材料分拣系统控制新版系统标准设计单片机.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___

完成时间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实状况及发展趋势………………………………………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 控制系统步骤图设计………………………………………………………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
参考文件……………………………………………………………………………15

1 绪论

1．1 自动分拣系统定义
自动分拣是指货物进入分拣系统到指定分配位置为止，全部是根据系统设定指令靠自动装置来完成。自动分拣系统通常由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口组成。控制装置作用是识别、接收和处理分拣信号，依据分拣信号要求指示分类装置、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。这些分拣需求能够经过不一样方法，如可经过条形码扫描、色码扫描、键盘输入、重量检测、语音识别、高度检测及形状识别等方法，输入到分拣控制系统中去，依据对这些分拣信号判定，来决定某一个商品该进入哪一个分拣道口。
1．2 自动分拣系统研究现实状况及发展趋势
中国自动分拣机应用大约始于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处理和邮政处理中心得到应用, 然后普及到其它行业。伴随业界对现代化物流实际需求增加,各行业对高速正确分拣系统要求正在不停地提升。这一需求最显著地表现在烟草、医药、图书及超市配送领域, 并有望在未来向化妆品及工业零配件等领域扩展。这些领域一个共同特点是产品种类繁多、附加值高、配送门店数量多、正确性要求高和人工处理效率低等特点。
伴随社会不停发展，市场竞争也越来越猛烈，所以各个生产企业全部迫切地需要改善生产技术，提升生产效率，尤其在需要进行材料分拣企业，以往一直采取人工分拣方法，致使生产效率低，生产成本高，企业竞争能力差，材料自动分拣已成为企业唯一选择。
现在自动分拣已逐步成为主流，因为自动分拣是从货物进入分拣系统送到指定分配位置为止，全部是根据大家指令靠自动分拣装置来完成。这种装置是由接收分拣指示情报控制装置、计算机网络，把抵达分拣位置货物送到别处搬送装置。因为全部采取机械自动作业，所以，分拣处理能力较大，分拣分类数量也较多；另外组态软件发展，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
此传感器靠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高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在靠近这个能产生电磁场振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于靠近开关，使靠近开关振荡能力衰减，内部电路参数发生改变。由此，可识别出有没有金属物体靠近，进而控制开关通或断。本系统用该器件来检测铁质材料。
电感式靠近传感器选择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
电感传感器介绍：由铁心和线圈组成将直线或角位移改变转换为线圈电感量改变传感器，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全部是一定，其电感量改变是因为位移输入量造成线圈磁路几何尺寸改变而引发。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可取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分辨率高；③灵敏度高；④线性度高、反复性好；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，引发测量误差；⑦对激励电源频率和幅值稳定性要求较高；⑧不适适用于高频动态测量。电感式传感器关键用于位移测量和能够转换成位移改变机械量（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。常见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，方便提升线性度和减小电磁吸力所造成附加误差。
2.1.2 电容传感器
此传感器属于含有开关量输出位置传感器，是一个靠近式开关。它测量头通常是组成电容器一个极板,而另一个极板是待测物体本身。当物体移向靠近开关时，物体和靠近开关介电常数发生改变，使得和测量头相连电路状态也随之发生改变。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。
电容式传感器选择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
电容传感器介绍：用电测法测量非电学量时，首先必需将被测非电学量转换为电学量以后输入之。通常把非电学量变换成电学量元件称为变换器；依据不一样非电学量特点设计成相关转换装置称为传感器，而被测力学量（如位移、力、速度等）转换成电容改变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处理。力学量中线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等无不和长度有着亲密联络量；这些量又全部是经过长度或长度比值进行测量量，而其测量方法相互关系也很亲密。另外，在有些条件下，这些力学量改变相当缓慢，而且改变范围极小，假如要求测量极小距离或位移时要有较高分辨率，其它传感器极难做到实现高分辨率要求，在精密测量中所普遍使用差动变压器传感器分辨率仅达成1～5 μm数量级；而有一个电容测微仪，她分辨率为0.01 μm，比前者提升了两个数量级，最大量程为100±5 μm，所以她在精密小位移测量中受到青睐。
对于上述这些力学量，尤其是缓慢改变或微小量测量，通常来说采取电容式传感器进行检测比较适宜，关键是这类传感器含有以下突出优点：
(1)测量范围大其相对改变率可超出100%；
(2)灵敏度高，如用比率变压器电桥测量，相对改变量可达10-7数量级；
(3)动态响应快，因其可动质量小，固有频率高，高频特征既适宜动态测量，也可静态测量；
(4)稳定性好因为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；所以能够在高温、低温强磁场、强辐射下长久工作，尤其是处理高温高压环境下检测难题。

2.1.3 颜色传感器
此传感器属于含有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，方便处理各自输出信号并识别彩色方法。材料分拣系统采取它关键是用来识别绿色和黄色材料。本系统共设置了三个检测材料传感器，同时预留了一个空余电磁阀和气缸用来添加其它传感器。用户能够依据自己需求选择对应传感器安装即可。
选择TAOS企业生产，型号为TCS230颜色传感器。此传感器为RGB(红绿蓝) 颜色传感器，可检测目标物体对三基色反射比率，从而判别物体颜色。TCS230传感器引脚以下图所表示。

图3.5 TCS230颜色传感器

图3.6 颜色传感器TCS230成品图
RGB 颜色传感器介绍：
TCS230是美国TAOS企业生产一个可编程彩色光到频率转换器。该传感器含有分辨率高、可编程颜色选择和输出定标、单电源供电等特点；输出为数字量，可直接和微处理器连接。它把可配置硅光电二极管和电流频率转换器集成在一个单一CMOS电路上，同时在单一芯片上还集成了红绿蓝(RGB)三种滤光器，是业界第一个有数字兼容接口RGB彩色传感器。TCS230输出信号是数字量，能够驱动标准TTL或CMOS逻辑输入，所以可直接和微处理器或其它逻辑电路相连接。因为输出是数字量，而且能够实现每个彩色信道10位以上转换精度，所以不再需要A/D转换电路，使电路变得更简单。TCS230采取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，其它16个不带有任何滤波器，能够透过全部光信息。这些光电二极管在芯片内是交叉排列，能够最大程度地降低入射光幅射不均匀性，从而增加颜色识别正确度；其次，相同颜色16个光电二极管是并联连接，均匀分布在二极管阵列中，能够消除颜色位置误差。工作时，经过两个可编程引脚来动态选择所需要滤波器。该传感器经典输出频率范围从2Hz~500kHz，用户还能够经过两个可编程引脚来选择100%、20%或2%输出百分比因子，或电源关断模式。输出百分比因子使传感器输出能够适应不一样测量范围，提升了它适应能力。
当入射光投射到TCS230上时，经过光电二极管控制引脚S2、S3不一样组合，能够选择不一样滤波器；经过电流到频率转换器后输出不一样频率方波(占空比是50%)，不一样颜色和光强对应不一样频率方波；还能够经过输出定标控制引脚S0、S1选择不一样输出百分比因子，对输出频率范围进行调整，以适应不一样需求。
S0、S1用于选择输出百分比因子或电源关断模式；S2、S3用于选择滤波器类型；OE是频率输出使能引脚，能够控制输出状态，当有多个芯片引脚共用微处理器输入引脚时，也能够作为片选信号；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，和其相对运动固定点上安装极限位置挡块，或是相反安装位置。当行程开关机械触头碰上挡块时，切断了（或改变了）控制电路，机械就停止运行或改变运行。因为机械惯性运动，这种行程开关有一定“超行程”以保护开关不受损坏。非接触式形式很多，常见有干簧管、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、气缸动作限位开关全部选择D—C73型号磁感应开关，控制功率高、作用距离大、结构简单、成本低、工作稳定可靠、寿命长。适适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所表示：
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
而震程度
10~50HZ
使用温度
0~60摄氏度
2.3 电磁阀设计
ABS压力调整器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，恰好能满足ABS常开和常闭电磁阀驱动电流要求，而且较低导通内阻又能确保低功耗，所以L9349很适合进行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，属于经典低端驱动。经过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，就能方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，应该连接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，能经过MCU快速关闭芯片；L9349数字地和模拟地分开，提升了驱动模块抗干扰能力。
2.4 PLC选型
依据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，其中一个控制电动机，剩下控制电磁阀，也全部是开关量。
依据分拣系统需要配置出I/O对应功效，如表3.5所表示：
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
判定下料有没有
(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
再依据PLC选型要求，在实际统计输入/输出点数基础上需15%---20% 备用量，所以选择三菱FX2N—32MRPLC作为主机，它能够满足本系统需求，且还有一定剩下I/O以备未来扩展。

2.5 PLC输入输出接线端子图
依据表3.5，利用AutoCAD绘图软件能够绘制出PLC输入输出接线端子图，以下图3.8所表示。

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控制系统关键，程序设计关键任务是依据控制要求及工艺步骤，画出状态步骤图并设计出梯形图。材料自动分拣系统采取三菱企业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，适适用于FX型号PLC。能够经过梯形图符号、指令语句和SFC符号创建编辑程序，还能够在程序中加入汉字或英文注释，而且还能够经过该软件监控PLC运行时各编程元件状态及数据改变，还含有程序和监控结果打印功效。
3.1 控制系统步骤图设计
依据系统生产工艺要求，分析各个设备操作内容和操作次序，可画出程序步骤图，以下图4.1所表示。

图4.1 控制系统步骤图
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，则系统软件设计步骤图中汽缸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。假如需要，该系统可在分拣同时对分拣材料进行数量统计，这只需在各汽缸动作同时累计即可。应用高速计数器编制程序，能够实现系统定位控制功效。用高速计数器计数步进电机转过圈数，来确定物料抵达传感器距离，实现定位功效。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。 假如对应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。假如只对材料某一特征进行分拣，比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
依据材料自动分拣系统要求设计出梯形图，梯形图部分程序分析以下：
1、开启材料自动分拣机，开关X014判定是否有材料，无材料系统运行30S后自动停下，送料汽缸开启电机停止转动，汽缸限位开关运作，传送带停止动作。

2、开关X014判定有没有材料，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，如检测到相对应材料，则汽缸运作推进物体到对应物品槽里，如无检测到对应物体，则继续运作到下个传感器进行检测，检测完成自动进行结束。然后继续下一轮检测。

3.3 整体梯形图

3.4 PLC程序指令表
依据系统程序步骤图，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，感慨最多就是知识面匮乏，此次毕业设计是我们从大学毕业生走向未来工程师关键一步。从最初选题，开题到选型、制作直到完成设计。其间，查找资料，老师指导，和同学交流，反复修改PLC程序，每一个过程全部是对自己能力一次检验和充实。
实际设计工作中，出现了不少难题：传感器很轻易受到外界原因干扰；PLC选型和程序设计；组态仿真调试监控等。经过数次试验和实践，以上问题基础上得到了处理。
依据自动分拣系统任务书，因为时间仓促和知识面狭窄，造成了部分性能没有达标。如传感器模块，没有使用到光电传感器测量尺寸，也没有扎实去学习气动装置相关知识，深入提升材料自动分拣系统输出性能。
怎样深入提升材料自动分拣系统控制性能，工作展望以下:
一、深入提升传感器性能，找出一系列可靠参数，实现系统稳定。
二、深入研究PLC在材料自动分拣系统关键控制能力，努力改善出更精简更实效程序。
三、深入分析MCGS组态仿真软件材料自动分拣系统中调试监控能力。
四、深入分析研究多种分拣系统地优劣，比如以PLC为控制关键材料自动分拣系统和以RAM芯片为控制关键材料自动分拣系统，提升材料分拣系统综合性能，研究出对现代工业愈加有用材料自动分拣系统。
毕业设计收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提升了自己编写程序能力，知道了很多经验功效应用，取得是前人不懈努力结果。同时，加深了对组态软件认识，能熟练使用MCGS对系统进行监测和控制。
在材料自动分拣系统研究中，我深入了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步骤，锻炼了工程设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次毕业设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前一次热身。

参考文件

1张福学. /传感器和实施器大全——传感器•变送器•实施器——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．现场总线和工业以太网．机械工业出版社,9月
6 姚锡禄．现场总线控制技术．高等教育出版社,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导．机械工业出版社,4月
9 机械工业职业技能判定指导中心．电工基础．机械工业出版社,1999年5月
10 周围，杨晓非，李实秋．电路分析基础．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
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。