分揀系統在自動化生產中的原理仿真及功能實現

李霞

摘要：本文介紹了一套適用于教學的用于原理仿真的分揀系統，介紹了該分揀系統的部件組成、控制原理和工作流程，使用了傳感器、PLC、變頻器、觸摸屏等自動化控制重要元器件，重點闡述了編碼器在定位功能中的使用，并提示了在調試過程中的注意事項。

關鍵詞：分揀系統 PLC 原理傳真 功能實現

【中圖分類號】TP391.9

一、引言

分揀系統是自動化生產中的重要環節，針對分揀對象物理特性的不同，各類分揀系統有著各自不同的功能，本文所闡述的分揀系統，其功能主要是對不同材質、不同顏色的物料進行分揀。文中所舉設備原先是自動化生產線的一個節點，為了讓更多的學生有機會接觸到這種典型的自動化設備，也為了讓學生在學完PLC、變頻器、傳感器等課程后，能綜合運用這些技術，作者把分揀系統獨立出來，作為實訓課程用。一方面，相對于整套自動化生產線設備，難度降低了，更利于大部分學生消化吸收。另一方面，也不超出實訓課程的時間要求。

分揀系統獨立出來后，作者對它進行了幾點更改：

1、增加供料倉，包含頂料和推料，代替聯機時機械手的放料動作，或者單機時手動放料，以給學生提供完整工序體驗。

2、在控制推桿動作時，采用了編碼器計數，并且增加了在觸摸屏上設定推桿的脈沖數量的功能，這樣，當硬件有所調整時或者皮帶運動速度變化時，不需要修改程序，只要在觸摸屏上修改即可，優于之前的傳感器信號控制方式，而且程序更簡單。

3、在料槽入口處，增加了傳感器，以準確計算進入料槽的個數。并在觸摸屏上直觀顯示出來。同時，可以滿數清零。

4、當發生緊急情況時，觸摸屏上的停止按鈕，可以急停。在硬件上，也設置了急停開關，保證安全。

麻雀雖小，五臟俱全，系統中涵蓋了PLC、變頻器、編碼器、觸摸屏等設備，學生通過訓練，既可以加深相關理論知識的理解，也能提高相關應用技能，特別是對于編碼器在定位中的優勢體會和使用方法。

二、分揀系統組成和功能

分揀系統一般是自動化生產線的最后一站，主要功能是對已經加工的工件進行分揀。系統主要由四部分組成：

第一是檢測部分，主要是各類傳感器。

第二是執行部分，如推料氣缸。

第三是傳輸部分，如電機、輸送帶。

第四就是控制部分了，也是保證系統有序工作的關鍵部分。

下面依次對各部分做簡要說明。

1、檢測部分

傳感器是實現自動化的前提之一，是自動生產線的眼睛。由24V的開關電源供電。本系統中，根據工件的運送方向，依次用到了漫射式光電傳感器、電感式傳感器、光纖型傳感器。另外，氣缸上安裝了磁感應開關，以及用來檢測物料運行過程的當前位置的旋轉編碼器。

在這里主要介紹旋轉編碼器的主要實現功能，旋轉編碼器是一種集光、電、機為一體的數字化檢測裝置，主要功能是通過光電轉換，將輸出至軸上的機械、幾何位移量轉換成脈沖或數字信號的傳感器，主要用于速度或位置（角度）的檢測。按照工作原理，有增量式和絕對式兩類，本系統使用的是增量式編碼器。在增量編碼器的碼盤上等角距地在兩條碼道開有透光的縫隙，內外碼道的相鄰兩縫隙距離錯開半條縫寬，在第三條碼道上只開有一個透光狹縫，表示碼盤零位。在碼盤兩側面分別安裝有光源和光電接收元件。當碼盤轉動時，光源經過透光和不透光的區域，每個碼道將有一系列光脈沖由光電元件輸出，碼道上有多少縫隙就有多少個脈沖輸出，經放大整形后形成A、B兩列脈沖。并且，通過比較A、B兩相脈沖的相位，來判斷正反轉。

本分揀系統使用了這種具有A、B 兩相90?相位差的通用型旋轉編碼器，用于計算工件在傳送帶上的位置。編碼器直接連接到傳送帶主動軸上。該旋轉編碼器分辨率為500線，工作電源DC12～24V。本工作單元沒有使用Z相脈沖，A相輸出端直接連接到PLC（FX2N-48MR）的高速計數器輸入端。

2、傳輸部分

傳輸部分主要由輸送帶、電機組成。電機是減速電機，因為是分揀區，應低速運行。電機由變頻器驅動，變頻器由觸摸屏和PLC控制。

采用的三相減速電機，用于拖動傳送帶從而輸送物料。它主要由電機支架、電動機、聯軸器等組成。三相電機是傳動機構的主要部分，電動機轉速的快慢由變頻器來控制，其作用是帶傳送帶從而輸送物料。電機支架用于固定電動機。聯軸器由于把電動機的軸和輸送帶主動輪的軸聯接起來，從而組成一個傳動機構。

3、控制部分

本分揀系統用到了PLC與觸摸屏、變頻器等起控制作用的器件。

PLC是本系統的控制核心。本系統選用三菱FX2N-48MR。PLC接收各傳感器發送過來的信號，執行輸出，驅動各執行元件動作。同時與觸摸屏進行實時通訊，為觸摸屏的顯示提供數據，并對于觸摸屏送來的信息進行處理等。觸摸屏與PLC系統進行數據傳送和交換，將設定參數寫入PLC，也可將PLC、及變頻器內部參數讀入觸摸屏，實現了模擬量、數字量的實時監控，目標值的設定等

變頻器主要用來驅動電機，并對其進行調速。從原理上來講，它主要是利用了電力電子技術，把電壓和頻率恒定的電網電壓變為電壓和頻率可調的交流電。根據能量轉變形式看，可分為交-交、交-直-交兩類。交交變頻器沒有中間濾波環節，電網交流電被直接變成可調頻調壓的交流電。交-直-交變頻器通過整流器整為直流，經過中間濾波環節后，再用逆變器將直流電變為頻率可調、電壓可調的交流電。

變頻器在本系統用于驅動傳送帶。選用三菱FR-E700 系列變頻器中的FR-E740-0.75K-CHT 型變頻器，屬于交-直-交類型。變頻器的接線如圖6。

4、執行部分

氣缸是完成分揀的執行者。本系統中，使用了三個由二位五通的帶手控開關的單電控電磁閥，它們安裝在匯流板上。這三個閥分別對金屬、白料和黑料推動氣缸的氣路進行控制，以改變各自的動作狀態。

氣動控制回路的工作原理如圖5-3 所示。圖中1A、2A 和3A 分別為分揀一氣缸、分揀二氣缸和分揀三氣缸。1B1、2B1 和3B1 分別為安裝在各分揀氣缸的前極限工作位置的磁感應接近開關。1Y1、2Y1 和3Y1 分別為控制3 個分揀氣缸電磁閥的電磁控制端。

5、觸摸屏

觸摸屏由24V開關電源供電，通過觸摸屏可以啟動、停止系統。并且可以手動推桿，屏幕上可以顯示當前已進入各槽的物料個數。料滿指示燈亮。

三、分揀系統的流程控制

本分揀系統的完整工作流程如下：

為了實現這些功能，需為編寫梯形圖計算數據，分配I/O表，繪制電氣接線圖。

四、調試

1、電機的調試

完成機械部分和電氣部分的安裝接線后，進行電動機試運行是必要的，這可以檢查機械裝配的質量，以便作進一步的調整。用變頻器驅動電動機試運行。設置Pr.79 =2，把調速電位器的三個引出端①、②、③端分別連接到變頻器的端子⑩、②、⑤，并向左旋動電位器到底；接通電源后，撥通STF 端子左邊的鈕子開關，慢慢向右旋動電位器，可以看到電動機正向轉動，變頻器輸出頻率逐漸增大，電動機轉速逐漸升高。

2、旋轉編碼器脈沖當量的現場測試

根據傳送帶主動軸直徑計算旋轉編碼器的脈沖當量，其結果只是一個估算值。在分揀單元安裝調試時，除了要仔細調整盡量減少安裝偏差外，尚須現場測試脈沖當量值。測試方法的步驟如下：

⑴ 分揀單元安裝調試時，必須仔細調整電動機與主動軸聯軸的同心度和傳送皮帶的張緊度。調節張緊度的兩個調節螺栓應平衡調節，避免皮帶運行時跑偏。

⑵安裝調整結束后，變頻器參數設置為：Pr.79 = 2，Pr.4=30Hz

⑶ 編梯形圖，編譯后傳送到PLC。

⑷ 運行PLC 程序，并置于監控方式。在傳送帶進料口中心處放下工件后，按啟動按鈕啟動運行。工件被傳送到一段較長的距離后，按下停止按鈕停止運行。觀察監控界面上C235 的讀數，將此值填寫到表3的“高速計數脈沖數”一欄中。然后在傳送帶上測量工件移動的距離，把測量值填寫到表中“工件移動距離”一欄中；把監控界面上觀察到的高速計數脈沖值，填寫到“高速計數脈沖數”一欄中，則脈沖當量μ計算值=工件移動距離/高速計數脈沖數，填寫到相應欄目中。

⑸ 重新把工件放到進料口中心處，按下啟動按鈕即進行第二次測試。進行三次測試后，求出脈沖當量μ平均值為：μ=（μ1+μ2+μ3）/3=0.2576。

表3 脈沖當量現場測試數據表

按如圖5所示的安裝尺寸重新計算旋轉編碼器到各位置應發出的脈沖數：當工件從下料口中心線移至傳感器中心時，旋轉編碼器發出456 個脈沖；移至第一個推桿中心點時，發出650個脈沖；移至第二個推桿中心點時，約發出1021個脈沖；移至第三個推桿中心點時，約發出1361個脈沖。需要指出的是，每當待分揀工件下料到進料口，電機開始啟動時，必須對C235的當前值進行一次復位（清零）操作。

3、傳感器

在接近開關的選用和安裝中，應調節好傳感器的靈敏度，保證可靠動作。

4、推桿速度

調節氣缸的節流閥來控制推桿的速度，以免推力過大。

五、結束語

本文是一篇用于教學的分揀系統的論文。文章首先說明了系統的組成及工作流程，后著重闡述了系統的控制和實現，以及調試過程中注意事項，可有效指導學生在本設備上完成相關課程實踐教學任務。限于篇幅，論文仍有未詳盡之處，學生在今后學習中當認真聽取授課教師的講解，積極動手，完成訓練任務，達到學習知識和提高技能目的。

參考文獻：

（1） 王烈準，主編.電氣控制與PLC應用技術.北京：機械工業出版社，2012

（2）何用輝，主編.自動化生產線安裝與調試.北京：機械工業出版社，2012

（3） 三菱FX系列可編程控制器編程手冊

（4） 三菱FR-E700變頻器使用手冊