1. 项目概述与整体设计思路

1.1 分拣系统的工艺需求拆解

做电气自动化的朋友对“分拣”这两个字应该都不陌生。不管是物流输送线、食品包装线，还是电子厂的小零件检测，背后都有一套相似的逻辑：物件过来，识别一下，按预设规则分分类，推到位，再计数。这套逻辑落到设备上，就是传送带、传感器、推料气缸和触摸屏的组合。

这次要聊的项目是一个基于三菱PLC的智能分拣系统，核心任务是把不同特征的小型物料识别后分入三个出料口。识别依据用的是色标信号和材质信号，当物料经过检测区时，色标传感器和接近开关各自输出信号，PLC根据信号组合判断物料属于哪一类，再控制对应的气缸把它推入相应的滑道。整个过程要求节拍稳定、信号准确，还要求操作员能通过组态画面实时看到设备状态。

很多刚开始接触这类项目的工程师，容易上来就直接写梯形图，但现场会发现逻辑没少写，硬件一通电就各种问题。原因在于缺少一个“需求拆解”的过程。做分拣系统的第一步，不是打开编程软件，而是把工艺流程拆成明确的动作序列。这就像做菜，菜谱得先想清楚，油热了放葱还是放肉，顺序不能乱。在这个项目里，动作序列是：物料到位检测→特征识别→分拣判定→气缸推出→物料入仓→计数更新，六个步骤串成一条完整节拍，任何一个环节出现时序错位，分拣就会出状况。

1.2 控制架构与运行流程

整个控制架构并不复杂，传感器和按钮负责把现场状态传到PLC，PLC根据程序逻辑输出到中间继电器、电磁阀和变频器，触摸屏通过通信线连接PLC，承担状态显示、参数设定和手动操作功能。分层来看就是三层：现场层、控制层、监控层。

现场层包括色标传感器、电感式接近开关、光电传感器、气缸磁性开关、急停按钮和启动停止按钮。控制层是三菱PLC，负责逻辑运算、计数、报警处理和通信。监控层是触摸屏，实时刷新产量数据、设备故障显示和手动操作界面。这样的分层方式的好处是，哪一层出了问题就查哪一层，排查范围清晰，不用拉着整条线从头到尾翻。

运行流程上用一句话概括就是“识别—判定—执行—反馈”。物料在传送带上连续输送，光电传感器先检测到有物料进入识别区，触发色标传感器和接近开关读取特征信号，PLC读到这些信号后做比较运算，得出物料分类结果，然后根据分拣结果和当前气缸的位置状态，决定哪个出料口的气缸执行推出动作。气缸动作完成后，磁性开关反馈到位信号，PLC确认动作到位，计数加一，传送带继续把下一个物料送过来。这个循环在自动运行模式下会一直持续下去，直到操作员按下停止按钮或急停。

1.3 方案选型背后的三点考量

选型这件事，很多人在意的是“贵不贵”或者“功能多不多”，但实际工程里选型的核心是“合不合适”。这个项目选择三菱PLC而不是其他品牌，有几层现实的考虑。

三菱的PLC在小中型自动化项目里普及率很高，尤其是FX系列，资料多、案例多、售后服务响应快，遇到问题基本上搜索一下就能找到类似处理方案，这对项目周期紧的团队来说是巨大优势。梯形图编程在GX Works软件里做得相当成熟，指令集完整，适合这种以开关量为主的顺序控制项目。

通信兼容性也是重要原因。三菱的触摸屏和PLC同属一个生态，连接起来直接用串口或者以太网通信，地址映射非常顺畅，不像混搭不同品牌时还要处理通信协议配对的问题。如果现场后期要加变频器，三菱变频器和PLC做联动控制也更加方便。

第三个考量是维护成本。工厂里的设备不是做一次就完事，后续电气人员维护时，如果控制柜里全是同一品牌的产品，备件型号统一，程序注释规范，维护难度会低很多。做设计的工程师往往考虑的是“怎么实现”，但真正有经验的工程师会多问一句“坏了以后好不好修”。

2. 硬件选型与I/O分配

2.1 PLC型号从几个维度定下来

PLC选型并不是越大越好，也不是越便宜越好。选型号之前，先要清点一下这个系统有多少输入点、多少输出点、需要什么特殊功能，然后才谈得上选具体型号。

按照前面拆解的需求，输入信号主要包括：启动按钮、停止按钮、急停按钮、手动/自动切换开关、光电传感器、色标传感器、接近开关、三个气缸的伸出到位磁性开关、三个气缸的缩回到位磁性开关，以及分拣确认光电信号。逐个算下来，输入点差不多在14个左右。输出信号包括：三个推料气缸电磁阀、传送带电机接触器、三色灯塔的启动和报警指示，再加上预留备用，输出点大约需要10个。

这样一算，I/O点数在24点左右，三菱FX3U系列或者FX5U系列都合适。FX3U属于经典机型，稳定可靠、案例多、性能够用，支持高速计数和扩展模块，对于这个规模的系统绰绰有余。如果考虑后期扩展，选FX5U会更从容，因为它的通信能力更强，内置以太网口，跟组态软件或MES系统对接时更方便。

实际这个项目选用的是FX3U-32MR，输入输出各16点，继电器输出型。之所以不选晶体管输出型，是因为负载里有交流接触器和电磁阀这类感性负载，继电器输出的过载能力强，接线时直接用输出点驱动中间继电器再带负载，抗冲击性更好。如果未来分拣速度提到非常高的节拍，才需要考虑晶体管输出和高速脉冲方案。

2.2 传感器与执行机构搭配

传感器是分拣系统的“眼睛”，选错型号或者装错位置，程序写得再好也是白搭。这个项目里用了三种传感器，各自分工不同。

色标传感器用的是光纤放大器配合光纤探头的方式，负责识别物料上标签的颜色差异。比如A类物料贴白标，B类物料贴黑标，C类物料没有标签，传感器的输出状态组合就是三类。调试时需要注意灵敏度调节，背景反光、环境光干扰、标签位置偏移都可能造成误判断，所以安装时探头要尽量贴近检测面，并且把放大器灵敏度调整到合适区域，不能调太高导致误触发，也不能太低导致漏检。

材质识别用电感式接近开关，只对金属物产生反应。当物料从接近开关前方通过时，如果物料内含金属成分，接近开关输出ON，否则保持OFF。这个信号和色标信号组合后，就能把物料分成三类甚至更多。

光电传感器作为“就位确认”信号，安装在每个出料口推料气缸的前方。物料到达气缸推头对应位置时，光电传感器给出到位信号，PLC在这个信号的上升沿触发气缸推出动作。选择对射型还是漫反型要看现场环境，灰尘大的场合用对射型稳定性更高，但安装精度要求高；漫反型安装方便，对表面颜色敏感的物料可能会有差异。

执行机构上，推料动作选了双轴气缸配双电控电磁阀，气缸行程50mm到75mm，推头速度通过节流阀控制。双电控阀的好处是断电保持原位，不会像单电控阀那样断电自动复位，这在分拣场景中能避免误动作。

2.3 I/O地址分配表样例

硬件确定之后，最重要的一件事就是把I/O地址分配表做出来。这个表必须和程序里的软元件一一对应，更要在接线图上保持一致。地址分配清晰，程序调试和后期维护都能省大量时间。下面给出这个项目的分配表样例：

X点的低位地址全部给了高频信号，比如启动停止和进料检测，这在PLC扫描周期上是有讲究的。FX3U的输入点带有滤波器设定，可以通过参数调整，但零号点默认更快响应。这种做法不是必须的，但习惯上把关键信号放在靠前的地址，能少踩不少坑。

3. 梯形图程序核心逻辑解析

3.1 主流程的状态机骨架

写分拣程序的梯形图，第一件事不是写分拣逻辑，而是先把“状态机”搭出来。控制系统必须有明确的状态区分——停机状态、手动状态、自动运行状态。三个状态之间切换是有条件的，不能随便跳转。

用一个辅助继电器M来标记系统的运行模式。M0作为自动模式标志，M1作为手动模式标志，M2作为故障报警标志。当切换开关在自动档时，M0得电，自动流程逻辑启用；切到手动档时，M0断开，M1得电，只能执行单步操作动作；任何时候急停按下，M2置位，所有输出立即复位，设备停下来。

状态机的好处在于逻辑的可控性。没有状态机的时候，程序里到处是“如果……就……”的散落逻辑，条件一多就很容易出现“多个动作同时触发”的竞争情况。有了状态机，系统的任何时刻只能处于一个明确状态，状态切换条件也清清楚楚。

梯形图里用SET和RST指令来切换状态标志。比如自动模式启动时，先RST M1，再SET M0，同时用ZRST把气缸相关的输出全部复位，确保进入自动模式时没有气缸停留在中间状态。这一点很多新手容易漏，总觉得启动按钮按下去设备就应该跑，结果上电时气缸还在原来的位置，节拍一开始就乱了。

3.2 产品识别与分拣判定逻辑

分拣判定是整个程序的核心，说的是“怎么知道这个物料该往哪推”。按这个项目的设定，色标传感器地址是X5，接近开关地址是X6，两个信号组合出来四组逻辑关系：有标签且金属、有标签且非金属、无标签且金属、无标签且非金属。给三类物料分配规则，第四种作为不合格品处理。

入门到熟练的工程师都会用比较指令或者区间比较来做这一步。三菱FX的CMP指令可以直接把两个输入组合结果和预设值比较，比如把X5和X6的值组合成一个数，然后分别和K1、K2、K3比较，根据比较结果置位对应的分拣标志M10、M11、M12。

比较指令比一堆“如果X5ON且X6ON则……”这种写法简洁很多，而且逻辑集中，改规则的时候只改一处。举个例子，如果后来客户说第2类和第3类的判断标准换一下，只需要改比较表中的预设值，梯形图的判断区域基本不用动。

还需要加一个“延时确认”的细节。传感器输出信号本身就带有瞬时抖动，直接用原始信号做判定容易因为时序抖动导致误推。处理办法是在分拣判定逻辑中加入计时器，比如T0设定50ms，让信号稳定后再确认判定结果。这个时间不能太长，否则相邻物料会靠得太近，导致判定结果还没出来，后一个物料已经进入检测区。

3.3 气缸动作顺序控制与互锁

气缸动作的梯形图是分拣系统里最需要小心的地方。很多人喜欢用输出线圈直接驱动电磁阀，看起来简单，但会留下两个隐患：一是没有互锁，两个线圈同时得电；二是没有到位确认，气缸还没到位就开始下一次分拣，物料被推一半就卡住。

硬件互锁和软件互锁都要做。硬件层面，电磁阀的伸出和缩回两个线圈由两个输出点驱动，电路上可以采用互锁接线，防止同时得电。软件层面，梯形图里伸出线圈的回路串入缩回到位信号的常闭触点，缩回线圈的回路串入伸出到位信号的常闭触点。

动作顺序上采用“先确认后动作”的步骤。物料检测光电X7上升沿触发时，先判断当前气缸是否已经缩回到位，如果不在位，先执行缩回动作，等缩回到位信号X13有效后再执行下一步。这一步在程序里可以用顺序控制写法来实现，三菱的STL步进梯形图指令非常适合这类场景。

STL指令的好处是每一个状态（步）都有明确的活动区间，当系统处于某一步时，只有这一步的输出有效，其他步骤的输出全部自动断开。这比用辅助继电器组合互锁要可靠得多，因为一旦条件满足跳步，旧的输出会强制关闭，不会出现“步已经跳了但输出还保持”的情况。分拣系统用STL来写气缸控制，实际调试时省了很多查互锁的功夫。

3.4 计数、报警与复位逻辑

计数逻辑是这个系统里客户最关心的一块，因为每天的产量数据要从这里来。PLC的内部计数器是32位的，用C指令可以方便地实现累计计数。在实际分拣系统里，要分别统计总产量、合格品数量和不合格品数量，三类数据分别存入D10、D11、D12。

触摸屏上显示产量，不是直接把计数器的值接过去就行，需要在PLC程序里用MOV指令把计数器的当前值传送到数据寄存器D。比如C0是1号出料口的合格品计数，就把C0的值MOV到D10。触摸屏读取D10并显示。

报警逻辑要做到“能报警、能记录、能复位”。设备发生气缸卡料、电机过载、传感器异常、节拍超时等情况时，程序要置位报警标志并把对应的报警代码写入D20，触摸屏通过读取D20的值显示对应的报警文本。这里要注意，报警代码写入之后要保持，不能因为故障信号消失就自动清除，必须等操作人员确认处理完再手动复位。使用锁存型辅助继电器可以保证掉电后报警信息不会丢失，方便第二天查故障。

复位的逻辑必须设计成“两步确认”。按一下复位按钮，只清除当前的报警标志；再确认一次当前没有报警输入，才能把报警代码清零。如果报警原因没消除就直接复位，按钮一松报警立刻又触发，不仅起不到作用，还会让操作人员以为设备坏得更严重了。

4. 接线图设计要点

4.1 电源回路与PLC本体接线

接线图是程序落地到实物之间的桥梁。写得再好的程序，接线图上少了一根线，现场照样动不了。电源回路是整个接线图的核心，必须先搞清楚电从哪里来。

系统供电采用三相380V进线，经断路器QF后分为两路：一路直接供给传送带电机回路，通过接触器控制；另一路接开关电源，输出DC24V给PLC、传感器和中间继电器供电。PLC本体的电源端子L和N接AC220V，注意这个电源必须单独从断路器引出，不能和电机回路共用漏电保护器，否则变频器或电机启动的瞬间漏电流会导致PLC误重启。

开关电源的容量要按整个系统的负载计算。传感器每个约30mA，十几个传感器加起来不到500mA；中间继电器线圈每个约10到20mA，十个线圈也就200mA左右；PLC自身消耗大约300mA。整体加起来1A出头，选2A的开关电源留足余量比较稳妥。不能只看“够用”，现场传感器增加、备件老化导致的负载变化都要考虑进去。

4.2 输入侧接线：传感器与按钮

输入接线最容易出现的问题就是NPN和PNP接混。这个项目里传感器统一用NPN型，也就是信号输出端在有信号时ON到0V，PLC的输入端X端子接传感器的信号输出线，公共端COM接24V正极，形成“漏型输入”的接法。

这是三菱PLC输入回路的典型接法。按钮和开关也一样，公共端接24V，另一端接X输入点。启动按钮用常开触点，停止按钮和急停按钮必须用常闭触点接到输入点，作用就是当断线或掉线时，PLC能识别到设备要停下来的状态，而不是让设备继续运行。

还要特别注意所有信号线要用屏蔽线或者至少是双绞线。分拣设备旁边就是接触器和电机，电磁干扰很强，如果不做屏蔽，PLC输入点的误触发频率会高得让人头疼。屏蔽层要在PLC侧单端接地，不能两端都接，否则形成地环流反而更糟。

4.3 输出侧接线：继电器、电磁阀与电机回路

PLC输出点不能直接驱动接触器和电磁阀这类感性负载，中间必须加中间继电器隔离。这样做既能放大触点容量，也能把PLC和外部强电隔离，避免外部故障烧损PLC输出点。

接线时每个Y输出点先接到对应中间继电器的线圈端子，继电器触点再去控制实际负载。比如说Y0控制1号气缸的伸出电磁阀，实际回路是：Y0（COM1）→中间继电器KA1线圈→0V，KA1常开触点→电磁阀线圈→220V。这样即使电磁阀短路，损坏的也只是中间继电器，换一个几十块钱，PLC的Y点不会烧掉。

电磁阀线圈两端要并联一个续流二极管或者RC吸收回路。感性负载断电时会产生反向电动势，如果不吸收，这个高压尖峰不仅会干扰PLC和传感器，时间久了还会把继电器触点烧蚀。直流电磁阀用二极管反向并联，交流电磁阀用RC吸收器，这个细节很容易被忽略。

4.4 抗干扰与安全保护处理

接线图设计到这一步，已经是“能不能安稳跑”的关键了。抗干扰处理的优先级很高，但很多项目是在现场出问题时才开始补课。

接地是抗干扰的基础。控制柜内的接地排要和柜体可靠连接，PLC的接地端子FG接独立地线，不能和动力接地并在一起。信号电缆穿金属管或走单独的线槽，与动力电缆保持至少20cm的距离。如果实在无法避免交叉，必须直角交叉，不能平行走线。

安全保护方面，急停按钮必须接在PLC输入端的常闭触点之外，最好有两路：一路进PLC做软件急停，另一路直接串在中间继电器的电源回路做硬件急停。这样即使PLC软件出故障，硬件急停也能把输出电源切断。这是和安全相关的关键设计，不能省略。

5. 组态画面的设计详解

5.1 画面结构与导航设计

组态画面做得好不好，直接决定操作工人愿不愿意用。一套布局混乱、按钮藏在二级菜单里的画面，再好的程序也会被操作员吐槽“不会用”。这个项目的画面结构按照“主画面、运行画面、手动画面、报警画面、参数画面”五个页面来设计。

主画面是开机默认显示页，上面放设备名称、当前运行模式、实时产量、设备状态图标和主要的操作按钮。操作按钮包括自动启动、停止、复位，再放一个“进入手动画面”的入口。主画面的原则是信息要少而精，所有常用的东西一眼能看到，不常用的功能放到子页面。

导航方式上采用触摸屏的公共切换按钮，每个子画面左上角都放一个“返回主画面”按钮，这样操作人员在任何页面按下都能回到主界面，不用沿着进去的路再退出来，很多老一点的画面就输在这一步，操作员找不到返回按钮，只能断电重启。

5.2 数据变量映射与动画联动

组态画面的核心价值在于“动画联动”。物料在传送带上移动、气缸伸出缩回、灯光变化，操作员看到这些才能快速判断设备状态。实现联动的基础是把触摸屏的“数值显示/状态显示”控件和PLC的软元件地址映射好。

三菱触摸屏用GT Designer系列软件做，创建画面后添加变量，变量地址直接指向PLC的软元件，比如把X4（进料光电）映射成画面里“物料检测”状态灯的驱动地址，Y0映射成“1号气缸伸出”的驱动地址。变量类型要注意区分“位软元件”和“字软元件”，状态显示用位，产量数据显示用字。

动画效果上，传送带用移动组件的位图来做，检测区的物料用一个方块图标，X4为ON时方块图标从左侧移动到右侧，这样模拟了物料流动的视觉效果。气缸则用“伸出/缩回”两帧位图切换，Y0为ON时显示伸出的状态图，Y0为OFF时显示缩回状态图。颜色状态上用绿色表示运行正常，红色表示故障或动作进行中，黄色表示待机或警示状态。

5.3 手动操作、权限与报警画面

手动画面要做得保守设计，关键操作必须二次确认。手动模式下，操作员可以单独控制每个气缸的伸出和缩回、传送带的启停。每个按钮都设计为“按下有效、松开停止”，也就是用触摸屏的“位开关—瞬时动作”模式，不允许用“切换型”模式，防止操作员松开手后气缸还在持续动作。

权限控制方面，要分操作员和管理员两个等级。操作员能用的是启动、停止、复位这些基本操作，手动单步操作和参数修改必须管理员权限才能操作。触摸屏的密码保护功能要在系统设置里打开，密码不能写在程序注释里，也不能用设备默认密码。

报警画面把报警信息列表做成报表形式，显示报警代码、报警内容和发生时间。历史报警还要能翻页查看，方便交接班时确认前一个班次发生了什么故障。三菱触摸屏自带报警功能组件，做起来不难，但要注意报警变量在PLC里要能够保持，交换班时按下复位按钮只能清除当前报警，历史记录仍然保留在画面中。

6. 调试流程与常见问题速查

6.1 分步调试的顺序

调试阶段把“先空载后带载、先手动后自动、先单机后联动”这个顺序走扎实，问题会少很多。

第一步是硬件检查。对照接线图逐点校线，用万用表量输入点对公共端的电压、输出点对中间继电器的连接。这个步骤不能省，我见过太多现场调试时半天找不到原因，结果是一根线数字标错的问题。

第二步是PLC与触摸屏的通信连接调试。把程序下载到PLC，触摸屏和PLC通信参数设置在同一组，波特率、校验位、站号都要对得上。三菱设备之间连接时要特别注意RS232到RS422的转换，很多通信异常都是转换线的问题，长度超过15米就要更换为带隔离的转换器。

第三步是手动单步调试。把切换开关打到手动位，逐个测试每个执行机构：1号气缸伸出缩回、2号气缸伸出缩回、3号气缸伸出缩回、传送带启停。每一步动作都要去现场确认机械方向是否正确，不能只看程序里输出亮了就当作正常。手动全部无误之后，再做限位互锁验证：气缸伸出时按相反方向按钮，确认无反应。

第四步才是自动模式调试。先放几件已知类型的物料做测试，逐一观察检测判定和分拣动作是否正确，再逐步增加物料数量，提高输送速度，观察节拍是否稳定，计数是否准确。

6.2 常见故障与排查思路

现场调试中遇到的问题，归纳下来最常遇到这几类：

排查故障的思路一定要先从硬件查起，再查软件。很多刚入行的工程师遇到问题第一反应是看程序，但实际经验告诉我，十次里至少有六七次问题出在硬件上：线没接对、触点氧化、信号受干扰。万用表永远是排查故障的第一工具，梯形图监控是第二工具。

6.3 现场调试的几个心得

调试心得这件事，做得越久体会越深。这里有几点值得单独拿出来说的经验。

注释规范比技巧更重要。程序里每一个辅助继电器、计数器都要写清楚注释，注释内容要写到“这个辅助继电器在什么条件下接通、接通后用来干什么”。触摸屏变量命名也要跟PLC地址一致，不要把D10叫“甲”而PLC里写的是“一号产量”，极容易出错。后续维护人员看程序时，不是看指令用得多高级，而是看逻辑能不能快速看懂，注释写得越清楚，维护成本就越低。

别忘了留扩展余量。I/O分配表里必须留备用点，这个项目里备用了Y13到Y15，程序里也预留了空白的辅助继电器区域。现场一旦客户临时加一个检测工位或者加一个报警灯，直接补上就行，不用重新改动地址表。预留地址不是效率低，而是给未来的变更留一条后路。

节流阀的调节是个精细活。气缸推料速度调太快，物料会被弹回来或者位置冲过头；调太慢，节拍又跟不上。经验是先快后慢，快速推进到物料接触点前减速，靠节流阀控制缓冲段，这样既保证节拍又保证定位精度。每次换批物料尺寸变化，都要重新检查这个参数，不能觉得调过一次就一劳永逸。

操作培训这一步也别省。设备交付之前，至少花半天时间教会操作人员怎么开机、怎么切换画面、怎么看报警记录、怎么做复位。很多设备用了一段时间就“三天两头坏”，实际不是硬件问题，而是操作流程不对，频繁乱按导致气缸撞料或者程序进入异常状态。把这个环节做足，后期维护电话能少一大半。

分拣系统的设计，归根到底就是把“识别、判断、执行、反馈”这四个环节衔接好。硬件选型是基础，梯形图是灵魂，接线图是血脉，组态画面是窗口，每一步都做好，设备才能安稳跑，客户才用得省心。上面的内容都是我在实际项目里摸爬滚打出来的经验，照着这个思路走，不敢保证一次成功，但至少能少走些弯路。