基于三菱PLC控制的智能篾條分選設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)施

薛 敏，胡青龍

（無錫市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇無錫 214000）

0 引言

竹林在世界范圍內(nèi)有著廣泛分布，竹子成林的生長周期短，被稱為“世界第二森林”[1]。在水土保持、環(huán)境保護(hù)、旅游發(fā)展等方面竹林資源發(fā)揮重要意義[2]。近年來隨著竹制品加工業(yè)的快速發(fā)展，使得竹制品迅速進(jìn)入千家萬戶，成為我們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚牟糠郑貏e是竹筷子、竹砧板、竹勺子、竹家具、竹地板等產(chǎn)品。此類產(chǎn)品的生產(chǎn)離不開竹條，竹條品質(zhì)的好壞決定了產(chǎn)品質(zhì)量的等級(jí)，最終影響到產(chǎn)品銷售收入的增漲。

竹子從竹筒到竹條需要經(jīng)過破竹、干燥、碳化等一系列預(yù)處理，當(dāng)竹條經(jīng)過前段預(yù)處理工序后，竹條進(jìn)入精刨機(jī)處理工序，因竹條受自身不同程度彎曲的影響，在其經(jīng)過精刨機(jī)精刨的過程中會(huì)出現(xiàn)拉絲、裂縫、棱邊缺損等現(xiàn)象，再加上竹條因自身原因出現(xiàn)的竹黃、竹青、蟲孔、霉?fàn)€等缺陷，這些缺陷的存在會(huì)嚴(yán)重影響竹條感官與等級(jí)。目前竹條缺陷與等級(jí)的分選主要依賴于人工分選，人工分選竹條增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，隨著分選工人的疲勞感增加也影響到竹條的分類等級(jí)，造成竹條等級(jí)的不穩(wěn)定。目前市場上也出現(xiàn)竹篾條自動(dòng)分選設(shè)備，但都依賴攝像機(jī)的單面拍照，只能檢測竹條上表面或者下表面的缺陷，無法檢測整根竹條的缺陷。如何克服這一矛盾，成為目前市場各家竹條分選機(jī)研究的方向和目標(biāo)。

1 產(chǎn)品描述

本文介紹的智能篾條分選設(shè)備在吸取單面拍攝的優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，利用鏡面反射原理研發(fā)的單相機(jī)雙面拍攝，克服了單面拍攝的不足，提高了智能分選的精度，降低了分選工的勞動(dòng)強(qiáng)度。通過智能篾條分選設(shè)備與精刨機(jī)的無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了竹條從精刨到分選的一體化，提高了竹條分選的工作效率。整套智能篾條分選設(shè)備由上料輸送機(jī)、智能拍照單元、出料輸送機(jī)、智能分選機(jī)構(gòu)4個(gè)部分組成。

2 控制要求

2.1 上料輸送機(jī)

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

上料輸送機(jī)連接精刨機(jī)與智能拍照單元，為竹條進(jìn)入智能拍照單元提供導(dǎo)向和動(dòng)力，竹條經(jīng)過精刨機(jī)會(huì)產(chǎn)生大量的竹屑，雖然在精刨機(jī)上安裝了吸塵裝置吸取了大部分竹屑，但還會(huì)存在少量的竹屑隨竹條進(jìn)入智能拍照單元。竹屑的進(jìn)入會(huì)影響視覺相機(jī)拍照效果，降低竹條的分類等級(jí)，因此在上料輸送單元上安裝動(dòng)力毛刷，進(jìn)行竹條的竹屑清除成為不可缺少的機(jī)構(gòu)之一。毛刷的旋轉(zhuǎn)方向與竹條運(yùn)行方向垂直，提高毛刷除屑效果，阻擋竹屑進(jìn)入，提高竹條的分類等級(jí)。上料輸送機(jī)的運(yùn)行方式采用開機(jī)運(yùn)行，無運(yùn)行前提條件，隨整體設(shè)備停機(jī)而停機(jī)。

2.2 智能拍照單元

智能拍照單元由拍照暗箱、旋轉(zhuǎn)編碼器及光電開關(guān)組成。拍照暗箱安裝有一臺(tái)視覺相機(jī)和4個(gè)閃光燈。視覺相機(jī)開始拍照時(shí)，4個(gè)閃光燈同時(shí)打開，為拍照提供光源。竹條長度為2 050~2 220 mm，由于拍照暗箱的尺寸只有450 mm，為了保證每根竹條的圖像采集能夠準(zhǔn)確，所以采用6次拍照，通過照片的拼湊完成竹條圖像采集。每次拍照的距離通過旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)算而來，經(jīng)過多次不同長度竹條進(jìn)行編碼器旋轉(zhuǎn)計(jì)算發(fā)現(xiàn)：第一次拍照距離420 mm，第二次拍照距離360 mm，第三次拍照距離360 mm，第四次拍照距離360 mm，第五次拍照距離360 mm。因旋轉(zhuǎn)編碼器的安裝位置決定第六次拍照無法通過編碼器的脈沖數(shù)來觸發(fā)拍照脈沖，所以第六次拍照采用竹條結(jié)束信號(hào)來觸發(fā)。視覺相機(jī)是集拍照與算法為一體的微型電腦，依據(jù)6次正反面拍照拼湊獲得一根竹條的照片，利用特殊的算法計(jì)算獲得竹條等級(jí)信號(hào)，通過自由口協(xié)議與PLC通訊，把竹條的等級(jí)信號(hào)發(fā)送個(gè)PLC，以便PLC進(jìn)行后續(xù)的一系列邏輯運(yùn)算[3]。

2.3 出料輸送機(jī)

出料輸送機(jī)的作用主要是為竹條進(jìn)入智能分類機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，竹條進(jìn)入智能拍照單元的動(dòng)力來源于上料輸送機(jī)，當(dāng)竹條的尾部離開上料輸送機(jī)后，竹條的運(yùn)行就失去了動(dòng)力來源，但此時(shí)的竹條運(yùn)行依賴于慣性。由于慣性的原因，竹條的頭部可以進(jìn)入智能分類機(jī)構(gòu)，但是尾部無法進(jìn)入，此時(shí)的竹條有一半的尺寸位于智能分類機(jī)構(gòu)之外，智能分類機(jī)構(gòu)就存在無法把竹條準(zhǔn)確放入分選框中，也存在損傷操作人員和設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，因此竹條進(jìn)入智能分類機(jī)構(gòu)處增加動(dòng)力來源成為必需配置。出料輸送機(jī)運(yùn)行方式與上料輸送機(jī)一樣，采用開機(jī)運(yùn)行，無運(yùn)行前提條件，隨整體設(shè)備停機(jī)而停機(jī)。

2.4 智能分選機(jī)構(gòu)

智能分選機(jī)構(gòu)的作用主要是進(jìn)行竹條等級(jí)分類，智能分選機(jī)構(gòu)由伺服輸送單元、上抬單元、夾取單元、分選小車4個(gè)部分組成。智能分選機(jī)構(gòu)配備8個(gè)分選小車對(duì)應(yīng)竹條的8個(gè)等級(jí)，竹條的等級(jí)由智能拍照單元通過換算成1~8給到PLC，PLC把接收到的1~8數(shù)字轉(zhuǎn)換成脈沖給到伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)運(yùn)行到對(duì)應(yīng)的分選小車的上方。竹條進(jìn)入到智能分選機(jī)構(gòu)后，上抬單元通過兩個(gè)氣缸同步動(dòng)作把竹條抬起后，夾取單元的兩個(gè)夾爪氣缸同步動(dòng)作夾起上抬單元抬起的竹條后，上抬單元回到初始位置等待下一個(gè)循環(huán)的到來。此時(shí)伺服輸送單元接收到對(duì)應(yīng)竹條等級(jí)的脈沖數(shù)快速把竹條運(yùn)送至對(duì)應(yīng)等級(jí)的分選小車上方，夾取單元立即打開夾爪氣缸放開竹條，伺服輸送單元立即回到竹條等待位置，等待下一根竹條的到來。伺服電機(jī)在運(yùn)行過程中既要考慮到滿足精刨機(jī)最快運(yùn)行的速度（精刨機(jī)設(shè)定的運(yùn)行速度），也要考慮設(shè)備運(yùn)行的柔性。

3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 PLC選型

當(dāng)前市場上PLC產(chǎn)品品牌眾多，不同品牌的產(chǎn)品在基本性能也有較大差別。目前市場上使用主流的PLC生產(chǎn)廠家有美國羅克韋爾、日本三菱、日本歐姆龍、德國西門子、法國施耐德等[4]。考慮到使用行業(yè)、價(jià)格成本、使用習(xí)慣等因數(shù)，綜合分析決定采用日本三菱電機(jī)公司生產(chǎn)的FX系列PLC作為智能篾條分選設(shè)備的控制器。

FX系列PLC是三菱PLC家族小型機(jī)的代稱，F(xiàn)X3GA是FX系列中的一種，它是一款緊湊型PLC，簡易的設(shè)計(jì)具備了FX系列的基本功能，通過強(qiáng)化后的內(nèi)置功能及靈活的擴(kuò)展性，擴(kuò)大了在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用具備小規(guī)模控制的高性價(jià)比。它支持高速運(yùn)算處理、高級(jí)定位控制，自帶1相6 ch集電極開路輸入，可控制60 kHz 2 ch+10 kHz 4 ch輸入或者60 kHz 4 ch+10 kHz 2ch輸入，晶體管輸出基本單元內(nèi)置2軸定位控制。基本指令運(yùn)算達(dá)到0.21μs∕指令，應(yīng)用指令0.5μs∕指令[5]。可見三菱FX3GA系列PLC能夠滿足智能篾條分選設(shè)備的控制要求。

3.2 I/O分配

根據(jù)智能篾條分選設(shè)備控制要求的需要，有如下主要設(shè)備：單相調(diào)速電機(jī)2臺(tái),伺服電機(jī)1臺(tái)，旋轉(zhuǎn)編碼器1個(gè)，夾料氣缸電磁閥1只，上抬氣缸電磁閥1只，暗箱吹氣與毛刷吹氣電磁閥1只（雙線圈），拍照曝光燈控制板2只，相機(jī)拍照驅(qū)動(dòng)板1只，柱狀報(bào)警燈1只，光電檢測開關(guān)6個(gè)，啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、維護(hù)按鈕、急停按鈕各1只[6]。

（1）輸入端

啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、維護(hù)按鈕、急停按鈕：4點(diǎn)；伺服電機(jī)控制：2點(diǎn)；旋轉(zhuǎn)編碼器：1點(diǎn)；氣缸限位點(diǎn)：8點(diǎn)；光電傳感器[7]：6點(diǎn)；以上輸入共計(jì)21點(diǎn)。

（2）輸出端

伺服電機(jī)：3點(diǎn)（含1個(gè)高速脈沖輸出點(diǎn)）；夾料氣缸電磁閥[8]：1點(diǎn)；上抬氣缸電磁閥[8]：1點(diǎn)；暗箱吹氣與毛刷吹氣電磁閥：2點(diǎn)；拍照曝光燈控制板：2點(diǎn)；相機(jī)拍照驅(qū)動(dòng)板：1點(diǎn)；設(shè)備按鈕運(yùn)行指示：1點(diǎn)；單相調(diào)速電機(jī)2臺(tái)：1點(diǎn)；報(bào)警狀態(tài)指示：4點(diǎn)，以上輸出共計(jì)16點(diǎn)。

結(jié)合智能篾條分選設(shè)備的特點(diǎn)以及輸入∕出的點(diǎn)數(shù)，并在考慮備用量基礎(chǔ)上,選用三菱FX3GA-60MT-CM可編程序控制器作為主控制模塊。

3.3 系統(tǒng)控制邏輯圖

智能篾條分選設(shè)備的控制難點(diǎn)在于可編程邏輯控制器（PLC）與智能拍照單元視覺相機(jī)間通訊，因智能篾條分選設(shè)備的運(yùn)行速度取決于精刨機(jī)的運(yùn)行速度且大于精刨機(jī)的運(yùn)行速度，所以可編程邏輯控制器（PLC）發(fā)出拍照命令到接受竹條等級(jí)命令的時(shí)間需要嚴(yán)格計(jì)算，確保接收到竹條等級(jí)信號(hào)到第二次發(fā)出拍照命令之間有時(shí)間差。根據(jù)智能篾條分選設(shè)備的通訊控制要求，繪制控制邏輯圖[9]，如圖2所示。

圖2 控制邏輯

3.4 控制系統(tǒng)的部分梯形圖

根據(jù)智能篾條分選設(shè)備的通訊控制邏輯編寫出系統(tǒng)的通訊控制程序梯形圖。如圖3所示。

圖3 通訊部分程序

4 結(jié)束語

智能篾條分選設(shè)備屬于精刨機(jī)下游設(shè)備，考慮視覺算法運(yùn)算時(shí)間，其運(yùn)行速度需大于精刨機(jī)的運(yùn)行速度，如果智能篾條分選設(shè)備運(yùn)行速度小于等于精刨機(jī)運(yùn)行速度就會(huì)在上料輸送機(jī)或者出料輸送機(jī)處出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，從而影響整個(gè)精刨分選系統(tǒng)的運(yùn)行。智能篾條分選設(shè)備在現(xiàn)場安裝使用后，使用熟練工人操作精刨機(jī)減少竹條進(jìn)入精刨機(jī)的間隔時(shí)間，發(fā)揮其最快運(yùn)行速度，通過近一個(gè)月的運(yùn)行測試，智能篾條分選設(shè)備的運(yùn)行速度完全跟上精刨機(jī)的運(yùn)行速度，未出現(xiàn)堵料現(xiàn)象，且竹條分選效果達(dá)到預(yù)期，分選結(jié)果穩(wěn)定。原來由兩臺(tái)精刨機(jī)配備兩名分選人員到現(xiàn)在配備一名分選人員（主要負(fù)責(zé)機(jī)器嚴(yán)判產(chǎn)品的復(fù)選工作），節(jié)省了分選工作的勞動(dòng)成本，降低其勞動(dòng)強(qiáng)度。設(shè)備運(yùn)行過程中不需要人員參與，設(shè)備操作簡單、運(yùn)行可靠、故障率低，得到用戶的廣泛好評(píng)，為智能篾條分選設(shè)備的后續(xù)批量化生產(chǎn)提供經(jīng)驗(yàn)，此設(shè)備值得推廣使用。