应用PLC实现自动输送分拣系统控制

沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）摘 要随着社会的不断发展，市场竞争越来越激烈，因此各个生产企业都迫切地需要改进生产技术。在需要进行产品分拣的企业，以往一直采用人工分拣的方法，效率低下致使企业的竞争能力差。针对上述问题，利用PLC 技术设计了自动分拣装置，在产品分拣过程中取得较好的控制效果。本设计应用PLC实现具有传输、分类、入库保管功能自动分拣系统的自动控制系统并应组态做上位机监控，机械结构采用传送带、气缸等机械部件；电气控制采用传感器、编码器、开关电源、换向阀等电子部件；可编程控制器采用目前比较流行的西门子PLC。软件部分采用组态王监控整个分拣过程的运行，系统采用台式结构，选用颜色识别、电容式和电感式三种传感器，同时，还设置了气动装置的减压器、滤气器、气压指示等，可与各类气源相连接。本设计是将PLC技术，位置控制技术、气动技术、组态通讯监控技术有机结合成一体的自动输送分拣系统，具有响应速度快，准确率高、性能可靠等优点。关键词：PLC；传感器；编码器；自动分拣系统；上位机监控IVAbstract With the continuous development of society, the competition is fierce in the market, Therefore production enterprises are urgently needed to improve production technology especially in the enterprise products sorting,has been using an artificial of sorting method before cause the competitive of the enterprise is poor. The response to these problems, to use PLC technology design of automatic sorting equipment, obtains good control effect in the process of product sorting. The design applies PLC to achieve automation control Automatic Sorting System which have functions of transfers、classify and storage, the mechanical structure adopts mechanical assembly as conveyor belt、cylinder. The electric control adopts electronic assembly as sensor、coder、switching power supply、reversing valve and so on; Programmable logic controller adopts the more popular PLC of Siemens currently. The system adopts desktop structure, choose color recognition sensor、capacitive proximity switch and inductive proximity switch, at the same time, also collocates pneumatic reductor、air filter device、display of air pressure and so on, can connect with different gas source. This design is the automatic Sorting System which cover the technology of PLC、the technology of control position、the technology of pneumatic and organically combined them into one. It possesses a lot of advantages as fast response speed, accurateness and reliability and so forth.Key words：PLC; sensor; coder; Automatic Sorting System; PC monitor目 录1 绪论11.1本课题研究的内容11.2课题研究的目的及意义11.3国内外相关技术现状及发展趋势11.3.1国外有关研究的综述11.3.2国内有关研究的综述21.4可行性分析32 总体设计42.1方案论证42.1.1系统硬件选择42.1.2上位机监控软件选择52.2设计思想52.3总体设计73 系统的硬件设计83.1系统硬件选型设计83.1.1编码器的选型设计83.1.2可编程控制器的选型设计93.1.3空气压缩机的选型设计103.1.4换向阀的选型设计113.1.5电动机的选型设计113.1.6稳压电源的选型设计123.1.7传感器的选型设计133.2可编程控制器外部连接图164 系统的软件设计174.1PLC软件设计174.1.1程序I/O分配表174.1.2控制程序流程图194.1.3控制程序时序图204.1.4 PLC程序设计214.2组态王监控界面设计274.2.1组态王外部设备定义274.2.2定义数据词典324.2.3组态王界面设计335 调试过程356 结论37结束语38致 谢39参考文献40附录 程序清单41附录 面板分布图46附录 面板接线图47附录 子程序清单481 绪论1.1本课题研究的内容本课题研究的内容是应用PLC实现自动输送分拣系统的自动控制并用组态监控系统的运行。本系统通过传感器信号采集，PLC控制，对交流电机、电磁阀进行开关量控制、位置控制、时序逻辑控制，实现对传送带上的物料进行定位、辨识、分类的功能，并通过组态监控界面监控整个过程的进行。1.2课题研究的目的及意义自动输送分拣系统是物流系统中广泛采用的一种分拣系统。一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口四部分组成，它们通过计算机网络联结在一起，配合人工控制及相应的人工处理环节构成一个完整的分拣系统。其主要特点有：能连续、大批量地分拣货物，分拣误差率极低，分拣作业基本实现无人化，可通过计算机监控整个分拣过程。自动分拣系统中人员的使用仅局限于进货时的接货、系统的控制、系统的经营、管理与维护等，这恰好符合了企业对减少人员使用、减轻员工劳动强度、提高人员使用效率的要求，因此受到了广泛重视。1.3国内外相关技术现状及发展趋势1.3.1国外有关研究的综述 以美国、日本及欧洲为代表的发达国家，在分拣系统的应用上呈现出自动化程度越来越高的特点。自动分拣系统已成为发达国家大中型物流中心、配送中心或流通中心不可缺少的一部分。自动分拣系统是二战后在美国、日本以及欧洲的大中型物流中心广泛采用的一种分拣系统，参照邮局分拣信件自动化的经验配置而成。就国外进行配送业务的行业或企业来说，自动拣选系统已被广泛应用在医药、化妆品制造等行业。自动分拣机作为自动分拣系统中的关键设备，因其较高的效率，已在发达国家得到广泛应用。然而，尽管自动分拣系统有非常多的优点，但因其要求使用者必须具备一定的技术经济条件，在发达国家，物流中心、配送中心或流通中心不用自动分拣系统的情况也很普遍。其主要原因有两点: 1、专业的自动分拣设备一次性投资巨大，先期投入回收慢。系统的设备复杂，投资和运营成本较高，需要可靠的货源作保证，也许只有大型生产企业或专业物流公司才有能力投资，小企业则无能为力。 2、 系统对商品外包装要求高。为使大部分商品都能用机械进行自动分拣，需要采取诸如推行标准化包装、根据分拣商品统一的包装特性定制分拣机等措施。但要让所有商品的供应商都执行相同的包装标准是很困难的，定制分拣机又会使硬件成本上升，且越是特别的通用性就越差，不利于推广。除自动分拣系统外，配送中心对于计算机辅助拣选系统的利用也相当普遍。在流通领域，特别是连锁超市、便利店的配送中心都广泛使用电子标签、RF等计算机辅助拣选系统。1.3.2国内有关研究的综述与整个物流业的大环境相似，我国在分拣系统和技术方面相对发达国家还比较落后，人工作业的情况仍比较普遍，电子标签、RF技术等辅助拣选系统的生产和使用还不多，自动拣选系统更是寥寥无几。总的来说，我国分拣系统的应用呈现出集约化程度低、自动化系统和设备应用范围不广泛的特点。阻碍自动分拣系统发展的因素有很多，有些则是与我国整个物流业存在的问题相一致的。物流标准化就是我国物流业长期关注的一个问题。商品的条码化、包装的标准化等是自动化拣选系统得以顺利运行的保证，而在我国，由于很多商品包装箱上没有印刷条码，商业系统至今尚没有认真研究过运用自动分拣机。另外，由于一个公司或企业往往无法左右整个行业的进展，一些大企业倾向于开发适合自己业务特点的系统，这又进一步造成了实际中接口的障碍。自动化设备和系统的价格问题也是另一个阻碍因素，小企业一般无力购进高价的专业设备。如今，国际竞争日益加剧，为了发展我国物流业，国内的许多企业和政府部门做了很多努力，也已取得了一定的成效，例如：随着科技的日新月异，国内的一些物流配送中心也开始结合自身特点，采用高技术含量的设备和系统来提高分拣配送效率。1.4可行性分析本课题设计是应用PLC实现自动输送分拣系统的自动控制，要求系统具有传输、分类、保管等功能，并通过组态监控整个分拣过程。根据此系统的功能构造，其可行性分析如下：首先，在器件选择上看。所需器件：电感式接近开关、电容式接近开关、标识传感器、光电开关、编码器、电动机、传送带、计算机、空压机、气缸、换向阀、输气管道、稳压电源、网孔板。其次，从经济角度来看。为了实现准确可靠的系统功能，因此，在器件选择上，尤其是在传感器上，要求稳定性好，准确率高，这样相对的价格就会高一些，但与其性能相比，此系统还是具备了较高的性价比，较好的实现了分拣系统的基本功能。最后，从效率角度来看。运用传感器扫描输入识别技术具有响应速度快，准确可靠等特点。工作效率可高达98%，具有良好的应用前景。 502 总体设计 在设计初期， 为了使控制系统具备更佳的工作性能，需要进行总体设计，此部分包括方案选择、设计思想以及总体设计方案。2.1方案论证2.1.1系统硬件选择由于本课题的研究内容有多种实现方案，因此，方案选择成为本次设计的重中之重。具体方案论证如下：第一种方案 ：利用PLC实现分拣控制，根据物料材质及颜色进行分拣，分别分拣铁质、铝质及黄色的物料。系统有底座、气动部分、传送部分及电气控制等四部分组成。气动部分由电磁阀、气缸和各种与气源相连的部件组成，电气控制由西门子、三菱或欧姆龙的可编程控制器、电源、传感器等部件组成。通过传感器信号采集，PLC控制，实现对开关、异步电机、电磁阀等进行较复杂的控制等功能，并采用编码器和高速计数器完成对物料间间距的测量，并通过编码器的测量，测得传感器与气缸之间的步距，从而使得气缸准确地将物料推入滑道，有效的实现分拣功能。同时，具有报警功能，一旦分拣系统出现故障，气缸打出时将物料卡住，传送带立即停止，并由蜂鸣器发出报警，使得分拣系统更加直观化、系统化。由于可编程控制器成功率高，可靠性好，设计程序简单，因此，在工业生产中得到广泛应用，但因PLC成本较高限制了其应用的范围。第二种方案：根据单片机实现分拣控制，采用机械手进行分拣，系统可分为底座、传送部分、电气控制及分拣部分。电气控制由单片机、电源、传感器等部件组成。同样通过传感器信号的采集和PLC控制，实现对异步电机和机械手进行较复杂的位置控制、开关控制等功能。程序部分则按照设计的基本逻辑要求进行编程。通过各限位信号及检测信号实现对机械手的控制，实现分拣功能。由于单片机成本低、效益高，因此在许多领域受到关注，但因其稳定性和抗电磁干扰能力比较弱，所以在一些高性能的系统中不被广泛采用。综上所述，比较第一种方案和第二种方案，由于后者运行可靠性低、抗干扰能力差，程序修改繁琐，对于物料的出库及入库位置不够精准，并且通讯设计也比较繁琐。虽然前者成本较高，但是考虑到分拣的准确性和可靠性，为了使系统具备更好的工作性能，本设计选择第一种方案作为总体方案。2.1.2上位机监控软件选择在制作产品分拣控制系统上位机监控系统时，可以使用Visual basic6.0或组态等软件。使用组态王和VB软件都可以实现监控功能、制作出上位机监控系统，但在使用VB制作过程中，每一步都不好实现。使用组态王软件制作上位机监控程序的过程远比使用VB简单的多。首先使用VB制作监控画面不能使监控画面十分逼真完美，而且由于VB的画图功能有限，制作一个简单的监控画面也十分困难，只有采用第三方软件画出图形，再使用VB调用该图形的方法；其次使用VB制作运行的动画效果十分繁琐复杂且制作出来的动画也无法达到令人满意的逼真效果；第三，也是最重要的，使用VB和PLC进行通信最终达到监控数据的过程十分复杂。而通用组态软件有强大的界面制作系统，可制作各种复杂形状及色彩的图形，这将使监控界面生动形象且十分人性化。通过对比，为了更好的完成设计，我最终选择了组态软件作为上位机监控软件，并用其中比较熟悉的组态王软件实现了设计要求。2.2设计思想本次设计的自动输送分拣系统按照设计要求首先配置可编程控制器，可将其放置实验台下面以避免不必要的空间浪费，然后配置传输系统，为了节省实验台面积和配合传感器工作，我采用体积小、噪音低的减速电机驱动宽为2.5cm、长为83cm、高约为7cm的立式传送带，为了控制和测量物料间的距离，在电机的一头加上编码器。最后配置了分拣系统，出于节省空间和对周边环境污染小的缘故，我采用了气动装置来实现分拣功能，这样，就需要一个气泵来提供气压，由于气泵相对体积较大，故可放在地上，不占用实验台面积。气动装置包括气缸、电控换向阀、分水滤气器、减压器、油雾器、阀岛及输气管道。在面板上，为了节省面板面积，传感器采用悬挂式检测方式，出于方便传感器悬挂的原因，本设计采用了垂直式网孔板，为了满足传感器检测的距离范围，将电感传感器安装在垂直高于传送带2.6cm的位置处，电容传感器安装在垂直高于传送带2.8cm处，颜色传感器则为2.7cm。每个气缸间距离为8cm，传感器与相应气缸距离为7mm，出料处距第一处气缸26cm。各传感器位置如下：图2.1 各传感器位置分布图在硬件测量设计上主要利用编码器进行测量。首先，在编译程序上定义1个高速计数器。然后，在系统正常工作时，编码器将电机转速转换成脉冲信号，再驱动高速计数器对其进行计数。最后，通过对脉冲的计数设计出相邻物料之间的步距、传感器与气缸之间的步距以及物品从出库到终点的步距。2.3总体设计本次控制系统设计由硬件和设计软件设计两部分组成。硬件部分可详细地分为控制部分、传感器部分、气动部分、电动部分、输送部分以及电源部分。控制部分采用西门子S7-200型PLC(CPU224)外加1个扩展模块（EM221）；传感器部分由标识传感器、电容式接近开关、电感式接近开关、编码器、光电开关组成；输送部分则是由单相交流异步电动机驱动的皮带式输送装置；气动部分采用亚达空压机、分水滤气器、减压器、油雾器、气缸及输气管道；电动部分主要有电控换向阀、阀岛及磁性开关组成；电源供电采用24 伏直流稳压电源。软件设计部分主要通过设计PLC梯形图实现分拣功能和设计组态界面实现上位机监控功能。控制程序设计部分大体分为5个部分：定义和调用高速计数器、传送带的运行和停止、设定档位、流程、物料的出库及分拣、报警保护。组态设计主要有组态与PLC的通讯、监控界面绘制、数据变量分配等。3 系统的硬件设计3.1系统硬件选型设计 针对本课题的研究内容，首先，建立本课题的硬件系统，然后，根据所要实现的功能，选择相关器件。为了使系统具有稳定可靠的工作性能，则需要对元器件进行选型，那么，选用何种产品能使得硬件系统具有更高的性价比也就成为硬件设计的重点。3.1.1编码器的选型设计1.编码器简介编码器为传感器类的一种，是将信号或数据编制、转换为可用以通讯、传输和存储形式的设备。编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。按照读出方式，编码器可以分为接触式和非接触式两种。接触式采用电刷输出，以电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”；旋转编码器是一种光电式旋转测量装置，它将被测的角位移直接转换成数字信号（高速脉冲信号）。因此，可将旋转编码器的输出脉冲信号直接输入给PLC，利用PLC的高速计数器对其脉冲信号进行计数，以获得测量结果。不同型号的旋转编码器，其输出脉冲的相数也不同。按照工作原理，编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；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。它的优点是原理构造简单、机械平均寿命长、抗干扰能力强、可靠性高、适合于长距离传输。2.编码器的选型及性能特点为了节省系统所占空间和不影响周边环境，并且具备较好的工作性能，本次设计选择日本欧姆龙公司生产的E6A2-CW5C型号的编码器。此型号编码器采用密封轴承和半径8mm的不锈钢旋转轴，输出脉冲为A、B两相，具有响应频率高，无噪音等特点。主要应用在一些计数，变速等场合。3.E6A2-CW5C编码器的技术参数此类型编码器主要相关参数如下：工作电压 1224 V；分辨率 100P/R；输出相 A、B两相；最大响应频率 20KHz；旋转方向 正向；输出方式 集电极开路输出。3.1.2可编程控制器的选型设计1.可编程控制器简介可编程控制器实质上是一种工业计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言，故可编程控制器与计算机的组成十分相似。从硬件结构看，它有中央处理单元、存储器、输入 / 输出单元、编程器、电源等主要部件组成。如下图所示：图3.1 可编程控制器基本结构2.可编程控制器的选型及性能特点本次设计的系统的控制部分可选用西门子、三菱、欧姆龙等多家PLC，介于西门子公司生产的可编程控制器具有极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块并适用于各种场合中的检测、监控等优点，本次设计采用此品牌可编程控制器，为了在实现功能的同时也能将成本降到最低，因此，通过对输入输出点的计算选用S7-200系列CPU224的可编程控制器以及一个扩展模块EM221。3.CPU224可编程控制器的技术参数此类型可编程控制器主要相关参数如下：工作电压 24V直流电；输入点数 14；输出点数 10；可扩展模块数量 7块；高速计数器数量 6个（HSC05）。3.1.3空气压缩机的选型设计1.空气压缩机简介空气压缩机是气源装置中的主体，它是将电动机的机械能转换成气压的装置，是压缩空气的气压发生装置。空气压缩机按工作原理可分为容积型压缩机和速度型压缩机。容积型压缩机的工作原理是压缩气体的体积，使单位体积内气体分子的密度增加以提高压缩空气的压力。速度型压缩机的工作原理是提高气体分子的运动速度，使气体分子具有的动能转化为气体的压力能，从而提高压缩空气的压力。 2.空气压缩机的选型及性能特点本设计的系统的空气压缩机可分为容积式、螺杆式、活塞式空气压缩机，因为螺杆式空气压缩机具有优良的可靠性能，因此，本次设计选择此种空压机，同时这种工作方式的空压机还具有机组重量轻、震动小、噪声低、操作方便、运行效率高等特点，通过市场调研及多方咨询，选择杭州萧山亚达公司的WY5.2型号的静音空气压缩机，同时，此型号的空气压缩机还具备体积小、操作简单、供压适中的特点。3. WY5.2静音空压机的技术参数此类型空压机主要相关参数：工作电压 220V；额定功率 125W；适用压力 0.8Mpa；最高压力 1.3Mpa。3.1.4换向阀的选型设计1.气动换向阀简介 换向型方向控制阀(简称换向阀)，是通过改变气流通道而使气体流动方向发生变化，从而达到改变气动执行元件运动方向目的。它包括气压控制换向阀、电磁控制换向阀、机械控制换向阀、人力控制换向阀和时间控制换向阀等。2.换向阀的选型及工作性能为了安全环保及从可行性等方面考虑，本次设计采用气动装置完成物料的出库、入库。在整个气动装置中起到主导控制作用的就是电控换向阀，出于无污染，不用提供动力资源且使用寿命长，体积小的原因，此次设计选用济南杰菲特公司生产的SR540-RN18R型号的电控换向阀。同时，为了使设计的气动部分工作更加顺利，并能适应设计的规模，整个气动部分均选用这一公司的生产装置，有气缸、磁性开关、减压器、油雾器等部件。3. SR540换向阀的技术参数此类型换向阀主要相关参数：换向时间 小于0.03秒；工作介质 洁净压缩空气；工作压力范围 0.150.7Mpa。3.1.5电动机的选型设计1.单相交流电动机简介单相交流电动机只有一个绕组，并且转子是鼠笼式的。由于单相电不能产生旋转磁场。因此，要使单相电动机能自动旋转起来，就要在定子中加上一个起动绕组，起动绕组与主绕组在空间上相差90度，这样起动绕组就要串接一个合适的电容，使得与主绕组的电流在相位上近似相差90度。这样两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组，将会在空间上产生（两相）旋转磁场，在这个旋转磁场作用下，转子就能自动起动。2.单相交流电动机的选型及性能特点此次设计的自动分拣系统的传送部分主要由电动机完成，在电动机的选择上也就尤为重要，电动机转速过快，传感器无法识别传送带上的物品，转速过慢，则会浪费更多的时间。由于大部分电机转速过快且噪音大，因此，不适合本次设计的系统。为了能配合传感器的识别工作以及实验室环境，我采用了联谊公司生产的带减速器的YN60-6型号电机作为设计传送部分的动力来源。其中，配套的减速器为60JB150G08型号的变速齿轮箱。此外，此电机还具有体积小、免维修、寿命长等优点。3.YN60-6单相交流电机的技术参数主要相关参数：工作电压 220V；额定频率 50Hz；额定电流 0.15A；额定功率 6W；减速比 1：30；空载转速 1550r/min。3.1.6稳压电源的选型设计1.直流稳压电源简介直流稳压电源又称直流稳压器。它的供电电压大都是交流电压，当交流供电电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都能保持稳定。2.直流稳压电源的选型及性能特点为了使本次设计更加趋于实验室环境，故设备规模较小，由于外部设备较多，PLC内部供电不足，因此需要一个稳压电源供电，将我们日常所用的220V交流电转换成24V直流电，为了得到更高的性价比，本次设计的电源部分选用上海明纬电子有限公司生产的HS-50-24型号的稳压电源。3. HS-50-24直流稳压电源的技术参数主要相关参数如下：输入电压电流 115VAC,1.3A/230VDC,0.65A；输入频率50/60Hz；输出电压电流 24VDC,2.1A。3.1.7传感器的选型设计本次毕业设计的自动分拣系统可检测3种材质的物品，在设计中对每种材质的物品的检测均有多种检测方法。由于物料分3种，分别是铁质、铝质和塑料。由于铝质传感器很难在市场上找到，故选用金属传感器代替。因此在传感器排序上要安排得当，否则，无法达到预期的设计效果。我将铁质传感器放在第1位，金属传感器放在第2位，最后的是颜色传感器。接近传感器可以在不与目标物实际接触的情况下检测靠近传感器的金属目标物。根据操作原理，接近传感器大致可以分为以下三类：利用电磁感应的高频振荡型、使用磁铁的磁力型和利用电容变化的电容型。一般接近开关有两种安装方式：齐平安装和非齐平安装。齐平安装：接近开关头部可以和金属安装支架相平安装。非齐平安装：接近开关头部不能和金属安装支架相平安装。一般，可以齐平安装的接近开关也可以非齐平安装，但非齐平安装的接近开关不能齐平安装。这是因为，可以齐平安装的接近开关头部带有屏蔽，齐平安装时，其检测不到金属安装支架，而非齐平安装的接近开关不带屏蔽，当齐平安装时，其可以检测到金属安装支架。正因为如此，非齐平安装的接近开关的灵敏度比齐平安装的灵敏度要大些，在实际应用中可以根据实际需要选用。1. 电感式接近开关的选型设计（1）电感式接近开关简介电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大电路组成，利用金属物体接近这个能产生电磁场振荡感应的测量头时，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，由此识别出有无金属物体接近，近而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。（2）电感式接近开关的选型及性能特点在系统中需要检测的材质有铁质品，那么，此种物质可用电感式接近开关、电容式接近开关、高频振荡型接近开关、手持式金属探测器、霍尔开关等，经查阅资料和仔细分析后，介于螺纹圆柱型电感式接近开关安装方便、体积小、使用寿命长、准确度高、价格适中且不影响后面检测效果等。因此，选择此种传感器作为本次设计铁质物料的检测传感器。选择电感式接近开关作为本设计的铁质检测传感器后，就要考虑选择何种电感式接近开关能具更高的性价比。根据本次设计的规模要求、测量精度要求。我选择了浙江洞头生产的LE4-1K型号的传感器。这种电感传感器具备无触点输出，使用寿命长、反应速度快、安装灵活等优点，能够适应各种生产环境，即便是在有水或油喷溅的苛刻环境中也能稳定检测，同时，传感器头部带有屏蔽可齐平安装。（3）LE4-1K电感式接近开关的技术参数此类型传感器主要相关参数如下：工作电压 1030VDC；检测距离 4mm20%；电流输出 200mA；响应频率 300Hz。2. 电容式传感器的选型设计（1）电容式接近开关简介电容式接近开关也属于一种具有开关量输出的位置传感器，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。这种接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体,在检测较低介电常数的物体时，可以顺时针调节多圈电位器（位于开关后部）来增加感应灵敏度，一般调节电位器使电容式的接近开关在0.7-0.8Sn（Sn为额定动作距离）的位置动作。（2）电容式接近开关的选型及性能特点在系统中需要检测的还有铝制品，此种材质可用电容式接近开关、霍尔开关、磁感式接近开关等，由于电容式接近开关体积小、安装方便、发展潜力大、价格便宜、灵敏度高、恶劣条件的适应性强等，因此，选择其作为本次设计铝质物料的检测传感器。本次设计所选的电容传感器为日本欧姆龙公司生产的E2K-X8M1型号的电容式接近开关。此电容式传感器可用无接触的方式来检测任意一个物体，安装方便，配有LED指示灯可监视运行情况，可齐平安装。典型的应用领域为塑料制造业、食品业及化学工业。（3）E2K-X8M1电容式接近开关的技术参数此类型传感器主要相关参数如下：工作电压1224 VDC；检测距离8mm10%；电流输出 200mA；响应频率 100Hz。3. 光电开关的选型设计（1）光电开关简介光电开关是利用光电效应做成的开关。将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内。当有反光面（被检测物体）接近时，光电器件接收到反射光后便有信号输出，由此便可“感知”有物体接近。其中，颜色传感器也是利用这一原理进行检测的。（2）颜色传感器的选型及性能特点系统最后需要检测的是黄颜色的物品，此种物品可用标识传感器、颜色传感器、色标传感器等，介于检测距离的范围、价格的高低、检测的准确度、体积的大小、安装的便利程度等，选择标识传感器作为本次设计黄颜色物料的检测传感器。 本次设计选择日本欧姆龙公司生产的E3S-VSIE4型号的标识传感器作为颜色分拣传感器。此类型标识传感器内藏放大器，使设定、操作更容易，可齐平安装，适用于农用机械及建筑设施，被广泛应用在机械、工程设备、交通设备、医疗设备、汽车生产流水线等自动化控制领域，并且传感器灵敏度可调，具有较稳定的工作性能。（3）光电开关的选型及性能特点本次设计选择日本欧姆龙公司的EEP-SPY402型号的光电开关来检测物料库中是否有料。此类型传感器内藏放大器，安装方便，配有指示灯可监视运行情况，体积小。（4）E3S-VSIE4标识传感器的技术参数 此类型标识传感器主要相关参数如下：检测距离 122mm；供应电压1224VDC；应答时间执行及释放 1ms max；最大输出电流 40mA。（5）EEP-SPY402光电开关的技术参数主要相关参数如下：工作电压 524 VDC；检测距离 5mm；电流输出 8mA。3.2可编程控制器外部连接图 为了更加直观的了解此次系统的PLC外部连接情况，在此加入可编程控制器的外部连接图。需要强调的是由于PLC中的部分输入点和输出点被无法使用的第四气缸占用，因此在PLC外部接线图中没有体现，其中包括I0.3、I1.5和Q0.3。图3.2 PLC外部接线图4 系统的软件设计 本系统软件设计的PLC程序是此次设计的重点，是实现可编程控制器逻辑控制的主体部分，因此，在系统的自动控制中至关重要，其中包括：I/O分配表、程序流程图、时序图以及程序设计。此外还有上位机组态王用户界面设计，包括对流水线的监控界面，数据显示界面等。4.1PLC软件设计4.1.1程序I/O分配表首先，需要强调的是由于在程序中使用了高速计数对光电编码器进行计数,因此I0.1被占用。 表4.1 自动分拣系统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I2.1SKW1(气缸1动作限位)I0.0SKW2(气缸2动作限位)I0.2SKW3(气缸3动作限位)I0.3SKW4(气缸4动作限位)I0.4SKW5(下料气缸动作限位)I0.5SA(电感传感器)检测铁质I0.6SB(电容传感器)检测金属I0.7SC(颜色1传感器)检测颜色I1.0SBW1(气缸1回位限位)I1.1SBW2(气缸2回位限位)I1.2SBW3(气缸3回位限位)I1.3SBW4(气缸4回位限位)I1.4SBW5(下料气缸回位限位)I1.5SD(颜色2传感器)预留传感器I2.0SN(下料传感器)判断下料有无I0.1UCP(计数传感器)光电编码器输出部分Q0.0YV1(气缸1电磁阀)Q0.1YV2(气缸2电磁阀)Q0.2YV3(气缸3电磁阀)Q0.3YV4(气缸4电磁阀)Q0.4YV5(下料气缸电磁阀)Q0.5M(输送带电机)公共端1M24+在面板中所有输出端子为低电平有效输入端子为高电平有效2M1L2LMGND4.1.2控制程序流程图图4.1 控制程序流程图4.1.3控制程序时序图图4.2 控制程序时序图4.1.4 PLC程序设计4.1.4.1程序控制要求 在设计程序之前只有熟知此程序所要完成的功能，才能有目的的编译程序，为了更好的实现分拣功能，我按照如下要求来设计本系统控制程序：1.在物料斗中放3个不同的物块，在程序运行后传送电机开始运行，传送带转动。运行5秒后，气缸5动作，将物块推到传送带中。此时传送电机停止，以便物块放正位置。过0.5秒后，电机又开始运行。如果程序运行时，物料斗中没有物体，则运行一定时间后自动停止。2.在第1个物块推出到传送带上前行一定路程后，再推出第2个物块。然后再推出第3个物块，过程和推出第1个物块相同。3.当物块靠近各传感器时，就会使传感器动作，此时，物块并没有到达物料槽的位置，因此要在检测到物块之后再计传送带运行的步距。（各传感器的灵敏度不同，用试验测定，在确定步距后，在程序相应网络中进行修改）当光电编码器检测到所走的步距后，驱动相应的电磁阀控制气缸推动物块到相应的物料槽中。4.各传感器依次分别为：电感传感器可检测出铁质物块；电容传感器可检测出金属物块；颜色传感器可检测出不同的颜色，且色度可调。当铁质物块经过第1传感器时被分拣出，当铝质物块经过第2传感器时被分拣出，非金属物块中的某一颜色在过第3个传感器时被分拣出。5.扩展功能：故障报警功能。一旦气缸失常或传感器灵敏度有变时，很容易造成气缸在收回时把物料夹住而导致分拣系统无法正常分拣接下来的物料。为此，加入故障报警功能。当此类现象出现时，传送带会立即停止，不再进行输送物料（在客观条件允许情况下可加入蜂鸣器作为报警器，当传送带停止时间过长时，蜂鸣器会立即工作实现报警功能）。4.1.4.2主程序的设计根据控制程序要求，本设计软件部分的主程序设计步骤如下：1.高速计数器初始化在本次设计中，为了更加精确的实现分拣功能，需要加入高速计数器对脉冲信号进行计数，在定义好高速计数器的相关信息后，要考虑的问题就是如何调用子程序。首先，要考虑到在一开始执行程序时，就必须使高速计数器有效，因此，使用SM0.1指令，在程序一开始执行时就调用一次子程序。其次，在程序运行过程中也需要不断调用高速计数器并将其初始化，为了使程序更加有条不紊的工作，在传送带运转1个流程后，就需调用1次高速计数器，使其重新载入预置值和当前值，防止因高速计数器的计数值一直增长致使运行混乱。相应程序梯形图如下：图4.3 调用高速计数器梯形图2.传送带的运行和停止在此系统设计中，需要考虑的一个重要的环节就是控制传送带的运行和停止。首先，传送带的运行必须是在出料气缸处于回位状态时，因为当物料被打出时，必须要保证物料能够平稳的进入传送环节，以防在输送过程中从传送带上掉落下来，影响分拣效果。其次，如果在物料槽中没有物料，那么为了避免资源浪费，在传送带运转完相应的流程后，传送带自动停止。在分拣系统出现意外时，为了避免更大的损失，则使传送带立即停止，方便检修人员及时检修。在设计过程中，考虑到电机应该是有料时转动，无料时停止，这样就需要有1个相应的开关对其进行控制。我考虑到在无料情况下，运转一个流程后电机停止，在此说明一下，我设定55个脉冲信号为1个档位，7个档位为1个流程，则档位计数器的开关应作为电机停止的条件，只有在档位数等于7时传送带才会停止，因此，选择该计数器的常闭开关。考虑到物料库中有料时则电机几乎保持运转状态，因此在该计数器的设定上要适时使计数器复位并装载新的预置值，这里我选择了SM0.1指令、出料气缸回位限位常开开关的上升沿和物料传感器常闭开关的上升沿并联到该计数器的装载端。那么除上述以外的情况，电机就应该都是转动的，为了使电机转动不与出料气缸发生冲突，选择了出料气缸的回位限位的常开开关作为电机转动的条件。考虑到如果把这些条件直接作为电机的运转条件可能会使电机因瞬间启动和停止而减少寿命，所以，我加入了一个定时器作为缓冲，为了在视觉上达到与外部信号一致的效果，故定时器的设定值设为0.2秒。相应程序梯形图如下：图4.4 传送带控制梯形图3.设定档位、流程在本次设计中首先利用卷尺和游标卡尺测出转轴半径及出料处到最后一个气缸处的距离，经测量半径约为22.85mm，直径约为45.7mm，周长约为143.5mm，出料口距最后一个气缸约为518mm。考虑到要使物料通过所有气缸，且不能滑出传送带，因此，物料在传送带上所走距离一定要适中。同时，为了实现这一功能还需测量编码器检测的相邻两个脉冲之间的距离，经测量相邻两脉冲距离约为1.4mm。经计算，物料从出口到最后一个气缸约需370个脉冲。由于编码器分辨率为100P/R，故需要分几个档位来完成这项功能。经分析，物料应过最后一处气缸位置且不滑出轨道，所以选择385个脉冲作为物料的行走距离，在0到100范围内，能整除385的第1个整数便是55，因此，选择55个脉冲作为一个档位，这样便需要7个这样的档位来完成一个运转流程实现上述功能。相应程序梯形图如下：图 4.5 档位设计梯形图4.物料的出库及分拣此环节是此次设计的重中之重，是实现分拣功能的根本保证。首先，在物料传感器检测到有物料存在时，且在此之前物料槽中没有物料，那么5秒钟后物料将被打出。若放入连续的物料，则物料之间每隔0.5秒打出1个。然后，在分类入库方面，当传感器有检测信号时，计数器对脉冲开始计数，达到5个脉冲后，相应气缸开始动作，并完成分拣、入库。出库设计，首先考虑相邻物料的出库间隔以及气缸动作间隔，可用档位距离作为这个间隔的距离，为了充分利用资源，只有在物料库中有料时出料气缸才每隔1个档位动作1次，选择有料传感器的常开开关作为限制开关。关于气缸动作限制，仅当气缸不处于动作限位时，此气缸动作才能生效，因此，选择该气缸动作限位的常闭开关来限制，考虑到系统不应具备记忆功能，我又加入1个定时器来及时切断能流，通过反复试验得知，设定时间过长定时器就会失去意义，过短气缸则不能工作到位，大量实验证明，当设定时间为0.5秒时为最佳时间间隔。分拣入库设计，由于在硬件分布中，气缸与传感器之间存在一定距离，这就需要1个计数器来测量这段距离的脉冲数，经多次操作得出，传感器与气缸之间间距5个脉冲，故计数器设定值为5，用计数脉冲的上升沿连接输入端。当计数器达到设定值，气缸就动作。但考虑到只要传送带转动就会有脉冲不断产生，所以，计数器的装载端应用一个具有置位功能的开关控制，这样就需要设置1个存储器，为了更好的控制计数器，利用存储器的常闭开关控制其是否可用，由于传感器有检测信号，才能使得计数器工作，故利用相应传感器信号的上升沿控制，此外，考虑到气缸的限位关系，又加入M4.0、I0.0作为限制条件，与出料气缸相似，为使之不具记忆功能，加入定时器，经试验反复验证，设定0.4秒为最佳间隔时间。相应程序梯形图如下：图4.6 物料分拣入库部分梯形图5.报警保护 本次设计的自动输送分拣系统除了具备分拣的功能外，还应具备报警保护功能。当系统运转出现异常时，能及时保护系统并报警，以避免更大的损失。 由于系统的经济效益问题，加入报警保护功能。考虑到如果气缸工作异常，那么气缸所在的位置既不在回位限位又不在动作限位，同时，考虑到气缸的动作时间在0.4秒以内，因此，加入定时器且设定值为4，即气缸在两个限位之间0.4秒内属正常情况，又考虑到不影响后面物料的分拣，所以利用此定时器的常闭开关控制传送带停止。相应程序梯形图如下：图4.7 报警保护功能梯形图4.1.4.3初始化子程序的设计由于在本次设计中中断事件产生的速率远低于高速计数器的计数速率，用高速计数器可以实现精确的告诉控制，而不会延长PLC的扫描时间。因此，我选择了高速计数器实现这一功能，为防止程序混乱，将其作为子程序。 但是还要考虑到选择高速计数器号和模式等设置问题。根据本次设计的需要，考虑到在实现功能的前提下尽可能的避免高速计数器占用过多的输入点，于是，我选用了高速计数器3。因为此计数功能没有外部控制方向的输入信号，只是由内部控制计数方向，只作单向增或减计数且只用到1个计数输入端。因此，我采用1个内部方向控制的单向增/减计数器即采用模式0。 只定义上述两项是不够的，还需要定义高速计数器的预置值和当前值。预置值和当前值都是有符号的双字整数。为了向高速计数器装入新的预置值和当前值，必须先设置控制字节，并把预置值和当前值存入特殊存储器中，然后执行HSC指令，才能将新的值传送给高速计数器。每个计数器所对应的特殊存储器如下：表4.2高速计数器的寻址高速计数器号HSC0HSC1HSC2HSC3HSC4HSC5新当前值（仅装入）SMD38SMD48SMD58SMD138SMD148SMD158新预置值（仅装入）SMD42SMD52SMD62SMD142SMD152SMD162当前计数值（仅读出）HC0HC1HC2HC3HC4HC5每个高速计数器都有1个控制字节，其中，我所选取的HSC3也不例外，它的控制字节是SMB137，在HSC3中，SM137.0SM137.2为缺省位，SM137.3 为计数方向控制位：0=减计数，1=增计数；SM137.4为允许更新计数方向：0=不更新，1=更新计数方向； SM137.5为向HSC中写入预置值：0=不更新，1=更新预置值；SM137.6 为向HSC中写入新的当前值：0=不更新，1=更新当前值；SM137.7为HSC允许：0=禁止，1=允许。由于在本设计中高速计数器的执行任务是对编码器产生的脉冲信号进行计数，因此，需要允许高速计数器工作并采用增计数功能计数即SM137.3和SM137.7位为1。在程序运行中，为了使程序不发生混乱，需要多次进行高速计数器初始化，因此，允许更新此高速计数器的计数方向、预置值、当前值即SM137.46位均设置为1。经归纳，使用高速计数器时，可按以下步骤进行：（1）选择计数器及工作模式。 （2）设置控制字节。 （3）执行HDEF指令。 （4）设定当前值和预设值。（5）设置中断事件并全局开中断。 （6）执行HSC指令。4.2组态王监控界面设计4.2.1组态王外部设备定义组态王作为一个开放型的通用工业监控软件，支持与国内外常见的PLC、智能模块、智能仪表、变频器、数据采集板卡等（如：西门子PLC、欧姆龙PLC、三菱PLC等）通过常规通讯接口（如串口方式、USB接口方式、以太网、总线）进行数据通讯。组态王把那些需要与之交换数据的硬件设备或软件程序都作为外部设备使用。外部硬件设备通常包括PLC、仪表、模块、变频器、板卡等；外部软件程序通常指包括DDE、OPCS等服务程序。按照计算机和外部设备的通讯连接方式，则分为：串行通信（232/422/485）、以太网、专用通信卡（如CP5611）等。在计算机和外部设备硬件连接好后，为了实现组态王和外部设备的实时数据通讯，必须在组态王的开发环境中对外部设备和相关变量加以定义。为方便定义外部设备，组态王设计了“设备配置向导”引导我们一步步完成设备的连接。本次设计实现组态王和西门子S7-200通讯。在组态王工程浏览器树型目录中，选择设备，在右边的工作区中出现了“新建”图标，双击此“新建”图标，弹出“设备配置向导”对话框，如图4.1所示： 图4.8 设备配置向导在上述对话框选择西门子的“S7-200”的“PPI”项后单击“下一步”弹出对话框，为设备取一个名称为PLC，如图4.2所示：图4.9逻辑名称单击“下一步”弹出连接串口对话框，为设备选择连接的串口为COM1，如图4.3所示：图4.10选择串口号单击“下一步”弹出设备地址对话框，在连接现场设备时，设备地址处填写的地址要和实际设备地址完全一致，此处填写设备地址为2，如图4.4所示；图4.11设备地址设置单击“下一步”弹出通讯参数对话框，设置通信故障恢复参数（一般情况下使用系统默认设置即可）如图4.5所示；图4.12通信参数其中，尝试恢复间隔：当组态王和设备通讯失败后，组态王将根据此处设定时间定期和设备尝试通讯一次；最长恢复时间：当组态王和设备通讯失败后，超过此设定时间仍然和设备通讯不上的，组态王将不再尝试和此设备进行通讯，除非重新启动运行组态王：动态优化：此项参数可以优化组态王的数据采集。单击“下一步”系统弹出信息总结对话框，检查各项设置是否正确，确认无误后，单击“完成”，如图4.6所示，设备定义完成后，可以在com1项下看到新建的设备“PLC”。图4.13信息总结双击com1口，弹出串口通讯参数设置对话框，如图4.7所示；图4.14 串口设置4.2.2定义数据词典此步骤是制作中的重点步骤，同PLC编程一样，在制作监控程序之前应首先对方案进行认真仔细地分析，确定所需要的变量及数目。在定义之前，应充分分析和考虑所有问题，最后列出需要的所有的点（即变量）。在定义时根据不同点的作用具体设置每个点的类型及参数。在“工程浏览器”窗口的左侧选择数据词典，双击右侧的“新建”进入“定义变量”页，创建变量。所不同的是根据定义变量类型的不同在下面会有不同的设置和选项。材料分拣实物模型输入输出端子分配及监控程序的内部变量，设置了如表4.1 中的点。表4.3变量分配变量名变量类型ID连接设备寄存器数据类型输送带电机流动内存整型25输送带电机流动1内存整型26旋转指示内存整型42旋转指示1内存整型43旋转指示2内存整型44旋转指示3内存整型45光电编码器IO整型27PLCV20SHORT下料气缸动作次数IO整型46PLCV40SHORT金属物料分拣数IO离散47PLCV60SHORT铁质物料分拣数IO离散48PLCV50SHORT金属物料分拣数IO离散49