基于PLC物料传送分拣控制系统设计 - 图文

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摘 要

自动分拣控制系统在社会很多行业中得到广泛应用， 自动分拣系统能实现大规模无人自动化控制，大大提高企事业单位在此环节上的工作效率。

本文主要论述PLC在自动分拣控制上的应用，以可编程控制器（PLC）为核心，结合气动装置、传感技术、位置控制等技术，设计低成本、高效率的自动分拣控制系统。该系统具有自动化程度高、运行稳定、精度高、易控制的特点,可根据不同需求,稍加修改本系统即可实现要求。

关键词：自动分拣；可编程控制器；高效；传感器

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Abstract

Automatic control system in the most widely used in industry, the automatic sorting system can realize large-scale unmanned automatic control, greatly improve the enterprises in this aspect of the work efficiency.

This paper mainly discusses the PLC in automatic sorting control applications, to the programmable controller ( PLC ) as the core, combined with the pneumatic device, sensor technology, control technology, design of low cost, high efficiency automatic sorting system. The system has a high degree of automation, stable operation, high precision, easy to control, according to different needs, minor modifications to the system can reach the requirements. Key words: Automatic sorting; programmable controller; high efficiency; sensor

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目 录

引言........................................................... 1 1 概述 ........................................................ 3

1.1 自动分拣系统的意义及特点 .......................................... 3 1.2 研究的目的及意义 .................................................. 5

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

2.1 整体外观 .......................................................... 6 2.2 PLC简介及选择 ..................................................... 8 2.3 传感器简介及选择 ................................................. 15 2.4 驱动部分的分析与选择 ............................................. 19 2.5 执行机构的选择 ................................................... 21 2.6 其他元器件及其选择 ............................................... 22

3 分拣系统中的软件设计 ....................................... 23

3.1 建立实际模型 ..................................................... 23 3.2 I/O分配及PLC接线 ................................................ 23 3.3 分拣系统的控制要求 ............................... 错误！未定义书签。 3.4 程序设计及编辑 ................................... 错误！未定义书签。 3.5 流程图 ........................................... 错误！未定义书签。

4 控制系统的调试 ............................. 错误！未定义书签。

4.1 硬件部分的调试 ................................... 错误！未定义书签。 4.2 软件部分的调试 ................................... 错误！未定义书签。 4.3 整体调试 ......................................... 错误！未定义书签。 4.4 调试结果 ......................................... 错误！未定义书签。

5 结论 ....................................... 错误！未定义书签。 谢辞.......................................... 错误！未定义书签。 参考文献 ...................................................... 35 附录.......................................................... 35

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引言

自动分拣是指货物进入分拣系统到指定的分配位置为止，都是按照人们的指令靠自动装置来完成的。这种装置是由接受分拣指示信息的控制装置、计算机网络、搬运装置、分支装置（负责把到达分拣位置的货物按运到别处的装置）、缓冲站（在分拣位置临时存放货物的装置）等构成。除了使用终端的键盘、鼠标或者其它方式向控制装置输入分拣指示信息的作业外，由于全部采用自动控制作业，因此它的分拣能力、分拣数量同人为分拣相比都比较大，效率也得到了进一步突破。

自动分拣系统的规模和能力已有很大的发展，目前大型分拣系统大多能分拣几十到几百个种类的物品，分拣能力达到每小时万件以上。国外分拣系统规模都很大，主要包括进给台、信号盘、分拣机、分拣信息识别系统、设备控制系统和计算机管理系统等几大部分，还要配备外围的各种运输和装卸机械，组成一个庞大而复杂的系统。自动分拣大部分与自动化立体仓库连接起来，配合自动引导车（AGV）、托链小车等其它复杂的系统，分拣系统在总体布置上，可以说千变万化。

从分拣技术水平上说，欧美各国发展最早，技术比较成熟，目前处于世界领先地位。美国和欧洲在60年代开始使用，日本则在第二次世界大战后才引进分拣机，但近二十年来由于其本国经济发展需要发展迅速，后来者居上，从1970--1985年共有338台自动分拣机投入运行，其中58.32%用于储运业，17.15%用于销售业。到1987年就已经拥有自动分拣机1000台，号称是世界上拥有分拣机最多的国家。

我国自动分拣技术起步较晚，目前已能与国际先进水平保持同步，但是缺少技术创新能力，使自动分拣技术的物流系数也减少，大部分小型超市配送中心仍然靠人工分分拣。在二十世纪80年代，我国最初是一些邮局采用小型的半自动翻盘分拣机，用于邮包分拣。1990年为迎接第十一届亚运会，从荷兰引进了一套有3个入口，60个出口的自动分拣系统，成立了北京食品配送中心，每小时可以配送3000件货物，使我国的分拣技术有了一个飞跃。而如今分拣技术已经用于我国的各行各业，使这环节的效率得到了很大的提高。

自动分拣机最先在邮政部门开始应用，大量的信件和邮包要在极端的时间内正确分拣，非凭借高度自动化的分拣措施不可。此后，运输企业、配送中心、通讯出版部门、烟草部门、出版行业、食品化工、造纸业、化工业、机械制造以及各类工业企业亦相继应用。

近二十年来,特别是物流行业，随着经济和生产的发展,商品趋势趋于\短小轻薄\，流通趋于小批量多品种和准时制（JUST-IN-TIME，简称JIT)。分拣作业已成为一项重要的工作环节，分拣系统的应用已经日趋普遍。我国目前多数配送中心和物流企业都是人工分拣。显然，随着分拣量的增加、分送点的增多、配货响应时间的缩短和服务质量的提高，单凭人工分拣将无法满足大规模配送的要求，所以这一环节亟待提高。而国外一

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些配送中心多采用分拣系统进行分拣，充分发挥了分拣技术分拣速度快、分拣点多、差错率极低、效率高和基本上全自动操作的优势。日本一位物流专家认为，在用户需求表现为多种小批量的时代，物流技术的三大措施是自动分拣机、自动化仓库和无人自动引导车。自动分拣机是其中最接近与成熟的产品，这可以认为是国家对于自动分拣在物流技术中的地位和现状的一个较好的概括。自动分拣系统成为当代物流技术发展的三大标志之一。

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切换到停止(STOP)状态。我们把PLC这种执行程序的方式称为扫描工作方式。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期。另外，PLC对输入、输出信号的处理与微型计算机不同。微型计算机对输入、输出信号实时处理，而PLC对输入、输出信号是集中批处理。下面我们具体介绍PLC的扫描工作过程。

PLC扫描工作方式主要分三个阶段：输入采样、程序执行、输出刷新。 ① 输入采样

PLC在开始执行程序之前，首先扫描输入端子，按顺序将所有输入信号，读人到寄存输入状态的输入映像寄存器中，这个过程称为输入采样。PLC在运行程序时，所需的输入信号不是现时取输人端子上的信息，而是取输入映像寄存器中的信息。在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，只有到下一个扫描周期输入采样阶段才被刷新。 ② 程序执行

PLC完成了输入采样工作后，按顺序从0000号地址开始的程序进行逐条扫描执行，并分别从输人映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获得所需的数据进行运算处理。再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到输出端子上。 ③ 输出刷新

在执行到END指令，即执行完了用户的所有程序后，PLC将输出映像寄存器中的内容送到输出锁存器中进行输出，驱动用户设备。PLC扫描过程示意图如下图2-6所示。

图2-6 PLC扫描过程示意图

PLC工作过程除了包括上述三个主要阶段外，还要完成内部处理、通信处理等工作，在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。在通信服务阶段，PLC与其他的带微处理器的智能装置实现通信。

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2.2.4 PLC的选择

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

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。 2.2.5 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：

[9]

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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。

2.3 传感器简介及选择 2.3.1 传感器简介

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、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2-7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2-7 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

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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[11]。 2.3.2 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、金属传感器进行选用。位置检测装置检测气缸动作是否到位，金属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）金属传感器

金属传感器按工作原理分大致可以分为以下三类：利用电磁感应高频振荡型，使用磁铁磁力型和利用电容变化电容型。接近传感器可以不与目标物实际接触情况下检测靠近传感器金属目标物。按检测方法分：所有金属型：相同检测距离内检测任何金属。有色金属型：主要检测铝一类有色金属。通用型：主要检测黑色金属(铁)。

非接触检测，避免了对传感器自身和目标物损坏。无触点输出，操作寿命长。有水

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或油喷溅苛刻环境中也能稳定检测。反应速度快。小型感测头，安装灵活。

接近传感器原理：电容式接近传感器由高频振荡器和放大器等组成，由传感器检测面与外界构成一个电容器，参与振荡回路工作，起始处于振荡状态。当物体接近传感器检测面对，回路电容量发生变化，使高频振荡器振荡。振荡与停振这二种状态转换为电信号经放大器转化成二进制开关信号。高频振荡型接近传感器工作原理：电感式接近传感器由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。振荡器传感器检测面产生一个交变电磁场，当金属物体接近传感器检测面时，金属中产生涡流吸收了振荡器能量，使振荡减弱停振。振荡器振荡及停振这二种状态，转换为电信号整形放大转换成二进制开关信号，经功率放大后输出。 通用型接近传感器工作原理：振幅变化程度随目标物金属种类不同而不同，检测距离也随目标物金属种类不同而不同。所有金属型传感器工作原理：所有金属型传感器基本上属于高频振荡型。和普通型一样，它也有一个振荡电路，电路中因感应电流目标物内流动引起能量损失影响到振荡频率。目标物接近传感器时，目标物金属种类如何，振荡频率都会提高。传感器检测到这个变化并输出检测信号。

有色金属型传感器工作原理：有色金属传感器基本上属于高频振荡型。它有一个振荡电路，电路中因感应电流目标物内流动引起能量损失影响到振荡频率变化。当铝或铜之类有色金属目标物接近传感器时，振荡频率增高；当铁一类黑色金属目标物接近传感器时，振荡频率降低。振荡频率高于参考频率，传感器输出信号[12]。

①电感传感器： 由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。电感式传感器的特点是：

1) 无活动触点、可靠度高、寿命长； 2) 分辨率高； 3) 灵敏度高；

4) 线性度高、重复性好；

5) 测量范围宽（测量范围大时分辨率低）； 6) 无输入时有零位输出电压，引起测量误差； 7) 对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；

8) 不适用于高频动态测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。

常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。

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5 结论

综全文所述，本文对PLC的工作原理、适用领域做出了详细的介绍，根据材料分拣的实际需求采用PLC设计出了材料分拣系统。

设计材料分拣系统之前，阅读了大量的资料和文献，不但了解了自动分拣系统发展的历史，发展现状，应用背景。还学习了气动技术、传感器技术、位置控制技术的基本知识。

实际的设计工作中，出现了不少难题：气源于气阀的气压不能实现精确调制，传感器的容易受到外界因素的干扰，上位机与下位机通信不稳定等问题。通过多次试验与实践以上问题基本上得到了解决，如何进一步提高控制性能，可对该系统进行一些改进。

进一步提高气源气压的稳定性，这样可以提高气阀的工作性能，为材料正常进入、弹出传送带打下基础。在硬件上进一步改进挡板、出料轨道、传送带、进料仓，这对系统的实用与可靠性的提高有重大意义。采用步进电机以实现传送带速度的可控制性、实现系统的分拣效率的质的提高。进一步提高传感器的性能，找出一系列可靠的参数，实现系统的稳定。进一步分析研究各种分拣系统地优劣，提出材料分拣系统的综合性能。

本文的设计是对材料的材质进行的简单设计，可以在其基础上对分拣物品的种类与分拣的性能进行拓展及完善，可使其适用于实际生活中的各行各业，是分拣线实现无人化作业，大大提高该环节的生产效率。

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谢 辞

三年的大学，匆匆而过，毕业设计是我们三年所学的一个体现，经历长时间的努力，此次毕业设计即将结束。在设计的过程中，慢慢的学习，逐渐的巩固大学所学的知识，期间有艰苦，有辛酸，也有欣喜，有快乐。

本论文是在指导老师秦展田的悉心指导和精心培养下完成的。老师严谨的治学态度、缜密的思维方式、踏实的工作作风和对事业的执着，以及对我的谆谆教诲都给我留下了深刻的印象，并使我终身受益。谨此对秦老师表达衷心的感谢和崇高的敬意。 最后，祝所有关心、帮助和支持我的人们身体健康、工作顺利！

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参考文献

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附 录

图5-1和图5-2为程序指令表

图5-1

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图5-2

如表5-2给出系统中主要的元器件清单：

表5-2 主要元器件清单 序号 1 名称 PLC 型号 FX2N-32MR 数量 1 备注 16输入，16输出， 继电器输出形式 品牌或 公司 三菱

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2 静音空气压缩机 气阀 FB-0.048/7 1 噪音低、性能稳定、工作安全可靠,功率0.55KW 先导式电磁换向阀, 交流：韩国SANWO 3 SVK0120 5 110v,220v（50hz） 直流：韩国SANWO 24V 产品与气阀的型号相配套，推动物料进行分拣 额定电压：DC24V AC110V额定电流：DC：5～40mA AC: 5～20mA 气缸回位限位开关 静电容量式接近开关 判断物料是否到位 判断有无物料 额定电压：DC：6～36V 额定电流：300mA 静电容量型近接开关 额定电压：DC12～24V(DC10～30V) 额定电压：DC：12～24V额定电流：400mA 感应电动机减速电机性能4 气缸 SCDJB10-45S 5 韩国SANWO 5 磁感应开关 D-C73 5 易电国际集团 易电国际集团 欧姆龙 百斯特 6 7 7 接近开关 光电开关 电感式接传感器 电容式传感器 颜色传感器 CAT2-12GM E3R-5DE4 BLJ18A4-8-Z/B1Z 5 1 1 8 E2K-X81ME1 1 欧姆龙 9 TCS230 1 欧姆龙 LINIX 久电子器械厂 DADONG 青岛锐诚10 电动机 YN60-6 1 参数 功率：6W 电压：110V 温岭市永频率：50HZ 电流：0.20A 额定转速：1440r/min 输入电压：AC220伏 11 内置电源 MD35-34 1 ±15% 输出电压：DC24伏 11 滑槽 4 铝合金 德仓储物流设备有限公司 12

传送带 1

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2 静音空气压缩机 气阀 FB-0.048/7 1 噪音低、性能稳定、工作安全可靠,功率0.55KW 先导式电磁换向阀, 交流：韩国SANWO 3 SVK0120 5 110v,220v（50hz） 直流：韩国SANWO 24V 产品与气阀的型号相配套，推动物料进行分拣 额定电压：DC24V AC110V额定电流：DC：5～40mA AC: 5～20mA 气缸回位限位开关 静电容量式接近开关 判断物料是否到位 判断有无物料 额定电压：DC：6～36V 额定电流：300mA 静电容量型近接开关 额定电压：DC12～24V(DC10～30V) 额定电压：DC：12～24V额定电流：400mA 感应电动机减速电机性能4 气缸 SCDJB10-45S 5 韩国SANWO 5 磁感应开关 D-C73 5 易电国际集团 易电国际集团 欧姆龙 百斯特 6 7 7 接近开关 光电开关 电感式接传感器 电容式传感器 颜色传感器 CAT2-12GM E3R-5DE4 BLJ18A4-8-Z/B1Z 5 1 1 8 E2K-X81ME1 1 欧姆龙 9 TCS230 1 欧姆龙 LINIX 久电子器械厂 DADONG 青岛锐诚10 电动机 YN60-6 1 参数 功率：6W 电压：110V 温岭市永频率：50HZ 电流：0.20A 额定转速：1440r/min 输入电压：AC220伏 11 内置电源 MD35-34 1 ±15% 输出电压：DC24伏 11 滑槽 4 铝合金 德仓储物流设备有限公司 12

传送带 1

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