机械设计制造及其自动化-基于PLC的工业自动化控制系统设计

摘 要

在中国，自动分拣技术的发展相对缓慢，尚未达到国际先进水平。这在很大程度上是由于缺乏技术创新能力，随着工业生产的发展，对物料分拣的需求不断增加。传统的物料分拣方法通常需要人工操作，耗时耗力且受限于人力和质量，同时可能面临安全、效率和准确性等问题。因此，开发一种能够自动、远程和高效地进行物料分拣的工具成为了迫切需求，基于PLC的物料分拣控制系统应运而生。

该工业自动系统采用西门子S7-200小型PLC，实现了物料的自动识别和运输分拣。系统具有物料传感器和传动执行器，可以对不同的物料进行分类分拣。系统能够实时检测物料的类型和位置，并通过PLC控制器和传送带装置，实现物料的自动移动和推送控制。通过梯形图编程，用户可以对物料分拣的逻辑和顺序进行规划和监测。系统具有数据处理功能，通过PLC程序对传感器采集的数据进行处理，并进行实时显示，为后续数据分析和处理提供支持。用户可以通过仿真调试系统的操作，软件编写程序和硬件调试等人机交互设备，实现对系统参数的设置和控制。

关键词：西门子S7-200；梯形图；传感器

Design of Industrial Automation Control System Based on PLC

Abstract

In China, the development of automatic sorting technology is relatively slow and has not yet reached the international advanced level. This is largely due to a lack of technological innovation capabilities, as the demand for material sorting continues to increase with the development of industrial production. Traditional material sorting methods typically require manual operation, are time-consuming, labor-intensive, and limited by manpower and quality, while also potentially facing issues such as safety, efficiency, and accuracy. Therefore, developing a tool that can automatically, remotely, and efficiently sort materials has become an urgent need, and a PLC based material sorting control system has emerged.

The industrial automation system adopts Siemens S7-200 small PLC to achieve automatic identification and transportation sorting of materials. The system has material sensors and transmission actuators, which can classify and sort different materials. The system can detect the type and position of materials in real-time, and achieve automatic movement and pushing control of materials through PLC controllers and conveyor belt devices. Through ladder diagram programming, users can plan and monitor the logic and sequence of material sorting. The system has a data processing function, which processes the data collected by sensors through PLC programs and displays it in real-time, providing support for subsequent data analysis and processing. Users can set and control system parameters through human-computer interaction devices such as simulation debugging, software programming, and hardware debugging.

Key Words: Siemens S7-200; Ladder diagram; sensorr

1    绪论

1.1  设计背景和意义

自动分拣系统在规模和容量方面都有了重大发展。大型物品分类系统现在可以分类数十到数百种物品，并且每小时可以处理超过10000件物品。在国外，这些分类系统由多个部件组成，包括进料平台、信号托盘、分类机器、分类信息识别系统、设备控制系统和计算机管理系统。此外，还使用各种周边运输和装卸机械，形成了一个复杂而广泛的系统。欧洲和美国是最早开发分拣技术的国家之一，目前在成熟技术方面处于世界领先地位。另一方面，日本在很久以后才开始使用分拣机。近几十年来，由于经济的快速发展，日本在分拣技术方面取得了重大进步，在运行的自动分拣机数量上排名第一。

在中国，自动分拣技术的发展相对缓慢，尚未达到国际先进水平。这在很大程度上是由于技术创新能力不足，自动分拣技术的应用还不普遍，导致物流效率低下。目前，大多数小型超市的配送中心还没有实现自动化，“短、小、轻”的产品趋势导致了对分拣操作的需求增加，使得分拣系统的应用越来越普遍。虽然中国大多数配送中心和物流企业仍然使用手动分拣，但国外配送中心主要依靠分拣系统，提供快速分拣、多个分拣点、极低的错误率、高效率和完全自动化操作。本设计是利用PLC控制管理材料分类系统，提供短周期和具有成本效益的解决方案。PLC控制非常适合各种规模的工业控制项目，并提供快速实时处理。此外，以高可靠性和成本效益而闻名，具有简单的硬件配置和易于使用的编程语言^[1]。PLC控制提高了控制系统设计的灵活性和可靠性。本项目的主要目标包括简单操作、可靠使用以及易于维护和维修。

1.2 国内外发展现状

国外在自动分拣技术方面有较长历史和较高水平，美国、日本和欧洲等发达国家，在分拣系统的设计、制造、应用和创新方面都有显著成就。在过去的二十年中,特别是在物流领域,随着经济和生产的发展,商品通常“短小轻薄”,分布小，多样，及时。分拣已经成为工作的重要部分，并且分拣系统的使用变得更加普遍。目前，大多数物流中心和物流公司都依靠人工分拣。很明显，由于经销商数量、配送点、配送时间和服务质量的增加，人工分拣对大型经销商来说是不够的。一些国外配送中心采用了高速、多点、低误、高自动化的分拣系统，提高了分拣效率。随着科学技术的快速发展，分拣机的控制水平不断提高，经历了不同的发展阶段。通过对国内外研究现状的分析，发现国外在自动分拣技术方面有较长历史和较高水平，国内虽然起步晚，但发展快，自动分拣技术的发展相对慢，未达到国际先进水平。这主要是因为技术创新能力不足，自动分拣技术的应用还不普遍，导致物流效率低下。

1.3 课题设计的目的

机电元件在各个行业的集成使得自动控制系统在机械设备中的重要性越来越大。高温、腐蚀性环境和有毒气体是工人接触的常见因素，这不仅增加了他们的工作量，而且对他们的安全构成威胁。为此，引入了机械输送带，自动控制技术在现代社会不断发展，其中一项新颖的应用就是自动分拣输送带，可以快速有效地对物品进行分类和运输。其的发展是由于它在几个方面越来越被认可为一个积极的贡献者。首先，可以部分取代手动操作，并可以根据特定的生产工艺要求转移和装载，卸载工件。此外，广泛使用的输送带可以改善劳动条件，提高生产能力，加快产品升级，提高效率，确保工业自动化带来了许多好处，如提高了产品质量，降低了劳动强度和风险，增强了机床，使得劳动生产率大幅提升，企业竞争力显著增强，工业生产机械化和自动化的进程加速推进。

基于PLC技术的物料分拣输送带可以取代高温危险作业区的人工，分拣重型工件。与传统的继电器控制相比，PLC控制是一种优秀的控制方式，具有高稳定性、简单接线、强抗干扰和方便维护等特点。不仅使控制电路更加简洁，还节省了成本，并有效提高了劳动生产率。

2    系统的整体方案设计

2.1 设计思想

这个项目设计目的是设计一个自动输送和分拣系统^[2]，能够根据物料的不同类型进行快速和准确的分拣。该系统主要由以下几个部分组成：一个可编程控制器，是系统的核心部件，负责接收传感器的信号，执行控制程序，输出控制命令。为了节省实验平台的空间，该控制器被放置在实验平台的下方，通过电缆与其他部件连接。一个垂直输送带，是系统的主要输送部件，由一条环形的橡胶带和一对滚筒组成。其中一对滚筒由一个小型低噪声减速电机驱动，使得输送带能够以恒定的速度运行。该输送带能够将物料从下方输送到上方，便于传感器检测物料的类型。一个编码器，是系统的主要测量部件，安装在驱动滚筒的电机的一端，能够将电机的转速转换为脉冲信号。该编码器能够控制和测量物料在输送带上的间距，保证物料不会发生堆积或碰撞。一个分拣系统，是系统的主要分拣部件，由一个气缸和一个电磁阀组成。该分拣系统能够根据可编程控制器的输出信号，控制气缸的伸缩，将不同类型的物料推入不同的容器中。

1、输送带自动输送，速度在初始设计阶段设定；

2、在检测位置安装传感器或者条码识别器；

3、编制程序；

4、接通电源；

5、物料进入入口传送端传送带；

2.2 总体设计

在控制系统设计的初始阶段，需要一种综合的方法来实现最佳性能，其中包括硬件和软件选择等。硬件设计需要为控制元件、传感器、电气、传输和电源子系统选择组件。在该特定设计中，控制部件包括带有扩展模块的西门子S7-200 PLC，而传感器部件包括识别传感器和条形码标识符。输送系统由单相交流异步电动机驱动，电气的子系统包括电控换向阀和电磁开关等。采用的是经调节的24伏的直流电源。

在软件方面，设计了PLC梯形图来实现分拣功能，通常，自动分拣系统由控制单元、分拣装置、输送单元和分拣通道入口组成^[3]。控制单元的主要功能是接收和处理分拣信号，然后指定标准，以确定每个物品的合适分拣通道。利用PLC控制作为自动化生产线的中心部件，组态王软件作为监控软件，变频器、条形码扫描仪和电动机作为电气部件。此外，气缸和电机作为动力设备将材料运输到生产线。本设计的目的是减少劳动力，提高生产速度，从而提高企业的经济效益。对该项目的研究表明，根据企业生产线的不同需求，自动分类系统可以对材料进行分类，产生了显著的经济效益和社会效益。采用西门子控制器进行控制，可以轻松设置各种模式参数，进一步提高可用性。而配置界面便于上位机监控。控制程序设计部分包括定义和调用定时器，启动和停止传送带，配置齿轮、处理、出库和分拣材料，以及实施报警保护。配置设计包括配置与PLC之间的通信、监控接口图和数据变量分配。整体方法有助于在现代制造环境中优化性能、降低成本和提高生产力。

2.3 系统的主体设计框架图

图2.3  系统的主体设计