基于材料分拣模型设计的实验综述报告

王亮 沈晔超 葛勇

摘 要：基于材料分拣模型采用PLC、传感器、位置控制、电气传动和气动等技术，可以实现不同材料的自动分拣和归类功能，并可配置监控软件由上位计算机监控。材料自动分拣系统能连续、大批量地分拣货物，不受气候、时间、人的体力等的限制，弥补了人力分拣在重复分拣方面的低效率工作。使用传感器甄别物料外部特征作为信息输入机制，以最大限度地降低分拣误差。人员的使用上也仅局限于在上位机上对整个控制系统进行监控和针对不同生产要求修改系统控制流程，基本做到无人化生产。

关键词：可编程控制器;分拣装置;控制系统;传感器

中图分类号：TM571.2

Abstract：Based on the material sorting model，PLC，sensor，position control，electrical transmission and pneumatic technology are adopted to realize the automatic sorting and classification of different materials，and the monitoring software can be configured to be monitored by the upper computer.The automatic material sorting system can sort goods continuously and in large quantities，which is not limited by climate，time and human physical strength，and makes up for the low efficiency of manual sorting in repeated sorting.The sensor is used to identify the external characteristics of materials as the information input mechanism to minimize the sorting error.The use of personnel is only limited to monitoring the whole control system on the upper computer and modifying the system control process according to different production requirements，so as to basically achieve unmanned production.

Keywords：programmable controller;sorting device;control system;sensor

材料分揀模型[1]针对职业院校和技能培训教育机构授课过程中的实际需求，凝练技能特征点，构建特征化实训原型机，其适用于PLC[2]、变频器[3]、机电一体化、电气自动化等相关专业和课程的教学设计和实训教学实施。材料分拣模型由端子排、减压阀、支架、气缸等[4-8]机电元器件构成，采用可编程控制器调控，交流电机变频调速[9]等多重手段，实现物料传送与分拣的工艺要求。通过模拟工业任务的模型设置，有效推动了任务驱动项目教学法[10]的落地。模型整体设计为开放拆装式，可以满足培训人员动手实操的要求，拆装零件贴合实际产品设计，可分解至零部件级，甚至小至螺丝钉级，实训教学效果良好。

1 材料分拣装置的构成与总体方案设计

采用PLC进行控制设定的分拣装置囊括了点位控制、传感器、气动、可编程控制器等多重控制手段。它是工厂生产实际应用装置的微缩模型重构。

该模型由光电、电容、电感、磁性等多种不同性能的传感器和电磁阀、气缸、减压阀等常见的气动元件以及皮带、支架、端子排等部件组合而成。主要完成物料的检测、输送、分拣功能，其结构示意图如图1所示。

2 硬件设计

2.1 I/O口点位数的确认

结合材料分拣装置的控制需求，共需要配有2个开关、3个传感器信号。由于气缸具有动作和回位两个限位点，因此共需设置4个信号点位。输出信号设计接触器和2个电磁阀。因此，整个系统共7个输入点，另有输出点3个。

2.2 PLC综合选型

通过上述I/O口数量的总体分析，合理分配材料分拣装置的控制形式，采用开关量控制。综合考虑控制系统的性能要求，选用西门子公司的S7-200系列CPU226。改型CPU共有24个输入和16个输出，完全可以满足系统的控制要求。

2.3 变频器的型号选配

选用M420系列的小型变频器驱动交流电机运转，它可以触类旁通地掌握其他厂家的变频器的使用方法和操作技巧。

2.4 电感传感器的型号选定

金属物体可采用电感式接近开关测出，该型传感器具有开关量输出。传感器通过涡流的作用改变电路的内部参数，进而识别出测距范围内是否存在金属物体的介入，完成开关系统的通断控制。选用M18X1X40电感传感器，其原理如图2所示。

2.5 电容传感器选择

电容传感器通过极板间距离改变影响电路状态的变化实现物体距离的测定。系统选用E2KX8ME1电容传感器，工作原理如图3所示。

2.6 光电传感器选择

光电传感器可以检测判断出接受光强的变化情况，属于一种常见的小型电子设备。选配的FPG放大器内含有光电传感器，负载可连接至PLC上，其原理如图4所示。

3 可编程控制器的梯形图程序设计

控制程序中的梯形图核心部分由梯形图图5可知，启动触点I2.0得电后，M0.1线圈工作状态自锁，为电机上电做好基础准备。I2.1常闭触点，其功能是关闭停止按钮。当可编程控制器处于RUN工作模式的时候，如果SM0.1通电一个周期，输出端口Q0.0复位清零，与此同时，子程序将被调用工作。

4 控制系统的软硬件调试

4.1 控制系统软件调试

通过软件完成梯形图程序的编辑工作，利用连接线路将程序下载进入可编程控制器中。为了避免程序当中的人为差错和逻辑缺失，进行程序正确性的检查和验证，可以有效地减少系统现场调试的工作量。检查正常和异常状态下系统的相应结果是否正确。利用离线状态进行测试，PLC和外设在此状态下可以分离。根据逻辑控制的实际需要，将给定信号通过输入端口配置进入，观察分析比对输出知识灯的闪亮情况是否正常。如果输入指示灯的闪亮情况与既定规则不相符，查找错误的原因，进行程序的调整和修正。

4.2 控制系统硬件调试

将铁磁性材料置于电感式传感器下方的传送带上，通过调节传感器上方的两螺母，移动传感器的上下位置至合适的区域，当传感器上的指示灯发出光亮，则表示当前的高度能够实现传感器对铁磁性材料的有效检出。标定好当前的位置状态后，固化相对位置关系，确保传感器的正常工作。

电容式传感器的系统调试与之类似，只需要将铁磁性材料换成铝质材料即可。

5 结论

基于材料分拣模型的控制系统使用PLC作为控制核心，可以实现连续大宗货物量的分拣操作。由于使用传感器进行自动化检测，大大降低了传统人工分拣劳动强度，提升了劳动生产效率。

（1）分拣工艺流程可以实现与其他物流设备的和中心匹配控制机构的快速有效信息交互，为物料的自动化流转、信息流的快速有效分配和管理提供了可能。

（2）选用标准的模块化设计，布局灵活，检修方便，且工作状态稳定，不会轻易受到场地布局和场地配置等方面的影响。

（3）当分拣物料不同时，只需要针对性地调整和修改程序中的参数和对应的传感器型号即可，二次改造和适应性升级十分方便。

综上所述，基于材料分拣模型的控制系统，結构紧凑、体积适中，可以进行不同物料的定制化筛选和快速有效分拣，应用前景十分广阔。

参考文献：

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[9]李宏慧，臧朝伟，张兵.异步电机变频控制技术研究[J].煤炭工程，2014，46（12）：20-22.

[10]张彦军，刘文怡.科研成果驱动式电子综合实践教改设计与实践[J].高等工程教育研究，2020（02）：88-92.

基金项目：安徽省高等学校省级质量工程项目（2020xf xm07，2020jyxm0306，2020szsfkc0256）;安徽省高校自然科学重点研究项目（KJ2020A1106）

*通讯作者：王亮（1988— ），男，安徽东至人，硕士，实验师，研究方向：控制理论与控制工程。