李基有，傅沈文

（廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，廣東廣州510507）

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［應(yīng)用研究］

基于PLC控制的多傳感器物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李基有，傅沈文

（廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，廣東廣州510507）

研究基于PLC控制的多傳感器物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用三菱FX-2N系列PLC承擔(dān)其主要程序控制任務(wù)，同時(shí)，對(duì)傳感器技術(shù)、變頻器技術(shù)、電磁、氣動(dòng)、觸摸屏技術(shù)等進(jìn)行了系統(tǒng)綜合，采用模塊化設(shè)計(jì)，每一個(gè)工作單元可以獨(dú)立設(shè)計(jì)，自由組合實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)功能。在對(duì)物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上，基于PLC提出電氣控制系統(tǒng)的總體方案，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)控制部分與機(jī)械動(dòng)作部分合理連接適配。設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)具有控制精度高、操作簡(jiǎn)便、可靠性高等特點(diǎn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

PLC；傳感器；物料；分揀

機(jī)電一體的綜合程度主要體現(xiàn)在柔性生產(chǎn)、智能制造等生產(chǎn)自動(dòng)化的應(yīng)用水平上。近年來(lái)，隨著周邊相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，工藝水平的不斷提高，自動(dòng)化設(shè)備得到廣泛地使用，滿足了控制對(duì)象不斷變化的企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需要，社會(huì)分工的越來(lái)越細(xì)致，通過(guò)精準(zhǔn)化生產(chǎn)和柔性化生產(chǎn)最終實(shí)現(xiàn)工廠的高度自動(dòng)化是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。［1］

物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)要求線上的各個(gè)工作單元能夠按照設(shè)定的程序?qū)ξ锪线M(jìn)行各種加工和處理，是在傳統(tǒng)人工分揀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用工業(yè)級(jí)的器件和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，其方法具有很好的推廣性，對(duì)企業(yè)一線工程人員的技能訓(xùn)練具有重要意義。

一、自動(dòng)分揀系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

（一）國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，要求制造系統(tǒng)和裝備能夠迅速適應(yīng)不同對(duì)象的加工需求。因此，使制造企業(yè)迅速響應(yīng)市場(chǎng)變化顯得十分迫切。

目前，我國(guó)的柔性制造加工系統(tǒng)普遍存在自動(dòng)化程度過(guò)低、勞動(dòng)生產(chǎn)率低的弊端。同時(shí)，小型加工系統(tǒng)柔性設(shè)計(jì)不足，存在著功能設(shè)計(jì)浪費(fèi)現(xiàn)象。就本系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，國(guó)內(nèi)的大部份自動(dòng)分揀線主要是以西門子系統(tǒng)作為主控核心，液壓系統(tǒng)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，總體成本偏高，能源不夠清潔。

（二）國(guó)外現(xiàn)狀

2010年后，相對(duì)于歐美地區(qū)，亞太地區(qū)的柔性生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展勢(shì)頭更加迅猛。主要原因在于發(fā)達(dá)國(guó)家的柔性加工系統(tǒng)需求漸趨飽和，市場(chǎng)需求主要來(lái)自現(xiàn)有的控制系統(tǒng)的現(xiàn)代化改造；而在亞洲的自動(dòng)化控制系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模和進(jìn)出口增長(zhǎng)上為全球最快，主要原因是亞洲工業(yè)發(fā)展迅速，資本投入和大型基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目大幅增加，對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的需求量大，而亞洲低廉的勞動(dòng)力也吸引歐美廠商積極開(kāi)拓亞洲市場(chǎng)。國(guó)外市場(chǎng)主要是以大型加工和集約生產(chǎn)為主，小型的柔性生產(chǎn)系統(tǒng)和根據(jù)對(duì)象的定性加工系統(tǒng)比較鮮見(jiàn)。

二、物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)概述

（一）系統(tǒng)的基本組成

本系統(tǒng)由5個(gè)工作單元構(gòu)成，分別是：供料站、檢測(cè)站、搬運(yùn)站、分揀站和回收站。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的柔性化生產(chǎn)和組合的靈活性，它們均被統(tǒng)一裝置在導(dǎo)軌式的合金桌面上。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（二）關(guān)鍵技術(shù)分析

本系統(tǒng)綜合了過(guò)程控制、設(shè)備控制以及檢測(cè)驅(qū)動(dòng)三個(gè)級(jí)別，是一個(gè)綜合性的自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)，從對(duì)象控制和程序執(zhí)行上看，本系統(tǒng)包括檢測(cè)、控制和執(zhí)行3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，它們既可自成一體但又密不可分，我們?cè)谘芯棵總€(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的同時(shí)，還要探討這3個(gè)系統(tǒng)的無(wú)縫配合技術(shù)，這就是我們常稱的三電一體技術(shù)，是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域最顯著的特點(diǎn)。本文涉及的三電一體技術(shù)主要有PLC、氣動(dòng)技術(shù)、變頻器與觸摸屏技術(shù)等。［2］可編程序（邏輯）控制器（簡(jiǎn)稱為PLC）以微處理器為核心，綜合了微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，主要是為現(xiàn)場(chǎng)控制而設(shè)計(jì)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制裝置。PLC具有可靠性高、適應(yīng)性好和可擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，還可以進(jìn)行復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程控制以及應(yīng)用于生產(chǎn)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。本項(xiàng)研究采用三菱系列PLC承擔(dān)其主要程序控制任務(wù)，以盡可能地展現(xiàn)PLC在過(guò)程控制系統(tǒng)中的能力，為企業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化提供一個(gè)良好的示例。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用全自動(dòng)模式，系統(tǒng)啟動(dòng)后，能自動(dòng)檢測(cè)物料儲(chǔ)存室是否有料并自動(dòng)送出物料，經(jīng)過(guò)檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)之后進(jìn)行分揀，選擇搬運(yùn)或者回收。觸摸屏能同步顯示本次進(jìn)行搬運(yùn)及不合格品數(shù)量的統(tǒng)計(jì)值，設(shè)備的運(yùn)行頻率能夠?qū)崟r(shí)更改和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其控制流程圖如圖2所示。

圖2　控制流程圖

（二）PLC系統(tǒng)硬件選型

基于三菱FX系列PLC具有強(qiáng)大的家族，基本單元（主機(jī)）有FX0S、FX0N、FX2C、FX1S、FX2N、FX2NC等系列，各個(gè)系列又有不同的輸入輸出點(diǎn)數(shù)的各種機(jī)型。除此之外，各個(gè)系列又可以根據(jù)用戶需要，自行選擇晶體管輸出、繼電器輸出和晶閘管輸出三種輸出形式。［3］為滿足系統(tǒng)控制要求和成本最低原則，本系統(tǒng)主要采用Mitsubishi公司生產(chǎn)的FX2N系列PLC。

（三）通訊方式的確定

現(xiàn)代的柔性制造系統(tǒng)中，各個(gè)生產(chǎn)單元并非都是獨(dú)立的個(gè)體，文中所設(shè)計(jì)的物料分揀線，其各個(gè)模塊采取相互通信的方法，各設(shè)備單元通過(guò)數(shù)據(jù)的交換，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的執(zhí)行力和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了“集中處理、分散控制”。

1.FX系列的可編程控制器支持5種類型的通訊［4］

（1）N：N網(wǎng)絡(luò)：用FX2N、FX2NC、FX1N、FX0N等PLC進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸可建立在N：N的基礎(chǔ)上，這種方式常常被用來(lái)處理PLC互連數(shù)目在8臺(tái)及以下的控制現(xiàn)場(chǎng)中。

（2）并行鏈接：這種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用通過(guò)多個(gè)輔助繼電器在1∶1的基礎(chǔ)上來(lái)完成數(shù)據(jù)傳輸。

（3）計(jì)算機(jī)鏈接通信（有專門的數(shù)據(jù)通信協(xié)議）：用RS485（422）單元進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸在1：n（16）的基礎(chǔ)上完成。

（4）RS無(wú)協(xié)議通訊：使用RS指令或者FX-232IF特殊功能模塊，通過(guò)各種RS232單元，將個(gè)人PC機(jī)、打印機(jī)和條形閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

（5）可編程端口：對(duì)于FX2N、FX2NC、FX1N、FX1S系列的PLC，當(dāng)該端口連接在FX1N-232BD FX0N-232ADP、FX1N-232BD、FX2N-422BD上時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)外圍設(shè)備的互連。

2.本系統(tǒng)采取的通訊方式

（1）并聯(lián)鏈接通信

功能概要：通過(guò)連接同一系列的2臺(tái)FX可編程控制器，實(shí)現(xiàn)軟件等的相互連接的并聯(lián)功能，同時(shí)，也可以應(yīng)用此方法實(shí)現(xiàn)I/O的擴(kuò)展等。

硬件連接：可分為兩種，1對(duì)接線方式和2對(duì)接線方式（如圖3、圖4所示）。

（2）RS無(wú)協(xié)議通訊

使用RS指令通過(guò)各種RS232單元，將個(gè)人PC機(jī)、打印機(jī)和條形閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。本系統(tǒng)的PLC與變頻器的通訊選用無(wú)協(xié)議通訊能夠很好地達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖3　1對(duì)接線方式圖

圖4　2對(duì)接線方式圖

PLC與變頻器之間的信息交換是用16進(jìn)制的ASCII碼進(jìn)行的。我們需要選擇對(duì)應(yīng)的通訊格式編制程序，具體的通訊格式可以參照變頻器FRD700使用操作手冊(cè)。

四、程序?qū)崿F(xiàn)

（一）PLC與變頻器通信程序

通過(guò)三菱FX2N系列PLC與三菱FR-D700變頻器兩者的通信能實(shí)現(xiàn)變頻器頻率讀寫。PLC與變頻器的通訊程序如圖5所示。

圖5　PLC與變頻器通訊程序

（二）非原點(diǎn)復(fù)位程序

該程序主要應(yīng)用在按下緊急停止之后的復(fù)位或者機(jī)械設(shè)備處于非原點(diǎn)時(shí)的復(fù)位，復(fù)位的操作的設(shè)計(jì)初衷是綜合考慮了機(jī)械的運(yùn)行安全和節(jié)能環(huán)保等，能更好地避免因?yàn)榉窃c(diǎn)啟動(dòng)造成的機(jī)械結(jié)構(gòu)碰撞。具體復(fù)位程序的順序控制圖（SFC）見(jiàn)圖6所示。

圖6　復(fù)位程序

（三）顏色及姿勢(shì)的判斷

工件經(jīng)過(guò)光纖傳感器檢測(cè)，并成功推出儲(chǔ)料倉(cāng)之后，由變頻器控制的皮帶負(fù)責(zé)輸送。在皮帶的上方及兩側(cè)裝有多個(gè)檢測(cè)傳感器，共同組成系統(tǒng)的檢測(cè)模塊。工件經(jīng)皮帶傳送到達(dá)判斷姿勢(shì)的光電型傳感器，光電傳感器的輸出直接連接到控制器的PLC輸入端X21（PLC的I/O分配表具體見(jiàn)圖7所示），通過(guò)判斷X21端子的接通時(shí)間來(lái)檢測(cè)工件是否放置正確。

圖7　I/O分配表

姿勢(shì)判斷之后，由安裝在輸送皮帶一側(cè)的電感傳感器作材質(zhì)檢測(cè)。電感傳感器是依據(jù)電渦流的原理工作，對(duì)金屬材料可以吸收振蕩，然后輸出信號(hào)。因此，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電感傳感器接入到PLC的X22端中，當(dāng)金屬材質(zhì)的工件到達(dá)時(shí)，接通X22觸點(diǎn)，并把材質(zhì)狀態(tài)保持。

顏色辨別采用漫反射光電傳感器實(shí)現(xiàn)，該傳感器的精確度能夠通過(guò)電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)遇到顏色為黑色的物體時(shí)，由于無(wú)法反射，因此漫反射光電傳感器接收不到任何的反射信號(hào)；相反地，在處理反射性很強(qiáng)的白色物體，漫反射光電傳感器可以接收到非常清晰的返回信號(hào)。

工件的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于字存儲(chǔ)器D201-D204當(dāng)中，使用INCP脈沖執(zhí)行的加1控制指令，工件的數(shù)據(jù)通過(guò)人機(jī)界面直接顯示，該字存儲(chǔ)器在每次系統(tǒng)初始化中執(zhí)行清零處理，其物料辨別及統(tǒng)計(jì)程序如圖8所示。

圖8　物料辨別及統(tǒng)計(jì)程序

（四）觸摸屏實(shí)現(xiàn)

觸摸屏前身叫做可編程終端，作為一種與PLC進(jìn)行人機(jī)交互（Human-Computer Intraetion）的終端，最早主要應(yīng)用在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，它替代了傳統(tǒng)的按鍵操作，界面友好直觀還具有圖形顯示和狀態(tài)輸出，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。隨著時(shí)間的推移和觸摸技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們常把可編程終端俗稱觸摸屏。本系統(tǒng)使用的是三菱GT-1050系列觸摸屏，與之配套使用的是GT Designer2觸摸屏編程軟件。

主界面的制作如圖9。

五、結(jié)束語(yǔ)

圖9　主畫面的制作

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從系統(tǒng)的組成及功能入手，設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體流程圖，用梯形圖的方法設(shè)計(jì)PLC與變頻器之間的通訊。采用成本較低、編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單的FX2N系統(tǒng)PLC作為主控芯片，克服了類似系統(tǒng)核心控制部件成本較高、編程語(yǔ)言復(fù)雜的困難。可視化的操作界面，工件統(tǒng)計(jì)分析完全自動(dòng)化，智能辨斷產(chǎn)品入庫(kù)數(shù)量，實(shí)時(shí)調(diào)整工作頻率并具備完善的報(bào)警功能。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，分揀和統(tǒng)計(jì)信息均正確，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

［1］ 孫懷榮.基于PLC控制的自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)的研制［D］.江蘇大學(xué)，2012：12.

［2］ 夏卿，申杰.基于PLC控制的機(jī)器人機(jī)械手平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.煤炭技術(shù)雜志，2012（2）：27.

［3］ 蔣俊昌.Petri網(wǎng)的行為理論及其應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，2003：78-99.

［4］ 岳慶來(lái).變頻器、可編程序控制器及觸摸屏綜合應(yīng)用［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2006：347-349.

（責(zé)任編輯：肖勝中）

Design of Multisensor Material Automatic Sorting System Based on PLC Control

LI Ji-you，F(xiàn)U Shen-wen
（Guangdong Agriculture Industry Business Polytechnic，Guangzhou 510507，China）

The research of this paper is based on the PLC multiple-sense for automatic sorting system，this re?search adopts Mitsubishi FX-2N Series PLC to undertake major program control tasks.At the same time，sensor technology，frequency convertor technology，electromagnetic technique，pneumatics technique and touch screen technology are systematically integrated，the design of this system，employs modular design and each working unit can make design independently and achieve different functions.On the basis of the needs of auto sorting，this paper posed a scheme of electrical control based on PLC，with an aim to realize reasonable connection between systematic control and mechanical action.Reasonable connection and matching between controlling and mechani?cal action was achieved in this paper based on the auto sorting function requirement and the electrical control sys?tem design of PLC.The designof this system has characteristics such as high precision on control，easy and simple operation and good reliability and that all performance indexes have achieved the design requirements.

PLC；sensor；material；sorting

TP391.45

A

1009-931X（2016）02—0059-04

2016-01-18

李基有（1987－），男，廣東陽(yáng)春人，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士。研究方向：自動(dòng)化設(shè)備及電子通信。