最新版基于PLC自动分拣及传输控制系统设计毕业设计Word格式.docx
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Sensors
第1章绪论
分拣是把很多货物按品种从不同的地点和单位分配到所设置的场地的作业。
按分拣的手段不同，可分为人工分拣、机械分拣和自动分拣。
目前自动分拣已逐渐成为主流，因为自动分拣是从货物进入分拣系统送到指定的分配位置为止，都是按照人们的指令靠自动分拣装置来完成的。
这种装置是由接受分拣指示情报的控制装置、计算机网络，把到达分拣位置的货物送到别处的的搬送装置。
由于全部采用机械自动作业，因此，分拣处理能力较大，分拣分类数量也较多。
随着社会的不断发展，市场的竞争也越来越激烈，因此各个生产企业都迫切地需要改进生产技术，提高生产效率，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，致使生产效率低，生产成本高，企业的竞争能力差，材料的自动分拣已成为企业的唯一选择。
针对上述问题，利用PLC技术设计了一种成本低，效率高的材料自动分拣装置，在材料分拣过程中取得了较好的控制效果。
物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。
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。
应用PLC技术结合气动、传感器和位置控制等技术，设计不同类型材料的自动分拣控制系统。
该系统的灵活性较强，程序开发简单，可适应进行材料分拣的弹性生产线的需求。
本次毕业设计主要介绍了PLC控制系统的硬件和软件设计，以及一些调试方法。
第2章物料分拣装置的结构及总体设计
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。
2.1物料分拣装置的工作过程
物料分拣装置采用台式结构，内置电源，有步进电机、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容式和电感式传感器，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。
当给装置上电时，PLC传输信号，控制传送带动作。
接着下料传感器SN进行检测在料槽是否有料，然后反馈给可编程控制器进行下一步动作，如果检测到没有物料，那么传送带传送一个周期后自动停止动作，并在此等待；
而如果测到物料时，下料传感器SN发出信号传送到可编程控制器，PLC输出信号控制传送带继续动作，同一时刻，控制器还会输出信号让气动阀5来下料，通过软件程序可以修改下料的时间差。
电感传感器SA的工作原理：
当电感传感器检测出物料是铁材料时，传感器发出信号传送到PLC，接着可编程控制器输出信号控制气动阀1动作，打开对应的开关分拣出该物料；
电容传感器SB的工作原理：
若电容传感器检测到待检物料是铝材料，传感器发出信号传送给可编程控制器，接着可编程控制器输出信号控制气动阀2动作，打开对应的开关分拣出该物料；
颜色传感器SC工作原理：
在颜色传感器检测出待检物块的颜色与所设置的颜色相同后，传感器发出信号传送给PLC，接着可编程控制器输出信号控制气动阀3动作，打开对应开关分拣出该物料。
备用传感器SD的作用是：
当要求分拣出属于某一颜色的金属材料或者是某一颜色的非金属材料时，利用程序参考之前每个传感器的作用，配合着把分拣工作实现。
如图2-1所示为本次物料分拣装置的结构示意图。
图2-1物料分拣装置的结构示意图
2.2系统的技术指标
输入电压：
AC200～240V
消耗功率：
250W
环境温度范围：
-5～40℃
气源：
大于0.2MPa切小于0.85Mpa
2.3系统的设计要求
功能、控制要求构成了系统的设计要求，在准备设计系统前，我们需要了解这两个要求。
2.3.1功能要求
物料分拣装置的基本功能有：
（1）分拣出金属和非金属。
（2）分拣某一颜色物料。
（3）分拣金属物料中的一种颜色物料。
（4）分拣非金属物料中一种颜色物料。
（5）分拣出金属当中一种颜色物料和分拣出非金属中一种颜色物料。
2.3.2系统的控制要求
通过所选的传感器，系统检测出物料，并且按照要求进行分类。
在把物料经过下料装置送到传送带上后，几种传感器按照顺序依次进行检测物料。
在物料被其中一种传感器检测出后，PLC控制气动装置，把物料推入卸料槽；
否则，继续前行。
其控制要求有9方面：
（1）在系统得到电源之后，光电编码器就会产生系统需要的脉冲。
（2）电机运转拉动传送带，将物料往前传递。
（3）当检测出有料，下料汽缸开始动作，把物料从料槽中推出。
（4）在电感传感器检出到物料属于铁材料后，汽缸1开始动作，卸料。
（5）在电容传感器检出到物料属于铝材料后，汽缸2开始动作，卸料。
（6）在颜色传感器检出到物料属于所设置的颜色后，汽缸3开始动作，卸料。
（7）在剩余的物料输送至SD位置后，汽缸4开始动作，卸料。
（8）汽缸的动作应当设有动作限位防护功能。
（9）当下料槽内无法下料时，系统会延时一段时间后自动停止运转，以节约资源。
第3章控制系统中的硬件设计
在设计控制系统硬件时，根据系统功能要求以及被控对象和可编程控制器之间的关系，确定系统需要的输入设备和输出设备有哪些，然后挑选出适合系统要求的PLC类型，最后分配好I/O点。
3.1系统的硬件结构
系统通过PLC连接各电气元件，改变它们的动作与否来完成设计要求。
如图2-1是本次设计出来的结构大概框图。
图3-1系统的硬件结构框图
3.2系统关键技术
分析出控制设计的要求，明确I/O点数，挑选出PLC合适型号，最后分配好I/O点数，这些就是系统关键技术。
3.2.1确定I/O点数
设计的控制要求含有开关输入信号和传感器信号，其中开关输入信号有2个，而电感式、电容式传感器、用于检测某一颜色的传感器、添加的备用传感器、起始处的下料传感器以及计数传感器则构成了6种传感器的信号。
系统还有5个用于控制汽缸动作的信号，并且每个汽缸不但有动作的限位，它们还有回位的限位，因而信号有10个。
接触器加上电磁阀构成了输出信号。
接触器是用来改变电动机的运行状态，5个电磁阀则用于推动汽缸动作。
这样系统需要24个I/O点，在这24个点中有18个是输入点，有6个是输出点。
3.2.2PLC类型的选择
鉴于是用开关量来操作本次的物料分拣设备，以及按照前面确定的I/O点数，本次设计挑选S7-200系列中的CPU226型的PLC。
这种PLC共有24个输入点，满足18个输入量的需求；
它还有16个输出点，也能够实现要求的6个输出量。
3.2.3PLC的输入输出端子分配
挑选好PLC后，进行分配本次设计的I/O端子，如下表3-1所示。
表3-1PLC输入/输出表
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）
I0.1
SN（下料传感器）
是否有下料
I0.2
SA（电感式传感器）
是否为铁质物料
I0.3
SB（电容式传感器）
是否为铝制物料
I0.4
SC（颜色传感器）
I0.5
SD（备用传感器）
其它物料
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（启动）
I2.1
SB2（停止）
输
出
Q0.0
M（传送带电机驱动器）
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）
3.2.4PLC输入输出接线端子图
如图3-2所示为PLC的输入输出的接线图。
图3-2PLC输入输出接线图
3.3检测元件与执行装置的选择
本节介绍旋转编码器以及选择的原因，还有电感传感器等的介绍。
3.3.1旋转编码器
连接着电机的旋转编码器，在本次设计中被当做系统内一种计数器，并且给系统加入脉冲输入。
这个信号转变成为位移的变化量，改变在传送带的上面的物块位置。
当物料被传送到传感器时，旋转编码器发出信号传送给PLC，以此开始分拣动作，同时，旋转编码器还可以调整步进电机的转速。
挑选旋转编码器E6A2CW5C型号并在本次设计中使用,它的原理图如下图3-3所示，实物图如图3-4所示。
图3-3旋转编码器的原理图
图3-4旋转编码器的实物图
旋转编码器：
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。
旋转编码器的工作原理：
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5～10000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：
编码器输出的信号通常与计数器、PLC和计算机相连接，而与PLC、计算机相连接的模块有一定区别，这些模块有低速与高速的区别，它们的开关频率有的低，有的高。
如果联接发方式是单相联接，那么编码器通常用来单方向计数，并且是单方向测速。
如果联接方式是A、B两相之间连接，那么编码器则用来正反向计数，且是正反向测速，这种方式还可以判断出正反向。
如果联接方式是A、B、Z它们三相之间互相连接，那么编码器则可以用于测量出带参考位的某些位置当中。
如果联接方式是A、A-，B、B-，Z、Z-连接，这种编码器衰减最小，抗干扰最佳，因为它连接有对称负信号，电流不产生电磁场，对电缆几乎没有影响，一般用在距离较远的传输当中。
按照这样联接方式联接的编码器输出方式为TTL，那么它的信号传输能够达到150米距离。
而按这样联接方式联接的编码器，信号输出为HTL形式时，它的信号传输能够达到300米距离。
系统启动后，光电码盘得电，传输信号送至PLC，接着PLC得到这个信号后会输出指令给电机，让电机开始转动带动传送带。
图3-5所示为旋转编码器的输出回路。
图3-5编码器输出回路
表3-2为旋转编码器的连接方式，介绍每根线所连接的作用。
表3-2连接方式
线色
内容
褐
VCC
黑
A相
白
B相
青
COM
旋转编码器输出的脉冲信号还可以用来计数，统计分拣的数量，分析传送带的位置，准确定位物料与传感器的位置。
如图3-6所示为旋转编码器的输出方式。
图3-6旋转编码器输出方式
3.3.2电感传感器
电感传感器属于一种位置传感器，它具有开关量输出，通常我们用电感传感器来判断某个物体是否为某种金属。
它的工作流程如图3-7所示。
图3-7电感传感器工作流程
LC高频振荡器加上放大处理电路组成电感传感器的主要部分，之所以电感传感器能够区分物体是否为某种金属，主要是当有金属的物体在靠近时，震荡感应头会产生一个电磁场，这些电磁场能够使靠近的物体中形成涡流。
而形成的涡流对接近开关产生作用，衰减它的振荡能力，接近开关震荡能力衰减后会改变内部电路的参数，达到控制开关通或断的效果，从而达到区别金属的功能。
挑选M18X1X40型号传感器作为本次设计的电感传感器。
如下图3-8所示是传感器的接线图，而图3-9所示是传感器的工作原理图。
图3-8M8X1X40DC常开式传感器接线图
图3-9电感式传感器的原理图
电涡流效应（基于法拉第定律）：
（交变电流）（交变磁场）（电涡流）（交变磁场）与方向相反的大小和相位变化，即引起电感线圈的有效阻抗变化。
、—被测金属导体的电阻率、导磁率
—线圈激励信号频率
—被测金属导体的厚度
—线圈与金属体之间的距离
若保持、、、不变
图3-10等效电路
—空心线圈的电阻和电感；
—电涡流回路的等效电阻和电感；
—线圈与金属体之间的互感，是距离X的函数。
根据克希霍夫定律：
线圈的等效阻抗：
线圈的等效电阻：
线圈的等效电感：
（距离越近，M越大，Leq越小）
原线圈阻抗：
线圈的品质因数：
图3-11石英晶体震荡电路原理图
石英晶体振荡电路的作用—恒流源
金属体远离时，L、C谐振回路发生谐振，谐振频率，
金属体靠近时，
电感传感器：
铁心加上线圈构成了电感传感器的主要部分，它能够转化直线或角位移的变化量为线圈电感量的变化量，因此被称为电感位移传感器。
电感传感器的材料导磁系数和线圈匝数是固定不变的，它的电感量的改变与位移量有关系，线圈磁路的内部几何尺寸因位移量变化而改变，从而使电感量发生变化。
将线圈接入到测量电路中，给它一个激励电源，线圈会输出电压或电流，电压或电流与位移输入量成正比。
电感传感器有7种特点：
①灵敏度高、分辨率高；
②线性度高、重复性好；
③测量范围宽；
④触点固定、高可靠度、较长寿命；
⑤激励电源有稳定的频率并且幅值需稳定在一定区域；
⑥在无输入时传感器会输出零位电压，会使测量中产生误差；
⑦不适用于高频动态测量。
电感传感器多用在测量位移中，还有测量一些可以换算成位移变化的类似力、加速度转矩等机械量。
变间隙型传感器是被使用最多的电感传感器，另外变面积型和螺管插铁型传感器也常被使用。
为了提高线性度、减小误差，在现实使用中它们多被制作成差动式传感器。
电感传感器的实物图如图3-12所示。
图3-12电感传感器实物图
3.3.3电容传感器
电容传感器和电感传感器一样，属于一种位置传感器，它能够输出开关量，同时还是接近式开关。
通常电容器有两个极板，而在电容式传感器中，测量头和待测物常被当作两个极板看待。
在物料慢慢靠近的过程中，物料与接近开关之间的介电常数会慢慢改变，这样就可以改变电路状态。
通过这些，我们可以通过改变物体与接近开关之间的距离，实现开关的通或断的功能。
挑选E2KXME1式电容传感器作为本次设计的电容传感器，如图3-13所示。
图3-13电容式传感器的原理图
电容传感器：
变换器在这些测量中常常出现，因为它们可以实现这个功能，使得测量更加方便；
电容传感器便是应用了这些特点，把如位移的力学量转换成对应的电容变化量。
因为无源变化器的原因，电容变化器在转换过程中会把力学量变换为能够识别的电压量或者是电流量，完成最终的转化前变化器还会将得到的电量放大加工。
电容传感器适合测量一些变化量比较小，变化率低的力学量，因为电容传感器拥有许多其它传感器没有的特点：
（1）高灵敏度；
（2）能够大范围测量；
（3）能够快速动态响应，动态、静态两种测量方式都很适合；
（4）能够适应多种困难环境，不易受到外界干扰，它能长期稳定的工作，在许多领域都能够发挥出它的优势。
电容传感器有三根接线，接线方式如表3-3所示。
表3-3电容传感器接线方式
颜色
接线
棕色
蓝色
黑色
在与PLC相连接后，电容传感器受到它的控制，此时PLC相当于一个开关。
电容传感器的黑色端与PLC信号采集端口I0.2相连，在检测到铝制物料后，传感器发出信号，经端口送到PLC，然后PLC会发送信号控制相应汽缸动作，完成对应的分拣工作。
电容传感器的实物图如图3-14所示。
图3-14电容传感器
3.3.4颜色传感器
本次设计挑选TCS230型号颜色传感器。
这个是TAOS公司的颜色传感器，简称RGB。
它检测物料颜色的原理是，通过分析反射比率，这个反射比率是待测物体与三基色产生的。
TCS230传感器引脚如图3-15所示。
图3-15TCS230颜色传感器
RGB颜色传感器介绍：
TCS230是一个可以编程的彩色光转换为频率的转换器，它由美国陶斯公司所生产。
这种传感器分辨率很高，而且可以预先通过编程来设定颜色和最后的输出，这个传感器可以使用单一电源来供电，使用起来更加方便等等，它还有许多特点；
这中传感器可以不通过其它媒介，直接连上微处理器，因为它的输出不需要转换，直接是处理器能够识别的数字量。
红绿蓝滤光器还被集成在单一芯片上，它成为第一个RGB颜色传感器——拥有能够兼容数字的接口。
带有着红色、绿色、蓝色以及不带任何滤波器的光电二极管各有16个，一共64个二极管，把这些二极管集成在单一的芯片上。
为了增加入射光的幅射均匀性，在芯片内排列光电二极管的时候可以选择交叉纵横的方式，这样可以使识别颜色的精确度提高许多；
另外考虑到相同颜色在一起的时候可能会出现一些误差，所以相同颜色的光电二极管都用并联方式连接起来，并且在二极管中均匀放置，大方实用。
通过光电二极管改变S2、S3两个引脚的不同组合方式，在有光线投射后，传感器会变成不一样的滤波器；
颜色不一样和光的强度有差别，这样对应的方波也会有不一样的频率；
如果有别的的需求，我们可以通过控制S0、S1两个引脚来改变输出比例因子，以调整输出频率的范围。
S0、S1两个引脚可以用来控制输出比例因子，它们还可以被用来控制电源的模式，选择关或断；
挑选滤波器类型的时候会受到S2、S3的影响；
其中OE是用来控制当前的输出状态，属于使能引脚，在有些情况下，它也能够当做片选信号。
表3-4是S0、S1和S2、S3的所有组合。
表3-4S
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