基于PLC的自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

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1、摘 要分揀控制系統(tǒng)在社會(huì)各行各業(yè)如：物流配送中心、郵局、采礦、港口、碼頭、倉(cāng)庫(kù)等行業(yè)得到廣泛運(yùn)用，分揀系統(tǒng)能夠大大提高企事業(yè)單位該環(huán)節(jié)的生產(chǎn)效率。本文在對(duì)熟悉了自動(dòng)及分揀系統(tǒng)的原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)一定的分揀要求,對(duì)材料分揀進(jìn)行了以三菱PLC為控制核心，MCGS組態(tài)軟件為監(jiān)控軟件，設(shè)計(jì)出材料分揀控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。該材料分揀系統(tǒng)以PLC為主控制器,結(jié)合氣動(dòng)裝置、傳感器技術(shù)、組態(tài)監(jiān)控等技術(shù),可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制產(chǎn)品的自動(dòng)分揀。系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定、分揀精度高、易控制的特點(diǎn),對(duì)不同的分揀對(duì)象,稍加修改本系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)要求。對(duì)本系統(tǒng)完成其設(shè)計(jì)之后，進(jìn)行了整體調(diào)試。在硬件部分，調(diào)試其各部分安

2、裝的位置及角度，使其材料物塊的運(yùn)行與傳感器安裝的角度適合。將硬件各部分的動(dòng)作幅度進(jìn)行調(diào)試之后，進(jìn)行了軟硬件綜合調(diào)試，實(shí)現(xiàn)材料分揀系統(tǒng)中上料、傳送與分揀的全過程。關(guān)鍵詞： 材料分揀 傳感器 氣動(dòng)裝置 PLC MCGS組態(tài)軟件48徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于PLC的自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Abstract:Sorting control system in all sectors of society such as: logistics and distribution center, post office, mining, ports, terminals, warehouses and o

3、ther industries are widely used, we can see that the sorting system can greatly improve the level of production enterprises efficiency.Familiar with the goods in the automatic and sorting system principle foundation, according to certain request to sort the mitsubishi PLC as control core, Mcgs softw

4、are for monitoring software, the design gives material sorting control system. The transport of goods and materials sorting system mainly by PLC controller, combined with pneumatic device, the sensor technology, configuration and monitoring technology, on-site control product automatic sorting. Syst

5、em has a high degree of automation, stable operation and high precision, easy control sorting based on the features of different sorting object, slightly modifying the system can be realized requirements.After completed its design of the system, executing the overall commissioning. In hardware, test

6、ing the installation location and angle of the various parts to make it run the block material and the angle of the sensor suitable for installation. After the various parts of the hardware debug range of motion, integrating hardware and software debugging to achieve material sorting system, feeding

7、, delivery and sorting of the entire processKey words: Material sorting sensor Pneumatic device PLC Mcgs software.目 錄摘 要IAbstract:II1緒論11.1分揀系統(tǒng)基本介紹11.2分揀系統(tǒng)的意義31.3本文研究的主要內(nèi)容42分揀系統(tǒng)中硬件設(shè)計(jì)62.1PLC的選型62.1.1 PLC的分類62.1.2 PLC種類及型號(hào)選擇72.2傳感器的選擇72.2.1傳感器的簡(jiǎn)介72.2.2傳感器的選擇92.3驅(qū)動(dòng)部分的分析與選擇102.4執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇112.5硬件設(shè)計(jì)及實(shí)際模型的建立1

8、22.6其他元器件及其選擇132.7 I/O口的選擇及PLC接線153自動(dòng)分揀系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)183.1可編程控制器（PLC）簡(jiǎn)介183.2分揀系統(tǒng)的控制要求及其流程圖213.3軟件設(shè)計(jì)及編程233.4材料分揀系統(tǒng)的調(diào)試264監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)314.1組態(tài)控制技術(shù)314.2模型的建立324.3動(dòng)畫連接344.4數(shù)據(jù)報(bào)表輸出374.5 PLC與組態(tài)軟件之間的通信385結(jié)論與展望44致 謝46參考文獻(xiàn)451 緒論1.1 分揀系統(tǒng)基本介紹自動(dòng)分揀系統(tǒng)(Automatic sorting system)是先進(jìn)配送中心所必需的設(shè)施條件之一。它具有很高的分揀效率，通常每小時(shí)可分揀商品6000-12000箱，可

9、以說，自動(dòng)分揀機(jī)是提高物流配送效率的一項(xiàng)關(guān)健因素。它是二次大戰(zhàn)后在美國(guó)、日本的物流中心中廣泛采用的一種自動(dòng)分揀系統(tǒng)，該系統(tǒng)目前已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國(guó)家大中型物流中心不可缺少的一部分。自動(dòng)分揀機(jī)是自動(dòng)分揀系統(tǒng)的一個(gè)主要設(shè)備。它本身需要建設(shè)短則40-50米，長(zhǎng)則150-200米的機(jī)械傳輸線，還有配套的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通信系統(tǒng)等，這一系統(tǒng)不僅占地面積大（動(dòng)輒20000平方米以上），而且還要建3-4層樓高的立體倉(cāng)庫(kù)和各種自動(dòng)化的搬運(yùn)設(shè)施（如叉車）與之相匹配，這項(xiàng)巨額的先期投入通常需要花10-20年才能收回。該系統(tǒng)的作業(yè)過程可以簡(jiǎn)單描述如下：物流中心每天接收成百上千家供應(yīng)商或貨主通過各種運(yùn)輸工具

10、送來的成千上萬種商品，在最短的時(shí)間內(nèi)將這些商品卸下并按商品品種、貨主、儲(chǔ)位或發(fā)送地點(diǎn)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的分類，將這些商品運(yùn)送到指定地點(diǎn)（如指定的貨架、加工區(qū)域、出貨站臺(tái)等），同時(shí)，當(dāng)供應(yīng)商或貨主通知物流中心按配送指示發(fā)貨時(shí)，自動(dòng)分揀系統(tǒng)在最短的時(shí)間內(nèi)從龐大的高層貨存架存儲(chǔ)系統(tǒng)中準(zhǔn)確找到要出庫(kù)的商品所在位置，并按所需數(shù)量出庫(kù)，將從不同儲(chǔ)位上取出的不同數(shù)量的商品按配送地點(diǎn)的不同運(yùn)送到不同的理貨區(qū)域或配送站臺(tái)集中，以便裝車配送。 自動(dòng)分揀系統(tǒng)一般由控制裝置、分類裝置、輸送裝置及分揀道口組成。 控制裝置的作用是識(shí)別、接收和處理分揀信號(hào)，根據(jù)分揀信號(hào)的要求指示分類裝置、按商品品種、按商品送達(dá)地點(diǎn)或按貨主的類別

11、對(duì)商品進(jìn)行自動(dòng)分類。這些分揀需求可以通過不同方式，如可通過條形碼掃描、色碼掃描、鍵盤輸入、重量檢測(cè)、語(yǔ)音識(shí)別、高度檢測(cè)及形狀識(shí)別等方式，輸入到分揀控制系統(tǒng)中去根據(jù)對(duì)這些分揀信號(hào)判斷，來決定某一種商品該進(jìn)入哪一個(gè)分揀道口。分類裝置的作用是根據(jù)控制裝置發(fā)出的分揀指示，當(dāng)具有相同分揀信號(hào)的商品經(jīng)過該裝置時(shí)，該裝置動(dòng)作，使改變?cè)谳斔脱b置上的運(yùn)行方向進(jìn)入其它輸送機(jī)或進(jìn)入分揀道口。分類裝置的種類很多，一般有推出式、浮出式、傾斜式和分支式幾種，不同的裝置對(duì)分揀貨物的包裝材料、包裝重量、包裝物底面的平滑程度等有不完全相同的要求。 輸送裝置的主要組成部分是傳送帶或輸送機(jī)，其主要作用是使待分揀商品貫通過控制裝置、

12、分類裝置，并輸送裝置的兩側(cè)，一般要連接若干分揀道口，使分好類的商品滑下主輸送機(jī)（或主傳送帶）以便進(jìn)行后續(xù)作業(yè)。 分揀道口是已分揀商品脫離主輸送機(jī)（或主傳送帶）進(jìn)入集貨區(qū)域的通道，一般由鋼帶、皮帶、滾筒等組成滑道，使商品從主輸送裝置滑向集貨站臺(tái)，在那里由工作人員將該道口的所有商品集中后或是入庫(kù)儲(chǔ)存，或是組配裝車并進(jìn)行配送作業(yè)。 以上四部分裝置通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)在一起，配合人工控制及相應(yīng)的人工處理環(huán)節(jié)構(gòu)成一個(gè)完整的自動(dòng)分揀系統(tǒng)。1.2 分揀系統(tǒng)的意義二次大戰(zhàn)以后，自動(dòng)分揀系統(tǒng)逐漸開始在西方發(fā)達(dá)國(guó)家投入使用，成為發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)和物流中心，配送中心或流通中心所必需的設(shè)施條件之一。（1）能連續(xù)、大批量地分

13、揀貨物 由于采用大生產(chǎn)中使用的流水線自動(dòng)作業(yè)方式，自動(dòng)分揀系統(tǒng)不受氣候、時(shí)間、人的體力等的限制，可以連續(xù)運(yùn)行，同時(shí)由于自動(dòng)分揀系統(tǒng)單位時(shí)間分揀件數(shù)多，它可以連續(xù)運(yùn)行100個(gè)小時(shí)以上，每小時(shí)可分揀7000件包裝商品，如用人工分揀則每小時(shí)只能分揀150件左右，同時(shí)分揀人員也不能在這種勞動(dòng)強(qiáng)度下連續(xù)工作8小時(shí)。 （2） 分揀誤差率極低 自動(dòng)分揀系統(tǒng)的分揀誤差率大小主要取決于所輸入分揀信息的準(zhǔn)確性大小，這又取決于分揀信息的輸入機(jī)制，如果采用人工鍵盤或語(yǔ)音識(shí)別方式輸入，則誤差率在3%以上，如采用條形碼掃描輸入，除非條形碼的印刷本身有差錯(cuò)，否則不會(huì)出錯(cuò)。因此，目前自動(dòng)分揀系統(tǒng)主要采用條形碼技術(shù)來識(shí)別貨物。

14、 （3）分揀作業(yè)基本實(shí)無人化 國(guó)外建立自動(dòng)分揀系統(tǒng)的目的之一就是為了減少人員的使用，減輕工員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高人員的使用效率，因此自動(dòng)分揀系統(tǒng)能最大限度地減少人員的使用，基本做到無人化。分揀作業(yè)本身并不需要使用人員，人員的使用僅局限于送貨車輛抵達(dá)自動(dòng)分揀線的進(jìn)貨端時(shí)，由人工接貨，由人工控制分揀系統(tǒng)的運(yùn)行，分揀線末端由人工將分揀出來的貨物進(jìn)行集載、裝車，自動(dòng)分揀系統(tǒng)的經(jīng)營(yíng)、管理與維護(hù)。 如美國(guó)一公司配送中心面積為10萬平方米左右，每天可分揀近40萬件商品，僅使用400名左右員工，自動(dòng)分揀線做到了無人化作業(yè)。 對(duì)于分揀系統(tǒng)的應(yīng)用前景，主要著眼于分揀系統(tǒng)的可靠性，優(yōu)越性，應(yīng)用領(lǐng)域的適用性以及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)

15、效益、成本等方而來考慮。但因分揀系統(tǒng)其要求使用者必須具備一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，因此，在發(fā)達(dá)國(guó)家，物流中心、配送中心或流通中心不用自動(dòng)分揀系統(tǒng)的情況也很普遍。對(duì)于自動(dòng)分揀系統(tǒng)因其自身存在的一些問題，在一定程度上限制了其應(yīng)用的領(lǐng)域及其范圍。在引進(jìn)和建設(shè)自動(dòng)分揀系統(tǒng)時(shí)一定要考慮以下條件：自動(dòng)分揀系統(tǒng)的一次性投資巨大，其本身需要建設(shè)短則4050米，長(zhǎng)則150200米的機(jī)械傳輸線，還有配套的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通信系統(tǒng)等，這一系統(tǒng)不僅占地面積大，動(dòng)輒2萬平方米以上，而且一般自動(dòng)分揀系統(tǒng)都建在自動(dòng)主體倉(cāng)庫(kù)中，這樣就要建34層樓高的立體倉(cāng)庫(kù)，庫(kù)內(nèi)需要配備各種自動(dòng)化的搬運(yùn)設(shè)施，這絲毫不亞于建立一個(gè)現(xiàn)

16、代化工廠所需要的硬件投資。這種巨額的先期投入要花1020年才能收回，如果沒有可靠的貨源作保證，則有可能系統(tǒng)大都由大型生產(chǎn)企業(yè)或大型專業(yè)物流公司投資，小企業(yè)無力進(jìn)行此項(xiàng)投資。 它對(duì)商品外包裝要求也很高，自動(dòng)分揀機(jī)只適于分揀底部平坦且具有剛性的包裝規(guī)則的商品。袋裝商品、包裝底部柔軟且凹凸不平、包裝容易變形、易破損、超長(zhǎng)、超薄、超重、超高、不能傾覆的商品不能使用普通的自動(dòng)分揀機(jī)進(jìn)行分揀，因此為了使大部分商品都能用機(jī)械進(jìn)行自動(dòng)分揀，可以采取二條措施：一是推行標(biāo)準(zhǔn)化包裝，使大部分商品的包裝符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；二是根據(jù)所分揀的大部分商品的統(tǒng)一的包裝特性定制特定的分揀機(jī)。但要讓所有商品的供應(yīng)商都執(zhí)行國(guó)家的包裝標(biāo)準(zhǔn)

17、是很困難的，定制特寫的分揀機(jī)又會(huì)使硬件成本上升，并且越是特別的其通用性就越差。因此公司要根據(jù)經(jīng)營(yíng)商品的包裝情況來確定是否建或建什么樣的自動(dòng)分揀系統(tǒng)6 。 1.3 本文研究的主要內(nèi)容在本文中，以貨物材料的分揀系統(tǒng)為例，詳細(xì)的分析了在基于PLC控制的自動(dòng)分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，文中介紹了分揀系統(tǒng)中信號(hào)的采集分析中傳感器的一些基本知識(shí)，并通過要求與比較，確定了硬件系統(tǒng)中的一些元器件的選擇與確定了PLC的選型。在介紹了一些PLC與組態(tài)軟件的基本知識(shí)后，對(duì)本課題進(jìn)行硬件與軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出主電路與控制回路，并建立了實(shí)際的模型，在軟件設(shè)計(jì)中，確定了I/O分配，并按照控制要求設(shè)計(jì)出了PLC梯形圖。在實(shí)際工作過程中，需

18、要對(duì)整個(gè)控制過程進(jìn)行監(jiān)控，運(yùn)用組態(tài)軟件(MCGS)建立其實(shí)際的模型，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)畫面的設(shè)定與數(shù)據(jù)報(bào)表的輸出，完成一個(gè)較完整的監(jiān)控界面。在本系統(tǒng)完成其設(shè)計(jì)之后，對(duì)其進(jìn)行整體調(diào)試。在硬件部分，調(diào)試其各部分安裝的位置及角度，使其材料物塊的運(yùn)行與傳感器安裝的角度適合。將硬件各部分的動(dòng)作幅度進(jìn)行調(diào)試之后，進(jìn)行了軟硬件綜合調(diào)試，實(shí)現(xiàn)材料分揀系統(tǒng)中上料、傳送與分揀的全過程。2 分揀系統(tǒng)中硬件設(shè)計(jì)2.1 PLC的選型2.1.1 PLC的分類目前，在我國(guó)PLC的分類還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)性能和應(yīng)用范圍可將其進(jìn)行如下分類。1、按性能分類根據(jù)PLC的I/O點(diǎn)數(shù)、用戶程序存儲(chǔ)器容量和控制功能的不同，可將其分為小型、

19、中型和大型二類。小型PLC又稱低檔PLC，它的I/O點(diǎn)數(shù)小于128點(diǎn)，用戶程序存儲(chǔ)器容量小于4K字，功能簡(jiǎn)單，以開關(guān)量控制為主，可實(shí)現(xiàn)條件控制、順序控制、定時(shí)記數(shù)控制。適用于單機(jī)或小規(guī)模生產(chǎn)過程。中型PLC又稱中檔PLC，它的I/O點(diǎn)數(shù)在128512點(diǎn)之間，用戶程序存儲(chǔ)器容量為4K8K字，功能比較豐富、兼有開關(guān)量和模擬量的控制能力，具有浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、數(shù)制轉(zhuǎn)換、中斷控制、通信聯(lián)網(wǎng)和PID調(diào)節(jié)等功能。適用于小型連續(xù)生產(chǎn)過程的復(fù)雜邏輯控制和閉環(huán)過程控制。大型PLC又稱高檔PLC，它的I/O點(diǎn)數(shù)在512點(diǎn)以上，用戶程序存儲(chǔ)器容量達(dá)到8K字以上，控制功能完善，在中檔機(jī)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大和增加了函數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)庫(kù)

20、、監(jiān)視、記錄、打印及中斷控制、智能控制、遠(yuǎn)程控制的功能。適用于大規(guī)模的過程控制、集散式控制系統(tǒng)和工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。2、按結(jié)構(gòu)分類根據(jù)PLC的構(gòu)成形式，可將PLC分為整體式和機(jī)架式 (模塊式)兩大類。整體式PLC是將CPU、存儲(chǔ)單元、輸入輸出模塊和電源部件集中配置在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)。這種PLC輸入輸出點(diǎn)數(shù)少、體積小，價(jià)格低，便于裝入設(shè)備內(nèi)部。小型PLC通常采用這種結(jié)構(gòu)。機(jī)架式PLC將各單元做成獨(dú)立的模塊，使用時(shí)將這些模塊分別插入機(jī)架底板的插座上。可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際的控制要求建立模塊，構(gòu)成不同的控制系統(tǒng)。這種PLC輸入輸出點(diǎn)數(shù)多，配置靈活方便，易于擴(kuò)展。大中型PLC通常采用這種結(jié)構(gòu)。3、按應(yīng)用范圍分類根據(jù)應(yīng)用

21、范圍的不同，可將PLC分為通用型和專用型兩類。通用型PLC作為標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制裝置可在各個(gè)領(lǐng)域使用，而專用型PLC是為了某類控制要求專門設(shè)計(jì)的PLC，如數(shù)控機(jī)床專用型、鍋爐設(shè)備專用型、報(bào)警監(jiān)視專用型等。由于應(yīng)用的專一性，使其控制質(zhì)量大大提高9 。2.1.2 PLC種類及型號(hào)選擇PLC種類較多，主要有西門子、三菱、OMRON、FANAC、東芝等，但能配套生產(chǎn)，大、中、小、微型均有配套且目前用得最廣泛的的主要是西門子、三菱、OMRON的PLC。根據(jù)系統(tǒng)中的控制要求PLC點(diǎn)數(shù)：實(shí)際輸入點(diǎn)15點(diǎn)，實(shí)際輸出點(diǎn)8點(diǎn)，綜合對(duì)比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西門子系列、O

22、MRON系列中I/O點(diǎn)數(shù)為32點(diǎn)各型號(hào)的PLC的價(jià)格、性能、實(shí)用場(chǎng)合等各方面，本系統(tǒng)可選擇PLC型號(hào)為：FX2N32MR，合計(jì)總數(shù)32點(diǎn)16點(diǎn)輸入，DC24V，16點(diǎn)繼電器輸出；尺寸（mm）：2208790，其性能、價(jià)格都優(yōu)于其他PLC。FX2N系列是FX系列PLC家族中最先進(jìn)的系列，它能最大范圍地包容了標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)，程式執(zhí)行更快，全面補(bǔ)充通訊功能，適合世界各國(guó)不同的電源以及滿足單個(gè)需要的大量特殊功能模塊，它可以為工廠自動(dòng)化控制應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。FX2N系列是FX系列PLC家族中最先進(jìn)的系列。由于FX2N系列具備如下特點(diǎn)：最大范圍的包容了標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)、程式執(zhí)行更快、全面補(bǔ)充了通信功能、適

23、合世界各國(guó)不同的電源以及滿足單個(gè)需要的大量特殊功能模塊，它可以為工廠自動(dòng)化應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。該型號(hào)PLC有16個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)，16個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)要求并留有一定的余量。2.2 傳感器的選擇2.2.1 傳感器的簡(jiǎn)介國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器是一個(gè)完整的

24、測(cè)量裝置（或系統(tǒng)），能把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的有用電量輸出，以滿足信息的傳輸處理、記錄、顯示和控制等要求。3傳感器一般由敏感元件、變換元件和其他輔助元件組成。但是隨著傳感器集成技術(shù)的發(fā)展，傳感器的信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路也會(huì)安裝在傳感器的殼體內(nèi)或者與敏感元件集成在同一芯片之上。因此，信號(hào)調(diào)理電路以及所需輔助電源都應(yīng)作為傳感器組成的一部分，如圖2-1所示。圖2-1 傳感器的組成示意圖敏感元件感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的其他量的元件，如膜片和波紋管，可以把被測(cè)壓力變成位移量。若敏感元件能直接輸出電量（如熱電偶），就兼為傳感元件了。還有一些新型傳感器，如壓阻式和諧振式壓力傳感器、差動(dòng)變

25、壓器式位移傳感器等，其敏感元件和傳感器就完全是融為一體的。變換元件又稱傳感元件，是傳感器的重要組成元件。它可以直接感受被測(cè)量（一般為非電量）且輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的電量，如熱電偶和熱敏電阻。傳感元件也可以不直接感受被測(cè)量，而只感受與被測(cè)量成確定關(guān)系的其他非電量。例如，差動(dòng)變壓器式壓力傳感器，并不直接感受壓力，而只是感受與被測(cè)壓力成確定關(guān)系的銜鐵位移量，然后輸出電量。一般情況下使用的都是這種傳感元件。信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路能把傳感元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄和控制的有用信號(hào)的電路。信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路根據(jù)傳感元件類型的不同有很多種類，常用的電路有電橋、放大器、振動(dòng)器和阻抗變換器等。傳感器根據(jù)

26、使用要求的不同，可以做的很簡(jiǎn)單，也可以做的很復(fù)雜；可以使帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，也可以是不帶反饋的開環(huán)系統(tǒng)。因此，傳感器的組成將依不同的情況而有所差異2 。2.2.2 傳感器的選擇傳感器是將被檢測(cè)對(duì)象的各種物理變化量變?yōu)殡娦盘?hào)的一種變換器。它主要被用于檢測(cè)系統(tǒng)本身與作業(yè)對(duì)象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制系統(tǒng)的動(dòng)作提供信息。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求需要對(duì)位置檢測(cè)裝置、視覺傳感器進(jìn)行選用。位置檢測(cè)裝置檢測(cè)氣缸動(dòng)作是否到位，視覺傳感器是為了完成對(duì)物料的識(shí)別。 （1）位置檢測(cè)裝置在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)氣缸執(zhí)行動(dòng)作時(shí)，應(yīng)有相應(yīng)的位置檢測(cè)裝置檢測(cè)動(dòng)作是否到位，常用的位置檢測(cè)裝置是行程開關(guān)。行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，是一種根據(jù)運(yùn)動(dòng)部

27、件的行程位置而切換電路的電器，用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，將行程開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時(shí)，行程開關(guān)的觸點(diǎn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。行程開關(guān)的品種規(guī)格很多，按其操作結(jié)構(gòu)可分為直動(dòng)、滾輪直動(dòng)、杠桿單、雙輪等。選用行程開關(guān)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同使用場(chǎng)合，滿足各方面的要求來進(jìn)行選擇。本設(shè)計(jì)中采用直線接觸式磁感應(yīng)開關(guān)檢測(cè)氣缸回位動(dòng)作是否到位，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)，碰到行程開關(guān)，終結(jié)上一個(gè)動(dòng)作，準(zhǔn)備執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作。（2）視覺傳感器系統(tǒng)視覺的作用就是最大程度模仿人的眼睛，能夠?qū)Σ煌奈矬w進(jìn)行識(shí)別，本系統(tǒng)采用材質(zhì)傳感器和顏色傳感器，對(duì)物料進(jìn)行分揀。電感式接近

28、開關(guān)屬于有開關(guān)量輸出的位置傳感器，用來檢測(cè)金屬物體。它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個(gè)能產(chǎn)生電磁場(chǎng)的振蕩感應(yīng)頭時(shí)，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化。由此，可識(shí)別出有無金屬物體接近，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。本系統(tǒng)用該器件來檢測(cè)鐵質(zhì)材料。電容傳感器也屬于具有開關(guān)量輸出的位置傳感器，是一種接近式開關(guān)。它的測(cè)量頭通常是構(gòu)成電容器的一個(gè)極板,而另一個(gè)極板是待測(cè)物體的本身。當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化。由此，便可控制開關(guān)的接通和關(guān)斷。本裝置中電容傳感器是用

29、于檢測(cè)鋁質(zhì)材料1 。根據(jù)不同物料有不同的顏色，可以針對(duì)一種顏色的物料進(jìn)行揀出。顏色傳感器同樣也屬于具有開關(guān)量輸出的位置傳感器。它是在Si等多數(shù)光電二極管之前，分別放置R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)）三種顏色的彩色濾光器，以便處理各自的輸出信號(hào)并識(shí)別彩色的方法。材料分揀系統(tǒng)采用它主要是用來識(shí)別紅色與綠色的材料。目前，用于顏色識(shí)別的傳感器有兩種基本類型：色標(biāo)傳感器，它使用一個(gè)白熾燈光源或單色LED光源；RGB（紅綠藍(lán)）顏色傳感器，它檢測(cè)物體的對(duì)三基色的反射比率，從而鑒別物體顏色。這類裝置許多是溫反射型、光束型、光纖型的，封裝在各種金屬和聚碳酸脂外殼中。典型的輸出有：NPN和PNP、繼電器和模擬輸出。為

30、了便于PCL控制程序的編寫，利于公司企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，綜合其各種情況，在本設(shè)計(jì)，選擇RGB顏色傳感器著為識(shí)別物料顏色的裝置，繼電器輸出方式，便于PLC控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單化，控制系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)45 。2.3 驅(qū)動(dòng)部分的分析與選擇系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)力源的不同，分為液壓、氣壓、電氣、機(jī)械、氣液聯(lián)合和電液聯(lián)合等多種方式。目前采用的主要有液壓、氣壓、電氣這三種驅(qū)動(dòng)方式。液壓驅(qū)動(dòng)，功率重量比大，可實(shí)現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向，容易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，可自行潤(rùn)滑，使用壽命長(zhǎng)。但也存在其油液容易泄露污染環(huán)境，需要配備油源，成本較高，工作噪聲較大。電氣驅(qū)動(dòng)，控制精度高，驅(qū)動(dòng)力較大，響應(yīng)

31、快，信號(hào)檢測(cè)、傳遞、處理方便。但是由于這種驅(qū)動(dòng)方式價(jià)格昂貴，限制了在一些場(chǎng)合的應(yīng)用。因此，人們尋求其他一些經(jīng)濟(jì)適用的驅(qū)動(dòng)方式。氣壓驅(qū)動(dòng)具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強(qiáng)、在工業(yè)機(jī)械手中應(yīng)用較多。另一方面，氣動(dòng)技術(shù)作為“廉價(jià)的自動(dòng)化技術(shù)”，由于其元器件性能的不斷提高，生產(chǎn)成本的不斷降低，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。在現(xiàn)代化的成套設(shè)備與自動(dòng)化生產(chǎn)線上，幾乎都配有氣動(dòng)系統(tǒng)。氣動(dòng)機(jī)械手技術(shù)已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐要求的一種重要使用工具。表2-1給出了各種控制方式的比較：表2-1 各種控制方式的比較項(xiàng)目氣壓傳動(dòng)液壓傳動(dòng)電氣傳動(dòng)機(jī)械傳送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單復(fù)雜復(fù)雜較復(fù)雜安裝自由度

32、大大中小輸出力稍大大小不太大定位精度一般一般很高高動(dòng)作速度大稍大大小響應(yīng)速度慢快快中清潔度清潔可能有污染清潔較清潔維護(hù)簡(jiǎn)單比氣動(dòng)復(fù)雜需要專門技術(shù)簡(jiǎn)單價(jià)格一般稍高高一般技術(shù)要求較低較高最高較低控制自由度大大中小危險(xiǎn)性幾乎無問題注意著火一般無問題無特殊問題通過以上三種驅(qū)動(dòng)方式的比較選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式，不僅能夠滿足了本設(shè)計(jì)的要求，而且節(jié)約了成本1618 。2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇在氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，組成氣動(dòng)回路是為了驅(qū)動(dòng)用于各種不同目的機(jī)械裝置，其最重要的三個(gè)控制內(nèi)容是：力的大小、運(yùn)動(dòng)的方向和運(yùn)動(dòng)的速度。與生產(chǎn)裝置相連接的各種類型的氣缸，靠壓力控制閥、方向控制閥和流量控制閥分別實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)內(nèi)容的控制，正是

33、利用它們組成了各種氣動(dòng)控制回路?，F(xiàn)今各控制系統(tǒng)中用于分揀物料的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有以下幾種：（1）機(jī)械手夾持式夾持式手部的結(jié)構(gòu)與人手類似，是工業(yè)機(jī)械廣泛應(yīng)用的一種手部形式。它主要由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。其又可分為內(nèi)撐式、外夾式和內(nèi)外夾持式，區(qū)別在于夾持工件的部位不同，手爪動(dòng)作方向相反。夾持式手部設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：手指應(yīng)有一定的開閉范圍；手指應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力；要保證工件在手指內(nèi)的定位精度；結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高；通用性和可換性。19（2）氣吸式氣吸式手部又稱為真空吸盤式手部，它是通過吸盤內(nèi)產(chǎn)生真空或負(fù)壓，利用壓差而將工件吸附，是工業(yè)機(jī)械手常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤、吸盤架及進(jìn)排

34、氣系統(tǒng)組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、不易損傷工件、使用方便可靠等優(yōu)點(diǎn)；但要求工件上與吸盤接觸的部位光滑平整、清潔、被吸附工件材質(zhì)致密，沒有透氣空隙。主要適應(yīng)于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、紙張及塑料等表面光滑工件的抓取。氣吸式又可分為：負(fù)壓吸盤：真空式、噴氣式、自擠式空氣吸盤；磁力吸盤：永磁吸盤、電磁吸盤。真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附頭的空氣而形成真空，故稱真空式。噴氣式吸附的工作原理是當(dāng)壓縮空氣高速進(jìn)入噴嘴時(shí)，由于管路的開始段截面積是逐漸收縮的，所以氣流速度逐漸增大，在吸氣口處形成負(fù)壓。吸附頭與吸氣口連同，故形成真空，以吸住工件。自擠式空氣吸盤是將軟質(zhì)吸盤按壓在工件的表面，擠出

35、吸盤內(nèi)的空氣、從而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的導(dǎo)磁性，利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁力來吸附材料工件。（3）氣缸式氣缸輸出直線往復(fù)式氣缸是氣動(dòng)執(zhí)行元件之一。目前最常選用的是標(biāo)準(zhǔn)氣缸，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)都已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。水平伸縮氣缸選用單活塞桿雙作用氣缸。單活塞桿雙作用氣缸一般由缸筒、前后缸蓋、活塞、活塞桿、密封件和緊固件等組成。其工作原理：對(duì)于前伸/回縮氣缸，當(dāng)左側(cè)無桿腔進(jìn)氣，右側(cè)有桿腔排氣時(shí)活塞桿前伸，反之，活塞桿回縮；對(duì)于上升/下降氣缸，當(dāng)上側(cè)無桿腔進(jìn)氣，下側(cè)有桿腔排氣時(shí)，活塞桿下降，反之活塞桿上升。當(dāng)氣缸動(dòng)作時(shí)動(dòng)作限位開關(guān)斷開，氣缸快速?gòu)棾?，此時(shí)先導(dǎo)式電磁閥復(fù)位，當(dāng)氣

36、壓太大時(shí)而氣缸沒有復(fù)位時(shí)氣缸復(fù)位限位開關(guān)感應(yīng)動(dòng)作從而關(guān)閉先導(dǎo)式電磁閥從而起到保護(hù)氣缸的作用。氣缸式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作比較穩(wěn)定，易于維修，控制過程簡(jiǎn)單，所以該材料分揀系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇氣缸推動(dòng)式15 。2.5 硬件設(shè)計(jì)及實(shí)際模型的建立材料分揀機(jī)的PLC控制用于對(duì)相關(guān)材料的自動(dòng)化分揀，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示。圖2-2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)材料分揀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，可得出其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-3所示。按下啟動(dòng)按鈕后，電動(dòng)機(jī)M運(yùn)行，綠燈L2亮，傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)，表示可以進(jìn)物料。材料經(jīng)傳感器對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，檢測(cè)其分別為鐵質(zhì)、鋁質(zhì)、紅色，其相對(duì)應(yīng)的氣缸進(jìn)行動(dòng)作，將材料推入滑槽內(nèi)，若不是上述的幾種材料，則最后剩余的氣

37、缸動(dòng)作，將其推入滑槽內(nèi)，以完成對(duì)其的分揀。圖2-3 材料分揀系統(tǒng)的示意圖2.6 其他元器件及其選擇料槽是一個(gè)材料手動(dòng)入庫(kù)而自動(dòng)出庫(kù)的裝置，底部有一個(gè)光電傳感器。使用時(shí)可先人為地將材料放入料槽中，此時(shí)光電傳感器檢測(cè)到料塊時(shí)系統(tǒng)開始運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)傳送帶并由出料氣缸將料庫(kù)內(nèi)底層材料推入傳送帶。傳送帶是由單向感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的皮帶式輸送裝置。調(diào)壓閥、空氣濾器與氣壓指示儀表集中于一個(gè)模塊上，它們接收來自氣源的氣壓并傳送到下面的5個(gè)氣閥中。調(diào)節(jié)調(diào)壓閥降壓，使其輸出壓力與每臺(tái)氣動(dòng)設(shè)備和裝置所需要的壓力一致，并保持該壓力的穩(wěn)定。空氣過濾器作用是濾除壓縮空氣中的水分、油滴以及雜質(zhì)微粒等危害，以達(dá)到系統(tǒng)要求

38、的凈化程度。油霧器是一種特殊的注油裝置，它以壓縮空氣為動(dòng)力，將潤(rùn)滑油噴成霧狀并混合于壓縮空氣中，并隨空氣進(jìn)入需要潤(rùn)滑的部件，達(dá)到潤(rùn)滑的目的，使壓縮空氣具有潤(rùn)滑氣動(dòng)元件的能力。自動(dòng)分選部分由傳感器、先導(dǎo)式電磁換向閥、氣缸及導(dǎo)料軌道組成。當(dāng)傳感器檢測(cè)到相應(yīng)料塊時(shí)，對(duì)應(yīng)的先導(dǎo)式電磁換向閥動(dòng)作驅(qū)動(dòng)氣缸動(dòng)作將其推人應(yīng)去的滑道。例如：當(dāng)電感傳感器感應(yīng)到鐵塊時(shí)，對(duì)應(yīng)的氣缸動(dòng)作，將鐵塊推入對(duì)應(yīng)的導(dǎo)料軌道。導(dǎo)料軌道主要作用是當(dāng)氣缸推出材料時(shí)導(dǎo)出材料。單向感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于帶動(dòng)傳輸帶輸送物料前行。內(nèi)置電源可以將220交流電轉(zhuǎn)換成24伏的直流電供給各個(gè)傳感器與氣閥以及轉(zhuǎn)接板上的各個(gè)指示燈，同時(shí)也為單向感應(yīng)電

39、動(dòng)機(jī)提供穩(wěn)定的220伏電壓。控制器采用三菱FX2N-32MR型PLC。它接受料槽光電傳感器、各材料傳感器、先導(dǎo)式電磁換向閥、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、氣缸位置傳感器的信號(hào)，根據(jù)要求分別控制輸送帶電機(jī)和各電磁閥動(dòng)作。本系統(tǒng)共設(shè)置了三個(gè)檢測(cè)材料的傳感器，同時(shí)預(yù)留了一個(gè)空余的氣閥與氣缸用來添加其它的傳感器。用戶可以根據(jù)自己的需求選擇相應(yīng)的傳感器安裝即可。如表2-2給出系統(tǒng)中主要的元器件清單：表2-2 主要元器件清單序號(hào)名稱型號(hào)數(shù)量備注品牌或公司1PLCFX2N-32MR116輸入，16輸出，繼電器輸出形式三菱2靜音空氣壓縮機(jī)FB-0.048/71噪音低、性能穩(wěn)定、工作安全可靠,功率0.55KW韓國(guó)SANWO3氣閥

40、SVK01205先導(dǎo)式電磁換向閥, 交流：110v,220v（50hz） 直流：24V韓國(guó)SANWO4氣缸SCDJB10-45S5產(chǎn)品與氣閥的型號(hào)相配套，推動(dòng)物料進(jìn)行分揀韓國(guó)SANWO5磁感應(yīng)開關(guān)D-C735額定電壓：DC24V AC110V額定電流：DC：540mA AC: 520mA氣缸回位限位開關(guān)易電國(guó)際集團(tuán)6接近開關(guān)CAT2-12GM5靜電容量式接近開關(guān)判斷物料是否到位易電國(guó)際集團(tuán)7光電開關(guān)E3R-5DE41判斷有無物料歐姆龍7電感式接傳感器BLJ18A4-8-Z/B1Z1額定電壓：DC：636V額定電流：300mA百斯特8電容式傳感器E2K-X81ME11靜電容量型近接開關(guān)額定電壓：

41、DC1224V(DC1030V)歐姆龍9顏色傳感器E3S-VS1E41額定電壓：DC：1224V額定電流：400mA歐姆龍10電動(dòng)機(jī)YN60-61感應(yīng)電動(dòng)機(jī)減速電機(jī)性能參數(shù) 功率：6W 電壓：110V 頻率：50HZ 電流：0.20A 額定轉(zhuǎn)速：1440r/min LINIX溫嶺市永久電子器械廠11內(nèi)置電源MD35-341輸入電壓：AC220伏 15%輸出電壓：DC24伏DADONG11滑槽4鋁合金青島銳誠(chéng)德倉(cāng)儲(chǔ)物流設(shè)備有限公司12傳送帶12.7 I/O口的選擇及PLC接線根據(jù)材料分揀系統(tǒng)的工作過程由可知，系統(tǒng)的控制有輸入信號(hào)15個(gè)，均為開關(guān)量。輸出信號(hào)有8個(gè)，其中一個(gè)控制電動(dòng)機(jī)，兩個(gè)控制指示

42、燈，剩下的控制氣閥，也都是開關(guān)量。根據(jù)分揀系統(tǒng)的需要配置出I/O對(duì)應(yīng)功能，列表如表2-3所示： 表2-3 分揀系統(tǒng)I/O口配置三菱PLC(I/O)分揀系統(tǒng)接口(I/O)備注輸入部分X00SB1啟動(dòng)按鈕X01SQ1上料物料接近開關(guān)X02SQ2鐵質(zhì)物料接近開關(guān)X03SQ3鋁質(zhì)物料接近開關(guān)X04SQ4綠色物料接近開關(guān)X05SA電感傳感器X06SB電容傳感器X07SC顏色傳感器X10SN判斷下料有無（光電傳感器）X11SW1上料氣缸回位限位開關(guān)X12SW2鐵質(zhì)物料氣缸回位限位開關(guān)X13SW3鋁質(zhì)物料氣缸回位限位開關(guān)X14SW4紅色物料氣缸回位限位開關(guān)X15SW5其他物料氣缸回位限位開關(guān)X17SB2停止

43、按鈕輸出部分Y00YV1上料先導(dǎo)式電磁換向閥Y01YV2鐵質(zhì)物料先導(dǎo)式電磁換向閥Y02YV3鋁質(zhì)物料先導(dǎo)式電磁換向閥Y03YV4紅色物料先導(dǎo)式電磁換向閥Y04YV5其他物料先導(dǎo)式電磁換向閥Y05M傳送帶Y06LD1紅色指示燈Y07LD2綠色指示燈根據(jù)控制要求可得PLC系統(tǒng)的接線圖如圖2-4所示圖2-4 PLC系統(tǒng)外部接線圖3 自動(dòng)分揀系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3.1 可編程控制器（PLC）簡(jiǎn)介在可編程序控制器問世之前，繼電器接觸器控制在工業(yè)控制領(lǐng)域中占有主導(dǎo)地位。但隨著工業(yè)的發(fā)展，繼電器接觸器控制已不能滿足人們的要求。為了解決這一問題，早在1968年，美國(guó)最大的汽車制造商通用汽車公司(GM公司)，為了適應(yīng)

44、汽車型號(hào)不斷翻新，以求在激烈競(jìng)爭(zhēng)的汽車工業(yè)中占有優(yōu)勢(shì)，就提出要用一種新型的控制裝置取代繼電器接觸器控制裝置，并且對(duì)未來的新型控制裝置做出了具體設(shè)想。要把計(jì)算機(jī)的完備功能以及靈活性、通用性好等優(yōu)點(diǎn)和繼電器接觸器控制的簡(jiǎn)單易懂、操作方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)溶入于新的控制裝置中，且要求新的控制裝置編程簡(jiǎn)單，使得不熟悉計(jì)算機(jī)的人員也能很快掌握它的使用技術(shù)。 美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司(DEC)根據(jù)GM公司招標(biāo)的技術(shù)要求，于1969年研制出世界上第一臺(tái)可編程序控制器，并在GM公司汽車自動(dòng)裝配線上試用，獲得成功。其后，日本、德國(guó)等相繼引入這項(xiàng)新技術(shù)，可編程序控制器由此而迅速發(fā)展起來。 在20世紀(jì)70年代初期、中期，可編

45、程序控制器雖然引入了計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際上只稱為PLC(Programmable Logical Controller)。隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)70年代末至80年代初，可編程序控制器的處理速度大大提高，增加了許多特殊功能，使得可編程序控制器不僅可以進(jìn)行邏輯控制，而且可以對(duì)模擬量進(jìn)行控制。因此，美國(guó)電器制造協(xié)會(huì)(NEMA)將可編程序控制器命名為PC(Programmable Controller)，但人們習(xí)慣上將之仍稱為PLC，以便與個(gè)人計(jì)算機(jī)PC(Personal Computer)相區(qū)別。80年代以來，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)韻迅猛發(fā)展，以16位和32位微處理器為核心的可編

46、程序控制器得到迅速發(fā)展。這時(shí)的PLC具有了高速計(jì)數(shù)、中斷技術(shù)、PID調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信等功能，從而使PLC的應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。目前，PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)。 PLC的發(fā)展初期，不同的開發(fā)制造商對(duì)PLC有不同的定義。為使這一新型的工業(yè)控制裝置的生產(chǎn)和發(fā)展規(guī)范化，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)于1985年1月制定了PLC的標(biāo)準(zhǔn)，并給它作了如下定義：可編程序控制器是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作

47、命令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)的外部設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則而設(shè)計(jì)78 。PLC硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框如圖3-1所示：圖3-1 PLC結(jié)構(gòu)框圖（1）中央處理單元（CPU）中央處理器是可編程控制器的核心，它在系統(tǒng)程序的控制下，完成邏輯運(yùn)算、數(shù)學(xué)運(yùn)算、協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作任務(wù)等。（2）存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是可編程控制器存放系統(tǒng)程序、用戶程序以及運(yùn)算數(shù)據(jù)的單元?？删幊绦蚩刂破髋溆袃煞N存儲(chǔ)器，即系統(tǒng)存儲(chǔ)器(EPROM)和用戶存儲(chǔ)器(RAM)。（3）輸入/輸出（I/O）電路輸入輸出電路是可編程控制器和工業(yè)控制

48、現(xiàn)場(chǎng)各類信號(hào)連接的部分。 輸入口用來接收生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，輸出口用來送出可編程控制器的運(yùn)算后得出的控制信息，并通過機(jī)外的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各類控制。按照信號(hào)的種類歸類有直流信號(hào)輸入、輸出，交流信號(hào)的輸入、輸出；按照信號(hào)的輸人、輸出形式分有數(shù)字量輸入、輸出，開關(guān)量輸入、輸出，模擬量輸入、輸出。（4）電源可編程控制器的電源包括可編程控制器各工作單元供電的開關(guān)電源以及為掉電保護(hù)電路供電的后備電源，后者一般為電池。（5）編程器編程器是PLC的重要外部設(shè)備，利用編程器可將用戶程序送入PLC的用戶程序存儲(chǔ)器，調(diào)試程序、監(jiān)控程序的執(zhí)行過程。編程器從結(jié)構(gòu)上可分為三種類型，簡(jiǎn)易編程器、圖形編程器和通用計(jì)算

49、機(jī)編程?；竟ぷ髟恚何覀円呀?jīng)知道PLC是一種存儲(chǔ)程序的控制器。用戶根據(jù)某一對(duì)象的具體控制要求，編制好控制程序后，用編程器將程序鍵人到PLC的用戶程序存儲(chǔ)器中寄存。PLC的控制功能就是通過運(yùn)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)的。 PLC運(yùn)行程序的方式與微型計(jì)算機(jī)相比有較大的不同，微型計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序時(shí)，一旦執(zhí)行到END指令，程序運(yùn)行結(jié)束。而PLC從0000號(hào)存儲(chǔ)地址所存放的第一條用戶程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)的情況下，按存儲(chǔ)地址號(hào)遞增的方向順序逐條執(zhí)行用戶程序，直到END指令結(jié)束。然后再?gòu)念^開始執(zhí)行，并周而復(fù)始地重復(fù)，直到停機(jī)或從運(yùn)行(RUN)切換到停止(STOP)狀態(tài)。我們把PLC這種執(zhí)行程序的方式稱為掃描工作方

50、式。每掃描完一次程序就構(gòu)成一個(gè)掃描周期。另外，PLC對(duì)輸入、輸出信號(hào)的處理與微型計(jì)算機(jī)不同。微型計(jì)算機(jī)對(duì)輸入、輸出信號(hào)實(shí)時(shí)處理，而PLC對(duì)輸入、輸出信號(hào)是集中批處理。下面我們具體介紹PLC的掃描工作過程。 PLC掃描工作方式主要分三個(gè)階段：輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新。1)輸入采樣 PLC在開始執(zhí)行程序之前，首先掃描輸入端子，按順序?qū)⑺休斎胄盘?hào)，讀人到寄存輸入狀態(tài)的輸入映像寄存器中，這個(gè)過程稱為輸入采樣。PLC在運(yùn)行程序時(shí)，所需的輸入信號(hào)不是現(xiàn)時(shí)取輸人端子上的信息，而是取輸入映像寄存器中的信息。在本工作周期內(nèi)這個(gè)采樣結(jié)果的內(nèi)容不會(huì)改變，只有到下一個(gè)掃描周期輸入采樣階段才被刷新。2)程序執(zhí)行P

51、LC完成了輸入采樣工作后，按順序從0000號(hào)地址開始的程序進(jìn)行逐條掃描執(zhí)行，并分別從輸入映像寄存器、輸出映像寄存器以及輔助繼電器中獲得所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。再將程序執(zhí)行的結(jié)果寫入寄存執(zhí)行結(jié)果的輸出映像寄存器中保存。但這個(gè)結(jié)果在全部程序未被執(zhí)行完畢之前不會(huì)送到輸出端子上。3)輸出刷新 在執(zhí)行到END指令，即執(zhí)行完了用戶的所有程序后，PLC將輸出映像寄存器中的內(nèi)容送到輸出鎖存器中進(jìn)行輸出，驅(qū)動(dòng)用戶設(shè)備。PLC工作過程除了包括上述三個(gè)主要階段外，還要完成內(nèi)部處理、通信處理等工作，在內(nèi)部處理階段，PLC檢查CPU模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。在通信服務(wù)階段，PL

52、C與其他的帶微處理器的智能裝置實(shí)現(xiàn)通信1114 。3.2 分揀系統(tǒng)的控制要求及其流程圖本課題是基于區(qū)分材料材質(zhì)的不同而設(shè)計(jì)的材料分揀系統(tǒng)，主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵質(zhì)、鋁質(zhì)和不同顏色的材料的自動(dòng)分揀，具體控制過程為：（1）接通電源，按下啟動(dòng)開關(guān)，系統(tǒng)進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)，指示燈綠燈亮。（2）系統(tǒng)啟動(dòng)后，下料傳感器(光電傳感裝置)檢測(cè)到料槽無材料或各氣缸未復(fù)位時(shí)，傳送帶須繼續(xù)運(yùn)行一個(gè)行程10S后自動(dòng)停機(jī),指示燈紅燈亮。（3）系統(tǒng)啟動(dòng)后，下料傳感器(光電傳感裝置)檢測(cè)到料槽有材料，每隔2S出料氣缸動(dòng)作一次，動(dòng)作時(shí)間維持為1S，將待測(cè)材料推到傳送帶上，待測(cè)物體開始在傳送帶上運(yùn)行，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)。（4）當(dāng)電感傳感器檢測(cè)到

53、鐵質(zhì)材料時(shí)，且其對(duì)應(yīng)的接近開關(guān)感應(yīng)到材料接近，鐵出料氣缸將待測(cè)物體推下，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)。（5）當(dāng)電容檢測(cè)傳感器檢測(cè)到材料為鋁質(zhì)時(shí)，且其對(duì)應(yīng)的接近開關(guān)感應(yīng)到材料接近，鋁出料氣缸動(dòng)作將被檢測(cè)到的材料推下，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)。（6）當(dāng)顏色檢測(cè)傳感器檢測(cè)到材料為紅色時(shí)，且其對(duì)應(yīng)的接近開關(guān)感應(yīng)到材料接近，紅色出料氣缸動(dòng)作將待測(cè)物體推下，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)。（7）剩余材料在傳送帶上繼續(xù)傳送，當(dāng)最后滑槽對(duì)應(yīng)的接近開關(guān)感應(yīng)到材料接近，其出料氣缸動(dòng)作將被檢測(cè)到的材料推下，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)。由分揀控制系統(tǒng)的分揀要求畫出控制系統(tǒng)的程序流程圖，圖3-2所示。圖3-2 材料分揀系統(tǒng)的程序流程圖3.3 軟件設(shè)計(jì)及編程三菱電機(jī)公司提

54、供專用的編程軟件。早期是MEDOC，目前是GPPW編程軟件和SWOPC-FXGP/WIN-C編程軟件包。GX編程軟件（GX開發(fā)器）可以用于生成涵蓋所有三菱電機(jī)公司PLC設(shè)備的軟件包，使用該軟件可以為FX/A/QnA/Q系列PLC生成程序。GX使用Windows操作平臺(tái)，用梯形圖、指令表或者SFC進(jìn)行編程，程序可以與原先包括基于DOS操作系統(tǒng)的程序在內(nèi)的編程軟件相兼容。三菱SWOPC-FXGP/WIN-C編程軟件如圖3-3是應(yīng)用于FX系列PLC的中文編程軟件，可在Windows 9x或Windows 3.1及以上操作系統(tǒng)運(yùn)行。材料分揀系統(tǒng)采用該軟件作為編程軟件10 。圖3-3 SWOPC-FXG

55、P/WIN-C 窗口根據(jù)分揀系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)出梯形圖，梯形圖的程序如下：圖3-4 分揀系統(tǒng)的梯形圖的程序當(dāng)程序設(shè)計(jì)好之后必須下載到PLC中才可以運(yùn)行系統(tǒng)，下載時(shí)使用的是三菱PLC專用的編程電纜SC09。這根電纜的一端是接電腦的RS232串口，一端接在PLC的RS422通訊串口上。當(dāng)電纜接好之后，打開軟件，進(jìn)入要下載的文件。先轉(zhuǎn)換文件，然后選擇菜單欄里的“PLC”選擇“傳送”-“寫入”，便可以下載程序到PLC中。傳送程序時(shí)，應(yīng)注意以下問題：1） 計(jì)算機(jī)的RS-232端口及PLC之間必須用指定的纜線及轉(zhuǎn)換器連接；2） 執(zhí)行完“讀入”后，計(jì)算機(jī)中的程序?qū)⒈粊G失，原有的程序?qū)⒈蛔x入的程序所替代，PLC模

56、式改變成被設(shè)定的模式；3） 在“寫出”時(shí)，PLC應(yīng)停止運(yùn)行，程序必須在RAM或EE-PROM內(nèi)存保護(hù)關(guān)斷的情況下寫出，然后進(jìn)行校驗(yàn)11 。PLC程序的傳送如圖3-5所示：圖3-5 PLC程序的傳送3.4 材料分揀系統(tǒng)的調(diào)試在軟件與硬件都已經(jīng)準(zhǔn)備好之后，開始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。這個(gè)過程便于我們發(fā)現(xiàn)問題與不足。通上電源，觀察指示燈，一切正常之后開始加材料。通過運(yùn)行，在材料加入料槽后發(fā)現(xiàn)材料容易被氣缸打飛。從兩個(gè)方面解決這個(gè)問題，首先調(diào)低氣缸的氣壓，但氣壓波動(dòng)較大，仍然無法解決問題；從另一個(gè)方面入手在出槽口的一端加上擋板，通過試驗(yàn)，大部分材料可以正常步入傳送帶。此問題順利得到解決。將氣源送上。調(diào)節(jié)氣動(dòng)閥

57、氣源管上的螺栓即可調(diào)節(jié)氣動(dòng)閥的動(dòng)作力度，直至氣動(dòng)閥的動(dòng)作力度合適為止。材料隨傳輸帶傳送到傳感器時(shí)，傳感器并不能感應(yīng)到材料，說明傳感器與物體的距離不適合。通過多次調(diào)試找到了適合的位置，即傳感器的底部與傳送帶的距離。傳感器通過在通電狀態(tài)下，將待分揀的物料塊放置在傳送帶上，通過不停調(diào)節(jié)電位器，觀察監(jiān)控畫面的對(duì)應(yīng)開關(guān)的通斷，并通過調(diào)節(jié)角度等將傳感器調(diào)節(jié)至最佳狀態(tài)。電感傳感器與傳送帶最合適距離為28CM，電容傳感器與傳送帶最佳距離為25CM。顏色傳感器最合適距離為30CM， 傳感器對(duì)應(yīng)的各個(gè)氣缸在感應(yīng)到材料后便開始動(dòng)作，但由于氣壓的原因，材料不是被打飛，就是根本沒有觸到材料。首先將總氣源的氣壓穩(wěn)定在2.

58、5Mp, 然后逐個(gè)調(diào)試氣閥的進(jìn)氣開關(guān)，使氣缸的氣量保留在合適適中的位置。在軟件與硬件都已經(jīng)準(zhǔn)備好之后，開始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。將硬件各部分的動(dòng)作幅度進(jìn)行調(diào)試之后，運(yùn)行PLC程序，進(jìn)行軟硬件的結(jié)合，觀察材料分揀系統(tǒng)中上料、傳送與分揀的過程，完成系統(tǒng)的調(diào)試。4 監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)4.1 組態(tài)控制技術(shù)工控組態(tài)軟件能夠很好地解決傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的種種問題，使用戶能根據(jù)自己的控制對(duì)象和控制目的任意組態(tài)，完成最終的自動(dòng)化控制工程。 本系統(tǒng)采用MCGS作為上位機(jī)的監(jiān)控軟件。材料分揀MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)是對(duì)分揀系統(tǒng)的實(shí)時(shí)采集以及監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)操作者可以遠(yuǎn)離操作現(xiàn)場(chǎng)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線的控制。組建工程的總體規(guī)劃是先建立

59、一個(gè)用戶窗口，其次是編輯畫面和定義數(shù)據(jù)對(duì)象，再次是動(dòng)畫連接和編寫控制流程，最后是設(shè)備的連接和調(diào)試。MCGS組態(tài)軟件是由北京昆侖自動(dòng)化有限公司研制開發(fā)的，其英文全稱為Monitor and Control Generated System，即“監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)”。MCGS系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩部分。用戶的所有組態(tài)配置過程都在組態(tài)環(huán)境中運(yùn)行，組態(tài)環(huán)境相當(dāng)于一套完整的工具軟件，它幫助用戶設(shè)計(jì)和構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)。用戶組態(tài)生成的結(jié)果是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件，稱為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)。運(yùn)行環(huán)境是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)，按照組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)中用戶指定的方式進(jìn)行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能。運(yùn)行環(huán)境本身沒有任

60、何意義，必須與組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)一起作為一個(gè)整體，才能構(gòu)成用戶應(yīng)用系統(tǒng)。一旦組態(tài)工作完成，運(yùn)行環(huán)境和組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)就可以離開組態(tài)環(huán)境而獨(dú)立運(yùn)行在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上。組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)完成了MCGS系統(tǒng)從組態(tài)環(huán)境向運(yùn)行環(huán)境的過渡，它們之間的關(guān)系如圖4-1所示。圖4-1 組態(tài)環(huán)境向運(yùn)行環(huán)境的過渡由MCGS生成的用戶應(yīng)用系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和運(yùn)行策略五部分組成，如圖4-2所示。其中，運(yùn)行時(shí)只有用戶窗口是可見的，常被稱為“前臺(tái)”，其余部分被稱為“后臺(tái)”29 。圖4-2 MCGS組態(tài)環(huán)境的結(jié)構(gòu) MCGS的主要特點(diǎn)和基本功能如下：（1）簡(jiǎn)單靈活的可視化操作界面。MCGS采用全中文、可視

61、化、面向窗口的開發(fā)界面，符合中國(guó)人的使用習(xí)慣和要求，以窗口為單位，構(gòu)造用戶運(yùn)行系統(tǒng)的圖形界面，使得MCGS的組態(tài)工作既簡(jiǎn)單直觀，又靈活多變。 （2）豐富、生動(dòng)的多媒體畫面。MCGS以圖像、圖符、報(bào)表、曲線等多種形式，為操作員及時(shí)提供系統(tǒng)運(yùn)行中的狀態(tài)、品質(zhì)及異常報(bào)警等有關(guān)信息;通過對(duì)圖形大小的變化、顏色的改變、明暗的閃爍、圖形的移動(dòng)翻轉(zhuǎn)等多種乎段，增強(qiáng)畫面的動(dòng)態(tài)顯示效果。（3）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為用戶分步組態(tài)提供極大方便。MCGS構(gòu)成的五個(gè)部分中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心，是系統(tǒng)各個(gè)部分及其各種功能性構(gòu)件的公用數(shù)據(jù)區(qū)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。 總之，MCGS組態(tài)軟件功能強(qiáng)大，界面友好。同時(shí)使用MCGS組態(tài)軟

62、件能夠避開復(fù)雜的計(jì)算機(jī)軟、硬件問題，集中精力去解決工程問題本身，組態(tài)配制出高性能、高可靠性和高度專業(yè)化的工業(yè)控制監(jiān)控系統(tǒng)27 。4.2 模型的建立打開MCGS組態(tài)環(huán)境這個(gè)軟件，進(jìn)入它的主界面。設(shè)計(jì)出監(jiān)控的畫面如下：圖4-3 監(jiān)控的主控畫面在上圖中，材料分揀系統(tǒng)的各部分的結(jié)構(gòu)如下：1、轉(zhuǎn)接面板2、單向感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 3、三菱PLC4、調(diào)壓閥、空氣濾器、油霧器與氣壓指示表5、內(nèi)置電源6、傳送帶7、擋板8、料槽9、先導(dǎo)式電磁換向閥10、氣缸回位限位開關(guān)（磁感應(yīng)開關(guān)）11、氣缸112、判斷材質(zhì)傳感器 13、下料傳感器14、導(dǎo)料軌道4.3 動(dòng)畫連接所謂動(dòng)畫連接，實(shí)際上是將用戶窗口內(nèi)創(chuàng)建的圖形對(duì)象與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中定義的數(shù)據(jù)對(duì)象，建立起對(duì)應(yīng)的關(guān)系，在不同的數(shù)值區(qū)間內(nèi)設(shè)置不同的圖形狀態(tài)屬性（如顏色、大小、位置移動(dòng)、可見度、閃爍效果等），將物理對(duì)象的特征參數(shù)以動(dòng)畫圖形方式來進(jìn)行描述。MCGS實(shí)現(xiàn)圖形動(dòng)