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PLC自动化控制课程设计案例

基于PLC的物料自动分拣系统课程设计与实践

引言

在现代工业自动化领域，可编程逻辑控制器（PLC）以其高可靠性、强抗干扰能力和灵活的编程方式，成为工业控制的核心部件。物料自动分拣系统作为自动化生产线中的关键环节，其高效性和准确性直接影响整个生产流程的效率。本次课程设计旨在通过一个贴近工业实际的物料分拣案例，使学习者能够综合运用PLC编程技术、传感器应用、气动控制以及人机交互等知识，完成从系统分析、方案设计到硬件选型、软件编程与调试的全过程，从而深化对PLC自动化控制技术的理解与应用能力。

一、控制要求分析

本设计的物料自动分拣系统主要实现对不同材质（如金属与非金属）及不同颜色（如黑色与白色）的物料进行自动识别、分拣和归类。具体控制要求如下：

1.系统启动与停止：系统具备手动启动和急停功能。启动后，传送带开始运行，物料由上料装置（本次设计简化为手动放置，但预留接口）送入分拣线。

2.物料检测与识别：

*位置检测：在传送带特定位置安装光电传感器，用于检测物料是否到达检测区域。

*材质检测：在位置检测之后，安装电感式接近开关，用于检测金属物料。

*颜色检测：在材质检测之后，安装颜色传感器，用于检测非金属物料的颜色（黑或白）。

3.分拣执行：根据检测结果，系统控制相应的分拣推杆（气动）动作，将物料推入对应的料箱：

*金属物料→金属料箱

*非金属黑色物料→黑色非金属料箱

*非金属白色物料→白色非金属料箱

*若物料未被上述传感器识别（或为其他类型），则由末端的推杆推入“未识别物料”料箱。

4.传送带控制：传送带应连续运行，当某一工位正在执行分拣动作时，若后续物料到达检测区，系统应能进行队列处理或适当延时，避免物料碰撞。（简化设计：假设物料间距足够，或设置一个物料间隔检测，确保一次只处理一个物料）

5.状态指示：系统配备运行指示灯、故障指示灯，分别指示正常运行和传感器故障等状态。

二、总体方案设计

2.1系统组成

本物料自动分拣系统由以下几个主要部分组成：

*机械结构：包括传送带（由减速电机驱动）、物料导向机构、分拣推杆（气动执行）、料箱等。

*电气控制系统：以PLC为控制核心，包括PLC主机、电源模块。

*传感检测系统：包括用于物料到位检测的光电传感器、金属检测的电感式接近开关、颜色识别的颜色传感器。

*执行系统：包括驱动传送带的减速电机及电机驱动模块、控制分拣推杆的电磁阀组。

*人机交互：包括启动按钮、急停按钮、状态指示灯。

2.2工作流程

1.操作人员将物料放置于传送带起始端（或由上料机构自动上料）。

2.物料随传送带向前移动，首先触发“物料到位检测”光电传感器。

3.PLC接收到到位信号后，启动后续检测流程：

*物料到达“金属检测”位置，电感式接近开关检测是否为金属。

*若为金属，则PLC记忆该信息，物料继续前行至金属分拣推杆位置，PLC控制对应电磁阀动作，推杆推出，将物料推入金属料箱，随后推杆复位。

*若为非金属，则物料继续前行至“颜色检测”位置，颜色传感器检测其颜色（黑或白）。

*PLC根据颜色检测结果，控制相应的颜色分拣推杆动作，将物料推入对应颜色料箱。

*若所有检测传感器均未有效识别（或按预设逻辑判断为未定义类型），物料行至末端，由“未识别物料”推杆将其推入相应料箱。

4.整个过程中，运行指示灯常亮，若某传感器持续无信号或信号异常，故障指示灯闪烁报警。

三、硬件系统设计

3.1PLC选型

考虑到系统I/O点数需求、成本及教学通用性，选用西门子S7-1200系列PLC，具体型号为CPU1214CDC/DC/DC。该型号PLC集成了14路数字量输入（DC24V）和10路数字量输出（DC24V，晶体管型），足以满足本设计的I/O需求，且支持多种扩展模块和通讯功能，编程软件为TIAPortal，界面友好，功能强大。

3.2传感器选型

*物料到位检测：选用漫反射型光电传感器，检测距离可调，对不同颜色和材质的物料均有较好的检测效果。

*金属检测：选用电感式接近开关，非接触式检测金属物体，响应速度快，可靠性高。

*颜色检测：选用小型化、低成本的颜色传感器，能够识别黑、白两种颜色，并提供数字量输出信号。

3.3执行器及驱动选型

*传送带驱动：选用24V直流减速电机，配备电机驱动模块（如H桥驱动），由PLC输出信号控制其启停。

*分拣推杆：选用小型气动气缸，配合单电控电磁阀控制其伸缩。共需4个分拣推杆（金属、黑色、白色、未识别），对应4个电磁阀。

3.4电源及其他辅助元件

*开关电源：提供DC24V电源，为