物料循环分拣系统PLC控制系统设计

谢金涛

（天津工业职业学院，天津 300400）

目前，自动分装系统是现代工业生产领域应用的研究热点，零件分装是实际生产过程中的必要工序，也是零件加工生产线的重要过程。其中材料检测与识别是自动分装系统的重点，系统设计前要考虑零件的材质、大小、形状等特点以及下一工序组装所需的零件结构，通过自动检测和分工的研究，实现生产效率、资源利用率的提高和人工劳动强度的降低具有非常重要的意义。我国的智能分拣系统在工业上的使用较少，设计优化物料分拣系统PLC的控制，在实际生产过程中，很多工序需要对产品进行分批处理，而从工时分析上看，采用人工分炼的生产效率很低、人工成本较高而且人为的失误也是不可避免的[1]。对产品的自动分拣可以有效地改进企业生产过程中存在的这类问题，为企业降低成本、提高效率和增强企业的综合竞争力。笔者根据工业应用中自动分拣系统的需求，设计了一种物料循环分拣PLC控制系统，该系统可以根据物料的材质、大小进行循环自动分拣任务，物料自动分拣系统包括：西门子S7-1200PLC、人机界面、机器人、机械手、气缸、井式上料单元、传感器、主副传送带、吸盘等设备。系统由PLC进行主控控制，结合传感器进行物料的材质、大小识别判定，通过机械手及机器人进行主副传送带循环分拣工作建成物料循环系统，再通过人机界面进行点位控制和监控[2]。

1 物料循环分拣系统的总体设计

1.1 物料循环分拣系统的设备需求

1）设备以普通桌子作为下机架，下机架三面均封闭，一面为敞开式。机架宽度方向的封板能向上打开，呈90°，作为台面加宽使用，底部必须有支撑。

2）设备最大长宽高：1 500 mm*700 mm*1 700 mm，此高度不含脚杯高度。

3）设备整体框架由铝型材构成，封板为钣金件，底部设置4个万向带刹车脚轮及脚杯，脚杯螺纹M18。

4）设备正面有一块立板，立板为网孔板，右侧放置电控盘。

5）台面模组，非标件中铝件采用喷丸、本色氧化，钢件表处镀光亮镍，不锈钢、铜不作表面处理。机构标准件中气缸、电机、传感器、丝杆模组均采用国产品牌进行配置。

6）PLC、显示屏、断路器、24 V电源、继电器、接触器、凸轮开关、电磁阀、三联件等均采用主流品牌三种选项进行配置，以适应客户不同需求。

7）三色灯为折叠带蜂鸣器类型，总长度＜200 mm，按钮均选用自复位带灯超短按钮，急停除外。显示屏尺寸小于9英寸，折叠支架。

8）设备台面右下方设置一个抽屉，配置文件柜锁，用于放置工具。机器立板正面左边设置两个文件袋。一个放置电路图及操作说明书，另一个放置机械组装SOP及模组爆炸图。

1.2 物料循环分拣系统的功能需求

物料放入井式上料单元后，启动，第一个物料落下，气缸将其推出至主传送皮带线，传送皮带线转动至末端，机械手丝杆模组接住物料，此时气缸推动物料，物料穿过机械手丝杆模组上的过渡板，落到第二条副传送皮带线，副传送皮带线转动，将物料运动至对应高度的接近传感器下方，此时气缸将物料推出，穿过机械手丝杆模组的过渡块至第一条主传送皮带线，实现回流[3-4]。重复上述动作，主副传送皮带线上的物料一直处于循环流动状态。

1.3 物料循环分拣系统的组成

设备机架、主副传送带、交流电动机、旋转编码器、传感器（光电式、电感式）、气缸、电磁阀、直流电源、空气过滤减压器、人机界面、三色灯、机械手丝杆模组、机器人、吸盘、井式上料单元等。

1.4 PLC的选择

对物料循环分拣机的设计及功能充分分析，因完成物料循环分拣工作需要控制系统稳定性好、传输数据快、可靠性高、市场普及率大、易于操作等优势，故从多种控制方式中选择了PLC控制。PLC控制方式中，西门子品牌市场占有率大，选择了西门子的主流PLC S7-1200系列。完成工作任务就需要I/O通讯的输入信号和输出信号，通过分析，需要的信号分别为50个输入信号和62个输出信号。根据需要的信号数量，又从S7-1200系列里面选择出了CPU为1215C DC/DC/DC的型号，该型号又能扩展多个通信模块，完全能够满足现在及日后对物料循环分拣机工作的设计需求[5-6]。

1.5 人机界面的选择

人机界面在工业应用中俗称为触摸屏和HMI屏，是一种既能触控又能显示的装置，可以根据工作任务，利用人机界面相关控制软件来进行定制化编程及设计的，可以进行后期数据修改等操作，方便现场调试及系统运行监控。根据物料循环分拣机的功能需求及PLC控制器的型号，人机界面选择了西门子的TP700 Comfort型号，有扩展数据模块，数据用以太网传输，特点是速度快、稳定[7]。

1.6 分拣机构的选择

根据物料循环系统的分拣设计需求，分拣三种类型物料，分拣任务需要4组分拣机构来完成，充分分析分拣动作及工作需求，4组分拣机构最终选定3组机械手丝杆模组外加单轴机器人的形式。丝杆模组由气动控制，特点是工作快速、稳定、性价比高，单轴机器人由电动机控制，可以进行调速及位置定位，选用机械手丝杆模组及单轴机器人的形式完全满足分拣的工作需要[8]。

2 物料循环分拣控制系统的调试

2.1 物料循环分拣工作

通电开机，在每次通电后都会有一次系统复位，系统复位后点击人机界面控制器启动主副传送带运转，推料气缸会将料筒中的物料推出，当检测到物料通过后如图1所示。

图1 物料循环分拣工作流程图

1）如果物料判定材质是金属时，在物料经过工位3时定位气缸会升起，升起后工位3会对金属物料进行分拣，分拣的过程是由工位3的吸盘下降，抓取金属物料，然后将金属物料从主传送皮带线分拣到副传送皮带线，最后返回到主传送皮带线的过程。分拣后金属物料在副传送皮带中继续运行，当金属物料到达工位1传感器时，定位气缸升起，工位1会对金属物料再次进行分拣，分拣的过程是由工位1的丝杆模组抓取金属物料从副传送皮带线移动到主传送皮带线，反复的过程[9]。

2）如果物料判定材质是非金属物料与金属物料的相同规格时，在物料经过工位4时定位气缸会升起，升起后工位4会对非金属物料进行分拣，分拣的过程是由工位4的机器人抓取非金属物料后将非金属物料从主传送皮带线移动到副传送皮带线，然后回到主传送皮带线的过程。分拣后非金属物料会在副传送皮带线中继续运行，当非金属物料到达工位1时定位气缸升起，工位1会对非金属物料进行分拣，分拣的过程是由工位1的丝杆模组抓取非金属物料后将非金属物料从副传送皮带线移动到主传送皮带线，反复的过程。

3）如果物料是非金属物料和金属物料的不同规格时，在物料经过工位2时定位气缸会升起，升起后工位2会对非金属物料进行分拣，分拣的过程是由工位2的丝杆模组抓取非金属物料后将非金属物料从主传送皮带线移动到副传送皮带线的过程。分拣后非金属物料会在副传送皮带线继续运行，当非金属物料到达工位1时定位气缸升起，工位1会对非金属物料进行分拣，分拣的过程是由工位1的丝杆模组抓取非金属物料后将其从副传送皮带线移动到主传送皮带线，反复的过程[10]。

2.2 PLC控制系统程序设计

程序分为Main（主程序）、副皮带电机控制、工位1控制、工位2控制、工位3控制、工位4控制、皮带电机控制、气缸控制、三色灯控制、丝杠电机控制、推料气缸控制、系统复位。

以工位1程序编写为例：当物料通过副皮带旋转移动到工位1时传感器检测到物料定位气缸升起，工位1对物料进行分拣，分拣的过程是由工位1的机械手丝杆模组抓取物料后，将物料从副传送皮带移动到主传送皮带的过程。

2.3 人机界面程序设计

根据物料循环分拣系统设计，人机界面由主页、主传送皮带线控制、副传送皮带线控制三大控制界面组成，主页界面中控制着整套设备的系统启动、系统停止、系统复位，还可查看物料数量、主传送皮带线速度、各丝杠模组速度、副传送皮带线速度，并可调试修改。

主传送皮带线控制界面控制着主传送皮带的启动、停止、复位和主传送皮带的速度，同时可切换到主界面和副皮带控制界面。

副传送皮带线控制界面控制着副传送皮带线的启动、停止、复位和副传送皮带的速度，同时可切换到主界面和主皮带控制界面。

3 结语

本文论述了物料循环分拣系统控制的系统设计、控制系统、工作原理、流程，以及控制系统调试。用实际应用证明了在物料分拣工作中可以快速实现自动循环，改进了工业应用中分拣物料循环系统。根据实物研发，本文物料循环分拣系统的PLC控制设计满足实际需求，提高了分拣的工作效率、稳定性和可靠性。