基于PLC控制的物件識(shí)別與分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王鳳娟

（南通市藍(lán)領(lǐng)技工學(xué)校）

0 引言

生產(chǎn)線物件識(shí)別與分揀系統(tǒng)也稱為自動(dòng)識(shí)別分揀系統(tǒng)，起源于歐洲國家，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，物件識(shí)別與分揀系統(tǒng)成為現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)線中不可或缺的部分[1-2]。該系統(tǒng)普遍應(yīng)用于物流行業(yè)、快遞行業(yè)、零件制造行業(yè)、交通運(yùn)輸行業(yè)等[3-4]。物件識(shí)別和分揀系統(tǒng)是從大數(shù)據(jù)中篩選出某一類數(shù)據(jù)的一個(gè)自動(dòng)系統(tǒng)。能夠在海量的物件當(dāng)中識(shí)別并分揀出相應(yīng)類別的物件，提高生產(chǎn)效率，并且降低人工成本。傳統(tǒng)的人工分揀效率低、不能連續(xù)作業(yè)、誤差率高，增大工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，不利于企業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)，也加大企業(yè)的運(yùn)行成本。鑒于此，基于PLC控制技術(shù)的識(shí)別、分揀系統(tǒng)在環(huán)節(jié)中起到很重要的作用[5-6]。

1 系統(tǒng)總體功能需求

基于PLC控制的物件識(shí)別與分揀系統(tǒng)，通過傳感器對(duì)物件進(jìn)行檢測，識(shí)別物件的材質(zhì)和顏色，由PLC對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)分揀功能[7-8]。當(dāng)物件由出料口進(jìn)入傳動(dòng)設(shè)備后，各傳感器對(duì)其進(jìn)行檢測，當(dāng)被某一個(gè)傳感器檢測到時(shí)，PLC控制對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)裝置將物件推入到對(duì)應(yīng)的容器中，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化生產(chǎn)線分揀系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)控制流程如下：

1）分揀系統(tǒng)接通電源同時(shí)按下啟動(dòng)按鈕，皮帶傳送裝置開始工作。當(dāng)光電傳感器檢測到出料口有物件時(shí)，傳送皮帶停止運(yùn)行，PLC控制出料氣缸5動(dòng)作，物件被推送到皮帶傳送裝置，傳送皮帶恢復(fù)運(yùn)行。

2）當(dāng)物件被電感傳感器檢測為金屬材質(zhì)時(shí)，傳送裝置停止運(yùn)行，PLC使能氣缸4動(dòng)作，并將金屬物件推送到容器4，傳送裝置恢復(fù)運(yùn)行。

3）當(dāng)物件被電容傳感器檢測為非金屬材質(zhì)時(shí)，傳送裝置停止運(yùn)行，PLC使能氣缸3動(dòng)作，并將非金屬物件推送到容器3，然后傳送裝置恢復(fù)正常運(yùn)行。

4）當(dāng)顏色傳感器檢測到物件為紅、黃、藍(lán)某一顏色時(shí)，傳送裝置停止工作，PLC使能氣缸2動(dòng)作，將物件推送到容器2，然后皮帶傳送裝置繼續(xù)運(yùn)行，這樣就能根據(jù)顏色對(duì)物件進(jìn)行分揀。無特殊要求的物件被傳感器檢測以后，皮帶傳送裝置運(yùn)行停止，相應(yīng)的氣動(dòng)裝置會(huì)把該物件推送到對(duì)應(yīng)的容器中，完成后傳送裝置繼續(xù)恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。出料口沒有物件被檢測到時(shí)，皮帶傳送裝置運(yùn)行一個(gè)周期自動(dòng)停止工作。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

物件識(shí)別與分揀系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)主要由識(shí)別機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。具體如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

（1）識(shí)別機(jī)構(gòu)

系統(tǒng)的識(shí)別機(jī)構(gòu)主要由各種類型的傳感器組成。傳感器是一種檢測元件，具有小型化、數(shù)字化、智能化、多功能化和系統(tǒng)化的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用光敏和色敏元件對(duì)物件進(jìn)行辨識(shí)，完成分揀操作，傳感器可以把采集到的信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或其他信號(hào)，這樣就可以滿足信號(hào)處理、分析、顯示、記錄和控制的需求，精確的檢測信息是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)通過電感傳感器對(duì)金屬材質(zhì)的物件進(jìn)行分揀，通過電容傳感器對(duì)非金屬材質(zhì)的物件進(jìn)行分揀，通過光電傳感器對(duì)出料口是否有物件進(jìn)行判斷，通過顏色傳感器對(duì)紅、黃、藍(lán)三種不同顏色的物件進(jìn)行分揀。

（2）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

皮帶傳送裝置由變頻器控制電動(dòng)機(jī)來對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，變頻器根據(jù)傳送帶上物件的重量實(shí)現(xiàn)變速控制，通過PLC實(shí)現(xiàn)變頻器對(duì)電機(jī)速度和轉(zhuǎn)向的控制。

（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)

包括出料單元、傳送單元、分揀單元。通過變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，從而控制皮帶傳送設(shè)備的運(yùn)行，傳感器對(duì)物件材質(zhì)等信息進(jìn)行辨識(shí)，由PLC控制對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)裝置并將其推送到對(duì)應(yīng)的容器。分揀單元的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)物件的分揀，從而保證不同材質(zhì)、不同顏色的物件通過不同的容器分揀歸類。

物件識(shí)別與分揀系統(tǒng)是一個(gè)可擴(kuò)展的設(shè)備，用戶可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇設(shè)備單元數(shù)量和類型。系統(tǒng)由多個(gè)單元組成，通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)分揀系統(tǒng)各個(gè)單元進(jìn)行分布式控制和監(jiān)控。物件識(shí)別與分揀系統(tǒng)包含檢測技術(shù)、傳感器應(yīng)用、電氣傳動(dòng)和氣動(dòng)控制等技術(shù)領(lǐng)域，同時(shí)綜合應(yīng)用電機(jī)伺服控制和變頻器技術(shù)等知識(shí)體系，是一個(gè)多學(xué)科交叉的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。

S7-200 SMART系列的PLC屬于整體式PLC，是一種小型PLC，適用于各種場合的檢測及控制自動(dòng)化應(yīng)用，具有很高的性價(jià)比。CPU選擇S7-200 SMART系列標(biāo)準(zhǔn)型CPU SR40，該CPU直接集成了24路輸入/16路輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)。最大可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O 點(diǎn)，具有多達(dá)13KB程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，另外配有6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出。在通信接口方面具有2路RS485通訊/編程口，能夠兼容PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議等。另外系統(tǒng)還需要再擴(kuò)展一個(gè)模擬量模塊EM AE08。

由于該物件識(shí)別與分揀設(shè)備均為開關(guān)量控制，需要的I/O點(diǎn)數(shù)并不是不多，因此，小型的PLC即可滿足設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)采用西門子S7-200 SMART型PLC作為核心控制平臺(tái)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 傳送帶原理

該系統(tǒng)是把物件傳送作為被控對(duì)象而構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。傳感器從傳動(dòng)系統(tǒng)獲取位移信號(hào)，位移信號(hào)經(jīng)過調(diào)理整定后送到S7-200 SMART型PLC的模擬量采樣通道，與給定信號(hào)作比較生成偏差信號(hào)，偏差信號(hào)經(jīng)過S7-200 SMART型PLC的PID調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行PID運(yùn)算后發(fā)出控制電壓信號(hào)，送到G120變頻器上，由G120變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，即實(shí)現(xiàn)了傳送系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)原理如圖3所示。

圖3 傳送系統(tǒng)控制原理

3.2 PID控制算法

在實(shí)際工程中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今以結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其他技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。

PID調(diào)節(jié)器是一種線性關(guān)系的控制器，它根據(jù)目標(biāo)值與實(shí)際值的偏差量將偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)最終實(shí)際值的控制，其控制目標(biāo)是目標(biāo)值。常規(guī)的PID控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 PID控制器結(jié)構(gòu)框圖

其傳遞函數(shù)可以表達(dá)為：

控制理論和數(shù)學(xué)分析中，一般借助拉普拉斯變化和傅里葉變換來幫助分析系統(tǒng)的某些特性，比如暫態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)等。但是在程序中，只能根據(jù)時(shí)域中的離散化的表達(dá)式來編寫算法。所以將上式轉(zhuǎn)換成時(shí)域表達(dá)式為：

需要在計(jì)算機(jī)中通過編程實(shí)現(xiàn)式（2），而式（2）又是連續(xù)時(shí)間的表達(dá)式，所以只能先將其離散化，推導(dǎo)出它的差分方程如下：

4 編程說明

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求、I/O地址分配表和程序流程圖，對(duì)PLC程序進(jìn)行編寫，梯形圖如圖5所示。

圖5 梯形圖

系統(tǒng)接通電源啟動(dòng)后，X005常開觸點(diǎn)接通，繼電器M7得電其常開觸點(diǎn)閉合，接觸器Y010得電從而啟動(dòng)電機(jī)，傳送系統(tǒng)工作；當(dāng)停止開關(guān)按下時(shí)，X006常閉觸點(diǎn)斷開，繼電器M7失電從而停止電機(jī)，傳送系統(tǒng)停止運(yùn)行。

光電傳感器檢測到出料口有物件時(shí)，X000閉合使電磁閥Y000得電，對(duì)應(yīng)氣缸開始動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)Y000斷開，電機(jī)停止工作。

電感傳感器檢測到金屬物件時(shí)，X001閉合使電磁閥Y001得電，對(duì)應(yīng)氣缸開始動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)Y001斷開，電機(jī)停止工作。

電容傳感器檢測到非金屬物件時(shí)，X002閉合使電磁閥Y002得電，對(duì)應(yīng)氣缸開始動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)Y002斷開，電機(jī)停止工作。

顏色傳感器檢測到某一顏色物件時(shí)，X003閉合使電磁閥Y003得電，對(duì)應(yīng)氣缸開始動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)Y003斷開，電機(jī)停止工作。

備用傳感器檢測到相應(yīng)物件時(shí)，X004閉合使電磁閥Y004得電，對(duì)應(yīng)氣缸開始動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)Y004斷開，電機(jī)停止工作。

傳感器沒有檢測到出料口有物件時(shí)，X000常閉觸點(diǎn)閉合，T0接通，計(jì)時(shí)器開始工作，時(shí)間計(jì)到程序設(shè)定值后常閉觸點(diǎn)T0斷開，電機(jī)停止工作。如果時(shí)間沒有計(jì)到設(shè)定值，此時(shí)檢測到有物件，那么傳感器X000常開觸點(diǎn)就會(huì)閉合，電磁閥Y000得電，常閉觸點(diǎn)Y000失電斷開，計(jì)時(shí)器T0停止計(jì)數(shù)。

5 結(jié)束語

本文在全面了解可編程邏輯控制技術(shù)的基礎(chǔ)之上，首先針對(duì)分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求明確分揀系統(tǒng)的任務(wù)和功能，并詳細(xì)研究可編程邏輯控制器的工作原理，然后進(jìn)行分揀系統(tǒng)方案的研究和制定，各部分設(shè)備的選型，接著進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)備和軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試等工作。本系統(tǒng)采用西門子S7-200 SMART型PLC作為控制核心，充分發(fā)揮PLC編程方便，運(yùn)行可靠的特點(diǎn)，取得了理想的控制效果，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。