王 麗 葛 帥

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術學院 陜西咸陽712000；2.西安工業(yè)大學 西安710021)

隨著工業(yè)化和信息化進程飛速發(fā)展，提出中國制造2025旨在提升整體創(chuàng)新力和制造業(yè)的素質(zhì)。目前很多企業(yè)在自動化控制方面仍不可避免存在一些控制缺失或控制浪費問題[1]，同時，各大專院校間在工業(yè)化自動控制的實訓教學方面也存在很大不足[2]。

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）結合了傳統(tǒng)的繼電器技術跟微型計算機技術，它具有數(shù)字化的操作系統(tǒng)并且高度貼合工業(yè)環(huán)境，其高效的反饋速度和穩(wěn)定的性能，已經(jīng)被越來越多的企業(yè)所青睞[3-5]。為促進工業(yè)化進程，適應國家智能制造的發(fā)展潮流，優(yōu)化院校間和培訓機構的實訓教學，設計、搭建了一種基于西門子PLC控制的多模式分揀工作臺[6-7]。

工作臺以西門子PLC為主要的控制元件，在保證電路正確連接且暢通的情況下，以不同類別的傳感器作為識別元件[8]，將檢測到的開關量信號傳遞給PLC，由PLC輸出開關量信號給工作臺的執(zhí)行部件，即氣動控制部件，由電磁閥控制氣缸動作，完成自動上料和自動分揀作業(yè)[9]，并通過后期實驗調(diào)試驗證了其模塊化的優(yōu)越性能。

1 西門子PLC控制原理

西門子PLC在工業(yè)領域中應用極為廣泛，尤其是在現(xiàn)代工業(yè)自動化和過程自動化的控制系統(tǒng)中[10]。PLC投入運行后，工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。首先PLC讀入輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)并存入I/O區(qū)，然后依次從上至下掃描梯形圖，并最終由輸出電路驅動相應外設[11]。在本工作臺的控制中，以開關按鈕和傳感器作為輸入，通過編寫梯形圖，實現(xiàn)對電機、氣缸以及指示信號燈等外設的控制。通過西門子PLC的穩(wěn)定控制，實現(xiàn)高效的自動供料和分揀作業(yè)，并可通過PPI協(xié)議與觸摸屏設備通訊，實現(xiàn)良好的人機交互[12]。

2 工作臺方案設計

2.1 工作臺整體方案設計

工作臺以西門子PLC作為主要控制元件，通過編寫程序，實現(xiàn)如下的控制流程：按下啟動按鈕，綠燈亮，電機啟動帶動傳送帶運行，供料氣缸從井式儲料倉進行供料操作，將工件從井式儲料倉推出至傳送帶上，經(jīng)傳送帶輸送分別經(jīng)三個傳感器進行識別，三個傳感器分別為檢測金屬工件的金屬接近開關傳感器、檢測磁性材料的霍爾開關傳感器、檢測塑料材料的漫反射光電開關傳感器，由傳感器檢測工件的材質(zhì)，是金屬、磁性材料還是塑料，并將開關量信號輸送至PLC中，由對應的推料氣缸將其推送至相應的料槽里，每次推送為一次分揀作業(yè)，分揀流程如圖1所示。

2.2 工作臺機械結構設計

在對機械結構進行設計時，使用三維建模軟件Solidworks將創(chuàng)建的零件模型進行等比例的裝配、仿真，從而對作品有直觀的認識，更加方便后期的拼裝和調(diào)試。搭建工作臺時，首先選擇所需的主要部件，以不同型號規(guī)格的鋁型材搭建平臺架構、臺面和支撐立柱，其他主要部件包括傳送帶、以鋁板制作的傳送帶支撐、電機、調(diào)速器、電磁閥、按鈕開關盒、供料臺、傳感器、氣缸、空氣壓縮機、料倉、指示燈；針對工作臺中的一些部件如電機座、供料臺面、井式儲料倉等均由3D打印機完成制作，其中立柱與臺面、鋁板與立柱之間通過對應規(guī)格的轉向角碼件進行連接，電機與傳送帶之間的滾筒通過聯(lián)軸器進行連接；將各部件合理拼接裝配，三維模型如圖2所示。

圖1 工作臺分揀流程圖

圖2 工作臺三維模型圖

2.3 工作臺電氣控制設計

2.3.1 電路設計

在進行工作臺的電路設計時，應充分考慮各電路元器件之間的電壓匹配關系，避免器件的燒毀或造成其他安全事故；同時，應在電路中加入空氣開關、熔斷器等器件，以確保電路的安全性能，在強電電路中，加載3個空氣開關和4個熔斷器，可以保證在電壓過大或接線錯誤時對電路中其他元器件的保護；在控制電路中，因電機選擇220V單相交流電機，故使用交流接觸器來控制電機調(diào)速器，以此來控制電機的啟動和停止，在控制器件PLC的輸出端加入中間繼電器，以保證控制的穩(wěn)定性和可行性，平臺上加入10個中間繼電器，可方便后期加載更多的控制器件，工作臺的控制電路如圖3所示。

圖3 工作臺控制電路圖

在設計電路的時候，充分考慮工作臺的結構位置，將電路元器件合理的安置在平臺下層的底板上，并在該板上留有接地端和接線端子排，其中接地端同樣可以起到保護電路的作用，而接線端子排，可使工作臺的接線更加便捷和美觀，避免了接線冗雜的情況，工作臺的接線端子排如圖4所示。

將所有電路元器件，包括空氣開關、熔斷器、西門子PLC、24V開關電源、接觸器、中間繼電器、接地端，端子排合理安置在板子中。

圖4 工作臺電路端子圖

2.3.2 氣動控制

工作臺的執(zhí)行部件為小型直推氣缸，通過空氣壓縮機提供動力，由PLC控制電磁閥的通電斷電，來控制氣缸的開關，并在氣缸端部裝有空氣節(jié)流閥，以此來控制氣缸動作的快慢，來適應不同速度需求的作業(yè)要求。其中電磁閥選擇單電控的DC24V電磁閥，工作臺的氣動控制原理圖如圖5所示。

圖5 工作臺氣動控制原理圖

2.4 工作臺的PLC控制設計

在使用PLC控制時，首先對PLC進行選型，通過考慮滿足控制要求的輸入輸出模塊數(shù)量以及是否有模擬量的輸入輸出，并同時考慮控制之間的匹配關系，選擇西門子S7-200系列的224繼電器型PLC作為控制主元件，選型后對PLC的I/O口進行分配，分配表如表1所示。

表1 工作臺 PLC的I/O口分配表

對PLC的I/O進行合理分配后，根據(jù)PLC的端子圖進行正確的接線，PLC端子圖如圖6所示。

圖6 工作臺PLC端子圖

通過SETP 7 MicroWIN SP9軟件進行PLC梯形圖的編寫，通過加入中間變量來保證程序的可靠性，通過程序控制實現(xiàn)，按下啟動按鈕，綠燈亮，電機啟動，進行分揀作業(yè)，當一次分揀完成后，等待數(shù)秒，進行下一輪的供料、分揀作業(yè)。同時，通過對程序的改寫，使用定時器，來控制氣缸是在傳感器識別后立即推料還是等待數(shù)秒后推料，由此解決氣缸位置不固定、分揀速度不固定的問題，這里以金屬推料氣缸的控制為例，編寫相應的梯形圖如圖7所示。

考慮到PLC的輸入輸出信號多為開關量信號，針對不同的傳感器識別模塊之間存在有較多相似之處，因此可以建立相應的傳感器識別子程序庫，在使用的時候，通過調(diào)用，靈活匹配，凸顯模塊化思維，其中模塊框圖如圖8所示。

圖7 工作臺金屬分揀模塊控制梯形圖

圖8 工作臺識別硬件模塊框圖

2.5 人機界面和組態(tài)軟件設計

觸摸屏選擇TPC7062KK（TX）型嵌入式一體化觸摸屏，其參數(shù)為輸入24VDC/300mA max，通過PPI協(xié)議與西門子224PLC進行通信，在MCGS嵌入式組態(tài)環(huán)境中對操作界面進行編輯，包括啟動按鈕、停止按鈕和復位按鈕，以及相應的指示，觸摸屏實物圖如圖10所示。

圖10 工作臺觸摸屏實物圖

3 工作臺性能測試

通過正確的接線，調(diào)試后，接通3個電源，分別為電機電源、電路板電源、空氣壓縮機電源。電源接通后，工作臺處于停止工作狀態(tài)，紅色信號燈點亮，此時，按下啟動按鈕或在觸摸屏上操作，根據(jù)預先編輯好的程序，綠色指示燈點亮，供料機構進行供料操作，等待2s后，電機啟動帶動傳送帶運行，帶動工件進入分揀模塊，經(jīng)過各個傳感器進行識別，根據(jù)程序完成分揀推料至對應的料槽中，每次推送為一次分揀循環(huán)，在一次循環(huán)結束后，等待數(shù)秒后（可自行設定）進行下一輪的自動分揀，直到將井式供料槽內(nèi)的工件分揀完畢。

經(jīng)測試，工作臺運行平穩(wěn)可靠，分揀精度高，且靈活性較強，可以適應不同的作業(yè)速度需求；與此同時，工作臺在模塊化方向處理較好，各模塊間可自由匹配。

4 結語

基于西門子PLC控制的多模式分揀工作臺，以PLC作為主控元件，輔助電路、氣動控制和人機交互，可通過按鍵或觸摸屏實現(xiàn)安全、高效、穩(wěn)定的自動供料和分揀作業(yè)。同時，工作臺在研制時可根據(jù)需求自行設計搭建，實現(xiàn)從無到有，實訓效果明顯；且控制充足穩(wěn)定，將其應用于企業(yè)自動化控制，同樣具有十分顯著的效果。