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基于PLC的物料自动分拣控制系统设计与应用

在现代工业自动化领域，物料分拣的效率与准确性直接影响生产节奏与产品质量。本文以某电子元器件生产线上的物料自动分拣系统为例，从控制需求分析、硬件架构搭建、软件逻辑设计到现场调试优化，全面阐述PLC控制系统在实际工程中的应用思路与关键技术点，为类似自动化改造项目提供可借鉴的实践经验。

一、项目背景与控制需求

某电子厂SMT车间需对不同规格的芯片载具进行自动化分拣。原有人工分拣方式存在效率低下（日均处理量不足万件）、误判率高（约3%）、劳动强度大等问题。新系统需实现以下核心功能：

1.物料识别：通过光学传感器与金属检测传感器组合，区分载具的材质（塑料/金属）与尺寸（8mm/12mm两种宽度）

2.自动分拣：依据识别结果，将4类物料分别推送至对应料仓，分拣节拍≤2秒/件

3.流程控制：包含上料传送带启停、分拣执行机构动作、料仓满料报警等连锁逻辑

4.状态监控：实时显示设备运行参数、故障报警信息，并具备手动/自动切换功能

二、系统总体设计方案

（一）控制架构规划

采用PLC+触摸屏+HMI的经典控制模式，以PLC作为核心控制单元，通过数字量模块采集传感器信号，驱动继电器与电磁阀执行动作；触摸屏实现参数设置与状态显示，支持故障诊断与历史数据查询。系统采用分布式I/O架构，将现场传感器与执行器信号通过Profinet总线接入主控制器，减少布线复杂度。

（二）主要控制对象

1.输送单元：两条变频调速传送带（上料段、分拣段），由西门子MM440变频器驱动

2.识别单元：2组漫反射光电传感器（检测物料有无）、1组颜色传感器（区分材质）、1组激光位移传感器（测量宽度）

3.执行单元：4套气动分拣推杆（对应4个料仓），配置双作用气缸与磁性开关

4.辅助单元：料仓满料检测传感器（电容式接近开关）、急停按钮、声光报警器

三、硬件选型与系统配置

（一）核心控制器选型

考虑到系统I/O点数（数字量输入24点、输出16点，模拟量输入4点）、通讯需求及未来扩展性，选用西门子S____CDC/DC/DC型号PLC，其集成2路高速计数器（支持100kHz脉冲输入）与PROFINET接口，满足高速计数与总线通讯需求。扩展模块选用SM1223数字量I/O模块（16入/16出）与SM1231模拟量输入模块（4通道）。

（二）关键传感器参数

传感器类型

型号

检测距离

响应时间

供电方式

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漫反射光电

OmronE3Z-LS61

5-300mm

≤1ms

DC12-24V

激光位移传感器

SickOD2-P10

____mm

≤0.5ms

DC24V

电容式接近开关

TurckBC10-S30-AP6X

0-10mm

≤1.5ms

DC10-30V

（三）电气回路设计要点

1.动力回路采用断路器+接触器组合控制传送带电机，设置过载保护与紧急停车回路

2.传感器信号回路采用DC24V隔离电源，模拟量信号使用屏蔽双绞线单端接地

3.电磁阀驱动回路配置浪涌抑制器（TVS二极管），减少电磁干扰

4.所有I/O点预留15%备用通道，关键检测点设置双冗余传感器

四、软件设计与逻辑实现

（一）主程序架构

采用结构化编程思想，将控制逻辑划分为初始化模块（OB100）、主循环模块（OB1）、中断处理模块（OB35定时中断，100ms周期）。主循环中通过调用功能块（FB）实现模块化管理，主要包括：

FB10：物料检测与识别逻辑

FB20：传送带速度控制

FB30：分拣执行机构动作控制

FB40：故障诊断与报警处理

（二）关键控制逻辑设计

1.物料跟踪算法

通过激光位移传感器触发高速计数器（HC1）记录传送带运行距离，结合编码器脉冲数换算物料实时位置。当物料进入识别区域时，启动定时器（TON）实现80ms信号稳定延时，避免传感器误检测。

2.分拣执行时序

采用位置预判+提前动作控制策略：当物料前端到达分拣推杆前150mm位置时（通过计数器值判断），预启动对应分拣气缸。通过调节延时定时器（TOF）精确控制推杆伸出保持时间（300ms），确保物料被准确推入料仓。

3.故障处理机制

设置三级故障响应：轻微故障（如传感器脏污）触发声光报警并提示维护；严重故障（如电机过载）自动停止相关单元；致命故障（如PLC通讯中断）触发急停回路。故障信息通过数据块（DB10）实时更新，在HMI界面显示具体故障点与处理建议。

（三）HMI界面设计

采用WinCCFlexible软件设计操作界面，主要包含：

主控页面：显示系统运行状态、关键参数（分拣数量、设备利用率）、手动操作按钮