基于PLC控制的竹片顏色在線分選系統設計

劉 紅 夏穎怡

（云南機電職業技術學院，昆明 650203）

隨著國家對綠色環保的要求越來越高，利用價格低廉、易于取材的竹材制作竹地板深受消費者喜愛，市場發展迅速。竹地板的制作主要分為基材（竹片）的加工、選片分揀和基材組合后加工三個過程。其中，選片分揀是按照生產企業的要求，對竹片的主檢測面（通常為正面）進行4～6種的顏色分類。傳統的人工分色分揀效率低，誤差大。

基于竹片顏色特征的在線選片分揀系統主要由機器視覺模式識別系統（稱之為上位機）和機械分選控制系統（稱之為下位機）兩大子系統組成。上位機采用配有USB接口、工業以太網接口的工業相機對竹片樣品進行拍照取樣，將采集到的圖像傳輸到計算機內的指定路徑下進行數字圖像的讀取。而數字圖像處理、特征提取、圖像分類和結果輸出等模式識別算法則利用計算機系統軟件MATLAB7.0來實現。下位機由上料裝置、傳動裝置、分選裝置以及PLC控制裝置組成。上位機將識別結果傳輸到下位機，下位機根據識別結果，通過PLC控制裝置控制相互配合的三個機械裝置完成竹片的上料、傳動、分揀和入庫工作，實現竹片分選的自動運行，如圖1所示。

圖1 機械部分結構

1 下位機機械結構設計

1.1 上料裝置

上料裝置的上料功能主要由離心振蕩器來完成。通過中心底部的電磁離心振動形成從中間向兩邊的擴散式振動效果，使竹片向四周擴散并逐步振動到裝置內壁的平臺上，并以一定的速度沿四周螺旋式向上移動，經過多個壓緊裝置以及只允許一個竹片通過的軌道，竹片以后面推著前面為動力，緊密排列移動到振動上料裝置的出口，進入傳動裝置。

1.2 傳動裝置

傳動裝置由電機驅動輸送帶進行傳動。電機采用轉動震動、噪音小，對電子硬件設備干擾小的220V單項交流電機，轉速為1000r/min。

1.3 分選裝置

分揀裝置主要由步進電機、步進電機驅動、分選槽、分類倉組成。步進電機采用42J1834-810型步進電機，步進電機驅動使用M415B驅動器，二項驅動輸出，電流≥1A，細分≥12800步/圈。分選槽由絲桿螺母配合工作，帶動氣缸運動，由氣缸桿（滑竿）完成分選動作。分類倉按照竹片四種顏色分類需求設置了四個分選庫和一個廢料庫，如圖2所示。

圖2 分揀裝置機械原理

1.4 下位機的工作過程

上料裝置通過離心振蕩器不斷工作，使后面竹片推著前面竹片呈緊密排列狀螺旋上升，來到振動上料裝置的出口，之后進入一個有弧度的四槽連接桿，四連桿只有一個竹片寬。由于自身的重力作用和后方竹片的推動作用，竹片在連接桿中勻速滑落，平穩落到輸送皮帶上，此時竹片彼此是相切的。竹片隨輸送皮帶向工業相機移動，工業相機的紅外檢測裝置探測到竹片來到工業相機下方，此時發送一個脈沖信號給上位機。上位機收到信號后發送一個上升信號給工業相機模塊，命令相機對竹片進行拍照，之后相機將采集到的數字圖像發送到上位機。上位機接收到數字圖像后對圖像進行處理和模式識別，完成識別后向下位機發送識別結果。下位機收到識別結果后，控制分揀裝置工作。此時，竹片已經隨著傳送皮帶落入分揀槽中。下位機根據收到的識別結果控制分揀裝置移動到對應竹片種類庫邊，由分揀裝置中的滑竿推出部件將竹片推入庫中完成分揀。如果上位機的識別表明樣品竹片不屬于4類標準竹片中的任何一件，則發指令給下位機控制分揀裝置將竹片推入廢料庫中。

2 PLC控制裝置

PLC（Programmable Logic Controller），作為一個專門為工業現場應用而設計的以微處理器為核心的數字運算操作的電子系統裝置，具有操作方便、功能強大、硬件配套齊全、用戶使用方便、可靠性高、抗干擾能力強等特點。它用軟件代替了傳統電氣控制線路中極多的中間繼電器和時間繼電器，這樣由觸點接觸不良而形成的故障得到有效降低。PLC擁有一系列的硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，其每一萬小時故障率在1%以下，在工業生產領域被認為是最可靠的控制設備之一。同時，PLC自帶BUS纜線或RS-232通信接口，較高階的帶有USB或以太網路方式做通信接口，這些通信模塊能使它很方便地和上位機（計算機）進行聯機，組成在線系統。

為驗證PLC是否能夠按照人預設的工作流程進行工作，通過PLC軟件編程設置將PLC工作流程以梯形圖、語句表或功能塊圖的方式編制后進行虛擬仿真，以驗證PLC控制程序是否能可靠穩定運行。

2.1 PLC硬件設計

CPU224型具有AC/DC/RE，即220V交流/24V直流/繼電器等三種輸出，它正可以滿足機械裝置220V單項交流電機、24V步進電機的控制和供電需要。因此，采用西門子S7-200PLC作為下位機主控部件，配合步進電機、電磁閥控制整個機械裝置正確工作。它可以自己進行單機調試，也可以和上位機聯機構成完整功能的竹片在線分選系統。輸入輸出分配如表1所示，S7-200 CPU224 AC/DC/RE的接線圖如圖3所示。

2.2 PLC軟件虛擬仿真設計

STEP7-MicroWIN SMART是基于Windows平臺專為SIMATIC系列S7-200研制開發的編程軟件，可方便地與工業相機、計算機的數據圖像信號進行傳輸，也可使用計算機作為圖形編輯器，用于聯機或脫機模擬仿真的開發用戶程序，并可在線實時監控用戶程序的執行狀態，故采用STEP7-MicroWIN SMART編程軟件來編制在線分選系統的梯形圖、指令語句表、功能塊圖，實現PLC控制在線分選系統的虛擬仿真，在調試過程的虛擬仿真中不僅可以進行自動演示也可以進行手動分步演示。

表1 PLC輸入輸出分配

3 上、下位機的通信與聯機調試

3.1 上、下位機的通信

OPC（OLE for Process Control）技術是基于微軟公司COM和DCOM技術，創造的一種適用于自動化領域的軟件接口標準，具有傳輸可靠、速度快的特點。每個支持OPC接口標準的硬件廠商為其設備開發一個OPC服務器，提供必要的OPC數據訪問標準子接口。采用OPC技術，使上位機由MATLAB7.0軟件編制的模式識別主程序，可以直接和PLC實現數據互換，實現主程序和PLC之間的通信。

圖3 PLC接線圖

MATLAB7.0軟件包含了OPC客戶端數據訪問軟件OPC Toolbox，通過OPC Toolbox可以連接所有的OPC數據服務器。參照主程序中的OPCToolbox對象模型，以S7－200 OPC Server為OPC服務器，Matlab7.0軟件為客戶端，建立OPC通信，把主程序識別數據傳送到下位機中，同時通過這一通信通道接收PLC發來的反饋分類完畢信號。

3.2 聯機調試

為驗證PLC控制程序的可靠性，應用STEP7-MicroWIN SMART軟件進行系統上下位機聯機調試虛擬仿真。

在STEP7-MicroWIN SMART中編譯所要調試的程序，將程序裝載到S7-200 SIM 2.0中。打開MATLAB7.0主程序調試OPC接口，在主程序窗口中運行分選主程序。通過運行得出分類結果為第一類。在S7-200 SIM 2.0軟件中模擬PLC運行結果為第一類的運行情況，說明主程序和PLC通信完成，聯機調試成功。

4 結論

通過對竹片顏色自動分選系統機械分選裝置和PLC控制裝置的優化設計，人們實現了PLC對機械分選部分的上料、傳動、分選、入庫的過程控制。利用軟件進行虛擬仿真對上、下位機進行通信聯機調試，使得系統開發周期縮短、現場調試容易，需要修改程序或者需要改變控制方案時不需要改動硬件架構，并且可以實現單機/聯機運行、手動/自動控制、故障自動停止和報警等。整個系統在PLC的控制下可靠運行，解決了人工分類的煩瑣、精確度不高的問題。