劉歡，符學(xué)龍，嵇正波

（江蘇財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造綜合實訓(xùn)中心，江蘇淮安 223003）

1 智能分揀系統(tǒng)總體布局

自動化分揀系統(tǒng)(Automatic sorting system)是智能制造產(chǎn)線所必需的核心裝備之一，可賦能依賴于大量人力資源的傳統(tǒng)生產(chǎn)流水線，具有較高的產(chǎn)品分揀效率，尤其是能夠代替人工完成諸如高溫、有毒或其他危險性工業(yè)場景下的相關(guān)工作任務(wù)[1-3]。所設(shè)計的多段式智能分揀系統(tǒng)可通過傳感器根據(jù)金屬工件的尺寸將其分為大、中、小3種不同類型，通過多段式傳送帶進行分類計數(shù)并由相應(yīng)的側(cè)推氣缸推出傳送帶，以裝入不同的金屬件分裝箱內(nèi)；對于非金屬工件則直接向后輸送，并進行計數(shù)后裝箱，其總體布局如圖1所示。

圖1 智能分揀系統(tǒng)總體布局示意圖

2 智能分揀系統(tǒng)硬件選型

2.1 PLC選型

PLC由CPU、I/O模塊、存儲模塊及其各種外圍設(shè)備所構(gòu)成，并通過相應(yīng)的端口相連形成一個整體，進行PLC的選用時需要考慮I/O點數(shù)要求、存儲容量及響應(yīng)速度等諸多因素[4-5]。與傳統(tǒng)的繼電器控制電路相比較而言，采用PLC進行控制時具有許多顯著的優(yōu)點。

1）穩(wěn)定性高。PLC使用了光電隔離工藝，使得工業(yè)生產(chǎn)場景下的外圍集成電路與PLC內(nèi)在集成電路相互之間進行了有效隔絕，從而避免了交互影響，確保了運行可靠性；PLC的輸入和輸出都使用了R-C濾波工藝，其過濾時間常數(shù)普遍設(shè)定在10～20 ms左右；PLC的各個功能模塊都使用了性能優(yōu)良的開關(guān)電源，相關(guān)的組成元器件也都經(jīng)過了嚴密的篩選和抗老化處理。

2）輸入/輸出等模塊多樣化。PLC可以滿足各種工業(yè)生產(chǎn)場景下的模塊使用需求，包括DC/AC、電壓/電流及脈沖/電位等，并且可以與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場中的各種儀器或機械設(shè)備相連接，從而更有效、更可靠地協(xié)調(diào)配合；PLC可以通過各種按鍵、行程開關(guān)或者接近開關(guān)等輸入元器件連接到輸入模塊，也可以通過電磁閥、接觸器、電動機或者輸出信號燈等輸出元器件連接到輸出模塊，同時還可提供多種人機對話接口模塊以提升PLC的可操控性；此外，為方便組成工業(yè)現(xiàn)場局域網(wǎng)，PLC還提供了多樣化的通信模塊。

3）組件模塊化。當前應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場中的絕大多數(shù)PLC都采用了模塊化的組件結(jié)構(gòu)，包括CPU、電源等，其可以通過機架、電纜等方便地將各個模塊化組件自由連接，即用戶可以根據(jù)實際需要進行功能模塊的自由組合，從而更好地發(fā)揮其使用性能。

4）編程簡單。PLC大多使用梯形圖語言，這種語言規(guī)則與繼電器控制電路相似，具有直觀簡單、易懂易用的特點，用戶可以輕松地實現(xiàn)任務(wù)程序的編寫與調(diào)試。

5）易于安裝維護。根據(jù)智能分揀系統(tǒng)的工藝要求等因素綜合分析后選用三菱FX2N-48MR-001型PLC進行控制功能的實現(xiàn)。

2.2 傳感器選型

根據(jù)智能分揀系統(tǒng)的工藝流程和控制要求分析可知，所設(shè)計的多段式智能分揀系統(tǒng)需要用到電感式接近開關(guān)與光電式接近開關(guān)兩種傳感器。

1）電感式接近開關(guān)。也可稱之為渦流型接近開關(guān)，其可使靠近到檢測范圍內(nèi)的可導(dǎo)電物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流，而物體內(nèi)部產(chǎn)生的渦流又可反作用于接近開關(guān)，使其內(nèi)部電路參數(shù)發(fā)生變化，通過這一變化來判斷接近開關(guān)的檢測范圍內(nèi)有無可導(dǎo)電物體的接近，進而可以控制電路的通斷，因而電感式接近開關(guān)所能檢測的物體一般均為金屬材質(zhì)[6-7]。

通過使用電感式接近開關(guān)，可以有效地探測出金屬物體的移動，進而有效地控制接近開關(guān)的通斷。因其具有小巧的外觀形狀、高精度的重復(fù)定位性、良好的抗干擾性能及高可靠性等諸多優(yōu)點，已被廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場下的自動化設(shè)備或生產(chǎn)流水線，使用時一般采用直流（DC）二線常開（NO）型接線方法，如此可以有效地提高性能。

2）光電式接近開關(guān)?？珊喎Q為光電開關(guān)，其利用電光控制器將輸入電流轉(zhuǎn)化為光信號通過發(fā)射器射出，再根據(jù)接收器接收到的光線強弱或有無，或通過被感測物體對光電束的反射來實現(xiàn)信號的改變，從而判斷有無物體靠近該接近開關(guān)，這種感應(yīng)器能夠感測的物體類型比較廣，包括金屬和其他可反射光電束的物體。智能分揀系統(tǒng)采用漫反射式光電開光，其集發(fā)射器和接收器于一體，當有可感測的物體接近時，發(fā)射器發(fā)出的光電束會被該物體反射，當接收器接收到足夠量的反射光電束時，即可控制接近開關(guān)發(fā)生信號的改變，從而實現(xiàn)通斷。尤其是當感測具有高亮表面或其他較高反射率的物體時，漫反射式光電接近開關(guān)應(yīng)作為首選，且其輸入/輸出回路相互之間采用完全隔離的結(jié)構(gòu)形式，具有非常高的感測可靠性與工作穩(wěn)定性，因而其在眾多不同的工業(yè)生產(chǎn)場景中均獲得了廣泛的應(yīng)用。

傳感器在所設(shè)計的智能分揀系統(tǒng)中的安裝位置及所需實現(xiàn)的檢測要求如下：

1）工件供給原點位置安裝1個光電式接近開關(guān)X0，可判斷工件供給到位與否，進而控制第一段傳送帶（帶1）的啟動。

2）根據(jù)工件尺寸在帶1的側(cè)上方確定3個不同高度的位置，分別安裝3個電感式接近開關(guān)（X1～X3）用于判斷金屬工件的尺寸類型，分為大、中、小3類。

3）第2～4段傳送帶（帶2～4）的前端分別安裝1個光電式接近開關(guān)（X4～X6），用于控制帶2～4的啟動，同時，在傳送帶側(cè)推氣缸（Y5～Y7）處安裝光電式接近開關(guān)（X10～X12）用于檢測工件輸送到位與否，并完成計數(shù)操作，然后再經(jīng)程序判斷后由對應(yīng)的側(cè)推氣缸執(zhí)行推出動作。

4）對于非金屬工件，安裝于帶1側(cè)上方的3個電感式接近開關(guān)均檢測不到輸入信號，則當非金屬工件到達各段傳送帶時，通過其前端的光電接近開關(guān)檢測獲得輸入信號后啟動該段傳送帶即可，從而完成非金屬工件的直接輸送，再由第四段傳送帶末端的光電開關(guān)（X7）進行計數(shù)。

3 智能分揀系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)所設(shè)計的智能分揀系統(tǒng)工藝要求進行軟件設(shè)計，首先確定I/O點，然后編制I/O分配表，最后再完成PLC控制程序的設(shè)計。

3.1 I/O分配

智能分揀系統(tǒng)的I/O接口分配如表1所示，再根據(jù)表1即可得到PLC的外部接線圖。

表1 系統(tǒng)I/O分配表

3.2 控制面板

根據(jù)智能分揀系統(tǒng)的控制要求，其控制面板設(shè)計時包括設(shè)備啟動和停止按鈕SB1、SB2，以及4段傳送帶的工作指示燈L1、L2、L3、L4。

3.3 程序設(shè)計

智能分揀系統(tǒng)控制程序的優(yōu)劣對系統(tǒng)的運行可靠性具有顯著的影響，編制程序時應(yīng)綜合考慮分揀系統(tǒng)的工藝要求及控制功能等因素。

圖2所示為智能分揀系統(tǒng)的啟停控制程序。

圖2 啟停控制程序

1）設(shè)備啟動（使中間繼電器線圈M20得電）可通過啟動按鈕SB1實現(xiàn)，按下SB1后X020閉合。

2）設(shè)備停止（使線圈 M20 斷電）可通過停止按鈕SB2實現(xiàn)，按下 SB2 后X021 斷開；

或當計數(shù)器執(zhí)行到設(shè)定值時，斷開觸點M31實現(xiàn)。3）輸出自鎖通過輔助常開觸點M20實現(xiàn)。

4）對定時器和計數(shù)器的復(fù)位通過PLS指令使每次SB1按下重啟時輸出一個復(fù)位脈沖實現(xiàn)。

圖3 所示為智能分揀系統(tǒng)傳送帶1 的控制程序。

圖3 傳送帶1控制程序

1）工件到達供給原點位置，常開觸點X000閉合，線圈Y000得電，同時啟動傳送帶1并通過自鎖功能保持轉(zhuǎn)動，工件經(jīng)帶1輸送至帶2。

2）工件到達帶2前端的檢測位置時，其常開觸點X004閉合，計時器T20得電工作，當?shù)竭_設(shè)定的延時值（10 s）后，其常閉觸點T20斷開，輸出線圈Y001斷電，帶1停止轉(zhuǎn)動。

3）設(shè)備運行過程中，如果按下停止按鈕SB2，由上述啟?？刂瞥绦蚩芍?，觸點M20斷開，則輸出線圈Y001失電，帶1停止轉(zhuǎn)動。

由圖1分揀系統(tǒng)總體布局示意圖可知，X1～X3安裝在不同的高度，因而可通過電感式接近開關(guān)X001、X002、X003的組合通斷狀態(tài)進行工件尺寸類型的判斷，圖4所示為金屬工件尺寸類型的判斷程序。

圖4 工件尺寸類型判斷程序

1）傳送帶1 運行過程中，即Y001處于得電接通狀態(tài)，電感式接近開關(guān)X001～X003處于檢測狀態(tài)，若X003檢測到輸入信號時，同時X002與X001未檢測到輸入信號，即常開觸點X003得電接通，常閉觸點X002、X001保持常閉，此狀態(tài)下可使中間繼電器線圈M22得電，即將工件判斷為金屬小件。

2）若X003、X002均檢測到輸入信號時，同時X001未檢測到輸入信號，即常開觸點X003、X002得電接通，常閉觸點X001保持常閉，此狀態(tài)下可使中間繼電器線圈M23得電，即將工件判斷為金屬中件。

3）若X003、X002、X001均檢測到輸入信號時，即3個常開觸點X003、X002、X001均得電接通，此狀態(tài)下可使中間繼電器M24得電，即將工件判斷為金屬大件。

4）若電感式接近開關(guān)X003、X002、X001均檢測不到輸入信號，即將工件判斷為非金屬件，此狀態(tài)下非金屬件可被安裝于帶2、3、4前端的光電式接近開關(guān)檢測到，啟動相應(yīng)的傳送帶，從而將非金屬件直接向后輸送。

由前述傳感器選型部分可知，第2～4段傳送帶的前端均分別安裝了一個光電接近開關(guān)，用于控制該段傳送帶的啟停。若由程序判斷出工件應(yīng)在本段進行裝箱時，工件到達到位檢測位置后傳送帶立即停止轉(zhuǎn)動，進行計數(shù)操作，同時控制對應(yīng)的側(cè)推氣缸執(zhí)行推出動作；或由程序判斷出工件應(yīng)離開本段傳送帶進入下段傳送帶時，本段傳送帶經(jīng)延時10 s后停止轉(zhuǎn)動；對于非金屬工件則當其離開第4 段傳送帶時由安裝在其末端的光電開關(guān)X007 進行計數(shù)，該控制程序如圖5所示。

圖5 工件計數(shù)程序

除上述程序外，當工件分揀結(jié)束后，還需復(fù)位中間寄存器M22、M23、M24；當設(shè)備啟動時，也需復(fù)位所有計數(shù)器和定時器，方可進行下一個工作循環(huán)；當分揀箱滿載時，需停止所有傳送帶以等待其完成更換后再行啟動。實現(xiàn)這些功能的PLC控制程序較為簡單，不再贅述。

4 結(jié)語

智能分揀系統(tǒng)的出現(xiàn)可較好地實現(xiàn)機器代人目標，助力傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，尤其對于有毒有害、低溫或高熱等惡劣環(huán)境下的工作任務(wù)，自動化系統(tǒng)的應(yīng)用具有更為顯著的意義。本文設(shè)計了一種基于三菱FX2N-48MR-001型PLC的多段式智能制造產(chǎn)線工件分揀系統(tǒng)，對其整體布局及其軟、硬件部分進行了分析和設(shè)計，采用電感式接近開關(guān)和光電式接近開關(guān)作為傳感器進行工件的檢測，系統(tǒng)可以區(qū)分金屬/非金屬工件，對于金屬工件還可區(qū)分大、中、小3種不同類型尺寸，分別計數(shù)后再將其裝入對應(yīng)的分揀箱內(nèi)。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，且便于操作維護，可助力傳統(tǒng)生產(chǎn)流水線的智能化改造。