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摘要：物料分拣作为物流和生产制造领域的核心环节，其重要性日益凸显。但传统的人工分拣方式在效率与准确性上存在局限性，物料自动分拣技术的引入成为了提升分拣效率的关键所在。综上所述，为了进一步提升物料分拣系统的工作效能与自动化水平，设计一种硬件设备完善、程序结构合理高效的分拣系统，采用西门子PLC进行编程控制，并结合组态王MCGS软件实现上位机的设计。对系统的整体架构、软硬件设计与调试过程以及实际应用效果进行了详细介绍。经过严格的测试，系统展现出了出色的灵活性与适应性，能够根据不同使用场景进行针对性的优化，因此具有极高的实用价值。在实际应用中，能够有效保障物料传送分拣的准确性、稳定性与可靠性，同时实现了高效的自动化控制。
关键词：PLC；MCGS组态王；物料自动分拣
0引言
随着科技的快速发展和全球贸易的不断增长，物料分拣作为物流领域中的关键环节，正面临着前所未有的挑战与机遇[1-5]。传统的手工分拣方式不仅效率低下，而且容易出错，已无法满足现代物流对于准确性和高效性的要求。因此，物料自动分拣系统的出现成为了解决这一问题的关键[6-7]。
物料自动分拣系统是一种集成了计算机技术、传感器技术、自动控制技术等多学科知识的先进物流系统。它通过自动识别、定位、分类和运输等环节，实现了对物料的快速、准确和高效分拣。这一系统不仅大幅提高了分拣效率，降低了人力成本，而且减少了分拣过程中的错误和损失，为企业的可持续发展提供了有力支持[8-13]。
物料自动分拣系统的应用范围广泛，不仅适用于工业生产线上的物料分拣，还可以应用于仓库管理、物流配送等多个领域。目前的自动化物料分解系统大多使用了PLC、视觉识别系统、传感器等智能控制设备，上位机大多使用触摸屏等软件。但随着物联网、大数据等技术的不断发展，物料自动分拣系统存在不够智能化、自动化、集成化、直观化等问题，制约了现代物流业的发展速度[14-20]。
本文采用S7-1500型号PLC控制三轴抓取装置进行物料的抓取，利用组态王MCGS上位机软件实现整个生产过程的数字化和可视化，可以为以后研究者研发高效、经济的自动分拣设备提供理论依据和现实意义，推动物料自动分拣技术的不断创新和发展，为现代物流业的繁荣做出更大贡献。
1物料自动分拣系统组成与控制要求
1.1分拣系统组成
（1）分拣单元。分拣单位的主要作用是将成品的工件分别检测分拣到相应的储存的单元，主要模拟检测金属以及白色或者黑色物料。
（2）供料单元。其作用是储料和对已有的工件进行有序分配，并将料推选到传送检测机构上工作。其运动部分主要包括料仓和推料气缸。已经放置在纵向料仓中的工件检测传感器检测到位，被单杆气缸驱动的推料板向前推动，及时保证横向料槽中有到位的工件，为推料气缸进行推出料做好准备。当工件被机械手搬运后推料气缸缩回，让一个工件从料仓中滑下，完成一次分料过程。
（3）存储单元。是将成品的工件分别检测分拣到相应的储存单元。主要由一台直线皮带输送机、一台成品分拣机构台三滑道成品储存器组成。其功能是将搬运单元机械手送来的成品按金属与颜色分别送入三滑道成品储在器中。图1所示为分拣系统组成结构。
1.2控制要求
在系统上电后，用户需在按钮盒上按下复位按钮。若系统未处于初始状态，则将执行复位动作。当系统成功复位至初始位置后，用户可按下启动按钮以启动工作流程。在此过程中，料仓检测传感器将检测料仓内是否有工件。若检测到工件，将触发直线搬运单元进行搬运操作。系统将从料仓中提供金属与塑料两种工件，直至料仓内无料为止。当料台检测到工件后，气缸将运行至料台位置，将工件从料台搬运至传送带上。完成此步骤后，系统将夹起已加工的工件，并将其输送到分拣单元处。在将工件放置到分拣单元料台后，系统将返回至原点，准备进行下一周期的工作。当分拣单元料台检测到工件时，将触发电机转动，以实现工件的分拣。
2系统硬件设计
系统采用西门子S7-1500 PLC编程语言进行编程，能够满足系统丰富的控制功能并具有强大的灵活性。系统使用昆仑通泰的MCGS组态软件进行上位机编写，使分拣系统控制更加直观化，方便工作人员进行监控与检测。由于自动分拣系统是一种能够自动化地对物品进行分类和分拣的智能化系统。它利用先进的技术和算法，高效、精准地完成物品分类和分拣，提高货物分类的效率和处理速度，减少了人力成本，具有很高的应用价值和商业前景。系统主要具有高效性、精度高、自动化、灵活性和数据化的特点。自动分拣系统整体框图如图2所示。
系统电气设计图如图3所示，本系统共有4个传感器，当物料放入储物槽后，按下S1开关按钮，M1电机传动皮带，当B1落料检测传感器检测到有物料后，启动出料定时器定时3 s后，打开K1出料电磁阀。当S4出料气缸磁开时，关闭K1出料电磁阀，推杆回退，物料没有全部出料前，系统每隔3 s出料。
若物料为金属，当物料传至B2金属检测传感器位置，K2金属电磁阀启动，金属物料被推出传动带，分拣到金属物料区，当S5金属气缸磁开时，关闭K2金属电磁阀，推杆回退；若物料为白色，当物料传至B3颜色检测传感器位置，K3颜色电磁阀启动，金属物料被推出传动带，分拣到白色物料区，当S6颜色气缸磁开时，关闭K3颜色电磁阀，推杆回退；经过前面两轮分拣，只剩下黑色物料，当物料传至B4物料检测传感器位置，K4物料电磁阀启动，金属物料被推出传动带，分拣到黑色物料区，当S7物料气缸磁开时，关闭K4物料电磁阀，推杆回退。
物料全部分拣完成，按下S2停止按钮，B1落料检测传感器关闭无法运行，无法出料；经过K6停止复定时器定时10 s复位运行时间，停止；物料均出仓，还有物料滞留传动带，按下S2停止按钮，若检测到有电磁阀磁开，表示仍有物料，K6停止复位定时器重新计时，再经过10 s，停止；按下急停按钮，所有元件停止工作。
3系统软件设计
3.1 I/O分配表
根据物料分拣系统的控制要求，整个控制系统的输入点数为12点，输出点数为5点，I/O地址分配表如表1所示。
3.2 PLC流程图
物料分拣系统的控制程序使用西门子PLC编程软件编写、调试，其工作流程如图4所示。
3.3 PLC部分程序
根据物料分拣系统控制流程要求，编写PLC程序。图5所示为PLC启动、停止和急停程序。其中启动时使用上升沿触发，输出中间继电器M1.0，停止时，为保证皮带上的物料分拣完，延时8 s再停止，用到T40时间继电器进行计时，但再按下停止后，出料电磁阀会停止出料。急停时，将M0.0到M3.8之间的继电器复位，起到急停的作用。其中M2.0为MCGS启动按钮，M2.1为MC⁃GS停止按钮，M2.3为MCGS急停按钮。
图6所示为出料电磁阀逻辑程序。当按下启动，出料传感器检测到物料，计时器T37开始计时3 s，当计时结束，在上升沿触发一个脉冲，输出出料电磁阀，当出料电磁阀伸出到位，便返回。
图7所示为金属与颜色分拣程序。金属检测分拣逻辑：当检测到金属物料后，伸出金属电磁阀，进行分拣，电磁阀输出之后，为保证安全返回，在3 s内不再接受输出信号；颜色检测分拣逻辑：检测到颜色物料后，伸出颜色电磁阀，进行分拣，当伸出到位后，停止伸出，为保证安全返回，1 s内不再接受输出信号，1 s之后才可继续进行动作。
4 MCGS上位机界面设计
在MCGS组态软件中，设计物料分拣系统的控制页面如图8所示。控制页面的右侧布局了启动、复位、停止和急停等按钮，以便用户进行灵活的操作控制。图中清晰地展示了分拣物品的3大类别，分别是物料仓库、颜色仓库和金属仓库。用户可以通过启动和停止按钮，对分拣单元进行精确的操作控制。控制页面的左侧重点展示了实时动画显示功能，能够直观地反映物料分拣的整个过程。这一部分的图符设计，能够根据实际分拣单元的运行环境进行同步显示，从而帮助用户更好地监控和管理整个分拣系统。
4.1传送带
传送带的设计采用了俯视的视角来构建整体架构。虽然MCGS已经提供了预设的传送带设计，但在实际应用中，其效果并未达到预期的理想状态。经深入分析，原因在于该传送带设计并未采用俯视角度。因此，依据实际需求，设计了俯视视角的传送带方案，以确保设计的功能性与可视性。
4.2推手
此装置内置4个推手，当相应的电磁阀被激活时，推手会按照预设方向前进。当达到预设的磁开位置后，推手将自动收回。在MCGS系统中，已精准设计推手的移动路径，确保MCGS中的比例与实际装置一致，以便后续的物料移动动画调试工作顺利进行。
从外观上看，该装置由3部分构成：大圆柱外壳，用于遮蔽推手的内部运动机制；小圆柱推把，作为推手的实际运动部分；红色小方块，旨在增大与物料的接触面积，不仅提高了推手的实用性，还赋予了其美观的外观。
4.3物料
常规的物料分拣MCGS设计是采用整个皮带一直循环传送一个小球，然后再检测到相应的物件后就生成一个小球掉下，这种方式设计简单，但与实际装置的运行就有很大的偏差。系统做出了一些改进，当出料电磁阀打开后，设定物料的移动速度与实际装置相同，当物料经过相应的推手，就会判断是否出料电磁阀是否打开，确认打开后物料就会按顺序向左移动。每当物料经过相应的推手有电磁阀动作，则小球会变色，并垂直移动。
4.4系统调试
MCGS的调试过程主要包括传送带调试、推手调试和下料调试。为确保组态动画与实际装置的一致性，本系统精确地测量了实际装置中的比例系数以及皮带传送的速度，并在MCGS中按照等比例进行绘制。以下料调试为例，图9为MCGS软件中设置的部分脚本程序与小球变色画面，其中小球水平移动0变量用于控制第一个物料的水平移动，小球停止0用于控制物料是否在相应的推手位置掉落，小球类型0用于显示物料的颜色，小球停止设定值0用于控制物料的最大水平移动距离和下落位置，即限位的作用，小球垂直移动0用于控制第一个物料的垂直移动。物料到达后，出料电磁阀打开，物料就会向左移动，移动范围为整个传送带。设定物料的移动速度以及推手之间间隔的比例与实际装置相同，当物料经过相应的推手时系统会判断是否有电磁阀动作，如果有电磁阀动作，则小球会变色，并垂直移动。
在MCGS软件中将动画中物料的数量与实际情况进行匹配，即实际装置中存在多少物料，MCGS中就会显示多少物料。根据实际情况，在物料模型中，系统设计了5个模型叠加，并设置脚本程序保证了每个物料的相对独立，每个物料的脚本原理同第一个物料相同，只是变量名不同，如小球移动0变为小球移动1，这里不再赘述。将MCGS软件上传到触摸屏中，通过通讯连接实现了PLC、MCGS上位机、物料分拣设备的联机调试。经过多次调试，触摸屏的画面能够与实际物料分拣画面一致，系统的误差较少，直观性强，实用性较好，图10所示为系统联调画面。
5结束语
本文介绍了一种基于PLC和MCGS组态软件的物料分拣控制系统。该系统利用传感器精确检测金属与有颜色的物料信息，并通过传动带的带动，将多样化的物料按照颜色和材质准确无误地送入相应滑槽。上位机使用的MCGS组态控制页面不仅具有分拣操作、计数功能，并通过循环策略和脚本程序设计，还能实时动画监控工件的运动过程和分拣效果，西门子PLC能够优化系统的控制流程，并方便工作人员进行程序的增加与优化及排故。实践证明，该控制系统不仅能够实现连续、批量的物料分拣，而且能够与其他生产线设备实现无缝对接，为物料的加工、装配及分拣提供了全面而高效的解决方案，具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。
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基于PLC的物料自动分拣系统设计论文
人参与 2025-02-06 10:49:24 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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