毕业论文物料自动分拣控制系统设计.doc

学号10212408313毕 业 设 计（论 文）物料自动分拣控制系统设计教 学 系： 信 息 工 程 系 指导教师： 乔志刚 专业班级： 自动化1083 学生姓名： 程 成 二一二年六月毕业设计(论文)任务书学生姓名程成专业班级自动化1083指导教师乔志刚工作单位信息工程系设计(论文)题目:物料自动分拣控制系统设计 设计（论文）主要内容：将物料传感器和PLC结合起来，很好地完成检测与控制功能。1. 概述物料分拣系统的结构及硬件系统。 2. 阐述物料传感器的原理及使用方法；3. 简述气动执行机构的动作原理；4阐述PLC控制系统的硬件设计；5阐述PLC控制系统的软件设计；6. 阐述PLC控制系统的整体调试及结果。7. 对所设计控制系统进行综述，提出改进意见。要求完成的主要任务及其时间安排:第1-2周 毕业实习，第3周交实习报告，下达毕业设计任务书；第4周 查阅相关资料，撰写开题报告；第5-10周 物料分拣控制系统的设计。进行必要的安装、调试及仿真，第10周给出论文初稿；第1113周 指导教师审阅学生初稿，学生修改设计报告（论文）并定稿；第14周，交评阅教师评阅论文；第15-16周 参加毕业答辩。必读参考资料：1. 刘杰 主编.自动检测技术.人民邮电出版社，2009.2. 柳春生 编著.电器控制与PLC.机械工业出版，2010.3. 常斗南 主编.PLC运动控制实例与解析（西门子）.机械工业出版社，2009.指导教师签名： 教研室主任签名： 盖章毕业设计（论文）开题报告题目PLC和物料传感器在物料分拣控制中的应用研究1.目的及意义（含国内外的研究现状分析）；物料分拣系统作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，可以大量代替单调往复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在高温、腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身安全，可以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。随着工业的高速发展，物料分拣系统作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，已经在工业生产中得到了广泛的应用。它可以搬运货物、分拣物品、用以代替人的繁重及单调劳动，实现生产的机械化和自动化；并能在高温、腐蚀及有毒气体等有害环境下操作以保护人身安全，被广泛用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能部门适应工业需要，本课题试图开发基于PLC的物料分拣设计，并借助必要的精密传感器，使其能够对不同颜色的物料按预先设计的程序进行分拣，动作灵活多样，适应于可变换生产品种的中小批量自动化生产，广泛应用于柔性生产线。采用PLC控制，是一种预先设定的程序进行物料分拣的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，而对于位置改变时，只要重新编程，就能很快的投产，降低安装和转换工作的费用。本设计主要包括执行系统、驱动系统的设计。基于PLC的物料分拣机构设计，是以可编程控制器是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点，已经成为目前在机械手控制系统中使用最多的控制方式。使用PLC的自动控制系统具有体积小，可靠高，故障率低，动作精度高等优点。随着分拣系统自动化发展的深度和广度及机器人只能水平的提高，机械手已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统拥有维护的机器人的等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。2. 基本内容和技术方案； 基本结构组成：工业现场材料分拣控制模型配有交流电动机、带式传送机构、传感器、光电编码器、开关电源、电磁阀、气缸，可分拣金属、非金属以及颜色块。材料分拣系统的结构框图如图1所示。 基本工作过程：系统通电后，下料传感器检测料槽有无物料。若料槽无料，传送带电动机不转，等待下料；当料槽有料时，下料传感器输出信号给PLC，PLC控制传送带电动机带动传送带运转，同时控制下料气动阀动作进行下料。某一个物料传感器检测出物料为铁质物料时，反馈信号送到PLC上由PLC控制该传感器对应的气动换向阀动作，气动阀刚就将铁质物料推到对应的料槽中，同理，铝质物料也是一样的，而颜色传感器就和物料传感器有一点点不同，不过大至上是一样的，这样则就实现了物料的分拣。 基本功能： 材料分拣装置应实现基本功能如下 （1）分拣出金属和非金属（2）分拣黑色和白色 （3）金属料、白色非金属和黑色非金属料分别用不同的速度传送 系统中PLC的基本工作原理： 与微型计算机等待命令的工作方式不同，PLC采用循环扫描的工作方式。CPU从第一条指令开始按指令步序号做周期性的循环扫描。如果无跳转指令，则从第一条指令开始按逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，周而复始不断循环，每一个循环称为一个周期。 气动传动技术 气动传动概述： 气动传动简称气动，是以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号，控制和驱动各种机械和设备，以实现生产过程序机械化、自动化的一门技术。 3.进度安排；、毕业实习。明确任务，有针对性的调研、查阅文献资料，完成实习报告（1-2周）、根据要求完成控制系统的方案设计，完成开题报告。（3-4周）、完成控制系统原理图的设计（5-7周）、编制控制程序（8-10周）、撰写设计说明书（11-15周）、答辩(16周)4. 指导老师意见郑 重 声 明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。本人签名： 日期： 目录摘 要1ABSTRACT2绪 论31.1 物料分拣系统概述31.2 物料分拣系统的发展现状与趋势41.3 研究的目的及意义4第1章 材料分拣装置结构及总体设计61.1 材料分拣装置工作过程概述61.2 系统的技术指标71.3 系统的设计要求71.3.1 功能要求71.3.2 系统的控制要求7第2章 控制系统的执行机构设计92.1 光电式旋转编码器92.2 电感式接近开关102.3 光纤传感器112.4 电动机122.5磁控接近开关132.6光电开关142.7电磁阀及气缸15第3章 控制系统的硬件设计173.1 系统的硬件结构173.2 系统关键技术173.2.1 确定I/ O 点数173.2.2 PLC的选择183.2.3 PLC的I/O分配183.2.4 PLC输入输出接线端子图19第4章 控制系统的软件设计204.1 控制系统流程图设计204.2 控制系统程序设计21第5章 控制系统的调试245.1 硬件调试245.2 软件调试245.3 整体调试25结 论26致 谢27参考文献28附 录29摘 要 PLC控制是目前工业上最常用的自动化控制方法，由于其控制方便，能够承受恶劣的环境，因此，在工业上优于单片机的控制。PLC将传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体,专门为工业控制而设计,具有功能强、通用灵活、可靠性高、环境适应性强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点,因此在工业上的应用越来越广泛。 本文主要讲述PLC在材料分拣系统中的应用，利用可编程控制器( PLC) ,设计成本低、效率高的材料自动分拣装置。以PLC 为主控制器,结合气动装置、传感技术、位置控制等技术,现场控制产品的自动分拣。 系统具有自动化程度高、运行稳定、精度高、易控制的特点,可根据不同对象,稍加修改本系统即可实现要求。关键词: 可编程控制器；分拣装置；控制系统；传感器ABSTRACT PLC control is the most commonly used industrial automation control method, because of its convenient control to withstand an adverse environment, it is better than MCU control in the industrial. PLC traditional relay control technology, computer and communication technologies are integrated specifically for industrial control and design, have strong function, common flexible, high reliability and environmental adaptability, and programming simple, easy to use and small size, light weight, a series of low-power advantages in industrial applications become more extensive. This paper focuses on the PLC in the canned beverage production, The design of an automatic sorting device with low cost and high efficiency is presented in the paper, which regards programmable logic controller ( PLC) as the master controller and combines pneumatic device, sensing technology, position control and other technology to implement automatic selecting of the products live. The device is characteristic of high automation, steady running, high precision and easy control, which can fulfill the requirement according to different situations with little modifications.Key words： programmable logic controller；sorting device；control system；sensors 绪 论1.1 物料分拣系统概述自动化的程度是工作发展程度的标志，自动分拣正是自动化中的一个必不可的部分，而PLC控制分拣装置以其成本低，效率高的优点，已经成为主流，他可以根据设定的程序无人的，高效的工作，维护费用极少。由于全部采用机械自动化作业，因此，分拣处理能力较大，分拣分类数量也较多。节省了大量的人力劳动，减少了企业的额外支出，是企业节省成本最好的方法。尤其在需要进行材料分拣的企业，以往一直采用人工分拣的方法，由于人工作的个人限制性，因人而致使有的生产效率很低，误差多，生产成本高，企业的竞争能力差，阻碍了企业的正常发展。所以分拣装置人PLC控制系统必然会取代人工的分拣工作。这也正是其能够迅猛发展的根本原因，好是社会和企业发展的必然。随着工业的越来越发展，业水平的越来越高，自动分拣装置完全取代人工作业是必须的也是必然的。材料分拣采用可编程控制器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，可显著提高劳动生产率。而且，分拣系统能灵活地与其他物流设备无缝连接，实现对物料实物流、物料信息流的分配和管理。 其设计采用标准化、模块化的组装，具有系统布局灵活，维护、检修方便等特点，受场地原因影响不大。同时，只要根据不同的分拣对象，对本系统稍加修改即可实现要求，非常方面。现在的大部分的企业都有自己的生产流水线，而自动分拣装置是流水线上不可少的部分，有的流水线甚至要用到多个分拣装置，这也说明它有着很大的市场空间。PLC控制是目前工业上最常用的自动化控制方法，由于其控制方便，能够承受恶劣的环境，因此，在工业上优于单片机的控制。材料分拣装置的PLC控制系统利用了PLC技术、位置控制技术、气动技术、传感器技术、电动技术传动技术等，这些技术都是自动化技术中必要的，可以说是现代工作生产现场生产设备的一个微小的模型。本论文主要介绍了材料分拣装置的PLC控制系统的结构、硬件组成、软件控制、程序流程以及软硬件的组装和调试方法。让大家对材料分拣装置的PLC控制系统有一个较为深入的了解。1.2 物料分拣系统的发展现状与趋势纵观国内外物料分拣系统的应用情况可以发现，国外的物流配送中心或工业中倾向于采用自动化程度很高的分拣系统，而且应用也较为广泛。而在我国，由于物流业起步晚，物料分拣系统中人工作业的比例也较高。尽管自动分拣系统有非常多的优点，但因其要求使用者必须具备一定的技术经济条件，在发达国家某些行业不用自动分拣系统的情况也很普遍。其主要原因有两点: 一是一次性投资巨大，先期投入回收慢。系统的设备复杂，投资和运营成本相当高，需要可靠的货源作保证，也许只有大型生产企业或专业物流公司才有能力投资。小企业则无能为力。二是系统对商品外包装要求高。为使大部分商品都能用机械进行自动分拣，需要采取诸如推行标准化包装、根据分拣商品统一的包装特性定制分拣机等二次措施。但要让所有商品的供应商都执行国家的包装标准是很困难的，定制分拣机又会使硬件成本上升，且越是特别的通用性就越差。虽然物料分拣系统有它的局限性，但随着社会的高速发展，一切都讲究效率，我相信高效率的物料分拣系统设计将会被人们越来越重视。而本设计就针对物料分拣设计出了一个由PLC控制的分拣系统，解决了组成系统的设备能在安全工作的同时又能提高物料分拣效率的问题。1.3 研究的目的及意义分拣系统中物料传感器以及气缸应自动化设备更新时的需要，可以大量代替单调往复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在高温、腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身安全，可以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。分料盘在物料分拣中起着关键作用，安装在其内部的步进电机的驱动将使分料盘发生相应的动作来达到物料的最终分拣。由于同样实现了自动化分拣，因此在现代工业中也较广泛地使用。可编程控制器(PLC)是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点，已成为目前在物料分拣控制系统中使用最多的控制方式。使用PLC的自动控制系统具有体积小，可靠高，故障率低，动作精度高等优点。使其适应了工业等的需要。本课题试图开发PLC对物料与分拣物料的控制，并借助必要的精密传感器，使其能够对不同颜色以及种类的物料按预先设定的程序进行分拣，适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产，广泛应用于柔性生产线。采用PLC控制，是一种预先设定的程序进行物料分拣的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并且在产品变化或临时需要对物料传感器，气缸进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，而对于位置改变时，只要重新编程，并能很快地投产，降低了安装和转换工作的费用。第1章 材料分拣装置结构及总体设计PLC控制分拣装置涵盖了PLC技术、气动技术、传感器技术、位置控制技术等内容，是实际工业现场生产设备的微缩模型。本章主要介绍分拣装置的工艺过程及控制要求。要想进行PLC控制系统的设计，首先必须对控制对象进行调查，搞清楚控制对象的工艺过程、工作特点，明确控制要求以及各阶段的特点和各阶段之间的转换条件。1.1 材料分拣装置工作过程概述如图1-1 所示为本分拣装置的结构示意图。图1-1 材料分拣装置结构示意图它采用台式结构，内置电源，有三相异步电机、汽缸、电磁阀、旋转编码器、气动减压器、滤清器、气压指示等部件，可与各类气源相连接。选用颜色识别传感器及对不同材料敏感的电感式传感器，分别固定在网板上，且允许重新安装传感器排列位置或选择网板不同区域安装。系统上电后，要等到手动启动后系统才进入运行状态，当有物料从料口到传送带上时，光电传感器输出信号给PLC，同时电感传感器和光纤传感器进行检测，将物料信息反馈给PLC，PLC根据物料的材质和颜色，选择不同的速度传送道不同的位置，并控制对应的电磁阀动作，将物料推入对应的仓中。1.2 系统的技术指标输入电压：AC200240V（带保护地三芯插座）消耗功率：250W环境温度范围：-540气源：大于0.2MPa切小于0.85Mpa1.3 系统的设计要求系统的设计要求主要包括功能要求和控制要求，进行设计之前，首先应分析控制对象的要求。1.3.1 功能要求材料分拣装置应实现基本功能如下 （1）分拣出金属和非金属（2）分拣黑色和白色 （3）金属料、白色非金属和黑色非金属料分别用不同的速度传送1.3.2 系统的控制要求系统利用各种传感器对待测材料进行检测并分类。当待测物体经机械手或其他传送机构送入传送带后，依次接受各种传感器检测。如果被某种传感器测中，通过相应的气动装置将其推入料仓中。其控制要求有如下几个方面：（1）系统送电后，各部分在初始位置时，需要手动启动后方可运行 （2）电机运行，带动传输带传送物体向前运行（3）有物料时，电动机带动传送带动作，将物料送走（4）当电感传感器检测到金属物料时，汽缸1 动作（5）当光纤传感器检测到白色非金属物料时，汽缸2 动作（6）当电感传感器和光纤传感器均没有检测到，而光电传感器检测到有物料时，汽缸3 动作 （7）汽缸运行应有伸出限位保护（8）按下停止按钮，要等到该物料分拣完成后方可停止（9）启动后，有物料就自动分拣，而分拣完成就自动停止第2章 控制系统的执行机构设计 检测元件与执行装置的选择主要是对旋转编码器和各个传感器的选择，并对其作简要介绍。2.1 光电式旋转编码器旋转编码器是与步进电机连接在一起，在本系统中可用来作为控制系统的计数器，并提供脉冲输入。它转化为位移量，可对传输带上的物料进行位置控制。 传送至相应的传感器时，发出信号到PLC，以进行分拣，也可用来控制步进电机的转速。本系统选用鑫亚H38S6-500-3-2-24增量式旋转编码器，其组成和原理如图2-3所示。图2-1 旋转编码器的组成及原理示意图旋转编码器介绍介绍详细一些。：旋转编码器是用来测量转速的装置。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。它分为单路输出和双路输出两种。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。编码器如以信号原理来分，可分为增量脉冲编码器（SPC）和绝对脉冲编码器（APC）两者一般都应用于速度控制或位置控制系统的检测元件。编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。工作原理如下：由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获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。 由于A、B 两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。分辨率：编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度510000线。信号输出: 信号输出有正弦波（电流或电压），方波（TTL、HTL），集电极开路（PNP、NPN），推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动（对称A，A-；B，B-；Z，Z-），HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。信号连接：编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。A、B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。 A、A-，B、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。 对于TTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150米。 对于HTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达300米。H38S6-500-3-2-24增量式旋转编码器的分辨率为500线，而本系统带动传送带的带轮半径为30mm，所以脉冲当量为U=2r/500=0.0377mm从料口到1、2、3号仓的距离分别为200mm、300mm、400mm，所以脉冲数分别为n1=L1/u=530n2=L2/u=796n3=L3/u=10612.2 电感式接近开关电感式接近开关属于有开关量输出的位置传感器，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，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时弄懂原理。，使物体内部产生涡流。 这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化。 由此，可识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。本系统选用LJG2A-4/ZONA2电感传感器。接线图如图2-4，原理图如图2-5。图2-2 LJG2A-4/ZONA2型电感传感器接线图图2-3 电感传感器工作原理图电感传感器介绍： 由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。电感式传感器的特点是：无活动触点、可靠度高、寿命长；分辨率高；灵敏度高；线性度高、重复性好；测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；无输入时有零位输出电压，引起测量误差；对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；不适用于高频动态测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。2.3 光纤传新型传感器的使用注意方法和动作原理。感器选用欧姆龙（OMRON）公司生产的，型号为E3X-NA11光纤传感器。此传感器为黑白颜色传感器，可检测目标物体对黑白色的反射比率，从而鉴别物体颜色。E3X-NA11传感器引脚如图2-7所示图2-4 光纤传感器电路图光纤传感器介绍：光纤是光电接近开关（简称光纤式光电开关）由光纤检测头、光纤放大器两部分组成，放大器和光纤检测头是分离的两部分，光纤检测头的尾部部分分成分别插入两个光纤孔。光纤是光电传感器的输出连接至PLC。光纤式光电开关的传感器部分没有丝毫电路连接，不产生热量，只利用很少的光能，这些特点使光纤传感器成为危险环境下的理想选择。还可以用于关键生产设备的长期高温可靠稳定的监视。相对于传统传感器，光纤传感器的优点有：抗电磁干扰，可工作于恶劣黄警，传输距离长，使用寿命长，此外，由于光纤头具有较小的体积，所以可以安装在很小的空间里。光纤传感器调试：安装完成后，用螺丝刀进行灵敏度的调节，调节时会看到“入光量指示灯”发生的变化。在检测距离固定后当白色共检出现在光纤头下方时，“动作显示灯”亮，提示检测到工件，当黑色共检出现在光纤头下方时，“动作显示灯”不亮，这个光线是光电开关调试完成。2.4 电动机 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机作为执行机构用于带动传输带输送物料前行，与旋转编码器连接在一起。可以通过控制脉冲个数，来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。 同时，可以通过控制脉冲频率来控制材料分拣装置的可编程控制系统控制电机转动的速度，达到调速的目的。步进电机选用的型号为42BYGH101。2.5磁控接近开关磁控接近开关（简称磁控开关）主要用于检测位置变化磁控开关是一种非接触式位置检测开关，不会磨损和损伤被测对象速度比较快。磁控接近开关工作原理：当有磁性物质接近磁控开关时，磁控开关被磁化而使得接点吸合在一起，从而使回路接通。在本系统中，采用上海双旭电子有限公司的D-C73磁性开关，在气缸的活塞杆上安装磁性物质，在汽缸缸筒外面各安装一个磁控开关，这样就能识别各是否到极限位置。应用时，采用共阴接法，棕色线接PLC输入端，蓝色线接公共端。图2-8 磁性开关的外观及工作原理图2-9 磁性开关的内部电路调试：先将磁控开关安装在气缸外面，先不拧紧，把气缸杆拉出，然后调节磁控开关的位置，调到指示灯亮的时候，说明位置刚好，拧紧螺丝即可。2.6光电开关光电开关是利用光的各种性质，检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器。用在环境比较好、无灰尘、无粉尘污染的场合，为非接触式测量，对被测物体无任何影响，在工业生产过程中得到广泛的应用。此处采用漫反射式光电开关，它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时漫反射式的光电开关是首选的检测模式。该系统采用SICK(德国施克)公司的MHT15-N2317光电开关，其外形和工作原理如下图所示：2-10 MHT15-N2317光电开关工作的原理根据上图所示，在接线时，光电开关的褐色线接电源的“+”端，蓝色线接电源的“-”端，黑色线接PLC的输入点。安装与调试：是不是应该放在系统调试一章呢？光电开关具有检测距离长，对检测物体限制小，响应速度快，分辨率高，便于调整等优点。但在安装过程中，必须保证传感器到被检测物体的距离在“检出距离”的范围内，因此，需要认真调试。当检测到物料时，磁性开关上的指示灯就会离开亮，此时有输出，否则就没检测到。2.7电磁阀及气缸气源处理装置：气源处理组件及其回路原理图分别如图1-14所示。气源处理组件是气动控制系统中的基本组成器件，它的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水，调节并保持恒定的工作压力。在使用时，应注意经常检查过滤器中凝结水的水位，在超过最高标线以前，必须排放，以免被重新吸入。气源处理组件的气路入口处安装一个快速气路开关，用于启/闭气源，当把气路开关向左拔出时，气路接通气源，反之把气路开关向右推入时气路关闭。气源处理组件输入气源来自空气压缩机，所提供的压力为0.61.0MPa, 输出压力为00.8MPa可调。输出的压缩空气通过快速三通接头和气管输送到工作单元。双作用直线气缸：标准气缸是指气缸的功能和规格是普遍使用的、结构容易制造的、制造厂通常作为通用产品供应市场的气缸。双作用气缸具有结构简单，输出力稳定，行程可根据需要选择的优点，但由于是利用压缩空气交替作用于活塞上实现伸缩运动的，回缩时压缩空气的有效作用面积较小，所以产生的力要小于伸出时产生的推力。这里采用CDJ2B16*60气缸，其工作原理和示意图如下：图2-11 单电控电磁换向阀的工作原理单电控电磁换向阀组：电磁换向阀是利用其电磁线圈通电时，静铁芯对动铁芯产生电磁吸力使阀芯切换，达到改变气流方向的目的。电磁阀带有手动换向和加锁钮，有锁定（LOCK）和开启（PUSH）2 个位置。用小螺丝刀把加锁钮旋到在LOCK 位置时，手控开关向下凹进去，不能进行手控操作。只有在PUSH 位置，可用工具向下按，信号为“1”，等同于该侧的电磁信号为“1”；常态时，手控开关的信号为“0”。在进行设备调试时，可以使用手控开关对阀进行控制，从而实现对相应气路的控制，以改变推料缸等执行机构的控制，达到调试的目的。这里采用MVSE-300-4E1单控电磁阀，工作原理如下：图 2-12 单电控电磁换向阀的工作原理第3章 控制系统的硬件设计PLC控制系统的硬件设计，主要是根据被控制对象对PLC控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备，选择合适的PLC类型，并分配I/O点。3.1 系统的硬件结构设计系统的硬件结构框图，如图2-1 所示。图3-1 系统的硬件结构框图3.2 系统关键技术系统关键技术即分析控制系统的要求，确定I/O点数，选择PLC的型号，然后进行I/O分配。3.2.1 确定I/ O 点数这个需要重点弄懂。 根据控制要求，输入应该有2个开关信号，3个传感器信号，包括电感传感器、光纤感器。相应地，有3个汽缸运动位置信号，每个汽缸的动作到位信号，共计11 个信号。输出包括控制电动机以不同速度运行的3个发向变频器的信号，以及3个控制汽缸动作的电磁阀。共需I/ O 点18个，其中11个输入，8个输出。3.2.2 PLC的选择根据上面所确定的I/ O点数，且该材料分拣装置的控制为开关量控制。因此，选择一般的小型机即可满足控制要求。本系统选用西门子公司的S7-200系列CPU224CN 型PLC。它有14个输入点，10个输出点，满足本系统的要求。3.2.3 PLC的I/O分配根据所选择的PLC型号，对本系统中PLC的输入输出端子进行分配，如表1所示表1 材料分拣装置PLC 输入和输出端子分配表西门子PLC(I/O)分拣系统接口(I/O)备注 输 入 部 分I0.0编码器A相I0.1编码器B相I0.2编码器Z相I0.3光电开关检测有没有料I0.4电感传感器检测金属料I0.5光纤传感器检测黑白色I0.6磁性开关1I0.7磁性开关2I1.0磁性开关3I1.1启动按钮I1.2停止按钮输出部分Q0.0电动机控制Q0.1Q0.2Q0.3电磁阀1Q0.4电磁阀2Q0.5电磁阀3Q0.6指示灯1准备就绪Q0.7指示灯2运行指示灯Q1.0指示灯3分拣完成指示灯3.2.4 PLC输入输出接线端子图根据表1可以绘制出PLC的I/O接线图，如图2-2所示图片模糊，电动机呢？图3-2 S7-200-224CNPLC的外形及I/O接线图第4章 控制系统的软件设计软件设计是PLC控制系统的核心，程序设计的主要任务是根据控制要求及工艺流程，画出状态流程图并设计出梯形图。4.1 控制系统流程图设计根据系统生产工艺的要求，分析各个设备的操作内容和操作顺序，可画出程序流程图，如图3-1所示。图4-1控制系统流程图应用高速计数器编制程序，可以实现系统的定位控制功能。用高速计数器计数电机转过的圈数，来确定物料到达传感器的距离，实现定位功能。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。4.2 控制系统程序设计根据所绘流程图，在STEP7-Micro/WIN40软件中编写梯形图程序。程序清单见附录。此指令为高速脉冲输出指令，当使能端输入有效时，检测用程序设置的特殊功能寄存器位，激活由控制位定义得脉冲操作，从Q0.0或Q0.1输出高速脉冲。此指令为高速计数器定义指令，使能输入有效时，为指定的高速计数器分配一种工作模式。高速计数是用来累计比PLC扫描频率更高的脉冲输入。此指令为高速计数器指令，使能输入有效时，根据高速计数器特殊存储器位的状态，并按照HDEF指令指定的模式，设置高速计数器并控制其工作。下面对所编写梯形图作简要的介绍：（1）以上为主程序的一部分，首先上电后进行初态检查，并对高速计数器清零，检查完毕，按I1.1后，进入运行状态，为之后分拣进行做好准备。当PLC处于RUN模式时，每次有物料到料口，再对高速计数器清零，之后对物料进行辨别。（2）以上为子程序中的分拣过程，两个传感器分别进行检测，可以检测出金属料，白色非金属料和黑色非金属料，并进入不同的步，分别以不同的速度进行运输。（3）以上为子程序中的高速计数指令，首先进行高速计数指令的初始化操作，当电机旋转时，带动光电码盘发出脉冲，并输入PLC的接收端，由高速计数指令进行计数，计算步进电机转过的步数，进行定位控制。其中设定预置值为0。第5章 控制系统的调试在PLC软硬件设计完成后，应进行调试工作。因为在程序设计过程中，难免会有疏漏的地方，因此在将PLC连接到现场设备之前，必需进行软件测试，以排除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。另外，一些硬件如传感器等，在使用前，也需事先调试好。5.1 硬件调试1光电传感器的调试通电状态下在光电传感器检测头前方的传送带上，放置物料，调整传感器上两螺母，使传感器前后移动，恰好使传感器尾端指示灯发光，该位置即为传感器对物料的检出点。2电感传感器的调试通电状态下在电感传