物料循環(huán)分揀系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)設計

謝金濤

（天津工業(yè)職業(yè)學院，天津 300400）

目前，自動分裝系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領域應用的研究熱點，零件分裝是實際生產(chǎn)過程中的必要工序，也是零件加工生產(chǎn)線的重要過程。其中材料檢測與識別是自動分裝系統(tǒng)的重點，系統(tǒng)設計前要考慮零件的材質、大小、形狀等特點以及下一工序組裝所需的零件結構，通過自動檢測和分工的研究，實現(xiàn)生產(chǎn)效率、資源利用率的提高和人工勞動強度的降低具有非常重要的意義。我國的智能分揀系統(tǒng)在工業(yè)上的使用較少，設計優(yōu)化物料分揀系統(tǒng)PLC的控制，在實際生產(chǎn)過程中，很多工序需要對產(chǎn)品進行分批處理，而從工時分析上看，采用人工分煉的生產(chǎn)效率很低、人工成本較高而且人為的失誤也是不可避免的[1]。對產(chǎn)品的自動分揀可以有效地改進企業(yè)生產(chǎn)過程中存在的這類問題，為企業(yè)降低成本、提高效率和增強企業(yè)的綜合競爭力。筆者根據(jù)工業(yè)應用中自動分揀系統(tǒng)的需求，設計了一種物料循環(huán)分揀PLC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)物料的材質、大小進行循環(huán)自動分揀任務，物料自動分揀系統(tǒng)包括：西門子S7-1200PLC、人機界面、機器人、機械手、氣缸、井式上料單元、傳感器、主副傳送帶、吸盤等設備。系統(tǒng)由PLC進行主控控制，結合傳感器進行物料的材質、大小識別判定，通過機械手及機器人進行主副傳送帶循環(huán)分揀工作建成物料循環(huán)系統(tǒng)，再通過人機界面進行點位控制和監(jiān)控[2]。

1 物料循環(huán)分揀系統(tǒng)的總體設計

1.1 物料循環(huán)分揀系統(tǒng)的設備需求

1）設備以普通桌子作為下機架，下機架三面均封閉，一面為敞開式。機架寬度方向的封板能向上打開，呈90°，作為臺面加寬使用，底部必須有支撐。

2）設備最大長寬高：1 500 mm*700 mm*1 700 mm，此高度不含腳杯高度。

3）設備整體框架由鋁型材構成，封板為鈑金件，底部設置4個萬向帶剎車腳輪及腳杯，腳杯螺紋M18。

4）設備正面有一塊立板，立板為網(wǎng)孔板，右側放置電控盤。

5）臺面模組，非標件中鋁件采用噴丸、本色氧化，鋼件表處鍍光亮鎳，不銹鋼、銅不作表面處理。機構標準件中氣缸、電機、傳感器、絲桿模組均采用國產(chǎn)品牌進行配置。

6）PLC、顯示屏、斷路器、24 V電源、繼電器、接觸器、凸輪開關、電磁閥、三聯(lián)件等均采用主流品牌三種選項進行配置，以適應客戶不同需求。

7）三色燈為折疊帶蜂鳴器類型，總長度＜200 mm，按鈕均選用自復位帶燈超短按鈕，急停除外。顯示屏尺寸小于9英寸，折疊支架。

8）設備臺面右下方設置一個抽屜，配置文件柜鎖，用于放置工具。機器立板正面左邊設置兩個文件袋。一個放置電路圖及操作說明書，另一個放置機械組裝SOP及模組爆炸圖。

1.2 物料循環(huán)分揀系統(tǒng)的功能需求

物料放入井式上料單元后，啟動，第一個物料落下，氣缸將其推出至主傳送皮帶線，傳送皮帶線轉動至末端，機械手絲桿模組接住物料，此時氣缸推動物料，物料穿過機械手絲桿模組上的過渡板，落到第二條副傳送皮帶線，副傳送皮帶線轉動，將物料運動至對應高度的接近傳感器下方，此時氣缸將物料推出，穿過機械手絲桿模組的過渡塊至第一條主傳送皮帶線，實現(xiàn)回流[3-4]。重復上述動作，主副傳送皮帶線上的物料一直處于循環(huán)流動狀態(tài)。

1.3 物料循環(huán)分揀系統(tǒng)的組成

設備機架、主副傳送帶、交流電動機、旋轉編碼器、傳感器（光電式、電感式）、氣缸、電磁閥、直流電源、空氣過濾減壓器、人機界面、三色燈、機械手絲桿模組、機器人、吸盤、井式上料單元等。

1.4 PLC的選擇

對物料循環(huán)分揀機的設計及功能充分分析，因完成物料循環(huán)分揀工作需要控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好、傳輸數(shù)據(jù)快、可靠性高、市場普及率大、易于操作等優(yōu)勢，故從多種控制方式中選擇了PLC控制。PLC控制方式中，西門子品牌市場占有率大，選擇了西門子的主流PLC S7-1200系列。完成工作任務就需要I/O通訊的輸入信號和輸出信號，通過分析，需要的信號分別為50個輸入信號和62個輸出信號。根據(jù)需要的信號數(shù)量，又從S7-1200系列里面選擇出了CPU為1215C DC/DC/DC的型號，該型號又能擴展多個通信模塊，完全能夠滿足現(xiàn)在及日后對物料循環(huán)分揀機工作的設計需求[5-6]。

1.5 人機界面的選擇

人機界面在工業(yè)應用中俗稱為觸摸屏和HMI屏，是一種既能觸控又能顯示的裝置，可以根據(jù)工作任務，利用人機界面相關控制軟件來進行定制化編程及設計的，可以進行后期數(shù)據(jù)修改等操作，方便現(xiàn)場調試及系統(tǒng)運行監(jiān)控。根據(jù)物料循環(huán)分揀機的功能需求及PLC控制器的型號，人機界面選擇了西門子的TP700 Comfort型號，有擴展數(shù)據(jù)模塊，數(shù)據(jù)用以太網(wǎng)傳輸，特點是速度快、穩(wěn)定[7]。

1.6 分揀機構的選擇

根據(jù)物料循環(huán)系統(tǒng)的分揀設計需求，分揀三種類型物料，分揀任務需要4組分揀機構來完成，充分分析分揀動作及工作需求，4組分揀機構最終選定3組機械手絲桿模組外加單軸機器人的形式。絲桿模組由氣動控制，特點是工作快速、穩(wěn)定、性價比高，單軸機器人由電動機控制，可以進行調速及位置定位，選用機械手絲桿模組及單軸機器人的形式完全滿足分揀的工作需要[8]。

2 物料循環(huán)分揀控制系統(tǒng)的調試

2.1 物料循環(huán)分揀工作

通電開機，在每次通電后都會有一次系統(tǒng)復位，系統(tǒng)復位后點擊人機界面控制器啟動主副傳送帶運轉，推料氣缸會將料筒中的物料推出，當檢測到物料通過后如圖1所示。

圖1 物料循環(huán)分揀工作流程圖

1）如果物料判定材質是金屬時，在物料經(jīng)過工位3時定位氣缸會升起，升起后工位3會對金屬物料進行分揀，分揀的過程是由工位3的吸盤下降，抓取金屬物料，然后將金屬物料從主傳送皮帶線分揀到副傳送皮帶線，最后返回到主傳送皮帶線的過程。分揀后金屬物料在副傳送皮帶中繼續(xù)運行，當金屬物料到達工位1傳感器時，定位氣缸升起，工位1會對金屬物料再次進行分揀，分揀的過程是由工位1的絲桿模組抓取金屬物料從副傳送皮帶線移動到主傳送皮帶線，反復的過程[9]。

2）如果物料判定材質是非金屬物料與金屬物料的相同規(guī)格時，在物料經(jīng)過工位4時定位氣缸會升起，升起后工位4會對非金屬物料進行分揀，分揀的過程是由工位4的機器人抓取非金屬物料后將非金屬物料從主傳送皮帶線移動到副傳送皮帶線，然后回到主傳送皮帶線的過程。分揀后非金屬物料會在副傳送皮帶線中繼續(xù)運行，當非金屬物料到達工位1時定位氣缸升起，工位1會對非金屬物料進行分揀，分揀的過程是由工位1的絲桿模組抓取非金屬物料后將非金屬物料從副傳送皮帶線移動到主傳送皮帶線，反復的過程。

3）如果物料是非金屬物料和金屬物料的不同規(guī)格時，在物料經(jīng)過工位2時定位氣缸會升起，升起后工位2會對非金屬物料進行分揀，分揀的過程是由工位2的絲桿模組抓取非金屬物料后將非金屬物料從主傳送皮帶線移動到副傳送皮帶線的過程。分揀后非金屬物料會在副傳送皮帶線繼續(xù)運行，當非金屬物料到達工位1時定位氣缸升起，工位1會對非金屬物料進行分揀，分揀的過程是由工位1的絲桿模組抓取非金屬物料后將其從副傳送皮帶線移動到主傳送皮帶線，反復的過程[10]。

2.2 PLC控制系統(tǒng)程序設計

程序分為Main（主程序）、副皮帶電機控制、工位1控制、工位2控制、工位3控制、工位4控制、皮帶電機控制、氣缸控制、三色燈控制、絲杠電機控制、推料氣缸控制、系統(tǒng)復位。

以工位1程序編寫為例：當物料通過副皮帶旋轉移動到工位1時傳感器檢測到物料定位氣缸升起，工位1對物料進行分揀，分揀的過程是由工位1的機械手絲桿模組抓取物料后，將物料從副傳送皮帶移動到主傳送皮帶的過程。

2.3 人機界面程序設計

根據(jù)物料循環(huán)分揀系統(tǒng)設計，人機界面由主頁、主傳送皮帶線控制、副傳送皮帶線控制三大控制界面組成，主頁界面中控制著整套設備的系統(tǒng)啟動、系統(tǒng)停止、系統(tǒng)復位，還可查看物料數(shù)量、主傳送皮帶線速度、各絲杠模組速度、副傳送皮帶線速度，并可調試修改。

主傳送皮帶線控制界面控制著主傳送皮帶的啟動、停止、復位和主傳送皮帶的速度，同時可切換到主界面和副皮帶控制界面。

副傳送皮帶線控制界面控制著副傳送皮帶線的啟動、停止、復位和副傳送皮帶的速度，同時可切換到主界面和主皮帶控制界面。

3 結語

本文論述了物料循環(huán)分揀系統(tǒng)控制的系統(tǒng)設計、控制系統(tǒng)、工作原理、流程，以及控制系統(tǒng)調試。用實際應用證明了在物料分揀工作中可以快速實現(xiàn)自動循環(huán)，改進了工業(yè)應用中分揀物料循環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)實物研發(fā)，本文物料循環(huán)分揀系統(tǒng)的PLC控制設計滿足實際需求，提高了分揀的工作效率、穩(wěn)定性和可靠性。