物料分揀系統的設計與調試

摘要：隨著社會的不斷進步，自動分揀代替了人工部分，它不僅可以提高生產率，而且降低很多成本。本文研究了基于PLC、組態控制下物料分揀系統的硬件、軟件設計與調試，在工程應用下具有一定的意義。

關鍵詞：自動分揀；組態；PLC

一、課題研究背景及意義

自動化程度在人類發展進程中是不可缺少的一部分，自動化分揀是自動化中的一部分，其中PLC作為基礎的分揀裝置不僅成本低，而且效率很高，它代替了很大一部分人工作業，為企業的人力資源減少了很大一部分壓力。這些節省的人力用到其他地方來實現各自的價值，可以為企業帶來更高的收益。本文所研究的物料分揀系統是基于PLC技術、電氣傳動技術、自動化技術等設計而成，當系統運行時，可對大量物料進行自動篩選，工作速度和質量令人非常滿意。不僅如此，如果想要根據要求更換分揀的物品，可自行進行更換，十分方便。同時，維修成本非常低，維護起來非常方便。

本文研究的物料分揀系統采用可編程控制器PLC進行控制，該系統可以按照設定的要求自動長時間地分揀物料，并且分揀的精確度也可以得到保證，分揀的效率相對提高了。尤其是在生產線上，物料自動分揀系統對人工分揀來說更是有著巨大的優勢，人在長時間工作下難免身體會出現不適，從而影響效率，這樣完全可以把節省下來的人力資源應用到其他機器不能替代的工作當中去。同時自動分揀系統的分揀誤差率相比其他機器低，這主要取決于輸入分揀信息的準確性，也就是取決于分揀信息的輸入機制。

物料分揀系統是基于PLC中央處理器為基準，結合了計算機和自動控制等技術所設計的系統，是分揀系統之中使用得比較多的一種。而且PLC的控制系統具有很多優點，它不但體積相對較小，而且相對比較穩定。

二、物料分揀系統硬件設計與調試

本次設計由PLC、變頻器、觸摸屏、光電傳感器、電感傳感器、電容傳感器、磁性傳感器、二位五通帶手控開關的單控電磁閥、氣缸、減壓閥、三相交流減速電機、皮帶、安裝支架、端子排組成，具體如圖1所示：

數字量輸入設備：按鈕2個、電容傳感器1個、電感傳感器1個、光電傳感器1個、氣缸上限位2個，氣缸下限位2個。繼電器輸出設備：電機1個、電磁閥2個。具體如表1所示：

物料分揀系統傳感器由光電傳感器、電容傳感器和電感傳感器組成。首先光電開關是傳感器的一種，它把發射端和接收端之間光的強弱變化轉化為電流的變化以達到探測的目的。因為光電開關輸出回路和輸入回路是電隔離的，所以它適用的場合有很多，新一代光電開關器件不但可以達到延時、抗相互干擾、可靠性高、工作區域穩定這些基本的要求，而且擁有自我診斷功能，這個功能在這個行業是十分新穎的。這種新型的光電開關，它可以無損傷、迅速地控制固體液體等狀態的物體，使其做出動作，具有反應迅速、抗干擾能力強、體積小等優點。其次，電容傳感器以電容器作為傳感元件，主要工作是把機械量轉換為電容參數變化的傳感器。電容式傳感器主要包括極距變化型電容傳感器、面積變化型傳感器、介質變化型傳感器。極距變化型大多數被用來檢測細小的線性位移或者是收到風、振動的因素引發的極距變化；測面積變化型傳感器一般用來測量移動較大的線性位移；介質變化型傳感器一般用來測量物體的溫度。電容傳感器使用方法和它的結構都比較簡單。最后，來介紹一下電感式傳感器，它結構相對比較簡單，動態響應非常快，而且可以在非常惡劣的環境下工作，因為它優秀的環境適應能力，電感傳感器的應用領域非常廣泛，大到冶金、采礦，小到化工場所，深受喜愛，用量非常大。電磁閥分為單作用氣缸電磁閥，是用電磁控制的工業設備，用來控制流體的自動化基礎元件，屬于執行器，并不限于液壓、氣動。用在工業控制系統中調整介質的方向、流量、速度和其他的參數。電磁閥可以配合不同的電路來實現預期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠得到保證。電磁閥作為本次氣缸的控制核心，其控制原理如圖2所示。

本文研究的物料分揀系統實現的功能是當系統啟動，光電傳感器感應到物料皮帶上物料時，延時3秒，傳動帶低速運行，速度、運行頻率為10Hz，變頻器驅動三相交流電動機帶動皮帶轉動。當物料為金屬時電感傳感器檢測到信號，變頻器（MM440）停止，退料氣缸1動作，將物料推人第一料槽；當物料為非金屬時電容傳感器檢測到信號，變頻器停止，退料氣缸2動作，將物料推人第二個料槽。5秒后，傳送帶停止運行，以此類推，循環工作。根據系統功能系統I/O地址分配表。如表2所示：

三、物料分揀系統軟件設計與調試

組態設計要求實現主畫面和監控畫面之間切換，在人機界面中實現退出組態界面的功能。

在監控界面中，通過按鈕實現物料分揀系統自動運行；在監控界面中，實現電機啟動停止運行功能。

使用WinCC flexible SMART設計監控系統，根據控制要求設定變量如圖3所示：

根據設計要求設計上位機主畫面和監控畫面如圖4所示：

實現軟件功能，主要通過以下兩個函數完成，具體如表3所示：

使用WinCC flexible SMART設計監控系統，對應修改PLC梯形圖，針對觸摸屏啟動／停止、手動控制經行優化。

四、物料分揀系統整體調試

對于物料分揀系統而言，進行物料分揀系統硬件調試也就是可編程控制系統的調試，首先進行傳感器的接線和調試，具體來說本次系統涉及的傳感器均為PNP型傳感器，接好線后，對傳感器位置進行調試，在光電傳感器的調試通電狀態下，光電傳感器檢測頭前方的傳送帶上放置物料，調整傳感器上兩個螺母，使傳感器前后移動，恰好使可編程控制器對應地址指示燈發光，該位置即為傳感器對物料的檢出點。其次，是在電感傳感器的調試通電狀態下，電感傳感器檢測頭前方的傳送帶上，放置金屬物料，調整傳感器上兩個螺母，使傳感器前后移動，恰好使編程控制器對應地址指示燈發光，該位置即為傳感器對金屬質物料的檢出點。最后，在調試電容傳感器通電狀態下，光纖傳感器檢測頭前方的傳送帶上，放置非金屬物料，調節傳感器上的旋鈕，觀察編程控制器對應地址指示燈發光，該位置即為傳感器對非金屬質物料的檢出點，可以很好地將物品進行分類，提高了速度和檢驗的質量。調試完成傳感器進行變頻器調試，本文我們選用的變頻器是西門子mm440，變頻器工作原理是將交流電經過三相整流電路進行整流成脈動的直流電，再通過濾波電路將脈動的直流電轉換成平滑的直流電，并通過驅動電路將電壓信號放大，最后通過逆變電路，變成電壓、頻率可調的交流電。在逆變過程中主電路板又對逆變脈沖進行調制，從而實現電壓在0-380V之間可調，頻率在0-50Hz之間可調，通過改變供給電動機的供電電壓及頻率，從而實現電動機無極調速的目的。設置好變頻器后，對PLC程序進行下載，在PLC控制系統中，核心的PLC選型，是在滿足功能的前提下，選擇最可靠、維護方便、性價比最優的品牌。通常從PLC結構、輸入輸出點數、內存量、運行速度、功能模塊選擇和通信功能選擇這幾個方面來考慮。首先是結構的選擇，PLC最常見的結構是整體型和模塊型，相對于整體式的PLC，模塊式的PLC維修和今后系統擴展是非常方便的，當然整體型的PLC相對于模塊式的PLC也有著價格便宜、結構緊湊的優點，我們可以根據系統的要求來選擇。其次是輸出／輸出點數的選擇，I/O點數的選擇是PLC控制系統最重要的性能指標之一，通常根據系統要求確定出I/O點數，根據系統的I/O點數多出10%的冗余進行選擇。PLC根據I/O點數的分類，在進行PLC控制系統的設計中PLC的選型也要考慮PLC的內存，所謂PLC的內存也就是它能存儲用戶程序的容量，所以說PLC內存容量越大，其能夠裝下的程序就多。最后就是PLC運行速度的選擇，這在控制要求比較復雜的系統中體現得比較明顯，因為PLC的運行速度越快，在執行復雜控制要求系統中所用的時間往往是最短的，所以越是復雜的控制系統往往是需要對PLC運行速度進行選擇的。

當程序設計好后必須下載到PLC中才可以運行，下載時使用西門子PLC的工業以太網通信，一根雙頭8芯網線進行連接，當網線連接好后，打開“西門子S7-200 SMART”軟件，進入要下載的文件。完成硬件調試后，進行組態工程的調試，通過西門子眥的工業以太網通信，使用一根雙頭8芯網線連接計算機與觸摸屏。點擊菜單欄下載按鈕進行下載操作。在模式為以太網下輸入HMI設備lP地址192.168.0.20，點擊傳送。

結語

工業的發展快慢是離不開自動化技術的，自動化技術越先進，國家的工業也就越發達。基于組態技術、PLC控制分揀裝置不但成本低，相對效率也比較高，這也是它之所以能脫穎而出的原因。本文研究物料分揀對金屬和非金屬物料進行分揀，在軟硬件上實現了自動分揀，具有一定的研究意義。

作者簡介：張繼東（1977-），男，漢族，河南武陟人，控制領域工程碩士，副教授，研究方向：電氣工程廈其自動化。