基于S7-1200物料自动化分拣系统的设计

1. 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 工业自动化技术的重要性

• 工业自动化技术的普及和进步，使得物料分拣的效率在生产环节中变得极为重要。
• 传统的人工分拣方式因其效率低下已不再能满足现代企业对生产速度的需求及社会发展的要求。
• 通过采用自动化技术来减少人力并实现物料的高效分拣，以保证生产活动按计划顺利进行，成为了解决这一问题的首选策略。

1.1.2 PLC在自动化分拣领域的作用

• 在今天的自动化和智能化生产环节中，PLC已成为关键技术的一部分，尤其在自动物料分拣领域表现突出。
• 通过使用西门子PLC作为核心处理单元，并整合气动系统、传感器技术和精确的位置控制模块，我们可以构建一个自动化程度高且运行效率高的物料分拣系统。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 自动化分拣技术的发展

• 自动化分拣技术在中国从20世纪80年代开始应用，特别在1997年后市场需求和技术得到了迅猛发展。
• 此技术最初用于机场的行李排序和邮政中心的邮件处理，随后逐渐扩展至其他多个领域。
• 随着各行业对现代物流需求的不断增长，对速度快、准确度高的自动分拣系统的需求也相应提升。

1.2.2 自动化分拣技术的应用

• 自动分拣技术已广泛应用于物流行业，其核心在于能够依据预设的分拣指令自动化处理货物的输送与分配。
• 这些系统主要由控制单元和计算机网络组成，负责接收分拣数据并确保货物准确地从入口移动到预定的配送目的地。

1.3 研究意义

1.3.1 技术升级与效率提升

• 随着社会进步及市场的日益竞争，生产企业面临着技术革新和提升效率的压力。
• 特别是在涉及到物料分类的行业中，人力依赖的传统分拣方式已经难以应对快速增长的分拣量、多样化的配送点、及需求对快速响应和高质量服务的提升。

1.3.2 自动化分拣系统的优势

• 转向自动化物料分拣系统不仅可提升分拣速度和精确度，还能显著降低操作成本，有助于企业在激烈的市场环境中保持竞争优势。
• 引入了使用PLC技术的自动化物料分拣装置。这种装置不仅成本较低，而且效率高，能在物料分拣过程中实现优良的控制效果。

1.4 研究内容

1.4.1 系统设计概述

• 在设计中，以货物的物料的分拣系统为例，详细分析了基于PLC控制的自动分拣系统的设计。
• 介绍了分拣系统信号采集和分析中传感器的一些基础知识，并通过要求和对比确定了硬件系统中部分元器件的选择和PLC型号的选择。

1.4.2 软硬件设计方案

• 在软件开发过程中，首先确定了输入输出（I/O）的配置，随后根据系统的控制需求，设计出了符合规范的PLC梯形图。
• 这一过程确保了整个控制系统能够高效与精确的运行。

1.4.3 系统调试与优化

• 在系统设计之后，需要对整个系统执行全面的调试工作。
• 首先，在硬件层面，需要精确配置和调整各个组件的位置，这一步骤是为了保证传感器可以被正确安装并发挥作用。
• 随后，对硬件的运动范围进行细致的调整。完成这些后，接下来是软件与硬件的整体调试，从而确保物料在分拣系统中的供料、输送和分类等环节能够无缝衔接，达到设计要求。

2. 物料分拣装置结构及总体设计

2.1 物料分拣装置工作过程概述

2.1.1 分拣装置的结构

• 本设备采用台式，主要拥有电源、步进电机、气缸和电磁阀等多种部件，并能够接入多种气体来源。
• 为了适应不同材料的检测需求，此设备配备了能够识别多种颜色的传感器，同时还装备了电容和电感类型的传感器。

2.1.2 分拣过程详解

• 当系统启动时，首先由可编程逻辑控制器（PLC）激活输送带系统。
• 若下料传感器未检测到槽内有物料，输送带将完成一次循环后自动暂停，等待物料投放。
• 一旦检测到物料，该传感器便通知PLC，随后PLC指令输送带继续运作，并同时操控气动阀以进行物料落料。

2.2 系统的设计要求

2.2.1 功能要求

• 本设计需实现的功能如下：
  • 分拣出金属与非金属
  • 分拣出红色块
  • 分拣出非金属中的红色块
  • 分拣出金属中红色块和非金属中红色块

2.2.2 系统的控制要求

• 该装备通过一系列传感器来对样品进行识别和分类。样品通过给料机送入传送系统，在此过程中，多个传感器依序对其进行分析。
• 一旦传感器识别出特定材料，相应的气动系统会被触发，将该物体分拣到指定的容器中；如果未被识别，则样品将继续沿传送带移动。

3. 控制系统的硬件设计

3.1 控制电路的设计

3.1.1 PLC的选型

• 在当前的自动化设备领域，使用广泛的PLC（可编程逻辑控制器）品牌包括西门子、三菱、欧姆龙等。
• 在考虑到本系统所需的接口点数后，我进行了详细的分析比较。系统需要的具体接口包括15个输入点和9个输出点。
• 在比较了三菱的FX系列和西门子多个型号的PLC后，发现西门子S7-1200-1214C型号的PLC刚好能满足要求。

3.1.2 PLC的输入输出端子分配

• 根据本次设计的交通灯控制系统的流程要求，对PLC控制器的I/O地址进行了详细的分配。
• 分配结果如下表所示：

输入	名称	输出	名称
I0.0	SB1启动	Q0.0	M电机
I0.1	SB2停止	Q0.1	HL1气缸1伸出
I0.2	SB3复位	Q0.2	HL2气缸1缩回
I0.3	SQ1铁质物料检测传感器	Q0.3	HL3气缸2伸出
I0.4	SQ2铝质物料检测传感器	Q0.4	HL4气缸2缩回
I0.5	SQ3红色物料检测传感器	Q0.5	HL5气缸3伸出
I0.6	SQ4其他物料检测传感器	Q0.6	HL6气缸3缩回
I0.7	SQ5气缸1伸出到位传感器	Q0.7	HL7气缸4伸出
I1.0	SQ6气缸1缩回到位传感器	Q1.0	HL8气缸4缩回
I1.1	SQ7气缸2伸出到位传感器	I1.2	SQ8气缸2缩回到位传感器
I1.3	SQ9气缸3伸出到位传感器	I1.4	SQ10气缸3缩回到位传感器
I1.5	SQ11气缸4伸出到位传感器	I1.6	SQ12气缸4缩回到位传感器

3.1.3 PLC输入输出接线端子图

• 根据物料分拣系统设计的方案，利用CAD绘图工具绘制了本次设计控制系统的PLC及模块外部端子接线图电路。
• 该PLC系统由DC24V的直流电源驱动。输入端子集中在控制器的左侧，主要接收外界的控制信号，例如来自按钮或各种传感器的信号。
• 相对地，位于右侧的输出端子负责驱动如电动机和气缸等执行机构，以实现对外部设备的控制和操作。

3.2 元器件选型

3.2.1 PLC的选型

• 在当前的自动化设备领域，使用广泛的PLC（可编程逻辑控制器）品牌包括西门子、三菱、欧姆龙等。
• 在考虑到本系统所需的接口点数后，我进行了详细的分析比较。系统需要的具体接口包括15个输入点和9个输出点。
• 在比较了三菱的FX系列和西门子多个型号的PLC后，发现西门子S7-1200-1214C型号的PLC刚好能满足要求。

3.2.2 输入电气元件

• 电感传感器
• 电容传感器
• 颜色传感器
• 备用传感器

4. 控制系统的软件设计

4.1 控制系统流程图设计

• 在软件开发过程中，首先确定了输入输出（I/O）的配置，随后根据系统的控制需求，设计出了符合规范的PLC梯形图。
• 这一过程确保了整个控制系统能够高效与精确的运行。

4.2 I/O分配

• 根据本次设计的交通灯控制系统的流程要求，对PLC控制器的I/O地址进行了详细的分配。
• 分配结果如下表所示：

输入	名称	输出	名称
I0.0	SB1启动	Q0.0	M电机
I0.1	SB2停止	Q0.1	HL1气缸1伸出
I0.2	SB3复位	Q0.2	HL2气缸1缩回
I0.3	SQ1铁质物料检测传感器	Q0.3	HL3气缸2伸出
I0.4	SQ2铝质物料检测传感器	Q0.4	HL4气缸2缩回
I0.5	SQ3红色物料检测传感器	Q0.5	HL5气缸3伸出
I0.6	SQ4其他物料检测传感器	Q0.6	HL6气缸3缩回
I0.7	SQ5气缸1伸出到位传感器	Q0.7	HL7气缸4伸出
I1.0	SQ6气缸1缩回到位传感器	Q1.0	HL8气缸4缩回
I1.1	SQ7气缸2伸出到位传感器	I1.2	SQ8气缸2缩回到位传感器
I1.3	SQ9气缸3伸出到位传感器	I1.4	SQ10气缸3缩回到位传感器
I1.5	SQ11气缸4伸出到位传感器	I