王亮 沈曄超 葛勇

摘 要：基于材料分揀模型采用PLC、傳感器、位置控制、電氣傳動和氣動等技術(shù)，可以實現(xiàn)不同材料的自動分揀和歸類功能，并可配置監(jiān)控軟件由上位計算機監(jiān)控。材料自動分揀系統(tǒng)能連續(xù)、大批量地分揀貨物，不受氣候、時間、人的體力等的限制，彌補了人力分揀在重復(fù)分揀方面的低效率工作。使用傳感器甄別物料外部特征作為信息輸入機制，以最大限度地降低分揀誤差。人員的使用上也僅局限于在上位機上對整個控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和針對不同生產(chǎn)要求修改系統(tǒng)控制流程，基本做到無人化生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：可編程控制器;分揀裝置;控制系統(tǒng);傳感器

中圖分類號：TM571.2

Abstract：Based on the material sorting model，PLC，sensor，position control，electrical transmission and pneumatic technology are adopted to realize the automatic sorting and classification of different materials，and the monitoring software can be configured to be monitored by the upper computer.The automatic material sorting system can sort goods continuously and in large quantities，which is not limited by climate，time and human physical strength，and makes up for the low efficiency of manual sorting in repeated sorting.The sensor is used to identify the external characteristics of materials as the information input mechanism to minimize the sorting error.The use of personnel is only limited to monitoring the whole control system on the upper computer and modifying the system control process according to different production requirements，so as to basically achieve unmanned production.

Keywords：programmable controller;sorting device;control system;sensor

材料分揀模型[1]針對職業(yè)院校和技能培訓(xùn)教育機構(gòu)授課過程中的實際需求，凝練技能特征點，構(gòu)建特征化實訓(xùn)原型機，其適用于PLC[2]、變頻器[3]、機電一體化、電氣自動化等相關(guān)專業(yè)和課程的教學(xué)設(shè)計和實訓(xùn)教學(xué)實施。材料分揀模型由端子排、減壓閥、支架、氣缸等[4-8]機電元器件構(gòu)成，采用可編程控制器調(diào)控，交流電機變頻調(diào)速[9]等多重手段，實現(xiàn)物料傳送與分揀的工藝要求。通過模擬工業(yè)任務(wù)的模型設(shè)置，有效推動了任務(wù)驅(qū)動項目教學(xué)法[10]的落地。模型整體設(shè)計為開放拆裝式，可以滿足培訓(xùn)人員動手實操的要求，拆裝零件貼合實際產(chǎn)品設(shè)計，可分解至零部件級，甚至小至螺絲釘級，實訓(xùn)教學(xué)效果良好。

1 材料分揀裝置的構(gòu)成與總體方案設(shè)計

采用PLC進(jìn)行控制設(shè)定的分揀裝置囊括了點位控制、傳感器、氣動、可編程控制器等多重控制手段。它是工廠生產(chǎn)實際應(yīng)用裝置的微縮模型重構(gòu)。

該模型由光電、電容、電感、磁性等多種不同性能的傳感器和電磁閥、氣缸、減壓閥等常見的氣動元件以及皮帶、支架、端子排等部件組合而成。主要完成物料的檢測、輸送、分揀功能，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 I/O口點位數(shù)的確認(rèn)

結(jié)合材料分揀裝置的控制需求，共需要配有2個開關(guān)、3個傳感器信號。由于氣缸具有動作和回位兩個限位點，因此共需設(shè)置4個信號點位。輸出信號設(shè)計接觸器和2個電磁閥。因此，整個系統(tǒng)共7個輸入點，另有輸出點3個。

2.2 PLC綜合選型

通過上述I/O口數(shù)量的總體分析，合理分配材料分揀裝置的控制形式，采用開關(guān)量控制。綜合考慮控制系統(tǒng)的性能要求，選用西門子公司的S7-200系列CPU226。改型CPU共有24個輸入和16個輸出，完全可以滿足系統(tǒng)的控制要求。

2.3 變頻器的型號選配

選用M420系列的小型變頻器驅(qū)動交流電機運轉(zhuǎn)，它可以觸類旁通地掌握其他廠家的變頻器的使用方法和操作技巧。

2.4 電感傳感器的型號選定

金屬物體可采用電感式接近開關(guān)測出，該型傳感器具有開關(guān)量輸出。傳感器通過渦流的作用改變電路的內(nèi)部參數(shù)，進(jìn)而識別出測距范圍內(nèi)是否存在金屬物體的介入，完成開關(guān)系統(tǒng)的通斷控制。選用M18X1X40電感傳感器，其原理如圖2所示。

2.5 電容傳感器選擇

電容傳感器通過極板間距離改變影響電路狀態(tài)的變化實現(xiàn)物體距離的測定。系統(tǒng)選用E2KX8ME1電容傳感器，工作原理如圖3所示。

2.6 光電傳感器選擇

光電傳感器可以檢測判斷出接受光強的變化情況，屬于一種常見的小型電子設(shè)備。選配的FPG放大器內(nèi)含有光電傳感器，負(fù)載可連接至PLC上，其原理如圖4所示。

3 可編程控制器的梯形圖程序設(shè)計

控制程序中的梯形圖核心部分由梯形圖圖5可知，啟動觸點I2.0得電后，M0.1線圈工作狀態(tài)自鎖，為電機上電做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備。I2.1常閉觸點，其功能是關(guān)閉停止按鈕。當(dāng)可編程控制器處于RUN工作模式的時候，如果SM0.1通電一個周期，輸出端口Q0.0復(fù)位清零，與此同時，子程序?qū)⒈徽{(diào)用工作。

4 控制系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試

4.1 控制系統(tǒng)軟件調(diào)試

通過軟件完成梯形圖程序的編輯工作，利用連接線路將程序下載進(jìn)入可編程控制器中。為了避免程序當(dāng)中的人為差錯和邏輯缺失，進(jìn)行程序正確性的檢查和驗證，可以有效地減少系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試的工作量。檢查正常和異常狀態(tài)下系統(tǒng)的相應(yīng)結(jié)果是否正確。利用離線狀態(tài)進(jìn)行測試，PLC和外設(shè)在此狀態(tài)下可以分離。根據(jù)邏輯控制的實際需要，將給定信號通過輸入端口配置進(jìn)入，觀察分析比對輸出知識燈的閃亮情況是否正常。如果輸入指示燈的閃亮情況與既定規(guī)則不相符，查找錯誤的原因，進(jìn)行程序的調(diào)整和修正。

4.2 控制系統(tǒng)硬件調(diào)試

將鐵磁性材料置于電感式傳感器下方的傳送帶上，通過調(diào)節(jié)傳感器上方的兩螺母，移動傳感器的上下位置至合適的區(qū)域，當(dāng)傳感器上的指示燈發(fā)出光亮，則表示當(dāng)前的高度能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器對鐵磁性材料的有效檢出。標(biāo)定好當(dāng)前的位置狀態(tài)后，固化相對位置關(guān)系，確保傳感器的正常工作。

電容式傳感器的系統(tǒng)調(diào)試與之類似，只需要將鐵磁性材料換成鋁質(zhì)材料即可。

5 結(jié)論

基于材料分揀模型的控制系統(tǒng)使用PLC作為控制核心，可以實現(xiàn)連續(xù)大宗貨物量的分揀操作。由于使用傳感器進(jìn)行自動化檢測，大大降低了傳統(tǒng)人工分揀勞動強度，提升了勞動生產(chǎn)效率。

（1）分揀工藝流程可以實現(xiàn)與其他物流設(shè)備的和中心匹配控制機構(gòu)的快速有效信息交互，為物料的自動化流轉(zhuǎn)、信息流的快速有效分配和管理提供了可能。

（2）選用標(biāo)準(zhǔn)的模塊化設(shè)計，布局靈活，檢修方便，且工作狀態(tài)穩(wěn)定，不會輕易受到場地布局和場地配置等方面的影響。

（3）當(dāng)分揀物料不同時，只需要針對性地調(diào)整和修改程序中的參數(shù)和對應(yīng)的傳感器型號即可，二次改造和適應(yīng)性升級十分方便。

綜上所述，基于材料分揀模型的控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積適中，可以進(jìn)行不同物料的定制化篩選和快速有效分揀，應(yīng)用前景十分廣闊。

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基金項目：安徽省高等學(xué)校省級質(zhì)量工程項目（2020xf xm07，2020jyxm0306，2020szsfkc0256）;安徽省高校自然科學(xué)重點研究項目（KJ2020A1106）

*通訊作者：王亮（1988— ），男，安徽東至人，碩士，實驗師，研究方向：控制理論與控制工程。