基于PLC的水塔水位控制硬件设计.docx
《基于PLC的水塔水位控制硬件设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的水塔水位控制硬件设计.docx（36页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于PLC的水塔水位控制硬件设计
基于PLC的颜色辨别正品分拣系统控制
——硬件系统设计
摘要：
颜色传感器的出现使辨别物体的颜色更便捷，使生产线能根据工件的颜色进行分拣，大大提高了工业自动化。
在以前生产线上采用人工分拣有颜色的工件，自动化程度低，效率低，已经不能适应工业生产需要了。
而本设计选用的TCS230颜色传感器因具备精度高、编程简单以及输出数字化等优点，使本系统的颜色辨别结构使用更加方便。
本次设计采用可编程控制器能够对信号的采集、处理、输出的一系列集中控制，使系统可以安全可靠运行。
实现了传感器和变频器和三相减速电机和推杆电机等硬件配合控制，实现了传送带自动减速，工件颜色的辨别，工件的次品分拣等功能。
PLC和变频器和三相减速电机的配合使用使传送带运行的速度更加平稳，调速方便，而三相减速电机能提供大转矩，使传送带带载增强。
PLC作为本次系统控制核心，使使用更加灵活、简单，且抗干扰能力强，使系统运行更为可靠，为本次设计提供了安全可靠的硬件环境。
关键词：
PLC；颜色辨别；分拣；变频器；三相减速电机
Abstract：
Colorsensortodeterminethecolorofobjectsmoreconvenient,theproductionlinecanbesortedaccordingtothecolor,greatlyimprovingtheindustrialautomation.Beforetheproductionlineusingmanualsortingcolorworkpiece,lowdegreeofautomation,lowefficiency,hasbeenunabletomeettheneedsofindustrialproduction.TCS230colorsensorisadoptedinthisdesignhasthecharacteristicsofhighresolution,programmablecolorselectionanddigitaloutputetc.excellent,thecolordiscriminationstructureoftheapplicationofthisconvenient.
Thisdesignusescanrealizethecollection,processing,outputsignaloftheprogrammablecontrollerofaseriesofcentralizedcontrol,morestableoperationoftheproductionline.Thesensorisrealizedandinverterandthree-phasegearmotorandpushrodmotorandotherhardwarecontrol,realizetheconveyorbeltautomaticdeceleration,workpiececolordiscrimination,defectiveworkpiecesortingfunction.PLCandinverterandthree-phasemotorwiththeuseoftheconveyorbeltrunningspeedismorestable,convenientspeed,andcanprovidehightorquethree-phasemotor,theconveyorbeltcarryingenhanced.
PLCasthecorecontrolofthissystem,theuseofmoreflexible,simple,andstronganti-interferenceability,makethesystemmorereliable,providesasafeandreliableenvironmentforthedesignofhardware.
Keywords:
temperaturesensor;singlechipmicrocomputer;monitoring;programming
设计说明
生活中，人们喜欢将不同颜色的东西分拣开来，使同一种颜色的东西放在一起。
工业生产线也一样，利用颜色传感器检测不同颜色的工件，和人工辨别颜色分拣相比减少了分拣误差，提高生产线生产效率和自动化程度。
本系统，规定红蓝绿三种颜色的工件为正品，非红绿蓝颜色工件为次品，当把工件自动出料到传送带上，物体被光电传感器检测到且输出信号到PLC输入端，PLC延时一秒后，从输出端输出信号到变频器的数字输入端使三相减速电机以设定的速度带动传送带转动，当工件到达TCS230颜色传感器时，检测的信号输出到PLC输入端，PLC根据颜色辨别模块传到PLC上的信号，如果不是红色工件或者蓝色工件和绿色工件三种颜色的工件，PLC让传送带10Hz速度运行到废品处理的区域，然后启动推杆电机，把工件推到设定的废品区。
如果是红蓝绿三种颜色的工件，PLC让传送带以30Hz运行到传送带末端。
本设计硬件上，传送带由滚筒和皮带组成，利用联轴器把滚筒和三相减速电机连接在一起，从而带动传送带启动和停止和调速，而三相减速电机由PLC和变频器配合通过变频器的升/降（UP/DOWN）频率运行控制方式来进行调速，本设计用的变频器是汇川变频器，电机启动或者停止受变频器数字端的正转端控制，只要对正转端通电或者断电就可以实现启动和停止，通过变频器的控制面板可以将变频器的多功能输入端子DI1～DI4进行给定和UP/DOWN频率运行控制相应的功能参数进行给定，将变频器的数字端子的多功能输入端子的DI1设置为正传（FWD）输入端，DI2设置为UP给定，而DI3为DOWN给定，只要改变三个端子数字状态就可以实现UP/DOWN频率运行控制方式来进行调速，这些数字输入端与PLC的输出端两连接，改变相应的输出端子的状态就可以实现对变频器的启动和停止和UP/DOWN频率运行控制方式来进行调速。
变频器相应的故障报警有TA-TC常开故障继电器触点，TA-TC常开触点与PLC的输入端连接，如果变频器发生故障TA-TC常开触点就会闭合，通知PLC报警。
颜色传感器输出信号到单片机，单片机根据颜色的种类输出信号驱动三极管的基极，使三极管导通，而三极管的集电极连接PLC的输入端，PLC就会获取颜色传感器输出的信号。
分拣单元由推杆电机和中间继电器组成，由24V直流开关电源为推杆电机提供电源，PLC输出口接中间继电器的线圈的输入端，而推杆电机的电源输入端和24V电源和中间继电器的常开触点之间相串联，改变推杆电机电源正负极就改变推杆电机的推和缩动作，接中间继电器的目的是保护PLC的输出触点。
安装有两个空气开关作为设备的保护，一个作为总开关，其中一个空气开关是保护变频器的，防止线路短路烧坏变频器。
关键词：
PLC；变频器；颜色传感器；推杆电机；硬件
1引言
1.1研究背景
日常生活中，人们利用肉眼辨别不同颜色的东西，很多工厂的生产线上是利用人工分拣不同颜色的产品。
随着现代工业生产向高速化、自动化方向的发展，特别是微机技术的不断深入发展，以微机技术为平台的可编程控制器（ProgrammableLogicalController）技术日益智能化和不断完善，使顺应各类场所的传感器连连续续的出现，它们凭借稳定性极佳、可以承受恶劣的环境考验、功能多和操作简单等优秀的特点，非常受自动控制领域产业欢迎，扮演工业自动控制领域不可或缺的地位。
颜色分拣在工农行业中应用需求高，而在现在的市场经济中，竞争无处不在，各厂家为获得竞争优势，在技术上不断完善和反展、在质量上更加安全可靠和在操作上更加方便，从而获得客户们更多的订单。
1.2研究的目的与意义
中国制造业不断增多，从而对自动化程度要求越来越高，所以在自动化方面必须进行改革以适应生产上的需求。
颜色分拣系统的出现改变了传统的分拣方式。
实现自动控制的颜色分拣系统能够极大的提升生产效率和产品质量，明显消除靠人眼分拣产生的误差，有效减少员工的劳动强度并降低能源和资源的损耗。
提高生产效率，为自己创造出最大的效益，在生产过程中不会出现失误，这样在尽量防止错误出现和故障的影响，将会为公司获取巨大的利益。
自动化程度在制造产业中不断提高，使用规模不断拓展。
分拣行业中自动化操作正在改变着分拣过程的动作方式的加工方法。
实现自动分拣的系统可以明显地提高生产效率和产品质量，明显消除靠人眼分拣产生的误差，有效减少职工的劳动强度并降低能源和资源的损耗。
具备革命意义的自动化扭转着分拣行业的制造方式及其产品的传输形式。
设计和安装的自动分拣系统，不断提高分拣行业的产品质量和生产效率，从而降低了加工上的误差和减少了劳动强度，所以自动分拣系统表现出非常明显的作用。
色彩辨别普遍应用于各类工业检测和自动控制范畴，而生产过程当中一直靠人眼来辨别颜色工作现在已经被相关的颜色传感器所替换。
如：
各类物体外观颜色辨别如产品包装色标检测，产品外表特点颜色的检测，液体溶液颜色转变进程的检测与控制，能够应用在彩色打印机、医疗诊断、LED检测、液体颜色识别、电脑彩色监控标准、颜色产品加工控制、和油漆、纺织品、化装品及打印材料的彩色搭配等颜色检测产品等等。
1.2.2国内研究状况
颜色识别的分拣系统应用及其广泛，比如农业上应用它来分拣不同颜色的水果，蔬菜等农产品，工业上那就更多了，涉及颜色的东西都可以进行分类。
对于分拣方面中国的研究非常少，而日本在1980年就已经依据工业发展需要提出自动分拣的观点，并且随后的发展逐步推进物流的信息化建设，发展物流信息管理系统的整体规划和建设，经过互联网使自动分拣系统加快获得实现和改善，同时对于怎么进一步加快分拣效率和减少物流本钱支付的研究也随之出现，但关于我国国内物流方面的介绍少之又少，多是因为国内物流行业发展到大规模扩张之间的时间较短，所以在分拣体系方面的研究当前来讲为数不多，这方面现有的有关建树的文献资料国内也缺乏。
近几年国务院虽出台了部分鼓励物流成长的政策，但国内的物流业仍然处在一个劣势地位，智能化的分拣体系在国内几乎见不到踪迹，除邮政和顺丰之类如此的物流业巨头外，其他的物流企业仍然还在人工化的分拣方式，没有政府的资金鼓励，物流行业的发展步伐将很大地受到限制。
伴随我国经济的飞跃，如：
各类物体外观颜色辨别如产品包装色标检测，产品外表特性颜色的检测，液体溶液颜色转变过程的检测与把握，能够应用彩色打印机、医疗诊断、LED检测、液体颜色辨别、电脑彩色监控指标、颜色产物加工控制、和油漆、纺织品、化装品及打印材料的彩色搭配等颜色检测产品等等。
我们很多实现了国产化。
1.2.3国外研究状况
TCS230是由美国TAOS公司推出的一款能辨别有颜色的物体的传感器，利用三原色定理，有颜色的物体在可见光的照射下，反射颜色光到颜色传感器，然后颜色传感器内部对型号进行处理，输出数字量的信号，利用微机直接读取处理。
TCS230一出现就迅速占领颜色辨别传感器领域的市场，也受到广大用户的欢迎，特别是加工业迫切需要这样的传感器充当人的眼睛。
颜色传感器性能不断改进和更新，但作为最早出现的颜色传感器因为性能稳定，在工业自动化上占有相当高的地位。
美国是最先使用条形码进行物品的分拣，当颜色传感器的现世，使用颜色分拣各类物体外观颜色辨别如物体包装色标检测，产品外观特性颜色的检测，液体溶液颜色变化进程的检测与把持，发达国家应用颜色传感器进行颜色辨别和分拣是非常普遍的，加快了自动化应用的发展，同时颜色分拣技术加快了工业和医疗卫生和文化产业发展。
2颜色辨别正品分拣系统控制基本概况
在系统的总体设计方面，首先对颜色分拣系统所需各部分零件进行研究和对电路进行设计；分别有PLC、变频器、三相减速电机、颜色传感器、51单片机最小系统、推杆电机，光电传感器，中间继电器等进行资料上的研究，接着进行传送带动力模块设计、颜色辨别模块的设计、分拣模块的设计、系统接线的设计、系统调试等。
经过上述步骤，进行不断对出现的问题解决和对不足之处修改和完善。
2.1系统的基本功能
本系统的开发设计有以下功能：
（1）对红，绿，蓝三种颜色辨别；
（2）对不是红，绿，蓝三种颜色的工件进行废品分拣；
（3）PLC和变频器配合控制三相减速电机调速。
2.2系统组成结构
颜色分拣系统的结构如图2.1所示，控制器采用三菱FX2N系列PLC控制，传感器有光电传感器和颜色传感器，传送带动力单元有三相减速电机和变频器，颜色辨别单元有颜色传感器和单片机以及电压转换电路等，分拣单元有推杆电机和中间继电器等。
图2.1系统总体框图
3颜色辨别正品分拣系统硬件设计
3.1系统主要硬件介绍
3.1.1可编程逻辑控制器
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），运用了数字运算操作的电子系统，是专为了在工业环境使用而设计的。
它选用一种可编程的存储器，运用其内部存储程序，实现逻辑运算，次序控制，定时，计数和算术使用等面向用户的指令，方便用户编程，并经过数字或模拟式输入/输出控制各类型的机械或生产进程。
众所周知，PLC其实就是工业控制计算机，内部输入输出接口模块选用了光电隔离，滤波等抗干扰设施，来提高PLC工作的可靠性，PLC被广泛的应用，成为是工业控制的核心部分。
本设计选用日本三菱公司推出的FX2N系列PLC,它是三菱公司小型PLC的代表产品之一，具有如下特点[1]。
（1）FX2N是FX系列中功效最强、运转速率最快的PLC。
（2）FX2N基本指令执行时间可达0.08μs。
（3）FX2N的I/O点数最高可扩展到256点，而用户存贮器容量可增大到16K。
（4）FX2N系列具有最大范畴的容纳了标准特质、执行程序速度快、通信功能得到改进、电源合适世界各国的标准并且适合单个需求的大批特别功能模块，灵活性极佳和控制能力好很适合工厂自动化应用。
选用三菱FX2N-32MR-001型PLC作为本次设计的可编程逻辑控制器，该型PLC的外部电源使用电压为交流220V，频率为50Hz的交流电。
它的输入输出口都有相应的指示灯，剩下四个指示灯应用于电源和运行/停止，内部锂电池的电压和CPU和程序的工作状况。
该型PLC有16点I/O漏型输入，16点I/O继电器输出。
我国一般采取漏型输入，即公共端COM接负极，PLC的I/O输入口有+24V电压输出，如果将按键一端用导线连接PLC的I/O输入口，另一端接到输入公共端COM端，当按键闭合后就可以形成回路，PLC就可以获取到输入信号。
它的输出I/O是继电器输出，输出接口模块采用光电耦合器，抗干扰能力强，且可以驱动直流30V或交流250V负载，驱动负载能力大，适合于各类电机和电磁阀及传感器等负载的控制，而晶体管输出的PLC多用于电子电路的控制。
不管PLC是继电器输出还是晶体管输出，都是根据实际情况需要来选取PLC。
3.1.2变频器
根据转速公式
知道，对异步电机的调速有改变转差率s的串级调速和转子外加电阻调速，改变电源频率f1的变频调速，改变极对数p的变极调速。
实践使用中知道，转子外加电阻调速要损耗一定的功率，串级调速只能在低于同步转速范围内进行调速，变极调速是一级一级的，调速不方便。
所以串级调速和变极调速调速效率低，耗能，不经济等弊端。
现在工业广泛用变频器调速也就是变压变频调速简称变频调速。
从公式n=60f（1-s）/p能够发现，可以改变频率的方式进行调速，电机的转速就能连续、平滑地调节。
分为基频以下调速和基频以上调速。
在电机调速时，希望保持电机每极的磁通率
不变，充分利用电机的铁心，激磁电流和电机的功率因数均不变，忽略定子漏阻抗压降时，从反电动势公式U
，可以发现使电压和频率的成比例变化时，
，所以叫变压变频调速（V/F），本设计选用的变频器实现基频以下的调速，也就是恒转矩调速。
由转矩公式
，因为变压变频磁通率
不变，转子电流
不变转子功率因数
0.9～0.95，由于变化范围不大可以近似功率因数
不变，所以转矩不变，所以叫恒转矩调速。
当将频率上调时，输入电压保持不变，随着频率的上升，主磁通
逐渐下降，
，因为转速升高的情况下，认为转子电流
和转子功率因数
保持不变，所以公式推演得到，由此可知道随着频率上调，电机的转矩随着下降。
电机的功率为
因为等于一常值，所以频率上调叫恒功率调速。
变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是使用变频技术与电力电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。
由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等构成变频器主要结构。
变频器靠在内部IGBT的通断来调整输出电源的电压和频率，按照电机的实际需要来供应其所需要的电源电压，继而实现节能、调速的目标，此外，变频器还有一些保护功能，如过流、过压、过载保护等等[3]。
变频器的整流器把工频电源变换为直流电源。
平波回路的功能是在整流器整流后的直流电压中，包括了电源6倍频率的脉动电压，另外逆变器产生的脉动电流影响了直流电压。
为了防止电压波动产生，选用电感和电容除去脉动电压（电流）。
器件容量小时，若是电源与主电路组成的器件有足够的余量，可以去掉电感选用简单的平波回路。
逆变器将直流电压变换为目标频率的交流电压，在规定的时间内使6个开关器件导通、关断从而获得三相交流电输出。
例如电压型PWM逆变器控制电路：
是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路。
它主要由相应频率、电压的运算电路和主电路的检测电路，和电动机的速度检测电路，和将控制信号进行增益的驱动电路，和变频器和电机的保护电路构成[6-8]。
按变频的环节分交--直--交变频，和交--交变频。
交--直--交变频是先把工频交流电经过整流器转换为直流电，接着将直流电转换为频率可调的交流电。
也称为间接式变频器，是现在普遍使用的通用型变频器。
交--交变频，是使工频交流电直接转换成频率可调的交流电，也称为直接式变频器。
本设计使用的是通用变频器也就是交--直--交变频。
交直交变频器的主电路如图3.1所示。
图3.1交直交变频器的主电路图
本设计选用汇川公司推出的MD300A-S-0.7BC型变频器，MD300A系列是经过广泛的市场调查的基础上设计的高性能，通用型变频器。
主要的性能如下。
（1）它继承了汇川公司变频产品的优点，具备V/F（变压变频）和开环矢量（SVC）两种控制功能，确保了极好的低频转矩特性和动态响应好的性能。
（2）输入额定电压为单相交流为220V，输入额定电流为8.2A,输出电压为三相380V,输出额定电流为4.0A。
（3）输入频率为50/60Hz,输出频率为0～3200Hz。
（4）适配电机的功率为0.75KW。
（5）频率源给定包括面板电位器给定，数字给定，通讯给定。
（6）直流制动起始频率为0.0～50Hz,而制动时间为0.0～36.0s,制动电流值为0.0～200.0%，且内置制动结构。
3.1.3三相减速电机
减速电动机由减速箱和电动机组成，减速箱有齿轮式的也有蜗杆式的，齿轮式用的比较多。
减速机在电动机和减速箱组成的结构来匹配转速和传递转矩的作用，由于减速机要设定好减速比，所以是一种非常精密的设备，选用它是为了降低电机输出的转速，增加电机输出的转矩。
减速箱的外壳使用金属壳体，里面的器件有齿轮传动、蜗杆传动、齿轮-蜗杆传动所组成，一般用在减速传动装置中如用作原动机和工作机之间。
在一切输出转速的装置中起匹配转速和传送转矩的功能，在现代工业中使用非常普遍。
减速电机具有如下主要性能。
（1）低能耗,功能强大,使得减速机效率非常高,且抗干扰能力强。
（2）通用性高,维修简单,维护成本少,尤其是生产线,只要备用减速箱内部几个零件即可确保整线正常生产。
（3）选用新式密封零件,维护性能好,对环境适应性高,能在有腐蚀、潮湿等恶劣环境中持续工作。
（4）降速同时提高输出转矩，转矩输出比例按电机输出乘减速比，注意不能超出减速机额定转矩。
（5）降速时因为转矩增大了，减少了负载惯量，惯量的减少的量为减速比二次幂。
本设计的传送带滚筒的半径为3.5cm,质量为2.35kg,滚筒转动的最小力矩可由力矩公式（3.1）得到。
（3.1）
得滚筒转动的最小力矩为0.806N.M。
市场上卖的小型三相减速电机最小功率有20W和25W和40W的三相减速电机，异步电机的转矩可以根据公式（3.2）求得。
（3.2）
根据厂家提供的三相异步电机的额定转速为1350r/min,通过计算20W和25W和40W的异步电机的转矩分别为0.142N.M,0.177N.M，0.283N.M，根据经济性和设计的需要我们选用了25W的三相异步电机，速比=电机输出转数÷减速机输出转数（"速比"也称"传动比"），而通过和滚筒转动的最小力矩和25W异步电机的转矩相除得最小减速比为约等于5,也就是说要想25W三相减速电机拉动传送带，所选的减速箱的减速比要大于5。
根据设计的需要，选择了减速比为50的减速箱。
25W三相异步电机的参数如表3.1所示，减速比为50的减速箱的参数如表3.2所示。
表3.125W三相异步电机参数
编号
参数内容
数值
1
齿轴型号
4IK25GN-Y
2
额定出力（W）
25
3
电压（V）
3Φ220/380
4
频率（Hz）
50/60
5
极数（P）
4
6
起动转矩（kg.cm）
4.7
7
额定转矩（kg.cm）
2.05
8
额定电流（A）
0.2/0.12
9
额定转速（r/min）
1350
表3.2减速箱的参数
编号
参数内容
数值
1
减速比
50
2
最大容许转矩
61.8kg.cm
3
50Hz额定转速
30r/min
3.1.4TCS230颜色传感器
TCS230颜色传感器是TAOS公司推出的一种可以辨别颜色的传感器,技术先进，性能出众，TCS230颜色传感器一出现就迅速占领了这一领域，电路结构简单，能输出数字量功能，在没有A/D转换电路情况下可以实现每个颜色信道10位以上转换精度，使电路结构更简单，方便使用，所以TCS230颜色传感器得到广泛的使用，且不断改进不足之处，引领潮流。
TAOS公司不断改正TCS230颜色传感器的缺点，推出TCS3200颜色传感器，这款传感器让TAOS公司继续处于市场竞争优势地位。
在使用颜色传感器时，先将颜色传感器白平衡调节，接着系统调试时，将要检查的物体用颜色传感器检测，记下相应的颜色数据，重复多次，将得出的数据求最小值和最大值，然后在编程时可以根据最小值和最大值这个范围将其它颜色数据排除掉。
图3.2是TCS230颜色传感器的引脚和功能框图。
依据三原色理论可以知道,每种颜色是由不同比例的三原色（红、绿、蓝）混合而组成的。
假如知道组成各种颜色的三原色的值,从而可以得出所测试物体的颜色。
当确定一个颜色滤波器时，而其他原色则会被过滤掉。
例如:
选用蓝色滤波器，入射光中唯有蓝色可以通过,绿色和红色都被过滤掉了，这样就能够获得蓝色光的光强；同理，选用其他的滤波器，就能够获得蓝色光和绿色光的光强。
经过这三个值,就能够分析投射到TCS230传感器上的颜色光。
升级会员 