做物料分拣这套系统我最早是被一条真实的生产线“逼”出来的。当时现场有一道工序需要把三种不同属性的工件从同一条传送带上分离开原先靠两个工人站在线边手动挑拣一天干下来眼睛酸不说漏检率一高后道装配就得跟着返工。后来我们用基于PLC的物料分拣系统把“识别、判断、分离、计数”全部自动化分拣准确率从人工的九成多直接提到接近百分之百单班人力也省了下来。这篇文章就把这套系统的设计思路、硬件选型、程序逻辑和调试过程中踩过的坑完整拆开讲一遍适合自动化专业的在校学生、刚入行的电气工程师以及所有准备做小型分拣线的朋友参考。1. 工艺需求与总体方案设计1.1 分拣对象怎么定才务实动手设计前我习惯先问一句到底要分什么这听起来像是废话但很多人恰恰在这里栽跟头。物料若是金属件、塑料件或者不同颜色的工件相互间物理特性差异大用传感器就能可靠区分可如果分拣对象是外观几乎一样、仅内部结构不同的零件那就得借助视觉系统方案完全不一样了。我们这次的分拣对象定得很具体金属工件、红色塑料工件、蓝色塑料工件。为什么定成这三类因为这三类物料覆盖了两种最常见的检测原理金属件可以用电感式接近开关利用涡流效应检测不需要接触工件颜色件可以用光电式颜色传感器根据RGB反射分量区分红色和蓝色。这样整个系统就在基础传感器层面解决了识别问题成本低、稳定性高也方便后续扩展。如果是现场已经有明确的物料差异优先顺着物理特性找传感器没有差异的才往机器视觉方向考虑。另外要提醒一句分拣对象的尺寸、重量、来料节拍决定了执行机构和传送带的选型。比如我们后续用的推料气缸推的是几十克的小塑料件和金属件缸径32毫米完全够用如果工件重达几公斤气缸推不动就得换电动推杆或者机械臂了。1.2 执行机构方案比选执行机构是整个系统的“手”方案直接决定了可靠性和成本。当时我列了三个候选方案方案优点缺点机械拨杆结构简单、成本低容易损伤工件位置精度不高推料气缸推力可控、响应快、成本适中需要气源动作有冲击需节流小型机械臂柔性好、可多方向分拣成本高、周期长、控制复杂机械拨杆首先被否掉。拨杆靠旋转把工件扫到侧面动作太“粗暴”金属件表面容易被划伤而且拨杆在传送带上长期摩擦磨损严重。机械臂虽然听着高级但对这样一个三分类的小产线来说大材小用调试周期也会翻倍。最终选了“挡停气缸推料气缸”组合传送带连续运行工件到达分拣位时先由挡停气缸挡住推料气缸横向推出工件被送入对应料仓然后挡停松开放行下一件。这套方案看着“土”但在小型分拣场景下是最稳的。因为工件是静止状态下被推的位置精度高不会出现“追着跑、推半截”的尴尬场面。1.3 系统流程与状态划分整个系统的动作流程可以用下面这条链路描述上料 → 传送带输送 → 属性检测金属/红塑/蓝塑 → 分拣挡停 → 推料入仓 → 到位确认 → 计数 → 放行下一件这当中最容易被忽略的是“状态划分”。如果没有把运行过程切成明确的独立阶段程序就是一堆条件堆在一起出问题都不知道从哪里查。我习惯把整个系统分成几个状态空闲、运行检测、等待挡停、推料分拣、确认复位、故障报警。每个状态有明确的进入条件和退出条件状态之间像流水线一样流转这在程序章节里我会详细讲。系统启动后传送带先运行人工或者振动盘把工件放到皮带上。工件经过检测区域传感器把属性信息送给PLC。当工件到达分拣挡停位到位光电开关发出信号PLC根据之前记录的属性结果决定或是不动作或是某个气缸推入对应料仓。推料完成后感应限位确认气缸缩回计数加一挡停放开继续处理下一个工件。2. 硬件选型与IO点表设计2.1 PLC选型依据PLC是整个系统的“大脑”选型主要看三个指标输入输出点数、程序容量和通信能力。我先把IO需求框算了一遍输入启动、停止、复位、自动/手动切换各1个金属检测、红色检测、蓝色检测各1个分拣位到位检测1个两个料仓的确认光电各1个挡停气缸和两个推料气缸的磁性开关共6个每个气缸前限和后限。合计约16个输入点。输出传送带电机接触器1个、挡停气缸电磁阀1个、两个推料气缸电磁阀各1个、运行指示灯1个、报警指示灯1个、蜂鸣器1个。合计6个输出点。按这个估算选一款24点以内的小型整体式PLC足够输入输出留20%~30%余量方便以后加触摸屏通信或扩展传感器。CPU速度在这个场景反而没那么关键因为传送带速度只有每秒0.2米左右传感器信号是毫秒级的普通小型PLC扫描周期几毫秒就能应付。倒是继电器输出型PLC要确认直接驱动电磁阀这类低频负载没问题但如果未来要带高频启停的设备就得选晶体管输出型了。选型时还有一个常被新手忽略的点程序存储工艺是否支持掉电保持。分拣产量计数要存在断电保持区不然现场一拉闸早上辛苦跑出来的产量数清零客户肯定要找你麻烦。2.2 传感器选型细节传感器是整个系统的“眼睛”选得好不好直接决定分拣准确率。金属检测我选的是电感式接近开关。常规国产的、检测距离4毫米的型号就够用。安装时要特别注意支架材料最好用非金属或者至少让检测面避开金属支架否则支架本身就会触发信号。检测距离一旦调远了金属件边缘没接近就误动作调近了又可能直接撞到工件所以安装完成后要用塞尺校准好实际检测距离。颜色检测这里有个门槛普通光电开关只能区分“有”和“无”根本区分不了红色和蓝色。我用的是集成式RGB颜色传感器也就是能输出RGB三色分量的光纤放大器或者一体化颜色传感器。调试时先对着白色背景做一次自校准然后分别把红色塑料件和蓝色塑料件放到检测头下方记录对应的RGB值最后在PLC程序里设置两个判断阈值区间。到位检测我推荐用对射式光电开关而不是漫反射式。因为传送带框架通常是铝型材漫反射光电容易把背景也当成目标反射回来误报率高。对射式是一头发射一头接收工件经过时遮光产生信号干净利落唯一缺点是要在线体两侧各占一点空间。2.3 IO分配表IO分配看似简单实际上有不少讲究。比如输入编号要预留间隔不能一个挨一个挤满否则以后中间要插一个点程序里所有地址都要改。我这里给出一个实际的分配表做参考地址信号说明地址信号说明X0启动按钮Y0传送带电机X1停止按钮Y1挡停气缸电磁阀X2复位按钮Y2推料气缸1电磁阀X3自动/手动切换Y3推料气缸2电磁阀X4金属检测传感器Y4运行指示灯X5红色检测传感器Y5报警指示灯X6蓝色检测传感器Y6蜂鸣器X7分拣挡停位到位光电Y7备用X10料仓1到位光电Y10备用X11料仓2到位光电Y11备用X12挡停气缸前限X13挡停气缸后限X14推料气缸1前限X15推料气缸1后限X16推料气缸2前限X17推料气缸2后限注意输入点X7只有一个分拣挡停位而推料气缸有1和2两个。这意味着物理上两个推料气缸共用一个挡停位当属性识别为红色塑料时到位后推料气缸1动作识别为蓝色塑料时到位后推料气缸2动作。逻辑上不冲突但现场安装时两个气缸的位置要稍微错开一点让推头分别对准各自的料仓入口。2.4 气动回路设计气动回路很多人画得很随意其实细节都藏在“排气节流”和“气缸到位检测”里。气源进来先过“气源处理三联件”也就是过滤器、减压阀和油雾器。减压阀的压力我一般调到0.4~0.5兆帕太高了推料冲击大工件会被打飞太低了推不动或者推不到位。电磁阀用的是单电控5/2通阀就是说一个线圈控制换向断电后靠弹簧复位。这里有个容易踩的坑单电控阀断电后气缸并不一定回中位只是阀芯复位气缸如果正好处在伸出位置要等气路排完才缩回所以程序上必须等待气缸后限信号确认缩回才能继续做下一个动作。调速阀最好装在气缸排气口附近做成排气节流。为什么进气节流在小缸径气缸上容易产生“爬行”现象就是一顿一顿地动排气节流对速度的控制更均匀。推料气缸伸出速度调慢一点到极限位时才不会有“哐当”一声巨响磁性开关也不会因为震动而脱落。磁性开关是气缸位置的反馈传感器它直接接到PLC输入端。很多新手问磁性开关能不能直接驱动电磁阀千万别这么干磁性开关的负载能力有限直接接线圈容易烧。正确接法是磁性开关输出给PLC输入PLC输出再驱动电磁阀线圈中间有隔离信号逻辑也更清晰。3. 程序逻辑与控制算法3.1 状态机的设计思路小型分拣系统的程序我强烈建议用状态机去写而不是把一堆条件堆在一起。状态机的好处在于每个时刻系统处在唯一一个状态里动作清晰排查故障的时候不需要从头到尾捋一遍逻辑。我们的系统大致分几个状态状态编号状态名进入条件退出条件S0空闲上电或复位完成启动按钮按下S1运行检测启动按钮按下工件检测完成且分拣完成S2等待挡停工件到达到位光电挡停气缸前限到位S3推料分拣属性判断完成且挡停到位推料气缸前限到位S4确认放行推料气缸前限到位推料气缸后限到位、计数1S5故障报警任一气缸超时未到位复位按钮按下每个状态内部只处理当前状态对应的事件比如S3推料分拣状态里程序只关心推料气缸的动作其他传感器信号一概不管。这样写出来的程序逻辑清楚而且出问题后可以非常快定位到是哪个状态卡住了传感器哪个信号没满足。3.2 核心识别与计数程序段识别程序的核心问题在于传感器给的是一段时间内的持续电平但PLC只需要在工件进入检测区的那一刻判断一次。如果用电平直接触发一个工件在传感器下面停留两秒程序就会重复判断很多次计数器也会跟着重复累加。所以必须用“上升沿触发”。下面是用结构化文本写的示意逻辑梯形图里对应的就是每个传感器的上升沿触点// 上升沿提取 MetalDetect_p : MetalDetect AND NOT MetalDetect_Mem; MetalDetect_Mem : MetalDetect; RedDetect_p : RedDetect AND NOT RedDetect_Mem; RedDetect_Mem : RedDetect; BlueDetect_p : BlueDetect AND NOT BlueDetect_Mem; BlueDetect_Mem : BlueDetect; // 属性判断优先级金属 红塑 蓝塑 IF MetalDetect_p THEN CurrentType : TYPE_METAL; ELSIF RedDetect_p THEN CurrentType : TYPE_RED_PLASTIC; ELSIF BlueDetect_p THEN CurrentType : TYPE_BLUE_PLASTIC; END_IF;这里有个经验不同传感器在传送带上的安装位置要错开不能排在一条直线上。因为工件经过时的先后顺序就是PLC记录的属性顺序如果金属传感器和颜色传感器都装在同一个截面信号会同时到来程序根本分不清到底该记录哪个属性。把金属传感器装在颜色传感器前面20厘米左右这样金属件触发金属传感器后再过一小段时间触发颜色传感器程序先记录“是金属”再覆盖成“是红色”还会被判断条件挡住因为金属的优先级最高。这个优先级逻辑也是处理安装位置偏差的一种保护。计数同样用沿触发。每个料仓入口处有一个对射光电每当一个工件被推入料仓光电信号产生一个上升沿计数器加一。IF Gate1_In AND NOT Gate1_In_Mem THEN Count1 : Count1 1; END_IF; Gate1_In_Mem : Gate1_In;Count1和Count2要定义成断电保持型变量放在PLC的掉电保持区这样意外断电后产量数据还在。现场拉闸这种事避不开提前做了保护客户那边就不会因为“上午的产量数丢了”而跟你抱怨。3.3 气缸联动与防误动作互锁气缸是这个系统里唯一有机械动作的部件也是最容易出危险的地方。两个气缸之间以及挡停气缸和推料气缸之间必须做互锁。互锁的逻辑很简单但极其重要推料气缸1伸出时推料气缸2绝对不能伸出推料气缸2伸出时推料气缸1绝对不能伸出挡停气缸未到达前限时两个推料气缸都禁止动作推料气缸未回到后限时挡停气缸不允许放行。这是从硬件和程序两层去实现的。程序上通过状态S2到S3的转换条件天然具备一部分互锁但为了保险我在每个气缸输出线圈前面还串了另一个气缸的后限常闭触点。这样就算程序逻辑因为某些原因被绕过电磁阀线圈前串的触点也能在电气上强制切断动作路径。硬件互锁是最后的保命招数不能省。另外还有一个容易被忽略的细节电磁阀是感性负载PLC继电器触点断开瞬间会产生感应电动势反向电压可能打坏触点。所以我都在电磁阀线圈两端并联了反向续流二极管或者阻容吸收电路。这是继电器输出型PLC的标配保护但很多入门图纸里根本没人画。3.4 程序里的定位时序怎么算前面说的都是逻辑框架真正动手写程序时还得算清楚传送带在不同位置的时序。假设传送带线速度是0.2米/秒金属传感器安装在检测区前沿分拣挡停位安装在检测区后沿两者相距0.3米。那么一个工件从金属传感器触碰到挡停位理论上需要1.5秒。但程序里不能死等这个延时因为皮带打滑、负载变化都会让实际时间飘移。所以正确的做法是用到位光电信号作为挡停的触发条件延时只作为保护性的上限。也就是“到位触发超时报警”双保险。推料流程的时序是这样的分拣位到位光电X7触发金属或颜色属性已经记录在CurrentType变量里延时约150毫秒等待传送带把工件送到挡停气缸位置挡停气缸伸出顶住工件前缘挡停气缸前限到位后延时50毫秒让工件稳定下来推料气缸伸出把工件推向料仓推料气缸前限到位料仓入口对射光电触发计数加一推料气缸缩回后限到位后挡停气缸缩回放行下一件。这些延时参数不是随便拍的是在现场用秒表掐出来的。实际操作时先把挡停伸出的时间调长一点保证能稳稳挡住再逐步缩短找到既能挡稳又不拖沓的平衡点。4. 触摸屏与人机交互设计4.1 画面布局怎么排这套系统我配了一块小型触摸屏不为别的就为调试和现场监控方便。没有触摸屏也可以跑但每改一个参数都要插电脑下载程序现场工程师会疯掉的。触摸屏画面我分了三页主画面显示当前运行状态、三种物料的产量、总产量、故障代码。状态文字可以直接关联PLC内部状态变量当前状态S几画面上就显示对应的中文描述。手动画面每个输出点一个按钮用于单独测试传送带、挡停气缸、推料1、推料2、指示灯和蜂鸣器。手动模式下按按钮直接导通对应输出这是调试阶段最常用的页面没有电磁阀动作错误排查全靠它。参数画面显示推料延时、挡停延时、超时报警时间等可调参数。参数通过触摸屏写到PLC的掉电保持数据区改完现场直接生效不用再连电脑。4.2 参数设置与权限参数画面里的数据我在PLC程序里做了上下限限制。比如推料延时设定范围限制在0到3000毫秒超时报警时间限制在1到10秒。如果现场操作工把延时改成负值或者试出一个离谱的数值程序直接拒绝并把旧值保持不变。触摸屏上还可以加操作员密码防止不懂的人乱改参数导致系统失灵。触摸屏和PLC之间通信我常用的是RS485串口通信协议走Modbus-RTU。这种方案的接线就两根线加一根屏蔽地成本低、抗干扰还可以。只要PLC和触摸屏都支持Modbus协议互通基本就是配一下站号的事情站号设成1波特率设成9600校验方式设置成偶校验一次就能通。如果选以太网接口的触摸屏接线更省事但价格会高一些。5. 调试实录与常见问题排查5.1 调试顺序与验收标准我在这套系统上调试花了一共一周时间前三天基本都在“打地基”。这里分享一下我惯用的调试顺序严格按照顺序来可以避开大量“鬼打墙”问题。第一步空跑点动。先在手动画面逐个测试每个输出点确认传送带正转、气缸伸出缩回方向是否正确电磁阀接线是否和程序输出一致。验收标准每个输出动作都和按钮按下对应方向无误没有短路报警。第二步传感器标定和信号确认。把每个传感器信号都接到PLC监控画面里用手拿工件靠近、遮挡、拿开观察输入状态是否翻转变动。验收标准传感器触发一次PLC输入点状态只翻转一次没有抖动和丢失。第三步带料单步测试。手动模式下把工件放在传送带上手动触发到位光电观察属性判断是否正确、气缸是否推到正确的料仓。这一步可以发现传感器安装位置、串扰、检测顺序的问题。第四步自动流程运行。切到自动模式一次放十个工件观察整套流程能否连续跑通。验收标准连续放十次分拣准确率100%计数准确率100%。第五步故障模拟。故意把气源关断把某个传感器挡上观察报警是否能被触发复位后系统能否恢复正常。这一步很多项目都省了但恰恰是最能体现系统可靠性的环节。5.2 传感器信号抖动问题调试中遇到的第一个大坑就是信号抖动。颜色传感器触发之后PLC输入信号竟然出现短暂的闪烁表现为同一个工件被识别成“红色”之后又闪了一下“蓝色”。一开始我以为是程序逻辑写错了查了半天发现程序没问题问题出在传感器输出信号的硬件抖动上。原因是颜色传感器的输出晶体管在检测到色差边界时输出电平会来回震荡几十毫秒。简单说就是传感器给出的数字信号本身不干净。解决方法有两个层面硬件上加一个RC滤波电路或者在PLC输入点配置数字滤波功能。现在的PLC输入点基本都支持滤波时间设置我把输入滤波时间设成30毫秒又快的跳变全部过滤掉。程序里再配合沿触发双重保险之后这个问题就再没出现过。经验归纳PLC程序里用沿触发只能解决“重复触发”问题解决不了“信号本身抖动”问题。传感器信号不干净必须要从滤波入手不要总想着在程序里硬扛。5.3 气缸冲击导致定位漂移第二个大坑发生在推料气缸的冲击力上。刚开始我把气源压力调到0.5兆帕气缸动作倒是清脆利落了但推料瞬间的冲击力把传送带上的相邻工件震得移位。更麻烦的是偶尔还会出现推料气缸伸出后工件被推到料仓边缘弹回来把料仓确认光电又触发一次导致计数重复。排查下来有两个原因一是推料速度太快二是料仓确认光电安装位置离料仓口太近弹跳的工件重新遮光就会误计数。解决办法是给气缸加了排气节流阀把推料气缸的伸出速度调到一次动作大约0.4秒推料瞬间的冲击明显变小料仓确认光电往料仓内部移了一段距离只让真正落进料仓底部的工件触发。同时程序里增加了互锁推料气缸复位之前即使光电被误触发也不会计数。改完之后分拣准确率直接到了100%计数和料仓实物完全对得上。这里我把经验总结成一句话“先挡后推、推完确认、确认再放。”整个分拣流程要想稳定靠的就是这个节奏。5.4 常见问题速查表调试过程里遇到的问题是五花八门的我把典型的整理成一张速查表方便现场排查故障现象可能原因排查步骤解决方法计数重复光电信号抖动或工件弹跳反复遮光监控计数时是否有多次沿触发加输入滤波调整光电位置增加复位互锁两个气缸同时动作程序互锁缺失或输出回路串线手动画面逐一测试输出程序加互锁电气上串后限常闭触点状态卡住不动某个气缸到位信号缺失看PLC监控画面确认所有限位信号状态检查磁性开关是否松动气缸是否真正到位金属件被识别成红色颜色传感器先收到金属信号或金属传感器装太晚查看检测顺序是否颠倒重新调整传感器安装位置错开检测截面电磁阀不动作输出线断、PLC输出继电器触点烧毁用万用表测输出点是否有电压输出更换输出继电器或隔离继电器触摸屏无通信站号、波特率、校验不一致检查通信参数和线路统一参数检查屏蔽层接地磁开开关一直亮气缸磁性开关安装位置不当或磁环损坏重新调整开关位置用手头确认动作更换磁性开关或调整安装位置传送带带不动工件电机转速过低或皮带打滑检查电机转速和传送带张紧度调节张紧轮或更换皮带5.5 可靠性设计与接线的几个细节如果把系统稳定运行放在第一位那么以下几个细节务必在前期就做好而不是出了问题再补救。第一强弱电分开布线。信号线走一侧动力线走另一侧间距至少留10厘米以上。如果空间有限必须交叉交叉角度尽量保持90度避免平行走线。有一次我在现场排查一个传感器随机误动作的故障发现就是一根24V电源线和传感器的信号线扎在一起走了一米多后来把线重新分开故障就消失了。第二共用直流电源的负载要加隔离继电器。PLC的24V输出点直接驱动电磁阀虽然能工作但现场干扰大时感性负载开关瞬间的浪涌会干扰PLC内部逻辑。我后来在PLC输出和电磁阀之间加了一层10A的隔离继电器用继电器触点去驱动电磁阀PLC只负责驱动继电器线圈隔离效果非常好。第三程序标签命名规范。不要用M0、M1这种冷冰冰的地址在程序里飞来飞去给关键变量起有意义的名字比如PushCyl1_Fwd、GateCyl_Retract。现场设备出问题时打开程序看标签就能知道是哪一步不用对着注释猜含义。第四急停回路必须走硬件。急停按钮用常闭触点串联在电机接触器和电磁阀总电源的控制回路里按下急停硬件上直接把负载电源切断不依赖PLC扫描。软件再快也有扫描周期急停这种保护动作不能等程序跑完一个周期再响应。这套系统做完我最大的体会是物料分拣项目真正花时间的不是写程序而是把现场的信号问题、机械问题、干涉问题一个个磨平。传感器装歪一点、气缸节流阀没调好、磁性开关松了半圈这些小事在现场都会变成莫名其妙的“玄学故障”。按照这套方法做下来我自己最大的转变就是养成了“先隔离验证再走整体流程”的习惯。你要是第一次做类似的项目建议在接线前先把传感器和气缸全部单独验证一遍后边能少加好几个晚上的班。希望能对准备动手做分拣系统的你有点帮助。
做物料分拣这套系统我最早是被一条真实的生产线“逼”出来的。当时现场有一道工序需要把三种不同属性的工件从同一条传送带上分离开原先靠两个工人站在线边手动挑拣一天干下来眼睛酸不说漏检率一高后道装配就得跟着返工。后来我们用基于PLC的物料分拣系统把“识别、判断、分离、计数”全部自动化分拣准确率从人工的九成多直接提到接近百分之百单班人力也省了下来。这篇文章就把这套系统的设计思路、硬件选型、程序逻辑和调试过程中踩过的坑完整拆开讲一遍适合自动化专业的在校学生、刚入行的电气工程师以及所有准备做小型分拣线的朋友参考。1. 工艺需求与总体方案设计1.1 分拣对象怎么定才务实动手设计前我习惯先问一句到底要分什么这听起来像是废话但很多人恰恰在这里栽跟头。物料若是金属件、塑料件或者不同颜色的工件相互间物理特性差异大用传感器就能可靠区分可如果分拣对象是外观几乎一样、仅内部结构不同的零件那就得借助视觉系统方案完全不一样了。我们这次的分拣对象定得很具体金属工件、红色塑料工件、蓝色塑料工件。为什么定成这三类因为这三类物料覆盖了两种最常见的检测原理金属件可以用电感式接近开关利用涡流效应检测不需要接触工件颜色件可以用光电式颜色传感器根据RGB反射分量区分红色和蓝色。这样整个系统就在基础传感器层面解决了识别问题成本低、稳定性高也方便后续扩展。如果是现场已经有明确的物料差异优先顺着物理特性找传感器没有差异的才往机器视觉方向考虑。另外要提醒一句分拣对象的尺寸、重量、来料节拍决定了执行机构和传送带的选型。比如我们后续用的推料气缸推的是几十克的小塑料件和金属件缸径32毫米完全够用如果工件重达几公斤气缸推不动就得换电动推杆或者机械臂了。1.2 执行机构方案比选执行机构是整个系统的“手”方案直接决定了可靠性和成本。当时我列了三个候选方案方案优点缺点机械拨杆结构简单、成本低容易损伤工件位置精度不高推料气缸推力可控、响应快、成本适中需要气源动作有冲击需节流小型机械臂柔性好、可多方向分拣成本高、周期长、控制复杂机械拨杆首先被否掉。拨杆靠旋转把工件扫到侧面动作太“粗暴”金属件表面容易被划伤而且拨杆在传送带上长期摩擦磨损严重。机械臂虽然听着高级但对这样一个三分类的小产线来说大材小用调试周期也会翻倍。最终选了“挡停气缸推料气缸”组合传送带连续运行工件到达分拣位时先由挡停气缸挡住推料气缸横向推出工件被送入对应料仓然后挡停松开放行下一件。这套方案看着“土”但在小型分拣场景下是最稳的。因为工件是静止状态下被推的位置精度高不会出现“追着跑、推半截”的尴尬场面。1.3 系统流程与状态划分整个系统的动作流程可以用下面这条链路描述上料 → 传送带输送 → 属性检测金属/红塑/蓝塑 → 分拣挡停 → 推料入仓 → 到位确认 → 计数 → 放行下一件这当中最容易被忽略的是“状态划分”。如果没有把运行过程切成明确的独立阶段程序就是一堆条件堆在一起出问题都不知道从哪里查。我习惯把整个系统分成几个状态空闲、运行检测、等待挡停、推料分拣、确认复位、故障报警。每个状态有明确的进入条件和退出条件状态之间像流水线一样流转这在程序章节里我会详细讲。系统启动后传送带先运行人工或者振动盘把工件放到皮带上。工件经过检测区域传感器把属性信息送给PLC。当工件到达分拣挡停位到位光电开关发出信号PLC根据之前记录的属性结果决定或是不动作或是某个气缸推入对应料仓。推料完成后感应限位确认气缸缩回计数加一挡停放开继续处理下一个工件。2. 硬件选型与IO点表设计2.1 PLC选型依据PLC是整个系统的“大脑”选型主要看三个指标输入输出点数、程序容量和通信能力。我先把IO需求框算了一遍输入启动、停止、复位、自动/手动切换各1个金属检测、红色检测、蓝色检测各1个分拣位到位检测1个两个料仓的确认光电各1个挡停气缸和两个推料气缸的磁性开关共6个每个气缸前限和后限。合计约16个输入点。输出传送带电机接触器1个、挡停气缸电磁阀1个、两个推料气缸电磁阀各1个、运行指示灯1个、报警指示灯1个、蜂鸣器1个。合计6个输出点。按这个估算选一款24点以内的小型整体式PLC足够输入输出留20%~30%余量方便以后加触摸屏通信或扩展传感器。CPU速度在这个场景反而没那么关键因为传送带速度只有每秒0.2米左右传感器信号是毫秒级的普通小型PLC扫描周期几毫秒就能应付。倒是继电器输出型PLC要确认直接驱动电磁阀这类低频负载没问题但如果未来要带高频启停的设备就得选晶体管输出型了。选型时还有一个常被新手忽略的点程序存储工艺是否支持掉电保持。分拣产量计数要存在断电保持区不然现场一拉闸早上辛苦跑出来的产量数清零客户肯定要找你麻烦。2.2 传感器选型细节传感器是整个系统的“眼睛”选得好不好直接决定分拣准确率。金属检测我选的是电感式接近开关。常规国产的、检测距离4毫米的型号就够用。安装时要特别注意支架材料最好用非金属或者至少让检测面避开金属支架否则支架本身就会触发信号。检测距离一旦调远了金属件边缘没接近就误动作调近了又可能直接撞到工件所以安装完成后要用塞尺校准好实际检测距离。颜色检测这里有个门槛普通光电开关只能区分“有”和“无”根本区分不了红色和蓝色。我用的是集成式RGB颜色传感器也就是能输出RGB三色分量的光纤放大器或者一体化颜色传感器。调试时先对着白色背景做一次自校准然后分别把红色塑料件和蓝色塑料件放到检测头下方记录对应的RGB值最后在PLC程序里设置两个判断阈值区间。到位检测我推荐用对射式光电开关而不是漫反射式。因为传送带框架通常是铝型材漫反射光电容易把背景也当成目标反射回来误报率高。对射式是一头发射一头接收工件经过时遮光产生信号干净利落唯一缺点是要在线体两侧各占一点空间。2.3 IO分配表IO分配看似简单实际上有不少讲究。比如输入编号要预留间隔不能一个挨一个挤满否则以后中间要插一个点程序里所有地址都要改。我这里给出一个实际的分配表做参考地址信号说明地址信号说明X0启动按钮Y0传送带电机X1停止按钮Y1挡停气缸电磁阀X2复位按钮Y2推料气缸1电磁阀X3自动/手动切换Y3推料气缸2电磁阀X4金属检测传感器Y4运行指示灯X5红色检测传感器Y5报警指示灯X6蓝色检测传感器Y6蜂鸣器X7分拣挡停位到位光电Y7备用X10料仓1到位光电Y10备用X11料仓2到位光电Y11备用X12挡停气缸前限X13挡停气缸后限X14推料气缸1前限X15推料气缸1后限X16推料气缸2前限X17推料气缸2后限注意输入点X7只有一个分拣挡停位而推料气缸有1和2两个。这意味着物理上两个推料气缸共用一个挡停位当属性识别为红色塑料时到位后推料气缸1动作识别为蓝色塑料时到位后推料气缸2动作。逻辑上不冲突但现场安装时两个气缸的位置要稍微错开一点让推头分别对准各自的料仓入口。2.4 气动回路设计气动回路很多人画得很随意其实细节都藏在“排气节流”和“气缸到位检测”里。气源进来先过“气源处理三联件”也就是过滤器、减压阀和油雾器。减压阀的压力我一般调到0.4~0.5兆帕太高了推料冲击大工件会被打飞太低了推不动或者推不到位。电磁阀用的是单电控5/2通阀就是说一个线圈控制换向断电后靠弹簧复位。这里有个容易踩的坑单电控阀断电后气缸并不一定回中位只是阀芯复位气缸如果正好处在伸出位置要等气路排完才缩回所以程序上必须等待气缸后限信号确认缩回才能继续做下一个动作。调速阀最好装在气缸排气口附近做成排气节流。为什么进气节流在小缸径气缸上容易产生“爬行”现象就是一顿一顿地动排气节流对速度的控制更均匀。推料气缸伸出速度调慢一点到极限位时才不会有“哐当”一声巨响磁性开关也不会因为震动而脱落。磁性开关是气缸位置的反馈传感器它直接接到PLC输入端。很多新手问磁性开关能不能直接驱动电磁阀千万别这么干磁性开关的负载能力有限直接接线圈容易烧。正确接法是磁性开关输出给PLC输入PLC输出再驱动电磁阀线圈中间有隔离信号逻辑也更清晰。3. 程序逻辑与控制算法3.1 状态机的设计思路小型分拣系统的程序我强烈建议用状态机去写而不是把一堆条件堆在一起。状态机的好处在于每个时刻系统处在唯一一个状态里动作清晰排查故障的时候不需要从头到尾捋一遍逻辑。我们的系统大致分几个状态状态编号状态名进入条件退出条件S0空闲上电或复位完成启动按钮按下S1运行检测启动按钮按下工件检测完成且分拣完成S2等待挡停工件到达到位光电挡停气缸前限到位S3推料分拣属性判断完成且挡停到位推料气缸前限到位S4确认放行推料气缸前限到位推料气缸后限到位、计数1S5故障报警任一气缸超时未到位复位按钮按下每个状态内部只处理当前状态对应的事件比如S3推料分拣状态里程序只关心推料气缸的动作其他传感器信号一概不管。这样写出来的程序逻辑清楚而且出问题后可以非常快定位到是哪个状态卡住了传感器哪个信号没满足。3.2 核心识别与计数程序段识别程序的核心问题在于传感器给的是一段时间内的持续电平但PLC只需要在工件进入检测区的那一刻判断一次。如果用电平直接触发一个工件在传感器下面停留两秒程序就会重复判断很多次计数器也会跟着重复累加。所以必须用“上升沿触发”。下面是用结构化文本写的示意逻辑梯形图里对应的就是每个传感器的上升沿触点// 上升沿提取 MetalDetect_p : MetalDetect AND NOT MetalDetect_Mem; MetalDetect_Mem : MetalDetect; RedDetect_p : RedDetect AND NOT RedDetect_Mem; RedDetect_Mem : RedDetect; BlueDetect_p : BlueDetect AND NOT BlueDetect_Mem; BlueDetect_Mem : BlueDetect; // 属性判断优先级金属 红塑 蓝塑 IF MetalDetect_p THEN CurrentType : TYPE_METAL; ELSIF RedDetect_p THEN CurrentType : TYPE_RED_PLASTIC; ELSIF BlueDetect_p THEN CurrentType : TYPE_BLUE_PLASTIC; END_IF;这里有个经验不同传感器在传送带上的安装位置要错开不能排在一条直线上。因为工件经过时的先后顺序就是PLC记录的属性顺序如果金属传感器和颜色传感器都装在同一个截面信号会同时到来程序根本分不清到底该记录哪个属性。把金属传感器装在颜色传感器前面20厘米左右这样金属件触发金属传感器后再过一小段时间触发颜色传感器程序先记录“是金属”再覆盖成“是红色”还会被判断条件挡住因为金属的优先级最高。这个优先级逻辑也是处理安装位置偏差的一种保护。计数同样用沿触发。每个料仓入口处有一个对射光电每当一个工件被推入料仓光电信号产生一个上升沿计数器加一。IF Gate1_In AND NOT Gate1_In_Mem THEN Count1 : Count1 1; END_IF; Gate1_In_Mem : Gate1_In;Count1和Count2要定义成断电保持型变量放在PLC的掉电保持区这样意外断电后产量数据还在。现场拉闸这种事避不开提前做了保护客户那边就不会因为“上午的产量数丢了”而跟你抱怨。3.3 气缸联动与防误动作互锁气缸是这个系统里唯一有机械动作的部件也是最容易出危险的地方。两个气缸之间以及挡停气缸和推料气缸之间必须做互锁。互锁的逻辑很简单但极其重要推料气缸1伸出时推料气缸2绝对不能伸出推料气缸2伸出时推料气缸1绝对不能伸出挡停气缸未到达前限时两个推料气缸都禁止动作推料气缸未回到后限时挡停气缸不允许放行。这是从硬件和程序两层去实现的。程序上通过状态S2到S3的转换条件天然具备一部分互锁但为了保险我在每个气缸输出线圈前面还串了另一个气缸的后限常闭触点。这样就算程序逻辑因为某些原因被绕过电磁阀线圈前串的触点也能在电气上强制切断动作路径。硬件互锁是最后的保命招数不能省。另外还有一个容易被忽略的细节电磁阀是感性负载PLC继电器触点断开瞬间会产生感应电动势反向电压可能打坏触点。所以我都在电磁阀线圈两端并联了反向续流二极管或者阻容吸收电路。这是继电器输出型PLC的标配保护但很多入门图纸里根本没人画。3.4 程序里的定位时序怎么算前面说的都是逻辑框架真正动手写程序时还得算清楚传送带在不同位置的时序。假设传送带线速度是0.2米/秒金属传感器安装在检测区前沿分拣挡停位安装在检测区后沿两者相距0.3米。那么一个工件从金属传感器触碰到挡停位理论上需要1.5秒。但程序里不能死等这个延时因为皮带打滑、负载变化都会让实际时间飘移。所以正确的做法是用到位光电信号作为挡停的触发条件延时只作为保护性的上限。也就是“到位触发超时报警”双保险。推料流程的时序是这样的分拣位到位光电X7触发金属或颜色属性已经记录在CurrentType变量里延时约150毫秒等待传送带把工件送到挡停气缸位置挡停气缸伸出顶住工件前缘挡停气缸前限到位后延时50毫秒让工件稳定下来推料气缸伸出把工件推向料仓推料气缸前限到位料仓入口对射光电触发计数加一推料气缸缩回后限到位后挡停气缸缩回放行下一件。这些延时参数不是随便拍的是在现场用秒表掐出来的。实际操作时先把挡停伸出的时间调长一点保证能稳稳挡住再逐步缩短找到既能挡稳又不拖沓的平衡点。4. 触摸屏与人机交互设计4.1 画面布局怎么排这套系统我配了一块小型触摸屏不为别的就为调试和现场监控方便。没有触摸屏也可以跑但每改一个参数都要插电脑下载程序现场工程师会疯掉的。触摸屏画面我分了三页主画面显示当前运行状态、三种物料的产量、总产量、故障代码。状态文字可以直接关联PLC内部状态变量当前状态S几画面上就显示对应的中文描述。手动画面每个输出点一个按钮用于单独测试传送带、挡停气缸、推料1、推料2、指示灯和蜂鸣器。手动模式下按按钮直接导通对应输出这是调试阶段最常用的页面没有电磁阀动作错误排查全靠它。参数画面显示推料延时、挡停延时、超时报警时间等可调参数。参数通过触摸屏写到PLC的掉电保持数据区改完现场直接生效不用再连电脑。4.2 参数设置与权限参数画面里的数据我在PLC程序里做了上下限限制。比如推料延时设定范围限制在0到3000毫秒超时报警时间限制在1到10秒。如果现场操作工把延时改成负值或者试出一个离谱的数值程序直接拒绝并把旧值保持不变。触摸屏上还可以加操作员密码防止不懂的人乱改参数导致系统失灵。触摸屏和PLC之间通信我常用的是RS485串口通信协议走Modbus-RTU。这种方案的接线就两根线加一根屏蔽地成本低、抗干扰还可以。只要PLC和触摸屏都支持Modbus协议互通基本就是配一下站号的事情站号设成1波特率设成9600校验方式设置成偶校验一次就能通。如果选以太网接口的触摸屏接线更省事但价格会高一些。5. 调试实录与常见问题排查5.1 调试顺序与验收标准我在这套系统上调试花了一共一周时间前三天基本都在“打地基”。这里分享一下我惯用的调试顺序严格按照顺序来可以避开大量“鬼打墙”问题。第一步空跑点动。先在手动画面逐个测试每个输出点确认传送带正转、气缸伸出缩回方向是否正确电磁阀接线是否和程序输出一致。验收标准每个输出动作都和按钮按下对应方向无误没有短路报警。第二步传感器标定和信号确认。把每个传感器信号都接到PLC监控画面里用手拿工件靠近、遮挡、拿开观察输入状态是否翻转变动。验收标准传感器触发一次PLC输入点状态只翻转一次没有抖动和丢失。第三步带料单步测试。手动模式下把工件放在传送带上手动触发到位光电观察属性判断是否正确、气缸是否推到正确的料仓。这一步可以发现传感器安装位置、串扰、检测顺序的问题。第四步自动流程运行。切到自动模式一次放十个工件观察整套流程能否连续跑通。验收标准连续放十次分拣准确率100%计数准确率100%。第五步故障模拟。故意把气源关断把某个传感器挡上观察报警是否能被触发复位后系统能否恢复正常。这一步很多项目都省了但恰恰是最能体现系统可靠性的环节。5.2 传感器信号抖动问题调试中遇到的第一个大坑就是信号抖动。颜色传感器触发之后PLC输入信号竟然出现短暂的闪烁表现为同一个工件被识别成“红色”之后又闪了一下“蓝色”。一开始我以为是程序逻辑写错了查了半天发现程序没问题问题出在传感器输出信号的硬件抖动上。原因是颜色传感器的输出晶体管在检测到色差边界时输出电平会来回震荡几十毫秒。简单说就是传感器给出的数字信号本身不干净。解决方法有两个层面硬件上加一个RC滤波电路或者在PLC输入点配置数字滤波功能。现在的PLC输入点基本都支持滤波时间设置我把输入滤波时间设成30毫秒又快的跳变全部过滤掉。程序里再配合沿触发双重保险之后这个问题就再没出现过。经验归纳PLC程序里用沿触发只能解决“重复触发”问题解决不了“信号本身抖动”问题。传感器信号不干净必须要从滤波入手不要总想着在程序里硬扛。5.3 气缸冲击导致定位漂移第二个大坑发生在推料气缸的冲击力上。刚开始我把气源压力调到0.5兆帕气缸动作倒是清脆利落了但推料瞬间的冲击力把传送带上的相邻工件震得移位。更麻烦的是偶尔还会出现推料气缸伸出后工件被推到料仓边缘弹回来把料仓确认光电又触发一次导致计数重复。排查下来有两个原因一是推料速度太快二是料仓确认光电安装位置离料仓口太近弹跳的工件重新遮光就会误计数。解决办法是给气缸加了排气节流阀把推料气缸的伸出速度调到一次动作大约0.4秒推料瞬间的冲击明显变小料仓确认光电往料仓内部移了一段距离只让真正落进料仓底部的工件触发。同时程序里增加了互锁推料气缸复位之前即使光电被误触发也不会计数。改完之后分拣准确率直接到了100%计数和料仓实物完全对得上。这里我把经验总结成一句话“先挡后推、推完确认、确认再放。”整个分拣流程要想稳定靠的就是这个节奏。5.4 常见问题速查表调试过程里遇到的问题是五花八门的我把典型的整理成一张速查表方便现场排查故障现象可能原因排查步骤解决方法计数重复光电信号抖动或工件弹跳反复遮光监控计数时是否有多次沿触发加输入滤波调整光电位置增加复位互锁两个气缸同时动作程序互锁缺失或输出回路串线手动画面逐一测试输出程序加互锁电气上串后限常闭触点状态卡住不动某个气缸到位信号缺失看PLC监控画面确认所有限位信号状态检查磁性开关是否松动气缸是否真正到位金属件被识别成红色颜色传感器先收到金属信号或金属传感器装太晚查看检测顺序是否颠倒重新调整传感器安装位置错开检测截面电磁阀不动作输出线断、PLC输出继电器触点烧毁用万用表测输出点是否有电压输出更换输出继电器或隔离继电器触摸屏无通信站号、波特率、校验不一致检查通信参数和线路统一参数检查屏蔽层接地磁开开关一直亮气缸磁性开关安装位置不当或磁环损坏重新调整开关位置用手头确认动作更换磁性开关或调整安装位置传送带带不动工件电机转速过低或皮带打滑检查电机转速和传送带张紧度调节张紧轮或更换皮带5.5 可靠性设计与接线的几个细节如果把系统稳定运行放在第一位那么以下几个细节务必在前期就做好而不是出了问题再补救。第一强弱电分开布线。信号线走一侧动力线走另一侧间距至少留10厘米以上。如果空间有限必须交叉交叉角度尽量保持90度避免平行走线。有一次我在现场排查一个传感器随机误动作的故障发现就是一根24V电源线和传感器的信号线扎在一起走了一米多后来把线重新分开故障就消失了。第二共用直流电源的负载要加隔离继电器。PLC的24V输出点直接驱动电磁阀虽然能工作但现场干扰大时感性负载开关瞬间的浪涌会干扰PLC内部逻辑。我后来在PLC输出和电磁阀之间加了一层10A的隔离继电器用继电器触点去驱动电磁阀PLC只负责驱动继电器线圈隔离效果非常好。第三程序标签命名规范。不要用M0、M1这种冷冰冰的地址在程序里飞来飞去给关键变量起有意义的名字比如PushCyl1_Fwd、GateCyl_Retract。现场设备出问题时打开程序看标签就能知道是哪一步不用对着注释猜含义。第四急停回路必须走硬件。急停按钮用常闭触点串联在电机接触器和电磁阀总电源的控制回路里按下急停硬件上直接把负载电源切断不依赖PLC扫描。软件再快也有扫描周期急停这种保护动作不能等程序跑完一个周期再响应。这套系统做完我最大的体会是物料分拣项目真正花时间的不是写程序而是把现场的信号问题、机械问题、干涉问题一个个磨平。传感器装歪一点、气缸节流阀没调好、磁性开关松了半圈这些小事在现场都会变成莫名其妙的“玄学故障”。按照这套方法做下来我自己最大的转变就是养成了“先隔离验证再走整体流程”的习惯。你要是第一次做类似的项目建议在接线前先把传感器和气缸全部单独验证一遍后边能少加好几个晚上的班。希望能对准备动手做分拣系统的你有点帮助。
