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1 绪 论
1.1分拣装置简介
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分拣是把很多物品按种类从不同的地点分配到所设置的场地。按分拣手段的不同，可分为人工分拣和机械化分拣。
自动分拣提高了劳动的生产力，将货物从分拣系统送到指定的位置，按指令自动分拣来完成的。这种装置是由接受分拣指令的控制装置、计算机组成的，把到达分拣位置的物料送到指定位置的的搬运装置。因为所有的一个机械化作业，因此，能够处理更大的排序，排序物种的数量也较多。
随着社会的进步，激烈的市场竞争，行业迫切需要排序，以提高生产效率，提高分拣技术，在过去，我们一直使用人工分拣，这不仅增加了成本，向后梳理的效率，自动化PLC分拣设备不仅可以连续，大批量的排序，而且非常灵活，误差非常低，所以分页模式是现代工业的雏形。
1.2 课题研究的意义
分拣系统中物料传感器以及气缸应自动化设备更新时的需要，可以大量代替单调往复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。同时也可以实现工业的机械化操作，它可以在恶劣的环境下操作，避免人为直接去操作，从而保障人生安全。可以在大部分的机械制造部门使用，比如冶金，矿山，原子能，核电站等较为高危的产业。在物料分拣中分料盘有着重要的作用，通过步进电机的驱动使分料盘完成相应的动作来实现物料的分拣。由于同样实现了自动化分拣，因此在现代工业中也较广泛地使用。
使其适应了工业等的需要。本课题试图开发PLC对物料与分拣物料的控制，并借助必要的精密传感器，使其能够对不同颜色以及种类的物料按预先设定的程序进行分拣，适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产，广泛应用于柔性生产线。采用PLC控制的分拣装置，需要预先设定程序来实现物料的分拣，可以代替人工在危险的作业环境下长时间的单调作业，当分拣的产品发生变化时，只需要改变物料传感器，对气缸进行新的分配任务，再对位置进行重新布置，重新进行编程，就可以很快地投产，从而降低了安装和转换工作所产生的费用。
1.3 主要研究任务
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1.3.1 拟订控制系统的总体方案
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分析PLC分拣装置系统设计的工作过程，选择合适的控制系统，拟订PLC分拣装置控制系统设计的总体方案。 1.3.2 PLC分拣控制系统的硬件设计
根据控制系统要求分析其控制过程，完成硬件部分的设计，设计的内容包括以下几个方面：
（1）选择 PLC的型号； （2）分配I/O端口； （3）绘制I/O外围接线图； （4）选择传感器和旋转编码器型号。 1.3.3 PLC分拣装置控制系统的软件设计
根据分拣装置所要实现的控制要求，绘制出合适的梯形图，实现PLC分拣装置控制系统对整个分拣过程的可靠控制。
2 .材料分拣装置总体方案设计
2.1 材料分拣装置工作过程概述
如图2-1 所示为本分拣装置的结构示意图。
图2-1 材料分拣装置结构示意图
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分拣装置采用台式结构，内置电源，还有5个气缸，步进电机，旋转编码器，电磁阀，气动调节器，过滤器，压力指示和其他组件。选择颜色识别传感器和电容式传感器和电感式传感器，并可以调整传感器的位置。
不同的物料块在料斗中，随着程序的运行，在电动机运行时，带开始转动。 运行后，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，料斗没有对象，然后经过一定时间后自动停止。之后的第一个块被引入到带一定距离的前行，然后推出了第二个对象块。然后再推出第三个物块，过程和推出第一个物块相同。当在旁边对应的传感器模块，传感器就会动作，此时驱动相应的电磁阀控制缸体推就是将它插入相应的插槽材料。
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。备用传感器可选用颜色传感器或者物体检测传感器。当铁是通过第一传感器块被整理出来，当铝是通过第二传感器块被整理出来，非金属块某些颜色上的第三传感器被分拣出来。不同的在过第四传感器时分拣出。
2.2 系统的技术指标
（1）输入电压：AC220V（带保护地三芯插座） （2）消耗功率：小于50VA （3）环境温度范围：-5～40℃ （4）气源：大于0.1Mpa且小于0.85Mpa
（5）控制要求：料槽中有料时自动运行，无料时走完一个行程自动停机。
2.3 系统的设计要求
系统的设计包括功能设计和控制设计。 2.3.1 功能要求
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
（5）分拣出金属中某一颜色块和非金属中某一颜色块
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（6）分拣颜色为：红、绿、蓝 （7）分拣材料为：铁、铝、塑料 2.3.2 系统的控制要求
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系统利用各种传感器对待测材料进行检测并分类。当物料经下料装置送入传送带以后，依次经过各种传感器的检测。如果被某传感器测中，则通过相应的气动阀将其推入料箱；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有铁质的物料时，推汽缸1 动作 （5）当电容传感器检测到有铝质的物料时，推汽缸2 动作 （6）当颜色传感器检测到有某一颜色物料时，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
在控制装置的选择上，我们想到了单片机和PLC，对这两种控制方式进行比对，我们发现PLC的通用性强、可靠性高、抗干扰的能力好，此外PLC的I/O口采用光电隔离，有效的将内部电路与外部电路进行隔离，而且各模块之间相互屏蔽，PLC还具有很好的自我诊断功能，在大型的PLC中，我们通过使用双CPU和三CPU成功提高可靠性，再结合实际的工作场地，可能为有毒或者高危的环境，这些PLC都可以轻松的胜任，因此我们最终决定使用PLC为我们的控制系统。PLC控制分拣设备包括PLC技术，传感器技术，气动技术，位置控制技术。要想进行PLC控制系统的相关的设计，首先必须对控制对象进行详细的调查，搞清楚控制对象的工艺流程、注意事项，明确控制要求。
[1]
3 控制系统的硬件设计
PLC控制系统中的硬件设计，主要是根据被控制对象对PLC控制系统的要求，确定所需的输入、输出设备，选择合适的PLC，并分配I/O点。
[2]
3.1 系统的硬件结构
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设计系统的硬件结构框图，如图3-1 所示。
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图3-1 系统的硬件结构框图
3.2 系统关键技术
系统关键技术即分析控制系统的要求，确定I/O点数，选择PLC的型号，然后进行I/O分配。
3.2.1 确定I/ O 点数
根据控制系统的要求，输入部分：含有2个开关信号，6 个不同的传感器信号，包括电感传感器、电容传感器、颜色传感器、备用传感器，以及检测下料的传感器和计数传感器。此外，还有5个汽缸运动位置信号，5个动作限位信号和5个回位限位信号。输出部分：包括控制电动机运行的接触器，和5个控制汽缸动作的电磁阀。共需24个I/ O 点，即18 个输入，6 个输出。 3.2.2 PLC 的选择
PLC的选择主要应从PLC的机型、存储容量、电源模块、I/O模块等方面进行综合的考虑，在满足功能要求并且安全可靠、维护方便的前提下,选取性价比最高的PLC机型。
因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本几项原则： （1）最大限度地满足被控对象的控制要求
充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一项原则。这就要求设计者在设计
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前就要进行深入的调查与研究，收集相关的国内外资料，同时还要积极配合现场的技术人员、管理人员以及现场操作人员，共同拟定控制系统的总体方案，最终解决设计中所遇到的困难和问题。
（2）保证PLC控制系统安全可靠
设计PLC控制系统的重要原则是保证该控制系统能够长期安全、稳定可靠的运行。这就需要设计人员在进行系统设计、元器件的选择和软件编程等方面全面考虑，以确保控制系统的安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅能在正常条件下运行，而且在特殊情况下，例如在按错按钮或者突然掉电再上电等情况下，设备也能正常工作。
（3）力求简单、经济、使用及维修方便
一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地增加工程的效益，另一方面也要考虑工程的成本。这就要求设计者不能只顾着追求高自动化和高效益，在设计的时候不仅应该简化控制系统，还要使控制系统降低成本的同时使用和维护也方便，这对设计人员来说比较困难。
（4）适应发展的需要
由于技术在不断发展，因此，对控制系统的要求也会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求设计者在选择PLC、确定输入/输出模块、分配I/O点数时，要留有适当的余量，以满足今后设备的发展和工艺的改进的需要。
根据对本课题的了解，本课题的I/O点数为18点输入、6点输出。考虑到要留有适量的余量以做备用，因此，一般可以按实际需要的10%～15%选择[3]。综合上述的几个选用原则，CPU224（14个输入/10个输出）加两个扩展模块和CPU226（24个输入/16个输出）都满足要求。但是考虑到若使用CPU224，输出模块中只用到一个输出点，造成不必要的浪费。在定义号分配时也必须根据模块上的点进行分配，比较麻烦。使用CPU226，输入输出点都满足要求而且还有一定的余量空间，分配定义号时也比较的方便。因此，我选择了 S7-200 CPU226 DC/DC/DC。它的I/O点数为24/16,可以满足需要。CPU226的主要技术参数如表3.1。
表3.1 CPU226主要技术参数
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CPU 226 技术数据 描述 物理特性 尺寸 (W X H X D) 重量 功耗 I/O特性 本机数字量输入 本机数字量输出 本机模拟量输入 本机模拟量输出 常规特性 定时器总数 1ms 10ms 100ms 计数器总数 时间中断 边沿中断 集成的通信功能 接口 输入电源 输入电压 输入电流 2个RS-485接口 256个 4个 16个 236个 24 输入 16 输出 无 无 第 7 页 共 29 页
CPU 226 DC/DC/DC 196 x 80 x 62 mm 550 g 11 W 256(由超级电容或电池备份) 2个1ms分辨率 4个上升沿和/或4个下降沿 20.4 至 28.8 VDC 150mA (仅CPU，24 VDC)/1050mA (最大负载，24 VDC) 3.2.3 PLC的输入输出端子分配
根据所选择的PLC型号，对本系统中PLC的输入输出端子进行分配，如表3.2所示：
表3.2 材料分拣装置PLC 输入/输出端子分配表
西门子PLC(I/O)
分拣系统接口(I/O) UCP(计数传感器) SN(下料传感器光电传感器) SA(电感传感器) SB(电容传感器) 备注 接旋转编码器 判断下料有无 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 淮阴工学院毕业设计说明书（论文）
输 入 部 分 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I1.6 I1.7 I2.0 I2.1 输 出 部 分 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 SC(颜色传感器) SD(备用传感器) SFW1(推气缸1动作限位) SEW2(推气缸2动作限位) SFW3(推气缸3动作限位) SFW4(推气缸4动作限位) SFW5(下料气缸动作限位) SBW1(推气缸1回位限位) SBW2(推气缸2回位限位) SBW3(推气缸3回位限位) SBW4(推气缸4回位限位) SBW5(下料气缸回位限位) SB1(启动) SB2(停止) M(输送带电机驱动器) YV1(推气缸1电磁阀) YV2(推气缸2电磁阀) YV3(推气缸3电磁阀) YV4(推气缸4电磁阀) YV5(下料气缸电磁阀) 第 8 页 共 29 页
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图3.2 PLC输入输出接线端子图
3.3 检测元件与执行装置的选择
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。 3.3.1 旋转编码器
旋转编码器是一种用来测量转速的装置，主要是用来实现调速的功能。它分为单路的输出和双路的输出两种。主要的技术参数有每转脉冲数和供电电压。其中单路输出输出的是一组脉冲，另一种是双路输出，它输出的是A/B相位差为90度的脉冲，这种输出方式不仅可以用来测量转速，还可判断旋转方向。因此我们这个系统可以选用E6A2CW5C 旋转编码器,具体的原理如图3-3所示。
[4]
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光电码盘
图3-3 旋转编码器原理示意图
工作原理：光学编码器的中心轴，有明暗交替刻线的环，通读光发射机和接收机，有A，B，C，D四相正弦波90度，如果在C，D信号被叠加在一个中，B两个阶段，将在信号增加了稳定作用；每转输出一个Z相脉冲代表零位参考位。我们可以通过A相在前还是B相在前判别编码器是在正转还是在反转。
信号输出：常见的输出信号为正弦波，方波，集电极开路和推拉式等多种形式。信号输出需要与信号接收设备接口相对应。
信号连接：编码器脉冲信号通常连接到计数器，PLC，计算机和模块PLC与计算机连接具有高速模块和低模块，分别，开关频率也高点和低点。如果单相连接，则是用于单向计数，单相测速。A B 两相连接，就可以同时实现正反向计数、判别方向和测速的功能。ABZ三相连接，增加了Z向是为了修正零参考位。这种编码器抗干扰能力好，因此可以传输较远距离。其中方波信号带有对称负信号的编码器，信号传输
[5]距离可达150,米，更远的可以达到300米。
3.3.2 电感传感器
电感式位置传感器，用来检测金属的物体。 主要结构：LC 高频振荡器和放大的处理电路。工作原理：金属物体在接近电磁场的振荡感应头时，会产生涡流。 这个涡流反作用于接近开关，从而使接近开关振荡的能力减减，内部电路的参数便会相应的发生变化。 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3-4，原理图如图3-5。
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图3-4 M18X1X40 DC二线常开式电感传感器接线图
图3-5 电感传感器工作原理图
电感传感器的介绍： 主要是由铁心和线圈组成。工作原理：将直线或角位移的大小变化转换为线圈的电感量，因此又被叫做电感式位移传感器[6]。传感器的线圈匝数和材料的导磁系数是恒定不变的，它的电感量的变化与位移输入量有关，位移输入量会引起线圈磁路几何尺寸的变化。当我们把线圈接入测量电路并通过激励电源的时候，就可以获得和位移输入量成正比的电压的输出或者电流的输出。
电感式传感器的特点是：①没有活动的触点、可靠度高、使用寿命长；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。
3.3.3 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。物体间的电容量和它自身的结构有关，通过改变自身的结构参数来改变物体间的电容量，从而对被测量的量进行检测，这就是电容式传感器的测量原理。利用电容式的这种测量原理，做出来的传感器就叫做电容传感器（capacitance transducer /sensor）。我们通过这个反应，就可以控制开关的接通和断开。在我们这个系统中，可以选用型号为E2KX8ME1的电容传感器，具体的原理图如下图所示。
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图3-6 电容传感器工作原理图
介绍了电容传感器：用于测量非电量电测的方法，我们必须首先了解被测非电量转换为电学量和输入。没有例外，和长度的直线位移，角位移，时间，距离，厚度，拉伸，压缩力学量，膨胀变形量是密切相关的；这些数量或数额的长度比的测量，以及关系的测量方法也很关闭。此外，在一定的条件下，力学量的变化相当缓慢，在一个很小的范围内变化。如果测量的要求，具有较高的分辨率和其他传感器的最小距离和位移是难以实现的高精度，在动态变压器广泛使用精密测量传感器的分辨率仅达到1到5米量级的差异；和一个电容测微仪，其分辨率为0.01 m，比前者提高了两个数量级，为100±5μm的最大范围，所以他在小位移精密测量的青睐。对于力学量的测量，尤其是对缓慢变化的量或微小量的测量，一般采用电容式传感器进行测量，主要是因为这种类型的传感器有以下的优点：
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,因为小的移动质量,固有频率高,高频率特性适用于动态测量,也可以是静态的测量；
④ 稳定性好,因为金属材料的电容板,板衬里之间为无机材料,如空气、玻璃、陶瓷、石英、等等,因此可以在高温、低温强磁场、强辐射工作很长一段时间,特别是在高温高压环境下检测的问题。
3.3.4 颜色传感器
[7]
颜色传感器主要是通过目标物体反射的颜色来检测，以便识别物体的颜色，在颜色传感器的选择上，我们需要它能识别出红绿蓝这三种颜色。在这里我们选择陶斯公司生产、TCS230颜色传感器。TCS230传感器引脚如图3-7所示
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图3-7 TCS230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传感器。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。
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。
S0和S1用于选择功率输出比例因子或关闭模式;S2、S3是用来选择滤波器的类型;OE频率输出使销,可以控制的输出状态,当有多个微处理器芯片引脚共享的输入密码时,也可以作为一个选择信号;是频率输出引线和接地的接地针芯片,VCC提供芯片的工作电压。表3.3为S0和S1和S2、S3可用的组合。
表3.3 TCS230光电二极管类型
S0 L L H H
S1 L H L H
输出频率定标 关断电源 20% 20% 100%
S2 L L H H
S3 L H L H
滤波器类型 红色 蓝色 无 绿色
3.3.5 光电传感器
光电传感器是一种将被测量的变化转换为光学量的变化。再通过光电元件把光学量的变化转换为电信号的装置。它一般由光源、光学通路、光电器件三部分组成。被测量作用于光源或光学通路。在金属缸小白炽灯作为光源。这些小但是今天强大的白炽光传感器的光电传感器的原型。系统选择FPG系列放大器内藏式光电传感器。原理如图3-8所示,负载可以连接到PLC。
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图3-8 FPG光电传感器原理图
光电传感器是一种感光光信号转换为电信号的装置。它可以被用来测量光强度变化，同时它也可以用来检测能转化为其他非电量的变化。光电检测方法具有精度高,反应快,非接触,可测量的参数。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,光电传感器已成为系列产品,品种和产量增加,用户可以选择多种规格的产品,根据需要在机械和电气控制、计算机、国防科技、和其他方面的应用是非常广泛的。 3.3.6 步进电机
步进电机作为执行机构用于驱动传动皮带输送材料,旋转编码器可以通过控制脉冲的数量和角位移量,从而达到定位的目的
[10]
[9]
。通过控制脉冲频率来控制物料分拣设
备的PLC的电机转速，以达到调速的目的。步进电机选用的型号为42BYGH101。
4.控制系统的软件设计
软件设计PLC控制系统的核心，该方案设计的主要任务是根据控制要求和流程，并设计绘制流程图地位的阶梯
[11]
。
4.1 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的内容和操作的顺序，可画出程序流程图，如图4-1所示。
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图4-1 控制系统流程图
该系统可以选择连续或单运行状态。如果它是在连续操作中，气缸4的动作之后，系统软件设计流程，然后转到程序的开始;如果它是一个单一的运行，关机操作后缸体4。如果需要，该系统可以被分类上的材料的分选，而统计的数目，这仅可在每个气缸的动作进行累积。高速计数器编程的应用，可以实现定位控制系统
[12]
。算匝步进
电机具有一个高速计数器的匝数，以确定的距离的传感器材料，以实现定位。定位时，电机停止，计数器清零，传感器开始对材料分拣过程的工作。气缸1至3行动后，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对象，电机重新运行，高速计数器也继续运行
[13]
。运行到下一个位置。如果材料的仅某些特征进行排序，例
如，排序的唯一的金属和非金属，只需将传感器或程序可以被修改。
4.2 控制系统程序设计
根据所绘制的流程图，在软件中编写梯形图的程序。程序清单见附录。
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此指令为高速脉冲输出指令，当使能端输入有效的时候，检测用程序设置的特殊功能寄存器位，激活由控制位定义得脉冲操作，从Q0.0或Q0.1输出高速脉冲
此指令为高速计数器定义指令，使能输入有效时，为指定的高速计数器分配一种工作模式。 高速计数是用来累计比PLC扫描频率更高的脉冲输入
此指令为高速计数器指令，使能输入有效时，根据高速计数器特殊存储器位的状态，并按照HDEF指令指定的模式，设置高速计数器并控制其工作。
下面对所编写梯形图作简要的介绍：
（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
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零，并调用子程序。
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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
（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。
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（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，当电机开始旋转时，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。
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（4）上面的是中断程序，当高速计数指令达到事先设置的数值的时候，这时物料移动到传感器所在的位置，M0.0得电，这时高速脉冲输出停止，步进电机也停止转动。由于汽缸动作需要1秒的时间，需要电机停转一秒后才继续运转。当物料被相应的传感器检测中后，相应的汽缸会将物料推到指定的料箱中。I1.3，I1.4，I1.5，I1.6，I1.7，这些是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，这些是汽缸的动作限位开关，初始状态为断开。汽缸动作时，回位限位开关断开，动作限位开关闭合。
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附 录
系统设计程序清单
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//I2.0启动，I2.1停止
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