材料自动分拣控制系统的设计

2012届毕业设计说明书材料自动分拣控制系统的设计摘要自动分拣系统是目前物流中心中广泛采用的一种自动化作业系统，该系统的作业过程可以简单描述如下：流动中心每天接收成百上千家供给商或货主通过各种运输工具送来的成千上万种商品，在最短的时间内将这些商品卸下并按商品品种、货主、储位或发送地点进行快速准确的分类，将这些商品运送到指定地点(如指定的货架、加工区域、出货站台等)，同时，当供给商或货主通知物流中心按配送指示发货时，自动分拣系统在最短时间内从庞大的高层货架存储系统中准确找到要出库的商品所在位置，并按所需数量出库，将从不同储位上取出的不同数量的商品按配送进点的不同运送到不同的理货区域或配送站台集中，以便装车配送。自动分拣控制系统广泛应用于社会各行各业，如：物流配送中心、邮局、采矿、港口、码头、仓库……该控制系统的应用可以大大提高企事业单位该环节的生产效率。由于分拣系统运行平稳、平安性高，同时，人工拣取物料的作业量降低，对物品的损坏减少，为顾客创造了更多的价值，为公司赢得了更多的信誉和商机。本文作者通过查阅大量资料，对自动分拣系统及其相关的技术开展、现状和趋势作了一个比拟全面的总结。在熟悉了自动分拣系统的原理的根底上，根据一定的分拣要求以三菱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。该材料分拣系统以电感传感器、电容传感器、颜色传感器等传感器采集信号,传输给PLC芯片，驱动电磁阀对汽缸进行动作，实现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。关键词材料自动分拣；传感器；三菱PLC；MCGS组态软件ABSTRACTAutomaticsortingsystemisthelogisticscenteriswidelyusedinanautomaticoperatingsystem,theoperatingsystemprocesscanbesimplydescribedasfollows:MobilityCenterreceiveeverydaythousandsofsuppliersorownerofthegoodsthroughvariousmeansoftransportsenttensofthousandsofkindsofcommodities,intheshortestpossibletimetounloadthesegoodsaccordingtothevarietyofgoods,consignor,storageortransmissionsitesarefastandaccurateclassification,thesegoodstransportedtothedesignatedlocations(suchasthespecifiedshelf,processingarea,shippingplatform),atthesametime,whenthesupplierortheownernotificationlogisticscenteraccordingtodistributionorder,automaticsortingsystemintheshortesttimefromhugethetopshelfstoragesystemtofindaccuratetothemerchandiselocation,inaccordancewiththerequirednumberofoutbound,fromadifferentstorageonExtractionofdifferentquantityaccordingtothedeliverypointdifferenttransportedtodifferenttallyareaordistributionplatform,sothatloadingdistribution.Automaticcontrolsystemiswidelyusedinallwalksoflife,suchas:logisticsdistributioncenter,postoffice,mining,ports,docks,warehouses......Theapplicationofthecontrolsystemcangreatlyimprovetheenterprisesandinstitutionsofthelinksoftheproductionefficiency.Sincethesortingsystemstableoperation,highsafety,atthesametime,artificialpickingmaterialoperationquantitytoreduce,reducedamageofgoods,forthecustomertomorevalue,forthecompanytowinmorereputationandbusinessopportunities.Theauthorofthisarticlethroughaccesstolargeamountsofdata,theautomaticsortingsystemanditsrelatedtechnologydevelopment,currentsituationandtrendmadeamorecomprehensivesummary.Familiarwiththeautomaticsortingsystembasedontheprinciples,accordingtocertainsortingrequirementstoMitsubishiPLCasthecontrolcore,MCGSconfigurationsoftwareformonitoringsoftware,designmaterialsortingcontrolsystem.Thematerialsortingsystemwithinductivesensors,capacitancesensors,colorsensorsandothersensortocollectsignals,transmittedtothePLCchip,drivetheelectromagneticvalvetocylindermotion,on-sitecontrolproductsautomaticsorting.Thesystemhasahighdegreeofautomation,stableoperation,highaccuracy,easysortingcontrolcharacteristics,fordifferentsortingobjects,modifythesystemcanreachtherequirements.KeywordsAutomaticsorting；Sensor；MitsubishiPLC；MCGSconfigurationsoftware目录1绪论………………11.1自动分拣系统的定义………11.2自动分拣系统研究现状及开展趋势………11.3自动分拣系统研究的意义…………………21.4论文主要内容………………22系统总体设计……………………32.1系统方案的论证和选择……………………32.2系统任务分析………………32.3系统总体方案设计…………42.3.1材料分拣系统的结构框图……………42.3.2材料分拣系统的主要硬件结构………53系统硬件设计……………………93.1传感器的选型……………93.1.1电感式传感器…………93.1.2电容式传感器…………103.1.3颜色传感器……………123.2限位开关的设计……………133.3电磁阀的设计…………….143.4PLC的选型…………………153.5PLC输入输出接线端子图…………………164系统软件设计……………………174．1控制系统流程图设计………174.2PLC梯形图程序设计………184.3整体梯形图…………………194.4PLC程序指令表……………195MCGS组态控制工程设计………205.1组态软件……………………215.2MCGS软件功能特点…………215.3MCGS组态软件结构分析……………………225.4自动分拣系统在组态工程中的应用………235.4.1驱动选择………………235.4.2组态控制参数与通讯参数的设定……245.5组态监控功能概述…………276系统应用及调试…………………286.1系统硬件调试………………286.2系统软件调试………………286.3系统整体调试………………306.4材料自动分拣系统的应用设计分析………307总结………………34参考文献……………35致谢…………………36附录…………………37TOC\o"1-2"\h\z\u1绪论1．1自动分拣系统的定义自动分拣是指货物进入分拣系统到指定的分配位置为止，都是按照系统设定的指令靠自动装置来完成的。自动分拣系统一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口组成。控制装置的作用是识别、接收和处理分拣信号，根据分拣信号的要求指示分类装置、按商品品种、按商品送达地点或按货主的类别对商品进行自动分类。这些分拣需求可以通过不同方式，如可通过条形码扫描、色码扫描、键盘输入、重量检测、语音识别、高度检测及形状识别等方式，输入到分拣控制系统中去，根据对这些分拣信号判断，来决定某一种商品该进入哪一个分拣道口。1．2自动分拣系统研究现状及开展趋势我国自动分拣机的应用大约始于1980年代,近期的市场兴起和技术开展始于1997年。自动分拣的概念先在机场行李处理和邮政处理中心得到应用,然后普及到其他行业。随着业界对现代化物流的实际需求的增长,各行业对高速精确的分拣系统的要求正在不断地提高。这一需求最明显地表现在烟草、医药、图书及超市配送领域,并有望在将来向化装品及工业零配件等领域扩展。这些领域的一个共同特点是产品的种类繁多、附加值高、配送门店数量多、准确性要求高和人工处理效率低等特点。随着社会的不断开展，市场的竞争也越来越剧烈，因此各个生产企业都迫切地需要改良生产技术，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，生产本钱高，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。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；另外组态软件的的开展，为物料分拣系统增添了新的活力。根据不同的作用，在各行各业需要分检的地方衍生出很多的设备，如LED分光分选机等,主要类型有：堆块式分拣系统Pushersortingsystem交叉带式分拣系统CarbelSorting斜导轮式分拣机LineshaftDiverter摇臂式分拣机SwingArmDiverter物料分拣系统涵盖了PLC技术、传感器技术、位置控制技术，组态控制技术等内容。1．3自动分拣系统研究的意义近二十年来,特别是物流行业，随着经济和生产的开展,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效劳质量的提高，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、过失率极低、效率高和根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开展的三大标志之一。1．4论文主要内容文章第一章主要讲述自动分拣系统的定义、开展现状及趋势、研究自动分拣系统的意义。文章第二章主要讲述自动分拣系统设计方案的论证和选型、任务分析以及原理框图的设计和分析。文章第三章主要讲述自动分拣系统的硬件设计，从传感器输入模块、PLC控制模块、电磁阀电路等输出模块进行分析。文章第四章主要讲述自动分拣系统的软件设计，分析PLC控制程序的流程图设计。文章第五章主要讲述自动分拣系统在MCGS组态软件中相关应用。对系统进行监控、仿真分析。文章第六章主要讲述自动分拣系统的应用及调试，从硬件、软件到整体调试以及系统在工业生产中的应用设计。文章后面几章主要讲述了作者的思想总结、对老师的感谢语、论文写作中所用到的相关参考文献以及程序指令表的附录等。2系统总体设计2．1系统方案的论证和选择目前自动分拣系统主要分为两种：PLC为控制核心；RAM芯片为控制核心。分析两种不同控制方案的自动分拣系统，它们各自的特点不同。方案一PLC方案：材料分拣系统以电感、电容传感器实现对金属和非金属的检测、颜色传感器实现对物品色差的检测,信号传输给PLC芯片，控制相应的电磁阀驱动气缸运作，加以组态监控，实现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、输入输出接线端口多、易控制的特点，但是精度相对而言比拟低。方案二RAM方案：材料分拣系统中以传感器为信号采集装置，传输给RAM芯片的采集板，发送脉冲指令给电磁阀门推动汽缸运作，辅以相关的硬件设备实现产品的自动分拣功能，此系统精度高，技术要求高，但是I/O口相对较少，可扩展性不够高。综合上述两种系统的特点，我们选择方案一，以PLC为控制核心，辅以相关的硬件设备进行课题设计。2．2系统任务分析1.在物料斗中放三个不同的物块，在程序运行后传送电机开始运行传送带转动，先运行一个周期，将传动带上的遗留的物料送入分拣槽中。分拣完成后，假设下料传感器SN检测的物料那么推料汽缸动作，传送带启动，进入分拣程序假设无物料，那么停止运行，等待放入物料后，分拣装置启动，进行物料分拣。如果程序运行时，物料斗中没有物体，那么运行一定时间后自动停止。2.当物块靠近各传感器时，就会使传感动作，此时物块并没有到达物料槽的位置，因此要在检测到物块之后再计传送带运行的步距。〔各传感器的灵敏度不同，用试验测定，在确定步距后，在程序中相应网络中进行修改〕当检测到所走的步距后，驱动相应的电磁阀控制气缸推动物块到相应的物料槽中。3.各传感器依次分别为，电感传感器，可检测出铁质物块；电容传感器，可检测出金属物块；颜色传感器，可检测出不同的颜色，且色度可调。备用传感器可选用颜色传感器或者物体检测传感器。当铁质物块经过第一传感器时被分拣出，当铝质物块经过第二传感器时被分拣出，非金属物块中的某一颜色在过第三个传感器时被分拣出。不同的在过第四传感器时分拣出。4.扩展分拣功能,需调整传感器的安装位置分拣出金属和非金属,位置1:电容传感器,位置2:物体检测传感器。分拣出某一颜色块,位置1:颜色传感器,位置2:物体检测传感器。分拣出非金属中某一颜色,位置1:电容传感器,位置:颜色传感器,位置3:物体检测传感器。图2.1各传感器位置图2．3系统总体方案设计2.3.1材料分拣系统的结构框图基于区分材料的材质的不同而设计的材料自动分拣系统，主要是实现对铁质、铝质、不同颜色的材料的自动分拣。系统主要由下料传感器、电感传感器、电容传感器、颜色传感器、备用传感器作为采集输入模块，采集的信号传递给可编程控制器PLC，控制相应的电磁阀驱动汽缸进行材料自动分拣工作。具体控制过程为:(1)接通电源，按下启动开关，系统进入启动状态。(2)系统启动后，下料传感器(光电传感装置)检测到料槽有材料，按规律出料气缸动作一次，将待测材料推到传送带上，待测物体开始在传送带上运行。如果下料传感器没有感应到材料，传送带不运行。(3)当电感传感器检测到铁质材料时，相应出料气缸将待测物体推下。(4)当颜色检测传感器检测到材料为对应颜色时，相应出料气缸动作将被检测到的材料推下。(5)当电容传感器检测到铝质材料时，相应出料气缸动作将待测物体推下。(6)剩余材料落到传送带前方。(7)当料槽无材料时，传送带须继续运行一个行程后自动停机。下列图2.2为材料自动分拣系统的结构原理框图：图2.2系统原理框图2.3.2材料分拣系统的主要硬件结构材料自动分拣系统采用台式结构，内置电源，设置的转接面板上设计了可与PLC连接的转接口。本装置还设置了气动方面的减压器、滤清、气压指示等，可与各类气源相连接。其外形结构、各传感器详细位置见图2.3。图2.3材料分拣系统的主要结构图材料分拣系统的各局部的结构如下：1、转接面板2、单向感应电动机3、三菱PLC4、调压阀、空气滤器、油雾器与气压指示表5、内置电源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5材料分拣系统各结构的功能料槽(图中的8)是一个材料手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〔图中的6〕并由出料气缸〔图6中的36〕将料库内底层材料推入传送带。传送带是由单向感应电机(图中的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〔图中的7〕。自动分选局部由传感器〔图中的24、25、26〕、先导式电磁换向阀〔图中的9、10、11、12〕、气缸〔图中的32、33、34、35〕及导料轨道〔图中的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〔图中的36〕动作，将铁块推入对应的导料轨道〔图中的31〕。调压阀、空气滤器与气压指示仪表〔图中的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，因压力波动比拟大，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、油滴以及杂质微粒等危害，以到达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、油滴以及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，到达润滑的目的，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内容是：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内容的控制，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。主要有电磁局部和主阀两局部组成，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，金属中那么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。控制器采用三菱FX2N---32MR型PLC〔图中的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。内置电源〔图中的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及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。3系统硬件设计3．1传感器的选型3.1.1电感式传感器此传感器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。本系统用该器件来检测铁质材料。电感式接近传感器选择LE4-1K，技术参数如表3.1：表3.1电感式传感器技术参数工作电压10-30V额定电流200MA感应距离4mm图3.1电感传感器工作原理图图3.2电感传感器LE4-1K成品图电感传感器介绍：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鼓励电源时，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测量范围宽〔测量范围大时分辨率低〕；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对鼓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、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的附加误差。3.1.2电容传感器此传感器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。电容式传感器选择OMRON的E2K—X81ME1型，技术参数如表3.2：表3.2电容式传感器技术参数工作电压10-30V额定电流200MA感应距离8mm图3.3电容传感器工作原理图图3.4电容传感器E2K—X81ME1成品图电容传感器介绍：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到达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拟适宜，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、强辐射下长期工作，尤其是解决高温高压环境下的检测难题。3.1.3颜色传感器此传感器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。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电磁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。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传感器引脚如下列图所示。图3.5TCS230颜色传感器图3.6颜色传感器TCS230成品图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外表贴装式封装，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3.3S0、S1及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LLHH20%LHLH20%HLLH100%HH红色蓝色无绿色3.2限位开关的设计限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。这种开关有接触式的和非接触式的。接触式的比拟直观，机械设备的运动部件上，安装上行程开关，与其相对运动的固定点上安装极限位置的挡块，或者是相反安装位置。当行程开关的机械触头碰上挡块时，切断了〔或改变了〕控制电路，机械就停止运行或改变运行。由于机械的惯性运动，这种行程开关有一定的“超行程”以保护开关不受损坏。非接触式的形式很多，常见的有干簧管、光电式、感应式等。材料自动化分拣系统中,气缸回位限位开关、气缸动作限位开关都选用D—C73型号的磁感应开关，控制功率高、作用距离大、结构简单、本钱低、工作稳定可靠、寿命长。适合用于自动控制系统中，进行自动检测、定位、保护等。它的技术参数如表3.4所示：表3.4限位开关的技术参数额定电压DC24VAC110V额定电流DC：5~40mAAC:5~20mA而震程度10~50HZ使用温度0~60摄氏度3.3电磁阀的设计ABS压力调节器的4个常开进油电磁阀的最大起动电流约为3.6A;4个常闭出油电磁阀最大起动电流约为2.4A。而L9439的工作电压4.5～32V，两路通道内阻0.2Ω，最大负载电流3A；另两路内阻0.3Ω，最大负载电流5A，恰好能满足ABS常开和常闭电磁阀的驱动电流要求，而且较低的导通内阻又能保证低功耗，因此L9349非常适合进行ABS电磁阀的驱动控制。电磁阀驱动电路原理图见图3.7。图3.7电磁阀驱动电路原理图在图中，每片L9349能驱动4个电磁阀工作，属于典型的低端驱动。通过Vs端口给芯片提供12V供电电压；当给输入端IN1～IN4PWM控制信号，就能方便地控制输出端以驱动4路电磁阀工作，OUT1和OUT2端口的最大驱动能力为5A，应该连接ABS的常闭电磁阀；OUT3和OUT4端口最大驱动能力为3A，应连接ABS常开电磁阀，不可接反；EN端口为使能端，能通过MCU快速关闭芯片；L9349的数字地和模拟地分开，提高了驱动模块的抗干扰能力。3.4PLC的选型根据材料分拣系统的工作过程由可知，系统的控制有输入信号12个，均为开关量。输出信号有5个，其中一个控制电动机，剩下的控制电磁阀，也都是开关量。根据分拣系统的需要配置出I/O对应功能，如表3.5所示：表3.5I/O接线表输入部分x010sfw2x011sfw3气缸动作限位开关气缸动作限位开关气缸动作限位开关气缸动作限位开关电感传感器电容传感器颜色传感器气缸回位限位开关气缸回位限位开关气缸回位限位开关气缸回位限位开关判断下料有无(下料传感器)x017x013x000x001x002x005x006x007x015x014sfw4sfw5sasbscsbw2sbw3sbw4sbw5sn输出部分y000y001y003y004y005yv2yv3yv4yv5m先导式电磁换向阀11先导式电磁换向阀10先导式电磁换向阀9先导式电磁换向阀13传送带再根据PLC选型的要求，在实际统计的输入/输出点数的根底上需15%---20%的备用量，因此选择三菱FX2N—32MR的PLC作为主机，它可以满足本系统的需求，且还有一定的剩余I/O以备将来的扩展。3.5PLC输入输出接线端子图根据表3.5，利用AutoCAD绘图软件可以绘制出PLC的输入输出接线端子图，如下列图3.8所示。图3.8PLC输入输出接线端子图4系统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。材料自动分拣系统采用三菱公司的FXFP_WIN_C作为编程软件，此软件是专为三菱PLC而设计的编程软件，适用于FX型号的PLC。可以通过梯形图符号、指令语句以及SFC符号创立编辑程序，还可以在程序中参加中文或者英文注释，并且还可以通过该软件监控PLC运行时各编程元件的状态及数据变化，还具有程序和监控结果打印的功能。4.1控制系统流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，如下列图4.1所示。图4.1控制系统流程图该系统可选择连续或单次运行工作状态。假设为连续运行状态，那么系统软件设计流程图中的汽缸4动作后，程序再转到开始;假设为单次运行，那么汽缸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1～3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，那么电机重新运行，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，比方只分拣金属和非金属，那么只需对传感器的安放或程序进行修改即可。4.2PLC梯形图程序设计根据材料自动分拣系统的要求设计出梯形图，梯形图的局部程序分析如下：1、启动材料自动分拣机，开关X014判断是否有材料，无材料系统运行30S后自动停下，送料汽缸启动电机停止转动，汽缸限位开关运作，传送带停止动作。2、开关X014判断有无材料，如有材料，汽缸限位开关运作，系统每隔2S送一次料，系统开始自动分拣动作。3、开关X0、X2、X1传感器开关开始运作，如检测到相对应的材料，那么汽缸运作推动物体到相应的物品槽里，如无检测到相应的物体，那么继续运作到下个传感器进行检测，检测完毕自动进行结束。然后继续下一轮的检测。4.3整体梯形图4.4PLC程序指令表根据系统的程序流程图，设计出材料自动分拣系统中PLC程序的指令表，见附录。5MCGS组态控制工程设计5.1组态软件组态软件，又称组态监控软件系统软件。译自英文SCADA,即SupervisoryControlandDataAcquisition(数据采集与监视控制)。它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(RTUSystem,RemoteTerminalUnit)。5.2MCGS软件功能特点简单灵活的可视化操作界面MCGS嵌入版采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，符合中国人的使用习惯和要求。以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS嵌入版的组态工作既简单直观，又灵活多变。实时性、有良的并行处理性能MCGS嵌入版是真正的32位系统，充分利用了32位WindowsCE操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，以线程为单位对在工程作业中实时性强的关键任务和实时性不强的非关键任务进行分时并行处理，使嵌入式PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。丰富、生动的多媒体画面MCGS嵌入版以图像、图符、报表、曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的状态、品质及异常报警等相关信息；用大小变化、颜色改变、明暗闪烁、移动翻转等多种手段，增强画面的动态显示效果；对图元、图符对象定义相应的状态属性，实现动画效果。完善的平安机制MCGS嵌入版提供了良好的平安机制，可以为多个不同级别用户设定不同的操作权限。此外，MCGS嵌入版还提供了工程密码，以保护组态开发者的成果。强大网络功能MCGS嵌入版具有强大的网络通讯功能支持串口通讯，Modem串口通讯、以太网TCP/IP通讯，不仅可以方便快捷的实现远程数据传输，还可以通过Web浏览功能，在整个企业范围内浏览监测到整个的生产信息，实现设备管理和企业管理的集成。多样化的报警功能MCGS嵌入版提供多种不同的报警方式，具有丰富的报警类型，方便用户进行报警设置，并且系统能够实时显示报警信息，对报警数据进行存储与应答，为工业现场平安可靠地生产运行提供有力的保障。支持多种硬件设备实现“设备无关”。MCGS嵌入版针对外部设备的特征，设立设备工具箱，定义多种设备构件，建立系统与外部设备的连接关系，赋予相关的属性，实现对外部设备的驱动和控制。用户在设备工具箱中可方便选择各种设备构件。不同的设备对应不同的构件，所有的设备构件均通过实时数据库建立联系，而建立时又是相互独立的，即对某一构件的操作或改动，不影响其它构件和整个系统的结构，因此MCGS嵌入版是一个“设备无关”的系统，用户不必因外部设备的局部改动，而影响整个系统。方便控制复杂的运行流程MCGS嵌入版开辟了“运行策略”窗口，用户可以选用系统提供的各种条件和功能的策略构件，用图形化的方法和简单的类Basic语言构造多分支的应用程序，按照设定的条件和顺序，操作外部设备，控制窗口的翻开或关闭，与实时数据库进行数据交换，实现自由、精确地控制运行流程，同时也可以由用户创立新的策略构件，扩展系统的功能。良好的可维护性MCGS嵌入版系统由五大功能模块组成，主要的功能模块以构件的形式来构造，不同的构件有着不同的功能，且各自独立。三种根本类型的构件〔设备构件、动画构件、策略构件〕完成了MCGS嵌入版系统的三大局部〔设备驱动、动画显示和流程控制〕的所有工作。用自建文件系统来管理数据存储，系统可靠性更高由于MCGS嵌入版不再使用ACCESS数据库来存储数据，而是使用了自建的文件系统来管理数据存储，所以与MCGS通用版相比，MCGS嵌入版的可靠性更高，在异常掉电的情况下也不会丧失数据。设立对象元件库，组态工作简单方便对象元件库，实际上是分类存储各种组态对象的图库。组态时，可把制作完好的对象〔包括图形对象、窗口对象、策略对象以至位图文件等〕以元件的形式存入图库中，也可把元件库中的各种对象取出，直接为当前的工程所用，随着工作的积累，对象元件库将日益扩大和丰富。这样解决了组态结果的积累和重新利用问题。组态工作将会变得越来越简单方便。总之，MCGS嵌入版组态软件具有与MCGS通用版组态软件一样强大的功能，并且操作简单，易学易用，普通工程人员经过短时间的培训就能迅速掌握多数工程工程的设计和运行操作。同时使用MCGS嵌入版组态软件能够避开复杂的嵌入版计算机软、硬件问题，而将精力集中于解决工程问题本身，根据工程作业的需要和特点，组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化的工业控制监控系统。5.3MCGS组态软件结构分析MCGS嵌入版生成的用户应用系统，由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个局部构成，如下列图5.1所示：图5.1MCGS嵌入版结构图主控窗口构造了应用系统的主框架。主控窗口确定了工业控制中工程作业的总体轮廓，以及运行流程、特性参数和启动特性等项内容，是应用系统的主框架。设备窗口是MCGS嵌入版系统与外部设备联系的媒介设备窗口专门用来放置不同类型和功能的设备构件，实现对外部设备的操作和控制。设备窗口通过设备构件把外部设备的数据采集进来，送入实时数据库，或把实时数据库中的数据输出到外部设备。用户窗口实现了数据和流程的“可视化”用户窗口中可以放置三种不同类型的图形对象：图元、图符和动画构件。通过在用户窗口内放置不同的图形对象，用户可以构造各种复杂的图形界面，用不同的方式实现数据和流程的“可视化”。实时数据库是MCGS嵌入版系统的核心实时数据库相当于一个数据处理中心，同时也起到公共数据交换区的作用。从外部设备采集来的实时数据送入实时数据库，系统其它局部操作的数据也来自于实时数据库。运行策略是对系统运行流程实现有效控制的手段运行策略本身是系统提供的一个框架，其里面放置由策略条件构件和策略构件组成的“策略行”，通过对运行策略的定义，使系统能够按照设定的顺序和条件操作任务，实现对外部设备工作过程的精确控制。5.4自动分拣系统在组态工程中的应用5.4.1驱动选择翻开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图5.2。图5.2材料分拣系统的组态监控画面5.4.2组态控制参数与通讯参数的设定首先对画面上的按钮进行动画连接设置。例如：单击画面上的材料库指示灯，在表达式里设置SN=1，闪烁实现方式与闪烁速度的设置如下列图5.3所示：图5.3动态组态属性设置对于其它的指示灯设置方法也如材料库指示灯，但表达式必须对应各自的变量参数。当其它指示灯的对应变量设置完成之后。对组态的通讯参数进行设置，翻开设备窗口分别添加如下两个设备：通用串口父设备和FX系列编程口。图5.4设备的添加双击通用串口父设备弹出通用串口父设备属性编辑对话框，对它的参数作如下设置，当设置好参数后点击检查，无误后点确定。图5.5通用串口设备属性编辑再对FX系列编程口进行设置，双击FX系列编程口弹出设备属性编辑对话框，对它的参数进行设置，当设置好参数后点击检查，无误后点确定。表5.1FX系列参数表对应数据对象通道类型SN只读X00000SA只读X00001SB只读X00002SC只读X00003SFW2只读X00004SFW3只读X00005SFW4只读X00006SFW5只读X00007SBW2只读X00010SBW3只读X00011SBW3只读X00012SBW4只读X00013SBW5只读X00014YV2读写Y00000YV3读写Y00001YV4读写Y00002YV5读写Y00003M读写Y00004图5.6设备属性图5.5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系统进行监控了。当材料库里有材料时，相应指示灯开始闪烁。同时传送带的指示灯也闪烁，说明传送带在工作。SA、SB、SC分别为电感传感器、电容传感器、颜色传感器的指示灯，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为电磁阀的指示灯，当电磁阀动作时对应的指示灯变亮。6系统应用及调试材料自动分拣系统中传感器占了较重要的位置，电感传感器、电容传感器、颜色传感器以及备用传感器的调试显得尤为重要。另外，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根底，缩短整体调试的周期。最后，MCGS组态仿真软件在使用前也需要仔细的进行检查，设置好相关参数。6.1系统硬件调试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，否那么反之〕6.2系统软件调试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。按照控制要求在指定输入端输入信号，观察输出指示灯的状态，假设输出不符合要求，那么查找原因，并排除之。PLC程序上机调试中遇到一些困难，但经过潜心钻研，解决了相关问题。下列图6.1和6.2为上机调试图。图6.1PLC上机程序调试效果图图6.2PLC联机调试接线图6.3系统整体调试将设备接入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。下列图6.3为材料自动分拣机全机图。图6.3材料自动分拣机6.4材料自动分拣系统的应用设计分析材料自动分拣系统的应用可以大大提高企事业单位该环节的生产效率，故广泛应用于社会各行各业，如：物流配送中心、邮局、采矿、港口、码头、仓库……。以机场行李自动分拣系统为例，浅析材料自动分拣系统在现实行业中的应用情况。在大型的国际机场，客运繁忙，一分种内就会有假设干架飞机起飞或降落。为了能够满足这种起降频率，提高工作效率，自动分拣旅客的行李就显得十分重要。目前采用的方法是将条码贴在旅客行李上，然后采用条码识别系统来进行行李的自动分拣。为了能够高效率地识别皮带式或托盘式输送带上的行李条码，需要包括条码阅读器、控制器及安装构架等在内的一套阅读系统。T形码和长条形(Linear)码是目前在行李上常使用的条码类型。由于其组成形式的不同，Linear码比T形码难检测。所以Linear码的识别系统会比T形码识别系统多使用4—6个条码识读器，并采用更密集的条码识读器安装方式。但T形码易受外界因素，如输送带传送过程，印刷过程等的影口向。一般来讲可使用Linear码识别系统来检测T形码，并且能使识读率提高3％-7％。1998年6月1日正式启用的香港新国际机场内安装的28套行李自动分拣系统，采用了SICK公司的ALIS(AirportLuggageldentificationSystem)系统，共400多个条码识读器。此机场行李输送带的类型为皮带式，其宽度为lm，运行速度为1．8m／so需检测的条码的类型为T形码此系统为用于检测T形码的识别系统，包括了360~环绕安装的16个条码识读器，1个控制器及铝材质的安装构架。下面以此系统为例，介绍一下如何利用条码和条码识别系统来进行机场行李的自动分拣。ALIS系统是一个全自动的条码识读系统。根据用户的不同要求，此系统最多由24个条码识读器，一个控制器，一些用来检测行李位置和外形的光电开关及安装和固定条码识读器的构架组成。分拣系统的框图如图3所示。下面分别介绍此系统的硬件和软件。1.控制器工控机，供电单元，光电耦合器及一些接口元件被放置在一个控制柜内作为此系统的控制器。控制器与工控制的结合，易于编程。系统接口局部完全自诊断，并能满足用户的具体要求。控制器作为些系统的控制中心所列部件相连接。此控制器具备下述特点：

1).通过检测外部光电开关传送的数字输入信号，可获取条码识读器的识读距离；

2).可动态控制条码识读器的识读距离；

3).可查询所有条码识读器的检测结果；

4).可分析单个条码识读器的验测结果，确定最后的正确检测结果；

可与主机通讯；

5).可统计一段时间内的检测结果；

6).对整个系统监测，并可将检测数据存储到硬盘；

7).使用LCD显示系统状态和数据统计结果。2．条码阅读器

用于ALIS系统条码检测的识读器是直接获取条』码内容的传感器。它的性能好坏直接影响着整个系统的检测可靠性。一般来讲，与其它工业生产线上的识读器相比，它应具备更宽的读取距离范围，更高性能的条码识读能力及具备自动调焦等功能。SICK的CLV490，由于采用了专利的测频技术采测量与物体之的距离，使它能够实现焦距的实时自动调节，使得送带上行李大小的变化不影口向检测。另外，以下特也大大提高了检测的可靠性：1)扫描的倾斜角度范围为-45度—+45度，使条码的位置倾斜对扫描性能没有影响；

2)条码扫描的分辨率为0．3-0．5mm，识读距离可达2.2m；

3)具有实时译码器和专利的"SMART"条码识别功能，大大提高了检测的可靠性，使它能够识读被局部损坏，污损或被局部覆盖的条码

4)扫描角度可高达60度；

5)扫描频率最高可达1200Hz(600到1200Hz之间可调)，适合高速运行的输送带；

6)可连接到CAN总线，适合不同用户对系统的要求；

7)4个可编程设定的输出及5个可编程设定的输入，方便用户；

8)与主机的通讯接口为RS232／422／485；

9)IP65防护等级的接线插头具一体化的参数存储器(EEPROM)，使得在进行条码识读器的替换时，只需插上接口插头而不必重新设置参数。

一般来讲，行李分拣系统都会以LCD的形式显示有关系统状态、统计数据和诊断结果的信息。ALIS系统主菜单下的分菜单包括实时信息和统计信息两大类。实时信息包括系统状态，单个条码识读器状态，输入/输出状态及位置信息4个分菜单，统计信息包括条码识读器日统计数据，日统计数据，主机统计数据及总统计数据，日统计数据，主机统计数据及总统计数据4个分菜单。这种菜单结构清晰可见，方便系统管理员随时查阅实时状态和统计结果，轻松掌握整个系统的运行情况。1).系统状态显示了条码及与主机通讯的实时状态；

2).数据I/O信号显示了输入和输出信号的逻辑状态；

3).单个条码识读器的状态显示了单个条码上次识读数据，正确识读率及错误代码在内的运行数据；

4).每100次识读后的统计信息就会被传送到主机。内容包括单个识读器的正确识读率，总正确识读率等；

5).总统计信息，包括总的正确识读率和单个识读器的统计数据；

6).日境计数据显示了近20日内每日的总识读数及正确识读率等信息；