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1、1摘 要PLC 控制是目前工業(yè)上最常用的自動(dòng)化控制方法，由于其控制方便，能夠承受惡劣的環(huán)境，因此，在工業(yè)上優(yōu)于單片機(jī)的控制。PLC 將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體,專門為工業(yè)控制而設(shè)計(jì),具有功能強(qiáng)、通用靈活、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、編程簡單、使用方便以及體積小、重量輕、功耗低等一系列優(yōu)點(diǎn),因此在工業(yè)上的應(yīng)用越來越廣泛。 本文主要講述 PLC 在材料分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用，利用可編程控制器( PLC) ,設(shè)計(jì)成本低、效率高的材料自動(dòng)分揀裝置。以 PLC 為主控制器,結(jié)合氣動(dòng)裝置、傳感技術(shù)、位置控制等技術(shù),現(xiàn)場控制產(chǎn)品的自動(dòng)分揀。 系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定、精度高、易控制的特
2、點(diǎn),可根據(jù)不同對象,稍加修改本系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)要求。關(guān)鍵詞: 可編程控制器，分揀裝置，控制系統(tǒng)，傳感器I目錄緒 論.1第一章 材料分揀裝置結(jié)構(gòu)及總體設(shè)計(jì).21.1材料分揀裝置工作過程概述.31.2系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo).51.3系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求.61.3.1功能要求.61.3.2系統(tǒng)的控制要求.6第二章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).82.1系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu).82.2系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù).92.2.1確定 I/ O 點(diǎn)數(shù).92.2.2 PLC 的選擇.92.2.3 PLC 的輸入輸出端子分配.92.2.4 PLC 輸入輸出接線端子圖.112.3檢測元件與執(zhí)行裝置的選擇.122.3.1旋轉(zhuǎn)編碼器.122.3.2電感傳感器.142
3、.3.3電容傳感器.152.3.4顏色傳感器.17II2.3.6步進(jìn)電機(jī).19第三章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).203.1控制系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì).213.2控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì).23第四章 控制系統(tǒng)的調(diào)試.304.1硬件調(diào)試.304.2軟件調(diào)試.314.3整體調(diào)試.32結(jié) 論.33參考文獻(xiàn)34附 錄.35致謝401緒 論分揀是把很多貨物按品種從不同的地點(diǎn)和單位分配到所設(shè)置的場地的作業(yè)。按分揀的手段不同，可分為人工分揀、機(jī)械分揀和自動(dòng)分揀。目前自動(dòng)分揀已逐漸成為主流，因?yàn)樽詣?dòng)分揀是從貨物進(jìn)入分揀系統(tǒng)送到指定的分配位置為止，都是按照人們的指令靠自動(dòng)分揀裝置來完成的。這種裝置是由接受分揀指示情報(bào)的控制裝置、計(jì)算機(jī)
4、網(wǎng)絡(luò)，把到達(dá)分揀位置的貨物送到別處的的搬送裝置。由于全部采用機(jī)械自動(dòng)作業(yè)，因此，分揀處理能力較大，分揀分類數(shù)量也較多。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，市場的競爭也越來越激烈，因此各個(gè)生產(chǎn)企業(yè)都迫切地需要改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，提高生產(chǎn)效率。物料分揀采用可編程控制器 PLC 進(jìn)行控制，能連續(xù)、大批量地分揀貨物，分揀誤差率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，可顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。而且，分揀系統(tǒng)能靈活地與其他物流設(shè)備無縫連接，實(shí)現(xiàn)對物料實(shí)物流、物料信息流的分配和管理。 其設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的組裝，具有系統(tǒng)布局靈活，維護(hù)、檢修方便等特點(diǎn)，受場地原因影響不大。同時(shí)，只要根據(jù)不同的分揀對象，對本系統(tǒng)稍加修改即可實(shí)現(xiàn)要求。應(yīng)用 PLC 技
5、術(shù)結(jié)合氣動(dòng)、傳感器和位置控制等技術(shù)，設(shè)計(jì)不同類型材料的自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的靈活性較強(qiáng)，程序開發(fā)簡單，可適應(yīng)進(jìn)行材料分揀的彈性生產(chǎn)線的需求。本文主要介紹了 PLC 控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，以及一些調(diào)試方法。2第一章 物料分揀裝置結(jié)構(gòu)及總體設(shè)計(jì)PLC 控制分揀裝置涵蓋了 PLC 技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、位置控制技術(shù)等內(nèi)容，是實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的微縮模型。本章主要介紹分揀裝置的工藝過程及控制要求。要想進(jìn)行 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先必須對控制對象進(jìn)行調(diào)查，搞清楚控制對象的工藝過程、工作特點(diǎn)，明確控制要求以及各階段的特點(diǎn)和各階段之間的轉(zhuǎn)換條件。31.1 材料分揀裝置工作過程概述如圖 1
6、-1 所示為本分揀裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖 1-1 材料分揀裝置結(jié)構(gòu)它采用臺(tái)式結(jié)構(gòu)，內(nèi)置電源，有步進(jìn)電機(jī)、汽缸、電磁閥、旋轉(zhuǎn)編碼器、氣動(dòng)減壓器、濾清器、氣壓指示等部件，可與各類氣源相連接。選用顏色識(shí)別傳感器及對不同材料敏感的電容式和電感式傳感器，分別固定在網(wǎng)板上，且允許重新安裝傳感器排列位置或選擇網(wǎng)板不同區(qū)域安裝。系統(tǒng)上電后，可編程序控制器首先控制啟動(dòng)輸送帶，下料傳感器 SN檢測料槽有無物料，若無料，輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)周期后自動(dòng)停止等待下料；當(dāng)料槽有料時(shí)，下料傳感器輸出信號給 PLC，PLC 控制輸送帶繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，4同時(shí)控制氣動(dòng)閥 5 進(jìn)行下料，每次下料時(shí)間間隔可以進(jìn)行調(diào)整。物料傳感器 SA 為電感傳感
7、器，當(dāng)檢測出物料為鐵質(zhì)物料時(shí)，反饋信號送 PLC，由PLC 控制氣動(dòng)閥 1 動(dòng)作選出該物料；物料傳感器 SB 為電容傳感器，當(dāng)檢測出物料為鋁質(zhì)物料時(shí)，反饋信號送 PLC, PLC 控制氣動(dòng)閥 2 動(dòng)作選出該物料；物料傳感器 SC 為顏色傳感器，當(dāng)檢測出物料的顏色為待檢測顏色時(shí)，PLC 控制氣動(dòng)閥 3 動(dòng)作選出該物料。物料傳感器 SD 為備用傳感器。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定為分揀某種顏色的金屬或非金屬物料時(shí)，由程序記憶各傳感器的狀態(tài)，完成分揀任務(wù)。51.2 系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)輸入電壓：AC200240V（帶保護(hù)地三芯插座）消耗功率：250W環(huán)境溫度范圍：-540氣源：大于 0.2MPa 切小于 0.85Mpa61
8、.3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求主要包括功能要求和控制要求，進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)分析控制對象的要求。1.3.1 功能要求材料分揀裝置應(yīng)實(shí)現(xiàn)基本功能如下 （1）分揀出金屬和非金屬（2）分揀某一顏色塊（3）分揀出金屬中某一顏色塊（4）分揀出非金屬中某一顏色塊（5）分揀出金屬中某一顏色塊和非金屬中某一顏色塊1.3.2 系統(tǒng)的控制要求系統(tǒng)利用各種傳感器對待測材料進(jìn)行檢測并分類。當(dāng)待測物體經(jīng)下料裝置送入傳送帶后，依次接受各種傳感器檢測。如果被某種傳感器測中，通過相應(yīng)的氣動(dòng)裝置將其推入料箱；否則，繼續(xù)前行。其控制要求有如下9 個(gè)方面：（1）系統(tǒng)送電后，光電編碼器便可發(fā)生所需的脈沖 （2）電機(jī)運(yùn)行，帶動(dòng)傳
9、輸帶傳送物體向前運(yùn)行（3）有物料時(shí)，下料汽缸動(dòng)作，將物料送出（4）當(dāng)電感傳感器檢測到鐵物料時(shí)，推汽缸 1 動(dòng)作7（5）當(dāng)電容傳感器檢測到鋁物料時(shí)，推汽缸 2 動(dòng)作（6）當(dāng)顏色傳感器檢測到材料為某一顏色時(shí)，推汽缸 3 動(dòng)作 （7）其他物料被送到 SD 位置時(shí)，推汽缸 4 動(dòng)作 （8）汽缸運(yùn)行應(yīng)有動(dòng)作限位保護(hù) （9）下料槽內(nèi)無下料時(shí)，延時(shí)后自動(dòng)停機(jī)8第二章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)被控制對象對 PLC 控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)所需的用戶輸入、輸出設(shè)備，選擇合適的 PLC 類型，并分配 I/O 點(diǎn)。2.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖，如圖 2-1 所示。
10、圖 2-1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框92.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)即分析控制系統(tǒng)的要求，確定 I/O 點(diǎn)數(shù)，選擇 PLC 的型號，然后進(jìn)行 I/O 分配。2.2.1 確定 I/ O 點(diǎn)數(shù)根據(jù)控制要求，輸入應(yīng)該有 2 個(gè)開關(guān)信號，6 個(gè)傳感器信號，包括電感傳感器、電容傳感器、顏色傳感器、備用傳感器，以及檢測下料的傳感器和計(jì)數(shù)傳感器。相應(yīng)地，有 5 個(gè)汽缸運(yùn)動(dòng)位置信號，每個(gè)汽缸有動(dòng)作限位和回位限位，共計(jì) 10 個(gè)信號。輸出包括控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的接觸器，以及 5 個(gè)控制汽缸動(dòng)作的電磁閥。共需 I/ O 點(diǎn) 24 個(gè)，其中 18 個(gè)輸入，6個(gè)輸出。2.2.2 PLC 的選擇根據(jù)上面所確定的 I/ O 點(diǎn)數(shù)，
11、且該材料分揀裝置的控制為開關(guān)量控制。因此，選擇一般的小型機(jī)即可滿足控制要求。本系統(tǒng)選用西門子公司的 S7-200 系列 CPU226 型 PLC。它有 24 個(gè)輸入點(diǎn)，16 個(gè)輸出點(diǎn)，滿足本系統(tǒng)的要求。102.2.3 PLC 的輸入輸出端子分配根據(jù)所選擇的 PLC 型號，對本系統(tǒng)中 PLC 的輸入輸出端子進(jìn)行分配，如表 1 所示表 1 材料分揀裝置 PLC 輸入/輸出端子分配表西門子 PLC(I/O)分揀系統(tǒng)接口(I/O)備注I0.0UCP(計(jì)數(shù)傳感器)接旋轉(zhuǎn)編碼器I0.1SN(下料傳感器)判斷下料有無I0.2SA(電感傳感器)I0.3SB(電容傳感器)I0.4SC(顏色傳感器)I0.5SD(
12、備用傳感器)I0.6SFW1(推氣缸 1 動(dòng)作限位)I0.7SEW2(推氣缸 2 動(dòng)作限位)I1.0SFW3(推氣缸 3 動(dòng)作限位)I1.1SFW4(推氣缸 4 動(dòng)作限位)I1.2SFW5(下料氣缸動(dòng)作限位)I1.3SBW1(推氣缸 1 回位限位)I1.4SBW2(推氣缸 2 回位限位)I1.5SBW3(推氣缸 3 回位限位)I1.6SBW4(推氣缸 4 回位限位)I1.7SBW5(下料氣缸回位限位)I2.0SB1(啟動(dòng)) 輸 入 部 分I2.1SB2(停止) 11Q0.0M(輸送帶電機(jī)驅(qū)動(dòng)器)Q0.1YV1(推氣缸 1 電磁閥)Q0.2YV2(推氣缸 2 電磁閥)Q0.3YV3(推氣缸 3
13、電磁閥)Q0.4YV4(推氣缸 4 電磁閥) 輸 出 部 分Q0.5YV5(下料氣缸電磁閥)2.2.4 PLC 輸入輸出接線端子圖根據(jù)表 1 可以繪制出 PLC 的輸入輸出接線端子圖，如圖 2-2 所示。12圖 2-2 PLC 輸入輸出接線端子圖2.3 檢測元件與執(zhí)行裝置的選擇主要是對旋轉(zhuǎn)編碼器和各個(gè)傳感器的選擇，并對其作簡要介紹。132.3.1 旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器是與步進(jìn)電機(jī)連接在一起，在本系統(tǒng)中可用來作為控制系統(tǒng)的計(jì)數(shù)器，并提供脈沖輸入。它轉(zhuǎn)化為位移量，可對傳輸帶上的物料進(jìn)行位置控制。 傳送至相應(yīng)的傳感器時(shí)，發(fā)出信號到 PLC ，以進(jìn)行分揀，也可用來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)選用 E6A
14、2CW5C 旋轉(zhuǎn)編碼器,原理如圖 2-3 所示。圖 2-3 旋轉(zhuǎn)編碼器原理旋轉(zhuǎn)編碼器介紹：旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量轉(zhuǎn)速的裝置。技術(shù)參數(shù)主要有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（幾十個(gè)到幾千個(gè)都有），和供電電壓等。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組相位差 90 度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以光電碼盤14測量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。編碼器如以信號原理來分，可分為增量脈沖編碼器（SPC）和絕對脈沖編碼器（APC）兩者一般都應(yīng)用于速度控制或位置控制系統(tǒng)的檢測元件。編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬
15、碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個(gè)數(shù)量級，塑料碼盤是經(jīng)濟(jì)型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。工作原理如下：由一個(gè)中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取，獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D，每個(gè)正弦波相差 90 度相位差（相對于一個(gè)周波為 360 度），將 C、D 信號反向，疊加在 A、B 兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè) Z 相脈沖以代表零位參考位。 由于 A、B 兩相相差 90 度，可通過比較A 相在前還是 B 相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零
16、位參考位。分辨率：編碼器以每旋轉(zhuǎn) 360 度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度510000 線。信號輸出: 信號輸出有正弦波（電流或電壓），方波（TTL、HTL），集電極開路（PNP、NPN），推拉式多種形式，其中 TTL 為長線差分驅(qū)動(dòng)（對稱 A，A-；B，B-；Z，Z-），HTL 也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對應(yīng)。信號連接：編碼器的脈沖信號一般連接計(jì)數(shù)器、PLC、計(jì)算機(jī)，PLC 和計(jì)算機(jī)連接的模塊有低速模塊與高速模塊之15分，開關(guān)頻率有低有高。如單相聯(lián)接，用于單方向計(jì)數(shù)，單方向測速。A、B 兩相聯(lián)接，用于正反向計(jì)數(shù)、判
17、斷正反向和測速。A、B、Z 三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測量。 A、A-，B、B-，Z、Z-連接，由于帶有對稱負(fù)信號的連接，電流對于電纜貢獻(xiàn)的電磁場為 0，衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠(yuǎn)的距離。 對于 TTL 的帶有對稱負(fù)信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達(dá) 150 米。 對于 HTL 的帶有對稱負(fù)信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達(dá) 300 米2.3.2 電感傳感器電感式接近開關(guān)屬于有開關(guān)量輸出的位置傳感器，用來檢測金屬物體。 它由 LC 高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個(gè)能產(chǎn)生電磁場的振蕩感應(yīng)頭時(shí)，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。 這個(gè)渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，
18、內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化。 由此，可識(shí)別出有無金屬物體接近，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。本系統(tǒng)選用M18X1X40 電感傳感器。接線圖如圖 2-4，原理圖如圖 2-5。圖 2-4 M18X1X40 DC 二線常開式電感傳感器接線圖16圖 2-5 電感傳感器工作原理圖電感傳感器介紹： 由鐵心和線圈構(gòu)成的將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化的傳感器，又稱電感式位移傳感器。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料導(dǎo)磁系數(shù)都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導(dǎo)致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當(dāng)把線圈接入測量電路并接通激勵(lì)電源時(shí)，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。電感式傳感器的特點(diǎn)是：無活動(dòng)觸點(diǎn)、可靠度高
19、、壽命長；分辨率高；靈敏度高；線性度高、重復(fù)性好；測量范圍寬（測量范圍大時(shí)分辨率低） ；無輸入時(shí)有零位輸出電壓，引起測量誤差；對激勵(lì)電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高；不適用于高頻動(dòng)態(tài)測量。電感式傳感器主要用于位移測量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機(jī)械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測量。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。在實(shí)際應(yīng)用中，這三種傳感器多制成差動(dòng)式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。172.3.3 電容傳感器電容傳感器也屬于具有開關(guān)量輸出的位置傳感器，是一種接近式開關(guān)。 它的測量頭通常是構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，而另一個(gè)
20、極板是待測物體的本身。當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化。由此，便可控制開關(guān)的接通和關(guān)斷。本系統(tǒng)選用 E2KX8ME1 電容傳感器，接線圖可參考圖 2-5，原理圖如圖 2-6。圖 2-6 電容傳感器工作原理圖電容傳感器介紹：用電測法測量非電學(xué)量時(shí)，首先必須將被測的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量而后輸入之。通常把非電學(xué)量變換成電學(xué)量的元件稱為變換器；根據(jù)不同非電學(xué)量的特點(diǎn)設(shè)計(jì)成的有關(guān)轉(zhuǎn)換裝置稱為傳感器，而被測的力學(xué)量（如位移、力、速度等）轉(zhuǎn)換成電容變化的傳感器稱為電容傳感器。從能量轉(zhuǎn)換的角度而言，電容變換器為無源變換器，需要將所測的力學(xué)量轉(zhuǎn)換成
21、電壓或電流后進(jìn)行放大和處理。力學(xué)量中的線位移、角位移、間隔、距離、厚度、18拉伸、壓縮、膨脹、變形等無不與長度有著密切聯(lián)系的量；這些量又都是通過長度或者長度比值進(jìn)行測量的量，而其測量方法的相互關(guān)系也很密切。另外，在有些條件下，這些力學(xué)量變化相當(dāng)緩慢，而且變化范圍極小，如果要求測量極小距離或位移時(shí)要有較高的分辨率，其他傳感器很難做到實(shí)現(xiàn)高分辨率要求，在精密測量中所普遍使用的差動(dòng)變壓器傳感器的分辨率僅達(dá)到 15 m 數(shù)量級；而有一種電容測微儀，他的分辨率為 0.01 m，比前者提高了兩個(gè)數(shù)量級，最大量程為 1005 m，因此他在精密小位移測量中受到青睞。對于上述這些力學(xué)量，尤其是緩慢變化或微小量的
22、測量，一般來說采用電容式傳感器進(jìn)行檢測比較適宜，主要是這類傳感器具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：(1)測量范圍大其相對變化率可超過 100%；(2)靈敏度高，如用比率變壓器電橋測量，相對變化量可達(dá) 10-7 數(shù)量級；(3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，因其可動(dòng)質(zhì)量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動(dòng)態(tài)測量，也可靜態(tài)測量；(4)穩(wěn)定性好由于電容器極板多為金屬材料，極板間襯物多為無機(jī)材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高溫、低溫強(qiáng)磁場、強(qiáng)輻射下長期工作，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測難題。192.3.4 顏色傳感器選用 TAOS 公司生產(chǎn)的，型號為 TCS230 顏色傳感器。此傳感器為RGB(紅綠藍(lán)) 顏色傳感器，可檢測目標(biāo)
23、物體對三基色的反射比率，從而鑒別物體顏色。TCS230 傳感器引腳如圖 2-7 所示圖 2-7 TCS230 顏色傳感器RGB 顏色傳感器介紹：TCS230 是美國 TAOS 公司生產(chǎn)的一種可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器。該傳感器具有分辨率高、可編程的顏色選擇與輸出定標(biāo)、單電源供電等特點(diǎn)；輸出為數(shù)字量，可直接與微處理器連接。它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)單一的 CMOS 電路上，同時(shí)在單一芯片上還集成了紅綠藍(lán)(RGB)三種濾光器，是業(yè)界第一個(gè)有數(shù)字兼容接口的 RGB 彩色傳感器。TCS230 的輸出信號是數(shù)字量，可以驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 或 CMOS 邏輯輸入，因此可直接與微處理
24、器或其它邏輯電路相連接。由于輸出的是數(shù)字量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)彩色信道 10 位以上的轉(zhuǎn)換精度，因而不再需要 A/D 轉(zhuǎn)換電路，使電路變得更簡單。TCS230 采用 8 引腳的 SOIC 表面貼裝式封裝，20在單一芯片上集成有 64 個(gè)光電二極管。這些二極管共分為四種類型。其中 16 個(gè)光電二極管帶有紅色濾波器，16 個(gè)光電二極管帶有綠色濾波器，16 個(gè)光電二極管帶有藍(lán)色濾波器，其余 16 個(gè)不帶有任何濾波器，可以透過全部的光信息。這些光電二極管在芯片內(nèi)是交叉排列的，能夠最大限度地減少入射光幅射的不均勻性，從而增加顏色識(shí)別的精確度；另一方面，相同顏色的 16 個(gè)光電二極管是并聯(lián)連接的，均勻分布在
25、二極管陣列中，可以消除顏色的位置誤差。工作時(shí)，通過兩個(gè)可編程的引腳來動(dòng)態(tài)選擇所需要的濾波器。該傳感器的典型輸出頻率范圍從 2Hz500kHz，用戶還可以通過兩個(gè)可編程引腳來選擇 100%、20%或 2%的輸出比例因子，或電源關(guān)斷模式。輸出比例因子使傳感器的輸出能夠適應(yīng)不同的測量范圍，提高了它的適應(yīng)能力。當(dāng)入射光投射到 TCS230 上時(shí)，通過光電二極管控制引腳 S2、S3 的不同組合，可以選擇不同的濾波器；經(jīng)過電流到頻率轉(zhuǎn)換器后輸出不同頻率的方波(占空比是 50%)，不同的顏色和光強(qiáng)對應(yīng)不同頻率的方波；還可以通過輸出定標(biāo)控制引腳 S0、S1 選擇不同的輸出比例因子，對輸出頻率范圍進(jìn)行調(diào)整，以適
26、應(yīng)不同的需求。S0、S1 用于選擇輸出比例因子或電源關(guān)斷模式；S2、S3 用于選擇濾波器的類型；OE 是頻率輸出使能引腳，可以控制輸出的狀態(tài)，當(dāng)有多個(gè)芯片引腳共用微處理器的輸入引腳時(shí)，也可以作為片選信號；OUT 是頻率輸出引腳，GND 是芯片的接地引腳，VCC 為芯片提供工作電壓。表 2 是S0、S1 及 S2、S3 的可用組合。表 2 S0、S1 及 S2、S3 的組合選項(xiàng)21S0S1輸出頻率定標(biāo)S2S3濾波器類型LL關(guān)斷電源LL紅色LH20%LH藍(lán)色HL20%HL無HH100%HH綠色2.3.5 光電傳感器光電傳感器是一種小型電子設(shè)備，它可以檢測出其接收到的光強(qiáng)的變化。用來檢測物體有無的光
27、電傳感器是一種小的金屬圓柱形設(shè)備，發(fā)射器帶一個(gè)校準(zhǔn)鏡頭，將光聚焦射向接收器，接收器出電纜將這套裝置接到一個(gè)真空管放大器上。在金屬圓筒內(nèi)有一個(gè)小的白熾燈做為光源。這些小而堅(jiān)固的白熾燈傳感器就是今天光電傳感器的雛形。本系統(tǒng)選用 FPG 系列小型放大器內(nèi)藏型光電傳感器。原理如圖 2-8 所示，其中負(fù)載可接至 PLC。圖 2-8 FPG 光電傳感器原理圖光電傳感器介紹：光電傳感器是指能夠?qū)⒖梢姽廪D(zhuǎn)換成某種電量的傳感器。光電傳感器采用光電元件作為檢測元件，首先把被測量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘柕淖兓?，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件 3 部分組成。光電傳感器是將
28、光信22號轉(zhuǎn)換為電信號的光敏器件。它可用于檢測直接引起光強(qiáng)變化的非電量，也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測參數(shù)多。傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，體積小。近年來,隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電式傳感器已成為系列產(chǎn)品，其品種及產(chǎn)量日益增加，用戶可根據(jù)需要選用各種規(guī)格的產(chǎn)品，它在機(jī)電控制、計(jì)算機(jī)、國防科技等方面的應(yīng)用都非常廣泛。 2.3.6 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于帶動(dòng)傳輸帶輸送物料前行，與旋轉(zhuǎn)編碼器連接在一起?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)，來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。 同時(shí)，可以通過控制脈沖頻率來控制材料分揀裝置的可編程控制系統(tǒng)
29、控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)選用的型號為42BYGH101。23第三章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)是 PLC 控制系統(tǒng)的核心，程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是根據(jù)控制要求及工藝流程，畫出狀態(tài)流程圖并設(shè)計(jì)出梯形圖。243.1 控制系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)生產(chǎn)工藝的要求，分析各個(gè)設(shè)備的操作內(nèi)容和操作順序，可畫出程序流程圖，如圖 3-1 所示。圖 3-1控制系統(tǒng)流程圖25該系統(tǒng)可選擇連續(xù)或單次運(yùn)行工作狀態(tài)。 若為連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，則系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖中的汽缸 4 動(dòng)作后，程序再轉(zhuǎn)到開始;若為單次運(yùn)行，則汽缸 4 動(dòng)作后停機(jī)。 如果需要，該系統(tǒng)可在分揀的同時(shí)對分揀的材料進(jìn)行數(shù)量的統(tǒng)計(jì)，這只需在各汽缸動(dòng)作
30、的同時(shí)累計(jì)即可。應(yīng)用高速計(jì)數(shù)器編制程序，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的定位控制功能。用高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，來確定物料到達(dá)傳感器的距離，實(shí)現(xiàn)定位功能。定位時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器清零，傳感器開始工作，對物料進(jìn)行分揀處理。 在汽缸13 動(dòng)作后，電機(jī)重新運(yùn)行，高速計(jì)數(shù)器也重新計(jì)數(shù)。 如果相應(yīng)的傳感器沒有檢測到物體，則電機(jī)重新運(yùn)行，高速計(jì)數(shù)器也重新計(jì)數(shù)，繼續(xù)運(yùn)行到下一位置。 如果只對材料的某一特性進(jìn)行分揀，比如只分揀金屬和非金屬，則只需對傳感器的安放或程序進(jìn)行修改即可。263.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)根據(jù)所繪流程圖，在 STEP7-Micro/WIN40 軟件中編寫梯形圖程序。程序清單見附錄。此指令為高速脈沖輸
31、出指令，當(dāng)使能端輸入有效時(shí)，檢測用程序設(shè)置的特殊功能寄存器位，激活由控制位定義得脈沖操作，從 Q0.0 或 Q0.1 輸出高速脈沖此指令為高速計(jì)數(shù)器定義指令，使能輸入有效時(shí)，為指定的高速計(jì)數(shù)器分配一種工作模式。高速計(jì)數(shù)是用來累計(jì)比 PLC 掃描頻率更高的脈沖輸入27此指令為高速計(jì)數(shù)器指令，使能輸入有效時(shí)，根據(jù)高速計(jì)數(shù)器特殊存儲(chǔ)器位的狀態(tài)，并按照 HDEF 指令指定的模式，設(shè)置高速計(jì)數(shù)器并控制其工作。下面對所編寫梯形圖作簡要的介紹：（1）以上為主程序，首先 I2.0 啟動(dòng)后，M0.1 得電并自鎖，為之后28電動(dòng)機(jī)得電做好準(zhǔn)備，I2.1 為停止按鈕。當(dāng) PLC 處于 RUN 模式時(shí)，SM0.1通電
32、一個(gè)周期，Q0.0 復(fù)位清零，并調(diào)用子程序。（2）以上為子程序中的高速脈沖指令，該程序先將控制脈沖指令的特殊功能寄存器進(jìn)行初始化，然后當(dāng) I0.0（下料傳感器）檢測到有料時(shí)，啟動(dòng) PLS（脈沖輸出）指令；如果 I0.0 檢測沒有物料時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器T30，延時(shí) 30 秒自動(dòng)停機(jī)。29（3）以上為子程序中的高速計(jì)數(shù)指令，首先進(jìn)行高速計(jì)數(shù)指令的初30始化操作，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)光電碼盤發(fā)出脈沖，并輸入 PLC 的接收端，由高速計(jì)數(shù)指令進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的步數(shù)，進(jìn)行定位控制。其中設(shè)定預(yù)置值為 50，當(dāng)計(jì)數(shù)至 50 時(shí)，調(diào)用中斷程序。31（4）以上為中斷程序，當(dāng)高速計(jì)數(shù)指令計(jì)數(shù)至預(yù)置值時(shí)，這時(shí)物
33、料移動(dòng)至傳感器的位置，M0.0 得電，導(dǎo)致高速脈沖輸出停止，步進(jìn)電機(jī)停32轉(zhuǎn)。由于汽缸動(dòng)作需要 1 秒，讓電機(jī)停轉(zhuǎn)一秒后繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)物料被相應(yīng)的傳感器檢測中后，相應(yīng)的汽缸動(dòng)作，將物料推下。I1.3，I1.4，I1.5，I1.6，I1.7 為汽缸的回位限位開關(guān)，初始狀態(tài)為閉合，I0.6，I0.7，I1.0，I1.1，I1.2 為汽缸的動(dòng)作限位開關(guān)，初始狀態(tài)為關(guān)斷。汽缸動(dòng)作時(shí)， ，回位限位開關(guān)關(guān)斷，到達(dá)動(dòng)作限位開關(guān)時(shí)，動(dòng)作限位開關(guān)閉合。33第四章 控制系統(tǒng)的調(diào)試在 PLC 軟硬件設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)進(jìn)行調(diào)試工作。因?yàn)樵诔绦蛟O(shè)計(jì)過程中，難免會(huì)有疏漏的地方，因此在將 PLC 連接到現(xiàn)場設(shè)備之前，必需進(jìn)行軟件
34、測試，以排除程序中的錯(cuò)誤，同時(shí)也為整體調(diào)試打好基礎(chǔ)，縮短整體調(diào)試的周期。另外，一些硬件如傳感器等，在使用前，也需事先調(diào)試好。4.1 硬件調(diào)試1電感傳感器的調(diào)試在電感傳感器下方的傳送帶上，放置鐵質(zhì)料塊，調(diào)整傳感器上兩螺母，使傳感器上下移動(dòng)，恰好使傳感器上端指示燈發(fā)光，該高度即為傳感器對鐵質(zhì)材料的檢出點(diǎn)。2電容傳感器的調(diào)試在電容傳感器下方的傳送帶上，放置鋁質(zhì)料塊，調(diào)整傳感器上兩螺母，使傳感器上下移動(dòng)，恰好使傳感器上端指示燈發(fā)光，該高度即為傳感器對鋁質(zhì)材料的檢出點(diǎn)。3顏色傳感器的調(diào)試通電狀態(tài)下，在顏色傳感器下方的傳送帶上，放置帶有某一顏色料塊，調(diào)節(jié)傳感器上的電位器，觀察窗口中紅綠（或藍(lán)）指示燈，當(dāng)兩
35、燈恰同時(shí)發(fā)光時(shí)，該靈敏點(diǎn)即為料塊顏色檢出點(diǎn)。344.2 軟件調(diào)試將所編寫的梯形圖程序進(jìn)行編譯，通過上下位機(jī)的連接電纜把程序下載到 PLC 中。剛編好的程序難免有這樣那樣的缺陷或錯(cuò)誤。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除程序中的錯(cuò)誤，減少系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試的工作量，確保系統(tǒng)在各種正常和異常情況時(shí)都能作出正確的響應(yīng)，需要進(jìn)行離線測試，既不將 PLC 的輸出接到設(shè)備上。按照控制要求在指定輸入端輸入信號，觀察輸出指示燈的狀態(tài)，若輸出不符合要求，則查找原因，并排除之。 354.3 整體調(diào)試將設(shè)備接入 PLC，進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，看是否滿足要求，如果不滿足要求，可通過綜合調(diào)整軟件和硬件系統(tǒng)，直到滿足要求為止。36結(jié) 論物料分揀采用可編
36、程控制器 PLC 進(jìn)行控制，能連續(xù)、大批量地分揀貨物，分揀誤差率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，可顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。而且，分揀系統(tǒng)能靈活地與其他物流設(shè)備無縫連接，實(shí)現(xiàn)對物料實(shí)物流、物料信息流的分配和管理。 其設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的組裝，具有系統(tǒng)布局靈活，維護(hù)、檢修方便等特點(diǎn)，受場地原因影響不大。 同時(shí)，只要根據(jù)不同的分揀對象，對本系統(tǒng)稍加修改即可實(shí)現(xiàn)求。本系統(tǒng)采用的可編程控制器，只要結(jié)合不同的傳感器，比如根據(jù)材料的屬性、尺寸的大小、物體的顏色等選擇相應(yīng)的傳感器，就可對不同的物料進(jìn)行分揀，具有廣泛的應(yīng)用前景。37參考文獻(xiàn)1 孫平 可編程控制器原理及應(yīng)用 北京高等教育出版社 1999 年2 張桂香 電氣
37、控制與 PLC 應(yīng)用 化學(xué)工業(yè)出版社 2006 年3 張運(yùn)波 工廠電氣控制技術(shù) 化學(xué)工業(yè)出版社 2001 年4 余雷聲 電氣控制與 PLC 應(yīng)用 化學(xué)工業(yè)出版社 2001 年5 王兆義 小型可編程控制器實(shí)用技術(shù) 化學(xué)工業(yè)出版社 2002 年6 張澤榮 可編程控制器原理及應(yīng)用 化學(xué)工業(yè)出版社 2002年7 李景學(xué) 可編程序控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方法 化學(xué)工業(yè)出版社 2001 年8 田瑞庭 可編程控制器應(yīng)用技術(shù) 化學(xué)工業(yè)出版社 1994年38附 錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序清單/I2.0 啟動(dòng)，I2.1 停止3940414243致 謝本論文是在老師的悉心指導(dǎo)下完成的，論文從選題到寫作及最后的成稿，老師都給予了精心
38、的指導(dǎo)和極大的幫助。在此謹(jǐn)向尊敬的導(dǎo)師致以由衷的感謝和崇高的敬意！畢業(yè)論文的這個(gè)機(jī)會(huì)，好好地總結(jié)一下我在學(xué)校所學(xué)的各門課程，將它們分化理解，合理分類，融會(huì)貫通。也不愧三年來老師含辛茹苦的授課和課下的諄諄教導(dǎo)，以及同學(xué)間的團(tuán)結(jié)互助。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，老師給予我們許多幫助，同時(shí)也為我們指明了方向。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我們把以前所學(xué)都綜合起來，感覺自己的水平提高很多。我們了解到了做一個(gè)系統(tǒng)的基本常識(shí)，為我們以后從事技術(shù)工作打下良好的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)的過程中遇到許多困難，在老師的幫助下，通過查資料，把困難都一一克服。另外我們在設(shè)計(jì)的過程中還得到許多同學(xué)的幫助，對于良師益友的幫助，我深表感謝。同時(shí)也感謝學(xué)校提供給我們一次提高的機(jī)會(huì)，我在此深表感謝。父母十幾年寒心茹苦將我撫養(yǎng)成人，并以堅(jiān)定的意志負(fù)擔(dān)起我求學(xué)的重?fù)?dān)，使我能安心學(xué)業(yè)，順利完成大學(xué)學(xué)習(xí)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)兒時(shí)的夢想。還有我的兄長們在我成長期間一如既往地給我極大的關(guān)心與鼓舞，在此真誠感謝他們！最后，再次向所有幫助過我，激勵(lì)過我，關(guān)心過我的人，致以最誠摯的謝意和最美好的祝福！
基于plc的物料傳輸分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)
