PLC控制技術(shù)在玻璃制品分揀裝置中的應(yīng)用

摘 要：首先對用于玻璃制品分揀裝置的物料搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說明，隨后分析了機(jī)械手運(yùn)行的工藝過程及控制要求。最后，針對控制要求對PLC進(jìn)行了選型，并進(jìn)行了硬件配置、I/O地址分配及上位機(jī)程序設(shè)計。該系統(tǒng)可以有效提高工業(yè)生產(chǎn)的效率，為工業(yè)制造技術(shù)向智能制造方向發(fā)展提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：玻璃制品分揀裝置；物料搬運(yùn)機(jī)械手；PLC

中圖分類號：TP273" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）07-0011-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.07.003

0" " 引言

玻璃制品分揀裝置機(jī)械部分的核心是目前用于各行各業(yè)的物料搬運(yùn)機(jī)械手，它是一種能自動抓取、搬運(yùn)和放置物料的自動化設(shè)備，常用于工業(yè)制造、倉儲物流、食品加工等領(lǐng)域。在電子產(chǎn)品制造行業(yè)，物料搬運(yùn)機(jī)械手能將極其微小的電子元件，像芯片、電路板中應(yīng)用的零部件，從一個工位精確地搬運(yùn)到另一個工位，不僅能保證整個工作過程在無塵、防靜電的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高精度裝配，還能按照生產(chǎn)線的節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。在食品行業(yè)，搬運(yùn)機(jī)械手可以用于抓取、放置食品原料或成品。例如，在面包生產(chǎn)線上，它可以將加工好的面包從傳送裝置上搬運(yùn)到包裝設(shè)備中。它的接觸部分采用食品級材料制作而成，保證了食品的衛(wèi)生和安全。在玻璃行業(yè)，生產(chǎn)線上的玻璃制品溫度較高，人工分揀有安全隱患且效率低，采用本文提出的玻璃制品分揀裝置可以很好地解決這些問題。

1" " 分揀裝置結(jié)構(gòu)

1.1" " 手部結(jié)構(gòu)（末端執(zhí)行器）

這是直接與物料接觸的部分，根據(jù)物料的形狀、尺寸和性質(zhì)等因素設(shè)計。例如，對于塊狀物料，可能會采用夾鉗式手部，通過兩個相對運(yùn)動的夾爪來夾緊物料；對于一些有孔的小型零件，可以使用吸附式手部，利用真空吸附或者電磁吸附的原理來抓取物料。像在電子元件的搬運(yùn)中，吸附式手部能夠精確地吸取微小的芯片[1]。

1.2" nbsp; 腕部

腕部連接手部和手臂，它可以實(shí)現(xiàn)手部的俯仰、擺動和旋轉(zhuǎn)等動作，這些動作使得機(jī)械手能夠靈活地調(diào)整物料的姿態(tài)。比如，在將一個長方體物料放入一個卡槽中時，若有特定方向要求，腕部的旋轉(zhuǎn)動作可以確保物料以正確的角度進(jìn)入卡槽。

1.3" " 手臂

手臂是支撐腕部及手部實(shí)現(xiàn)物料在空間位置移動的關(guān)鍵部位，它可以有升降、橫移、伸縮等多種運(yùn)動形式，一般由多個關(guān)節(jié)及連桿組成。像直角坐標(biāo)型的物料搬運(yùn)機(jī)械手，其手臂的運(yùn)動是沿著相互垂直的三個坐標(biāo)軸方向進(jìn)行的，能夠精確地控制物料在空間的位置。

1.4" " 機(jī)身（基座）

機(jī)身是整個機(jī)械手的支撐部分，它通常固定在工作臺或地面上。機(jī)身的穩(wěn)定性對機(jī)械手的精確操作至關(guān)重要。例如，在一些大型沖壓車間的物料搬運(yùn)中，機(jī)身需要足夠堅固，以確保能承受物料的重量和搬運(yùn)過程中產(chǎn)生的沖擊力。

本文將介紹玻璃制品分揀裝置中的機(jī)械手PLC控制，系統(tǒng)主要機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2" " 工藝過程及控制要求

電子式檢測開關(guān)傳感器檢測到工作臺上的工件時，機(jī)械手從原位開始工作，經(jīng)過一系列動作將工件傳送到預(yù)設(shè)的工位，一個工作周期結(jié)束。機(jī)械手控制的程序流程圖如圖2所示[2]。

機(jī)械手的工作是由控制系統(tǒng)指揮的。操作人員可以通過編程方式預(yù)先設(shè)定其動作順序、路徑、速度等參數(shù)。在本系統(tǒng)中，通過編程讓機(jī)械手按照一定節(jié)拍從傳送帶上抓取產(chǎn)品，然后搬運(yùn)到指定的包裝位置。

為了實(shí)現(xiàn)精確的物料搬運(yùn)，機(jī)械手通常會配備多種傳感器。例如，視覺傳感器可以識別物料的位置、形狀、顏色等信息。在分揀不同顏色的塑料零件時，視覺傳感器能夠區(qū)分零件的顏色，然后將信號反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)這些信息調(diào)整機(jī)械手的動作，準(zhǔn)確地抓取目標(biāo)顏色的零件。另外，還有位置傳感器，它可以實(shí)時監(jiān)測機(jī)械手各關(guān)節(jié)的位置，確保機(jī)械手按照預(yù)設(shè)的路徑運(yùn)動。

動力系統(tǒng)是為機(jī)械手的運(yùn)動提供動力的系統(tǒng)，常見的動力源有液壓、氣壓、電力等。液壓驅(qū)動的機(jī)械手力量比較大，能夠搬運(yùn)比較重的物料，例如在重型機(jī)械制造車間搬運(yùn)大型鑄件的機(jī)械手。氣壓驅(qū)動的機(jī)械手速度快，結(jié)構(gòu)較簡單，經(jīng)常用于對精度要求不是特別高的快速搬運(yùn)場合，如兒童玩具行業(yè)的小包裝產(chǎn)品搬運(yùn)。電力驅(qū)動具有控制方便、精度高等優(yōu)點(diǎn)，在電子、半導(dǎo)體等精密制造行業(yè)有較為廣泛的應(yīng)用。

3" " 系統(tǒng)設(shè)計

3.1" " PLC簡介

PLC是可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）的簡稱，可取代繼電器的邏輯控制用于工業(yè)自動化控制。它可以通過編程來實(shí)現(xiàn)對各種工業(yè)設(shè)備和生產(chǎn)過程的邏輯控制、順序控制、定時控制、計數(shù)控制等多種控制，從早期的簡單邏輯控制功能的產(chǎn)品，不斷發(fā)展為如今高度集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的復(fù)雜控制系統(tǒng)。

PLC技術(shù)發(fā)展迅速，其因許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，主要表現(xiàn)在如下方面：性能價格比高；可靠性好，抗外界干擾能力強(qiáng)；系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少；維修工作量小，維修方便；體積小，能耗低。PLC控制單元掛板如圖3所示。

CPU模塊是PLC的核心部件，類似于計算機(jī)的CPU。它負(fù)責(zé)執(zhí)行用戶程序，處理輸入、輸出信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和通信等。不同型號的CPU模塊具有不同的性能特點(diǎn)，例如S7-1200系列的CPU模塊有不同的內(nèi)存大小和處理速度可供選擇。CPU模塊的性能決定了PLC系統(tǒng)整體的控制能力和運(yùn)行速度。本系統(tǒng)選用西門子S7-1200 PLC。S7-1200 CPU有一個DC24 V內(nèi)部電源，用于為CPU、信號模塊、信號板、通信模塊及其他DC24 V器件供電。

輸入模塊用于接收外部設(shè)備的信號，如傳感器信號。這些信號可以是數(shù)字信號（如限位開關(guān)的通斷信號），也可以是模擬信號（如壓力傳感器輸出的連續(xù)變化的電壓信號）。輸入模塊將這些外部信號轉(zhuǎn)換為CPU能夠識別和處理的數(shù)字信號格式。例如，在一個自動化倉庫系統(tǒng)中，光電傳感器檢測貨物是否到位，其信號通過輸入模塊傳送給CPU。

輸出模塊接收CPU處理后的輸出信號，并將其轉(zhuǎn)換為能夠驅(qū)動外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號。輸出信號可以驅(qū)動電機(jī)、電磁閥等設(shè)備。比如在一個自動化灌溉系統(tǒng)中，CPU根據(jù)濕度傳感器的信號判斷是否需要灌溉，然后通過輸出模塊控制電磁閥的開啟和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對灌溉設(shè)備的控制。通信模塊使PLC能夠與其他設(shè)備進(jìn)行通信，如與上位計算機(jī)、其他PLC或智能儀表等通信[3]。S7-1200系列PLC在CPU模塊上集成了一個工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET接口。在工業(yè)4.0環(huán)境下，通信模塊的作用越來越重要，它可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享。例如，通過工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊，工廠管理人員可以在辦公室遠(yuǎn)程監(jiān)控生產(chǎn)線上PLC的運(yùn)行狀態(tài)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)[4]。

3.2" " 硬件配置

根據(jù)控制流程選擇控制方式，選三個啟動按鈕分別實(shí)現(xiàn)自動方式、單動方式和手動方式的啟動動作；設(shè)置一個停止按鈕，以處理在任何情況下的停止運(yùn)行；機(jī)械手運(yùn)動的限位開關(guān)、上升、下降、夾緊等，一共14個數(shù)字量輸入信號、5個數(shù)字量輸出信號[5]。選擇S7-1200系列的PLC，CPU1214C DC/DC/DC，可以滿足要求，還有一定的余量[6]。硬件配置表如表1所示。

3.3" " I/O地址分配

將機(jī)械手的輸入、輸出信號按功能類型分配，分別與PLC的I/O端相對應(yīng)。

外部I/O信號與PLC I/O端地址編號的部分對照表如表2所示。

3.4" " 上位機(jī)程序設(shè)計

上位機(jī)程序主要用于監(jiān)控機(jī)械手的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)動軌跡、操作任務(wù)等。通過上位機(jī)與機(jī)械手控制系統(tǒng)之間的通信，可以直觀地了解機(jī)械手的工作情況，發(fā)送指令讓機(jī)械手完成相應(yīng)的動作。上位機(jī)人機(jī)界面和控制調(diào)度程序采用C#.net開發(fā)。C#是一種現(xiàn)代化的、面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，它具有以下特點(diǎn)：

1）封裝性，C#支持將數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的方法封裝在類中，這樣，外部代碼只能通過類提供的公共方法來訪問和修改對象的狀態(tài)，保證了數(shù)據(jù)的安全性和一致性。

2）繼承性，C#允許創(chuàng)建類層次結(jié)構(gòu)，子類可以繼承父類的屬性和方法，這有助于代碼的復(fù)用和擴(kuò)展，同時還可以添加自己特有的屬性和方法。

3）多態(tài)性，C#通過方法重載和虛方法實(shí)現(xiàn)多態(tài)性。方法重載允許在同一個類中定義多個同名方法，只要它們的參數(shù)列表不同。虛方法允許子類重寫父類的方法，以實(shí)現(xiàn)不同的行為。

4）自動內(nèi)存管理，C#采用了自動垃圾回收機(jī)制來管理內(nèi)存，開發(fā)人員不需要手動釋放對象占用的內(nèi)存，自動垃圾回收會自動檢測不再使用的對象，并回收它們占用的內(nèi)存空間。這種自動內(nèi)存管理機(jī)制可以減少內(nèi)存泄露的風(fēng)險，讓開發(fā)人員更專注于業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)，而不必過多擔(dān)心內(nèi)存管理的細(xì)節(jié)。人機(jī)界面如圖4所示。

4" " 結(jié)束語

隨著PLC技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度融合，自動控制系統(tǒng)的控制效果也在不斷提升，電氣工程智能化發(fā)展越來越快，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性越來越高[7]。通過調(diào)試，上述系統(tǒng)不僅可以用于不同類型玻璃制品的分揀，而且確實(shí)大大提高了工作效率和精確程度。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李利娟.基于PLC的送料機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計[J].中國設(shè)備工程，2023（7）：138-141.

[2] 王林，張宗喜，牛秦洲.基于西門子S7-300 PLC裝卸機(jī)械自控系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)與數(shù)字工程，2012，40（4）：123-125.

[3] 馬紅衛(wèi).基于機(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人定位系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動化，2020，42（3）：58-62.

[4] 馮少華.機(jī)器視覺系統(tǒng)與PLC的數(shù)據(jù)通訊[J].裝備制造技術(shù)，2020（12）：128-131.

[5] 譚春祿.機(jī)械手智能測控系統(tǒng)設(shè)計[J].西南民族大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，35（4）：853-856.

[6] 吳繁紅.西門子S7-1200 PLC應(yīng)用技術(shù)項目教程[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2021.

[7] 韓雨瑤，陸心澄，趙之瑜，等.PLC技術(shù)在電氣工程及其自動化控制中的應(yīng)用分析[J].中國設(shè)備工程，2021（19）：141-143.

收稿日期：2024-12-20

作者簡介：王連飛（1978—），女，山東平度人，副教授，研究方向：電氣自動化技術(shù)、用電節(jié)能技術(shù)。