利用S7-200PLC的3层离心式硬币清分机的开发

张　颖，　金昌福

(延边大学工学院机械系,吉林 延吉 133000)



利用S7-200PLC的3层离心式硬币清分机的开发

张颖，金昌福*

(延边大学工学院机械系,吉林 延吉 133000)

摘要：根据我国现有硬币清分机的实际情况，开发了一种性能良好、工作效率高的3层离心式硬币清分机，并对其主要工作部件的结构、工作原理、机电传动设计进行介绍，科学地计算运动参数，优化结构，证实运动合理性。开发的3层离心式硬币清分机实际清分量高达600枚/min，清分准确率98.4%，并且在清分过程中不出现卡币、拥堵、不出币现象，能高效快速地清分不同面值的硬币。

关键词：PLC；硬币清分机；离心式；开发

硬币的流通在给人们生活带来便利的同时，也在清点分类上给相关部门带来了巨大的压力。目前，我国在硬币清分上仍然采用半自动化或人工的方法，浪费了大量的人力和物力。由于硬币的清分工作强度高，难度大，成本高，利润小，误差大，迫切需要一套自动化程度高，集清分、计数、收集等功能于一体的硬币清分装置[1]。由于国情和货币体系不同，研制各国统一的硬币清分系统不现实，因此，需要针对不同的货币体系研制相应的清分系统。在这个领域里，国外较早开展了研究，并且做了大量的工作。开发的产品大致也分为3个档次，即低档、中档和高档。低档清分速度在400枚/min以下，中档为500～600枚/min左右，高档则在1 000枚/min以上[2-3]。在此领域比较有代表性的是著名的瑞典SCANCOIN AB公司，它是一家专业生产各种银行器具的公司，成系列地研制了针对不同货币体制下的清分系统，但其价格昂贵且进行技术垄断[4]。在国内清华大学、北京科技大学、南京航空航天大学等多家单位均深入研究过硬币清分机，其所使用的清分方法主要有2大类：1) 根据物理技术进行清分，2) 根据性能指标进行清分。目前国内畅销的苏州少士 YFJ-200硬币点数机无法做到同时清分多种硬币，且每次清分不同类型硬币需耗费时间调整机器，清分效率只有400枚/min，抗振动和抗电磁干扰能力差、工艺流程复杂,价格高达8 000元，缺少实用价值[5-7]。而本文开发的这种3层离心式硬币清分机工作时无需调整，可同时清分4种硬币，成本只有3 000元，制造工艺简单，清分效率高达600枚/min，该装置应用于实际中，可提高工作人员的效率，为今后设计制造相关硬币清分机提供理论依据和参考资料。

1总体方案的设计

经过市场的调查研究，硬币清分机有2种典型机型:振动式硬币清分机和离心式硬币清分机。其特点如下：

1) 振动式硬币清分机：利用电动机驱动相关执行机构，产生巨大振动，使硬币在密闭空间产生位移，从而达到清分功能，但是这种机型体积大、质量大、工作噪声大、工作性能差、寿命短、不易搬运。

2) 离心式硬币清分机：利用旋转产生离心力，使硬币甩出旋转盘，进入筛选轨道，由传送带输送，进行清分[8]。该机型效率高、工作稳定、无噪声，但是存在卡币、拥堵、不出币现象。

根据清分效果分析，总体方案定为基于S7-200PLC控制的离心式硬币清分机。筛选方式改进为3层4出口，计数装置采用光敏传感器。

1.1设计条件

1) 硬币规格：现市面上流通4种硬币，第五套人民币中的1元，5角，1角(以下称小1角)和第四套人民币中的1角(以下称大1角)。

直径关系：1元>大1角>5角>小1角；厚度关系：大1角>1元>小1角>5角[9]。

2) 清分量(η)η=600枚/min 左右

1.2总体结构

3层离心式硬币清分机结构如图1。其中，1.料斗;2. 传动轴；3.传送带；4.旋转盘；5.筒壁；6.筛选轨道；7.输送轨道；8.机架；9.储币盒；10.步进电机。

图1　结构简图

2主要工作部件的设计及工作原理

2.1旋转盘

旋转盘是承载硬币的主要机构，在离心过程中起到初步筛选的作用。根据宋祥德等人对旋转盘的分析和改进设计，为了更有效地清分硬币，在保证其强度和刚度的条件下，开了一定数量的孔，3层旋转盘直径都设定为190 mm[10]。

1) 第1层旋转盘在半径35和70 mm的2个圆上分别环形阵列8个，10个直径为24 mm的孔，该盘开孔只允许1元以外的硬币通过。

2) 第2层旋转盘参数同上，但是阵列的开孔直径21 mm，该盘开孔只允许大1角以外的硬币通过。

2.2筒壁

筒壁作为封闭旋转盘的机构，在工作中起到第2次筛选作用。3层的筒壁内径190 mm，高60mm。在旋转盘切向处对应的位置开口，第1层开口角度30°，口高2.3 mm，只允许大1角以外的硬币通过；第2层开口30°，口高3 mm；第3层开口30°，口高3 mm。

2.3筛选轨道

筛选轨道作为本设计的关键部分，在工作中起到最后1次筛选作用。

1) 第1层轨道从切向处开始，沿垂直该点直径方向安装，长120 mm，宽25 mm，在距切向处80 mm轨道内开1个长30 mm，宽23 mm筛选口。1元可通过筛选口，其他硬币掉落。

2) 第2层轨道长120 mm，宽22.5 mm，距切向处80 mm开1个长30 mm，宽21 mm筛选口，大1角可通过，其他硬币不可通过。

3) 第3层轨道长120 mm，宽20.5 mm，距切向处80 mm开一个长30 mm，宽19.5 mm筛选口，5角可通过，小1角不可通过。

2.4计数装置

本设计采用市场上常见的光敏传感器进行检测，硬币每通过1次，用PLC对其产生的电脉冲信号下降沿计数1次，并通过七段数码管显示[11]。

2.5传送带

在硬币离开旋转盘后，采用小型马达驱动的3个传送带为硬币提供能量，使其继续在筛选轨道中继续滑行。

式中，v1为硬币离开旋转盘时的速度；m为硬币质量；P为电机功率；t为硬币与传送带接触时间；μ为摩擦因数；s为筛选轨道长度。

经计算,P=8 W，选用三拓R4468型微型电机。

2.6工作原理

启动机器，将定量硬币从顶端放入第1层旋转腔内。在离心作用下，1元、5角和小1角硬币通过筒壁开口进入筛选轨道，1元硬币通过轨道进入储币盒并计数，其余硬币通过旋转盘开孔或输送轨道进入第2层旋转腔。在第2层中，大1角，5角和小1角硬币通过筒壁开口进入筛选轨道，大1角硬币通过轨道进入储币盒并计数，其余硬币通过旋转盘开孔或输送轨道进入第3层旋转腔内。第3层中，5角和小1角通过开口进入轨道，5角离开轨道进入盒中，小1角从筛选轨道进入盒中。从而，周而复始地完成工作。

3步进电机选型及控制

3.1步进电机选型

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

得nmax=146r/min，该设计机型初始可容纳150枚硬币。根据《机械设计》一书中功率和扭矩计算公式可得[12]。

阻力FW=Zμmg=21.5N

效率η=η1×η2=0.64(为联轴器效率；为传动效率)

选用雷塞57型步进电机。

3.2电机的控制

根据PLC编程及应用一书中相关部分，本设计采用西门子S7-200PLC和MM420变频器控制步进电机的启动、正转、反转、调速和停止的功能[13-15]。

1) 步进电机控制程序：按下开关SB1，I0.0闭合，Q0.0线圈得电自锁，使步进电机正转，计时器T37开始计时。10 s后，T37常闭触点断开，常开触点闭合，Q0.0失电断开，Q0.1得电自锁，电机反转，计时器T38开始计时。1 s后，T38常闭触点断开，常开触点闭合，Q0.1失电断开，Q0.0得电自锁，以此周而复始。任意时刻可按停止开关SB2，I0.1断开，机器停止工作(图2)

图2　控制程序梯形图

2) 步进电机接线图：采用硬件接线，通过模拟量输出控制AIN1，来控制变频器的频率，从而改变电机转速[16](图3)。

图3　硬件接线图

4清分机实际结果分析

由表1可知，用所制样机进行试验，共计5次，清分硬币总计600枚，平均耗时51.2 s，平均准确率达到98.4%(图4)。由第5次试验结果表明,清分耗时由短到长依次为小1角,大1角,1元和5角,且准确率达100%。(表2)。对照对象为市面上畅销的苏州少士 YFJ-200硬币点数机，该机型每分钟清分量只有400枚,并且有时存在误差[17]。根据所得结果，作者开发的3层式离心清分机效率和准确率大于苏州少士 YFJ-200硬币点数机，达到预期设计标准。另外，此成果荣获“迪瑞杯”第七届吉林省大学生机械创新设计大赛一等奖。

图4　测试场景图

表1　试验结果

表2　第5次试验结果

5结论

1) 三层离心式硬币清分机实际清分量η=600枚/min，清分准确率98.4%。

2) 在清分过程中不会出现卡币、拥堵、不出币现象，能高效快速地清分不同面值的硬币。

3) 该设计简便、体积小、质量轻、价格低廉、维护简便、性能稳定，可适用于银行、超市及交通部门等。

4) 本设计在许多地方仍有待改进，轨道可设计为倾斜式，去除驱动滚刷，降低成本；旋转盘和筒壁可设计为拆卸式，方便拆装运输；控制程序仍存在缺点，可增加间歇式正反转控制程序，避免硬币转不出去的现象，以进一步提高清分效率。

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收稿日期：2016-04-02

作者简介：张颖(1995—)，男，安徽巢湖人，在读学士,研究方向为机械工程。金昌福为通信作者， E-mail：jincf9@163.com

文章编号：1004-7999(2016)02-0175-04

DOI:10.13478/j.cnki.jasyu.2016.02.015

中图分类号：TH693

文献标识码：A

Development of three-layer centrifugal Coin Counting and Sorting Machine by the S7-200PLC

ZHANG Ying，JING Changfu*

(EngineeringCollegeofYanbianUniversity，YanjiJilin133000 ，China)

Abstract：In view of the situation of Coin Counting and Sorting Machine in China, a new three-layer centrifugal Coin Counting and Sorting Machine with good performance and high efficiency was developed, and its structure of main working parts, operating principle and mechanical and electrical transmission design were introduced here. In addition, its motion parameters were scientifically calculated, its mechanical structure was optimized, and its rationality of movement was proved. The actual amount of counting and sorting of this machine was up to 600 coins per minute with classification accuracy of 98.4%, without coin stucking, jamming and loss. As a result, the machine developed could be able to efficiently count and sort coins with different face values.

Key words:PLC; Coin Counting and Sorting Machine; centifugal; development