PLC 控制下的物料自動分揀系統設計研究

葉俊杰

（廣州市輕工職業學校，廣東廣州，510308）

0 引言

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）是一種專用于工業控制的電子設備。其基于一套用戶編寫的程序，對輸入信號進行監測，并相應地控制輸出，以實現自動化控制[1]。與傳統的硬線控制系統相比，PLC 為機械設備提供更高的靈活性和可擴展性。用戶可通過編程而非物理改線來修改控制邏輯，極大降低了生產線改造的復雜性和成本。本文圍繞PLC 控制器的有效應用，設計了一種新型的物料自動分揀系統，旨在解決傳統物料分揀方式局限，如低效率、高錯誤率等，同時提高系統整體運行效率和穩定性，進一步提升工業自動化水平。

1 系統總體方案

本次設計將物料自動分揀系統劃分為送料模塊、物料搬運模塊和分揀模塊，且每個模塊間獨立運行，再由PLC 程序對各個模塊進行控制，完成對應的自動分揀功能。其中，送料模塊包括上料機構、托盤、傳送系統、驅動電機以及物料探測傳感器等關鍵元件。該模塊通過上料機構將物料置于托盤上，并傳送至檢測單元，隨后進行適當的分揀作業，整個流程由PLC 程序精確控制。物料搬運模塊主要通過三軸抓取設備來執行搬運任務。模塊具備機械臂的伸展、垂直移動以及水平位移功能，并利用傳感器實時監控設備位置，提供即時的反饋信息。反饋信息包括設備是否抵達預定位置、物料是否被檢測到，以及設備是否能夠有效地進行抓取作業[2]。一旦所有檢測信號均為正常，搬運設備便會啟動分揀流程。設備在抓取并正確放置物料至特定位置后，會自動返回原位，準備接受下一次的分揀指令。整個抓取和放置過程均受PLC 程序的精確控制。分揀模塊中，PLC 程序用于控制輸送帶的運行與暫停，以及調節傳動帶的速度。同時，模塊內置的傳感器負責實時監控物料的積聚情況?；趥鞲衅鞯臋z測結果，系統會調整輸送帶的速度，確保其能夠靈活變化。目的是迅速將分揀完成的物料轉移到指定區域，從而保持流程的連續性和避免物料積壓。

2 PLC 控制下的物料自動分揀系統設計

■2.1 系統整體架構

基于本次物料自動分揀系統的設計方案，將PLC 控制下的物料自動分揀系統整體架構設計如圖1 所示。

圖1 物料自動分揀系統整體架構

從圖1 中可以看出，整個系統由人機交互頁面、PLC、執行軟件、反饋回路等關鍵部分構成，負責物料的傳輸、檢測，以及執行分揀任務的機電設備控制。其中，人機交互界面為系統操作員與PLC 之間交流的接口，用于輸入指令、監視系統狀態，以及進行故障診斷等[3]。PLC 作為系統的大腦，PLC 接收來自傳感器的輸入信號并處理這些信號，執行預先編程的邏輯控制指令。再根據輸入信號和預設程序來控制下游設備，如電機的啟停和速度調整等。執行元件包括電機驅動器、執行機械臂等，負責物理操作如推動傳送帶和機械臂等，將物料從一處移動到另一處。從控制策略的角度來看，本次PLC 控制下的物料自動分揀系統采用的是閉環控制策略，通過實時監測結果來動態調整控制命令，以確保系統操作的精確性和高效性。整個系統的設計強調了實時性和自動化，旨在最大限度地減少人工干預，提高分揀效率和準確性。通過PLC 的集成控制，系統能夠靈活地適應不同的操作條件和需求，優化整個分揀流程。

■2.2 系統硬件設計

2.2.1 PLC 選型

在本系統中，選擇三菱的FX-3UPLC 作為主控制器。因其具有較大的程序存儲器和數據存儲器容量，以及廣泛的使用性，所以能夠處理一些較為嚴格的控制任務。該型號PLC 常見于以太網IO 控制器和智能設備的控制應用，并能夠配合分布式自動化系統中的集中式IO接口。此外，其配備了帶有獨立IP 地址的以太網接口，支持網絡隔離和擴展，同時也可用于以太網IO RT 設備的擴展或作為輸入設備的通信接口。

2.2.2 步進電機及驅動器選型

系統采用NEMA 23 型號的步進電機，具有1.8 度的步進角，提供高扭矩和良好的速度控制。電機型號為23HS22-2804S，額定扭矩為2.8Nm，確保機械臂穩定運行。匹配的驅動器為DM542T，支持24-50V DC 電源輸入，最大4.2A 的輸出電流，其微步分割和電流設置可通過SW1～SW8 的撥動開關進行配置，以滿足精確控制的需求。

2.2.3 絲桿及限位開關選型

分揀系統中使用的絲桿為T8 型號，其導程為4mm，長度為600mm，以適應不同的分揀距離要求。同時將兩根絲桿垂直放置，形成X軸和Y 軸，以實現對工作臺物品的準確定位[4]。配套的限位開關選用ME-8108旋臂式限位開關，此開關具有彈性好和壽命長的使用優勢，可準確地控制絲桿的極限位置，避免超行程操作。

2.2.4 吸盤及真空發生器選型

系 統 選 用VMEF-L25 系列的圓形平面吸盤，其直徑為25mm，采用硅膠材料，適合在不同的表面上提供良好的吸附力。搭配的真空發生器選用VMG-25A型號，該發生器能提供-60kPa 的真空度，流量為25L/min，保證吸盤在快速移動時仍能穩定抓取物料。

2.2.5 氣缸及電磁閥選型

系統中的氣缸選用SCM 系列的標準型氣缸，型號為SCM-32X150，氣缸口徑為32mm，行程為150mm，符合分揀系統對動作速度和力量的需求。對應電磁閥選擇了SY5120 型號的5/2 單電控電磁閥，該電磁閥工作壓力范圍0.15～0.8MPa，適合氣缸精確動作。

2.2.6 系統硬件接線

系統硬件接線圖如圖2 所示。

■2.3 系統軟件設計

2.3.1 控制系統程序設計

本次系統分揀模式流程如圖3 所示。

圖3 系統分揀模式流程

從圖3 中可以看出，本次PLC 控制下物料自動分揀系統共分為三種分揀模式：手動運行模式、自動運行模式、單步運行模式。其中，手動運行模式通過操作員點動手動控制機械臂進行移動和抓取動作，主要用于系統前期調試。自動運行模式無需外部指令輸入，可自動連續執行移動和抓取動作。單步運行模式為操作員按下控制按鈕，機械臂執行預定的單一移動至特定位置并暫停，等待下一次按鍵指令來繼續下一動作。

（1）手動運行模式控制程序

在手動模式下，操作員可以直接從HMI 發送指令到PLC。其中，對于HMI 控制的實現，使用圖形化編程環境來創建按鈕和開關，將控件與PLC 的I/O 地址綁定。當操作員按下HMI 上的控制按鈕時，PLC 接收到一個布爾信號，以此激活一個功能塊來啟動或停止特定的硬件設備。例如，操作員按下“啟動輸送帶”按鈕，PLC 通過相應的輸出通道向電機驅動器發送信號，使傳送帶啟動或停止。PLC 程序示例如下：

其中，Start_Manual 是操作員用來啟動手動模式的信號，HMI_Conveyor_Button 是HMI 上控制傳送帶啟停的按鈕，HMI_Step_Motor_Button 是操作員用來啟動步進電機的按鈕，相關的速度和位置參數由操作員通過HMI 輸入。

（2）自動運行模式控制程序

在自動運行模式下，系統會依托主控制循環，該循環中每個步驟均具有條件檢查，只有所有條件滿足時，才會進入下一步驟。在TIA Portal 中為FX-3U 編寫的梯形圖邏輯示例如下：

其中，Start_Auto 是操作員在HMI 上設置的開始自動模式的信號，Emergency_Stop 是緊急停止按鈕的輸入，Conveyor_Speed 是傳送帶的速度變量，Stepper_Control是步進電機的控制塊，Material_Detected 是物料檢測傳感器的輸入。

（3）單步運行模式控制程序設計

單步運行模式允許操作員執行并觀察自動模式中每個單獨操作的步驟，通過操作員利用HMI 發出單步指令，PLC 再根據當前狀態機狀態來激活相應的硬件操作。其控制邏輯示例如下：

其中，Start_Single_Step 是單步模式的啟動信號，HMI_Next_Step 是操作員用來觸發下一步操作的HMI 按鈕，Step_State 是PLC 內部跟蹤單步操作的狀態變量，Initial_Position()、Move_To_Detection()、Perform_Sorting()是各步動作指令。

2.3.2 HMI 組態界面搭建

本系統HMI 組態界面搭建基于三菱GOT2000 系列HMI 和GX Works3 軟件進行，與FX5U PLC 完成通信。首先，在GX Works3 中創建新項目，選擇GOT2000 系列HMI 作為操作界面。并在“設備與網絡”視圖中，配置與FX5U 的CC-Link IE TSN 通信連接，確保HMI 與PLC 之間的數據同步。隨后，通過“標簽管理器”導入PLC 程序的符號表，直接鏈接PLC 數據塊中的地址至HMI 變量。同時配置變量的屬性，如數據類型、訪問權限和初始值，用于后續的界面綁定。再利用“畫面設計”工具，拖放界面元素如IO 字段、按鈕、滑動條和趨勢顯示控件至屏幕布局中。最后，對于控制按鈕，編寫“事件腳本”和“動作”來實現控制邏輯。例如，設置按鈕“Start_Auto”綁定的腳本為：“PLC1.DB1.Start_Auto := TRUE;”，以便操作員啟動自動模式。此外，在“用戶管理”中設置操作員和管理員不同權限，確保管理員可實時更改參數設置或進入維護界面。

3 實驗測試

當電源接通PLC 及空氣壓縮機后，激活主電源開關啟動系統，隨即系統進行上電復位。此時，機械臂進行自檢并歸位至初始坐標，即（0，0）點。這一自檢流程完成后，系統就緒并等待操作模式的選擇，操作員可選模式包括手動、單步或自動運行。在任何運行模式下，若操作員按下停止按鈕，系統將立即停止所有活動，包括軸和電磁閥的運動，此時機械臂將保持當前位置不變，不會返回原點，直到下一次系統啟動并上電復位。在自動運行模式下的上位機組態界面中，紅色監控信號燈亮起，顯示系統處于活躍運行狀態，伸縮氣缸和真空發生器均已激活并開始工作。界面顯示機械臂沿X 軸和Y 軸的實際移動距離，分別是67.772mm 和83.450mm。圖4 則為此時系統對應的工作狀態，圖中物料經分揀后已被吸盤緊緊吸附，并由伸縮氣缸逐步帶動物料上移。由此說明，本文所提出的PLC 控制下的物料自動分揀系統設計方案已得到有效實現，且具有操作界面簡潔、系統響應速度快等優勢，具有較高的實踐應用價值。

圖4 自動運行模式的物料分揀狀態

4 結語

綜上所述，本文通過以三菱FX-3U 為核心的物料自動分揀系統，展示了工業自動化在提高效率和減少錯誤方面的顯著潛力。文章中詳細梳理了系統的核心硬件組成部分與軟件程序設計流程，并通過實驗測試，驗證了系統方案的可行性。以期本次研究成果可為PLC 在物料處理和工業自動化領域的應用提供參考借鑒，并為未來工業自動化系統的升級創新提供全新方向。