基于PLC控制的多傳感器物料自動分揀系統(tǒng)設計

李基有，傅沈文

（廣東農工商職業(yè)技術學院機電系，廣東廣州510507）

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［應用研究］

基于PLC控制的多傳感器物料自動分揀系統(tǒng)設計

李基有，傅沈文

（廣東農工商職業(yè)技術學院機電系，廣東廣州510507）

研究基于PLC控制的多傳感器物料自動分揀系統(tǒng)的設計，采用三菱FX-2N系列PLC承擔其主要程序控制任務，同時，對傳感器技術、變頻器技術、電磁、氣動、觸摸屏技術等進行了系統(tǒng)綜合，采用模塊化設計，每一個工作單元可以獨立設計，自由組合實現(xiàn)不同的系統(tǒng)功能。在對物料自動分揀系統(tǒng)功能需求的基礎上，基于PLC提出電氣控制系統(tǒng)的總體方案，設計實現(xiàn)整個系統(tǒng)控制部分與機械動作部分合理連接適配。設計的整個系統(tǒng)具有控制精度高、操作簡便、可靠性高等特點，各項性能指標均達到設計要求。

PLC；傳感器；物料；分揀

機電一體的綜合程度主要體現(xiàn)在柔性生產、智能制造等生產自動化的應用水平上。近年來，隨著周邊相關技術的不斷進步，工藝水平的不斷提高，自動化設備得到廣泛地使用，滿足了控制對象不斷變化的企業(yè)現(xiàn)場需要，社會分工的越來越細致，通過精準化生產和柔性化生產最終實現(xiàn)工廠的高度自動化是社會發(fā)展的必然趨勢。［1］

物料自動分揀系統(tǒng)要求線上的各個工作單元能夠按照設定的程序對物料進行各種加工和處理，是在傳統(tǒng)人工分揀的基礎上發(fā)展起來的。本項目設計采用工業(yè)級的器件和工業(yè)標準化設計，其方法具有很好的推廣性，對企業(yè)一線工程人員的技能訓練具有重要意義。

一、自動分揀系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

（一）國內現(xiàn)狀

隨著我國工業(yè)化進程的不斷推進，要求制造系統(tǒng)和裝備能夠迅速適應不同對象的加工需求。因此，使制造企業(yè)迅速響應市場變化顯得十分迫切。

目前，我國的柔性制造加工系統(tǒng)普遍存在自動化程度過低、勞動生產率低的弊端。同時，小型加工系統(tǒng)柔性設計不足，存在著功能設計浪費現(xiàn)象。就本系統(tǒng)設計而言，國內的大部份自動分揀線主要是以西門子系統(tǒng)作為主控核心，液壓系統(tǒng)作為執(zhí)行機構，總體成本偏高，能源不夠清潔。

（二）國外現(xiàn)狀

2010年后，相對于歐美地區(qū)，亞太地區(qū)的柔性生產系統(tǒng)發(fā)展勢頭更加迅猛。主要原因在于發(fā)達國家的柔性加工系統(tǒng)需求漸趨飽和，市場需求主要來自現(xiàn)有的控制系統(tǒng)的現(xiàn)代化改造；而在亞洲的自動化控制系統(tǒng)市場規(guī)模和進出口增長上為全球最快，主要原因是亞洲工業(yè)發(fā)展迅速，資本投入和大型基礎建設項目大幅增加，對自動化系統(tǒng)的需求量大，而亞洲低廉的勞動力也吸引歐美廠商積極開拓亞洲市場。國外市場主要是以大型加工和集約生產為主，小型的柔性生產系統(tǒng)和根據(jù)對象的定性加工系統(tǒng)比較鮮見。

二、物料自動分揀系統(tǒng)概述

（一）系統(tǒng)的基本組成

本系統(tǒng)由5個工作單元構成，分別是：供料站、檢測站、搬運站、分揀站和回收站。為實現(xiàn)系統(tǒng)的柔性化生產和組合的靈活性，它們均被統(tǒng)一裝置在導軌式的合金桌面上。設計的系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結構圖

（二）關鍵技術分析

本系統(tǒng)綜合了過程控制、設備控制以及檢測驅動三個級別，是一個綜合性的自動化應用系統(tǒng)，從對象控制和程序執(zhí)行上看，本系統(tǒng)包括檢測、控制和執(zhí)行3個相對獨立的系統(tǒng)，它們既可自成一體但又密不可分，我們在研究每個系統(tǒng)的關鍵技術的同時，還要探討這3個系統(tǒng)的無縫配合技術，這就是我們常稱的三電一體技術，是工業(yè)自動控制領域最顯著的特點。本文涉及的三電一體技術主要有PLC、氣動技術、變頻器與觸摸屏技術等。［2］可編程序（邏輯）控制器（簡稱為PLC）以微處理器為核心，綜合了微型計算機技術、自動控制技術及網絡通信技術，主要是為現(xiàn)場控制而設計，廣泛應用于工業(yè)自動化控制裝置。PLC具有可靠性高、適應性好和可擴展能力強等優(yōu)點，不僅可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，還可以進行復雜的生產過程控制以及應用于生產自動化網絡。本項研究采用三菱系列PLC承擔其主要程序控制任務，以盡可能地展現(xiàn)PLC在過程控制系統(tǒng)中的能力，為企業(yè)生產的自動化提供一個良好的示例。

三、系統(tǒng)設計

（一）功能設計

系統(tǒng)采用全自動模式，系統(tǒng)啟動后，能自動檢測物料儲存室是否有料并自動送出物料，經過檢測機構檢測之后進行分揀，選擇搬運或者回收。觸摸屏能同步顯示本次進行搬運及不合格品數(shù)量的統(tǒng)計值，設備的運行頻率能夠實時更改和實時監(jiān)測。其控制流程圖如圖2所示。

圖2　控制流程圖

（二）PLC系統(tǒng)硬件選型

基于三菱FX系列PLC具有強大的家族，基本單元（主機）有FX0S、FX0N、FX2C、FX1S、FX2N、FX2NC等系列，各個系列又有不同的輸入輸出點數(shù)的各種機型。除此之外，各個系列又可以根據(jù)用戶需要，自行選擇晶體管輸出、繼電器輸出和晶閘管輸出三種輸出形式。［3］為滿足系統(tǒng)控制要求和成本最低原則，本系統(tǒng)主要采用Mitsubishi公司生產的FX2N系列PLC。

（三）通訊方式的確定

現(xiàn)代的柔性制造系統(tǒng)中，各個生產單元并非都是獨立的個體，文中所設計的物料分揀線，其各個模塊采取相互通信的方法，各設備單元通過數(shù)據(jù)的交換，進一步提升了系統(tǒng)的執(zhí)行力和穩(wěn)定性，實現(xiàn)了“集中處理、分散控制”。

1.FX系列的可編程控制器支持5種類型的通訊［4］

（1）N：N網絡：用FX2N、FX2NC、FX1N、FX0N等PLC進行的數(shù)據(jù)傳輸可建立在N：N的基礎上，這種方式常常被用來處理PLC互連數(shù)目在8臺及以下的控制現(xiàn)場中。

（2）并行鏈接：這種網絡應用通過多個輔助繼電器在1∶1的基礎上來完成數(shù)據(jù)傳輸。

（3）計算機鏈接通信（有專門的數(shù)據(jù)通信協(xié)議）：用RS485（422）單元進行的數(shù)據(jù)傳輸在1：n（16）的基礎上完成。

（4）RS無協(xié)議通訊：使用RS指令或者FX-232IF特殊功能模塊，通過各種RS232單元，將個人PC機、打印機和條形閱讀器進行數(shù)據(jù)通訊。

（5）可編程端口：對于FX2N、FX2NC、FX1N、FX1S系列的PLC，當該端口連接在FX1N-232BD FX0N-232ADP、FX1N-232BD、FX2N-422BD上時，能夠實現(xiàn)外圍設備的互連。

2.本系統(tǒng)采取的通訊方式

（1）并聯(lián)鏈接通信

功能概要：通過連接同一系列的2臺FX可編程控制器，實現(xiàn)軟件等的相互連接的并聯(lián)功能，同時，也可以應用此方法實現(xiàn)I/O的擴展等。

硬件連接：可分為兩種，1對接線方式和2對接線方式（如圖3、圖4所示）。

（2）RS無協(xié)議通訊

使用RS指令通過各種RS232單元，將個人PC機、打印機和條形閱讀器進行數(shù)據(jù)通訊。本系統(tǒng)的PLC與變頻器的通訊選用無協(xié)議通訊能夠很好地達到設計要求。

圖3　1對接線方式圖

圖4　2對接線方式圖

PLC與變頻器之間的信息交換是用16進制的ASCII碼進行的。我們需要選擇對應的通訊格式編制程序，具體的通訊格式可以參照變頻器FRD700使用操作手冊。

四、程序實現(xiàn)

（一）PLC與變頻器通信程序

通過三菱FX2N系列PLC與三菱FR-D700變頻器兩者的通信能實現(xiàn)變頻器頻率讀寫。PLC與變頻器的通訊程序如圖5所示。

圖5　PLC與變頻器通訊程序

（二）非原點復位程序

該程序主要應用在按下緊急停止之后的復位或者機械設備處于非原點時的復位，復位的操作的設計初衷是綜合考慮了機械的運行安全和節(jié)能環(huán)保等，能更好地避免因為非原點啟動造成的機械結構碰撞。具體復位程序的順序控制圖（SFC）見圖6所示。

圖6　復位程序

（三）顏色及姿勢的判斷

工件經過光纖傳感器檢測，并成功推出儲料倉之后，由變頻器控制的皮帶負責輸送。在皮帶的上方及兩側裝有多個檢測傳感器，共同組成系統(tǒng)的檢測模塊。工件經皮帶傳送到達判斷姿勢的光電型傳感器，光電傳感器的輸出直接連接到控制器的PLC輸入端X21（PLC的I/O分配表具體見圖7所示），通過判斷X21端子的接通時間來檢測工件是否放置正確。

圖7　I/O分配表

姿勢判斷之后，由安裝在輸送皮帶一側的電感傳感器作材質檢測。電感傳感器是依據(jù)電渦流的原理工作，對金屬材料可以吸收振蕩，然后輸出信號。因此，在本系統(tǒng)設計中，電感傳感器接入到PLC的X22端中，當金屬材質的工件到達時，接通X22觸點，并把材質狀態(tài)保持。

顏色辨別采用漫反射光電傳感器實現(xiàn)，該傳感器的精確度能夠通過電位器進行調節(jié)，當遇到顏色為黑色的物體時，由于無法反射，因此漫反射光電傳感器接收不到任何的反射信號；相反地，在處理反射性很強的白色物體，漫反射光電傳感器可以接收到非常清晰的返回信號。

工件的統(tǒng)計數(shù)據(jù)存儲于字存儲器D201-D204當中，使用INCP脈沖執(zhí)行的加1控制指令，工件的數(shù)據(jù)通過人機界面直接顯示，該字存儲器在每次系統(tǒng)初始化中執(zhí)行清零處理，其物料辨別及統(tǒng)計程序如圖8所示。

圖8　物料辨別及統(tǒng)計程序

（四）觸摸屏實現(xiàn)

觸摸屏前身叫做可編程終端，作為一種與PLC進行人機交互（Human-Computer Intraetion）的終端，最早主要應用在工業(yè)控制現(xiàn)場，它替代了傳統(tǒng)的按鍵操作，界面友好直觀還具有圖形顯示和狀態(tài)輸出，被廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場。隨著時間的推移和觸摸技術的廣泛應用，人們常把可編程終端俗稱觸摸屏。本系統(tǒng)使用的是三菱GT-1050系列觸摸屏，與之配套使用的是GT Designer2觸摸屏編程軟件。

主界面的制作如圖9。

五、結束語

圖9　主畫面的制作

本系統(tǒng)的設計，從系統(tǒng)的組成及功能入手，設計系統(tǒng)總體流程圖，用梯形圖的方法設計PLC與變頻器之間的通訊。采用成本較低、編程語言簡單的FX2N系統(tǒng)PLC作為主控芯片，克服了類似系統(tǒng)核心控制部件成本較高、編程語言復雜的困難?？梢暬牟僮鹘缑妫ぜy(tǒng)計分析完全自動化，智能辨斷產品入庫數(shù)量，實時調整工作頻率并具備完善的報警功能。經測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，分揀和統(tǒng)計信息均正確，達到了設計要求。

［1］ 孫懷榮.基于PLC控制的自動化生產線系統(tǒng)的研制［D］.江蘇大學，2012：12.

［2］ 夏卿，申杰.基于PLC控制的機器人機械手平臺設計［J］.煤炭技術雜志，2012（2）：27.

［3］ 蔣俊昌.Petri網的行為理論及其應用［M］.北京：高等教育出版社，2003：78-99.

［4］ 岳慶來.變頻器、可編程序控制器及觸摸屏綜合應用［M］.機械工業(yè)出版社，2006：347-349.

（責任編輯：肖勝中）

Design of Multisensor Material Automatic Sorting System Based on PLC Control

LI Ji-you，F(xiàn)U Shen-wen
（Guangdong Agriculture Industry Business Polytechnic，Guangzhou 510507，China）

The research of this paper is based on the PLC multiple-sense for automatic sorting system，this re?search adopts Mitsubishi FX-2N Series PLC to undertake major program control tasks.At the same time，sensor technology，frequency convertor technology，electromagnetic technique，pneumatics technique and touch screen technology are systematically integrated，the design of this system，employs modular design and each working unit can make design independently and achieve different functions.On the basis of the needs of auto sorting，this paper posed a scheme of electrical control based on PLC，with an aim to realize reasonable connection between systematic control and mechanical action.Reasonable connection and matching between controlling and mechani?cal action was achieved in this paper based on the auto sorting function requirement and the electrical control sys?tem design of PLC.The designof this system has characteristics such as high precision on control，easy and simple operation and good reliability and that all performance indexes have achieved the design requirements.

PLC；sensor；material；sorting

TP391.45

A

1009-931X（2016）02—0059-04

2016-01-18

李基有（1987－），男，廣東陽春人，助理實驗師，碩士。研究方向：自動化設備及電子通信。