基于 PLC 与触摸屏的智能分拣系统设计与自动化控制实现

一、引言

在智能制造与现代物流深度融合的背景下，分拣环节作为生产流通链的关键节点，其效率与精度直接影响企业的运营成本与市场竞争力。传统人工分拣模式不仅依赖大量劳动力，且易受人员疲劳、操作经验差异等因素影响，导致分拣误差率高、效率低下，难以满足多品种、小批量、快节奏的现代生产需求。随着自动化技术的快速发展，智能分拣系统成为突破这一瓶颈的核心手段，而 PLC 与触摸屏的组合则为系统的高效运行提供了核心技术支撑。

PLC 凭借其高可靠性、强抗干扰能力及灵活的逻辑控制特性，已成为工业控制领域的主流设备，能够快速处理复杂的输入信号并驱动执行机构完成精准动作；触摸屏作为人机交互的关键载体，通过图形化界面将复杂的控制逻辑转化为直观的操作指令，简化参数设置、状态监控与故障诊断流程，大幅降低操作门槛。当前，智能分拣系统的研究多聚焦于高端传感器应用与复杂算法优化，但部分方案存在设备成本高、适配性差等问题——例如依赖 3D 视觉传感器的系统虽识别精度高，却难以在中小规模企业推广；单一依赖固定逻辑控制的系统则柔性不足，无法快速响应分拣规则的调整需求。基于此，本文结合 PLC 的控制优势与触摸屏的交互特性，通过多传感器融合与算法优化，设计兼具实用性与柔性化的智能分拣系统，以适配更多工业场景的实际需求。

二、系统设计与实现

2.1 硬件架构设计

系统采用分层式模块化架构，分为感知层、控制层与执行层，各层功能独立且通过标准化接口协同联动。

感知层作为物料信息采集的“前端触角”，部署欧姆龙 E3Z 光电传感器与基恩士 FU-500 光纤传感器：光电传感器通过红外信号的反射变化，实时检测物料是否到达分拣区域，判断物料的位置与有无；光纤传感器则利用不同物料对光的折射、反射差异，精准识别物料的颜色、材质等特征。两类传感器的输出信号均经过防抖电路处理，有效过滤工业环境中的电磁干扰，确保信号传输的稳定性。

控制层是系统的“核心大脑”，以西门子 S7-1200 PLC 为核心，其集成的数字量输入/输出接口可直接对接传感器与执行机构，同时通过 Profinet 总线与威纶通MT8102iE 触摸屏实现高速通信。触摸屏作为人机交互窗口，支持操作人员直观设置分拣规则、调整运行参数，并实时显示传感器状态、设备运行进度、故障报警等信息，实现分拣过程的“可视化”管控。

执行层负责完成具体的分拣动作，由台达 VFD-M 变频器驱动的传送带与 SMC 气动气缸组成：变频器通过调节输出频率灵活控制传送带速度，适配不同重量、尺寸物料的输送需求；气缸则根据 PLC 下发的指令，通过电磁阀控制进气与排气，完成推料分拣动作，将物料精准推送至对应料槽。为提升系统可靠性，硬件设计增加双电源冗余配置，当主电源出现故障时可自动切换至备用电源，避免分拣过程中断造成的物料堆积。

2.2 软件控制策略

软件采用 TIA Portal V16 平台开发，结合梯形图与结构化文本实现控制逻辑，核心分为三大功能模块。

传感器信号处理模块通过结构化文本编写模糊 PID 算法，优化传送带速度控制。该算法根据物料的重量、体积等特征动态调整比例、积分、微分系数：当检测到重型、异形物料时，自动降低传送带速度，确保物料在分拣时位置稳定；当检测到轻型、规则物料时，适当提高速度以平衡效率与精度，避免因速度不当导致的分拣误差。

分拣逻辑控制模块采用梯形图设计状态机模型，包含待机、检测、分拣、复位四个状态：待机状态下系统保持低功耗运行，等待物料触发光电传感器信号；检测状态接收光纤传感器与光电传感器的融合数据，与预设分拣规则比对，确定物料的分拣目标；分拣状态驱动气缸动作，完成物料归类；复位状态则控制气缸回归初始位置，清除状态标志，为下一次分拣循环做好准备。通过状态间的逻辑跳转与信号闭环校验，有效避免动作冲突或遗漏。

人机交互模块在触摸屏上设计多组功能界面：参数设置界面提供分拣规则编辑、速度阈值调整、气缸动作时间设定等功能；故障诊断界面可自动识别传感器失灵、气缸卡滞、通信中断等问题，并弹出具体故障位置与处理建议；历史记录界面则存储分拣数量、运行时长、故障类型等数据，便于后期生产分析与工艺优化。

2.3 通信协议优化

系统采用 Modbus TCP 协议实现 PLC 与触摸屏的数据交互，该协议具有开放性强、传输稳定、兼容性好的特点。协议定义两类寄存器组：控制寄存器用于接收触摸屏下发的参数指令，如分拣规则代码、传送带速度设定值；状态寄存器则上传 PLC 采集的传感器数据、设备运行状态码、故障报警信息等。为确保通信可靠，采用“心跳检测”机制——PLC 与触摸屏每 500ms 互发握手信号，若连续三次未收到回应则触发声光报警；同时通过 CRC 校验对传输数据进行完整性验证，降低误码率。此外，通过批量数据传输优化通信效率，将多个传感器的检测结果打包发送，减少网络传输次数，提升系统响应速度。

实验验证与系统表现

在某电子元件生产车间的测试中，系统需分拣塑料、金属两类外壳的电子元件，并根据元件尺寸（大、中、小）调整分拣路径。测试过程中，传感器准确识别不同材质与尺寸的物料，模糊 PID 算法根据元件重量动态调整传送带速度，未出现物料偏移或分拣错误情况。当操作人员通过触摸屏修改分拣规则（如新增“按颜色分拣”需求）时，系统在 10 秒内完成参数更新并适配新的分拣逻辑，体现出良好的柔性化能力。连续运行 72 小时内，系统未发生硬件故障或通信中断，整体运行稳定，有效替代了 6 名分拣工人的工作量，降低人力成本的同时将分拣误差率控制在 0.5% 以下。

三、结论

本文设计的基于 PLC 与触摸屏的智能分拣系统，通过模块化硬件架构与优化的软件控制策略，实现了分拣过程的自动化与柔性化。多传感器融合提升了物料识别的全面性，模糊 PID 算法优化了速度控制精度，触摸屏则简化了操作与监控流程，使系统兼具可靠性与实用性。未来可进一步集成机器视觉技术，提升对异形、复杂物料的识别能力，同时引入云平台实现多系统协同管理，拓展其在智能仓储、快递物流、食品加工等场景的应用范围。

参考文献

[1]陈海龙.基于 S7-200PLC 的物料自动分拣控制系统设计[J].电子设计工程,2023,31(20):123-126.

[2]徐牧,曹珍贯,刘骏.基于 PLC 的自动分拣物料系统[J].机械设计与制造工程,2024,53(3):45-49.

[3]范振瑞.基于PLC 的仓储物流智能分拣系统[J].设备管理与维修,2023,(8):97-99.

[4]李超.基于 PLC 和 Profibus-DP 总线的烟箱物流分拣系统设计[J].数字技术与应用,2017,(3):5-6,10.