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1、 分揀系統(tǒng)課程設計 班 級：理工 09-1 班 姓 名： 宋燮 學 號 : 22091167 指導教師： 崔吉 I 摘 要 PLC控制是目前工業(yè)上最常用的自動化控制方法，

2、 由于其控制方便， 能夠承受惡劣的環(huán)境，因此，在工業(yè)上優(yōu)于單片機的控制。 PLC將傳統(tǒng)的繼電器控制技術、計算機技術和通信技術融為一體 ,專門為工業(yè)控制而設計 ,具有功能強、通用靈活、可靠性高、環(huán)境適應性強、編程簡單、使用方便以及體積小、重量輕、功耗低等 一系列優(yōu)點 ,因此在工業(yè)上的應用越來越廣泛。 本文主要講述 PLC在材料分揀系統(tǒng)中的應用，利用可編程控制器 ( PLC) ,設計成本低、效率高的材料自動分揀裝置。以 PLC 為主控制器 ,結合氣動裝置、傳感技術、位置控制等技術 ,現場控制產品的自動分揀。 系統(tǒng)具有自動化程度高、運行穩(wěn)定、精度高、易控制的特點 ,可根據不同對象 ,稍加

3、修改本系統(tǒng)即可實現要求。 關鍵詞 : 可編程控制器，分揀裝置，控制系統(tǒng)，傳感器 II 目錄 摘 要 ......................................................................

4、.................................................................................... I 目錄 ........................................................................................................................................................... III 緒 論 ....................................

5、........................................................................................................................ 1 第 1 章 材料分揀裝置結構及總體設計 .................................................................................................... 3 1.1 材料分揀裝置工作過程概述 ............................

6、............................................................................. 3 1.2 系統(tǒng)的技術指標 ............................................................................................................................ 4 1.3 系統(tǒng)的設計要求 ..........................................................

7、.................................................................. 4 第 2 章 控制系統(tǒng)的硬件設計 .................................................................................................................... 6 2.1 系統(tǒng)的硬件結構 ..........................................................................

8、.................................................. 6 2.2 系統(tǒng)關鍵技術 ................................................................................................................................ 6 2.3 檢測元件與執(zhí)行裝置的選擇 ...............................................................................

9、........................ 10 第 3 章 控制系統(tǒng)的軟件設計 .................................................................................................................. 17 3.1 控制系統(tǒng)流程圖設計 .................................................................................................................

10、.. 17 3.2 控制系統(tǒng)程序設計 ....................................................................................................................... 18 第 4 章 控制系統(tǒng)的調試 .......................................................................................................................... 24 4.1 程序

11、的模擬調試 .......................................................................................... 錯誤！未定義書簽。 4.2 程序的現場調試 .......................................................................................... 錯誤！未定義書簽。 4.3 系統(tǒng)調試 ............................................................

12、.......................................... 錯誤！未定義書簽。 4.4PLC 的抗干擾系統(tǒng) 28 結 論 ........................................................................................................................................................ 32 展 望 ..........................................................

13、.............................................................................................. 33 結論 ............................................................................................................................................................ 34 參考文獻 ............................

14、........................................................................................................................ 35 附 錄 .......................................................................................................................................................... 36 II

15、I 緒 論 PLC是從 20 世紀末發(fā)展起來的一種新型的電氣控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器 控制技術和計算控制技術、通信技術融為一體，以其顯著的優(yōu)點正被廣泛地應用于各種生產機械和生產過程的自動控制中?？删幊炭刂破饕晕⑻幚砥鳛楹诵?，綜合計算機技術、自動化技術和通信技術發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置。 應用 PLC 技術是當今世界潮流，必將對生產、科研和社會生活等諸多領域產生巨大而深遠的影響。 目前世界上，生產和研制 PLC的大公司很多，有代表性的是日本的歐姆龍公 司，德國西門子、美國的 AB公司，都處于世界的領先

16、水平。 總的來說，我國從 1974 年開始研制 PLC，1979 年開始應用于工業(yè)，并且發(fā)展很快，已取得了很大的成績， 但是與世界研制和應用水平較高的國家相比還有很大的差距。 隨著社會的不斷發(fā)展 , 市場的競爭也越來越激烈 , 因此各個生產企業(yè)都迫切地需要改進生產技術 , 提高生產效率 , 尤其在需要進行材料分揀的企業(yè) , 以往一直采用人工分揀的方法 , 致使生產效率低 , 生產成本高 , 企業(yè)的競爭能力差。而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率 . 而且 , 分揀系統(tǒng)能靈活地

17、與其他物流設備無縫連接 , 實現對物料實物流、物料信息流的分配和管理 . 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。同時 , 只要根據不同的分揀對象 , 對本系統(tǒng)稍加修改即可實現要求。 分揀是把很多貨物按品種從不同的地點和單位分配到所設置的場地的作業(yè)。 按分揀的手段不同，可分為人工分揀、機械分揀和自動分揀。 隨著社會的不斷發(fā)展，市場的競爭也越來越激烈，因此各個生產企業(yè)都迫切地需要改進生產技術，提高生產效率，尤其在需要進行材料分揀的企業(yè)，以往一直采用人工分揀的方法，致使生產效率低，生產成本高，企業(yè)的競爭能力差，材

18、 料的自動分揀已成為企業(yè)的唯一選擇。 針對上述問題， 利用 PLC 技術設計了一種成本低，效率高的材料自動分揀裝置，在材料分揀過程中取得了較好的控制效果。 目前自動分揀已逐漸成為主流，因為自動分揀是從貨物進入分揀系統(tǒng)送到指定的分配位置為止，都是按照人們的指令靠自動分揀裝置來完成的。這種裝置是由接受分揀指示情報的控制裝置、計算機網絡，把到達分揀位置的貨物送到別處的的搬送裝置。由于全部采用機械自動作業(yè)，因此，分揀處理能力較大，分揀分類數量也較多。 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率。而且，分揀系統(tǒng)

19、能靈 1 活地與其他物流設備無縫連接， 實現對物料實物流、物料信息流的分配和管理。 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。同時，只要根據不同的分揀對象，對本系統(tǒng)稍加修改即可實現要求。 PLC 控制分揀裝置涵蓋了 PLC 技術、氣動技術、傳感器技術、位置控制技術等內容，是實際工業(yè)現場生產設備的微縮模型。 應用 PLC 技術結合氣動、傳感器和位置控制等技術，設計不同類型材料的自 動分揀控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的靈活性較強，程序開發(fā)簡單，可適應進行材料分揀的 彈性生產線的需求。本

20、文主要介紹了 PLC 控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計，以及一些 調試方法。 本設計應用可編程控制器 (PLC)實現了生產過程材料自動分揀的設計方案。 文中比較詳細地介紹了設計過程，包括具體的設計要求，對設計任務的分析，可編 程控制器型號的選擇， I/O 接點的分配， PLC 接線圖等具體內容，并且給出了完整的硬件接線圖，功能狀態(tài)圖，梯形圖程序以及指令表程序。

21、 2 第 1 章 材料分揀裝置結構及總體設計 PLC 控制分揀裝置涵蓋了 PLC 技術、氣動技術、傳感器技術、位置控制技術 等內容，是實際工業(yè)現場生產設備的微縮模型。本章主要介紹分揀裝置的工藝過程及控制要求。 要想進行 PLC 控制系統(tǒng)的設計，首先必須對控制對象進行調查，搞清楚控制對象的工藝過程、工作特點，明確控制要求以及各階段的特點和各階段之間的轉換條件。 1.1 材料分揀裝置工作過程概述 如圖 1-1 所示為本分揀裝置的結構示意圖。

22、 圖 1-1 材料分揀裝置結構示意圖 它采用臺式結構，內置電源，有步進電機、汽缸、電磁閥、旋轉編碼器、氣動減壓器、濾清器、氣壓指示等部件，可與各類氣源相連接。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，分別固定在網板上，且允許重新安裝傳感器排列位置或選擇網板不同區(qū)域安裝。 系統(tǒng)上電后， 可編程序控制器首先控制啟動輸送帶， 下料傳感器 SN 檢測料槽有無物料，若無料，輸送帶運轉一個周期后自動停止等待下料；當料槽有料時

23、， 下料傳感器輸出信號給 PLC，PLC 控制輸送帶繼續(xù)運轉，同時控制氣動閥 5 進行 3 下料，每次下料時間間隔可以進行調整。物料傳感器 SA 為電感傳感器，當檢測 出物料為鐵質物料時， 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。物料傳 感器 SD 為備用傳感器。 當系統(tǒng)設定為分

24、揀某種顏色的金屬或非金屬物料時， 由程序記憶各傳感器的狀態(tài)，完成分揀任務。 1.2 系統(tǒng)的技術指標 輸入電壓： AC200～ 240V（帶保護地三芯插座） 消耗功率： 250W 環(huán)境溫度范圍： -5～ 40℃ 氣源：大于 0.2MPa切小于 0.85Mpa 1.3 系統(tǒng)的設計要求 系統(tǒng)的設計要求主要包括功能要求和控制要求，進行設計之前，首先應分析控制對象的要求。 1.3.1 功能要求 材料分揀裝置應實現基本功能如下 （ 1）分揀出金屬和非金屬 （ 2）分揀某一顏色塊

25、 （ 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 1.3.2 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。當待測物體經下料裝置送入傳送帶后，依次接受各種傳感器檢測。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。其控制要求有如下 9 個方面： （ 1）系統(tǒng)送電后，光電編碼器便可發(fā)生所需的脈沖 4 （ 2）電機運行，帶動傳輸帶傳送物體向前運行 （ 3）有物料時，下料汽缸動作，將物料送出

26、 （ 4）當電感傳感器檢測到鐵物料時，推汽缸 1 動作 （ 5）當電容傳感器檢測到鋁物料時，推汽缸 2 動作 （ 6）當顏色傳感器檢測到材料為某一顏色時，推汽缸 3 動作 （ 7）其他物料被送到 SD 位置時，推汽缸 4 動作 （ 8）汽缸運行應有動作限位保護 （ 9）下料槽內無下料時，延時后自動停機

27、 5 第 2 章 控制系統(tǒng)的硬件設計 PLC控制系統(tǒng)的硬件設計，主要是根據被控制對象對 PLC控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)所需的用戶輸入、輸出設備，選擇合適的 PLC類型，并分配 I/O點。 2.1 系統(tǒng)的硬件結構 設計系統(tǒng)的硬件結構框圖，如圖 2-1 所示。

28、 圖 2-1 系統(tǒng)的硬件結構框圖 2.2 系統(tǒng)關鍵技術 系統(tǒng)關鍵技術即分析控制系統(tǒng)的要求，確定 I/O 點數，選擇 PLC的型號，然后進行 I/O 分配。 2.2.1 用戶存儲容量的選擇 存儲容量是可編程控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲 器中用戶應用項目使用的存儲單元大小，因此程序容量小于存儲容量。 PLC 用戶程序所需內存容量一般與開關量輸入、輸出點數、模擬量輸入輸出點數以及用戶 6 程序達的編寫質量等有關。對于控制較復雜、數據處理量較大的系統(tǒng)，要

29、求存儲容量大些。對于同樣的系統(tǒng)，不同用戶編寫的程序可能會使程序長度和執(zhí)行時間差距很大。對 PLC 用戶程序存儲容量的估算，可用下面推薦的經驗公式： 存儲器總字節(jié)數 =（開關量 I/O 點數 *10 ）+（模擬量點數 *150 ） 按經驗公式所得的存儲器總字節(jié)數要考慮 25%的余量。因為上面經過分析需 要 12 個輸入點， 12 個輸出點，這樣就總共 24 個 I/O 點數。 因此，存儲器總字節(jié)數≥ 24*10=240。 根據控制要求，輸入應該有 2 個開關信號， 6 個傳感器信號，包括電感傳感器、電容傳感器、顏色傳感器、備用傳感器，以及檢測下料的傳感器和計數傳感器。

30、 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。輸出包括控制電動機運行的接觸器，以及 5 個控制汽缸動作的電磁閥。共需 I/ O 點 24 個，其中 18 個輸入， 6 個輸出。 2.2.2 PLC型號的選擇 在 PLC系統(tǒng)設計時，首先應確定控制方案，下一步工作就是 PLC工程設計選 型。工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據。 PLC及有關設備應是集成 的、標準的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則選 型所選用 PLC應是在相關工業(yè)領域有投運業(yè)績、 成熟可靠的

31、系統(tǒng)， PLC的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應與裝置規(guī)模和控制要求相適應。熟悉可編程序控制器、功能表 圖及有關的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需的操作和動作， 然后根據控制要求，估算輸入輸出點數、所需存儲器容量、確定 PLC的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的 PLC和設計相應的控制系統(tǒng)。 在選用 PLC型號時應考慮以下幾個問題： 1 ．輸出點數是衡量 PLC規(guī)模大小的重要指標。因此，在選用 PLC時，首先要確保有足夠的 I/O 點數，并留有一定的余地，一般可考慮 10%-1

32、5%的備用量； 2 ．存儲容量是可編程控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存 儲器中用戶應用項目使用的存儲單元大小， 因此程序容量小于存儲容量。 PLC用戶程序所需內存容量一般與開關量輸入、輸出點數、模擬量輸入輸出點數以及用戶 程序達的編寫質量等有關。對于控制較復雜、數據處理量較大的系統(tǒng)，要求存儲容量大些。對于同樣的系統(tǒng)，不同用戶編寫的程序可能會使程序長度和執(zhí)行時間差距很大； 7 3．輸入 / 輸出模塊的選擇。輸入輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統(tǒng)一。 例如對輸入模塊，應考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、

33、信號供電方式等應用要求。對輸出模塊，應考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有 價格低、使用電壓范圍廣、壽命短，響應時間長等特點。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 / 輸出信號的種類、參數要求和技術要求。例如，輸入模塊分為直流 5V、12V、24V、48V、60V 幾種，交流 115V 和 220V兩種。一般應根據現場設備與模塊之間的距離來選擇電壓的大小 ; 4． PLC機型要統(tǒng)一，即使在一個工廠， PLC使用的機型要盡量統(tǒng)一，以便于維護和管理。這樣有利于 PLC應用技術水平的提高和功能的開發(fā)， 同時可使多臺 PLC 共用一

34、個編程器，經濟也合算。 根據上面所確定的 I/ O 點數，且該材料分揀裝置的控制為開關量控制。因此， 選擇一般的小型機即可滿足控制要求。本系統(tǒng)選用西門子公司的 S7-200系列 CPU226 型PLC。它有 24個輸入點， 16個輸出點，滿足本系統(tǒng)的要求。 2.2.3 PLC 的輸入輸出端子分配 根據所選擇的 PLC型號，對本系統(tǒng)中 PLC的輸入輸出端子進行分配，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 I0.0 UC

35、P( 計數傳感器 ) 接旋轉編碼器 I0.1 SN( 下料傳感器 ) 判斷下料有無 I0.2 SA( 電感傳感器 ) I0.3 SB( 電容傳感器 ) I0.4 SC(顏色傳感器 ) I0.5 SD( 備用傳感器 ) 輸 I0.6 SFW1( 推氣缸 1 動作限位 ) 入 部 I0.7 SEW2( 推氣缸 2 動作限位 ) 分 I1.0 SFW3( 推氣缸 3 動作限位 ) I1.1 SFW4( 推氣缸 4 動作限位 )

36、 I1.2 SFW5( 下料氣缸動作限位 ) I1.3 SBW1( 推氣缸 1 回位限位 ) I1.4 SBW2( 推氣缸 2 回位限位 ) 8 I1.5 SBW3( 推氣缸 3 回位限位 ) I1.6 SBW4( 推氣缸 4 回位限位 ) I1.7 SBW5( 下料氣缸回位限位 ) I2.0 SB1( 啟動 ) I2.1 SB2( 停止 ) Q0.0 M( 輸送帶電機驅動器 ) 輸 Q0.1 YV1( 推氣缸 1

37、 電磁閥 ) 出 Q0.2 YV2( 推氣缸 2 電磁閥 ) 部 Q0.3 YV3( 推氣缸 3 電磁閥 ) 分 Q0.4 YV4( 推氣缸 4 電磁閥 ) Q0.5 YV5( 下料氣缸電磁閥 ) 2.2.4 PLC 輸入輸出接線端子圖 根據表 1可以繪制出 PLC的輸入輸出接線端子圖，如圖 2-2所示。 圖2-2 PLC輸入輸出接線端子圖

38、 9 2.3 檢測元件與執(zhí)行裝置的選擇 2.3.1 按鈕的選用 控制按鈕是一種短時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，再由它們去控制主電路。 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

39、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，綠色用作啟動按鈕。 待機控制按鈕 SB1和停機控制按鈕 SB2選擇 LAY1系列控制按鈕，電壓 220V，電流 5A。 其中待機控制按鈕為綠色，停機控制按鈕為紅色。 2.3.2 旋轉編碼器 旋轉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 數器，并提供脈沖輸入。 它轉化為位移量， 可對傳輸帶上的物料進行位置控制。 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 轉速。

40、本系統(tǒng)選用 E6A2CW5C 旋轉編碼器 ,原理如圖 2-3 所示。 10 光電 碼盤 圖 2-3 旋轉編碼器原理示意圖 旋轉編碼器介紹：旋轉編碼器是用來測量轉速的裝置。技術參數主要有每轉脈沖數（幾十個到幾千個都有），和供電電壓等。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。單路輸出是指旋轉編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉編碼器輸出兩組相位差 90 度的脈沖

41、，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉速，還可以判斷旋轉的 方向。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。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數量級，塑料碼盤是經濟型的，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

42、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；另每轉輸出一個 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與反轉，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 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，一般在每轉分度 5~10000 線。 信號輸出 : 信號輸出有正弦波（電流或電壓），方波（ TTL 、HTL ），集電極開路（ PNP、NPN），

43、推拉式多種形式，其中 TTL 為長線差分驅動（對稱 A ， A- ；B， B-；Z，Z- ）， HTL 也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設備接 口應與編碼器對應。 信號連接：編碼器的脈沖信號一般連接計數器、 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。如單 相聯接，用于單方向計數，單方向測速。 A 、B 兩相聯接，用于正反向計數、判斷 11 正反向和測速。 A 、B、Z 三相聯接，用于帶參考位修正的位置測量。 A、A- ，B、 B-，Z、Z- 連接，由于帶有對稱負信號的連接

44、，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 TTL 的帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達 150 米。 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 2.3.3 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。 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生電磁場的振蕩感應頭時，使物體內部產生渦流。 這個渦流反作用于接近開關，使接近開關振蕩能力衰減，內部電路的參數發(fā)生變化。 由此，可識別出有無金屬物體接近，進而控制開關的通或斷

45、。本系統(tǒng)選用 M18X1X40 電感傳感器。接線圖如圖 2-4，原理圖如圖 2-5。 圖 2-4 M18X1X40 DC 二線常開式電感傳感器接線圖 圖 2-5 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和材料導磁系數都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導致線圈磁路的幾何尺寸變化而引

46、起的。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。電感式傳感器的特點是：①無活動觸點、可靠度高、壽 12 命長；②分辨率高；③靈敏度高；④線性度高、重復性好；⑤測量范圍寬（測量范圍大時分辨率低）；⑥無輸入時有零位輸出電壓，引起測量誤差；⑦對激勵電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高；⑧不適用于高頻動態(tài)測量。電感式傳感器主要用于位移測量和可以轉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、轉矩等）的測量。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。在實際應用中，這三種傳感器多

47、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。 2.3.4 電容傳感器 電容傳感器也屬于具有開關量輸出的位置傳感器，是一種接近式開關。 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。當物體 移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數發(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，便可控制開關的接通和關斷。本系統(tǒng)選用 E2KX8 ME1 電容傳感器，接線圖可參考圖 2-5，原理圖如圖 2-6。 圖 2-

48、6 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換為電學量而后輸入之。通常把非電學量變換成電學量的元件稱為變換器；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

49、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 13 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 0.01 μm，比前者提高了兩個數量級，最大量程為 1005 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

50、高，如用比率變壓器電橋測量，相對變化量可達 10-7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。 2.3.5 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

51、鑒別物體顏色。 TCS230 傳感器引腳如圖 2-7所示 圖 2-7 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 14 濾光器

52、，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

53、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

54、管控制引腳 S2、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； S2、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

55、2 是 S0、S1 及 S2、S3 的可用組合。 表 2 S0、 S1 及 S2、 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 2.3.6 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

56、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 2-8 所示，其中負載可接至 PLC。 15 圖 2-8 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?，然后借助光電元件進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

57、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。 2.3.7 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，

58、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 。 16 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

59、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。

60、 3.1 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 3-1所示。 17 圖3-1

61、 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

62、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。 3.2 控制系統(tǒng)程序設計 根據所繪流程圖， 在STEP7-Micro/WIN40 軟件中編寫梯形圖程序。 程序清單見附錄。 18 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 Q0.0或 Q0.1輸出高速脈沖

63、 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： 19

64、 （ 1）以上為主程序，首先 I2.0啟動后， M0.1 得電并自鎖，為之后電動機得電做好準備， I2.1為停止按鈕。當 PLC處于 RUN 模式時， SM0.1通電一個周期， Q0.0 復位清零，并調用子程序。 （ 2）以上為子程序中的高速脈沖

65、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 I0.0（下料傳感器）檢測到有料時，啟動 PLS（脈沖輸出）指令；如果 I0.0檢測沒有物料時，啟動定時器 T30，延時 30秒自動停機。 20

66、 （ 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。 21 22