S7-200 PLC在配送中心自動分揀系統(tǒng)中的應用
1、引言
自動分揀系統(tǒng)(Automatic sorting system)是先進配送中心所必需的設施條件之一。它具有很高的分揀效率,通常每小時可分揀商品6000-12000箱,可以說,自動分揀機是提高物流配送效率的一項關鍵因素。
目前自動分揀已逐漸成為主流,因為自動分揀是從貨物進入分揀系統(tǒng)送到指定的分配位置為止,都是按照人們的指令靠自動分揀裝置來完成的。這種裝置是由接受分揀指示情報的控制裝置、計算機網(wǎng)絡,把到達分揀位置的貨物送到別處的搬送裝置。由于全部采用機械自動作業(yè),因此,分揀處理能力較大,分揀分類數(shù)量也較多。
隨著社會的不斷發(fā)展,市場的競爭也越來越激烈,因此各個生產(chǎn)企業(yè)都迫切地需要改進生產(chǎn)技術,提高生產(chǎn)效率,尤其在需要進行材料分揀的企業(yè),以往一直采用人工分揀的方法,致使生產(chǎn)效率低,生產(chǎn)成本高,企業(yè)的競爭能力差,材料的自動分揀已成為企業(yè)的唯一選擇。
物料分揀采用可編程控制器PLC進行控制,能連續(xù)、大批量地分揀貨物,分揀誤差率低且勞動強度大大降低,可顯著提高勞動生產(chǎn)率。而且,分揀系統(tǒng)能靈活地與其他物流設備無縫連接,實現(xiàn)對物料實物流、物料信息流的分配和管理。
PLC控制分揀裝置涵蓋了PLC技術、氣動技術、傳感器技術、位置控制技術等內容,是實際工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)設備的微縮模型。應用PLC技術結合氣動、傳感器和位置控制等技術,設計不同類型材料的自動分揀控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的靈活性較強,程序開發(fā)簡單,可適應進行材料分揀的彈性生產(chǎn)線的需求。
2、材料分揀裝置結構及總體設計
要想進行PLC控制系統(tǒng)的設計,首先必須對控制對象進行調查,搞清楚控制對象的工藝過程、工作特點,明確控制要求以及各階段的特點和各階段之間的轉換條件。
2.1、材料分揀裝置工作過程概述
如圖1所示為本分揀裝置的結構示意圖。
圖1 材料分揀裝置結構示意圖
它采用臺式結構,內置電源,有步進電機、汽缸、電磁閥、旋轉編碼器、氣動減壓器、濾清器、氣壓指示等部件,可與各類氣源相連接。選用顏色識別傳感器及對不同材料敏感的電容式和電感式傳感器,分別固定在網(wǎng)板上,且允許重新安裝傳感器排列位置或選擇網(wǎng)板不同區(qū)域安裝。
系統(tǒng)上電后,可編程序控制器首先控制啟動輸送帶,下料傳感器SN檢測料槽有無物料,若無料,輸送帶運轉一個周期后自動停止等待下料;當料槽有料時,下料傳感器輸出信號給PLC,PLC控制輸送帶繼續(xù)運轉,同時控制氣動閥5進行下料,每次下料時間間隔可以進行調整。物料傳感器 SA為電感傳感器,當檢測出物料為鐵質物料時,反饋信號送PLC,由PLC控制氣動閥 1 動作選出該物料;物料傳感器SB為電容傳感器,當檢測出物料為鋁質物料時,反饋信號送PLC,PLC控制氣動閥2動作選出該物料;物料傳感器SC為顏色傳感器,當檢測出物料的顏色為待檢測顏色時,PLC控制氣動閥3動作選出該物料。物料傳感器SD為備用傳感器。當系統(tǒng)設定為分揀某種顏色的金屬或非金屬物料時,由程序記憶各傳感器的狀態(tài),完成分揀任務。
2.2、系統(tǒng)的設計要求
系統(tǒng)的設計要求主要包括功能要求和控制要求。
2.2.1、 功能要求
材料分揀裝置應實現(xiàn)基本功能如下:
第一,分揀出金屬和非金屬;
第二,分揀某一顏色塊;
第三,分揀出金屬中某一顏色塊;
第四,分揀出非金屬中某一顏色塊;
第五,分揀出金屬中某一顏色塊和非金屬中某塊一顏色。
2.2.2、 系統(tǒng)的控制要求
系統(tǒng)利用各種傳感器對待測材料進行檢測并分類。當待測物體經(jīng)下料裝置送入傳送帶后,依次接受各種傳感器檢測。如果被某種傳感器測中,通過相應的氣動裝置將其推入料箱;否則,繼續(xù)前行。其控制要求有如下9個方面:
第一,系統(tǒng)送電后,光電編碼器便可發(fā)生所需的脈沖;
第二,電機運行,帶動傳輸帶傳送物體向前運行;
第三,有物料時,下料汽缸動作,將物料送出;
第四,當電感傳感器檢測到鐵物料時,推汽缸1動作;
第五,當電容傳感器檢測到鋁物料時,推汽缸動作;
第六,當顏色傳感器檢測到材料為某一顏色時,推汽缸3動作;
第七,其他物料被送到SD 位置時,推汽缸4動作;
第八,汽缸運行應有動作限位保護;
第九,下料槽內無下料時,延時后自動停機。
3、控制系統(tǒng)的硬件設計
PLC控制系統(tǒng)的硬件設計,主要是根據(jù)被控制對象對PLC控制系統(tǒng)的功能要求,確定系統(tǒng)所需的用戶輸入、輸出設備,選擇合適的PLC類型,并分配I/O點。
PLC種類較多,主要有西門子、三菱、OMRON、FANAC、東芝等,但能配套生產(chǎn),大、中、小、微型均有配套且目前用得最廣泛的的主要是西門子、三菱、OMRON的PLC。在實際工作過程中,需要對整個控制過程進行監(jiān)控,運用組態(tài)軟件(MCGS)建立其實際的模型,并進行動態(tài)畫面的設定與數(shù)據(jù)報表的輸出,完成一個較完整的監(jiān)控界面。
3.1、 系統(tǒng)的硬件結構
設計系統(tǒng)的硬件結構框圖,如圖2 所示。
圖2 系統(tǒng)的硬件結構框圖
3.2、 系統(tǒng)關鍵技術
3.2.1、PLC的選擇
根據(jù)上面所確定的I/ O 點數(shù),且該材料分揀裝置的控制為開關量控制。綜合對比三菱FX系列(包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等)、西門子系列、OMRON系列中I/O點數(shù)為32點各型號的PLC的價格、性能、實用場合等各方面,選擇一般的小型機即可滿足控制要求。本系統(tǒng)選用西門子公司的S7-200系列CPU226 型PLC。
3.2.2、 PLC的輸入輸出端子分配
根據(jù)所選擇的PLC型號,對本系統(tǒng)中PLC的輸入端子分配如表1所示,輸出端子分配如表2所示。
表1 材料分揀裝置PLC 輸入端子分配表
西門子PLC(I/O) | 分揀系統(tǒng)接口(I/O) | 備注 | |
輸入部分 | I0.0 | UCP(計數(shù)傳感器) | 接旋轉編碼器 |
I0.1 | SN(下料傳感器) | 判斷下料有無 | |
I0.2 | SA(電感傳感器) | ||
I0.3 | SB(電容傳感器) | ||
I0.4 | SC(顏色傳感器) | ||
I0.5 | SD(備用傳感器) | ||
I0.6 | SFW1(推氣缸1動作限位) | ||
I0.7 | SEW2(推氣缸2動作限位) | ||
I1.0 | SFW3(推氣缸3動作限位) | ||
I1.1 | SFW4(推氣缸4動作限位) | ||
I1.2 | SFW5(下料氣缸動作限位) | ||
I1.3 | SBW1(推氣缸1回位限位) | ||
I1.4 | SBW2(推氣缸2回位限位) | ||
I1.5 | SBW3(推氣缸3回位限位) | ||
I1.6 | SBW4(推氣缸4回位限位) | ||
I1.7 | SBW5(下料氣缸回位限位) | ||
I2.0 | SB1(啟動) | ||
I2.1 | SB2(停止) |
表2 材料分檢裝置PLC輸出端子分配表
西門子PLC(I/O) | 分揀系統(tǒng)接口(I/O) | 備注 | |
輸出部分 | Q0.0 | M(輸送帶電機驅動器) | |
Q0.1 | YV1(推氣缸1電磁閥) | ||
Q0.2 | YV2(推氣缸2電磁閥) | ||
Q0.3 | YV3(推氣缸3電磁閥) | ||
Q0.4 | YV4(推氣缸4電磁閥) | ||
Q0.5 | YV5(下料氣缸電磁閥) |
3.2.3、 PLC的輸入輸出端子分配
根據(jù)表1可以繪制出PLC的輸入輸出接線端子圖,如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)的硬件結構框圖
4、 控制系統(tǒng)的軟件設計
軟件設計是PLC控制系統(tǒng)的核心,程序設計的主要任務是根據(jù)控制要求及工藝流程,畫出狀態(tài)流程圖并設計出梯形圖。
4.1、 控制系統(tǒng)流程圖設計
據(jù)系統(tǒng)生產(chǎn)工藝的要求,分析各個設備的操作內容和操作順序,如圖4。
圖4 控制系統(tǒng)流程圖
該系統(tǒng)可選擇連續(xù)或單次運行工作狀態(tài)。若為連續(xù)運行狀態(tài),則系統(tǒng)軟件設計流程圖中的汽缸4動作后,程序再轉到開始;若為單次運行,則汽缸4動作后停機。如果需要,該系統(tǒng)可在分揀的同時對分揀的材料進行數(shù)量的統(tǒng)計,這只需在各汽缸動作的同時累計即可。應用高速計數(shù)器編制程序,可以實現(xiàn)系統(tǒng)的定位控制功能。用高速計數(shù)器計數(shù)步進電機轉過的圈數(shù),來確定物料到達傳感器的距離,實現(xiàn)定位功能。定位時,電機停轉,計數(shù)器清零,傳感器開始工作,對物料進行分揀處理。 在汽缸1~3動作后,電機重新運行,高速計數(shù)器也重新計數(shù)。如果相應的傳感器沒有檢測到物體,則電機重新運行,高速計數(shù)器也重新計數(shù),繼續(xù)運行到下一位置。如果只對材料的某一特性進行分揀,比如只分揀金屬和非金屬,則只需對傳感器的安放或程序進行修改即可。
4.2控制系統(tǒng)程序設計
下面對所編寫梯形圖作簡要的介紹:
第一:以上為主程序,首先I2.0啟動后,M0.1得電并自鎖,為之后電動機得電做好準備,I2.1為停止按鈕。當PLC處于RUN模式時,SM0.1通電一個周期,Q0.0復位清零,并調用子程序。
第二:以上為子程序中的高速脈沖指令,該程序先將控制脈沖指令的特殊功能寄存器進行初始化,然后當I0.0(下料傳感器)檢測到有料時,啟動PLS(脈沖輸出)指令;如果I0.0檢測沒有物料時,啟動定時器T30,延時30秒自動停機。
第三:以上為子程序中的高速計數(shù)指令,首先進行高速計數(shù)指令的初始化操作,當電機旋轉時,帶動光電碼盤發(fā)出脈沖,并輸入PLC的接收端,由高速計數(shù)指令進行計數(shù),計算步進電機轉過的步數(shù),進行定位控制。其中設定預置值為50,當計數(shù)至50時,調用中斷程序。
第四:以上為中斷程序,當高速計數(shù)指令計數(shù)至預置值時,這時物料移動至傳感器的位置,M0.0得電,導致高速脈沖輸出停止,步進電機停轉。由于汽缸動作需要1秒,讓電機停轉一秒后繼續(xù)運轉。當物料被相應的傳感器檢測中后,相應的汽缸動作,將物料推下。I1.3,I1.4,I1.5,I1.6,I1.7為汽缸的回位限位開關,初始狀態(tài)為閉合,I0.6,I0.7,I1.0,I1.1,I1.2為汽缸的動作限位開關,初始狀態(tài)為關斷。汽缸動作時,回位限位開關關斷,到達動作限位開關時,動作限位開關閉合。
結 論
物料分揀采用可編程控制器PLC進行控制,能連續(xù)、大批量地分揀貨物,分揀誤差率低且勞動強度大大降低,可顯著提高勞動生產(chǎn)率。而且,分揀系統(tǒng)能靈活地與其他物流設備無縫連接,實現(xiàn)對物料實物流、物料信息流的分配和管理。其設計采用標準化、模塊化的組裝,具有系統(tǒng)布局靈活,維護、檢修方便等特點,受場地原因影響不大。同時,只要根據(jù)不同的分揀對象,對本系統(tǒng)稍加修改即可實現(xiàn)求。
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