第三章 系统硬件设计
3.1 基本结构
硬件部分由传感器、可编程控制器、气缸、变频器、电机、气体空压机组成，他们之间的关系如图3.10所示。
图3.10 系统的硬件结构框图
3.
3.2.1 PLC的型号选择
根据输入输出点数合理选择PLC，由表5—1可知输入使用19点，输出使用9点，考虑到以后使用中的升级、添加功能的需要，点数应略多于现用的点数。对比表3.2可知，
0.8
电动机额定电流A
P0307
0.75
0.2
电动机额定功率KV
P0308
0
0.8
电动机额定功率因素cos
P0310
50
50
电动机额定频率HZ
P0311
0
1400
电动机额定转速r/min
设置完成后，P0010设置为0，变频器处于准备状态，可正常运行。
2）模拟信号操作控制参数
表3-4 模拟信号操作控制参数
②选择变频器的型号
考虑到变频器使用的功能以及各系列变频器的特点，最终决定使用西门子MICROMASTER 440系列的变频器。他有以下几点特点：
引导调试简单
模块化结构允许组态的最大灵活性
六个可编程的独立数字量输入
两个可量测的模拟量输入(0V到10V,0mA到20mA) 也可以被用作第7个/ 第8个数字量输入
（5）SD：备用传感器，用于检测黄色塑料物料。
(6)SBW气缸缩回到位。
(7)SFW气缸伸出到位。
（8）1号料槽：用于放置铁物料。
（9）2号料槽：用于放置铝物料。
（10）3号料槽：用于放置蓝色塑料物料。
（11）4号料槽：用于放置黄色塑料物料。
（12）皮带输送线：由三相异步电动机拖动，将物料输送到相应的位置。
西门子S7-200系列中CPU226 DC/DC/DC有24个输入点和16个输出点。 所以选择CPU226 DC/DC/DC 6ES7 216-2AD23-0XB8型号的PLC作为自动分拣装置所用器件。
3.2.2电动机及变频器的选取及工作原理
1.电动机的工作原理
电动机(Motors)是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈(也就是定子绕组)产生旋转磁场并作用于转子鼠笼式式闭合铝框形成磁电动力旋转扭矩。电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线(磁场方向)方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。
（13）三相异步电动机：驱动传动带传动，由变频器控制。
2.2
1.上料机构
在复位完成后，按下“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，推料气缸缩回，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，这时警示灯黄灯闪烁，放入物料后黄灯熄灭；
2.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，三相异步电动机正转运行，皮带开始输送工件，当料槽一到位检测传感器检测到铁物料时，推料一号气缸动作，将铁物料推入一号料槽；当料槽二检测传感器检测到铝物料时，推料二气缸动作，将铝物料推入二号料槽；当检测器检测到蓝色物料时，推料三气缸动作，将蓝色物料推入三号料槽；当物料为黄色物料直接导入四号料槽，料槽检测传感器检测到有工件经过，推料四气缸动作，将黄色物料推入料槽。
③硬件连接
1） 三角形连接为：变频器U、V、W端分别接入电机的U1、V1、W1,电机端U1接W2,W1接V2,V1接U2
图3.12 变频器硬件端子图
2）变频器控制端口连接为：端口DIN1（5）为正转，端口DIN2（6）为反转，端子公共端接入端子9（OUTPUT），端子1（10V）和端子2（0V）给电位器供电，ANT1+(3)接电位计中间滑点，ANT1-（4）接电位计负极以及端子2（0V）。
3）变频器连接为：L1、L2、L3分别接入三相电源的L1、L2、L3
④参数设置
1）电动机的参数设置
表3-3 电动机参数设置
参数设置
出厂值
设置值
说明
P003
1
1
设用户访问级为标准级
P0010
0
1
快速调试
P0100
0
0
工作地区，功率KW表示，频率50HZ
P0304
230
380
电动机额定电压v
P0305
3.25
方案
电动机型号
额定功率/kw
满载转速 r/min
电流
效率Байду номын сангаас
1
Y2-801-2
0.75
2830
1.8
75
2
Y2-802-4
0.75
1390
2.0
73
3
Y2-90S-6
0.75
910
2.2
69
③电动机的主电路图
电机的主电路由刀开关QS1、热继电器QF1、交流接触器KM1、变频器组成，它的接线图如图3.11.
参数设置
出厂值
设置值
说明
P003
1
2
设用户访问级为标准级
P0700
2
2
命令源选择为端子排输入
P0701
1
1
ON接通正转，OFF停止
P0702
1
2
ON接通反转，OFF停止
P1000
2
2
频率设定值选择为模拟输入
P1080
0
0
电动机运行的最低频率
P1082
50
50
电动机运行的最高频率
电位器的选择
电位器的工作原理：首先在应该选用正比例变化线性的电位器，这种电位器的转动角度基本上跟电阻值的变化成正比例，这样根据电阻器的分压原理，就可以实现旋转角度大小转变成电压大小了。选择的型号是LA42DWQ-22 10K。
3.2.3气动元件的选取及工作原理
1.气动回路原理
图3.13 气动回路图
2.气源装置
由于气路图是并联连接，所以只要计算出最大压力就是气源需要的压力。气动系统装置中，经过分析，顶料气缸需要的压力最大，而且当顶铁物料时需要的压力最大。假设料筒可以装20个物料，已知工件的底面直径为100mm，高20mm，密度为7.9kg/m 。
表3-1 S7-200主要技术指标
特性
CPU221
CPU222
CPU224
CPU226
外形尺寸
90X80X62
90X80X62
120.5X80X62
190X80X62
本机I/O
数字量
6入/4出
8入/6出
14入/10出
24入/16出
扩展模块
0个模块
2个模块
7个模块
7个模块
I/O映象区
256（128入/128出）
本系统采用的可编程控制器，只要结合不同的传感器，比如根据材料的属性、尺寸的大小、物体的颜色等选择相应的传感器，就可对不同的物料进行分拣，具有广泛的应用前景。
1.2 设计任务要求
该控制系统应能使物料分拣具有自动循环、单循环、单动作三种工作方式，且能使各种工作方式不相互发生冲突；应能完成铁料、铝料、不同颜色的塑料分拣至不同料槽的控制要求；应具有启动、预停、急停和计数功能；应具有短路保护、过载保护、失压保护等功能。
估计输送带总长4000mm，总重量50kg，所以输送带的工作压力
F=（50+0.62）X10=506.2N
假设输送带的速度V=0.8m/s，卷筒的直径D=100mm，效率n =0.72。
①确定工作机需要的功率P 和卷筒的转速n
P = =0.56kw
n = =152.8r/min
②初定电机类型和转速
初估系统的总效率为0.8-0.9,需要电动机功率为
应确定具体的控制过程、控制系统的总体及软件设计；确定PLC的型号规格；确定PLC各I/O元件；设计气动系统控制原理图；确定各气动元件；设计电动机及变频器的主电路及控制电路原理图；确定变频器型号及各电气元件；设计物料分拣系统的单动作手动程序、单循环程序、自动循环程序，故障报警和信号显示程序；上机调试程序；进行成本估算。
1.3 设计任务分析
分拣的物料都是规则的，而且是圆柱形，我们可以先把物料装进一个套筒，然后就让它在重力的作用下一个一个的掉到输送带。在这个过程中需要设计一个上料机构来完成这一步骤。接着物料到达输送带时，我们要把铁、铝、塑料（黄、蓝色）物料进行分拣，可以用各种传感器来进行分拣，这就需要设计一个分拣装置。这两个装置可以用接触器控制，也可以用PLC控制，考虑到接线方面的麻烦，决定用PLC来控制整个流程！
由已知条件可以计算出当顶铁物料时，料筒最底下的那块铁重量
（2）顶料气缸：将工件顶住。
（3）挡料气缸：将工件一一的放下来。
（3）警示灯：在设备停止时警示红灯亮，在设备运行时警示绿灯亮，在无物料是警示黄灯亮。
（4）储料筒：用于存放直径100mm的圆柱型工件，料筒侧面有观察槽。
（5）安装支架：用于安装工件库和气缸。
1.1.2分拣装置
分拣装置由输送带、气缸、各种传感器、电动机等部分组成，它的结构图如图2.2所示
2.电动机的选择
电动机主要带动传送带，要想选择合适的电动机，必须考虑到传送带的工作压力和输送的速度。由于传送带上有四个传感器，所以传送带上最多同时有五个工件，假设都是铁，已知工件的底面直径为100mm，高20mm,密度7.9kg/m
由已知条件可以计算传送带上物料的重量
M=5xSxhxP=5x3.14X0.5 X0.02X7.9=0.62kg
图2 .2 分拣装置示意图
（1）SN:光电传感器,当有物料放入输送带时，给PLC一个输入信号。
（2）SA:电感式传感器,检测铁材料，检测距离为2—5mm。
（3）SB:电容传感器,检测铝材料，检测距离为2—5mm。