物料分拣装置的PLC控制系统的设计论文.docx
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物料分拣装置的PLC控制系统的设计论文
毕业论文（设计）
2015届电气工程及其自动化专业
题目物料分拣装置的PLC控制系统的设计
姓名学号
指导教师职称
二ОО五年五月十五日
内容提要
可编程逻辑控制器或可编程序控制器是用于机电过程自动化的数字计算机,用在许多工业和机器中。
PLC是专门为了多个I/O管理，扩展温度变化X围、抵抗冲击和振动而设计的，这一点与通用计算机不太相同。
控制器操作程序通常存储在电池供电或非易失性的内存中。
PLC是实时的系统，系统产生的输出结果必须在有限的时间内回馈到输入。
PLC控制是目前工业上最常用的自动控制方法，由于其控制方便，能够承受恶劣的环境，在工业上优于单片机控制。
PLC是一门综合学科，它融合了通信技术、计算机技术和继电器控制技术，它功能强大，模块化设计灵活性可靠性高，容易适应环境，程序设计也比较简单。
它是专门针对工业生产而设计的，广泛应用在工业现场。
该课程设计通过各元器件的简介和物料分拣系统的软硬件设计，反应出PLC在工业生产中的应用。
用PLC设计的物料分拣系统体积小使用方便，成本低，功耗小，效率高。
所以本文中以PLC为中心,结合多种装置对物料自动分拣系统进行设计。
关键词
可编程控制器；分拣装置；控制系统；传感器
ThedesignofPLCcontrol systemofmaterialsorting device.
ABSTRACT
Aprogrammablelogiccontrollerorprogrammablecontrollerisadigitalputerusedforautomationofelectromechanicalprocesseswhichareusedinmanyindustriesandmachines.Unlikegeneral-purposeputers,thePLCisdesignedformultipleinputsandoutputarrangements,extendedtemperaturerangesandresistancetovibrationandimpact.Programsofcontrolmachineoperationaretypicallystoredinbattery-backedornon-volatilememory.APLCisarealtimesystem.Itsoutputresultsmustbeproducedinresponsetoinputconditionswithinaboundedtime.
PLCcontrolisthemostmonlyusedindustrialautomationcontrolmethod,becauseofitsconvenientcontroltowithstandabadenvironment.intheindustrial,itisbetterthanMCUcontrolintheindustrial.PLCtraditionalrelaycontroltechnology,puterandmunicationtechnologiesareintegratedspecificallyforindustrialcontrolanddesign,havestrongfunction,monflexible,highreliabilityandenvironmentaladaptability,andprogrammingsimple,easytouseandsmallsize,lightweight,aseriesoflow-poweradvantagesinindustrialapplicationsbeemoreextensive.
ThispaperfocusesonthePLCinthecannedbeverageproduction,Thedesignofanautomaticsortingdevicewithlowcostandhighefficiencyispresentedinthepaper,whichregardsprogrammablelogiccontroller（PLC）asthemastercontrollerandbinespneumaticdevice,sensingtechnology,positioncontrolandothertechnologytoimplementautomaticselectingoftheproductslive.
Keywords
programmablelogiccontroller;sortingdevice;controlsystem;sensors
第一章绪论
1.1物料分拣装置的PLC控制系统的选题背景
随着时代的发展，计算机、通信、自动化系统等方面都在迅猛发展。
现在的市场要求厂商可以高效的生产出成本低、质量高的产品，争取利益最大化。
因此，自动化设备在实际生产中发挥着越来越重要的作用。
PLC采用标准化、模块化的设计，具有较高的灵活性和可靠性，在现代化生产的大环境中应运而生。
以前都是采用继电器控制，硬件电路接线复杂，可靠性差，效率低，自动化程度低，容易出错。
目前很多企业已经对传统的继电器控制系统作了改进，使用自动化程度较高的控制系统，为企业增强了市场竞争力。
可编程逻辑控制器体积小，可移植性高，而且成本低，因而受到各个企业的青睐。
它应用X围广泛，功能强大，使用也方便，已经渗透到生产生活中的各个领域。
PLC在实际生产中的应用已逐步趋于智能化，即除了基本的顺序控制之外，还可以通过新增的专用接口和各种算法进行控制，而且在原有基础上稍加改动就可以改为其他系统。
本文所设计的物料自动分拣装置是一种简单的控制系统，稍微修改也可以转换为其他符合需求的系统，服务于人们生活。
1.2物料分拣装置的发展现状
分拣就是把不同的物料区分出来，按不同分拣方式，有人工分拣、机械分拣和自动分拣三类。
最常用的的是自动分拣。
自动分拣系统是由人们编写程序控制系统自动运行的。
以前企业普遍使用人工分拣，效率低，工作量大，错误率高，已无法满足市场对产品的需求。
随着生产趋于自动化，集成化，很多企业已认识到在分拣方面的开发空间，因此，都在想尽办法改变生产方式，通过自主创新，引进消化吸收从基础技术开始，提升设备自动化，增强市场竞争力。
目前，自动分拣系统已成为大势所趋。
自动分拣系统也可以跟其他设备相互配合，分配和管理物料的实物流和信息流。
对于不同分拣系统，将该系统稍微加以修改，就可以实现不同的要求。
本文用PLC设计了一种低成本、高效率的自动分拣装置，大大降低了工作量，为企业生产带来极大方便。
1.3物料分拣装置的结构和工作原理
1.3.1物料分拣装置的结构
图1-1物料分拣装置的硬件结构示意图
本文中的物料分拣装置采用具有内置电源的台式结构。
本文选用了对铝质材料和铁质材料很敏感的电容式和电感式传感器以及颜色传感器区分不同的物料。
将他们分别固定在网板上，而且可以根据需要重新选择各传感器的排列位置并在网板上不同区域安装。
1.3.2物料分拣装置的工作原理
本文所设计的物料分拣装置采用内置电源式的台式结构。
异步交流电机驱动传送带运转。
为保证系统安全又增设了光电传感器。
该控制装置有气动部分，电气部分和系统硬件组成。
气动部分包括气体压缩机、汽缸和过滤器等部件；电气部分包括PLC和各种传感器；硬件部分包括传送带，异步电动机，支座等部件。
其工作原理如下：
打开电源，气动系统首先开始工作，系统检查下料。
若无物料，延时一段时间等待上料；若有物料，继续运行。
当检测到有物料时，下料传感器发给PLC发出信号，PLC控制下料汽缸运动，延时一段时间，下料气缸会将物料推至传送带。
此时PLC计数器也开始计录电机转过的圈数。
传感器检测到相应的物料存在的时候，PLC会控制相应的汽缸动作。
第二章物料分拣装置的系统设计
要设计一个PLC自动控制系统，首先要对控制对象调查研究，有个深刻的了解。
知道控制对象的生产工艺流程和各道工序的特点。
搞清楚控制要求和各道工序相互转换的条件。
因此，本章主要用来介绍自动分拣装置系统的工艺过程和控制要求。
2.1自动分拣系统的技术指标
输入电压：
AC200～240V消耗功率：
250W
温度X围：
-5～40℃
气源：
大于0.2MPa且小于0.85Mpa
2.2自动分拣系统的设计要求
一般而言，设计要求主要包括功能要求和控制要求，在进行系统设计之前，首先应该对控制对象的要求进行分析。
2.2.1系统的功能要求
本文所设计的物料自动分拣装置应实现以下几个功能：
（1）分拣出金属和非金属材质的物料
（2）分拣某一个颜色块的物料
（3）分拣出金属材料某一颜色块的物料
（4）分拣出非金属某一颜色块的物料
（5）分拣出金属材料某一颜色块和非金属材料某一颜色块的物料
2.2.2系统的控制要求
该系统通过各个传感器来控制气动阀动作检测物料并把它们进行分类。
待检测的物料经过下料槽被送到传送带，然后依次被各个传感器检测。
如果物料被检测到符合某个传感器的检测要求，这个传感器就发信号给PLC。
PLC控制相应气动阀动作，将这该物料推到料箱里；否则，物料就会继续前行。
对于该系统，有以下几个方面的控制要求：
（1）系统上电后，光电编码器就可以发出所需要的脉冲；
（2）电机运行时会带动传送带将物体向前运输；
（3）若有物料，下料汽缸动作，将物料送出；
（4）电感传感器SA检测到是铁质材料的物料时，会带动汽缸1动作；
（5）电容传感器SB检测到是铝质材料的物料时，会带动汽缸2动作；
（6）颜色传感器SC检测到物料为预先设定的颜色时，会带动汽缸3动作；
（7）当其他物料被送到备用传感器SD所处位置时，汽缸4动作；
（8）汽缸运行时应有动作限位保护装置；
（9）若下料槽没有下料，延迟一段时间后自动停机。
2.3自动分拣系统的结构框图及工作流程
自动分拣系统的结构框图如图2-1所示。
图2-1系统硬件结构框图
给该系统接通电源时，PLC就会带动传送带运动，下料传感器开始检测料槽里面有没有物料存在，如果检测到物料存在，下料传感器发信息给PLC，让它控制传送带继续运动，同时也控制气动阀5下料；如果没有检测到物料存在，PLC控制传送带运动一个周期就自动停下来了。
电感传感器SA对不同材料的物料敏感度很高，尤其是铁质材料，检测到铁质材料时会发信号给PLC，让它控制气动阀1把这个物料分拣到指定位置。
电容传感器SB和电感传感器一样对不同材料很敏感，但它对铝质材料更敏感，当它检测到铝质材料时发信号给PLC，控制气动阀2去分拣物料。
SC是颜色传感器，它主要负责分拣不同颜色的物料，该动作由PLC控制气动阀3来完成。
SD为备用传感器。
当系统预先设定好要分拣某种颜色或材料的物料是，程序会记忆各物料传感器状态，以便顺利完成分拣任务。
2.4系统的关键技术
自动分拣系统的硬件主要按照被控对象对PLC控制系统的功能要求来设计的，选取系统所需的I/O设备，然后选择可以满足需求的PLC类型并分配I/O点。
系统关键技术在于根据系统的控制要求，分析需要用多少I/O点，进而选择符合要求的PLC并分配I/O点。
2.4.1I/O点数的确定
由系统的控制要求可知，在输入端应有2个开关信号和6个传感器信号。
对应5个汽缸运动位置信号，每个汽缸都带有回位限位和动作限位这两个位置信号，总共10个信号。
输出端为控制电机运行的接触器和5个控制气缸动作的电磁阀。
综上所述，该系统共需24个I/O点，其中18个输入端口，6个输出端口。
2.4.2选择PLC型号
该物料分拣装置为数字量输入，按照上文所分析的I/O点要求，本文选用西门子公司的S7-200系列CPU226型PLC。
它有24个输入点，16个输出点，这样的小型机足以满足系统要求。
2.4.3PLC的输入输出端子分配
根据上文选定的PLC型号，对该系统中的PLCI/O端子分配如表2-1所示：
表2-1物料分拣系统PLCI/O端子分配表
图2-2PLC的I/O端子接线图
2.4.4PLC输入输出接线端子图
根据表2-1中的I/O端子分配表就能够绘制出PLC的I/O端子接线图，如图2-2所示。
第三章检测元件与执行装置
检测元件和执行装置的选择主要是选择旋转编码器和各个传感器，然后对他们作一个大概的介绍。
3.1旋转编码器
旋转编码器连接步进电机,该系统可用于应对控制系统,并提供输入脉冲。
它可以转换为位移量,对传送带上的物料进行位置控制。
发送到相应的传感器的时候,发信号给PLC,便于分拣,也能用来控制步进电机速度。
该系统用E6A2CW5C旋转编码器,它的原理如图2-3所示。
图3-1旋转编码器原理示意图
旋转编码器简介：
旋转编码器也称为轴编码器，是将旋转位置或旋转量转换成模拟或数字信号的机电设备。
一般装设在旋转物体中垂直旋转轴的一面。
旋转编码器用在许多需要精确旋转位置及速度的场合，如工业控制、机器人技术、专用镜头、计算机输入设备（如鼠标及轨迹球）等。
旋转编码器可分为绝对型编码器及增量型编码器二种。
增量型编码器也称作相对型编码器，利用检测脉冲的方式来计算转速及位置，可输出有关旋转轴运动的信息，一般会由其他设备或电路进一步转换为速度、距离、每分钟转速或位置的信息；绝对型编码器会输出旋转轴的位置。
分类：
可分为增量式编码器、绝对值编码器、正弦波编码器
主要特点：
旋转编码器是集光机电技术于一体的速度位移传感器。
当旋转编码器轴带动光栅盘旋转时，经发光元件发出的光被光栅盘狭缝切割成断续光线，并被接收元件接收产生初始信号。
该信号经后继电路处理后，输出脉冲或代码信号。
其特点是体积小，重量轻，品种多，功能全，频响高，分辨能力高，力矩小，耗能低，性能稳定，可靠使用寿命长等特点。
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。
3.2电感传感器
本文选用自感式电感传感器。
电感式接近开关属于开关输出位置传感器,用于检测金属物体。
它包括LC高频振荡器和放大处理电路,这个振荡感应头能产生电磁场，金属物体在靠近他时，物体内部会有涡流产生。
涡流反应反作用于接近开关,接近开关振荡能力就会衰减,内部电路参数也会发生变化。
因此,就能确定是否有金属物体在靠近，,然后控制开关打开或关闭,该系统选择M18X1X40型号的SA。
接线图如图3-2所示,原理图如图3-3所示。
图3-2M18X1X40DC二线常开式电感传感器接线图
图3-3电感传感器原理图
c:
\iknow\docshare\data\baike.baidu\pic\49\1158373263547904.jpg电感传感器介绍：
电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。
电感式传感器特点：
（1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。
（2）灵敏度和分辨力高，能测出0.01微米的位移变化。
传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。
（3）线性度和重复性都比较好，在一定位移X围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达0.05%~0.1%。
同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。
但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。
3.3电容传感器
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。
本系统选用型号E2KX8ME1电容传感器，原理图如图3-4所示。
图3-4电容传感器原理图
电容传感器介绍：
用电测法测量非电学量时，首先必须将被测的非电学量转换为电学量而后输入之。
通常把非电学量变换成电学量的元件称为变换器；根据不同非电学量的特点设计成的有关转换装置称为传感器，而被测的力学量（如位移、力、速度等）转换成电容变化的传感器称为电容传感器。
从能量转换的角度
而言，电容变换器为无源变换器，需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。
力学量中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切联系的量；这些量又都是通过长度或者长度比值进行测量的量，而其测量方法的相互关系也很密切。
另外，在有些条件下，这些力学量变化相当缓慢，而且变化X围极小，如果要求测量极小距离或位移时要有较高的分辨率，其他传感器很难做到实现高分辨率要求，在精密测量中所普遍使用的差动变压器传感器的分辨率仅达到1～5μm数量级；而有一种电容测微仪，他的分辨率为0.01μm，比前者提高了两个数量级，最大量程为100±5μm，因此他在精密小位移测量中受到青睐。
对于上述这些力学量，尤其是缓慢变化或微小量的测量，一般来说采用电容式传感器进行检测比较适宜，主要是这类传感器具有以下突出优点：
（1）测量X围大其相对变化率可超过100%；
（2）灵敏度高，如用比率变压器电桥测量，相对变化量可达10-7数量级；
（3）动态响应快，因其可动质量小，固有频率高，高频特性既适宜动态测量，也可静态测量；
（4）稳定性好由于电容器极板多为金属材料，极板间衬物多为无机材料，如空气、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高温、低温强磁场、强辐射下长期工作，尤其是解决高温高压环境下的检测难题。
3.4颜色传感器
本文选用TCS230型号的颜色传感器。
该传感器能够测出目标物体对三基色的反射比率，进而区分物料颜色。
图3-5所示是它的引脚图。
图3-5TCS230颜色传感器
TCS230为RGB（红绿蓝）传感器，由美国TAOS公司生产，是一种可编程彩色光到频率的转换器，。
这种传感器分辨率高、输出定标、单电源供电而且具有可编程的颜色选择；输出为数字量，可直接与微处理器连接。
TCS230将电流频率转换器与可配置的硅光电二极管集成在同一个单一CMOS电路上，在这个单一芯片上同时还集成了RGB三种滤光器，是业界首个带有数字兼容接口的红绿蓝彩色传感器。
TCS230为数字量输出，能驱动CMOS或TTL的逻辑输入，能够直接连接微处理器或其它逻辑电路。
而且它的转换精度可以实现每个彩色信道10位以上，所以无需外加A/D转换电路，电路会变得更简单。
该芯片封装方式为SOIC表面贴装式，有8个引脚，64个光电二极管集成在单一芯片上。
所以光电二极管可以分为四类。
其中带红色滤波器、绿色滤波器、蓝色滤波器的各有16个，剩下的16个光电二极管不带滤波器，全部光信息都可以毫无障碍的透过。
这些光电二极管交叉排列在芯片里面，大大减小了入射光幅射不均匀的问题，提高了颜色识别精确度；此外，同一种颜色的光电二极管并联，在二极管阵列中均匀分布，能消除位置误差。
工作的时候，可用两个可编程引脚选取要用哪种滤波器。
此传感器常用输出频率X围为2Hz到500kHz，也可以用两个可编程的引脚选择2%、20%或100%的输出比例因子或者电源关断模式。
由于输出比例因子的存在，让传感器测量X围大大提高，适应能力增强。
TCS230上有入射光照射时，光电二极管控制S2、S3引脚的不同组合，能选择不同滤波器；由经电流到频率转换器后输出占空比为50%的频率不同的方波，光强对应和颜色不同对应的方波频率也不同；不同的输出比例因子的选择可以通过输出定标控制引脚S0、S1来实现，调整输出频率X围，以此来适应各种需求。
选择输出比例因子或电源关断模式用S0、S1引脚；选择滤波器种类用S2、S3引脚；OE引脚为用来控制输出状态的频率输出使能引脚，当微处理器的输入引脚供多个芯片引脚共时使用时，也能作片选信号使用；频率输出引脚为OUT，接地引脚为GND，工作电压为VCC。
S0、S1和S2、S3的可用组合如表3-1所示。
表3-1S0、S1和S2、S3的可用组合
S0
S1
输出频率定标
S2
S3
滤波器类型
L
L
关断电源
L
L
红色
L
H
20%
L
H
蓝色
H
L
20%
H
L
无
H
H
100%
H
H
绿色
3.5光电传感器
光电传感器的检测元件为光电元件。
先将被测量的变化转换成光信号的变化，再借助光电元件将光信号转变为电信号。
它一般由光源、光电元件和光学通路组成，可以用来检测直接引起光量变化的非电量，也可以检测能转换成光量变化的其他非电量。
光电传感器响应快、精度高、性能可靠、可测参数多而且结构简单，广泛应用于计算机和机电控制中。
有一个很小的圆柱形金属设备用来检测是否有物体存在，它的发射器有校准镜头，向接收器发射聚焦后的光，接收器出电缆将它与真空管放大器相连。
金属圆筒里面的光源是一个小的白炽灯。
那些小小的白炽灯就是最早的光电传感器。
本文中所用的是FPG系列的小型放大器内藏型的光电传感器。
图3-6所示是它的原理图，图中的负载可以连接到PLC。
图3-6FPG系列光电传感器原理图
3.6步进电机
步进电机是一种感应电机，把电信号变换成线位移或角位移的开环控制元步进电机件。
非超载时，电机的停止的位置和转速只取决于脉冲信号的脉冲数和频率，负载变化对它没有任何影响。
它用于带动传输带使物料向前移动，是一种执行机构，连接着旋转编码器。
控制脉冲个数能控制角位移量，从而准确定位。
与此同时，也能通过控制脉冲频率来控制物料分拣系统的可编程控制系统控制电机转动的速度，实现调速。
本文中步进电机选42BYGH101型号。
第四章控制系统的软件设计
硬件设计是PLC控制系统的驱壳，而软件设计则是PLC控制系统的灵魂，程序设计主要是按照系统的控制要求并结合实际的生产工艺流程，先设计出控制系统的状态流程图，然后编写梯形图程序。
4.1控制系统的状态流程图
结合实际的系统生产工艺要求，分析各个设备的工作职责以及各设备间配合操作的顺序，可以作出如图4-1所示的程序流程图。
图4-1 控制系统的状态流程图
本文所设计的控制系统分为连续运行状态或单次运行状态。
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