基于PLC的材料分拣模型控制系统设计

1基于 PLC 的材料分拣模型控制系统设计摘 要：随着科学技术的飞速发展，现代工业控制系统越来越复杂，传统控制科学面临着新的挑战。PLC 以其体积小、功能齐全、价格低廉和可靠性高等方面具有独特的优点，在各个领域获得了广泛应用。PLC 的使用大大提高了控制系统的可靠性和自控程度，为企业提供了更可靠的生产保障。如何在 PLC 自动控制领域充分发挥 PLC 的优势，是目前自动控制学科的重要课题之一。本课题正是在这样的背景下，围绕基于 PLC 的材料分拣装置设计展开研究。设计首先叙述了PLC 的材料分拣装置的发展背景、现状和发展方向。然后说明了 PLC 自动分拣控制系统工作原理，以及 PLC 自动分拣控制系统的硬件设计与软件设计。关键词：可编程控制器；材料分拣；自动控制；传感器2Design of Control System for Material Sorting Model Based on PLCAbstract:With the rapid development of science and technology, modern industrial control systems become more complicated, the traditional control of science is facing new challenges. PLC with its small size, full-featured, low cost and high reliability has unique advantages, in various fields has been applied widely. The use of PLC control system greatly improved the reliability and automation level, providing a more reliable production and protection. How to give full play to PLC automatic control advantages, is an important subject in one of the automatic control. This topic is in this context, the surrounding material sorting device based on PLC design of a study. Paper first describes the material sorting device PLC backs the development, current status and future directions. Then, show the work of PLC control system for automatic sorting principle and The design of the hardware and software design in PLC control system. Key words: programmable controller; material sorting; automatic control; sensor31 前言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，可分为人工分拣、机械分拣和自动分拣。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。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。随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制几乎扩展到所有工业领域。现代社会要求制造业对市场要求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的看着系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）正是顺应着一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。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。2 材料分拣装置结构及总体设计原理2.1 材料分拣装置工作过程概述如图1所示为本分拣装置的结构示意图。4图1 材料分拣装置结构示意图Fig 1 Material sorting device structure diagram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 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。系统的技术指标输入电压：AC200240V（带保护地三芯插座）消耗功率：250W5环境温度范围：-540气源：大于0.2MPa切小于0.85Mpa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。功能要求材料分拣装置应实现基本功能如下 (物料重量均为0.1kg,空心立方体,体积75cm 3)（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2.2 材料分拣装置系统工作原理本文所设计的 PLC 材料分拣系统采用推块式分拣机的台式结构，有竖井式材料输入料槽，滑板式产品输出料槽口。同时，输送带作为传动结构，为了方便较快速度的启动和停止，用异步交流电机驱动；对不同材质的三种传感器分别固定在网孔板上；为了保证整个系统的安全性又加了一个光电传感器。整个控制系统有气动部件、电气6部件和硬件三大部分组成。气动部分由空气压缩机、气缸、气瓶、气压指示表、分水过滤器、冷却器、减压阀、配气器、等部件组成；电气部分由 PLC、铁检测传感器、铝检测传感器、颜色检测传感器、光电传感器、异步交流电机、开关、电源等部件组成；硬件部分由传送带异步电动机、传送带、底座、支架等组成。材料分捡系统工作原理示意图如图 2 所示。1气瓶 2PLC 3料槽 4电源 5电机 6料槽传感器 7料仓气缸 8皮带 9仓库 10气缸 11传感器图 2 材料分捡系统工作原理示意图Fig 2 Material sorting system schematic diagram其工作过程是开启电源，气动系统开始工作，系统进入自检状态。下料传感器检测下料槽内是否有物料，若没有物料，延时后自动等待上料；当下料槽内有物料时，系统自动运行。首先，下料传感器发送信号给 PLC，PLC 传送信号给下料气缸。经过一定时间，下料汽缸将物料推至传送带。当物料在传送带传送时，PLC 计数器开始计数，电机开始运行。当传感器检测到物料为铁金属时，发出反馈信号给 PLC，由 PLC控制气缸一动作，将物料推到料仓。当气缸电磁阀运行到后限位开关时，电磁阀复位，回到原状态。同理，可通过相应传感器分拣相应的物料。系统的结构图如图 3 所示。12 345678910117下料传感器PLC铁检测传感器铝检测传感器光电检测传感器输送带和下料气缸铁出料气缸其他出料气缸塑料出料气缸铝出料气缸空气压缩机颜色料传感器图 3 系统结构图Fig 3 System structure diagram3 PLC 材料分拣系统的硬件设计3.1 系统的硬件配置系统由气动部件、电气部件和硬件三大部分组成。系统的硬件配置如表 1。表 1 系统硬件配置Table 1 System hardware configurationPLC 1 台 底座 1 个启动开关 1 个 光电传感器 2 个铁传感器 1 个 电机 2 个铝传感器 1 个 气缸 5 个颜色传感器 1 个 限位开关 10 个气瓶 1 个 皮带 1 条电源 1 个 气压传动装置 1 套3.2 系统的运行方式系统是全自动的运行方式。在系统开始工作前需要人工合上刀闸开关，然后手动启动系统的电源开关。系统开始运行，进入自检状态，当有物料进入料槽时，系统开始自动运行；当料槽中没有物料时，系统进入自检状态，等待物料再次进入料槽，然8后自动运行。系统需要停止工作时，需要人工切断系统电源，然后再切断主电源。自动运行方式是由一台可编程序控制器（PLC）来控制整个系统自动运行，系统根据传感器传出的信号执行事先编译好程序 3。系统主电路图和结构图如图 4 所示。在图 4 中，M1 为传送带提供动力的异步电动机，M2 为空气压缩机。FU1 为主电路的熔断器，起短路保护的作用。当电路发生短路时，通过熔体的电流使其发热，当达到熔化温度时自行熔断，从而分段电路。接触器 KM1 控制电动机 M1 的运行。当接触器收到 PLC 为 1 的信号时，接触器闭合，电动机就可以启动运行。FR1、FR2 分别为电机过载保护用的热继电器，电动机一旦出现长时间过载自动切断电路。并能购随过载程度而改变动作时间的继电器，充分发挥了电动机的过载能力，保证电动机的正常启动和运转。图 4 系统主电路图Fig 4 System main circuit diagram3.3 PLC 选型3.3.1 PLC 与传统继电器的区别最初研制生产 PLC 主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：（1）当 PLC 运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作 4。但 CPU 不可能同时去执行过个操作，它只能按分时操作方L1L3L2 QFR1 FR2KM1M13 M23NFU19式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。由于 CPU 的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC 外部出现的结构似乎是同时完成的。这种串行工作过程称为 PLC的扫描工作方式。用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从第一步开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，周而复始重复运行。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。 （2）PLC 的优点： 可靠性高，抗干扰能力强；控制系统结构简单，通用性强；配套齐全，功能完善，适用性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造；设计、施工、调试的周期短。3.3.2 PLC 设计选型的一般原则1、选择自己熟悉的机种和机型：同样的控制设备的设计，可以用任何同样级别的 PLC 来完成。如果选用你不熟悉的 PLC，你就必须从头熟悉它，虽然不费太多的事，但毕竟没有用你熟悉的机型来的快。 2、不要大材小用：什么样的规模设计任务就选用什么样规模的 PLC，避免造成太多的硬件资源的浪费。3、具体的控制对象，具体选择：根据不同的设计任务，来选择 PLC 的机型。4、选用易采购的机型：有的产品经销商较少，不容易采购或进行比较，有的产品经销商很多，容易采购和比较，你就可以选用信誉好、价格优惠、技术上能够给与支持的公司。5、经常了解 PLC 产品的发展动态：PLC 产品更新换代很快，你熟悉的机型也许过几年就见不着了，所以，你最好在设计选型之前，先了解一下市场情况。目前在国内市场上有从美国、德国、日本等国引进的多种系列 PLC，国内也有许多厂家组装、开发数十种 PLC，故 PLC 系列标准不一，功能参差不齐，价格悬殊。在此情况下，PLC 的选择应着重考虑 PLC 的性能价格比，选择可靠性高，功能相当，负载能力合适，经济实惠的 PLC。本文介绍以 PLC 的材料分拣装置系统输入、输出点数的要求，选择为三菱公司的 FX2N 系列的 FX2N-32MR-001。PLC 种类较多，主要有西门子、三菱、OMRON、FANAC、东芝等，但能配套生产，大、中、小、微型均有配套且目前用得最广泛的的主要是西门子、三菱、OMRON的 PLC。根据系统中的控制要求 PLC 点数：实际输入点 15 点，实际输出点 8 点，综合对比三菱 FX 系列（包括 FX0S、FX1S 、FX0N、FX1N、FX2N 等） 、西门子系列、10OMRON 系列中 I/O 点数为 32 点各型号的 PLC 的价格、性能、实用场合等各方面，本系统可选择 PLC 型号为：FX2N 32MR，合计总数 32 点16 点输入，DC24V，最大电流 2A，16 点继电器输出；尺寸（mm）：2208790，其性能、价格都优于其他PLC。FX2N 系列是 FX 系列 PLC 家族中最先进的系列，它能最大范围地包容了标准特点，程式执行更快，全面补充通讯功能，适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化控制应用提供最大的灵活性和控制能力。FX2N 系列是 FX 系列 PLC 家族中最先进的系列。由于 FX2N 系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。该型号 PLC 有 16 个输入节点，16 个输出节点，能够满足系统要求并留有一定的余量。3.4 铁传感器的选型霍尔接近开关来检测材料是否是磁性铁金属。霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关 5。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有无磁性物体存在，进而控制开关的通或断。本系统中，当材料是铁时传感器开关闭合，产生电流驱动线圈。霍尔接近开关的工作原理见图 5。因此，本系统中检测铁物料选用霍尔传感器为 2AV 系列。图 5 霍尔接近开关的工作原理图+15V R1 RfU0V1 R2V2R3-15V R4412311Fig 5 Holzer close to the switch working principle diagram3.5 铝传感器的选型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。当通过金属体的磁通过变化时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流 6。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。电涡流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。如图 6 所示，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流 I1 时，线圈周围就产生一个交变磁场 H1。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流 I2，电涡流也将产生一个新磁场 H2，H2 与 H1 方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。图 6 电涡流传感器原理图Fig 6 Eddy current sensor principle diagram我们可以把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环，这样就可得到如图 7的等效电路。图中 R1、L1 为传感器线圈的电阻和电感。短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为 R2、电感为 L2。线圈与导体间存在一个互感 M，它随线圈与导体间距的减小而增大，随线圈与导体间距的增大而减小。当铝检测传感器检测到金属材料时，传感器的线圈阻抗就会发生变化。H1H2 HI1I2线圈被 测导 体12图 7 电涡流传感器等效电路图Fig 7 Equivalent circuit of eddy current sensor利用这一性质可以把铝传感器和继电器如图 8 连接，实现开关功能。所以本系统铝传感器选用电涡流传感器为 ST 系列。图 8 铝传感器开关原理图Fig 8 Aluminum sensor switch principle diagram3.6 颜色传感器的选型目前，用于颜色识别的传感器有两种基本类型：色标传感器，它使用一个白炽灯光源或单色 LED 光源； RGB（红绿蓝）颜色传感器，它检测物体的对三基色的反射比率，从而鉴别物体颜色。这类装置许多是温反射型、光束型、光纤型的，封装在各种金属和聚碳酸脂外壳中。典型的输出有：NPN 和 PNP、继电器和模拟输出。我们所看到的物体颜色，实际上是物体表面吸收了照射到它上面，白光(日光)中的一部分有色成分之后，反射出的另一部分有色光在人眼中的反应 7。白色是由各种频率的可见光混合在一起构成的，也就是说白光中包含着各种颜色的色光(如红、黄、绿、青、蓝、紫)。根据三原色理论可知，各种颜色是由不同比例的三原色(红、绿、蓝)混合而成的。如果知道构成各种颜色的三原色的值，就能够知道所测试物体的颜色。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R2 11 2AD20V电 源 继 电 器R1 R2ML1 L2 I2I1U113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9所示图9 TCS230颜色传感器Fig 9 TCS230 color sensorRGB 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%)，14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Table 2 S0, S1and S2, S3 combination optionS0 S1 输出频率定标 S2 S3 滤波器类型L L 关断电源 L L 红色L H 20% L H 蓝色H L 20% H L 无H H 100% H H 绿色3.7 光电传感器的选型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 10 所示，其中负载可接至 PLC。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、国防科技等方面的应用都非常广泛。 15图 10 FPG 光电传感器原理图Fig 10 FPG photoelectric sensor diagram3.8 气压传动装置选型3.8.1 气源装置气源装置是为气动系统提供具有一定压力和足够流量、满足一定净化程度的压缩空气的能源装置,它是气动系统的重要组成部分 8。气源装置包括气压产生、压缩空气净化与储存、压力稳定和传输管道等装置，这些设备一般布置于压缩空气站内，作为整个工厂或车间的同一气源，气源装置结构见图 11。图 11 中，电动机带动空气压缩机旋转，经吸气口的空气过滤器将大气中的空气吸入 9。冷却器将压缩空气降温冷却，使高温汽化的水、油凝结分离。油水分离器将冷凝出来的水滴、油滴、杂质等分离并排出系统。储气罐用以压缩空气、稳定压缩空气的压力，并除去其中的部分油、水等杂质，储气罐输出的压缩空气可用于不同空气质量要求的气动系统。图 11 气源装置结构图Fig 11 The air source device structure空 气 压 缩 机 冷 却 剂 油 水 分 离 器 储 气 罐气 压 表出气口163.8.2 气压发生装置气压发生装置包括正压发生装置和负压发生装置，正压发生装置为空气压缩机。这也正是本系统所使用的气压发生装置。空气压缩机属于正压发生装置，它是将机械能转换成气体压力的能量转换装置，提供高于大气压力的气压。排气压力低于 0.2MPa 的一般称为风机（低于 0.015MPa 的称为通风机，0.0150.2MPa 的称为鼓风机） ，它们用于通风系统。排气压力高于0.2MPa 的习惯上成为压缩机，气动系统中通常采用压缩机提供气源。气动系统中多数气动元件都是在高于大气压力下工作的，用这些元件组成的启动系统称为正压系统。下面介绍常用的活塞式空气压缩机的工作原理：气压传动系统中最常用的是往复活塞式空气压缩机，其工作原理如图 12 所示，当电动机带动曲柄 7 旋转时，通过连杆 6、滑块 5 和活塞 4 的传递转换，使活塞 3 在气缸 2 内作往复运动。当活塞向右移动时，缸内左腔密封容积逐渐增大，使其中的气压低于大气压，吸气阀 8 被外界大气压力顶开，空气在大气压力作用下进入气缸内，形成吸气过程；当活塞向左移动时，缸内左腔密封容积逐渐减小，空气受压使气压升高，将吸气阀关闭，形成压缩过程；当缸内压缩空气压力升至高于输气管路中压力时，排气阀 1 顶开，压缩空气排入输气管路，形成排气过程。活塞式空气压缩机的优点是结构简单，使用寿命长，容易实现大流量和高压输出；缺点是振动大、噪声大，输出流量、压力有脉动，需使用储气罐稳压。1排气阀； 2气缸； 3活塞； 4活塞；5滑块； 6连杆； 7曲柄； 8吸气阀； 9弹簧图 12 活塞式空气压缩机工作原理Fig 12 Piston type air compressor working principlePa 12 34 5 6789Pa173.8.3 冷却器冷却器安装在空气压缩机出口的管道上，将空气压缩机排出的温度高达 120150的气体冷却到 4050，从而使其中的水蒸气和被高温氧化的油雾冷凝成水滴和油滴而析出，进而初步分离，以便对压缩空气实施进一步净化处理。因冷却介质为水，它的冷却效率高，常用于中型和大型压缩机。在工作时，一般是水在管内流动，空气在管间流动。管内流动的冷却水多为单程或双程流动，管间空气可以自由流动。压缩空气在冷却过程中生成的冷凝水可通过排水器排出。在冷却器上应安装温度计以监测工作情况。3.8.4 储气罐储气罐的主要作用是：储存一定数量的压缩空气，以备发生故障或临时需要应急使用；消除由于空气压缩机断续排气而对系统引起的压力脉动，保证输出气流的连续性和平稳性。进一步分离压缩空气中的油、水等杂质。3.8.5 气动控制装置气动系统不同于液压系统，一般每一个液压系统都自带液压源（液压泵） ；而在气动系统中，一般来说由空气压缩机先将空气压缩，储存在贮气罐内，然后经管路输送给各个气动装置使用。 有些气动回路需要依靠回路中压力的变化来实现控制两个执行元件的顺序动作，所用的这种阀就是顺序阀。顺序阀与单向阀的组合称为单向顺序阀。所有的气动回路或贮气罐为了安全起见，当压力超过允许压力值时，需要实现自动向外排气，这种压力控制阀叫安全阀。3.9 限位开关的选型限位开关又称行程开关或位置开关。它是一种根据运动部件的行程位置而切换电路工作状态的控制电器。行程开关的动作原理与控制按钮相似，在机床设备中，事先将行程开关根据工艺要求安装在一定的行程位置上。部件在运行中，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，使行程开关的触点动作而实现电路的切换，达到控制运动部件行程位置的目的。直动式行程开关的机构原理与复式按钮相似。机床撞块压下推杆时，其常闭触头分开，而常开触头闭合；当撞块离开推杆时，触头在弹簧力作用下恢复原来状态。这种行程开关结构简单、价格便宜，因此本设计采用直动式限位开关型号为 D-C73。3.10 熔断器的选型熔断器一种简单而有效的保护电器。在电路中主要起短路保护作用。其主要由熔体和安装熔体的绝缘管(绝缘座)组成。使用时，熔体串接于被保护的电路中，当电路18发生短路故障时，熔体被瞬时熔断而分断电路，起到保护作用。 熔断器的工作原理是：当电路发生故障或异常时，伴随着电流不断升高，升高的电流有可能损坏电路中的某些重要器件或贵重器件，也有可能烧毁电路甚至造成火灾。若电路中正确地安置了熔断器，那么，熔断器就会在电流异常升高到一定的高度和一定的时候，自身熔断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用。由于系统容量较小，系统容量主要是电动机，故选用 RCIA 系列熔断器。3.11 电动机的选型电动机分为直流电机和交流电机，交流电机又分为同步电机和异步电机。由于异步电动机具有结构简单，制造、使用方便，运行可靠，成本低廉，效率较高等优点而得到广泛应用。例如，在工业生产中，异步电动机用于拖动中小型轧钢设备，各种金属切削机床，轻工机械和矿山机械等；在农业生产中，异步电动机用于拖动水泵，粉碎机以及其他农副产品的加工机械；在民用电器方面的电风扇、洗衣机、空调机等也都是用异步电动机拖动的。所以系统中电机选用为异步电机，因为系统容量较小所以选用电机为 ST-MS90S 系列。 3.12 旋转编码器选型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 13 所示。图 13 旋转编码器原理示意图Fig 13 Rotary encoder principle diagram19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 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。经过以上分析，由于 FX2N-32MR-001 输出电流（2A）相对较大，原则上满足此分拣模型装置（小功率，小电流）的输出驱动，所以可以总结硬件设计元器件基本组20成如表 3(注：并未列出所有元器件，主要元器件如下表)表 3 主要元器件清单Table 3 Main components list序号 名称 型号数量 备注品牌或公司1 PLC FX2N-32MR 1 16 输入，16 输出， 继电器输出形式 三菱2 静音空气压 缩机 FB-0.048/7 1 噪音低、性能稳定、工作安 全可靠,功率 0.55KW 韩国 SANWO3 气阀 SVK0120 5先导式电磁换向阀, 交流：110v,220v（50hz） 直流：24V韩国 SANWO4 气缸 SCDJB10-45S 5 产品与气阀的型号相配套， 推动物料进行分拣 韩国 SANWO5 磁感应开关 D-C73 5额定电压：DC24V AC110V 额定电流：DC：540mA AC: 520mA气缸回位限位开关易电国际集团6 接近开关 CAT2-12GM 5 静电容量式接近开关 判断物料是否到位 易电国际集 团7 光电开关 E3R-5DE4 1 判断有无物料 欧姆龙8 电感式接传 感器 BLJ18A4-8-Z/B1Z 1 额定电压：DC：636V额定电流：300mA 百斯特9 电容式传感 器 E2K-X81ME1 1静电容量型近接开关额定电压：DC1224V(DC1030V)欧姆龙10 颜色传感器 E3S-VS1E4 1 额定电压：DC：1224V 额定电流：400mA 欧姆龙11 电动机 ST-MS90S 1感应电动机减速电机性能参数 功率：6W 电压：220V 频率：50HZ 电流：0.20A 额定转速：1440r/min LINIX温岭市永久电子器械厂12 内置电源 MD35-34 1输入电压：AC220 伏 15%输出电压：DC24 伏DADONG13 滑槽 4 铝合金青岛锐诚德仓储物流设备有限公司14 传送带 1PLC的数字量输入接口并不复杂，我们都知道PLC为了提高抗干扰能力，输入接口都采用光电耦合器来隔离输入信号与内部处理电路的传输。因此，输入端的信号只是驱动光电耦合器的内部LED 导通，被光电耦合器的光电管接收，即可使外部输入21信号可靠传输。4 PLC 材料分拣系统的软件设计4.1 系统程序流程软件设计是整个 PLC 电气控制部分设计的核心,根据控制要求,确定控制的操作方式,应完成的动作,以及必须的保护和连锁,还要确定所有的控制参数。根据生产设备的需要，把应有的按钮，接触器，传感器等装置，按照输入，输出分类，每一类型设备按顺序分配输入和输出地址，列出 PLC 的 I/O 地址分配表，每一个输入信号占用一个输入地址，每一个输出地址驱动一个外部负载，然后根据上述规划来绘制程序流程图。接通电源，传送带开始转动，光电传感器检测料仓是否有料，如果料仓没料，开始计时，传送带到达一个运行周期，电机停止。当料仓有料时，下料气缸动作，将物料推入传送带，传送带运行，当 SA 检测到物料时，铁皮出料气缸动作，分拣出铁皮材料。当 SB 检测到物料时，铝出料气缸动作，对铝材料进行分拣。当 SC 检测到物料时，颜色出料气缸动作，分拣出所需材料，剩余材料到达 SD 时，其相对应气缸动作，将所剩物料推入相应料槽。本课题是基于区分材料材质的不同而设计的材料分拣系统，主要是实现对铁质、铝质和不同颜色的材料的自动分拣，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，指示灯绿灯亮。（2）系统启动后，下料传感器(光电传感装置)检测到料槽无材料或各气缸未复位时，传送带须继续运行一个行程 10S 后自动停机,指示灯红灯亮。（3）系统启动后，下料传感器(光电传感装置)检测到料槽有材料，每隔 2S 出料气缸动作一次，动作时间维持为 1S，将待测材料推到传送带上，待测物体开始在传送带上运行，并对其进行计数。（4）当电感传感器检测到铁质材料时，且其对应的接近开关感应到材料接近，铁出料气缸将待测物体推下，并对其进行计数。（5）当电容检测传感器检测到材料为铝质时，且其对应的接近开关感应到材料接近，铝出料气缸动作将被检测到的材料推下，并对其进行计数。（6）当颜色检测传感器检测到材料为红色时，且其对应的接近开关感应到材料接近，红色出料气缸动作将待测物体推下，并对其进行计数。（7）剩余材料在传送带上继续传送，当最后滑槽对应的接近开关感应到材料接近，其出料气缸动作将被检测到的材料推下，并对其进行计数。22由分拣控制系统的分拣要求画出控制系统的程序流程图，系统流程图如图 14 所示。图 14 系统的流程图Fig 14 System flowchart4.2 系统 I/O 分配建立 I/O 地址分配表 根据所选择的 PLC 机型，对 PLC 的 I/O 点分配编号，系统的 I/O 分配表，通过 I/O 的连接，即可实现 PLC 对分拣装置的控制。输入端子用于采集各传感器信号和启动开关和停止开关信号，均为数字量信号，而输出端子用于气缸控制信号，均为数字量信号。I/O 分配如表 4 所示，为了实现系统的自动控制，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 15 个，均为开关量。输出信号有 8 个，其中一个控制电动机，两个控制指示灯，剩下的控制气阀，也都是开关量。型号为 FX2N-32MR-001 型的 PLC 分别有 16 个输入口和输出口，符合系统的23I/O 分配要求。表 4 I/O 分配表Table 4 I / O allocation table三菱 PLC(I/O)分拣系统接口(I/O) 备注X00 SB1 启动按钮X01 SQ1 上料物料接近开关X02 SQ2 铁质物料接近开关X03 SQ3 铝质物料接近开关X04 SQ4 绿色物料接近开关X05 SA 电感传感器X06 SB 电容传感器X07 SC 颜色传感器X10 SN 判断下料有无（光电传感器）X11 SW1 上料气缸回位限位开关X12 SW2 铁质物料气缸回位限位开关X13 SW3 铝质物料气缸回位限位开关X14 SW4 红色物料气缸回位限位开关X15 SW5 其他物料气缸回位限位开关输入部分X17 SB2 停止按钮Y00 YV1 上料先导式电磁换向阀Y01 YV2 铁质物料先导式电磁换向阀Y02 YV3 铝质物料先导式电磁换向阀Y03 YV4 红色物料先导式电磁换向阀Y04 YV5 其他物料先导式电磁换向阀Y05 M 传送带Y06 LD1 红色指示灯输出部分Y07 LD2 绿色指示灯24I/O 接线图如图 15 所示图 15 I/O 接线图Fig 15 I / O wiring diagramPLCX 0 0X 0 1X 0 2X 0 3X 0 4X 0 5X 0 6X 0 7X 1 0X 1 1X 1 2X 1 3X 1 4X 1 5X 1 7Y 0 0Y 0 1Y 0 2Y 0 3Y 0 4Y 0 5Y 0 6Y 0 7C O MC O M 2C O M 1S B 1S Q 1S Q 2S Q 3S Q 4S AS BS CS NS W 1S W 2S W 3S W 4S W 5S B 2Y V 1Y V 2Y V 3Y V 4Y V 5K ML 1L 2254.3 系统功能表图功能表图又称做状态转移图，它是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，也是设计 PLC 的顺序控制程序的有力工具。功能表图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，它是一种通用的技术语言，可以用于进一步设计和不同专业的人员之间进行技术交流。功能表图一般主要有步、有向连线、转换、转换条件和动作组成。由系统程序流程图绘制出来的系统功能表图如图 16 所示。图 16 系统的功能表图Y000Y001Y002Y002Y003Y003Y004Y004Y005Y005Y000M302M303C200M312M313M314M315M316M317M307M310M311M304M305M306 C200 C200 C200 C200M301M300M8002X000X001X002X004X005X003 X003X006X007X010X003X006X011X012X013X015X003X006X011X014X016C200 C200X000C200X000X003X006X011X01426Fig 16 System function chart4.4 材料分拣装置 PLC 梯形图本课题的 PLC 梯形图编辑使用 GX Developer 编程软件。 GX Developer 可以创建Q 系列、QNA 系列、A 系列( 包括运动控制器(SCPU)、FX 系列的数据，实现了设置操作共用化( 简称为 GPPA) 13。GX Develope