基于PLC控制的竹片顏色在線分選系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 紅 夏穎怡

（云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，昆明 650203）

隨著國(guó)家對(duì)綠色環(huán)保的要求越來(lái)越高，利用價(jià)格低廉、易于取材的竹材制作竹地板深受消費(fèi)者喜愛(ài)，市場(chǎng)發(fā)展迅速。竹地板的制作主要分為基材（竹片）的加工、選片分揀和基材組合后加工三個(gè)過(guò)程。其中，選片分揀是按照生產(chǎn)企業(yè)的要求，對(duì)竹片的主檢測(cè)面（通常為正面）進(jìn)行4～6種的顏色分類。傳統(tǒng)的人工分色分揀效率低，誤差大。

基于竹片顏色特征的在線選片分揀系統(tǒng)主要由機(jī)器視覺(jué)模式識(shí)別系統(tǒng)（稱之為上位機(jī)）和機(jī)械分選控制系統(tǒng)（稱之為下位機(jī)）兩大子系統(tǒng)組成。上位機(jī)采用配有USB接口、工業(yè)以太網(wǎng)接口的工業(yè)相機(jī)對(duì)竹片樣品進(jìn)行拍照取樣，將采集到的圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)的指定路徑下進(jìn)行數(shù)字圖像的讀取。而數(shù)字圖像處理、特征提取、圖像分類和結(jié)果輸出等模式識(shí)別算法則利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件MATLAB7.0來(lái)實(shí)現(xiàn)。下位機(jī)由上料裝置、傳動(dòng)裝置、分選裝置以及PLC控制裝置組成。上位機(jī)將識(shí)別結(jié)果傳輸?shù)较挛粰C(jī)，下位機(jī)根據(jù)識(shí)別結(jié)果，通過(guò)PLC控制裝置控制相互配合的三個(gè)機(jī)械裝置完成竹片的上料、傳動(dòng)、分揀和入庫(kù)工作，實(shí)現(xiàn)竹片分選的自動(dòng)運(yùn)行，如圖1所示。

圖1 機(jī)械部分結(jié)構(gòu)

1 下位機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 上料裝置

上料裝置的上料功能主要由離心振蕩器來(lái)完成。通過(guò)中心底部的電磁離心振動(dòng)形成從中間向兩邊的擴(kuò)散式振動(dòng)效果，使竹片向四周擴(kuò)散并逐步振動(dòng)到裝置內(nèi)壁的平臺(tái)上，并以一定的速度沿四周螺旋式向上移動(dòng)，經(jīng)過(guò)多個(gè)壓緊裝置以及只允許一個(gè)竹片通過(guò)的軌道，竹片以后面推著前面為動(dòng)力，緊密排列移動(dòng)到振動(dòng)上料裝置的出口，進(jìn)入傳動(dòng)裝置。

1.2 傳動(dòng)裝置

傳動(dòng)裝置由電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸送帶進(jìn)行傳動(dòng)。電機(jī)采用轉(zhuǎn)動(dòng)震動(dòng)、噪音小，對(duì)電子硬件設(shè)備干擾小的220V單項(xiàng)交流電機(jī)，轉(zhuǎn)速為1000r/min。

1.3 分選裝置

分揀裝置主要由步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、分選槽、分類倉(cāng)組成。步進(jìn)電機(jī)采用42J1834-810型步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用M415B驅(qū)動(dòng)器，二項(xiàng)驅(qū)動(dòng)輸出，電流≥1A，細(xì)分≥12800步/圈。分選槽由絲桿螺母配合工作，帶動(dòng)氣缸運(yùn)動(dòng)，由氣缸桿（滑竿）完成分選動(dòng)作。分類倉(cāng)按照竹片四種顏色分類需求設(shè)置了四個(gè)分選庫(kù)和一個(gè)廢料庫(kù)，如圖2所示。

圖2 分揀裝置機(jī)械原理

1.4 下位機(jī)的工作過(guò)程

上料裝置通過(guò)離心振蕩器不斷工作，使后面竹片推著前面竹片呈緊密排列狀螺旋上升，來(lái)到振動(dòng)上料裝置的出口，之后進(jìn)入一個(gè)有弧度的四槽連接桿，四連桿只有一個(gè)竹片寬。由于自身的重力作用和后方竹片的推動(dòng)作用，竹片在連接桿中勻速滑落，平穩(wěn)落到輸送皮帶上，此時(shí)竹片彼此是相切的。竹片隨輸送皮帶向工業(yè)相機(jī)移動(dòng)，工業(yè)相機(jī)的紅外檢測(cè)裝置探測(cè)到竹片來(lái)到工業(yè)相機(jī)下方，此時(shí)發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)給上位機(jī)。上位機(jī)收到信號(hào)后發(fā)送一個(gè)上升信號(hào)給工業(yè)相機(jī)模塊，命令相機(jī)對(duì)竹片進(jìn)行拍照，之后相機(jī)將采集到的數(shù)字圖像發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)接收到數(shù)字圖像后對(duì)圖像進(jìn)行處理和模式識(shí)別，完成識(shí)別后向下位機(jī)發(fā)送識(shí)別結(jié)果。下位機(jī)收到識(shí)別結(jié)果后，控制分揀裝置工作。此時(shí)，竹片已經(jīng)隨著傳送皮帶落入分揀槽中。下位機(jī)根據(jù)收到的識(shí)別結(jié)果控制分揀裝置移動(dòng)到對(duì)應(yīng)竹片種類庫(kù)邊，由分揀裝置中的滑竿推出部件將竹片推入庫(kù)中完成分揀。如果上位機(jī)的識(shí)別表明樣品竹片不屬于4類標(biāo)準(zhǔn)竹片中的任何一件，則發(fā)指令給下位機(jī)控制分揀裝置將竹片推入廢料庫(kù)中。

2 PLC控制裝置

PLC（Programmable Logic Controller），作為一個(gè)專門(mén)為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，具有操作方便、功能強(qiáng)大、硬件配套齊全、用戶使用方便、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。它用軟件代替了傳統(tǒng)電氣控制線路中極多的中間繼電器和時(shí)間繼電器，這樣由觸點(diǎn)接觸不良而形成的故障得到有效降低。PLC擁有一系列的硬件和軟件抗干擾措施，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，其每一萬(wàn)小時(shí)故障率在1%以下，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域被認(rèn)為是最可靠的控制設(shè)備之一。同時(shí)，PLC自帶BUS纜線或RS-232通信接口，較高階的帶有USB或以太網(wǎng)路方式做通信接口，這些通信模塊能使它很方便地和上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）進(jìn)行聯(lián)機(jī)，組成在線系統(tǒng)。

為驗(yàn)證PLC是否能夠按照人預(yù)設(shè)的工作流程進(jìn)行工作，通過(guò)PLC軟件編程設(shè)置將PLC工作流程以梯形圖、語(yǔ)句表或功能塊圖的方式編制后進(jìn)行虛擬仿真，以驗(yàn)證PLC控制程序是否能可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 PLC硬件設(shè)計(jì)

CPU224型具有AC/DC/RE，即220V交流/24V直流/繼電器等三種輸出，它正可以滿足機(jī)械裝置220V單項(xiàng)交流電機(jī)、24V步進(jìn)電機(jī)的控制和供電需要。因此，采用西門(mén)子S7-200PLC作為下位機(jī)主控部件，配合步進(jìn)電機(jī)、電磁閥控制整個(gè)機(jī)械裝置正確工作。它可以自己進(jìn)行單機(jī)調(diào)試，也可以和上位機(jī)聯(lián)機(jī)構(gòu)成完整功能的竹片在線分選系統(tǒng)。輸入輸出分配如表1所示，S7-200 CPU224 AC/DC/RE的接線圖如圖3所示。

2.2 PLC軟件虛擬仿真設(shè)計(jì)

STEP7-MicroWIN SMART是基于Windows平臺(tái)專為SIMATIC系列S7-200研制開(kāi)發(fā)的編程軟件，可方便地與工業(yè)相機(jī)、計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)圖像信號(hào)進(jìn)行傳輸，也可使用計(jì)算機(jī)作為圖形編輯器，用于聯(lián)機(jī)或脫機(jī)模擬仿真的開(kāi)發(fā)用戶程序，并可在線實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)，故采用STEP7-MicroWIN SMART編程軟件來(lái)編制在線分選系統(tǒng)的梯形圖、指令語(yǔ)句表、功能塊圖，實(shí)現(xiàn)PLC控制在線分選系統(tǒng)的虛擬仿真，在調(diào)試過(guò)程的虛擬仿真中不僅可以進(jìn)行自動(dòng)演示也可以進(jìn)行手動(dòng)分步演示。

表1 PLC輸入輸出分配

3 上、下位機(jī)的通信與聯(lián)機(jī)調(diào)試

3.1 上、下位機(jī)的通信

OPC（OLE for Process Control）技術(shù)是基于微軟公司COM和DCOM技術(shù)，創(chuàng)造的一種適用于自動(dòng)化領(lǐng)域的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)，具有傳輸可靠、速度快的特點(diǎn)。每個(gè)支持OPC接口標(biāo)準(zhǔn)的硬件廠商為其設(shè)備開(kāi)發(fā)一個(gè)OPC服務(wù)器，提供必要的OPC數(shù)據(jù)訪問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)子接口。采用OPC技術(shù)，使上位機(jī)由MATLAB7.0軟件編制的模式識(shí)別主程序，可以直接和PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互換，實(shí)現(xiàn)主程序和PLC之間的通信。

圖3 PLC接線圖

MATLAB7.0軟件包含了OPC客戶端數(shù)據(jù)訪問(wèn)軟件OPC Toolbox，通過(guò)OPC Toolbox可以連接所有的OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器。參照主程序中的OPCToolbox對(duì)象模型，以S7－200 OPC Server為OPC服務(wù)器，Matlab7.0軟件為客戶端，建立OPC通信，把主程序識(shí)別數(shù)據(jù)傳送到下位機(jī)中，同時(shí)通過(guò)這一通信通道接收PLC發(fā)來(lái)的反饋分類完畢信號(hào)。

3.2 聯(lián)機(jī)調(diào)試

為驗(yàn)證PLC控制程序的可靠性，應(yīng)用STEP7-MicroWIN SMART軟件進(jìn)行系統(tǒng)上下位機(jī)聯(lián)機(jī)調(diào)試虛擬仿真。

在STEP7-MicroWIN SMART中編譯所要調(diào)試的程序，將程序裝載到S7-200 SIM 2.0中。打開(kāi)MATLAB7.0主程序調(diào)試OPC接口，在主程序窗口中運(yùn)行分選主程序。通過(guò)運(yùn)行得出分類結(jié)果為第一類。在S7-200 SIM 2.0軟件中模擬PLC運(yùn)行結(jié)果為第一類的運(yùn)行情況，說(shuō)明主程序和PLC通信完成，聯(lián)機(jī)調(diào)試成功。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)竹片顏色自動(dòng)分選系統(tǒng)機(jī)械分選裝置和PLC控制裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，人們實(shí)現(xiàn)了PLC對(duì)機(jī)械分選部分的上料、傳動(dòng)、分選、入庫(kù)的過(guò)程控制。利用軟件進(jìn)行虛擬仿真對(duì)上、下位機(jī)進(jìn)行通信聯(lián)機(jī)調(diào)試，使得系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期縮短、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試容易，需要修改程序或者需要改變控制方案時(shí)不需要改動(dòng)硬件架構(gòu)，并且可以實(shí)現(xiàn)單機(jī)/聯(lián)機(jī)運(yùn)行、手動(dòng)/自動(dòng)控制、故障自動(dòng)停止和報(bào)警等。整個(gè)系統(tǒng)在PLC的控制下可靠運(yùn)行，解決了人工分類的煩瑣、精確度不高的問(wèn)題。