课程设计基于PLC的材料分拣系统设计

1、i 分拣系统课程设计分拣系统课程设计 班 级：理工 09-1 班 姓 名： 宋燮 学 号 : 22091167 指导教师： 崔吉 ii 摘摘 要要 plc控制是目前工业上最常用的自动化控制方法，由于其控制方便，能够承 受恶劣的环境，因此，在工业上优于单片机的控制。plc将传统的继电器控制技 术、计算机技术和通信技术融为一体,专门为工业控制而设计,具有功能强、通用 灵活、可靠性高、环境适应性强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功 耗低等一系列优点,因此在工业上的应用越来越广泛。 本文主要讲述plc在材料分拣系统中的应用，利用可编程控制器( plc) ,设计 成本低、效率高的材料自动分拣装置

2、。以plc 为主控制器,结合气动装置、传感 技术、位置控制等技术,现场控制产品的自动分拣。 系统具有自动化程度高、运 行稳定、精度高、易控制的特点,可根据不同对象,稍加修改本系统即可实现要求。 关键词: 可编程控制器，分拣装置，控制系统，传感器 iii 目目 录录 摘摘 要要.i 目录目录.ii 绪绪 论论.1 第第 1 章章 材料分拣装置结构及总体设计材料分拣装置结构及总体设计.3 1.1 材料分拣装置工作过程概述.3 1.2 系统的技术指标.4 1.3 系统的设计要求.4 第第 2 章章 控制系统的硬件设计控制系统的硬件设计.6 2.1 系统的硬件结构.6 2.2 系统关键技术.6 2.3

3、 检测元件与执行装置的选择.10 第第 3 章章 控制系统的软件设计控制系统的软件设计.18 3.1 控制系统流程图设计.18 3.2 控制系统程序设计.19 第第 4 章章 控制系统的调试控制系统的调试.25 4.1 程序的模拟调试.25 4.2 程序的现场调试.25 4.3 系统调试.26 4.4plc 的抗干扰系统 28 结结 论论.32 展展 望望.33 结论结论.34 参考文献参考文献.35 附附 录录.36 1 绪绪 论论 plc 是从 20 世纪末发展起来的一种新型的电气控制装置，它将传统的继电器 控制技术和计算控制技术、通信技术融为一体，以其显著的优点正被广泛地应用 于各种生产

4、机械和生产过程的自动控制中。可编程控制器以微处理器为核心，综 合计算机技术、自动化技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。 应用 plc 技术是当今世界潮流，必将对生产、科研和社会生活等诸多领域产生巨 大而深远的影响。 目前世界上，生产和研制 plc 的大公司很多，有代表性的是日本的欧姆龙公 司，德国西门子、美国的 ab 公司，都处于世界的领先水平。总的来说，我国从 1974 年开始研制 plc，1979 年开始应用于工业，并且发展很快，已取得了很大的 成绩，但是与世界研制和应用水平较高的国家相比还有很大的差距。 随着社会的不断发展,市场的竞争也越来越激烈,因此各个生产企业都迫切地

5、需要改进生产技术,提高生产效率,尤其在需要进行材料分拣的企业,以往一直采 用人工分拣的方法,致使生产效率低,生产成本高,企业的竞争能力差。而物料分 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.而且,分拣系统能灵活地与其他物流 设备无缝连接,实现对物料实物流、物料信息流的分配和管理.其设计采用标准化、 模块化的组装,具有系统布局灵活,维护、检修方便等特点,受场地原因影响不大。 同时,只要根据不同的分拣对象,对本系统稍加修改即可实现要求。 分拣是把很多货物按品种从不同的地点和单位分配到所设置的场地的作业。 按分拣的手段不同

6、，可分为人工分拣、机械分拣和自动分拣。 随着社会的不断发展，市场的竞争也越来越激烈，因此各个生产企业都迫切 地需要改进生产技术，提高生产效率，尤其在需要进行材料分拣的企业，以往一 直采用人工分拣的方法，致使生产效率低，生产成本高，企业的竞争能力差，材 料的自动分拣已成为企业的唯一选择。针对上述问题，利用 plc 技术设计了一 种成本低，效率高的材料自动分拣装置，在材料分拣过程中取得了较好的控制效 果。 目前自动分拣已逐渐成为主流，因为自动分拣是从货物进入分拣系统送到指 定的分配位置为止，都是按照人们的指令靠自动分拣装置来完成的。这种装置是 由接受分拣指示情报的控制装置、计算机网络，把到达分拣位

7、置的货物送到别处 的的搬送装置。由于全部采用机械自动作业，因此，分拣处理能力较大，分拣分 类数量也较多。 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， 2 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。而且，分拣系统能 灵活地与其他物流设备无缝连接，实现对物料实物流、物料信息流的分配和管理。 其设计采用标准化、模块化的组装，具有系统布局灵活，维护、检修方便等特 点，受场地原因影响不大。同时，只要根据不同的分拣对象，对本系统稍加修改 即可实现要求。 plc 控制分拣装置涵盖了 plc 技术、气动技术、传感器技术、位置控制技术 等内容，是实际工业现场生产设备的微缩

8、模型。 应用 plc 技术结合气动、传感器和位置控制等技术，设计不同类型材料的自 动分拣控制系统。该系统的灵活性较强，程序开发简单，可适应进行材料分拣的 弹性生产线的需求。本文主要介绍了 plc 控制系统的硬件和软件设计，以及一些 调试方法。 本设计应用可编程控制器(plc)实现了生产过程材料自动分拣的设计方案。 文中比较详细地介绍了设计过程，包括具体的设计要求，对设计任务的分析，可 编程控制器型号的选择，i/o 接点的分配， plc 接线图等具体内容，并且给出了 完整的硬件接线图，功能状态图，梯形图程序以及指令表程序。 3 第 1 章 材料分拣装置结构及总体设计 plc 控制分拣装置涵盖了

9、plc 技术、气动技术、传感器技术、位置控制技术 等内容，是实际工业现场生产设备的微缩模型。本章主要介绍分拣装置的工艺过 程及控制要求。 要想进行 plc 控制系统的设计，首先必须对控制对象进行调查，搞清楚控制 对象的工艺过程、工作特点，明确控制要求以及各阶段的特点和各阶段之间的转 换条件。 1.1 材料分拣装置工作过程概述 如图1-1 所示为本分拣装置的结构示意图。 图1-1 材料分拣装置结构示意图 它采用台式结构，内置电源，有步进电机、汽缸、电磁阀、旋转编码器、气 动减压器、滤清器、气压指示等部件，可与各类气源相连接。选用颜色识别传感 器及对不同材料敏感的电容式和电感式传感器，分别固定在网

10、板上，且允许重新 安装传感器排列位置或选择网板不同区域安装。 系统上电后，可编程序控制器首先控制启动输送带，下料传感器 sn 检测料 槽有无物料，若无料，输送带运转一个周期后自动停止等待下料；当料槽有料时， 下料传感器输出信号给 plc，plc 控制输送带继续运转，同时控制气动阀 5 进 4 行下料，每次下料时间间隔可以进行调整。物料传感器 sa 为电感传感器，当检 测出物料为铁质物料时，反馈信号送 plc，由 plc 控制气动阀 1 动作选出该 物料；物料传感器 sb 为电容传感器，当检测出物料为铝质物料时，反馈信号送 plc, plc 控制气动阀 2 动作选出该物料；物料传感器 sc 为颜

11、色传感器，当检 测出物料的颜色为待检测颜色时，plc 控制气动阀 3 动作选出该物料。物料传 感器 sd 为备用传感器。当系统设定为分拣某种颜色的金属或非金属物料时，由 程序记忆各传感器的状态，完成分拣任务。 1.2 系统的技术指标 输入电压：ac200240v（带保护地三芯插座） 消耗功率：250w 环境温度范围：-540 气源：大于0.2mpa切小于0.85mpa 1.3 系统的设计要求 系统的设计要求主要包括功能要求和控制要求，进行设计之前，首先应分析 控制对象的要求。 1.3.1 功能要求 材料分拣装置应实现基本功能如下 （1）分拣出金属和非金属 （2）分拣某一颜色块 （3）分拣出金属

12、中某一颜色块 （4）分拣出非金属中某一颜色块 （5）分拣出金属中某一颜色块和非金属中某一颜色块 1.3.2 系统的控制要求 系统利用各种传感器对待测材料进行检测并分类。当待测物体经下料装置送 入传送带后，依次接受各种传感器检测。如果被某种传感器测中，通过相应的气 动装置将其推入料箱；否则，继续前行。其控制要求有如下9 个方面： （1）系统送电后，光电编码器便可发生所需的脉冲 5 （2）电机运行，带动传输带传送物体向前运行 （3）有物料时，下料汽缸动作，将物料送出 （4）当电感传感器检测到铁物料时，推汽缸1 动作 （5）当电容传感器检测到铝物料时，推汽缸2 动作 （6）当颜色传感器检测到材料为某

13、一颜色时，推汽缸3 动作 （7）其他物料被送到sd 位置时，推汽缸4 动作 （8）汽缸运行应有动作限位保护 （9）下料槽内无下料时，延时后自动停机 6 第 2 章 控制系统的硬件设计 plc控制系统的硬件设计，主要是根据被控制对象对plc控制系统的功能要 求，确定系统所需的用户输入、输出设备，选择合适的plc类型，并分配i/o点。 2.1 系统的硬件结构 设计系统的硬件结构框图，如图2-1 所示。 图2-1 系统的硬件结构框图 2.2 系统关键技术 系统关键技术即分析控制系统的要求，确定i/o点数，选择plc的型号，然后 进行i/o分配。 2.2.1 用户存储容量的选择 存储容量是可编程控制器

14、本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储 器中用户应用项目使用的存储单元大小，因此程序容量小于存储容量。plc 用户 程序所需内存容量一般与开关量输入、输出点数、模拟量输入输出点数以及用户 7 程序达的编写质量等有关。对于控制较复杂、数据处理量较大的系统，要求存储 容量大些。对于同样的系统，不同用户编写的程序可能会使程序长度和执行时间 差距很大。对 plc 用户程序存储容量的估算，可用下面推荐的经验公式： 存储器总字节数=（开关量 i/o 点数*10）+（模拟量点数*150） 按经验公式所得的存储器总字节数要考虑 25%的余量。因为上面经过分析 需要 12 个输入点，12 个输出点，这样就

15、总共 24 个 i/o 点数。 因此，存储器总 字节数24*10=240。 根据控制要求，输入应该有 2 个开关信号，6 个传感器信号，包括电感传感 器、电容传感器、颜色传感器、备用传感器，以及检测下料的传感器和计数传感 器。相应地，有 5 个汽缸运动位置信号，每个汽缸有动作限位和回位限位，共 计 10 个信号。输出包括控制电动机运行的接触器，以及 5 个控制汽缸动作的电 磁阀。共需 i/ o 点 24 个，其中 18 个输入，6 个输出。 2.2.2 plc 型号的选择 在 plc 系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是 plc 工程设计选 型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主

16、要依据。plc 及有关设备应是集 成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则 选型所选用 plc 应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，plc 的系统 硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、 功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时， 应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和 动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定 plc 的功 能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的 plc 和设计相应的控制系统。 在选用 plc 型号时应考虑以下几个

17、问题： 1输出点数是衡量 plc 规模大小的重要指标。因此，在选用 plc 时，首先 要确保有足够的 i/o 点数，并留有一定的余地，一般可考虑 10%-15%的备用量； 2存储容量是可编程控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是 存储器中用户应用项目使用的存储单元大小，因此程序容量小于存储容量。plc 用户程序所需内存容量一般与开关量输入、输出点数、模拟量输入输出点数以及 用户程序达的编写质量等有关。对于控制较复杂、数据处理量较大的系统，要求 存储容量大些。对于同样的系统，不同用户编写的程序可能会使程序长度和执行 8 时间差距很大； 3输入/输出模块的选择。输入输出模块的选择应考虑与应

18、用要求的统一。 例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等 应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有 价格低、使用电压范围广、寿命短，响应时间长等特点。选择哪一种功能的输入 /输出模块和哪一种输出形式，取决于控制系统中输入/输出信号的种类、参数要 求和技术要求。例如，输入模块分为直流 5v、12v、24v、48v、60v 几种，交流 115v 和 220v 两种。一般应根据现场设备与模块之间的距离来选择电压的大小; 4plc机型要统一，即使在一个工厂，plc使用的机型要尽量统一，以便 于维护和管理。这样有利于plc应用技术水平的提高和功

19、能的开发，同时可使多 台plc共用一个编程器，经济也合算。 根据上面所确定的i/ o 点数，且该材料分拣装置的控制为开关量控制。因此， 选择一般的小型机即可满足控制要求。本系统选用西门子公司的s7-200系列 cpu226 型plc。它有24个输入点，16个输出点，满足本系统的要求。 2.2.3 plc 的输入输出端子分配 根据所选择的plc型号，对本系统中plc的输入输出端子进行分配，如表1所 示 表 1 材料分拣装置 plc 输入/输出端子分配表 西门子 plc(i/o)分拣系统接口(i/o)备注 i0.0ucp(计数传感器)接旋转编码器 i0.1sn(下料传感器)判断下料有无 i0.2s

20、a(电感传感器) i0.3sb(电容传感器) i0.4sc(颜色传感器) i0.5sd(备用传感器) i0.6sfw1(推气缸 1 动作限位) i0.7sew2(推气缸 2 动作限位) i1.0sfw3(推气缸 3 动作限位) i1.1sfw4(推气缸 4 动作限位) 输 入 部 分 i1.2sfw5(下料气缸动作限位) 9 i1.3sbw1(推气缸 1 回位限位) i1.4sbw2(推气缸 2 回位限位) i1.5sbw3(推气缸 3 回位限位) i1.6sbw4(推气缸 4 回位限位) i1.7sbw5(下料气缸回位限位) i2.0sb1(启动) i2.1sb2(停止) q0.0m(输送带

21、电机驱动器) q0.1yv1(推气缸 1 电磁阀) q0.2yv2(推气缸 2 电磁阀) q0.3yv3(推气缸 3 电磁阀) q0.4yv4(推气缸 4 电磁阀) 输 出 部 分 q0.5yv5(下料气缸电磁阀) 2.2.4 plc 输入输出接线端子图 根据表1可以绘制出plc的输入输出接线端子图，如图2-2所示。 10 图2-2 plc输入输出接线端子图 2.3 检测元件与执行装置的选择 2.3.1 按钮的选用 控制按钮是一种短时接通或断开小电流电路的电器。它不直接控制主电路的 通断，而在控制电路中发出“指令”去控制接触器、继电器等电器，再由它们去 控制主电路。 常见的控制按钮有 la 系

22、列和 lay1 系列。la 系列按钮的额定电压为交流 11 500v、额定电流为 5a；lay1 系列按钮的额定电压为交流 380v、直流 220v，额定 电流为 5a。按钮帽有红、绿、黄、白等颜色，一般红色用作停止按钮，绿色用作 启动按钮。 待机控制按钮sb1和停机控制按钮sb2选择lay1系列控制按钮，电压220v，电流 5a。其中待机控制按钮为绿色，停机控制按钮为红色。 2.3.2 旋转编码器 旋转编码器是与步进电机连接在一起，在本系统中可用来作为控制系统的计 数器，并提供脉冲输入。它转化为位移量，可对传输带上的物料进行位置控制。 传送至相应的传感器时，发出信号到 plc ，以进行分拣，

23、也可用来控制步进电 机的转速。本系统选用 e6a2cw5c 旋转编码器,原理如图 2-3 所示。 图 2-3 旋转编码器原理示意图 旋转编码器介绍：旋转编码器是用来测量转速的装置。技术参数主要有每转 脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。它分为单路输出和双路输出两 种。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出 两组相位差 90 度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转 的方向。编码器如以信号原理来分，可分为增量脉冲编码器（spc）和绝对脉冲 编码器（apc）两者一般都应用于速度控制或位置控制系统的检测元件。编码器 码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻

24、璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳 定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的 光电 码盘 12 厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济 型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。 工作原理如下：由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有 光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组合成 a、b、c、d，每个正弦 波相差 90 度相位差（相对于一个周波为 360 度），将 c、d 信号反向，叠加在 a、b 两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个 z 相脉冲以代表零位参考位。 由于 a、b 两相相差 90 度，可通

25、过比较 a 相在前还是 b 相在前，以判别编码器 的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。分辨率：编码器以 每旋转 360 度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少 线，一般在每转分度 510000 线。 信号输出: 信号输出有正弦波（电流或电压），方波（ttl、htl），集电 极开路（pnp、npn），推拉式多种形式，其中 ttl 为长线差分驱动（对称 a， a-；b，b-；z，z-），htl 也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备 接口应与编码器对应。信号连接：编码器的脉冲信号一般连接计数器、plc、计 算机，plc 和计算机连接的模块有低速模块与高

26、速模块之分，开关频率有低有高。 如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。a、b 两相联接，用于正反向计数、 判断正反向和测速。a、b、z 三相联接，用于带参考位修正的位置测量。 a、a-，b、b-，z、z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的 电磁场为 0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。 对于 ttl 的带有对 称负信号输出的编码器，信号传输距离可达 150 米。 对于 htl 的带有对称负信 号输出的编码器，信号传输距离可达 300 米 2.3.3 电感传感器 电感式接近开关属于有开关量输出的位置传感器，用来检测金属物体。 它 由lc 高频振荡器和放大处理电路组成，利

27、用金属物体在接近这个能产生电磁场 的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。 这个涡流反作用于接近开关，使接近 开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化。 由此，可识别出有无金属物体 接近，进而控制开关的通或断。本系统选用m18x1x40 电感传感器。接线图如图 2-4，原理图如图2-5。 图2-4 m18x1x40 dc二线常开式电感传感器接线图 13 图2-5 电感传感器工作原理图 电感传感器介绍： 由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈 电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导 磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸 变化

28、而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移 输入量的电压或电流输出。电感式传感器的特点是：无活动触点、可靠度高、 寿命长；分辨率高；灵敏度高；线性度高、重复性好；测量范围宽 （测量范围大时分辨率低） ；无输入时有零位输出电压，引起测量误差；对 激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；不适用于高频动态测量。电感式传感 器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、 加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。常用电感式 传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制 成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成

29、的附加误差。 2.3.4 电容传感器 电容传感器也属于具有开关量输出的位置传感器，是一种接近式开关。 它 的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是待测物体的本身。当物 体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的 电路状态也随之发生变化。由此，便可控制开关的接通和关断。本系统选用e2k x8me1 电容传感器，接线图可参考图2-5，原理图如图2-6。 14 图2-6 电容传感器工作原理图 电容传感器介绍：用电测法测量非电学量时，首先必须将被测的非电学量转 换为电学量而后输入之。通常把非电学量变换成电学量的元件称为变换器；根据 不同非电学量的特点设计成的有关转

30、换装置称为传感器，而被测的力学量（如位 移、力、速度等）转换成电容变化的传感器称为电容传感器。从能量转换的角度 而言，电容变换器为无源变换器，需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行 放大和处理。力学量中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨 胀、变形等无不与长度有着密切联系的量；这些量又都是通过长度或者长度比值 进行测量的量，而其测量方法的相互关系也很密切。另外，在有些条件下，这些 力学量变化相当缓慢，而且变化范围极小，如果要求测量极小距离或位移时要有 较高的分辨率，其他传感器很难做到实现高分辨率要求，在精密测量中所普遍使 用的差动变压器传感器的分辨率仅达到15 m数量级；而有一

31、种电容测微仪， 他的分辨率为0.01 m，比前者提高了两个数量级，最大量程为1005 m，因此他 在精密小位移测量中受到青睐。 对于上述这些力学量，尤其是缓慢变化或微小量的测量，一般来说采用电容 式传感器进行检测比较适宜，主要是这类传感器具有以下突出优点： (1)测量范围大其相对变化率可超过100%； (2)灵敏度高，如用比率变压器电桥测量，相对变化量可达10-7数量级； (3)动态响应快，因其可动质量小，固有频率高，高频特性既适宜动态测量， 也可静态测量； (4)稳定性好由于电容器极板多为金属材料，极板间衬物多为无机材料，如空 气、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高温、低温强磁场、强辐射下长期

32、工作， 尤其是解决高温高压环境下的检测难题。 15 2.3.5 颜色传感器 选用taos公司生产的，型号为tcs230颜色传感器。此传感器为rgb(红绿蓝) 颜色传感器，可检测目标物体对三基色的反射比率，从而鉴别物体颜色。tcs230 传感器引脚如图2-7所示 图2-7 tcs230颜色传感器 rgb 颜色传感器介绍： tcs230 是美国 taos 公司生产的一种可编程彩色光到频率的转换器。该传 感器具有分辨率高、可编程的颜色选择与输出定标、单电源供电等特点；输出为 数字量，可直接与微处理器连接。它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器 集成在一个单一的 cmos 电路上，同时在单一芯片上还

33、集成了红绿蓝(rgb)三种 滤光器，是业界第一个有数字兼容接口的 rgb 彩色传感器。tcs230 的输出信号 是数字量，可以驱动标准的 ttl 或 cmos 逻辑输入，因此可直接与微处理器或 其它逻辑电路相连接。由于输出的是数字量，并且能够实现每个彩色信道 10 位 以上的转换精度，因而不再需要 a/d 转换电路，使电路变得更简单。tcs230 采 用 8 引脚的 soic 表面贴装式封装，在单一芯片上集成有 64 个光电二极管。这些 二极管共分为四种类型。其中 16 个光电二极管带有红色滤波器，16 个光电二极 管带有绿色滤波器，16 个光电二极管带有蓝色滤波器，其余 16 个不带有任何滤

34、 波器，可以透过全部的光信息。这些光电二极管在芯片内是交叉排列的，能够最 大限度地减少入射光幅射的不均匀性，从而增加颜色识别的精确度；另一方面， 相同颜色的 16 个光电二极管是并联连接的，均匀分布在二极管阵列中，可以消 除颜色的位置误差。工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器。 该传感器的典型输出频率范围从 2hz500khz，用户还可以通过两个可编程引脚 来选择 100%、20%或 2%的输出比例因子，或电源关断模式。输出比例因子使传 感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。 当入射光投射到 tcs230 上时，通过光电二极管控制引脚 s2、s3 的不同组 16

35、 合，可以选择不同的滤波器；经过电流到频率转换器后输出不同频率的方波(占空 比是 50%)，不同的颜色和光强对应不同频率的方波；还可以通过输出定标控制引 脚 s0、s1 选择不同的输出比例因子，对输出频率范围进行调整，以适应不同的 需求。 s0、s1 用于选择输出比例因子或电源关断模式；s2、s3 用于选择滤波器的 类型；oe 是频率输出使能引脚，可以控制输出的状态，当有多个芯片引脚共用 微处理器的输入引脚时，也可以作为片选信号；out 是频率输出引脚，gnd 是 芯片的接地引脚，vcc 为芯片提供工作电压。表 2 是 s0、s1 及 s2、s3 的可用 组合。 表 2 s0、s1 及 s2、

36、s3 的组合选项 s0s1输出频率定标s2s3滤波器类型 ll关断电源ll红色 lh20%lh蓝色 hl20%hl无 hh100%hh绿色 2.3.6 光电传感器 光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。用 来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜 头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。 在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今 天光电传感器的雏形。本系统选用 fpg 系列小型放大器内藏型光电传感器。原理 如图 2-8 所示，其中负载可接至 plc。 图 2-8 fpg 光电传感

37、器原理图 光电传感器介绍：光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。 光电传感器采用光电元件作为检测元件，首先把被测量的变化转变为信号的变化， 然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学 通路和光电元件 3 部分组成。光电传感器是将光信号转换为电信号的光敏器件。 它可用于检测直接引起光强变化的非电量，也可用来检测能转换成光量变化的其 他非电量。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多。 17 传感器的结构简单，形式灵活多样，体积小。近年来,随着光电技术的发展，光电 式传感器已成为系列产品，其品种及产量日益增加，用户可根据需要选用各种规 格

38、的产品，它在机电控制、计算机、国防科技等方面的应用都非常广泛。 2.3.7 步进电机 步进电机作为执行机构用于带动传输带输送物料前行，与旋转编码器连接 在一起。可以通过控制脉冲个数，来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。 同 时，可以通过控制脉冲频率来控制材料分拣装置的可编程控制系统控制电机转动 的速度，达到调速的目的。步进电机选用的型号为42bygh101。 18 第 3 章 控制系统的软件设计 软件设计是plc控制系统的核心，程序设计的主要任务是根据控制要求及工 艺流程，画出状态流程图并设计出梯形图。 顺序功能流程图语言是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言。编程时将 顺序流程动作的过程

39、分成步和转换条件，根据转移条件对控制系统的功能流程顺 序进行分配，一步一步的按照顺序动作。每一步代表一个控制功能任务，用方框 表示。在方框内含有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑。这种编程语言使 程序结构清晰，易于阅读及维护，大大减轻编程的工作量，缩短编程和调试时间。 用于系统的规模校大，程序关系较复杂的场合。 顺序功能流程图编程语言的特点：以功能为主线，按照功能流程的顺序分配， 条理清楚，便于对用户程序理解；避免梯形图或其他语言不能顺序动作的缺陷， 同时也避免了用梯形图语言对顺序动作编程时，由于机械互锁造成用户程序结构 复杂、难以理解的缺陷；用户程序扫描时间也大大缩短。 3.1 控制系统流

40、程图设计 根据系统生产工艺的要求，分析各个设备的操作内容和操作顺序，可画出程 序流程图，如图3-1所示。 19 图3-1控制系统流程图 该系统可选择连续或单次运行工作状态。 若为连续运行状态，则系统软件 设计流程图中的汽缸4 动作后，程序再转到开始;若为单次运行，则汽缸4 动作后 停机。 如果需要，该系统可在分拣的同时对分拣的材料进行数量的统计，这只 需在各汽缸动作的同时累计即可。应用高速计数器编制程序，可以实现系统的定 位控制功能。用高速计数器计数步进电机转过的圈数，来确定物料到达传感器的 距离，实现定位功能。定位时，电机停转，计数器清零，传感器开始工作，对物 料进行分拣处理。 在汽缸13

41、动作后，电机重新运行，高速计数器也重新计数。 如果相应的传感器没有检测到物体，则电机重新运行，高速计数器也重新计数， 继续 运行到下一位置。 如果只对材料的某一特性进行分拣，比如只分拣金属和非金 属，则只需对传感器的安放或程序进行修改即可。 3.2 控制系统程序设计 根据所绘流程图，在step7-micro/win40软件中编写梯形图程序。程序清单 20 见附录。 此指令为高速脉冲输出指令，当使能端输入有效时，检测用程序设置的特殊 功能寄存器位，激活由控制位定义得脉冲操作，从q0.0或q0.1输出高速脉冲 此指令为高速计数器定义指令，使能输入有效时，为指定的高速计数器分配 一种工作模式。高速计

42、数是用来累计比plc扫描频率更高的脉冲输入 此指令为高速计数器指令，使能输入有效时，根据高速计数器特殊存储器位 的状态，并按照hdef指令指定的模式，设置高速计数器并控制其工作。 下面对所编写梯形图作简要的介绍： 21 （1）以上为主程序，首先i2.0启动后，m0.1得电并自锁，为之后电动机得电 做好准备，i2.1为停止按钮。当plc处于run模式时，sm0.1通电一个周期，q0.0 复位清零，并调用子程序。 （2）以上为子程序中的高速脉冲指令，该程序先将控制脉冲指令的特殊功 能寄存器进行初始化，然后当i0.0（下料传感器）检测到有料时，启动pls（脉冲 输出）指令；如果i0.0检测没有物料时

43、，启动定时器t30，延时30秒自动停机。 22 （3）以上为子程序中的高速计数指令，首先进行高速计数指令的初始化操 作，当电机旋转时，带动光电码盘发出脉冲，并输入plc的接收端，由高速计数 指令进行计数，计算步进电机转过的步数，进行定位控制。其中设定预置值为 50，当计数至50时，调用中断程序。 24 25 （4）以上为中断程序，当高速计数指令计数至预置值时，这时物料移动至 传感器的位置，m0.0得电，导致高速脉冲输出停止，步进电机停转。由于汽缸动 作需要1秒，让电机停转一秒后继续运转。当物料被相应的传感器检测中后，相 应的汽缸动作，将物料推下。i1.3，i1.4，i1.5，i1.6，i1.7

44、为汽缸的回位限位开关， 初始状态为闭合，i0.6，i0.7，i1.0，i1.1，i1.2为汽缸的动作限位开关，初始状态 为关断。汽缸动作时， ，回位限位开关关断，到达动作限位开关时，动作限位开 关闭合。 26 第 4 章 控制系统的调试 在plc软硬件设计完成后，应进行调试工作。因为在程序设计过程中，难免 会有疏漏的地方，因此在将plc连接到现场设备之前，必需进行软件测试，以排 除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。另外，一 些硬件如传感器等，在使用前，也需事先调试好。 4.1 程序的模拟调试 将设计好的程序写入 plc 后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。

45、用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模 拟，各输出量的通断状态用 plc 上有关的发光二极管来显示，一般不用接 plc 实际的负载(如接触器、电磁阀等)。可以根据功能表图，在适当的时候用开关或 按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。对于顺序控制程序， 调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换 条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变 为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相 应的变化。 在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择 序列

46、的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗 漏。发现问题后应及时修改梯形图和 plc 中的程序，直到在各种可能的情况下输 入量与输出量之间的关系完全符合要求。 如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在 调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。 在设计和模拟调试程序的同时，可以设计、制作控制台或控制柜，plc 之外 的其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行。 4.2 程序的现场调试 完成上述的工作后，将plc安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中 将暴露出系统中可能存在的传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及plc的 27

47、外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。如果调 试达不到指标要求，则对相应硬件和软件部分作适当调整，通常只需要修改程序 就可能达到调整的目的。全部调试通过后，经过一段时间的考验，系统就可以投 入实际的运行了。 电感传感器的调试 在电感传感器下方的传送带上，放置铁质料块，调整传感器上两螺母，使传 感器上下移动，恰好使传感器上端指示灯发光，该高度即为传感器对铁质材料的 检出点。 电容传感器的调试 在电容传感器下方的传送带上，放置铝质料块，调整传感器上两螺母，使传 感器上下移动，恰好使传感器上端指示灯发光，该高度即为传感器对铝质材料的 检出点。 颜色传感器的调试 通电状态下，

48、在颜色传感器下方的传送带上，放置带有某一颜色料块，调节 传感器上的电位器，观察窗口中红绿（或蓝）指示灯，当两灯恰同时发光时，该 灵敏点即为料块颜色检出点。（注：顺时针旋转检测色温向低端移动，否则反之） 4.3 系统调试 系统调试应首先按控制要求将电源、外部电路与输入输出端子连接好，然后 装载程序于 plc 中，运行 plc 进行调试。将 plc 与现场设备连接。在正式调试 前全面检查整个 plc 控制系统，包括电源、接地线、设备连接线、i/o 连线等。 在保证整个硬件连接正确无误的情况下即可送电。 把 plc 控制单元的工作方式设置为“run”开始运行。反复调试消除可能出现 的各种问题。在调试

49、过程中也可以根据实际需求对硬件作适当修改以配合软件的 调试。应保持足够长的运行时间使问题充分暴露并加以纠正。调试中多数是控制 程序问题。将所编写的梯形图程序进行编译，通过上下位机的连接电缆把程序下 载到 plc 中。刚编好的程序难免有这样那样的缺陷或错误。为了及时发现和消除 程序中的错误，减少系统现场调试的工作量，确保系统在各种正常和异常情况时 都能作出正确的响应，需要进行离线测试，既不将 plc 的输出接到设备上。按照 28 控制要求在指定输入端输入信号，观察输出指示灯的状态，若输出不符合要求， 则查找原因，并排除之。一般分以下几步进行: 1.对每一个现场信号和控制量做单独测试; 2.检查硬

50、件/修改程序; 3.对现场信号和控制量做综合测试; 4.带设备调试; 5.调试结束。 将设备接入 plc，进行联机调试，看是否满足要求，如果不满足要求，可通 过综合调整软件和硬件系统，直到满足要求为止。 4.3.1 调试过程 1.先将 plc 程序写入 omron-cs plc 中，只连接启动与停止开关。 2.按下启动按钮，然后用万能表测模拟量 i/o 点之间的电压，看是否按照规 定的结果运行。如果运行正确，则证明 plc 部分调试成功。 3.连接 plc 的输出点与变频器的输入点，并且调试好变频器的参数设置，然 后把变频器的输出与电机连接号。 4.最后打开启动按钮，电机正常运行，按照给定的时

51、间函数循环运行。 4.3.2 调试结果 系统按照给定的时间函数循环运行，如下图 4-1 所示，由此说明系统设计合 理可靠，此设计符合设计要求。 29 4.4 plc 的抗干扰系统 随着科学技术的发展，plc 在工业控制中的应用越来越广泛。plc 控制系统 的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系 到整个系统可靠运行的关键。要提高 plc 控制系统可靠性，一方面要求 plc 生产 厂家用提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求工程设计、安装施工和使用维护 中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。 4.4.1 电磁干扰源及对系统的干扰 干扰源

52、及干扰一般分类： 影响 plc 控制系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样，大都产 生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源，即干扰 源。 干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声的波形性质的不同划 分。其中：按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等； 按噪声的波形、性质不同，分为持续噪声、偶发噪声等；按噪声干扰模式不同， 分为共模干扰和差模干扰。 4.4.2 plc 控制系统中电磁干扰的主要来源 1.来自空间的辐射干干扰 若 plc 系统置于所射频场内，就会收到辐射干扰，其影响主要通过两条路径： 一是直接对 plc 内部的辐射，由电路

53、感应产生干扰；二是对 plc 通信内网络的辐 射，由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁 场大小，特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和 plc 局部屏蔽及高压泄放元 件进行保护。 2.来自系统外引线的干扰 主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场 较严重。 （1）来自电源的干扰 30 实践证明，因电源引入的干扰造成 plc 控制系统故障的情况很多，笔者在某 工程调试中遇到过，后更换隔离性能更高的 plc 电源，问题才得到解决。 plc 系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所 有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。

54、plc 电源通常采用隔离电源，但其 机构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。实际上，由于分布参数特别是分布电 容的存在，绝对隔离是不可能的。 （2）来自信号线引入的干扰 与 plc 控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总 会有外部干扰信号侵入。 此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电 源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即 信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。 （3）来自接地系统混乱时的干扰 接地是提高电子设备电磁兼容性（emc）的有效手段之一。正确的接地，既 能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错

55、误的接地，反而会引 入严重的干扰信号，使 plc 系统将无法正常工作。 3.来自 plc 系统内部的干扰 这都属于 plc 制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为 应用部门是无法改变，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验 的系统。 4.4.3 plc 控制系统工程应用的抗干扰设计 为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，必须从设计阶段 开始便采取三个方面抑制措施：抑制干扰源；切断或衰减电磁干扰的传播途径； 提高装置和系统的抗干扰能力。 plc 控制系统的抗干扰是一个系统工程，要求制造单位设计生产出具有较强 抗干扰能力的产品，且有赖于使用部门在工程设计、

56、安装施工和运行维护中予以 全面考虑，并结合具有情况进行综合设计，才能保证系统的电磁兼容性和运行可 31 靠性。进行具体工程的抗干扰设计时，应主要以下两个方面。 1设备选型 在选择国外进口产品要注意：我国是采用 220v 高内阻电网制式，而欧美地 区是 110v 低内阻电网。由于我国电网内阻大，零点电位漂移大，地电位变化大， 工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区高 4 倍以上，对系统抗干扰性能要求 更高，在国外能正常工作的 plc 产品在国内工业就不一定能可靠运行，这就要在 采用国外产品时，按我国的标准（gb/t13926）合理选择。 2综合抗干扰设计 主要考虑来自系统外部的几种如果抑制措施。

57、主要内容包括：对 plc 系统及 外引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰；对外引线进行隔离、滤波，特别是原理 动力电缆，分层布置，以防通过外引线引入传导电磁干扰；正确设计接地点和接 地装置，完善接地系统。另外还必须利用软件手段，进一步提高系统的安全可靠 性。 4.4.4 主要抗干扰措施 1采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰 在 plc 控制系统中，电源占有极重要的地位。电网干扰串入 plc 控制系统主 要通过 plc 系统的供电电源（如 cpu 电源、i/o 电源等） 、变送器供电电源和与 plc 系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。因此，对于变送器和 共用信号仪表供电应选择分布电

58、容小、抑制带大（如采用多次隔离和屏蔽及漏感 技术）的配电器，以减少 plc 系统的干扰。 此外，位保证电网馈点不中断，可采用在线式不间断供电电源（ups）供电， 提高供电的安全可靠性。并且 ups 还具有较强的干扰隔离性能，是一种 plc 控制 系统的理想电源。 2电缆选择的敖设 为了减少动力电缆辐射电磁干扰，尤其是变频装置馈电电缆。 不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敖设， 严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠 近平行敖设，以减少电磁干扰。 32 3硬件滤波及软件抗干扰措施 信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干

59、扰；在信号 两极间加装滤波器可减少差模干扰。 4正确选择接地点，完善接地系统 接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地 系统是 plc 控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。 （1）plc 的接地最好采用专用的接地极。如不可能，也可与其他盘板共 用接地系统，但须用自己的接地线直接与公共接地极相连。绝对不允许与大功率 晶闸管装置和大型电动机之类的设备共用接地系统。 （2）plc 的接地极离 plc 越近越好，即接地线越短越好。plc 如由单元 组成，各单元之间应采用同一点接地，以保证各单元间等电位。当然，一台 plc 的 i/o 单元如果有的分散在较远的现场（超过 100m

60、） ，是可以分开接地的。 （3）plc 的输入输出信号线采用屏蔽电缆时，其屏蔽层应用一点接地， 并用靠近 plc 这一端的电缆接地，电缆的另一端不接地。如果信号随噪声波动， 可以连接一个 0.10.47uf/25v 电容器到接地端。 （4）接地线截面积应大于 2m。接地线一般最长不超过 20m，plc 接地 系统的接地电阻一般应小于 4 plc 控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合 考虑各方面的因素，合理有效地抑制抗干扰，对有些干扰情况还需做具体分析， 采取对症下药的方法，才能够使 plc 控制系统正常工作。 33 结 论 物料分拣采用可编程控制器plc 进行控制，能