材料分拣装置模型电气控制系统设计.doc
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1、设计题目
材料分拣装置模型电气控制系统设计
2﹑设计任务
2.1熟悉分拣装置实物模型的结构和工作机理。
2.2理清各路检测型号到PLC的输入通道，包括传感器的原理、连接方法、信号种类、信号调理电路、引入PLC的接线以及PLC中的编址。
2.3理清从PLC到各执行机构的各输出通道，包括各执行机构的种类和工作机理，驱动电路的构成，PLC输出信号的种类和地址。
2.4绘制电控系统的电路原理图，编制I/O地址分配表。
2.5编制PLC的程序，结合实物模型完成系统调试，即能正确实现材料分拣装置的功能。
3﹑技术要求
3.1当料仓传感器检测到有物料后，按照一定的时间间隔或按照输送带上物料间隔适当（如物料的间隔不小于某个规定值）的原则，由PLC控制上料汽缸将物料送至输送带上。
3.2输送带把物料依次带到各分拣工位。
物料经过各分拣工位时，工位上的传感器会检测出是符合检出条件（即材质或颜色是否满足设定条件），PLC得到传感器发出的符合检出条件信号（即信号有效）时，控制相应汽缸动作将物料推出传送带，送入相应下料斗。
3.3PLC要通过输送带电机轴上的编码器跟踪物料的位置，当物料在前3各分拣工位均未检出时，由第四各工位上的汽缸将物料推出传送带，送入下料斗。
4、实验原理与步骤
4.1实验原理及功能
该装置采用台式结构，内置电源，配装西门子S7-200系列主机，转接面板上设计了可与其它PLC或单片机连接的转接口。
该装置中，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．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。
分拣出金属中某一颜色块和非金属中某一颜色块。
信号板及各传感器位置见（a），（b）
（a）信号板
（b）传感器位置图
4.2实验运行步骤
1）通电状态下，下料时下料传感器动作，传送带运行。
电感传感器检测到铁材料时，气缸1动作，将材料块推下。
2）电容传感器检测到铝材料时，气缸2动作将材料推下。
3）颜色传感器检测到非金属材料绿色块时，气缸3动作将材料块推下。
4）其它颜色非金属材料块送到SD位置时，气缸4动作将材料块推下。
5）竖井式下料槽无下料时，传送带运行一个行程自动停机。
5．检测元件与执行装置
主要是对旋转编码器和各个传感器的选择，并对其作简要介绍。
5.1旋转编码器
旋转编码器是与步进电机连接在一起，在本系统中可用来作为控制系统的计数器，并提供脉冲输入。
它转化为位移量，可对传输带上的物料进行位置控制。
传送至相应的传感器时，发出信号到PLC，以进行分拣，也可用来控制步进电机的转速。
本系统选用E6A2CW5C旋转编码器,原理如图2-3所示。
图2-3旋转编码器原理示意图
旋转编码器介绍：
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。
5.2电感传感器
电感式接近开关属于有开关量输出的位置传感器，用来检测金属物体。
它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。
这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化。
由此，可识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。
本系统选用M18X1X40电感传感器。
图2-5电感传感器工作原理图
电感传感器介绍：
由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。
这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。
当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。
电感式传感器的特点是：
①无活动触点、可靠度高、寿命长；②分辨率高；③灵敏度高；④线性度高、重复性好；⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；⑧不适用于高频动态测量。
电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。
常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。
在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。
5.3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E2KX8ME1电容传感器，原理图如图2-6。
图2-6电容传感器工作原理图
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，而且变化范围极小，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。
5.4光电传感器
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2-8所示，其中负载可接至PLC。
图2-8FPG光电传感器原理图
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，形式灵活多样，体积小。
近年来,随着光电技术的发展，光电式传感器已成为系列产品，其品种及产量日益增加，用户可根据需要选用各种规格的产品，它在机电控制、计算机、国防科技等方面的应用都非常广泛。
5.5颜色传感器
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2-7所示
图2-7TCS230颜色传感器
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
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
5.6步进电机
步进电机作为执行机构用于带动传输带输送物料前行，与旋转编码器连接在一起。
可以通过控制脉冲个数，来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。
同时，可以通过控制脉冲频率来控制材料分拣装置的可编程控制系统控制电机转动的速度，达到调速的目的。
步进电机选用的型号为42BYGH101。
6．控制系统的软件设计
6.1控制系统流程图设计
根据系统生产工艺的要求，分析各个设备的操作内容和操作顺序，可画出程序流程图，如图6-1所示。
该系统可在分拣的同时对分拣的材料进行数量的统计，这只需在各汽缸动作的同时累计即可。
应用高速计数器编制程序，可以实现系统的定位控制功能。
用高速计数器计旋转编码器发出的脉冲个数，来确定物料到达传感器的距离，实现定位功能。
定位时，电机停转，计数器清零，传感器开始工作，对物料进行分拣处理。
在汽缸1～3动作后，电机重新运行，高速计数器也重新计数。
如果相应的传感器没有检测到物体，则电机重新运行，高速计数器也重新计数，继续运行到下一位置。
如果只对材料的某一特性进行分拣，比如只分拣金属和非金属，则只需对传感器的安放或程序进行修改即可。
图6-1 控制系统流程图
6.2PLC的I/O分配表
西门子plc（I/O）
分拣系统接口（I/O）
备注
输
入
部
分
I1.7
sfw1（推气缸1动作限位）
I0.1
sfw2（推气缸2动作限位）
I0.2
sfw3（推气缸3动作限位）
I0.3
sfw4（推气缸4动作限位）
I0.4
sfw5（下料气缸动作限位）
I0.5
sa（电感传感器）
I0.6
sb（电容传感器）
I0.7
sc（颜色1传感器）
I1.0
sbw1（推气缸1回位限位）
I1.1
sbw2（推气缸2回位限位）
I1.2
sbw3（推气缸3回位限位）
I1.3
sbw4（推气缸4回位限位）
I1.4
sbw5（下料气缸回位限位）
I1.5
sd（颜色2传感器）
预留传感器
I1.6
sn（下料传感器）
判断下料有无
I0.0
ucp（计数传感器）
输
出
部
分
Q0.0
yv1（推气缸1电磁阀）
Q0.1
yv2（推气缸2电磁阀）
Q0.2
yv3（推气缸3电磁阀）
Q0.3
yv4（推气缸4电磁阀）
Q0.4
yv5（下料气缸电磁阀）
Q0.5
m（输送带电机）
6.3PLC程序梯形图
7、调试方法
7.1硬件调试
1.通电状态下，在颜色传感器下方的传送带上，放置带有某一颜色料块，调节传感器上的电位器，观察窗口中红黄（或绿）指示灯，当两灯恰同时发光时，该灵敏点即为料块颜色检出点。
（注：
顺时针旋转检测色温向低端移动，否则反之）
2.在电感传感器下方的传送带上，放置铁质料块，调整传感器上两螺母，使传感器上下移动，恰好使传感器上端指示灯发光，该高度即为传感器对铁质材料的检出点。
（不同检测体的修正系数见图2所示）
图2不同检测体的修正系数
3.在电容传感器下方的传送带上，放置铝质料块，调整传感器上两螺母，使传感器上下移动，恰好使传感器上端指示灯发光，该高度即为传感器对铝质材料的检出点。
4.气压表标值建议调定在0.12Mpa。
7.2软件调试
将所编写的梯形图程序进行编译，通过上下位机的连接电缆把程序下载到PLC中。
刚编好的程序难免有这样那样的缺陷或错误。
为了及时发现和消除程序中的错误，减少系统现场调试的工作量，确保系统在各种正常和异常情况时都能作出正确的响应，需要进行离线测试，既不将PLC的输出接到设备上。
按照控制要求在指定输入端输入信号，观察输出指示灯的状态，若输出不符合要求，则查找原因，并排除之。
8、课程设计体会
这次课程设计的主要目的是掌握PLC的基本功能。
通过对本例的设计使我们认识到PLC在工业生产中的重要作用。
在本例中，使我们学习到了如何对系统进行设计，以及在元件选择方面的许多知识。
在对系统进行设计时，必须首先了解该系统的功能和任务，在搞清楚这点以后才能对整个系统的设计方案有一个初步的认识，然后才能根据系统的需要来进行元件的选取和系统的模块化细分。
近年来随着电子技术和计算机技术应用领域不断扩大，PLC技术已成为电子技术领域中的一个新的亮点，使PLC技术成为一门综合应用技术，也是电子技术发展也革新的一个潮流。
随着我们对PLC控制系统的认识的不断加深，相信在以后的工作和生产中我们会更加深入透彻的利用PLC来解决一些更加实际的问题。
八、参考文献
1.《从入门到精通—S7-200》张运刚宋小春郭武强编著人民邮电出版社2007年
2.《可编程序控制器选择设计与维护》殷洪义主编机械工业出版社2006年
3.《例说识读PLC梯形图的方法技巧》孟庆涛郑凤翼编著电子工业出版社
4.《可编程序控制器的选择设计与维护》殷洪义主编机械工业出版社
5.《PLC控制系统梯形图及指令表》陈运华编著中国电力出版社
6.《现代电气控制技术》郑萍主编重庆大学出版社
7.《可编程控制器原理及应用实例》张进秋陈永利张中民编著机械工业出版社
课程设计
评语
课程设计
成绩
指导教师
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