基于PLC与触摸屏的物料分拣教学实验台设计

陈毓莉， 庞水全， 郑志军

(华南理工大学 机械与汽车工程学院， 广东 广州 510640)

基于PLC与触摸屏的物料分拣教学实验台设计

陈毓莉， 庞水全， 郑志军

(华南理工大学 机械与汽车工程学院， 广东 广州 510640)

针对高校实验设备功能单一等问题，设计了一种基于PLC与触摸屏的物料分拣教学实验台。将传感器技术、液压与气动控制、机电传动与控制、MCGSE组态开发、PLC控制技术有机结合在一起，形成一个多功能教学实验平台，可完成传感器技术实验、液压气动实验、机电传动实验、MCGSE组态实验、PLC控制实验以及控制电路实验，保证了教学实验设备的先进性与创新性，提高学生的动手和实践能力。

物料分拣； 实验台; PLC； 触摸屏

随着现代工业的发展，机电一体化在实验教学中起着越来越大的作用，而现有的教学实验平台大多存在综合性不强、实现功能单一、实验关联性以及学生实操性低等缺点，难以实现多样化的教学实验要求[1-3]。本文设计的基于PLC与触摸屏的物料分拣教学实验台，融合了传感器技术[4-5]、液压与气动控制[6]、机电传动与控制[7]、MCGSE组态开发[8-9]以及PLC自动控制[10-13]等方面的知识和技术，能有效完成多学科的综合教学实训任务。触摸屏模块的加入，使实验台更加直观，增加了学生的实验兴趣。多学科的综合，拓展了学生的知识面，也使学生的动手能力得到更好的培养。另外，本文所设计的教学实验平台采用现代化技术，保证了教学设备的先进性与实践性。

1 实验台的结构和功能设计

1.1 实验台的整体结构

实验台采用台式结构，由电源、液晶控制面板、单向电机、传送带、电磁阀组、气缸、感应器、落料槽、三菱PLC等部件组成，结构示意图见图1。学生可通过MCGSE组态软件开发人机交互界面，通过触屏通道实现实验台的控制。电动机带动传送带运送待分拣的物料，学生可应用机电传动与控制课程知识，使用实验台完成对电动机控制实验。图1中的二位五通电磁换向阀为YV1、YV2、YV3；气缸回位限位开关为磁感应开关SBW1、SBW2、SBW3；气缸动作限位开关为磁感应开关SFW1、SFW2、SFW3；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为气缸组。这几个组块都是气压控制回路中的元器件，学生可通过实验台完成气动控制的实验，进一步学习液压与气动课程知识。电容传感器SB用于检测非金属材料，颜色传感器SC用于检测特定颜色材料，电感传感器SA用于检测金属材料。学生可根据传感器原理与应用的知识，使用实验台完成传感技术的实验，也可对传感器进行更换，以完成其他类型物料的分拣任务。下料槽也称滑槽。

图1 物料分拣实验台的结构示意图

1.2 物料分拣的工作流程

使用该实验台进行物料分拣的流程如下：

(1) 接通电源，按下启动开关SB1，系统启动，绿灯亮；

(2) 把需要分拣的物料放到传送带上(放置下一个时需间隔一定的时间)，物料由传送带往前输送；

(3) 当电感传感器SA检测到金属材料时，气缸Ⅲ开始动作，把物料推送至下料槽18；

(4) 当颜色传感器SC检测到的材料为白色时，气缸Ⅱ开始动作，把物料推送至下料槽17；

(5) 当电容传感器SB检测非金属材料时，气缸Ⅰ开始动作，把物料推送至下料槽16；

(6) 按下急停按钮SB2，系统进入暂停状态，红灯亮；

(7) 按下停止按钮SB3，系统关闭。

控制流程见图2。

图2 实验台的控制流程图

2 实验台的硬件设计

本实验台采用台式结构，输送带作为传动机构，采用异步电动机驱动，3个传感器按图1结构分别固定在网孔板上。实验台主要由电气部分和气动部分组成。其中电气部分由三菱PLC、电感传感器、电容传感器、颜色传感器、单相交流电动机、开关电源、电磁阀等部件组成；气动部分由气源、减压阀、气压指示表、气缸等部件组成。实验台硬件结构框图见图3。

图3 实验台硬件结构框图

2.1 可编程控制器模块

可编程控制器(PLC)的种类比较多，主要有三菱、西门子、OMRON、东芝、FANAC等[10]，根据物料分拣实验台的工作过程和功能，系统的输入端控制信号有14个，均为开关量；输出端的控制信号有7个，1个控制电动机，1个控制抱闸线圈，2个控制指示灯，3个控制电磁换向阀，也均为开关量。综合各个型号的性能、价格以及使用场合等因素，并在实际统计输入/输出信号点总数的基础上增加15%～20%端口备用量，故选用FX2N-32MR的PLC作为系统控制主机，它一共有16个输入点和16个输出点[10]，不仅可以满足系统的设计要求，还有部分剩余I/O口用以满足将来扩充需求。表1为PLC的端口分配情况。

表1 FX2N-32MR的PLC(I/O)端口分配

根据PLC的端口分配情况，可以得到PLC的输入输出端子接线图，如图4所示。

图4 控制器FX2N-32MR的PLC(I/O)输入输出端子接线图

2.2 电动控制模块

基于PLC的物料分拣教学实验台的主电路由强电电路和控制电路共同组成，强电电路负责电能的交换，确保电器供电安全和稳定，主要有熔断器、接触器、热继电器以及电动机等部件组成；而控制电路负责控制电路中电器元件的动作，主要有开关、接触器以及热继电器等部分组成。实验台主电路见图5。

图5 实验台主电路图

主电路具有过载保护和短路保护功能。图5中：M1是空气压缩机，物料分拣教学实验台使用的是中央气源，因此在PLC中没有对M1进行端口匹配以及程序控制；M2是异步电动机，为传送带提供动力，因为物料分拣教学实验台融合了机电传动与控制实验，因此电动机选型为Y80M1-4，此电动机具有轻便和实

惠的优点，同时又能满足实验台要求[14]；FU1是熔断器，起着短路保护的作用，只要电路发生了短路，熔体的电流将使其发热，而当达到了熔化的温度时FU1将自行熔断，起到自保功能；KM1、KM3为接触器，用于控制电动机，当其中的一个接通时，所对应的电动机就能够启动、运行；FR1和FR2都是为了电动机的过载保护而设计使用的热继电器，当电动机出现长时间过载时，热继电器将自动切断电路，从而保证了电动机的正常启动、运转。在物料分拣教学实验台中，接触器和热继电器均由PLC端口来代替，通过梯形图编程来实现，电动机控制与PLC的端口匹配见表1。

电动机M2的控制过程如下：按下启动按钮SB1时，KM1接通，电动机将开始运转；按下急停按钮SB2时，KM1断开，电动机停止运行，同时KM2接通，向抱闸线圈通入电流，并产生磁力来克服弹簧拉力从而吸引电动机的闸轮，这就能够使电机立刻停止运转；按下停止按钮SB3，KM1和KM2全断开，电机由于惯性将缓慢停止运行。

2.3 气动控制模块

本实验台气动部分主要由气动执行机构和气动控制机构两部分组成。气动执行机构主要是由双作用直线气缸、薄型气缸以及真空装置组成；气动控制机构主要是由单电控二位五通电磁阀组成。气动控制原理如图6所示，空气压缩机将空气压缩之后经手阀开关和过滤减压阀至电磁阀组，控制各个气动元件执行相应的动作，按要求达到控制目的。

图6 气动控制原理图

实验时，打开气源开关，被检测物料在传送带上被带动；当电容传感器SB检测到非金属物料时，电磁阀YV1通电，使电磁换向阀变位，从而使非金属材料推料缸做推料动作；当活塞触发动作限位开关时，电磁阀断电，使电磁换向阀恢复原来位置，推料缸复位，完成推料动作，等待下一次检测到非金属物料。检测金属材料以及指定颜色材料同理。

2.4 人机界面模块

为了通过触摸屏操作实验台，必须给触摸屏设备创建组态用户界面。本实验台选用的触摸屏为昆仑通态MCGS触摸屏，首先使用MCGS组态软件设计交互界面和通道属性，然后通过串行接口按RS-232C接口标准对设备进行连接，实现实验台可视化操作。

机交互界面(见图7)包含了标题、日期时间、操作按钮、传送带运行的状态指示灯以及推料气缸的运行状态等内容。操作按钮包括启动按钮、停止按钮和急停按钮。传送带运行指示灯有正常运行与停止运行两种状态。推料缸指示灯分别对应3个推料缸，推料缸工作时，相应的指示灯闪烁；推料动作完成，指示灯闪烁停止。

图7 交互界面示意图

3 软件控制模块

图8 物料分拣教学实验台顺序功能图

传送带正常运作后，把待分拣物料放上传送带，若物料为非金属(X003)，则非金属推料缸工作(Y003)，把物料推至滑槽(下料槽)、送至1号仓库；若物料为指定颜色物料(X004)，则指定颜色推料缸工作(Y004)，把物料推至滑槽送至2号仓库；若物料为金属(X005)，则金属推料缸(Y005)，把物料推至滑槽送至3号仓库。

第一轮分拣结束后，系统自动进入第二个循环，等待下一个待分拣物料。

根据顺序功能图可以很容易地进行PLC梯形图编程，可采用台达Wplsoft-PLC编程软件进行程序编译，该软件具有简单易学的优点，适用于初学者。

4 实验设计

根据物料分拣教学实验台的组成和特点，可以设计如下教学实验：

(1) 物料分拣(传感技术)实验。使用实验台对不同的材料进行分拣操作，让学生掌握传感技术的原理和应用，进一步加深对传感技术的学习。

(2) 机电传动实验。通过实验操作观察电动机运转和停止情况，应用机电传动知识绘制电动机控制电路图，从实际操作中学习机电传动课程知识，提高学习兴趣。

(3) 气动控制实验。通过实验操作观察气动控制元件的动作，认识常用的气动元件，了解气动控制回路的组成，应用液压与气动控制知识绘制系统气动控制回路图，弄清楚实验台的气动控制执行顺序。

(4) MCGS组态实验。发挥创意对用户界面进行设计，然后设置界面相应属性，应用串行通信实现设备之间的沟通，使用触屏通道对实验台的动作进行控制，了解串行通信的原理与应用，提高学生的实验兴趣。

(5) PLC编程实验。通过使用编程软件编写实验台的梯形图程序，对实验台的动作进行控制，完成物料分拣的任务，让学生加深对PLC的认识，锻炼学生的逻辑思维与编译能力。

(6) 控制电路实验。根据所给控制电路进行接线，加深学生对电路知识的学习和记忆，同时避免了强电电路实验的危险性，提高电路实验的安全。

5 结语

基于PLC的物料分拣教学实验台既有一般实验设备的特点，又有以下几个方面的优点：

(1) 实验台融合了传感技术、机电传动与控制技术、液压与气动传动技术、MCGSE组态交互技术以及PLC编译技术，能有效地完成高职院校多学科交叉教学的任务；

(2) 实验台集多功能于一身，解决了一般实验器材功能单一的问题，可同时完成多学科的综合实验，形成更好的“教—学—做”实验体系；

(3) 实验台融合了近现代控制技术，可进行触屏和按钮双通道控制，设备具有现代技术水平，保证了教学实验设备技术的先进性与创新性。

References)

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[14] JB/T 10391—2008 Y系列(IP44)三相异步电动机 技术条件(机座号80—355)[S]. 北京:中国标准出版社, 2008.

Design of teaching experimental platform for material sorting based on PLC and touch screen

Chen Yuli, Pang Shuiquan, Zheng Zhijun

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

In view of the problems about the single function of experimental equipment in colleges and universities, a teaching experimental platform for material sorting based on PLC (programmable logic controller) and the touch screen is designed. The experimental platform combines the sensing technology, hydraulic and pneumatic control, electromechanical drive and control, MCGSE configuration development and PLC control technology to form a multi-functional teaching experimental platform, which can implement the sensor technology experiment, the hydraulic pneumatic experiment, the electromechanical drive experiment, the MCGSE configuration experiment, the PLC control experiment and the control circuit experiment in colleges and universities, ensuring the advancement and innovation of the teaching experimental equipment, and improving the students’ hands-on and practical ability.

material sorting; experimental platform; PLC; touch screen

TH22; G484

A

1002-4956(2017)10-0070-05

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.019

2017-04-05修改日期2017-06-20

2014年广东教育教学成果奖培育项目；2016年华南理工大学本科教研教改项目青年专项(j2jw-Y9160830)； 2016年华南理工大学“学生研究计划”(SRP)项目(x2jq-Y9160180)

陈毓莉(1979—)，女，海南琼海，硕士，工程师，研究方向为工程训练、工业控制实验教学研究与实践.

E-mail：chenyuli@scut.edu.cn