材料分拣装置的PLC控制系统设计.doc

电气工程系毕业设计论文题 目材料分拣装置的PLC控制系统设计专业名称电气自动化专业学生姓名张建军指导教师屈保中毕业时间2011年7月摘要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。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。ABSTRACTPLC control is the most commonly used industrial automation control method, because of its convenient control to withstand an adverse environment, it is better than MCU control in the industrial. PLC traditional relay control technology, computer and communication technologies are integrated specifically for industrial control and design, have strong function, common flexible, high reliability and environmental adaptability, and programming simple, easy to use and small size, light weight, a series of low-power advantages in industrial applications become more extensive.This paper focuses on the PLC in the canned beverage production. The design of an automatic sorting device with low cost and high efficiency is presented in the paper, which regards programmable logic controller (PLC) as the master controller and combines pneumatic device, sensing technology, position control and other technology to implement automatic selecting of the products live. The device is characteristic of high automation, steady running, high precision and easy control, which can fulfill the requirement according to different situations with little modifications.Key words: programmable logic controller, sorting device, control system, sensors.目 录摘 要I第1章 绪论1 1.1设计的目的和意义11.2设计项目发展情况简介21.2.1自动分拣系统21.2.2 PLC国内外状况.31.2.3 PLC未来展望.51.3设计原理且规模介绍51.3.1实现预期目的的可行性分析.51.3.2 PLC的优点.61.3.3具体控制过程.6第2章 材料分拣装置结构及整体设计82.1 材料分拣装置工作过程概述82.2系统的技术指标92.3系统的设计要求92.3.1系统的功能要求92.3.2系统的控制要求.10第3章 控制系统的硬件设计113.1系统的硬件结构113.2系统关键技术113.2.1确定I/O点数123.2.2 PLC的选择.123.2.3 PLC输入输出端子分配.123.2.4 PLC输入输出接线端子图.133.3检测原件与执行装置的选择143.3.1旋转编码器143.3.2电感传感器.153.3.3电容传感器.173.3.4颜色传感器.183.3.5光电传感器.203.3.6步进电机.20第4章 控制系统的软件设计224.1控制系统流程图设计224.2控制系统程序设计234.2.1指令简介234.2.2梯形图简单介绍.24第5章 控制系统的调试295.1控制系统的硬件调试295.1.1电感传感器的调试.295.1.2电容传感器的调试.295.1.3颜色传感器的调试.295.2控制系统的软件调试.295.3整体调试.30第6章 结论.31致 谢32参考文献33毕业设计小结34附 录35III 第1章 绪 论1.1设计的目的和意义随着社会的不断进步, 市场竞争的日趋激烈, 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。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、输送装置进行相应的作业。分类装置的作用是根据控制装置发出的分拣指令，当具有相同分拣信号的商品经过该装置时，该装置动作，使其改变输送装置上的运行方向进入其它输送机或进入分拣道口。输送装置的主要组成部分是传送带或输送机，其主要作用是使待分拣商品鱼贯通过控制装置、分类装置，并沿固定线路运送商品。分拣道口是已分拣商品脱离主输送机(或主传送带)进入集货区域的通道。可编程序控制器是现代化工业生产的三大支柱之一，具有极为广泛的应用范围。目前，市场上销售的设备提供的实验能力较弱，同时还存在安全隐患，一方面危及人身安全，另一方面还危及设备安全。因此，拟设计开发一种实验平台，使其能够最大限度地提高设备利用率，改善实验效果，提高实验层次。用可编程控制器实现材料分选装置的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地对金属材料与非金属的分拣及其颜色的分选。分析了现代工厂在材料分选在控制与管理的现状，结合工厂的实际情况阐述了材料分选控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的工厂材料分拣装置控制系统的PLC设计方案。可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。如何利用当今计算机与自动控制技术，有效地进行材料分选，提高工厂的生产效率是值得我们研究的新课题。1.2设计项目发展情况简介1.2.1 自动分拣系统自动分拣系统（Automated Sorting System)是二次大战后率先在美国、日本的物流中心中广泛采用一种自动化作业系统，该系统目前已经成为发达国家大中型物流中心不可缺少的一部分。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应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，当供应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。到目前为止分拣技术发展有如下几种：（1）用电子标签代替纸质订单，操作人员按照电子标签提示的品牌规格和数量，从货架上去处货物，放入流动的周转箱框内，输送出去；或者放在固定的输送装置上，再输送到分装工序进行分装。此种方法较传统方法有较大进步，操作人员不再需要记忆订单上的品牌规格和数量，只是机械的按照电子标签上的提示进行分拣作业，效率得以提高，差错率降低。但分拣全靠人工操作，分拣效率低，劳动强度大，差错率较高，而且出现差错时，查找原因纠正错误困难。(2)采用塔式或其他分拣机构，代替电子标签法的人工分拣。与电子标签法相比，提高了分拣效率，减小了差错率，见底了操作人员的劳动强度，但这类分拣机构存在如下缺点：a)分拣装置均设有储货仓道的存储货物是有限的，受结构限制，有的仓道最多只有30个货物；均需人工向储货仓道及时补货；b)人工需时间看仓道内货物数量的减少或者监视计算机屏幕的显示，又要向数个仓道及时补货，劳动强度大，免不了手忙脚乱，可能会出现差错。由于手工进行补货操作，一旦出现差错时，查找原因纠正错误困难。C)对于在仓道内依靠货物重力作用自动补偿到分拣位置的垂直仓道，由于仓道内的货物数量变化，也就是重力的变化，必然给分拣部件造成分拣难度，容易出现设备故障。3）采用通道式分拣系统或PLC的分拣系统，与前述两种方法相比，自动化程度高，处理量大。1.2.2 PLC的国内外状况在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable ,是世界上公认的第一台PLC.限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国对PLC的研制和应用起步比较晚，但是发展速度很快，如宝钢一期工程整个生产线上就使用了数百台PLC，二期工程使用的PLC数量更多。据有关资料介绍，东风汽车公司装备系统已顺利完成对老设备的更新改造，全面采用PLC，病取得了明显的经济效益。广州第二电梯厂已把PLC成功的应用于技术要求复杂的高层电梯控制上。我国对PLC技术的研究和应用与美、日、德、法等工业发达国家相比还有较大差距，但潜在市场广阔。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。目前，PLC技术已被广泛应用于石油、化工冶金、轻工、机械、电力等各行业，以实现逻辑、步进、数字、机器人、模拟量等的自动控制。继美国以后，日本、德国、法国等工业发达国家也相继研制出自己的PLC，并发展了各自的PLC技术。目前，世界上众多的PLC制造厂家中比较著名的大公司有美国的AB公司、哥德公司、德州仪器公司、通用电气公司、德国西门子公司、日本三菱、东芝、富士和立石公司等。另外，仅在美国登记的PLC公司就有80多家，产品达300多种。PLC正以无比可拟强大优势逐渐取代传统的继电接触控制系统成为工业控制领域中占主导地位的基础自动化设备。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。1.2.3 PLC未来展望21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。PLC在材料分拣过程中有许多优点比如自动化程度高，可控性好，具有较强的抗干扰能力；其商业价值体现在（1）提高了效益节省了人力和资金支出（2）采用PLC 控制技术，因此大幅度减少了因人工操作失误而引起的错取等事故（3）大幅度提高了工效。1.3设计原理及规模介绍利用PLC设计材料分拣装置的控制系统 ，采用自动控制方式。完成基于PLC的材料分拣装置的控制系统设计。1.3.1实现预期目的的可行性分析 本设计是一个开环系统，主要涉及到材料性质的识别与材料颜色的分辨。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。1.3.2 PLC的优点 可靠性高、抗干扰能力强；编程简单、易于掌握；PLC采用梯形图式编写程序，与继电器控制逻辑的设计相似，具有直观、简单、容易掌握等优点；功能完善、灵活方便；体积小、质量轻、功耗低。由于采用了单片机等集成芯片，其体积小、质量轻、结构紧凑、功耗低。单片机的特点是：价格便宜功能强大；自带完善的外围接口，可直接连接各种外设，有强大的模拟量和数据处理能力。体积小，功耗低可用于电池供电的便携式产品。有高级语言支持，编程效率高，可移植性好。但存在编程方法复杂，不容易上手。抗干扰能力差等缺点。从以上分析中可得应用PLC与单片机都往那成上述实验但因为本实验是用于工业过程控制，需要较强的抗干扰能力所以采用PLC来设计本实验。本课题组针对料库的尺寸、存储货物的种类等要求所设计的材料分拣系统需要实现对铁、铝、不同颜色塑料的自动分拣。1.3.3具体控制过程 （1）接通电源，按下启动开关，传送带开始运行；（2）系统启动后，下料传感器（光电传感装置）检测到料槽有料，出料气缸开始动作，将待测物体推到传送带上，待测物体开始在传送带上运行；（3）当铁检测传感器检测到铁材料时，铁出料气缸动作将待测物体推下；（4）当铝检测传感器检测到铝材料时，铝出料气缸动作将待测物体推下；（5）当颜色检测传感器检测到非金属材料为黄色时，颜色出料气缸动作将待测物体推下；（6）剩余非金属材料（蓝色塑料块）被送到最后一个出料气缸位置时，气缸动作将待测物体推下；（7）竖井式下料槽无待下料时，传送带须继续运行一个行程后自动停机。本分拣装置为工业现场生产设备，采用台式结构，内置电源，有竖井式产品输入料槽，滑板式产品输出料槽，转接板上还设计了可与PLC 连接的转接口。同时，输送带作为传动机构，采用步进电机驱动，对不同材质敏感的三种传感器分别固定在网孔板上。整个控制系统由气动部件和电气部件两大部分组成。气动部分由减压阀、气压指示表、气缸等部件组成；电气部分由PLC、电感传感器、电容传感器、颜色传感器、光电传感器、旋转编码器、单相交流电机、开关电源、电磁阀等部件组成。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。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。第2章 材料分拣装置结构及总体设计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。 2.1 材料分拣装置工作过程概述如图2-1所示为本分拣装置的结构示意图图2-1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，若无物料，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，反馈信号送至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，反馈信号送至PLC, PLC控制气动阀2动作选出该物料；物料传感器SC为颜色传感器，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。2.2 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小于0.85MPa2.3 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。2.3.1系统的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2.3.2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； (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。第3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。3.1系统的硬件结构设计系统的硬件结构框图，如图3-1所示。图3-l系统的硬件结构框图3.2 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。3.2.1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。3.2.2 PLC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。3.2.3 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l所示西门子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）判断铁材料I0.3SB（电容传感器）判断铝材料I0.4SC（颜色传感器）判断颜色I0.5SD（备用传感器）分拣颜色材料I0.6SFW1（推气缸1动作限位）推气缸1动作I0.7SFW2（推气缸2动作限位）推气缸2动作I1.0SFW3（推气缸3动作限位）推气缸3动作I1.1SFW4（推气缸4动作限位）推气缸4动作I1.2SFW5（下料气缸动作限位）下料气缸动作I1.3SBW1（推气缸1回位限位）推气缸1回位I1.4SBW2（推气缸2回位限位）推气缸2回位I1.5SBW3（推气缸3回位限位）推气缸3回位I1.6SBW4（推气缸4回位限位）推气缸4回位I1.7SBW5（下料气缸回位限位）下料气缸回位I2.0SB1（启动）启动I2.1SB2（停止）停止输出部分Q0.0M（输送带电机驱动器）输送带电机驱动器Q0.1YV1（推气缸1电池阀）推气缸1电池阀Q0.2YV2（推气缸2电池阀）推气缸2电池阀Q0.3YV3（推气缸3电池阀）推气缸3电池阀Q0.4YV4（推气缸4电池阀）推气缸4电池阀Q0.5YV5（下料气缸电池阀）下料气缸电池阀表1材料分拣装置PLC输入/输出端子分配表3.2.4 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3-2所示.。图3-2 材料分拣装置PLC输入/输出接线端子图3.3检测元件与执行装置的选择主要是对旋转编码器和各个传感器的选择，并对其作简要介绍。3.3.1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3-3所示。图3-3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。3.3.2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3-4,图3-4 M18X1X40 DC二线常开式电感传感器接线图原理图如图3-5图3-5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：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的附加误差。3.3.3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E2KXSME1电容传感器，接线图可参考图3-5,原理图如图3-6。图3-6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15m数量级；而有一种电容测微仪，他的分辨率为 0.01m，比前者提高了两个数量级，最大量程为1005m，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：（l）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1/10000000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。3.3.4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3-7所示。图3-7 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、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3.3.5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3-8所示，其中负载可接至PLC。图3-8 FPG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，其品种及产量日益增加，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、国防科技等方而的应用都非常广泛。3.3.6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。步进电机选用的型号为42BYGH101。第4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。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。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。4.2 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。4.2.1指令简介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。4.2.2梯形图简单介绍下面对所编写程序梯形图作简要介绍：（1）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）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）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）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5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。5.1 硬件调试5.1.1 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。 5.1.2 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