基于PLC控制的物件識別與分揀系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

王鳳娟

（南通市藍領技工學校）

0 引言

生產線物件識別與分揀系統(tǒng)也稱為自動識別分揀系統(tǒng)，起源于歐洲國家，隨著現(xiàn)代信息技術的快速發(fā)展，物件識別與分揀系統(tǒng)成為現(xiàn)代自動化生產線中不可或缺的部分[1-2]。該系統(tǒng)普遍應用于物流行業(yè)、快遞行業(yè)、零件制造行業(yè)、交通運輸行業(yè)等[3-4]。物件識別和分揀系統(tǒng)是從大數(shù)據(jù)中篩選出某一類數(shù)據(jù)的一個自動系統(tǒng)。能夠在海量的物件當中識別并分揀出相應類別的物件，提高生產效率，并且降低人工成本。傳統(tǒng)的人工分揀效率低、不能連續(xù)作業(yè)、誤差率高，增大工作人員的勞動強度，不利于企業(yè)的自動化生產，也加大企業(yè)的運行成本。鑒于此，基于PLC控制技術的識別、分揀系統(tǒng)在環(huán)節(jié)中起到很重要的作用[5-6]。

1 系統(tǒng)總體功能需求

基于PLC控制的物件識別與分揀系統(tǒng)，通過傳感器對物件進行檢測，識別物件的材質和顏色，由PLC對傳動系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)進行控制，實現(xiàn)分揀功能[7-8]。當物件由出料口進入傳動設備后，各傳感器對其進行檢測，當被某一個傳感器檢測到時，PLC控制對應的氣動裝置將物件推入到對應的容器中，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 自動化生產線分揀系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)控制流程如下：

1）分揀系統(tǒng)接通電源同時按下啟動按鈕，皮帶傳送裝置開始工作。當光電傳感器檢測到出料口有物件時，傳送皮帶停止運行，PLC控制出料氣缸5動作，物件被推送到皮帶傳送裝置，傳送皮帶恢復運行。

2）當物件被電感傳感器檢測為金屬材質時，傳送裝置停止運行，PLC使能氣缸4動作，并將金屬物件推送到容器4，傳送裝置恢復運行。

3）當物件被電容傳感器檢測為非金屬材質時，傳送裝置停止運行，PLC使能氣缸3動作，并將非金屬物件推送到容器3，然后傳送裝置恢復正常運行。

4）當顏色傳感器檢測到物件為紅、黃、藍某一顏色時，傳送裝置停止工作，PLC使能氣缸2動作，將物件推送到容器2，然后皮帶傳送裝置繼續(xù)運行，這樣就能根據(jù)顏色對物件進行分揀。無特殊要求的物件被傳感器檢測以后，皮帶傳送裝置運行停止，相應的氣動裝置會把該物件推送到對應的容器中，完成后傳送裝置繼續(xù)恢復正常運轉。出料口沒有物件被檢測到時，皮帶傳送裝置運行一個周期自動停止工作。

2 系統(tǒng)硬件結構

物件識別與分揀系統(tǒng)的總體設計主要由識別機構、驅動機構、執(zhí)行機構組成。具體如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設計結構

（1）識別機構

系統(tǒng)的識別機構主要由各種類型的傳感器組成。傳感器是一種檢測元件，具有小型化、數(shù)字化、智能化、多功能化和系統(tǒng)化的特點，本系統(tǒng)采用光敏和色敏元件對物件進行辨識，完成分揀操作，傳感器可以把采集到的信息按一定規(guī)律轉換成電信號或其他信號，這樣就可以滿足信號處理、分析、顯示、記錄和控制的需求，精確的檢測信息是實現(xiàn)自動控制的關鍵環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)通過電感傳感器對金屬材質的物件進行分揀，通過電容傳感器對非金屬材質的物件進行分揀，通過光電傳感器對出料口是否有物件進行判斷，通過顏色傳感器對紅、黃、藍三種不同顏色的物件進行分揀。

（2）驅動機構

皮帶傳送裝置由變頻器控制電動機來對其進行驅動，變頻器根據(jù)傳送帶上物件的重量實現(xiàn)變速控制，通過PLC實現(xiàn)變頻器對電機速度和轉向的控制。

（3）執(zhí)行機構

包括出料單元、傳送單元、分揀單元。通過變頻器對電機進行控制，從而控制皮帶傳送設備的運行，傳感器對物件材質等信息進行辨識，由PLC控制對應的氣動裝置并將其推送到對應的容器。分揀單元的作用是實現(xiàn)對物件的分揀，從而保證不同材質、不同顏色的物件通過不同的容器分揀歸類。

物件識別與分揀系統(tǒng)是一個可擴展的設備，用戶可以根據(jù)實際應用需求選擇設備單元數(shù)量和類型。系統(tǒng)由多個單元組成，通過網絡對分揀系統(tǒng)各個單元進行分布式控制和監(jiān)控。物件識別與分揀系統(tǒng)包含檢測技術、傳感器應用、電氣傳動和氣動控制等技術領域，同時綜合應用電機伺服控制和變頻器技術等知識體系，是一個多學科交叉的系統(tǒng)級設計。

S7-200 SMART系列的PLC屬于整體式PLC，是一種小型PLC，適用于各種場合的檢測及控制自動化應用，具有很高的性價比。CPU選擇S7-200 SMART系列標準型CPU SR40，該CPU直接集成了24路輸入/16路輸出共40個數(shù)字量I/O 點。最大可連接7個擴展模塊，擴展至248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O 點，具有多達13KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間，另外配有6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出。在通信接口方面具有2路RS485通訊/編程口，能夠兼容PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議等。另外系統(tǒng)還需要再擴展一個模擬量模塊EM AE08。

由于該物件識別與分揀設備均為開關量控制，需要的I/O點數(shù)并不是不多，因此，小型的PLC即可滿足設計要求，本系統(tǒng)采用西門子S7-200 SMART型PLC作為核心控制平臺。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 傳送帶原理

該系統(tǒng)是把物件傳送作為被控對象而構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。傳感器從傳動系統(tǒng)獲取位移信號，位移信號經過調理整定后送到S7-200 SMART型PLC的模擬量采樣通道，與給定信號作比較生成偏差信號，偏差信號經過S7-200 SMART型PLC的PID調節(jié)模塊進行PID運算后發(fā)出控制電壓信號，送到G120變頻器上，由G120變頻器對電機進行控制，即實現(xiàn)了傳送系統(tǒng)閉環(huán)調節(jié)。調節(jié)原理如圖3所示。

圖3 傳送系統(tǒng)控制原理

3.2 PID控制算法

在實際工程中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。PID控制器問世至今以結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其他技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。

PID調節(jié)器是一種線性關系的控制器，它根據(jù)目標值與實際值的偏差量將偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行組合，實現(xiàn)對最終實際值的控制，其控制目標是目標值。常規(guī)的PID控制結構如圖4所示。

圖4 PID控制器結構框圖

其傳遞函數(shù)可以表達為：

控制理論和數(shù)學分析中，一般借助拉普拉斯變化和傅里葉變換來幫助分析系統(tǒng)的某些特性，比如暫態(tài)響應、穩(wěn)態(tài)響應等。但是在程序中，只能根據(jù)時域中的離散化的表達式來編寫算法。所以將上式轉換成時域表達式為：

需要在計算機中通過編程實現(xiàn)式（2），而式（2）又是連續(xù)時間的表達式，所以只能先將其離散化，推導出它的差分方程如下：

4 編程說明

根據(jù)系統(tǒng)設計需求、I/O地址分配表和程序流程圖，對PLC程序進行編寫，梯形圖如圖5所示。

圖5 梯形圖

系統(tǒng)接通電源啟動后，X005常開觸點接通，繼電器M7得電其常開觸點閉合，接觸器Y010得電從而啟動電機，傳送系統(tǒng)工作；當停止開關按下時，X006常閉觸點斷開，繼電器M7失電從而停止電機，傳送系統(tǒng)停止運行。

光電傳感器檢測到出料口有物件時，X000閉合使電磁閥Y000得電，對應氣缸開始動作，常閉觸點Y000斷開，電機停止工作。

電感傳感器檢測到金屬物件時，X001閉合使電磁閥Y001得電，對應氣缸開始動作，常閉觸點Y001斷開，電機停止工作。

電容傳感器檢測到非金屬物件時，X002閉合使電磁閥Y002得電，對應氣缸開始動作，常閉觸點Y002斷開，電機停止工作。

顏色傳感器檢測到某一顏色物件時，X003閉合使電磁閥Y003得電，對應氣缸開始動作，常閉觸點Y003斷開，電機停止工作。

備用傳感器檢測到相應物件時，X004閉合使電磁閥Y004得電，對應氣缸開始動作，常閉觸點Y004斷開，電機停止工作。

傳感器沒有檢測到出料口有物件時，X000常閉觸點閉合，T0接通，計時器開始工作，時間計到程序設定值后常閉觸點T0斷開，電機停止工作。如果時間沒有計到設定值，此時檢測到有物件，那么傳感器X000常開觸點就會閉合，電磁閥Y000得電，常閉觸點Y000失電斷開，計時器T0停止計數(shù)。

5 結束語

本文在全面了解可編程邏輯控制技術的基礎之上，首先針對分揀系統(tǒng)的設計要求明確分揀系統(tǒng)的任務和功能，并詳細研究可編程邏輯控制器的工作原理，然后進行分揀系統(tǒng)方案的研究和制定，各部分設備的選型，接著進行系統(tǒng)硬件設備和軟件的設計和調試等工作。本系統(tǒng)采用西門子S7-200 SMART型PLC作為控制核心，充分發(fā)揮PLC編程方便，運行可靠的特點，取得了理想的控制效果，滿足系統(tǒng)設計需要。