PLC 控制下的物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

葉俊杰

（廣州市輕工職業(yè)學(xué)校，廣東廣州，510308）

0 引言

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）是一種專用于工業(yè)控制的電子設(shè)備。其基于一套用戶編寫的程序，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并相應(yīng)地控制輸出，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制[1]。與傳統(tǒng)的硬線控制系統(tǒng)相比，PLC 為機(jī)械設(shè)備提供更高的靈活性和可擴(kuò)展性。用戶可通過編程而非物理改線來修改控制邏輯，極大降低了生產(chǎn)線改造的復(fù)雜性和成本。本文圍繞PLC 控制器的有效應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種新型的物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)，旨在解決傳統(tǒng)物料分揀方式局限，如低效率、高錯(cuò)誤率等，同時(shí)提高系統(tǒng)整體運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，進(jìn)一步提升工業(yè)自動(dòng)化水平。

1 系統(tǒng)總體方案

本次設(shè)計(jì)將物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)劃分為送料模塊、物料搬運(yùn)模塊和分揀模塊，且每個(gè)模塊間獨(dú)立運(yùn)行，再由PLC 程序?qū)Ω鱾€(gè)模塊進(jìn)行控制，完成對(duì)應(yīng)的自動(dòng)分揀功能。其中，送料模塊包括上料機(jī)構(gòu)、托盤、傳送系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及物料探測(cè)傳感器等關(guān)鍵元件。該模塊通過上料機(jī)構(gòu)將物料置于托盤上，并傳送至檢測(cè)單元，隨后進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆謷鳂I(yè)，整個(gè)流程由PLC 程序精確控制。物料搬運(yùn)模塊主要通過三軸抓取設(shè)備來執(zhí)行搬運(yùn)任務(wù)。模塊具備機(jī)械臂的伸展、垂直移動(dòng)以及水平位移功能，并利用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備位置，提供即時(shí)的反饋信息。反饋信息包括設(shè)備是否抵達(dá)預(yù)定位置、物料是否被檢測(cè)到，以及設(shè)備是否能夠有效地進(jìn)行抓取作業(yè)[2]。一旦所有檢測(cè)信號(hào)均為正常，搬運(yùn)設(shè)備便會(huì)啟動(dòng)分揀流程。設(shè)備在抓取并正確放置物料至特定位置后，會(huì)自動(dòng)返回原位，準(zhǔn)備接受下一次的分揀指令。整個(gè)抓取和放置過程均受PLC 程序的精確控制。分揀模塊中，PLC 程序用于控制輸送帶的運(yùn)行與暫停，以及調(diào)節(jié)傳動(dòng)帶的速度。同時(shí)，模塊內(nèi)置的傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控物料的積聚情況。基于傳感器的檢測(cè)結(jié)果，系統(tǒng)會(huì)調(diào)整輸送帶的速度，確保其能夠靈活變化。目的是迅速將分揀完成的物料轉(zhuǎn)移到指定區(qū)域，從而保持流程的連續(xù)性和避免物料積壓。

2 PLC 控制下的物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于本次物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，將PLC 控制下的物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)整體架構(gòu)

從圖1 中可以看出，整個(gè)系統(tǒng)由人機(jī)交互頁(yè)面、PLC、執(zhí)行軟件、反饋回路等關(guān)鍵部分構(gòu)成，負(fù)責(zé)物料的傳輸、檢測(cè)，以及執(zhí)行分揀任務(wù)的機(jī)電設(shè)備控制。其中，人機(jī)交互界面為系統(tǒng)操作員與PLC 之間交流的接口，用于輸入指令、監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，以及進(jìn)行故障診斷等[3]。PLC 作為系統(tǒng)的大腦，PLC 接收來自傳感器的輸入信號(hào)并處理這些信號(hào)，執(zhí)行預(yù)先編程的邏輯控制指令。再根據(jù)輸入信號(hào)和預(yù)設(shè)程序來控制下游設(shè)備，如電機(jī)的啟停和速度調(diào)整等。執(zhí)行元件包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行機(jī)械臂等，負(fù)責(zé)物理操作如推動(dòng)傳送帶和機(jī)械臂等，將物料從一處移動(dòng)到另一處。從控制策略的角度來看，本次PLC 控制下的物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)采用的是閉環(huán)控制策略，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果來動(dòng)態(tài)調(diào)整控制命令，以確保系統(tǒng)操作的精確性和高效性。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)了實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化，旨在最大限度地減少人工干預(yù)，提高分揀效率和準(zhǔn)確性。通過PLC 的集成控制，系統(tǒng)能夠靈活地適應(yīng)不同的操作條件和需求，優(yōu)化整個(gè)分揀流程。

■2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 PLC 選型

在本系統(tǒng)中，選擇三菱的FX-3UPLC 作為主控制器。因其具有較大的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量，以及廣泛的使用性，所以能夠處理一些較為嚴(yán)格的控制任務(wù)。該型號(hào)PLC 常見于以太網(wǎng)IO 控制器和智能設(shè)備的控制應(yīng)用，并能夠配合分布式自動(dòng)化系統(tǒng)中的集中式IO接口。此外，其配備了帶有獨(dú)立IP 地址的以太網(wǎng)接口，支持網(wǎng)絡(luò)隔離和擴(kuò)展，同時(shí)也可用于以太網(wǎng)IO RT 設(shè)備的擴(kuò)展或作為輸入設(shè)備的通信接口。

2.2.2 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器選型

系統(tǒng)采用NEMA 23 型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)，具有1.8 度的步進(jìn)角，提供高扭矩和良好的速度控制。電機(jī)型號(hào)為23HS22-2804S，額定扭矩為2.8Nm，確保機(jī)械臂穩(wěn)定運(yùn)行。匹配的驅(qū)動(dòng)器為DM542T，支持24-50V DC 電源輸入，最大4.2A 的輸出電流，其微步分割和電流設(shè)置可通過SW1～SW8 的撥動(dòng)開關(guān)進(jìn)行配置，以滿足精確控制的需求。

2.2.3 絲桿及限位開關(guān)選型

分揀系統(tǒng)中使用的絲桿為T8 型號(hào)，其導(dǎo)程為4mm，長(zhǎng)度為600mm，以適應(yīng)不同的分揀距離要求。同時(shí)將兩根絲桿垂直放置，形成X軸和Y 軸，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)物品的準(zhǔn)確定位[4]。配套的限位開關(guān)選用ME-8108旋臂式限位開關(guān)，此開關(guān)具有彈性好和壽命長(zhǎng)的使用優(yōu)勢(shì)，可準(zhǔn)確地控制絲桿的極限位置，避免超行程操作。

2.2.4 吸盤及真空發(fā)生器選型

系 統(tǒng) 選 用VMEF-L25 系列的圓形平面吸盤，其直徑為25mm，采用硅膠材料，適合在不同的表面上提供良好的吸附力。搭配的真空發(fā)生器選用VMG-25A型號(hào)，該發(fā)生器能提供-60kPa 的真空度，流量為25L/min，保證吸盤在快速移動(dòng)時(shí)仍能穩(wěn)定抓取物料。

2.2.5 氣缸及電磁閥選型

系統(tǒng)中的氣缸選用SCM 系列的標(biāo)準(zhǔn)型氣缸，型號(hào)為SCM-32X150，氣缸口徑為32mm，行程為150mm，符合分揀系統(tǒng)對(duì)動(dòng)作速度和力量的需求。對(duì)應(yīng)電磁閥選擇了SY5120 型號(hào)的5/2 單電控電磁閥，該電磁閥工作壓力范圍0.15～0.8MPa，適合氣缸精確動(dòng)作。

2.2.6 系統(tǒng)硬件接線

系統(tǒng)硬件接線圖如圖2 所示。

■2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本次系統(tǒng)分揀模式流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)分揀模式流程

從圖3 中可以看出，本次PLC 控制下物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)共分為三種分揀模式：手動(dòng)運(yùn)行模式、自動(dòng)運(yùn)行模式、單步運(yùn)行模式。其中，手動(dòng)運(yùn)行模式通過操作員點(diǎn)動(dòng)手動(dòng)控制機(jī)械臂進(jìn)行移動(dòng)和抓取動(dòng)作，主要用于系統(tǒng)前期調(diào)試。自動(dòng)運(yùn)行模式無需外部指令輸入，可自動(dòng)連續(xù)執(zhí)行移動(dòng)和抓取動(dòng)作。單步運(yùn)行模式為操作員按下控制按鈕，機(jī)械臂執(zhí)行預(yù)定的單一移動(dòng)至特定位置并暫停，等待下一次按鍵指令來繼續(xù)下一動(dòng)作。

（1）手動(dòng)運(yùn)行模式控制程序

在手動(dòng)模式下，操作員可以直接從HMI 發(fā)送指令到PLC。其中，對(duì)于HMI 控制的實(shí)現(xiàn)，使用圖形化編程環(huán)境來創(chuàng)建按鈕和開關(guān)，將控件與PLC 的I/O 地址綁定。當(dāng)操作員按下HMI 上的控制按鈕時(shí)，PLC 接收到一個(gè)布爾信號(hào)，以此激活一個(gè)功能塊來啟動(dòng)或停止特定的硬件設(shè)備。例如，操作員按下“啟動(dòng)輸送帶”按鈕，PLC 通過相應(yīng)的輸出通道向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送信號(hào)，使傳送帶啟動(dòng)或停止。PLC 程序示例如下：

其中，Start_Manual 是操作員用來啟動(dòng)手動(dòng)模式的信號(hào)，HMI_Conveyor_Button 是HMI 上控制傳送帶啟停的按鈕，HMI_Step_Motor_Button 是操作員用來啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的按鈕，相關(guān)的速度和位置參數(shù)由操作員通過HMI 輸入。

（2）自動(dòng)運(yùn)行模式控制程序

在自動(dòng)運(yùn)行模式下，系統(tǒng)會(huì)依托主控制循環(huán)，該循環(huán)中每個(gè)步驟均具有條件檢查，只有所有條件滿足時(shí)，才會(huì)進(jìn)入下一步驟。在TIA Portal 中為FX-3U 編寫的梯形圖邏輯示例如下：

其中，Start_Auto 是操作員在HMI 上設(shè)置的開始自動(dòng)模式的信號(hào)，Emergency_Stop 是緊急停止按鈕的輸入，Conveyor_Speed 是傳送帶的速度變量，Stepper_Control是步進(jìn)電機(jī)的控制塊，Material_Detected 是物料檢測(cè)傳感器的輸入。

（3）單步運(yùn)行模式控制程序設(shè)計(jì)

單步運(yùn)行模式允許操作員執(zhí)行并觀察自動(dòng)模式中每個(gè)單獨(dú)操作的步驟，通過操作員利用HMI 發(fā)出單步指令，PLC 再根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)機(jī)狀態(tài)來激活相應(yīng)的硬件操作。其控制邏輯示例如下：

其中，Start_Single_Step 是單步模式的啟動(dòng)信號(hào)，HMI_Next_Step 是操作員用來觸發(fā)下一步操作的HMI 按鈕，Step_State 是PLC 內(nèi)部跟蹤單步操作的狀態(tài)變量，Initial_Position()、Move_To_Detection()、Perform_Sorting()是各步動(dòng)作指令。

2.3.2 HMI 組態(tài)界面搭建

本系統(tǒng)HMI 組態(tài)界面搭建基于三菱GOT2000 系列HMI 和GX Works3 軟件進(jìn)行，與FX5U PLC 完成通信。首先，在GX Works3 中創(chuàng)建新項(xiàng)目，選擇GOT2000 系列HMI 作為操作界面。并在“設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)”視圖中，配置與FX5U 的CC-Link IE TSN 通信連接，確保HMI 與PLC 之間的數(shù)據(jù)同步。隨后，通過“標(biāo)簽管理器”導(dǎo)入PLC 程序的符號(hào)表，直接鏈接PLC 數(shù)據(jù)塊中的地址至HMI 變量。同時(shí)配置變量的屬性，如數(shù)據(jù)類型、訪問權(quán)限和初始值，用于后續(xù)的界面綁定。再利用“畫面設(shè)計(jì)”工具，拖放界面元素如IO 字段、按鈕、滑動(dòng)條和趨勢(shì)顯示控件至屏幕布局中。最后，對(duì)于控制按鈕，編寫“事件腳本”和“動(dòng)作”來實(shí)現(xiàn)控制邏輯。例如，設(shè)置按鈕“Start_Auto”綁定的腳本為：“PLC1.DB1.Start_Auto := TRUE;”，以便操作員啟動(dòng)自動(dòng)模式。此外，在“用戶管理”中設(shè)置操作員和管理員不同權(quán)限，確保管理員可實(shí)時(shí)更改參數(shù)設(shè)置或進(jìn)入維護(hù)界面。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

當(dāng)電源接通PLC 及空氣壓縮機(jī)后，激活主電源開關(guān)啟動(dòng)系統(tǒng)，隨即系統(tǒng)進(jìn)行上電復(fù)位。此時(shí)，機(jī)械臂進(jìn)行自檢并歸位至初始坐標(biāo)，即（0，0）點(diǎn)。這一自檢流程完成后，系統(tǒng)就緒并等待操作模式的選擇，操作員可選模式包括手動(dòng)、單步或自動(dòng)運(yùn)行。在任何運(yùn)行模式下，若操作員按下停止按鈕，系統(tǒng)將立即停止所有活動(dòng)，包括軸和電磁閥的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)機(jī)械臂將保持當(dāng)前位置不變，不會(huì)返回原點(diǎn)，直到下一次系統(tǒng)啟動(dòng)并上電復(fù)位。在自動(dòng)運(yùn)行模式下的上位機(jī)組態(tài)界面中，紅色監(jiān)控信號(hào)燈亮起，顯示系統(tǒng)處于活躍運(yùn)行狀態(tài)，伸縮氣缸和真空發(fā)生器均已激活并開始工作。界面顯示機(jī)械臂沿X 軸和Y 軸的實(shí)際移動(dòng)距離，分別是67.772mm 和83.450mm。圖4 則為此時(shí)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)，圖中物料經(jīng)分揀后已被吸盤緊緊吸附，并由伸縮氣缸逐步帶動(dòng)物料上移。由此說明，本文所提出的PLC 控制下的物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案已得到有效實(shí)現(xiàn)，且具有操作界面簡(jiǎn)潔、系統(tǒng)響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，具有較高的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

圖4 自動(dòng)運(yùn)行模式的物料分揀狀態(tài)

4 結(jié)語

綜上所述，本文通過以三菱FX-3U 為核心的物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)，展示了工業(yè)自動(dòng)化在提高效率和減少錯(cuò)誤方面的顯著潛力。文章中詳細(xì)梳理了系統(tǒng)的核心硬件組成部分與軟件程序設(shè)計(jì)流程，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)方案的可行性。以期本次研究成果可為PLC 在物料處理和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考借鑒，并為未來工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的升級(jí)創(chuàng)新提供全新方向。