基于PLC的物料分拣控制系统设计与实现

张翠云

（河南工业和信息化职业学院，河南焦作 454000）

0 引言

自动分拣系统是物料搬运系统的一个重要分支，广泛应用于化工、电子设备、医药等行业的生产物流系统。随着人力成本的不断上升，自动化物料分拣设备市场出现爆炸式增长[1-2]。PLC 以其灵活可靠、易于扩展、通用性强等特点，成为自动化生产领域的主控设备之一[3]。本文结合变频技术、传感技术以及气动技术，设计了基于PLC的物料分拣控制系统。

1 物料分拣控制系统整体设计方案

物料分拣控制系统是自动化生产线的重要组成部分，整个系统结构如图1 所示。主要设备有PLC、变频器、传感器、三相异步电机、传送带以及气缸。主控设备PLC 采用西门子SMART SR30，传输系统有西门子变频器MM420 和三相异步电动机驱动。

图1 分拣控制系统示意图

2 物料分拣系统工作过程

本文所设计的物料分拣控制系统需要实现的功能是PLC检测到物料口有工件放入，变频器起动，三相异步电动机驱动传送带将工件带人分拣区。如果为金属工件，铝制物料检测传感器动作，将信号传递给PLC，PLC驱动推料气缸1动作，工件被推到1号料槽；如果为白色塑料工件，白色塑料工件检测传感器动作，将信号传递给PLC，PLC驱动推料气缸2动作，工件被推到2号料槽；如果为黑色塑料工件，黑色塑料工件检测传感器动作，将信号传递给PLC，PLC驱动旋转气缸动作，工件在皮带的带动下进入3号料槽。图2所示为分拣控制系统结构框图。

图2 分拣控制系统结构框图

3 物料分拣控制系统硬件设计

3.1 传感器

3.1.1 物料口检测传感器、入库检测传感器

PLC 检测到物料口放入工件，驱动变频器，进一步驱动电机运转，带动工件进入分拣区。物料口检测传感器用的是反射式光电接近开关。为了检测工件是否进入料槽，在1号料槽和3号料槽两侧安装的入库检测传感器是对射式光电接近开关。反射式光电接近开关的发射器和接收器在结构上是一体的；对射式光电接近开关的发射器和接收器是分离的，安装时处于相对位置[4-5]。光电接近开关如图3所示。

图3 光电接近开关

3.1.2 铝制物料检测传感器

物料分拣系统需要把金属工件和非金属工件区分，利用电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，反作用于电感传感器，从而改变电路参数这一现象[6]。在传送带上方安装电感式接近开关，用于检测接近工件是否为金属工件。

3.1.3 黑、白塑料工件检测传感器

物料分拣系统需要把黑、白塑料工件区分，利用黑、白塑料工件对光的反射强度不一和光纤传感器灵敏可靠[7]，选用反射式光纤数字传感器。在传送带上方安装两个反射式光纤数字传感器，通过调节灵敏度来区分黑白塑料工件。反射式光纤数字传感器工作方式有两种，一种是光照度达到一定亮度值时传感器动作；另外一种是光线暗到一定下限值时动作。

3.2 PLC选择

本文设计的物料分拣控制系统，PLC 控制器输入信号包括物料检测相关传感器信号、编码器信号、气缸位置检测信号、起动/停止按钮信号；输出信号包括控制气缸动作的电磁阀信号、变频器信号。设计过程中所应用到的PLC 系统为西门子公司生产的S7－200SMART CPU SR30型号，此种型号的PLC控制器包含12个数字输出和18个数字输入，完全能够符合本次设计的具体需要。物料分拣系统PLC I/O分配如表1所示。

表1 物料分拣系统PLC I/O分配表

3.3 变频器参数设置

物料分拣系统中，变频器启动/停止需要由PLC控制。当物料口检测到有工件放入后，给PLC 发送信号，PLC 驱动变频器以25 Hz 频率正转运行[8-10]。因此，需要对变频器进行参数设置，要根据实际控制的三相异步电机参数进行设置，包括恢复出厂设置、变频器命令源选择、变频器频率源设置、电机参数设置、电机运行频率设置等，具体参数设置步骤如表2 所示。以下列三相异步电机参数为例进行变频器参数设置，额定功率为25 W；额定电压为380 V；额定频率为50 Hz；额定电流为0.13 A；额定转速为1 300 r/min。

表2 变频器参数设置

4 物料分拣控制系统软件设计

（1）物料分拣系统具体控制要求如下：气源接通，PLC上电，设备就绪，运行指示灯黄灯常亮，否则以1 Hz 频率闪烁；按下启动按钮，运行指示灯绿灯常亮，系统启动；当传送带入料口人工放下工件，被入料口传感器检测到信号时，变频器即可启动，驱动传动电动机以25 Hz频率把工件带往分拣区。

（2）如果工件为金属工件，则该工件被铝制物料传感器检测到信号，被推到1号料槽中，传送带停止；如果工件为白色塑料工件，则该工件被白色塑料工件传感器检测到信号，被推到2号料槽中，传送带停止；如果工件为黑色塑料工件，则该工件被黑色塑料工件传感器检测到信号，旋转气缸动作，进入3号料槽，传送带停止。工件被推入料槽后，分拣系统一个工作周期结束。仅当工件被推入料槽后，才能再次向传送带放入工件。

（3）如果在运行期间按下停止按钮，系统在本工作周期结束后停止运行。控制流程如图4所示。

图4 物料分拣系统控制流程图

5 系统调试

程序编写完成，气路检查无误，PLC 就可以上电下载程序进行调试。在调试过程中需要注意以下问题：

（1）黑白塑料工件区分用到的光纤传感器的灵敏度需要多次调试才可以准确分拣；

（2）由于黑色塑料工件是依靠旋转气缸动作，在传送带的带动下进入3号料槽，因此变频器运行频率不宜过低，否则黑色塑料工件较难进入3号料槽，这时需要适当增加频率；

（3）调试时，1号、2号工件被推入料槽时，气缸压力过大，容易弹出料槽，需要调节气缸节流阀，减小气缸输出压力。

6 结束语

本文介绍了基于PLC 的物料分拣控制系统的设计与实现，利用变频技术驱动传动系统，通过传感技术将不同材质（金属与非金属）、不同颜色（黑白）的工件送入不同料槽，进行自动分拣。采用PLC 控制，使得系统控制可靠，可以连续大批量分拣货物，有效提高劳动生产率。系统结构紧凑，可以和其他自动化生产设备无缝对接，应用前景较好。