基于PLC、触摸屏、步进电机的环形传输分拣系统的设计

本文利用步进电机作为驱动，采用PLC控制，结合触摸屏技术，实现生产线上的环形皮带运转及对金属材料、白色塑料、黑色塑料元件的分拣。本文着重分析了生产线工件分送装置系统控制系统的结构、工作过程和PLC梯形图控制及触摸屏人机界面设计。

【关键词】PLC 步进电机 分拣系统

随着工业自动化程度的提高，一般生产过程逐渐以各种机器设备代替人力完成。各种物料的运输、分送都需要大量使用环形传送带。目前，基于PLC、变频器的环形传送系统可以实现环形传送带的高速运行及低速运行，但是在定位方面没有步进电机控制的精确。

PLC作为现代工业的三大支柱之一，是具有可靠性高、I/O接口模块丰富、结构模块化的工业控制器。在工作过程中PLC能发出特定的脉冲信号，在步进驱动器内进行分配与放大后输出对步进电机进行控制，实现电路按需工作。

步进电机在PLC控制中应用多样，特别是与速度、位置有关的生产控制领域。它利用电脉冲转换为角位移来控制电机的转动，具有精确定位的优点，也就是脉冲信号输入到步进驱动器，步进驱动对脉冲进行分析计数，通过控制脉冲个数的输出来控制电机的角位移，改变脉冲频率也可以对速度进行控制，达到调速目的。从实际调试中可以看出步进驱动系统为开环控制。在正常运行下，电机的转速、运行位置只和脉冲信号的频率和脉冲数有关，负载的变化与它没有关系，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角，这是一个线性关系。由于步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，不需要A/D转换，且它的速度与单位时间内输入的脉冲数（即脉冲频率）成正比，所以它的任何运行方式的改变都可在少数的脉冲内完成，具有很好的控制性能，容易获得较高的精度。基于PLC在步进电机上的控制已日趋完善，其使用已经涉及更行更业，不但在工业控制系统，在农业生产中也占有重要地位，在哪些地方用到了？大厦中电梯的升降、流水线中物品的搬运、甘蔗收割机中对甘蔗的抓取与传送等……

本文针对环形传送带在分捡过程中出现的实际问题，设计出由三菱FX2N-48MT PLC、两相四拍的步进驱动器和触摸屏技术共同完成的环形传送带工作生产线及对金属材料、白色塑料、黑色塑料元件的分拣。

1 系统基本结构

本设计的环形传输分拣系统的设计由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。执行机构由上料筒、顶料推料气缸、环形输送带、分拣推料气缸、金属料储料仓、白色料储料仓、送料气缸、送料台等组成，环形传输分拣系统结构图如图1所示。

本设计的驱动机构和控制系统主要由步进电动机、步进驱动器、电磁阀及气动元件、电感传感器、色标传感器、光电反射传感器等组成。由于本设计分捡系统的主要工作是对金属材料、白色塑料、黑色塑料元件的分拣，为了更好的区分物体材质、颜色、位置等，系统中采用了多种传感器，具体介绍如下：

1.1 扩散反射型光电传感器

它是用来检测料仓中是否有物料的。它是通过调节外部旋钮来判断料仓中是否存有物料。当模式切换开关切换到L侧时，调节感光旋钮只有当反射光强度大于其外部设定值时，输出段电路中晶体管才会有输出，发出信号；反之，当模式切换开关切换到D侧时，调节感光旋钮只有当反射光强度小于其外部设定值，才会有输出，发出信号。

1.2 磁性开关

用来检测气缸是否伸出到位。气缸中活塞上装有磁环，当活塞杆伸出靠近磁性开关时，磁性开关检测到磁环发出检测信号，指示气缸已伸出到位。

1.3 电感式传感器

电感式传感器，一种开关量输出的位置传感器，主要用于金属与非金属物体的判别。由LC高频振荡电路和放大电路组成。LC电路通电后产生磁场，金属物体接近该磁场后产生涡流效应，两都相互作用，使内部电路参数发生变化，控制开关通断。该传感器只用在金属材料的检测上。

1.4 数字式光纤传感器

它是用来检测工件的颜色，挑选出符合系统要求的工件。它采用了白色LED+一体型RGB感光端子。由光纤探头、放大器单元、连接器组成。通过RGB对比判别，不受物料背景、表面凹凸的影响能够准确判断出所经过光纤探头前的物料的颜色。若RGB测量值大于（选择高电平输出）或小于（选择低电平输出）设定值时，经过放大器单元放大形成高低电平输送至PLC的输入端。通过调节放大器单元上的功能键可以修改RGB对比参数，从而来区分更多种类的颜色。

2 系统工作过程

本系统共有两个单元：供料单元和传输单元。供料单元的工作过程：当物料检测传感器检测到上料筒有工件时，驱使推料气缸动作，将物料推送到传送带。

工件与上料筒放在同一直线上，推料气缸处于上料筒的底层并且其活塞杆可从上料筒底部通过。当活塞杆返回原位时，它与最下层工件处在同一水平位置，而顶料气缸则与次下层工件处在同一水平位置。传送工件时，推动顶料气缸的活塞，压住下层工件，再用推料气缸活塞把最下层工件推送至传送带。推料气缸返回并从上料筒底部抽出后，再使顶料气缸返回，松开下层工件。如此上料筒中的工件在重力作用下，自动向下移动一个工件，为下次推送工件做准备。

输送单元的基本功能：当工件被推送到传送带时，传送带受步进电动机控制，高速运转，把工件传送到分拣区区域。在分拣区内，步进电机转为低速运转。

如果进入分拣区的为金属块，则磁感应接近开关动作，推杆气缸A动作，金属块被推入金属物料储料仓；物料进入分拣区，不但电感传感器工作，光纤传感器也同时工作，检测物料材质，若检测为白色物料，则光纤传感器动作，推杆气缸B动作，将白色物料推到白色物料储料仓里；若为黑色物料，则将黑色物料推到黑色储料仓里。

为了避免位置出错，在每个推料气缸的前极限位置均装有磁感应接近开关，根据该信号来判别分拣气缸当前所处位置。当推料（分拣）气缸将物料推出时磁感应接近开关动作输出信号为“1”，反之，输出信号为“0”。环形传输分拣控制系统结构图如图2所示。

3 PLC控制系统设计

本控制系统要求有四种输入信号做为信号传递，因此使用漫反射光电传感器、电感式传感器、数字式光纤传感器；为了达到精确的位移要求，系统给定四个气缸动作限位装置。根据系统要求给出八个信号，包括控制步进电机的2个信号，以及控制气缸动作的5个电磁阀，总计有15个I/O点：8个输入，7个输出。

根据控制系统中所使用的I/O点数，从性价比、编程、维护等方面考虑，选用三菱公司的FX2N-48MT型PLC；步进电机选用型号为4ZBYG 24VDC，采用两相四拍脉冲控制；步进电机驱动器选用型号为YJ-2HBO3M；触摸屏选用F940GOT；传感器采用OMRON品牌。

3.1 I/0地址分配

不同的PLC输入输出端子也不一样，针对本系统所选择的PLC型号，对输入输出端子进行适当分配，各端子分配如表1所示。

3.2 控制程序设计

根据系统控制要求，设计环形传输分拣系统SFC图（图3）。环形传输分拣系统梯形图（图4）。

3.3 触摸屏设计

本系统在工作过程中，为了加强控制界面的操作，设定了人机交互界面，触摸屏上共给出4个界面，分别为欢迎界面，启动界面，运行界面，触摸屏界面。

3.4 控制系统的调试

本系统在正式运行前，需要进行调试工作。

（1）传感器的调试。本控制系统采用了漫反射光电传感器、电感式传感器、数字式光纤传感器三种传感器，正式调试前需对其进行性能调试。

电感式传感器的调试：在传感器下方传送带上放上金属材料，改变传感器上固定螺母的位置，使感应头对准金属材料，当金属导体不断靠近传感器感应面时，利用金属导体和交变电磁场的互感原理，使触发传感器开关输出信号，灯亮，达到非接触式之金属材料检测目的。

漫反射式光电传感器：在传输带上放上检测工料，当被检测物体经过传感器时，传感器收集反射光线，触发开关使电路工作。

数字式光纤传感器的调试：利用传感器调制器将光源的参数进行放大、解调、输出达到检测目的。

（2）软件调试。将程序编译，通过上下位机的连接电缆把程序下载到PLC中。刚写好的程序，或多或少总会有些错误，若要及时排除问题，减少系统现场调试的工作量，确保系统在现场做出正确的反映，需要进行离线测试。测试时在对应的I/O口给入信号，观察输出指示灯的状态，若输出和程序要求不符，立即进行故障排除，确保程序正确。

利用编程软件输入程序并将电脑与PLC机连接，进行通信，通信成功后打开程序进行在线调试，检查实际运行情况。

4 小结

该系统设计方法上简单易行，可靠性高，能够分拣不同颜色不同材质的工件，实现了全自动化的分拣模式。它模拟了现代设备中的自动化分拣系统，合理利用了现有的设备资源，满足了新生产工艺的需求，符合节约人力资源、提高劳动生产效率这一基本要求。

该系统采用PLC控制步进电机技术，程序更改灵活，只要改变控制参数就可改变电路功能。采用该控制系统在系统设计工作量、开发时间还有成本上都有绝对的优势，且其还具有结构紧凑、控制精准、用途广泛等优点，更能实现一机多用，现以得到较大推广和使用。

参考文献

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[3]卢国华.基于PLC与触摸屏的控制系统的实现[J].电气时代，2011（02）：26.

作者单位

广东省国防科技技师学院 广东省广州市 510515