垃圾自動分揀機構PLC控制第1章前言最初的分揀系統是完全基于人力的作業系統。通過人工搜索、搬運來完成貨物的提取。這種分揀系統的作業效率低下，無法滿足現代化物流配送對速度和準確性的高要求。隨著科學技術的飛速發展，分揀系統中開始運用各種各樣的自動化機械設備。計算機控制技術和信息技術成為信息傳遞和處理的重要手段。機械化、自動化、智能化成為現代分揀系統的主要特點與發展趨勢。自動分揀系統是二戰后在美國、日本以及歐洲廣泛采用的一種分揀系統。一般由控制裝置、分類裝置、輸送裝置及分揀道口四部分組成，它們通過計算機網絡聯結在一起，配合人工控制及相應的人工處理環節構成一個完整的分揀系統。隨著計算機技術的飛速發展，可編程控制器應運而生。并且功能也越來越強大。在應用上，PLC有著其他設備無以比擬的優越性，它可靠性高，抗干擾能力高；適用性強，應用靈活；編程方便，易于使用；功能強大，擴展能力強；控制系統設計、安裝、調試方便；維修方便，維修工作量少；體積小，質量輕，易于實現機電一體化。對本系統完成其設計之后，進行了整體調試。在硬件部分，調試其各部分安裝的位置及角度，使其材料物塊的運行與傳感器安裝的角度適合。將硬件各部分的動作幅度進行調試之后，進行了軟硬件綜合調試，實現材料分揀系統中上料、傳送與分揀的全過程。第2章垃圾分揀自動分揀的設計背景2.1分檢系統的基本介紹自動分揀系統(Automaticsortingsystem)是先進配送中心所必需的設施條件之一。它具有很高的分揀效率，通常每小時可分揀商品6000-12000箱，可以說，自動分揀機是提高物流配送效率的一項關健因素。它是二次大戰后在美國、日本的物流中心中廣泛采用的一種自動分揀系統，該系統目前已經成為發達國家大中型物流中心不可缺少的一部分。自動分揀機是自動分揀系統的一個主要設備。它本身需要建設短則40-50米，長則150-200米的機械傳輸線，還有配套的機電一體化控制系統、計算機網絡及通信系統等，這一系統不僅占地面積大（動輒20000平方米以上），而且還要建3-4層樓高的立體倉庫和各種自動化的搬運設施（如叉車）與之相匹配，這項巨額的先期投入通常需要花10-20年才能收回。該系統的作業過程可以簡單描述如下：物流中心每天接收成百上千家供應商或貨主通過各種運輸工具送來的成千上萬種商品，在最短的時間內將這些商品卸下并按商品品種、貨主、儲位或發送地點進行快速準確的分類，將這些商品運送到指定地點（如指定的貨架、加工區域、出貨站臺等），同時，當供應商或貨主通知物流中心按配送指示發貨時，自動分揀系統在最短的時間內從龐大的高層貨存架存儲系統中準確找到要出庫的商品所在位置，并按所需數量出庫，將從不同儲位上取出的不同數量的商品按配送地點的不同運送到不同的理貨區域或配送站臺集中，以便裝車配送。自動分揀系統一般由控制裝置、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。分類裝置的作用是根據控制裝置發出的分揀指示，當具有相同分揀信號的商品經過該裝置時，該裝置動作，使改變在輸送裝置上的運行方向進入其它輸送機或進入分揀道口。分類裝置的種類很多，一般有推出式、浮出式、傾斜式和分支式幾種，不同的裝置對分揀貨物的包裝材料、包裝重量、包裝物底面的平滑程度等有不完全相同的要求。輸送裝置的主要組成部分是傳送帶或輸送機，其主要作用是使待分揀商品貫通過控制裝置、分類裝置，并輸送裝置的兩側，一般要連接若干分揀道口，使分好類的商品滑下主輸送機（或主傳送帶）以便進行后續作業。分揀道口是已分揀商品脫離主輸送機（或主傳送帶）進入集貨區域的通道，一般由鋼帶、皮帶、滾筒等組成滑道，使商品從主輸送裝置滑向集貨站臺，在那里由工作人員將該道口的所有商品集中后或是入庫儲存，或是組配裝車并進行配送作業。以上四部分裝置通過計算機網絡聯結在一起，配合人工控制及相應的人工處理環節構成一個完整的自動分揀系統。2.2分揀系統的意義二次大戰以后，自動分揀系統逐漸開始在西方發達國家投入使用，成為發達國家先進和物流中心，配送中心或流通中心所必需的設施條件之一。（1）能連續、大批量地分揀貨物由于采用大生產中使用的流水線自動作業方式，自動分揀系統不受氣候、時間、人的體力等的限制，可以連續運行，同時由于自動分揀系統單位時間分揀件數多，它可以連續運行100個小時以上，每小時可分揀7000件包裝商品，如用人工分揀則每小時只能分揀150件左右，同時分揀人員也不能在這種勞動強度下連續工作8小時。（2）分揀誤差率極低自動分揀系統的分揀誤差率大小主要取決于所輸入分揀信息的準確性大小，這又取決于分揀信息的輸入機制，如果采用人工鍵盤或語音識別方式輸入，則誤差率在3%以上，如采用條形碼掃描輸入，除非條形碼的印刷本身有差錯，否則不會出錯。因此，目前自動分揀系統主要采用條形碼技術來識別貨物。（3）分揀作業基本實無人化國外建立自動分揀系統的目的之一就是為了減少人員的使用，減輕工員的勞動強度，提高人員的使用效率，因此自動分揀系統能最大限度地減少人員的使用，基本做到無人化。分揀作業本身并不需要使用人員，人員的使用僅局限于送貨車輛抵達自動分揀線的進貨端時，由人工接貨，由人工控制分揀系統的運行，分揀線末端由人工將分揀出來的貨物進行集載、裝車，自動分揀系統的經營、管理與維護。如美國一公司配送中心面積為10萬平方米左右，每天可分揀近40萬件商品，僅使用400名左右員工，自動分揀線做到了無人化作業。對于分揀系統的應用前景，主要著眼于分揀系統的可靠性，優越性，應用領域的適用性以及系統的經濟效益、成本等方而來考慮。但因分揀系統其要求使用者必須具備一定的技術經濟條件，因此，在發達國家，物流中心、配送中心或流通中心不用自動分揀系統的情況也很普遍。對于自動分揀系統因其自身存在的一些問題，在一定程度上限制了其應用的領域及其范圍。在引進和建設自動分揀系統時一定要考慮以下條件：自動分揀系統的一次性投資巨大，其本身需要建設短則40~50米，長則150~200米的機械傳輸線，還有配套的機電一體化控制系統、計算機網絡及通信系統等，這一系統不僅占地面積大，動輒2萬平方米以上，而且一般自動分揀系統都建在自動主體倉庫中，這樣就要建3~4層樓高的立體倉庫，庫內需要配備各種自動化的搬運設施，這絲毫不亞于建立一個現代化工廠所需要的硬件投資。這種巨額的先期投入要花10~20年才能收回，如果沒有可靠的貨源作保證，則有可能系統大都由大型生產企業或大型專業物流公司投資，小企業無力進行此項投資。2.3垃圾自動分揀機構的意義現代社會已將物流的高科技(自動分揀桃、自動化立體倉庫、信息處理及通訊自動化等)廣泛應用于各個流通領域。可以肯定，隨著物流大環境的逐步改善，科學技術日新月異的進步，特別是感測技術(激光掃描)、電子標簽及計算機控制技術等的引入使用，自動分揀系統在我國發展空間巨大。垃圾分揀經濟是從源頭上對垃圾進行分類，便于垃圾進行分類處理，廢紙、金屬、玻璃、塑料等垃圾可以回收利用，用于制造新的產品；碳含量高的垃圾則可以送到垃圾焚燒廠發電；不能回收而且熱值不高的垃圾則需要填埋（本垃圾分揀機主要對可回收垃圾進行分揀、處理、再生利用）。該系統的作業過程可以簡單描述如下：在生活中，每天都會有成千上萬的垃圾產生，而垃圾的分類處理也變成至關重要的問題。垃圾分揀機，用以解決生活垃圾不能從源頭進行機械分揀的問題，它正好可以在短時間內將垃圾中不同種類、不同材料的垃圾分揀出來，然后將垃圾分類處理，或銷毀或再生利用。這樣不僅可以充分的利用生活垃圾，實現可持續性發展，而且減輕了工作人員的負擔，提高了工作效率，為社會提供了服務。有了垃圾分揀機，就可讓人們不必為垃圾進行分類的問題煩惱。第3章分檢系統中的硬件3.1PLC的分類目前，在我國PLC的分類還沒有一個統一的標準。根據性能和應用范圍可將其進行如下分類。1、按性能分類根據PLC的I/O點數、用戶程序存儲器容量和控制功能的不同，可將其分為小型、中型和大型二類。小型PLC又稱低檔PLC，它的I/O點數小于128點，用戶程序存儲器容量小于4K字，功能簡單，以開關量控制為主，可實現條件控制、順序控制、定時記數控制。適用于單機或小規模生產過程。中型PLC又稱中檔PLC，它的I/O點數在128~512點之間，用戶程序存儲器容量為4K~8K字，功能比較豐富、兼有開關量和模擬量的控制能力，具有浮點數運算、數制轉換、中斷控制、通信聯網和PID調節等功能。適用于小型連續生產過程的復雜邏輯控制和閉環過程控制。大型PLC又稱高檔PLC，它的I/O點數在512點以上，用戶程序存儲器容量達到8K字以上，控制功能完善，在中檔機的基礎上，擴大和增加了函數運算、數據庫、監視、記錄、打印及中斷控制、智能控制、遠程控制的功能。適用于大規模的過程控制、集散式控制系統和工廠自動化網絡。2、按結構分類根據PLC的構成形式，可將PLC分為整體式和機架式(模塊式)兩大類。整體式PLC是將CPU、存儲單元、輸入輸出模塊和電源部件集中配置在一個機箱內。這種PLC輸入輸出點數少、體積小，價格低，便于裝入設備內部。小型PLC通常采用這種結構。機架式PLC將各單元做成獨立的模塊，使用時將這些模塊分別插入機架底板的插座上。可根據生產實際的控制要求建立模塊，構成不同的控制系統。這種PLC輸入輸出點數多，配置靈活方便，易于擴展。大中型PLC通常采用這種結構。3、按應用范圍分類根據應用范圍的不同，可將PLC分為通用型和專用型兩類。通用型PLC作為標準工業控制裝置可在各個領域使用，而專用型PLC是為了某類控制要求專門設計的PLC，如數控機床專用型、鍋爐設備專用型、報警監視專用型等。由于應用的專一性，使其控制質量大大提高。3.2PLC種類及型號選擇PLC種類較多，主要有西門子、三菱、OMRON、FANAC、東芝等，但能配套生產，大、中、小、微型均有配套且目前用得最廣泛的的主要是西門子、三菱、OMRON的PLC。根據系統中的控制要求PLC點數：實際輸入點15點，實際輸出點8點，綜合對比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西門子系列、OMRON系列中I/O點數為32點各型號的PLC的價格、性能、實用場合等各方面，本系統可選擇PLC型號為：FX2N—32MR，合計總數32點—16點輸入，DC24V，16點繼電器輸出；尺寸（mm）：220×87×90，其性能、價格都優于其他PLC。FX2N系列是FX系列PLC家族中最先進的系列，它能最大范圍地包容了標準特點，程式執行更快，全面補充通訊功能，適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為工廠自動化控制應用提供最大的靈活性和控制能力。FX2N系列是FX系列PLC家族中最先進的系列。由于FX2N系列具備如下特點：最大范圍的包容了標準特點、程式執行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為工廠自動化應用提供最大的靈活性和控制能力。該型號PLC有16個輸入節點，16個輸出節點，能夠滿足系統要求并留有一定的余量。3.3傳感器的簡介國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。傳感器是一個完整的測量裝置（或系統），能把被測非電量轉換為與之有確定關系的有用電量輸出，以滿足信息的傳輸處理、記錄、顯示和控制等要求。[3]傳感器一般由敏感元件、變換元件和其他輔助元件組成。但是隨著傳感器集成技術的發展，傳感器的信號調理與轉換電路也會安裝在傳感器的殼體內或者與敏感元件集成在同一芯片之上。因此，信號調理電路以及所需輔助電源都應作為傳感器組成的一部分，如圖2-1所示。圖2-1傳感器的組成示意圖敏感元件——感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的其他量的元件，如膜片和波紋管，可以把被測壓力變成位移量。若敏感元件能直接輸出電量（如熱電偶），就兼為傳感元件了。還有一些新型傳感器，如壓阻式和諧振式壓力傳感器、差動變壓器式位移傳感器等，其敏感元件和傳感器就完全是融為一體的。變換元件——又稱傳感元件，是傳感器的重要組成元件。它可以直接感受被測量（一般為非電量）且輸出與被測量成確定關系的電量，如熱電偶和熱敏電阻。傳感元件也可以不直接感受被測量，而只感受與被測量成確定關系的其他非電量。例如，差動變壓器式壓力傳感器，并不直接感受壓力，而只是感受與被測壓力成確定關系的銜鐵位移量，然后輸出電量。一般情況下使用的都是這種傳感元件。信號調理與轉換電路——能把傳感元件輸出的電信號轉換為便于顯示、記錄和控制的有用信號的電路。信號調理與轉換電路根據傳感元件類型的不同有很多種類，常用的電路有電橋、放大器、振動器和阻抗變換器等。傳感器根據使用要求的不同，可以做的很簡單，也可以做的很復雜；可以使帶反饋的閉環系統，也可以是不帶反饋的開環系統。因此，傳感器的組成將依不同的情況而有所差異。3.4傳感器的選擇傳感器是將被檢測對象的各種物理變化量變為電信號的一種變換器。它主要被用于檢測系統本身與作業對象、作業環境的狀態，為有效地控制系統的動作提供信息。根據本設計的要求需要對位置檢測裝置、視覺傳感器進行選用。位置檢測裝置檢測氣缸動作是否到位，視覺傳感器是為了完成對物料的識別。（1）位置檢測裝置在本設計中，當氣缸執行動作時，應有相應的位置檢測裝置檢測動作是否到位，常用的位置檢測裝置是行程開關。行程開關又稱限位開關，是一種根據運動部件的行程位置而切換電路的電器，用于控制機械設備的行程及限位保護。在實際生產中，將行程開關安裝在預先安排的位置，當裝于生產機械運動部件上的模塊撞擊行程開關時，行程開關的觸點動作，實現電路的切換。行程開關的品種規格很多，按其操作結構可分為直動、滾輪直動、杠桿單、雙輪等。選用行程開關時，應根據不同使用場合，滿足各方面的要求來進行選擇。本設計中采用直線接觸式磁感應開關檢測氣缸回位動作是否到位，當運動到指定位置時，碰到行程開關，終結上一個動作，準備執行下一個動作。（2）視覺傳感器系統視覺的作用就是最大程度模仿人的眼睛，能夠對不同的物體進行識別，本系統采用材質傳感器和顏色傳感器，對物料進行分揀。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。本系統用該器件來檢測鐵質材料。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生變化，使得和測量頭相連的電路狀態也隨之發生變化。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[1]。根據不同物料有不同的顏色，可以針對一種顏色的物料進行揀出。顏色傳感器同樣也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。材料分揀系統采用它主要是用來識別紅色與綠色的材料。目前，用于顏色識別的傳感器有兩種基本類型：①色標傳感器，它使用一個白熾燈光源或單色LED光源；②RGB（紅綠藍）顏色傳感器，它檢測物體的對三基色的反射比率，從而鑒別物體顏色。這類裝置許多是溫反射型、光束型、光纖型的，封裝在各種金屬和聚碳酸脂外殼中。典型的輸出有：NPN和PNP、繼電器和模擬輸出。為了便于PCL控制程序的編寫，利于公司企業的經濟效益，綜合其各種情況，在本設計，選擇RGB顏色傳感器著為識別物料顏色的裝置，繼電器輸出方式，便于PLC控制系統的簡單化，控制系統更容易實現。3.5驅動部分的分析與選擇系統的驅動系統是驅動執行機構運動的傳動裝置，其驅動系統根據動力源的不同，分為液壓、氣壓、電氣、機械、氣液聯合和電液聯合等多種方式。目前采用的主要有液壓、氣壓、電氣這三種驅動方式。液壓驅動，功率重量比大，可實現頻繁平穩的變速和換向，容易實現過載保護，可自行潤滑，使用壽命長。但也存在其油液容易泄露污染環境，需要配備油源，成本較高，工作噪聲較大。電氣驅動，控制精度高，驅動力較大，響應快，信號檢測、傳遞、處理方便。但是由于這種驅動方式價格昂貴，限制了在一些場合的應用。因此，人們尋求其他一些經濟適用的驅動方式。氣壓驅動具有價格低廉、結構簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強、在工業機械手中應用較多。另一方面，氣動技術作為“廉價的自動化技術”，由于其元器件性能的不斷提高，生產成本的不斷降低，被廣泛應用于現代化工業生產領域。在現代化的成套設備與自動化生產線上，幾乎都配有氣動系統。氣動機械手技術已經成為能夠滿足許多行業生產實踐要求的一種重要使用工具。表2-1給出了各種控制方式的比較：表2-1各種控制方式的比較項目氣壓傳動液壓傳動電氣傳動機械傳送系統結構簡單復雜復雜較復雜安裝自由度大大中小輸出力稍大大小不太大定位精度一般一般很高高動作速度大稍大大小響應速度慢快快中清潔度清潔可能有污染清潔較清潔維護簡單比氣動復雜需要專門技術簡單價格一般稍高高一般技術要求較低較高最高較低控制自由度大大中小危險性幾乎無問題注意著火一般無問題無特殊問題3.6執行機構的選擇在氣壓傳動系統中，組成氣動回路是為了驅動用于各種不同目的機械裝置，其最重要的三個控制內容是：力的大小、運動的方向和運動的速度。與生產裝置相連接的各種類型的氣缸，靠壓力控制閥、方向控制閥和流量控制閥分別實現對三個內容的控制，正是利用它們組成了各種氣動控制回路。現今各控制系統中用于分揀物料的執行機構主要有以下幾種：（1）機械手夾持式 夾持式手部的結構與人手類似，是工業機械廣泛應用的一種手部形式。它主要由手指、傳動機構、驅動機構組成。其又可分為內撐式、外夾式和內外夾持式，區別在于夾持工件的部位不同，手爪動作方向相反。夾持式手部設計時應注意以下事項：①手指應有一定的開閉范圍；②手指應具有適當的夾緊力；③要保證工件在手指內的定位精度；④結構緊湊，重量輕，效率高；⑤通用性和可換性。（2）氣吸式氣吸式手部又稱為真空吸盤式手部，它是通過吸盤內產生真空或負壓，利用壓差而將工件吸附，是工業機械手常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤、吸盤架及進排氣系統組成，具有結構簡單、質量輕、不易損傷工件、使用方便可靠等優點；但要求工件上與吸盤接觸的部位光滑平整、清潔、被吸附工件材質致密，沒有透氣空隙。主要適應于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、紙張及塑料等表面光滑工件的抓取。氣吸式又可分為：負壓吸盤：真空式、噴氣式、自擠式空氣吸盤；磁力吸盤：永磁吸盤、電磁吸盤。真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附頭的空氣而形成真空，故稱真空式。噴氣式吸附的工作原理是當壓縮空氣高速進入噴嘴時，由于管路的開始段截面積是逐漸收縮的，所以氣流速度逐漸增大，在吸氣口處形成負壓。吸附頭與吸氣口連同，故形成真空，以吸住工件。自擠式空氣吸盤是將軟質吸盤按壓在工件的表面，擠出吸盤內的空氣、從而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的導磁性，利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產生的磁力來吸附材料工件。（3）氣缸式氣缸輸出直線往復式氣缸是氣動執行元件之一。目前最常選用的是標準氣缸，其結構和參數都已系列化、標準化、通用化。水平伸縮氣缸選用單活塞桿雙作用氣缸。單活塞桿雙作用氣缸一般由缸筒、前后缸蓋、活塞、活塞桿、密封件和緊固件等組成。其工作原理：對于前伸/回縮氣缸，當左側無桿腔進氣，右側有桿腔排氣時活塞桿前伸，反之，活塞桿回縮；對于上升/下降氣缸，當上側無桿腔進氣，下側有桿腔排氣時，活塞桿下降，反之活塞桿上升。當氣缸動作時動作限位開關斷開，氣缸快速彈出，此時先導式電磁閥復位，當氣壓太大時而氣缸沒有復位時氣缸復位限位開關感應動作從而關閉先導式電磁閥從而起到保護氣缸的作用。第4章垃圾分揀裝置結構及總體設計4.1分揀系統的組成分揀系統一般由控制裝置、分類裝置、輸送裝置及分揀道口組成。1．控制裝置。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、輸送裝置進行相應的作業。2．分類裝置。分類裝置的作用是根據控制裝置發出的分揀指令，當具有相同分揀信號的商品經過該裝置時，該裝置動作，使其改變輸送裝置上的運行方向進入其它輸送機或進入分揀道口。3．輸送裝置。輸送裝置的主要組成部分是傳送帶或輸送機，其主要作用是使待分揀物料通過控制裝置、分類裝置，并沿固定線路運送物料。4．分揀道口。分揀道口是已分揀物料脫離主輸送機(或主傳送帶)進入相應的箱內區域的通道。4.2垃圾分揀機的工作過程圖3-1垃圾分揀機工作過程示意圖它采用臺式結構，內置電源，有電動機、傳感器、回收箱等部件。選用不同類型的傳感器對垃圾進行檢測，識別它的材料，對它進行分揀。系統上電后，可編程序控制器首先控制啟動輸送帶，下料傳感器檢測料槽有無物料，若無料，輸送帶運轉一個周期后自動停止等待下料；當料槽有料時，下料傳感器輸出信號給PLC，PLC控制輸送帶繼續運轉，同時電動機處于電動狀態。當垃圾上傳送帶時，到某一傳感器時，傳感器對其進行檢測，如果檢測出是對應材料的垃圾，則同時發送信號給相應的，將垃圾推入相應回收箱內；如果不是，則繼續前行直到到達相應的傳感器，并被推入回收箱為止，則為完成。當系統設定為分揀某種材料的物料時，由程序記憶各傳感器的狀態，完成分揀任務。圖3-1垃圾分揀機工作過程示意圖4.3系統的設計要求系統的設計要求主要包括功能要求和控制要求，進行設計之前，首先應分析控制對象的要求。4.3.1功能要求垃圾分揀裝置應實現基本功能如下：（1）分揀出金屬材料的垃圾（2）分揀出塑料材料的垃圾（3）分揀出玻璃材料的垃圾（4）分揀出紙質材料的垃圾4.3.2控制要求系統利用各種傳感器對待測垃圾進行檢測并分類。當待測物體經下料裝置送入傳送帶后，依次接受各種傳感器檢測。如果被某種傳感器測中，通過相應的電動機將其推入相應的垃圾回收箱內；否則，繼續前行。其制要求有如下幾個方面：（1）系統送電后，光電編碼器便可發生所需的脈沖（2）電機運行，帶動傳輸帶傳送垃圾運行（3）有物料時，下料電機動作，將垃圾送出（4）當電渦流傳感器檢測到金屬時，電動機1動作，推入金屬回收箱（5）當電容傳感器檢測到塑料時，電動機2動作，推入塑料回收箱（6）當光敏傳感器檢測到玻璃時，電動機3動作，推入玻璃回收箱（7）當電容傳感器檢測到廢紙時，電動機4動作，推入廢紙回收箱（8）電動機運行應有動作限位保護（9）下料槽內無下料時，延時后自動停機第5章控制系統的硬件設計PLC控制系統的硬件設計，主要是根據被控制對象對PLC控制系統的功能要求，確定系統所需的用戶輸入、輸出設備，選擇合適的PLC類型，并分配I/O點。5.1系統的硬件結構5.1.1分揀機的動作過程按下啟動按鈕后，電動機M5運行，綠燈L2亮，傳送帶運轉，表示可以進垃圾。S1～S6為檢測垃圾的接近開關，當接近開關S1為ON時表示垃圾分揀機檢測到有垃圾到來。從編碼器輸入物料的材料編碼，分別以1、2，3、4、5代表金屬、塑料、玻璃、紙質、其它5種材料的材料編碼，即正常的編碼值為1、2、3、4、5。若非此5個數，則紅L1閃爍表示出錯，電動機M5停止，需按下啟動按鈕后才能重新運行。若是此5個數中的任意一個，則紅燈L1亮，綠燈L2滅，電動機M5持續運行。當接近開關S2為ON時，表明垃圾到達第一個回收處，如果垃圾材料編碼與此處編碼相同，則電動機M5停止，電動機M1啟動并推動推桿，將此垃圾分揀到該回收箱內，接近開關S2變為OFF，M1的推桿自動收回，分揀完畢后紅燈L1熄滅，綠燈L2亮表示可以繼續進垃圾；如果材料編碼與此處編碼不同，則電動機M5繼續保持運行，當接近開關S3為ON時表明垃圾到達第二個郵箱處再進行比較判斷，依次類推，當接近開關S4和接近開關S5為ON時表明垃圾到達第三個和第四個回收箱處；如果材料編碼與前四處編碼均不同，則表明編碼為5，垃圾將經過接近開關S6處自動進入第5個回收箱，然后紅燈L1熄滅，綠燈L2亮可以繼續進垃圾。圖4-1系統硬件設計示意圖圖4-1系統硬件設計示意圖5.2機型的選擇及輸入輸出的確定5.2.1機型的選擇垃圾分揀是一個比較固定的過程，要實現的功能也相對簡單，無需A/D和D/A轉換、加減運算。另外，控制程序也比較固定，不需要在線編程，選用整體式PLC就可以滿足工藝的要求了。綜合前面的工藝要求與I/O點數可知，在機型上可選用西門子公司生產的CPU型號為226型的微型可編程控制器。5.2.2I／O分配在設計過程中選用西門子S7-200系列PLC，基本單元選用CPU226模塊DC24輸入/繼電器10輸出，擴展單元選用EM223DC8輸入/繼電器8輸出能滿足控制要求。在確定了控制對象的控制要求和選擇好PLC的機型后，即可以進行安全監控系統的流程設計，考慮到編程簡單、檢查方便和接線容易等因素，根據實際過程，編制了輸入、輸出點的地址編號。編程控制器系統I/O點數估算。系統I/O分配見下表表1輸入、輸出點分配輸入量輸出量啟動按鈕I0.0紅燈（L1）Q0.0復位按鈕I0.1綠燈（L2）Q0.1停止I0.2傳送帶M5Q0.2接近開關1（S1）I0.3電動機1（M1）Q0.3接近開關2（S2）I0.4電動機2（M2）Q0.4接近開關3（S3）I0.5電動機3（M3）Q0.5接近開關4（S4）I0.6電動機4（M4）Q0.6接近開關5（S5）I0.7接近開關6（S6）I1.0編碼器I2.0～I2.3由表可知共需I/O點數為13個輸入，7個輸出圖4-2為分揀機與PLC的硬件連接圖在系統軟件設計過程中，首先根據系統控制要求和工藝流程設計出系統順序功能圖，然后根據順序功能圖設計出梯形圖。第6章系統軟件設計6.1可編程控制器（PLC）簡介在可編程序控制器問世之前，繼電器接觸器控制在工業控制領域中占有主導地位。但隨著工業的發展，繼電器接觸器控制已不能滿足人們的要求。為了解決這一問題，早在1968年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司(GM公司)，為了適應汽車型號不斷翻新，以求在激烈競爭的汽車工業中占有優勢，就提出要用一種新型的控制裝置取代繼電器接觸器控制裝置，并且對未來的新型控制裝置做出了具體設想。要把計算機的完備功能以及靈活性、通用性好等優點和繼電器接觸器控制的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優點溶入于新的控制裝置中，且要求新的控制裝置編程簡單，使得不熟悉計算機的人員也能很快掌握它的使用技術。美國數字設備公司(DEC)根據GM公司招標的技術要求，于1969年研制出世界上第一臺可編程序控制器，并在GM公司汽車自動裝配線上試用，獲得成功。其后，日本、德國等相繼引入這項新技術，可編程序控制器由此而迅速發展起來。在20世紀70年代初期、中期，可編程序控制器雖然引入了計算機的優點，但實際上只稱為PLC(ProgrammableLogicalController)。隨著微處理器技術的發展，20世紀70年代末至80年代初，可編程序控制器的處理速度大大提高，增加了許多特殊功能，使得可編程序控制器不僅可以進行邏輯控制，而且可以對模擬量進行控制。因此，美國電器制造協會(NEMA)將可編程序控制器命名為PC(ProgrammableController)，但人們習慣上將之仍稱為PLC，以便與個人計算機PC(PersonalComputer)相區別。80年代以來，隨著大規模和超大規模集成電路技術韻迅猛發展，以16位和32位微處理器為核心的可編程序控制器得到迅速發展。這時的PLC具有了高速計數、中斷技術、PID調節和數據通信等功能，從而使PLC的應用范圍和應用領域不斷擴大。目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業。PLC的發展初期，不同的開發制造商對PLC有不同的定義。為使這一新型的工業控制裝置的生產和發展規范化，國際電工委員會(IEC)于1985年1月制定了PLC的標準，并給它作了如下定義：可編程序控制器是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作命令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關的外部設備，都應按易于與工業控制系統聯成一個整體，易于擴充其功能的原則而設計。PLC硬件系統的基本結構框如圖3-1所示：圖3-1PLC結構框圖（1）中央處理單元（CPU）中央處理器是可編程控制器的核心，它在系統程序的控制下，完成邏輯運算、數學運算、協調系統內部各部分的工作任務等。（2）存儲器存儲器是可編程控制器存放系統程序、用戶程序以及運算數據的單元。可編程序控制器配有兩種存儲器，即系統存儲器(EPROM)和用戶存儲器(RAM)。（3）輸入/輸出（I/O）電路輸入輸出電路是可編程控制器和工業控制現場各類信號連接的部分。輸入口用來接收生產過程的各種參數，輸出口用來送出可編程控制器的運算后得出的控制信息，并通過機外的執行機構完成工業現場的各類控制。按照信號的種類歸類有直流信號輸入、輸出，交流信號的輸入、輸出；按照信號的輸人、輸出形式分有數字量輸入、輸出，開關量輸入、輸出，模擬量輸入、輸出。（4）電源可編程控制器的電源包括可編程控制器各工作單元供電的開關電源以及為掉電保護電路供電的后備電源，后者一般為電池。（5）編程器編程器是PLC的重要外部設備，利用編程器可將用戶程序送入PLC的用戶程序存儲器，調試程序、監控程序的執行過程。編程器從結構上可分為三種類型，簡易編程器、圖形編程器和通用計算機編程。基本工作原理：我們已經知道PLC是一種存儲程序的控制器。用戶根據某一對象的具體控制要求，編制好控制程序后，用編程器將程序鍵人到PLC的用戶程序存儲器中寄存。PLC的控制功能就是通過運行用戶程序來實現的。PLC運行程序的方式與微型計算機相比有較大的不同，微型計算機運行程序時，一旦執行到END指令，程序運行結束。而PLC從0000號存儲地址所存放的第一條用戶程序開始，在無中斷或跳轉的情況下，按存儲地址號遞增的方向順序逐條執行用戶程序，直到END指令結束。然后再從頭開始執行，并周而復始地重復，直到停機或從運行(RUN)切換到停止(STOP)狀態。我們把PLC這種執行程序的方式稱為掃描工作方式。每掃描完一次程序就構成一個掃描周期。另外，PLC對輸入、輸出信號的處理與微型計算機不同。微型計算機對輸入、輸出信號實時處理，而PLC對輸入、輸出信號是集中批處理。下面我們具體介紹PLC的掃描工作過程。PLC掃描工作方式主要分三個階段：輸入采樣、程序執行、輸出刷新。1)輸入采樣PLC在開始執行程序之前，首先掃描輸入端子，按順序將所有輸入信號，讀人到寄存輸入狀態的輸入映像寄存器中，這個過程稱為輸入采樣。PLC在運行程序時，所需的輸入信號不是現時取輸人端子上的信息，而是取輸入映像寄存器中的信息。在本工作周期內這個采樣結果的內容不會改變，只有到下一個掃描周期輸入采樣階段才被刷新。2)程序執行PLC完成了輸入采樣工作后，按順序從0000號地址開始的程序進行逐條掃描執行，并分別從輸入映像寄存器、輸出映像寄存器以及輔助繼電器中獲得所需的數據進行運算處理。再將程序執行的結果寫入寄存執行結果的輸出映像寄存器中保存。但這個結果在全部程序未被執行完畢之前不會送到輸出端子上。3)輸出刷新在執行到END指令，即執行完了用戶的所有程序后，PLC將輸出映像寄存器中的內容送到輸出鎖存器中進行輸出，驅動用戶設備。PLC工作過程除了包括上述三個主要階段外，還要完成內部處理、通信處理等工作，在內部處理階段，PLC檢查CPU模塊內部的硬件是否正常，將監控定時器復位，以及完成一些別的內部工作。在通信服務階段，PLC與其他的帶微處理器的智能裝置實現通信。6.2垃圾入箱控制軟件設計流程設計流程：垃圾檢測；編碼信息檢測；編碼信息轉化為脈沖信號；垃圾入箱；出錯控制。PLC控制部分流程圖如圖所示：圖5-1軟件設計流程圖6.3單一垃圾分揀機的PLC控制梯形圖單一垃圾分揀機的PLC控制梯形圖如下圖所示。結論分揀機采用可編程控制器PLC進行控制，能連續、大批量地分揀貨物，分揀誤差率低且勞動強度大大降低，可顯著提高勞動生產率。而且，分揀系統能靈活地與其他物流設備無縫連接，實現對物料實物流、物料信息流的分配和管理。其設計采用標準化、模塊化的組裝，具有系統布局靈活，維護、檢修方便等特點，受場地原因影響不大。同時，只要根據不同的分揀對