材料分拣系统控制新版专业系统设计单片机.doc

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毕 业 设 计

题目：材料分拣系统控制系统设计（单片机）

入 学 年 月
姓 名 代xxx
学 号110xxxxx
专 业 机电一体化
联 系 方 式 13xxxx
学 习 中 心 xxxxx
指 导 教 师XXXXXXX___

完毕时间X月XX日

目 录

1 绪论………………………………………………………………………………1
1.1 自动分拣系统定义………………………………………………………1
1.2 自动分拣系统研究现状及发展趋势………………………………………1
2 系统硬件设计……………………………………………………………………2
2.1 传感器选型……………………………………………………………2
2.1.1 电感式传感器…………………………………………………………2
2.1.2 电容式传感器…………………………………………………………3
2.1.3 颜色传感器……………………………………………………………5
2.2 限位开关设计……………………………………………………………6
2.3 电磁阀设计…………………………………………………………….7
2.4 PLC选型…………………………………………………………………8
2.5 PLC输入输出接线端子图…………………………………………………9
3 系统软件设计……………………………………………………………………10
3．1 控制系统流程图设计………………………………………………………10
3.2 PLC梯形图程序设计………………………………………………………11
3.3 整体梯形图…………………………………………………………………12
3.4 PLC程序指令表……………………………………………………………12
4 总结………………………………………………………………………………14
参照文献……………………………………………………………………………15

1 绪论

1．1 自动分拣系统定义
自动分拣是指货品进入分拣系统到指定分派位置为止，都是按照系统设定指令靠自动装置来完毕。自动分拣系统普通由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口构成。控制装置作用是辨认、接受和解决分拣信号，依照分拣信号规定批示分类装置、按商品品种、按商品送达地点或按货主类别对商品进行自动分类。这些分拣需求可以通过不同方式，如可通过条形码扫描、色码扫描、键盘输入、重量检测、语音辨认、高度检测及形状辨认等方式，输入到分拣控制系统中去，依照对这些分拣信号判断，来决定某一种商品该进入哪一种分拣道口。
1．2 自动分拣系统研究现状及发展趋势
国内自动分拣机应用大概始于1980年代,近期市场兴起和技术发展始于1997年。自动分拣概念先在机场行李解决和邮政解决中心得到应用，然后普及到其她行业。随着业界对当代化物流实际需求增长,各行业对高速精准分拣系统规定正在不断地提高。这一需求最明显地体当前烟草、医药、图书及超市配送领域，并有望在将来向化妆品及工业零配件等领域扩展。这些领域一种共同特点是产品种类繁多、附加值高、配送门店数量多、精确性规定高和人工解决效率低等特点。
随着社会不断发展，市场竞争也越来越激烈，因而各个生产公司都迫切地需要改进生产技术，提高生产效率，特别在需要进行材料分拣公司，以往始终采用人工分拣办法，致使生产效率低，生产成本高，公司竞争能力差，材料自动分拣已成为公司唯一选取。
当前自动分拣已逐渐成为主流，由于自动分拣是从货品进入分拣系统送到指定分派位置为止，都是按照人们指令靠自动分拣装置来完毕。这种装置是由接受分拣批示情报控制装置、计算机网络，把到达分拣位置货品送到别处搬送装置。由于所有采用机械自动作业，因而，分拣解决能力较大，分拣分类数量也较多；此外组态软件发展，为物料分拣系统增添了新活力。

2 系统硬件设计

2．1 传感器选型
2.1.1 电感式传感器
此传感器接近开关属于有开关量输出位置传感器，用来检测金属物体。它由LC高频振荡器和放大解决电路构成，运用金属物体在接近这个能产生电磁场振荡感应头时，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，内部电路参数发生变化。由此，可辨认出有无金属物体接近，进而控制开关通或断。本系统用该器件来检测铁质材料。
电感式接近传感器选取LE4-1K，技术参数如表3.1：
表3.1 电感式传感器技术参数
工作电压 10-30V
额定电流 200MA
感应距离 4mm

图3.1 电感传感器工作原理图

图3.2 电感传感器LE4-1K成品图
电感传感器简介：由铁心和线圈构成将直线或角位移变化转换为线圈电感量变化传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器线圈匝数和材料导磁系数都是一定，其电感量变化是由于位移输入量导致线圈磁路几何尺寸变化而引起。当把线圈接入测量电路并接通勉励电源时，就可获得正比于位移输入量电压或电流输出。电感式传感器特点是：①无活动触点、可靠度高、寿命长；②辨别率高；③敏捷度高；④线性度高、重复性好；⑤测量范畴宽（测量范畴大时辨别率低）；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对勉励电源频率和幅值稳定性规定较高；⑧不合用于高频动态测量。电感式传感器重要用于位移测量和可以转换成位移变化机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）测量。惯用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所导致附加误差。
2.1.2 电容传感器
此传感器属于具备开关量输出位置传感器，是一种接近式开关。它测量头普通是构成电容器一种极板,而另一种极板是待测物体自身。当物体移向接近开关时，物体和接近开关介电常数发生变化，使得和测量头相连电路状态也随之发生变化。由此，便可控制开关接通和关断。本装置中电容传感器是用于检测铝质材料。
电容式传感器选取OMRONE2K—X81ME1型，技术参数如表3.2：
表3.2 电容式传感器技术参数
工作电压 10-30V
额定电流 200MA
感应距离 8mm

图3.3 电容传感器工作原理图

图3.4 电容传感器E2K—X81ME1成品图
电容传感器简介：用电测法测量非电学量时，一方面必要将被测非电学量转换为电学量而后输入之。普通把非电学量变换成电学量元件称为变换器；依照不同非电学量特点设计成关于转换装置称为传感器，而被测力学量（如位移、力、速度等）转换成电容变化传感器称为电容传感器。从能量转换角度
而言，电容变换器为无源变换器，需要将所测力学量转换成电压或电流后进行放大和解决。力学量中线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切联系量；这些量又都是通过长度或者长度比值进行测量量，而其测量办法互有关系也很密切。此外，在有些条件下，这些力学量变化相称缓慢，并且变化范畴极小，如果规定测量极小距离或位移时要有较高辨别率，其她传感器很难做到实现高辨别率规定，在精密测量中所普遍使用差动变压器传感器辨别率仅达到1～5 μm数量级；而有一种电容测微仪，她辨别率为0.01 μm，比前者提高了两个数量级，最大量程为100±5 μm，因而她在精密小位移测量中受到青睐。
对于上述这些力学量，特别是缓慢变化或微小量测量，普通来说采用电容式传感器进行检测比较适当，重要是此类传感器具备如下突出长处：
(1)测量范畴大其相对变化率可超过100%；
(2)敏捷度高，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，高频特性既适当动态测量，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；因而可以在高温、低温强磁场、强辐射下长期工作，特别是解决高温高压环境下检测难题。

2.1.3 颜色传感器
此传感器属于具备开关量输出位置传感器。它是在Si等多数光电二极管之前，分别放置R（红）、G（绿）、B（蓝）三种颜色彩色滤光器，以便解决各自输出信号并辨认彩色办法。材料分拣系统采用它重要是用来辨认绿色与黄色材料。本系统共设立了三个检测材料传感器，同步预留了一种空余电磁阀与气缸用来添加其他传感器。顾客可以依照自己需求选取相应传感器安装即可。
选用TAOS公司生产，型号为TCS230颜色传感器。此传感器为RGB(红绿蓝) 颜色传感器，可检测目的物体对三基色反射比率，从而鉴别物体颜色。TCS230传感器引脚如下图所示。

图3.5 TCS230颜色传感器

图3.6 颜色传感器TCS230成品图
RGB 颜色传感器简介：
TCS230是美国TAOS公司生产一种可编程彩色光到频率转换器。该传感器具备辨别率高、可编程颜色选取与输出定标、单电源供电等特点；输出为数字量，可直接与微解决器连接。它把可配备硅光电二极管与电流频率转换器集成在一种单一CMOS电路上，同步在单一芯片上还集成了红绿蓝(RGB)三种滤光器，是业界第一种有数字兼容接口RGB彩色传感器。TCS230输出信号是数字量，可以驱动原则TTL或CMOS逻辑输入，因而可直接与微解决器或其他逻辑电路相连接。由于输出是数字量，并且可以实现每个彩色信道10位以上转换精度，因而不再需要A/D转换电路，使电路变得更简朴。TCS230采用8引脚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，别的16个不带有任何滤波器，可以透过所有光信息。这些光电二极管在芯片内是交叉排列，可以最大限度地减少入射光幅射不均匀性，从而增长颜色辨认精准度；另一方面，相似颜色16个光电二极管是并联连接，均匀分布在二极管阵列中，可以消除颜色位置误差。工作时，通过两个可编程引脚来动态选取所需要滤波器。该传感器典型输出频率范畴从2Hz~500kHz，顾客还可以通过两个可编程引脚来选取100%、20%或2%输出比例因子，或电源关断模式。输出比例因子使传感器输出可以适应不同测量范畴，提高了它适应能力。
当入射光投射到TCS230上时，通过光电二极管控制引脚S2、S3不同组合，可以选取不同滤波器；通过电流到频率转换器后输出不同频率方波(占空比是50%)，不同颜色和光强相应不同频率方波；还可以通过输出定标控制引脚S0、S1选取不同输出比例因子，对输出频率范畴进行调节，以适应不同需求。
S0、S1用于选取输出比例因子或电源关断模式；S2、S3用于选取滤波器类型；OE是频率输出使能引脚，可以控制输出状态，当有各种芯片引脚共用微解决器输入引脚时，也可以作为片选信号；OUT是频率输出引脚，GND是芯片接地引脚，VCC为芯片提供工作电压。表2是S0、S1及S2、S3可用组合。
表3.3 S0、S1及S2、S3 组合选项
S0 S1 输出频率定标 S2 S3 滤波器类型
L L 关断电源 L L
H H 20% L H
L H 20% H L
L H 100% H H
红色
蓝色
无
绿色
2.2 限位开关设计
限位开关就是用以限定机械设备运动极限位置电气开关。这种开关有接触式和非接触式。接触式比较直观，机械设备运动部件上，安装上行程开关，与其相对运动固定点上安装极限位置挡块，或者是相反安装位置。当行程开关机械触头碰上挡块时，切断了（或变化了）控制电路，机械就停止运营或变化运营。由于机械惯性运动，这种行程开关有一定“超行程”以保护开关不受损坏。非接触式形式诸多，常用有干簧管、光电式、感应式等。
材料自动化分拣系统中,气缸回位限位开关、气缸动作限位开关都选用D—C73型号磁感应开关，控制功率高、作用距离大、构造简朴、成本低、工作稳定可靠、寿命长。合用于自动控制系统中，进行自动检测、定位、保护等。 它技术参数如表3.4所示：
表3.4 限位开关技术参数
额定电压
DC24V AC110V
额定电流
DC：5~40mA AC：5~20mA
而震限度
10~50HZ
使用温度
0~60摄氏度
2.3 电磁阀设计
ABS压力调节器4个常开进油电磁阀最大起动电流约为3.6 A;4个常闭出油电磁阀最大起动电流约为2.4 A。而L9439工作电压4.5～32 V，两路通道内阻0.2Ω，最大负载电流3A；另两路内阻0.3Ω，最大负载电流5A，正好能满足ABS常开和常闭电磁阀驱动电流规定，并且较低导通内阻又能保证低功耗，因而L9349非常适合进行ABS电磁阀驱动控制。电磁阀驱动电路原理图见图3.7。

图3.7 电磁阀驱动电路原理图
在图中，每片L9349能驱动4个电磁阀工作，属于典型低端驱动。通过Vs端口给芯片提供12V供电电压；当给输入端IN1～IN4 PWM控制信号，就能以便地控制输出端以驱动4路电磁阀工作，OUT1和OUT2端口最大驱动能力为5A，应当连接ABS常闭电磁阀；OUT3和OUT4端口最大驱动能力为3A，应连接ABS常开电磁阀，不可接反；EN端口为使能端，能通过MCU迅速关闭芯片；L9349数字地和模仿地分开，提高了驱动模块抗干扰能力。
2.4 PLC选型
依照材料分拣系统工作过程由可知，系统控制有输入信号12个，均为开关量。输出信号有5个，其中一种控制电动机，剩余控制电磁阀，也都是开关量。
依照分拣系统需要配备出I/O相应功能，如表3.5所示：
表3.5 I/O接线表
输
入
部
分
X010 SFW2
X011 SFW3
气缸动作限位开关
气缸动作限位开关
气缸动作限位开关
气缸动作限位开关
电感传感器
电容传感器
颜色传感器
气缸回位限位开关
气缸回位限位开关
气缸回位限位开关
气缸回位限位开关
判断下料有无
(下料传感器)
X017
X013
X000
X001
X002
X005
X006
X007
X015
X014
SFW4
SFW5
SA
SB
SC
SBW2
SBW3
SBW4
SBW5
SN
输
出
部
分
Y000
Y001
Y003
Y004
Y005
YV2
YV3
YV4
YV5
M
先导式电磁换向阀11
先导式电磁换向阀10
先导式电磁换向阀 9
先导式电磁换向阀13
传送带
再依照PLC选型规定，在实际记录输入/输出点数基本上需15%---20% 备用量，因而选取三菱FX2N—32MRPLC作为主机，它可以满足本系统需求，且尚有一定剩余I/O以备将来扩展。

2.5 PLC输入输出接线端子图
依照表3.5，运用AutoCAD绘图软件可以绘制出PLC输入输出接线端子图，如下图3.8所示。

图3.8 PLC输入输出接线端子图

3 系统软件设计

软件设计是PLC控制系统核心，程序设计重要任务是依照控制规定及工艺流程，画出状态流程图并设计出梯形图。材料自动分拣系统采用三菱公司FXFP_WIN_C作为编程软件，此软件是专为三菱PLC而设计编程软件，合用于FX型号PLC。可以通过梯形图符号、指令语句以及SFC符号创立编辑程序，还可以在程序中加入中文或者英文注释，并且还可以通过该软件监控PLC运营时各编程元件状态及数据变化，还具备程序和监控成果打印功能。
3.1 控制系统流程图设计
依照系统生产工艺规定，分析各个设备操作内容和操作顺序，可画出程序流程图，如下图4.1所示。

图4.1 控制系统流程图
该系统可选取持续或单次运营工作状态。若为持续运营状态，则系统软件设计流程图中汽缸4 动作后，程序再转到开始;若为单次运营，则汽缸4 动作后停机。如果需要，该系统可在分拣同步对分拣材料进行数量记录，这只需在各汽缸动作同步合计即可。应用高速计数器编制程序，可以实现系统定位控制功能。用高速计数器计数步进电机转过圈数，来拟定物料到达传感器距离，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，对物料进行分拣解决。在汽缸1～3 动作后，电机重新运营，高速计数器也重新计数。 如果相应传感器没有检测到物体，则电机重新运营，高速计数器也重新计数，继续运营到下一位置。如果只对材料某一特性进行分拣，例如只分拣金属和非金属，则只需对传感器安放或程序进行修改即可。
3.2 PLC梯形图程序设计
依照材料自动分拣系统规定设计出梯形图，梯形图某些程序分析如下：
1、启动材料自动分拣机，开关X014判断与否有材料，无材料系统运营30S后自动停下，送料汽缸启动电机停止转动，汽缸限位开关运作，传送带停止动作。

2、开关X014判断有无材料，如有材料，汽缸限位开关运作，系统每隔2S送一次料，系统开始自动分拣动作。

3、开关X0、X2、X1传感器开关开始运作，如检测到相相应材料，则汽缸运作推动物体到相应物品槽里，如无检测到相应物体，则继续运作到下个传感器进行检测，检测完毕自动进行结束。然后继续下一轮检测。

3.3 整体梯形图

3.4 PLC程序指令表
依照系统程序流程图，设计出材料自动分拣系统中PLC程序指令表：

LD M71
OUT F671
K600
OUT F672
K647
OUT F670
K26
LD X20
ANI X21
ANI T450
OUT Y005
LD X014
AND X016
OUT Y004
LDI X016
OUT T450
LD X0005
ANI X0000
AND X010
OUT Y000
LD X0007
AND X011
ANI X0001
OUT Y001
LD X0006
AND X012
ANI X0002
OUT Y002
LD X015
AND X013
ANI X003
OUT Y003
END
程序表

4 总结

这次毕业设计制作过程中，感触最多就是知识面匮乏，本次毕业设计是咱们从大学毕业生走向将来工程师重要一步。从最初选题，开题到选型、制作直到完毕设计。其间，查找资料，教师指引，与同窗交流，重复修改PLC程序，每一种过程都是对自己能力一次检查和充实。
实际设计工作中，浮现了不少难题：传感器很容易受到外界因素干扰；PLC选型以及程序设计；组态仿真调试监控等。通过多次实验与实践，以上问题基本上得到理解决。
依照自动分拣系统任务书，由于时间仓促和知识面狭窄，导致了某些性能没有达标。如传感器模块，没有使用到光电传感器测量尺寸，也没有夯实去学习气动装置有关知识，进一步提高材料自动分拣系统输出性能。
如何进一步提高材料自动分拣系统控制性能，工作展望如下:
一、进一步提高传感器性能，找出一系列可靠参数，实现系统稳定。
二、进一步研究PLC在材料自动分拣系统核心控制能力，努力改进出更精简更实效程序。
三、进一步分析MCGS组态仿真软件材料自动分拣系统中调试监控能力。
四、进一步分析研究各种分拣系统地优劣，例如以PLC为控制核心材料自动分拣系统和以RAM芯片为控制核心材料自动分拣系统，提高材料分拣系统综合性能，研究出对当代工业更加有用材料自动分拣系统。
毕业设计收获诸多，例如学会了查找有关资料有关原则，分析数据，提高了自己编写程序能力，懂得了许多经验功能应用，获得是前人不懈努力成果。同步，加深了对组态软件结识，能纯熟使用MCGS对系统进行监测和控制。
在材料自动分拣系统研究中，我进一步理解了物料自动分检控制系统用途及工作原理，熟悉了物料自动分检控制系统设计环节，锻炼了工程设计实践能力，培养了自己独立设计能力。本次毕业设计是对我专业知识和专业基本知识一次实际检查和巩固，同步也是走向工作岗位前一次热身。

参照文献

1张福学. /传感器与执行器大全——传感器•变送器•执行器——年卷
北京：机械工业出版社,.12
2 梅晓榕，柏桂珍，张瑞．自动控制元件及线路．科学出版社,1993年8月
3 王顺晃，舒迪前．智能控制系统及其应用．机械工业出版社,7月
4 韩兵，于飞．现场总线控制系统应用实例．化学工业出版社,8月
5 凌志浩．现场总线与工业以太网．机械工业出版社,9月
6 姚锡禄．现场总线控制技术．高等教诲出版社,6月
7 贾贵礼，吴尚庆．组态软件控制技术．北京理工大学出版社,8月
8 张华．电类专业毕业设计指引．机械工业出版社,4月
9 机械工业职业技能鉴定指引中心．电工基本．机械工业出版社,1999年5月
10 周边，杨晓非，李实秋．电路分析基本．人民邮电出版社
11 MCGS培训教程．北京昆仑通态自动化软件科技有限公司
12 张文明，刘志军．组态软件控制技术．清华大学出版社．北京交通大学出版社
13袁秀英.组态控制技术，北京：电子工业出版社,.8。

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