實訓教學用物料分揀工作臺控制系統設計

王 麗 葛 帥

(1.陜西工業職業技術學院 陜西咸陽712000；2.西安工業大學 西安710021)

隨著工業化和信息化進程飛速發展，提出中國制造2025旨在提升整體創新力和制造業的素質。目前很多企業在自動化控制方面仍不可避免存在一些控制缺失或控制浪費問題[1]，同時，各大專院校間在工業化自動控制的實訓教學方面也存在很大不足[2]。

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）結合了傳統的繼電器技術跟微型計算機技術，它具有數字化的操作系統并且高度貼合工業環境，其高效的反饋速度和穩定的性能，已經被越來越多的企業所青睞[3-5]。為促進工業化進程，適應國家智能制造的發展潮流，優化院校間和培訓機構的實訓教學，設計、搭建了一種基于西門子PLC控制的多模式分揀工作臺[6-7]。

工作臺以西門子PLC為主要的控制元件，在保證電路正確連接且暢通的情況下，以不同類別的傳感器作為識別元件[8]，將檢測到的開關量信號傳遞給PLC，由PLC輸出開關量信號給工作臺的執行部件，即氣動控制部件，由電磁閥控制氣缸動作，完成自動上料和自動分揀作業[9]，并通過后期實驗調試驗證了其模塊化的優越性能。

1 西門子PLC控制原理

西門子PLC在工業領域中應用極為廣泛，尤其是在現代工業自動化和過程自動化的控制系統中[10]。PLC投入運行后，工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新階段。首先PLC讀入輸入狀態和數據并存入I/O區，然后依次從上至下掃描梯形圖，并最終由輸出電路驅動相應外設[11]。在本工作臺的控制中，以開關按鈕和傳感器作為輸入，通過編寫梯形圖，實現對電機、氣缸以及指示信號燈等外設的控制。通過西門子PLC的穩定控制，實現高效的自動供料和分揀作業，并可通過PPI協議與觸摸屏設備通訊，實現良好的人機交互[12]。

2 工作臺方案設計

2.1 工作臺整體方案設計

工作臺以西門子PLC作為主要控制元件，通過編寫程序，實現如下的控制流程：按下啟動按鈕，綠燈亮，電機啟動帶動傳送帶運行，供料氣缸從井式儲料倉進行供料操作，將工件從井式儲料倉推出至傳送帶上，經傳送帶輸送分別經三個傳感器進行識別，三個傳感器分別為檢測金屬工件的金屬接近開關傳感器、檢測磁性材料的霍爾開關傳感器、檢測塑料材料的漫反射光電開關傳感器，由傳感器檢測工件的材質，是金屬、磁性材料還是塑料，并將開關量信號輸送至PLC中，由對應的推料氣缸將其推送至相應的料槽里，每次推送為一次分揀作業，分揀流程如圖1所示。

2.2 工作臺機械結構設計

在對機械結構進行設計時，使用三維建模軟件Solidworks將創建的零件模型進行等比例的裝配、仿真，從而對作品有直觀的認識，更加方便后期的拼裝和調試。搭建工作臺時，首先選擇所需的主要部件，以不同型號規格的鋁型材搭建平臺架構、臺面和支撐立柱，其他主要部件包括傳送帶、以鋁板制作的傳送帶支撐、電機、調速器、電磁閥、按鈕開關盒、供料臺、傳感器、氣缸、空氣壓縮機、料倉、指示燈；針對工作臺中的一些部件如電機座、供料臺面、井式儲料倉等均由3D打印機完成制作，其中立柱與臺面、鋁板與立柱之間通過對應規格的轉向角碼件進行連接，電機與傳送帶之間的滾筒通過聯軸器進行連接；將各部件合理拼接裝配，三維模型如圖2所示。

圖1 工作臺分揀流程圖

圖2 工作臺三維模型圖

2.3 工作臺電氣控制設計

2.3.1 電路設計

在進行工作臺的電路設計時，應充分考慮各電路元器件之間的電壓匹配關系，避免器件的燒毀或造成其他安全事故；同時，應在電路中加入空氣開關、熔斷器等器件，以確保電路的安全性能，在強電電路中，加載3個空氣開關和4個熔斷器，可以保證在電壓過大或接線錯誤時對電路中其他元器件的保護；在控制電路中，因電機選擇220V單相交流電機，故使用交流接觸器來控制電機調速器，以此來控制電機的啟動和停止，在控制器件PLC的輸出端加入中間繼電器，以保證控制的穩定性和可行性，平臺上加入10個中間繼電器，可方便后期加載更多的控制器件，工作臺的控制電路如圖3所示。

圖3 工作臺控制電路圖

在設計電路的時候，充分考慮工作臺的結構位置，將電路元器件合理的安置在平臺下層的底板上，并在該板上留有接地端和接線端子排，其中接地端同樣可以起到保護電路的作用，而接線端子排，可使工作臺的接線更加便捷和美觀，避免了接線冗雜的情況，工作臺的接線端子排如圖4所示。

將所有電路元器件，包括空氣開關、熔斷器、西門子PLC、24V開關電源、接觸器、中間繼電器、接地端，端子排合理安置在板子中。

圖4 工作臺電路端子圖

2.3.2 氣動控制

工作臺的執行部件為小型直推氣缸，通過空氣壓縮機提供動力，由PLC控制電磁閥的通電斷電，來控制氣缸的開關，并在氣缸端部裝有空氣節流閥，以此來控制氣缸動作的快慢，來適應不同速度需求的作業要求。其中電磁閥選擇單電控的DC24V電磁閥，工作臺的氣動控制原理圖如圖5所示。

圖5 工作臺氣動控制原理圖

2.4 工作臺的PLC控制設計

在使用PLC控制時，首先對PLC進行選型，通過考慮滿足控制要求的輸入輸出模塊數量以及是否有模擬量的輸入輸出，并同時考慮控制之間的匹配關系，選擇西門子S7-200系列的224繼電器型PLC作為控制主元件，選型后對PLC的I/O口進行分配，分配表如表1所示。

表1 工作臺 PLC的I/O口分配表

對PLC的I/O進行合理分配后，根據PLC的端子圖進行正確的接線，PLC端子圖如圖6所示。

圖6 工作臺PLC端子圖

通過SETP 7 MicroWIN SP9軟件進行PLC梯形圖的編寫，通過加入中間變量來保證程序的可靠性，通過程序控制實現，按下啟動按鈕，綠燈亮，電機啟動，進行分揀作業，當一次分揀完成后，等待數秒，進行下一輪的供料、分揀作業。同時，通過對程序的改寫，使用定時器，來控制氣缸是在傳感器識別后立即推料還是等待數秒后推料，由此解決氣缸位置不固定、分揀速度不固定的問題，這里以金屬推料氣缸的控制為例，編寫相應的梯形圖如圖7所示。

考慮到PLC的輸入輸出信號多為開關量信號，針對不同的傳感器識別模塊之間存在有較多相似之處，因此可以建立相應的傳感器識別子程序庫，在使用的時候，通過調用，靈活匹配，凸顯模塊化思維，其中模塊框圖如圖8所示。

圖7 工作臺金屬分揀模塊控制梯形圖

圖8 工作臺識別硬件模塊框圖

2.5 人機界面和組態軟件設計

觸摸屏選擇TPC7062KK（TX）型嵌入式一體化觸摸屏，其參數為輸入24VDC/300mA max，通過PPI協議與西門子224PLC進行通信，在MCGS嵌入式組態環境中對操作界面進行編輯，包括啟動按鈕、停止按鈕和復位按鈕，以及相應的指示，觸摸屏實物圖如圖10所示。

圖10 工作臺觸摸屏實物圖

3 工作臺性能測試

通過正確的接線，調試后，接通3個電源，分別為電機電源、電路板電源、空氣壓縮機電源。電源接通后，工作臺處于停止工作狀態，紅色信號燈點亮，此時，按下啟動按鈕或在觸摸屏上操作，根據預先編輯好的程序，綠色指示燈點亮，供料機構進行供料操作，等待2s后，電機啟動帶動傳送帶運行，帶動工件進入分揀模塊，經過各個傳感器進行識別，根據程序完成分揀推料至對應的料槽中，每次推送為一次分揀循環，在一次循環結束后，等待數秒后（可自行設定）進行下一輪的自動分揀，直到將井式供料槽內的工件分揀完畢。

經測試，工作臺運行平穩可靠，分揀精度高，且靈活性較強，可以適應不同的作業速度需求；與此同時，工作臺在模塊化方向處理較好，各模塊間可自由匹配。

4 結語

基于西門子PLC控制的多模式分揀工作臺，以PLC作為主控元件，輔助電路、氣動控制和人機交互，可通過按鍵或觸摸屏實現安全、高效、穩定的自動供料和分揀作業。同時，工作臺在研制時可根據需求自行設計搭建，實現從無到有，實訓效果明顯；且控制充足穩定，將其應用于企業自動化控制，同樣具有十分顯著的效果。