基于西門子PLC與MCGS的產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

殷晶晶

（合肥市經(jīng)貿(mào)旅游學(xué)校，安徽合肥，230011）

0 引言

生產(chǎn)過程中需將某些產(chǎn)品進(jìn)行分揀成箱，以備后續(xù)使用、銷售等[1,2]。目前，對(duì)工業(yè)現(xiàn)場使用的分揀設(shè)備的研究逐年增多[3,4]，提出了對(duì)分揀設(shè)備設(shè)計(jì)的諸多解決方案。李菁川[5]針對(duì)某校華中數(shù)控HSR612(Ⅰ型)工業(yè)機(jī)器人，對(duì)其進(jìn)行功能二次開發(fā)（智能顏色識(shí)別分揀系統(tǒng)），在不影響原有功能的基礎(chǔ)上，增加新的功能，使機(jī)器人單體變成機(jī)器人小型工作站。李修宇[6]等針對(duì)傳統(tǒng)的YL-335B自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)分揀方式單一、耗時(shí)長的問題，設(shè)計(jì)一種基于PLC與MCGS的分揀單元?jiǎng)討B(tài)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過MCGS進(jìn)行了交互界面的組態(tài)，所使用的控制器時(shí)延短，響應(yīng)速率快，對(duì)自動(dòng)化的分揀裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。

本文基于西門子S7-1200型PLC，使用三相電機(jī)、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)工件傳送、分揀送料和抓放料等功能。通過光電傳感器檢測工件包裝盒的二維碼和顏色，將工具分為優(yōu)質(zhì)品和合格品兩種類型。在TIA Portal 15中進(jìn)行S7-1200控制器的軟件程序設(shè)計(jì)，通過MCGS環(huán)境進(jìn)行人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，設(shè)備在現(xiàn)場的應(yīng)用良好。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■1.1 總體設(shè)計(jì)方案

如圖 1所示，控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成圖，選擇西門子S7-1200型PLC作為控制系統(tǒng)的控制核心，三相電機(jī)（M1）為輸送帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由變頻器驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)（M2）為分揀送料電機(jī)，由伺服系統(tǒng)控制，步進(jìn)電機(jī)（M3）為抓放料電機(jī)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制。指示燈組件為一組LED指示燈，分別用于指示電源開關(guān)、M1電機(jī)開關(guān)、M2電機(jī)開關(guān)、M3電機(jī)開關(guān)、優(yōu)質(zhì)品指示燈、合格品指示燈、優(yōu)質(zhì)品儲(chǔ)箱已裝滿指示燈、合格品儲(chǔ)箱已裝滿指示燈等。按鈕模組包括系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕、停止按鈕和緊急制動(dòng)按鈕，該三個(gè)按鈕為實(shí)體硬件型按鈕，人機(jī)交互界面中的按鈕為虛擬按鈕，具備按鈕的開關(guān)功能。當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)后，首先判斷倉庫是否有工件，上料機(jī)器將工件送至輸送帶上，輸送帶電機(jī)（M1）運(yùn)行；工件通過光電傳感器檢測識(shí)別，對(duì)工件包裝盒的二維碼和包裝盒顏色進(jìn)行識(shí)別（藍(lán)色為優(yōu)質(zhì)品，黃色為合格品），電機(jī)（M1）在運(yùn)行過程中進(jìn)行2檔減速運(yùn)行，以保證工件不被快速運(yùn)行無法制動(dòng)。工件輸送快到分揀抓料位置時(shí)，電機(jī)（M1）低速運(yùn)行，工件最后精準(zhǔn)停在入倉抓料位置。步進(jìn)電機(jī)（M3）與伺服電機(jī)（M2）配合運(yùn)行，完成工件分揀和搬運(yùn)操作，將工件存放到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)箱中。

圖1 分揀系統(tǒng)整體組成結(jié)構(gòu)

工業(yè)電源為生產(chǎn)現(xiàn)場常用的50Hz三相交流電源，可為機(jī)器提供電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)380V電壓。電源開關(guān)為工業(yè)電源與PLC供電電源兩用開關(guān)，并通過降壓與穩(wěn)壓電路將380V交流電源轉(zhuǎn)換為220V直流電和24V直流電源。變頻器用于控制三相電機(jī)M1的轉(zhuǎn)速，支持滿載的長時(shí)間運(yùn)行，兼容50Hz和60Hz的380V工業(yè)交流電，伺服驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)M2，伺服電機(jī)為永磁同步電機(jī)和編碼器的組合體，在伺服驅(qū)動(dòng)器上可設(shè)置伺服電機(jī)的使能或失能，并未伺服電機(jī)提供工作電源，伺服驅(qū)動(dòng)器通過接收控制器的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過控制脈沖信號(hào)發(fā)出的頻率來控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)M3，步進(jìn)電機(jī)M3采用開環(huán)控制方法，不在電機(jī)上增設(shè)編碼器；在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上同樣可設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的使能或失能，同時(shí)為電機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)的工作電源，通過在驅(qū)動(dòng)器上設(shè)置細(xì)分?jǐn)?shù)的方法降低電機(jī)的步距角，細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置范圍為0～255，可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)步距角的0～255細(xì)分；步進(jìn)電機(jī)為兩相位四線制，分別與驅(qū)動(dòng)器的兩相（A+、A-、B+、B-）連接，驅(qū)動(dòng)器脈沖信號(hào)接收引腳用于接收PLC控制器發(fā)出的脈沖信號(hào)，通過控制脈沖信號(hào)發(fā)出的頻率即可完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。按鈕模組采用常用的工業(yè)邏輯開關(guān)按鈕，可實(shí)現(xiàn)按下自鎖，再按斷開的功能，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。光電傳感器模組為PLC控制器的傳感器單元，用于感知光電信號(hào)，并為PLC提供光電模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。

■1.2 指示燈組件

如圖2所示，指示燈組件為PLC的I/O引腳控制型，通過I/O引腳的開關(guān)來控制指示燈的通斷，在每個(gè)指示燈上均串聯(lián)一個(gè)10 kΩ限流電阻，防止電流過流、過熱造成斷路，在電路設(shè)計(jì)上將所有指示燈的地線共地。

圖2 指示燈組件

■1.3 電機(jī)控制電路

如圖3所示，三相電機(jī)（M1）由變頻器（VF1）驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)（M2）由伺服系統(tǒng)控制器（SF1）控制，步進(jìn)電機(jī)（M3）由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（BQ1）控制。

圖3 電機(jī)控制電路

2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

MCGS是由深圳昆侖通態(tài)科技有限責(zé)任公司研發(fā)的一套基于Windows平臺(tái)的PLC界面組態(tài)軟件，具有功能完善、操作簡便等特點(diǎn)，可快速、方便地開發(fā)各種上位機(jī)界面，并便攜地與不同類型的PLC進(jìn)行連接通信。MCGS軟件提供了人機(jī)交互設(shè)計(jì)常用的控件，如按鈕控件、LED模擬控件、圖片控件、文本框和多行文本控件、邏輯（0和1）按鈕控件等，用戶可根據(jù)需要選用常用控件即可完成常規(guī)界面的設(shè)計(jì)。

通過MCGS開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主界面、自動(dòng)控制界面、手動(dòng)控制界面、參數(shù)設(shè)置、產(chǎn)品信息界面。主界面：畫面顯示“產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)分揀系統(tǒng)”及年歷日期等，并在界面底部設(shè)計(jì)“手動(dòng)控制”、“自動(dòng)控制”、“參數(shù)設(shè)置”、“產(chǎn)品信息”四個(gè)按鈕，通過按下這些按鈕，可進(jìn)入對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)操作界面。自動(dòng)控制界面可設(shè)置啟動(dòng)、停止、復(fù)位控制按鈕和各種狀態(tài)指示。手動(dòng)控制界面可手動(dòng)控制三個(gè)電機(jī)M1、M2、M3的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、送料氣缸和吸盤電磁閥動(dòng)作等。參數(shù)設(shè)置界面可進(jìn)行倉位置設(shè)置，系統(tǒng)按設(shè)置的倉位進(jìn)行工件分揀。產(chǎn)品信息界面用于每次經(jīng)過光電傳感器后，將當(dāng)前掃描的產(chǎn)品信息實(shí)時(shí)顯示出來，通過產(chǎn)品信息也可判斷產(chǎn)品的質(zhì)量等級(jí)。

■2.1 主界面

如圖 4所示，主界面上顯示了系統(tǒng)名稱及軟件版本，年歷等，底部包括四個(gè)子系統(tǒng)界面按鈕：自動(dòng)控制、手動(dòng)控制、參數(shù)設(shè)置、產(chǎn)品信息，通過按鈕控件可分別進(jìn)入自動(dòng)控制界面、手動(dòng)控制界面和參數(shù)設(shè)置界面、產(chǎn)品信息界面。

圖4 主界面設(shè)計(jì)

■2.2 自動(dòng)控制界面

如圖5所示，自動(dòng)控制界面中可進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)行、停止和復(fù)位等功能控制。通過“啟動(dòng)”、“停止”、“復(fù)位”按鈕進(jìn)行狀態(tài)控制。通過界面底部的主界面、自動(dòng)控制、手動(dòng)控制、參數(shù)設(shè)置、產(chǎn)品信息5個(gè)按鈕可分別進(jìn)入各子系統(tǒng)界面。通過9個(gè)燈控件來顯示系統(tǒng)對(duì)工件的自動(dòng)檢測，包括電機(jī)軸原點(diǎn)的檢測、有無物料的料筒檢測、對(duì)包裝盒的顏色檢測、對(duì)包裝盒的二維碼檢查、工件所在位置的定位檢測及經(jīng)過光電傳感器后判斷為優(yōu)質(zhì)品、合格品還是未識(shí)別等的檢測。圖中“運(yùn)行”、“停止”、“復(fù)位”均采用立體圓形LED控件，當(dāng)三者中某個(gè)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，LED指示為綠燈，當(dāng)三者中某些狀態(tài)為關(guān)停時(shí)，LED指示為紅燈。同理，平面方形LED控件用于指示對(duì)應(yīng)狀態(tài)的開關(guān)，紅色表示關(guān)狀態(tài)，綠色表示開狀態(tài)。

圖5 自動(dòng)控制界面

■2.3 手動(dòng)控制界面

如圖6所示，手動(dòng)控制界面可完成對(duì)電機(jī)M1、M2和M3的正反轉(zhuǎn)控制和送料控制。通過開關(guān)控件I/O判斷電機(jī)的正轉(zhuǎn)（I）或反轉(zhuǎn)（O）。通過界面底部的主界面、自動(dòng)控制、手動(dòng)控制、參數(shù)設(shè)置、產(chǎn)品信息5個(gè)按鈕分別進(jìn)入各子系統(tǒng)界面。設(shè)置電機(jī)通斷邏輯開關(guān)LED指示燈用于指示電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)狀態(tài)，“I”代表正轉(zhuǎn)，“O”表示反轉(zhuǎn)，該種控件共設(shè)置三組，分別對(duì)應(yīng)三相電機(jī)M1、伺服電機(jī)M2和步進(jìn)電機(jī)M3。

圖6 手動(dòng)控制界面

■2.4 參數(shù)設(shè)置界面

如圖7所示，共設(shè)計(jì)6個(gè)存儲(chǔ)箱，參數(shù)設(shè)置界面可分別對(duì)6個(gè)儲(chǔ)箱進(jìn)行產(chǎn)品放置，圖中顯示了倉位1、3、5為優(yōu)質(zhì)品存儲(chǔ)區(qū)，倉位2、4、6為合格品存儲(chǔ)器，合格品、優(yōu)質(zhì)品、不合格品信息均顯示在文本框中，用戶只能進(jìn)行信息讀取，不能進(jìn)行信息設(shè)定。在界面底部，主界面、自動(dòng)控制、手動(dòng)控制、參數(shù)設(shè)置、產(chǎn)品信息5個(gè)按鈕可分別進(jìn)入各子系統(tǒng)界面。

圖7 參數(shù)設(shè)置界面

■2.5 產(chǎn)品信息界面

如圖8所示，產(chǎn)品信息界面用于實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前掃描的產(chǎn)品信息，通過顯示的產(chǎn)品信息可判斷產(chǎn)品的質(zhì)量等級(jí)。界面中將顯示光電傳感器的工作狀態(tài)，當(dāng)傳感器工作時(shí)，其位圖將點(diǎn)亮。顯示的產(chǎn)品信息包括：產(chǎn)品名稱、生產(chǎn)單位、是否識(shí)別及識(shí)別的結(jié)論，產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)存?zhèn)}位。

圖8 產(chǎn)品信息界面

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一套基于PLC和MCGS的產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)分揀系統(tǒng)，進(jìn)行了指示燈模組、電機(jī)電路、交互界面等的設(shè)計(jì)，并論述了界面的操作過程。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成簡單，可操作性強(qiáng)，在生產(chǎn)現(xiàn)場取得了良好的應(yīng)用。