材料分拣实验指书.docx

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材料分拣实验指书

第1章系统介绍

一、QSPLC-CL1材料分拣系统简介

该装置采用台式结构，内置电源，单相交流电动机，进口气缸、电磁阀、旋转编码器等

部件，转接面板上接口可与PLC或单片机、工控机连接。

涵盖PLC技术、气动技术、传感

器技术、位置控制技术等内容，选用了颜色识别传感器及对不同材质敏感的电容式和电感式

传感器，分别被固定在网板上。

允许学员重新安装传感器排列位置或选择网板不同区域安装。

可增加编程难度，开发学员创造能力。

本装置还设置了气动方面的减压器、滤清、气压指示等，可与各类气源相连接。

可完成

传感器、交流电机、旋转编程器、PLC编程及调试、计算机组态监控、气动等方面的综合应

用设计训练。

其结构如下图所示：

各传感器位置见下图所示：

第2章使用说明

安装环境：

避免将设备安装到下列场所：

日光直射或者环境温度超出0到50℃范围的场所。

相对湿度超出35%RH到75%范围或者由于剧烈温度变化产生结露的场所。

空气中存在腐蚀气体或可燃气体场所。

对本体造成直接振动或撞击的场所。

粉尘、铁屑或盐分较多的场所。

会使本设备附着水、油或化学物质的场所。

空气中含有有机溶济的例如苯、涂料稀释济、酒精或者强碱物质如氨和苛性碱的场所。

静电防护：

在干燥的环境下有产生静电累积的危险，所以当需要触摸设备时，应选通过接地设备对

其进行放电再触摸。

清洗：

不要使用稀料或类似的溶液清洗，因为会溶解本体的某些部件并且会造成褪色。

供电顺序：

在给变频器供电之前控制单元应处于停止工作状态。

在接通电源之前

当您是第一次接通供电时，请注意以下事项：

请确认没有接线的碎屑或者尤其是导电物质在印制电路板上。

确认电源接线、输入/输出接线和电压是正确的。

确认控制单元是处于停止工作状态。

第3章安装

设备的安装

1）实验桌的选择：

QSPLC-CL1采用平板式结构，应放置在一个平台上，同时为了实验需要，最好配备一台

电脑，其尺寸应满足：

长度≥800mm

宽度≥500mm

高度≥750mm

2）电源的选择

供电电压：

交流AC220V

输出功率：

大于150W

3）气源的选择

工作压力：

0.8Mpa

功率：

0.75KW

排气量：

0.067m3

转速：

2800rpm

储气罐容积：

18L

供电电压：

交流AC220V/50Hz

4）电脑配置

CPU：

主频600MHz以上。

RAM：

256MB内存（推荐512MB）

空余磁盘空间：

600MB以上。

显示设备：

XGA，支持1024*768分辨率，16bit以上彩色深度。

第4章基础入门篇

一、PLC入门知识

（一）概述

可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。

它采用可编

程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的

指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控

制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充的原则设计

PLC与传统的继电器逻辑相比：

1、可靠性高、逻辑功能强、体积小。

2、在需要大量中间继电器、时间继电器及计数继电器的场合，PLC无需增加硬设备。

3、随着要求的变更PLC对程序修改方便。

继电器线路要想改变控制功能，必须变更硬

接线，灵活性差。

4、具有网络通讯功能，可附加高性能模块对模拟量进行处理，实现各种复杂控制功能。

PLC与工业控制计算机相比

1、PLC继承了继电器系统的基本格式和习惯，对于有继电器系统方面知识和经验的人

来说，尤其是现场的技术人员，学习起来十分方便。

2、PLC一般是由电气控制器的制造厂家研制生产，各厂家的产品不通用。

工业控制机

是由通用计算机推广应用发展起来的，一般由微机厂、芯片及板卡制造厂开发生产。

它在硬件结构方面的突出优点是总线标准化程度高，产品兼容性强。

3、PLC的运行方式与工业控制机不同，微机的许多软件不能直接使用。

工业控制机可

使用通用微机的各种编程语言，对要求快速、实时性强、模型复杂的工业对象的控

制占有优势。

但它要求使用者具有一定的计算机专业知识。

（二）PLC的系统结构

二、PLC各部分的作用

（一）CPU

诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。

采集现场的状态或数据，并送人PLC的寄存器中。

逐条读取指令，完成各种运算和操作。

将处理结果送至输出端。

响应各种外部设备的工作请求。

（二）存储器

系统程序存储器：

用以存放系统管理程序、监控程序及系统内部数据。

PLC出厂

前已将其固化在只读存储器ROM或PROM中，用户不能更改。

用户存储器：

包括用户程序存储区及工作数据存储区。

这类存储器一般由低功耗

的CMOS-RAM构成，其中的存储内容可读出并更改。

注意：

PLC产品手册中给出的“存储器类型”和“程序容量”是针对用户程序存储

器而言的。

（三）输入输出接口电路

输入接口电路：

采用光电耦合电路，将限位开关、手动开关、编码器等现场输入设

备的控制信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。

输出接口电路：

采用光电耦合电路，将CPU处理过的信号转换成现场需要的强电信

号输出，以驱动接触器、电磁阀等外部设备的通断电。

（四）电源

PLC的电源是指将外部输入的交流电处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输人输出接口等内部电路工作需要的直流电源电路或电源模块。

许多PLC的直流电源采用直流开关稳压电源，不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用，而且还可为输入设备提供标准电源。

（五）输入输出I／0扩展接口

若主机单元的I／O点数不能满足需要时，可通过此接口用扁平电缆线将I／O扩展单元

与主机相连，以增加I／O点数。

PLC的最大扩展能力主要受CPU寻址能力和主机驱动能力

的限制。

三、PLC的基本工作原理

与微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作周期性的循环扫描，如果无跳转指令,则从第一条指令开始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扫描周期，

一个扫描周期主要分为三个阶段：

1、输入刷新阶段

2、程序执行阶段

3、输出刷新阶段

由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I／O刷新阶段。

实际上，除了执行程序和I／O刷新外，PLC还要进行各种错误检测（自诊断功

能）并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”。

一般在程序执行后进行。

扫描周期的长短主要取决于程序的长短。

由于每一个扫描周期只进行一次I／0刷新，故使系统存在输入、输出滞后现象。

这对

于一般的开关量控制系统不但不会造成影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。

但对于控制

时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功

能，以减少因扫描周期造成的响应滞.

S7-200PLC系统是紧凑型可编程序控制器。

系统的硬件构架由成系统的CPU模块和丰

富的扩展模块组成。

它能够满足各种设备的自动化控制需求。

S7-200除具有PLC基本的控

制功能外，更在如下方面具有独到之处。

1、功能强大的指令集

指令内容包括位逻辑指令、计数器、定时器、复杂数学运算指令、PID指令、字符串指

令、时钟指令，以及和智能模块配合的专用指令等。

2、丰富强大的通讯功能

S7-200提供了近10种通讯方式以满足不同的应用需求，从简单的S7-200之间的通讯

到S7-200通过PROFIBUS-DP网络通讯，甚至到S7-200通过以太网通讯。

在联网需要已日益成为必需的今天，强大的通讯无疑会使S7-200为更多的用户服务。

可以说，S7-200的通讯功能已经远远超过了小型PLC的整体通讯水平。

3、编程软件的易用性

STEP7-MICRO/WIN32编程软件为用户提供了开发、编辑和监控的良好编程环境。

全中文的界面、中文的在线帮助信息、WINDOWS的界面网络以及丰富的编程向导，能使用户快速进入状态，得心应手。

四、S7-200CPU

（一）S7-200CPU的外形如下图所示：

（二）S7-200CPU规格

S7-200CPU将一个微处理器、一个集成的电源和若干数字量I/O点集成在一个紧凑的

封装中，组成一个功能强大的PLC。

西门子提供多种类型的CPU以适应各种应用要求。

不同类型的CPU具有不同的数字量I/O点数、内存容量等规格参数。

目前提供的S7-200CPU有：

CPU221、CPU222、CPU224、CPU226和CPU226XM。

S7-200CPU规格如表1-1所示列。

表1-1S7-200CPU规格

对于每个型号，西门子提供DC（24V）和AC（120∽220V）两种电源供电的CPU类型。

如CPU224DC/DC/DC和CPU224AC/DC/RELAY。

每个类型都有各自的订货号，可以单独订货。

DC/DC/DC：

说明CPU是直流供电，直流数字量输入，数字量输出点是晶体管直流电路的类型。

AC/DC/RELAY：

说明CPU是交流供电，直流数字量输入，数字量输出点是继电器触点的类型。

（三）扩展模块

S7-200CPU为了扩展I/O点和执行特殊的功能，可以连接模块（除CPU221外）。

扩展

模块主要有如下几类：

1、数字量I/O模块：

2、模拟量I/O模块：

3、通讯模块；

4、特殊功能模块；

（1）数字量I/O扩展模块

EM221：

数字量输入扩展模块。

包括3种类型：

8点24VDC输入

8点AC120/230V输入

16点24VDC输入。

EM222：

数字量输出扩展模块，包括5种类型：

8点24VDC（晶体管）输出；

8点继电器输出；

8点AC120/230V输出；

4点24VDC输出，每点5A；

4点继电器输出，每点10A；

EM223：

数字量输入/输出扩展模块，共有6种类型：

4点24VDC输入/4点24VDC输出

4点24VDC输入/4点24V继电器输出

8点24VDC输入/8点24VDC输出

8点24VDC输入/8点24V继电器输出

16点24VDC输入/16点24VDC输出

16点24VDC输入/16点24V继电器输出

（2）模拟量I/O扩展模块

EM231：

模拟量输入模块，4通道电流/电压输入；

EM232：

模拟量输出模块，2通道电流/电压输出；

EM235：

模拟量输入/输出模块，4通道电流/电压输入、1通道电流/电压输出。

（3）通讯模块

EM277：

PROFIBUS-DP从站通讯模块，同时也支持MPI从站通讯；

EM241：

调制解调器（MODEM）通讯模块；

CP243-1：

工业以态网通讯模块；

CP243-1IT：

工业以态网模块，同是提供WEB/E-MAIL等IT应用；

CP243-2：

AS-I主站模块，可连接最多62个AS-I从站。

（4）特殊功能模块

EM253：

定位控制模块。

它能产生脉冲串，用于步进电机和伺服电机的速度和位置的开环控制。

五、S7-200编程软件

（一）安装条件

STEP7-MICRO/WIN32V3.2可以在MICROSOFT公司出品的如下操作系统环境下安装：

WINDOWS95/98

WINDOWSNT,VERSI/ON4.0,SP6

WINDOWSMEEDITI/ON

WINDOWS2000,SP2;

WINDOWSXPHOME（STEP7-MICRO/WIN32SP3以上版本）

WINDOWSXPPROFESSI/ONAL（STEP7-MICRO/WIN32SP3以上版本）

硬件要求：

任何能够运行上述操作系统的PC或PG（编程器）

100M硬盘空间；

WINDOWS系统支持的鼠标；

推荐使用最小屏幕分辨率1024×768，小字体。

（二）安装步骤

关闭所有应用程序，包括MICROSOFTOFFICE快捷工具栏；在光盘驱动器内插入安装光盘。

如果没有禁止光盘插入自动运行，安装程序会自动运行；或者在WINDOWS资料管理器中打开安装光盘上的“SETUP.EXE”文件，然后按照安装程序的提示完成安装就行。

*具体操作详见《深入浅出西门子S7-200PLC》的P30-P34.

（三）STEP-MICRO/WIN32简介

STEP-MICRO/WIN32窗口元素如下图所示：

“浏览条”——显示编程特性的按钮控制群组：

“视图”——选择该类别，为程序块、符号表，状态图，数据块，系统块，交叉引用

及通讯显示按钮控制。

“工具”——选择该类别，显示指令向导、TD200向导、位置控制向导、EM253控制

面板和调制解调器扩充向导的按钮控制。

注释：

当浏览条包含的对象因为当前窗口大小无法显示时，浏览条显示滚动按钮，使您

能向上或向下移动至其他对象。

“指令树”——提供所有项目对象和为当前程序编辑器（LAD、FBD或STL）提供的所有

指令的树型视图。

您可以用滑鼠右键单击树中“项目”部分的文件夹，插入附加程序组织单

元（POU）；您可以用滑鼠右键单击单个POU，打开、删除、编辑其属性表，用密码保护或重新命名子例行程序及中断例行程序。

您可以用滑鼠右键单击树中“指令”部分的一个文件夹或单个指令，以便隐藏整个树。

您一旦打开指令文件夹，就可以拖放单个指令或双击，按照需要自动将所选指令插入程序编辑器窗口中的光标位置。

您可以将指令拖放在“偏好”文件夹中，排列经常使用的指令。

“交叉引用”——允许您检视程序的交叉引用和组件使用信息。

“数据块”——允许您显示和编辑数据块内容。

“状态图窗口”——允许您将程序输入、输出或变量置入图表中，以便追踪其状态。

您

可以建立多个状态图，以便从程序的不同部分检视组件。

每个状态图在状态图窗口中有自己

的标记。

“符号表／全局变量表窗口”——允许您分配和编辑全局符号（即可在任何POU中使用

的符号值，不只是建立符号的POU）。

您可以建立多个符号表。

可在项目中增加一个S7-200

系统符号预定义表。

“输出窗口”——在您编译程序时提供讯息。

当输出窗口列出程序错误时，可双击错误

讯息，会在程序编辑器窗口中显示适当的网络。

当您编译程序或指令库时，提供讯息。

当输

出窗口列出程序错误时，您可以双击错误讯息，会在程序编辑器窗口中显示适当的网络。

“状态条”——提供您在STEP7-MICRO/WIN32中操作时的操作状态信息。

“程序编辑器窗口”——包含用于该项目的编辑器（LAD、FBD或STL）的局部变量表和

程序视图。

如果需要，您可以拖动分割条，扩充程序视图，并覆盖局部变量表。

当您在主程

序一节（OB1）之外，建立子例行程序或中断例行程序时，标记出现在程序编辑器窗口的底

部。

可单击该标记，在子例行程序、中断和OB1之间移动。

“局部变量表”——包含您对局部变量所作的赋值（即子例行程序和中断例行程序使用

的变量）。

在局部变量表中建立的变量使用暂时内存；地址赋值由系统处理；变量的使用仅

限于建立此变量的POU。

“菜单条”——允许您使用滑鼠或键击执行操作。

您可以定制“工具”菜单，在该菜单

中增加自己的工具。

“工具条”——最常用的STEP7-MICRO/WIN32操作提供便利的滑鼠存取。

您可以定制

每个工具条的内容和外观。

（四）编程计算机与CPU通讯

与CPU通讯，通常需要下列条件之一：

（1）PC/PPI（RS-232/PPI）电缆，连接PG/PC的串行通讯口（COM口）和CPU通讯口；

（2）PG/PC上安装CP（通讯处理器）卡，通过MPI电缆连接CPU通讯口（CP5611卡配合台式PC，CP5511卡配合便携机使用）。

最简单的编程通讯需要：

（1）带串行RS-232C端口的PG/PC，并已正确安装了STEP7-MICRO/WIN32的有效版本；

（2）PC/PPI编程电缆（或USB/PPI电缆）。

（五）设置通讯

设置PC/PPI电缆小盒中的DIP开关，设定通讯电缆的通讯波特率为9.6K波特。

用PC/PPI电缆连接PG/PC和CPU，将CPU前盖内的模式选择开关设置为STOP，给CPU上电。

用鼠标单击浏览条上的“通讯”图标出现通讯设置窗口，如下图所示：

窗口右侧显示编程计算机将通过PC/PPI电缆尝试与CPU通讯，并且本地编程计算机的

网络通讯地址是0。

用鼠标双击PC/PPI电缆的图标，出现如下窗口：

单击PC/PPI电缆旁边的PROPERTIES（属性）控制，可以杳看PC/PPI电缆连接参数。

在PPI窗口中设置通讯速度与PC/PPI电缆DIP开关的设置一致。

CPU出厂时通讯速率的默认值为9.6K。

在LOCALCONNECTI/ON选项卡中，选择编程计算机COM口，其设置如下图所示：

设置完毕后，回到通讯窗口，双击“双击刷新”，系统就会自动找到相应的设备与之通讯。

（六）编程

S7-200CPU通过I/O（输入/输出）接口与外围器件联系，接受操作指令和检测各种状态，并把控制运算的结果输出。

S7-200CPU内运行的程序实现了以前用继电器硬件连接实现的逻辑。

在S7-200CPU控制程序中，使用I/O地址来访问实际连接到CPU输入/输出端子的实际器件。

关于程序的编辑请详见《深入浅出西门子S7-200PLC》的P69-P85页。

六、传感器的检测技术

（一）传感器概述

传感器是与人的感觉器官相对应的元件。

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：

“能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。

敏感元件,是指传感器中能直接感受或响应被测量（输入量）的部分;转换元件,是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被探测量转换成适于传输和（或）测量的电信号的部分。

图1.1为传感器组成方块图，此图也说明了传感器的基本组成和工作原理。

（二）传感器的分类

传感器种类繁多,功能各异。

由于同一被测量可用不同转换原理实现探测,利用同一种物理法则、化学反应或生物效应可设计制作出检测不同被测量的传感器,而功能大同小异的同一类传感器可用于不同的技术领域,故传感器有不同的分类法。

1、根据传感器感知外界信息所依据的基本效应,可以将传感器分成三大类:

基于物理效应如光、电、声、磁、热等效应进行工作的物理传感器;基于化学反应如化学吸附、选择性化学反应等进行工作的化学传感器;基于酶、抗体、激素等分子识别功能的生物传感器。

2、按工作原理分类,可分为应变式、电容式、电感式、电磁式、压电式、热电式等传感器。

3、根据传感器使用的敏感材料分类,可分为半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、金属传感器、高分子材料传感器、复合材料传感器等等。

4、按照被测量分类,可分为力学量传感器、热量传感器、磁传感器、光传感器、放射线传感器、气体成分传感器、液体成分传感器、离子传感器和真空传感器等等。

5、按能量关系分类,可分为能量控制型和能量转换型两大类。

所谓能量控制型是指其变换的能量是由外部电源供给的,而外界的变化（即传感器输入量的变化）只起到控制的作用。

如用电桥测量电阻温度变化时,温度的变化改变了热敏电阻的阻值,热敏电阻阻值的变化使电桥的输出发生变化（注意电桥的输出是由电源供给的）。

6、按传感器是利用场的定律还是利用物质的定律,可分为结构型传感器和物性型传感器。

二者组合兼有两者特征的传感器称为复合型传感器。

场的定律是关于物质作用的定律,例如动力场的运动定律、电磁场的感应定律、光的干涉现象等。

利用场的定律做成的传感器,如电动式传感器、电容式传感器、激光检测器等。

物质的定律是指物质本身内在性质的规律。

例如弹性体遵从的虎克定律、晶体的压电性、半导体材料的压阻、热阻、光阻、湿阻、霍尔效应等。

利用物质的定律做成的传感器,如压电式传感器、热敏电阻、光敏电阻、光电管等。

7、按依靠还是不依靠外加能源工作,可分为有源传感器和无源传感器。

有源传感器敏感元件工作需要外加电源,无源传感器工作不需外加电源。

8、按输出量是模拟量还是数字量,可分为模拟量传感器和数字量传感器。

表2.1传感器分类

下面就几种常用的的传感器来讲解一下传感器的工作原理及特性。

1、光电耦合器件

光电耦合器件是一种光电结合的器件。

从结构上看,就是将发光元件和受光元件完全封装起来,并将外部光线加以遮断的元件。

常用硅光电三极管作受光部分,砷化镓发光二极管作发光部分。

发光二极管不属于传感器的范围,这里略加介绍。

发光二极管（LED）是靠注入PN结的载流子自发跃迁产生的自发辐射发光的。

发射的是相干光,波长在可见光或红外光区域。

发光二极管的开启电压约为1～2V,发光亮度与流过管子的电流密度有关。

光电耦合器件工作时,在输入端接入电信号,使发光器件发光,而受光器件管芯在此光辐射的作用下输出光电流。

通过电-光、光-电两次转换,进行输入端和输出端之间的电的耦合。

图2.2为一种光电三极管和发光二极管组合的光电耦合器件的结构和外形。

图2.2一种光电耦合器件的结构和外形

这种器件能将输出和输入进行完全的电气隔离,以消除漏电流的影响,同时还可以使输入和输出完全没有反馈。

另外,它还具有独立选择输入阻抗和输出阻抗的优点。

输入与输出之间有1011~1012Ω的高绝缘电阻,其分布电容只有几皮法,这就大大增强了器件的抗干扰能力和隔离性能。

（三）半导体色敏传感器

半导体色敏传感器可用来直接测量从可见光到红外波段内单色辐射的波长。

半导体色敏

传感器的结构如图1.3（a）所示。

它有两个深浅不同的PN结,形成反向连接的两个光电二极管PD1和PD2,故又称为双结光电二极管。

当外部光照射到色敏器件上时,P1层吸收光子产生电子—空穴对,电子扩散到P1N结,形成电流I1。

在N层中吸收透过P1层的长波光,产生电子—空穴对,其中一半向P1层一侧扩散,另一半向P2层一侧扩散,分别形成电流I2和I3。

到达P2层的红外光区域的光在这里被吸收,产

生电子,扩散到P2N结,形成电流I4。

光电二极管PD1和PD2的短路电流Isc1和Isc2为

图1.3半导体色敏传感器的结构和等效电路

光电二极管的光谱特性与PN结的结深有关,在靠近表面的PN结的PD1对短波长的光比较灵敏,而远离表面的PN结的PD2对长波长比较灵敏。

上面的一个PN结距离上表面约0.5μm,对580nm波长具有峰值灵敏度,距上表面深度为10μm的另一PN结,对900nm波长具有峰值灵敏度。

为了测