基于西门子PLC与MCGS的产品质量等级分拣系统设计

2022-01-20殷晶晶

电子制作 2021年24期

殷晶晶

（合肥市经贸旅游学校，安徽合肥，230011）

0 引言

生产过程中需将某些产品进行分拣成箱，以备后续使用、销售等[1,2]。目前，对工业现场使用的分拣设备的研究逐年增多[3,4]，提出了对分拣设备设计的诸多解决方案。李菁川[5]针对某校华中数控HSR612(Ⅰ型)工业机器人，对其进行功能二次开发（智能颜色识别分拣系统），在不影响原有功能的基础上，增加新的功能，使机器人单体变成机器人小型工作站。李修宇[6]等针对传统的YL-335B自动化生产线控制系统分拣方式单一、耗时长的问题，设计一种基于PLC与MCGS的分拣单元动态控制系统，该系统通过MCGS进行了交互界面的组态，所使用的控制器时延短，响应速率快，对自动化的分拣装配系统设计有一定参考价值。

本文基于西门子S7-1200型PLC，使用三相电机、伺服电机、步进电机实现工件传送、分拣送料和抓放料等功能。通过光电传感器检测工件包装盒的二维码和颜色，将工具分为优质品和合格品两种类型。在TIA Portal 15中进行S7-1200控制器的软件程序设计，通过MCGS环境进行人机交互界面设计，设备在现场的应用良好。

1 系统硬件设计

■1.1 总体设计方案

如图 1所示，控制系统整体结构组成图，选择西门子S7-1200型PLC作为控制系统的控制核心，三相电机（M1）为输送带驱动电机，由变频器驱动，伺服电机（M2）为分拣送料电机，由伺服系统控制，步进电机（M3）为抓放料电机，由步进电机驱动器控制。指示灯组件为一组LED指示灯，分别用于指示电源开关、M1电机开关、M2电机开关、M3电机开关、优质品指示灯、合格品指示灯、优质品储箱已装满指示灯、合格品储箱已装满指示灯等。按钮模组包括系统启动按钮、停止按钮和紧急制动按钮，该三个按钮为实体硬件型按钮，人机交互界面中的按钮为虚拟按钮，具备按钮的开关功能。当设备启动后，首先判断仓库是否有工件，上料机器将工件送至输送带上，输送带电机（M1）运行；工件通过光电传感器检测识别，对工件包装盒的二维码和包装盒颜色进行识别（蓝色为优质品，黄色为合格品），电机（M1）在运行过程中进行2档减速运行，以保证工件不被快速运行无法制动。工件输送快到分拣抓料位置时，电机（M1）低速运行，工件最后精准停在入仓抓料位置。步进电机（M3）与伺服电机（M2）配合运行，完成工件分拣和搬运操作，将工件存放到对应的存储箱中。

图1 分拣系统整体组成结构

工业电源为生产现场常用的50Hz三相交流电源，可为机器提供电网的标准380V电压。电源开关为工业电源与PLC供电电源两用开关，并通过降压与稳压电路将380V交流电源转换为220V直流电和24V直流电源。变频器用于控制三相电机M1的转速，支持满载的长时间运行，兼容50Hz和60Hz的380V工业交流电，伺服驱动器用于驱动伺服电机M2，伺服电机为永磁同步电机和编码器的组合体，在伺服驱动器上可设置伺服电机的使能或失能，并未伺服电机提供工作电源，伺服驱动器通过接收控制器的脉冲信号实现电机转动，通过控制脉冲信号发出的频率来控制伺服电机的转速。步进驱动器用于驱动步进电机M3，步进电机M3采用开环控制方法，不在电机上增设编码器；在步进电机驱动器上同样可设置步进电机的使能或失能，同时为电机通过标准的工作电源，通过在驱动器上设置细分数的方法降低电机的步距角，细分数设置范围为0～255，可实现对步进电机步距角的0～255细分；步进电机为两相位四线制，分别与驱动器的两相（A+、A-、B+、B-）连接，驱动器脉冲信号接收引脚用于接收PLC控制器发出的脉冲信号，通过控制脉冲信号发出的频率即可完成对步进电机转速的控制。按钮模组采用常用的工业逻辑开关按钮，可实现按下自锁，再按断开的功能，结构简单，使用方便。光电传感器模组为PLC控制器的传感器单元，用于感知光电信号，并为PLC提供光电模拟量到数字量的转换。

■1.2 指示灯组件

如图2所示，指示灯组件为PLC的I/O引脚控制型，通过I/O引脚的开关来控制指示灯的通断，在每个指示灯上均串联一个10 kΩ限流电阻，防止电流过流、过热造成断路，在电路设计上将所有指示灯的地线共地。

图2 指示灯组件

■1.3 电机控制电路

如图3所示，三相电机（M1）由变频器（VF1）驱动，伺服电机（M2）由伺服系统控制器（SF1）控制，步进电机（M3）由步进电机驱动器（BQ1）控制。

图3 电机控制电路

2 人机界面设计

MCGS是由深圳昆仑通态科技有限责任公司研发的一套基于Windows平台的PLC界面组态软件，具有功能完善、操作简便等特点，可快速、方便地开发各种上位机界面，并便携地与不同类型的PLC进行连接通信。MCGS软件提供了人机交互设计常用的控件，如按钮控件、LED模拟控件、图片控件、文本框和多行文本控件、逻辑（0和1）按钮控件等，用户可根据需要选用常用控件即可完成常规界面的设计。

通过MCGS开发环境设计系统的主界面、自动控制界面、手动控制界面、参数设置、产品信息界面。主界面：画面显示“产品质量等级分拣系统”及年历日期等，并在界面底部设计“手动控制”、“自动控制”、“参数设置”、“产品信息”四个按钮，通过按下这些按钮，可进入对应的子系统操作界面。自动控制界面可设置启动、停止、复位控制按钮和各种状态指示。手动控制界面可手动控制三个电机M1、M2、M3的正反转运动、送料气缸和吸盘电磁阀动作等。参数设置界面可进行仓位置设置，系统按设置的仓位进行工件分拣。产品信息界面用于每次经过光电传感器后，将当前扫描的产品信息实时显示出来，通过产品信息也可判断产品的质量等级。

■2.1 主界面

如图 4所示，主界面上显示了系统名称及软件版本，年历等，底部包括四个子系统界面按钮：自动控制、手动控制、参数设置、产品信息，通过按钮控件可分别进入自动控制界面、手动控制界面和参数设置界面、产品信息界面。

图4 主界面设计

■2.2 自动控制界面

如图5所示，自动控制界面中可进行系统的运行、停止和复位等功能控制。通过“启动”、“停止”、“复位”按钮进行状态控制。通过界面底部的主界面、自动控制、手动控制、参数设置、产品信息5个按钮可分别进入各子系统界面。通过9个灯控件来显示系统对工件的自动检测，包括电机轴原点的检测、有无物料的料筒检测、对包装盒的颜色检测、对包装盒的二维码检查、工件所在位置的定位检测及经过光电传感器后判断为优质品、合格品还是未识别等的检测。图中“运行”、“停止”、“复位”均采用立体圆形LED控件，当三者中某个状态运行时，LED指示为绿灯，当三者中某些状态为关停时，LED指示为红灯。同理，平面方形LED控件用于指示对应状态的开关，红色表示关状态，绿色表示开状态。

图5 自动控制界面

■2.3 手动控制界面

如图6所示，手动控制界面可完成对电机M1、M2和M3的正反转控制和送料控制。通过开关控件I/O判断电机的正转（I）或反转（O）。通过界面底部的主界面、自动控制、手动控制、参数设置、产品信息5个按钮分别进入各子系统界面。设置电机通断逻辑开关LED指示灯用于指示电机的正转、反转状态，“I”代表正转，“O”表示反转，该种控件共设置三组，分别对应三相电机M1、伺服电机M2和步进电机M3。

图6 手动控制界面

■2.4 参数设置界面

如图7所示，共设计6个存储箱，参数设置界面可分别对6个储箱进行产品放置，图中显示了仓位1、3、5为优质品存储区，仓位2、4、6为合格品存储器，合格品、优质品、不合格品信息均显示在文本框中，用户只能进行信息读取，不能进行信息设定。在界面底部，主界面、自动控制、手动控制、参数设置、产品信息5个按钮可分别进入各子系统界面。