PLC和傳感器技術在物料搬運與分揀作業中的應用

王治學

【摘 要】物料搬運和分揀作業是農業、化工、電子、郵政等生產工作中一個不可或缺的環節。我國多數企業在搬運和分揀時，大多處于人工操作或半自動化控制階段，對于生產任務較多的企業來講工作效率低，消費人工成本大，可靠性達不到要求。設計了一種基于PLC和多種傳感器的物料搬運和分揀系統，可以對不同材質、不同顏色的物料進行快速正確的分揀，對提高企業的生產效率、降低生產成本具有重要意義。

【關鍵詞】物料搬運;物料分揀;PLC;傳感器

中圖分類號： TH-39 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）05-0098-003

0 引言

物料搬運和分揀作業是農業、化工、電子、郵政等生產工作中一個不可或缺的環節。隨著我國生產力水平的不斷提高，傳統的人工搬運分揀方式因為效率低、易出錯、不能連續工作等缺點已不能滿足企業需求。自動化搬運和分揀生產線的出現提升了效率、降低了出錯率、減少了人工成本。整個系統的作業由PLC（可編程控制器）來控制，它具有可靠性高、運行速度快等優點，是繼電器系統不能比擬的。同時在整個搬運分揀過程中，PLC配合光纖、金屬、光電等傳感器當作輸入信號，可以對不同材質、不同顏色的物料進行快速正確的分揀。新的控制要求出現時，只需編寫和下載新的程序即可，對提高企業生產效益有著重要的意義。

1 系統工藝流程

1.1 物料搬運操作工藝分析

物料搬運系統主要由PLC控制機械手來完成，還包括：伺服電機，伺服驅動器，限位開關，電磁閥，電磁開關傳感器等。其作用是從物料輸出點抓取待分揀物料，然后搬運至分揀系統的物料入口進行放置，完成一個周期動作。在整個系統工作時，機械手一直重復這個周期性的動作。機械手可以執行的動作有：夾緊和松開、伸出和縮回、上升和下降、左轉和右轉，除夾緊和松開用的是單向電磁閥，其余都是雙向電磁閥進行控制。機械手的左右行走受伺服電機驅動，其自動工作過程如圖1所示。

1.2 物料分揀操作工藝分析

物料分揀系統可對不同的材質（金屬與非金屬）和不同的顏色（深色與淺色）進行分類，根據設計要求，把他們分別儲存在三個卸料槽中。如一號槽為金屬物料，二號槽為非金屬淺色物料，三號槽為非金屬深色物料。每個槽入口都有一個氣缸，負責把物料推入其中，在一號槽入口的上方裝有金屬傳感器，二號槽入口上方有光纖傳感器。當處在物料入口的光電傳感器收到信號后，啟動傳送帶運行。為了準確定位，可加入旋轉編碼器，把位置誤差控制在1mm之內，體現準確性。圖2所示為物料分揀系統結構圖。工藝流程圖如圖3所示。

2 PLC通信系統

本系統由兩臺西門子S7-200PLC（一臺226和一臺224）作為主控CPU。選取晶體管輸出模式的CPU226作為主站，地址為1，用來控制搬運機械手;選取繼電器輸出模式的CPU224作為從站，地址為2，用來控制物料分揀，同時這臺PLC還需要連接變頻器MM420，用來控制傳送帶的運行速度。變頻器根據所控制電動機額定參數等信息來設置參數，如表1所示。兩臺PLC采用PPI協議傳輸數據，通過RS-485組成一個單主站通信系統。

3 電氣控制系統設計

3.1 物料搬運電氣控制設計

機械手初始狀態在原點位置，各執行機構的狀態為：下降、松開、縮回、右轉。為了方便控制，機械手裝有7個限位傳感器，分別是：下降到位、上升到位、左轉到位、右轉到位、伸出到位、縮回到位和夾緊到位。每個傳感器有兩個功能：用來停止當前動作和執行下一步動作。

當按下啟動按鈕時，機械手先執行抓取動作，首先是伸出動作;當伸出到位傳感器得到信號后，停止伸出，執行夾緊動作;當加緊到位傳感器有信號時，停止加緊，執行上升動作;當上升到位有信號時，停止上升，執行縮回動作;當縮回到位后，執行左轉動作;當左轉到位時給伺服電機信號，使之驅動機械手左行，根據確切的行走距離提供高速脈沖的個數，保證到達準確的位置。機械手左行到位后，執行放置物料動作，首先是伸出動作;伸出到位后，執行下降動作;下降到位后，執行松開動作;松開到位后，執行縮回動作;縮回到位后執行右轉動作;右轉到位后，再次給伺服電機發送信號，驅動機械手返回原點抓取下一個物料。

需要說明的是：控制機械手的PLC有兩個輸出點Q0.0和Q0.1。一個負責輸出高速脈沖，另一個負責控制運行方向，如果Q0.0管發脈沖，那么Q0.1就負責方向。想要使機械手順利返回原點，必須要求Q0.1得電，這樣才能右行，否則機械手會繼續左行，可能會引起安全問題。表2是CPU226控制機械手輸入、輸出點配置表。

3.2 物料分揀電氣控制設計

如圖2所示，當入口的光電傳感器檢測到信號時，給PLC發出指令，驅動變頻器按照設定的速度運行傳送帶。當物料被傳送到1號槽入口時，如果金屬傳感器有信號，則PLC會讓1號氣缸的電磁閥得電，氣缸彈出，把物料推入1號槽，同時停止傳送帶。如果金屬傳感器沒有檢測到，說明物料是非金屬，傳送帶會繼續把物料往下運輸，直到經過2號槽入口處的光纖傳感器。如果光線傳感器有信號，說明物料是淺色的，光纖傳感器發出信號，PLC讓2號氣缸的電磁閥得電，氣缸彈出，把物料推入2號槽，同時停止傳送帶。如果光線傳感器沒有檢測到信號，則說明該物料是非金屬深色，需要被推入3號槽。表3為CPU224輸入、輸出點配置表。圖4為物料分揀系統測試程序。

4 結論

通過PLC和傳感器的配合使用，加以伺服、變頻技術的支持，可以準確的對物料進行搬運并對金屬和非金屬，深色和淺色物料進行分揀。如果進一步研究還可以對不同材質的金屬物料進行分揀，同時加入電容傳感器和電感傳感器就可以精確地分揀出鋁和鐵的物料。經過反復的實驗，該系統運行穩定、分揀速度快、誤差率低，能長時間連續地分揀物料，降低了人工成本，提高了生產效率，值得推廣。

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圖4 物料分揀系統測試程序