【文章內(nèi)容簡介】 ）之一。 可編程控制器現(xiàn)在已經(jīng)成為了一個不可代替的控制系統(tǒng)，它們可以與其它系統(tǒng)通訊，提供產(chǎn)品報表，生產(chǎn)調(diào)度，診斷自身和設(shè)備的故障，這些技術(shù)上的改進(jìn)，讓山東華宇職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物料分揀系統(tǒng)設(shè)計 17 PLC 成為今天的各行各業(yè)的高質(zhì)量和產(chǎn)量的重要的貢獻(xiàn)者。 PLC基本結(jié)構(gòu)和工作原理 基本結(jié)構(gòu) 目前，可編程序控制器的產(chǎn)品很多，不同廠家生產(chǎn)的 PLC 以及同一廠家 生產(chǎn)的不同型號的 PLC，其結(jié)構(gòu)各不相同，但就其基本組成和基本工作原理而言，是大致相同的。它們都是以微處理器為核心的結(jié)構(gòu)，其功能的實(shí)現(xiàn)不僅基于硬件的作用，更要靠軟件的支持。實(shí)際上可編程序控制器就是一種新型的工業(yè)控制計算機(jī)。 PLC硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框 如下圖所示 PLC 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 1 中央處理器（ CPU） 中央處理器是可編程控制器的核心，它在系統(tǒng)程序的控制下，完成邏輯運(yùn)算、數(shù)學(xué)運(yùn)算、協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作任務(wù)等。 2 存儲器 存儲器是可編程控制器存放系統(tǒng)程序、用戶程序以及 運(yùn)算數(shù)據(jù)的單元?？删幊绦蚩刂破髋溆袃煞N存儲器，即系統(tǒng)存儲器 (EPROM)和用戶存儲器 (RAM)。 3 輸入輸出接口 輸入輸出接口是可編程控制器和工業(yè)控制現(xiàn)場各類信號連接的部分。 輸入口用山東華宇職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物料分揀系統(tǒng)設(shè)計 18 來接收生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，輸出口用來送出可編程控制器的運(yùn)算后得出的控制信息，并通過機(jī)外的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成工業(yè)現(xiàn)場的各類控制。按照信號的種類歸類有直流信號輸入、輸出，交流信號的輸入、輸出；按照信號的輸人、輸出形式分有數(shù)字量輸入、輸出，開關(guān)量輸入、輸出，模擬量輸入、輸出。 下面通過開關(guān)量輸入、輸出模塊來說明 I/O 模塊與 CPU 的連接方式。 (1)開關(guān)量輸入模塊 開關(guān)量輸人設(shè)備是各種開關(guān)、按鈕、傳感器等，其信號可能是交流電壓 (110 V 或 220 V)，直流電壓 (12～ 24 V)等。因此，輸入模塊要能將生產(chǎn)現(xiàn)場的信號轉(zhuǎn)換成 CPU 能接收的 TTL 標(biāo)準(zhǔn)電平的數(shù)字量信號。對于開關(guān)量中交流輸入模塊的工作原理，只是在輸人端先通過整流將交流輸入信號變成直流信號，其他與開關(guān)量直流輸入模塊工作原理相同。 (2)開關(guān)量輸出模塊 輸出模塊的作用是將 CPU執(zhí)行用戶程序所輸出的 TTL電平的控制信號轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)現(xiàn)場所需的，能 驅(qū)動特定設(shè)備的信號，以驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作。 通常開關(guān)量輸出模塊有三種形式，即繼電器輸出、晶體管輸出和雙向晶閘管輸出。繼電器輸出可接直流或交流負(fù)載，晶體管輸出屬直流輸出，只能接直流負(fù)載。當(dāng)開關(guān)量輸出的頻率低于 1000 Hz，一般選用繼電器輸出模塊。當(dāng)開關(guān)量輸出的頻率大于 1 000 Hz，一般選用晶體管輸出。而雙向晶閘管輸出屬交流輸出。對于繼電器輸出型， CPU 輸出時接通或斷開繼電器的線圈，繼電器的觸點(diǎn)閉合或斷開，通過繼電器觸點(diǎn)控制外電路的通斷。對于晶體管輸出型，則是通過光電耦合使開關(guān)晶體管截止或飽和導(dǎo)通 以控制外部電路。對于晶閘管輸出型，采用的是光觸發(fā)型雙向晶閘管。 4 電源 可編程控制器的電源包括可編程控制器各工作單元供電的開關(guān)電源以及為掉電保護(hù)電路供電的后備電源，后者一般為電池。 5 外部設(shè)備 編程器是 PLC 的重要外部設(shè)備，利用編程器可將用戶程序送人 PLC 的用戶程序存儲器，調(diào)試程序、監(jiān)控程序的執(zhí)行過程。編程器從結(jié)構(gòu)上可分為以下三種類型。 (1)簡易編程器 (2)圖形編程器 (3)通用計算機(jī)編程。 山東華宇職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物料分揀系統(tǒng)設(shè)計 19 基本工作原理 我們已經(jīng)知道 PLC 是一種存儲程序的控制器。用戶根據(jù)某一對象的具體控制要求，編制好控制 程序后，用編程器將程序鍵人到 PLC 的用戶程序存儲器中寄存。PLC 的控制功能就是通過運(yùn)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)的。 PLC 運(yùn)行程序的方式與微型計算機(jī)相比有較大的不同，微型計算機(jī)運(yùn)行程序時，一旦執(zhí)行到 END 指令，程序運(yùn)行結(jié)束。而 PLC 從 0000 號存儲地址所存放的第一條用戶程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)的情況下，按存儲地址號遞增的方向順序逐條執(zhí)行用戶程序，直到 END 指令結(jié)束。然后再從頭開始執(zhí)行，并周而復(fù)始地重復(fù)，直到停機(jī)或從運(yùn)行 (RUN)切換到停止 (STOP)狀態(tài)。我們把 PLC 這種執(zhí)行程序的方式稱為掃描工作方式。每掃 描完一次程序就構(gòu)成一個掃描周期。另外， PLC對輸入、輸出信號的處理與微型計算機(jī)不同。微型計算機(jī)對輸入、輸出信號實(shí)時處理，而 PLC 對輸入、輸出信號是集中批處理。下面我們具體介紹 PLC 的掃描工作過程。 PLC 掃描工作方式主要分三個階段：輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新。 1)輸入采樣 PLC 在開始執(zhí)行程序之前，首先掃描輸入端子，按順序?qū)⑺休斎胄盘?，讀人到寄存輸入狀態(tài)的輸入映像寄存器中，這個過程稱為輸入采樣。 PLC 在運(yùn)行程序時，所需的輸入信號不是現(xiàn)時取輸人端子上的信息 ，而是取輸入映像寄存器中的信息。在本工作周期內(nèi)這個采樣結(jié)果的內(nèi)容不會改變，只有到下一個掃描周期輸入采樣階段才被刷新。 2)程序執(zhí)行 PLC 完成了輸入采樣工作后，按順序從 0000 號地址開始的程序進(jìn)行逐條掃描執(zhí)行，并分別從輸人映像寄存器、輸出映像寄存器以及輔助繼電器中獲得所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。再將程序執(zhí)行的結(jié)果寫入寄存執(zhí)行結(jié)果的輸出映像寄存器中保存。但這個結(jié)果在全部程序未被執(zhí)行完畢之前不會送到輸出端子上。 3)輸出刷新 在執(zhí)行到 END 指令，即執(zhí)行完了用戶的所有程序后， PLC 將 輸出映像寄存器中的內(nèi)容送到輸出鎖存器中進(jìn)行輸出，驅(qū)動用戶設(shè)備。 PLC掃描過程示意圖如 下圖所示。 山東華宇職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物料分揀系統(tǒng)設(shè)計 20 PLC掃描過程示意圖 PLC 工作過程除了包括上述三個主要階段外，還要完成內(nèi)部處理、通信處理等工作，在內(nèi)部處理階段， PLC檢查 CPU模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。在通信服務(wù)階段， PLC 與其他的帶微處理器的智能裝置實(shí)現(xiàn)通信。 第 2章 設(shè)備選型及硬件電路的設(shè)計 材料分揀系統(tǒng)的主要硬件結(jié)構(gòu) 及工作過程 該系統(tǒng)采用臺式結(jié)構(gòu)，內(nèi)置電源，設(shè)置的轉(zhuǎn)接面板上設(shè)計了可與 PLC連接 的轉(zhuǎn)接口。其外形結(jié)構(gòu)、各傳感器 、氣缸等 位置見圖 山東華宇職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物料分揀系統(tǒng)設(shè)計 21 材料分揀系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)圖 材料分揀系統(tǒng)的各部分的結(jié)構(gòu)如下： 操作面板 單向感應(yīng)電動機(jī) 三菱 PLC 內(nèi)置電源 傳送帶 擋板 放 料 庫 1 1 1先導(dǎo)式電磁換向閥 1 1 1 2 2氣缸回位限位開關(guān)（磁感應(yīng)開關(guān)） 1 1 1 2氣缸動作限位開關(guān)（磁感應(yīng)開關(guān)） 2電容傳感器 SB（檢測非金屬） 2顏色傳感器 SC（檢測顏色） 2電感傳感器 SA（檢測金屬材料 ） 2 2 導(dǎo)料軌道 3 頂料缸 山東華宇職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物料分揀系統(tǒng)設(shè)計 22 3 推料缸 1 3 推料缸 2 3 推料缸 3 3 推料缸 4 材料分揀系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)的功能 ： 放料庫 (圖 6中的 8)是一個材料自動出庫的裝置，底部有一個光電傳感器。使用時可先人為地將材料放入料 庫 中 時 ，此時光電傳感器檢測到料塊時系統(tǒng)開始運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時，啟動傳送帶（圖 6 中的 6）并由出料氣缸（圖 6中的 36）將料庫內(nèi)底層材料推入傳送帶。傳送帶是由單向感應(yīng)電機(jī) (圖 6中的 2)驅(qū)動的皮帶式輸送裝置。為了防止氣缸的壓力過大而導(dǎo)致材料被打飛，所以在出料口加了擋板（圖 6中的 7）。 自 動分 揀 部分由傳感器（圖 6 中的 2 2 26）、先導(dǎo)式電磁換向閥（圖 6中的 1 12）、氣缸（圖 6中的 3 3 3 35）及導(dǎo)料軌道（圖 6中的 2 2 30）組成。當(dāng)傳感器檢測到相應(yīng)料塊時，對應(yīng)的先導(dǎo)式電磁換向閥動作驅(qū)動氣缸動作將其推人應(yīng)去的滑道。例如：當(dāng)電感傳感器感應(yīng)到鐵塊時，氣缸（圖 6 中的 32） 動作，將鐵塊 上面的物料頂住，氣缸 36動作將物料推到傳送帶上，當(dāng)電感傳感器檢測到物料時，氣缸 33 動作將物料推入導(dǎo)料軌道中 （圖 6 中的 30）。 在氣壓傳動系統(tǒng)中，組成氣動回路是為了驅(qū)動用于各種不同目的 機(jī)械裝置，其最重要的三個控制內(nèi)容是：力的大小、運(yùn)動的方向和運(yùn)動的速度。與生產(chǎn)裝置相連接的各種類型的氣缸，靠壓力控制閥、方向控制閥和流量控制閥分別實(shí)現(xiàn)對三個內(nèi)容的控制，正是利用它們組成了各種氣動控制回路。材料分揀系統(tǒng)選用的是方向控制閥中的先導(dǎo)式電磁換向閥。氣動換向閥是利用電磁力的作用來實(shí)現(xiàn)閥的換向的。主要有電磁部分和主閥兩部分組成，按照控制方式的不同可以分為直動式和先導(dǎo)式。先導(dǎo)式電磁換向閥首先由直動式電磁閥（先導(dǎo)閥）提供控制氣壓，再去控制主閥（氣控閥）閥芯的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)主閥的換向。因?yàn)檫@種閥的輸出流量較大，故常 作為控制氣缸的主控閥。 當(dāng)傳感器感應(yīng)到有材料通過時，輸出一個信號，這個信號通過 PLC 實(shí)現(xiàn)對先導(dǎo)式電磁換向閥的控制，先導(dǎo)式電磁換向閥又控制相對應(yīng)的氣缸來彈出材料到導(dǎo)山東華宇職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物料分揀系統(tǒng)設(shè)計 23 料軌道。 每個氣缸上都有兩個磁感應(yīng)開關(guān)，它們是有開關(guān)量輸入輸出的傳感器。分別作為氣缸 動作 限位開關(guān) 和 氣缸 回位 限位開關(guān)。 電 感 傳感器 是一種屬于金屬感應(yīng)的線性器件，接通電源后，在傳感器的感應(yīng)面將產(chǎn)生一個交變磁場，當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時，金屬中則產(chǎn)生渦流而吸取了振蕩器的能量，使振蕩器輸出幅度線性衰減，然后根據(jù)衰減量的變化來完成無接觸檢測物體的目的。 當(dāng)氣缸動作時動作限位開關(guān)斷開，氣缸快速彈出，此時先導(dǎo)式電磁閥復(fù)位，當(dāng)氣壓太大時而氣缸沒有復(fù)位時氣缸復(fù)位限位開關(guān)感應(yīng)動作從而關(guān)閉先導(dǎo)式電磁閥從而起到保護(hù)氣缸的作用。 導(dǎo)料軌道（圖 6中的 2 2 ）主要作用是當(dāng)氣缸推出材料時導(dǎo)出材料。 轉(zhuǎn)接板上有相對應(yīng)的指示燈，用于指示各個輸入輸出信號的指示以便于我們進(jìn)一步控制。 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能產(chǎn)生電磁場的振蕩感應(yīng)頭時，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個渦 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)用該器件來檢測 金屬 材料。 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)。它的測量頭通常是構(gòu)成電容器的一個極板 ,而另一個極板是待測物體的本身。當(dāng)物體移向接近開關(guān)時，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測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。本裝置中電容傳感器是用于檢測 非金屬 材料。 顏色傳感器同樣也屬于具有開關(guān)量輸出的位置傳感器。它是在 Si 等多數(shù)光電二極管之前，分別放置 R（紅）、 G（綠）、 B（藍(lán)）三種顏色的彩色濾光器，以便處理各自的輸出信號并識別彩色的方法。材料分揀系統(tǒng)采用它主要是用來識別白色 的材料。 單向感應(yīng)電動機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于帶動傳輸帶輸送物料前行。 控制器采用三菱 FX2N32MR 型 PLC（圖 6中的 3）。它接受 放料庫的 光電傳感器、各材料傳感器、先導(dǎo)式電磁換向閥、單向感應(yīng)電動機(jī)、氣缸位置傳感器的山東華宇職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物料分揀系統(tǒng)設(shè)計 24 信號，根據(jù)要求分別控制輸送帶電機(jī)和各電磁閥動作。 內(nèi)置電源（圖 6中的 5 ）可以將 220 交流電轉(zhuǎn)換成 24伏的直流電供給各個傳感器與 氣閥以及轉(zhuǎn)接板上的各個指示燈，同時也為單向感應(yīng)電動機(jī)提供穩(wěn)定的220 伏電壓。 本系統(tǒng)共設(shè)置了三個檢測材料的傳感器，同時預(yù)留了一個空余的氣閥與氣缸用來添加其它的傳感器。用戶可以根據(jù)自己的需求選擇相應(yīng)的傳感器安裝即可。 該 課題是基于區(qū)分材料的材質(zhì)的不同而設(shè)計的材料分揀系統(tǒng)，主要是實(shí)現(xiàn)對金屬 、 非金屬和白色 的材料的自動分揀。