物料分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試

摘要：隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，自動(dòng)分揀代替了人工部分，它不僅可以提高生產(chǎn)率，而且降低很多成本。本文研究了基于PLC、組態(tài)控制下物料分揀系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試，在工程應(yīng)用下具有一定的意義。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)分揀；組態(tài)；PLC

一、課題研究背景及意義

自動(dòng)化程度在人類發(fā)展進(jìn)程中是不可缺少的一部分，自動(dòng)化分揀是自動(dòng)化中的一部分，其中PLC作為基礎(chǔ)的分揀裝置不僅成本低，而且效率很高，它代替了很大一部分人工作業(yè)，為企業(yè)的人力資源減少了很大一部分壓力。這些節(jié)省的人力用到其他地方來(lái)實(shí)現(xiàn)各自的價(jià)值，可以為企業(yè)帶來(lái)更高的收益。本文所研究的物料分揀系統(tǒng)是基于PLC技術(shù)、電氣傳動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等設(shè)計(jì)而成，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可對(duì)大量物料進(jìn)行自動(dòng)篩選，工作速度和質(zhì)量令人非常滿意。不僅如此，如果想要根據(jù)要求更換分揀的物品，可自行進(jìn)行更換，十分方便。同時(shí)，維修成本非常低，維護(hù)起來(lái)非常方便。

本文研究的物料分揀系統(tǒng)采用可編程控制器PLC進(jìn)行控制，該系統(tǒng)可以按照設(shè)定的要求自動(dòng)長(zhǎng)時(shí)間地分揀物料，并且分揀的精確度也可以得到保證，分揀的效率相對(duì)提高了。尤其是在生產(chǎn)線上，物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)對(duì)人工分揀來(lái)說(shuō)更是有著巨大的優(yōu)勢(shì)，人在長(zhǎng)時(shí)間工作下難免身體會(huì)出現(xiàn)不適，從而影響效率，這樣完全可以把節(jié)省下來(lái)的人力資源應(yīng)用到其他機(jī)器不能替代的工作當(dāng)中去。同時(shí)自動(dòng)分揀系統(tǒng)的分揀誤差率相比其他機(jī)器低，這主要取決于輸入分揀信息的準(zhǔn)確性，也就是取決于分揀信息的輸入機(jī)制。

物料分揀系統(tǒng)是基于PLC中央處理器為基準(zhǔn)，結(jié)合了計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等技術(shù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，是分揀系統(tǒng)之中使用得比較多的一種。而且PLC的控制系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，它不但體積相對(duì)較小，而且相對(duì)比較穩(wěn)定。

二、物料分揀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試

本次設(shè)計(jì)由PLC、變頻器、觸摸屏、光電傳感器、電感傳感器、電容傳感器、磁性傳感器、二位五通帶手控開關(guān)的單控電磁閥、氣缸、減壓閥、三相交流減速電機(jī)、皮帶、安裝支架、端子排組成，具體如圖1所示：

數(shù)字量輸入設(shè)備：按鈕2個(gè)、電容傳感器1個(gè)、電感傳感器1個(gè)、光電傳感器1個(gè)、氣缸上限位2個(gè)，氣缸下限位2個(gè)。繼電器輸出設(shè)備：電機(jī)1個(gè)、電磁閥2個(gè)。具體如表1所示：

物料分揀系統(tǒng)傳感器由光電傳感器、電容傳感器和電感傳感器組成。首先光電開關(guān)是傳感器的一種，它把發(fā)射端和接收端之間光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達(dá)到探測(cè)的目的。因?yàn)楣怆婇_關(guān)輸出回路和輸入回路是電隔離的，所以它適用的場(chǎng)合有很多，新一代光電開關(guān)器件不但可以達(dá)到延時(shí)、抗相互干擾、可靠性高、工作區(qū)域穩(wěn)定這些基本的要求，而且擁有自我診斷功能，這個(gè)功能在這個(gè)行業(yè)是十分新穎的。這種新型的光電開關(guān)，它可以無(wú)損傷、迅速地控制固體液體等狀態(tài)的物體，使其做出動(dòng)作，具有反應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)。其次，電容傳感器以電容器作為傳感元件，主要工作是把機(jī)械量轉(zhuǎn)換為電容參數(shù)變化的傳感器。電容式傳感器主要包括極距變化型電容傳感器、面積變化型傳感器、介質(zhì)變化型傳感器。極距變化型大多數(shù)被用來(lái)檢測(cè)細(xì)小的線性位移或者是收到風(fēng)、振動(dòng)的因素引發(fā)的極距變化；測(cè)面積變化型傳感器一般用來(lái)測(cè)量移動(dòng)較大的線性位移；介質(zhì)變化型傳感器一般用來(lái)測(cè)量物體的溫度。電容傳感器使用方法和它的結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單。最后，來(lái)介紹一下電感式傳感器，它結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)非?？?，而且可以在非常惡劣的環(huán)境下工作，因?yàn)樗鼉?yōu)秀的環(huán)境適應(yīng)能力，電感傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，大到冶金、采礦，小到化工場(chǎng)所，深受喜愛，用量非常大。電磁閥分為單作用氣缸電磁閥，是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，用來(lái)控制流體的自動(dòng)化基礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行器，并不限于液壓、氣動(dòng)。用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整介質(zhì)的方向、流量、速度和其他的參數(shù)。電磁閥可以配合不同的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠得到保證。電磁閥作為本次氣缸的控制核心，其控制原理如圖2所示。

本文研究的物料分揀系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)，光電傳感器感應(yīng)到物料皮帶上物料時(shí)，延時(shí)3秒，傳動(dòng)帶低速運(yùn)行，速度、運(yùn)行頻率為10Hz，變頻器驅(qū)動(dòng)三相交流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)物料為金屬時(shí)電感傳感器檢測(cè)到信號(hào)，變頻器（MM440）停止，退料氣缸1動(dòng)作，將物料推人第一料槽；當(dāng)物料為非金屬時(shí)電容傳感器檢測(cè)到信號(hào)，變頻器停止，退料氣缸2動(dòng)作，將物料推人第二個(gè)料槽。5秒后，傳送帶停止運(yùn)行，以此類推，循環(huán)工作。根據(jù)系統(tǒng)功能系統(tǒng)I/O地址分配表。如表2所示：

三、物料分揀系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試

組態(tài)設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)主畫面和監(jiān)控畫面之間切換，在人機(jī)界面中實(shí)現(xiàn)退出組態(tài)界面的功能。

在監(jiān)控界面中，通過(guò)按鈕實(shí)現(xiàn)物料分揀系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行；在監(jiān)控界面中，實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)停止運(yùn)行功能。

使用WinCC flexible SMART設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)控制要求設(shè)定變量如圖3所示：

根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)上位機(jī)主畫面和監(jiān)控畫面如圖4所示：

實(shí)現(xiàn)軟件功能，主要通過(guò)以下兩個(gè)函數(shù)完成，具體如表3所示：

使用WinCC flexible SMART設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)修改PLC梯形圖，針對(duì)觸摸屏啟動(dòng)／停止、手動(dòng)控制經(jīng)行優(yōu)化。

四、物料分揀系統(tǒng)整體調(diào)試

對(duì)于物料分揀系統(tǒng)而言，進(jìn)行物料分揀系統(tǒng)硬件調(diào)試也就是可編程控制系統(tǒng)的調(diào)試，首先進(jìn)行傳感器的接線和調(diào)試，具體來(lái)說(shuō)本次系統(tǒng)涉及的傳感器均為PNP型傳感器，接好線后，對(duì)傳感器位置進(jìn)行調(diào)試，在光電傳感器的調(diào)試通電狀態(tài)下，光電傳感器檢測(cè)頭前方的傳送帶上放置物料，調(diào)整傳感器上兩個(gè)螺母，使傳感器前后移動(dòng)，恰好使可編程控制器對(duì)應(yīng)地址指示燈發(fā)光，該位置即為傳感器對(duì)物料的檢出點(diǎn)。其次，是在電感傳感器的調(diào)試通電狀態(tài)下，電感傳感器檢測(cè)頭前方的傳送帶上，放置金屬物料，調(diào)整傳感器上兩個(gè)螺母，使傳感器前后移動(dòng)，恰好使編程控制器對(duì)應(yīng)地址指示燈發(fā)光，該位置即為傳感器對(duì)金屬質(zhì)物料的檢出點(diǎn)。最后，在調(diào)試電容傳感器通電狀態(tài)下，光纖傳感器檢測(cè)頭前方的傳送帶上，放置非金屬物料，調(diào)節(jié)傳感器上的旋鈕，觀察編程控制器對(duì)應(yīng)地址指示燈發(fā)光，該位置即為傳感器對(duì)非金屬質(zhì)物料的檢出點(diǎn)，可以很好地將物品進(jìn)行分類，提高了速度和檢驗(yàn)的質(zhì)量。調(diào)試完成傳感器進(jìn)行變頻器調(diào)試，本文我們選用的變頻器是西門子mm440，變頻器工作原理是將交流電經(jīng)過(guò)三相整流電路進(jìn)行整流成脈動(dòng)的直流電，再通過(guò)濾波電路將脈動(dòng)的直流電轉(zhuǎn)換成平滑的直流電，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路將電壓信號(hào)放大，最后通過(guò)逆變電路，變成電壓、頻率可調(diào)的交流電。在逆變過(guò)程中主電路板又對(duì)逆變脈沖進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)電壓在0-380V之間可調(diào)，頻率在0-50Hz之間可調(diào)，通過(guò)改變供給電動(dòng)機(jī)的供電電壓及頻率，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)無(wú)極調(diào)速的目的。設(shè)置好變頻器后，對(duì)PLC程序進(jìn)行下載，在PLC控制系統(tǒng)中，核心的PLC選型，是在滿足功能的前提下，選擇最可靠、維護(hù)方便、性價(jià)比最優(yōu)的品牌。通常從PLC結(jié)構(gòu)、輸入輸出點(diǎn)數(shù)、內(nèi)存量、運(yùn)行速度、功能模塊選擇和通信功能選擇這幾個(gè)方面來(lái)考慮。首先是結(jié)構(gòu)的選擇，PLC最常見的結(jié)構(gòu)是整體型和模塊型，相對(duì)于整體式的PLC，模塊式的PLC維修和今后系統(tǒng)擴(kuò)展是非常方便的，當(dāng)然整體型的PLC相對(duì)于模塊式的PLC也有著價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，我們可以根據(jù)系統(tǒng)的要求來(lái)選擇。其次是輸出／輸出點(diǎn)數(shù)的選擇，I/O點(diǎn)數(shù)的選擇是PLC控制系統(tǒng)最重要的性能指標(biāo)之一，通常根據(jù)系統(tǒng)要求確定出I/O點(diǎn)數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)多出10%的冗余進(jìn)行選擇。PLC根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)的分類，在進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中PLC的選型也要考慮PLC的內(nèi)存，所謂PLC的內(nèi)存也就是它能存儲(chǔ)用戶程序的容量，所以說(shuō)PLC內(nèi)存容量越大，其能夠裝下的程序就多。最后就是PLC運(yùn)行速度的選擇，這在控制要求比較復(fù)雜的系統(tǒng)中體現(xiàn)得比較明顯，因?yàn)镻LC的運(yùn)行速度越快，在執(zhí)行復(fù)雜控制要求系統(tǒng)中所用的時(shí)間往往是最短的，所以越是復(fù)雜的控制系統(tǒng)往往是需要對(duì)PLC運(yùn)行速度進(jìn)行選擇的。

當(dāng)程序設(shè)計(jì)好后必須下載到PLC中才可以運(yùn)行，下載時(shí)使用西門子PLC的工業(yè)以太網(wǎng)通信，一根雙頭8芯網(wǎng)線進(jìn)行連接，當(dāng)網(wǎng)線連接好后，打開“西門子S7-200 SMART”軟件，進(jìn)入要下載的文件。完成硬件調(diào)試后，進(jìn)行組態(tài)工程的調(diào)試，通過(guò)西門子眥的工業(yè)以太網(wǎng)通信，使用一根雙頭8芯網(wǎng)線連接計(jì)算機(jī)與觸摸屏。點(diǎn)擊菜單欄下載按鈕進(jìn)行下載操作。在模式為以太網(wǎng)下輸入HMI設(shè)備lP地址192.168.0.20，點(diǎn)擊傳送。

結(jié)語(yǔ)

工業(yè)的發(fā)展快慢是離不開自動(dòng)化技術(shù)的，自動(dòng)化技術(shù)越先進(jìn)，國(guó)家的工業(yè)也就越發(fā)達(dá)?；诮M態(tài)技術(shù)、PLC控制分揀裝置不但成本低，相對(duì)效率也比較高，這也是它之所以能脫穎而出的原因。本文研究物料分揀對(duì)金屬和非金屬物料進(jìn)行分揀，在軟硬件上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)分揀，具有一定的研究意義。

作者簡(jiǎn)介：張繼東（1977-），男，漢族，河南武陟人，控制領(lǐng)域工程碩士，副教授，研究方向：電氣工程廈其自動(dòng)化。