基于材料分揀模型設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)綜述報(bào)告

王亮 沈曄超 葛勇

摘 要：基于材料分揀模型采用PLC、傳感器、位置控制、電氣傳動(dòng)和氣動(dòng)等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同材料的自動(dòng)分揀和歸類(lèi)功能，并可配置監(jiān)控軟件由上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控。材料自動(dòng)分揀系統(tǒng)能連續(xù)、大批量地分揀貨物，不受氣候、時(shí)間、人的體力等的限制，彌補(bǔ)了人力分揀在重復(fù)分揀方面的低效率工作。使用傳感器甄別物料外部特征作為信息輸入機(jī)制，以最大限度地降低分揀誤差。人員的使用上也僅局限于在上位機(jī)上對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和針對(duì)不同生產(chǎn)要求修改系統(tǒng)控制流程，基本做到無(wú)人化生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：可編程控制器;分揀裝置;控制系統(tǒng);傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)：TM571.2

Abstract：Based on the material sorting model，PLC，sensor，position control，electrical transmission and pneumatic technology are adopted to realize the automatic sorting and classification of different materials，and the monitoring software can be configured to be monitored by the upper computer.The automatic material sorting system can sort goods continuously and in large quantities，which is not limited by climate，time and human physical strength，and makes up for the low efficiency of manual sorting in repeated sorting.The sensor is used to identify the external characteristics of materials as the information input mechanism to minimize the sorting error.The use of personnel is only limited to monitoring the whole control system on the upper computer and modifying the system control process according to different production requirements，so as to basically achieve unmanned production.

Keywords：programmable controller;sorting device;control system;sensor

材料分揀模型[1]針對(duì)職業(yè)院校和技能培訓(xùn)教育機(jī)構(gòu)授課過(guò)程中的實(shí)際需求，凝練技能特征點(diǎn)，構(gòu)建特征化實(shí)訓(xùn)原型機(jī)，其適用于PLC[2]、變頻器[3]、機(jī)電一體化、電氣自動(dòng)化等相關(guān)專(zhuān)業(yè)和課程的教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)施。材料分揀模型由端子排、減壓閥、支架、氣缸等[4-8]機(jī)電元器件構(gòu)成，采用可編程控制器調(diào)控，交流電機(jī)變頻調(diào)速[9]等多重手段，實(shí)現(xiàn)物料傳送與分揀的工藝要求。通過(guò)模擬工業(yè)任務(wù)的模型設(shè)置，有效推動(dòng)了任務(wù)驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目教學(xué)法[10]的落地。模型整體設(shè)計(jì)為開(kāi)放拆裝式，可以滿足培訓(xùn)人員動(dòng)手實(shí)操的要求，拆裝零件貼合實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可分解至零部件級(jí)，甚至小至螺絲釘級(jí)，實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果良好。

1 材料分揀裝置的構(gòu)成與總體方案設(shè)計(jì)

采用PLC進(jìn)行控制設(shè)定的分揀裝置囊括了點(diǎn)位控制、傳感器、氣動(dòng)、可編程控制器等多重控制手段。它是工廠生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用裝置的微縮模型重構(gòu)。

該模型由光電、電容、電感、磁性等多種不同性能的傳感器和電磁閥、氣缸、減壓閥等常見(jiàn)的氣動(dòng)元件以及皮帶、支架、端子排等部件組合而成。主要完成物料的檢測(cè)、輸送、分揀功能，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 I/O口點(diǎn)位數(shù)的確認(rèn)

結(jié)合材料分揀裝置的控制需求，共需要配有2個(gè)開(kāi)關(guān)、3個(gè)傳感器信號(hào)。由于氣缸具有動(dòng)作和回位兩個(gè)限位點(diǎn)，因此共需設(shè)置4個(gè)信號(hào)點(diǎn)位。輸出信號(hào)設(shè)計(jì)接觸器和2個(gè)電磁閥。因此，整個(gè)系統(tǒng)共7個(gè)輸入點(diǎn)，另有輸出點(diǎn)3個(gè)。

2.2 PLC綜合選型

通過(guò)上述I/O口數(shù)量的總體分析，合理分配材料分揀裝置的控制形式，采用開(kāi)關(guān)量控制。綜合考慮控制系統(tǒng)的性能要求，選用西門(mén)子公司的S7-200系列CPU226。改型CPU共有24個(gè)輸入和16個(gè)輸出，完全可以滿足系統(tǒng)的控制要求。

2.3 變頻器的型號(hào)選配

選用M420系列的小型變頻器驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，它可以觸類(lèi)旁通地掌握其他廠家的變頻器的使用方法和操作技巧。

2.4 電感傳感器的型號(hào)選定

金屬物體可采用電感式接近開(kāi)關(guān)測(cè)出，該型傳感器具有開(kāi)關(guān)量輸出。傳感器通過(guò)渦流的作用改變電路的內(nèi)部參數(shù)，進(jìn)而識(shí)別出測(cè)距范圍內(nèi)是否存在金屬物體的介入，完成開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的通斷控制。選用M18X1X40電感傳感器，其原理如圖2所示。

2.5 電容傳感器選擇

電容傳感器通過(guò)極板間距離改變影響電路狀態(tài)的變化實(shí)現(xiàn)物體距離的測(cè)定。系統(tǒng)選用E2KX8ME1電容傳感器，工作原理如圖3所示。

2.6 光電傳感器選擇

光電傳感器可以檢測(cè)判斷出接受光強(qiáng)的變化情況，屬于一種常見(jiàn)的小型電子設(shè)備。選配的FPG放大器內(nèi)含有光電傳感器，負(fù)載可連接至PLC上，其原理如圖4所示。

3 可編程控制器的梯形圖程序設(shè)計(jì)

控制程序中的梯形圖核心部分由梯形圖圖5可知，啟動(dòng)觸點(diǎn)I2.0得電后，M0.1線圈工作狀態(tài)自鎖，為電機(jī)上電做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備。I2.1常閉觸點(diǎn)，其功能是關(guān)閉停止按鈕。當(dāng)可編程控制器處于RUN工作模式的時(shí)候，如果SM0.1通電一個(gè)周期，輸出端口Q0.0復(fù)位清零，與此同時(shí)，子程序?qū)⒈徽{(diào)用工作。

4 控制系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試

4.1 控制系統(tǒng)軟件調(diào)試

通過(guò)軟件完成梯形圖程序的編輯工作，利用連接線路將程序下載進(jìn)入可編程控制器中。為了避免程序當(dāng)中的人為差錯(cuò)和邏輯缺失，進(jìn)行程序正確性的檢查和驗(yàn)證，可以有效地減少系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的工作量。檢查正常和異常狀態(tài)下系統(tǒng)的相應(yīng)結(jié)果是否正確。利用離線狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，PLC和外設(shè)在此狀態(tài)下可以分離。根據(jù)邏輯控制的實(shí)際需要，將給定信號(hào)通過(guò)輸入端口配置進(jìn)入，觀察分析比對(duì)輸出知識(shí)燈的閃亮情況是否正常。如果輸入指示燈的閃亮情況與既定規(guī)則不相符，查找錯(cuò)誤的原因，進(jìn)行程序的調(diào)整和修正。

4.2 控制系統(tǒng)硬件調(diào)試

將鐵磁性材料置于電感式傳感器下方的傳送帶上，通過(guò)調(diào)節(jié)傳感器上方的兩螺母，移動(dòng)傳感器的上下位置至合適的區(qū)域，當(dāng)傳感器上的指示燈發(fā)出光亮，則表示當(dāng)前的高度能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器對(duì)鐵磁性材料的有效檢出。標(biāo)定好當(dāng)前的位置狀態(tài)后，固化相對(duì)位置關(guān)系，確保傳感器的正常工作。

電容式傳感器的系統(tǒng)調(diào)試與之類(lèi)似，只需要將鐵磁性材料換成鋁質(zhì)材料即可。

5 結(jié)論

基于材料分揀模型的控制系統(tǒng)使用PLC作為控制核心，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)大宗貨物量的分揀操作。由于使用傳感器進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)，大大降低了傳統(tǒng)人工分揀勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了勞動(dòng)生產(chǎn)效率。

（1）分揀工藝流程可以實(shí)現(xiàn)與其他物流設(shè)備的和中心匹配控制機(jī)構(gòu)的快速有效信息交互，為物料的自動(dòng)化流轉(zhuǎn)、信息流的快速有效分配和管理提供了可能。

（2）選用標(biāo)準(zhǔn)的模塊化設(shè)計(jì)，布局靈活，檢修方便，且工作狀態(tài)穩(wěn)定，不會(huì)輕易受到場(chǎng)地布局和場(chǎng)地配置等方面的影響。

（3）當(dāng)分揀物料不同時(shí)，只需要針對(duì)性地調(diào)整和修改程序中的參數(shù)和對(duì)應(yīng)的傳感器型號(hào)即可，二次改造和適應(yīng)性升級(jí)十分方便。

綜上所述，基于材料分揀模型的控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積適中，可以進(jìn)行不同物料的定制化篩選和快速有效分揀，應(yīng)用前景十分廣闊。

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*通訊作者：王亮（1988— ），男，安徽東至人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：控制理論與控制工程。