基于PLC的實驗教學生產線分揀控制系統研究與實現

　　摘要：在自動分揀系統原理的基礎上，根據一定的分揀要求，以三菱PLC為控制核心，結合氣動裝置、傳感器技術等技術，設計出生產線分揀控制系統，可以實現對大、中、小三種不同尺寸物料的自動分揀。
　　關鍵詞：實驗教學；PLC；分揀
　　分揀是指按照輸送、配送的要求，把很多貨物按不同品種、不同地點分配到所設置的場地的作業。分揀是整個物流系統的重要組成部分。按歷史發展歷程和分揀手段來看，可分為三大類，人工分揀、機械分揀、自動分揀[1]。
　　自動分揀系統主要由四部分組成，第一部分控制裝置，第二部分分類裝置，第三部分輸送裝置，第四部分是分揀道口。控制裝置用來接收、識別、處理分揀信號，指示分類裝置對材料進行自動分類。分類裝置的作用是根據控制裝置發出的分揀指示，當該裝置檢測到具有對應分揀信號的材料經過時進行相應動作，對材料進行分類。輸送裝置由傳送帶組成，使待分揀材料通過控制裝置和分類裝置。分揀道口是材料脫離主傳送帶進入集貨區域的通道[2]。通過計算機網絡聯結以上四部分裝置，再配合人工控制構成一個完整的自動分揀系統。
　　本文的主要任務是設計一個基于PLC，能分揀大、中、小三種不同尺寸物料的實驗教學用分揀系統。主要介紹實驗教學用生產線自動分揀系統的硬件和軟件設計，以及最后的調試。
　　一、分揀系統硬件設計
　　（一）PLC種類及型號選擇
　　PLC種類較多，生產廠家也很多，主要有歐姆龍、三菱、松下、東芝、美國德洲儀器公司、美國通用電氣（GE）公司等。但大、中、小、微型PLC均能配套生產且目前使用廣泛的主要是三菱、西門子和歐姆龍[3]。根據材料分揀系統的控制要求，輸入有13個開關信號，1個氣缸位置信號，3個開關，9個傳感器（1個光電傳感器、8個紅外傳感器）。輸出信號有11個，其中四個控制電動機，三個控制指示燈，剩下的控制機械手和電磁換向閥，也都是開關量。共需I/O點24個，其中13個輸入，11個輸出。
　　根據系統中的控制要求PLC點數：實際輸入點13點，實際輸出點11點，綜合對比三菱FX系列、西門子系列、歐姆龍系列中I/O點數為64點各型號的PLC的價格、性能、實用場合等各方面，本系統可選擇PLC型號為：FX2N-64MR，合計總數64點-32點輸入，DC24V，32點繼電器輸出。其性能、價格都優于其他PLC。FX2N系列在三菱FX系列中使用最為廣泛，性價比高，性能先進，配置靈活。它可以選用多種擴張模塊，增加I/O點，組成不同功能的控制系統。它功能強大，內置高速計算器，還可直接控制步進電動機或者伺服電動機，增加了通訊功能，可以匹配世界各國不同的電源。該型號PLC輸入輸出節點都為32個，能夠滿足系統的控制要求并且留有一定的余量。
　　（二）傳感器的選擇
　　紅外傳感器在材料穿過特定位置時將紅外能量的變化轉化為電量變化。本設計中將采用紅外傳感器，檢測材料的大小和通過。
　　紅外線傳感器檢測物料大小的原理如下：三個紅外線傳感器平疊在一起，最下面的紅外線傳感器的高度低于小物料的上表面高度，中間的紅外線傳感器的高度高于小物料的上表面且低于中物料上表面的高度，最上面的紅外線傳感器的高度高于中物料上表面的高度且低于大物料上表面的高度；如果上中下紅外線傳感器同時檢測到物料的通過，那么這個物料是大物料；如果只有中下紅外線傳感器檢測到物料的通過，那么這個物料是中物料；如果只有下紅外線傳感器檢測到物料的通過，那么這個物料是小物料。
　　在出料氣缸旁，傳送帶4末端，傳送帶3末端的桌子上，各有一個紅外傳感器，分別用了檢測小物料，大物料和中物料的通過。當這三個傳感器檢測到物料的通過，且物料自動補給開關被置為ON的情況下，在延時0.5秒后，系統自動補給物料。
　　（三）硬件設計及實際模型的建立
　　生產線分揀硬件結構框圖如圖1所示。
　　生產線分揀系統的結構示意圖如圖2所示。系統啟動，下料傳感器沒檢測到物料，指示燈黃燈亮。下料傳感器檢測到物料，指示燈紅燈亮。機械手1動作，將待測材料搬到傳送帶1上。傳送帶總開關被置為ON后，傳送帶1、2、3、4運轉，綠燈亮，待測物體開始在傳送帶上運行。
　　物料由機械手1送到傳送帶1上，材料經傳感器對其進行識別，檢測其分別為大、中、小物料，分揀器進行相應動作，將材料送到對應的傳送帶內，如果檢測到是大物料，則進入傳送帶3，并最終從傳送帶3末端落下，如果是小物料，則進入傳送帶3，并最終由出料氣缸推入對應的箱子。如果是中物料，則進入傳送帶4，最終由機械手2揀進對應的箱子。
　　根據控制要求可得PLC系統的接線圖如圖3所示。
　　二、分揀系統軟件設計
　　本系統是基于區分材料大小的不同而設計的材料分揀系統，主要是實現對大物料、中物料、小物料的自動分揀，具體控制過程為：
　　（1）系統啟動后，操作開關SB2閉合，電機開始運行，即傳送帶1、2、3、4運行，指示燈綠燈亮，若下料傳感器檢測到料槽無材料，指示燈黃燈亮。
　　（2）按下補給鍵SB1，給料槽補給一個物料，下料傳感器檢測到物料，指示燈紅燈亮（若閉合自動補給物料開關，以后物料就會自動補給）。機械手1動作，將待測材料搬到傳送帶1上，待測物體開始在傳送帶上運行。
　　（3）當上、中、下紅外傳感器同時檢測到材料通過時為大物料，分揀器撥向右邊，大物料被擋往左邊，進入傳送帶4，被大物料紅外傳感器檢測到，最后在傳送帶4末端落入箱子。
　　（4）當只有下紅外傳感器檢測到材料通過時為小物料，分揀器撥向右邊，小物料被擋往左邊，進入傳送帶4，被小物料傳感器檢測到，傳送帶4停止1秒，出料氣缸動作將小物料推到對應的箱子內。
　　（5）當只有中、下紅外傳感器檢測到材料通過時為中物料，分揀器撥向左邊，中物料被擋往右邊，進入傳送帶3，脫離傳送帶3進入桌面被中物料傳感器檢測到后，機械手2動作，將中物料搬到箱子內。
　　（6）當大中小物料被相應的傳感器或接近開關感應到后，延時0.5秒后系統自動補給物料（在自動補給物料開關閉合的情況下）。
　　由分揀控制系統的分揀要求畫出控制系統的程序流程圖，如圖4所示。
　　三、結論與展望
　　本文對PLC的工作原理、適用領域做出了詳細的介紹，根據材料分揀的實際需求采用PLC設計出了材料分揀系統，完成了生產線分揀系統的硬件和軟件設計工作。通過實驗測試了材料分揀系統硬件和軟件。
　　系統還存在很多不足的地方需要改進。如本系統一次只能分揀一個材料，可改進為一次能分揀多個材料。如需提高氣源氣壓的穩定性，提高氣閥的工作性能，為材料正常進入、彈出傳送帶打下基礎。傳送帶采用步進電機以實現傳送帶速度的可控制性、實現系統的分揀效率提高。進一步提高傳感器的性能，找出一系列可靠的參數，實現系統的穩定。系統根據物料的尺寸大小分好類后，還需人工進行入庫或裝車，以后要改進這個環節，實現分類、入庫和裝車的全自動化。
　　本文的設計是對材料的尺寸進行的簡單設計，可以在其基礎上對分揀物品的種類與分揀的性能進行拓展及完善，可使其適用于實際生活中的各行各業，實現生產線分揀的自動化作業，進一步提高生產效率。
　　參考文獻：
　　[1] 盧舟燕，劉金龍，洪美娟，賈德峰.推出式物流分揀實驗裝置系統設計[J].中國儲運，2005，（6）.
　　[2] 趙凱.卷煙自動分揀系統補給優化與分揀控制算法研究[D].中南大學，2008.
　　[3] 何波.電氣控制及PLC應用[M].北京：中國電力出版社，200