李玉滿

(共青科技職業(yè)學院，江西 九江 332020)

1 設計需求

塑料瓶收購分揀系統(tǒng)被應用在多種加工場合，例如垃圾分揀運輸設備、灌裝飲料自動化生產(chǎn)線、快遞終端分類處理設備等。大多數(shù)類似系統(tǒng)多采用分立元件組建電路結構，存在分揀誤差高、作業(yè)效率低、無法識別塑料瓶顏色進行差異分揀等缺陷，且自動化水平較低，不利于實現(xiàn)大規(guī)模塑料瓶收購分揀作業(yè)。西門子S7-200型PLC具有智能編程控制功能，能夠輔助工業(yè)系統(tǒng)實現(xiàn)全自動化、無人值守式控制作業(yè)，具有控制精度高、作業(yè)性能優(yōu)良、邏輯程序可移植性強、編程語言簡潔易懂等優(yōu)勢，廣泛應用在現(xiàn)代分揀系統(tǒng)的設計中。本文基于西門子S7-200型PLC設計一種塑料瓶收購分揀系統(tǒng)，實現(xiàn)了塑料瓶收購運輸、色差識別、智能歸類分揀、故障報警等全自動化控制，解決了目前同類系統(tǒng)設計和應用中的功能缺陷問題。

2 結構設計及控制要求

2.1 結構設計

該系統(tǒng)能夠滿足多種不同顏色塑料瓶的自動抓取收購和根據(jù)色差分揀的工藝需求，通過編訂相應的梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)控制功能。在機械結構上，采用開放式直線型結構，以便于塑料瓶物品的傳送和分揀作業(yè)；在電氣結構上，根據(jù)收購和分揀要求，安裝磁性開關、光電傳感器、電感式傳感器、光纖傳感器、節(jié)流閥、三相異步電動機、光纖放大器、推瓶氣缸、氣泵、電磁閥、油水分離器等元件。

實際作業(yè)時，當操作人員按下啟動控制按鈕，塑料瓶被機械手抓取收購后，運輸至傳送分揀運輸帶上，之后運輸?shù)较鄳姆謷屏峡冢蓚鞲衅鞲鶕?jù)塑料瓶顏色進行差異化識別，識別成功后，推瓶桿伸出，將塑料瓶推進相應的存瓶區(qū)，之后進行下一輪傳送和分揀塑料瓶自動作業(yè)。系統(tǒng)作業(yè)過程中，如遇到意外掉瓶、過壓、過載、過熱等故障，能夠自動停止分揀作業(yè)，并發(fā)出聲光報警提示。除此之外，只有當操作人員按下停止按鈕，系統(tǒng)才會停止工作。該系統(tǒng)的外形模擬結構設計如圖1所示。

1—磁性開關D-C73；2—傳送分揀機構；3—落料口傳感器；4—落料口；5—料槽；6—電感式傳感器；7—光纖傳感器；8—過濾調(diào)壓閥；9—節(jié)流閥；10—三相異步減數(shù)電機；11—光纖放大器；12—推料氣缸。

2.2 控制要求

該系統(tǒng)能夠應用在塑料瓶自動收購分揀控制場合，具體的功能性控制要求介紹如下。

1)啟動后收購送瓶功能：設置啟動開關SH1，當需要啟動系統(tǒng)時，按下SH1，收購機械手自動抓取待分揀的1個塑料瓶，移動至落料口上方后，手爪松開將塑料瓶放入落料口，落料光電傳感器CG1檢測到掉落的塑料瓶后，三相異步電動機啟動，傳送帶傳送塑料瓶。

2)塑料瓶色差識別分揀功能：塑料瓶傳送分揀設備上安裝多個光纖傳感器，通過調(diào)節(jié)光纖傳感器的放大倍數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同顏色塑料瓶的識別。通常來說，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)越高，光纖傳感器識別的色彩越深；反之越淡。因此，通過應用和調(diào)節(jié)光纖傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)對塑料瓶色彩的識別和分揀。以圖1的模擬設備為例，設置3個光纖傳感器，分別通過調(diào)節(jié)光纖傳感器的放大倍數(shù)，實現(xiàn)從左至右識別白色、藍色、黑色3種不同顏色塑料瓶的功能。當白色塑料瓶經(jīng)過最左端傳感器GX1時，GX1輸出由低電平變?yōu)楦唠娖?，觸發(fā)白色塑料瓶推桿TG1啟動，將白色塑料瓶推至落瓶區(qū)；之后TG1縮回，收購機械手自動抓取待分揀的下一個塑料瓶，進行循環(huán)作業(yè)。

3)故障報警功能：在系統(tǒng)響應部位安裝過壓、過熱、過載保護繼電器，并在落瓶區(qū)安裝光電傳感器，用來識別推瓶桿伸出后，是否有塑料瓶掉入落瓶區(qū)。倘若系統(tǒng)作業(yè)中，出現(xiàn)過壓、過熱、過載或掉瓶故障，指示燈L1點亮，同時喇叭LB1發(fā)出聲音報警。

4)停止作業(yè)功能：當系統(tǒng)工作時，操作人員按下停止開關SH2，系統(tǒng)能夠立即停止當前作業(yè)。

3 硬件及軟件設計

3.1 硬件模塊設計

根據(jù)PLC控制塑料瓶收購分揀的功能設計要求，該系統(tǒng)的硬件模塊包含以下幾部分。

1)啟停控制模塊：采用常規(guī)的自復位式開關，通過外圍的電阻、電容、繼電器、斷路器構成保護式啟停開關電路模塊，啟停模塊各部分的耐受電壓為DC+24 V。

2)收購運送模塊：由機械手、磁性開關、氣管、節(jié)流閥、緩沖閥、氣缸等構成。機械手在PLC程序控制下執(zhí)行抓取和運送塑料瓶的功能；磁性開關用于判斷機械手的擺動限位；氣管是氣動控制機械手運行的氣路裝置，用于連接機械手關節(jié)和對應的電磁閥口；節(jié)流閥用于調(diào)整氣管氣壓；緩沖閥用于緩沖機械手與限位裝置的觸碰力；氣缸用于給機械手收購運送塑料瓶的各動作提供作用力。

3)識別分揀模塊：由光電傳感器、光纖傳感器、推瓶桿、落瓶區(qū)等構成。光電傳感器用于識別塑料瓶是否掉落至落料口，選擇檢測距離3～100 mm，額定電壓10～30 V CD的普通光電傳感器即可；光纖傳感器用于識別不同顏色的塑料瓶，由放大器、光纖、電源及信號輸出線構成；推瓶桿選擇普通的金屬桿即可。

4)故障報警模塊：由喇叭和報警器構成，選擇常規(guī)的喇叭和指示燈即可。

3.2 PLC地址分配

基于控制功能要求，選用西門子S7-200 CPU224型PLC為核心處理器構建系統(tǒng)控制電路，具體的PLC地址分配方案如下。

1)輸入地址配置方案：I0.1-SH1-啟動開關，I0.2-SH2-停止開關，I0.3-CG1-落料光電傳感器CG1，I0.4-GX1-白色光纖傳感器，I0.5-GX2-黑色光纖傳感器，I0.6-GX3-藍色光纖傳感器(可根據(jù)控制需要繼續(xù)增加光纖傳感器識別地址位)，I0.7-CG2-落瓶區(qū)光電傳感器。

2)輸出地址配置方案：Q0.0-XQ1-三相異步電動機驅(qū)動，Q0.1-TG1-白色推瓶桿，Q0.2-TG2-黑色推瓶桿，Q0.3-TG3-藍色推瓶桿(可根據(jù)控制需要繼續(xù)增加推瓶桿識別地址位)，Q0.4-L1-報警指示燈，Q0.5-LB-報警喇叭。具體的PLC地址分配及功能描述如表1所示。

表1 PLC地址分配表

3.3 程序設計

基于塑料瓶收購分揀自動化作業(yè)控制要求，應用梯形圖語言設計相應的功能化程序，具體的程序模塊及設計思路如下。

1)啟動：設計“啟—?！！背绦蚪Y構，用于啟動并持續(xù)運行功能，當常開觸點I0.1得電時，機械手工作，系統(tǒng)啟動。

2)收購運送：當落料光電傳感器CG1端口I0.3檢測到高電平時，Q0.0置1，三相異步電動機啟動運送塑料瓶。

3)識別分揀：塑料瓶在傳送帶上運輸時，各顏色識別傳感器實時工作，并根據(jù)情況啟動分揀功能，例如當白色塑料瓶經(jīng)過TG1處時，I0.3常開觸點導通，同時Q0.1得電，白色推瓶桿伸出推動白色塑料瓶進入落瓶區(qū)；當塑料瓶完全推入落瓶區(qū)時，I0.6導通1次，同時計數(shù)器C0計數(shù)1次，提示分揀成功。

4)中斷報警：設置中斷報警程序，若系統(tǒng)運行中出現(xiàn)過熱、過壓、過載等情況時，系統(tǒng)能夠自動斷電，并發(fā)出聲光報警提示；當推瓶桿啟動后，定時器T37開始計時，若超過2S，I0.6還未導通，計數(shù)器C0也未計數(shù)1次，表明塑料瓶沒有成功推入落瓶區(qū)，Q0.4和Q0.5同時導通，發(fā)出聲光報警提示。

5)停止：當系統(tǒng)工作時，操作人員按下SH2按鈕，所有的輸出線圈同時復位，系統(tǒng)停止作業(yè)。

基于上述程序設計思路，繪制系統(tǒng)梯形圖程序執(zhí)行流程圖，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)梯形圖程序執(zhí)行流程圖

4 結語

本文設計的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大量塑料瓶收購分揀作業(yè)的自動化控制，具有很強的推廣價值，但也存在一些不足之處，例如沒有能夠進行遠程觸摸的組態(tài)子系統(tǒng)、控制程序的結構還有待優(yōu)化等，在今后的完善性設計中，應針對上述問題進行硬件和軟件設計上的優(yōu)化。