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李方园 课题1 机械手自动分拣装置 随着社会的不断发展，市场的竞争也越来越激烈，随着社会的不断发展，市场的竞争也越来越激烈，因此各个生产企业都迫切地须要改进生产技术，提因此各个生产企业都迫切地须要改进生产技术，提高生产效率，尤其在须要进行物料分拣的企业，以高生产效率，尤其在须要进行物料分拣的企业，以往一干脆受人工分拣的方法，致使生产效率低，生往一干脆受人工分拣的方法，致使生产效率低，生产成本高，企业的竞争实力差，物料的自动分拣已产成本高，企业的竞争实力差，物料的自动分拣已成为企业的最佳成为企业的最佳 选择。选择。机械手自动分拣装置是一种高速自动化生产线上的金属与非金属自动分拣设备，其方法是在物料盘负责输送物料，一旦有物料进入准备状态，则启动机械手搬运机构；然后机械手快速定位到物料的正上方，下降抓取物料、提升并释放至指定位置；待物料被释放后，传送装置联动，并依据金属与非金属的特点进行分拣；机械手则快速返回，等待下一轮分拣抓取。【课题任务书】如图1-1所示为机械手自动分拣装置，它包括物料盘、机械手、输送带、金属和非金属通道等。请依据工艺流程和限制要求设计该装置的PLC限制系统硬件与软件部分。图1-1 机械手自动分拣装置 2、工艺流程、工艺流程机械手自动装置的工艺流程如下：机械手自动装置的工艺流程如下：（1）按启动按扭后，启动送料电）按启动按扭后，启动送料电机驱动放料回旋转，物料由送料槽机驱动放料回旋转，物料由送料槽滑到物料提升位置，物料检测光电滑到物料提升位置，物料检测光电传感器起先检测；传感器起先检测；（2）假如送料电机运行确定时间）假如送料电机运行确定时间后，假如物料检测光电传感器仍未后，假如物料检测光电传感器仍未检测到物料，检测到物料，则说明送料机构已经无物料，这时则说明送料机构已经无物料，这时要停机并报警；要停机并报警；则说明送料机构已经无物料，这时则说明送料机构已经无物料，这时要停机并报警；要停机并报警；（3）当物料检测光电传感器检测到有物料，将发出信号，上料单向电磁阀驱动上料，机械手臂伸出手爪下降抓物，然后手爪提升臂缩回，手臂向右旋转到右限位，手臂伸出，手爪下降将物料放到传送带上；（4）传送带输送物料，传感器则依据物料性质（金属和非金属），分别限制相应电磁阀使气缸动作，对物料进行分拣；（5）最终机械手返回原位重新起先下一个流程。3、限制要求、限制要求（1）输入电源为三相）输入电源为三相380V电源；电源；（2）机械手自动分拣装置的限制）机械手自动分拣装置的限制核心要求为小型核心要求为小型PLC（如西门子（如西门子S7-200）；）；（3）整机工作流程如图）整机工作流程如图1-2所示所示 图1-2 机械手自动分拣装置工作流程 子课题1：送料机构的限制 一、送料机构的组成部分机械手自动分拣装置的第一部分是送料机构，它是负责全部将全部的物料在放料转盘的转动下，逐个通过物料滑槽，等待提升气缸从提升台向上运输（如图1-3所示）。图1-3 送料机构 1、放料转盘 转盘中共放两种物料，一种金属物料、一种非金属物料。驱动电机：电机接受24V直流电机，用于驱动放料转回旋转。2、物料滑槽 放料转回旋转，物料相互推挤趋向入料口，物料则从入料口顺着滑槽落到提升台上。3、提升台 提升台是将物料和滑槽有效分别，并确保每次只上一个物料，它接受上料气缸进行动作。二、送料机构的传感器工作原理及选型1、送料检测物料检测为光电漫反射型传感器，主要为PLC供应一个输入信号。假如有物料在提升台上，就会驱动提升气缸提升物料；假如运行中，光电传感器没有检测到物料并保持确定的时间后，让系统停机然后报警。2、光电开关的工作原理、光电开关的工作原理红外线光电开关所放射的红外线属于红外线光电开关所放射的红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电一种电磁射线，其特性等同于无线电或或X射线。人眼可见的光波是射线。人眼可见的光波是380nm-780nm，放射波长为，放射波长为780nm-1mm的的长射线称为红外线，一般红外线光电长射线称为红外线，一般红外线光电开关优先运用的是接近可见光波长的开关优先运用的是接近可见光波长的近红外线。图近红外线。图1-4所示为各种不同频率所示为各种不同频率与波长的电磁射线。与波长的电磁射线。图1-4 电磁射线图1-5为光电开关的工作原理示意，由光电开关内部振荡回路产生的调制脉冲先经反射电路后，由放射管辐射出光脉冲；当被测物体进入受光器作用范围时，被反射回来的光脉冲进入光敏二极管；并在接收电路中将光脉冲解调为电脉冲信号，再经放大器放大和同步选通整形，然后用数字积分或RC积分方式解除干扰，最终经延时（或不延时）触发驱动器输出光电开关限制信号。图1-5 光电开关的工作原理 在机械手自动分拣装置中，应用最常见的是一种干脆反射光电开关（图1-6）。它是一种集放射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关放射器放射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，干脆反射式的光电开关是首选的检测模式。图1-6 干脆反射光电开关 三、提升台的操作1、提升气缸 上料气缸运用的是单向电控气阀。当电控气阀得电，物料提升台上升，当电控气阀断电，则物料提升台下降。图1-7所示为典型的上料气缸 图1-7 上料气缸 提升气缸的正确运动使物料被运输到相应的位置，只要交换进出气的方向就能变更气缸的伸出（缩回）运动。与提升气缸相对应的是单向电控阀，它是用来限制气缸单个方向运动，实现气缸的伸出、缩回运动。单向与双向电控阀的区分在于：双向电控阀初始位置是随意的可以随意限制两个位置，而单控阀初始位置是固定的只能限制一个方向（如图1-8所示）。图1-8 单相电磁阀示意图 图1-9所示为上料气缸气路图图1-9 上料气缸气路图 2、提升气缸的到位检测、提升气缸的到位检测为了确保气缸动作的正确性，通常还要在气为了确保气缸动作的正确性，通常还要在气缸上安装传感器，用于检测气缸伸出和缩回缸上安装传感器，用于检测气缸伸出和缩回是否到位。由于提升气缸的动作为开关形式，是否到位。由于提升气缸的动作为开关形式，因此只须要在气缸的前点和后点上各安装一因此只须要在气缸的前点和后点上各安装一个，当检测到气缸精确到位后，就给个，当检测到气缸精确到位后，就给PLC或上或上位机发出一个信号。位机发出一个信号。由于气缸运动部件是处于金属壳体内部，这由于气缸运动部件是处于金属壳体内部，这时就无法运用光电开关、电感开关等常用的时就无法运用光电开关、电感开关等常用的接近开关来进行检测，在这种状况下可以考接近开关来进行检测，在这种状况下可以考虑接受能测量永久变更的磁感应式接近开关。虑接受能测量永久变更的磁感应式接近开关。图图1-10是利用磁性开关来测量气缸活塞运动是利用磁性开关来测量气缸活塞运动位置的示意图。位置的示意图。图1-10 磁性开关的安装位置 永久磁铁固定在非导磁性材料制作的活塞体内，磁性开关固定在不导磁材料制作的气缸壁上。磁性开关壳体内设置一只绕有线圈的U型铁心，如图1-11所示。当磁性运动到铁心正上方时，铁心饱和，线圈电感量大大减小，通过转换电路，使输出端（OC门）跳变为低电平（NPN型），当磁铁远离铁心时OC门复原为高阻态。图1-11 磁性开关的工作原理 图1-12所示为日本SMC公司生产的D-C73型磁性开关外观。图1-12 磁性开关外观 用于气缸到位检测的磁性开关有不同的安装方式，主要有带式、导轨式、拉杆式和干脆式四种，如图1-13所示。a)带式安装 b）导轨式安装 c)拉杆式安装 d)干脆式安装 图1-13 气缸用磁性开关的安装方式 四、西门子S7-200S7-200小型PLCPLC的系统配置西门子西门子S7-200S7-200系列小型系列小型PLCPLC适用于各行各业、各种场合中的适用于各行各业、各种场合中的检测、监测及限制的自动化，它的强大功能使其无论在独检测、监测及限制的自动化，它的强大功能使其无论在独立运行中或相连成网络都能实现困难的限制功能。因此立运行中或相连成网络都能实现困难的限制功能。因此S7-200S7-200系列小型系列小型PLCPLC具有极高的性能具有极高的性能/价格比。价格比。1、CPU单元设计 S7-200 CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的小型PLC，如图1-14所示。图1-14 S7-200 PLC的CPU单位设计S7-200PLC具有集成的24V负载电源，它可干脆连接到传感器、变送器和执行器，CPU 221、222具有180mA输出，CPU 224、CPU 224XP、CPU 226分别输出280或400mA，可用作负载电源。S7-200 PLC供应了多种类型的CPU以适应各种应用，表1-1所示为各种CPU的特性简洁比较。表1-1 S7-200 PLC的各种CPU特性比较 2、选择CPU的工作方式 S7-200 PLC有两种工作模式，即停止模式和运行模式。CPU前面板上的LED状态显示了当前的工作模式。在停止状态下，S7-200不执行程序，但可以下载程序和进行CPU组态；在运行模式下，S7-200将运行程序。S7-200供应了一个模式开关来变更操作模式，可以用模式开关（如图1-14的 前盖下面）手动选择操作模式：可以将模式开关打在停止模式，停止程序的执行；可以将模式开关打在运行模式下，启动程序的执行；也可以将模式开关打在TERM（终端）模式，不变更当前操作模式。假如模式开关打在STOP或者TERM模式，且电源状态发生变更，则当电源复原时，CPU会自动进入停止模式；假如模式开关打在RUN模式，且电源状态发生变更，则当电源复原时，CPU会进入运行模式。S7-200 PLC的编程软件STEP-Micro/WIN允许用户变更与之相连的S7-200的工作模式，假如希望用软件来变更工作模式，CPU上的模式开关必需打在RUN或者TERM上，然后用菜单吩咐中的PLCSTOP和PLCRUN或者工具栏中的相关按钮来变更工作模式。当然，还有一种方式，即在应用程序中插入STOP指令来将S7-200 PLC置为停止模式，它可以在使逻辑程序停止运行。3、S7-200 CPU的基本接线 S7-200 CPU的种类比较多，但依据输出结构来说，大抵为两类：即输出为晶体管的和输出为继电器的。图1-15a）和图1-15b）是晶体管输出、继电器输出的基本接线图示意（以CPU224为例）。a)b)图1-15 S7-200 CPU的接线图 对于送料机构来说，无论是光电开关还是磁性开关，都有NPN和PNP输出两种接线方式。对于PLC来说，也有对应的两种输入接线方式，如图1-16和图1-17所示。图1-16 NPN开关的PLC输入接线方式 图1-17 PNP开关的PLC输入接线方式【任务训练1-1：光电开关的安装、接线与测试】A.选择合适的光电开关（图1-18）；图1-18 观点开关选型 B.依据光电开关说明书进行安装（图1-19）；图1-19 光电开关安装 C.将光电开关与PLC的输入端进行相连 如图1-20所示为NPN光电开关与西门子PLC的接线示意，该接线方式接受PLC内置的24VDC电源。图1-20 NPN光电开关与西门子PLC的接线示意 D、光电开关与物料的信号测试 上电正常后，用物料进行测试。测试内容包括：感应距离，响应时间，输出信号，指示灯显示等。假如工艺要求有延时接通或延时断开或延时ON/OFF的，可以参 考所接光电开关的说明，进行相应调整。如图1-21所示为常见的几种光电开关与物料之间的信号关系。图1-21 光电开关与物料之间的信号关系 为了确保物料检测的正确无误，须要进行光电开关的必要调整，图1-22所示为常见的光电开关调整模式。图1-22 常见的光电开关调整模式【任务训练1-2：送料机构S7-200限制系统的接线及编程】A、硬件安排表 依据送料机构的限制要求，现给出输入/输出资源配置（如表1-2所示）。其中输入5点，输出3点。表1-2 送料机构的输入/输出资源配置 B、画出外部接线图 为了统一起见，一般状况下各类传感器与PLC相连时均接受PNP输出形式。假如须要特殊接受NPN输出形式的，可以参考图1-23接线方式。图1-23所示为送料机构的外部限制接线，其中PLC接受西门子S7-200 CPU224 AC/AC/RELAY型。图1-23 送料机构的外部限制接线C、熟悉PLC S7-200的编程环境 1）打开新项目 S7-200 PLC的编程环境为STEP 7-Micro/WIN V4.0版本以上，可以干脆从西门子公司中文网站（:/ad.siemens ）上进行下载，并安装。双击STEP 7-Micro/WIN图标，或从“起先”菜单选择SIMATICSTEP 7 Micro/WIN，启动应用程序，这时会打开一个新STEP 7-Micro/WIN项目。图1-24所示为STEP 7-Micro/WIN V4.0的全中文编程环境。2）接受梯形图LAD进行编程 梯形图LAD是各种PLC的通用语言，依据图1-25输入简洁逻辑的一段程序。图1-25 简洁逻辑程序 LAD的编辑可以包括工具条按钮、指令树拖放和功能键等多种方式，具体可以参看STEP 7-Micro/WIN帮助菜单。3）对梯形图LAD程序进行编译 可以用工具条按钮或PLC菜单进行编译（如图1-26所示）。图1-26 S7-200程序编译 当用户在编译时，输出窗口会列动身生的全部错误。错误依据位置（网络、行和列）以及错误类型识别。这时可以双击错误线，调出程序编辑器中包含错误的代码网络。4）通过PC/PPI编程电缆连接PC与PLC 如图1-27进行PC/PPI编程电缆通讯联机，一旦联机成功后，即可下载程序到PLC。图1-27 PC/PPI电缆通讯联机 5）下载程序，并使CPU处于运行状态。图1-28所示是程序的联机运行、停止与状态监控，其中 为程序RUN吩咐；为程序STOP吩咐；为程序状态监控吩咐。图1-28 程序的联机运行、停止与状态监控 D D、送料机构的简洁程序编制、送料机构的简洁程序编制 对于送料机构的单个程序，可以依据以下思路进行简洁设计：1）按下启动按钮SB1，驱动电动机运行，启动指示灯亮；2）当物料检测（光电）开关检测到有物料下滑到指定位置时，上料气缸动作；3）当按下停止按钮SB2，驱动电机停止运行，上料气缸下降；4）推断上料气缸的上下限位都亮时，表示气缸故障，启动指示灯依据1S频次进行闪烁。送料机构的参考程序如图1-29所示。图1-29 送料机构参考程序子课题2：机械手搬运机构的限制 一、搬运机构的组成部分机械手分拣装置的搬运机构能完成四个自由度动作，手臂伸缩、手臂旋转、手爪上下、手爪紧松（如图1-30所示）。图1-30 搬运机构 搬运机构的各部分说明如下：1、手爪提升气缸：提升气缸接受双向电控气阀限制，气缸伸出或缩回可随意定位。2、磁性开关：检测手爪提升气缸处于伸出或 缩回位置。3、手爪:抓取物料由单向电控气阀限制，当单向电控气阀得电，手爪夹紧磁性开关有信号输出，指示灯亮，单向电控气阀断电，手爪松开。4、旋转气缸：机械手臂的正反转，由双向电控气阀限制。5、接近传感器：机械手臂正转和反转到位后，接近传感器信号输出。6、双杆气缸：机械手臂伸出、缩回，由双向电控气阀限制。气缸上装有两个磁性开关，检测气缸伸出或缩回位置。7、缓冲器：旋转气缸高速正转和反转到位时，起缓冲减速作用。二、双向电磁阀 搬运机构共有四个主要的气动执行机构，即旋转气缸、臂气缸、提升气缸和夹紧气缸，都用双向电磁阀来限制四个气缸的进气和出气，从而实现气缸的伸出、缩回运动。双向电磁阀的工作原理为：电磁阀通电时，电磁力将先导孔打开，上腔室压力 快速下降，在膜片四周形成上低下高的压差，推动膜片向上移动，阀门打开，电磁阀双向流通；断电时，弹簧力把先导孔关闭，当进口压力大于出口压力，阀门双向关闭，当进口压力小于出口压力时，电磁阀逆向可流通。如图1-31所示为搬运机构常用的两位五通双向电磁阀，它具有1个进气孔(接进气气源)、1个正动作出气孔和1个反动作出气孔(分别供应应目标设备的一正一反动作的气源)、1个正动作排气孔和1个反动作排气孔。图1-31 双向电磁阀示意图 在两位五通电磁阀工作的气路中，给正动作线圈通电，则正动作气路接通(正动作出气孔有气)，即使给正动作线圈断电后正动作气路仍旧是接通的，将会始终维持到给反动作线圈通电为止；给反动作线圈通电，则反动作气路接通(反动作出气孔有气)，即使给反动作线圈断电后反动作气路仍旧是接通的，将会始终维持到给正动作线圈通电为止。这种现象就相当于“自锁”。基于两位五通双电控电磁阀的这种特性，在设计机电限制回路或编制PLC程序的时候，可以让电磁阀线圈动作12秒就可以了，这样可以爱护电磁阀线圈不简洁损坏。图1-32所示是由两位五通电磁阀和四个气缸所组成的机械手搬运机构的气路。图1-32 机械手搬运机构的气路 三、PLC的几种编程语言 PLC的编程语言按IEC61131-3国际标准来分主要包括图形化编程语言和文本化编程语言。图形化编程语言包括：梯形图、功能块图、依次功能图。文本化编程语言包括：指令表和结构化文本。1、指令表编程语言 指令表编程语言又称为语句表或布尔助记符，是一种类似汇编语言的低级语言，属于传统的编程语言，用布尔助记符表示的指令来描述程序。它是在借鉴、吸取世界范围的PLC厂商的指令表语言的基础上形成的一种标准语言，可以用来描述功能，功能块和程序的行为，还可以在依次功能流程图中描动作和转变的行为。指令表编程语言具有以下特点:(1)用布尔助记符表示操作功能，简洁记忆，便于驾驭;(2)适合于有阅历的程序员;(3)有时能够让你解决利用梯形图等其他语言不简洁解决的问题;(4)在编程器的键盘上干脆接受助记符表示，便于操作;(5)与梯形图语言一一对应;(6)以困难限制系统用其编程时描述不够清晰。指令表编程语言是一种通用的编程语言，全部的PLC都支持，并且其它的编程语言都可以转达换为指令表形式。尽管各PLC的指令表均有助记的特点，但它们并不完全一样，大同小异。比如LD表示装入，是LOAD的缩写等等，表1-3列出了几款较常用PLC部分助记符，以便比较。表1-3 几种较常用PLC部分助记符比较 2、梯形图编程语言 梯形图来源于继电器逻辑限制系统的描述，是PLC编程中被最广泛运用的一种图形化语言，由于梯形图类似于继电器限制的电气接线图，便于理解,因此很多编程人员和维护人员都选择了这一编程方式。而且其图形结构类似于登高用的梯子，故名梯形图。梯形图程序的左右两侧有两垂直的电力轨线，左侧的电力轨线名义上为功率流从左向右沿着水平梯级通过各个触点、功能、功能块、线圈等供应能量，功率流的终点是右侧的电力轨线。每一个触点代表了一个布尔变量的状态，每一个线圈代表了一个实际设备的状态，一个简洁的梯形图程序如图1-33所示:图1-33 梯形图程序示例 梯形图的每个梯级表示一个因果关系,事务发生的条件表示在梯形的左面,事务发生的结果表示在梯级的右面。梯形图编程语言具有如下特点:(1)与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性;(2)与原有继电器逻辑限制技术相一样，易于驾驭和学习;(3)对于困难限制系统描述,仍不够清晰;(4)可读性仍不够好。几乎全部的PLC厂商供应的PLC都支持梯形图编程语言,而且都比较简洁理解，只是在梯形图结构上可能稍有变更。比如西门子的S7系列梯形图就没有右边的电力轨线。有时在有此参考书中右边的电力轨线也常常被省略。3、功能块图编程语言 功能块图编程语言接受功能模块表示所具有的功能，不同的功能模块具有不同的功能。功能模块用矩形来表示，每一个功能模块的左侧有不少于一个的输入端，右侧有不少于一个的输出端。功能模块的类型名称通常写在块内，其输入输出名称写在块内的输入输出点对应的地方。4、依次功能流程图编程语言 依次功能流程图又称为功能表图，是一种用功能表图来描述程序的编程语言，是近年来才发展起来的。功能表图可以将一个困难的限制限制系统分解为若干子系统，从功能入手，使系统的操作具有明确的含义。便于设计人员和操作人员的沟通，便于程序分工设计和检查调试。5、无结构化文本编程语言 结构化文本编程语言是用结构化描述语句来描述程序的一种编程语言。它是一种高级的文本语言，可以用来描述功能、功能块和程序的行为，还可以在依次功能流程图中描述步、动作和转变的行为。【任务训练1-3】送料和搬运机构的程序编制与调试 A、依据限制工艺要求，列出送料和搬运机构的输入资源配置（如表1-4）和输出资源配置（如表1-5）；表1-4 送料和搬运机构的输入资源配置 表1-5 送料和搬运机构的输出资源配置 B B、画出送料和搬运机构的、画出送料和搬运机构的PLCPLC限制外部接线图（如图限制外部接线图（如图1-1-3434）图1-34 送料和搬运机构接线示意 图中1L/2L/3L连在一起；1M/2M连在一起。C、参考程序 本程序编制最大的特点就是接受步序状态字，接受步序状态字的变更来实现送 123自动化综合实践 课题 1 机械手自动分拣装置 料和搬运机构的12个步骤（如表1-6所示）。表1-6 步序限制字及其动作要求 图1-35是送料和搬运机构的参考程序。图1-35 送料和搬运机构的参考程序 子课题3：物料传送和分拣机构的限制 一、物料传送和分拣机构的组成部分在机械手分拣装置中，物料从送料机构、搬运机构之后，就进入了传送和分拣机构。如图1-36所示，当落料光电传感器检测到有物料后，立刻启动输送电动机；当物料经过推料一位置，假如电感式传感器动作，则说明该物料为金属，则气缸动作将物料推入到金属料槽中；当物料未被电感式传感器识别时，而被输送到推料二位置，此时假如电容式传感器动作，则说明必定为非金属物料，气缸动作将其推入到塑料料槽中。图1-36 物料传送和分拣机构 物料传送和分拣机构具体包括以下几部分：1、落料光电传感器：检测是否有物料到传送带上，并给PLC一个输入信号。2、放料孔：物料落料位置定位。3、金属料槽：放置金属物料。4、塑料料槽：放置非金属物料。5、电感式传感器：检测金属材料，检测距离为35mm。6、电容式传感器：用于检测非金属材料，检测距离为510mm。7、三相异步电机：驱动传送带转动，低速运行。8、推料气缸：将物料推入料槽，由双向电控气阀限制。二、物料分拣用的检测开关1、金属分拣用的电感式传感器 电感式传感器由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变更被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动限制器件，从而达到非接触式之检测目的（如图1-所示）。图1-37 电感式传感器工作原理 在物料分拣中，电感式传感器工作流程如图1-38所示，金属物体在接近电感式传感器的振荡感应头时，会在物体内部产生涡流，这个涡流反作用于传感器，使传感器振荡实力衰减，内部电路的参数发生变更，由此识别出有无金属物体接近，进而限制开关的通或断。这种电感式传感器所能检测的物体必需是金属物体。图1-38 电感式传感器工作流程 2、物料分拣用的电容式传感器 电容式传感器的感应面由两个同轴金属电极构成，很象“打开的”电容器电极，该两个电极构成一个电容，串接在RC振荡回路内。电源接通时，RC振荡器不振荡，当一目标朝着电容器的电靠近时，电容器的容量增加，振荡器起先振荡。通过后级电路的处理，将振和振荡两种信号转换成开关信号，从而起到了检测有无物体存在的目的。该传感器能检测金属物体，也能检测非金属物体，对金属物体可以获得最大的动作距离，对非金属物体动作距离确定于材料的介电常数，材料的介电常数越大，可获得的动作距离越大 图1-39所示为电容式传感器工作流程。电容式传感器亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变更，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变更，由此便可限制开关的接通和关断。这种传感器的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体,在检测较低介电常数的物体时，可以顺时针调整传感器的内部电位器来增加感应灵敏度。图1-39 电容式传感器工作流程 三、S7-200 PLC扩展模块1、扩展模块概念 由于机械手自动分拣装置的输入和输出点数比较多，对于已经包含了送料机构、搬运机构、物料传送和分拣机构四大部分来说，往往一个主CPU不能满足要求，这就须要进行扩展。对于模块数量的配置，CPU224和CPU226的最大扩展模块数是7个，但在实际配置时，必需考虑到电源消耗方面的因素，以确定S7-200 CPU能为配置供应多少功率，假如超出CPU电源预算值，将无法连接全部模块。对于模块数多的PLC连接，可以考虑接受图1-40方式以满足紧凑性电控柜的要求。图1-40 S7-200模块安装 2、数字量输入EM221模块 西门子S7-200 EM221扩展模块为数字量输入，它有三种类型，即8点输入（24V DC）、8点输入（120/230VAC）、16点输入（24VDC），接线如图1-41所示。图1-41 S7-200 数字量输入接线 对于24VDC输入电压类型来说，“1”信号电压应当在1530V之 间，“0”信号 电压应当在05V。3、数字量输出EM222模块 EM222是西门子扩展数字量输出模块，它共有三种输出类型，即24VDC输出、继电器输出和120/230AC输出。具体的接线方式如图1-42所示。图1-42 S7-200数字量输出接线 在输出接线中，假如因为过多的感性开关或不正常的条件而引起输出过热，输出点可能关断或被损坏，因此必需接受确定的抑制电路（如图1-43中的a和b）。a)直流负载 b)沟通负载 图1-43 抑制电路 4、数字量输入输出混合模块EM223 EM223是混合模块，包括输入4点输出4点、输入8点输出8点、输入16点输出16点三种类型，是运用频度特别高的模块。【任务训练1-4：电感式传感器和电容式传感器的相识与测试】A、电感式传感器的相识与测试 电感式传感器的技术指标特别重要，包括：检测距离（毫米）、被检测物（体积和介质）、响应频率（HZ）、工作电压（直流/沟通）、工作电流（毫安）、输出驱动电流（毫安）、温度范围（）等。图1-44 电感式传感器 图1-44所示是一种用途特别广泛的电感式传感器，它能用于检测金属物，特殊是对铁金属能很好的检测出来，并且性能稳定牢靠，是最常用的检测方法，被广泛应用到限位开关、状态检测等用途。一般电感式传感器背后有工作指示灯，当检测到物体时红色LED点亮，平常处于熄灭状态，特别直观。电感式传感器与PLC的接线与测试可以参考图1-20。B、电容式接近开关的相识与测试 图1-45所示是一种M18电容式传感器，它能检测各种金属与非金属。同样进行产品相识、接线与测试。图1-45 电容式传感器训练【任务训练1-5：物料传送与分拣机构的程序编制与调试】A、依据限制工艺要求，列出物料传送和分拣机构的输入/输出资源配置（如表1-7）；表1-7 物料传送与分拣装置的输入/输出资源配置 B、画出PLC外部接线（如图1-46）图1-46 物料传送与分拣机构的PLC外部接线 C、程序编制（参考程序如图1-47所示）图1-47 物料传送与分拣参考程序 子课题4 4：综合解决方案 一、机械手自动分拣装置的设计思路机械手自动分拣装置的核心是PLC技术，因此要留意设计的主要内容和基本步骤。1、系统设计的主要内容（1）拟定限制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据。（2）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构。（3）选定 PLC 的型号。（4）编制 PLC 的输入/输出安排表或绘制输入/输出端子接线图。（5）依据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计。（6）了解并遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，增加人与机器之间的友善关系。（7）设计操作台、电气柜及非标准电器元部件。（8）编写设计说明书和运用说明书。依据具体任务，上述内容可适当调整。2 2、系统设计的基本步骤、系统设计的基本步骤机械手自动分拣装置机械手自动分拣装置PLCPLC应用系统可以实行如图应用系统可以实行如图 1-48 1-48所示所示的设计步骤。的设计步骤。图 1-48 PLC应用系统设计与调试的主要步骤二、机械手自动分拣装置的硬件部分 1、I/O安排（如表1-8所示）2、外部接线示意 如图1-49所示为机械手自动分拣装置的硬件解决方案示意。其中PLC由CPU主机CPU224 AC/AC/RELAY和扩展模块EM223 8DI/8RELAY组成，按钮、传感器、指示灯和中间继电器的接线可以参考本章课题1/2/3。24V开关电源主要是负责电磁阀等驱动电源。图1-49 硬件解决方案示意 3、机械手自动分拣装置的气路部分 气路部分的解决方案如图1-50所示。图1-50 机械手自动分拣装置气路部分的解决方案 三、机械手自动分拣装置的软件部分机械手自动分拣装置的软件主要就是PLC的用户程序，它是从头至尾按依次循环执行的。这一过程又被称为扫描，而这种处理方式称之为循环演算方式。PLC的循环演算，除中断处理外一干脆着下去，直至停止运行为止，如图1-51所示 图1-51 PLC的限制过程 1 1、初始化处理、初始化处理上电运行或复位时处理一次，并完成上电运行或复位时处理一次，并完成如下任务。如下任务。复位输入输出模块复位输入输出模块 进行自诊断进行自诊断 清除数据区清除数据区 输入输出模块的地址安排以及种类输入输出模块的地址安排以及种类登记登记 在在S7-200 PLCS7-200 PLC中，初始化处理主要是中，初始化处理主要是执行以执行以First_Scan_OnFirst_Scan_On（即（即SM0.1SM0.1）变）变量为开头的语句。通常的做法就是首量为开头的语句。通常的做法就是首次扫描周期时该位打开，调用初始化次扫描周期时该位打开，调用初始化子程序。子程序。2 2、刷新输入映象区用户程序的演算处理之前，先将输入端口接点状态读入，并以此刷新输入映象区。3 3、用户程序演算处理将用户程序，从头至尾依次演算处理。在机械手自动分拣装置中，用户程序包括课题2和课题3的参考程序。4 4、映象区内容输出刷新用户程序演算处理完毕，将输出映象区内容传送到输出端口刷新输出。5 5、END END 处理 CPU 模块完成一次扫描后，为进入下一循环，进行如下处理。自诊断。计数器、定时器更新。同上位机、通信模块的通信处理。检查模式设定键状态。子课题5 5：技术答疑【问题1 1】光电开关、磁性开关、电感式传感器、电容式传感器记忆各种按钮，如何与PLCPLC相连？NPNNPN与PNPPNP接线有何不同？PLC的数字量输入是指限位开关、光电传感器、按钮等外部器件向PLC输送信号，如图1-52所示。图1-52 PLC数字量输入 PLC的数字量输入一般都供应电流输出PNP型和电流输入NPN型两种方式。输入电压依据型号的不同有DC24V，也有AC220V（极少数场合运用）。其输入隔离方式以光藕隔离居多，如图1-53中的a)和b)，两者的区分在于a)输入阻抗低，开关频率高；b)输入阻抗高，开关频率低。图1-53 PLC输入隔离 a)a)输输入低阻抗输输入低阻抗 b)b)输入高阻抗输入高阻抗依据直流输入模块连接的外部设备其接线方式也不同，如图1-54所示。外部设备是开关量接点形式的，按图a)接，如继电器的触点、接触器和热继电器的协助触点等作为输入形式的；外部设备是NPN开路输出类型的，按图b)接线，如NPN型开路输出型接近开关；外部设备是两线制类型的NPN电流输出的，则按图c)接线；外 部设备是PNP电流输出型的，按图d)接线；外部设备是电压输出类型的，则按图e)接线。图1-54 外部设备与PLC接线 a)干触点；b)NPN；c)二线制NPN；d)电压【问题2】搬运机构中涉及到很多的电磁阀和中间继电器，如何连接才是最合适的？假如PLC型号接受晶体管输出，接线是否相同？数字量输出是指输出PLC程序的执行结果，启动一外部设备或负载，如电磁阀、指示灯、限制面板、智能单元等，如图1-55所示。图1-55 PLC数字量输出 PLC的数字量输出分为两种，即继电器输出和晶体管输出。继电器输出为了延长寿命，一般在编程序时都建议将开关频率高于1S ON/1S OFF，否则就应当运用晶体管输出型。图1-56所示为继电器输出的最大寿命示意 图1-56 PLC继电器输出寿命示意 继电器输出的接线相对简洁，就犹如继电器的触点一样，如图1-57所示。图1-57 PLC继电器输出接线 PLC的另外一种输出方式为晶体管输出，可以广泛应用于开关频率高的场合，如步进电机的限制等。晶体管输出也有两种形式，如图1-58a)为高频输出、图1-58b)为低频输出。a)高频输出b)低频输出 图1-58 PLC晶体管输出形式【问题3】S7-200 PLC硬件版本有什么区分？二代S7-200（CPU22x）系列也分几个主要的硬件版本。6ES721x-xxx21-xxxx是21版；6ES721x-xxx22-xxxx是22版。22版与21版相比，硬件、软件都有改进。22版向下兼容21版的功能。22版与21的主要区分是：21版CPU的自由口通讯速率300、600被22版的57600、115200所取代，22版不再支持300和600波特率，22版不再有智能模块位置的限制.【问题4】PLC的电源应当如何连接？在给CPU进行供电接线时，确定要特殊当心分清是哪一种供电方式，假如把220VAC接到24VDC供电的CPU上，或者不当心接到24VDC传感器输出电源上，都会造成CPU的损坏。【问题5】S7-200 PLC的处理器是多少位的？S7-200 CPU的中心处理芯片数据长度为32位。从CPU累加器AC0/AC1/AC2/AC3的数据长度也可以看出。【问题6】如何进行S7-200的电源需求与计算？S7-200 CPU模块供应5VDC和24VDC电源：当有扩展模块时CPU通过I/O总线为其供应5V电源，全部扩展模块的5V电源消耗之和不能超过该CPU供应的电源额定。若不够用不能外接5V电源。每个CPU都有一个24VDC传感器电源，它为本机输入点和扩展模块输入点及扩展模块继电器线圈供应24VDC。假如电源要求超出了CPU模块的电源定额，你可以增加一个外部24VDC电源来供应应扩展模块。所谓电源计算，就是用CPU所能供应的电源容量，减去各模块所须要的电源消耗量。留意：EM277模块本身不须要24VDC电源，这个电源是专供通讯端口用的。24VDC电源需求取决于通讯端口上的负载大小。CPU上的通讯口，可以连接PC/PPI电缆和TD 200并为它们供电，此电源消耗已经不必再纳入计算。【问题7】S7-200PLC能在零下20度工作吗？S7-200的工作环境要求为：0C55C，水平安装 0C45C，垂直安装 相对湿度95%，不结露 西门子还供应S7-200的宽温度范围产品（SIPLUS S7-200）：工作温度范围：-25C+70C 相对湿度：55C时98%，70C时45%其他参数与一般S7-200产品相同 S7-200的宽温型产品，每种都有其单独的订货号。【问题8】数字量输入滤波器是什么作用，该如何设置？可以为CPU上的数字量输入点选择不同的输入滤波时间。假如输入信号有干扰、噪音，可调整输入滤波时间，滤除干扰，以免误动作。滤波时间可在0.20 12.8ms的范围中选择几档。假如滤波时间设定为6.40ms，数字量输入信号的有效电平（高或低）持续时间小于6.4ms时，CPU会忽视它；只有持续时间长于6.4ms时，才有可能识别。另外：支持高速计数器功能的输入点在相应功能开通时不受此滤波时间约束。滤波设置对输入映像区的刷新、开关量输入中断、脉冲捕获功能都有效。2009年12月12日