基于PLC的物料分揀遠程監制系統

廖耿斌

（廈門華廈學院，福建廈門， 360021）

0 引言

隨著社會經濟不斷發展，當前自動化技術已經在現代工業生產中大規模普及。傳統的人工分揀存在低效率和漏揀、錯揀等問題，基于自動化技術的物料分揀可以有效地避免這些問題。在自動化分揀技術的基礎上，通過搭建遠程監控系統可以使物料分揀作業更直觀更高效地進行[1]。

1 分揀系統總體方案設計

■1.1 網絡通訊

國外于九十年代后期開始對對遠程監控技術進行研究，由美國斯坦福大學與麻省理工聯合舉辦了第一屆基于Internet的遠程監控相關會議并建立了Test bed系統[2]，為遠程監控提供關鍵性的理論基礎。隨著工業生產自動化地不斷革新，國內外多數生產企業開始在工業生產線上加入網絡通信模塊來實現生產作業遠程監控的新模式。本系統通過工業以太網技術搭建PLC控制系統與PC上位機的物理連接，如圖1所示，使用OPC協議技術，將過程控制系統與其數據源的數據交換，最終實現遠程實時數據采集。

圖1 通訊連接

■1.2 系統結構設計

本系統以物料形狀作為分揀基礎[3]，包括長方形、正方形、圓形三種類型，不同的物料在運輸過程中通過視覺檢測判斷形狀[4]，并通過稱重檢測，判斷物料是否達到合格重量，不合格將通過氣缸推桿剔除，最終將不同的合格物料分揀到相應料庫。系統運行過中采用工業機器人實現物料的整體搬運動作，采用步進電機控制傳輸帶進行物料運輸。在系統的工作的期間通過對整個控制系統進行區域環境溫濕度監控，設定工作環境的溫濕度區間范圍，并進行實時監測，當超出范圍判定異常，報警告知工作人員技術處理。通過遠程上位機設定合格重量以及實時監控系統運行狀況[5]，更迅速更直觀的向操作人員展示系統的工作情況。

系統整體結構如圖2所示。上位機與PLC通過以太網連接，形成一個小型局域網，能夠快速實現數據的傳遞。輸入端包括DI數字信號輸入，應用在形狀識別，檢測到形狀后，不同形狀將給到PLC不同接口信號；AI模擬信號輸入，應用在溫濕度采集和稱重采集。輸出端主要用DO數字信號輸出，應用在步進電機控制皮帶運輸，控制氣缸完成“抓”、“吸”、“推”等動作。而工業機器人屬于與PLC交互的設備，需要同PLC實現互動，因此需要同時連接雙方的輸入輸出端。

圖2 系統整體結構

2 分揀系統硬件組成

■2.1 主控設備

分揀系統的主控設備選擇西門子PLC的S7-200 SMART系列，該系列配備以太網口可與與上位機建立局域網，實現遠距離通訊。同時S7-200 SMART的編程軟件集成了運動控制指令，使步進電機的控制更加簡單直接。CPU型號選擇ST30標準CPU模塊，該模塊具備體積小，適合安裝在機箱中，不占用空間，控制速度快，操作方便，維修簡單等優點，具備18輸入/12輸出的數字量端口。

CPU接口模塊有限，主控設備需添加模塊擴展。數字量模塊添加西門子S7-200 SMART系列的EM DT32，具備16輸入/16輸出的數字端口。除數字信號以外，本次設計還需要針對稱重，溫濕度等模擬信號的采集，模擬量模塊選用S7-200 SMART系列的EM AE04，該模塊具備4通道的模擬量采集輸入，可用于稱重信號以及溫濕度的讀取。

■2.2 工業機器人

采用FANUC公司的LR Mate 200iD /4s型迷你機器人，可在狹小的空間內使用，控制軸數為6軸負責與PLC實現交互工作。如圖3所示，事先將工業機器人的不同時間段內的抓取動作分別寫入子程序塊中，通過工業機器人的DI/DO信號與PLC的數字信號DO/DI連接來實現程序的調用與信號傳遞[6]，最終達到工業機器人與PLC的交互目的。

圖3 PLC與機器人交互原理圖

■2.3 傳感器組件

物料的形狀通過機器視覺產品將拍攝目標識別轉成對應形狀信號，包括長方形、正方形，圓形三種信號。視覺檢測包括檢測攝像頭和視覺控制器以及控制顯示屏。如圖4所示，通過以太網通訊將顯示屏與PLC連接，而攝像頭采集到的信號先通過專用相機電纜傳送到顯示器識別后將檢測到的形狀后輸出對應信號給到控制器，根據事先寫好的識別指令，控制器與PLC通過串口連接，將檢測到的信號傳送給PLC內容輸入信號，由控制程序繼續執行處理。

圖4 PLC與視覺檢測通訊原理圖

采用應變式稱重傳感器對物料進行重量采集，通過變送器將傳感器輸出成標準電流信號4～20mA，再由模擬量模塊識別標準電流信號并轉化成數字信號，對應參數為6400～32000，通過PLC編程計算轉化成稱重值，取值范圍為0～5kg，計算曲線如圖5所示。取得的稱重數據可用于識別物料是否合格。

圖5 AD轉換計算曲線圖

溫濕度儀器選用泰勒士的壁掛式溫濕度變送器，具有性能優越可長期穩定工作。選用TS-FTW15YM帶屏顯示。溫度量程為-20℃～80℃，精度為±0.3℃；濕度量程0～100%RH，精度±3%RH，供電電源為DC12～36V，用來對控制系統的周邊環境進行實時檢測。

3 分揀系統運行設計

如圖6所示，在上位機上設定一個稱重值后，按下啟動按鈕，通過PLC的數字信號輸出將連接至機器人對應的輸入端口觸發子函數A，機器人開始移動到指定物料上方，通過氣缸觸發抓取動作，實現將物料從初始料庫抓取出。

圖6 分揀系統運行流程圖

取出的物料搬運至稱重臺后，在子函數A的結尾發出機器人的輸出信號，告知PLC可以執行下一個工作，即進行稱重檢測，當該物料的重量值大于等于設定值，通過PLC內部程序處理，定義為物料合格，同時PLC將會發出一個輸出信號將連接至機器人對應的輸入端口觸發子函數B，等待中的機器人接收到命令后，再次通過氣缸抓取將物料抓取搬運至傳送帶上結束工作的同時觸發輸出信號給PLC執行下一步指令動作，即接通電機使能和正轉，使傳送帶轉動，將合格物料運輸至分揀料庫附近。

分揀料庫包括正方形料庫存儲、長方形料庫存儲、圓形料庫存儲，合格物料存儲需要進行分揀。因此物料在運輸過程中，經過中間限位時會停下電機2s再繼續轉動，目的是給予視覺攝像頭拍照的時間，將拍到畫面在顯示屏上顯示并識別該物料形狀，通過串口連接對應的PLC輸入數字端口，不同的形狀觸發不同的輸入端口，以此來執行不同程序。

識別工作結束后，PLC除了內部執行控制程序，在運輸物料到達終點限位時，停下運行的電機，還會將識別到的形狀信號，通過自身與機器人連接的輸出端口發處信號來觸發對應的機器人輸入端口并調用相應的三個子函數D-F其中一個，執行動作為機器人運動至傳送帶終點，抓取物料并根據識別到的形狀信號而將該物料搬運至相應的物料庫中存儲，實現分揀作業。

以上為合格物料的工作流程，在稱重環節中，當稱取的物料小于設定值，將定義為物料不合格，由PLC的輸出信號同樣會觸發機器人的輸入端口調用子函數C，此時機器人同樣會抓取物料搬運至傳送帶進行運輸。不同的是在經過視覺檢測位置時，設定程序為不停下電機來執行拍照觸發氣缸動作，而是直接運行至傳送帶終點停下，在傳送帶的終點有一個出口通道，當不合格物料到達終點后，將觸發該位置的推料氣缸動作，將不合格物料推出傳送帶，從出口通道進入到廢料區進行集中收集。

當完成一個物料的運輸后，PLC將通過料庫的位置開關來檢測初始料庫中是否還有未檢測的物料，若存在物料則繼續執行以上步驟進行檢測與分揀。若未檢測到則通過上位機告知操作人員分揀作業完成，設備自動回到原點并停止工作。在整個工作過程中，通過溫濕度對控制系統的環境進行實時監測，當出現異常情況，如溫度過高的現象，則停止工作并觸發警報鈴聲，上位機上以為出現相應警報彈窗與蜂鳴，以便讓操作人員在第一時間得到消息并迅速做出處理，確保設備與人員的安全。

4 遠程監控系統搭建

根據系統運行過程中稱重設定，運行監控，料庫數據查看等功能需求，設計基于IFIX的遠程監控系統界面[7]。如圖7所示，系統可選取遠程控制或者就地控制，當遠程遠程控制時，便可通過控制面板的啟動停止按鍵控制系統運行。同時系統可實時查看運行情況，當出現報警會立即停止系統并點亮報警指示燈。可通過稱重臺數據和料庫狀態查看分揀過程中的物料重量值，判斷是否合格，查看各料庫儲存情況，并對物料合格率進行計算分析。

圖7 分揀系統監控界面

遠程控制中的信號連接是通過OPC協議技術采集PLC的信號存儲于PC中，使用IFIX的OPC Server，如圖8所示，選擇S7200SMART.OPCServer，使IFIX的數據標簽點與PC中的PLC信號對接，最終實現遠程監控以及數據采集。

圖8 OPC Sever參數設定

5 結語

基于PLC的物料分揀遠程監制系統采用PLC作為主控設備，與工業機器人、視覺裝置、稱重傳感器等設備交互配合，通過遠程上位機實時監控查看，實現物料運輸過程中的分揀與合格篩選。經過測試，該系統通訊快速并且分揀效果良好，達到效率和效益的預期要求。