基于PLC的自动分拣控制系统论文

摘 要

分拣控制系统在社会各行各业如：物流配送中心、邮局、采矿、港口、码头、仓库等行业得到广泛运用，分拣系统能够大大提高企事业单位该环节的生产效率。

本文在对熟悉了自动及分拣系统的原理的基础上，根据一定的分拣要求,对材料分拣进行了以三菱PLC为控制核心，MCGS组态软件为监控软件，设计出材料分拣控制系统的控制系统和监控系统。该材料分拣系统以PLC为主控制器,结合气动装置、传感器技术、组态监控等技术,可以进行现场控制产品的自动分拣。系统具有自动化程度高、运行稳定、分拣精度高、易控制的特点,对不同的分拣对象,稍加修改本系统即可实现要求。

对本系统完成其设计之后，进行了整体调试。在硬件部分，调试其各部分安装的位置及角度，使其材料物块的运行与传感器安装的角度适合。将硬件各部分的动作幅度进行调试之后，进行了软硬件综合调试，实现材料分拣系统中上料、传送与分拣的全过程。

关键词： 材料分拣 传感器 气动装置 PLC MCGS组态软件

I

Abstract:

Sorting control system in all sectors of society such as: logistics and distribution center, post office, mining, ports, terminals, warehouses and other industries are widely used, we can see that the sorting system can greatly improve the level of production enterprises efficiency.

Familiar with the goods in the automatic and sorting system principle foundation, according to certain request to sort the mitsubishi PLC as control core, Mcgs software for monitoring software, the design gives material sorting control system. The transport of goods and materials sorting system mainly by PLC controller, combined with pneumatic device, the sensor technology, configuration and monitoring technology, on-site control product automatic sorting. System has a high degree of automation, stable operation and high precision, easy control sorting based on the features of different sorting object, slightly modifying the system can be realized requirements.

After completed its design of the system, executing the overall commissioning. In hardware, testing the installation location and angle of the various parts to make it run the block material and the angle of the sensor suitable for installation. After the various parts of the hardware debug range of motion, integrating hardware and software debugging to achieve material sorting system, feeding, delivery and sorting of the entire process

Key words: Material sorting sensor Pneumatic device

PLC Mcgs software.

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徐州师范大学本科生毕业设计 基于PLC的自动分拣控制系统设计 目 录

摘 要 ............................................... I Abstract: ..............................................II

1 绪论 ............................................... 1

1.1 分拣系统基本介绍 ........................................... 1 1.2 分拣系统的意义 ...................................... 3 1.3 本文研究的主要内容 .................................. 4

2 分拣系统中硬件设计 ................................. 6

2.1 PLC的选型 ................................................. 6

2.1.1 PLC的分类 .......................................... 6 2.1.2 PLC种类及型号选择 ................................... 7 2.2 传感器的选择 ....................................... 7

2.2.1传感器的简介 ........................................ 7 2.2.2传感器的选择 ........................................ 9 2.3 驱动部分的分析与选择 ...................................... 10 2.4 执行机构的选择 ............................................ 11 2.5 硬件设计及实际模型的建立 .................................. 12 2.6 其他元器件及其选择 ........................................ 13 2.7 I/O口的选择及PLC接线 .................................... 15

3 自动分拣系统的软件设计 ............................ 18

3.1 可编程控制器（PLC）简介 ................................... 18 3.2 分拣系统的控制要求及其流程图 .............................. 21 3.3 软件设计及编程 ............................................ 23 3.4 材料分拣系统的调试 ........................................ 26

4 监控画面的设计 .................................... 31

4.1 组态控制技术 .............................................. 31 4.2 模型的建立 ................................................ 32 4.3 动画连接 .................................................. 34

III

徐州师范大学本科生毕业设计 基于PLC的自动分拣控制系统设计 4.4 数据报表输出 .............................................. 37 4.5 PLC与组态软件之间的通信 .................................. 38

5 结论与展望 ........................................ 44 致 谢 .............................................. 46 参考文献 ............................................ 45

IV

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1 绪论

1.1 分拣系统基本介绍

自动分拣系统(Automatic sorting system)是先进配送中心所必需的设施条件之一。它具有很高的分拣效率，通常每小时可分拣商品6000-12000箱，可以说，自动分拣机是提高物流配送效率的一项关健因素。它是二次大战后在美国、日本的物流中心中广泛采用的一种自动分拣系统，该系统目前已经成为发达国家大中型物流中心不可缺少的一部分。

自动分拣机是自动分拣系统的一个主要设备。它本身需要建设短则40-50米，长则150-200米的机械传输线，还有配套的机电一体化控制系统、计算机网络及通信系统等，这一系统不仅占地面积大（动辄20000平方米以上），而且还要建3-4层楼高的立体仓库和各种自动化的搬运设施（如叉车）与之相匹配，这项巨额的先期投入通常需要花10-20年才能收回。

该系统的作业过程可以简单描述如下：物流中心每天接收成百上千家供应商或货主通过各种运输工具送来的成千上万种商品，在最短的时间内将这些商品卸下并按商品品种、货主、储位或发送地点进行快速准确的分类，将这些商品运送到指定地点（如指定的货架、加工区域、出货站台等），同时，当供应商或货主通知物流中心按配送指示发货时，自动分拣系统在最短的时间内从庞大的高层货存架存储系统中准确找到要出库的商品所在位置，并按所需数量出库，将从不同储位上取出的不同数量的商品按配送地点的不同运送到不同的理货区域或配送站台集中，以便装车配送。

自动分拣系统一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口组成。 控制装置的作用是识别、接收和处理分拣信号，根据分拣信号的要求指示分类装置、按商品品种、按商品送达地点或按货主的类别对商品进行自动分类。这些分拣需求可以通过不同方式，如可通过条形码扫描、色码扫描、键盘输入、重量检测、语音识别、高度检测及形状识别等方式，输入到分拣控制系统中去根据对这些分拣信号判断，来决定某一种商品该进入哪一个分拣道口。

分类装置的作用是根据控制装置发出的分拣指示，当具有相同分拣信号的商品经过该装置时，该装置动作，使改变在输送装置上的运行方向进入其它输送机或进入分拣道口。分类装置的种类很多，一般有推出式、浮出式、倾斜式和分支

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式几种，不同的装置对分拣货物的包装材料、包装重量、包装物底面的平滑程度等有不完全相同的要求。

输送装置的主要组成部分是传送带或输送机，其主要作用是使待分拣商品贯通过控制装置、分类装置，并输送装置的两侧，一般要连接若干分拣道口，使分好类的商品滑下主输送机（或主传送带）以便进行后续作业。

分拣道口是已分拣商品脱离主输送机（或主传送带）进入集货区域的通道，一般由钢带、皮带、滚筒等组成滑道，使商品从主输送装置滑向集货站台，在那里由工作人员将该道口的所有商品集中后或是入库储存，或是组配装车并进行配送作业。

以上四部分装置通过计算机网络联结在一起，配合人工控制及相应的人工处理环节构成一个完整的自动分拣系统。

1.2 分拣系统的意义

二次大战以后，自动分拣系统逐渐开始在西方发达国家投入使用，成为发达国家先进和物流中心，配送中心或流通中心所必需的设施条件之一。

（1）能连续、大批量地分拣货物 由于采用大生产中使用的流水线自动作业方式，自动分拣系统不受气候、时间、人的体力等的限制，可以连续运行，同时由于自动分拣系统单位时间分拣件数多，它可以连续运行100个小时以上，每小时可分拣7000件包装商品，如用人工分拣则每小时只能分拣150件左右，同时分拣人员也不能在这种劳动强度下连续工作8小时。

（2） 分拣误差率极低 自动分拣系统的分拣误差率大小主要取决于所输入分拣信息的准确性大小，这又取决于分拣信息的输入机制，如果采用人工键盘或语音识别方式输入，则误差率在3%以上，如采用条形码扫描输入，除非条形码的印刷本身有差错，否则不会出错。因此，目前自动分拣系统主要采用条形码技术来识别货物。

（3）分拣作业基本实无人化 国外建立自动分拣系统的目的之一就是为了减少人员的使用，减轻工员的劳动强度，提高人员的使用效率，因此自动分拣系统能最大限度地减少人员的使用，基本做到无人化。分拣作业本身并不需要使用人员，人员的使用仅局限于送货车辆抵达自动分拣线的进货端时，由人工接货，由人工控制分拣系统的运行，分拣线末端由人工将分拣出来的货物进行集载、装

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车，自动分拣系统的经营、管理与维护。

如美国一公司配送中心面积为10万平方米左右，每天可分拣近40万件商品，仅使用400名左右员工，自动分拣线做到了无人化作业。

对于分拣系统的应用前景，主要着眼于分拣系统的可靠性，优越性，应用领域的适用性以及系统的经济效益、成本等方而来考虑。

但因分拣系统其要求使用者必须具备一定的技术经济条件，因此，在发达国家，物流中心、配送中心或流通中心不用自动分拣系统的情况也很普遍。对于自动分拣系统因其自身存在的一些问题，在一定程度上限制了其应用的领域及其范围。在引进和建设自动分拣系统时一定要考虑以下条件：

自动分拣系统的一次性投资巨大，其本身需要建设短则40~50米，长则150~200米的机械传输线，还有配套的机电一体化控制系统、计算机网络及通信系统等，这一系统不仅占地面积大，动辄2万平方米以上，而且一般自动分拣系统都建在自动主体仓库中，这样就要建3~4层楼高的立体仓库，库内需要配备各种自动化的搬运设施，这丝毫不亚于建立一个现代化工厂所需要的硬件投资。这种巨额的先期投入要花10~20年才能收回，如果没有可靠的货源作保证，则有可能系统大都由大型生产企业或大型专业物流公司投资，小企业无力进行此项投资。

它对商品外包装要求也很高，自动分拣机只适于分拣底部平坦且具有刚性的包装规则的商品。袋装商品、包装底部柔软且凹凸不平、包装容易变形、易破损、超长、超薄、超重、超高、不能倾覆的商品不能使用普通的自动分拣机进行分拣，因此为了使大部分商品都能用机械进行自动分拣，可以采取二条措施：一是推行标准化包装，使大部分商品的包装符合国家标准；二是根据所分拣的大部分商品的统一的包装特性定制特定的分拣机。但要让所有商品的供应商都执行国家的包装标准是很困难的，定制特写的分拣机又会使硬件成本上升，并且越是特别的其通用性就越差。因此公司要根据经营商品的包装情况来确定是否建或建什么样的自动分拣系统[6] 。

1.3 本文研究的主要内容

在本文中，以货物材料的分拣系统为例，详细的分析了在基于PLC控制的自动分拣系统的设计，文中介绍了分拣系统中信号的采集分析中传感器的一些基

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本知识，并通过要求与比较，确定了硬件系统中的一些元器件的选择与确定了PLC的选型。

在介绍了一些PLC与组态软件的基本知识后，对本课题进行硬件与软件设计，设计出主电路与控制回路，并建立了实际的模型，在软件设计中，确定了I/O分配，并按照控制要求设计出了PLC梯形图。

在实际工作过程中，需要对整个控制过程进行监控，运用组态软件(MCGS)建立其实际的模型，并进行动态画面的设定与数据报表的输出，完成一个较完整的监控界面。

在本系统完成其设计之后，对其进行整体调试。在硬件部分，调试其各部分安装的位置及角度，使其材料物块的运行与传感器安装的角度适合。将硬件各部分的动作幅度进行调试之后，进行了软硬件综合调试，实现材料分拣系统中上料、传送与分拣的全过程。

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2 分拣系统中硬件设计

2.1 PLC的选型

2.1.1 PLC的分类

目前，在我国PLC的分类还没有一个统一的标准。根据性能和应用范围可将其进行如下分类。

1、按性能分类

根据PLC的I/O点数、用户程序存储器容量和控制功能的不同，可将其分为小型、中型和大型二类。

小型PLC又称低档PLC，它的I/O点数小于128点，用户程序存储器容量小于4K字，功能简单，以开关量控制为主，可实现条件控制、顺序控制、定时记数控制。适用于单机或小规模生产过程。中型PLC又称中档PLC，它的I/O点数在128~512点之间，用户程序存储器容量为4K~8K字，功能比较丰富、兼有开关量和模拟量的控制能力，具有浮点数运算、数制转换、中断控制、通信联网和PID调节等功能。适用于小型连续生产过程的复杂逻辑控制和闭环过程控制。

大型PLC又称高档PLC，它的I/O点数在512点以上，用户程序存储器容量达到8K字以上，控制功能完善，在中档机的基础上，扩大和增加了函数运算、数据库、监视、记录、打印及中断控制、智能控制、远程控制的功能。适用于大规模的过程控制、集散式控制系统和工厂自动化网络。

2、按结构分类

根据PLC的构成形式，可将PLC分为整体式和机架式 (模块式)两大类。整体式PLC是将CPU、存储单元、输入输出模块和电源部件集中配置在一个机箱内。这种PLC输入输出点数少、体积小，价格低，便于装入设备内部。小型PLC通常采用这种结构。机架式PLC将各单元做成独立的模块，使用时将这些模块分别插入机架底板的插座上。可根据生产实际的控制要求建立模块，构成不同的控制系统。这种PLC输入输出点数多，配置灵活方便，易于扩展。大中型PLC通常采用这种结构。

3、按应用范围分类

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根据应用范围的不同，可将PLC分为通用型和专用型两类。通用型PLC作为标准工业控制装置可在各个领域使用，而专用型PLC是为了某类控制要求专门设计的PLC，如数控机床专用型、锅炉设备专用型、报警监视专用型等。由于应用的专一性，使其控制质量大大提高[9] 。

2.1.2 PLC种类及型号选择

PLC种类较多，主要有西门子、三菱、OMRON、FANAC、东芝等，但能配套生产，大、中、小、微型均有配套且目前用得最广泛的的主要是西门子、三菱、OMRON的PLC。根据系统中的控制要求PLC点数：实际输入点15点，实际输出点8点，综合对比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西门子系列、OMRON系列中I/O点数为32点各型号的PLC的价格、性能、实用场合等各方面，本系统可选择PLC型号为：FX2N—32MR，合计总数32点—16点输入，DC24V，16点继电器输出；尺寸（mm）：220×87×90，其性能、价格都优于其他PLC。

FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列，它能最大范围地包容了标准特点，程式执行更快，全面补充通讯功能，适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化控制应用提供最大的灵活性和控制能力。FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。由于FX2N系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。

该型号PLC有16个输入节点，16个输出节点，能够满足系统要求并留有一定的余量。

2.2 传感器的选择

2.2.1 传感器的简介

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、

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存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感器是一个完整的测量装置（或系统），能把被测非电量转换为与之有确定关系的有用电量输出，以满足信息的传输处理、记录、显示和控制等要求。[3]

传感器一般由敏感元件、变换元件和其他辅助元件组成。但是随着传感器集成技术的发展，传感器的信号调理与转换电路也会安装在传感器的壳体内或者与敏感元件集成在同一芯片之上。因此，信号调理电路以及所需辅助电源都应作为传感器组成的一部分，如图2-1所示。

辅助电源被测量敏感元件非电量变换元件电参量信号调理与转换电路电量

图2-1 传感器的组成示意图

敏感元件——感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量的元件，如膜片和波纹管，可以把被测压力变成位移量。若敏感元件能直接输出电量（如热电偶），就兼为传感元件了。还有一些新型传感器，如压阻式和谐振式压力传感器、差动变压器式位移传感器等，其敏感元件和传感器就完全是融为一体的。

变换元件——又称传感元件，是传感器的重要组成元件。它可以直接感受被测量（一般为非电量）且输出与被测量成确定关系的电量，如热电偶和热敏电阻。传感元件也可以不直接感受被测量，而只感受与被测量成确定关系的其他非电量。例如，差动变压器式压力传感器，并不直接感受压力，而只是感受与被测压力成确定关系的衔铁位移量，然后输出电量。一般情况下使用的都是这种传感元件。

信号调理与转换电路——能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用信号的电路。信号调理与转换电路根据传感元件类型的不同有很多种类，常用的电路有电桥、放大器、振动器和阻抗变换器等。

传感器根据使用要求的不同，可以做的很简单，也可以做的很复杂；可以使

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带反馈的闭环系统，也可以是不带反馈的开环系统。因此，传感器的组成将依不同的情况而有所差异[2] 。

2.2.2 传感器的选择

传感器是将被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。它主要被用于检测系统本身与作业对象、作业环境的状态，为有效地控制系统的动作提供信息。

根据本设计的要求需要对位置检测装置、视觉传感器进行选用。位置检测装置检测气缸动作是否到位，视觉传感器是为了完成对物料的识别。 （1）位置检测装置

在本设计中，当气缸执行动作时，应有相应的位置检测装置检测动作是否到位，常用的位置检测装置是行程开关。行程开关又称限位开关，是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。行程开关的品种规格很多，按其操作结构可分为直动、滚轮直动、杠杆单、双轮等。选用行程开关时，应根据不同使用场合，满足各方面的要求来进行选择。

本设计中采用直线接触式磁感应开关检测气缸回位动作是否到位，当运动到指定位置时，碰到行程开关，终结上一个动作，准备执行下一个动作。

（2）视觉传感器

系统视觉的作用就是最大程度模仿人的眼睛，能够对不同的物体进行识别，本系统采用材质传感器和颜色传感器，对物料进行分拣。

电感式接近开关属于有开关量输出的位置传感器，用来检测金属物体。它由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电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化。由此，可识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。本系统用该器件来检测铁质材料。

电容传感器也属于具有开关量输出的位置传感器，是一种接近式开关。它的测量头通常是构成电容器的一个极板,而另一个极板是待测物体的本身。当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电

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路状态也随之发生变化。由此，便可控制开关的接通和关断。本装置中电容传感器是用于检测铝质材料[1] 。

根据不同物料有不同的颜色，可以针对一种颜色的物料进行拣出。颜色传感器同样也属于具有开关量输出的位置传感器。它是在Si等多数光电二极管之前，分别放置R（红）、G（绿）、B（蓝）三种颜色的彩色滤光器，以便处理各自的输出信号并识别彩色的方法。材料分拣系统采用它主要是用来识别红色与绿色的材料。

目前，用于颜色识别的传感器有两种基本类型：①色标传感器，它使用一个白炽灯光源或单色LED光源；②RGB（红绿蓝）颜色传感器，它检测物体的对三基色的反射比率，从而鉴别物体颜色。这类装置许多是温反射型、光束型、光纤型的，封装在各种金属和聚碳酸脂外壳中。典型的输出有：NPN和PNP、继电器和模拟输出。

为了便于PCL控制程序的编写，利于公司企业的经济效益，综合其各种情况，在本设计，选择RGB颜色传感器着为识别物料颜色的装置，继电器输出方式，便于PLC控制系统的简单化，控制系统更容易实现[4~5] 。

2.3 驱动部分的分析与选择

系统的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置，其驱动系统根据动力源的不同，分为液压、气压、电气、机械、气液联合和电液联合等多种方式。目前采用的主要有液压、气压、电气这三种驱动方式。

液压驱动，功率重量比大，可实现频繁平稳的变速和换向，容易实现过载保护，可自行润滑，使用寿命长。但也存在其油液容易泄露污染环境，需要配备油源，成本较高，工作噪声较大。

电气驱动，控制精度高，驱动力较大，响应快，信号检测、传递、处理方便。但是由于这种驱动方式价格昂贵，限制了在一些场合的应用。因此，人们寻求其他一些经济适用的驱动方式。

气压驱动具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强、在工业机械手中应用较多。另一方面，气动技术作为“廉价的自动化技术”，由于其元器件性能的不断提高，生产成本的不断降低，被广泛应用于现代化工业生产领域。在现代化的成套设备与自动化生产线上，几乎都配有气动系统。气动机

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械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要使用工具。表2-1给出了各种控制方式的比较：

表2-1 各种控制方式的比较

项目 系统结构 安装自由度 输出力 定位精度 动作速度 响应速度 清洁度 维护 价格 技术要求 控制自由度 危险性 气压传动 简单 大 稍大 一般 大 慢 清洁 简单 一般 较低 大 几乎无问题 液压传动 复杂 大 大 一般 稍大 快 可能有污染 比气动复杂 稍高 较高 大 注意着火 电气传动 复杂 中 小 很高 大 快 清洁 需要专门技术 高 最高 中 一般无问题 机械传送 较复杂 小 不太大 高 小 中 较清洁 简单 一般 较低 小 无特殊问题 通过以上三种驱动方式的比较选用气动驱动的方式，不仅能够满足了本设计的要求，而且节约了成本[16~18] 。

2.4 执行机构的选择

在气压传动系统中，组成气动回路是为了驱动用于各种不同目的机械装置，其最重要的三个控制内容是：力的大小、运动的方向和运动的速度。与生产装置相连接的各种类型的气缸，靠压力控制阀、方向控制阀和流量控制阀分别实现对三个内容的控制，正是利用它们组成了各种气动控制回路。现今各控制系统中用于分拣物料的执行机构主要有以下几种： （1）机械手夹持式

夹持式手部的结构与人手类似，是工业机械广泛应用的一种手部形式。它主要由手指、传动机构、驱动机构组成。其又可分为内撑式、外夹式和内外夹持式，区别在于夹持工件的部位不同，手爪动作方向相反。夹持式手部设计时应注意以下事项：①手指应有一定的开闭范围；②手指应具有适当的夹紧力；③要保证工

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件在手指内的定位精度；④结构紧凑，重量轻，效率高；⑤通用性和可换性。[19]

（2）气吸式

气吸式手部又称为真空吸盘式手部，它是通过吸盘内产生真空或负压，利用压差而将工件吸附，是工业机械手常用的一种吸持工件的装置。它由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，具有结构简单、质量轻、不易损伤工件、使用方便可靠等优点；但要求工件上与吸盘接触的部位光滑平整、清洁、被吸附工件材质致密，没有透气空隙。主要适应于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、纸张及塑料等表面光滑工件的抓取。

气吸式又可分为：负压吸盘：真空式、喷气式、自挤式空气吸盘；磁力吸盘：永磁吸盘、电磁吸盘。真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附头的空气而形成真空，故称真空式。喷气式吸附的工作原理是当压缩空气高速进入喷嘴时，由于管路的开始段截面积是逐渐收缩的，所以气流速度逐渐增大，在吸气口处形成负压。吸附头与吸气口连同，故形成真空，以吸住工件。自挤式空气吸盘是将软质吸盘按压在工件的表面，挤出吸盘内的空气、从而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的导磁性，利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附材料工件。 （3）气缸式

气缸输出直线往复式气缸是气动执行元件之一。目前最常选用的是标准气缸，其结构和参数都已系列化、标准化、通用化。水平伸缩气缸选用单活塞杆双作用气缸。单活塞杆双作用气缸一般由缸筒、前后缸盖、活塞、活塞杆、密封件和紧固件等组成。其工作原理：对于前伸/回缩气缸，当左侧无杆腔进气，右侧有杆腔排气时活塞杆前伸，反之，活塞杆回缩；对于上升/下降气缸，当上侧无杆腔进气，下侧有杆腔排气时，活塞杆下降，反之活塞杆上升。

当气缸动作时动作限位开关断开，气缸快速弹出，此时先导式电磁阀复位，当气压太大时而气缸没有复位时气缸复位限位开关感应动作从而关闭先导式电磁阀从而起到保护气缸的作用。气缸式的执行机构动作比较稳定，易于维修，控制过程简单，所以该材料分拣系统执行机构选择气缸推动式[15] 。

2.5 硬件设计及实际模型的建立

材料分拣机的PLC控制用于对相关材料的自动化分拣，其硬件结构框图如图2-2所示。

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下料传感器可编程控制器PLC电机及下料气缸电感传感器气缸1电容传感器气缸2颜色传感器气缸3气缸压缩机接近开关气缸4

图2-2 系统的硬件结构框图

根据材料分拣系统的结构框图，可得出其结构示意图如图2-3所示。按下启动按钮后，电动机M运行，绿灯L2亮，传送带运转，表示可以进物料。材料经传感器对其进行识别，检测其分别为铁质、铝质、红色，其相对应的气缸进行动作，将材料推入滑槽内，若不是上述的几种材料，则最后剩余的气缸动作，将其推入滑槽内，以完成对其的分拣。

指示灯L1指示灯L2传感器气缸物料电机M铁质铝质红色其他传送带滑槽

图2-3 材料分拣系统的示意图

2.6 其他元器件及其选择

料槽是一个材料手动入库而自动出库的装置，底部有一个光电传感器。使用时可先人为地将材料放入料槽中，此时光电传感器检测到料块时系统开始运行。当系统运行时，启动传送带并由出料气缸将料库内底层材料推入传送带。传送带

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是由单向感应电机驱动的皮带式输送装置。

调压阀、空气滤器与气压指示仪表集中于一个模块上，它们接收来自气源的气压并传送到下面的5个气阀中。调节调压阀降压，使其输出压力与每台气动设备和装置所需要的压力一致，并保持该压力的稳定。空气过滤器作用是滤除压缩空气中的水分、油滴以及杂质微粒等危害，以达到系统要求的净化程度。油雾器是一种特殊的注油装置，它以压缩空气为动力，将润滑油喷成雾状并混合于压缩空气中，并随空气进入需要润滑的部件，达到润滑的目的，使压缩空气具有润滑气动元件的能力。

自动分选部分由传感器、先导式电磁换向阀、气缸及导料轨道组成。当传感器检测到相应料块时，对应的先导式电磁换向阀动作驱动气缸动作将其推人应去的滑道。例如：当电感传感器感应到铁块时，对应的气缸动作，将铁块推入对应的导料轨道。

导料轨道主要作用是当气缸推出材料时导出材料。单向感应电动机作为执行机构用于带动传输带输送物料前行。内置电源可以将220交流电转换成24伏的直流电供给各个传感器与气阀以及转接板上的各个指示灯，同时也为单向感应电动机提供稳定的220伏电压。

控制器采用三菱FX2N---32MR型PLC。它接受料槽光电传感器、各材料传感器、先导式电磁换向阀、感应电动机、气缸位置传感器的信号，根据要求分别控制输送带电机和各电磁阀动作。

本系统共设置了三个检测材料的传感器，同时预留了一个空余的气阀与气缸用来添加其它的传感器。用户可以根据自己的需求选择相应的传感器安装即可。

如表2-2给出系统中主要的元器件清单：

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表2-2 主要元器件清单

序号 1 2 3 4 名称 PLC 静音空气压缩机 气阀 气缸 磁感应开关 型号 FX2N-32MR FB-0.048/7 SVK0120 SCDJB10-45S 数量 1 1 5 5 备注 品牌或 公司 5 D-C73 5 6 接近开关 CAT2-12GM 5 1 1 1 1 7 光电开关 E3R-5DE4 电感式接7 BLJ18A4-8-Z/B1Z 传感器 8 9 电容式传感器 颜色传感器 E2K-X81ME1 E3S-VS1E4 10 电动机 YN60-6 1 11 内置电源 MD35-34 1 11 12 滑槽 传送带 4 1 16输入，16输出， 继电三菱 器输出形式 噪音低、性能稳定、工作韩国安全可靠,功率0.55KW SANWO 先导式电磁换向阀, 交韩国流：110v,220v（50hz） SANWO 直流：24V 产品与气阀的型号相配韩国套，推动物料进行分拣 SANWO 额定电压：DC24V AC110V额定电流：DC：5～易电国际40mA AC: 5～20mA 集团 气缸回位限位开关 静电容量式接近开关 易电国际判断物料是否到位 集团 判断有无物料 欧姆龙 额定电压：DC：6～36V 百斯特 额定电流：300mA 静电容量型近接开关 额定电压：DC12～欧姆龙 24V(DC10～30V) 额定电压：DC：12～24V欧姆龙 额定电流：400mA 感应电动机减速电机性LINIX 能参数 功率：6W 电压：温岭市永110V 频率：50HZ 电流：久电子器0.20A 额定转速：械厂 1440r/min 输入电压：AC220伏 ±15% DADONG 输出电压：DC24伏 青岛锐诚德仓储物铝合金 流设备有限公司 2.7 I/O口的选择及PLC接线

根据材料分拣系统的工作过程由可知，系统的控制有输入信号15个，均为

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开关量。输出信号有8个，其中一个控制电动机，两个控制指示灯，剩下的控制气阀，也都是开关量。

根据分拣系统的需要配置出I/O对应功能，列表如表2-3所示：

表2-3 分拣系统I/O口配置

三菱PLC(I/O) X00 X01 X02 X03 输 入 部 分 X04 X05 X06 X07 X10 X11 X12 X13 X14 X15 X17 Y00 Y01 输 出 部 分 Y02 Y03 Y04 Y05 Y06 Y07 分拣系统接口(I/O) SB1 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SA SB SC SN SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SB2 YV1 YV2 YV3 YV4 YV5 M LD1 LD2 备注 启动按钮 上料物料接近开关 铁质物料接近开关 铝质物料接近开关 绿色物料接近开关 电感传感器 电容传感器 颜色传感器 判断下料有无（光电传感器） 上料气缸回位限位开关 铁质物料气缸回位限位开关 铝质物料气缸回位限位开关 红色物料气缸回位限位开关 其他物料气缸回位限位开关 停止按钮 上料先导式电磁换向阀 铁质物料先导式电磁换向阀 铝质物料先导式电磁换向阀 红色物料先导式电磁换向阀 其他物料先导式电磁换向阀 传送带 红色指示灯 绿色指示灯 16

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根据控制要求可得PLC系统的接线图如图2-4所示

SB1SQ1SQ2SQ3SQ4SASBSCSNSW1SW2SW3SW4SW5SB2X00X01X02X03X04X05X06X07X10X11X12X13X14X15Y00YV1Y01YV2PY02YV3Y03YV4LY04YV5Y05KMY06L1CY07L2COM1X17COMCOM2

图2-4 PLC系统外部接线图

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3.3 软件设计及编程

三菱电机公司提供专用的编程软件。早期是MEDOC，目前是GPPW编程软件和SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件包。GX编程软件（GX开发器）可以用于生成涵盖所有三菱电机公司PLC设备的软件包，使用该软件可以为FX/A/QnA/Q系列PLC生成程序。GX使用Windows操作平台，用梯形图、指令表或者SFC进行编程，程序可以与原先包括基于DOS操作系统的程序在内的编程软件相兼容。

三菱SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件如图3-3是应用于FX系列PLC的中文编程软件，可在Windows 9x或Windows 3.1及以上操作系统运行。材料分拣系统采用该软件作为编程软件[10] 。

图3-3 SWOPC-FXGP/WIN-C 窗口

根据分拣系统的要求设计出梯形图，梯形图的程序如下：

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图3-4 分拣系统的梯形图的程序

当程序设计好之后必须下载到PLC中才可以运行系统，下载时使用的是三菱PLC专用的编程电缆SC—09。这根电缆的一端是接电脑的RS232串口，一端接在PLC的RS422通讯串口上。当电缆接好之后，打开软件，进入要下载的文件。先转换文件，然后选择菜单栏里的“PLC”选择“传送”-“写入”，便可以下载程序到PLC中。传送程序时，应注意以下问题：

1） 计算机的RS-232端口及PLC之间必须用指定的缆线及转换器连接； 2） 执行完“读入”后，计算机中的程序将被丢失，原有的程序将被读入的程序所替代，PLC模式改变成被设定的模式；

3） 在“写出”时，PLC应停止运行，程序必须在RAM或EE-PROM内存保护关断的情况下写出，然后进行校验[11] 。

PLC程序的传送如图3-5所示：

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图3-5 PLC程序的传送

3.4 材料分拣系统的调试

在软件与硬件都已经准备好之后，开始对系统进行调试。这个过程便于我们发现问题与不足。通上电源，观察指示灯，一切正常之后开始加材料。

通过运行，在材料加入料槽后发现材料容易被气缸打飞。从两个方面解决这个问题，首先调低气缸的气压，但气压波动较大，仍然无法解决问题；从另一个方面入手在出槽口的一端加上挡板，通过试验，大部分材料可以正常步入传送带。此问题顺利得到解决。将气源送上。调节气动阀气源管上的螺栓即可调节气动阀的动作力度，直至气动阀的动作力度合适为止。

材料随传输带传送到传感器时，传感器并不能感应到材料，说明传感器与物体的距离不适合。通过多次调试找到了适合的位置，即传感器的底部与传送带的距离。传感器通过在通电状态下，将待分拣的物料块放置在传送带上，通过不停调节电位器，观察监控画面的对应开关的通断，并通过调节角度等将传感器调节

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至最佳状态。电感传感器与传送带最合适距离为28CM，电容传感器与传送带最佳距离为25CM。颜色传感器最合适距离为30CM，

传感器对应的各个气缸在感应到材料后便开始动作，但由于气压的原因，材料不是被打飞，就是根本没有触到材料。首先将总气源的气压稳定在2.5Mp, 然后逐个调试气阀的进气开关，使气缸的气量保留在合适适中的位置。在软件与硬件都已经准备好之后，开始对系统进行调试。

将硬件各部分的动作幅度进行调试之后，运行PLC程序，进行软硬件的结合，观察材料分拣系统中上料、传送与分拣的过程，完成系统的调试。

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4 监控画面的设计

4.1 组态控制技术

工控组态软件能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。

本系统采用MCGS作为上位机的监控软件。材料分拣MCGS组态软件设计是对分拣系统的实时采集以及监控，从而实现操作者可以远离操作现场就能实现对生产线的控制。组建工程的总体规划是先建立一个用户窗口，其次是编辑画面和定义数据对象，再次是动画连接和编写控制流程，最后是设备的连接和调试。MCGS组态软件是由北京昆仑自动化有限公司研制开发的，其英文全称为Monitor and Control Generated System，即“监视与控制通用系统”。MCGS系统包括组态环境和运行环境两部分。

用户的所有组态配置过程都在组态环境中运行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户组态生成的结果是一个数据库文件，称为组态结果数据库。

运行环境是一个独立的运行系统，按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义，必须与组态结果数据库一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。一旦组态工作完成，运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算机上。

组态结果数据库完成了MCGS系统从组态环境向运行环境的过渡，它们之间的关系如图4-1所示。

组态环境：组态生成应用系统 运行环境：解释执行组态结果组态结果数据库

图4-1 组态环境向运行环境的过渡

由MCGS生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分组成，如图4-2所示。其中，运行时只有用户窗口是可见的，常被称为“前台”，其余部分被称为“后台”[29] 。

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MCGS主控窗口设备窗口用户窗口实时数据库运行策略系统菜单设备构件1图元数据对象启动策略??循环策略图符报警处理退出策略系统参数启动参数设备构件n动画构件存盘处理自定义策略

图4-2 MCGS组态环境的结构

MCGS的主要特点和基本功能如下：

（1）简单灵活的可视化操作界面。MCGS采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，符合中国人的使用习惯和要求，以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS的组态工作既简单直观，又灵活多变。

（2）丰富、生动的多媒体画面。MCGS以图像、图符、报表、曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的状态、品质及异常报警等有关信息;通过对图形大小的变化、颜色的改变、明暗的闪烁、图形的移动翻转等多种乎段，增强画面的动态显示效果。

（3）实时数据库为用户分步组态提供极大方便。MCGS构成的五个部分中实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性构件的公用数据区，是整个系统的核心。

总之，MCGS组态软件功能强大，界面友好。同时使用MCGS组态软件能够避开复杂的计算机软、硬件问题，集中精力去解决工程问题本身，组态配制出高性能、高可靠性和高度专业化的工业控制监控系统[27] 。

4.2 模型的建立

打开MCGS组态环境这个软件，进入它的主界面。设计出监控的画面如下：

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图4-3 监控的主控画面

在上图中，材料分拣系统的各部分的结构如下： 1、转接面板 2、单向感应电动机 3、三菱PLC

4、调压阀、空气滤器、油雾器与气压指示表 5、内置电源 6、传送带 7、挡板 8、料槽

9、先导式电磁换向阀

10、气缸回位限位开关（磁感应开关） 11、气缸1

12、判断材质传感器 13、下料传感器 14、导料轨道

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4.3 动画连接

所谓动画连接，实际上是将用户窗口内创建的图形对象与实时数据库中定义的数据对象，建立起对应的关系，在不同的数值区间内设置不同的图形状态属性（如颜色、大小、位置移动、可见度、闪烁效果等），将物理对象的特征参数以动画图形方式来进行描述。MCGS实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的动画属性。

动画组态的设置主要有颜色动画连接、位置动画连接、输入输出连接和特殊动画连接。材料分拣组态设计中的动画设计也是在这四种连接方式的基础上设置的[26] 。

1、颜色动画连接

所谓颜色动画连接就是指将图形对象的颜色属性与数据对象值之间建立相关性关系，使图元、图符对象的颜色属性随着数据对象值的变化而变化，用这种方式实现颜色不断变化的动画效果。如在监控图中，当铁质的材料传送至对应位置时，对应传感器上方的指示灯由红色变为绿色，其设置如图4-4所示。

图4-4 颜色动画的连接

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2、位置动画连接

位置动画连接包括图形对象的水平移动、垂直移动和大小变化三种属性，使图形对象的位置和大小随着数据对象值的变化而变化。用户只要控制数据对象值的大小和值的变化速度，就能精确地控制所对应图形对象的大小、位置及其变化速度。用户可以定义一种或多种动画连接，图形对象的最终动画效果是多种动画属性的合成效果。

平行移动的方向包含水平和垂直两个方向，其动画连接的方法相同。首先要确定对应连接对象的表达式，然后再定义表达式的值所对应的位置偏移量。材料分拣系统中物料的移动就是按位置动画连接的方法设定的。其水平移动的设置如图4-5所示。

图4-5 水平移动动画连接

3、输入输出连接

输入输出连接包括显示输出、按键输入、按钮动作三种方式。在材料分拣系统中物料的计数用到显示输出连接，输出值选择数值量输出，把物料的总数num的数值以数值量表示出来，如图4-6所示。

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图4-6 数值量输出连接

系统的开始与运行、是否停止、出错时需要重新运行并重新计数等都需要在控制面板里能够进行人工的操作。控制的面板设为三个按钮，分别为开始、退出、复位。对于按钮的输入设置可以在动画组态窗口属性设置里面选择按钮动作或者直接在工具箱内选择标准按钮进行设。

4、特殊动画连接

在MCGS中，特殊动画连接包括可见度和闪烁效果两种方式，用于实现图元、图符对象的可见与不可见交替变换和图形闪烁效果，图形的可见度变换也是闪烁动画的一种。MCGS中每一个图元、图符对象都可以定义特殊动画连接的方式[24] 。

在材料分拣系统中料槽无料提醒中的制作用到了闪烁效果。在“料槽无料”的指示灯双击进入属性设置，选中闪烁效果。当表达式num=10成立时，所设置的“料槽无料”指示灯就会成闪烁效果。当表达式不成立时就会呈现为初始状态。num的定义是总物料的数目计数器，设计中模拟分拣系统设定了10个物料，所以当num的值为10时料槽中没有物料，通过闪烁进行提示，如图4-7所示。

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图4-7 图形闪烁效果显示

4.4 数据报表输出

在MCGS中，大多数监控系统要对数据采集设备采集的数据进行存盘，统计分析，并根据实际情况打印出数据报表。所谓数据报表就是根据实际需要以一定格式将统计分析后的数据记录、显示和打印出来，如实时数据报表、历史数据报表。数据报表在工控系统中是必不可少的一部分，是数据显示、查询、分析、统计、打印的最终体现，是整个工控系统的最终结果输出。数据报表是对生产过程中系统监控对象的状态的综合记录和规律总结。

实时数据报表是实时地将当前的数据对象变量按一定报告格式（用户组态）显示和打印，即：对瞬时量的反映。历史数据报表是从历史数据库中提取存盘记录，以一定导电格式显示历史数据。文中自动分拣控制系统的实时数据报表及历史数据报表如图4-8所示[21] 。

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图4-8 数据报表显示输出

4.5 PLC与组态软件之间的通信

对组态的通讯参数进行设置，打开设备窗口分别添加如下两个设备：通用串口父设备和FX系列编程口。在MCGS工作台上，单击[设备窗口]，再单击[设备组态]按钮进入[设备组态：设备窗口]。单击[工具箱]，打开[设备工具箱]窗口，再单击[设备管理]按钮，打开[设备管理]窗口，如图4-9所示[25] 。

图4-9 添加设备

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图4-10 设备的添加

再对FX系列编程口进行设置，双击FX系列编程口弹出设备属性编辑对话框，对它的参数作如表4-1和图4-11设置，当设置好参数后点击检查，无误后点确定。

表4-1 通道连接的设置

对应数据对象 SB1 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SA SB SC SN SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SB2 YV1 YV2 YV3 YV4 YV5 M LD1 LD2 通道类型 只读X00000 只读X00001 只读X00002 只读X00003 只读X00004 只读X00005 只读X00006 只读X00007 只读X00010 只读X00011 只读X00012 只读X00013 只读X00014 只读X00015 只读X00017 读写Y00000 读写Y00001 读写Y00002 读写Y00003 读写Y00004 读写Y00005 读写Y00006 读写Y00007 39

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图4-11 通道设置

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0iw3.html