实训教学用物料分拣工作台控制系统设计

王 丽 葛 帅

(1.陕西工业职业技术学院 陕西咸阳712000；2.西安工业大学 西安710021)

随着工业化和信息化进程飞速发展，提出中国制造2025旨在提升整体创新力和制造业的素质。目前很多企业在自动化控制方面仍不可避免存在一些控制缺失或控制浪费问题[1]，同时，各大专院校间在工业化自动控制的实训教学方面也存在很大不足[2]。

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller, PLC）结合了传统的继电器技术跟微型计算机技术，它具有数字化的操作系统并且高度贴合工业环境，其高效的反馈速度和稳定的性能，已经被越来越多的企业所青睐[3-5]。为促进工业化进程，适应国家智能制造的发展潮流，优化院校间和培训机构的实训教学，设计、搭建了一种基于西门子PLC控制的多模式分拣工作台[6-7]。

工作台以西门子PLC为主要的控制元件，在保证电路正确连接且畅通的情况下，以不同类别的传感器作为识别元件[8]，将检测到的开关量信号传递给PLC，由PLC输出开关量信号给工作台的执行部件，即气动控制部件，由电磁阀控制气缸动作，完成自动上料和自动分拣作业[9]，并通过后期实验调试验证了其模块化的优越性能。

1 西门子PLC控制原理

西门子PLC在工业领域中应用极为广泛，尤其是在现代工业自动化和过程自动化的控制系统中[10]。PLC投入运行后，工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新阶段。首先PLC读入输入状态和数据并存入I/O区，然后依次从上至下扫描梯形图，并最终由输出电路驱动相应外设[11]。在本工作台的控制中，以开关按钮和传感器作为输入，通过编写梯形图，实现对电机、气缸以及指示信号灯等外设的控制。通过西门子PLC的稳定控制，实现高效的自动供料和分拣作业，并可通过PPI协议与触摸屏设备通讯，实现良好的人机交互[12]。

2 工作台方案设计

2.1 工作台整体方案设计

工作台以西门子PLC作为主要控制元件，通过编写程序，实现如下的控制流程：按下启动按钮，绿灯亮，电机启动带动传送带运行，供料气缸从井式储料仓进行供料操作，将工件从井式储料仓推出至传送带上，经传送带输送分别经三个传感器进行识别，三个传感器分别为检测金属工件的金属接近开关传感器、检测磁性材料的霍尔开关传感器、检测塑料材料的漫反射光电开关传感器，由传感器检测工件的材质，是金属、磁性材料还是塑料，并将开关量信号输送至PLC中，由对应的推料气缸将其推送至相应的料槽里，每次推送为一次分拣作业，分拣流程如图1所示。

2.2 工作台机械结构设计

在对机械结构进行设计时，使用三维建模软件Solidworks将创建的零件模型进行等比例的装配、仿真，从而对作品有直观的认识，更加方便后期的拼装和调试。搭建工作台时，首先选择所需的主要部件，以不同型号规格的铝型材搭建平台架构、台面和支撑立柱，其他主要部件包括传送带、以铝板制作的传送带支撑、电机、调速器、电磁阀、按钮开关盒、供料台、传感器、气缸、空气压缩机、料仓、指示灯；针对工作台中的一些部件如电机座、供料台面、井式储料仓等均由3D打印机完成制作，其中立柱与台面、铝板与立柱之间通过对应规格的转向角码件进行连接，电机与传送带之间的滚筒通过联轴器进行连接；将各部件合理拼接装配，三维模型如图2所示。

图1 工作台分拣流程图

图2 工作台三维模型图

2.3 工作台电气控制设计

2.3.1 电路设计

在进行工作台的电路设计时，应充分考虑各电路元器件之间的电压匹配关系，避免器件的烧毁或造成其他安全事故；同时，应在电路中加入空气开关、熔断器等器件，以确保电路的安全性能，在强电电路中，加载3个空气开关和4个熔断器，可以保证在电压过大或接线错误时对电路中其他元器件的保护；在控制电路中，因电机选择220V单相交流电机，故使用交流接触器来控制电机调速器，以此来控制电机的启动和停止，在控制器件PLC的输出端加入中间继电器，以保证控制的稳定性和可行性，平台上加入10个中间继电器，可方便后期加载更多的控制器件，工作台的控制电路如图3所示。

图3 工作台控制电路图

在设计电路的时候，充分考虑工作台的结构位置，将电路元器件合理的安置在平台下层的底板上，并在该板上留有接地端和接线端子排，其中接地端同样可以起到保护电路的作用，而接线端子排，可使工作台的接线更加便捷和美观，避免了接线冗杂的情况，工作台的接线端子排如图4所示。

将所有电路元器件，包括空气开关、熔断器、西门子PLC、24V开关电源、接触器、中间继电器、接地端，端子排合理安置在板子中。

图4 工作台电路端子图

2.3.2 气动控制

工作台的执行部件为小型直推气缸，通过空气压缩机提供动力，由PLC控制电磁阀的通电断电，来控制气缸的开关，并在气缸端部装有空气节流阀，以此来控制气缸动作的快慢，来适应不同速度需求的作业要求。其中电磁阀选择单电控的DC24V电磁阀，工作台的气动控制原理图如图5所示。

图5 工作台气动控制原理图

2.4 工作台的PLC控制设计

在使用PLC控制时，首先对PLC进行选型，通过考虑满足控制要求的输入输出模块数量以及是否有模拟量的输入输出，并同时考虑控制之间的匹配关系，选择西门子S7-200系列的224继电器型PLC作为控制主元件，选型后对PLC的I/O口进行分配，分配表如表1所示。

表1 工作台 PLC的I/O口分配表

对PLC的I/O进行合理分配后，根据PLC的端子图进行正确的接线，PLC端子图如图6所示。

图6 工作台PLC端子图

通过SETP 7 MicroWIN SP9软件进行PLC梯形图的编写，通过加入中间变量来保证程序的可靠性，通过程序控制实现，按下启动按钮，绿灯亮，电机启动，进行分拣作业，当一次分拣完成后，等待数秒，进行下一轮的供料、分拣作业。同时，通过对程序的改写，使用定时器，来控制气缸是在传感器识别后立即推料还是等待数秒后推料，由此解决气缸位置不固定、分拣速度不固定的问题，这里以金属推料气缸的控制为例，编写相应的梯形图如图7所示。

考虑到PLC的输入输出信号多为开关量信号，针对不同的传感器识别模块之间存在有较多相似之处，因此可以建立相应的传感器识别子程序库，在使用的时候，通过调用，灵活匹配，凸显模块化思维，其中模块框图如图8所示。

图7 工作台金属分拣模块控制梯形图

图8 工作台识别硬件模块框图

2.5 人机界面和组态软件设计

触摸屏选择TPC7062KK（TX）型嵌入式一体化触摸屏，其参数为输入24VDC/300mA max，通过PPI协议与西门子224PLC进行通信，在MCGS嵌入式组态环境中对操作界面进行编辑，包括启动按钮、停止按钮和复位按钮，以及相应的指示，触摸屏实物图如图10所示。

图10 工作台触摸屏实物图

3 工作台性能测试

通过正确的接线，调试后，接通3个电源，分别为电机电源、电路板电源、空气压缩机电源。电源接通后，工作台处于停止工作状态，红色信号灯点亮，此时，按下启动按钮或在触摸屏上操作，根据预先编辑好的程序，绿色指示灯点亮，供料机构进行供料操作，等待2s后，电机启动带动传送带运行，带动工件进入分拣模块，经过各个传感器进行识别，根据程序完成分拣推料至对应的料槽中，每次推送为一次分拣循环，在一次循环结束后，等待数秒后（可自行设定）进行下一轮的自动分拣，直到将井式供料槽内的工件分拣完毕。

经测试，工作台运行平稳可靠，分拣精度高，且灵活性较强，可以适应不同的作业速度需求；与此同时，工作台在模块化方向处理较好，各模块间可自由匹配。

4 结语

基于西门子PLC控制的多模式分拣工作台，以PLC作为主控元件，辅助电路、气动控制和人机交互，可通过按键或触摸屏实现安全、高效、稳定的自动供料和分拣作业。同时，工作台在研制时可根据需求自行设计搭建，实现从无到有，实训效果明显；且控制充足稳定，将其应用于企业自动化控制，同样具有十分显著的效果。