【文章內容簡介】 元件稱為變換器；根據不同非電學量的特 點設計成的有關轉換裝置稱為傳感器，而被測的力學量（如位移、力、速度等）轉換成電容變化的傳感器稱為電容傳感器。從能量轉換的角度 而言，電容變換器為無源變換器，需要將所測的力學量轉換成電壓或電流后進行放大和處理。力學量中的線位移、角位移、間隔、距離、厚度、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行測量的量，而其測量方法的相互關系也很密切。另外，在有些條件下，這些力學量變化相當緩慢，而且變化范圍極小，如果要求測量極小距離或位移時要有較高的分辨率，其他傳感器很難做到實現 高分辨率要求，在精密測量中所普遍使 14 用的差動變壓器傳感器的分辨率僅達到 1～ 5 μm數量級；而有一種電容測微儀，他的分辨率為 μm，比前者提高了兩個數量級，最大量程為 100177。5 μm，因此他在精密小位移測量中受到青睞。 對于上述這些力學量，尤其是緩慢變化或微小量的測量，一般來說采用電容式傳感器進行檢測比較適宜，主要是這類傳感器具有以下突出優(yōu)點： (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 107數量級； (3)動態(tài)響應快，因其可動質量小， 固有頻率高，高頻特性既適宜動態(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材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高溫、低溫強磁場、強輻射下長期工作，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測難題。 顏色傳感器 選用 TAOS公司生產的，型號為 TCS230顏色傳感器。此傳感器為 RGB(紅綠藍 ) 顏色傳感器，可檢測目標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 27所示 圖 27 TCS230顏色傳感器 RGB 顏色傳感器介紹： TCS230 是美國 TAOS 公司生產的一種可編程彩色光到頻率的轉換器。該傳感器具有分辨率高、可編程的顏色選擇與輸出定標、單電源供電等特點；輸出為 數字量，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換器集成在一個單一的 CMOS 電路上，同時在單一芯片上還集成了紅綠藍 (RGB)三種 15 濾光器，是業(yè)界第一個有數字兼容接口的 RGB 彩色傳感器。 TCS230 的輸出信號是數字量，可以驅動標準的 TTL 或 CMOS 邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其它邏輯電路相連接。由于輸出的是數字量，并且能夠實現每個彩色信道 10 位以上的轉 換精度，因而不再需要 A/D 轉換電路，使電路變得更簡單。 TCS230 采用 8 引腳的 SOIC 表面貼裝式封裝，在單一芯片上集成有 64 個光電二極管。這些二極管共分為四種類型。其中 16 個光電二極管帶有紅色濾波器， 16 個光電二極管帶有綠色濾波器， 16 個光電二極管帶有藍色濾波器，其余 16 個不帶有任何濾波器，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，從而增加顏色識別的精確度；另一方面，相同顏色的16 個光電二極管是并聯(lián)連接的，均勻分布在二極管陣列中，可以消除顏色的位置誤差 。工作時，通過兩個可編程的引腳來動態(tài)選擇所需要的濾波器。該傳感器的典型輸出頻率范圍從 2Hz~500kHz，用戶還可以通過兩個可編程引腳來選擇 100%、20%或 2%的輸出比例因子，或電源關斷模式。輸出比例因子使傳感器的輸出能夠適應不同的測量范圍，提高了它的適應能力。 當入射光投射到 TCS230 上時，通過光電二極管控制引腳 S S3 的不同組合，可以選擇不同的濾波器；經過電流到頻率轉換器后輸出不同頻率的方波 (占空比是50%)，不同的顏色和光強對應不同頻率的方波；還可以通過輸出定標控制引腳 S0、S1 選擇不同的輸出比 例因子，對輸出頻率范圍進行調整，以適應不同的需求。 S0、 S1 用于選擇輸出比例因子或電源關斷模式； S 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)，當有多個芯片引腳共用微處理器的輸入引腳時，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 S S3 的可用組合。 表 2 S0、 S1 及 S S3 的組合選項 S0 S1 輸出頻率定標 S2 S3 濾波器類型 L L 關斷電源 L L 紅色 L H 20% L H 藍色 H L 20% H L 無 H H 100% H H 綠色 光電傳感器 光電傳感器是一種小型電子設備， 它可以檢測出其接收到的光強的變化。用來檢測 物體有無的光電傳感器是一種小的金屬圓柱形設備，發(fā)射器帶一個校準鏡頭，將光聚焦射向接收器， 接收器出電纜將這套裝置接到一個真空管放大器上。在金屬圓筒內有一個小的白熾燈做為光源。這些小而堅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 系列小型放大器內藏型光電傳感器。原理如圖 28 所示，其中負載可接至 PLC。 16 圖 28 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將可見光轉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變?yōu)樾盘柕淖兓缓蠼柚怆娫M一步將光信號轉換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件 3 部分組成。光電傳感器是將光信號轉換為電信號的光敏器件。它可用于檢測直接引起光強變化的非電量，也可用來檢測能轉換成光量變化的其他非電量。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數多。傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，體積小。近年來 ,隨著光電技術的發(fā)展，光電式傳感器已成為系 列產品，其品種及產量日益增加，用戶可根據需要選用各種規(guī)格的產品，它在機電控制、計算機、國防科技等方面的應用都非常廣泛。 步進電機 步進電機作為執(zhí)行機構用于帶動傳輸帶輸送物料前行，與旋轉編碼器連接在一起?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數，來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。 同 時，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)控制電機轉動的速度，達到調速的目的。步進電機選用的型號為 42BYGH101。 17 第 3 章 控制系統(tǒng)的軟件設計 軟件設計是 PLC控制系統(tǒng)的核心，程序設計的主要 任務是根據控制要求及工藝流程，畫出狀態(tài)流程圖并設計出梯形圖。 順序功能流程圖語言是為了滿足順序邏輯控制而設計的編程語言。編程時將順序流程動作的過程分成步和轉換條件，根據轉移條件對控制系統(tǒng)的功能流程順序進行分配，一步一步的按照順序動作。每一步代表一個控制功能任務，用方框表示。在方框內含有用于完成相應控制功能任務的梯形圖邏輯。這種編程語言使程序結構清晰，易于閱讀及維護，大大減輕編程的工作量，縮短編程和調試時間。用于系統(tǒng)的規(guī)模校大，程序關系較復雜的場合。 順序功能流程圖編程語言的特點：以功能為主線，按照功能流程的 順序分配，條理清楚，便于對用戶程序理解；避免梯形圖或其他語言不能順序動作的缺陷，同時也避免了用梯形圖語言對順序動作編程時，由于機械互鎖造成用戶程序結構復雜、難以理解的缺陷；用戶程序掃描時間也大大縮短。 控制系統(tǒng)流程圖設計 根據系統(tǒng)生產工藝的要求，分析各個設備的操作內容和操作順序，可畫出程序流程圖，如圖 31所示。 18 圖 31 控制系統(tǒng)流程圖 該系統(tǒng)可選擇連續(xù)或單次運行工作狀態(tài)。 若為連續(xù)運行狀態(tài)，則系統(tǒng)軟件設計流程圖中的汽缸 4 動作后，程序再轉到開始 。若為單次運行，則汽缸 4 動作后停機 。 如果需要，該系統(tǒng)可在分揀的同時對分揀的材料進行數量的統(tǒng)計，這只需在各汽缸動作的同時累計即可。應用高速計數器編制程序，可以實現系統(tǒng)的定位控制功能。用高速計數器計數步進電機轉過的圈數，來確定物料到達傳感器的距離，實現定位功能。定位時，電機停轉，計數器清零，傳感器開始工作，對物料進行分揀處理。 在汽缸 1～ 3 動作后，電機重新運行，高速計數器也重新計數。 如果相應的傳感器沒有檢測到物體，則電機重新運行，高速計數器也重新計數，繼續(xù) 運行到下一位置。 如果只對材料的某一特性進行分揀，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行修改即可。 控制系統(tǒng)程序設計 根據所繪流程圖，在 STEP7Micro/WIN40軟件中編寫梯形圖程序。程序清單見附錄。 19 此指令為高速脈沖輸出指令，當使能端輸入有效時，檢測用程序設置的特殊功能寄存器位，激活由控制位定義得脈沖操作，從 此指令為高速計數器定義指令，使能輸入有效時，為指定的高速計數器分配一種工作模式。 高速計數是用來累計比 PLC掃描頻率更高的脈沖輸入 此指令為高速計數器指令，使能輸入有效時，根據高速計數器特殊存儲器位的狀 態(tài)，并按照 HDEF指令指定的模式，設置高速計數器并控制其工作。 下面對所編寫梯形圖作簡要的介紹： 20 （ 1）以上為主程序，首先 ， ，為之后電動機得電做好準備， 。當 PLC處于 RUN模式時， ， 復位清零，并調用子程序。 （ 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行初始化，然后當 （下料傳感器）檢測到有料時，啟動 PLS（脈沖輸出）指令；如果 ，啟動定時器 T30，延時 30秒自動停機。 21 （ 3）以上為子程序中的高速計數指令，首先進行高速計數指令的初始化操作，當電機旋轉時，帶動光電碼盤發(fā)出脈沖，并輸入 PLC的接收端，由高速計數指令進行計數，計算步進電機轉過的步數，進行定位控制。其中設定預置值為 50，當計數至 50時，調用中斷程序。 22 23 （ 4）以上為中斷程序，當高速計數指令計數至預置值時，這時物料移動至傳感器的位置， ，導致高速脈沖輸出停止，步進電機停轉。由于汽缸動作需要 1秒，讓電機停轉一秒后繼續(xù)運轉。當物料被相應的傳感器檢測中后，相應的汽缸動作 ，將物料推下。 ， ， ， ， ，初始狀態(tài)為閉合， ， ， ， ， ，初始狀態(tài)為關斷。汽缸動作時，回位限位開關關斷，到達動作限位開關時，動作限位開關閉合。 24 第 4 章 控制系統(tǒng)的調試 在 PLC軟硬件設計完成后，應進行調試工作。因為在程序設計過程中，難免會有疏漏的地方，因此在將 PLC連接到現場設備之前，必需進行軟件測試，以排除程序中的錯誤，同時也為整體調試打好基礎，縮短整體調試的周期。另外，一些硬件如傳感器等 ，在使用前，也需事先調試好。 程序的模擬調試 將設計好的程序寫入 PLC 后，首先逐條仔細檢查，并改正寫入時出現的錯誤。用戶程序一般先在實驗室模擬調試，實際的輸入信號可以用鈕子開關和按鈕來模擬，各輸出量的通／斷狀態(tài)用 PLC 上有關的發(fā)光二極管來顯示，一般不用接 PLC實際的負載 (如接觸器、電磁閥等 )?？梢愿鶕δ鼙韴D，在適當的時候用開關或按鈕來模擬實際的反饋信號，如限位開關觸點的接通和斷開。對于順序控制程序，調試程序的主要任務是檢查程序的運行是否符合功能表圖的規(guī)定，即在某一轉換條件實現時，是否發(fā)生步的活動 狀態(tài)的正確變化，即該轉換所有的前級步是否變?yōu)椴换顒硬?，所有的后續(xù)步是否變?yōu)榛顒硬?，以及各步被驅動的負載是否發(fā)生相應的變化。 在調試時應充分考慮各種可能的情況，對系統(tǒng)各種不同的工作方式、有選擇序列的功能表圖中的每一條支路、各種可能的進展路線，都應逐一檢查，不能遺漏。發(fā)現問題后應及時修改梯形圖和 PLC 中的程序，直到在各種可能的情況下輸入量與輸出量之間的關系完全符合要求。 如果程序中某些定時器或計數器的設定值過大，為了縮短調試時間，可以在調試時將它們減小，模擬調試結束后再寫入它們的實際設定值。 在設計和模擬調試程序的同時，可以設計、制作控制臺或控制柜， PLC 之外的其他硬件的安裝、接線工作也可以同時進行。 程序的現場調試 完成上述的工作后，將 PLC安裝在控制現場進行聯(lián)機總調試，在調試過程中將暴露出系統(tǒng)中可能存在的傳感器、執(zhí)行器和硬接線等方面的問題，以及 PLC的外部 25 接線圖和梯形圖程序設計中的問題，應對出現的問題及時加以解決。如果調試達不到指標要求，則對相應硬件和軟件部分作適當調整，通常只需要修改程序就可能達到調整的目的。全部調試通過后，經過一段時間的考驗，系統(tǒng)就可以投入實際的運行了。 電感傳 感器的調試 在電感傳感器下方的傳送帶上，放置鐵質料塊，調整傳感器上兩螺母，使傳感器上下移動，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材料的檢出點。 電容傳感器的調試 在電容傳感器下方的傳送帶上，放置鋁質料塊，調整傳感器上兩螺母，使傳感器上下移動，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材料的檢出點。 顏色傳感器的調試 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，調節(jié)傳感器上的電位器，觀察窗口中紅綠（或藍）指示燈，當兩燈恰同時發(fā)光時，該靈敏點即為料塊顏色檢出點。（ 注：順時針旋轉檢測色溫向低端移動，否則反之） 系統(tǒng)調試 系統(tǒng)調試應首先按控制要求將電源、外部電路