学生姓名

二级

学院

智能工程学院

学    号

专业班级

商务2001班

题

目

（表格前2行，宋体五号，单倍行距）

指导教师

一、设计的目的与意义

1. 设计目的

在工业4.0与智能制造的浪潮下，传统分拣系统因依赖固定规则与机械结构，难以应对多样化、小批量、高频次变更的生产需求，存在调整耗时长、灵活性差等问题。本设计旨在通过集成机器视觉与PLC控制技术，构建一套高效、灵活的智能物料分拣系统。系统以高精度工业相机（参考马本学著作[1]中数字图像处理技术）捕捉物料图像，结合OpenCV库（参考文献[6]、[8]）中的滤波、边缘检测等算法，实现物料特征的快速识别与分类。控制层面采用西门子S7-1200/1500系列PLC（参考王兆宇著作[2]），利用其强大的逻辑处理能力与稳定性，确保分拣动作精准执行。通过PLC与机器视觉系统的无缝对接，实现从图像识别到分拣执行的全自动化流程，显著提升分拣效率与准确性，同时满足不同生产场景的快速切换需求，降低企业运营成本。

2. 设计意义

本设计不仅解决了传统分拣系统的技术瓶颈，更推动了跨平台系统设计与集成能力的发展，对培养复合型工程技术人才具有重要意义。系统整合了机器视觉、单片机图像处理、PLC逻辑控制、人机界面（HMI）开发等多领域技术（参考谭浩强C语言教材[3]、刘金琨机器人控制系统设计[5]），要求学生在实践中掌握各平台原理与操作方法，并具备系统集成与优化能力。通过实际项目锻炼，学生能够深入理解智能制造系统的整体架构与工作原理，提升解决复杂工程问题的能力，为未来职业发展奠定坚实基础。此外，本设计借鉴盖文东等人实验平台设计[9]及STM32官方手册、Modbus协议文档[10]，确保技术方案的先进性与科学性。其成功实施将为行业提供可复制的智能分拣解决方案，推动制造业智能化升级与转型，满足现代工业对高效、智能分拣系统的迫切需求。

二、设计的主要内容和拟解决的问题

1. 设计的主要内容

（1）系统总体架构设计与硬件选型优化

本设计旨在构建一套基于PLC控制的智能物料分拣系统，核心架构需围绕PLC的强大逻辑处理能力展开。系统以工业相机与镜头组合作为视觉采集前端，负责实时捕捉物料图像；PLC作为主控制器，不仅承担逻辑控制任务，还集成图像处理功能（通过PLC内置或扩展的图像处理模块，或与上位机软件协同处理），替代传统单片机角色。硬件选型需综合考虑PLC的型号（如西门子S7-1500系列，支持高速计数与运动控制）、工业相机的分辨率与帧率、镜头焦距与光源类型，确保视觉采集的清晰度与实时性。同时，需合理配置传感器（如光电传感器、颜色传感器）与气动执行机构，实现物料定位与分拣的精准执行。此阶段需详细分析系统需求，制定硬件选型清单，为后续编程与调试奠定基础。

（2）机器视觉算法与PLC控制逻辑深度融合

机器视觉算法是系统智能化的关键，而PLC控制逻辑则是系统稳定运行的保障。本设计需将视觉算法（如滤波、边缘检测、特征提取）与PLC控制逻辑深度融合。视觉算法部分，利用上位机软件（如LabVIEW或OpenCV库）或PLC扩展模块处理图像，提取物料特征（颜色、形状、尺寸），并将结果传输至PLC。PLC根据接收到的特征信息，结合预设的分拣规则，执行相应的控制逻辑（如启动气动执行机构、调整传送带速度）。此过程需优化算法处理速度与PLC响应时间，确保系统实时性。同时，需设计故障诊断与容错机制，提升系统稳定性。通过仿真软件（如TIA Portal）模拟实际场景，验证算法与控制逻辑的协同效果。

（3）PLC程序开发与系统集成调试

PLC程序开发是系统实现的核心环节。本设计需采用结构化编程方法，将程序划分为初始化模块、视觉数据处理模块、控制逻辑模块、HMI通信模块等，提升程序可读性与维护性。初始化模块负责系统自检与参数初始化；视觉数据处理模块接收并解析上位机或扩展模块传输的物料特征数据；控制逻辑模块根据特征数据执行分拣决策；HMI通信模块实现与触摸屏或上位机的数据交互，提供操作界面与状态监控。系统集成调试阶段，需构建实际分拣场景，测试系统识别准确率、响应时间、分拣成功率等关键指标。针对调试中发现的问题，优化算法参数或调整控制逻辑，确保系统满足设计要求。同时，编写操作手册与维护指南，为后续使用提供便利。

2. 设计拟解决的问题

本设计旨在解决传统分拣系统在智能化、实时性与稳定性方面的不足，具体拟解决以下问题：

物料识别智能化与实时性问题：传统分拣系统依赖人工或简单传感器，难以应对物料特征的多样化变化。本设计通过机器视觉技术，结合PLC的强大处理能力，实现物料特征的精准识别与实时处理，提升分拣智能化水平。

系统响应速度与分拣效率问题：面对高频次生产需求，传统系统响应速度慢，分拣效率低。本设计通过优化视觉算法处理速度与PLC控制逻辑，缩短系统响应时间，提升分拣速度，满足现代化生产节奏。

系统稳定性与抗干扰能力问题：工业现场环境复杂，存在电磁干扰、振动等因素，影响系统稳定性。本设计通过合理设计硬件布局、优化PLC程序结构、增加故障诊断与容错机制，确保系统在恶劣环境下仍能稳定运行。

系统扩展性与维护性提升问题：传统分拣系统扩展性差，维护成本高。本设计采用模块化设计思想，PLC程序结构清晰，便于后续功能升级与故障排查，降低长期运营成本。同时，提供友好的HMI界面，简化操作流程，提升用户体验。

三、设计的重点与难点

1. 设计重点

本设计的重点在于实现机器视觉算法与PLC控制逻辑的高效协同。机器视觉算法需精准提取物料特征（如颜色、形状、尺寸等），而PLC需依据这些特征快速执行分拣决策。两者在数据格式、处理速度及通信协议上存在差异，需设计中间数据转换机制，确保数据准确传输。同时，需优化算法处理速度与PLC响应时间，避免分拣延迟。此外，需解决多物料同时出现时的协同处理问题，确保分拣顺序与逻辑正确，通过仿真实验与实际调试不断优化算法与控制逻辑，提升系统智能化与实时性。

2. 设计难点

工业现场环境复杂，电磁干扰、振动、温度变化等因素对系统稳定性构成挑战。硬件选型需兼顾抗干扰能力与工业级性能，如选择高稳定性PLC与传感器；软件编程需采用模块化设计，增强程序容错性，并增加故障诊断与自恢复机制；系统布局需合理规划硬件安装位置，减少电磁干扰与振动影响，同时考虑散热与防尘措施。此外，需进行长时间稳定性测试，模拟实际工况，验证系统在各种条件下的可靠性，确保系统能够长期稳定运行，满足工业生产需求。

四、设计拟采用的方法、步骤、技术路线（或主要措施）

1. 方法：模块化设计与分层开发结合

采用模块化设计思想，将系统划分为视觉采集、图像处理、PLC控制、执行机构四大模块，各模块独立开发调试后集成。同时，结合分层开发策略，底层硬件驱动与上层应用逻辑分离，提升代码复用性与可维护性，降低开发复杂度。

2. 步骤：需求分析→硬件选型→算法开发→系统集成→测试优化

首先进行需求分析，明确系统功能与性能指标；其次根据需求完成硬件选型与布局设计；接着开发机器视觉算法与PLC控制程序；随后进行系统集成，搭建实际分拣场景；最后通过大量测试验证系统稳定性与准确性，针对问题优化算法与控制逻辑。

3. 技术路线：基于PLC的视觉-控制一体化方案

以PLC为核心控制器，集成图像处理模块（或通过上位机软件处理后通信传输），实现视觉数据与控制指令的实时交互。采用工业以太网或现场总线技术，确保数据传输的高速性与可靠性。同时，利用PLC的强大逻辑处理能力，结合机器视觉的精准识别，构建高效、稳定的智能分拣系统。

五、设计的进度计划

2025年12月1日—2025年12月31日：完成系统需求分析与可行性研究，明确设计目标与功能指标，制定详细的技术方案与硬件选型清单。

2026年1月1日—2026年2月28日：完成机器视觉算法开发，包括图像预处理、特征提取与分类识别算法的编程与初步测试，优化算法准确率与处理速度。

2026年3月1日—2026年3月31日：完成PLC控制程序开发，设计结构化程序框架，编写初始化、数据接收、逻辑控制与HMI通信模块，并进行单元测试。

2026年4月1日—2026年4月30日：进行系统集成，搭建实际分拣场景，完成视觉模块与PLC的通信调试，实现初步协同工作，验证数据传输稳定性。

2026年5月1日—2026年5月31日：开展系统测试与优化，通过大量实验验证识别准确率、响应时间与分拣成功率，针对问题调整算法参数与控制逻辑，提升系统性能。

2026年6月1日—2026年6月30日：完成设计总结与文档编写，整理开发过程中的技术资料与测试数据，撰写设计报告与用户手册，准备项目验收。

六、参考文献与设计依据

1.参考文献

[1] 马本学. 数字图像处理与机器视觉基于MATLAB实现[M].机械工业出版社，2023.

[2] 王兆宇. 西门子S7-1200 PLC编程与应用实战[M]. 机械工业出版社，2021.

[3] 谭浩强. C语言程序设计（第五版）[M]. 清华大学出版社，2021.

[4] 邸静妍.基于PLC与机器视觉的物料分拣系统的设计[J].科技创新与生产力, 2025, 46(2):119-123.

[5] 刘金琨. 机器人控制系统的设计与MATLAB仿真[M]. 清华大学出版社，2020.

[6] 王晓辉. 机器视觉技术与应用实战[M]. 机械工业出版社，2022.

[7] 胡寿松. 自动控制原理（第七版）[M]. 科学出版社，2019.

[8] 张伟. 基于OpenCV的图像处理项目实战[M]. 人民邮电出版社，2021.

[9] 盖文东,刘雅琨,荆刚,等.基于机器视觉的物料自动分拣实验平台设计[J].实验室科学, 2023, 26(6):53-57.

[10] STM32官方参考手册及Modbus通信协议文档。

2.设计依据

（1）遵循《中华人民共和国智能制造发展规划（2021-2025年）》：该规划明确提出推动制造业智能化升级，本设计通过机器视觉与PLC控制技术融合，实现物料分拣自动化，符合国家智能制造战略导向。

（2）符合GB/T 15969-2008《可编程序控制器 第1部分：通用技术条件》：设计严格参照该标准中关于PLC硬件性能、环境适应性及电磁兼容性的要求，确保系统在工业现场稳定运行。

（3）依据GB/T 25000.51-2016《系统与软件工程 软件产品质量要求与评价》：在软件开发过程中遵循该标准，规范视觉算法与PLC程序的模块化设计、代码注释及测试流程，提升系统可维护性与可靠性。

（4）参照IEC 61131-3《工业自动化系统与集成 程序语言及其外部环境》：PLC控制程序采用该标准规定的梯形图（LD）与结构化文本（ST）语言编写，确保程序逻辑清晰、跨平台兼容性强。

（5）符合GB 4793.1-2007《测量、控制和实验室用电气设备的安全要求》：硬件选型与系统布局严格遵循该标准中关于电气安全、防触电保护及机械防护的规定，保障操作人员与设备安全。

七、指导教师意见

可从以下几方面分析点评

1.设计的思路、重难点的把握是否清晰

2.设计方法以及技术路线的可行性

3.设计的进度安排的合理性

4.是否可以开题

指导教师签字：                      年      月      日

八、系（室）意见

同意开题

（室）主任签字：                      年      月      日