基于PLC的废旧液晶屏自动化检测与识别生产线控制系统设计

2023-02-18曾静李笑芝冯家乐张振响

再生资源与循环经济 2023年1期

曾静，李笑芝，冯家乐，张振响

（合肥工业大学，安徽合肥 230009）

液晶屏因其具备能耗低、集成性高、无辐射、显示效果优和质量轻等优点，被广泛应用于各类电器电子产品。因此，随着各类电子产品废弃量的不断增加，我国每年都会产生规模巨大的废旧液晶屏。一方面，废旧液晶屏中含有液晶和重金属等对人体有害的物质；另一方面，它也含有高价金属铟等可用资源[1]。

如果能够实现废旧液晶屏的高效回收再利用，将会极大地缓解我国部分资源紧张的压力，有效减少废旧移动终端回收处理不当所造成的环境危害。

目前，由于不同种类液晶屏的结构和尺寸不同，国内的废旧液晶屏回收技术仍以人工分拣为主，该方法智能化程度低且工作量大，分拣精度受人为因素影响较大，效率不高[1]。针对上述问题，研发了一种以PLC为核心的废旧液晶屏自动化检测与识别生产线，用于实现废旧液晶屏的型号检测与识别、精准分类、快速分拣及自动贴标等功能，具有逻辑控制功能较强、编程简单、远程通讯性能良好、控制精度及响应速度高等优点。

1 控制系统总体方案设计

1.1 控制系统设计需求分析

在废旧液晶屏自动化检测与识别生产线中，控制系统主要根据生产线的工艺流程和动作要求，控制传输线、滑台模组、气缸和电机等现场硬件设备，进行各机械模块的独立控制及协同工作，确保生产线的高效精准运行。因此，控制系统的具体功能需求分析如下。

1.1.1 自动运行功能。控制系统应确保在自动运行模式下，生产线可根据实际需要，对物料输送线、检测平台、分拣模块等进行调试，具备进行连续检测与识别工作的能力，完成相应任务。

1.1.2 设备动作控制功能。控制系统应能够控制传输线启停、电机转速、控制真空吸盘和气缸等，满足不同种类和尺寸废旧液晶屏的检测与识别要求。

1.1.3 通讯功能。控制系统应具备上位机与控制器之间实时通讯的功能[2]。

1.1.4 数据收集与反馈功能。控制系统能够利用传感器、编码器等完成现场设备的相关数据采集工作，并及时反馈至上位机软件平台，便于工程师及时感知生产线的运行状况，并对突发情况进行处理。

1.1.5 故障报警及保护功能。控制系统应自动检测生产线故障，具备紧急情境下自动停机的功能，并负责实时反馈报警信息，以便工程师针对故障情况进行检修和维护。

目前内固定物失效仍是肩袖修复的主要并发症之一，因此可靠的初始内固定强度对于肩袖撕裂修复十分重要。Meier等［18］通过在30例尸体的肩关节上模拟全层撕裂的肩袖损伤，分别采用穿骨缝合、单排锚钉缝合、双排锚钉缝合。其结果显示锚钉固定的抗拉力强度明显强于穿骨缝合，双排锚钉明显强于单排锚钉，且当双排锚钉固定试验的拉力强度达到设定最大限度时，仍未出现内固定失效情况，这也说明双排锚钉能为肩袖修复内固定维持提供高强度抗拉力作用。

1.2 控制系统总体方案

考虑废旧液晶屏自动化检测与识别生产线由多种模块、工艺组合形成，结合控制系统的设计需求分析，从可靠性和可扩展性角度出发，控制系统的总体方案设计采取模块化的组合方式，根据不同模块和工序的特点设计出相应的功能模块子系统，结合工业控制器，通过数据连接与通讯方式形成完善的控制系统。图1 为控制系统的体系结构图。

图1 控制系统体系结构图

从图1 可知，废旧液晶屏自动化检测与识别生产线控制系统主要由以下部分组成：监控管理系统、主控制系统、微观控制系统和自动运输控制系统等。其中，监控管理系统作为控制系统的中枢，主要负责进行软件设计工作，具体包括运动程序设计、设备组态、驱动标签打印、启动光学检测模组并完成图像信息采集等。最重要的是，监控管理系统将各功能模块子系统进行集成设计，提供可视化界面，简化了控制系统的操作流程；主控制系统以PLC 可编程逻辑控制器作为主控制核心，主要包括物料传输模块的动力控制、分隔挡停及快速分拣机构的运动控制、自动化识别设备联动控制和自动贴标子系统行程控制等；微观控制系统因为检测工位现有工艺特点，采用独立的微观控制器，设计出功能独立的工作站，主要完成丝杆滑台模组的运动控制、压力传感信号的采集处理和抽真空气动装置控制等；自动运输系统因为完成远距离运输工作，无法使用有线通讯方式，故采用微控制器作为运输小车控制中心，通过工控机与上位机进行无线通讯，实现远程运动控制与信息反馈，进一步提高生产线的自动化程度。

2 控制系统硬件设计

2.1 主控制系统硬件设计

根据控制系统体系结构设计和生产线工作过程分析，主控制系统是实现废旧液晶屏自动化检测与识别生产线各部分协调工作的核心，主要负责物料传输、快速分拣、自动贴标等模块的独立运动控制以及各模块间的联动控制。

根据PLC 类型选择标准，由于主控制系统需要的数字量输入与输出点较多，要求PLC 内部存储资源较大。为满足废旧液晶屏自动化检测与识别生产线控制系统在工业应用现场的控制需求，选择西门子公司的S7-1500 系列紧凑型CPU1512C-1PN 型号PLC 作为主控制器。该型号PLC 具备程序存储量250 KB，数据存储容量24 MB，板载32 路数字量输入点和输出点[3]，可以满足废旧液晶屏自动化检测与识别生产线的要求。同时，该控制器集成了四路高速脉冲输出接口，可结合内部轴工艺对象实现多轴联动和在线监测。此外，该控制器可以通过PROFINET 主从协议与上位机软件实现在线连接与通讯，进行程序下载与调试。

重点对主控制器进行选型设计，系统其他元器件选型过程不再赘述，最终确定主控制系统的硬件选型结果如表1 所示。

表1 主控制系统硬件选型列表

在PLC 输出端，根据生产线控制流程完成接线设计，Q0.0～Q0.5 为高速脉冲输出端口，用于控制伺服电机与步进电机的转动速度，可通过调整脉冲输出频率进行加减速运动。此外，输出端口通过控制中间继电器KA 的通断来实现对真空吸盘和气缸等的运动控制。以步进电机驱动电路为例进行说明。主控PLC 通过Q0.0 和Q0.1 高速脉冲输出端口分别连接步进驱动器的脉冲信号和方向信号输入接口，实现对步进电机的速度控制和方向调节。

2.2 微观控制系统硬件设计

微观控制系统负责微观检测模块的信息采集和运动控制，根据检测与识别工艺流程，具体完成丝杆滑台模组的联动控制、压力信号的采集及转化、滑动定位块的气动控制等。鉴于主控制系统选择西门子S7-1500 系列PLC 作为主控器，微观检测系统同样采用西门子PLC 作为控制核心。

根据微观检测模块的设计方案要求，微观控制系统包含对两个丝杆滑台模组的驱动电机分别进行运动控制，同时还需要接收传感器信息和主控制器传递的控制信号。由于微观控制系统的功能结构相对简单，综合考虑I/O 地址分配、可拓展能力和存储资源等诸多因素，根据西门子PLC 的选型手册，最终选择S7-1200 系列1214C 型号CPU 作为微观控制器。该CPU与主控制器一样集成了四路高速脉冲输出，可实现对步进电机的脉冲控制与速度调节。关于微观控制系统的其他元器件选型，压力传感器选择斯巴拓公司生产的SBT674 型号，步进电机选择雷赛57CM23 型号，电磁阀选择亚德客公司生产的4V210 型号。

2.3 自动运输控制系统硬件设计

自动运输控制系统是实现自动运输小车远距离传送功能的前提和基础。根据控制系统体系结构，自动运输控制系统主要由工控机、微控制器、IMU 传感器、激光雷达、电机驱动模块和编码电机组成。其中工控机由树莓派4B 微型电脑主板搭配3.5 寸（11.7 cm）TFT 屏幕组成，与上位机之间通过无线通讯进行数据连接，负责接收上位机下发指令并结合激光雷达信号执行地图构建与自动导航算法程序。

3 控制系统软件设计

因为生产线的信息采集、数据处理、结构驱动等功能均依托软件设计实现，所以控制系统软件设计是废旧液晶屏自动化检测与识别生产线能否满足设计需求，实现运行过程中各功能模块协调控制的关键。根据控制系统设计需求分析，控制系统软件设计主要包括生产线控制程序设计和监控管理界面设计两部分内容。

3.1 生产线控制程序设计

根据废旧液晶屏自动化检测与识别工艺过程，结合控制系统硬件设计模块划分结果及电路连接情况，废旧液晶屏自动化检测与识别生产线的控制程序遵循模块化思想进行编写设计。生产线控制程序设计包括主控制程序、微观检测控制程序和自动运输控制程序。其中，因为主控制系统和微观控制系统均采用西门子系列PLC，故程序设计平台为TIA Portal 开发软件，TIA Portal 是西门子公司为简化用户操作、降低PLC 使用难度设计的自动化开发平台[4]；而自动运输控制系统以STM32 开发板作为控制中枢，采用C 语言进行程序设计，程序设计平台选择Keil uvision4。

3.1.1 主控制程序

主控制程序用于实现生产线自动化检测与识别全过程的控制，根据各类输入信号的传递与分析，实现各功能模块之间的过渡衔接与连续运动，完成废旧液晶屏自动化检测与识别生产线的顺序控制流程，保证全线联动的正常运行。图2 为主控制程序的控制流程。