基于PLC的物料分揀系統(tǒng)設計

劉旺才 吳強 夏令 史艷 施國文

[摘? ? ? ? ? ?要]? PLC作為一種智能化、可靠性強的工業(yè)控制設備，在自動控制領域得到了廣泛的應用。以自動供料單元、電操作手提取單元、工件檢測單元、成品分裝單元四個MPS為載體，介紹了基于三菱PLC的自動分揀單元的設計。自動分揀線四個單元間需協(xié)調工作，以供料單元為主站，采用N∶N網絡通信方式完成各單元之間的通信。同時，各單元的實時運行情況通過觸摸屏進行監(jiān)控，以達到實時掌握自動線運行狀況的目的。

[關? ? 鍵? ?詞]? PLC;自動分揀;N∶N網絡通信;觸摸屏

[中圖分類號]? TP273? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號]? 2096-0603（2019）33-0104-04

一、引言

自動化是指機器設備、系統(tǒng)或過程在沒有人或者較少人的直接參與下，按照人設定的工藝要求，經過自動檢測、信息處理、分析判斷、操縱控制，實現(xiàn)預期的目標的過程。由自動供料單元、提取單元和檢測單元及成品分揀單元組成的自動化分揀系統(tǒng)，解決了人類簡單而重復、單調的操作。系統(tǒng)配以觸摸屏單元，可以實時監(jiān)控自動線的運行情況。本設計采用工業(yè)級器件和機電一體化專業(yè)技術標準設計，不僅可以做自動線使用，也可以對企業(yè)一線工程技術人員進行技能培訓，具有較大的現(xiàn)實意義。

二、物料分揀系統(tǒng)硬件設計

（一）系統(tǒng)的整體設計

本系統(tǒng)由4個MPS（模塊化生產單元）組成，分別是：自動供料單元、檢測單元、電操作手單元和成品分揀單元。為實現(xiàn)系統(tǒng)的柔性化生產和組合的靈活性，它們均被統(tǒng)一安裝在MPS單元小車上，底車緊湊，可移動。工作單元可以方便地安裝到底車上。底車側面和背面相應的通孔用于有序的電纜布置。因底車結構對稱，兩側都提供了操作面板、間隔板和抽屜的安裝可能。在系統(tǒng)上電各MPS都初始化完畢后，一旦供料站單元對射式傳感器檢測到有物料，物料被自動推出，檢測站對物料進行填充或正反檢測，檢測完畢后由電操作手單元進行處理或直接送往成品分裝單元進行整理分類。其整體結構如圖1所示。

（二）系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)硬件部分包含PC機、PLC、傳感器、電磁閥、執(zhí)行氣缸、直流電機及觸摸屏。其控制關系如圖2所示。

本系統(tǒng)各MPS上的傳感器，根據其檢測對象屬性的不同，選用了多種類型的傳感器。顏色辨別采用漫反射光電傳感器，它利用物體表面對光線反射作用來感應物體，可檢測所有材質的物體，可通過調節(jié)靈敏度開關來檢測不同顏色物體。

金屬材質物料檢測采用電感式接近開關，即霍爾傳感器，檢測距離一般在8mm以內，只能感應金屬物料。電感傳感器是依據電渦流的原理工作，對金屬材料可以吸收振蕩，然后輸出信號。磁性感應開關用于檢測氣缸活塞桿位置，用于判斷氣缸伸縮是否到位。所有傳感器均采用PNP型。

根據MPS上的傳感器類型及執(zhí)行機構的額定電壓、各單元上輸入、輸出的總點數(shù)，在PLC選型時，選擇可以自由配置源型或漏型輸入的、由Mitsubishi公司生產的FX3U-32M型PLC。同時檢測單元由于需要檢測物料的高度，故還需配備模擬量點數(shù)不少于2AI和1AO的模擬量模塊。

在進行MPS控制板制作時，需對PLC電源電路進行保護設計。由于MPS上與控制板及控制面板相連接的接口為簡便的即插即學智能化C接口，因此在進行控制板設計時，要通過數(shù)字量交叉電纜（兩端都配有Syslink插頭）與工作站進行連接。

本設計用于控制氣缸的控制閥采用FESTO公司生產的閥島（Valve Island）。閥島集電氣系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)于一體，功能集成，結構緊湊，可獨立安裝，使用靈活。閥島對工作氣源的要求較高，如氣源過臟，閥島內的閥片容易積累雜質，影響閥片工作，導致閥片損壞。同時，閥島的電、氣分離設計又使得閥島便于維修。

為了便于測試系統(tǒng)在安裝完成后接線是否正確，本設計中引入了數(shù)字、模擬量仿真盒。仿真盒有一個SysLink插座，可與PLC控制板連接控制工作過程，同時仿真盒還可以模擬和顯示模擬量信號（0-10V）。

三、物料分揀系統(tǒng)軟件設計

（一）系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)由多個MPS組成，因此在設計系統(tǒng)功能時，除了多個MPS之間的自動運行模式，還為每個MPS單獨設定了手動模式，通過控制面板上的鑰匙開關進行各MPS模式切換。手動模式下，各站可以進行各自調試，如通過仿真盒與MPS的連接測試I/O點是否連接正確、模擬量是否正確輸出、各傳感器及限位開關是否到位。自動模式下，整套系統(tǒng)自動運行，由供料單元提供工件，檢測單元進行工件高度檢測、電操作手單元挑出不符合要求的工件，并將之置于斜槽中，符合要求的工件進入分裝單元，分裝單元對工件的材質、顏色進行檢測并分別存儲至不同滑槽。MPS控制面板及系統(tǒng)整體工作流程如圖3、4所示。

（二）關鍵站軟件流程設計及技術分析

本設計中檢測單元測量功能是將工件從工序上取出，以將其放到測量臺上，測其高度。傳送帶將這些工件傳送到轉動提升模塊處。通過一個提升擺動動作，該工件被放置在反射光傳感器下，之后工件返回工序中。根據測量結果，通過一個電動擺動驅動，工件被移動到傳輸帶的末端。帶光纖電纜的光學傳感器監(jiān)控傳送帶上的物料流?？梢噪p向運行傳輸帶。反射光傳感器既能提供模擬輸出信號，也能提供二進制輸出信號。在模塊內有一個線性運動和一個擺動運動以及一個氣動抓爪起作用?？梢詫㈧o態(tài)測量任務自動化，或者將隨機樣本從工序中取出。本站為整個系統(tǒng)中唯一具有模擬量的一個站，檢測的結果將直接影響到后序工序，因此本站在技術上具有難度。

模擬量數(shù)據的讀取是本站的關鍵，F(xiàn)X3U-32M基本單元搭載FX3U—4AD模塊。在進行軟件編程前，先需要確認單元號。從左側的特殊功能單元/模塊開始，依次分配單元號0-7，如圖5所示。

決定輸入模式（BFM#0）的內容，在軟件設計時需根據連接的模擬量發(fā)生器的規(guī)格，設定與之相符的各通道的輸入模式（BFM#0），用16進制數(shù)設定輸入模式。本設計中選用的模擬量模塊為FX3U-4AD經查詢手冊，通道模式選擇模式3（4-20ma輸入，對應輸出0-16000）即H0011。通道模式選擇可查詢下表。

（三）通信方式的確定

在自動化生產線中，各模塊化生產單元并非是獨立的個體，各MPS之間需要互相協(xié)作、共同響應。FX系列PLC支持N∶N網絡通訊，使用這種網絡，能鏈接小規(guī)模系統(tǒng)中的數(shù)據，它適合于數(shù)量不超過8個的PLC之間的互聯(lián)。N∶N網絡建立在RS485傳輸標準上，網絡中必須有一臺PLC為主站，其他PLC為從站。各MPS單元PLC網絡鏈接如圖8所示，由于使用的是三菱FX3U-485-BD所以只需將兩端通信擴展板的撥動開關撥到110歐姆的位置即可。在使用N∶N網絡時，F(xiàn)X系列PLC的部分輔助繼電器被用作通信標志，代表不同的通信狀態(tài)，部分數(shù)據寄存器被用于通信參數(shù)設置和存儲錯誤代碼。

在進行N∶N網絡通信時，需設置主站號、從站總數(shù)、刷新模式、重試次數(shù)和通信超時等參數(shù)，為確保參數(shù)設置程序作為N∶N網絡參數(shù)，通信參數(shù)設置程序必須從第0步開始編寫，主站參考程序如圖9所示。

四、觸摸屏實現(xiàn)

觸摸屏前身叫作可編程終端，作為一種與PLC進行人機交互的終端，最早主要應用在工業(yè)控制現(xiàn)場，它替代了傳統(tǒng)的按鍵操作，界面友好直觀還具有圖形顯示和狀態(tài)輸出功能，被廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場。隨著時間的推移和觸摸技術的廣泛應用，人們常把可編程終端俗稱觸摸屏，本系統(tǒng)使用的昆侖通泰TPC7062KX系列觸摸屏，與之配套使用的是MCGS觸摸屏編程軟件。在本系統(tǒng)中觸摸屏直接與主站進行通信，從站的數(shù)據需要通過N∶N網絡共享到主站，在經RS232通信線將各站的工作情況在觸摸屏上進行顯示。其主界面如圖10所示。

五、結語

本系統(tǒng)的設計，從系統(tǒng)的整體設計及各MPS控制板的制作入手，為滿足工藝要求對各MPS的控制器、傳感器、執(zhí)行機構、通訊方式、人機界面等硬件選型進行了詳細的論述。在軟件上對整個系統(tǒng)中的關鍵技術模擬量信號的采集和讀取、處理及各MPS之間通訊網絡的構建及數(shù)據交互進行了梳理。系統(tǒng)集成了PLC、傳感器、氣動控制、通信技術、觸摸屏終端等現(xiàn)代工業(yè)控制技術，具有工作可靠性高、運行穩(wěn)定、抗干擾能力強、精度高、無污染等特點。不同企業(yè)或院?？筛鶕煌a對象的不同屬性或者工藝流程，對該系統(tǒng)中的傳感器作適當調整或更換，或對各MPS上的硬件進行適當整合，如把兩個站整合成一個站，以減少控制板數(shù)量。這樣可適應不同的生產需求，也可以節(jié)約生產和人力成本，降低勞動強度，提高生產效率和效益，在現(xiàn)代加工制造生產過程的物料傳送與分揀環(huán)節(jié)及通訊技術環(huán)節(jié)具有較強的推廣借鑒意義。

參考文獻：

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編輯 張 俐