xxxxx
毕业设计
题目基于PLC的物料分拣系统设计
英文题目The Design of Material Choose System
Based on PLC
院系机械与材料工程学院
专业机械设计制造及其自动化
姓名 xxx
年级 2009(机材A0916)
指导教师 xxx
二零一三年六月
摘要
物料分拣采用可编程控制器PLC进行控制，能连续大批量地分拣货物，分拣
误差率低且劳动强度大大降低，可显著提高劳动生产率，分拣系统能灵活地与其
他物流设备无缝连接，实现对物料信息流的分配和管理。
随着工业自动化的普及和发展，可编程控制器的需求量逐年增大，应用领域
也越来越广。
本设计基于FX-2N型PLC控制的物料分拣系统由上料机构、搬运机械手机
构、物料传输分拣机构组成，对三种不同的物料进行分类分拣。灵活运用传感器
对物料进行检测、识别、以及对机械手的状态检测。在本设计中运用了步进电机
进行旋转角度的精确定位，利用变频控制技术对物料传输速度进行了设计。现目
前物料分拣系统运用甚广，系统中设计到搬运机械手也广泛应用在各行各业。
本次设计应用了大部分在校所学的知识，将各种元器件通过逻辑关系有序的
联系起来，构成物料分拣系统，实现了光机电一体化。
【关键词】可编程序控制器；传感器；硬件设计；软件设计
II
Abstract
The material sorting adopt programming controller PLC to be in
progress under the control of,can criticize in large scale in arow
measuring field sorting goods, the intensity sorting,error lead low and
working is reduced greatly,but notable rise productivity. Mark chooses
system to be able to nimbly and logistics equipment seamless connection
other ,come true to material information stream assignment and manage .
Hardware-Design and software-design middle having introduced it
mainly in is designed.
With the popularization and development of industrial automation,
increased demand for programmable controllers, field more and more
widely used.
Design material sorting system based on FX-2N PLC control by
feeding, handling robot body, material transport pickup bodies, on three
different materials for category sorting. Flexible sensor material for
detection, identification, and State testing for Manipulator. This design
uses a stepper motor to precisely position the rotation, use of variable
frequency control technique to design the material transmission speed.
Current material sorting system using a wide range of system design to
handling robots are widely used in all trades and industries. Most of the
design and application of the knowledge learnt in school, to link various
components through a logical and orderly, constitute a material sorting
system, for optical, mechanical and electronic integration.
【Key words】PLC; Sensor; Hardware-design; software-design
III
目 录
前言 .....................................................................................................................1
第一章绪论 .........................................................................................................2
1.1分拣系统的研究背景 .................................................................................2
1.2物料分拣系统发展概况和现状 .................................................................3
1.3课题研究目的和意义 ................................................................................4
1.4本文研究的主要内容 ................................................................................5
1.5本章小结 ....................................................................................................5
第二章PLC系统设计 ........................................................................................6
2.1控制系统设计的基本内容 ........................................................................6
2.2控制系统设计的原则 ................................................................................7
2.3控制系统设计的一般步骤 ........................................................................7
2.4程序设计的步骤 ........................................................................................8
2.5编写梯形图应该注意的事项 ....................................................................8
2.6本章小结 ....................................................................................................9
第三章系统的组成及控制要求 .......................................................................10
3.1系统的组成 ..............................................................................................11
3.1.1上料机构 .........................................................................................................11
3.1.2搬运机械手机构..............................................................................................11
3.1.3物料传输分拣机构 ..............................................................................11
3.2系统控制要求 ..........................................................................................12
3.3本章小结 ..................................................................................................13
第四章系统硬件设计 .......................................................................................14
4.1电气元件名称及功能 ..............................................................................14
4.1.1输入电气元件 .................................................................................................14
4.1.2输出电气元件 .................................................................................................15
IV
4.1.3执行电气元件 .....................................................................................15
4.2输入/输出（I/O）点分配........................................................................16
4.3PLC的选型..............................................................................................17
4.3.1系统对PLC的要求 ........................................................................................18
4.3.2确定PLC型号....................................................................................18
4.4三菱FX-2N型PLC控制原理图............................................................19
4.5步进电机设计 ..........................................................................................20
4.6本章小结 ..................................................................................................21
第五章系统软件设计 .......................................................................................22
5.1三菱编程软件、模拟仿真软件 ..............................................................22
5.2程序设计思想 ..........................................................................................22
5.2.1上料机构流程图..............................................................................................23
5.2.2搬运机械手流程图..........................................................................................25
5.2.3物料传输分拣流程图......................................................................................30
5.2.4系统控制总程序设计简介....................................................................31
第六章系统调试 ...............................................................................................32
6.1程序的模拟调试 ......................................................................................32
6.1.1 通过软元件输入输出状态进行调试............................................................33
6.1.2 时序图辅助调试................................................................................35
6.2程序的现场调试 ......................................................................................35
结论 .....................................................................................................................37
参考文献 .............................................................................................................38
谢辞 ...................................................................................................................39
附录 ...................................................................................................................40
V
前言
在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现
代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产
流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，
如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环
境不利于人工进行操作，更需要自动控制系统来实现。现在工业控制的三大支柱
中PLC控制越来得到重视，在本设计中难点的是搬运机械手的设计。
机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业
生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组
成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生
产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染
的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效
果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。
物料分拣系统，采用日本三菱公司的FX-2N型PLC，对物料的存放，机械手
的上下、左右、步进旋转以及抓取运动，物料的传输速度、分拣进行控制。我们
利用可编程技术，结合相应的硬件装置，模拟实现了物料分拣系统控制的机电一
体化。
1
第一章绪论
随着计算机技术的不断进步，特别是经过近二十来随着大规模，超大规模集
成电路技术和数字通信技术的进步和发展，可编程序控制器应运而生并得到快速
的发展，而且发展势头越发迅猛。现如今PLC是应用面极为广泛的工业控制装
置，它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入、输
出，完成确定的逻辑、顺序、定时、计数、运算和一些特定的功能，来控制各种
类型的机械设备或生产过程[1]。它给自动化控制带来很大的方便，目前有不少的
国家的公司都在致力于PLC的研究并使其性能不断的改善提高。
1.1分拣系统的研究背景
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。
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。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。而国外一些配送中心多采用分拣系统进
2
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、效率高和全
自动操作的优势。自动分拣系统成为当代物流技术发展的三大标志之一[2]。
本次设计基于PLC的物料分拣系统控制。采用PLC控制开发可以达到短周
期，低成本的控制要求，可以直接用于工业现场控制。PLC控制具有实时性、信
号处理时间短、速度快、更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目，同时
PLC的可靠性高，有丰富的I/O卡件，质优价廉，性价比高，安装简单，维修方
便，PLC控制能在高粉尘、高噪声、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工
作。因为它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功
能，所以在使用中，硬件相对简单，编程语言也相对简单，并且测试容易，维修
方便，更可以提高控制系统设计的灵活性及控制系统的可靠性。本设计以操作简
单、使用可靠、维护修理方便作为主要设计方向。
1.2 物料分拣系统发展概况和现状
纵观国内外物料分拣系统的应用情况可以发现，国外的物流配送中心或工
业中倾向于采用自动化程度很高的分拣系统，而且应用也较为广泛。而在我国，
由于物流业起步晚，物料分拣系统中人工作业的比例也较高。尽管自动分拣系统
有非常多的优点，但因其要求使用者必须具备一定的技术经济条件，在发达国家
某些行业不用自动分拣系统的情况也很普遍。其主要原因有两点:一是一次性投
资巨大，先期投入回收慢。系统的设备复杂，投资和运营成本相当高，需要可靠
的货源作保证，也许只有大型生产企业或专业物流公司才有能力投资小企业则无
能为力。二是系统对商品外包装要求高。为使大部分商品都能用机械进行自动分
拣，需要采取诸如推行标准化包装、根据分拣商品统一的包装特性定制分拣机等
二次措施。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，定制分
拣机又会使硬件成本上升，且越是特别的通用性就越差。
虽然物料分拣系统有它的局限性，但随着社会的高速发展，一切都讲究效率，
我相信高效率的物料分拣系统设计将会被人们越来越重视。而本设计就针对物料
分拣设计出了一个由PLC控制的分拣系统，解决了组成系统的设备能在安全工
作的同时又能提高物料分拣效率的问题。
3
1.3 课题研究目的和意义
分拣系统中物料传感器以及气缸应自动化设备更新时的需要，可以大量代替
单调往复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可
以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，
能在高温、腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身安全，可以广泛应用于机械
制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。本文主要针对生产线上的自动化设
计了一个四段物料分拣传送带，实现生产的自动化。启动后，供料传送带启动并
开始供料，当物料为金属物料时，物料到位，通过汽缸将物料推出，然后停止传
送带；当物料为白色物料时，物料到位，通过汽缸将物料推出，然后停止传送带；
当物料为黑色物料时，直接将物料输送出去。分料盘在物料分拣中起着关键作
用,安装在其内部的步进电机的驱动将使分料盘发生相应的动作来达到物料的最
终分拣。由于同样实现了自动化分拣，因此在现代工业中也较广泛地使用。
伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越
重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增
加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机传送带就在这样诞生了,其中的
自动分拣传送带是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积
极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，
遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；广泛的应用传送带，可
以逐步改善劳动条件，更强与可控的生产能力，加快产品更新换代，提高生产效
率和保证产品质量，消除枯燥无味的工作，节约劳动力，提供更安全的工作环境，
降低工人的劳动强度，减少劳动风险，提高机床，减少工艺过程中的工作量及降
低停产时间和库存，显著地提高劳动生产率，提高企业竞争力，加快实现工业生
产机械化和自动化的步伐。
可编程控制器 (PLC)是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先
进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点，已成
为目前在物料分拣控制系统中使用最多的控制方式。使用PLC的自动控制系统
具有体积小，可靠高，故障率低，动作精度高等优点[3]。
本设计拟开发的基于PLC的物料分拣传送带可代替人工在高温和危险的作
4
业区进行作业，可分拣重量较大的工件，采用PLC控制，和传统继电器控制相
比较，具有稳定性高，接线简单，抗干扰能力强，维修方便等优点。可以简化控
制线路，节省成本，进一步提高劳动生产率[4]。
1.4本文研究的主要内容
在本文中,以生产线上不同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,介绍了分拣系统中传感器信号的采集、处理的一些基本知
识,并通过设计要求与技术指标的比较,确定了硬件系统中的各种元器件及PLC的
选型。
在介绍了一些PLC、传感器基本知识后,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。
在本系统完成其设计之后,对其进行整体安装与调试。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。将各气
缸的动作速度进行调试之后,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。
1.5本章小结
本章主要是阐述了物料分拣系统的应用背景，了解了自动分拣系统的主要特
点。明确了课题研究目的和意义，对物料分拣系统研究的主要内容做了个简单的
归纳。为后面的设计打下了良好的基础。
5
第二章PLC系统设计
根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满
足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善
系统指定的功能。
2.1控制系统设计的基本内容
PLC控制系统具有可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强，运行稳定。
有较高的易操作性，它具有编程简单，操作十分灵活方便，监视和控制变量十分
容易，维修容易等特点。一般不容易发生操作的错误，容易掌握和理解。
PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的。因此，PLC控
制系统设计的基本内容应包括以下内容：
（1）选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设
备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电
动机、电磁阀等）。这些设备属于一般的电气元件，其选择的方法在其他有关书
籍中已有介绍。
（2）PLC的选择。 PLC是PLC控制系统的核心部件，正确选择PLC对于
保证整个控制系统的技术经济性能指标起到重要的作用。
选择PLC，应包括机型选择、容量的选择以及I/O模块的选择、电源模块的
选择等。
（3）分配I/O点，绘制I/O连接图。
（4）设计控制程序。包括控制系统流程图、梯形图、语句表（即程序清单）
和控制系统流程图。
控制程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作正常、安全、可靠的
关键。因此，设计的控制程序必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。
（5）必要时还需设计控制台
（6）编制控制系统的技术文件。包括说明书、电气图及电气元件明细表。
传统的电气图，一般包括电气原理图、电器布置图及电气安装图。在PLC
6
控制系统中，这一部分图统称为“硬件图”。它在传统电气图的基础上增加了PLC
部分，因此在电气原理图中应增加PLC部分的I/O连接图[3]。
另外，在PLC控制系统中的电气图中还应包括程序图（梯形图），通常称它
为“软件图”。向用户提供“软件图”，可便于用户在生产发展或工艺改进时修改
程序，并有利于用户在维修时分析和排除故障。
2.2控制系统设计的原则
设计任何一个PLC控制系统，如同设计任何一种电气控制系统一样，其目
的都是通过控制被控对象（生产设备或生产过程）来实现工艺要求，提高生产效
率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则。
（1） PLC控制系统被控对象最大限度地满足工艺要求。设计前，应深入现
场进行调查研究，收集资料，并于机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，
共同拟订电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。
（2）在满足控制系统要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及
维修方便。一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效
益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的
增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，
另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统
简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动
化和高指标[5]。
（3）保证PLC控制系统安全可靠
保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重
要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以
确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而
且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。
（4）考虑到生产的发展和工艺的改进，在配置PLC硬件设备时应适当留有
一定裕量。
2.3控制系统设计的一般步骤
7
设计控制系统的步骤可分为：
（1）根据生产的工艺过程分析控制要求。
（2）根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，据此确定PLC的I/O
点数。
（3）选择PLC系统。
（4）分配PLC饿I/O点，设计I/O连接图。
（5）进行PLC程序设计，同时可进行控制太的设计和现场施工。
2.4程序设计的步骤
程序的设计要按一定的步骤才可以顺利的完成。程序设计的步骤可分为：
（1）对于较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程土，用以清楚地表明动
作的顺序和条件。
（2）设计梯形图。这程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。
（3）根据梯形图编制程序清单。
（4）用编程器将程序输入到PLC的用户存储器中，并检查输入的程序是否
正确。
（5）对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。
（6）待控制台及现场施工完成后，就可以进行联机调试。若未满足要求，
再从新修改程序或检查接线，直到满足为止。
（7）编写技术文件。
（8）交付使用。
2.5编写梯形图应该注意的事项
（1）输入/输出继电器、内部辅助继电器、定时器、记数器等器件的触点可
以多次重复使用，无需复杂的程序结构来减少触点的使用次数。
（2）梯形图每一行都是从左母线开始，线圈终止于右母线。触点不能放在
线圈的右边。除步进程序外，任何线圈、定时器、计数器、高级指令等不能直接
与左母线相连。如果需要任何时候都被执行的程序段，可以通过特殊内部常闭继
电器或一个没有使用的内部继电器的常闭触点来连接[6]。
（3）在程序中，不允许同一编号的线圈两次输出。
8
（4）不允许出现桥式电路。
程序的编写顺序应按自上而下、从左止右的方式编写。为了减少程序的执行
步数，程序应为“左大右小，上大右小”。
2.6 本章小结
本章主要对PLC系统设计一些要求和注意事项进行了详细的介绍。对控制系
统设计的基本内容、原则、一般步骤、程序设计的步骤以及编写梯形图应该注意
的事项有了进一步的了解。确定了控制系统的基本设计步骤，为后面的控制系统
设计、程序设计奠定了坚实的基础。
9
第三章系统的组成及控制要求
物料分拣系统由上料机构、搬运机械手、皮带输送线、物件分拣机构组成。
该系统动力由气压供能，PLC通过直接控制电器执行元件和间接控制气动执行元
件来实现系统功能，模拟实现了机电一体化。图3-1为系统流程简图。
无光电传感器检测放料台有无物料？
图3-1系统流程简图
上料机构
无
物
料
报
警
有
搬运机械手机构工作
等
待
机
械
手
搬
运
无
光电传感器检测入料口有无物料？
有
皮带传输机构工作
物料分拣机构工作
10
3.1系统的组成
3.1.1上料机构
上料机构如图3-2，由井式工件库、光电传感器、工件、存放料台、推料气
缸、安装支架等组成。主要完成将工件依次送至存放料台上。没有工件时，报警
指示黄灯闪烁，放入工件后闪烁自动停止。
图3-2上料机构实物图
3.1.2搬运机械手机构
搬运机械手机构。由气动手爪、双导杆气缸、单杆气缸、电感传感器、磁性
传感器、多种类型电磁阀、步进电机及驱动器组成。主要完成通过气动机械手手
臂前伸，前臂下降，气动手指夹紧物料，前臂上升，手臂缩回，手臂旋转到位，
手臂前伸，前臂下降，手爪松开将物料放入料口，机械手返回原位，等待下一个
物料到位等动作。
3.1.3物料传输分拣机构
物料输送与分拣机构如图3-3。由皮带输送线、分拣料槽、单杆气缸、旋转
气缸、三相异步电动机、磁性传感器、光电传感器、电感传感器、光纤传感器及
电磁阀等组成。主要完成物料的输送和分拣任务。（1号料槽：用于放置金属物
料；2号料槽：用于放置白色尼龙物料；3号料槽：用于放置黑色尼龙物料。）
11
图3-3物料传输与分拣机构实物图
3.2 系统控制要求
本设计中系统对三种不同的物料（金属铝物料、白色纤维物料、黑色纤维物
料）进行上料、搬运、运输和分类分拣，基于PLC的控制可实现系统的自动化
和半自动化控制。
（1）上料机构
在复位完成后，点动“启动”按钮，料筒光电传感器检测到有工件时，推料
气缸将工件推出至存放料台，若3秒钟后，料筒检测光电传感器仍未检测到工件，
则说明料筒内无物料，这时警示黄灯闪烁，放入物料后熄灭；机械手将工件取走
后，推料气缸缩回，工件下落，气缸重复上一次动作。
（2）搬运机械手机构（自动控制）
当存放料台检测光电传感器检测物料到位后，机械手手臂前伸，手臂伸出限
位传感器检测到位后，延时0.5秒，手爪气缸下降，手爪下降限位传感器检测到
位后，延时0.5秒，气动手爪抓取物料,手爪夹紧限位传感器检测到夹紧信号后；
延时0.5秒，手爪气缸上升，手爪提升限位传感器检测到位后，手臂气缸缩回，
手臂缩回限位传感器检测到位后；手臂向右旋转，手臂旋转一定角度后，手臂前
伸，手臂伸出限位传感器检测到位后，手爪气缸下降，手爪下降限位传感器检测
12
到位后，延时0.5秒，气动手爪放开物料,手爪气缸上升，手爪提升限位传感器检
测到位后，手臂气缸缩回，手臂缩回限位传感器检测到位后，手臂向左旋转，等
待下一个物料到位，重复上面的动作。在分拣气缸完成分拣后，再将物料放入输
送线上[7]。
（3）运输与分拣机构
当入料口光电传感器检测到物料时，变频器接收启动信号，三相交流异步电
机以30HZ的频率正转运行，皮带开始输送工件，当料槽一到位检测传感器检测
到金属物料时，推料一气缸动作，将金属物料推入一号料槽，料槽检测传感器检
测到有工件经过时，电动机停止；当料槽二检测传感器检测到白色物料时，旋转
气缸动作，将白色物料导入二号料槽，料槽检测传感器检测到有工件经过时，旋
转气缸转回原位，同时电动机停止；当物料为黑色物料直接导入三号料槽，料槽
检测传感器检测到有工件经过时，电动机停止。
3.3 本章小结
本章对控制系统的组成进行了介绍，设计了PLC控制系统机构流程简图，对
上料机构、搬运机械手机构、运输与分拣机构的控制功能方面给出了详细的要
求，为控制系统软硬件的设计奠定了坚实的基础。
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第四章系统硬件设计
可编程控制器技术的最主要应用是在自动化控制工程中，如何根据实际工程
要求合理组合成控制系统是设计自动化控制系统的核心，本章主要介绍组成可编
程控制器控制系统的硬件设计部分。系统的硬件部分包括机械元件、气动元件、
PLC输入\输出电气元件。在本设计中主要对三菱FX-2N型PLC相关电气硬件部
分进行设计及说明。
4.1电气元件名称及功能
4.1.1输入电气元件
（1）光电传感器SB03-1K（3个）
①位于料库下外侧。作用：检测料库中有无物料，物料检测传感器为光电漫
反射型传感器，检测到有物料时推料气缸将物料推出到存放料台，有物料时为
PLC提供一个输入信号。
②位于存放料台下方。作用：检测存放料台上有无物料，漫反射式直流NPN
三线常开，当检测到存料台上有物料时为PLC提供一个输入信号。
③位于入料口中间外侧。作用：检测入料口有无物料进入，漫反射式直流
NPN三线常开，当检测到入料口有物料时为PLC提供一个输入信号。
（2）光电传感器WS/WE100-N1439 位置：位于料槽一与料槽三入口外
侧。作用：检测物料是否经过料槽一、二、三，该光电传感器为分体直射型，当
检测到物料进入料槽时为PLC提供一个输入信号。
（3）磁性传感器D-A73 位置：位于气缸两端。作用：用于检测气缸伸出
缩回是否达到限位位置点检测气缸达到限位位子时为PLC提供一个输入信号。
（4）电感传感器LE4-1K 位置：机械手旋转支柱下侧旁。作用：检测机
械手是否在基准位子，机械手臂左摆或右摆到位后，电感传感器向PLC提供一
个输入信号。
（5）电感式传感器 位置：位于料槽一前、皮带上方。作用：检测金属材
料，当金属物料经过时，传感器向PLC提供一个输入信号。
14
（6）光纤传感器 位置：位于料槽一与料槽二的皮带传输的中间上方。作
用：用于检测非金属的白色物料。当光纤传感器检测到白色物料时为PLC提供
一个输入信号。其检测距离为3~8mm，检测距离可通过传感器放大器的电位器
调节。
（7）按钮（7个） 控制系统的启动（绿色）、停止（红色）、复位（黄色）；
4个用于机械手的手动控制。
4.1.2输出电气元件
（1）警示灯 在设备停止时警示红灯亮，在设备运行时警示绿灯，在无物
料或停止时警示黄灯闪烁。
（2）电磁阀 通过PLC控制电磁阀来控制气缸的动作。
（3）变频器 当入料口检测到有物料时PLC向变频器提供驱动信号，变频
器驱动三项异步电动机按设定频率转动。
（4）步进电机驱动器 接受PLC的控制脉冲信号，正反转信号，使能信号。
控制机械手手臂的旋转，通过脉冲个数进行精确定位。
4.1.3执行电气元件
（1）推料气缸 将工件推到存放料台上，由单向电控气阀控制[8]。
（2）推料一气缸 将金属物料推入料槽一，由单向电控阀控制。
（3）气动手爪 完成工件的抓取动作，由双向电控阀控制，手爪夹紧时
磁性传感器有信号输出，磁性开关指示灯亮。
（4）双导杆气缸 控制机械手臂伸出、缩回，由双向电控气阀控制。
（5）单杆气缸 控制气动手爪的提升、下降，由双向电控气阀控制。
（6）导料气缸 在检测到有白色物料时，将导料块旋转到相应的位置，
由双向电控气阀控制。
（7）步进电机 用步进电机驱动器控制，用与实现机械手臂的旋转。
（8）皮带输送线 由三相交流异步电动机拖动，将物料输送到相应的位置。
（9）三相异步电动机 驱动传送带转动，由变频器控制。
15
4.2输入/输出（I/O）点分配
表4-1输入点分配及说明
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
PLC地址
X0
X1
X2
X3
X4
X5
X6
X7
X10
X11
X12
X13
X14
X15
X16
X17
X20
X21
X22
X23
X24
名称
启动按钮
停止按钮
复位按钮
物料检测光电传感器
物料推出检测光电传感器
推料伸出限位传感器
推料缩回限位传感器
手臂伸出限位传感器
手臂缩回限位传感器
手爪下降限位传感器
手爪提升限位传感器
手爪夹紧限位传感器
机械手基准传感器
推料一伸出限位传感器
推料一缩回限位传感器
导料转出限位传感器
导料原位限位传感器
入料检测光电传感器
料槽一检测传感器
料槽二检测传感器
分拣槽检测光电传感器
功能说明
系统启动
系统停止
系统复位
检测料库有无物料
检测放料台上有无物料
检测推料气缸是否退出
检测推料气缸是否缩回
检测手臂是否伸出
检测手臂是否缩回
检测手爪是否下降
检测手爪是否提升
检测手爪是否夹紧
检测机械手是否在基准位置
检测推料一气缸是否推出
检测推料一气缸是否缩回
检测导料气缸是否旋转到位
检测导料气缸是否回原位
检测物料是否放入入料口
检测金属物料
检测白色物料
检测有无物料进入料槽
16
表4-2输出点分配
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
PLC地址
Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
Y10
Y11
Y12
Y13
Y14
Y15
Y16
Y17
名称
步进电机驱动器PUL-
步进电机驱动器DIR-
步进电机驱动器ENA-
电磁阀
电磁阀
电磁阀
电磁阀
电磁阀
电磁阀
电磁阀
电磁阀
电磁阀
警示红灯
警示绿灯
警示黄灯
变频器STF
功能说明
输出脉冲
方向控制
使能控制
物料推出
手臂伸出
手臂缩回
手爪上升
手爪下降
手爪夹紧
手抓松开
推料气缸
导料气缸
停止指示灯
启动指示灯
物料报警指示灯
变频器驱动控制
4.3 PLC 的选型
在第二章中已对PLC进行了简单介绍，在设计中应用的是三菱FX-2N型
PLC。
日本三菱可编程控制器分为F、F1、F2、FX0、FX2、FX0N、FX0S、FX2N、
FX2NC等几个系列，其中F系列是早期产品，现已停产。FX2系列是1991年推
出的产品，是加强型的小型机。FX2N是三菱公司的近期产品，按叠装式配置，
是日本高性能小型机中的代表作[9]。三菱FX系列常见型号如下图4-1所示：
17
图4-1三菱FX系列PLC
4.3.1系统对PLC的要求
（1）功能要求：在满足一般开关量输入信号控制要的同时，系统要进行步
进电机控制，要求输出脉冲信号，所以输出类型要是晶体管输出[10]（T）。
（2）I/O点数要求：系统所需输入点数为21点；系统所需输出点数为16
点。在实际统计出的I/O点数的基础上加15%——20%的备用量，以便今后调整
和扩展。
4.3.2确定PLC型号
根据上述要求可暂定型号为：三菱FX2N-64MT。
考虑到FX2N-64MT与FX2N-48MT相比价格稍微较贵。但FX2N-48MT的
输入点数能不能满足系统要求，但也可选用扩展模块比如：FX2N-8EX（输入点
为8的扩展模块）。考虑多方面因素：
最后确定可编程控制器型号为：三菱FX2N-64MT
18
4.4三菱FX-2N型PLC控制原理图
图4-2三菱FX-2N型PLC控制原理图
19
4.5 步进电机设计
在本设计中选用的步进电机型号为：57BYG350CL-SAKSML050，选配的步进电
机驱动器型号为：3MD560。
3MD560细分型三相混合式步进电机驱动器，采用直流18-50V供电，适合
驱动相电流小于6A、外经42-86毫米的三相混合式步进电机。此驱动器采用交
流伺服驱动器的电流环进行细分控制，电机的转矩波动很小，低速运行平稳，几
乎没有振动和噪音。高速时力矩也大大高于二相混合式步进电机，定位精度高。
（1）功能简介：
纯正弦电流控制，驱动电流可达6.0A；直流供电电压18-50VDC；光电隔离
信号输入/输出；有过压、欠压、过流、相间短路、过热保护功能；八档细分和
自动半流功能；十六档输出相电流设置；具有相位记忆功能（电机停止5秒后再
断电，可保持电机上下电位置不变）；高启动转速；具有脱机命令输入端子；电
机的扭矩与它的转速有关，而与电机每转的步数无关[11]。
广泛适用于雕刻机、数控机床、切割机和绘图仪等分辨率要求较高的设备上。
（2）在本系统中设置参数设置如表4-3所示。
1电流设定细分设定 ○
电流值(A) SW1 SW2 SW3 SW4
1.5A OFF OFF OFF OFF
2.6A OFF OFF ON OFF
4.1A ON OFF OFF ON
5.2A ON OFF ON ON
6.0A ON ON ON ON
2步数/圈 SW6 SW7 SW8 ○
200 ON ON ON
400 OFF ON ON
500 ON OFF ON
1000 OFF OFF ON
20
2000 ON ON OFF
4000 OFF ON OFF
5000 ON OFF OFF
1000 OFF OFF OFF
表4-3步进电机驱动器参数设置
序号
开关状态
SW1
ON
SW2
ON
SW3
ON
SW4
ON
SW5
OFF
SW6
OFF
SW7
OFF
SW8
OFF
（3）脉冲个数计算：
在模拟系统中步进电机左右旋转的角度为63°，步进驱动器所设置的细分步参
数为10000步/圈，电流值为6.0A。所以PLC的Y0口产生脉冲数N为：
N ? 10000?63? ?1750（步）360?
4.6 本章小结
本章在确定了控制系统的基本设计步骤之后，详细设计了控制系统的硬件部
分，给出了I/O分配表、控制器接线图，完成了PLC选型、步进电机设计的主要工
作，为产品的开发、生产奠定了坚实的基础。
21
第五章系统软件设计
第四章中已对系统硬件进行了设计，通过各类输入输出元器件为实现系统功
能做好了准备，本章利用PLC作为核心控制部件将各类元器件通过逻辑关系联
系起来，实现系统控制要求。
5.1三菱编程软件、模拟仿真软件
多年来，各PLC厂家都相继开发了基于个人计算机的图示化编程软件，例
如西门子S7-200系列可编程控制器使用的STEP7 Micro/WIN32编程软件，三菱
FX2N系列PLC使用的SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件等。这些软件一般都具
有编程及程序调试等多种功能，是PLC用户不可缺少的开发工具[12]。
三菱全系列PLC仿真调试软件GX Simulator：
（1）仿真软件的功能就是将编写好的程序在电脑中虚拟运行，如果没有编
好的程序，是无法进行仿真的。所以，在安装仿真软件GX Simulator 6c之前，
必须先安装编程软件 GX Developer，并且版本要互相兼容。
（2）安装好编程软件和仿真软件后，在桌面或者开始菜单中并没有仿真软
件的图标。因为仿真软件被集成到编程软件GX Developer中了，其实这个仿真
软件相当于编程软件的一个插件[13]。
5.2程序设计思想
本系统程序设计部分可分为三部分来进行，上料机构程序设计，搬运机械手
程序设计，物料传输分拣程序设计。通过分别绘制三部分的流程图可清晰的反应
出控制要求，程序执行过程，为程序编写做好了准备工作。实现了系统的自动与
半自动控制，警示灯报警等控制要求，最后将三部分程序设计按要求整合起来完
成整个系统的程序设计。
22
5.2.1 上料机构流程图
上料机构的控制要求，在程序设计的时候应注意一下几点：
（1）警示黄灯在料库无物料与停止时都要闪烁。
（2）当放料台有物料时，推料气缸保持伸出状态，同时放料台有物料是驱
动机械手程序的必备条件。
上料机构流程图如图5-1所示：
复位
放入物料后黄灯熄灭
警示绿灯亮启动
3s后料筒光电传感器检
测有无物料
警示黄灯闪烁
有
无
放料台光电传感器检
测有无物料
推料气缸将工件推至放料台
等待物料推出
有
机械手将工件取走接机械手流程图
推料气缸缩回
图5-1上料机构流程图
23
上料机构部分的梯形图如图5-2所示：
图5-2上料机构梯形图
24
5.2.2 搬运机械手流程图
搬运机械手流程图如图5-3所示：
图 5-3搬运机械手流程图
从图中反应出来搬运机械手的控制要求，在进行搬运机械手程序设计时，首
先考虑到的就是要用步进指令进行程序编写，这样程序编写就简单明了化了。在
机械手状态转移的时候，要注意上一个状态的输出有的必须要保持，比如手爪在
夹紧工件后，在没有送到入料口之前的所有状态手爪都必须保持夹紧[14]。
25
程序中的难点是步进电机控制程序的编写，要兼顾考虑机械手复位的控制要
求。在机械手控制程序的编写加入了计数器，机械手臂只能在基准位置向右旋转
一次，从而保护手臂连续旋转对手臂上气管，电线的破坏。
搬运机械手状态转移图如图5-4所示：
图5-4搬运机械手机构状态转移图
26
机械手控制程序的编写如图5-5所示:
27
28
图5-5搬运机械手机构梯形图
29
5.2.3 物料传输分拣流程图
物料传输分拣流程图如图5-6所示：
图 5-6物料传输分拣流程图
入料口光电传感器检测
变频器接收启动信
三相交流异步电机以30HZ的频率带动皮带正传传输物
料槽一检测
为金属物料
料槽二传感器检
测为白色物料
物料为黑色
物料
推料气缸动作将
（金属物料）推
进一号料槽
旋转气缸动作将
（白色物料）导
入二号槽
直接将（黑色物
料）传送至三号
料槽
料槽传感器检测到有工件经过时电机停转
从图中反应出物料传输分拣过程，当物料进入入料口时，PLC给变频器一个
驱动信号，实现了传输功能。在传输的过程中用电感传感器对金属物料进行识别，
用光纤传感器对白色物料进行识别，没有被识别的就是黑色物料，这样便对三种
不同物料进行了识别，配合相应的动作便可以实现着三种物料的分拣功能。料槽
传感器是用来检测有无物料进入料槽，同时兼顾控制导料气缸复位，三相异步电
机停止。
30
物料分拣机构程序梯形图如图5-7所示：
图5-7物料分拣机构梯形图
5.2.4 系统控制总程序设计简介
上文对程序设计思想进行了简要说明，分了三部分进行设计，在总体程序的
设计就需要将前面三部分的设计思想结合起来。
总程序中为了实现启动、停止、复位、报警、自动控制及半自动控制。启动
时用了辅助继电器，并将启动与停止按钮互锁，这样可直接实现上料机构与传输
分拣机构的启动、停止、报警的控制。在整个程序中将搬运机械手自动与手动控
制程序设置成了两个子程序。通过旋转开关进行两者的转换调用，同时对步进程
序实现直接停止，不必再等到执行一个周期后才能停止。在程序中进行了文字说
明，这样更有利于读懂程序。
31
第六章系统调试
基于三菱FX-2N型PLC控制物料分拣系统的调试分两个调试过程进行。一
是在程序应在未带载情况下进行模拟调试，二是进行程序的现场调试。在模拟调
试完成后，方可进行现场安装调试，并进行运行调试，确定参数，完善程序，最
后完成整个调试工作。
6.1程序的模拟调试
程序的调试是设计过程中一个比较重要环节，很少有程序是一经编制就可以
运行成功的，只有经过调试运行甚至现场运行才能发现程序中不合理的地方并且
进行修改。本设计中使用的编程软件GX-DeveloperV7.0具有监控功能，将仿真
软件GX Simulator 6c安装后就可直接在编程软件中进行程序的模拟调试及监控。
通过仿真软件按照控制要求一步步进行输入输出端口设置，看输出是否满足控制
要求[15]。仿真调试时是否正常按预期效果运行，若不是按预期效果输出，再仔细
检查程序并修改后，再仿真调试。若有异再修改程序，这样反复调试，直至程序
可用模拟调试运行正常。
如图6-1是程序调试及监控的打开界面。
32
图6-1程序调试及监控开始
6.1.1 通过软元件输入输出状态进行调试
在仿真软件中可以直接对各种软器件进行置位，如：X0000-0237、
Y0000-0237、T00-99、C00-99、M00-99等部分常用的软器件可直接进行置位，
对于特殊功能辅助继电器、时间继电器、计数器不能直接置位调试。
（1）将X0按下系统启动，此时警示绿灯Y15亮，警示黄灯Y16闪烁，无
料报警。输入输出调试状态如图6-2所示：
图6-2程序启动时调试及运行监控
（2）将物料检测传感器X3置位，此时警示黄灯Y15停止闪烁，将推料伸
出限位传感器X6置位，此时物料推出气缸Y3动作。X6复位，推料伸出传感器
X5被置位，放料台光电开关X4检测到物料也被置位。当物料被爪走后X4复位，
Y3复位，推料气缸缩回，反复执行推料过程。输入输出状态见图6-3。
（3）分拣调试
将入料口光电开关X21置位，此时Y17向变频器发送驱动信号。当物料为
金属物料时，料槽一检测传感器置位，此时气缸Y12动作将物料推入料槽一。
33
同时分拣检测光电开关向PLC发出一个信号，使电机停转。调试输入输出状态
见图6-4。
图6-3上料结构上料时运行监控
34
图6-4金属物料分拣时运行监控
程序仿真调试方法不变，进行搬运机械手，物料分拣的调试时，按照控制要
求及相应输入控制元件的置位情况，对输入口进行设置后，同时观察输出的状态
变化看是否满足控制要求。依照此法逐步对程序进行调试修改，直至满足控制要
求。
6.1.2 时序图辅助调试
如果想更形象的反应出输入输出及其它软元件的状态图式，可以通过时序图
进行辅助调试，通过时序图就可以更清晰的看出软元件状态的变化。如图6-5所
示为时序的样板。
依照控制要求对系统程序一步一步进行仿真调试，在调试的过程中发现了一
些错误的方，经过反复调试，最后是程序在仿真调试中满足了控制要求，系统模
拟调试完成。
图6-5辅助调试时序图
6.2程序的现场调试
本系统设计基础源于学校的机电一体化实验室，自动控制部分可以在实验室
进行现场调试。但由于客观条件限制，目前不能进行三菱FX2N型可编程控制器
的现场调试。
35
硬件部分按照电气原理图连接好，在接线过程中要务必认真仔细，检查主电
路和控制电路确定无误后，方可进行调试。在调试过程中系统很有可能存在传感
器、执行器、和硬件连线等方面的问题，以及PLC的外部接线图和软件部分的
梯形图程序设计中的问题，经过仔细推敲及时加以解决。
调试过程：
(1)检查连线，要逐点进行，确保正确无误。
(2)检查输入输出接口。
(3)将调试好的程序传输的三菱FX-2N型PLC中。
(4)检测搬运机械手手动部分和自动部分。
(5)进行系统半自动调试。
(6)进行系统自动工作调试。
(7)异常条件检查，完成上述所有的调试工作，系统调试完成。
36
结论
综全文所述，本文对PLC及传感器技术的工作原理、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具有很高的
实用价值。
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
制技术等基本知识。
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。
37
参考文献
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university[M] .Vol.1.No.1.1997
38
谢辞
四年的大学，匆匆而过，毕业设计是我们四年所学的一个体现，经历两个月
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。
本设计的顺利完成,首先要感谢我的指导老师张晓老师。在论文的写作过程
中，张老师给了我许许多多的帮助。在评阅中，张老师还指出了我设计中的许多
不足，使我的设计更加完善合理。张老师使我不仅学到了扎实的专业知识，也学
到了很多待人处事道理。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。谨此对张老师表达衷心的感谢和崇高的敬意。
感谢和许多同学对我的支持和鼓励，感谢你们在学习和生活上给我的帮助，
和我一起解决各种各样的困难。此外，我还要感谢我的父母，谢谢他们一直以来
对我的学业的支持和帮助。最后，祝所有关心、帮助和支持我的人们身体健康、
工作顺利！
最后非常感谢我的指导老师——张晓老师，感谢您对我的支持，感谢您乐观
处事的态度，感谢您给予的帮助，谢谢！
39
附录
系统程序
本设计中运用编程语言是梯形图编程语言，通过梯形图及附加的文字说明可
以清晰直观的看出编程思路，控制要求和系统实现的功能。系统梯形图编程语言
程序如下。
40
41
42
43
|
|
