材料分揀系統(tǒng)控制系統(tǒng)設計(單片機)

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**大學**遠程教育 畢 業(yè) 設 計 題目：材料分揀系統(tǒng)控制系統(tǒng)設計（單片機） 入 學 年 月2013年 姓 名 代xxx 學 號110xxxxx 專 業(yè) 機電一體化 聯(lián) 系 方 式 13xxxx 學 習 中 心 xxxxx 指 導 教 師XXXXXXX___ 完成時間2013年X月XX日 目 錄 1 緒論………………………………………………………………………………1 1.1 自動分揀系統(tǒng)的定義………………………………………………………1 1.2 自動分揀系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢………………………………………1 2 系統(tǒng)硬件設計……………………………………………………………………2 2.1 傳感器的選型……………………………………………………………2 2.1.1 電感式傳感器…………………………………………………………2 2.1.2 電容式傳感器…………………………………………………………3 2.1.3 顏色傳感器……………………………………………………………5 2.2 限位開關的設計……………………………………………………………6 2.3 電磁閥的設計…………………………………………………………….7 2.4 PLC的選型…………………………………………………………………8 2.5 PLC輸入輸出接線端子圖…………………………………………………9 3 系統(tǒng)軟件設計……………………………………………………………………10 3．1 控制系統(tǒng)流程圖設計………………………………………………………10 3.2 PLC梯形圖程序設計………………………………………………………11 3.3 整體梯形圖…………………………………………………………………12 3.4 PLC程序指令表……………………………………………………………12 4 總結………………………………………………………………………………14 參考文獻……………………………………………………………………………15 1 緒論 1．1 自動分揀系統(tǒng)的定義 自動分揀是指貨物進入分揀系統(tǒng)到指定的分配位置為止，都是按照系統(tǒng)設定的指令靠自動裝置來完成的。自動分揀系統(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別、接收和處理分揀信號，根據分揀信號的要求指示分類裝置、按商品品種、按商品送達地點或按貨主的類別對商品進行自動分類。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、語音識別、高度檢測及形狀識別等方式，輸入到分揀控制系統(tǒng)中去，根據對這些分揀信號判斷，來決定某一種商品該進入哪一個分揀道口。 1．2 自動分揀系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 我國自動分揀機的應用大約始于1980年代,近期的市場興起和技術發(fā)展始于1997年。自動分揀的概念先在機場行李處理和郵政處理中心得到應用, 然后普及到其他行業(yè)。隨著業(yè)界對現(xiàn)代化物流的實際需求的增長,各行業(yè)對高速精確的分揀系統(tǒng)的要求正在不斷地提高。這一需求最明顯地表現(xiàn)在煙草、醫(yī)藥、圖書及超市配送領域, 并有望在將來向化妝品及工業(yè)零配件等領域擴展。這些領域的一個共同特點是產品的種類繁多、附加值高、配送門店數量多、準確性要求高和人工處理效率低等特點。 隨著社會的不斷發(fā)展，市場的競爭也越來越激烈，因此各個生產企業(yè)都迫切地需要改進生產技術，提高生產效率，尤其在需要進行材料分揀的企業(yè)，以往一直采用人工分揀的方法，致使生產效率低，生產成本高，企業(yè)的競爭能力差，材料的自動分揀已成為企業(yè)的唯一選擇。 目前自動分揀已逐漸成為主流，因為自動分揀是從貨物進入分揀系統(tǒng)送到指定的分配位置為止，都是按照人們的指令靠自動分揀裝置來完成的。這種裝置是由接受分揀指示情報的控制裝置、計算機網絡，把到達分揀位置的貨物送到別處的的搬送裝置。由于全部采用機械自動作業(yè)，因此，分揀處理能力較大，分揀分類數量也較多；另外組態(tài)軟件的的發(fā)展，為物料分揀系統(tǒng)增添了新的活力。 2 系統(tǒng)硬件設計 2．1 傳感器的選型 2.1.1 電感式傳感器 此傳感器接近開關屬于有開關量輸出的位置傳感器，用來檢測金屬物體。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能產生電磁場的振蕩感應頭時，使物體內部產生渦流。這個渦流反作用于接近開關，使接近開關振蕩能力衰減，內部電路的參數發(fā)生變化。由此，可識別出有無金屬物體接近，進而控制開關的通或斷。本系統(tǒng)用該器件來檢測鐵質材料。 電感式接近傳感器選擇LE4-1K，技術參數如表3.1： 表3.1 電感式傳感器技術參數 工作電壓 10-30V 額定電流 200MA 感應距離 4mm 圖3.1 電感傳感器工作原理圖 圖3.2 電感傳感器LE4-1K成品圖 電感傳感器介紹：由鐵心和線圈構成的將直線或角位移的變化轉換為線圈電感量變化的傳感器，又稱電感式位移傳感器。這種傳感器的線圈匝數和材料導磁系數都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當把線圈接入測量電路并接通激勵電源時，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。電感式傳感器的特點是：①無活動觸點、可靠度高、壽命長；②分辨率高；③靈敏度高；④線性度高、重復性好；⑤測量范圍寬（測量范圍大時分辨率低）；⑥無輸入時有零位輸出電壓，引起測量誤差；⑦對激勵電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高；⑧不適用于高頻動態(tài)測量。電感式傳感器主要用于位移測量和可以轉換成位移變化的機械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位、比重、轉矩等）的測量。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。在實際應用中，這三種傳感器多制成差動式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。 2.1.2 電容傳感器 此傳感器屬于具有開關量輸出的位置傳感器，是一種接近式開關。它的測量頭通常是構成電容器的一個極板,而另一個極板是待測物體的本身。當物體移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化。由此，便可控制開關的接通和關斷。本裝置中電容傳感器是用于檢測鋁質材料。 電容式傳感器選擇OMRON的E2K—X81ME1型，技術參數如表3.2： 表3.2 電容式傳感器技術參數 工作電壓 10-30V 額定電流 200MA 感應距離 8mm 圖3.3 電容傳感器工作原理圖 圖3.4 電容傳感器E2K—X81ME1成品圖 電容傳感器介紹：用電測法測量非電學量時，首先必須將被測的非電學量轉換為電學量而后輸入之。通常把非電學量變換成電學量的元件稱為變換器；根據不同非電學量的特點設計成的有關轉換裝置稱為傳感器，而被測的力學量（如位移、力、速度等）轉換成電容變化的傳感器稱為電容傳感器。從能量轉換的角度 而言，電容變換器為無源變換器，需要將所測的力學量轉換成電壓或電流后進行放大和處理。力學量中的線位移、角位移、間隔、距離、厚度、拉伸、壓縮、膨脹、變形等無不與長度有著密切聯(lián)系的量；這些量又都是通過長度或者長度比值進行測量的量，而其測量方法的相互關系也很密切。另外，在有些條件下，這些力學量變化相當緩慢，而且變化范圍極小，如果要求測量極小距離或位移時要有較高的分辨率，其他傳感器很難做到實現(xiàn)高分辨率要求，在精密測量中所普遍使用的差動變壓器傳感器的分辨率僅達到1～5 μm數量級；而有一種電容測微儀，他的分辨率為0.01 μm，比前者提高了兩個數量級，最大量程為1005 μm，因此他在精密小位移測量中受到青睞。 對于上述這些力學量，尤其是緩慢變化或微小量的測量，一般來說采用電容式傳感器進行檢測比較適宜，主要是這類傳感器具有以下突出優(yōu)點： (1)測量范圍大其相對變化率可超過100%； (2)靈敏度高，如用比率變壓器電橋測量，相對變化量可達10-7數量級； (3)動態(tài)響應快，因其可動質量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動態(tài)測量，也可靜態(tài)測量； (4)穩(wěn)定性好由于電容器極板多為金屬材料，極板間襯物多為無機材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高溫、低溫強磁場、強輻射下長期工作，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測難題。 2.1.3 顏色傳感器 此傳感器屬于具有開關量輸出的位置傳感器。它是在Si等多數光電二極管之前，分別放置R（紅）、G（綠）、B（藍）三種顏色的彩色濾光器，以便處理各自的輸出信號并識別彩色的方法。材料分揀系統(tǒng)采用它主要是用來識別綠色與黃色的材料。本系統(tǒng)共設置了三個檢測材料的傳感器，同時預留了一個空余的電磁閥與氣缸用來添加其它的傳感器。用戶可以根據自己的需求選擇相應的傳感器安裝即可。 選用TAOS公司生產的，型號為TCS230顏色傳感器。此傳感器為RGB(紅綠藍) 顏色傳感器，可檢測目標物體對三基色的反射比率，從而鑒別物體顏色。TCS230傳感器引腳如下圖所示。 圖3.5 TCS230顏色傳感器 圖3.6 顏色傳感器TCS230成品圖 RGB 顏色傳感器介紹： TCS230是美國TAOS公司生產的一種可編程彩色光到頻率的轉換器。該傳感器具有分辨率高、可編程的顏色選擇與輸出定標、單電源供電等特點；輸出為數字量，可直接與微處理器連接。它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉換器集成在一個單一的CMOS電路上，同時在單一芯片上還集成了紅綠藍(RGB)三種濾光器，是業(yè)界第一個有數字兼容接口的RGB彩色傳感器。TCS230的輸出信號是數字量，可以驅動標準的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其它邏輯電路相連接。由于輸出的是數字量，并且能夠實現(xiàn)每個彩色信道10位以上的轉換精度，因而不再需要A/D轉換電路，使電路變得更簡單。TCS230采用8引腳的SOIC表面貼裝式封裝，在單一芯片上集成有64個光電二極管。這些二極管共分為四種類型。其中16個光電二極管帶有紅色濾波器，16個光電二極管帶有綠色濾波器，16個光電二極管帶有藍色濾波器，其余16個不帶有任何濾波器，可以透過全部的光信息。這些光電二極管在芯片內是交叉排列的，能夠最大限度地減少入射光幅射的不均勻性，從而增加顏色識別的精確度；另一方面，相同顏色的16個光電二極管是并聯(lián)連接的，均勻分布在二極管陣列中，可以消除顏色的位置誤差。工作時，通過兩個可編程的引腳來動態(tài)選擇所需要的濾波器。該傳感器的典型輸出頻率范圍從2Hz~500kHz，用戶還可以通過兩個可編程引腳來選擇100%、20%或2%的輸出比例因子，或電源關斷模式。輸出比例因子使傳感器的輸出能夠適應不同的測量范圍，提高了它的適應能力。 當入射光投射到TCS230上時，通過光電二極管控制引腳S2、S3的不同組合，可以選擇不同的濾波器；經過電流到頻率轉換器后輸出不同頻率的方波(占空比是50%)，不同的顏色和光強對應不同頻率的方波；還可以通過輸出定標控制引腳S0、S1選擇不同的輸出比例因子，對輸出頻率范圍進行調整，以適應不同的需求。 S0、S1用于選擇輸出比例因子或電源關斷模式；S2、S3用于選擇濾波器的類型；OE是頻率輸出使能引腳，可以控制輸出的狀態(tài)，當有多個芯片引腳共用微處理器的輸入引腳時，也可以作為片選信號；OUT是頻率輸出引腳，GND是芯片的接地引腳，VCC為芯片提供工作電壓。表2是S0、S1及S2、S3的可用組合。 表3.3 S0、S1及S2、S3 的組合選項 S0 S1 輸出頻率定標 S2 S3 濾波器類型 L L 關斷電源 L L H H 20% L H L H 20% H L L H 100% H H 紅色 藍色 無 綠色 2.2 限位開關的設計 限位開關就是用以限定機械設備的運動極限位置的電氣開關。這種開關有接觸式的和非接觸式的。接觸式的比較直觀，機械設備的運動部件上，安裝上行程開關，與其相對運動的固定點上安裝極限位置的擋塊，或者是相反安裝位置。當行程開關的機械觸頭碰上擋塊時，切斷了（或改變了）控制電路，機械就停止運行或改變運行。由于機械的慣性運動，這種行程開關有一定的“超行程”以保護開關不受損壞。非接觸式的形式很多，常見的有干簧管、光電式、感應式等。 材料自動化分揀系統(tǒng)中,氣缸回位限位開關、氣缸動作限位開關都選用D—C73型號的磁感應開關，控制功率高、作用距離大、結構簡單、成本低、工作穩(wěn)定可靠、壽命長。適合用于自動控制系統(tǒng)中，進行自動檢測、定位、保護等。 它的技術參數如表3.4所示： 表3.4 限位開關的技術參數 額定電壓 DC24V AC110V 額定電流 DC：5~40mA AC: 5~20mA 而震程度 10~50HZ 使用溫度 0~60攝氏度 2.3 電磁閥的設計 ABS壓力調節(jié)器的4個常開進油電磁閥的最大起動電流約為3.6 A;4個常閉出油電磁閥最大起動電流約為2.4 A。而L9439的工作電壓4.5～32 V，兩路通道內阻0.2Ω，最大負載電流3A；另兩路內阻0.3Ω，最大負載電流5A，恰好能滿足ABS常開和常閉電磁閥的驅動電流要求，而且較低的導通內阻又能保證低功耗，因此L9349非常適合進行ABS電磁閥的驅動控制。電磁閥驅動電路原理圖見圖3.7。 圖3.7 電磁閥驅動電路原理圖 在圖中，每片L9349能驅動4個電磁閥工作，屬于典型的低端驅動。通過Vs端口給芯片提供12V供電電壓；當給輸入端IN1～IN4 PWM控制信號，就能方便地控制輸出端以驅動4路電磁閥工作，OUT1和OUT2端口的最大驅動能力為5A，應該連接ABS的常閉電磁閥；OUT3和OUT4端口最大驅動能力為3A，應連接ABS常開電磁閥，不可接反；EN端口為使能端，能通過MCU快速關閉芯片；L9349的數字地和模擬地分開，提高了驅動模塊的抗干擾能力。 2.4 PLC的選型 根據材料分揀系統(tǒng)的工作過程由可知，系統(tǒng)的控制有輸入信號12個，均為開關量。輸出信號有5個，其中一個控制電動機，剩下的控制電磁閥，也都是開關量。 根據分揀系統(tǒng)的需要配置出I/O對應功能，如表3.5所示： 表3.5 I/O接線表 輸 入 部 分 X010 SFW2 X011 SFW3 氣缸動作限位開關 氣缸動作限位開關 氣缸動作限位開關 氣缸動作限位開關 電感傳感器 電容傳感器 顏色傳感器 氣缸回位限位開關 氣缸回位限位開關 氣缸回位限位開關 氣缸回位限位開關 判斷下料有無 (下料傳感器) X017 X013 X000 X001 X002 X005 X006 X007 X015 X014 SFW4 SFW5 SA SB SC SBW2 SBW3 SBW4 SBW5 SN 輸 出 部 分 Y000 Y001 Y003 Y004 Y005 YV2 YV3 YV4 YV5 M 先導式電磁換向閥11 先導式電磁換向閥10 先導式電磁換向閥 9 先導式電磁換向閥13 傳送帶 再根據PLC選型的要求，在實際統(tǒng)計的輸入/輸出點數的基礎上需15%---20% 的備用量，因此選擇三菱FX2N—32MR的PLC作為主機，它可以滿足本系統(tǒng)的需求，且還有一定的剩余I/O以備將來的擴展。 2.5 PLC輸入輸出接線端子圖 根據表3.5，利用AutoCAD繪圖軟件可以繪制出PLC的輸入輸出接線端子圖，如下圖3.8所示。 圖3.8 PLC輸入輸出接線端子圖 3 系統(tǒng)軟件設計 軟件設計是PLC控制系統(tǒng)的核心，程序設計的主要任務是根據控制要求及工藝流程，畫出狀態(tài)流程圖并設計出梯形圖。材料自動分揀系統(tǒng)采用三菱公司的FXFP_WIN_C作為編程軟件，此軟件是專為三菱PLC而設計的編程軟件，適用于FX型號的PLC?？梢酝ㄟ^梯形圖符號、指令語句以及SFC符號創(chuàng)建編輯程序，還可以在程序中加入中文或者英文注釋，并且還可以通過該軟件監(jiān)控PLC運行時各編程元件的狀態(tài)及數據變化，還具有程序和監(jiān)控結果打印的功能。 3.1 控制系統(tǒng)流程圖設計 根據系統(tǒng)生產工藝的要求，分析各個設備的操作內容和操作順序，可畫出程序流程圖，如下圖4.1所示。 圖4.1 控制系統(tǒng)流程圖 該系統(tǒng)可選擇連續(xù)或單次運行工作狀態(tài)。若為連續(xù)運行狀態(tài)，則系統(tǒng)軟件設計流程圖中的汽缸4 動作后，程序再轉到開始;若為單次運行，則汽缸4 動作后停機。如果需要，該系統(tǒng)可在分揀的同時對分揀的材料進行數量的統(tǒng)計，這只需在各汽缸動作的同時累計即可。應用高速計數器編制程序，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的定位控制功能。用高速計數器計數步進電機轉過的圈數，來確定物料到達傳感器的距離，實現(xiàn)定位功能。定位時，電機停轉，計數器清零，傳感器開始工作，對物料進行分揀處理。在汽缸1～3 動作后，電機重新運行，高速計數器也重新計數。 如果相應的傳感器沒有檢測到物體，則電機重新運行，高速計數器也重新計數，繼續(xù)運行到下一位置。如果只對材料的某一特性進行分揀，比如只分揀金屬和非金屬，則只需對傳感器的安放或程序進行修改即可。 3.2 PLC梯形圖程序設計 根據材料自動分揀系統(tǒng)的要求設計出梯形圖，梯形圖的部分程序分析如下： 1、啟動材料自動分揀機，開關X014判斷是否有材料，無材料系統(tǒng)運行30S后自動停下，送料汽缸啟動電機停止轉動，汽缸限位開關運作，傳送帶停止動作。 2、開關X014判斷有無材料，如有材料，汽缸限位開關運作，系統(tǒng)每隔2S送一次料，系統(tǒng)開始自動分揀動作。 3、開關X0、X2、X1傳感器開關開始運作，如檢測到相對應的材料，則汽缸運作推動物體到相應的物品槽里，如無檢測到相應的物體，則繼續(xù)運作到下個傳感器進行檢測，檢測完畢自動進行結束。然后繼續(xù)下一輪的檢測。 3.3 整體梯形圖 3.4 PLC程序指令表 根據系統(tǒng)的程序流程圖，設計出材料自動分揀系統(tǒng)中PLC程序的指令表： 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 總結 這次的畢業(yè)設計制作過程中，感觸最多的就是知識面的匱乏，此次畢業(yè)設計是我們從大學畢業(yè)生走向未來工程師重要的一步。從最初的選題，開題到選型、制作直到完成設計。其間，查找資料，老師指導，與同學交流，反復修改PLC程序，每一個過程都是對自己能力的一次檢驗和充實。 實際的設計工作中，出現(xiàn)了不少難題：傳感器很容易受到外界因素的干擾；PLC的選型以及程序的設計；組態(tài)仿真調試監(jiān)控等。通過多次試驗與實踐，以上問題基本上得到了解決。 根據自動分揀系統(tǒng)的任務書，由于時間的倉促和知識面的狹窄，導致了一些性能沒有達標。如傳感器模塊，沒有使用到光電傳感器測量尺寸，也沒有扎實的去學習氣動裝置的相關知識，進一步的提高材料自動分揀系統(tǒng)的輸出性能。 如何進一步提高材料自動分揀系統(tǒng)的控制性能，工作展望如下: 一、進一步提高傳感器的性能，找出一系列可靠的參數，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。 二、進一步研究PLC在材料自動分揀系統(tǒng)的核心控制能力，努力改進出更精簡更實效的程序。 三、進一步分析MCGS組態(tài)仿真軟件材料自動分揀系統(tǒng)中的調試監(jiān)控能力。 四、進一步分析研究各種分揀系統(tǒng)地優(yōu)劣，比如以PLC為控制核心的材料自動分揀系統(tǒng)和以RAM芯片為控制核心的材料自動分揀系統(tǒng)，提高材料分揀系統(tǒng)的綜合性能，研究出對現(xiàn)代工業(yè)更加有用的材料自動分揀系統(tǒng)。 畢業(yè)設計收獲很多，比如學會了查找相關資料相關標準，分析數據，提高了自己的編寫程序的能力，懂得了許多經驗功能的應用，獲得是前人不懈努力的結果。同時，加深了對組態(tài)軟件的認識，能熟練使用MCGS對系統(tǒng)進行監(jiān)測和控制。 在材料自動分揀系統(tǒng)的研究中，我進一步了解了物料自動分檢控制系統(tǒng)的用途及工作原理，熟悉了物料自動分檢控制系統(tǒng)的設計步驟，鍛煉了工程設計實踐能力，培養(yǎng)了自己獨立設計能力。此次畢業(yè)設計是對我專業(yè)知識和專業(yè)基礎知識一次實際檢驗和鞏固，同時也是走向工作崗位前的一次熱身。 參考文獻 1張福學. 2004/2005傳感器與執(zhí)行器大全——傳感器?變送器?執(zhí)行器——年卷 北京：機械工業(yè)出版社,2005.12 2 梅曉榕，柏桂珍，張瑞．自動控制元件及線路．科學出版社,1993年8月 3 王順晃，舒迪前．智能控制系統(tǒng)及其應用．機械工業(yè)出版社,2005年7月 4 韓兵，于飛．現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)應用實例．化學工業(yè)出版社,2006年8月 5 凌志浩．現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網．機械工業(yè)出版社,2006年9月 6 姚錫祿．現(xiàn)場總線控制技術．高等教育出版社,2006年6月 7 賈貴禮，吳尚慶．組態(tài)軟件控制技術．北京理工大學出版社,2007年8月 8 張華．電類專業(yè)畢業(yè)設計指導．機械工業(yè)出版社,2001年4月 9 機械工業(yè)職業(yè)技能鑒定指導中心．電工基礎．機械工業(yè)出版社,1999年5月 10 周圍，楊曉非，李實秋．電路分析基礎．人民郵電出版社 11 MCGS培訓教程．北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司 12 張文明，劉志軍．組態(tài)軟件控制技術．清華大學出版社．北京交通大學出版社 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