【正文】 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 系統(tǒng)的控制要求 系統(tǒng)利用各種傳感器對(duì)待測(cè)材料進(jìn)行檢測(cè)并分類。當(dāng)待測(cè)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(cè)。如果被某種傳感器測(cè)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 5 （ 2）電機(jī)運(yùn)行，帶動(dòng)傳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(cè)到鐵物料時(shí)，推汽缸 1 動(dòng)作 （ 5）當(dāng)電容傳感器檢測(cè)到鋁物料時(shí)，推汽缸 2 動(dòng)作 （ 6）當(dāng)顏色傳感器檢測(cè)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) 6 第 2 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(duì)象對(duì) 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)。 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 21 所示。 圖 21 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖 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(hào)，然后進(jìn)行 I/O分配。 用戶存儲(chǔ)容量的選擇 存儲(chǔ)容量是可編程控制器本身能提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元大小，因此程序容量小于存儲(chǔ)容量。 PLC 用戶程序所需內(nèi)存容量一般與開關(guān)量輸入、輸出點(diǎn)數(shù)、模擬量輸入輸出點(diǎn)數(shù)以及用戶 7 程序達(dá)的編寫質(zhì)量等有關(guān)。對(duì)于控制較復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理量較大的系統(tǒng)，要求存儲(chǔ)容量大些。對(duì)于同樣的系統(tǒng)，不同用戶編寫的程序可能會(huì)使程序長(zhǎng)度和執(zhí)行時(shí)間差距很大。對(duì) PLC 用戶程序存儲(chǔ)容量的估算，可用下面推薦的經(jīng)驗(yàn)公式： 存儲(chǔ)器總字節(jié)數(shù) =（開關(guān) 量 I/O 點(diǎn)數(shù) *10） +（模擬量點(diǎn)數(shù) *150） 按經(jīng)驗(yàn)公式所得的存儲(chǔ)器總字節(jié)數(shù)要考慮 25%的余量。因?yàn)樯厦娼?jīng)過分析需要 12 個(gè)輸入點(diǎn)， 12 個(gè)輸出點(diǎn)，這樣就總共 24 個(gè) I/O 點(diǎn)數(shù)。 因此，存儲(chǔ)器總字節(jié)數(shù)≥ 24*10=240。 根據(jù)控制要求，輸入應(yīng)該有 2 個(gè)開關(guān)信號(hào)， 6 個(gè)傳感器信號(hào)，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(cè)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(hào)，每個(gè)汽缸有動(dòng)作限位和回位限位，共計(jì) 10 個(gè)信號(hào)。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。 PLC 型號(hào)的選擇 在 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。 PLC 及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標(biāo)準(zhǔn)的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則選型所選用 PLC 應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運(yùn)業(yè)績(jī)、成熟可靠的系統(tǒng)， PLC 的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和控制要求相適應(yīng)。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語(yǔ)言有利于縮短編程時(shí)間，因此，工程設(shè)計(jì)選型和估 算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定 PLC 的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的 PLC 和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 在選用 PLC 型號(hào)時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)問題： 1． 輸出點(diǎn)數(shù)是衡量 PLC 規(guī)模大小的重要指標(biāo)。因此，在選用 PLC 時(shí)，首先要確保有足夠的 I/O 點(diǎn)數(shù)，并留有一定的余地，一般可考慮 10%15%的備用量； 2． 存儲(chǔ)容量是可編程控制器本身能提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使 用的存儲(chǔ)單元大小，因此程序容量小于存儲(chǔ)容量。 PLC 用戶程序所需內(nèi)存容量一般與開關(guān)量輸入、輸出點(diǎn)數(shù)、模擬量輸入輸出點(diǎn)數(shù)以及用戶程序達(dá)的編寫質(zhì)量等有關(guān)。對(duì)于控制較復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理量較大的系統(tǒng)，要求存儲(chǔ)容量大些。對(duì)于同樣的系統(tǒng)，不同用戶編寫的程序可能會(huì)使程序長(zhǎng)度和執(zhí)行時(shí)間差距很大； 8 3． 輸入 /輸出模塊的選擇。輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對(duì)輸入模塊，應(yīng)考慮信號(hào)電平、信號(hào)傳輸距離、信號(hào)隔離、信號(hào)供電方式等應(yīng)用要求。對(duì)輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價(jià)格低、使用電壓范圍廣、 壽命短，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。選擇哪一種功能的輸入 /輸出模塊和哪一種輸出形式，取決于控制系統(tǒng)中輸入 /輸出信號(hào)的種類、參數(shù)要求和技術(shù)要求。例如，輸入模塊分為直流 5V、 12V、 24V、 48V、 60V 幾種，交流 115V和 220V 兩種。一般應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與模塊之間的距離來選擇電壓的大小 。 4． PLC機(jī)型要統(tǒng)一，即使在一個(gè)工廠， PLC使用的機(jī)型要盡量統(tǒng)一，以便于維護(hù)和管理。這樣有利于 PLC應(yīng)用技術(shù)水平的提高和功能的開發(fā)，同時(shí)可使多臺(tái) PLC共用一個(gè)編程器，經(jīng)濟(jì)也合算。 根據(jù)上面所確定的 I/ O 點(diǎn)數(shù) ， 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 S7200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。 PLC 的輸入輸出端子分配 根據(jù)所選擇的 PLC型號(hào)，對(duì)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 輸 入 部 分 UCP(計(jì)數(shù)傳感器 ) 接旋轉(zhuǎn)編碼器 SN(下料傳感器 ) 判斷下料有無 SA(電感傳感器 ) SB(電容傳感器 ) SC(顏色傳感器 ) SD(備用傳感器 ) SFW1(推氣缸 1 動(dòng)作限位 ) SEW2(推氣缸 2 動(dòng)作限位 ) SFW3(推氣缸 3 動(dòng)作限位 ) SFW4(推氣缸 4 動(dòng)作限位 ) SFW5(下料氣缸動(dòng)作限位 ) SBW1(推氣缸 1 回位限位 ) SBW2(推氣缸 2 回位限位 ) 9 SBW3(推氣缸 3 回位限位 ) SBW4(推氣缸 4 回位限位 ) SBW5(下料氣缸回位限位 ) SB1(啟動(dòng) ) SB2(停止 ) 輸 出 部 分 M(輸送帶電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 ) YV1(推氣缸 1 電磁閥 ) YV2(推氣缸 2 電磁閥 ) YV3(推氣缸 3 電磁閥 ) YV4(推氣缸 4 電磁閥 ) YV5(下料氣缸電磁閥 ) 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 22所示。 圖 22 PLC輸入輸出接線端子圖 10 檢測(cè)元件與執(zhí)行裝置的選擇 按鈕的選用 控制按鈕是一種短時(shí)接通或斷開小電流電路的電器。它不直接控制主電路的通斷，而在控制電路中發(fā)出“指令”去控制接觸器、繼電器等電器，再由它們?nèi)タ刂浦麟娐贰? 常見的控制按鈕有 LA系列和 LAY1系列。 LA系列按鈕的額定電壓為交流 500V、額定電流為 5A； LAY1 系列按鈕的額定電壓為交流 380V、直流 220V，額定電流為5A。按鈕帽有紅、綠 、黃、白等顏色，一般紅色用作停止按鈕，綠色用作啟動(dòng)按鈕。 待機(jī)控制按鈕 SB1和停機(jī)控制按鈕 SB2選擇 LAY1系列控制按鈕，電壓 220V，電流 5A。其中待機(jī)控制按鈕為綠色，停機(jī)控制按鈕為紅色。 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(duì)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(hào)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 E6A2CW5C 旋轉(zhuǎn)編碼器 ,原理如圖 23 所示。 11 圖 23 旋轉(zhuǎn)編碼器原理示意圖 旋轉(zhuǎn)編碼器介紹：旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測(cè)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測(cè)量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。編碼器如以信號(hào)原理來分，可分為增量脈沖編碼器（ SPC）和絕對(duì)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(cè)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(jí)，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(hào)組合成 A、 B、 C、 D，每個(gè)正弦波相差 90 度相位差（相對(duì)于一個(gè)周波為 360 度），將 C、 D 信號(hào)反向，疊加在 A、B 兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)；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 5~10000 線。 信號(hào)輸出 : 信號(hào)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(zhǎng)線差分驅(qū)動(dòng)（對(duì)稱 A， A； B， B； Z， Z）， HTL 也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號(hào)接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對(duì)應(yīng)。信號(hào)連接：編碼器的脈沖信號(hào)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(cè)速。 A、 B 兩相聯(lián)接，用于正反向計(jì)數(shù)、判斷光電碼盤 12 正反向和測(cè)速。 A、 B、 Z 三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測(cè)量。 A、 A， B、B， Z、 Z連接，由于帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)的連接，電流對(duì)于電纜貢獻(xiàn)的電磁場(chǎng)為 0，衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠(yuǎn)的距離。 對(duì)于 TTL 的帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá) 150 米。 對(duì)于 HTL 的帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá) 300 米 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(cè)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(chǎng)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，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 24，原理圖如圖 25。 圖 24 M18X1X40 DC二線常開式電感傳感器接線圖 圖 25 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(cè)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： ① 無活動(dòng)觸點(diǎn)、可靠度高、壽 13 命長(zhǎng)； ② 分辨率高； ③ 靈敏度 高； ④ 線性度高、重復(fù)性好； ⑤ 測(cè)量范圍寬（測(cè)量范圍大時(shí)分辨率低）； ⑥ 無輸入時(shí)有零位輸出電壓，引起測(cè)量誤差； ⑦ 對(duì)激勵(lì)電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高； ⑧ 不適用于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。電感式傳感器主要用于位移測(cè)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(cè)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。 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(cè)量頭通常是構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，而另一個(gè)極板是待測(cè)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(cè)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 25，原理圖如圖 26。 圖 26 電容傳感器工作原理圖 電容傳感器介紹： 用電測(cè)法測(cè)量非電學(xué)量時(shí)，首先必須將被測(cè)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