小球分拣机控制系统设计

电气自动化技术专业毕业论文

论文题名：小球分拣机控制系统设计

学生姓名：吴赟杰

学    号：022*******

指导教师：吴丽丽

专    业：电气自动化

年    级：大二

摘要

    本文作者通过查阅大量资料，对分拣系统及其相关的技术发展、现状和趋势作了一个比较全面的总结。在熟悉了分拣系统的原理的基础上，采用PLC完成小球分拣机的控制系统设计。进一步了解小球分拣机的工作过程，并制定其控制系统的设计方案。系统具有自动化程度高、运行稳定、分拣精度高、易控制的特点,对不同的分拣对象,稍加修改本系统即可实现要求。

关键词：小球分拣  PLC  控制系统

引言

分拣是把很多货物按品种从不同的地点和单位分配到所设置的场地的作业。按分拣的手段不同，可分为人工分拣、机械分拣和自动分拣。

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，尤其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，材料的自动分拣已成为企业的唯一选择。针对上述问题，利用 PLC 技术设计了一种成本低，效率高的材料自动分拣装置，在材料分拣过程中取得了较好的控制效果。

本文主要介绍了PLC控制系统的硬件和软件设计，以及一些调试方法。

第1章 控制系统总体设计

1.1 需求分析

材料分拣装置应实现基本功能如下 

（1）分拣出金属和非金属

（2）分拣某一颜色块

（3）分拣出金属中某一颜色块

（4）分拣出非金属中某一颜色块

此类制造厂，为满足中小学生实验需求，制造相应小球，该机器方便分拣不同的小球。

1.2 结构组成

它采用台式结构，内置电源，有步进电机、汽缸、电磁阀、旋转编码器、滤清器、气压指示等部件，可与各类气源相连接。选用颜色识别传感器及对不同材料敏感的电容式和电感式传感器，分别固定在网板上，且允许重新安装传感器排列位置或选择网板不同区域安装。

1.3 最终控制方案

系统利用各种传感器对待测材料进行检测并分类。当待测物体经下料装置送入传送带后，依次接受各种传感器检测。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。其控制要求有如下9 个方面：

（1）系统送电后，光电编码器便可发生所需的脉冲 

（2）电机运行，带动传输带传送物体向前运行

（3）有物料时，下料汽缸动作，将物料送出

（4）当电感传感器检测到铁物料时，推汽缸1 动作

（5）当电容传感器检测到铝物料时，推汽缸2 动作

（6）当颜色传感器检测到材料为某一颜色时，推汽缸3 动作  

（7）其他物料被送到SD 位置时，推汽缸4 动作 

（8）汽缸运行应有动作限位保护 

（9）下料槽内无下料时，延时后自动停机

第2章 控制系统的硬件设计

2.1控制器

2.2.1 确定I/ O 点数

2.2.2  PLC 的选择

根据上面所确定的I/ O 点数，且该材料分拣装置的控制为开关量控制。因此，

选择一般的小型机即可满足控制要求。本系统选用西门子公司的S7-200系列CPU226 型PLC。它有24个输入点，16个输出点，满足本系统的要求。

2.2.3PLC外围连接图

2.3 检测元件与执行装置的选择

2.3.1 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

工作原理如下：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。

2.3.2 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。接线图如图2-4，原理图如图2-5。

图2-4  M18X1X40 DC二线常开式电感传感器接线图

图2-5  电感传感器工作原理图

2.3.3 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E2KX8ME1 电容传感器，接线图可参考图2-5，原理图如图2-6。

图2-6  电容传感器工作原理图

 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)测量范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。

2.3.4 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2-7  TCS230颜色传感器

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2  S0、S1及S2、S3 的组合选项

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2-8  FPG光电传感器原理图

2.3.6 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。

第3章 控制系统的软件设计

3.1 控制系统流程图设计    

图3-1　控制系统流程图

    该系统可选择连续或单次运行工作状态。 若为连续运行状态，则系统软件设计流程图中的汽缸4 动作后，程序再转到开始;若为单次运行，则汽缸4 动作后停机。 如果需要，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。用高速计数器计数步进电机转过的圈数，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。

3.2 控制系统程序设计

（1）以上为主程序，首先I2.0启动后，M0.1得电并自锁，为之后电动机得电做好准备，I2.1为停止按钮。当PLC处于RUN模式时，SM0.1通电一个周期，Q0.0复位清零，并调用子程序。

（2）以上为子程序中的高速脉冲指令，该程序先将控制脉冲指令的特殊功能寄存器进行初始化，然后当I0.0（下料传感器）检测到有料时，启动PLS（脉冲输出）指令；如果I0.0检测没有物料时，启动定时器T30，延时30秒自动停机。

（3）以上为子程序中的高速计数指令，首先进行高速计数指令的初始化操作，当电机旋转时，带动光电码盘发出脉冲，并输入PLC的接收端，由高速计数指令进行计数，计算步进电机转过的步数，进行定位控制。其中设定预置值为50，当计数至50时，调用中断程序。

（4）以上为中断程序，当高速计数指令计数至预置值时，这时物料移动至传感器的位置，M0.0得电，导致高速脉冲输出停止，步进电机停转。由于汽缸动作需要1秒，让电机停转一秒后继续运转。当物料被相应的传感器检测中后，相应的汽缸动作，将物料推下。I1.3，I1.4，I1.5，I1.6，I1.7为汽缸的回位限位开关，初始状态为闭合，I0.6，I0.7，I1.0，I1.1，I1.2为汽缸的动作限位开关，初始状态为关断。汽缸动作时，回位限位开关关断，到达动作限位开关时，动作限位开关闭合。

第4章 控制系统的调试

4.1 硬件调试

1．电感传感器的调试

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。

2．电容传感器的调试

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。

3．颜色传感器的调试

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，观察窗口中红绿（或蓝）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）