物料循環(huán)分揀系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝金濤

（天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院，天津 300400）

目前，自動(dòng)分裝系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的研究熱點(diǎn)，零件分裝是實(shí)際生產(chǎn)過程中的必要工序，也是零件加工生產(chǎn)線的重要過程。其中材料檢測(cè)與識(shí)別是自動(dòng)分裝系統(tǒng)的重點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)前要考慮零件的材質(zhì)、大小、形狀等特點(diǎn)以及下一工序組裝所需的零件結(jié)構(gòu)，通過自動(dòng)檢測(cè)和分工的研究，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率、資源利用率的提高和人工勞動(dòng)強(qiáng)度的降低具有非常重要的意義。我國(guó)的智能分揀系統(tǒng)在工業(yè)上的使用較少，設(shè)計(jì)優(yōu)化物料分揀系統(tǒng)PLC的控制，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，很多工序需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分批處理，而從工時(shí)分析上看，采用人工分煉的生產(chǎn)效率很低、人工成本較高而且人為的失誤也是不可避免的[1]。對(duì)產(chǎn)品的自動(dòng)分揀可以有效地改進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)過程中存在的這類問題，為企業(yè)降低成本、提高效率和增強(qiáng)企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。筆者根據(jù)工業(yè)應(yīng)用中自動(dòng)分揀系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)了一種物料循環(huán)分揀PLC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)物料的材質(zhì)、大小進(jìn)行循環(huán)自動(dòng)分揀任務(wù)，物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)包括：西門子S7-1200PLC、人機(jī)界面、機(jī)器人、機(jī)械手、氣缸、井式上料單元、傳感器、主副傳送帶、吸盤等設(shè)備。系統(tǒng)由PLC進(jìn)行主控控制，結(jié)合傳感器進(jìn)行物料的材質(zhì)、大小識(shí)別判定，通過機(jī)械手及機(jī)器人進(jìn)行主副傳送帶循環(huán)分揀工作建成物料循環(huán)系統(tǒng)，再通過人機(jī)界面進(jìn)行點(diǎn)位控制和監(jiān)控[2]。

1 物料循環(huán)分揀系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 物料循環(huán)分揀系統(tǒng)的設(shè)備需求

1）設(shè)備以普通桌子作為下機(jī)架，下機(jī)架三面均封閉，一面為敞開式。機(jī)架寬度方向的封板能向上打開，呈90°，作為臺(tái)面加寬使用，底部必須有支撐。

2）設(shè)備最大長(zhǎng)寬高：1 500 mm*700 mm*1 700 mm，此高度不含腳杯高度。

3）設(shè)備整體框架由鋁型材構(gòu)成，封板為鈑金件，底部設(shè)置4個(gè)萬向帶剎車腳輪及腳杯，腳杯螺紋M18。

4）設(shè)備正面有一塊立板，立板為網(wǎng)孔板，右側(cè)放置電控盤。

5）臺(tái)面模組，非標(biāo)件中鋁件采用噴丸、本色氧化，鋼件表處鍍光亮鎳，不銹鋼、銅不作表面處理。機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件中氣缸、電機(jī)、傳感器、絲桿模組均采用國(guó)產(chǎn)品牌進(jìn)行配置。

6）PLC、顯示屏、斷路器、24 V電源、繼電器、接觸器、凸輪開關(guān)、電磁閥、三聯(lián)件等均采用主流品牌三種選項(xiàng)進(jìn)行配置，以適應(yīng)客戶不同需求。

7）三色燈為折疊帶蜂鳴器類型，總長(zhǎng)度＜200 mm，按鈕均選用自復(fù)位帶燈超短按鈕，急停除外。顯示屏尺寸小于9英寸，折疊支架。

8）設(shè)備臺(tái)面右下方設(shè)置一個(gè)抽屜，配置文件柜鎖，用于放置工具。機(jī)器立板正面左邊設(shè)置兩個(gè)文件袋。一個(gè)放置電路圖及操作說明書，另一個(gè)放置機(jī)械組裝SOP及模組爆炸圖。

1.2 物料循環(huán)分揀系統(tǒng)的功能需求

物料放入井式上料單元后，啟動(dòng)，第一個(gè)物料落下，氣缸將其推出至主傳送皮帶線，傳送皮帶線轉(zhuǎn)動(dòng)至末端，機(jī)械手絲桿模組接住物料，此時(shí)氣缸推動(dòng)物料，物料穿過機(jī)械手絲桿模組上的過渡板，落到第二條副傳送皮帶線，副傳送皮帶線轉(zhuǎn)動(dòng)，將物料運(yùn)動(dòng)至對(duì)應(yīng)高度的接近傳感器下方，此時(shí)氣缸將物料推出，穿過機(jī)械手絲桿模組的過渡塊至第一條主傳送皮帶線，實(shí)現(xiàn)回流[3-4]。重復(fù)上述動(dòng)作，主副傳送皮帶線上的物料一直處于循環(huán)流動(dòng)狀態(tài)。

1.3 物料循環(huán)分揀系統(tǒng)的組成

設(shè)備機(jī)架、主副傳送帶、交流電動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、傳感器（光電式、電感式）、氣缸、電磁閥、直流電源、空氣過濾減壓器、人機(jī)界面、三色燈、機(jī)械手絲桿模組、機(jī)器人、吸盤、井式上料單元等。

1.4 PLC的選擇

對(duì)物料循環(huán)分揀機(jī)的設(shè)計(jì)及功能充分分析，因完成物料循環(huán)分揀工作需要控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好、傳輸數(shù)據(jù)快、可靠性高、市場(chǎng)普及率大、易于操作等優(yōu)勢(shì)，故從多種控制方式中選擇了PLC控制。PLC控制方式中，西門子品牌市場(chǎng)占有率大，選擇了西門子的主流PLC S7-1200系列。完成工作任務(wù)就需要I/O通訊的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，通過分析，需要的信號(hào)分別為50個(gè)輸入信號(hào)和62個(gè)輸出信號(hào)。根據(jù)需要的信號(hào)數(shù)量，又從S7-1200系列里面選擇出了CPU為1215C DC/DC/DC的型號(hào)，該型號(hào)又能擴(kuò)展多個(gè)通信模塊，完全能夠滿足現(xiàn)在及日后對(duì)物料循環(huán)分揀機(jī)工作的設(shè)計(jì)需求[5-6]。

1.5 人機(jī)界面的選擇

人機(jī)界面在工業(yè)應(yīng)用中俗稱為觸摸屏和HMI屏，是一種既能觸控又能顯示的裝置，可以根據(jù)工作任務(wù)，利用人機(jī)界面相關(guān)控制軟件來進(jìn)行定制化編程及設(shè)計(jì)的，可以進(jìn)行后期數(shù)據(jù)修改等操作，方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控。根據(jù)物料循環(huán)分揀機(jī)的功能需求及PLC控制器的型號(hào)，人機(jī)界面選擇了西門子的TP700 Comfort型號(hào)，有擴(kuò)展數(shù)據(jù)模塊，數(shù)據(jù)用以太網(wǎng)傳輸，特點(diǎn)是速度快、穩(wěn)定[7]。

1.6 分揀機(jī)構(gòu)的選擇

根據(jù)物料循環(huán)系統(tǒng)的分揀設(shè)計(jì)需求，分揀三種類型物料，分揀任務(wù)需要4組分揀機(jī)構(gòu)來完成，充分分析分揀動(dòng)作及工作需求，4組分揀機(jī)構(gòu)最終選定3組機(jī)械手絲桿模組外加單軸機(jī)器人的形式。絲桿模組由氣動(dòng)控制，特點(diǎn)是工作快速、穩(wěn)定、性價(jià)比高，單軸機(jī)器人由電動(dòng)機(jī)控制，可以進(jìn)行調(diào)速及位置定位，選用機(jī)械手絲桿模組及單軸機(jī)器人的形式完全滿足分揀的工作需要[8]。

2 物料循環(huán)分揀控制系統(tǒng)的調(diào)試

2.1 物料循環(huán)分揀工作

通電開機(jī)，在每次通電后都會(huì)有一次系統(tǒng)復(fù)位，系統(tǒng)復(fù)位后點(diǎn)擊人機(jī)界面控制器啟動(dòng)主副傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)，推料氣缸會(huì)將料筒中的物料推出，當(dāng)檢測(cè)到物料通過后如圖1所示。

圖1 物料循環(huán)分揀工作流程圖

1）如果物料判定材質(zhì)是金屬時(shí)，在物料經(jīng)過工位3時(shí)定位氣缸會(huì)升起，升起后工位3會(huì)對(duì)金屬物料進(jìn)行分揀，分揀的過程是由工位3的吸盤下降，抓取金屬物料，然后將金屬物料從主傳送皮帶線分揀到副傳送皮帶線，最后返回到主傳送皮帶線的過程。分揀后金屬物料在副傳送皮帶中繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)金屬物料到達(dá)工位1傳感器時(shí)，定位氣缸升起，工位1會(huì)對(duì)金屬物料再次進(jìn)行分揀，分揀的過程是由工位1的絲桿模組抓取金屬物料從副傳送皮帶線移動(dòng)到主傳送皮帶線，反復(fù)的過程[9]。

2）如果物料判定材質(zhì)是非金屬物料與金屬物料的相同規(guī)格時(shí)，在物料經(jīng)過工位4時(shí)定位氣缸會(huì)升起，升起后工位4會(huì)對(duì)非金屬物料進(jìn)行分揀，分揀的過程是由工位4的機(jī)器人抓取非金屬物料后將非金屬物料從主傳送皮帶線移動(dòng)到副傳送皮帶線，然后回到主傳送皮帶線的過程。分揀后非金屬物料會(huì)在副傳送皮帶線中繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)非金屬物料到達(dá)工位1時(shí)定位氣缸升起，工位1會(huì)對(duì)非金屬物料進(jìn)行分揀，分揀的過程是由工位1的絲桿模組抓取非金屬物料后將非金屬物料從副傳送皮帶線移動(dòng)到主傳送皮帶線，反復(fù)的過程。

3）如果物料是非金屬物料和金屬物料的不同規(guī)格時(shí)，在物料經(jīng)過工位2時(shí)定位氣缸會(huì)升起，升起后工位2會(huì)對(duì)非金屬物料進(jìn)行分揀，分揀的過程是由工位2的絲桿模組抓取非金屬物料后將非金屬物料從主傳送皮帶線移動(dòng)到副傳送皮帶線的過程。分揀后非金屬物料會(huì)在副傳送皮帶線繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)非金屬物料到達(dá)工位1時(shí)定位氣缸升起，工位1會(huì)對(duì)非金屬物料進(jìn)行分揀，分揀的過程是由工位1的絲桿模組抓取非金屬物料后將其從副傳送皮帶線移動(dòng)到主傳送皮帶線，反復(fù)的過程[10]。

2.2 PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

程序分為Main（主程序）、副皮帶電機(jī)控制、工位1控制、工位2控制、工位3控制、工位4控制、皮帶電機(jī)控制、氣缸控制、三色燈控制、絲杠電機(jī)控制、推料氣缸控制、系統(tǒng)復(fù)位。

以工位1程序編寫為例：當(dāng)物料通過副皮帶旋轉(zhuǎn)移動(dòng)到工位1時(shí)傳感器檢測(cè)到物料定位氣缸升起，工位1對(duì)物料進(jìn)行分揀，分揀的過程是由工位1的機(jī)械手絲桿模組抓取物料后，將物料從副傳送皮帶移動(dòng)到主傳送皮帶的過程。

2.3 人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)

根據(jù)物料循環(huán)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)，人機(jī)界面由主頁(yè)、主傳送皮帶線控制、副傳送皮帶線控制三大控制界面組成，主頁(yè)界面中控制著整套設(shè)備的系統(tǒng)啟動(dòng)、系統(tǒng)停止、系統(tǒng)復(fù)位，還可查看物料數(shù)量、主傳送皮帶線速度、各絲杠模組速度、副傳送皮帶線速度，并可調(diào)試修改。

主傳送皮帶線控制界面控制著主傳送皮帶的啟動(dòng)、停止、復(fù)位和主傳送皮帶的速度，同時(shí)可切換到主界面和副皮帶控制界面。

副傳送皮帶線控制界面控制著副傳送皮帶線的啟動(dòng)、停止、復(fù)位和副傳送皮帶的速度，同時(shí)可切換到主界面和主皮帶控制界面。

3 結(jié)語(yǔ)

本文論述了物料循環(huán)分揀系統(tǒng)控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)、工作原理、流程，以及控制系統(tǒng)調(diào)試。用實(shí)際應(yīng)用證明了在物料分揀工作中可以快速實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)，改進(jìn)了工業(yè)應(yīng)用中分揀物料循環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)物研發(fā)，本文物料循環(huán)分揀系統(tǒng)的PLC控制設(shè)計(jì)滿足實(shí)際需求，提高了分揀的工作效率、穩(wěn)定性和可靠性。