自动分拣站PLC交流电机气动元件控制系统毕业论文

毕业设计标题：自动分拣站（PLC+交流电机+气动元件）控制系统摘要分拣控制系统在社会各行各业如：物流配送中心、邮局、采矿、港口、码头、仓库等行业得到广泛运用，分拣系统能够大大提高企事业单位该环节的生产效率。本文在对熟悉了自动与分拣系统的原理的基础上，根据一定的分拣要求,对材料分拣进行了以三菱PLC为控制核心，MCGS组态软件为监控软件，设计出材料分拣控制系统的控制系统和监控系统。该材料分拣系统以PLC为主控制器,结合气动装置、传感器技术、组态监控等技术,可以进行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、分拣精度高、易控制的特点,对不同的分拣对象,稍加修改本系统即可实现要求。对本系统完成其设计之后，进行了整体调试。在硬件部分，调试其各部分安装的位置与角度，使其材料物块的运行与传感器安装的角度适合。将硬件各部分的动作幅度进行调试之后，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。关键词：材料分拣传感器气动装置PLCMCGS组态软件前言自动分拣是指货物进入分拣系统到指定的分配位置为止，都是按照人们的指令靠自动装置来完成的。这种装置是由接受分拣指示信息的控制装置、计算机网络、搬运装置、分支装置（负责把到达分拣位置的货物按运到别处的装置）、缓冲站（在分拣位置临时存放货物的装置）等构成。除了使用终端的键盘、鼠标或者其它方式向控制装置输入分拣指示信息的作业外，由于全部采用自动控制作业，因此它的分拣能力、分拣数量同人为分拣相比都比较大，效率也得到了进一步突破。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。自动分拣大部分与自动化立体仓库连接起来，配合自动引导车（AGV）、托链小车等其它复杂的系统，分拣系统在总体布置上，可以说千变万化。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。在二十世纪80年代，我国最初是一些邮局采用小型的半自动翻盘分拣机，用于邮包分拣。1990年为迎接第十一届亚运会，从荷兰引进了一套有3个入口，60个出口的自动分拣系统，成立了食品配送中心，每小时可以配送3000件货物，使我国的分拣技术有了一个飞跃。而如今分拣技术已经用于我国的各行各业，使这环节的效率得到了很大的提高。自动分拣机最先在邮政部门开始应用，大量的信件和邮包要在极端的时间正确分拣，非凭借高度自动化的分拣措施不可。此后，运输企业、配送中心、通讯出版部门、烟草部门、出版行业、食品化工、造纸业、化工业、机械制造以与各类工业企业亦相继应用。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。显然，随着分拣量的增加、分送点的增多、配货响应时间的缩短和服务质量的提高，单凭人工分拣将无法满足大规模配送的要求，所以这一环节亟待提高。而国外一些配送中心多采用分拣系统进行分拣，充分发挥了分拣技术分拣速度快、分拣点多、差错率极低、效率高和基本上全自动操作的优势。日本一位物流专家认为，在用户需求表现为多种小批量的时代，物流技术的三大措施是自动分拣机、自动化仓库和无人自动引导车。自动分拣机是其中最接近与成熟的产品，这可以认为是国家对于自动分拣在物流技术中的地位和现状的一个较好的概括。自动分拣系统成为当代物流技术发展的三大标志之一。目录TOC\o"1-2"\h\z\u摘要2前言3第一章PLC技术71.1PLC的发展历史71.2PLC的定义和特点81.3PLC基本结构和工作原理9第二章组态控制技术142.1组态技术概述142.2组态控制技术相对于传统计算机控制技术的优点152.3常用于组态控制技术的计算机系统和组态软件15第三章材料分拣装置工作过程概述163.1如图所示为本分拣装置的结构示意图163.2材料分拣系统各结构的功能17第四章控制系统的硬件分析选择204.1系统的硬件结构204.2系统关键技术204.3确定I/O点数214.4PLC的选择214.5PLC的输入输出端子分配214.6PLC输入输出接线端子图23第五章硬件的介绍245.1旋转编码器245.2电感传感器255.3电容传感器265.4颜色传感器285.5光电传感器295.6步进电机30第六章分拣系统的流程与程序设计326.1材料分拣系统的控制流程图326.2控制系统程序设计33第七章材料分拣系统组态监控画面397.1组态控制画面的设计397.3组态监控功能概述39第八章控制系统的调试418.1硬件调试418.2软件调试418.3整体调试42结束语43致44参考文献45第一章PLC技术1.1PLC的发展历史在可编程序控制器问世之前，继电器接触器控制在工业控制领域中占有主导地位。但随着工业的发展，继电器接触器控制已不能满足人们的要求。为了解决这一问题，早在1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM公司)，为了适应汽车型号不断翻新，以求在激烈竞争的汽车工业中占有优势，就提出要用一种新型的控制装置取代继电器接触器控制装置，并且对未来的新型控制装置做出了具体设想。要把计算机的完备功能以与灵活性、通用性好等优点和继电器接触器控制的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点溶入于新的控制装置中，且要求新的控制装置编程简单，使得不熟悉计算机的人员也能很快掌握它的使用技术。美国数字设备公司(DEC)根据GM公司招标的技术要求，于1969年研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车自动装配线上试用，获得成功。其后，日本、德国等相继引入这项新技术，可编程序控制器由此而迅速发展起来。在20世纪70年代初期、中期，可编程序控制器虽然引入了计算机的优点，但实际上只称为PLC(ProgrammableLogicalController)。随着微处理器技术的发展，20世纪70年代末至80年代初，可编程序控制器的处理速度大大提高，增加了许多特殊功能，使得可编程序控制器不仅可以进行逻辑控制，而且可以对模拟量进行控制。因此，美国电器制造协会(NEMA)将可编程序控制器命名为PC(ProgrammableController)，但人们习惯上将之仍称为PLC，以便与个人计算机PC(PersonalComputer)相区别。80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路技术韵迅猛发展，以16位和32位微处理器为核心的可编程序控制器得到迅速发展。这时的PLC具有了高速计数、中断技术、PID调节和数据通信等功能，从而使PLC的应用围和应用领域不断扩大。目前，PLC在国外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保与文化娱乐等各个行业。1.2PLC的定义和特点PLC的发展初期，不同的开发制造商对PLC有不同的定义。为使这一新型的工业控制装置的生产和发展规化，国际电工委员会(IEC)于1985年1月制定了PLC的标准，并给它作了如下定义：可编程序控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可编程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器与其有关的外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则而设计。它的一些性能与继电器相比具有以下特点：1可靠性高可靠性包括产品的有效性和可维修性。可编程控制器的可靠性高，表现在下列几个方面：a)可编程控制器不需要大量的活动部件和电子元件，接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间缩短，因此可靠性得到提高。b)可编程控制器采用一系列可靠性设计方法进行设计，例如冗余设计，掉电保护，故障诊断，报警和运行信息显示和信息保护与恢复等。c)可编程控制器有较强的易操作性，它具有编程简单，操作方便，编程的出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。d)可编程控制器的硬件设计方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性高的工业级元件，采用先进的电子加工工艺（SMT）制造，对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等；存储器容的保护，采用看门狗和自诊断措施，便于维修的设计等。2操作性高a)操作方便：对PLC的操作包括程序的输入和程序更改操作，大多数PLC采用编程器进行程序输入和更改操作。现在的PLC的编程器大部分可以用电脑直接进行，更改程序也可根据所需地址编号、继电器编号或接点号等直接进行搜索或按顺序寻找，然后可以在线或离线更改。b)编程方面：PLC有多种程序设计语言可以使用，梯形图与电气原理图相似；编程语句是功能的缩写，便于记忆；功能图表语言以过程流程进展为主线，十分适合设计人员与工艺专业人员设计思想的沟通。功能模块图和结构化文本语言，功能清晰，易于理解等优点。c)维修方便：PLC所具有的自诊断功能对维修人员的技术要求较低，当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以根据有关故障代码的显示和故障信号灯的提示等信息，或通过编程器和HMI屏幕的设定，直接找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间，提高了效率。3灵活性好a)编程的灵活性：PLC采用的标准编程语言有梯形图、指令表、功能图表、功能模块图和结构化文本编程语言等。使用者只要掌握其中一种编程语言就可进行编程，编程方法的多样性使编程方便。b)扩展的灵活性：PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可以根据应用的规模不断扩展，即进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制围的扩展。它不仅可以通过增加输入输出模块增加点数，通过扩展单元扩大容量和功能，也可以通过多台PLC的通信来扩大容量和功能。c)操作的灵活性：操作的灵活性指设计工作量、编程工作量、和安装施工的工作量的减少。操作变得十分方便和灵活，监视和控制变得很容易。在继电器顺序控制系统中所需的一些操作得到简化，不同生产过程可采用一样的控制台和控制屏等。4可实现机电一体化为了使工业生产的过程控制更平稳，更可靠，向优质、高产、低耗要效益，对过程控制设备和装置提出了机电一体化，即仪表、电子、计算机综合的要求，而PLC正是这一要求的产物，它是专门为工业过程而设计的控制设备，具有体积小、功能强，抗干扰性好等优点，它将机械与电气部件有机地结合在一个设备，把仪表、电子和计算机的功能综合集成在一起，因此，它已经成为当今数控技术、工业机器人、离散制造和过程流程等领域的主要控制设备，成为工业自动化三大支柱（PLC，机器人，CAD/CAM）之一。可编程控制器现在已经成为了一个不可代替的控制系统，它们可以与其它系统通讯，提供产品报表，生产调度，诊断自身和设备的故障，这些技术上的改进，让PLC成为今天的各行各业的高质量和产量的重要的贡献者。1.3PLC基本结构和工作原理目前，可编程序控制器的产品很多，不同厂家生产的PLC以与同一厂家生产的不同型号的PLC，其结构各不一样，但就其基本组成和基本工作原理而言，是大致一样的。它们都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持。实际上可编程序控制器就是一种新型的工业控制计算机。PLC硬件系统的基本结构框如图所示：PLC硬件系统结构框图1中央处理器（CPU）中央处理器是可编程控制器的核心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统部各部分的工作任务等。2存储器存储器是可编程控制器存放系统程序、用户程序以与运算数据的单元。可编程序控制器配有两种存储器，即系统存储器(EPROM)和用户存储器(RAM)。3输入输出接口输入输出接口是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。输入口用来接收生产过程的各种参数，输出口用来送出可编程控制器的运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。按照信号的种类归类有直流信号输入、输出，交流信号的输入、输出；按照信号的输人、输出形式分有数字量输入、输出，开关量输入、输出，模拟量输入、输出。下面通过开关量输入、输出模块来说明I/O模块与CPU的连接方式。(1)开关量输入模块开关量输人设备是各种开关、按钮、传感器等，其信号可能是交流电压(110V或220V)，直流电压(12～24V)等。因此，输入模块要能将生产现场的信号转换成CPU能接收的TTL标准电平的数字量信号。对于开关量流输入模块的工作原理，只是在输人端先通过整流将交流输入信号变成直流信号，其他与开关量直流输入模块工作原理一样。(2)开关量输出模块输出模块的作用是将CPU执行用户程序所输出的TTL电平的控制信号转化为生产现场所需的，能驱动特定设备的信号，以驱动执行机构的动作。通常开关量输出模块有三种形式，即继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出。继电器输出可接直流或交流负载，晶体管输出属直流输出，只能接直流负载。当开关量输出的频率低于1000Hz，一般选用继电器输出模块。当开关量输出的频率大于1000Hz，一般选用晶体管输出。而双向晶闸管输出属交流输出。对于继电器输出型，CPU输出时接通或断开继电器的线圈，继电器的触点闭合或断开，通过继电器触点控制外电路的通断。对于晶体管输出型，则是通过光电耦合使开关晶体管截止或饱和导通以控制外部电路。对于晶闸管输出型，采用的是光触发型双向晶闸管。4电源可编程控制器的电源包括可编程控制器各工作单元供电的开关电源以与为掉电保护电路供电的后备电源，后者一般为电池。5外部设备编程器是PLC的重要外部设备，利用编程器可将用户程序送人PLC的用户程序存储器，调试程序、监控程序的执行过程。编程器从结构上可分为以下三种类型。(1)简易编程器(2)图形编程器(3)通用计算机编程。基本工作原理我们已经知道PLC是一种存储程序的控制器。用户根据某一对象的具体控制要求，编制好控制程序后，用编程器将程序键人到PLC的用户程序存储器中寄存。PLC的控制功能就是通过运行用户程序来实现的。PLC运行程序的方式与微型计算机相比有较大的不同，微型计算机运行程序时，一旦执行到END指令，程序运行结束。而PLC从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条执行用户程序，直到END指令结束。然后再从头开始执行，并周而复始地重复，直到停机或从运行(RUN)切换到停止(STOP)状态。我们把PLC这种执行程序的方式称为扫描工作方式。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期。另外，PLC对输入、输出信号的处理与微型计算机不同。微型计算机对输入、输出信号实时处理，而PLC对输入、输出信号是集中批处理。下面我们具体介绍PLC的扫描工作过程。PLC扫描工作方式主要分三个阶段：输入采样、程序执行、输出刷新。1)输入采样PLC在开始执行程序之前，首先扫描输入端子，按顺序将所有输入信号，读人到寄存输入状态的输入映像寄存器中，这个过程称为输入采样。PLC在运行程序时，所需的输入信号不是现时取输人端子上的信息，而是取输入映像寄存器中的信息。在本工作周期这个采样结果的容不会改变，只有到下一个扫描周期输入采样阶段才被刷新。2)程序执行PLC完成了输入采样工作后，按顺序从0000号地址开始的程序进行逐条扫描执行，并分别从输人映像寄存器、输出映像寄存器以与辅助继电器中获得所需的数据进行运算处理。再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到输出端子上。3)输出刷新在执行到END指令，即执行完了用户的所有程序后，PLC将输出映像寄存器中的容送到输出锁存器中进行输出，驱动用户设备。PLC扫描过程示意图如下图所示。PLC扫描过程示意图PLC工作过程除了包括上述三个主要阶段外，还要完成部处理、通信处理等工作，在部处理阶段，PLC检查CPU模块部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以与完成一些别的部工作。在通信服务阶段，PLC与其他的带微处理器的智能装置实现通信。第二章组态控制技术2.1组态技术概述组态控制技术是一种计算机控制技术。利用组态控制技术构成的计算机测控系统与一般计算机控制系统在结构上没有本质的区别，它们都是由被控对象、传感器、I/O接口、计算机和执行机构几部分组成。现场现场参数I/O接口现场设备执行器传感器被控对象I/O接口计算机显示器键盘一般计算机控制系统的结构组成传感器的作用是可以把被控对象的各种参数进行检测，然后将参数显示于计算机的显示器上。并根据参数实际值与设定值的偏差，按照一定的控制算法发出控制命令，控制执行机构的动作，从而完成任务。I/O接口负责沟通传感器、执行器，它是计算机与现场设备的桥梁。部有将数字量转换成模拟量D/A转换器、模拟量转换数字量的A/D转换器、对开关量进行隔离的光电隔离器等。执行器由一些机械设备组成，如：电机、电源、管道、气阀、集成电路等组成。2.2组态控制技术相对于传统计算机控制技术的优点组态的概念是伴随着集散型控制系统（DistributedControlSystem简称DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。这些优势主要体现在：PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已经成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成本；PC的软件资源和硬件资丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。组态（Configuration）的意思就是模块的任意组合。简单的讲，组态就是用应用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一具体任务的过程。在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序（如使用BASIC,C,FORTRAN等）来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。这样系统设计人员就可以把更多的注意力集中在如何选择最优的控制方法上，设计出合理的控制系统结构，选者合适的控制算法等这些提高控制品质的关键问题上。一方面，从管理的角度讲，用组态软件开发的系统具有与Windows一致的图形化操作界面,非常便于生产的组织与管理。2.3常用于组态控制技术的计算机系统和组态软件一般来说，只要采用IPC（工业控制计算机），选择通用接口部件和组态软件，这样构成的系统都是基于组态控制技术的。世界上有许多自动化设备生产厂家生产了许多基于这种技术的DSC（集散式控制系统）计算机系统。如：中国的研华公司、时利和公司、德国的西门子公司、日本三菱等等。与上面系统专用组态软件相对的是通用组态软件，常用的国产通用组态软件有微控可视组态、MCGS、Kingview(组态王)等等。本系统采用MCGS作为上位机的监控软件。第三章材料分拣装置工作过程概述3.1如图所示为本分拣装置的结构示意图材料分拣系统的各部分的结构如下：1、 转接面板2、 单向感应电动机3、 西门子SP-2004、 调压阀、空气滤器、油雾器与气压指示表5、 置电源6、 传送带7、 挡板8、 料槽9、 10、11、12、13、先导式电磁换向阀14、16、18、20、23、气缸回位限位开关（磁感应开关）15、17、19、21、22、气缸动作限位开关（磁感应开关）24、电容传感器SB25、颜色传感器SC26、电感传感器SA28、29、30、31、导料轨道32、气缸133、气缸234、气缸335、气缸436、气缸53.2材料分拣系统各结构的功能料槽(图6中的8)是一个材料自动入库而自动出库的装置，底部有一个光电传感器。使用时可先人为地将材料放入料槽中，此时光电传感器检测到料块时系统开始运行。当系统运行时，启动传送带（图6中的6）并由出料气缸（图6中的36）将料库底层材料推入传送带。传送带是由单向感应电机(图6中的2)驱动的皮带式输送装置。为了防止气缸的压力过大而导致材料被打飞，所以在出料口加了挡板（图6中的7）。自动分选部分由传感器（图6中的24、25、26）、先导式电磁换向阀（图6中的9、10、11、12）、气缸（图6中的32、33、34、35）与导料轨道（图6中的28、29、30、31）组成。当传感器检测到相应料块时，对应的先导式电磁换向阀动作驱动气缸动作将其推人应去的滑道。例如：当电感传感器感应到铁块时，对应的气缸（图6中的36）动作，将铁块推入对应的导料轨道（图6中的31）。调压阀、空气滤器与气压指示仪表（图6中的4）集中于一个模块上，它们接收来自气源的气压并传送到下面的5个气阀中。来自气源的压缩空气其压力通常都高于设备和装置所需的工作压力，因压力波动比较大，因而需要调节调压阀降压，使其输出压力与每台气动设备和装置所需要的压力一致，并保持该压力的稳定。空气过滤器是气动系统中最常见的一种空气净化装置，安装在使用压缩空气的设备气动系统气源的入口处。其作用是滤除压缩空气中的水分、油滴以与杂质微粒等危害，以达到系统要求的净化程度。过滤的原理是根据固体物质和空气中的分子的大小和质量不同，利用惯性、阻隔和吸附的方法将空气中的水分、油滴以与杂质微粒等危害去除。油雾器是一种特殊的注油装置，它以压缩空气为动力，将润滑油喷成雾状并混合于压缩空气中，并随空气进入需要润滑的部件，达到润滑的目的，使压缩空气具有润滑气动元件的能力。目前气动控制阀、气缸和气马达主要是靠这种有油雾颗粒的压缩空气来实现润滑，它的主要优点是方便、干净、润滑的质量高。在气压传动系统中，组成气动回路是为了驱动用于各种不同目的机械装置，其最重要的三个控制容是：力的大小、运动的方向和运动的速度。与生产装置相连接的各种类型的气缸，靠压力控制阀、方向控制阀和流量控制阀分别实现对三个容的控制，正是利用它们组成了各种气动控制回路。材料分拣系统选用的是方向控制阀中的先导式电磁换向阀。气动换向阀是利用电磁力的作用来实现阀的换向的。主要有电磁部分和主阀两部分组成，按照控制方式的不同可以分为直动式和先导式。先导式电磁换向阀首先由直动式电磁阀（先导阀）提供控制气压，再去控制主阀（气控阀）阀芯的运动，实现主阀的换向。因为这种阀的输出流量较大，故常作为控制气缸的主控阀。当传感器感应到有材料通过时，输出一个信号，这个信号通过PLC实现对先导式电磁换向阀的控制，先导式电磁换向阀又控制相对应的气缸来弹出材料到导料轨道。每个气缸上都有两个磁感应开关，它们是有开关量输入输出的传感器。分别作为气缸回位限位开关、气缸动作限位开关。磁感应开关是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在传感器的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。当气缸动作时动作限位开关断开，气缸快速弹出，此时先导式电磁阀复位，当气压太大时而气缸没有复位时气缸复位限位开关感应动作从而关闭先导式电磁阀从而起到保护气缸的作用。导料轨道（图6中的28、29、30、31、）主要作用是当气缸推出材料时导出材料。转接板上有相对应的指示灯，用于指示各个输入输出信号的指示以便于我们进一步控制。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，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。本系统用该器件来检测铁质材料。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。本装置中电容传感器是用于检测铝质材料。颜色传感器同样也属于具有开关量输出的位置传感器。它是在Si等多数光电二极管之前，分别放置R（红）、G（绿）、B（蓝）三种颜色的彩色滤光器，以便处理各自的输出信号并识别彩色的方法。材料分拣系统采用它主要是用来识别绿色与黄色的材料。单向感应电动机作为执行机构用于带动传输带输送物料前行。控制器采用西门子S7-200型PLC（图6中的3）。它接受料槽光电传感器、各材料传感器、先导式电磁换向阀、单向感应电动机、气缸位置传感器的信号，根据要求分别控制输送带电机和各电磁阀动作。置电源（图6中的5）可以将220交流电转换成24伏的直流电供给各个传感器与气阀以与转接板上的各个指示灯，同时也为单向感应电动机提供稳定的220伏电压。本系统共设置了三个检测材料的传感器，同时预留了一个空余的气阀与气缸用来添加其它的传感器。用户可以根据自己的需求选择相应的传感器安装即可。第四章控制系统的硬件分析选择4.1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4.2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。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。4.3确定I/O点数根据控制要求，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，以与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，以与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。4.4PLC的选择根据上面所确定的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。4.5PLC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)备注输入部分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I0.2SA(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)I1.2SFW5(下料气缸动作限位)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)输出部分Q0.0M(输送带电机驱动器)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)Q0.5YV5(下料气缸电磁阀)Q0.5YV5(下料气缸电磁阀)4.6PLC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。图2-2PLC输入输出接线端子图第五章硬件的介绍5.1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，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。光电码盘光电码盘图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5~10000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5.2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，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2-4M18X1X40DC二线常开式电感传感器接线图图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：①无活动触点、可靠度高、寿命长；②分辨率高；③灵敏度高；④线性度高、重复性好；⑤测量围宽（测量围大时分辨率低）；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；⑧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、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的附加误差。5.3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E2KX8ME1电容传感器，接线图可参考图2-5，原理图如图2-6。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1～5μm数量级；而有一种电容测微仪，他的分辨率为0.01μm，比前者提高了两个数量级，最大量程为100±5μm，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、瓷、石英等；因此可以在高温、低温强磁场、强辐射下长期工作，尤其是解决高温高压环境下的检测难题。5.4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2-7TCS230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个不带有任何滤波器，可以透过全部的光信息。这些光电二极管在芯片是交叉排列的，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，一样颜色的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围从2Hz~500kHz，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与S2、S3的可用组合。表2S0、S1与S2、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5.5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2-8FPG光电传感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。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，其品种与产量日益增加，用户可根据需要选用各种规格的产品，它在机电控制、计算机、国防科技等方面的应用都非常广泛。5.6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。电机选择LINIX的单向感应电动机，它具有功率效率高、功率消耗低、更低的噪声以与在应用中更易控制的优点。型号为YN60—6，技术参数如下：LINIXYN60—6型单向感应电动机个数：1功率W电压V频率HZ电流A极数P启动转矩mN\.M(g.cm)额定转矩mN\.M(g.cm)额定转速R/mim电容μF/VAC6220500.15439(400)4713801/450置电源为DADONGMD3534型号的电源，具有易散热，工作性能稳定的特点。技术参数如下：DADONGMD35—34型号的电源个数：1输入电压AC220伏±15%输出电压DC24伏第六章分拣系统的流程与程序设计6.1材料分拣系统的控制流程图由分拣控制系统的分拣要求画出控制系统的程序流程图，图如下：图7材料分拣系统的程序流程图流程图详细的描述了材料分拣系统的工作过程，当电源得电时，即流程图开始的时刻，整个系统开始运行。首先由光电传感器判断有无材料，没有材料时系统直接进入一个循环周期，周期时间到的时候系统停止运行。当有材料时，程序判断YV5是否复位，当它没有复位时传输带不运行，复位时，传输带自动运行且气缸自动将材料打出，并每隔一定时间打一次。在气缸将材料送至传送带的过程中，传送带运行停止，当气缸复位时传送带正常运行。材料随着传送带的运行而前进，遇到传感器相对应的传感器时，传感器给PLC发出信号，同时PLC给对应的气阀发出信号，于是同组的气缸开始动作打出材料。如果气缸没有复位则传送带就停止运行。这就是整个程序的流程。6.2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：（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，启动定时器T30，延时30秒自动停机。（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。（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。第七章材料分拣系统组态监控画面7.1组态控制画面的设计打开MCGS组态环境这个软件，进入它的主界面。设计出监控的画面如下：图12材料分拣系统的组态监控画面7.3组态监控功能概述通过对组态的画面与通讯参数的设置之后就可以对材料分拣进行监控了。当材料库里有材料时，材料库指示灯开始闪烁。同时传送带的指示灯也闪烁，表明传送带在工作。SA、SB、SC分别为铁块、颜色、铝块的指示灯，当材料分拣系统感应到对应的材料时指示灯开始指示。SBW2、SBW3、SBW4、SBW5的指示灯在汽缸动作时熄灭，当汽缸复位时灯变亮。YV2、YV3、YV4、YV5为气阀的指示灯，当气阀动作时对应的指示灯变亮。第八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。8.1硬件调试1．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。2．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。3．颜色传感器的调试通电状态下，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）8.2软件调试将所编写的梯形图程序进行