工件高度检测

工件高度的检测
采用超声波传感器设计了一种非接触式生产线工件高度检测装置$ 以 S7-200PLC为控制器,设计了超声波传感器与控制器的硬件电路,完成了系统的软件设计和触摸屏上位机通信$实验结果表明:该装置智能化与测量精度较高,可靠性好,可较好地应用于自动化生产线中非接触式工件高度的检测.
YL-335B型自动化模拟生产线其末端分拣站需要对加工的工件进行高度检测和分拣控制。

实际工业现场中的工件高度检测目前大多采用电子尺。

直线位移式传感器等作为检测元件，它依靠传感器的位移量转换为电信号由控制器进行处理，这种检测方法属于接触式检测，系统控制要求相对复杂，而且容易损坏工件。

因此以超声波传感器为代表的非接触式检测方式逐渐成为主导地位。

在控制器上，有相关的文献【2-5】介绍了以单片机.DSP等为控制核心的系统案，系统体积小，成本低，但是基于工业现场环境及运行的稳定性考虑，自动化生产线大多采用PCL 来控制,本装置正是借助于现有的PCL系统设计工件高度检测的。

1声波传感器测量原理
超声波测距是一种非接触式检测方式，使用中不受光照度|、电磁场、被测物色彩等因素的影响，加之信息处理简单，速度快，成本低，在机器人避障和定位、车辆自动导航、液位测量等方面已经有了广泛的应用。

另外，超声波测距方法也可应用到工件高度的测量中。

其检测原理为：超声波传感器发射超声波脉冲，该脉冲以一定的速度在空气中传播。

一部分能量被目标物反射回传感器。

传感器测量出超声波到达目标物并且返回传感器所需要的总时间，依照下式计算出传感器到目标物的距离：
D=c*t/2 (1)
式(1)中,为传感器到目标物的距离,c为空气中的声速,大约为
0.34m/ms,t 为超声波脉冲的传输时间。

实际应用中,为了提高精度,将超声波传感器输出的几个测量值取其平均值。

2 系统硬件设计
本装置用于YL-335B 自动化模拟生产线分拣站工件高度检测,该模拟生产线由供料站、加工站装配站、分拣站和输送站（系统主站）组成，各工作站均有立的 PCL 控制 ,它们之间通过RS-458 端口建立 PPI网络实现点对点分布式控系统。

工件高度检测装置则安装在分拣站的入料口与第一个分拣槽之间的置。

该装置由超声波传器，S7-200 PLC、触摸屏、分拣控的组成，其系统硬件结构如图1所示
图1工件高度测量装置硬件结构框图
超声波传感器：采用邦纳公司生产的S18UIA 超声波传感器,供电电源10~30VDC, 典型值24VDC 测量范围30mm ~300mm 超声波频率 300KHz;4~25mA模拟量输出 ; 精度0.5mm内部自带温度补偿电路。

实际运用时首先要设置工件高度值的测量范围，即下限值和上限值。

本文的应用中
，工件的测量范围为28mm至68mm
PLC:采用S7-200S系列CPU224XP 型号可编程控制器 ,自带有两路模拟量输入通道(0~10V电压信号)和一路模拟量输出通道(0~20mA电流信号)。

本系统由于只需要一路模拟量输入口，因此不需要另外扩展模拟量输入模块，这样可以大大节约成本。

上位机：采用昆仑通态研发的人机界面
TPC7062K,通过PPI总线将其与S7-200 PLC 控制站通信,整个系统的启动、运
行、停止、工件高度显示、产品合格率等信息均由触摸屏来发出控制命令或状态显示。

系统的硬件接线：超声波传感器棕色线为电源线，接 24V直流电压，白色线为信号线输出，蓝色线为电源参考端，接0V两线之间跨接500欧电阻，白色
信号线同时接入PLC模拟量输入端A+ 蓝色线接PLC 的模拟量输入公共端 M此外, PLC还要完成分拣控制和与其它工作站、触摸
屏之间的通信。

其中分拣控制包括变频器的控制、各分拣槽的电磁阀控制、以及入料口光电传感器、工件颜色传感器等器件的检测和控制。

系统工作原理：当系统把加工装配好的工件送到分拣站入料口时，启动变频器带动传送带将工件带入超声波传感器测量位置点，超声波传感器将测量值以电流型模拟量形式输出，该电流值经500欧电阻后转换为 2~10V之间的电压信号送入PLC
模拟量输入通道A通过PLC 内部算法程序的控制计算出工件的实际高度值，以此进一步指导分拣控制，同时通过 PPI 网络将高度值显示在触摸屏上。

3系统软件设计
3.1设计思路
S18UIV传感器输出为 4~20mV的电流信号，流经 500欧电阻后转换为2~10V电压信号。

由 PLC 的 A/D 转换原理可知PLC模拟量输入为电压信号，则对应的数字6000~32000，并且是呈线性关系的。

结合工件高度的上!下限测量值，
可以得出高度值与其数字量之间的关系如图2 所示。

图2 工件高度值与 A/D 转换数字量之间的关系
图中的曲线关系满足:
Y=k*x-b
将下限值点（28、6000），上限值点(68、32000)代入式（2），可以求得：k=650;b=12200。

所以工件的实际高度值为：
x=(y+b)/k.2 PLC
3.2 PLC程序设计
整个装置的程序控制包括入料检测、工件高度测量和分拣控制，具体如图3所示：
图3 系统软件流程图
高度检测程序的实现主要分为以下步骤：读入模拟量、将整数转换为双整数、将双整数转换为实数、作加法、作除法。

具体STL程序如下
3.3 组态设计
系统的上位机采用昆仑通态触摸屏TPC7062K来实现人机交互,它连接在系统的主站,数据的通信通过 PPI 网络实现对分拣站工件高度的检测控制,以及各个状态值的显示。

触摸屏界面窗体上包括分拣站的启动、停止按钮，以及工件的高度值显示、运行状态显示、成(废)品、废品率显示等相关信息。

4实验结果
为了验证本装置的预期效果，分别对 6 个不同高度的工件进行测试如表1 所示。

实验数据说明这种非接触式工件高度检测装置测试结果较准确，温度补偿效果良好。

表1实验数据与实际数据的比较
5 结束语
本文所设计的工件高度检测装置已经成功应用在YL-335B 自动化模拟生产线上进行工件的自动分类,测量精度达到0.5个毫米级的设计要求,系统运行稳定。

这种采用PLC和超声波传感器的非接触式工件高度检测的控制原理和方法，可以推广到实际工业生产线的工件、物料高度，以及液位检测等系统中，具有较好的应用价值。