基于PLC的物料傳送帶定位分揀系統(tǒng)設(shè)計

李楊

摘 要：本系統(tǒng)基于PLC的某物料傳送帶的定位功能設(shè)計，以S7-200為核心采用編碼器與變頻器組成的可對一條物料傳送帶進(jìn)行精確定位，介紹了具體的參數(shù)設(shè)置方法并進(jìn)行相應(yīng)的軟件程序調(diào)試，利用程序編程實現(xiàn)定位分揀功能，并利用上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：編碼器；物料；定位；PLC；變頻器

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）02-0126-04

Abstract： Based on the positioning function design of a material conveyor belt with PLC， this system uses S7-200 as the core and uses encoder and frequency converter to accurately locate a material conveyor belt. The specific parameter setting method is introduced and the corresponding software program is debugged. The function of positioning and sorting is realized through programming， and the upper computer is used to monitor and control.

Keywords： encoder； material； positioning； PLC； frequency converter

如今的自動化分揀技術(shù)隨著技術(shù)的發(fā)展日新月異，粗放型的分揀過程已無法滿足現(xiàn)今的發(fā)展需要，為了能夠?qū)Ψ謷到y(tǒng)進(jìn)行自動檢測、定位及自動分揀，設(shè)計了一套能夠完成一系列運動控制功能的物料傳送帶定位分揀系統(tǒng)，實現(xiàn)分揀過程全自動化。

1 物料傳送帶定位分揀系統(tǒng)控制要求

某物料自動分揀傳送帶在入料口檢測到物料后，即通過PLC啟動變頻器帶動傳送皮帶進(jìn)行物料傳送，當(dāng)運至金屬傳感器旁、光纖傳感器下方時，可以精確判斷工件后自動定位完成物料分揀功能。

1.1 編碼器的原理

旋轉(zhuǎn)編碼器是自動控制系統(tǒng)中最常用的檢測傳感器，它可將軸上的旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換成能讓控制器接受的脈沖或者數(shù)字信號，主要是用于對位置的精確測量，讓控制器能夠判斷是否到達(dá)預(yù)定位置。旋轉(zhuǎn)編碼器分為增量式和絕對式兩種，輸出轉(zhuǎn)軸一圈的脈沖個數(shù)為編碼器的分辨率。需要確定位置就是靠每一個脈沖的位移來進(jìn)行計算得到的。而增量式的編碼器還需要設(shè)置一個零位（原點）來確定脈沖開始計數(shù)的起始位置。

1.2 編碼器的選用

本系統(tǒng)的物料分揀采用了通用型的旋轉(zhuǎn)編碼器，主要是配合皮帶在運動過程中工件所處的位置，方便進(jìn)行精確的位置定位，以便在識別工件后易于推放至相應(yīng)的倉儲槽中。編碼器與變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相對連接在傳送帶的軸上。系統(tǒng)選用的編碼器為分辨率500線，NPN輸出。使用Z相脈沖，A、B兩相輸出端按照接線要求直接連接到控制器S7-226cn PLC的高速計數(shù)器專用輸入端口。

1.3 編碼器的脈沖計算

為了能夠?qū)崿F(xiàn)在皮帶運動過程中的精確定位，需要對輸出轉(zhuǎn)軸的位移進(jìn)行脈沖計數(shù)，以此得到脈沖數(shù)反饋回來的個數(shù)，通過計數(shù)可以知道工件運動的距離，便于提前進(jìn)行位置設(shè)定。計算方式如下：本傳送帶的主動軸直徑為43mm，由于是直接連軸沒有通過減速轉(zhuǎn)換，所以電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，皮帶上工件移動的距離為L=πd=3.14×43=136.35mm。

圖1 皮帶結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)如圖1所示的結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件從初始放料位置到第一個傳感器的位置時，編碼器旋轉(zhuǎn)過程中發(fā)出了430個脈沖，以此類推檢測出幾個位置的脈沖個數(shù)，如表1所示：

表1 編碼器反饋各位置距離脈沖數(shù)

受到多方面因素的影響，表1的脈沖數(shù)計算都是基于理論公式算出，應(yīng)用中會有一定的誤差。誤差主要是傳送帶傳動件上的硬件測量誤差，傳送帶厚度的誤差，皮帶松緊度的誤差等等，都有可能影響理論的計算，這些誤差只能通過細(xì)致的安裝調(diào)試盡量避免，否則會由于累計誤差帶來不穩(wěn)定的檢測。

2 變頻器的設(shè)置

為了提高生產(chǎn)效率，特設(shè)定3段速度，分別為快速接近速度、分揀速度和廢品二次回原位速度。西門子MM440變頻器的參數(shù)應(yīng)如下表2設(shè)置：

表2 變頻器參數(shù)設(shè)置表

3 PLC高速計數(shù)器的編程

脈沖數(shù)通過編碼器反饋回PLC高速計數(shù)器輸入端，比較預(yù)制位移脈沖后即控制變頻器停止。高速計數(shù)器的編程需要事先定義200PLC的高速計數(shù)模式來確定，具體設(shè)置如下：

本系統(tǒng)設(shè)計采用的PLC為S7200-226 CN（DC/DC/DC），對應(yīng)的計數(shù)器有固定地址的輸入端口供高速計數(shù)脈沖輸入使用。編號從HSC0至HSC5一共六個端口，每一端口編號的計數(shù)器都分配有固定地址。200PLC的高速計數(shù)器可以根據(jù)需要配置成12種模式中的任意一種。如表3所示。

根據(jù)之前選用的旋轉(zhuǎn)編碼器的類型可以知道，采用的脈沖輸出為A/B相正交脈沖的方式，A/B相分別接到PLC的I0.0，I0.1兩個輸入點，且未采用Z相。所以根據(jù)表3可以選擇PLC輸入脈沖計數(shù)模式為9號。選用的計數(shù)器為HSC0，計數(shù)倍頻設(shè)定為4倍頻。使用PLC自帶的向?qū)нM(jìn)行編程，自動生成了符號地址為“HSC_INIT”的子程序。其程序清單如圖2示。

在編寫主程序時，使用首次上電掃描一次的SM0.1來調(diào)用配置子程序，即可對高速計數(shù)器的控制字定義，包括使能和啟動高速計數(shù)功能。

4 脈沖數(shù)與位置測試

在計算出了脈沖當(dāng)量所對應(yīng)的位置后，我們得到的只是個理論值。在皮帶輸送站安裝過程中，要盡可能地將硬件調(diào)試好，避免由于機(jī)械誤差而導(dǎo)致相對誤差的積累，所以要在皮帶測試過程中進(jìn)行現(xiàn)場測試。endprint

測試過程如下：

4.1 皮帶硬件調(diào)試

為了保證調(diào)試正常，在皮帶安裝調(diào)試過程中需要認(rèn)真調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)軸和離合器軸上的同心度。還有調(diào)整皮帶的張力，不宜過緊和過松。皮帶調(diào)整要避免運動過程發(fā)生跑偏的情況。最好在變頻器帶動皮帶運行時，在1HZ頻率時能平滑啟動，以免造成阻力過大導(dǎo)致變頻器過載報警。

單獨測試可以將變頻器用面板操作的方式試運行即可，設(shè)置為BOP面板操作按照快速調(diào)試模式設(shè)置，注意電動機(jī)參數(shù)要跟皮帶上電動機(jī)的銘牌參數(shù)一致。

4.2 變頻器參數(shù)設(shè)置

測試過程可以參考表2進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置。

4.3 程序設(shè)計

在計算機(jī)上用STEP7-Micro/WIN編程軟件編寫PLC編碼器脈沖測試主程序，主程序見圖3，編譯后下載至PLC。

4.4 監(jiān)控調(diào)試程序

在計算機(jī)端監(jiān)控下載的脈沖測試主程序，在皮帶入口處放置一個工件，啟動皮帶運行。工件傳送到某一位置后，停止皮帶運行。通過程序可以監(jiān)控到圖3網(wǎng)絡(luò)4中的VD0的讀數(shù)，把這個數(shù)值寫入到表4脈沖當(dāng)量測試表中的編碼器脈沖數(shù)，對應(yīng)位置用尺子測量實際的距離寫入到表4的“工件移動距離”一欄中。由于采用4倍頻的計算方式，所以計算高速計數(shù)脈沖數(shù)除以4的值，填寫到“編碼器脈沖數(shù)”一欄中，然后可以測量一個脈沖的當(dāng)量是多少，即脈沖當(dāng)量μ=工件移動距離/編碼器脈沖數(shù)，填寫到相應(yīng)脈沖當(dāng)量的一欄中。

4.5 脈沖當(dāng)量的確定

按照上述的測試方式，再次測試2兩遍，分別將參數(shù)填到表4當(dāng)中，完成三次測試后，可以將脈沖當(dāng)量取平均值，經(jīng)過計算后可以得到一個脈沖當(dāng)量為0.2576。該值如果需要更精確，可以將測試次數(shù)增加，取平均值即可。

根據(jù)得到的脈沖當(dāng)量，可以對照圖1進(jìn)行各個位置距離從起始位置到檢測位置脈沖數(shù)的計算，當(dāng)工件從下料中心線位置到第一個傳感器中心位置時，距離為117.5，計算可以得到117.5÷0.2576=456個脈沖；以此類推，可以得到其他幾個推桿中心線對應(yīng)下料中心線的脈沖數(shù)。計算的脈沖數(shù)據(jù)經(jīng)過4倍頻后，就是高速計數(shù)器HC0經(jīng)過值。

皮帶自動分揀系統(tǒng)主要是通過高速計數(shù)器采集回來到PLC HC0的脈沖個數(shù)，與各計算出的位置進(jìn)行比較，如果脈沖數(shù)與位置預(yù)置一致，則控制變頻器讓皮帶立即停止，從而實現(xiàn)定位工作。

各個傳感器及推桿對應(yīng)位置數(shù)據(jù)如表5所示。

5 物料分揀程序控制流程

先將進(jìn)料口到傳感器或者推料口的位置進(jìn)行存儲，只要有物料下放到進(jìn)料口，皮帶電機(jī)即自動開始運行，運行前要對高速計數(shù)器HC0當(dāng)前值進(jìn)行清零，通過SMD38進(jìn)行清零操作。如圖4為初始子程序。

圖4 初始子程序

物料分揀程序結(jié)構(gòu)如下所示：（1）分揀單元主要是實現(xiàn)自動分揀過程，并不復(fù)雜采用程序結(jié)構(gòu)為一個主程序調(diào)用子程序即可，子程序主要是完成初始化等分模塊功能。（2）初始化在上電掃描一個周期過程中要對HSC_INIT子程序進(jìn)行使能調(diào)用操作，同時對高速計數(shù)器進(jìn)行控制字定義和使能工作。（3）自動分揀控制程序主要就是利用傳感器對不同工件進(jìn)行自動識別金屬或黑白塑料，利用步序控制程序進(jìn)行編程。a.當(dāng)有物料下放到進(jìn)料口時，傳感器檢測到工件后，將HC0的值清零，并且啟動變頻器帶動電動機(jī)進(jìn)行運轉(zhuǎn)，梯形圖如圖4所示。b.當(dāng)工件運行到工型支架上的傳感器時，則傳感器將信號發(fā)至PLC，PLC根據(jù)傳感器得到的信號盡心自動判斷是何種類型的工件，決定應(yīng)該將工件分揀至哪個料槽。此時即可通過編碼器送來的HC0當(dāng)前脈沖值，與原來設(shè)定的料槽位置進(jìn)行比較。完成上述功能的梯形圖見圖5。c.按照預(yù)先設(shè)定的料槽分揀要求，工件在傳送過程中達(dá)到分揀入口自動停止，然后通過推料直線氣缸將工件推入料槽，完成推料過程后程序返回初始步。

6 人機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計

本監(jiān)控系統(tǒng)為了能夠更好的融合自動化技術(shù)，將人機(jī)界面應(yīng)用到皮帶分揀系統(tǒng)中，采用昆侖通態(tài)的TPC7062KS觸摸屏，該觸摸屏主要應(yīng)用與現(xiàn)場級的監(jiān)控中。

在觸摸屏設(shè)計界面設(shè)置了便于操作的按鈕、開關(guān)、參數(shù)設(shè)定等功能，各項功能如下：（1）當(dāng)前工作狀態(tài)指示：單機(jī)/全線、運行、停止（指示燈顯示）；（2）切換旋鈕：單機(jī)/全線切換（選擇開關(guān)）用于選擇整個系統(tǒng)的單站控制或全線控制切換；（3）按鈕：設(shè)計啟動、停止、清零累計按鈕；（4）數(shù)據(jù)輸入：變頻器輸入頻率設(shè)置；（5）數(shù)據(jù)輸出顯示：為了能夠?qū)崿F(xiàn)自動分揀的倉儲管理，特進(jìn)行了分揀計數(shù)功能，包括白芯金屬工件累計、白芯塑料工件累計、黑色芯體工件累計。

7 結(jié)束語

本物料傳送帶自動定位分揀系統(tǒng)介紹了如何利用PLC進(jìn)行傳送帶的控制，通過控制變頻器實現(xiàn)對皮帶的運動控制，還能通過脈沖編碼器進(jìn)行位置檢測和判斷，有效利用PLC的高速計數(shù)功能實現(xiàn)了對皮帶位置的定位控制。整個設(shè)計包含了傳感器技術(shù)，PLC技術(shù)，變頻器應(yīng)用技術(shù)、人機(jī)界面等，能夠很方便直觀的進(jìn)行運動控制的實驗和訓(xùn)練。

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