PLC控制技術在玻璃制品分揀裝置中的應用

摘 要：首先對用于玻璃制品分揀裝置的物料搬運機械手的結構進行了說明，隨后分析了機械手運行的工藝過程及控制要求。最后，針對控制要求對PLC進行了選型，并進行了硬件配置、I/O地址分配及上位機程序設計。該系統可以有效提高工業生產的效率，為工業制造技術向智能制造方向發展提供有力支撐。

關鍵詞：玻璃制品分揀裝置；物料搬運機械手；PLC

中圖分類號：TP273" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）07-0011-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.07.003

0" " 引言

玻璃制品分揀裝置機械部分的核心是目前用于各行各業的物料搬運機械手，它是一種能自動抓取、搬運和放置物料的自動化設備，常用于工業制造、倉儲物流、食品加工等領域。在電子產品制造行業，物料搬運機械手能將極其微小的電子元件，像芯片、電路板中應用的零部件，從一個工位精確地搬運到另一個工位，不僅能保證整個工作過程在無塵、防靜電的環境下實現高精度裝配，還能按照生產線的節拍，提高生產效率和質量。在食品行業，搬運機械手可以用于抓取、放置食品原料或成品。例如，在面包生產線上，它可以將加工好的面包從傳送裝置上搬運到包裝設備中。它的接觸部分采用食品級材料制作而成，保證了食品的衛生和安全。在玻璃行業，生產線上的玻璃制品溫度較高，人工分揀有安全隱患且效率低，采用本文提出的玻璃制品分揀裝置可以很好地解決這些問題。

1" " 分揀裝置結構

1.1" " 手部結構（末端執行器）

這是直接與物料接觸的部分，根據物料的形狀、尺寸和性質等因素設計。例如，對于塊狀物料，可能會采用夾鉗式手部，通過兩個相對運動的夾爪來夾緊物料；對于一些有孔的小型零件，可以使用吸附式手部，利用真空吸附或者電磁吸附的原理來抓取物料。像在電子元件的搬運中，吸附式手部能夠精確地吸取微小的芯片[1]。

1.2" nbsp; 腕部

腕部連接手部和手臂，它可以實現手部的俯仰、擺動和旋轉等動作，這些動作使得機械手能夠靈活地調整物料的姿態。比如，在將一個長方體物料放入一個卡槽中時，若有特定方向要求，腕部的旋轉動作可以確保物料以正確的角度進入卡槽。

1.3" " 手臂

手臂是支撐腕部及手部實現物料在空間位置移動的關鍵部位，它可以有升降、橫移、伸縮等多種運動形式，一般由多個關節及連桿組成。像直角坐標型的物料搬運機械手，其手臂的運動是沿著相互垂直的三個坐標軸方向進行的，能夠精確地控制物料在空間的位置。

1.4" " 機身（基座）

機身是整個機械手的支撐部分，它通常固定在工作臺或地面上。機身的穩定性對機械手的精確操作至關重要。例如，在一些大型沖壓車間的物料搬運中，機身需要足夠堅固，以確保能承受物料的重量和搬運過程中產生的沖擊力。

本文將介紹玻璃制品分揀裝置中的機械手PLC控制，系統主要機械結構如圖1所示。

2" " 工藝過程及控制要求

電子式檢測開關傳感器檢測到工作臺上的工件時，機械手從原位開始工作，經過一系列動作將工件傳送到預設的工位，一個工作周期結束。機械手控制的程序流程圖如圖2所示[2]。

機械手的工作是由控制系統指揮的。操作人員可以通過編程方式預先設定其動作順序、路徑、速度等參數。在本系統中，通過編程讓機械手按照一定節拍從傳送帶上抓取產品，然后搬運到指定的包裝位置。

為了實現精確的物料搬運，機械手通常會配備多種傳感器。例如，視覺傳感器可以識別物料的位置、形狀、顏色等信息。在分揀不同顏色的塑料零件時，視覺傳感器能夠區分零件的顏色，然后將信號反饋給控制系統，控制系統根據這些信息調整機械手的動作，準確地抓取目標顏色的零件。另外，還有位置傳感器，它可以實時監測機械手各關節的位置，確保機械手按照預設的路徑運動。

動力系統是為機械手的運動提供動力的系統，常見的動力源有液壓、氣壓、電力等。液壓驅動的機械手力量比較大，能夠搬運比較重的物料，例如在重型機械制造車間搬運大型鑄件的機械手。氣壓驅動的機械手速度快，結構較簡單，經常用于對精度要求不是特別高的快速搬運場合，如兒童玩具行業的小包裝產品搬運。電力驅動具有控制方便、精度高等優點，在電子、半導體等精密制造行業有較為廣泛的應用。

3" " 系統設計

3.1" " PLC簡介

PLC是可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）的簡稱，可取代繼電器的邏輯控制用于工業自動化控制。它可以通過編程來實現對各種工業設備和生產過程的邏輯控制、順序控制、定時控制、計數控制等多種控制，從早期的簡單邏輯控制功能的產品，不斷發展為如今高度集成化、網絡化、智能化的復雜控制系統。

PLC技術發展迅速，其因許多獨特的優點在工業生產中應用廣泛，主要表現在如下方面：性能價格比高；可靠性好，抗外界干擾能力強；系統的設計、安裝、調試工作量少；維修工作量小，維修方便；體積小，能耗低。PLC控制單元掛板如圖3所示。

CPU模塊是PLC的核心部件，類似于計算機的CPU。它負責執行用戶程序，處理輸入、輸出信號，進行數據存儲和通信等。不同型號的CPU模塊具有不同的性能特點，例如S7-1200系列的CPU模塊有不同的內存大小和處理速度可供選擇。CPU模塊的性能決定了PLC系統整體的控制能力和運行速度。本系統選用西門子S7-1200 PLC。S7-1200 CPU有一個DC24 V內部電源，用于為CPU、信號模塊、信號板、通信模塊及其他DC24 V器件供電。

輸入模塊用于接收外部設備的信號，如傳感器信號。這些信號可以是數字信號（如限位開關的通斷信號），也可以是模擬信號（如壓力傳感器輸出的連續變化的電壓信號）。輸入模塊將這些外部信號轉換為CPU能夠識別和處理的數字信號格式。例如，在一個自動化倉庫系統中，光電傳感器檢測貨物是否到位，其信號通過輸入模塊傳送給CPU。

輸出模塊接收CPU處理后的輸出信號，并將其轉換為能夠驅動外部執行機構的信號。輸出信號可以驅動電機、電磁閥等設備。比如在一個自動化灌溉系統中，CPU根據濕度傳感器的信號判斷是否需要灌溉，然后通過輸出模塊控制電磁閥的開啟和關閉，從而實現對灌溉設備的控制。通信模塊使PLC能夠與其他設備進行通信，如與上位計算機、其他PLC或智能儀表等通信[3]。S7-1200系列PLC在CPU模塊上集成了一個工業以太網PROFINET接口。在工業4.0環境下，通信模塊的作用越來越重要，它可以實現遠程監控和數據共享。例如，通過工業以太網通信模塊，工廠管理人員可以在辦公室遠程監控生產線上PLC的運行狀態和生產數據[4]。

3.2" " 硬件配置

根據控制流程選擇控制方式，選三個啟動按鈕分別實現自動方式、單動方式和手動方式的啟動動作；設置一個停止按鈕，以處理在任何情況下的停止運行；機械手運動的限位開關、上升、下降、夾緊等，一共14個數字量輸入信號、5個數字量輸出信號[5]。選擇S7-1200系列的PLC，CPU1214C DC/DC/DC，可以滿足要求，還有一定的余量[6]。硬件配置表如表1所示。

3.3" " I/O地址分配

將機械手的輸入、輸出信號按功能類型分配，分別與PLC的I/O端相對應。

外部I/O信號與PLC I/O端地址編號的部分對照表如表2所示。

3.4" " 上位機程序設計

上位機程序主要用于監控機械手的運行狀態、運動軌跡、操作任務等。通過上位機與機械手控制系統之間的通信，可以直觀地了解機械手的工作情況，發送指令讓機械手完成相應的動作。上位機人機界面和控制調度程序采用C#.net開發。C#是一種現代化的、面向對象的編程語言，它具有以下特點：

1）封裝性，C#支持將數據和操作數據的方法封裝在類中，這樣，外部代碼只能通過類提供的公共方法來訪問和修改對象的狀態，保證了數據的安全性和一致性。

2）繼承性，C#允許創建類層次結構，子類可以繼承父類的屬性和方法，這有助于代碼的復用和擴展，同時還可以添加自己特有的屬性和方法。

3）多態性，C#通過方法重載和虛方法實現多態性。方法重載允許在同一個類中定義多個同名方法，只要它們的參數列表不同。虛方法允許子類重寫父類的方法，以實現不同的行為。

4）自動內存管理，C#采用了自動垃圾回收機制來管理內存，開發人員不需要手動釋放對象占用的內存，自動垃圾回收會自動檢測不再使用的對象，并回收它們占用的內存空間。這種自動內存管理機制可以減少內存泄露的風險，讓開發人員更專注于業務邏輯的實現，而不必過多擔心內存管理的細節。人機界面如圖4所示。

4" " 結束語

隨著PLC技術與工業互聯網技術的深度融合，自動控制系統的控制效果也在不斷提升，電氣工程智能化發展越來越快，系統的穩定性和安全性越來越高[7]。通過調試，上述系統不僅可以用于不同類型玻璃制品的分揀，而且確實大大提高了工作效率和精確程度。

[參考文獻]

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[6] 吳繁紅.西門子S7-1200 PLC應用技術項目教程[M].2版.北京：電子工業出版社，2021.

[7] 韓雨瑤，陸心澄，趙之瑜，等.PLC技術在電氣工程及其自動化控制中的應用分析[J].中國設備工程，2021（19）：141-143.

收稿日期：2024-12-20

作者簡介：王連飛（1978—），女，山東平度人，副教授，研究方向：電氣自動化技術、用電節能技術。