課程設計—材料分揀控制系統.doc

材料分揀控制系統設計自動化專業(yè)課程設計1 設計要求設計于東控制系統模擬自動化工業(yè)生產過程，通過傳感器采集信號，利用PLC控制器實現對電機和氣缸的控制，完成對不同材料的分揀，系統的調速定位控制可進行PID控制主要技術參數1電源：AC220V10%（帶保護地三芯插座）2氣源：0.2Mpa0.85Mpa潔凈壓縮空氣3分揀內容：（1）金屬與非金屬料塊（2）某一顏色料塊（3）金屬中某一顏色料塊（4）非金屬中某一顏色料塊（5）金屬中某一顏色料塊和非金屬中某一顏色料塊建議分揀顏色為：紅、黃、藍；建議分揀材料為：鐵、鋁、塑料4 外形尺寸：800X500X1100 mm2 設計方案實物圖 圖一 材料分揀裝置結構圖(正面)1-輸送帶；2-輸送帶驅動電機；3-料塊倉庫；4-分類儲存滑道；5-料倉料塊檢測傳感器；6-電感式識別傳感器；7-電容式識別傳感器；8-顏色識別傳感器；9-旋轉編碼器；10-手動操作盤 圖二 材料分揀裝置結構圖(后面)12-氣缸；13-氣源過濾減壓閥；14-電磁閥；15-控制器；16-端子板；17-繼電器；18-功能轉換開關。材料分揀裝置由料塊倉庫、電動輸送帶、自動分揀部件、控制器和手動操作盤組成，如圖一和圖二所示。 料塊倉庫是一個手動入庫自動出庫的部件。使用時可將料塊放入倉庫中，當光電傳感器感測到料塊時系統開始運行，即啟動輸送帶并由出庫氣缸將庫內最底層料塊推入輸送帶。 電動輸送帶是由交流減速電機驅動的皮帶式水平輸送裝置。它將料塊勻速平穩(wěn)的送至自動分揀部件。 自動分揀部件由傳感器、旋轉編碼器、微型直線氣缸及滑道組成。當傳感器檢測到相應料塊時，對應的氣缸將其推入應去的滑道；當料塊的材料或顏色為非分揀要求時，經旋轉編碼器計量后對應的氣缸將其推入應去的滑道?？刂破鞑捎肞LC。它接受料倉傳感器、各料塊傳感器、旋轉編碼器、氣缸位置傳感器的信號，根據要求分別控制輸送帶電機和各電磁換向閥。手動操作盤可以通過按鈕控制裝置的各種動作，并實現自動運行的啟動。本裝置還可以與其他裝置聯機運行（如本廠生產的機械手模型），構成連續(xù)性生產線模型。 正面背面系統框圖3 設計內容硬件系統1. 電感傳感器電感式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。本系統選用臺灣陽明的PM18-08N或者autonics的PR18-2DN 電感傳感器。原理圖如下圖。 電感傳感器工作原理圖電感傳感器介紹： 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：無活動觸點、可靠度高、壽命長；分辨率高；靈敏度高；線性度高、重復性好；測量范圍寬（測量范圍大時分辨率低）；無輸入時有零位輸出電壓，引起測量誤差；對激勵電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高；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.電容傳感器 電容傳感器也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。本系統選用臺灣陽明的CP18-30N或者autonics的CR1808DN電容傳感器。原理圖如下圖。電容傳感器工作原理圖 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15 m數量級；而有一種電容測微儀，他的分辨率為0.01 m，比前者提高了兩個數量級，最大量程為1005 m，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。3.顏色傳感器選用歐姆龍的E3S-VS1E4或者松下的LX-101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，內置了色敏電阻，是基于內光電效應將光信號轉換為電信號的光輻射探測器件。顏色傳感器介紹：將物體顏色同前面已經示教過的參考顏色進行比較來檢測顏色的機器我們稱之為顏色傳感器。顏色識別在現代生產中的應用越來越廣泛，無論是遙感技術，工業(yè)過程控制，材料分揀識別，圖像處理，產品質檢，機器人視覺系統，還是某些模糊的探測系統都需要對顏色進行探測，而顏色傳感器的飛速發(fā)展，生產過程中長期由人眼起主導作用的顏色識別工作將越來越多地被顏色傳感器所替代。 能將物體的表面顏色轉換成相應的電壓或頻率輸出，應用在彩監(jiān)視器的校準裝置；彩色打印機和繪圖儀；涂料、紡織品和化妝品制造，以及醫(yī)療方面的應用，如血液診斷、尿樣分析和牙齒整形等。4. 光電傳感器光電傳感器是一種小型電子設備，它可以檢測出其接收到的光強的變化。用來檢測物體有無的光電傳感器是一種小的金屬圓柱形設備，發(fā)射器帶一個校準鏡頭，將光聚焦射向接收器，接收器出電纜將這套裝置接到一個真空管放大器上。在金屬圓筒內有一個小的白熾燈做為光源。這些小而堅固的白熾燈傳感器就是今天光電傳感器的雛形。本系統選用FPG系列小型放大器內藏型光電傳感器。原理如下圖所示，其中負載可接至PLC。 FPG光電傳感器原理圖光電傳感器介紹：光電傳感器是指能夠將可見光轉換成某種電量的傳感器。光電傳感器采用光電元件作為檢測元件，首先把被測量的變化轉變?yōu)樾盘柕淖兓缓蠼柚怆娫M一步將光信號轉換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件3部分組成。光電傳感器是將光信號轉換為電信號的光敏器件。它可用于檢測直接引起光強變化的非電量，也可用來檢測能轉換成光量變化的其他非電量。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數多。傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，體積小。近年來,隨著光電技術的發(fā)展，光電式傳感器已成為系列產品，其品種及產量日益增加，用戶可根據需要選用各種規(guī)格的產品，它在機電控制、計算機、國防科技等方面的應用都非常廣泛。 5. 步進電機 步進電機作為執(zhí)行機構用于帶動傳輸帶輸送物料前行，與旋轉編碼器連接在一起?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數，來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。 同時，可以通過控制脈沖頻率來控制材料分揀裝置的可編程控制系統控制電機轉動的速度，達到調速的目的。6. 空氣壓縮機空氣壓縮機是本材料分揀系統裝置中不可缺少的部分 ，它是將電動機的機械能轉換成氣體壓力能的裝置，是壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置?？諝鈮嚎s機的種類很多，按工作原理可分為容積型壓縮機和速度型壓縮機。容積型壓縮機的工作原理是壓縮氣體的體積，使單位體積內氣體分子的密度增加以提高壓縮空氣的壓力；速度型壓縮機的工作原理是提高氣體分子的運動速度，使氣體分子具有的動能轉化為氣體的壓力能，從而提高壓縮空氣的壓力。 空氣壓縮機的選擇主要依據氣動系統的工作壓力和流量。氣源的工作壓力應比氣動系統中的最高工作壓力高20%左右，因為要考慮供氣管道的沿程損失和局部損失。如果系統中某些地方的工作壓力要求較低，可以采用減壓閥來供氣?？諝鈮嚎s機的額定排氣壓力分為低壓（0.71.0MPa）、中壓（1.010MPa）、 高壓（10100MPa）和超高壓（100MPa以上）。本實驗鑒于不需要提供電磁閥過大的壓力（能彈出物料即可），故將氣壓調整在0.2Mpa左右。基于本分揀系統的工作要求選用的是威普德爾工業(yè)機械系列的標準型GL-2.0渦輪空氣壓縮機，產品性能優(yōu)越，效率高，運行可靠。主要是因為它體積少、重量輕、結構精密、運動部件少、無磨損。7. (氣動)電磁閥 電氣轉化組件將電訊號轉化為氣動訊號，電氣訊號輸入控制了氣動輸出。最常用的電-氣轉換組件是電磁閥(Solenoid actuated valves) 。電磁閥既是電器控制部分和氣動執(zhí)行部分的接口，也是和氣源系統的接口。電磁閥接受命令去釋放，停止或改變壓縮空氣的流向，在電-氣動控制中，電磁閥可以實現的功能有：氣動執(zhí)行組件動作的方向控制，ON/OFF開關量控制，OR/NOT/AND 邏輯控制。在電磁閥家族中，最重要的是電 磁控制換向閥(Solenoid actuated directional control valves) 電磁控制換向閥的工作原理：在氣動回路中，電磁控制換向閥的作用是控制氣流通道的通、斷或改變壓縮空氣的流動方向。主要工作原理是利用電磁線圈產生的電磁力的作用，推動閥芯切換，實現氣流的換向。按電磁控制部分對換向閥推動方式的不同，可以分為直動式電磁閥和先導式電磁閥。直動式電磁閥直接利用電磁力推動閥芯換向，而先 導式換向閥則利用電磁先導閥輸出的先導氣壓推動閥芯換向。軟件設計分揀系統的I/O地址分配輸入對應輸入輸出對應輸出I0.0編碼器輸入Q0.0出料口動作I0.1倉儲傳感器輸入Q0.1分揀鐵動作I0.2鐵傳感器Q0.2分揀鋁動作I0.3鋁傳感器Q0.3分揀黃白動作I0.4顏色傳感器Q0.4分揀藍動作I0.5出料口氣缸外定位Q0.5控制電機I0.6鐵質物料分揀氣缸外定位I0.7鋁質物料分揀氣缸外定位I1.0顏色物料分揀氣缸外定位I1.1其他物料氣缸外定位I1.2自動/手動切換開關 PLC梯形圖程序設計網絡1：開關打開后啟動電機，讓傳送帶工作網絡2: SM0.1初始化脈沖，若倉儲傳感器檢測到物料而且開關打開則RS觸發(fā)器輸出1，即出料口動作，彈出一個物料。因為并行關系，同理如果鐵，鋁，顏色，其他物料傳感器檢測到物料動作后，同樣可以讓料倉彈出一個新的物料。復位端接I0.5，即出料后，RS觸發(fā)器輸出0讓推桿收回網絡3：若編碼器有脈沖輸入，電機轉動，則增計數器開始工作通過計量步進電機圈數來確定物料位置。當預設值PV大于450是C0接通。若鐵，鋁，顏色，其他物料傳感器檢測到物料動作后復位到0重新計數，當鐵，鋁，顏色物料被分揀后，避免繼計數重復分揀動作。網絡4：計數值到后，C0接通，在開關開啟的狀態(tài)下，Q0.4得電，分揀其他物料（藍色物料）網絡5：鐵傳感器檢測到物料，I0.2動作，在開關開啟的狀態(tài)下，Q0.1得電，分揀鐵物料網絡6：鋁傳感器檢測到物料，I0.3動作，在開關開啟的狀態(tài)下，Q0.2得電，分揀鋁物料網絡7：顏色傳感器檢測到物料，I0.4動作，在開關開啟的狀態(tài)下，Q0.3得電，分揀顏色物料（黃色，白色物料）網絡8：I0.1取反，即料倉無料后開始計時，連接通電延時計時器T33，精度為10ms，預設值PT為30，T33計數達到30次時，T33閉合網絡9：通過比較指令當T33大于等于3000時，在開關開啟的狀態(tài)下，經取反，Q0.5失電，停止電機，進而停止傳送帶轉動網路10：通過比較指令當T33大于等于3200時，在開關開啟的狀態(tài)下，M0.5工作，停止計數器4 實驗結果分析 實驗現象：當往倉儲中添加多個物料時，系統成功完成分離各個物