毕业设计（论文）题目：物料自动分拣系统
教学院：电气与电子信息工程学院
专业名称：电气工程及其自动化
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摘要
PLC技术，控制起来非常简便，并且它能够承受高温及其他的恶劣的环境条件，所以plc比起单片机来，工业上优先使用plc，它已经成为了当代工业流水线和企业最受欢迎的自动化控制方法。
PLC技术融合了传统的继电控制技术，现代的计算机技术，以及发达的通信技术，专门为了工业应用和工厂设备而设计。并且具有：使用方便，编程简单，功能强，性价比高，可靠性强，抗干扰能力强，适应性强，后期处理、维修简单方便等诸多优点，比起单片机来更加可靠与实用，这就是人们选择plc的“内”因。再加上plc小巧的外形包装，超低的重量，和超小的功耗这些“外”因，使得plc越来越受工业企业的推崇与喜爱。
本文论述物料自动分拣系统，主要应用PLC技术，辅助以启动装置，位置技术，现场总线技术，电机拖动原理，电气传动技术，传感技术，自动检测技术等设计而成，对大批的物料进行自动分拣的工作，完成分门别类的放置物料。本系统具有很多的优点，例如，运行起来比较稳定，精度与敏捷度，自动化的程度都很高，而且非常便于使用和控制，如果你想使用它来分装另一批货物的话，只需要动动手指，对本系统稍加修改，对本程序稍作处理即可。
关键词:plc；可编程控制器；分拣装置系统；控制系统；感应系统
ABSTRACT
PLC technology, control is very simple, and it can withstand high temperatures and other harsh environmental conditions, so PLC than SCM, industry give priority to the use of PLC, it has become the automatic control method of the most popular contemporary and industrial assembly enterprises.
PLC technology combines the traditional relay control technology, modern computer technology and communication technology developed, specifically for industrial applications and factory equipment and design. And has the merits of easy use, simple programming, strong function, high price, high reliability, strong anti-jamming ability, strong adaptability, post processing, maintenance is simple and convenient, compared with the single chip microcomputer to more reliable and practical, this is what people choose PLC "in". Plus PLC compact appearance package, low weight, and small power consumption for these "outside", makes the PLC more and more respected and loved in industrial enterprises.
In this paper, automatic material sorting system, the main application of PLC technology, aided by starting device, location technology, field bus technology, driving principle of the motor, the electric transmission technology, sensor technology, automatic detection technology and design, for a large number of material for automatic sorting, complete categories of placing the material. The system has many advantages, for example, up and running stability, precision and agility, high degree of automation, and very easy to use and control, if you want to use it to packaging another batch of goods, only need to fingertips, of the system slightly Acacius change of the programs are slightly can handle.
Key words: PLC; programmable logic controller; sorting device system; control system; induction system
目录
绪论 (1)
1.1 物料分拣系统概述 (2)
1.2 物料分拣系统的发展现状与趋势 (3)
1.3 研究的目的及意义 (8)
第1章材料分拣装置结构及总体设计 (9)
1.1 材料分拣装置工作过程概述 (9)
1.2 系统的技术指标 (10)
1.3 系统的设计要求 (10)
1.3.1 功能要求 (10)
1.3.2 系统的控制要求 (11)
第2章控制系统的硬件设计 (12)
2.1 系统的硬件结构 (12)
2.2 硬件选型与硬件组态 (12)
2.2.1 确定I/ O 点数 (13)
2.2.2 PLC 的选择 (13)
2.2.3 PLC的输入输出端子分配 (13)
2.2.4 PLC输入输出接线端子图 (15)
2.3 检测元件与执行装置的选择 (15)
2.3.1 步进电机的选择 (16)
2.3.2 旋转编码器的选择 (16)
2.3.3 电感式传感器的选择 (17)
2.3.4电容式传感器的选择 (18)
2.3.5 颜色传感器 (19)
2.6 光电编码器 (21)
第3章控制系统的软件设计 (23)
3.1 控制系统流程图设计 (23)
3.2 控制系统程序设计 (24)
第4章控制系统的调试 (29)
4.1 硬件调试 (30)
4.2 软件调试 (30)
4.3 整体调试 (31)
结论 (32)
参考文献 (33)
附录 (34)
致谢 (39)
绪论
1.1 物料分拣系统概述
当代，随着机器人代替人类的生产和劳动，机械化和自动化的普及与应用，越来越多的企业和工厂把自己的视线集中到了成本低、效率高的自动化上来，而plc以它特低的性价比，走入了人们的视线，应用plc技术更是成为了企业和工厂的首选。Plc技术可以代替人类去做一些重复的。无聊的工作。而使用plc技术设计的物料自动分拣系统，更是可以取代大量工人的劳动，并且比人工劳动的效率更高，分拣的速度，种类，分拣量，都要比人工劳动好，大大节省了劳动力。使用plc技术已经是是企业和工厂首选之法。
特别是像一些物流公司，杂货公司，那些需要进行，不得不去进行物料分拣的企业和公司，一直以来都是人工的进行分拣，由于工人们工作会产生疲劳效应，因“人”不是“机器人”，而导致生产效率低，分拣效率低，流水线技术不够先进，导致公司或企业的生产速度慢，并且占用了大量的人力资源，造成了资源浪费，并且浪费企业的资金。影响了公司的业绩，阻碍了公司的优化之路。因此，plc物料自动分拣装置，能够完全弥补这一不足，让企业更有竞争力，解放大部分的生产力，为公司，工厂节约了成本，提高了效率。这是一些企业和公司优化的必选，这也是自动化发展的趋势与人类社会发展的需要。随着自动化的普及与发展，plc物料自动分拣装置取代人类劳动已成为必然。
物料自动分拣系统是通过把写好的程序输入装置里面，通电之后就能够不停歇的，连续的，无误差的进行工作，不像人类工作效率低速度慢，使用plc技术，显著地提高了效率。并且，根据plc的特点，受到环境因素和工作因素的影响很小，装置检测、使用和维修，后期更换等非常方便。Plc的发展已经成为社会的必然。一个分拣系统装置根本不够用的，两个，多个分拣装置系统很有可能被应用在一个公司，一个生产线上，这足以证明plc分拣系统有着很大的发展前景和市场空间。
一个plc物料自动分拣系统可以应用在各个不同的工厂或者企业，一个企业的各个不同的地方，它受大多自动化公司或企业的青睐。
PLC因其控制方便，编程简单，能够承受高温、高压等恶劣的环境等特点，并且后期维护费用少，已经成为了目前企业、工业最常用的自动化控制方法。PLC技术，加上启动装置，位置技术，现场总线技术，电机拖动原理，电气传动技术，传感技术，自动检测技术，构成了一个有机的整体，把他们结合起来，完全就是应用自动化生产技术公司生产现场的缩影。
本论文向大家清楚地展示了PLC控制系统的软硬件，控制程序的流程以及软硬件的调试和使用，还附有程序流程图，让大家对plc物料自动分拣系统有一个简单的了解，以便于大家以后的应用。
1.2 物料分拣系统的发展现状与趋势
相信大家都知道，我们国家是一个发展中国家，自动化程度远远没有那些发达国家高。在发达国家，他们工厂或者生产线流水线上，采用的都是自动化程度高的自动化系统，解放了生产力。而在我国，发达程度低，改革开放时技术革新慢，技术只在追着别人跑，大部分的物料分拣用的都是人工作业，这就在一定程度上限制了我们国家的发展。但是呢，即使是在一些发达国家，他们也没有使用高度自动化系统，究其原因，无非是投资大，技术太高没有相关的人员可以驾驭得了，高度自动化系统需要专业的技术人员去操作，还要有可靠的公司提供技术与人员的支持。所以这也是自动化没有大大普及的原因吧。
还有一个原因，就是由于系统对物料的包装、物料的颜色，物料的材料等要求非常高，需要采用统一的标准化的包装，才能应用自动分拣装置对大部分商品进行自动分拣，这是很困难的一件事，要对所有的商品包装商和商品供应商进行统一的规划。要是专门为一个公司订制的一个自动分拣系统，这耗费的人力物力财力又大大超出消费指标，后期维修及其他相关工作难度很大。
说了这么多的缺点，但是我相信随着社会的高速发展，自动化越来越普及，即使是物料分拣系统有这么多的不足之处，在一切都讲求效率的时代，人们肯定会越来越重视plc物料自动分拣系统。本设设计出了一个高效的，安全的，低成本的plc物料自动分拣装置，就在一定程度上解决了那些大大小小的问题难题。
1.3 研究的目的及意义
物料分拣系统中，物料传感器，传送皮带，步进电机，气缸以及其它精密仪器的使用、发展、更新换代，使得自动化程度越来越发达，越来越高级，能够满足人们的需求，代替人们去完成各种恶劣艰苦条件下（高温，高压，大风，大雨，危险地方，腐蚀环境，有毒气体环境）的重复单一，枯燥无味的工作，比如搬运货物，传送物体，物料分拣之类的工作。正是因为这样，plc物料自动分拣系统被物流公司，冶金厂，电子厂，制造厂，运输公司，以及其他用得到的公司所看好，在当代企业和工业中的应用得到了广泛的认可。
以中央处理器为核心，结合计算机技术，电气拖动技术，电机技术，微机控制技术，自动控制原理，等先进技术和高科技应用，使得plc物料自动分拣装置具有了效率高、使用简单方便、功能完善程度高，组装简单容易，编程不是那么复杂，功耗低等一系列优点；同时也使得plc物料自动分拣系统装置占据了企业、工厂的举足轻重的地位。目前，有物料分拣装置的公司和企业大多采用plc进行控制，因为plc能够在那些恶劣的条件下进行作业。
并且，plc结合一些精密的仪器，达到了传感度高，性能好，故障率低，可靠性高，能够对不同颜色，不同材料，不同温度的物料进行按照人们要求进行分类。正因如此，一些流水线作业和自动化生产更喜欢使用plc物料自动分拣装置。人们按照自己的意愿编写好程序，输入到plc装置中，就能让plc系统装置代替人们在恶劣条件下进行烦劳单调的工作，要是分拣的物料或者其他什么条件需要改变时，也仅仅是改变他输入的程序即可。Plc自动分拣装置的这些优点，大大降低了成本费用，人工费用，以及额外支出的费用。
本课题讲述的是PLC自动分拣系统装置，结合其他工艺技术，能够完成如下工作：1、对不同颜色和不同种类的物料进行分拣（这种技术广泛应用于中小批量的自动化生产的流水线），2、可部分代替人们在高温作业区进行作业，3、可部分代替人们在危险区进行作业（这种作业是单调持久的）。如果分拣对象或者位置发生了改变时，仅仅只需改变输入程序，加一些小小的改动，就能很快地进入使用，非常方便，又节省了一部分费用。
第1章材料分拣装置结构及总体设计
Plc物料自动分拣装置应用了plc技术，电机拖动技术，电气传动技术，微机控制技术，传感器技术，位置控制技术，电力电子技术，自动控制原理，现代控制原理等一系列电气工程及其自动化技术，这是我们所学习的技术，以及将来作为一名合格的高级电气工程师所必备的技术，这就是我们以后从事单位的缩影。
本章主要介绍了应用plc物料自动分拣装置的工艺选材，工作过程以及过程中的控制要求。对工作环境，工作要求，工作特点，和过程中的要求和特点进行详细的阐明。
1.1 材料分拣装置工作过程概述
下图所示为自动分拣装置的工作原理图：
图1-1 物料自动分拣系统装置结构示意图
物料自动分拣装置内置电源，有五个气缸，气体压缩机，二联体过滤器，电磁阀组，步进电机，传输带，光电码盘，下料槽，卸料槽，气缸回位限位，电感传感器，电容传感器，气缸动作限位，颜色传感器，下料传感器，备用传感器等一系列装置。他们以各
自的位置排列在装置内的不同位置，并且可以根据实际需要进行重新排版，增加或者减少一些其他的元件。
整个plc自动分拣装置通电以后，程序先启动步进电机，步进电机带动传送带进行运转。若是传送带上没有物料，那么，传送带运行一周后自动停止工作。若是传送带上有物料，那么，下料传感器检测到物料之后，传送信号给plc，传送带继续运转，气动阀5开始工作。当电感传感器检测到物体为铁材料的话，气动阀1将把物料进行推动，筛选出该物料；当电容传感器检测到物料为铝材料时，气动阀2开始工作，筛选出该物料；当颜色传感器检测到该物体为所选颜色后，气动阀3开始工作，筛选出该物料。还有一个备用传感器，可进行某种颜色的某种材料的物料的筛选工作。根据不同需要，调整编写程序。就能实现对物料的分拣工作。
1.2 系统的技术指标
输入电压：AC200～240V（带保护地三芯插座）
消耗功率：250W
环境温度范围：-5～40℃
气源：大于0.2MPa小于0.85Mpa
1.3 系统的设计要求
根据控制对象的不同，我们所编写的程序，选用的设备也会有所不同。我们要分析所需和所求。
1.3.1 功能要求
材料分拣装置应实现基本功能如下：
（1）分拣出金属和非金属
（2）分拣某一颜色块
（3）分拣出金属中某一颜色块
（4）分拣出非金属中某一颜色块
（5）分拣出金属中某一颜色块和非金属中某一颜色块
1.3.2 系统的控制要求
PLC物料自动分拣系统利用电容传感器，电感传感器，颜色传感器和备用传感器对所有物料进行分拣工作。所有物料通过步进电机带动皮带进入工作区域，当通过不同的传感器时，相应的气缸进行工作，将物料进行筛选。
控制要求有以下几个方面：
（1）系统送电后，光电编码器便可发生所需的脉冲
（2）电机运行，带动传输带传送物体向前运行
（3）有物料时，下料汽缸动作，将物料送出
（4）当电感传感器检测到铁物料时，推汽缸1 动作
（5）当电容传感器检测到铝物料时，推汽缸2 动作
（6）当颜色传感器检测到材料为某一颜色时，推汽缸3 动作
（7）其他物料被送到SD 位置时，推汽缸4 动作
（8）汽缸运行应有动作限位保护
（9）下料槽内无下料时，延时后自动停机
第2章控制系统的硬件设计
PLC物料自动分拣系统的硬件设计，根据被控对象选择相应的plc控制系统，确定控制系统能够满足物料分拣的各项要求，性能要切合实际，既不能浪费，又不能造成过大的误差，满足不了要求。这需要我们去选择合适的PLC硬件系统。
2.1 系统的硬件结构
PLC物料自动分拣系统的硬件结构框图，如下图所示。
图2-1 系统的硬件结构框图
2.2 硬件选型与硬件组态
根据控制系统的需要，进行plc的选型，然后进行I/O口的分配。
2.2.1 确定I/ O 点数
根据本设计的需要，系统的部件有电感传感器，电容传感器，备用传感器，颜色传感器，五个气缸，启动和停止信号，总计需要24个I/O口，18个I口，6个O口。
2.2.2 PLC 的选择
本系统装置选用开关量控制，选用西门子公司的S7-200系列CPU226 型PLC。既节约成本，不会造成浪费，又满足本系统的需求。
2.2.3PLC的输入输出端子分配
根据所选择的PLC型号，对本系统中PLC的I/O进行如下的分配，如下表所示
表2-1 物料自动分拣装置PLC 输入/输出端子分配表
2.2.4PLC输入输出接线端子图
根据上表我们可以绘制出本设计PLC的接线端子图，如下图所示。
图2-2 PLC输入输出的接线端子图
2.3 检测元件与执行装置的选择
检测元件首先要保证符合系统的配置，要让整个装置能够安全可靠的工作，其次要物美价廉，最后整个装置看起来要协调。
2.3.1 步进电机的选择
步进电机是整个系统动力的来源。步进电机的控制是由脉冲信号的频率和脉冲数决定的，不会受到负载变化的影响，它的旋转是以固定的角度运行的，通过控制脉冲的个数来控制为一辆，通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，来达到精确控制电机的目的。由于传统脉冲跟不上时代的节奏，本设计采用微机控制产生脉冲，代替传统的脉冲发生器，用软件的方法产生控制脉冲，通过这种方法控制步进电机的运行状态，包括电机的速度，加速度，运行的角度，旋转的角度。用软件控制电机，使得电路没那么复杂，在一定程度上减小了误差，提高了效率。步进电机作为整个系统的动力源，带动皮带进行物料的运输，与旋转编码器相连。
为了达到精确控制物料的筛选，就要严格控制电机的运作，精确电机的定位，因此，PLC物料自动分拣系统步进电机选用的型号为42BYGH101。
2.3.2 旋转编码器的选择
旋转编码器是用来测量转速的装置，同时也能使用PWM技术实现快速调速，是一款以光、电、机三大技术为核心的速度位移传感器。旋转编码器具有分辨率高，功率损耗低，体积小这些优点，能够很好地与PLC物料自动分拣装置很好的嵌合在一起，形成一个完美的plc物料自动分拣装置。旋转编码器用来记录步进电机的运动，每当步进电机转一圈的时候，旋转编码器也跟着转一圈，旋转之后，旋转编码器吧信号传送给PLC物料自动分拣系统，系统就会按照步进电机的转动来下达指令。简单地来说，旋转编码器就是把步进电机的脉冲量转化为物料皮带上的位移量。通过旋转编码器，就可以实现PLC 系统对皮带上的物料的位置进行控制。当物料经过相应的传感器时，系统就会指定相应的气缸进行运作，完成物料的筛选。
PLC物料自动选用E6A2CW5C 旋转编码器,原理如下图所示。
光
电
码
盘
图2-3旋转编码器的原理示意图
2.3.3电感式传感器的选择
电感式传感器 inductance type transducer电感式传感器的原理是电磁感应，将感应到的物理量，转化为电量的一款仪器。可被检测的物理量有位移、压力、流量、频率，加速度，厚度等等诸多物理量，利用这些物理量对电感产生的系数的变化，实现由被测信号到电量的转化。
电感式传感器又称位移式传感器，它的结构简单，由铁芯、线圈和一部分电路组成，测量时，需要将一部分线圈接入被测电路，一点点被测量的变化都能被感应到，与plc 结合，可以实现在酸性碱性环境下进行作业，可靠性很高，工作寿命长。同时，电感式传感器的分辨率和灵敏度都很高，能检测到细小的变化，并且是线性的，可重复的，不会漏记，错记，或是重记，非常好用。inductance type transducer 虽有频率响应低，可快速控制性低等缺点，但这不影响它在PLC物料自动分拣系统中的应用。
本设计中的电感式传感器是用来检测金属物料。
PLC物料自动分拣系统选用M18X1X40 电感传感器。
M18X1X40 电感传感器接线图如下图：
图2-4 M18X1X40 电感传感器接线图
M18X1X40 电感传感器原理图如下图：
图2-5电感传感器的工作原理图
2.3.4电容式传感器的选择
电容式传感器，可以测量的东西有很多，和电感式传感器一样可以测量位移、压力、流量、频率，加速度，厚度等，不过它还可以测量物质的温度，密度和湿度。电容式传感器capacitive type transducer 它是将测到的物理量的变化转化为电容量的变化，来实现由非电量到电量之间的转换。主要元件就是一个可变电容，主要分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三大类。电容式传感器的结构简单，稳定性好，适应性强，动态响应好，灵敏度高，可以实现不用接触就能测量，但是电容传感器也有他的缺点，它不像电感传感器是线性的，它比电感的阻抗高很多，因此负载能力也就差。
下图为本系统所选的电容式传感器的工作原理图：
图2-6电容式传感器的工作原理图
2.3.5 颜色传感器
颜色传感器，顾名思义，就是检测物体的颜色，通过检测物体的三基色RGB(红绿蓝)的反射比率来确定物体本身的颜色，将物体的颜色与设定的颜色相比较，然后传递信号给plc系统，以便选择符合颜色的物料。颜色传感器可以分辨人类肉眼难以分辨的细小差距的颜色，对颜色的分辨度更为敏感，同时它也更加快捷。
PLC物料自动分拣系统选用TAOS公司最新生产的TCS230颜色传感
TCS230传感器的引脚如下图所示：
图2-7 TCS230颜色传感器引脚分布图
RGB 颜色传感器介绍：
TCS230是美国TAOS公司生产的一款高性能的颜色传感器。该款颜色传感器带有电流、频率转化器，具有数字兼容接口，可直接与微处理器或者其他电路相连接。它的输入量是颜色，通过硅光电二极管阵列和一个电流／频率转换器将检测到的信号转化为电信号（这些集成在一个CMOS电路上）。TCS230颜色传感器的输出是数字量，可与其他微机电路相连。TCS230芯片内含一个交叉连接的８×８光电二极管阵列，都可以通过编程实
现对这些光电二极管的操作，来达到精简电路的目的。
这些使得TCS230的具有分辨率高，误差小，检测范围广，电路简单，操作简单，使用简单等优点，但也存在编程稍微复杂的特缺点。
引脚S0、S1为输入端口，输出频率分频系数选择输入端；OE也是输入端口，输入频率使能端，低电平有效，可以控制输出的状态；GND为芯片电源接地端；VDD为芯片电源电压端。OUT为频率输出端口，输出频率（fo）。S2、S3为输入端口，是光电二极管类
型选择输入端，选择滤波器的类型。正因为有了这些，使得组合S0、S1和S2、S3可以达到不同的使用目的。