基于材料分揀模型設計的實驗綜述報告

王亮 沈曄超 葛勇

摘 要：基于材料分揀模型采用PLC、傳感器、位置控制、電氣傳動和氣動等技術，可以實現不同材料的自動分揀和歸類功能，并可配置監控軟件由上位計算機監控。材料自動分揀系統能連續、大批量地分揀貨物，不受氣候、時間、人的體力等的限制，彌補了人力分揀在重復分揀方面的低效率工作。使用傳感器甄別物料外部特征作為信息輸入機制，以最大限度地降低分揀誤差。人員的使用上也僅局限于在上位機上對整個控制系統進行監控和針對不同生產要求修改系統控制流程，基本做到無人化生產。

關鍵詞：可編程控制器;分揀裝置;控制系統;傳感器

中圖分類號：TM571.2

Abstract：Based on the material sorting model，PLC，sensor，position control，electrical transmission and pneumatic technology are adopted to realize the automatic sorting and classification of different materials，and the monitoring software can be configured to be monitored by the upper computer.The automatic material sorting system can sort goods continuously and in large quantities，which is not limited by climate，time and human physical strength，and makes up for the low efficiency of manual sorting in repeated sorting.The sensor is used to identify the external characteristics of materials as the information input mechanism to minimize the sorting error.The use of personnel is only limited to monitoring the whole control system on the upper computer and modifying the system control process according to different production requirements，so as to basically achieve unmanned production.

Keywords：programmable controller;sorting device;control system;sensor

材料分揀模型[1]針對職業院校和技能培訓教育機構授課過程中的實際需求，凝練技能特征點，構建特征化實訓原型機，其適用于PLC[2]、變頻器[3]、機電一體化、電氣自動化等相關專業和課程的教學設計和實訓教學實施。材料分揀模型由端子排、減壓閥、支架、氣缸等[4-8]機電元器件構成，采用可編程控制器調控，交流電機變頻調速[9]等多重手段，實現物料傳送與分揀的工藝要求。通過模擬工業任務的模型設置，有效推動了任務驅動項目教學法[10]的落地。模型整體設計為開放拆裝式，可以滿足培訓人員動手實操的要求，拆裝零件貼合實際產品設計，可分解至零部件級，甚至小至螺絲釘級，實訓教學效果良好。

1 材料分揀裝置的構成與總體方案設計

采用PLC進行控制設定的分揀裝置囊括了點位控制、傳感器、氣動、可編程控制器等多重控制手段。它是工廠生產實際應用裝置的微縮模型重構。

該模型由光電、電容、電感、磁性等多種不同性能的傳感器和電磁閥、氣缸、減壓閥等常見的氣動元件以及皮帶、支架、端子排等部件組合而成。主要完成物料的檢測、輸送、分揀功能，其結構示意圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 I/O口點位數的確認

結合材料分揀裝置的控制需求，共需要配有2個開關、3個傳感器信號。由于氣缸具有動作和回位兩個限位點，因此共需設置4個信號點位。輸出信號設計接觸器和2個電磁閥。因此，整個系統共7個輸入點，另有輸出點3個。

2.2 PLC綜合選型

通過上述I/O口數量的總體分析，合理分配材料分揀裝置的控制形式，采用開關量控制。綜合考慮控制系統的性能要求，選用西門子公司的S7-200系列CPU226。改型CPU共有24個輸入和16個輸出，完全可以滿足系統的控制要求。

2.3 變頻器的型號選配

選用M420系列的小型變頻器驅動交流電機運轉，它可以觸類旁通地掌握其他廠家的變頻器的使用方法和操作技巧。

2.4 電感傳感器的型號選定

金屬物體可采用電感式接近開關測出，該型傳感器具有開關量輸出。傳感器通過渦流的作用改變電路的內部參數，進而識別出測距范圍內是否存在金屬物體的介入，完成開關系統的通斷控制。選用M18X1X40電感傳感器，其原理如圖2所示。

2.5 電容傳感器選擇

電容傳感器通過極板間距離改變影響電路狀態的變化實現物體距離的測定。系統選用E2KX8ME1電容傳感器，工作原理如圖3所示。

2.6 光電傳感器選擇

光電傳感器可以檢測判斷出接受光強的變化情況，屬于一種常見的小型電子設備。選配的FPG放大器內含有光電傳感器，負載可連接至PLC上，其原理如圖4所示。

3 可編程控制器的梯形圖程序設計

控制程序中的梯形圖核心部分由梯形圖圖5可知，啟動觸點I2.0得電后，M0.1線圈工作狀態自鎖，為電機上電做好基礎準備。I2.1常閉觸點，其功能是關閉停止按鈕。當可編程控制器處于RUN工作模式的時候，如果SM0.1通電一個周期，輸出端口Q0.0復位清零，與此同時，子程序將被調用工作。

4 控制系統的軟硬件調試

4.1 控制系統軟件調試

通過軟件完成梯形圖程序的編輯工作，利用連接線路將程序下載進入可編程控制器中。為了避免程序當中的人為差錯和邏輯缺失，進行程序正確性的檢查和驗證，可以有效地減少系統現場調試的工作量。檢查正常和異常狀態下系統的相應結果是否正確。利用離線狀態進行測試，PLC和外設在此狀態下可以分離。根據邏輯控制的實際需要，將給定信號通過輸入端口配置進入，觀察分析比對輸出知識燈的閃亮情況是否正常。如果輸入指示燈的閃亮情況與既定規則不相符，查找錯誤的原因，進行程序的調整和修正。

4.2 控制系統硬件調試

將鐵磁性材料置于電感式傳感器下方的傳送帶上，通過調節傳感器上方的兩螺母，移動傳感器的上下位置至合適的區域，當傳感器上的指示燈發出光亮，則表示當前的高度能夠實現傳感器對鐵磁性材料的有效檢出。標定好當前的位置狀態后，固化相對位置關系，確保傳感器的正常工作。

電容式傳感器的系統調試與之類似，只需要將鐵磁性材料換成鋁質材料即可。

5 結論

基于材料分揀模型的控制系統使用PLC作為控制核心，可以實現連續大宗貨物量的分揀操作。由于使用傳感器進行自動化檢測，大大降低了傳統人工分揀勞動強度，提升了勞動生產效率。

（1）分揀工藝流程可以實現與其他物流設備的和中心匹配控制機構的快速有效信息交互，為物料的自動化流轉、信息流的快速有效分配和管理提供了可能。

（2）選用標準的模塊化設計，布局靈活，檢修方便，且工作狀態穩定，不會輕易受到場地布局和場地配置等方面的影響。

（3）當分揀物料不同時，只需要針對性地調整和修改程序中的參數和對應的傳感器型號即可，二次改造和適應性升級十分方便。

綜上所述，基于材料分揀模型的控制系統，結構緊湊、體積適中，可以進行不同物料的定制化篩選和快速有效分揀，應用前景十分廣闊。

參考文獻：

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基金項目：安徽省高等學校省級質量工程項目（2020xf xm07，2020jyxm0306，2020szsfkc0256）;安徽省高校自然科學重點研究項目（KJ2020A1106）

*通訊作者：王亮（1988— ），男，安徽東至人，碩士，實驗師，研究方向：控制理論與控制工程。