基于PLC的材料分拣模型控制系统设计Word文档下载推荐.docx
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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。
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制几乎扩展到所有工业领域。
现代社会要求制造业对市场要求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。
为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的看着系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器（ProgrammableLogicController，PLC）正是顺应着一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。
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。
本文主要介绍了PLC控制系统的硬件和软件设计，以及一些调试方法。
2材料分拣装置结构及总体设计原理
2.1材料分拣装置工作过程概述
如图1所示为本分拣装置的结构示意图。
图1材料分拣装置结构示意图
Fig1Materialsortingdevicestructurediagram
它采用台式结构，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。
系统上电后，可编程序控制器首先控制启动输送带，下料传感器SN检测料槽有无物料，若无料，输送带运转一个周期后自动停止等待下料；
当料槽有料时，下料传感器输出信号给PLC，PLC控制输送带继续运转，同时控制气动阀5进行下料，每次下料时间间隔可以进行调整。
物料传感器SA为电感传感器，当检测出物料为铁质物料时，反馈信号送PLC，由PLC控制气动阀1动作选出该物料；
物料传感器SB为电容传感器，当检测出物料为铝质物料时，反馈信号送PLC,PLC控制气动阀2动作选出该物料；
物料传感器SC为颜色传感器，当检测出物料的颜色为待检测颜色时，PLC控制气动阀3动作选出该物料。
物料传感器SD为备用传感器。
当系统设定为分拣某种颜色的金属或非金属物料时，由程序记忆各传感器的状态，完成分拣任务。
系统的技术指标
输入电压：
AC200～240V（带保护地三芯插座）
消耗功率：
250W
环境温度范围：
-5～40℃
气源：
大于0.2MPa切小于0.85Mpa
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。
功能要求
材料分拣装置应实现基本功能如下
（物料重量均为0.1kg,空心立方体,体积75cm3）
（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
（5）分拣出金属中某一颜色块和非金属中某一颜色块
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。
当待测物体经下料装置送入传送带后，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箱；
否则，继续前行。
其控制要求有如下9个方面：
（1）系统送电后，光电编码器便可发生所需的脉冲
（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）其他物料被送到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
2.2材料分拣装置系统工作原理
本文所设计的PLC材料分拣系统采用推块式分拣机的台式结构，有竖井式材料输入料槽，滑板式产品输出料槽口。
同时，输送带作为传动结构，为了方便较快速度的启动和停止，用异步交流电机驱动；
对不同材质的三种传感器分别固定在网孔板上；
为了保证整个系统的安全性又加了一个光电传感器。
整个控制系统有气动部件、电气部件和硬件三大部分组成。
气动部分由空气压缩机、气缸、气瓶、气压指示表、分水过滤器、冷却器、减压阀、配气器、等部件组成；
电气部分由PLC、铁检测传感器、铝检测传感器、颜色检测传感器、光电传感器、异步交流电机、开关、电源等部件组成；
硬件部分由传送带异步电动机、传送带、底座、支架等组成。
材料分捡系统工作原理示意图如图2所示。
1—气瓶2—PLC3—料槽4—电源5—电机
6—料槽传感器7—料仓气缸8—皮带9—仓库10—气缸11—传感器
图2材料分捡系统工作原理示意图
Fig2Materialsortingsystemschematicdiagram
其工作过程是开启电源，气动系统开始工作，系统进入自检状态。
下料传感器检测下料槽内是否有物料，若没有物料，延时后自动等待上料；
当下料槽内有物料时，系统自动运行。
首先，下料传感器发送信号给PLC，PLC传送信号给下料气缸。
经过一定时间，下料汽缸将物料推至传送带。
当物料在传送带传送时，PLC计数器开始计数，电机开始运行。
当传感器检测到物料为铁金属时，发出反馈信号给PLC，由PLC控制气缸一动作，将物料推到料仓。
当气缸电磁阀运行到后限位开关时，电磁阀复位，回到原状态。
同理，可通过相应传感器分拣相应的物料。
系统的结构图如图3所示。
图3系统结构图
Fig3Systemstructurediagram
3PLC材料分拣系统的硬件设计
3.1系统的硬件配置
系统由气动部件、电气部件和硬件三大部分组成。
系统的硬件配置如表1。
表1系统硬件配置
Table1Systemhardwareconfiguration
PLC
1台
底座
1个
启动开关
光电传感器
2个
铁传感器
电机
铝传感器
气缸
5个
颜色传感器
限位开关
10个
气瓶
皮带
1条
电源
气压传动装置
1套
3.2系统的运行方式
系统是全自动的运行方式。
在系统开始工作前需要人工合上刀闸开关，然后手动启动系统的电源开关。
系统开始运行，进入自检状态，当有物料进入料槽时，系统开始自动运行；
当料槽中没有物料时，系统进入自检状态，等待物料再次进入料槽，然后自动运行。
系统需要停止工作时，需要人工切断系统电源，然后再切断主电源。
自动运行方式是由一台可编程序控制器（PLC）来控制整个系统自动运行，系统根据传感器传出的信号执行事先编译好程序[3]。
系统主电路图和结构图如图4所示。
在图4中，M1为传送带提供动力的异步电动机，M2为空气压缩机。
FU1为主电路的熔断器，起短路保护的作用。
当电路发生短路时，通过熔体的电流使其发热，当达到熔化温度时自行熔断，从而分段电路。
接触器KM1控制电动机M1的运行。
当接触器收到PLC为1的信号时，接触器闭合，电动机就可以启动运行。
FR1、FR2分别为电机过载保护用的热继电器，电动机一旦出现长时间过载自动切断电路。
并能购随过载程度而改变动作时间的继电器，充分发挥了电动机的过载能力，保证电动机的正常启动和运转。
图4系统主电路图
Fig4Systemmaincircuitdiagram
3.3PLC选型
3.3.1PLC与传统继电器的区别
最初研制生产PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：
（1）当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作[4]。
但CPU不可能同时去执行过个操作，它只能按分时操作方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。
由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结构似乎是同时完成的。
这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。
用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从第一步开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。
然后再从头开始扫描执行，周而复始重复运行。
继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。
（2）PLC的优点：
可靠性高，抗干扰能力强；
控制系统结构简单，通用性强；
配套齐全，功能完善，适用性强；
易学易用，深受工程技术人员欢迎；
系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造；
设计、施工、调试的周期短。
3.3.2PLC设计选型的一般原则
1、选择自己熟悉的机种和机型：
同样的控制设备的设计，可以用任何同样级别的PLC来完成。
如果选用你不熟悉的PLC，你就必须从头熟悉它，虽然不费太多的事，但毕竟没有用你熟悉的机型来的快。
2、不要大材小用：
什么样的规模设计任务就选用什么样规模的PLC，避免造成太多的硬件资源的浪费。
3、具体的控制对象，具体选择：
根据不同的设计任务，来选择PLC的机型。
4、选用易采购的机型：
有的产品经销商较少，不容易采购或进行比较，有的产品经销商很多，容易采购和比较，你就可以选用信誉好、价格优惠、技术上能够给与支持的公司。
5、经常了解PLC产品的发展动态：
PLC产品更新换代很快，你熟悉的机型也许过几年就见不着了，所以，你最好在设计选型之前，先了解一下市场情况。
目前在国内市场上有从美国、德国、日本等国引进的多种系列PLC，国内也有许多厂家组装、开发数十种PLC，故PLC系列标准不一，功能参差不齐，价格悬殊。
在此情况下，PLC的选择应着重考虑PLC的性能价格比，选择可靠性高，功能相当，负载能力合适，经济实惠的PLC。
本文介绍以PLC的材料分拣装置系统输入、输出点数的要求，选择为三菱公司的FX2N系列的FX2N-32MR-001。
PLC种类较多，主要有西门子、三菱、OMRON、FANAC、东芝等，但能配套生产，大、中、小、微型均有配套且目前用得最广泛的的主要是西门子、三菱、OMRON的PLC。
根据系统中的控制要求PLC点数：
实际输入点15点，实际输出点8点，综合对比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西门子系列、OMRON系列中I/O点数为32点各型号的PLC的价格、性能、实用场合等各方面，本系统可选择PLC型号为：
FX2N—32MR，合计总数32点—16点输入，DC24V，最大电流2A，16点继电器输出；
尺寸（mm）：
220×
87×
90，其性能、价格都优于其他PLC。
FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列，它能最大范围地包容了标准特点，程式执行更快，全面补充通讯功能，适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化控制应用提供最大的灵活性和控制能力。
FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。
由于FX2N系列具备如下特点：
最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
该型号PLC有16个输入节点，16个输出节点，能够满足系统要求并留有一定的余量。
3.4铁传感器的选型
霍尔接近开关来检测材料是否是磁性铁金属。
霍尔元件是一种磁敏元件。
利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关[5]。
当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有无磁性物体存在，进而控制开关的通或断。
本系统中，当材料是铁时传感器开关闭合，产生电流驱动线圈。
霍尔接近开关的工作原理见图5。
因此，本系统中检测铁物料选用霍尔传感器为2AV系列。
图5霍尔接近开关的工作原理图
Fig5Holzerclosetotheswitchworkingprinciplediagram
3.5铝传感器的选型
电容传感器也属于具有开关量输出的位置传感器，是一种接近式开关。
它的测量头通常是构成电容器的一个极板,而另一个极板是待测物体的本身。
当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化。
由此，便可控制开关的接通和关断。
本装置中电容传感器是用于检测铝质材料。
当通过金属体的磁通过变化时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流[6]。
电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。
电涡流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。
如图6所示，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流I1时，线圈周围就产生一个交变磁场H1。
置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2，电涡流也将产生一个新磁场H2，H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。
图6电涡流传感器原理图
Fig6Eddycurrentsensorprinciplediagram
我们可以把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环，这样就可得到如图7的等效电路。
图中R1、L1为传感器线圈的电阻和电感。
短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R2、电感为L2。
线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的减小而增大，随线圈与导体间距的增大而减小。
当铝检测传感器检测到金属材料时，传感器的线圈阻抗就会发生变化。
图7电涡流传感器等效电路图
Fig7Equivalentcircuitofeddycurrentsensor
利用这一性质可以把铝传感器和继电器如图8连接，实现开关功能。
所以本系统铝传感器选用电涡流传感器为ST系列。
图8铝传感器开关原理图
Fig8Aluminumsensorswitchprinciplediagram
3.6颜色传感器的选型
目前，用于颜色识别的传感器有两种基本类型：
①色标传感器，它使用一个白炽灯光源或单色LED光源；
②RGB（红绿蓝）颜色传感器，它检测物体的对三基色的反射比率，从而鉴别物体颜色。
这类装置许多是温反射型、光束型、光纤型的，封装在各种金属和聚碳酸脂外壳中。
典型的输出有：
NPN和PNP、继电器和模拟输出。
我们所看到的物体颜色，实际上是物体表面吸收了照射到它上面，白光（日光）中的一部分有色成分之后，反射出的另一部分有色光在人眼中的反应[7]。
白色是由各种频率的可见光混合在一起构成的，也就是说白光中包含着各种颜色的色光（如红、黄、绿、青、蓝、紫）。
根据三原色理论可知，各种颜色是由不同比例的三原色（红、绿、蓝）混合而成的。
如果知道构成各种颜色的三原色的值，就能够知道所测试物体的颜色。
选用TAOS公司生产的，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的反射比率，从而鉴别物体颜色。
TCS230传感器引脚如图9所示
图9TCS230颜色传感器
Fig9TCS230colorsensor
RGB颜色传感器介绍：
TCS230是美国TAOS公司生产的一种可编程彩色光到频率的转换器。
该传感器具有分辨率高、可编程的颜色选择与输出定标、单电源供电等特点；
输出为
数字量，可直接与微处理器连接。
它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上还集成了红绿蓝（RGB）三种滤光器，是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器。
TCS230的输出信号是数字量，可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，因此可直接与微处理器或其它逻辑电路相连接。
由于输出的是数字量，并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度，因而不再需要A/D转换电路，使电路变得更简单。
TCS230采用8引脚的SOIC表面贴装式封装，在单一芯片上集成有64个光电二极管。
这些二极管共分为四种类型。
其中16个光电二极管带有红色滤波器，16个光电二极管带有绿色滤波器，16个光电二极管带有蓝色滤波器，其余16个不带有任何滤波器，可以透过全部的光信息。
这些光电二极管在芯片内是交叉排列的，能够最大限度地减少入射光幅射的不均匀性，从而增加颜色识别的精确度；
另一方面，相同颜色的16个光电二极管是并联连接的，均匀分布在二极管阵列中，可以消除颜色的位置误差。
工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器。
该传感器的典型输出频率范围从2Hz~500kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择100%、20%或2%的输出比例因子，或电源关断模式。
输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。
当入射光投射到TCS230上时，通过光电二极管控制引脚S2、S3的不同组合，可以选择不同的滤波器；
经过电流到频率转换器后输出不同频率的方波（占空比是50%），不同的颜色和光强对应不同频率的方波；
还可以通过输出定标控制引脚S0、S1选择不同的输出比例因子，对输出频率范围进行调整，以适应不同的需求。
S0、S1用于选择输出比例因子或电源关断模式；
S2、S3用于选择滤波器的类型；
OE是频率输出使能引脚，可以控制输出的状态，当有多个芯片引脚共用微处理器的输入引脚时，也可以作为片选信号；
OUT是频率输出引脚，GND是芯片的接地引脚，VCC为芯片提供工作电压。
表2是S0、S1及S2、S3的可用组合。
表2S0、S1及S2、S3的组合选项
Table2S0,S1andS2,S3combinationoption
S0
S1
输出频率定标
S2
S3
滤波器类型
L
关断电源
红色
H
20%
蓝色
无
100%
绿色
3.7光电传感器的选型
光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。
用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，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的白炽灯做为光源。
这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。
本系统选用FPG系列小型放大器内藏型光电传感器。
原理如图10所示，其中负载可接至PLC。
光电传感器介绍：
光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。
光电传感器采用光电元件作为检测元件，首先把被测量的变化转变为信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件3部分组成。
光电传感器是将光信号转换为电信号的光敏器件。
它可用于检测直接引起光强变化的非电量，也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量。
光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多。
传感器的结构简单，形式灵活多
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