基于PLC的材料分拣系统

1、引言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。在需要进行材料分拣的企业，以往都采用人工分拣的方 法，分拣效率极为低下，致使生产成本高，企业竞争力差。近年来，随着科学技术的不 断发展，出现了一些自动控制分拣系统装置，它可以大幅度的提高分拣效率，因此越来 越多的企业采用了自动控制分拣系统装置。 关于自动控制分拣系统装置现在市场上已经 大量出现了，并且也应用到生产实际中了。由于 PLC具有体积小、易安装、维修性好等 特点，所以设计本课题是用PLC来控制分拣系统装置的。可编程序控制器（PLC现在已经综合了计算机技术、自动控制技术和网络通信技

2、术，其功能越来越强大。本课题采用 PLC控制分拣系统装置，可以同时实现三种物料的 快速分拣，分别是铁质物料、铝质物料和颜色物料等。并且可以与上位机相接，实现实 时监控。它不但可以快速分拣效率，节省大量的人力资源，而且可靠性高，稳定性强， 可长时间进行分拣，正是需要进行材料分拣的企业所迫切希望的分拣系统装置。第 1 章 绪论该课题是基于PLC的材料分拣系统设计，它包括可编程序控制部分、传感器检测部 分、电动机控制部分以及空气压缩机部分。对于本课题来讲，它就是自动化技术、传感 器检测技术以及电气拖动技术的融合，在国民经济发展中起着推动作用。近年来，分拣 领域已经并正在发生着日新月异的变化，各种先进

3、技术已经被应用到各个工程实际中， 并且已经取得了很大的成就。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希望改进生产技术，提高生产效率，同样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， 材料分拣系统装置已成为他们的必然选择。虽然材料分拣系统装置现在已经开始在工程实际应用中开始发挥作用， 但是随着科 学技术的不断发展，分拣系统也在不断的完善中。分拣系统装置有几种系统控制方式。 分别是继电器控制系统、计算机控制系统以及 PLC等。几十年来继电器控制系统一直为 工业发展起到了巨大的作用，而且目前仍然在工业中大量

4、应用，然而其控制性能与自身 的功能已无法满足与适应工业控制要求和发展。 计算机控制系统有着十分强大的计算与 数据处理能力，但在别的方面却没有 PLC功能强大。因此在这个设计中选择 PLC来控制 分拣系统装置。此设计正是基于采用PLC来实现关于材料分拣控制系统的设计。材料分拣控制系统 组成主要有传感器、断电延时器、进料槽、传送带、分拣推手等组成。当第一个光电传 感器检测到进料槽有物体时，上料传感器输出信号给PLC，PLC控制输送带继续运转，同时控制上料气动阀进行上料，每次上料时间间隔可以根据实际情况进行调整。第一个 物料传感器为电感传感器，当检测出物料为铁质物料时，反馈信号送PLC，由PLC控制

5、气动阀动作选出该物料； 第二个物料传感器为电容传感器， 当检测出物料为铝质物料时， 反馈信号送PLC,PLC控制气动阀动作选出该物料；第三个物料传感器为颜色传感器，当 检测出物料的颜色为待检测颜色时，PLC控制气动阀动作选出该物料；最后还有一个备 用的传感器，是用来检测并推下漏拣的物料。本课题由于采用PLC作为控制系统，它存在输入输出响应的滞后现象。滞后现象是指PLC外部输入信号发生变化的时刻起至它控 制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的间隔。 虽然它有一定的延迟但并不影响分 拣系统装置的工作，因为PLC的延迟时间只有几十毫秒，对于本分拣系统装置起不到什 么影响，完全可以忽略。本设计主要研

6、究的是使分拣系统装置能进行三种物料的分拣并 能与上位机相连进行实时监控。可编程序控制器（PLC现在已经综合了计算机技术、自动控制技术和网络通信技 术，其功能越来越强大。该篇设计有着广阔的应用前景，它节省大量的劳动力，从而可 以大大提高生产率，促进社会工业的发展。第 2章 方案比较与选择由于本设计是基于PLC的材料分拣系统设计，所以从材料分拣系统装置的控制系统 方面进行方案的比较与选择。 一共有三种方案： 分别是 PLC 、继电器控制系统与计算机 控制系统。下面是关于三种方案的比较与选择。一、几十年来，继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，而且目前仍 然在工业领域中大量的应用， 然而其

7、控制性能与自身的功能已无法满足与适应工业控制 的要求和发展，与PLC相比较，存在着质的差别。下面是关于它们的各个方面的比较：（1）控制功能的实现：继电器控制系统通过对继电器进行硬接线完成相应的控制 功能，PLC对进行编程实现所需控制要求。（2）对生产工艺变化的适应性：继电器控制系统需要重新设计与接线，适应性差，PLC只需对程序进行修改，适应性强。（3） 可靠性：继电器控制系统元器件多，触点多，容易出现故障，PLC采用大规模 集成电路，绝大部分是软继电器，可靠性高。（4） 控制的实时性：继电器控制系统机械动作时间常数大， 实时性差，PLC微处理 器控制，实时性非常好。（5）占用空间与安装：继电器

8、控制系统控制体积巨大、笨重，安装施工工作量大， PLC体积小，重量轻，安装工作量小。（6） 使用寿命：继电器控制系统易损，寿命短，PLC寿命长。（7）价格：继电器控制系统较低 ，PLC较高。（8） 维护：继电器控制系统维护复杂、工作量大，PLC维护工作量小。二、通用计算机具有十分强大的计算与数据处理能力，同时数据处理速度已达到极高的水平，但是应用通用计算机进行工业控制，在很多方面没有PLC功能强大。下面是关于它们的比较：（1） 工作方式：通用计算机采用中断方式，PLC采取扫描方式。（2） 通用计算机使用汇编语言、高级语言，PLC采用助记符语句表、梯形图等。（3）工作环境：通用计算机要求较高，P

9、LC可在较差的环境工作。（4） 对使用者的要求：通用计算机需要专门的学习培训才行，PLC语言易学，稍加 培训即可使用。（5）可靠性：通用计算机商业级要求，PLC工业级，且有多种特殊设计，包括监视 记时器功能。（6） 系统软件：通用计算机系统软件功能强大，但占用存储空间过大，PLC系统软 件功能专用，占用存储空间小。（7）价格：通用计算机价格高，PLC价格较低。以上各种情况综合分析，决定采用 PLC控制系统来控制材料分拣系统装置。和其它 两种控制系统相比PLC控制系统主要优点是可靠性、易操作性（操作方便、编程方便、 维修方便）、灵活性（编程的灵活性、扩展的灵活性、操作的灵活性） 、机电一体化等

10、。 另外PLC的功能有：（1）关于逻辑和顺序控制：主要完成开关逻辑运算和进行逻辑控制，从而可以实现 各种简单或复杂的控制要求。2)定时控制： PLC 具有很强的定时、记数功能，而且是间隔可以由用户自己设定。(3) 数据处理：新型PLC都具有数据处理能力，它能进行算术运算，数据传送。(4) 通信：PLC作为下位机，与上位机或同级的可编程序控制器进行通信，完成数据 的处理和信息的交换。第3章基于PLC的材料分拣系统的硬件设计部分3.1材料分拣系统流程图及PLC选型一、材料分拣系统流程图材料分拣系统流程图如下图所示，它是利用各种传感器对待测物料进行检测并分 类。根据选用的传感器类型不同，可分辨出铁、

11、铝及非金属，并能分辨出某种颜色。当 待测物体经下料装置传入传送带后，依次接受各种传感器的检测。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。图3-1系统结构图从上图可以看出本系统由传感器、电动机、空气压缩机等组成。其中传送带是由电 动机带动。系统上电后，可编程序控制器 (PLC)首先启动输送带，上料传感器检测料槽 有无物料，若无料，输送带运转一个周期后自动停止等待上料。当料槽有料时，上料传 感器输出信号给PLC PLC控制输送带继续运转，同时控制上料气动阀进行上料，每次 上料时间间隔可以进行调整。物料传感器1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P

12、LC控制气动阀1动作选出该物料。物料传感器2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3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。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。二、PLC的选型1、控制要求及I/O接口本设计要求实现三种物料的分拣，分别是铁质、铝质和带颜色的物料。根据要求选 用了四个种类的五个传感器来检测物料。它们分别是电感传感器、电容传感器、颜色传 感器以及光电传感器。电感传感器专门检测铁质物料，电容传感器检测铝质物料，颜色 传感器

13、检测颜色物料。光电传感器一共有两个，一个用于进料槽检测有无物品，另一个 作为备用传感器负责把前面三个传感器漏拣的物料分拣下来。另外还用了异步电动机来带动传送带，它可以满足快速启动及制动的控制要求。空气压缩机通过电磁阀来控制推 手把物料分拣下去。如图3-2所示。YV3YV2 YV1YV4SBW4SFW4SBW1SFW1光电传感器颜色传感器电容传感器电感传感器SN光电传感器SBW5SFW5图3-2材料分拣示意图根据设计要求，输入有5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（光电传感器）以及检测下料的传感器，并且有相应的5个气缸运动位置信号，每个气缸有两个动作限位，共计10个

14、信号。输出包括控制电动机运动的接触器，以及5个控制气缸动作的电磁阀。共需要I/O接点21个，其中有15个输入点和6个输出点。如下表所表示。表3-1输入信号和输出信号输入信号： 推气缸1动作限位SFW1X004推气缸2动作限位SFW2X012推气缸3动作限位SFW3X020推气缸4动作限位SFW4X023推气缸5动作限位SFW5X001电感传感器SAX003电容传感器SBX011颜色传感器SCX014备用传感器SDX022光电传感器SNX000推气缸1动作限位SBW1X010推气缸2动作限位SBW2X013推气缸3动作限位SBW3X021推气缸4动作限位SBW4X024推气缸5动作限位SBW5X

15、002输出信号： 推气缸1电磁阀YV1Y003推气缸2电磁阀YV2Y005推气缸3电磁阀YV3Y007推气缸4电磁阀YV4Y009推气缸5电磁阀YV5Y011电动机YV6Y002根据要求选用选用三菱FX2N系列PLC主要是因为FX2N有以下的优点。FX2N是 FX系列中功能最强、速度最快的微型可编程序控制器。FXZN系列PLC是超小型机，I/O点数最大可扩展到256点。它有内置8K步的RAM使用存储卡盒后，最大 容量可扩大到16K步。编程指令丰富，有27条基本指令、2条步进指令和128种功能指 令。PLC运行时，对一条基本指令的处理时间只要 0.08uS。它不仅能完成逻辑控制，顺 序控制、模拟

16、量控制、位置控制、高速计数等功能。还能做数据检索、数据排列、三角 函数运算、平方根以及浮点数运算、脉冲输出（ 20kHz/DC5V 10kHz/DC1214V、脉宽 调制、PID运算等更为复杂的数据处理。所以 FX2N系列PLC具有容量大、运行速度快、 指令功能完善等特点。在FX2N系列PLC基本单元上，可连接扩展单元、扩展模块以及各种功能的特殊单元、特殊模块，还可在基本单元左侧接口上，连接一台功能扩展板，完成FX2N系列PLC与各种外部设备的通信，实现模拟量设定功能。通过功能扩展模板还可将FX2N系列适配器与FX2N基本单元连接，增强PLC与外部设备的通信功能。基于以上三菱FX2N系列PLC

17、的诸多优点，选用三菱 FX2N系列的FX2N48M型PLC 进行分拣运动控制。它有24个输入点、24个输出点，完全满足了设计要求，并且也满 足了留有相应的裕量，以便以后进行扩充。3.2传感器的选择本设计由于用了多达四种传感器，怎么选择传感器也成了很重要的一环。传感器选 型方法很重要，选择的依据是要决定哪一个是合适的传感器。这取决于将要检测的目标 的材料。如果目标是金属的，那么需要一个电感传感器。如果目标是塑料做的，纸做的 或（油基或水基）流体、颗粒、或者粉末，那么需要一个电容传感器。如果目标是带颜 色的，那么需要一个颜色传感器。所以根据要求选用的是光电传感器、电感传感器、电 容传感器、颜色传感

18、器等。3.2.1电感传感器的介绍一、工作原理电感式传感器由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一 个交变磁场，当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流， 从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成 开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。电感式接近传感器只对金属对象敏感， 因此电感式接近传感器不能应用于非金属对 象检测。同时，由于高频振荡线圈产生的交变磁场是散射的，这样当金属对象不断接近 传感器的前端时，会触发传感器状态的变化，而且在传感器的周围出现金属对象时传感 器也会发出讯号。对检测正确性要求较高的

19、场合或传感器安装周围有金属对象的情况 下，需要选用屏蔽式电感性接近传感器，因为这种类型的传感器事先已经将振荡线圈周 围的磁场进行了屏蔽，只有当金属对象处于传感器前端时才触发传感器状态的变化。另外，电感式接近传感器的检测距离会因被测对象的尺寸、金属材料，甚至金属材 料表面镀层的种类和厚度不同而不同。电感式传感器作为一种位置反馈元件，目前已经广泛应用于几乎所有自动化控制的 行业与领域之中，对检测和自动控制系统的可靠运行具有关键性的作用。在工业自动控 制中，最普通也广泛应用的传感器往往会引起一些意想不到的问题，甚至导致系统停机。一个能够通盘考虑全部操作和功能各个方面的解决方案正是所需要的。此解决方案

20、能够确保系统的可靠运作，且能够在系统构造、安装、运行和维护过程中表现出极大的性能 优势。二、分类及介绍选的是电感传感器中的自感式传感器。 自感式传感器实质上是一个带气隙的铁心线 圈。按磁路几何参数变化形式的不同，目前常用的自感式传感器有变气隙式、变面积式 与螺管式三种；按磁路的结构型式又有 E型或罐型等等；按组成方式分，有单一式与差 动式两种。图3-3为一种简单的自感式传感器，它由线圈、铁心和衔铁等组成。当衔铁随被测 量变化而上、下移动时，铁心气隙、磁路磁阻随之变化，引起线圈电感量的变化，然后 通过测量电路转换成与位移成比例的电量，实现了非电量到电量的变换。可见，这种传 感器实质I】是一个从冇

21、训变气隙的铁心线圈C类似于上述自感式传感器，变磁阻式传感器通常都具有铁心线圈或空心线圈。 将传感器线圈等效成图3-4所示的等效电路。三、电感传感器的选择我选用的是TURCK图尔克BI1.5-EG08-AN6X电感式传感器。这种电感 式传感器 通过高频交流电磁场以无磨损和非接触的方式检测金属物体，对普通传感器 而言，磁场由绕在铁氧体芯上的LC振荡电路产生。它的应用范围极为广泛， 可应用在恶劣气候条件，深冷系统，户外 应用，金属 铸造、玻璃行业、食品行 业、机械行业。从下列性能数据也可以看出它有很多优点：1、额定工作值按EN 60947-5-6 标准定义为：Uo=8，2VDC Ri=1000欧姆2

22、、反极性保护3、滞后 H1.10%4、温度漂移5、± 10%（通 常温度范围-20.+70 C）6、± 20%（扩 展温 度范围-40/25.+100/120 C）7、重复精度R2%3.2.2光电传感器的介绍一、光电传感器的工作原理光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗 口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向 偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电 流很小（卩A）称为光敏二极管的暗电流。当

23、有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多 的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电 阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两 个极一一发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照， 基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结 正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流 lceo= (1+B)

24、 Icbo (很小)，比一般三极管 的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流lb增大， 此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流lc= (1 + B ) lb，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。二、光电传感器应用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。早期 的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。发光二极管最早出现在 19世纪60

25、年代，现在我们可以经常在电气和电子 到这些二极管做为指示灯来用。LED就是一种半导体元件，其电气性能与普通二极管相 同，不同之处在于当给LED通电流时，它会发光。由于LED是固态的，所以它能延长传 感器的使用寿命。因而使用LED的光电传感器能被做得更小，且比白炽灯传感器更可靠。 不象白炽灯那样，LED抗震动抗冲击，并且没有灯丝。另外，LED所发出的光能只相当 于同尺寸白炽灯所产生光能的一部分。(激光二极管除外，它与普通 LED的原理相同， 但能产生几倍的光能，并能达到更远的检测距离)。LED能发射人眼看不到的红外光，也 能发射可见的绿光、黄光、红光、蓝光、蓝绿光或白光。三、光电传感器的选择对于

26、光电传感器选用的是现在市场上流行的 Autonice系列BUD-50S型号光电开关， 因为它有以下几方面的优点：(1) 超小型，可在狭小空间安装。(2) 不受探测物体本身色彩的影响，优质的探测能力。(3) 内装计时器，易于调整应答时间(关断延时时间：0.12秒以下-VR调整)。(4) 不受背景物的影响。(5) 内装控制输出过电流保护线路。(6) 内装电源逆连接保护线路。3.2.3电容传感器的介绍电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。结构简单、 高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的 独特优点。随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使

27、它扬长避短，成为一种很有发 展前途的传感器。由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其 电容量与真空介电常数 & 0 (8.854 X 10- 12F/m)、极板间介质的相对介电常数£ r、极板的有效面积A以及两极板间的距离S有关：C；r A/、；(3-1)若被测量的变化使式中3、A、& r三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容 量的变化，再通过测量电路就可转换为电量输出。 因此，电容式传感器可分为变极距型、 变面积型和变介质型三种类型。下面我只介绍了变极距型、变面积型传感器。一、图3-5为传感器的原理图。当传感器的& r和A

28、为常数，初始极距为3 0，其初始电 容量C0为：定极板3-5变极距型电容传感器原理图Co = ；o ；r A/ o(3-2)变极距型电容传感器只有在I0/ 3 0|很小（小测量范围）时，才有近似的线性输出。灵敏度S与初始极距3 o的平方成反比，故可用减少3 o的办法来提高灵敏度。例如 在电容式压力传感器中，常取 3 o= 0.10.2mm Co在20100pF之间。由于变极距型的 分辨力极高，可测小至0.01卩m的线位移，故在微位移检测中应用最广。差动式比单极 式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。由于结构上的对称性，它还能有效地补偿 温度变化所造成的误差。二、变面积型电容传感器原理结构如图

29、3-6所示。它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两 极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。设动极板相对定极板沿长度方向平移 时，贝皿容为：；0(l 0 ：l )bo(3-3)（a）单片式（b）中间极移动式图3-6变面积型电容传感器原理图变面积型电容传感器与变极距型相比，其灵敏度较低。因此，在实际应用中，也采 用差动式结构，以提高灵敏度。角位移测量用的差动式结构，设A、B为同一平（柱）面而形状和尺寸均相同且互相绝缘的定极板。 动极板C平行于A、B,并在自身平（柱）面内 绕0点摆动。从而改变极板间覆盖的有效面积，传感器电容随之改变。C的初始位置必须保证与A、B的初始电容值相同。三

30、、在设计中选择的电容传感器是武汉超荣电子有限公司供应的电容式接 近传感器CCJ/CRJ系列。主要是因为它有以下优点：电容式接近开关 CCJ/CRJ系列具有 多种电源、响应频率快等特点，能可靠的检测金属、非金属。用于工业控制的非金属检 测定位、限位以及料位、液位的检测。输出有 NPN俞出、PNP俞出、电压0 5DVC 0- 30DVC俞出、90 260VAC检测距离从4mm-25m不等。3.2.4颜色传感器的介绍考虑到本次设计是推出式物流分拣装置及分拣信号自动识别系统设计，分拣装置采用动力式皮带输送装置，驱动装置是选用电动机。在分拣系统中的信号采集最后一部分 主要依靠色敏传感器。因为各个物块的颜

31、色不同，根据颜色值的变化能分清是否要实行 分拣操作。由于只要求分拣系统能分辨颜色值的变化，而对物品的颜色标定没有具体要 求。具体的颜色测量方式有三种：直接式、透射式、反射式，考虑到系统用在物品分拣系统上，所以使用反射式测量方式。在分拣支路上安装色敏传感器，通过调整色敏传感器的工作点，进行颜色测定时， 须对信号采集电路的信号输出大小进行计算，得出被测物块的颜色值，把所测的颜色值 同PLC中的物块颜色值进行比较，得到它们之间最相关的值，确定所测值的颜色。如 果需要分拣则驱动气动执行机构。本设计分析了目前市场上应用极为广泛的颜色传感器类型和每种颜色传感器的应 用场合，以选择最适合在本设计中所能应用的

32、传感器。目前，用于颜色识别的传感器有 两种基本类型（都属于光电式的）：其一是色标传感器，它使用一个白炽灯光源或单色 LED光源；其二是RGB （红绿蓝）颜色传感器，它检测目标物体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、光束型和光纤型的，封装在各种金属和 聚碳酸酯外壳中。典型的输出包括：NPN和PNP、继电器和模拟输出。RGB颜色传感器对相似颜色和色调的检测可靠性较高。它是通过测量构成物体颜 色的三基色的反射比率实现颜色检测的。由于这种颜色检测法精密度极高，所以RGB传感器能准确区别极其相似的颜色，甚至相同颜色的不同色调。一般RGB传感器都有红、绿、蓝三种光源。三种光通过

33、同一透镜发射后被目 标物体反射。光被反射或吸收的量值取决于物体颜色。RGB传感器有两种测量模式。一种是分析红、绿、蓝光的比例。因为检测距离无论怎样变化，只能引起光强的变化， 而三种颜色光的比例不会变，因此，即使在目标有机械振动的场合也可以检测。 第二 种模式是利用红绿蓝三基色的反射光强度实现检测目的。 利用这种模式可实现微小颜色 判别的检测，但传感器会受目标机械位置的影响。 无论应用哪种模式，大多数 RGB 传 感器都有导向功能，使其非常容易设置。这种传感器大多数都有内建的某种形式的图表 和阀值，利用它可确定操作特性。色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点， 它是通过与非色标区相比较来实

34、现色标检测，而不是直接测量颜色。色标传感器实际是一种反向装置，光源垂直于目标 物体安装，而接收器与物体成锐角方向安装，让它只检测来自目标物体的散射光，从而 避免传感器直接接收反射光，并且可使光束聚焦很窄。白炽灯和单色光源都可用于色标 检测。颜色传感器种类很多，仔细考虑了一下，还是决定选择CS系列颜色传感器中的CS3 型。测量范围是60mm,可分辨三种颜色，工作温度是-1055C；工作频率是250Hz; 输出方式是PNP;工作电源1230VDC。应用范围：CS系列色彩检测器是应用于自动 化生产线上的色彩测量的传感器，具有测量速度快、分辨率高、不受外界光线干扰且无 须任何保养的特点。可非接触监控彩

35、色及透明的物体。主要应用于印刷品、包装标签、 填充物、包装记号、商标、零件的辩识和分类。3.3 电动机部分本设计选用的是三相异步电动机。目前较常用的交流电动机有两种：1、三相异步电动机。 2、单相交流电动机。第一种多用在工业上，而第二种多用在民用电器上。三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场， 三相异步电动机 的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。单相电源相与相之间的电压在相位上是相差 120 度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差 120度，这样，当在定子 绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，旋转磁场在空间旋转一周， 即旋转磁场的旋转速度与电流的变化

36、是同步的。旋转磁场的转速为：n=60f/P（3-4）式中f为电源频率、P是磁场的磁极对数、n的单位是：每分钟转数。根据此式我 们知道，电动机的转速与磁极数和使用电源的频率有关，为此，控制交流电动机的转速 有两种方法： 1、改变磁极法； 2、变频法。以往多用第一种方法，现在则利用变频技术 实现对交流电动机的无级变速控制。旋转磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关。相序A、B、C顺时针排列，磁场顺时针方向旋转，若把三根电源线中的任意两根对调，例如将B相电流通入C相绕组中，C相电流通入B相绕组中，则相序变为：C、B、A，则磁场必然逆时针方向旋转。 利用这一特性我们可很方便地改变三相电动机的旋转方向。定

37、子绕组产生旋转磁场后， 转子导条（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与 旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以 n1 的转速旋转起来。一般情况下，电动机的实际转速n1低于旋转磁场的转速n。因为假设 n 和 n1 相同，则转子导条与旋转磁场就没有相对运动， 就不会切割磁力线， 也就不会产 生电磁转矩，所以转子的转速 n1必然小于n。为此我们称三相电动机为异步电动机。相对于本分拣系统设置要求我选用浙江省瑞安市金龙调速电机厂生产的YS系YS8024 型号三相异步电动机。它按照国家标准设计制造，具有高效、节能、噪声低、振动 小、寿命长、维

38、护方便、起动转矩大等特点，采用 B 级绝缘，外壳防护等级为 IP44， 冷却方式为IC411，额定电压为380V，额定频率为50Hz，额定功率为750W。3.4 空气压缩机空气压缩机是本材料分拣系统装置中不可缺少的部分 ，它是将电动机的机械能转 换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。空气压缩机的种类很多，按工作 原理可分为容积型压缩机和速度型压缩机。容积型压缩机的工作原理是压缩气体的体 积，使单位体积内气体分子的密度增加以提高压缩空气的压力；速度型压缩机的工作原 理是提高气体分子的运动速度，使气体分子具有的动能转化为气体的压力能，从而提高 压缩空气的压力。空气压缩机的选择主要依据气动

39、系统的工作压力和流量。 气源的工作压力应比 气动系统中的最高工作压力高 20%左右，因为要考虑供气管道的沿程损失和局部损失。 如果系统中某些地方的工作压力要求较低，可以采用减压阀来供气。空气压缩机的额定 排气压力分为低压（0.71.0MPa）、中压（1.010MPa、 高压（10100MPa和超高 压（100MPa以上）。基于本分拣系统的工作要求选用的是威普德尔工业机械系列的标准型 GL-2.0 涡轮 空气压缩机，产品性能优越，效率高，运行可靠。主要是因为它 体积少、重量轻、结 构精密、运动部件少、无磨损。此外还有：（ 1 ）安装简单 产品出厂时，机器内已添加足量的专用油，所以安装就位，就可以

40、 自动运行。（2）节省电力机器的操控是由系统伍自动调节，特别 GL-X4.0双涡轮供气或单机供气，大幅减少运行耗电量达 60%真正做到高效节能。（3）节省易耗品特殊设计的双柱形油气罐，罐内构筑多个立面，使油气混合气体在罐内经数次 分离但又不产生城市降，减小油雾，延长加油周期和油雾分离器的使用时间， 使用权其能长时间输出含油量低于 3PPM勺压缩空气。（ 4）超级润滑油特殊配方和添加剂合成的GL-X系列空气压缩机开发的超级润滑油， 客观存在的润滑性能，密封性能，冷却性能，降噪和防腐蚀等方面都有良好表现，在高 温时的热稳定性和抗氧化性使涡轮压缩机在各种高温、高压、超负载实验中都 能保持最佳状态。第

41、 4 章 基于 PLC 的材料分拣系统的软件部分设计本课题是关于材料分拣系统的设计。 本设计采用可编程序控制器对分拣部分进行控 制。最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置。它们的 运行方式是不同的：继电器控制装置采用硬接线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在继电器控制线路的那个位置会立即同时动 作。PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的串行运行方式，即如果一个逻辑线圈被 接通或断开，该线圈的程序中所有的触点（包括起常开或常闭触点）不会立即动作，必 须等到扫描到该触点时才会动作。而用户最常用的编程语言就是梯形图，梯形图就是

42、从 继电器控制电路图演变而来，以图形符号及其相互之间的相互关系表示相互关系。梯形图编程是各种PC通用的方式。尽管各种PC的指令系统以及指令的助记符不完 全相同，但梯形图的设计方法基本上是相同的。首先，梯形图按自上而下，从左至右的 顺序排列，每个继电器为一个逻辑行，即一层阶梯。没一逻辑行起于左母线，终于右母 线。继电器线圈与右母线直接相连接，不能在继电器线圈与右母线之间连接其它元素。 梯形图中，一般情况下，某个编号的继电器线圈只能出现一次，而继电器的接点则可无 限引用，既可是常开接点，也可是常闭接点。输入继电器的线圈由输入点上的外部输入 信号驱动。因此，梯形图中输入继电器的接点用以表示对应点的输

43、入信号。语句编程也是各种PC通用的编程方式。通常是根据梯形图来进行语句表编程。由 于PC的指令比较简单，所以语句表编程比较简单。首先，对梯形图的的并列支路编程 时，先上后下、先左后右。其次，在较复杂的梯形图中，常遇到几个逻辑组相串联或相 并联的情况，其逻辑运算比较复杂，编程时需用接点组的串、并联指令，这时需要使用 堆栈。可编程控制器运行时，在系统程序的监视下，按常规的顺序对系统内部的各个任务 进行查询、判断和执行，CPU每一个时刻只能执行一个操作，随着时间延伸，一个动作 接一个动作顺序执行，这种分时操作过程称为扫描。扫描过程周而复始的不断循环。一 个扫描过程称为扫描周期。在一个扫描周期内，前面

44、执行的结果，马上就可被后面的将 要执行的任务所用。4.1材料分拣系统的软件设计流程图本课题要求实现三种物料的分拣，分别是铁质物料、铝质物料、红色物料等。本系 统采用可编程控制器来控制分拣系统装置。系统开始运行时，第一个光电传感器首先检 测进料槽有无物料，若有开始上料（我设置的是每3秒一次把物料推上传送带），之后启动传送带（系统启动时延迟1秒工作）。传送带启动后，物料到达第一个电感传感器 传感器开始检测，若是铁块，推下，不是继续前行。到达第二个电容传感器时又开始检 测，若是铝块，推下，不是继续往前传送，到达第三个颜色传感器，开始检测，若是带 有颜色的物块，推下，没有继续前行。第四个传感器是备用传

45、感器，它主要起到把前面 漏拣的物料分拣下来，只要有物块就推下。这是一个循环过程。若第一个光电传感器没 检测到物料，则断电延时器开始记时，到一周期后断电，整个系统停止。直至检测下料 槽的光电传感器检测到物料时才会启动整个系统重新开始工作，进行物料分拣。以下是 我对于以上设计思路来进行软件程序设计的。分拣系统的软件设计结构图如图 4-1所示。图4-1材料分拣系统软件设计流程图4.2分拣系统的梯形图设计根据要求，利用PLC的基本逻辑指令来实现分拣系统的控制程序编程。一、首先是进料槽控制部分开始工作时，如果进料槽有待分拣的物料，则进料槽的光电传感器就接受到信号， 然后把信号传送给PLC PLC通过控制

46、电磁阀来控制气缸推手把物料推入传送带。本设 计的是每三秒钟推一次物料。在光电传感器检测到物料时，程序首先形成自锁，同时记 时器1开始记时，气缸推手把物料推入传送带。记时器 1和记时器2主要是控制进料槽 的推手每三秒工作一次。这样被分拣物料就会有规律的被传送到传送带上被分拣。X000就代表光电传感器的输入信号。X001、X002分别是行程开关，用来控制 丫000 丫001。 丫000 Y001分别代表是气缸推手工作的前行程开关和后行程开关。下面图4-2就是实现这个功能的梯形图设计。图4-2进料槽部分控制梯形图、断电延时器部分3开始记时，等12秒一过则通4-3是关于实现这个功能的梯形图设计。X0T

47、3M10M1014xooT3我为这个系统设计了断电延时器。是为了防止下料箱没有物料时，通过一个周期记 时后发出一个信号使整个系统停止运行，这样可以节省大量的资源。程序启动以后，如 果下料箱的传感器检测到没有待分拣物料时，就会启动断电延时器部分。在下面的梯形 图中，当第一个光点传感器没检测到信号时，则记时器 过M102使整个程序停止运行。下图K1图4-3断电延时器梯形图三、检测分拣铁质部分图4-4电感传感器控制部分梯形图上图4-4是我关于第一个检测铁的电感传感器的工作控制梯形图的设计。X003代表电感传感器，X004 X010都是气缸推手运动的限位开关。系统运行起来后，当物料被传送到第一个传感器

48、下面时，如果是铁的话，则电感传感器就会检测到有信号，此时给相 应的电磁阀一个信号，使电磁阀打开，利用空气压缩机的气体动能来推动推手，从而把 铁质物料分拣下去。控制推手把物料推下传送带。丫002、丫003分别代表气缸控制推手前 行程动作和后行程动作。四、检测分拣铝质部分第二个环节是检测分拣铝的部分。 我设计的是用电容传感器来检测的。X011是代表 电容传感器，X012、X013分别是气缸推手的限位开关。 下图4-5是我对于这个环节的设 计控制图。原理同上一步一样，它在物料经过它下面的时候进行检测，如果检测到有信 号的话说明被分拣的物料是铝，就会发出一个脉冲信号给相应的电磁阀。电磁阀打开， 则控制

49、气缸推手动作把铝质物料分拣下来。0图4-5电容传感器控制部分梯形图X014X021M105M105M105X02011X021Y007图4-6颜色传感器控制部分梯形图五、检测分拣颜色物料部分前面已经检测铁和铝了，这一部分是检测带有红色的物料。此设计用开关X014来代替颜色传感器，XO20 X021分别是气缸推手的限位开关。当有颜色的被分拣物料经过 它下面时，如果它检测到有信号时发送一个信号给PLC来控制电磁阀，使气缸推手动作把它分拣下去。上图4-6是实现这个功能的梯形图设计。六、备用传感器控制分拣部分为防止所分拣的物料中混有除铁、铝、颜色之外的其它物料分拣不下来，所以设计 了备用检测部分。本设

50、计使用光电传感器来实现次功能。光电传感器使用方便、检测准 确。只要它检测到有物料时就把信号发送给相应的电磁阀，使它打开，从而启动第5个气缸推手把它分拣下来。如图4-7所示开关X022代表光电传感器，X023 X024分别为 限为位开关，丫011、丫012分别是第5个气缸推手的前行程、后行程动作开关。图4-7备用传感器检测分拣部分七、传送带控制部分我设计的传送带是由三相异步电动机来驱动的。当传感器检测到物料时，都会给 电动机一个停止的信号，这样方便实现分拣物料，当分拣完后再给电动机一个信号，使 它转动起来。不管哪个传感器有信号时都会给电动机一个信号，使它停止转动，等待气 缸推手把物料分拣下去。直

51、至这个传感器没有信号时传送带才又开始运行。下图就是实 现这种工作控制的梯形图。图4-8控制电动机部分梯形图以上是我关于分拣系统软件设计的各个组成部分， 梯形图的整体组合以及语句表的 我分别放在了附录A和附录E中了。第5章分拣系统与上位机的通信接口本课题还要还要实现与上位机的通信，我只负责下位机的设计，所以上位机我在这 里只稍微介绍一下。5.1数据通信概述数据通信包含的内容十分广泛，如计算机与计算机、计算机与外部设备、计算机内部设备之间的信息交换等均属于数据通信的范畴。数据通讯的实质是代表“1”和“ 0”的数字信号从源点通过通讯媒体向目标点的传送。数据通讯主要有并行通讯和串行通讯两种方式。一、并

52、行数据通信并行数据通信是指以字或字节为单位的数据传输方式。在这种传输方式中，除了传 输用的数据线外，还需要数据通信联络用的控制线，如图所示。图5-1并行数据通信示意图并行数据通信时，每次传送的数据位数多、速度快，但是信号的传输线开销大（数 据线的数量对应于传送的数据位数），成本高。并行数据通信常用于近距离、高速度的 数据传输场合。例如，计算机内部各部件之间的数据传输，计算机上向具有Centronices 接口的打印机的数据传送及具有IEEE488标准接口的设备之间的数据通信等。二、串行数据通信串行数据通信是指以位为单位的数据传输方式。在这种数据传输方式中，数据传输 在一个传输方向上只用一根通信

53、线。这根线既作为数据线又作为通信联络控制线。数据 和联络信号在这根线上按位进行传输。由于串行通信方式要求的传输信号线少，因此数 据传输的速度慢，常用于低速、远距离的通信场合。如计算机与计算机、计算机与有串 行接口的外部设备之间的数据交换等。串行数据通信按其传输的信息格式可分为异步通 信和同步通信两种方式。本次材料分拣系统与上位机的通信我采用的是异步串行通信方式。异步串行通信方式是按字符传输的，发送方每传送一个字符就用起始位通知接受对方，依此来重新核对 接收双方的同步。这样，即使接受双方的时钟频率略有偏差，也不会因偏差的累计而导 致错位。加上字符之间的空闲位也为这种通信提供了一种缓冲，所以异步串

54、行通信的可 靠性非常高。由于在每一个数据字符的发送过程中，异步串行通信方式都要花费时间来 传送起始位、停止位等附加的非有效信息位，因此它的传输效率低，但是我这个材料分 拣系统属于低速场合，所以异步串行通信方式还是比较适合的。同步串行通信方式中， 发送方和接受方要保持完全的同步，所以要求传输效率要非常高，但是它要求的硬件很 复杂，它只适合用于高速通信的场合。5.2 RS-232C串行通信接口在异步串行通信接口中我选择了 RS-232C串行通信接口。目前，PC系列微机中串行 接口标准是按照RS-232C通信接口标准进行数据传输的，由于RS-232C串行通信接口标 准是为公用通信网制定的，因此它与通

55、信设备连接最为方便。异步串行通信接口是微型计算机与外部设备的主要通信接口之一，只需要一条信号线就可以进行单向的数据传输。由于线路简单，价格较低，所以得到了广泛的应用。Y000Y002Y003pc机05Y007Y011X000X001X002X003X004X010X011X012X013X014X020X021X022X023X024COM2COM1图5-2 I/O 接口图上图为材料分拣系统的I/O接口图。一共有15个输入点，6个输出点。其中COM、 COM2分别是PC机配有的两个串行接口的标称。大多数微机的两个串行口通过一个 25 芯D型连接器和一个9芯的D型连接器与外界相连。我选用 COM

56、端口来实现通信。5.3 MCGS组态软件的简介与本材料分拣系统相连的上位机采用的是MCGS组态软件进行实时监控。MCGS(Monitor and Control Generated System是一套基于 Windows平台的，用于快速构造和 生成上位机监控系统的组态软件系统。下图5-3是组态软件的构成。图5-3 MCGS组态软件的构成MCGS设备进行通讯：MCGS!过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括 数据采集和发送设备指令。设备驱动程序是由VB VC程序设计语言编写的DLL(动态连 接库)文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态 的特征数据采集进来或发送

57、出去。MCG负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序， 将 数据传送到工程中各个部分，完成整个系统的通讯过程。每个驱动程序独占一个线程， 达到互不干扰的目的。结论与展望通过近一个学期的努力，终于完成了毕业设计。它作为检验一个大学生是否合格的 标准，因此我不敢有丝毫的马虎，每一不都踏踏实实的按设计要求来，在指导老师的精 心指导下完成每一个环节。对于本课题来讲，可以说是实现一个运动控制，即自动化技术与电气拖动技术的融 合。它体现了本专业的精髓。自 20世纪 80年代以来，运动控制理论已经并在日新月异 的变化着，各种先进技术已经被应用到工程实际中。 本课题是通过可编程序控制器 ( PLC) 来实现的，主体部分包括传感器、电动机和空气压缩机等。可以说本课题是一个大学生 综合素质的体现。为实现它需要做大量的工作，仅仅限于所学过的书本知识是远远不够 的，它不但需