基于机器视觉的生产单元数字化设计与实现
摘要：基于PLC的分拣机控制系统能同时对多种类型物料进行检测和分拣是工业控制以及现代物流分拣系统的重要组成部分，在先进的制造业和物流领域中扮演着尤为重要的角色，在物流配送中心、工业生产、仓库仓储等多行业邻域都得到广泛的应用。
本论文设计了一种基于PLC的分拣机控制系统，系统以PLC为核心控制器，采用了单元式、模块化的设计思想。论文介绍了自动分拣系统的总体设计方案；聚焦于机器视觉在颜色识别方面的应用与研究。针对不同形状物体的颜色识别问题进行物流分拣。分析给出了PLC控制主流程图，依据I/O地址分配表编写了程序梯形图，并设计了人机界面；最后进行了仿真实验与调试，结果表明了该系统设计的合理性与可行性。该基于PLC的分拣机控制系统设计具有自动化程度高、容易控制、运行稳定、分拣精度高的特点，有利于企业转型升级，促进社会经济发展。
关键词：自动分拣；可编程控制器；传感器；机器视觉
Digital Design and Implementation of Production Unit Based on Machine Vision
Abstract: The sorting machine control system based on PLC, which is capable of detecting and sorting multiple types of materials simultaneously, is a crucial component of industrial control and modern logistics sorting systems. It plays a particularly important role in advanced manufacturing and logistics fields, and has been widely applied in various industries such as logistics distribution centers, industrial production, and warehouse storage.
A sorting machine control system based on PLC was designed in this paper, with PLC as the core controller and adopting the design philosophy of unitization and modularization. The overall design scheme of the automatic sorting system was introduced in the paper, with a focus on the application and research of machine vision in color recognition. It addressed the issue of color recognition for objects of different shapes in the context of logistics sorting. The PLC control main flow chart was analyzed and provided, and the program ladder diagram was compiled according to the I/O address allocation table. Additionally, a human-machine interface was designed. Finally, simulation experiments and debugging were conducted, and the results demonstrated the rationality and feasibility of the system design. This PLC-based sorting machine control system design exhibits high automation, easy control, stable operation, and high sorting accuracy, which is conducive to enterprise transformation and upgrading, and promotes social and economic development.
Keywords: Automatic Sorting;Programmable Logic Controller;Sensor; Machine Vision
目录
第一章 引 言 2
1.1课题来源及研究意义 2
1.2本课题的主要研究内容 3
第二章 系统结构概述 4
2.1 分拣控制系统功能要求 4
2.2 物料分拣控制系统结构设计 4
2.3 硬件设计概述 5
2.4 软件设计概述 6
第三章 分拣控制系统硬件设计 6
3.1 PLC硬件选型 6
3.1.1 编程软件选用 7
3.1.2 电机和变频器选型 8
3.1.3 电磁阀和气缸选型 9
3.1.4 传感器选型 9
3.2 I/O分配表 11
3.3 PLC接线示意图 12
3.4 电机与变频器接线示意图 12
3.5 传感器接线示意图 12
3.6 InSight简介 13
3.7 模拟视觉识别 14
第四章 分拣机控制系统软件设计 16
4.1 程序流程结构设计 16
4.2 博图软件简介 17
4.3 博图软件的使用 17
4.4 PLC程序编写 18
4.4.1 FC1 系统启停 18
4.4.2 Main（OB1）主程序块 19
4.4.3 FC3投放判断程序块 19
4.4.4 FC2触摸屏画面 20
4.5 HMI简介 21
4.6 HMI项目新建 22
4.7 HMI界面设计 22
第五章 仿真调试 23
5.1 程序仿真说明 23
5.2 仿真结果 23
结 论 28
致 谢 29
参考文献 30
附录 32
第一章 引言
1.1课题来源及研究意义
PLC的分拣控制系统在我国的市场发展呈现出稳步上升的趋势。随着工业自动化和物流技术的不断发展，PLC分拣控制系统在物流配送中心、工业生产、仓库仓储等多行业领域得到了广泛的应用。近年来，我国PLC市场规模持续增长，主要受益于工业自动化的不断发展和制造业对生产效率和质量的追求。
尽管PLC的分拣控制系统在我国取得了显著的发展，但仍存在一些问题。首先，在技术水平方面，国产PLC与国际先进水平相比仍存在一定差距，特别是在处理速度、可靠性和耐用性等方面。其次，国产PLC在软件和编程方面可能存在不足，一些PLC软件界面设计较为繁琐，使用起来不够用户友好。此外，市场竞争激烈，品牌众多，产品种类繁多，使得用户选择合适的PLC产品变得较为困难。
针对上述问题，可以改善PLC软件的界面设计，使其更加直观和用户友好，降低工程师的学习成本和编程复杂度。。可以增加相机识别功能，使得分拣更加便捷、快速。
本次研究的主要内容便是研究一款高度自动化、集成式的自动分拣系统的设计；该系统包括自动检测、分拣，将物料按照不同类型进行分类。本次设计包括总体方案设计、硬件设计、软件设计、驱动电路设计和HMI人机界面设计；旨在解决国内企业分拣处理能力存在的难题。
本系统设计将PLC运用到基于PLC的分拣机控制系统中，既便利我们的生活，也解放了劳动力，与我们的日常生活息息相关，所以对此研究有十分重要的意义。
1.2本课题的主要研究内容
首先，是研究PLC控制系统如何实现对多种类型物料的自动化检测和分拣。这涉及到PLC控制系统的核心设计，包括控制策略的制定、传感器的选择与集成、以及执行机构的优化等。系统需要能够准确识别不同物料的特征，如形状、大小、重量等，并根据预设的规则进行快速、准确的分拣。[1]
其次，是研究如何确保PLC控制系统的稳定性和可靠性。由于分拣机控制系统需要长时间、连续地运行，因此系统的稳定性和可靠性至关重要。这涉及到对PLC硬件和软件的优化，以及系统故障诊断和预警机制的建立。通过优化设计和加强故障处理能力，可以提高系统的稳定性和可靠性，降低故障率和维修成本。
此外，还需要研究如何优化PLC控制系统的性能，提高分拣效率和精度。这包括优化控制算法、提高传感器和执行机构的响应速度、以及优化系统整体结构等方面。通过不断优化系统性能，可以进一步提高分拣效率和精度，满足实际应用中的更高要求。
最后，是研究PLC控制系统在实际应用中的适用性和可推广性。这需要对不同行业、不同场景下的物料分拣需求进行深入分析，并根据实际情况调整和优化PLC控制系统的设计。通过在实际应用中的验证和改进，可以不断完善和推广PLC控制系统在物料分拣领域的应用。
综上所述，基于PLC的分拣机控制系统同时对多种类型物料进行检测和分拣课题的主要研究内容涵盖了系统设计、稳定性与可靠性、性能优化以及实际应用等多个方面。这些研究内容对于推动工业自动化和物流领域的发展具有重要意义。
第二章 系统结构概述
2.1分拣控制系统功能要求
物料分拣控制系统结构如图2-1所示，该系统是以PLC为控制核心的来实现对分拣设备的控制，保障分拣控制系统设备的正常运行，以下为物料分拣控制系统结构和相对应功能送料、检测和分拣三大功能。[2]
送料单元：“光电开关0”是检测送料单元是否有物料。送料单元为二级传送带，分别由三个电机控制每级传送带启停；三级传送带用来分隔物料的间距距离。
检测单元:检测物料有大物件、中物件、小物件三种类型的物料；物料由送料单元输送物料；当电感器检测到有物料时将检测信号反馈到PLC进行计算处理；当光电开关信号由0到1则表示检测到有物料。
分拣单元：当电感传感器和颜色传感器有反馈信号时PLC进行计算处理输出信号，通过控制电磁阀线圈1的得电与失电和光电开关4控制气缸1的伸进与缩回从而达到推送物料进入料仓1；当料仓1中光电开关1检测到物料则说明物料已到达料仓1并计数。
当电容传感器1反馈信号时PLC进行计算处理输出信号，通过控制电磁阀线圈2的得电与失电和光电开关5控制气缸2的伸进与缩回从而达到推送物料进入料仓2；当料仓2中光电开关2检测到物料则说明物料已到达料仓2并计数。
当电容传感器2有反馈信号时PLC进行计算处理输出信号，通过控制电磁阀线圈3的得电与失电和光电开关6控制气缸3的伸进与缩回从而达到推送物料进入料仓3；（SBF3、SBW3：磁性开关是检测气缸伸出/缩回到位信号）当料仓3中接近开关3检测到物料则说明物料已到达料仓3并计数。
参考文献
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附录
1完整的PLC程序
2完整的HMI画面
