【正文】 用。所以為了提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的競爭能力，我們必須加大對自動分揀系統(tǒng)的普及與應用 。 物料分揀采用可編程控制器 PLC 進行控制，能連續(xù)、大批量地分揀貨物，分揀誤差率低且勞動強度大大降低，可顯著提高勞動生產(chǎn)率。 其設計采用標準化、模塊化的組裝，具有系統(tǒng)布局靈活，維護、檢修方便等特點，受場地原因影響不大。 本論文研究的主要內(nèi)容 在本文中，以貨物材料的分揀系統(tǒng)為例，詳細的分析了在基于 PLC 控制的自動分揀系統(tǒng)的設計，文中介紹了分揀系統(tǒng)中信號的采集分析中傳感器的一些基本知識，并通過要求與比較，確定了硬件系統(tǒng)中的一些元器件的選擇與確定了 PLC的選型。 在本系統(tǒng)完成其設計之后，對其進行整體調(diào)試。將硬件各部分的 動作幅度進行調(diào)試之后，進行了軟硬件綜合調(diào)試，實現(xiàn)材料分揀系統(tǒng)中上料、傳送與分揀的全過程。本章主要介紹分揀裝置的工作過程及控制要求。 材料分揀裝置工作過程概述 如圖 21 所示為本分揀裝置的結構示意圖。選用顏色識別傳感器及對不同材料敏感的電容式和電感式傳感器，分別固定在網(wǎng)板上，且允許重新安裝傳感器排列位置或選擇網(wǎng)板不同區(qū)域安裝。物料傳感器 SA 為電感傳感器，當檢測出物料為鐵質(zhì)物料時，反饋信號送 PLC，由 PLC 控制氣動閥 1 動作選出該物料；物料傳感器 SB 為電容傳感器，當檢測出物料為鋁質(zhì)物料時，反饋信號送 PLC, PLC控制氣動閥 2 動作選出該物料；物料傳感器 SC 為顏色傳感器，當檢測出物料的顏色為待檢測顏色時， PLC 控制氣動閥 3 動作選出該物料 。當最后一種物料經(jīng)過被檢測到時， PLC 控制氣動閥 4 動作選出該物料，完成分揀任務。 功能要求 材料分揀裝置應實現(xiàn)基本功能如下 （ 1）分揀出金屬和非金屬 （ 2）分揀某一顏色塊 （ 3）分揀出非金屬中 某一顏色塊 （ 4）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)利用各種傳感器對待測材料進行檢測并分類。如果被某種傳感器測中，通過相應的氣動裝置將其推入料箱；否則，繼續(xù)前行。 系統(tǒng)的硬件結構 設計系統(tǒng)的硬件結構框圖，如圖 31 所示。 系統(tǒng)對 PLC 的要求 （ 1）功能要求 在滿足一般開關量輸入信號控制要的同時，系統(tǒng)要進行步進電機控制，要求輸出脈沖信號，所以輸出類型為繼電器輸出形式。相應地，有 5 個汽缸運動位置信號，每個汽缸有動作限位和回位限位，共計10 個信號。共需 I/ O 點 24 個，其中 18 個輸入， 6 個輸出。 例如： SIEMENS 的 S7200 系列（如圖 32）； OMRON 的 CPM2A 系列； MITSUBISHI的 FX 系列； AB 的 SCL500 系列等整體式 PLC 產(chǎn)品。用戶程序存儲器容量在 8K字左右。 3）大型機 大型 PLC 的輸入、輸出總點數(shù)在 2048 點以上，用戶程序存儲器容量達到 16K字以上。 ② 按結構形式分 根據(jù) PLC 的結構形式的不同， PLC 主要分為整體式和模塊式兩種。 小型 PLC 一般 為整體式結構。 目前，大中型 PLC 均采用模塊式結構（如圖 33 所示） 圖 33 大中型模塊式 PLC 9 （ 2） PLC 種類及型號選擇 PLC 種類較多，主要有西門子、三菱、 OMRON、 FANAC、東芝等，但能配套生產(chǎn)，大、中、小、微型均有配套且目前用得最廣泛的的主要是西門子、三菱、 OMRON的 PLC。本系統(tǒng)可選擇 PLC 型號為：S7200226（如圖 34）， 它有 24 個輸入點， 16 個輸出點，滿足本系統(tǒng)的要求。 11 圖 35 PLC 輸入輸出接線端子圖 檢測元件與執(zhí)行裝置的選擇 輸入電氣元件 （ 1）電感傳感器 電 感式接近開關屬于有開關量輸出的位置傳感器，用來檢測金屬物體。 這個渦流反作用于接近開關，使接近開關振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化。本系統(tǒng)選用 M18X1X40 電感傳感器，用該器件來檢測鐵質(zhì)材料。 圖 36 M18X1X40 DC 二線常開式電感傳感器接線圖 12 圖 37 電感傳感器工作原理圖 電感傳感器介紹： 由鐵 心和線圈構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。當把線圈接入測量電路并接通激勵電源時，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。電感式傳感器主要用于位移測量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測量。在實際應用中，這三種傳感器多制成差動式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。 它的測量頭通常是構成電容器的一個極板，而另一個極板是待測物體的本身。由此，便可控制開關的接通和關斷。 13 圖 37 電容傳感器工作原理圖 電容傳感器介紹： 用電測法測量非電學量時，首先必須將被測的非電學量轉(zhuǎn)換為電學量而后輸入之。從能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電壓或電流后進行放大和處理。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(xiàn)高分辨率要 求，在精密測量中所普遍使用的差動變壓器傳感器的分辨率僅達到 1～ 5 μm 數(shù)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(shù)量級，最大量程為 100177。 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(shù)量級； ③ 動態(tài)響應快，因其可動質(zhì)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。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。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(shù)字量，可直接與微處理器連接。 TCS230 的輸出信號是數(shù)字量，可以驅(qū) 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。 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。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。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。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。 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 32 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 （ 4） 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。在金屬圓筒內(nèi)有一個小的白熾燈做為光源。本系統(tǒng)選用 FPG 系列小型放大器內(nèi)藏型光電傳感器。 圖 39 FPG光電傳感器原理圖 16 光電傳感器介紹：光電傳感器是指能夠?qū)⒖梢姽廪D(zhuǎn)換成某種電量的傳感器。光電傳感器一般由 光源、光學通路和光電元件 3 部分組成。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(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，體積小。 輸出電氣元件 （ 1） 旋轉(zhuǎn)編碼器 旋轉(zhuǎn)編碼器是與步進電機連接在一起， 在本系統(tǒng)中可用來作為控制系統(tǒng)的計數(shù)器，并提供脈沖輸入。 傳送至相應的傳感器時，發(fā)出信號到 PLC ，以進行分揀，也可用來控制步進電機的轉(zhuǎn)速。 圖 310 旋轉(zhuǎn)編碼器原理 旋轉(zhuǎn)編碼器介紹：旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量轉(zhuǎn)速的裝置。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。編碼器如以信號原理來分，可分為增量脈沖編碼器（ SPC）和絕對脈沖編碼器（ APC）兩者一般都應用于速度控制或位置控制系統(tǒng)的檢測元件。 工作原理如下：由一個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組合成 A、 B、 C、 D，每個正弦波相差 90 度相位差（相對于一個周波為 360 度），將 C、 D 信號反向，疊加在 A、B 兩相上，可增強穩(wěn)定信號；另每轉(zhuǎn)輸出一個 Z 相脈沖以代表零位參考位。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。信號連接：編碼器的脈沖信號一般連接計數(shù)器、 PLC、計算機， PLC 和計算機連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關頻率有低有高。 A、 B 兩相聯(lián)接，用于正反向計數(shù)、判斷正反向和測速。 A、 A， B、 B， Z、 Z連接，由于帶有對稱負信號的連接，電流對于電纜貢獻的電磁場為 0，衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠的距離。 對于 HTL 的帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達 300 米。這五個閥分別 對推料、金屬鐵、金屬鋁、紅色非金屬和黑色非金屬氣缸的氣路進行控制，以 改變各自的動作狀態(tài)。在進行設備調(diào)試時，使手控開關處于開啟位置，可以使用手控開關對電磁閥組進行控制，從而實現(xiàn)對相應氣路的控制，以改變推料缸等執(zhí)行機構的控制，達到調(diào)試的目的。 執(zhí)行電氣元件 （ 1） 泵的認識與選擇 氣泵包括：空氣壓縮機安全保護器、儲氣罐、主管道過濾器、壓力開關、過載壓力表、氣源開關（如圖 311 所示） 圖 311 氣泵及其周圍元件 氣 源處理組件是氣動控制系統(tǒng)中的基本組成器件，它的作用是除去壓縮空氣中所含的雜質(zhì)及凝結水，調(diào)節(jié)并保持恒定的工作壓力。氣源處理組件的氣路入口處安裝一個快速氣路開關，用于啟 /閉氣源，當把氣路開關向左拔出時，氣路接通氣源，反之把氣路開關向右推入時氣路關閉。按結構和工作原理可分為速度型和容積型兩大類。容積型結構簡單、使用方便。 .空壓機供氣量的大小應包括：目前氣動系統(tǒng)中各設備所需的耗氣量、考慮未來擴充設備所需耗氣量及修正系數(shù)（如避免空壓機在全負荷下不停地運轉(zhuǎn)、氣動元件和管接頭的漏損及各種氣動設備是否同時連續(xù)使用等）。一般可取 =～。 圖 32 壓縮機及儲氣罐 （ 3） 儲氣罐 儲氣罐可以調(diào)節(jié)氣流，減少輸出氣流的脈動，使輸出氣流連續(xù)和氣壓穩(wěn)定，也可以作為應急氣源使用，還可以進一步分離油水雜質(zhì)（如圖 32 所示）。罐的型式可分為立式和臥式兩種。 20 （ 4）推料氣缸 本系統(tǒng)的推料氣缸由單向電控閥控制?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)，來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。步進電機選用的 型號為 42BYGH101。15% 輸出電壓： DC24伏 DADONG 14 滑槽 4 鋁合金 15 傳送帶 1 22 第 4 章 控制系統(tǒng)的軟件設計 第三章 中已對系統(tǒng)硬件進行了設計，通過各類輸入輸出元器件為實現(xiàn)系統(tǒng)功能做好了準備，本章利用 PLC 作為核心控制部件將各類元器件通過邏輯關系聯(lián)系起來，實現(xiàn)系統(tǒng)控制要求。 圖 41 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)。若為單次運行，則汽缸 4 動作后停機。應用高速計數(shù)器編制程序，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的定位控制功能。定位時，電機停轉(zhuǎn)，計數(shù)器清零，傳感器開始工作，對物料進行分揀處理。 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(shù)器也重新計數(shù)，繼續(xù)運行到下一位置。 西門子編程軟件、模擬仿真軟件 近年來，各 PLC 廠家都相繼開發(fā)了基于個人計算機的圖示化編程軟件，例如西門子 S7200系列可編程控制器使用的 STEP7 Micro/WIN32編程軟件，三菱 FX2N系列 PLC 使用的 SWOPCFXGP/WINC 編程軟件等。 西門子 PLC 編程軟件 STEP7 Micro/WIN32 編程軟件（如圖 42 所示 )。 圖 42 西門子 S7200 編程軟件 西門子仿真軟件 本次設計采用西門子 S7200 （如圖 43 所示）版本進行仿真調(diào)試。 所以，在安裝仿真軟件之前，必須先安裝編程軟件，并且版本要互相兼容。程序清單見附錄。 25 此指令為高速計數(shù)器定義指令，使能輸入有效時，為指定的高 速計數(shù)器分配一種工作模式。 此指令為高速計數(shù)器指令，使能輸入有效時，根據(jù)高速計數(shù)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(shù)器并控制其工作。當