基于PLC的实验教学生产线分拣控制系统研究与实现

摘要：在自动分拣系统原理的基础上，根据一定的分拣要求，以三菱PLC为控制核心，结合气动装置、传感器技术等技术，设计出生产线分拣控制系统，可以实现对大、中、小三种不同尺寸物料的自动分拣。

关键词：实验教学；PLC；分拣

分拣是指按照输送、配送的要求，把很多货物按不同品种、不同地点分配到所设置的场地的作业。分拣是整个物流系统的重要组成部分。按历史发展历程和分拣手段来看，可分为三大类，人工分拣、机械分拣、自动分拣[1]。

自动分拣系统主要由四部分组成，第一部分控制装置，第二部分分类装置，第三部分输送装置，第四部分是分拣道口。控制装置用来接收、识别、处理分拣信号，指示分类装置对材料进行自动分类。分类装置的作用是根据控制装置发出的分拣指示，当该装置检测到具有对应分拣信号的材料经过时进行相应动作，对材料进行分类。输送装置由传送带组成，使待分拣材料通过控制装置和分类装置。分拣道口是材料脱离主传送带进入集货区域的通道[2]。通过计算机网络联结以上四部分装置，再配合人工控制构成一个完整的自动分拣系统。

本文的主要任务是设计一个基于PLC，能分拣大、中、小三种不同尺寸物料的实验教学用分拣系统。主要介绍实验教学用生产线自动分拣系统的硬件和软件设计，以及最后的调试。

一、分拣系统硬件设计

（一）PLC种类及型号选择

PLC种类较多，生产厂家也很多，主要有欧姆龙、三菱、松下、东芝、美国德洲仪器公司、美国通用电气（GE）公司等。但大、中、小、微型PLC均能配套生产且目前使用广泛的主要是三菱、西门子和欧姆龙[3]。根据材料分拣系统的控制要求，输入有13个开关信号，1个气缸位置信号，3个开关，9个传感器（1个光电传感器、8个红外传感器）。输出信号有11个，其中四个控制电动机，三个控制指示灯，剩下的控制机械手和电磁换向阀，也都是开关量。共需I/O点24个，其中13个输入，11个输出。

根据系统中的控制要求PLC点数：实际输入点13点，实际输出点11点，综合对比三菱FX系列、西门子系列、欧姆龙系列中I/O点数为64点各型号的PLC的价格、性能、实用场合等各方面，本系统可选择PLC型号为：FX2N-64MR，合计总数64点-32点输入，DC24V，32点继电器输出。其性能、价格都优于其他PLC。FX2N系列在三菱FX系列中使用最为广泛，性价比高，性能先进，配置灵活。它可以选用多种扩张模块，增加I/O点，组成不同功能的控制系统。它功能强大，内置高速计算器，还可直接控制步进电动机或者伺服电动机，增加了通讯功能，可以匹配世界各国不同的电源。该型号PLC输入输出节点都为32个，能够满足系统的控制要求并且留有一定的余量。

（二）传感器的选择

红外传感器在材料穿过特定位置时将红外能量的变化转化为电量变化。本设计中将采用红外传感器，检测材料的大小和通过。

红外线传感器检测物料大小的原理如下：三个红外线传感器平叠在一起，最下面的红外线传感器的高度低于小物料的上表面高度，中间的红外线传感器的高度高于小物料的上表面且低于中物料上表面的高度，最上面的红外线传感器的高度高于中物料上表面的高度且低于大物料上表面的高度；如果上中下红外线传感器同时检测到物料的通过，那么这个物料是大物料；如果只有中下红外线传感器检测到物料的通过，那么这个物料是中物料；如果只有下红外线传感器检测到物料的通过，那么这个物料是小物料。

在出料气缸旁，传送带4末端，传送带3末端的桌子上，各有一个红外传感器，分别用了检测小物料，大物料和中物料的通过。当这三个传感器检测到物料的通过，且物料自动补给开关被置为ON的情况下，在延时0.5秒后，系统自动补给物料。

（三）硬件设计及实际模型的建立

生产线分拣硬件结构框图如图1所示。

生产线分拣系统的结构示意图如图2所示。系统启动，下料传感器没检测到物料，指示灯黄灯亮。下料传感器检测到物料，指示灯红灯亮。机械手1动作，将待测材料搬到传送带1上。传送带总开关被置为ON后，传送带1、2、3、4运转，绿灯亮，待测物体开始在传送带上运行。

物料由机械手1送到传送带1上，材料经传感器对其进行识别，检测其分别为大、中、小物料，分拣器进行相应动作，将材料送到对应的传送带内，如果检测到是大物料，则进入传送带3，并最终从传送带3末端落下，如果是小物料，则进入传送带3，并最终由出料气缸推入对应的箱子。如果是中物料，则进入传送带4，最终由机械手2拣进对应的箱子。

根据控制要求可得PLC系统的接线图如图3所示。

二、分拣系统软件设计

本系统是基于区分材料大小的不同而设计的材料分拣系统，主要是实现对大物料、中物料、小物料的自动分拣，具体控制过程为：

（1）系统启动后，操作开关SB2闭合，电机开始运行，即传送带1、2、3、4运行，指示灯绿灯亮，若下料传感器检测到料槽无材料，指示灯黄灯亮。

（2）按下补给键SB1，给料槽补给一个物料，下料传感器检测到物料，指示灯红灯亮（若闭合自动补给物料开关，以后物料就会自动补给）。机械手1动作，将待测材料搬到传送带1上，待测物体开始在传送带上运行。

（3）当上、中、下红外传感器同时检测到材料通过时为大物料，分拣器拨向右边，大物料被挡往左边，进入传送带4，被大物料红外传感器检测到，最后在传送带4末端落入箱子。

（4）当只有下红外传感器检测到材料通过时为小物料，分拣器拨向右边，小物料被挡往左边，进入传送带4，被小物料传感器检测到，传送带4停止1秒，出料气缸动作将小物料推到对应的箱子内。

（5）当只有中、下红外传感器检测到材料通过时为中物料，分拣器拨向左边，中物料被挡往右边，进入传送带3，脱离传送带3进入桌面被中物料传感器检测到后，机械手2动作，将中物料搬到箱子内。

（6）当大中小物料被相应的传感器或接近开关感应到后，延时0.5秒后系统自动补给物料（在自动补给物料开关闭合的情况下）。

由分拣控制系统的分拣要求画出控制系统的程序流程图，如图4所示。

三、结论与展望

本文对PLC的工作原理、适用领域做出了详细的介绍，根据材料分拣的实际需求采用PLC设计出了材料分拣系统，完成了生产线分拣系统的硬件和软件设计工作。通过实验测试了材料分拣系统硬件和软件。

系统还存在很多不足的地方需要改进。如本系统一次只能分拣一个材料，可改进为一次能分拣多个材料。如需提高气源气压的稳定性，提高气阀的工作性能，为材料正常进入、弹出传送带打下基础。传送带采用步进电机以实现传送带速度的可控制性、实现系统的分拣效率提高。进一步提高传感器的性能，找出一系列可靠的参数，实现系统的稳定。系统根据物料的尺寸大小分好类后，还需人工进行入库或装车，以后要改进这个环节，实现分类、入库和装车的全自动化。

本文的设计是对材料的尺寸进行的简单设计，可以在其基础上对分拣物品的种类与分拣的性能进行拓展及完善，可使其适用于实际生活中的各行各业，实现生产线分拣的自动化作业，进一步提高生产效率。

参考文献：

[1] 卢舟燕，刘金龙，洪美娟，贾德峰.推出式物流分拣实验装置系统设计[J].中国储运，2005，（6）.

[2] 赵凯.卷烟自动分拣系统补给优化与分拣控制算法研究[D].中南大学，2008.

[3] 何波.电气控制及PLC应用[M].北京：中国电力出版社，2008.