基于PLC與觸摸屏的物料分揀教學實驗臺設計

陳毓莉， 龐水全， 鄭志軍

(華南理工大學 機械與汽車工程學院， 廣東 廣州 510640)

基于PLC與觸摸屏的物料分揀教學實驗臺設計

陳毓莉， 龐水全， 鄭志軍

(華南理工大學 機械與汽車工程學院， 廣東 廣州 510640)

針對高校實驗設備功能單一等問題，設計了一種基于PLC與觸摸屏的物料分揀教學實驗臺。將傳感器技術、液壓與氣動控制、機電傳動與控制、MCGSE組態開發、PLC控制技術有機結合在一起，形成一個多功能教學實驗平臺，可完成傳感器技術實驗、液壓氣動實驗、機電傳動實驗、MCGSE組態實驗、PLC控制實驗以及控制電路實驗，保證了教學實驗設備的先進性與創新性，提高學生的動手和實踐能力。

物料分揀； 實驗臺; PLC； 觸摸屏

隨著現代工業的發展，機電一體化在實驗教學中起著越來越大的作用，而現有的教學實驗平臺大多存在綜合性不強、實現功能單一、實驗關聯性以及學生實操性低等缺點，難以實現多樣化的教學實驗要求[1-3]。本文設計的基于PLC與觸摸屏的物料分揀教學實驗臺，融合了傳感器技術[4-5]、液壓與氣動控制[6]、機電傳動與控制[7]、MCGSE組態開發[8-9]以及PLC自動控制[10-13]等方面的知識和技術，能有效完成多學科的綜合教學實訓任務。觸摸屏模塊的加入，使實驗臺更加直觀，增加了學生的實驗興趣。多學科的綜合，拓展了學生的知識面，也使學生的動手能力得到更好的培養。另外，本文所設計的教學實驗平臺采用現代化技術，保證了教學設備的先進性與實踐性。

1 實驗臺的結構和功能設計

1.1 實驗臺的整體結構

實驗臺采用臺式結構，由電源、液晶控制面板、單向電機、傳送帶、電磁閥組、氣缸、感應器、落料槽、三菱PLC等部件組成，結構示意圖見圖1。學生可通過MCGSE組態軟件開發人機交互界面，通過觸屏通道實現實驗臺的控制。電動機帶動傳送帶運送待分揀的物料，學生可應用機電傳動與控制課程知識，使用實驗臺完成對電動機控制實驗。圖1中的二位五通電磁換向閥為YV1、YV2、YV3；氣缸回位限位開關為磁感應開關SBW1、SBW2、SBW3；氣缸動作限位開關為磁感應開關SFW1、SFW2、SFW3；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為氣缸組。這幾個組塊都是氣壓控制回路中的元器件，學生可通過實驗臺完成氣動控制的實驗，進一步學習液壓與氣動課程知識。電容傳感器SB用于檢測非金屬材料，顏色傳感器SC用于檢測特定顏色材料，電感傳感器SA用于檢測金屬材料。學生可根據傳感器原理與應用的知識，使用實驗臺完成傳感技術的實驗，也可對傳感器進行更換，以完成其他類型物料的分揀任務。下料槽也稱滑槽。

圖1 物料分揀實驗臺的結構示意圖

1.2 物料分揀的工作流程

使用該實驗臺進行物料分揀的流程如下：

(1) 接通電源，按下啟動開關SB1，系統啟動，綠燈亮；

(2) 把需要分揀的物料放到傳送帶上(放置下一個時需間隔一定的時間)，物料由傳送帶往前輸送；

(3) 當電感傳感器SA檢測到金屬材料時，氣缸Ⅲ開始動作，把物料推送至下料槽18；

(4) 當顏色傳感器SC檢測到的材料為白色時，氣缸Ⅱ開始動作，把物料推送至下料槽17；

(5) 當電容傳感器SB檢測非金屬材料時，氣缸Ⅰ開始動作，把物料推送至下料槽16；

(6) 按下急停按鈕SB2，系統進入暫停狀態，紅燈亮；

(7) 按下停止按鈕SB3，系統關閉。

控制流程見圖2。

圖2 實驗臺的控制流程圖

2 實驗臺的硬件設計

本實驗臺采用臺式結構，輸送帶作為傳動機構，采用異步電動機驅動，3個傳感器按圖1結構分別固定在網孔板上。實驗臺主要由電氣部分和氣動部分組成。其中電氣部分由三菱PLC、電感傳感器、電容傳感器、顏色傳感器、單相交流電動機、開關電源、電磁閥等部件組成；氣動部分由氣源、減壓閥、氣壓指示表、氣缸等部件組成。實驗臺硬件結構框圖見圖3。

圖3 實驗臺硬件結構框圖

2.1 可編程控制器模塊

可編程控制器(PLC)的種類比較多，主要有三菱、西門子、OMRON、東芝、FANAC等[10]，根據物料分揀實驗臺的工作過程和功能，系統的輸入端控制信號有14個，均為開關量；輸出端的控制信號有7個，1個控制電動機，1個控制抱閘線圈，2個控制指示燈，3個控制電磁換向閥，也均為開關量。綜合各個型號的性能、價格以及使用場合等因素，并在實際統計輸入/輸出信號點總數的基礎上增加15%～20%端口備用量，故選用FX2N-32MR的PLC作為系統控制主機，它一共有16個輸入點和16個輸出點[10]，不僅可以滿足系統的設計要求，還有部分剩余I/O口用以滿足將來擴充需求。表1為PLC的端口分配情況。

表1 FX2N-32MR的PLC(I/O)端口分配

根據PLC的端口分配情況，可以得到PLC的輸入輸出端子接線圖，如圖4所示。

圖4 控制器FX2N-32MR的PLC(I/O)輸入輸出端子接線圖

2.2 電動控制模塊

基于PLC的物料分揀教學實驗臺的主電路由強電電路和控制電路共同組成，強電電路負責電能的交換，確保電器供電安全和穩定，主要有熔斷器、接觸器、熱繼電器以及電動機等部件組成；而控制電路負責控制電路中電器元件的動作，主要有開關、接觸器以及熱繼電器等部分組成。實驗臺主電路見圖5。

圖5 實驗臺主電路圖

主電路具有過載保護和短路保護功能。圖5中：M1是空氣壓縮機，物料分揀教學實驗臺使用的是中央氣源，因此在PLC中沒有對M1進行端口匹配以及程序控制；M2是異步電動機，為傳送帶提供動力，因為物料分揀教學實驗臺融合了機電傳動與控制實驗，因此電動機選型為Y80M1-4，此電動機具有輕便和實

惠的優點，同時又能滿足實驗臺要求[14]；FU1是熔斷器，起著短路保護的作用，只要電路發生了短路，熔體的電流將使其發熱，而當達到了熔化的溫度時FU1將自行熔斷，起到自保功能；KM1、KM3為接觸器，用于控制電動機，當其中的一個接通時，所對應的電動機就能夠啟動、運行；FR1和FR2都是為了電動機的過載保護而設計使用的熱繼電器，當電動機出現長時間過載時，熱繼電器將自動切斷電路，從而保證了電動機的正常啟動、運轉。在物料分揀教學實驗臺中，接觸器和熱繼電器均由PLC端口來代替，通過梯形圖編程來實現，電動機控制與PLC的端口匹配見表1。

電動機M2的控制過程如下：按下啟動按鈕SB1時，KM1接通，電動機將開始運轉；按下急停按鈕SB2時，KM1斷開，電動機停止運行，同時KM2接通，向抱閘線圈通入電流，并產生磁力來克服彈簧拉力從而吸引電動機的閘輪，這就能夠使電機立刻停止運轉；按下停止按鈕SB3，KM1和KM2全斷開，電機由于慣性將緩慢停止運行。

2.3 氣動控制模塊

本實驗臺氣動部分主要由氣動執行機構和氣動控制機構兩部分組成。氣動執行機構主要是由雙作用直線氣缸、薄型氣缸以及真空裝置組成；氣動控制機構主要是由單電控二位五通電磁閥組成。氣動控制原理如圖6所示，空氣壓縮機將空氣壓縮之后經手閥開關和過濾減壓閥至電磁閥組，控制各個氣動元件執行相應的動作，按要求達到控制目的。

圖6 氣動控制原理圖

實驗時，打開氣源開關，被檢測物料在傳送帶上被帶動；當電容傳感器SB檢測到非金屬物料時，電磁閥YV1通電，使電磁換向閥變位，從而使非金屬材料推料缸做推料動作；當活塞觸發動作限位開關時，電磁閥斷電，使電磁換向閥恢復原來位置，推料缸復位，完成推料動作，等待下一次檢測到非金屬物料。檢測金屬材料以及指定顏色材料同理。

2.4 人機界面模塊

為了通過觸摸屏操作實驗臺，必須給觸摸屏設備創建組態用戶界面。本實驗臺選用的觸摸屏為昆侖通態MCGS觸摸屏，首先使用MCGS組態軟件設計交互界面和通道屬性，然后通過串行接口按RS-232C接口標準對設備進行連接，實現實驗臺可視化操作。

機交互界面(見圖7)包含了標題、日期時間、操作按鈕、傳送帶運行的狀態指示燈以及推料氣缸的運行狀態等內容。操作按鈕包括啟動按鈕、停止按鈕和急停按鈕。傳送帶運行指示燈有正常運行與停止運行兩種狀態。推料缸指示燈分別對應3個推料缸，推料缸工作時，相應的指示燈閃爍；推料動作完成，指示燈閃爍停止。

圖7 交互界面示意圖

3 軟件控制模塊

圖8 物料分揀教學實驗臺順序功能圖

傳送帶正常運作后，把待分揀物料放上傳送帶，若物料為非金屬(X003)，則非金屬推料缸工作(Y003)，把物料推至滑槽(下料槽)、送至1號倉庫；若物料為指定顏色物料(X004)，則指定顏色推料缸工作(Y004)，把物料推至滑槽送至2號倉庫；若物料為金屬(X005)，則金屬推料缸(Y005)，把物料推至滑槽送至3號倉庫。

第一輪分揀結束后，系統自動進入第二個循環，等待下一個待分揀物料。

根據順序功能圖可以很容易地進行PLC梯形圖編程，可采用臺達Wplsoft-PLC編程軟件進行程序編譯，該軟件具有簡單易學的優點，適用于初學者。

4 實驗設計

根據物料分揀教學實驗臺的組成和特點，可以設計如下教學實驗：

(1) 物料分揀(傳感技術)實驗。使用實驗臺對不同的材料進行分揀操作，讓學生掌握傳感技術的原理和應用，進一步加深對傳感技術的學習。

(2) 機電傳動實驗。通過實驗操作觀察電動機運轉和停止情況，應用機電傳動知識繪制電動機控制電路圖，從實際操作中學習機電傳動課程知識，提高學習興趣。

(3) 氣動控制實驗。通過實驗操作觀察氣動控制元件的動作，認識常用的氣動元件，了解氣動控制回路的組成，應用液壓與氣動控制知識繪制系統氣動控制回路圖，弄清楚實驗臺的氣動控制執行順序。

(4) MCGS組態實驗。發揮創意對用戶界面進行設計，然后設置界面相應屬性，應用串行通信實現設備之間的溝通，使用觸屏通道對實驗臺的動作進行控制，了解串行通信的原理與應用，提高學生的實驗興趣。

(5) PLC編程實驗。通過使用編程軟件編寫實驗臺的梯形圖程序，對實驗臺的動作進行控制，完成物料分揀的任務，讓學生加深對PLC的認識，鍛煉學生的邏輯思維與編譯能力。

(6) 控制電路實驗。根據所給控制電路進行接線，加深學生對電路知識的學習和記憶，同時避免了強電電路實驗的危險性，提高電路實驗的安全。

5 結語

基于PLC的物料分揀教學實驗臺既有一般實驗設備的特點，又有以下幾個方面的優點：

(1) 實驗臺融合了傳感技術、機電傳動與控制技術、液壓與氣動傳動技術、MCGSE組態交互技術以及PLC編譯技術，能有效地完成高職院校多學科交叉教學的任務；

(2) 實驗臺集多功能于一身，解決了一般實驗器材功能單一的問題，可同時完成多學科的綜合實驗，形成更好的“教—學—做”實驗體系；

(3) 實驗臺融合了近現代控制技術，可進行觸屏和按鈕雙通道控制，設備具有現代技術水平，保證了教學實驗設備技術的先進性與創新性。

References)

[1] 陳義明,姚三九. 機電一體化實驗教學改革和實驗室建設研究與探索[J]. 中國教育技術裝備,2016(12):136-137.

[2] 邵園園,玄冠濤. 機電一體化實驗教學改革探索與實踐[J]. 中國現代教育裝備,2010(9):84-86.

[3] 熊瑛,許滌之. 淺談高校機電一體化實驗教學[J]. 亞太教育,2015(21):72.

[4] 高曉蓉,李金龍,彭朝勇.傳感器技術[M]. 西安:西安交通大學出版社, 2013.

[5] 李瑜芳.傳感器原理及其應用[M].成都:電子科技大學出版社, 2008.

[6] 左健民. 液壓與氣壓傳動[M]. 北京:機械工業出版社, 2007.

[7] 王宗才. 機電傳動與控制[M]. 北京:電子工業出版社, 2014.

[8] 李冬,馮喬. PLC實訓項目的組態開發與設計[J]. 信息技術,2012(1):53-54，59.

[9] 吳作明. 工控組態軟件與PLC應用技術[M]. 北京:北京航空航天大學出版社, 2007.

[10] 陳忠平, 侯玉寶. 三菱FX2N PLC從入門到精通[M]. 北京:中國電力出版社,2015.

[11] 林育茲, 鮑平. 可編程序控制器原理及邏輯控制[M]. 北京:機械工業出版社,2005.

[12] 張繪敏. 基于三菱PLC控制的物料分揀系統設計與實現[J]. 時代農機,2015(12):28-29，31.

[13] 李基有. 基于PLC控制的多傳感器物料自動分揀系統設計[D].廣州：華南理工大學,2015.

[14] JB/T 10391—2008 Y系列(IP44)三相異步電動機 技術條件(機座號80—355)[S]. 北京:中國標準出版社, 2008.

Design of teaching experimental platform for material sorting based on PLC and touch screen

Chen Yuli, Pang Shuiquan, Zheng Zhijun

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

In view of the problems about the single function of experimental equipment in colleges and universities, a teaching experimental platform for material sorting based on PLC (programmable logic controller) and the touch screen is designed. The experimental platform combines the sensing technology, hydraulic and pneumatic control, electromechanical drive and control, MCGSE configuration development and PLC control technology to form a multi-functional teaching experimental platform, which can implement the sensor technology experiment, the hydraulic pneumatic experiment, the electromechanical drive experiment, the MCGSE configuration experiment, the PLC control experiment and the control circuit experiment in colleges and universities, ensuring the advancement and innovation of the teaching experimental equipment, and improving the students’ hands-on and practical ability.

material sorting; experimental platform; PLC; touch screen

TH22; G484

A

1002-4956(2017)10-0070-05

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.019

2017-04-05修改日期2017-06-20

2014年廣東教育教學成果獎培育項目；2016年華南理工大學本科教研教改項目青年專項(j2jw-Y9160830)； 2016年華南理工大學“學生研究計劃”(SRP)項目(x2jq-Y9160180)

陳毓莉(1979—)，女，海南瓊海，碩士，工程師，研究方向為工程訓練、工業控制實驗教學研究與實踐.

E-mail：chenyuli@scut.edu.cn