分拣系统在自动化生产中的原理仿真及功能实现

摘要：本文介绍了一套适用于教学的用于原理仿真的分拣系统，介绍了该分拣系统的部件组成、控制原理和工作流程，使用了传感器、PLC、变频器、触摸屏等自动化控制重要元器件，重点阐述了编码器在定位功能中的使用，并提示了在调试过程中的注意事项。

关键词：分拣系统 PLC 原理传真 功能实现

【中图分类号】TP391.9

一、引言

分拣系统是自动化生产中的重要环节，针对分拣对象物理特性的不同，各类分拣系统有着各自不同的功能，本文所阐述的分拣系统，其功能主要是对不同材质、不同颜色的物料进行分拣。文中所举设备原先是自动化生产线的一个节点，为了让更多的学生有机会接触到这种典型的自动化设备，也为了让学生在学完PLC、变频器、传感器等课程后，能综合运用这些技术，作者把分拣系统独立出来，作为实训课程用。一方面，相对于整套自动化生产线设备，难度降低了，更利于大部分学生消化吸收。另一方面，也不超出实训课程的时间要求。

分拣系统独立出来后，作者对它进行了几点更改：

1、增加供料仓，包含顶料和推料，代替联机时机械手的放料动作，或者单机时手动放料，以给学生提供完整工序体验。

2、在控制推杆动作时，采用了编码器计数，并且增加了在触摸屏上设定推杆的脉冲数量的功能，这样，当硬件有所调整时或者皮带运动速度变化时，不需要修改程序，只要在触摸屏上修改即可，优于之前的传感器信号控制方式，而且程序更简单。

3、在料槽入口处，增加了传感器，以准确计算进入料槽的个数。并在触摸屏上直观显示出来。同时，可以满数清零。

4、当发生紧急情况时，触摸屏上的停止按钮，可以急停。在硬件上，也设置了急停开关，保证安全。

麻雀虽小，五脏俱全，系统中涵盖了PLC、变频器、编码器、触摸屏等设备，学生通过训练，既可以加深相关理论知识的理解，也能提高相关应用技能，特别是对于编码器在定位中的优势体会和使用方法。

二、分拣系统组成和功能

分拣系统一般是自动化生产线的最后一站，主要功能是对已经加工的工件进行分拣。系统主要由四部分组成：

第一是检测部分，主要是各类传感器。

第二是执行部分，如推料气缸。

第三是传输部分，如电机、输送带。

第四就是控制部分了，也是保证系统有序工作的关键部分。

下面依次对各部分做简要说明。

1、检测部分

传感器是实现自动化的前提之一，是自动生产线的眼睛。由24V的开关电源供电。本系统中，根据工件的运送方向，依次用到了漫射式光电传感器、电感式传感器、光纤型传感器。另外，气缸上安装了磁感应开关，以及用来检测物料运行过程的当前位置的旋转编码器。

在这里主要介绍旋转编码器的主要实现功能，旋转编码器是一种集光、电、机为一体的数字化检测装置，主要功能是通过光电转换，将输出至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字信号的传感器，主要用于速度或位置（角度）的检测。按照工作原理，有增量式和绝对式两类，本系统使用的是增量式编码器。在增量编码器的码盘上等角距地在两条码道开有透光的缝隙，内外码道的相邻两缝隙距离错开半条缝宽，在第三条码道上只开有一个透光狭缝，表示码盘零位。在码盘两侧面分别安装有光源和光电接收元件。当码盘转动时，光源经过透光和不透光的区域，每个码道将有一系列光脉冲由光电元件输出，码道上有多少缝隙就有多少个脉冲输出，经放大整形后形成A、B两列脉冲。并且，通过比较A、B两相脉冲的相位，来判断正反转。

本分拣系统使用了这种具有A、B 两相90?相位差的通用型旋转编码器，用于计算工件在传送带上的位置。编码器直接连接到传送带主动轴上。该旋转编码器分辨率为500线，工作电源DC12～24V。本工作单元没有使用Z相脉冲，A相输出端直接连接到PLC（FX2N-48MR）的高速计数器输入端。

2、传输部分

传输部分主要由输送带、电机组成。电机是减速电机，因为是分拣区，应低速运行。电机由变频器驱动，变频器由触摸屏和PLC控制。

采用的三相减速电机，用于拖动传送带从而输送物料。它主要由电机支架、电动机、联轴器等组成。三相电机是传动机构的主要部分，电动机转速的快慢由变频器来控制，其作用是带传送带从而输送物料。电机支架用于固定电动机。联轴器由于把电动机的轴和输送带主动轮的轴联接起来，从而组成一个传动机构。

3、控制部分

本分拣系统用到了PLC与触摸屏、变频器等起控制作用的器件。

PLC是本系统的控制核心。本系统选用三菱FX2N-48MR。PLC接收各传感器发送过来的信号，执行输出，驱动各执行元件动作。同时与触摸屏进行实时通讯，为触摸屏的显示提供数据，并对于触摸屏送来的信息进行处理等。触摸屏与PLC系统进行数据传送和交换，将设定参数写入PLC，也可将PLC、及变频器内部参数读入触摸屏，实现了模拟量、数字量的实时监控，目标值的设定等

变频器主要用来驱动电机，并对其进行调速。从原理上来讲，它主要是利用了电力电子技术，把电压和频率恒定的电网电压变为电压和频率可调的交流电。根据能量转变形式看，可分为交-交、交-直-交两类。交交变频器没有中间滤波环节，电网交流电被直接变成可调频调压的交流电。交-直-交变频器通过整流器整为直流，经过中间滤波环节后，再用逆变器将直流电变为频率可调、电压可调的交流电。

变频器在本系统用于动传送带。选用三菱FR-E700 系列变频器中的FR-E740-0.75K-CHT 型变频器，属于交-直-交类型。变频器的接线如图6。

4、执行部分

气缸是完成分拣的执行者。本系统中，使用了三个由二位五通的带手控开关的单电控电磁阀，它们安装在汇流板上。这三个阀分别对金属、白料和黑料推动气缸的气路进行控制，以改变各自的动作状态。

气动控制回路的工作原理如图5-3 所示。图中1A、2A 和3A 分别为分拣一气缸、分拣二气缸和分拣三气缸。1B1、2B1 和3B1 分别为安装在各分拣气缸的前极限工作位置的磁感应接近开关。1Y1、2Y1 和3Y1 分别为控制3 个分拣气缸电磁阀的电磁控制端。

5、触摸屏

触摸屏由24V开关电源供电，通过触摸屏可以启动、停止系统。并且可以手动推杆，屏幕上可以显示当前已进入各槽的物料个数。料满指示灯亮。

三、分拣系统的流程控制

本分拣系统的完整工作流程如下：

为了实现这些功能，需为编写梯形图计算数据，分配I/O表，绘制电气接线图。

四、调试

1、电机的调试

完成机械部分和电气部分的安装接线后，进行电动机试运行是必要的，这可以检查机械装配的质量，以便作进一步的调整。用变频器驱动电动机试运行。设置Pr.79 =2，把调速电位器的三个引出端①、②、③端分别连接到变频器的端子⑩、②、⑤，并向左旋动电位器到底；接通电源后，拨通STF 端子左边的钮子开关，慢慢向右旋动电位器，可以看到电动机正向转动，变频器输出频率逐渐增大，电动机转速逐渐升高。

2、旋转编码器脉冲当量的现场测试

根据传送带主动轴直径计算旋转编码器的脉冲当量，其结果只是一个估算值。在分拣单元安装调试时，除了要仔细调整尽量减少安装偏差外，尚须现场测试脉冲当量值。测试方法的步骤如下：

⑴ 分拣单元安装调试时，必须仔细调整电动机与主动轴联轴的同心度和传送皮带的张紧度。调节张紧度的两个调节螺栓应平衡调节，避免皮带运行时跑偏。

⑵安装调整结束后，变频器参数设置为：Pr.79 = 2，Pr.4=30Hz

⑶ 编梯形图，编译后传送到PLC。

⑷ 运行PLC 程序，并置于监控方式。在传送带进料口中心处放下工件后，按启动按钮启动运行。工件被传送到一段较长的距离后，按下停止按钮停止运行。观察监控界面上C235 的读数，将此值填写到表3的“高速计数脉冲数”一栏中。然后在传送带上测量工件移动的距离，把测量值填写到表中“工件移动距离”一栏中；把监控界面上观察到的高速计数脉冲值，填写到“高速计数脉冲数”一栏中，则脉冲当量μ计算值=工件移动距离/高速计数脉冲数，填写到相应栏目中。

⑸ 重新把工件放到进料口中心处，按下启动按钮即进行第二次测试。进行三次测试后，求出脉冲当量μ平均值为：μ=（μ1+μ2+μ3）/3=0.2576。

表3 脉冲当量现场测试数据表

按如图5所示的安装尺寸重新计算旋转编码器到各位置应发出的脉冲数：当工件从下料口中心线移至传感器中心时，旋转编码器发出456 个脉冲；移至第一个推杆中心点时，发出650个脉冲；移至第二个推杆中心点时，约发出1021个脉冲；移至第三个推杆中心点时，约发出1361个脉冲。需要指出的是，每当待分拣工件下料到进料口，电机开始启动时，必须对C235的当前值进行一次复位（清零）操作。

3、传感器

在接近开关的选用和安装中，应调节好传感器的灵敏度，保证可靠动作。

4、推杆速度

调节气缸的节流阀来控制推杆的速度，以免推力过大。

五、结束语

本文是一篇用于教学的分拣系统的论文。文章首先说明了系统的组成及工作流程，后着重阐述了系统的控制和实现，以及调试过程中注意事项，可有效指导学生在本设备上完成相关课程实践教学任务。限于篇幅，论文仍有未详尽之处，学生在今后学习中当认真听取授课教师的讲解，积极动手，完成训练任务，达到学习知识和提高技能目的。

参考文献：

（1） 王烈准，主编.电气控制与PLC用技术.北京：机械工业出版社，2012

（2）何用辉，主编.自动化生产线安装与调试.北京：机械工业出版社，2012

（3） 三菱FX系列可编程控制器编程手册

（4） 三菱FR-E700变频器使用手册