鄧 霞

（順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，廣東 佛山 528333）

工件高效自動(dòng)分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧 霞

（順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，廣東 佛山 528333）

在自動(dòng)分揀系統(tǒng)中，順序控制一直是主流思想，由于動(dòng)作時(shí)間的限制，效率往往成為難以提高的關(guān)鍵因素。本文從軟件設(shè)計(jì)上提出了幾點(diǎn)提高效率的辦法并加以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)考慮節(jié)能要求，對(duì)電機(jī)不同狀況下進(jìn)行變頻控制，設(shè)計(jì)了一個(gè)高效、自動(dòng)的工件分揀控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩個(gè)PLC實(shí)現(xiàn)送料、姿勢(shì)翻轉(zhuǎn)、自動(dòng)分揀等功能。

高效分揀;雙PLC控制系統(tǒng);變頻調(diào)速

在自動(dòng)化生產(chǎn)線中，一般采用PLC控制，它具有抗干擾性強(qiáng)﹑環(huán)境要求低﹑可靠性高且編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，很多生產(chǎn)線上都涉及到物品的分類判別及處理，文獻(xiàn)［1-2］提出了由PLC﹑變頻器等組成工件分揀系統(tǒng)，但是對(duì)軟件設(shè)計(jì)沒有提出很好的解決方案，文獻(xiàn)［3-4］提出了視覺輔助分揀的辦法，但是視覺設(shè)備成本高，而且算法麻煩，文獻(xiàn)［5-6］提出了兩種適合特殊用途的自動(dòng)分揀系統(tǒng)，本文針對(duì)通用場(chǎng)合，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)便實(shí)用的自動(dòng)分揀系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了組建自動(dòng)分揀系統(tǒng)時(shí)遇到的幾個(gè)難題，提出了軟件設(shè)計(jì)技巧，所設(shè)計(jì)的分揀系統(tǒng)高效﹑節(jié)能﹑抗干擾，實(shí)現(xiàn)了高效﹑全自動(dòng)控制。

1 自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由推瓶裝置﹑傳送帶﹑翻轉(zhuǎn)機(jī)械手﹑四工位龍門機(jī)械手以及配套的傳感器﹑觸摸屏﹑PLC監(jiān)控系統(tǒng)﹑氣動(dòng)回路等部分組成，如圖1所示。

空瓶由推瓶裝置推出后經(jīng)傳送帶向前輸送。有缺陷的空瓶由水平推桿推至廢品區(qū)，合格的空瓶（黑﹑白兩種）經(jīng)姿態(tài)調(diào)整工位后瓶口全部朝上。四工位龍門機(jī)械手將空瓶搬至目標(biāo)工位。

圖1 自動(dòng)分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)電氣主電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)電氣主電路接線圖如圖2所示，由圖可知，系統(tǒng)由兩個(gè)PLC控制，傳輸帶電機(jī)為三相異步電動(dòng)機(jī)，由一臺(tái)變頻器控制實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和調(diào)速，翻轉(zhuǎn)機(jī)械手電機(jī)為24 V直流電機(jī)，由兩個(gè)繼電器控制正反轉(zhuǎn)。其它執(zhí)行機(jī)構(gòu)都采用氣動(dòng)控制。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 雙PLC通信及數(shù)據(jù)交換

兩個(gè)PLC以及觸摸屏之間要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，由于三者都支持PPI通信，可以采用profibus網(wǎng)絡(luò)線纜將三者連在一起，主站處于中間，線纜有三個(gè)總線連接器，處于網(wǎng)絡(luò)兩頭的觸摸屏和從站線纜連接器的終端電阻置為on。

PPI通訊協(xié)議是SIEMENS專為S7-200開發(fā)的通訊協(xié)議，是一種主從協(xié)議：主站發(fā)送要求到從站，從站響應(yīng)，從站不發(fā)送消息，只等待主站的要求做出響應(yīng)。默認(rèn)情況下，S7-200CPU工作在PPI從站模式。要執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)讀寫指令，必須用程序把CPU設(shè)置為PPI主站模式，此時(shí)可以利用網(wǎng)絡(luò)讀寫指令讀寫其他PLC，也可以響應(yīng)來自其他主站的申請(qǐng)，S7-200CPU之間的PPI網(wǎng)絡(luò)通信只需要兩條簡(jiǎn)單的指令，它們是網(wǎng)絡(luò)讀（NetR）和網(wǎng)絡(luò)寫（NetW）指令。

利用西門子的快捷指令向?qū)В恍柙谥髡咎幱弥噶钕驅(qū)Фx好通信端口﹑設(shè)置好讀寫操作的字節(jié)數(shù)及地址區(qū)域﹑設(shè)置好通信過程中所產(chǎn)生數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)間，指令向?qū)?huì)自動(dòng)生成一個(gè)子程序，在主PLC中調(diào)用該子程序，并將要發(fā)到從站的數(shù)據(jù)放入發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)（VB2﹑VB3﹑VB4）。表1中VB2（外部按鈕輸入信號(hào)）傳遞的是接在主站PLC上的外部輸入，必順在通信程序中將這些數(shù)據(jù)傳遞到VB2中，通信程序如圖3所示。表2和表3中VB3（觸摸屏直接使用控制從站輸出）和VB4（觸摸屏直接使用）都是觸摸屏或PLC中的中間變量，直接使用即可。

圖2 系統(tǒng)主電路接線圖

表2 VB3

表3 VB4

圖3 兩個(gè)PLC主從通信程序

從站則只需將要發(fā)到主站的數(shù)據(jù)放入從站的發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)（VB0﹑VB1）即可。表4的數(shù)據(jù)是從站發(fā)給主站的狀態(tài)信號(hào)，直接使用對(duì)應(yīng)的位。

表4 VB0（從站到主站信號(hào)）

圖4 通信程序流程圖

圖5 讀參數(shù)軟件濾波

表5 USS通信變頻器參數(shù)設(shè)置

3.2 主PLC與變頻器通信

為了實(shí)時(shí)采集變頻器數(shù)據(jù)及實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，PLC設(shè)置成自由口通信模式，通過USS指令實(shí)現(xiàn)通信。通信線纜采用profibus網(wǎng)絡(luò)線纜，PLC端配備網(wǎng)絡(luò)總線連接器。安裝好USS協(xié)議庫后，有通信指令可以調(diào)用，USS_INT指令用于啟用初始化驅(qū)動(dòng)器通信，在使用其他USS指令前，必須執(zhí)行USS_INT，在該指令中激活所要使用的驅(qū)動(dòng)器。USS_CTRL是控制指令，用于控制驅(qū)動(dòng)器，它將選擇的命令放在通信緩沖區(qū)中，發(fā)送至編址的驅(qū)動(dòng)器中控制驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行該命令，每臺(tái)驅(qū)動(dòng)器僅能指定一條USS_CTRL指令。USS_RPM_R讀回一個(gè)指定參數(shù)號(hào)﹑類型為實(shí)數(shù)的參數(shù)，該指令可讀取驅(qū)動(dòng)器中某參數(shù)的值且放入指定的寄存器中。USS_WPM_R向驅(qū)動(dòng)器中寫入一個(gè)實(shí)數(shù)類型的參數(shù)值，可將事先放在寄存器中的數(shù)寫入指令指定的參數(shù)號(hào)中，改變驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)值。

由于控制需要，有通信軟件設(shè)計(jì)中一般希望讀取變頻器的運(yùn)行頻率﹑電流和電壓，控制變頻器的啟動(dòng)﹑停止并實(shí)時(shí)寫入一個(gè)可變的頻率值實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。對(duì)變頻器的起動(dòng)和停止在控制命令中實(shí)現(xiàn)，其它都在主程序中實(shí)時(shí)讀取與寫入。為了實(shí)現(xiàn)讀寫數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和正確性，采用查詢法，一個(gè)掃描時(shí)間內(nèi)讀頻率﹑電流﹑電壓﹑寫頻率，循環(huán)進(jìn)行，采用一個(gè)定時(shí)器循環(huán)實(shí)現(xiàn)，程序流程圖如圖4所示。由圖可以看出，每0.2 S時(shí)間間隔內(nèi)，進(jìn)行一次讀操作，通信波特率設(shè)置為19 200 kb/S，時(shí)間足夠，寫操作所用時(shí)間長(zhǎng)，所以給0.3 S時(shí)間進(jìn)行一次寫操作，通信程序在整個(gè)掃描時(shí)間內(nèi)循環(huán)執(zhí)行，可以實(shí)時(shí)讀取到最新的驅(qū)動(dòng)器信息，也可以隨時(shí)改變驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行速度。

同時(shí)為了確定讀取的參數(shù)正確，采用軟件濾波，如圖5所示的濾波程序，提高程序抗干擾性。由圖可以看出，程序在該次讀命令完成時(shí)檢查返回信息，確定無錯(cuò)誤后才送入顯示寄存器中顯示。

變頻器參數(shù)設(shè)置， PLC通過USS通信控制變頻器，應(yīng)該設(shè)置相對(duì)應(yīng)的參數(shù)，參數(shù)設(shè)置如表5所示。

在變頻器參數(shù)處理中，還應(yīng)注意一點(diǎn)，由于頻率改變要求實(shí)時(shí)性，而P2000是必須變頻器重啟才生效的無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性要求。為了解決這一問題，在設(shè)置參數(shù)時(shí)將最小頻率P1080設(shè)置得比P2000大，變頻器會(huì)認(rèn)P1080這個(gè)參數(shù)，在寫頻率時(shí)將頻率值寫入P1080，這時(shí)可以實(shí)時(shí)改變頻率不用重啟變頻器。

3.3 主站控制程序設(shè)計(jì)

PLC主站主要負(fù)責(zé)送料﹑姿勢(shì)判別﹑顏色判別﹑金屬判別﹑自動(dòng)分揀等控制，由一臺(tái)226來實(shí)現(xiàn)。

程序流程圖如圖6所示，從圖中可以看出程序不再是以前慣用的順序流程，而是以傳感器輸入信號(hào)為程序起始點(diǎn)，將整個(gè)控制程序分成了3段：第一段負(fù)責(zé)送料，送料單獨(dú)控制而不再是送完料等待分揀完成再回來檢測(cè)是否送料，而是控制送料的時(shí)間間隔自動(dòng)送料；第二段負(fù)責(zé)翻轉(zhuǎn)，料送出以后當(dāng)姿勢(shì)傳感器檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，才啟動(dòng)第二段程序，判斷是否要翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)完后重新檢測(cè)是否又有新工作過來，新工件是否要翻轉(zhuǎn)；第三段負(fù)責(zé)分揀，工件的分揀也由傳感器信號(hào)來觸發(fā)，確定是否有工件到達(dá)分揀處，并將要到達(dá)的位置信號(hào)保存起來，以控制分揀機(jī)械手到達(dá)指定位置，同時(shí)即使機(jī)械手還在分揀過程中，仍然可以根據(jù)金屬和顏色傳感器的信號(hào)判斷新工件要到達(dá)的位置將之存儲(chǔ)起來，機(jī)械手完成一次分揀以后可以立馬響應(yīng)新工件的分揀任務(wù)。

圖6 主PLC自動(dòng)運(yùn)行程序流程圖

由程序流程圖可以看出，該程序通過分段檢測(cè)實(shí)現(xiàn)高效分揀。到達(dá)指定工位的分揀控制子程序流程圖如圖7所示，由圖可見機(jī)械手的分揀過程是一個(gè)典型的順序控制過程，所有的動(dòng)作必須做完才能執(zhí)行下一輪的查詢，確定是否有新工件，響應(yīng)新的工件分揀。

圖7 機(jī)械手工位子程序控制程序流程圖

機(jī)械手三個(gè)工位子程序控制流程是一樣的，只是每個(gè)子程序中存儲(chǔ)的目標(biāo)工位不一樣，做成一個(gè)帶參數(shù)的子程序，將目標(biāo)工位傳遞給子函數(shù)，這種程序設(shè)計(jì)方法符合結(jié)構(gòu)化編程的思想，提高了程序的可讀性。

3.4 從站控制程序設(shè)計(jì)

從站的控制程序相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單，流程圖如圖8所示，由流程圖可知，翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的難點(diǎn)在于并行分支的設(shè)計(jì)，當(dāng)翻轉(zhuǎn)手翻轉(zhuǎn)前是在左限位時(shí)正轉(zhuǎn)至右限位，翻轉(zhuǎn)前在右限位時(shí)反轉(zhuǎn)至左限位，這樣翻轉(zhuǎn)手每一次都只要轉(zhuǎn)半周，節(jié)約了翻轉(zhuǎn)時(shí)間，最大效率地實(shí)現(xiàn)了工件的翻轉(zhuǎn)控制。

圖8 翻轉(zhuǎn)機(jī)械手控制程序流程圖

［1］ 張順星，張玉潔.基于PLC的組合工件自動(dòng)分揀系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［J］．新技術(shù)新工藝，2015（9）：16-18．

［2］ 顏伊慶，潘麗萍.基于PLC的自動(dòng)分揀系統(tǒng)［J］．機(jī)電工程，2012，11（29）：1286-1289．

［3］ 管經(jīng)緯.基于機(jī)器視覺的工件自動(dòng)分揀系統(tǒng)研究［D］.上海：東華大學(xué)，2015.

［4］ 管經(jīng)緯，周虎，楊慧斌.基于機(jī)器視覺的工件自動(dòng)分揀系統(tǒng)的研究［J］．機(jī)械工程師，2014（8）：18-20．

［5］ 李基有.基于PLC控制的多傳感器物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］. 廣州：華南理工大學(xué)，2015.

［6］ 張志鵬.基于PLC軟件的教學(xué)用自動(dòng)物料分檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2011.

Design and Implementation of High Efficiency Automatic Sorting System

DENG Xia
（School of Electronics & Information Engineering，Shunde Polytechnic， Foshan Guangdong 528333， China）

In the automatic sorting system，sequence control has been the mainstream thought. Because of the limitation of action time，efficiency is the key factor which is difficult to improve. This paper puts forward some ways to improve the efficiency of the software design. Considering the requirements of energy saving，this paper designs an efficient and automatic control system by using frequency conversion control，which is consisted of two PLCs and has the function of material feeding，posture overturn and automatic sorting.

efficient sorting；dual PLC control system；frequency control

TP273

：A

：1672-6138（2017）01-0005-05

10.3969/j.issn.1672-6138.2017.01.002

［責(zé)任編輯：吳卓］

2017-01-03

鄧霞（1984—），女，湖南益陽人，講師，碩士，研究方向：電氣自動(dòng)化技術(shù)﹑電能質(zhì)量控制研究。