因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就能控制步进电动机的转速和转向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。

步进电动机的这种控制功能，是其它电动机无法替代的。

步进电动机可分为磁阻式、永磁式和混合式，步进电动机的相数可分为：单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。

增加相数能提高步进电动机的性能，但电动机的结构和驱动电源就会复杂，成本就会增加，应按需要合理选用。