李修宇，張傳俊

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

YL-335B 型自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)是亞龍公司生產(chǎn)的生產(chǎn)線(xiàn)模型，由供料單元、裝配單元、加工單元、分揀單元、運(yùn)輸單元等構(gòu)成，由三菱PLC 承擔(dān)控制功能，通過(guò)采用一系列設(shè)備，完成產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工及運(yùn)輸。這種生產(chǎn)線(xiàn)模型在食品加工、流水生產(chǎn)線(xiàn)及汽車(chē)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(jiǎn)單、實(shí)用的小型控制器，通過(guò)程序控制設(shè)備的運(yùn)行。分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)是生產(chǎn)線(xiàn)中最后的設(shè)計(jì)部分，相關(guān)學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了研究。吳捍疆等［1］基于三菱PLC 設(shè)計(jì)了一款蜜柚分揀裝置，采用氣動(dòng)側(cè)推分類(lèi)機(jī)構(gòu)，通過(guò)接近開(kāi)關(guān)、光幕傳感器及稱(chēng)重傳感器進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，設(shè)計(jì)并詳述了其機(jī)械結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)原理及控制過(guò)程，根據(jù)控制要求進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)，達(dá)到了節(jié)能提速的效果，但是存在延時(shí)較長(zhǎng)的現(xiàn)象。邱建偉和許杰［2］構(gòu)建了SF 桂林中轉(zhuǎn)場(chǎng)快件分揀系統(tǒng)模型，應(yīng)用Flexsim 軟件，設(shè)定實(shí)體參數(shù)，仿真和運(yùn)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(shí)較長(zhǎng)。

上述方法主要是通過(guò)程序來(lái)控制分揀系統(tǒng)，程序編寫(xiě)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(xiě)程序，這樣使得工程煩瑣，效率較低。因此，本文主要研究通過(guò)MCGS組態(tài)對(duì)分揀單元的動(dòng)態(tài)控制，以此提升工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)分揀效率。

1 基于PLC 與MCGS 的分揀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(jī)構(gòu)、三相異步電動(dòng)機(jī)［4］、編碼器、氣動(dòng)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(jī)和氣動(dòng)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(shí)現(xiàn)的功能：當(dāng)運(yùn)輸?shù)墓ぜ竭_(dá)待分揀區(qū)時(shí)，傳感器可以有效識(shí)別工件的外觀(guān)屬性，向中央控制器發(fā)送信號(hào)，完成信號(hào)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(hào)后，將對(duì)信號(hào)進(jìn)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(dòng)工件進(jìn)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(jì)

2.1 分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分揀站是對(duì)生產(chǎn)完成的工件進(jìn)行分類(lèi)的環(huán)節(jié)［5］，要求信號(hào)的采集［6］、工件的分類(lèi)都必須準(zhǔn)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(zhǔn)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(guò)使用FX3U-3A-ADP 模塊進(jìn)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(jìn)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(jìn)行分揀的。因此，傳感系統(tǒng)對(duì)工件顏色的準(zhǔn)確捕捉至關(guān)重要。在判斷芯體顏色的時(shí)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(shí)判別成殼體顏色，甚至檢測(cè)不到。所以，要準(zhǔn)確捕捉芯體顏色，就必須保證芯體在傳感器的正下方，同時(shí)保證光纖傳感器調(diào)整為能檢測(cè)到白色和金屬色的模式，通過(guò)一個(gè)金屬傳感器和一個(gè)光纖傳感器的組合準(zhǔn)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(kāi)發(fā)分揀系統(tǒng)的組態(tài)軟件，基于Microsoft 平臺(tái)運(yùn)行，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的分揀數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，可以準(zhǔn)確快速地提供解決方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)分揀系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制。

MCGS組態(tài)動(dòng)態(tài)控制的具體步驟如下：

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

2）當(dāng)采集次數(shù)n較大時(shí)，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(jìn)行分揀系統(tǒng)中的控制過(guò)程如下：

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

另外，通過(guò)該組態(tài)軟件可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能。要實(shí)時(shí)修改分揀系統(tǒng)的分揀方式，就必須依靠硬件進(jìn)行PLC 的動(dòng)態(tài)控制。這里可以通過(guò)MCGS組態(tài)對(duì)PLC 進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制［9-11］，通過(guò)觸摸屏實(shí)時(shí)修改每個(gè)料槽應(yīng)該進(jìn)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(rèn)”按鈕［12-13］，這樣就可以方便簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)分揀系統(tǒng)的修改。觸摸屏操作界面如圖5 所示，當(dāng)在人機(jī)界面按下金屬芯白色殼（長(zhǎng)按）時(shí)，對(duì)應(yīng)的M100 和M111 就會(huì)接通，然后按下料槽屬性確認(rèn)按鈕，接通M200，此時(shí)便會(huì)置位M81（金屬芯白色殼設(shè)定），同時(shí)復(fù)位其他的屬性設(shè)置。當(dāng)設(shè)定料槽一進(jìn)金屬芯白色工件時(shí)，M81會(huì)通電，同時(shí)其他的定義屬性會(huì)被復(fù)位。因此，只要檢測(cè)到金屬芯白色殼工件，M60 和M71 會(huì)通電，向料槽一推料，而M80～M88（M81 除外）繼電器不會(huì)通電。因此，只有在檢測(cè)到金屬芯白色殼的套件時(shí)，才會(huì)對(duì)料槽一進(jìn)行分揀。同理，修改成其他屬性時(shí)，也能完成相應(yīng)的分揀動(dòng)作。

圖5 觸摸屏操作界面

3 實(shí)驗(yàn)分析

為測(cè)試本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)MCGS 組態(tài)對(duì)分揀單元的動(dòng)態(tài)控制能力，選取文獻(xiàn)［1］、文獻(xiàn)［2］中的方法，在YL-335B 型自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)模型上，對(duì)分揀效率進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。時(shí)延測(cè)試結(jié)果如圖6 所示，速度測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖6 不同系統(tǒng)時(shí)延對(duì)比分析

綜合上述實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果可知，在分揀數(shù)目為10～60 個(gè)時(shí)，本文控制系統(tǒng)分揀延時(shí)5.25 ms～15.25 ms，優(yōu)于文獻(xiàn)［1］系統(tǒng)的16.65 ms～29.47 ms與文獻(xiàn)［2］系統(tǒng)的21.62 ms～35.49 ms，充分證明了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在延時(shí)方面的優(yōu)勢(shì)。

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

圖7 不同分揀系統(tǒng)速度測(cè)試分析

4 總結(jié)

通過(guò)MCGS 組態(tài)，實(shí)時(shí)修改分揀方式，使PLC程序可以直接接通對(duì)應(yīng)的分揀路線(xiàn)，關(guān)閉不符合的分揀程序，從而實(shí)現(xiàn)分揀系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分揀。因此，該方法能在很多控制系統(tǒng)中應(yīng)用，當(dāng)產(chǎn)品的分揀需要進(jìn)行實(shí)時(shí)改變時(shí)，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(shí)間，大大提高了生產(chǎn)效率。綜上所述，通過(guò)把所有分揀的可能性都編程到PLC程序中，然后通過(guò)組態(tài)軟件進(jìn)行隨機(jī)搭配，這種方案給出了一種新的控制思路，為生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)提供了一定的借鑒作用。