基于PLC的物料分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張翠云

（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南焦作 454000）

0 引言

自動(dòng)分揀系統(tǒng)是物料搬運(yùn)系統(tǒng)的一個(gè)重要分支，廣泛應(yīng)用于化工、電子設(shè)備、醫(yī)藥等行業(yè)的生產(chǎn)物流系統(tǒng)。隨著人力成本的不斷上升，自動(dòng)化物料分揀設(shè)備市場出現(xiàn)爆炸式增長[1-2]。PLC 以其靈活可靠、易于擴(kuò)展、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域的主控設(shè)備之一[3]。本文結(jié)合變頻技術(shù)、傳感技術(shù)以及氣動(dòng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于PLC的物料分揀控制系統(tǒng)。

1 物料分揀控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

物料分揀控制系統(tǒng)是自動(dòng)化生產(chǎn)線的重要組成部分，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。主要設(shè)備有PLC、變頻器、傳感器、三相異步電機(jī)、傳送帶以及氣缸。主控設(shè)備PLC 采用西門子SMART SR30，傳輸系統(tǒng)有西門子變頻器MM420 和三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

圖1 分揀控制系統(tǒng)示意圖

2 物料分揀系統(tǒng)工作過程

本文所設(shè)計(jì)的物料分揀控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能是PLC檢測到物料口有工件放入，變頻器起動(dòng)，三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)傳送帶將工件帶人分揀區(qū)。如果為金屬工件，鋁制物料檢測傳感器動(dòng)作，將信號(hào)傳遞給PLC，PLC驅(qū)動(dòng)推料氣缸1動(dòng)作，工件被推到1號(hào)料槽；如果為白色塑料工件，白色塑料工件檢測傳感器動(dòng)作，將信號(hào)傳遞給PLC，PLC驅(qū)動(dòng)推料氣缸2動(dòng)作，工件被推到2號(hào)料槽；如果為黑色塑料工件，黑色塑料工件檢測傳感器動(dòng)作，將信號(hào)傳遞給PLC，PLC驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)氣缸動(dòng)作，工件在皮帶的帶動(dòng)下進(jìn)入3號(hào)料槽。圖2所示為分揀控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 分揀控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 物料分揀控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器

3.1.1 物料口檢測傳感器、入庫檢測傳感器

PLC 檢測到物料口放入工件，驅(qū)動(dòng)變頻器，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)工件進(jìn)入分揀區(qū)。物料口檢測傳感器用的是反射式光電接近開關(guān)。為了檢測工件是否進(jìn)入料槽，在1號(hào)料槽和3號(hào)料槽兩側(cè)安裝的入庫檢測傳感器是對射式光電接近開關(guān)。反射式光電接近開關(guān)的發(fā)射器和接收器在結(jié)構(gòu)上是一體的；對射式光電接近開關(guān)的發(fā)射器和接收器是分離的，安裝時(shí)處于相對位置[4-5]。光電接近開關(guān)如圖3所示。

圖3 光電接近開關(guān)

3.1.2 鋁制物料檢測傳感器

物料分揀系統(tǒng)需要把金屬工件和非金屬工件區(qū)分，利用電感線圈產(chǎn)生的磁力線經(jīng)過金屬導(dǎo)體時(shí)，金屬導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，反作用于電感傳感器，從而改變電路參數(shù)這一現(xiàn)象[6]。在傳送帶上方安裝電感式接近開關(guān)，用于檢測接近工件是否為金屬工件。

3.1.3 黑、白塑料工件檢測傳感器

物料分揀系統(tǒng)需要把黑、白塑料工件區(qū)分，利用黑、白塑料工件對光的反射強(qiáng)度不一和光纖傳感器靈敏可靠[7]，選用反射式光纖數(shù)字傳感器。在傳送帶上方安裝兩個(gè)反射式光纖數(shù)字傳感器，通過調(diào)節(jié)靈敏度來區(qū)分黑白塑料工件。反射式光纖數(shù)字傳感器工作方式有兩種，一種是光照度達(dá)到一定亮度值時(shí)傳感器動(dòng)作；另外一種是光線暗到一定下限值時(shí)動(dòng)作。

3.2 PLC選擇

本文設(shè)計(jì)的物料分揀控制系統(tǒng)，PLC 控制器輸入信號(hào)包括物料檢測相關(guān)傳感器信號(hào)、編碼器信號(hào)、氣缸位置檢測信號(hào)、起動(dòng)/停止按鈕信號(hào)；輸出信號(hào)包括控制氣缸動(dòng)作的電磁閥信號(hào)、變頻器信號(hào)。設(shè)計(jì)過程中所應(yīng)用到的PLC 系統(tǒng)為西門子公司生產(chǎn)的S7－200SMART CPU SR30型號(hào)，此種型號(hào)的PLC控制器包含12個(gè)數(shù)字輸出和18個(gè)數(shù)字輸入，完全能夠符合本次設(shè)計(jì)的具體需要。物料分揀系統(tǒng)PLC I/O分配如表1所示。

表1 物料分揀系統(tǒng)PLC I/O分配表

3.3 變頻器參數(shù)設(shè)置

物料分揀系統(tǒng)中，變頻器啟動(dòng)/停止需要由PLC控制。當(dāng)物料口檢測到有工件放入后，給PLC 發(fā)送信號(hào)，PLC 驅(qū)動(dòng)變頻器以25 Hz 頻率正轉(zhuǎn)運(yùn)行[8-10]。因此，需要對變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，要根據(jù)實(shí)際控制的三相異步電機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括恢復(fù)出廠設(shè)置、變頻器命令源選擇、變頻器頻率源設(shè)置、電機(jī)參數(shù)設(shè)置、電機(jī)運(yùn)行頻率設(shè)置等，具體參數(shù)設(shè)置步驟如表2 所示。以下列三相異步電機(jī)參數(shù)為例進(jìn)行變頻器參數(shù)設(shè)置，額定功率為25 W；額定電壓為380 V；額定頻率為50 Hz；額定電流為0.13 A；額定轉(zhuǎn)速為1 300 r/min。

表2 變頻器參數(shù)設(shè)置

4 物料分揀控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）物料分揀系統(tǒng)具體控制要求如下：氣源接通，PLC上電，設(shè)備就緒，運(yùn)行指示燈黃燈常亮，否則以1 Hz 頻率閃爍；按下啟動(dòng)按鈕，運(yùn)行指示燈綠燈常亮，系統(tǒng)啟動(dòng)；當(dāng)傳送帶入料口人工放下工件，被入料口傳感器檢測到信號(hào)時(shí)，變頻器即可啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)以25 Hz頻率把工件帶往分揀區(qū)。

（2）如果工件為金屬工件，則該工件被鋁制物料傳感器檢測到信號(hào)，被推到1號(hào)料槽中，傳送帶停止；如果工件為白色塑料工件，則該工件被白色塑料工件傳感器檢測到信號(hào)，被推到2號(hào)料槽中，傳送帶停止；如果工件為黑色塑料工件，則該工件被黑色塑料工件傳感器檢測到信號(hào)，旋轉(zhuǎn)氣缸動(dòng)作，進(jìn)入3號(hào)料槽，傳送帶停止。工件被推入料槽后，分揀系統(tǒng)一個(gè)工作周期結(jié)束。僅當(dāng)工件被推入料槽后，才能再次向傳送帶放入工件。

（3）如果在運(yùn)行期間按下停止按鈕，系統(tǒng)在本工作周期結(jié)束后停止運(yùn)行。控制流程如圖4所示。

圖4 物料分揀系統(tǒng)控制流程圖

5 系統(tǒng)調(diào)試

程序編寫完成，氣路檢查無誤，PLC 就可以上電下載程序進(jìn)行調(diào)試。在調(diào)試過程中需要注意以下問題：

（1）黑白塑料工件區(qū)分用到的光纖傳感器的靈敏度需要多次調(diào)試才可以準(zhǔn)確分揀；

（2）由于黑色塑料工件是依靠旋轉(zhuǎn)氣缸動(dòng)作，在傳送帶的帶動(dòng)下進(jìn)入3號(hào)料槽，因此變頻器運(yùn)行頻率不宜過低，否則黑色塑料工件較難進(jìn)入3號(hào)料槽，這時(shí)需要適當(dāng)增加頻率；

（3）調(diào)試時(shí)，1號(hào)、2號(hào)工件被推入料槽時(shí)，氣缸壓力過大，容易彈出料槽，需要調(diào)節(jié)氣缸節(jié)流閥，減小氣缸輸出壓力。

6 結(jié)束語

本文介紹了基于PLC 的物料分揀控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，利用變頻技術(shù)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，通過傳感技術(shù)將不同材質(zhì)（金屬與非金屬）、不同顏色（黑白）的工件送入不同料槽，進(jìn)行自動(dòng)分揀。采用PLC 控制，使得系統(tǒng)控制可靠，可以連續(xù)大批量分揀貨物，有效提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可以和其他自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備無縫對接，應(yīng)用前景較好。