基于PLC与MCGS的分拣单元动态控制系统设计

李修宇，张传俊

（安徽工商职业学院 应用工程学院，安徽 合肥 230022）

YL-335B 型自动化生产线是亚龙公司生产的生产线模型，由供料单元、装配单元、加工单元、分拣单元、运输单元等构成，由三菱PLC 承担控制功能，通过采用一系列设备，完成产品的生产、加工及运输。这种生产线模型在食品加工、流水生产线及汽车制造等众多领域有着广泛应用。承载其控制功能的PLC 是一款简单、实用的小型控制器，通过程序控制设备的运行。分拣系统设计是生产线中最后的设计部分，相关学者也对此进行了研究。吴捍疆等［1］基于三菱PLC 设计了一款蜜柚分拣装置，采用气动侧推分类机构，通过接近开关、光幕传感器及称重传感器进行信号检测，设计并详述了其机械结构、气动原理及控制过程，根据控制要求进行了软硬件设计，达到了节能提速的效果，但是存在延时较长的现象。邱建伟和许杰［2］构建了SF 桂林中转场快件分拣系统模型，应用Flexsim 软件，设定实体参数，仿真和运行快件分拣系统模型，优化快件分拣系统，使分拣质量得到明显提高，但是分拣用时较长。

上述方法主要是通过程序来控制分拣系统，程序编写一旦完成，分拣系统方式就为固定化。要修改分拣方式，就必须重新编写程序，这样使得工程烦琐，效率较低。因此，本文主要研究通过MCGS组态对分拣单元的动态控制，以此提升工业自动化生产线分拣效率。

1 基于PLC 与MCGS 的分拣系统硬件设计

1.1 分拣单元

分拣单元主要由3U 系列PLC［3］、FRE700 型变频器、FX3U-3A-ADP 模拟量模块、分拣机构、三相异步电动机［4］、编码器、气动执行元件和各种传感器构成，如图1 所示。其中，传感器构成了传感系统，PLC 构成了中央控制系统，电机和气动执行元件构成了执行系统。该系统需要分拣的工件如图2所示。

图1 分拣单元

图2 分拣工件套装

分拣单元主要实现的功能：当运输的工件到达待分拣区时，传感器可以有效识别工件的外观属性，向中央控制器发送信号，完成信号的发送任务。

1.2 中央控制器

中央控制器结构如图3 所示。中央控制器收到信号后，将对信号进行分析，然后发送执行命令，将工件输送到指定的料槽位置，由气缸推动工件进入料槽，完成分拣工作。

图3 中央控制器结构

2 基于PLC 与MCGS 的分拣系统软件设计

2.1 分拣系统结构

分拣站是对生产完成的工件进行分类的环节［5］，要求信号的采集［6］、工件的分类都必须准确。图4是分拣系统的组成。

图4 分拣系统结构

传送带的准确位移是由变频器控制的，因此变频器和PLC 的通讯［7-8］至关重要。通过使用FX3U-3A-ADP 模块进行通道和模拟量之间的转换，在触摸屏中输入所要设定的频率，存入到D0寄存器中，然后再进行模拟量转换。

分拣站是利用工件外壳颜色和工件芯体颜色的不同进行分拣的。因此，传感系统对工件颜色的准确捕捉至关重要。在判断芯体颜色的时候，若距离误差大于外壳的厚度（6 mm），很容易在判别芯体颜色时判别成壳体颜色，甚至检测不到。所以，要准确捕捉芯体颜色，就必须保证芯体在传感器的正下方，同时保证光纤传感器调整为能检测到白色和金属色的模式，通过一个金属传感器和一个光纤传感器的组合准确判断芯体和壳体的颜色。

2.2 MCGS组态的控制

MCGS 组态是一套能够快速开发分拣系统的组态软件，基于Microsoft 平台运行，通过对现场的分拣数据进行采集处理，可以准确快速地提供解决方案，实现对分拣系统的动态控制。

MCGS组态动态控制的具体步骤如下：

1）对自变量x（x=x1,x2,…,xm）进行m次采集并取均值，得到其测量数据矩阵X，X=(x1,x2,…,xm)n，n表示特征根数量。

2）当采集次数n较大时，分拣数据矩阵X的协方差矩阵C为

式中，cij表示X的分量xi、xj的协方差（i=1,2,…,m；j=1,2,…,n）。

若Hi(i=1,2,3,…,n)表示MCGS 组件在分拣系统中的位置，zi表示各MCGS组件的质量，那么全部MCGS组件在进行分拣系统中的控制过程如下：

式中，π1(Hi)表示在分拣过程中MCGS 组件处于Hi位置时的归一化分拣系数。

另外，通过该组态软件可以实现人机交互的功能。要实时修改分拣系统的分拣方式，就必须依靠硬件进行PLC 的动态控制。这里可以通过MCGS组态对PLC 进行动态控制［9-11］，通过触摸屏实时修改每个料槽应该进的工件。

现以料槽一为例。工作人员可在触摸屏界面修改料槽一的属性，按下按钮，确定套件的壳颜色和芯体颜色，再按下“属性确认”按钮［12-13］，这样就可以方便简单地实现分拣系统的修改。触摸屏操作界面如图5 所示，当在人机界面按下金属芯白色壳（长按）时，对应的M100 和M111 就会接通，然后按下料槽属性确认按钮，接通M200，此时便会置位M81（金属芯白色壳设定），同时复位其他的属性设置。当设定料槽一进金属芯白色工件时，M81会通电，同时其他的定义属性会被复位。因此，只要检测到金属芯白色壳工件，M60 和M71 会通电，向料槽一推料，而M80～M88（M81 除外）继电器不会通电。因此，只有在检测到金属芯白色壳的套件时，才会对料槽一进行分拣。同理，修改成其他属性时，也能完成相应的分拣动作。

图5 触摸屏操作界面

3 实验分析

为测试本文设计系统通过MCGS 组态对分拣单元的动态控制能力，选取文献［1］、文献［2］中的方法，在YL-335B 型自动化生产线模型上，对分拣效率进行对比测试。时延测试结果如图6 所示，速度测试结果如图7所示。

图6 不同系统时延对比分析

综合上述实验分析结果可知，在分拣数目为10～60 个时，本文控制系统分拣延时5.25 ms～15.25 ms，优于文献［1］系统的16.65 ms～29.47 ms与文献［2］系统的21.62 ms～35.49 ms，充分证明了所设计的系统在延时方面的优势。

由图7 可知，该控制系统分拣耗时15.42 s～48.82 s，优于文献［1］系统的83.20 s～156.14 s 与文献［2］系统的215.66 s～255.39 s。因此，所设计的系统的分拣速度更快，动态稳定性较强，且控制器时延较短、响应速率较快，实际应用性更高。

图7 不同分拣系统速度测试分析

4 总结

通过MCGS 组态，实时修改分拣方式，使PLC程序可以直接接通对应的分拣路线，关闭不符合的分拣程序，从而实现分拣系统的动态分拣。因此，该方法能在很多控制系统中应用，当产品的分拣需要进行实时改变时，该方案避免了工作人员修改程序的烦琐，一劳永逸，节约了生产时间，大大提高了生产效率。综上所述，通过把所有分拣的可能性都编程到PLC程序中，然后通过组态软件进行随机搭配，这种方案给出了一种新的控制思路，为生产线控制系统提供了一定的借鉴作用。