小球分拣机控制新版专业系统设计.doc

浙江广厦建设职业技术学院
电气自动化技术专业毕业论文
论文题名：小球分拣机控制系统设计
学生姓名：吴赟杰
学 号：08
指导老师：吴丽丽
专 业：电气自动化
年 级：大二

目录
摘要 3
引言 4
第1章 控制系统总体设计 5
1.1 需求分析 5
1.2 结构组成 5
1.3 最终控制方案 6
第2章 控制系统硬件设计 7
2.1控制器 7
2.3 检测元件和实施装置选择 9
第3章 控制系统软件设计 13
3.1 控制系统步骤图设计 13
3.2 控制系统程序设计 14
第4章 控制系统调试 19
4.1 硬件调试 19
4.2 软件调试 19
4.3 整体调试 19
结 论 20
附 录 20

摘要
本文作者经过查阅大量资料，对分拣系统及其相关技术发展、现实状况和趋势作了一个比较全方面总结。在熟悉了分拣系统原理基础上，采取PLC完成小球分拣机控制系统设计。深入了解小球分拣机工作过程，并制订其控制系统设计方案。系统含有自动化程度高、运行稳定、分拣精度高、易控制特点,对不一样分拣对象,稍加修改本系统即可实现要求。
关键词：小球分拣 PLC 控制系统

引言
分拣是把很多货物按品种从不一样地点和单位分配到所设置场地作业。按分拣手段不一样，可分为人工分拣、机械分拣和自动分拣。
伴随社会不停发展，市场竞争也越来越猛烈，所以各个生产企业全部迫切地需要改善生产技术，提升生产效率，尤其在需要进行材料分拣企业，以往一直采取人工分拣方法，致使生产效率低，生产成本高，企业竞争能力差，材料自动分拣已成为企业唯一选择。针对上述问题，利用 PLC 技术设计了一个成本低，效率高材料自动分拣装置，在材料分拣过程中取得了很好控制效果。
本文关键介绍了PLC控制系统硬件和软件设计，和部分调试方法。

第1章 控制系统总体设计
1.1 需求分析
材料分拣装置应实现基础功效以下
（1）分拣出金属和非金属
（2）分拣某一颜色块
（3）分拣出金属中某一颜色块
（4）分拣出非金属中某一颜色块
这类制造厂，为满足中小学生试验需求，制造对应小球，该机器方便分拣不一样小球。
1.2 结构组成

它采取台式结构，内置电源，有步进电机、汽缸、电磁阀、旋转编码器、滤清器、气压指示等部件，可和各类气源相连接。选择颜色识别传感器及对不一样材料敏感电容式和电感式传感器，分别固定在网板上，且许可重新安装传感器排列位置或选择网板不一样区域安装。

1.3 最终控制方案

系统利用多种传感器对待测材料进行检测并分类。当待测物体经下料装置送入传送带后，依次接收多种传感器检测。假如被某种传感器测中，经过对应气动装置将其推入料箱；不然，继续前行。其控制要求有以下9 个方面：
（1）系统送电后，光电编码器便可发生所需脉冲
（2）电机运行，带动传输带传送物体向前运行
（3）有物料时，下料汽缸动作，将物料送出
（4）当电感传感器检测到铁物料时，推汽缸1 动作
（5）当电容传感器检测到铝物料时，推汽缸2 动作
（6）当颜色传感器检测到材料为某一颜色时，推汽缸3 动作
（7）其它物料被送到SD 位置时，推汽缸4 动作
（8）汽缸运行应有动作限位保护
（9）下料槽内无下料时，延时后自动停机

第2章 控制系统硬件设计
2.1控制器
2.2.1 确定I/ O 点数
西门子PLC(I/O)
分拣系统接口(I/O)
备注

输
入
部
分
I0.0
UCP(计数传感器)
接旋转编码器
I0.1
SN(下料传感器)
判定下料有没有
I0.2
SA(电感传感器)

I0.3
SB(电容传感器)

I0.4
SC(颜色传感器)

I0.5
SD(备用传感器)

I0.6
SFW1(推气缸1动作限位)

I0.7
SEW2(推气缸2动作限位)

I1.0
SFW3(推气缸3动作限位)

I1.1
SFW4(推气缸4动作限位)

I1.2
SFW5(下料气缸动作限位)

I1.3
SBW1(推气缸1回位限位)

I1.4
SBW2(推气缸2回位限位)

I1.5
SBW3(推气缸3回位限位)

I1.6
SBW4(推气缸4回位限位)

I1.7
SBW5(下料气缸回位限位)

I2.0
SB1(开启)

I2.1
SB2(停止)

输
出
部
分
Q0.0
M(输送带电机驱动器)

Q0.1
YV1(推气缸1电磁阀)

Q0.2
YV2(推气缸2电磁阀)

Q0.3
YV3(推气缸3电磁阀)

Q0.4
YV4(推气缸4电磁阀)

Q0.5
YV5(下料气缸电磁阀)

依据控制要求，输入应该有2个开关信号，6 个传感器信号，包含电感传感器、电容传感器、颜色传感器、备用传感器，和检测下料传感器和计数传感器。对应地，有 5 个汽缸运动位置信号，每个汽缸有动作限位和回位限位，累计10 个信号。输出包含控制电动机运行接触器，和5 个控制汽缸动作电磁阀。共需I/ O 点22 个，其中18 个输入，6 个输出。
2.2.2 PLC 选择
依据上面所确定I/ O 点数，且该材料分拣装置控制为开关量控制。所以，
选择通常小型机即可满足控制要求。本系统选择西门子企业S7-200系列CPU226 型PLC。它有24个输入点，16个输出点，满足本系统要求。
2.2.3PLC外围连接图

2.3 检测元件和实施装置选择
2.3.1 旋转编码器
旋转编码器是和步进电机连接在一起，在本系统中可用来作为控制系统计数器，并提供脉冲输入。它转化为位移量，可对传输带上物料进行位置控制。 传送至对应传感器时，发出信号到PLC ，以进行分拣，也可用来控制步进电机转速。本系统选择E6A2CW5C 旋转编码器,原理图2-3所表示。
光电码盘

图2-3 旋转编码器原理示意图

工作原理以下：由一个中心有轴光电码盘，其上有环形通、暗刻线，有光电发射和接收器件读取，取得四组正弦波信号组合成A、B、C、D，每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。 因为A、B 两相相差90度，可经过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器正转和反转，经过零位脉冲，可取得编码器零位参考位。分辨率：编码器以每旋转360度提供多少通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，通常在每转分度5~10000线。
2.3.2 电感传感器
电感式靠近开关属于有开关量输出位置传感器，用来检测金属物体。 它由LC 高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在靠近这个能产生电磁场振荡感应头时，使物体内部产生涡流。 这个涡流反作用于靠近开关，使靠近开关振荡能力衰减，内部电路参数发生改变。 由此，可识别出有没有金属物体靠近，进而控制开关通或断。本系统选择M18X1X40 电感传感器。接线图图2-4，原理图图2-5。

图2-4 M18X1X40 DC二线常开式电感传感器接线图

图2-5 电感传感器工作原理图
2.3.3 电容传感器
电容传感器也属于含有开关量输出位置传感器，是一个靠近式开关。 它测量头通常是组成电容器一个极板，而另一个极板是待测物体本身。当物体移向靠近开关时，物体和靠近开关介电常数发生改变，使得和测量头相连电路状态也随之发生改变。由此，便可控制开关接通和关断。本系统选择E2KX8ME1 电容传感器，接线图可参考图2-5，原理图图2-6。

图2-6 电容传感器工作原理图

对于上述这些力学量，尤其是缓慢改变或微小量测量，通常来说采取电容式传感器进行检测比较适宜，关键是这类传感器含有以下突出优点：
(1)测量范围大其相对改变率可超出100%；
(2)灵敏度高，如用比率变压器电桥测量，相对改变量可达10-7数量级；
(3)动态响应快，因其可动质量小，固有频率高，高频特征既适宜动态测量，也可静态测量；
(4)稳定性好因为电容器极板多为金属材料，极板间衬物多为无机材料，如空气、玻璃、陶瓷、石英等；所以能够在高温、低温强磁场、强辐射下长久工作，尤其是处理高温高压环境下检测难题。
2.3.4 颜色传感器
选择TAOS企业生产，型号为TCS230颜色传感器。此传感器为RGB(红绿蓝) 颜色传感器，可检测目标物体对三基色反射比率，从而判别物体颜色。TCS230传感器引脚图2-7所表示

图2-7 TCS230颜色传感器
当入射光投射到TCS230上时，经过光电二极管控制引脚S2、S3不一样组合，能够选择不一样滤波器；经过电流到频率转换器后输出不一样频率方波(占空比是50%)，不一样颜色和光强对应不一样频率方波；还能够经过输出定标控制引脚S0、S1选择不一样输出百分比因子，对输出频率范围进行调整，以适应不一样需求。
S0、S1用于选择输出百分比因子或电源关断模式；S2、S3用于选择滤波器类型；OE是频率输出使能引脚，能够控制输出状态，当有多个芯片引脚共用微处理器输入引脚时，也能够作为片选信号；OUT是频率输出引脚，GND是芯片接地引脚，VCC为芯片提供工作电压。表2是S0、S1及S2、S3可用组合。
表2 S0、S1及S2、S3 组合选项
S0
S1
输出频率定标
S2
S3
滤波器类型
L
L
关断电源
L
L
红色
L
H
20%
L
H
蓝色
H
L
20%
H
L
无
H
H
100%
H
H
绿色
2.3.5 光电传感器
光电传感器是一个小型电子设备，它能够检测出其接收到光强改变。用来检测物体有没有光电传感器是一个小金属圆柱形设备，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白炽灯做为光源。这些小而坚固白炽灯传感器就是今天光电传感器雏形。本系统选择FPG系列小型放大器内藏型光电传感器。原理图2-8所表示，其中负载可接至PLC。

图2-8 FPG光电传感器原理图

2.3.6 步进电机
步进电机作为实施机构用于带动传输带输送物料前行，和旋转编码器连接在一起。能够经过控制脉冲个数，来控制角位移量，从而达成正确定位目标。 同
时，能够经过控制脉冲频率来控制材料分拣装置可编程控制系统控制电机转动速度，达成调速目标。步进电机选择型号为42BYGH101。

第3章 控制系统软件设计
3.1 控制系统步骤图设计

图3-1　控制系统步骤图
该系统可选择连续或单次运行工作状态。 若为连续运行状态，则系统软件设计步骤图中汽缸4 动作后，程序再转到开始;若为单次运行，则汽缸4 动作后停机。 假如需要，该系统可在分拣同时对分拣材料进行数量统计，这只需在各汽缸动作同时累计即可。应用高速计数器编制程序，能够实现系统定位控制功效。用高速计数器计数步进电机转过圈数，来确定物料抵达传感器距离，实现定位功效。定位时，电机停转，计数器清零，传感器开始工作，对物料进行分拣处理。 在汽缸1～3 动作后，电机重新运行，高速计数器也重新计数。 假如对应传感器没有检测到物体，则电机重新运行，高速计数器也重新计数，继续
运行到下一位置。 假如只对材料某一特征进行分拣，比如只分拣金属和非金属，则只需对传感器安放或程序进行修改即可。

3.2 控制系统程序设计

（1）以上为主程序，首先I2.0开启后，M0.1得电并自锁，为以后电动机得电做好准备，I2.1为停止按钮。当PLC处于RUN模式时，SM0.1通电一个周期，Q0.0复位清零，并调用子程序。

（2）以上为子程序中高速脉冲指令，该程序先将控制脉冲指令特殊功效寄存器进行初始化，然后当I0.0（下料传感器）检测到有料时，开启PLS（脉冲输出）指令；假如I0.0检测没有物料时，开启定时器T30，延时30秒自动停机。

（3）以上为子程序中高速计数指令，首优异行高速计数指令初始化操作，当电机旋转时，带动光电码盘发出脉冲，并输入PLC接收端，由高速计数指令进行计数，计算步进电机转过步数，进行定位控制。其中设定预置值为50，当计数至50时，调用中止程序。

（4）以上为中止程序，当高速计数指令计数至预置值时，这时物料移动至传感器位置，M0.0得电，造成高速脉冲输出停止，步进电机停转。因为汽缸动作需要1秒，让电机停转一秒后继续运转。当物料被对应传感器检测中后，对应汽缸动作，将物料推下。I1.3，I1.4，I1.5，I1.6，I1.7为汽缸回位限位开关，初始状态为闭合，I0.6，I0.7，I1.0，I1.1，I1.2为汽缸动作限位开关，初始状态为关断。汽缸动作时，，回位限位开关关断，抵达动作限位开关时，动作限位开关闭合。
第4章 控制系统调试
4.1 硬件调试
1．电感传感器调试
在电感传感器下方传送带上，放置铁质料块，调整传感器上两螺母，使传感器上下移动，恰好使传感器上端指示灯发光，该高度即为传感器对铁质材料检出点。
2．电容传感器调试
在电容传感器下方传送带上，放置铝质料块，调整传感器上两螺母，使传感器上下移动，恰好使传感器上端指示灯发光，该高度即为传感器对铝质材料检出点。
3．颜色传感器调试
通电状态下，在颜色传感器下方传送带上，放置带有某一颜色料块，调整传感器上电位器，观察窗口中红绿（或蓝）指示灯，当两灯恰同时发光时，该灵敏点即为料块颜色检出点。（注：顺时针旋转检测色温向低端移动，不然反之）
4.2 软件调试
在软件中绘出梯形图，并将所编写梯形图程序进行编译，经过上下位机连接电缆把程序下载到PLC中。根据控制要求在指定输入端输入信号，观察输出指示灯状态，若输出不符合要求，则查找原因，并排除之。

4.3 整体调试
将设备接入PLC，进行联机调试，看是否满足要求，假如不满足要求，可经过综合调整软件和硬件系统，直到满足要求为止。

结 论
分拣机采取可编程控制器PLC 进行控制，能连续、大批量地分拣货物，分拣误差率低且劳动强度大大降低，可显著提升劳动生产率。而且，分拣系统能灵活地和其它物流设备无缝连接，实现对物料实物流、物料信息流分配和管理。 其设计采取标准化、模块化组装，含有系统布局灵活，维护、检修方便等特点，受场地原因影响不大。 同时，只要依据不一样分拣对象，对本系统稍加修改即可实现求。
本系统采取可编程控制器，只要结合不一样传感器，比如依据材料属性、尺寸大小、物体颜色等选择对应传感器，就可对不一样物料进行分拣，含有广泛应用前景。
参考文件
[1] 孙平 可编程控制器原理及应用 北京高等教育出版社 1999年
[2] 张桂香 电气控制和PLC应用 化学工业出版社
[3] 张运波 工厂电气控制技术 化学工业出版社
[4] 余雷声 电气控制和PLC应用 化学工业出版社
[5] 王兆义 小型可编程控制器实用技术 化学工业出版社
[6] 张泽荣 可编程控制器原理及应用 化学工业出版社
[7] 李景学 可编程序控制器应用系统设计及方法 化学工业出版社
[8] 田瑞庭 可编程控制器应用技术 化学工业出版社 1994 年

附 录
系统设计程序清单
LD I2.0
O M0.1
AN I2.1
= M0.1

LD SM0.1
R Q0.0, 1
CALL SBR_0

LD SM0.0
LPS
MOVB 16#D8, SMB77
MOVW 60000, SMW80
MOVW 100, SMW80
AN T33
AN M0.0
A M0.1
A I0.0
PLS 0
LPP
AN I0.0
TON T33, +3000

LD SM0.0
MOVB 16#F8, SMB37
MOVD +0, SMD38
MOVD +50, SMD42
HDEF 0, 12
ATCH INT_0, 13
ENI
HSC 0

LDN T34
= M0.0

TON T34, +100

LD I0.1
A I1.3
O Q0.1
AN I0.6
= Q0.1

LD I0.2
A I1.4
O Q0.2
AN I0.7
= Q0.2

LD I0.3
A I1.5
O Q0.3
AN I1.0
= Q0.3

LD I0.4
A I1.6
O Q0.4
AN I1.1
= Q0.4

LD I0.5
A I1.7
O Q0.5
AN I1.2
= Q0.5