基于PLC的塑料瓶收購分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李玉滿

(共青科技職業(yè)學(xué)院，江西 九江 332020)

1 設(shè)計(jì)需求

塑料瓶收購分揀系統(tǒng)被應(yīng)用在多種加工場(chǎng)合，例如垃圾分揀運(yùn)輸設(shè)備、灌裝飲料自動(dòng)化生產(chǎn)線、快遞終端分類處理設(shè)備等。大多數(shù)類似系統(tǒng)多采用分立元件組建電路結(jié)構(gòu)，存在分揀誤差高、作業(yè)效率低、無法識(shí)別塑料瓶顏色進(jìn)行差異分揀等缺陷，且自動(dòng)化水平較低，不利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模塑料瓶收購分揀作業(yè)。西門子S7-200型PLC具有智能編程控制功能，能夠輔助工業(yè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化、無人值守式控制作業(yè)，具有控制精度高、作業(yè)性能優(yōu)良、邏輯程序可移植性強(qiáng)、編程語言簡(jiǎn)潔易懂等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。本文基于西門子S7-200型PLC設(shè)計(jì)一種塑料瓶收購分揀系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了塑料瓶收購運(yùn)輸、色差識(shí)別、智能歸類分揀、故障報(bào)警等全自動(dòng)化控制，解決了目前同類系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的功能缺陷問題。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制要求

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)能夠滿足多種不同顏色塑料瓶的自動(dòng)抓取收購和根據(jù)色差分揀的工藝需求，通過編訂相應(yīng)的梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)控制功能。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，采用開放式直線型結(jié)構(gòu)，以便于塑料瓶物品的傳送和分揀作業(yè)；在電氣結(jié)構(gòu)上，根據(jù)收購和分揀要求，安裝磁性開關(guān)、光電傳感器、電感式傳感器、光纖傳感器、節(jié)流閥、三相異步電動(dòng)機(jī)、光纖放大器、推瓶氣缸、氣泵、電磁閥、油水分離器等元件。

實(shí)際作業(yè)時(shí)，當(dāng)操作人員按下啟動(dòng)控制按鈕，塑料瓶被機(jī)械手抓取收購后，運(yùn)輸至傳送分揀運(yùn)輸帶上，之后運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)的分揀推料口，由傳感器根據(jù)塑料瓶顏色進(jìn)行差異化識(shí)別，識(shí)別成功后，推瓶桿伸出，將塑料瓶推進(jìn)相應(yīng)的存瓶區(qū)，之后進(jìn)行下一輪傳送和分揀塑料瓶自動(dòng)作業(yè)。系統(tǒng)作業(yè)過程中，如遇到意外掉瓶、過壓、過載、過熱等故障，能夠自動(dòng)停止分揀作業(yè)，并發(fā)出聲光報(bào)警提示。除此之外，只有當(dāng)操作人員按下停止按鈕，系統(tǒng)才會(huì)停止工作。該系統(tǒng)的外形模擬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

1—磁性開關(guān)D-C73；2—傳送分揀機(jī)構(gòu)；3—落料口傳感器；4—落料口；5—料槽；6—電感式傳感器；7—光纖傳感器；8—過濾調(diào)壓閥；9—節(jié)流閥；10—三相異步減數(shù)電機(jī)；11—光纖放大器；12—推料氣缸。

2.2 控制要求

該系統(tǒng)能夠應(yīng)用在塑料瓶自動(dòng)收購分揀控制場(chǎng)合，具體的功能性控制要求介紹如下。

1)啟動(dòng)后收購送瓶功能：設(shè)置啟動(dòng)開關(guān)SH1，當(dāng)需要啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，按下SH1，收購機(jī)械手自動(dòng)抓取待分揀的1個(gè)塑料瓶，移動(dòng)至落料口上方后，手爪松開將塑料瓶放入落料口，落料光電傳感器CG1檢測(cè)到掉落的塑料瓶后，三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，傳送帶傳送塑料瓶。

2)塑料瓶色差識(shí)別分揀功能：塑料瓶傳送分揀設(shè)備上安裝多個(gè)光纖傳感器，通過調(diào)節(jié)光纖傳感器的放大倍數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同顏色塑料瓶的識(shí)別。通常來說，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)越高，光纖傳感器識(shí)別的色彩越深；反之越淡。因此，通過應(yīng)用和調(diào)節(jié)光纖傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)塑料瓶色彩的識(shí)別和分揀。以圖1的模擬設(shè)備為例，設(shè)置3個(gè)光纖傳感器，分別通過調(diào)節(jié)光纖傳感器的放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)從左至右識(shí)別白色、藍(lán)色、黑色3種不同顏色塑料瓶的功能。當(dāng)白色塑料瓶經(jīng)過最左端傳感器GX1時(shí)，GX1輸出由低電平變?yōu)楦唠娖?，觸發(fā)白色塑料瓶推桿TG1啟動(dòng)，將白色塑料瓶推至落瓶區(qū)；之后TG1縮回，收購機(jī)械手自動(dòng)抓取待分揀的下一個(gè)塑料瓶，進(jìn)行循環(huán)作業(yè)。

3)故障報(bào)警功能：在系統(tǒng)響應(yīng)部位安裝過壓、過熱、過載保護(hù)繼電器，并在落瓶區(qū)安裝光電傳感器，用來識(shí)別推瓶桿伸出后，是否有塑料瓶掉入落瓶區(qū)。倘若系統(tǒng)作業(yè)中，出現(xiàn)過壓、過熱、過載或掉瓶故障，指示燈L1點(diǎn)亮，同時(shí)喇叭LB1發(fā)出聲音報(bào)警。

4)停止作業(yè)功能：當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，操作人員按下停止開關(guān)SH2，系統(tǒng)能夠立即停止當(dāng)前作業(yè)。

3 硬件及軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)PLC控制塑料瓶收購分揀的功能設(shè)計(jì)要求，該系統(tǒng)的硬件模塊包含以下幾部分。

1)啟停控制模塊：采用常規(guī)的自復(fù)位式開關(guān)，通過外圍的電阻、電容、繼電器、斷路器構(gòu)成保護(hù)式啟停開關(guān)電路模塊，啟停模塊各部分的耐受電壓為DC+24 V。

2)收購運(yùn)送模塊：由機(jī)械手、磁性開關(guān)、氣管、節(jié)流閥、緩沖閥、氣缸等構(gòu)成。機(jī)械手在PLC程序控制下執(zhí)行抓取和運(yùn)送塑料瓶的功能；磁性開關(guān)用于判斷機(jī)械手的擺動(dòng)限位；氣管是氣動(dòng)控制機(jī)械手運(yùn)行的氣路裝置，用于連接機(jī)械手關(guān)節(jié)和對(duì)應(yīng)的電磁閥口；節(jié)流閥用于調(diào)整氣管氣壓；緩沖閥用于緩沖機(jī)械手與限位裝置的觸碰力；氣缸用于給機(jī)械手收購運(yùn)送塑料瓶的各動(dòng)作提供作用力。

3)識(shí)別分揀模塊：由光電傳感器、光纖傳感器、推瓶桿、落瓶區(qū)等構(gòu)成。光電傳感器用于識(shí)別塑料瓶是否掉落至落料口，選擇檢測(cè)距離3～100 mm，額定電壓10～30 V CD的普通光電傳感器即可；光纖傳感器用于識(shí)別不同顏色的塑料瓶，由放大器、光纖、電源及信號(hào)輸出線構(gòu)成；推瓶桿選擇普通的金屬桿即可。

4)故障報(bào)警模塊：由喇叭和報(bào)警器構(gòu)成，選擇常規(guī)的喇叭和指示燈即可。

3.2 PLC地址分配

基于控制功能要求，選用西門子S7-200 CPU224型PLC為核心處理器構(gòu)建系統(tǒng)控制電路，具體的PLC地址分配方案如下。

1)輸入地址配置方案：I0.1-SH1-啟動(dòng)開關(guān)，I0.2-SH2-停止開關(guān)，I0.3-CG1-落料光電傳感器CG1，I0.4-GX1-白色光纖傳感器，I0.5-GX2-黑色光纖傳感器，I0.6-GX3-藍(lán)色光纖傳感器(可根據(jù)控制需要繼續(xù)增加光纖傳感器識(shí)別地址位)，I0.7-CG2-落瓶區(qū)光電傳感器。

2)輸出地址配置方案：Q0.0-XQ1-三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，Q0.1-TG1-白色推瓶桿，Q0.2-TG2-黑色推瓶桿，Q0.3-TG3-藍(lán)色推瓶桿(可根據(jù)控制需要繼續(xù)增加推瓶桿識(shí)別地址位)，Q0.4-L1-報(bào)警指示燈，Q0.5-LB-報(bào)警喇叭。具體的PLC地址分配及功能描述如表1所示。

表1 PLC地址分配表

3.3 程序設(shè)計(jì)

基于塑料瓶收購分揀自動(dòng)化作業(yè)控制要求，應(yīng)用梯形圖語言設(shè)計(jì)相應(yīng)的功能化程序，具體的程序模塊及設(shè)計(jì)思路如下。

1)啟動(dòng)：設(shè)計(jì)“啟—保—?！背绦蚪Y(jié)構(gòu)，用于啟動(dòng)并持續(xù)運(yùn)行功能，當(dāng)常開觸點(diǎn)I0.1得電時(shí)，機(jī)械手工作，系統(tǒng)啟動(dòng)。

2)收購運(yùn)送：當(dāng)落料光電傳感器CG1端口I0.3檢測(cè)到高電平時(shí)，Q0.0置1，三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)送塑料瓶。

3)識(shí)別分揀：塑料瓶在傳送帶上運(yùn)輸時(shí)，各顏色識(shí)別傳感器實(shí)時(shí)工作，并根據(jù)情況啟動(dòng)分揀功能，例如當(dāng)白色塑料瓶經(jīng)過TG1處時(shí)，I0.3常開觸點(diǎn)導(dǎo)通，同時(shí)Q0.1得電，白色推瓶桿伸出推動(dòng)白色塑料瓶進(jìn)入落瓶區(qū)；當(dāng)塑料瓶完全推入落瓶區(qū)時(shí)，I0.6導(dǎo)通1次，同時(shí)計(jì)數(shù)器C0計(jì)數(shù)1次，提示分揀成功。

4)中斷報(bào)警：設(shè)置中斷報(bào)警程序，若系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)過熱、過壓、過載等情況時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)斷電，并發(fā)出聲光報(bào)警提示；當(dāng)推瓶桿啟動(dòng)后，定時(shí)器T37開始計(jì)時(shí)，若超過2S，I0.6還未導(dǎo)通，計(jì)數(shù)器C0也未計(jì)數(shù)1次，表明塑料瓶沒有成功推入落瓶區(qū)，Q0.4和Q0.5同時(shí)導(dǎo)通，發(fā)出聲光報(bào)警提示。

5)停止：當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，操作人員按下SH2按鈕，所有的輸出線圈同時(shí)復(fù)位，系統(tǒng)停止作業(yè)。

基于上述程序設(shè)計(jì)思路，繪制系統(tǒng)梯形圖程序執(zhí)行流程圖，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)梯形圖程序執(zhí)行流程圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大量塑料瓶收購分揀作業(yè)的自動(dòng)化控制，具有很強(qiáng)的推廣價(jià)值，但也存在一些不足之處，例如沒有能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程觸摸的組態(tài)子系統(tǒng)、控制程序的結(jié)構(gòu)還有待優(yōu)化等，在今后的完善性設(shè)計(jì)中，應(yīng)針對(duì)上述問題進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)上的優(yōu)化。