基于PLC的材料分拣系统.docx

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基于PLC的材料分拣系统

引言

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。

在需要进行材料分拣的企业，以往都采用人工分拣的方法，分拣效率极为低下，致使生产成本高，企业竞争力差。

近年来，随着科学技术的不断发展，出现了一些自动控制分拣系统装置，它可以大幅度的提高分拣效率，因此越来越多的企业采用了自动控制分拣系统装置。

关于自动控制分拣系统装置现在市场上已经大量出现了，并且也应用到生产实际中了。

由于PLC具有体积小、易安装、维修性好等特点，所以设计本课题是用PLC来控制分拣系统装置的。

可编程序控制器（PLC）现在已经综合了计算机技术、自动控制技术和网络通信技术，其功能越来越强大。

本课题采用PLC控制分拣系统装置，可以同时实现三种物料的快速分拣，分别是铁质物料、铝质物料和颜色物料等。

并且可以与上位机相接，实现实时监控。

它不但可以快速分拣效率，节省大量的人力资源，而且可靠性高，稳定性强，可长时间进行分拣，正是需要进行材料分拣的企业所迫切希望的分拣系统装置。

第1章绪论

该课题是基于PLC的材料分拣系统设计，它包括可编程序控制部分、传感器检测部分、电动机控制部分以及空气压缩机部分。

对于本课题来讲，它就是自动化技术、传感器检测技术以及电气拖动技术的融合，在国民经济发展中起着推动作用。

近年来，分拣领域已经并正在发生着日新月异的变化，各种先进技术已经被应用到各个工程实际中，并且已经取得了很大的成就。

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希望改进生产技术，提高生产效率，同样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，材料分拣系统装置已成为他们的必然选择。

虽然材料分拣系统装置现在已经开始在工程实际应用中开始发挥作用，但是随着科学技术的不断发展，分拣系统也在不断的完善中。

分拣系统装置有几种系统控制方式。

分别是继电器控制系统、计算机控制系统以及PLC等。

几十年来继电器控制系统一直为工业发展起到了巨大的作用，而且目前仍然在工业中大量应用，然而其控制性能与自身的功能已无法满足与适应工业控制要求和发展。

计算机控制系统有着十分强大的计算与数据处理能力，但在别的方面却没有PLC功能强大。

因此在这个设计中选择PLC来控制分拣系统装置。

此设计正是基于采用PLC来实现关于材料分拣控制系统的设计。

材料分拣控制系统组成主要有传感器、断电延时器、进料槽、传送带、分拣推手等组成。

当第一个光电传感器检测到进料槽有物体时，上料传感器输出信号给PLC，PLC控制输送带继续运转，同时控制上料气动阀进行上料，每次上料时间间隔可以根据实际情况进行调整。

第一个物料传感器为电感传感器，当检测出物料为铁质物料时，反馈信号送PLC，由PLC控制气动阀动作选出该物料；第二个物料传感器为电容传感器，当检测出物料为铝质物料时，反馈信号送PLC,PLC控制气动阀动作选出该物料；第三个物料传感器为颜色传感器，当检测出物料的颜色为待检测颜色时，PLC控制气动阀动作选出该物料；最后还有一个备用的传感器，是用来检测并推下漏拣的物料。

本课题由于采用PLC作为控制系统，它存在输入输出响应的滞后现象。

滞后现象是指PLC外部输入信号发生变化的时刻起至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的间隔。

虽然它有一定的延迟但并不影响分拣系统装置的工作，因为PLC的延迟时间只有几十毫秒，对于本分拣系统装置起不到什么影响，完全可以忽略。

本设计主要研究的是使分拣系统装置能进行三种物料的分拣并能与上位机相连进行实时监控。

可编程序控制器（PLC）现在已经综合了计算机技术、自动控制技术和网络通信技术，其功能越来越强大。

该篇设计有着广阔的应用前景，它节省大量的劳动力，从而可以大大提高生产率，促进社会工业的发展。

第2章方案比较与选择

由于本设计是基于PLC的材料分拣系统设计，所以从材料分拣系统装置的控制系统方面进行方案的比较与选择。

一共有三种方案：

分别是PLC、继电器控制系统与计算机控制系统。

下面是关于三种方案的比较与选择。

一、几十年来，继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，而且目前仍然在工业领域中大量的应用，然而其控制性能与自身的功能已无法满足与适应工业控制的要求和发展，与PLC相比较，存在着质的差别。

下面是关于它们的各个方面的比较：

（1）控制功能的实现：

继电器控制系统通过对继电器进行硬接线完成相应的控制功能，PLC对进行编程实现所需控制要求。

（2）对生产工艺变化的适应性：

继电器控制系统需要重新设计与接线，适应性差，PLC只需对程序进行修改，适应性强。

（3）可靠性：

继电器控制系统元器件多，触点多，容易出现故障，PLC采用大规模集成电路，绝大部分是软继电器，可靠性高。

（4）控制的实时性：

继电器控制系统机械动作时间常数大，实时性差，PLC微处理器控制，实时性非常好。

（5）占用空间与安装：

继电器控制系统控制体积巨大、笨重，安装施工工作量大，PLC体积小，重量轻，安装工作量小。

（6）使用寿命：

继电器控制系统易损，寿命短，PLC寿命长。

（7）价格：

继电器控制系统较低，PLC较高。

（8）维护：

继电器控制系统维护复杂、工作量大，PLC维护工作量小。

二、通用计算机具有十分强大的计算与数据处理能力，同时数据处理速度已达到极高的水平，但是应用通用计算机进行工业控制，在很多方面没有PLC功能强大。

下面是关于它们的比较：

（1）工作方式：

通用计算机采用中断方式，PLC采取扫描方式。

（2）通用计算机使用汇编语言、高级语言，PLC采用助记符语句表、梯形图等。

（3）工作环境：

通用计算机要求较高，PLC可在较差的环境工作。

（4）对使用者的要求：

通用计算机需要专门的学习培训才行，PLC语言易学，稍加培训即可使用。

（5）可靠性：

通用计算机商业级要求，PLC工业级，且有多种特殊设计，包括监视记时器功能。

（6）系统软件：

通用计算机系统软件功能强大，但占用存储空间过大，PLC系统软件功能专用，占用存储空间小。

（7）价格：

通用计算机价格高，PLC价格较低。

以上各种情况综合分析，决定采用PLC控制系统来控制材料分拣系统装置。

和其它两种控制系统相比PLC控制系统主要优点是可靠性、易操作性（操作方便、编程方便、维修方便）、灵活性（编程的灵活性、扩展的灵活性、操作的灵活性）、机电一体化等。

另外PLC的功能有：

（1）关于逻辑和顺序控制：

主要完成开关逻辑运算和进行逻辑控制，从而可以实现各种简单或复杂的控制要求。

（2）定时控制：

PLC具有很强的定时、记数功能，而且是间隔可以由用户自己设定。

（3）数据处理：

新型PLC都具有数据处理能力，它能进行算术运算，数据传送。

（4）通信：

PLC作为下位机，与上位机或同级的可编程序控制器进行通信，完成数据的处理和信息的交换。

第3章基于PLC的材料分拣系统的硬件设计部分

3.1材料分拣系统流程图及PLC选型

一、材料分拣系统流程图

材料分拣系统流程图如下图所示，它是利用各种传感器对待测物料进行检测并分类。

根据选用的传感器类型不同，可分辨出铁、铝及非金属，并能分辨出某种颜色。

当待测物体经下料装置传入传送带后，依次接受各种传感器的检测。

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。

图3-1系统结构图

从上图可以看出本系统由传感器、电动机、空气压缩机等组成。

其中传送带是由电动机带动。

系统上电后，可编程序控制器（PLC）首先启动输送带，上料传感器检测料槽有无物料，若无料，输送带运转一个周期后自动停止等待上料。

当料槽有料时，上料传感器输出信号给PLC，PLC控制输送带继续运转，同时控制上料气动阀进行上料，每次上料时间间隔可以进行调整。

物料传感器1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2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3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。

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。

二、PLC的选型

1、控制要求及I/O接口

本设计要求实现三种物料的分拣，分别是铁质、铝质和带颜色的物料。

根据要求选用了四个种类的五个传感器来检测物料。

它们分别是电感传感器、电容传感器、颜色传感器以及光电传感器。

电感传感器专门检测铁质物料，电容传感器检测铝质物料，颜色传感器检测颜色物料。

光电传感器一共有两个，一个用于进料槽检测有无物品，另一个作为备用传感器负责把前面三个传感器漏拣的物料分拣下来。

另外还用了异步电动机来带动传送带，它可以满足快速启动及制动的控制要求。

空气压缩机通过电磁阀来控制推手把物料分拣下去。

如图3-2所示。

图3-2材料分拣示意图

根据设计要求，输入有5个传感器信号，包括电感传感器、电容传感器、颜色传感器、备用传感器（光电传感器）以及检测下料的传感器，并且有相应的5个气缸运动位置信号，每个气缸有两个动作限位，共计10个信号。

输出包括控制电动机运动的接触器，以及5个控制气缸动作的电磁阀。

共需要I/O接点21个，其中有15个输入点和6

个输出点。

如下表所表示。

表3-1输入信号和输出信号

输入信号：

推气缸1动作限位SFW1X004

推气缸2动作限位SFW2X012

推气缸3动作限位SFW3X020

推气缸4动作限位SFW4X023

推气缸5动作限位SFW5X001

电感传感器SAX003

电容传感器SBX011

颜色传感器SCX014

备用传感器SDX022

光电传感器SNX000

推气缸1动作限位SBW1X010

推气缸2动作限位SBW2X013

推气缸3动作限位SBW3X021

推气缸4动作限位SBW4X024

推气缸5动作限位SBW5X002

输出信号：

推气缸1电磁阀YV1Y003

推气缸2电磁阀YV2Y005

推气缸3电磁阀YV3Y007

推气缸4电磁阀YV4Y009

推气缸5电磁阀YV5Y011

电动机YV6Y002

根据要求选用选用三菱FX2N系列PLC。

主要是因为FX2N有以下的优点。

FX2N是FX系列中功能最强、速度最快的微型可编程序控制器。

FXZN系列PLC是超小型机，I/O点数最大可扩展到256点。

它有内置8K步的RAM，使用存储卡盒后，最大容量可扩大到16K步。

编程指令丰富，有27条基本指令、2条步进指令和128种功能指令。

PLC运行时，对一条基本指令的处理时间只要0.08uS。

它不仅能完成逻辑控制，顺序控制、模拟量控制、位置控制、高速计数等功能。

还能做数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根以及浮点数运算、脉冲输出（20kHz/DC5V，10kHz/DC12~14V）、脉宽调制、PID运算等更为复杂的数据处理。

所以FX2N系列PLC具有容量大、运行速度快、指令功能完善等特点。

在FX2N系列PLC基本单元上，可连接扩展单元、扩展模块以及各种功能的特殊单元、特殊模块，还可在基本单元左侧接口上，连接一台功能扩展板，完成FX2N系列PLC与各种外部设备的通信，实现模拟量设定功能。

通过功能扩展模板还可将FX2N系列适配器与FX2N基本单元连接，增强PLC与外部设备的通信功能。

基于以上三菱FX2N系列PLC的诸多优点，选用三菱FX2N系列的FX2N48MR型PLC进行分拣运动控制。

它有24个输入点、24个输出点，完全满足了设计要求，并且也满足了留有相应的裕量，以便以后进行扩充。

3.2传感器的选择

本设计由于用了多达四种传感器，怎么选择传感器也成了很重要的一环。

传感器选型方法很重要，选择的依据是要决定哪一个是合适的传感器。

这取决于将要检测的目标的材料。

如果目标是金属的，那么需要一个电感传感器。

如果目标是塑料做的，纸做的或（油基或水基）流体、颗粒、或者粉末，那么需要一个电容传感器。

如果目标是带颜色的，那么需要一个颜色传感器。

所以根据要求选用的是光电传感器、电感传感器、电容传感器、颜色传感器等。

3.2.1电感传感器的介绍

一、工作原理

电感式传感器由三大部分组成：

振荡器、开关电路及放大输出电路。

振荡器产生一个交变磁场，当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。

振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。

电感式接近传感器只对金属对象敏感，因此电感式接近传感器不能应用于非金属对象检测。

同时，由于高频振荡线圈产生的交变磁场是散射的，这样当金属对象不断接近传感器的前端时，会触发传感器状态的变化，而且在传感器的周围出现金属对象时传感器也会发出讯号。

对检测正确性要求较高的场合或传感器安装周围有金属对象的情况下，需要选用屏蔽式电感性接近传感器，因为这种类型的传感器事先已经将振荡线圈周围的磁场进行了屏蔽，只有当金属对象处于传感器前端时才触发传感器状态的变化。

另外，电感式接近传感器的检测距离会因被测对象的尺寸﹑金属材料，甚至金属材料表面镀层的种类和厚度不同而不同。

电感式传感器作为一种位置反馈元件，目前已经广泛应用于几乎所有自动化控制的行业与领域之中，对检测和自动控制系统的可靠运行具有关键性的作用。

在工业自动控制中，最普通也广泛应用的传感器往往会引起一些意想不到的问题，甚至导致系统停机。

一个能够通盘考虑全部操作和功能各个方面的解决方案正是所需要的。

此解决方案能够确保系统的可靠运作，且能够在系统构造、安装、运行和维护过程中表现出极大的性能优势。

二、分类及介绍

选的是电感传感器中的自感式传感器。

自感式传感器实质上是一个带气隙的铁心线圈。

按磁路几何参数变化形式的不同，目前常用的自感式传感器有变气隙式、变面积式与螺管式三种；按磁路的结构型式又有E型或罐型等等；按组成方式分，有单一式与差动式两种。

图3-3为一种简单的自感式传感器，它由线圈、铁心和衔铁等组成。

当衔铁随被测量变化而上、下移动时，铁心气隙、磁路磁阻随之变化，引起线圈电感量的变化，然后通过测量电路转换成与位移成比例的电量，实现了非电量到电量的变换。

可见，这种传感器实质上是一个具有可变气隙的铁心线圈。

图3-3 变气隙式自感传感器       3-4 传感器线圈的等效电路

   类似于上述自感式传感器，变磁阻式传感器通常都具有铁心线圈或空心线圈。

将传感器线圈等效成图3-4所示的等效电路。

三、电感传感器的选择

我选用的是TURCK图尔克BI1.5-EG08-AN6X电感式传感器。

这种电感式传感器通过高频交流电磁场以无磨损和非接触的方式检测金属物体，对普通传感器而言，磁场由绕在铁氧体芯上的LC振荡电路产生。

它的应用范围极为广泛，可应用在恶劣气候条件，深冷系统，户外应用，金属铸造、玻璃行业、食品行业、机械行业。

从下列性能数据也可以看出它有很多优点：

1、额定工作值按EN60947-5-6标准定义为：

Uo=8，2VDCRi=1000欧姆

2、反极性保护

3、滞后H1....10%

4、温度漂移

5、<±10%（通常温度范围-20....+70℃）

6、<±20%（扩展温度范围-40/25....+100/120℃）

7、重复精度R<2%

3.2.2光电传感器的介绍

一、光电传感器的工作原理

光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。

光敏二极管是最常见的光传感器。

光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（〈µA），称为光敏二极管的暗电流。

当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。

在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。

光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。

光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。

为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。

工作时集电结反偏，发射结正偏。

在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+β）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。

二、光电传感器应用

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。

早期的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。

　　发光二极管最早出现在19世纪60年代，现在我们可以经常在电气和电子到这些二极管做为指示灯来用。

LED就是一种半导体元件，其电气性能与普通二极管相同，不同之处在于当给LED通电流时，它会发光。

由于LED是固态的，所以它能延长传感器的使用寿命。

因而使用LED的光电传感器能被做得更小，且比白炽灯传感器更可靠。

不象白炽灯那样，LED抗震动抗冲击，并且没有灯丝。

另外，LED所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的一部分。

（激光二极管除外，它与普通LED的原理相同，但能产生几倍的光能，并能达到更远的检测距离）。

LED能发射人眼看不到的红外光，也能发射可见的绿光、黄光、红光、蓝光、蓝绿光或白光。

三、光电传感器的选择　

对于光电传感器选用的是现在市场上流行的Autonice系列BUD-50S型号光电开关，因为它有以下几方面的优点：

（1）超小型，可在狭小空间安装。

（2）不受探测物体本身色彩的影响，优质的探测能力。

（3）内装计时器，易于调整应答时间（关断延时时间:

0.1～2秒以下→VR调整）。

（4）不受背景物的影响。

（5）内装控制输出过电流保护线路。

（6）内装电源逆连接保护线路。

3.2.3电容传感器的介绍

电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。

结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的独特优点。

随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。

由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与真空介电常数ε0（8.854×10－12F/m）、极板间介质的相对介电常数εr、极板的有效面积A以及两极板间的距离δ有关：

                                       （3-1）

若被测量的变化使式中δ、A、εr三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，再通过测量电路就可转换为电量输出。

因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。

下面我只介绍了变极距型、变面积型传感器。

一、变极距型电容传感器

图3-5为传感器的原理图。

当传感器的εr和A为常数，初始极距为δ0，其初始电容量C0为：

3-5变极距型电容传感器原理图

                                            （3-2）

变极距型电容传感器只有在|Δδ0/δ0|很小（小测量范围）时，才有近似的线性输出。

灵敏度S与初始极距δ0的平方成反比，故可用减少δ0的办法来提高灵敏度。

例如在电容式压力传感器中，常取δ0＝0.1～0.2mm，C0在20～100pF之间。

由于变极距型的分辨力极高，可测小至0.01μm的线位移，故在微位移检测中应用最广。

差动式比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。

由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。

二、变面积型电容传感器

原理结构如图3-6所示。

它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。

设动极板相对定极板沿长度方向平移时，则电容为：

                                （3-3）

（a）单片式（b）中间极移动式

图3-6变面积型电容传感器原理图

变面积型电容传感器与变极距型相比，其灵敏度较低。

因此，在实际应用中，也采用差动式结构，以提高灵敏度。

角位移测量用的差动式结构，设A、B为同一平（柱）面而形状和尺寸均相同且互相绝缘的定极板。

动极板C平行于A、B，并在自身平（柱）面内绕O点摆动。

从而改变极板间覆盖的有效面积，传感器电容随之改变。

C的初始位置必须保证与A、B的初始电容值相同。

  三、在设计中选择的电容传感器是武汉超荣电子有限公司供应的电容式接近传感器CCJ/CRJ系列。

主要是因为它有以下优点：

电容式接近开关CCJ/CRJ系列具有多种电源、响应频率快等特点，能可靠的检测金属、非金属。

用于工业控制的非金属检测定位、限位以及料位、液位的检测。

输出有NPN输出、PNP输出、电压0－5DVC；0－30DVC输出、90－260VAC，检测距离从4mm-25mm不等。

3.2.4颜色传感器的介绍

考虑到本次设计是推出式物流分拣装置及分拣信号自动识别系统设计，分拣装置采用动力式皮带输送装置，驱动装置是选用电动机。

在分拣系统中的信号采集最后一部分主要依靠色敏传感器。

因为各个物块的颜色不同，根据颜色值的变化能分清是否要实行分拣操作。

由于只要求分拣系统能分辨颜色值的变化，而对物品的颜色标定没有具体要求。

具体的颜色测量方式有三种：

直接式、透射式、反射式,考虑到系统用在物品分拣系统上，所以使用反射式测量方式。

在分拣支路上安装色敏传感器，通过调整色敏传感器的工作点，进行颜色测定时，须对信号采集电路的信号输出大小进行计算，得出被测物块的颜色值，把所测的颜色值同PLC中的物块颜色值进行比较，得到它们之间最相关的值，确定所测值的颜色。

如果需要分拣则驱动气动执行机构。

本设计分析了目前市场上应用极为广泛的颜色传感器类型和每种颜色传感器的应用场合，以选择最适合在本设计中所能应用的传感器。

目前，用于颜色识别的传感器有两种基本类型（都属于光电式的）：

其一是色标传感器，它使用一个白炽灯光源或单色LED光源；其二是RGB（红绿蓝）颜色传感器，它检测目标物体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、光束型和光纤型的，封装在各种金属和聚碳酸酯外壳中。

典型的输出包括：

NPN和PNP、继电器和模拟输出。

RGB颜色传感器对相似颜色和色调的检测可靠性较高。

它是通过测量构成物体颜色的三基色的反射比率实现颜色检测的。

由于这种颜色检测法精密度极高，所以RGB传感器能准确区别极其相似的颜色，甚至相同颜色的不同色调。

一般RGB传感器都有红、绿、蓝三种光源。

三种光通过同一透镜发射后被目标物体反射。

光被反射或吸收的量值取决于物体颜色。

RGB传感器有两种测量模式。

一种是分析红、绿、蓝光的比例。

因为检测距离无论怎样变化，只能引起光强的变化，而三种颜色