基于PLC的廢舊液晶屏自動化檢測與識別生產線控制系統設計

曾靜，李笑芝，馮家樂，張振響

（合肥工業大學，安徽 合肥 230009）

液晶屏因其具備能耗低、集成性高、無輻射、顯示效果優和質量輕等優點，被廣泛應用于各類電器電子產品。因此，隨著各類電子產品廢棄量的不斷增加，我國每年都會產生規模巨大的廢舊液晶屏。一方面，廢舊液晶屏中含有液晶和重金屬等對人體有害的物質；另一方面，它也含有高價金屬銦等可用資源[1]。

如果能夠實現廢舊液晶屏的高效回收再利用，將會極大地緩解我國部分資源緊張的壓力，有效減少廢舊移動終端回收處理不當所造成的環境危害。

目前，由于不同種類液晶屏的結構和尺寸不同，國內的廢舊液晶屏回收技術仍以人工分揀為主，該方法智能化程度低且工作量大，分揀精度受人為因素影響較大，效率不高[1]。針對上述問題，研發了一種以PLC為核心的廢舊液晶屏自動化檢測與識別生產線，用于實現廢舊液晶屏的型號檢測與識別、精準分類、快速分揀及自動貼標等功能，具有邏輯控制功能較強、編程簡單、遠程通訊性能良好、控制精度及響應速度高等優點。

1 控制系統總體方案設計

1.1 控制系統設計需求分析

在廢舊液晶屏自動化檢測與識別生產線中，控制系統主要根據生產線的工藝流程和動作要求，控制傳輸線、滑臺模組、氣缸和電機等現場硬件設備，進行各機械模塊的獨立控制及協同工作，確保生產線的高效精準運行。因此，控制系統的具體功能需求分析如下。

1.1.1 自動運行功能。控制系統應確保在自動運行模式下，生產線可根據實際需要，對物料輸送線、檢測平臺、分揀模塊等進行調試，具備進行連續檢測與識別工作的能力，完成相應任務。

1.1.2 設備動作控制功能。控制系統應能夠控制傳輸線啟停、電機轉速、控制真空吸盤和氣缸等，滿足不同種類和尺寸廢舊液晶屏的檢測與識別要求。

1.1.3 通訊功能。控制系統應具備上位機與控制器之間實時通訊的功能[2]。

1.1.4 數據收集與反饋功能。控制系統能夠利用傳感器、編碼器等完成現場設備的相關數據采集工作，并及時反饋至上位機軟件平臺，便于工程師及時感知生產線的運行狀況，并對突發情況進行處理。

1.1.5 故障報警及保護功能。控制系統應自動檢測生產線故障，具備緊急情境下自動停機的功能，并負責實時反饋報警信息，以便工程師針對故障情況進行檢修和維護。

目前內固定物失效仍是肩袖修復的主要并發癥之一，因此可靠的初始內固定強度對于肩袖撕裂修復十分重要。Meier等［18］通過在30例尸體的肩關節上模擬全層撕裂的肩袖損傷，分別采用穿骨縫合、單排錨釘縫合、雙排錨釘縫合。其結果顯示錨釘固定的抗拉力強度明顯強于穿骨縫合，雙排錨釘明顯強于單排錨釘，且當雙排錨釘固定試驗的拉力強度達到設定最大限度時，仍未出現內固定失效情況，這也說明雙排錨釘能為肩袖修復內固定維持提供高強度抗拉力作用。

1.2 控制系統總體方案

考慮廢舊液晶屏自動化檢測與識別生產線由多種模塊、工藝組合形成，結合控制系統的設計需求分析，從可靠性和可擴展性角度出發，控制系統的總體方案設計采取模塊化的組合方式，根據不同模塊和工序的特點設計出相應的功能模塊子系統，結合工業控制器，通過數據連接與通訊方式形成完善的控制系統。圖1 為控制系統的體系結構圖。

圖1 控制系統體系結構圖

從圖1 可知，廢舊液晶屏自動化檢測與識別生產線控制系統主要由以下部分組成：監控管理系統、主控制系統、微觀控制系統和自動運輸控制系統等。其中，監控管理系統作為控制系統的中樞，主要負責進行軟件設計工作，具體包括運動程序設計、設備組態、驅動標簽打印、啟動光學檢測模組并完成圖像信息采集等。最重要的是，監控管理系統將各功能模塊子系統進行集成設計，提供可視化界面，簡化了控制系統的操作流程；主控制系統以PLC 可編程邏輯控制器作為主控制核心，主要包括物料傳輸模塊的動力控制、分隔擋停及快速分揀機構的運動控制、自動化識別設備聯動控制和自動貼標子系統行程控制等；微觀控制系統因為檢測工位現有工藝特點，采用獨立的微觀控制器，設計出功能獨立的工作站，主要完成絲桿滑臺模組的運動控制、壓力傳感信號的采集處理和抽真空氣動裝置控制等；自動運輸系統因為完成遠距離運輸工作，無法使用有線通訊方式，故采用微控制器作為運輸小車控制中心，通過工控機與上位機進行無線通訊，實現遠程運動控制與信息反饋，進一步提高生產線的自動化程度。

2 控制系統硬件設計

2.1 主控制系統硬件設計

根據控制系統體系結構設計和生產線工作過程分析，主控制系統是實現廢舊液晶屏自動化檢測與識別生產線各部分協調工作的核心，主要負責物料傳輸、快速分揀、自動貼標等模塊的獨立運動控制以及各模塊間的聯動控制。

根據PLC 類型選擇標準，由于主控制系統需要的數字量輸入與輸出點較多，要求PLC 內部存儲資源較大。為滿足廢舊液晶屏自動化檢測與識別生產線控制系統在工業應用現場的控制需求，選擇西門子公司的S7-1500 系列緊湊型CPU1512C-1PN 型號PLC 作為主控制器。該型號PLC 具備程序存儲量250 KB，數據存儲容量24 MB，板載32 路數字量輸入點和輸出點[3]，可以滿足廢舊液晶屏自動化檢測與識別生產線的要求。同時，該控制器集成了四路高速脈沖輸出接口，可結合內部軸工藝對象實現多軸聯動和在線監測。此外，該控制器可以通過PROFINET 主從協議與上位機軟件實現在線連接與通訊，進行程序下載與調試。

重點對主控制器進行選型設計，系統其他元器件選型過程不再贅述，最終確定主控制系統的硬件選型結果如表1 所示。

表1 主控制系統硬件選型列表

在PLC 輸出端，根據生產線控制流程完成接線設計，Q0.0～Q0.5 為高速脈沖輸出端口，用于控制伺服電機與步進電機的轉動速度，可通過調整脈沖輸出頻率進行加減速運動。此外，輸出端口通過控制中間繼電器KA 的通斷來實現對真空吸盤和氣缸等的運動控制。以步進電機驅動電路為例進行說明。主控PLC 通過Q0.0 和Q0.1 高速脈沖輸出端口分別連接步進驅動器的脈沖信號和方向信號輸入接口，實現對步進電機的速度控制和方向調節。

2.2 微觀控制系統硬件設計

微觀控制系統負責微觀檢測模塊的信息采集和運動控制，根據檢測與識別工藝流程，具體完成絲桿滑臺模組的聯動控制、壓力信號的采集及轉化、滑動定位塊的氣動控制等。鑒于主控制系統選擇西門子S7-1500 系列PLC 作為主控器，微觀檢測系統同樣采用西門子PLC 作為控制核心。

根據微觀檢測模塊的設計方案要求，微觀控制系統包含對兩個絲桿滑臺模組的驅動電機分別進行運動控制，同時還需要接收傳感器信息和主控制器傳遞的控制信號。由于微觀控制系統的功能結構相對簡單，綜合考慮I/O 地址分配、可拓展能力和存儲資源等諸多因素，根據西門子PLC 的選型手冊，最終選擇S7-1200 系列1214C 型號CPU 作為微觀控制器。該CPU與主控制器一樣集成了四路高速脈沖輸出，可實現對步進電機的脈沖控制與速度調節。關于微觀控制系統的其他元器件選型，壓力傳感器選擇斯巴拓公司生產的SBT674 型號，步進電機選擇雷賽57CM23 型號，電磁閥選擇亞德客公司生產的4V210 型號。

2.3 自動運輸控制系統硬件設計

自動運輸控制系統是實現自動運輸小車遠距離傳送功能的前提和基礎。根據控制系統體系結構，自動運輸控制系統主要由工控機、微控制器、IMU 傳感器、激光雷達、電機驅動模塊和編碼電機組成。其中工控機由樹莓派4B 微型電腦主板搭配3.5 寸（11.7 cm）TFT 屏幕組成，與上位機之間通過無線通訊進行數據連接，負責接收上位機下發指令并結合激光雷達信號執行地圖構建與自動導航算法程序。

3 控制系統軟件設計

因為生產線的信息采集、數據處理、結構驅動等功能均依托軟件設計實現，所以控制系統軟件設計是廢舊液晶屏自動化檢測與識別生產線能否滿足設計需求，實現運行過程中各功能模塊協調控制的關鍵。根據控制系統設計需求分析，控制系統軟件設計主要包括生產線控制程序設計和監控管理界面設計兩部分內容。

3.1 生產線控制程序設計

根據廢舊液晶屏自動化檢測與識別工藝過程，結合控制系統硬件設計模塊劃分結果及電路連接情況，廢舊液晶屏自動化檢測與識別生產線的控制程序遵循模塊化思想進行編寫設計。生產線控制程序設計包括主控制程序、微觀檢測控制程序和自動運輸控制程序。其中，因為主控制系統和微觀控制系統均采用西門子系列PLC，故程序設計平臺為TIA Portal 開發軟件，TIA Portal 是西門子公司為簡化用戶操作、降低PLC 使用難度設計的自動化開發平臺[4]；而自動運輸控制系統以STM32 開發板作為控制中樞，采用C 語言進行程序設計，程序設計平臺選擇Keil uvision4。

3.1.1 主控制程序

主控制程序用于實現生產線自動化檢測與識別全過程的控制，根據各類輸入信號的傳遞與分析，實現各功能模塊之間的過渡銜接與連續運動，完成廢舊液晶屏自動化檢測與識別生產線的順序控制流程，保證全線聯動的正常運行。圖2 為主控制程序的控制流程。

圖2 主控制程序流程圖

3.1.2 微觀檢測控制程序

微觀控制系統基于微觀檢測平臺，主要實現二類液晶屏微觀特征區域信息采集過程的精準定位。因此，微觀控制程序依據微觀檢測平臺運動過程進行設計，需要對廢舊液晶屏推送速度以及實現完全定位所需時間進行計算。微觀檢測控制流程如圖3 所示。

圖3 微觀檢測控制程序流程圖

3.1.3 自動運輸控制程序

自動運輸控制程序在廢舊液晶屏完成自動化檢測與識別流程后啟動，主要控制麥克納姆輪底盤的全向運動，保證自動運輸小車可以按照期望的運動軌跡和移動速度行駛。圖4 為自動運輸底盤的控制流程圖。

圖4 自動運輸控制程序流程圖

3.2 監控管理界面設計

監控管理界面是實現人機交互的重要方式和渠道，其主要負責收集生產線運行過程中的設備參數，便于工作人員隨時監測生產線運行狀態，并實時更新廢舊液晶屏檢測結果和貼標順序。選擇工業計算機作為上位機進行監控管理界面設計。

根據廢舊液晶屏自動化檢測與識別生產線的監控管理要求，監控管理界面主要由登錄界面、主界面、運行狀態、檢測結果、貼標監測和報警信息等模塊組成，如圖5 所示，這些功能主要基于Pycharm、Qt Creator等協同開發。

圖5 各監控管理界面

4 總結

對廢舊液晶屏自動化檢測與識別生產線的控制系統進行設計需求分析，確定了控制系統的總體方案。可實現不同種類和尺寸廢舊液晶屏的無人化連續檢測功能。該控制系統對于廢舊移動終端的高效回收處理，促進廢舊液晶屏的高值再利用具有重要意義，為實現可持續發展、降低能源消耗與環境污染提供技術支撐。