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1、河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文）河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 Henan Polytechnic Institute 毕业设计（论文）自动生产线分拣站控制系统设计班 级机电1003班姓 名杨金光指导教师朱文琦 自动生产线分拣站（PLC+直流伺服电机+气动元件）控制系统设计摘 要面对激烈的市场竞争，一个企业的生产效率是其能否生存和发展的决定性因素。要想提高生产效率就必须提高各个环节的效率，产品自动化控制系统的使用是现在工业生产经常使用的控制系统之一。比如工件分拣这个环节，有没有自动分拣系统就成为判断条件之一，也是必须的条件。本文在纵观了近年来自动化发展状况的基础上，结合自
2、动化方面的设计，对自动化技术进行了系统的分析，提出了用气动驱动和PLC控制的设计方案。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对物料分拣的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用气动驱动，采用气压驱动系统，具有动作迅速、准确、结构简单、安装方便、可靠等一系列优点。最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。通过以上部分的工作，得出了经济型、实用型、高可靠型物料分拣系统的设计方案，对其他经济型PLC控制系统的设计也有一定的借鉴价值。关键词: 物料分拣，气动驱动，可编程控制器（PLC），自动化控制 ABSTRACTPLC con
3、trol is the most commonly used industrial automation control method, because of its convenient control to withstand an adverse environment, it is better than MCU control in the industrial. PLC traditional relay control technology, computer and communication technologies are integrated specifically f
4、or industrial control and design, have strong function, common flexible, high reliability and environmental adaptability, and programming simple, easy to use and small size, light weight, a series of low-power advantages in industrial applications become more extensive. This paper focuses on the PLC
5、 in the canned beverage production, The design of an automatic sorting device with low cost and high efficiency is presented in the paper, which regards programmable logic controller ( PLC) as the master controller and combines pneumatic device, sensing technology, position control and other technol
6、ogy to implement automatic selecting of the products live. The device is characteristic of high automation, steady running, high precision and easy control, which can fulfill the requirement according to different situations with little modifications.Key words： programmable logic controller，sorting
7、device，control system，sensors 目 录摘 要I目 录II第一章绪 论11.1课题研究的背景11.2课题研究的目的和意义1第二章 自动化分拣系统的构成与工作原理22.1自动化生产线的核心技术22.2自动化分拣单元工作过程22.3分拣单元的结构组成32.3.1传送和分拣机构32.3.2驱动模块42.3.3电磁阀组52.4分拣中的传感器62.4.1光纤传感器62.4.2光电传感器72.4.3磁感应接近式传感器72.4.4 金属传感器8第三章 执行系统的分析与设计93.1气动技术在气动装置中的设计93.1.1 气泵的认识与选择93.1.2空气压缩机93.1.3储气罐103.
8、1.4气动控制元件的认识113.2 分拣站的执行元件143.2.1 气动执行元件143.3传动机构163.3.1直流伺服电机的认识与选择163.4伺服控制器的认识183.5旋转编码器概述18第四章 控制系统的分析与设计204.1分拣单元的 PLC控制系统设计的基本原则204.1.1分拣站的工作原理204.1.2 PLC机型的选择204.1.3确定PLC的容量224.1.4 确定PLC的IO模块234.1.5 PLC种类及型号的确定244.2 PLC的I/O 接线及气路图244.3分拣单元的编程要点274.3.1 高速计数器的编程274.3.2程序结构304.4 编写和调试PLC控制程序324.
9、4.1 编写程序的思路324.4.2 功能测试程序的结构334.4.3调试与运行33总 结34参考文献35致 谢36 附 录3746第一章绪 论1.1课题研究的背景在时代的前进过程中自动化科学技术已对整个科学技术的理论和实践做了重要贡献，并为人类社会带来了巨大利益。，近年来，自动控制的另一个发展方向智能控制取得了较大进展，智能控制理论不同于经典控制理论和现代控制理论的处理方法，控制器不再是单一的数学解析模型，而是数学解析模型与知识系统相结合的广义模型。它以控制理论、计算机科学、人工智能、运筹学等学科为基础，将传统控制理论和人工智能相结合，模仿人的智能来研究解决复杂控制问题。因此，智能控制技术特
10、别是神经网络技术和模糊控制技术可以弥补常规方法的局限性，使得不确定性和未知非线性系统的自适应控制成为可能。目前，将智能控制技术应用于非线性系统的自适应控制已成为非线性控制理论中的一个重要方面。1.2课题研究的目的和意义本课题的目的是研究以PLC为核心，为产品分拣自动生产线设计一个电气控制系统。该控制系统应能使产品分拣自动生产线具有全线全自动分拣功能，并能完成对混杂在一起的三种不同产品的分拣的控制要求；应具有启动、预停、和计数功能；具有短路保护、过载保护、欠压保护功能。具有提高工效、促进生产自动化，提高生产效率和减轻劳动力作用，为前沿的产品应自动化设备更新时的需要提供必备条件，可以广泛应用于机械
11、制造、电子、轻工业和物流等部门。第二章 自动化分拣系统的构成与工作原理2.1自动化生产线的核心技术PLC就像人的大脑；光电传感器就像人的眼睛；电机与皮带输送带就像人的腿电磁阀组就像人的肌肉；人机界面就像人的嘴巴；软件就像人的大脑的中枢神经。磁性开关就像人的触觉；直线气缸就像人的手和胳膊；通信总线就像人的神经系统，而分拣站中同样具有这些技术，下面就让我们进行研究吧。2.2自动化分拣单元工作过程分拣单元是自动化生产线中的最末单元，完成对上一单元送来的已加工、装配的工件进行分拣，使不同颜色的工件从不同的料槽分流的功能。当输送站送来工件放到传送带上并被入料口的光电传感器检测到时，电机启动，工件开始送入
12、分拣区进行分拣。如图2-1所示图2-1分拣单元实物2.3分拣单元的结构组成图2-2分拣单元实物的全貌分拣单元的结构组成如图2-2所示。其主要结构组成为：传送和分拣机构，传动机构，控制模块，电磁阀组，接线端口，PLC模块，底板等。2.3.1传送和分拣机构传送和分拣机构中将传送已经加工、装配好的工件，在光纤传感器检测到并进行分拣。它主要由传送带、料抖、物料槽、推料（分拣）气缸、光电传感器、光纤传感器、磁感应接近式传感器、金属传感器组成。传送带是把机械手输送过来加工好的工件进行传输，输送至分拣区。料抖是用纠偏机械手输送过来的工件。三条物料槽分别用于存放加工好的金属工件、黑色工件和白色工件。传送和分拣
13、的工作原理：本站的功能是完成从装配站送来的装配好的工件进行分拣。当输送站送来工件放到传送带上并为入料口的漫射式光电传感器检测到时，将信号传输给PLC，通过PLC的程序使启动变频器，电机运转驱动传送带工作，把工件带进分拣区，如果进入分拣区的为金属块，则被磁感应接近开关动作，1号气缸动作，金属块被推入1号槽；如果进入分拣区工件为白色，则检测白色物料的光纤传感器动作，作为2号槽推料气缸启动信号，将白色料推到2号槽里，如果进入分拣区工件为黑色，检测黑色的光纤传感器作为3号槽推料气缸启动信号，将黑色料推到3号槽里。自动生产线的加工结束。在每个料槽的对面都装有推料（分拣）气缸，把分拣出的工件推到对号的料槽
14、中。在三个推料（分拣）气缸的前极限位置分别装有磁感应接近开关，在PLC的自动控制可根据该信号来判别分拣气缸当前所处位置。当推料（分拣）气缸将物料推出时磁感应接近开关动作输出信号为“1”，反之，输出信号为“0”。为了准确且平稳地把工件从滑槽中间推出，需要仔细地调整三个分拣气缸的位置和气缸活塞杆的伸出速度。在传送带入料口位置装有光电式传感器，用以检测是否有工件输送过来进行分拣。有工件时，光电式传感器将信号传输给PLC，用户PLC程序输出启动控制器信号，从而驱动直流伺服电动机启动，将工件输送至分拣区。2.3.2驱动模块驱动控制输出正旋波的驱动电源是以恒电压频率比（U/f）保持磁不变为基础的（SPWM
15、）驱动主电路，以产生脉冲直流电压以驱动直流电动机转动。2.3.3电磁阀组分拣单元的电磁阀组（如图2-3所示）只使用了三个由三位五通的带手控开关的单电控电磁阀，它们安装在汇流板上。这三个阀分别对金属气缸、白料推动气和黑料推动气缸的气路进行控制，以改变各自的动作状态。图2-3电磁阀组所采用的电磁阀所带手控开关有锁定（LOCK）和开启（PUSH）2种位置。在进行设备调试时，使手控开关处于开启位置，可以使用手控开关对电磁阀组进行控制，从而实现对相应气路的控制，以改变推料缸等执行机构的控制，达到调试的目的。分拣单元的两个电磁阀安装时需注意，一是安装位置，应使得工件从滑槽中间推出，二是要安装水平，或稍微略
16、向下，否则推出时导致工件翻转。所采用的电磁阀所带手控开关有锁定（LOCK）和开启（PUSH）2种位置。在进行设备调试时，使手控开关处于开启位置，可以使用手控开关对电磁阀进行控制，从而实现对相应气路的控制，以改变推料缸等执行机构的控制，达到调试的目的。2.4分拣中的传感器2.4.1光纤传感器在传送带上方分别装有两个光纤传感器如图2-4所示，光纤传感器由光纤检图2-4光纤传感器测头、光纤放大器两部分组成，放大器和光纤检测头是分离的两个部分，光纤检测头的尾端部分分成两条光纤，使用时分别插入放大器的两个光纤孔。图2-4 光纤传感器光纤式光电接近开关的放大器的灵敏度调节范围较大。当光纤传感器灵敏度调得较
17、小时，反射性较差的黑色物体，光电探测器无法接收到反射信号；而反射性较好的白色物体，光电探测器就可以接收到反射信号。反之，若调高光纤传感器灵敏度，则即使对反射性较差的黑色物体，光电探测器也可以接收到反射信号。从而可以通过调节灵敏度判别黑白两种颜色物体，将两种物料区分开，从而完成自动分拣工序。2.4.2光电传感器光电式传感器是用光电转换器件作敏感元件、将光信号转换为电信号的装置。光电式传感器的种类很多，按照其输出信号的形式，可以分为模拟式、数字式、开关量输出式。（如图2-5所示） 以开关量形式输出的光电传感器，即为光电式接近开关。图2-5光电传感器光电式接近开关,利用光电效应制成的传感器称为光电式
18、传感器。光电式传感器的种类很多，其中输出形式为开关量的传感器为光电式接近开关。 自动化生产分拣中当工件进入的输送带上时，分拣站上的光电开关发射出的光线被自身的光敏元件接受，光电开关输出信号是传送带运转。用在环境比较好、无灰尘、无粉尘污染的场合，为非接触式测量，对被测物体无任何影响，在工业中得到广泛应用。 其原理是利用光敏三极管、光敏二极管射回的光的强弱或有无光线、光敏电阻或光敏电池检测反从而检测是否存在物体。2.4.3磁感应接近式传感器自动化中所使用的气缸都是带磁性开关的气缸。这些气缸的缸筒采用导磁性弱、隔磁性强的材料，如硬铝、不锈钢等。在非磁性体的活塞上安装一个永久磁（2-6所示）定工件是否
19、被推出或气缸是否返回。图2-6磁感应式接近开关在磁性开关上设置的LED显示用于显示其信号状态，供调试时使用。磁性开关动作时，输出信号“1”，LED亮；磁性开关没有动作时，输出信号“0”，LED不亮。磁性开关的安装位置可以调整，调整方法是松开它的紧定螺栓，让磁性开关顺着气缸滑动，到达指定位置后，再旋紧紧定螺栓。2.4.4 金属传感器金属传感器又叫电感式接近开关。为了检测物料是否为金属，在分拣工件导向件右侧装有一个电感传感器（2-7所示） 图2-7金属传感器实物图其原理是利用电涡流原理制成的，利用电涡流效应制成的具有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个
20、能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生电涡流，这个涡流反过来作用于接近开关使接近开关振荡能力减弱，导致内部参数发生变化，由此来识别是否是金属物料，进而控制开关的开与断。第三章 执行系统的分析与设计3.1气动技术在气动装置中的设计3.1.1 气泵的认识与选择气泵包括：空气压缩机安全保护器、储气罐、主管道过滤器、压力开关、过载压力表、气源开关（如图3-1所示）。图3-1气泵及其周围元件气源处理组件是气动控制系统中的基本组成器件，它的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水，调节并保持恒定的工作压力。在使用时，应注意经常检查过滤器中凝结水的水位，在超过最高标线以前，必须排放，以免被重新吸入。气源处
21、理组件的气路入口处安装一个快速气路开关，用于启/闭气源，当把气路开关向左拔出时，气路接通气源，反之把气路开关向右推入时气路关闭。3.1.2空气压缩机 空气压缩机是产生压缩空气的气压发生装置，是气源主要的设备（如图3-2所示）。按结构和工作原理可分为速度型和容积型两大类。容积型压缩机是利用特殊形状的转子或活塞压缩吸入封闭容积室空气的体积来增加空气的压力。容积型结构简单、使用方便。本设计选用容积型压缩机。.空压机供气量的大小应包括：目前气动系统中各设备所需的耗气量、考虑未来扩充设备所需耗气量及修正系数（如避免空压机在全负荷下不停地运转、气动元件和管接头的漏损及各种气动设备是否同时连续使用等）。其公
22、式为Qc=kQ Q为气动系统的最大耗气量（m3Min），K为修正系数。一般可取=1.31.5。 有了供气压力与供气量，按空压机的特性要求，选择空压机的类型和型号。图3-2 压缩机及储气罐3.1.3储气罐储气罐可以调节气流，减少输出气流的脉动，使输出气流连续和气压稳定，也可以作为应急气源使用，还可以进一步分离油水杂质（如图3-2所示）。储气罐上装有安全阀，使其极限压力比正常工作压力高10%，并装有指示罐内压力的压力表和排污阀等。罐的型式可分为立式和卧式两种。本设计选用立式储气罐，因为它的进气口在下，出气口在上，以利用进一步分离空气中的油、水。3.1.4气动控制元件的认识自动化中使用的气动控制元件
23、按其作用和功能有压力控制阀、方向控制阀、和流量控制阀。一、 压力控制阀调节和控制压力大小的气动元件称为压力控制阀。它包括调压阀、溢流阀、顺序阀及多功能组合阀。1、 调压阀是出口侧压力可调，并能保持出口侧压力稳定的压力控制阀。（如图3-3）图3-3压力调节阀及过滤干燥系统2、 减压阀 减压阀的作用是降低由空气压缩机来的压力，以适于每台气动设备的需要部分压力保持稳定。3、 溢流阀 溢流阀的作用是当系统压力超过调定值时，便自动排气，使系统的压力下降，以保证系统安全，故也称其为安全阀。4、 调速阀是根据“流量负反馈”原理设计而成的单路流量阀。调速阀一般用于执行元件负载变化大而运动速度要求稳定的系统中。
24、调速阀根据“串联减压式”和“并联溢流式”，又分为调速阀和溢流节流阀两种主要类型。本设计选用串联减压式调速阀。二、 方向控制阀方向控制阀是改变压缩空气流动方向和气流通断状态，使气动执行元件的动作或状态发生变换的控制阀，其通常可分为单向型控制阀和换向型控制阀两类。1. 单向型控制阀单向阀是指气流只能向一个方向流动而不能反向流动通过的阀，是最简单的单向型方向阀。在气动系统中，单向阀除单独使用之外，经常与流量阀、换向阀和压力阀组合成只能单向控制的阀。单向调速阀就是单向阀与节流阀并联而成。单向调速阀是把节流阀芯分成了上阀芯和下阀芯两部分。当流体正向流动时，其节流过程与调速阀是一样的，节流缝隙的大小可通过
25、手柄进行调节；当流体反向流动时，靠流体的压力把阀芯压下，下阀芯起单向阀作用，单向阀打开，可实现流体反向自由流动。当正向流动时，经过节流阀节流。当反向流动时，单向阀打开，不能节流。2. 换向型控制阀换向型方向控制阀按控制方式分类，分为气压控制、电磁控制、人力控制。换向阀是利用阀芯和阀体间相对位置的不同来变换不同管路间的通断关系，实现接通、切断，或改变流体方向的阀。它的用途很广，种类也很多。按换向阀的操纵方式有：手动式、机动式、电磁式、液动式、电液动式、气动式。4图3-4双电控气阀示意图注意：双电控电磁阀的两个电控信号不能同时为“1”，即在控制过程中不允许两个线圈同时得电，否则，可能会造成电磁线圈
26、烧毁，当然，在这种情况下阀芯的位置是不确定的。三、 辅助元件辅助元件是保证压缩空气的净化、元件的润滑、元件间的连接及消声等所必须的。可分为气源净化装置和其他辅助元件两大类。1. 源净化装置过滤器、调压阀和油雾器等组合在一起称为空气处理单元，又称为气动三联件。压缩的空气中含有各种杂质，这些杂质的存在会降低气动元件的耐用度和性能，造成误动作和事故，必须清除。空气处理单元就是用来清除压缩空气的杂质，提高空气质量的元件。2. 消声器消声器是降低排气噪声的装置。压缩空气完成驱动工作后，由换向阀的排气口排入大气。此时的压缩空气是以接近音速的状态进入大气，由于压力的骤然变化，使空气急速膨胀从而发出噪音，其音
27、量一般为80dB100dB，为了改善劳动条件，应使用消声器。常用的消声器有三种类型吸收型、膨胀型和吸收膨胀型。吸收型消声器是依靠吸声材料来消声的。膨胀型消声器的结构比较简单，相当于一段比排气口径大的管件，当气流通过时，让气流在其内部扩散、膨胀、碰壁撞击、反射、相互干涉而消声。吸收膨胀型消声器是上述两种的结合。气流由斜孔引入，气流束 相互撞击、干涉、进一步减速，再通过设在消声器内表面的吸声材料消声， 最后排向大气。本设计选用膨胀型消声器。3.2 分拣站的执行元件3.2.1 气动执行元件分拣站的执行元件是以压缩空气为工作介质产生机械运动，并将气体的压力能转变为机械能的能量转换装置，如气缸输出直线往
28、复式机械能，摆动气缸输出回转摆动式机械能。分拣站中的气缸为输出直线往复式气缸，气缸是气动执行元件之一。目前最常选用的是标准气缸，其结构和参数都已系列化、标准化、通用化。水平伸缩气缸选用单活塞杆双作用气缸。单活塞杆双作用气缸一般由缸筒、前后缸盖、活塞、活塞杆、密封件和紧固件等组成。其工作原理：对于前伸/回缩气缸，当左侧无杆腔进气，右侧有杆腔排气时活塞杆前伸，反之，活塞杆回缩；对于上升/下降气缸，当上侧无杆腔进气，下侧有杆腔排气时，活塞杆下降，反之活塞杆上升。分拣站中用导弹是标准作用直线气缸标准气缸是指气缸的功能和规格是普遍使用的、结构容易制造的、制造厂通常作为通用产品供应市场的气缸。(a)气动回
29、路图 (b)电气回路图图3-5单汽缸自动往复回路直线气缸是指活塞的往复运动均由压缩空气来推动。直线气缸具有结构简单，输出力稳定，行程可根据需要选择的优点，但由于是利用压缩空气交替作用于活塞上实现伸缩运动的，回缩时压缩空气的有效作用面积较小，所以产生的力要小于伸出时产生的推力。气缸的理论输出力，普通单作用气缸(预伸型)理论拉力为：理论拉力： 式中：D缸径（m）,d 活塞杆直径（m）,p 工作压力（Pa）,Ft1复位弹簧预压量及行程所产生的弹簧力（N）,Ft2复位弹簧预紧力（N） 为了使气缸的动作平稳可靠，应对气缸的运动速度加以控制，常用的方法是使用单向节流阀来实现。单向节流阀是由单向阀和节流阀并
30、联而成的流量控制阀，常用于控制气缸的运动速度，所以也称为速度控制阀。有触点式的磁性开关用舌簧开关作磁场检测元件。舌簧开关成型于合成树脂块内，并且一般还有动作指示灯、过电压保护电路也塑封在内。带磁性开关气缸的工作原理。当气缸中随活塞移动的磁环靠近开关时，舌簧开关的两根簧片被磁化而相互吸引，触点闭合；当磁环移开开关后，簧片失磁，触点断开。触点闭合或断开时发出电控信号，在PLC的自动控制中，可以利用该信号判断推料及顶料缸的运动状态或所处的位置，以确定工件是否被推出或气缸是否返回。3.3传动机构3.3.1直流伺服电机的认识与选择传动机构如图3-6所示。采用的是ZJ系列的直流伺服电机，用于拖动传送带从而
31、输送物料。它主要由电机支架、电动机、联轴器等组成。图3-6 传动机构直流伺服电机是传动机构的主要部分，电动机转速的快慢由电压信号来控制的，其作用是带传送带从而输送物料。电机支架用于固定电动机。联轴器由于把电动机的轴和输送带主动轮的轴联接起来，从而组成一个传动机构。在安装和调整时，要注意电动机的轴和输送带主动轮的轴要保持在同一直线上。其中直流无刷电机应用较为广泛. 无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境这种电动机的定子
32、绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。直流电动机的工作特性，下面说明它们的变化规律。图3-7 直流电动机的工作特性 根据直流电动机电动势平衡方程式，可得转速特性为： 3-1 从式（3-1）可见，当电枢电流增加时，如气隙磁通中不变，转速将随的
33、增加而直线下降。一般他励直流电动机电枢回路电阻的值很小，转速下降不多。如果考虑去磁的电枢反应，会变小，转速下降会更小些。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。3.4伺服控制器的认识伺服控制器是用来控制伺服马达的一种器件，一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现搞精度的传动系统定位。 从结构上看，伺服控制器和变频器器差不多，但对元器件的要求精度和可靠性更高。目前主流的伺服控制器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，事项数字化、网络化和智能化。功率器件
34、普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击.3.5旋转编码器概述旋转编码器是通过光电转换，将输出至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字信号的传感器，主要用于速度或位置（角度）的检测。典型的旋转编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形狭缝。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图5-7所示；通过计算每秒旋转编
35、码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。一般来说，根据旋转编码器产生脉冲的方式的不同，可以分为增量式、绝对式以及复合式三大类。自动线上常采用的是增量式旋转编码器。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；A、B两组脉冲相位差90，用于辩向：当A相脉冲超前B相时为正转方向，而当B相脉冲超前A相时则为反转方向。Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。如图5-8所示。分拣单元使用了这种具有A、B两相90o相位差的旋转编码器，用于计算工件在传送带上的位置。编码器直接连接到传送带主动轴上。该旋转编码器的三相脉冲采用NPN型集电极开路输出，分辨率500线，工作电源DC1224V。本工
36、作单元没有使用Z相脉冲，A、B两相输出端直接连接到PLC（S7-224XP AC/DC/RLY主单元）的高速计数器输入端。计算工件在传送带上的位置时，需确定每两个脉冲之间的距离即脉冲当量。分拣单元主动轴的直径为d=43 mm,则减速电机每旋转一周，皮带上工件移动距离L= d =3.1443=136.35 mm。故脉冲当量为=L/5000.273 mm。当工件从下料口中心线移动时：移至传感器中心时，旋转编码器约发出450个脉冲；移至第一个推杆中心点时，约发出610个脉冲；移至第二个推杆中心点时，约发出1000个脉冲；移至第三个推杆中心点时，约发出1350个脉冲。第四章 控制系统的分析与设计4.1
37、分拣单元的 PLC控制系统设计的基本原则4.1.1分拣站的工作原理 设备的工作目标是完成对白色芯金属工件、白色芯塑料工件和黑色芯的金属或塑料工件进行分拣。为了在分拣时准确推出工件，要求使用旋转编码器作定位检测。并且工件材料和芯体颜色属性应在推料气缸前的适应位置被检测出来。4.1.2 PLC机型的选择PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点： 一、 确定合理的结构型式，PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；
38、而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。考虑此系统控制比较简单，应用于小批量的生产线故此选择整体试PLC的结构形式较为合适。二、 确定合理的安装方式PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程I/O硬件，系统反应快、成本低；远程I/O式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程I/O可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程I/O电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC
39、，但必须要附加通讯模块。在工厂小批量生产中降低成本是很重要的，所以此系统选择集中试的安装方式。三、 满足相应的功能要求一般小型(低档) PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带AD和DA转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。此系统只需用开关量控制，选用一般小型PLC即可。四、 满足响应速度要求PLC是为
40、工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速IO处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。 本系统不需要跨范围使用PLC对某些功能或信号也没有特殊的速度要求，不需要选用具有高速IO处理功能的PLC。五、 满足系统可靠性要求对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。本系统选用一般系统PLC能够满足要求，不需要考虑太多此方面的问题。六、 机型尽量统一一个企业应尽量做到PLC的
41、机型统一。以保证其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；有利于技术力量的培训和技术水平的提高；其外部设备可以通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。 本课题的要求不高，不需要考虑配备上位计算机，但为了方便采购和管理等我们还是要求机型要统一。4.1.3确定PLC的容量一、 确定应选择PLC的点数PLC平均的I/O点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的I/O点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的I/O点最少，但必须留有一定的裕量。 通常I/O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10到15的裕量来确定。本系统的输入、输出实际需要24个
42、点，所以本系统的PLC输入、输出点数定为26点比较合适，但输入和输出各应留有裕量。系统存储容量的选择PLC的I/O点数的多少，在很大程序上反映了PLC系统的功能要求，因此可在I/O点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20到30的裕量。存储容量（字节）开关量I/O点数10 模拟量I/O通道数100A=2410+0100 =240 （字节）另外，在存储容量选择的同时，注意对存储器的类型的选择。但是，本课题要求的存储容量很低，一般的PLC能够满足，所以我们不需要考虑存储容量。4.1.4 确定PLC的IO模块一般I/O模块的价格占PLC价格的一半以上。PLC的I/O模块有开关量I/O模块、模拟
43、量I/O模块及各种特殊功能模块等。不同的I/O模块，其电路及功能也不同，直接影响PLC的应用范围和价格，应当根据实际需要加以选择。根据本课题要求，不需要用到模拟量I/O模块及各种特殊功能模块，所以只需要对开关量I/O模块选择即可。一、 开关量输入模块的选择开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号，将信号转换为PLC内部接受的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：二、 输入信号的类型及电压等级开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流/直流输入三种类型。按电压等级有：直流5V、12V、24V、48V、60V等；交流110V、220V等。选择时主要根据现场
44、输入设备与输入模块之间的距离来考虑。一般5V、12V、24V用于传输距离较近场合，如5V输入模块最远不得超过十米。距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。本系统传输距离较近可选择24V直流输入。三、 输入接线方式开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式。汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端（COM）；而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一组（几个输入点）有一个公共端，各组之间是分隔的。分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高，如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。所以本系统考虑价格便宜问题，且输入信号之间不需要分隔，选用汇点式较合适。四、 输入门槛电平为了提高
45、系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅PLC说明书。4.1.5 PLC种类及型号的确定PLC种类较多，主要有西门子、三菱、OMRON、FANAC、东芝等，但能配套生产，大、中、小、微型均有配套且目前用得最广泛的的主要是西门子、三菱、OMRON的PLC。根据前面确定的PLC点数：实际输入点14点，实际输出点10点，综合对比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西门子系列、OMRON系列中I/O点数为16点各型号的PLC的价格、性能、实用场合等各方面。本系统可选择PLC型号为：S7-200-224XP-A
46、C/DC/RLY。该型号PLC有14个输入节点，12个输出节点，能够满足系统要求并留有一定的余量。4.2 PLC的I/O 接线及气路图分拣单元的电磁阀使用了三个由二位五通的带手控开关的单电控电磁阀，它们安装在汇流板上。这三个电磁阀对金属、白料和黑料推动气缸的气路进行控制，以改变各自的动作状态。（如图4-1所示）图4-1分拣站气缸动作原理图分拣单元装置侧的接线端口信号端子的分配如表4-1所示。由于用于判别工件材料和芯体颜色属性的传感器只须安装在传感器支架上的电感式传感器和一个光纤传感器，故光纤传感器2可不使用。表4-1 分拣单元装置侧的接线端口信号端子的分配输入端口中间层输出端口中间层端子号设备符号信号线端子号设备符号信号线2DECO旋转编码器A相21Y推杆1电磁阀3旋转编码器B相32Y推杆2电磁阀4旋转编码器Z相43Y推杆3电磁阀5SC1进料口工件检测6SC2电感式传感器7SC3光纤传感器18SC4光纤传感器291B推杆1推出到位102B推杆2推出到位113B推杆3推出到位12#17#端子没有连接5#14#
