李修宇，張傳俊

（安徽工商職業(yè)學院 應(yīng)用工程學院，安徽 合肥 230022）

YL-335B 型自動化生產(chǎn)線是亞龍公司生產(chǎn)的生產(chǎn)線模型，由供料單元、裝配單元、加工單元、分揀單元、運輸單元等構(gòu)成，由三菱PLC 承擔控制功能，通過采用一系列設(shè)備，完成產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工及運輸。這種生產(chǎn)線模型在食品加工、流水生產(chǎn)線及汽車制造等眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。承載其控制功能的PLC 是一款簡單、實用的小型控制器，通過程序控制設(shè)備的運行。分揀系統(tǒng)設(shè)計是生產(chǎn)線中最后的設(shè)計部分，相關(guān)學者也對此進行了研究。吳捍疆等［1］基于三菱PLC 設(shè)計了一款蜜柚分揀裝置，采用氣動側(cè)推分類機構(gòu)，通過接近開關(guān)、光幕傳感器及稱重傳感器進行信號檢測，設(shè)計并詳述了其機械結(jié)構(gòu)、氣動原理及控制過程，根據(jù)控制要求進行了軟硬件設(shè)計，達到了節(jié)能提速的效果，但是存在延時較長的現(xiàn)象。邱建偉和許杰［2］構(gòu)建了SF 桂林中轉(zhuǎn)場快件分揀系統(tǒng)模型，應(yīng)用Flexsim 軟件，設(shè)定實體參數(shù)，仿真和運行快件分揀系統(tǒng)模型，優(yōu)化快件分揀系統(tǒng)，使分揀質(zhì)量得到明顯提高，但是分揀用時較長。

上述方法主要是通過程序來控制分揀系統(tǒng)，程序編寫一旦完成，分揀系統(tǒng)方式就為固定化。要修改分揀方式，就必須重新編寫程序，這樣使得工程煩瑣，效率較低。因此，本文主要研究通過MCGS組態(tài)對分揀單元的動態(tài)控制，以此提升工業(yè)自動化生產(chǎn)線分揀效率。

1 基于PLC 與MCGS 的分揀系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 分揀單元

分揀單元主要由3U 系列PLC［3］、FRE700 型變頻器、FX3U-3A-ADP 模擬量模塊、分揀機構(gòu)、三相異步電動機［4］、編碼器、氣動執(zhí)行元件和各種傳感器構(gòu)成，如圖1 所示。其中，傳感器構(gòu)成了傳感系統(tǒng)，PLC 構(gòu)成了中央控制系統(tǒng)，電機和氣動執(zhí)行元件構(gòu)成了執(zhí)行系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要分揀的工件如圖2所示。

圖1 分揀單元

圖2 分揀工件套裝

分揀單元主要實現(xiàn)的功能：當運輸?shù)墓ぜ竭_待分揀區(qū)時，傳感器可以有效識別工件的外觀屬性，向中央控制器發(fā)送信號，完成信號的發(fā)送任務(wù)。

1.2 中央控制器

中央控制器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。中央控制器收到信號后，將對信號進行分析，然后發(fā)送執(zhí)行命令，將工件輸送到指定的料槽位置，由氣缸推動工件進入料槽，完成分揀工作。

圖3 中央控制器結(jié)構(gòu)

2 基于PLC 與MCGS 的分揀系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分揀站是對生產(chǎn)完成的工件進行分類的環(huán)節(jié)［5］，要求信號的采集［6］、工件的分類都必須準確。圖4是分揀系統(tǒng)的組成。

圖4 分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳送帶的準確位移是由變頻器控制的，因此變頻器和PLC 的通訊［7-8］至關(guān)重要。通過使用FX3U-3A-ADP 模塊進行通道和模擬量之間的轉(zhuǎn)換，在觸摸屏中輸入所要設(shè)定的頻率，存入到D0寄存器中，然后再進行模擬量轉(zhuǎn)換。

分揀站是利用工件外殼顏色和工件芯體顏色的不同進行分揀的。因此，傳感系統(tǒng)對工件顏色的準確捕捉至關(guān)重要。在判斷芯體顏色的時候，若距離誤差大于外殼的厚度（6 mm），很容易在判別芯體顏色時判別成殼體顏色，甚至檢測不到。所以，要準確捕捉芯體顏色，就必須保證芯體在傳感器的正下方，同時保證光纖傳感器調(diào)整為能檢測到白色和金屬色的模式，通過一個金屬傳感器和一個光纖傳感器的組合準確判斷芯體和殼體的顏色。

2.2 MCGS組態(tài)的控制

MCGS 組態(tài)是一套能夠快速開發(fā)分揀系統(tǒng)的組態(tài)軟件，基于Microsoft 平臺運行，通過對現(xiàn)場的分揀數(shù)據(jù)進行采集處理，可以準確快速地提供解決方案，實現(xiàn)對分揀系統(tǒng)的動態(tài)控制。

MCGS組態(tài)動態(tài)控制的具體步驟如下：

1）對自變量x（x=x1,x2,…,xm）進行m次采集并取均值，得到其測量數(shù)據(jù)矩陣X，X=(x1,x2,…,xm)n，n表示特征根數(shù)量。

2）當采集次數(shù)n較大時，分揀數(shù)據(jù)矩陣X的協(xié)方差矩陣C為

式中，cij表示X的分量xi、xj的協(xié)方差（i=1,2,…,m；j=1,2,…,n）。

若Hi(i=1,2,3,…,n)表示MCGS 組件在分揀系統(tǒng)中的位置，zi表示各MCGS組件的質(zhì)量，那么全部MCGS組件在進行分揀系統(tǒng)中的控制過程如下：

式中，π1(Hi)表示在分揀過程中MCGS 組件處于Hi位置時的歸一化分揀系數(shù)。

另外，通過該組態(tài)軟件可以實現(xiàn)人機交互的功能。要實時修改分揀系統(tǒng)的分揀方式，就必須依靠硬件進行PLC 的動態(tài)控制。這里可以通過MCGS組態(tài)對PLC 進行動態(tài)控制［9-11］，通過觸摸屏實時修改每個料槽應(yīng)該進的工件。

現(xiàn)以料槽一為例。工作人員可在觸摸屏界面修改料槽一的屬性，按下按鈕，確定套件的殼顏色和芯體顏色，再按下“屬性確認”按鈕［12-13］，這樣就可以方便簡單地實現(xiàn)分揀系統(tǒng)的修改。觸摸屏操作界面如圖5 所示，當在人機界面按下金屬芯白色殼（長按）時，對應(yīng)的M100 和M111 就會接通，然后按下料槽屬性確認按鈕，接通M200，此時便會置位M81（金屬芯白色殼設(shè)定），同時復位其他的屬性設(shè)置。當設(shè)定料槽一進金屬芯白色工件時，M81會通電，同時其他的定義屬性會被復位。因此，只要檢測到金屬芯白色殼工件，M60 和M71 會通電，向料槽一推料，而M80～M88（M81 除外）繼電器不會通電。因此，只有在檢測到金屬芯白色殼的套件時，才會對料槽一進行分揀。同理，修改成其他屬性時，也能完成相應(yīng)的分揀動作。

圖5 觸摸屏操作界面

3 實驗分析

為測試本文設(shè)計系統(tǒng)通過MCGS 組態(tài)對分揀單元的動態(tài)控制能力，選取文獻［1］、文獻［2］中的方法，在YL-335B 型自動化生產(chǎn)線模型上，對分揀效率進行對比測試。時延測試結(jié)果如圖6 所示，速度測試結(jié)果如圖7所示。

圖6 不同系統(tǒng)時延對比分析

綜合上述實驗分析結(jié)果可知，在分揀數(shù)目為10～60 個時，本文控制系統(tǒng)分揀延時5.25 ms～15.25 ms，優(yōu)于文獻［1］系統(tǒng)的16.65 ms～29.47 ms與文獻［2］系統(tǒng)的21.62 ms～35.49 ms，充分證明了所設(shè)計的系統(tǒng)在延時方面的優(yōu)勢。

由圖7 可知，該控制系統(tǒng)分揀耗時15.42 s～48.82 s，優(yōu)于文獻［1］系統(tǒng)的83.20 s～156.14 s 與文獻［2］系統(tǒng)的215.66 s～255.39 s。因此，所設(shè)計的系統(tǒng)的分揀速度更快，動態(tài)穩(wěn)定性較強，且控制器時延較短、響應(yīng)速率較快，實際應(yīng)用性更高。

圖7 不同分揀系統(tǒng)速度測試分析

4 總結(jié)

通過MCGS 組態(tài)，實時修改分揀方式，使PLC程序可以直接接通對應(yīng)的分揀路線，關(guān)閉不符合的分揀程序，從而實現(xiàn)分揀系統(tǒng)的動態(tài)分揀。因此，該方法能在很多控制系統(tǒng)中應(yīng)用，當產(chǎn)品的分揀需要進行實時改變時，該方案避免了工作人員修改程序的煩瑣，一勞永逸，節(jié)約了生產(chǎn)時間，大大提高了生產(chǎn)效率。綜上所述，通過把所有分揀的可能性都編程到PLC程序中，然后通過組態(tài)軟件進行隨機搭配，這種方案給出了一種新的控制思路，為生產(chǎn)線控制系統(tǒng)提供了一定的借鑒作用。