趙 悅，莫 莉，張 陽

(成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610106)

0 引 言

分揀在我們?nèi)粘Ｉ钪惺制毡?，小到個(gè)人物資的整理與分類，大到工業(yè)中各種物料的分揀.目前，主要的物料分揀體現(xiàn)在物流方面，隨著科技的發(fā)展，網(wǎng)上電商的購物方式被人們普遍接受，隨之而來的是快遞行業(yè)的迅速興起與發(fā)展.各種類別的快遞貨品層出不窮，這就更加要求物料分揀的高效率和精確的區(qū)別能力.顯然，僅用人力來解決相關(guān)問題已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的實(shí)際生產(chǎn)需求，需要對相關(guān)的流程進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新與改革.故物料自動分揀技術(shù)得到了廣泛地重視與發(fā)展，其主要技術(shù)特征是按照物料的特性與特征等，選取適當(dāng)?shù)膫鞲衅鲗δ澄锪线M(jìn)行單一識別，且不被其他物料所干擾.物料被精確識別后分揀到相應(yīng)的位置，從而完成物料的自動分揀[1].針對上述技術(shù)特征，本研究利用西門子PLC設(shè)計(jì)了一種物料自動分揀的系統(tǒng)，其物料分揀的人機(jī)界面可以通過西門子博圖軟件來進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)，通過在軟件中進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和WINCC組態(tài)設(shè)計(jì)，模擬仿真實(shí)際生產(chǎn)流程中的物料自動分揀的過程.本設(shè)計(jì)的人機(jī)操作界面，可視性好，可方便地根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景進(jìn)行靈活改變.

1 物料分揀控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究的物料分揀控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要由主電機(jī)、分電機(jī)、主傳送帶、次傳送帶和各種類型的專用傳感器以及與之對應(yīng)的電磁閥控制的氣缸等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 物料分揀系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

物料分揀控制系統(tǒng)各模塊的主要功能為：

1)主電機(jī).為系統(tǒng)提供動力，帶動主皮帶的傳送，對物料進(jìn)行補(bǔ)給和傳送至各檢測點(diǎn).

2)分電機(jī).將分揀出來的物料運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)的料槽中.

3)主傳送帶.和主電機(jī)配套使用，對傳送帶上的物料進(jìn)行傳輸.

4)次傳送帶.和分電機(jī)配套使用，對已經(jīng)分檢出的物料進(jìn)行傳輸.

5)傳感器.本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中設(shè)置了4個(gè)傳感器，分別有不同的特點(diǎn).具有獨(dú)立檢測物料的能力，可將檢測出的信號反饋給PLC，同時(shí)，PLC給出輸出信號.

6)氣缸和電磁閥.接收PLC發(fā)送出來的輸出信號，氣缸根據(jù)接收信號的高低，給出相應(yīng)的分揀動作.若信號為高電平，氣缸執(zhí)行推動動作;相反的情況下，氣缸回縮或者保持原靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)氣缸和對應(yīng)傳感器未接收到信號，電平保持為低[2].

2 物料分揀控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

物料分揀控制系統(tǒng)硬件包括PLC、傳感器、主電機(jī)、分電機(jī)以及小型氣缸等部件.硬件之間的關(guān)系如圖2所示.

圖2 物料分揀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)關(guān)系示意圖

物料分揀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用西門子PLC的CPU為1214C DC/DC/DC，采用的HMI觸摸屏為TP1200系列.根據(jù)整個(gè)PLC控制的物料自動分揀裝置的控制要求，系統(tǒng)的輸入有30個(gè),系統(tǒng)的輸出有13個(gè).系統(tǒng)分配的輸入與輸出端口如表1與表2所示.

表1 PLC的I/O口分配(輸入)

表2 PLC的I/O口分配(輸出)

3 物料分揀控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

物料分揀控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用西門子博圖V15編程軟件，其適用于西門子系列PLC 300、400、1200與1500系列CPU的編程、軟件調(diào)試、仿真以及組態(tài)界面設(shè)計(jì)，支持LAD和STL語言，其中，PLC 1200不支持STL語言，均可以在Windows 10環(huán)境中運(yùn)行[3].

本PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)有手動控制和自動控制2種運(yùn)行模式，并通過按鈕進(jìn)行方式選擇.PLC程序包括1個(gè)主程序和6個(gè)子程序，這6個(gè)子程序分別是位置模塊FC1、模式切換模塊FC2、手動模式模塊FC3、自動模式模塊FC4、狀態(tài)模塊FC5以及輸出模塊FC6子程序.PLC控制系統(tǒng)的主程序流程如圖3所示.

圖3 PLC控制系統(tǒng)主程序流程圖

根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備使用流程，本控制系統(tǒng)的PLC對物料分揀的順序控制功能圖如圖4所示.

圖4 物料分揀控制系統(tǒng)的順序流程圖

控制系統(tǒng)通電之后，具有可供選擇的2種工作模式,即手動模式和自動模式.

手動模式：各模塊處于靜止?fàn)顟B(tài)，各指示燈均處于熄滅狀態(tài)或者呈關(guān)閉顏色的狀態(tài).在不知道系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)設(shè)備是否正常的情況下，需首先選擇手動模式，對模塊設(shè)備進(jìn)行調(diào)試.檢查主電機(jī)與分電機(jī)能否正常通電轉(zhuǎn)動，并帶動皮帶朝著物料分揀運(yùn)輸方向旋轉(zhuǎn)，各傳感器能否正確做出信號輸入響應(yīng)，氣缸執(zhí)行推動動作.確認(rèn)無誤后，再選取自動模式[4].

自動模式：點(diǎn)擊啟動按鈕，主電機(jī)指示燈亮，主電機(jī)通電，主皮帶朝著運(yùn)輸方向運(yùn)動，同時(shí)物料開始進(jìn)入主皮帶.本系統(tǒng)選取的傳感器暫定名稱為傳感器1、傳感器2、傳感器3與傳感器4，每個(gè)傳感器分別檢測的物料為物料1、物料2、物料3與物料4,傳感器的位置與對應(yīng)氣缸并排靠近.若待識別物料為物料3時(shí)，傳感器1、2與4上的指示燈無響應(yīng)，傳感器3指示燈亮，表示對該物料識別成功.傳感器3將檢測信號傳送給PLC中，同時(shí)PLC根據(jù)程序設(shè)定，傳感器3旁邊的氣缸對識別出來的物料3執(zhí)行推出動作，并將其推送到相應(yīng)的次皮帶上.在開始推動過程中，分電機(jī)指示燈亮表示已啟動對應(yīng)的分電機(jī)，于是分電機(jī)帶動次皮帶朝著料槽中運(yùn)動.

氣缸將識別出來的物料推入次皮帶后，主皮帶依舊繼續(xù)輸送其他物料到傳感器檢測點(diǎn).之前分揀出來的物料在次皮帶上一直運(yùn)輸?shù)搅喜壑泻?，該次皮帶斷電?fù)位,完成分揀工序.其他物料的識別、對應(yīng)傳感器、氣缸和次皮帶的動作流程也按照上述的流程進(jìn)行.

此外，在每個(gè)次皮帶的末端，也就是料槽口處，均設(shè)置了一個(gè)變量，用來顯示輸出已經(jīng)分揀出來的同類物料數(shù)目，在主皮帶的進(jìn)料口端也設(shè)置了一個(gè)變量，用來累計(jì)此刻參與分揀物料的總數(shù)目.主皮帶的末端也有一個(gè)變量，表示未被傳感器識別出來的其他物料的數(shù)目統(tǒng)計(jì)，這主要是考慮到現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)場景中出現(xiàn)次品等情況.

3.2 組態(tài)界面設(shè)計(jì)

西門子博圖V15軟件有極其強(qiáng)大的組態(tài)界面設(shè)計(jì)和仿真的能力.在本研究中，首先，創(chuàng)建項(xiàng)目，選擇PLC型號和觸摸屏HMI型號；然后，用PN/IE-1網(wǎng)線連接，實(shí)現(xiàn)CPU與HMI的通訊.具體過程如圖5所示.

圖5 設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

接下來進(jìn)行HMI變量的創(chuàng)建，該過程與程序設(shè)計(jì)里PLC變量的創(chuàng)建是一樣的，只是沒有關(guān)于地址的定義，而是多了一些連接性，以實(shí)現(xiàn)2種效果.

1)HMI變量的創(chuàng)建是為了能和PLC變量連接.連接的目的是表示此時(shí)HMI畫面的變量是受PLC中的梯形圖控制.創(chuàng)建HMI變量后，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)類型選擇好，選擇連接方式為HMI連接，此時(shí)會自動出現(xiàn)一個(gè)PLC-1，表示和PLC變量已經(jīng)關(guān)聯(lián)完成.

2)另一種連接是內(nèi)部容量，此時(shí)變量不受前面的程序控制.創(chuàng)建名字和數(shù)據(jù)類型，選擇連接類型為內(nèi)部變量，后面就沒有PLC-1.這種變量的創(chuàng)建表示此變量不受PLC中的梯形圖控制，而是自己獨(dú)立在畫面中設(shè)置起作用.圖6所示為部分HMI變量[5].

圖6 部分HMI變量示意圖

同時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，選擇工具箱的選項(xiàng)進(jìn)行根畫面的設(shè)計(jì)，其最終界面如圖7所示.

圖7 物料分揀系統(tǒng)界面示意圖

如圖7所示，物料在主皮帶和次皮帶上的運(yùn)輸中，使能的BOOL變量呈綠燈狀態(tài)，表明模塊正處于運(yùn)行狀態(tài).系統(tǒng)總共有6個(gè)I/O域分別統(tǒng)計(jì)總數(shù)目、4種物料的數(shù)目以及其他物料的數(shù)目，5個(gè)電機(jī)在傳送帶的下側(cè)，傳感器右側(cè)為氣缸.

在組態(tài)界面上，除了按鈕、I/O域與指示燈的添加外，代表物料的黃色方塊和氣缸都可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)運(yùn)行.下面以繪制一個(gè)正方形代表物料為例進(jìn)行說明，物料的形狀可以利用畫面中的工具箱來制作，物料的顏色可以在選中該正方形后，點(diǎn)擊下方的屬性，通過屬性中的常規(guī)項(xiàng)可以對物料的顏色、尺寸與位置等進(jìn)行重新定義.定義結(jié)束后，選擇動畫一欄，可以看見下方有移動的設(shè)置.移動主要分為水平移動和垂直移動.圖8為物料的水平移動設(shè)置，表示物料在傳送帶上從左往右運(yùn)動到某個(gè)位置.位置可以自由選擇，既可以通過選擇該物料進(jìn)行水平拖動，也可以通過在水平移動手動輸入要移動到某個(gè)位置的坐標(biāo)點(diǎn).水平移動的Y軸數(shù)值不變.水平移動變量名稱為“調(diào)試_主皮帶位置”，這個(gè)名稱就是HMI變量里的某個(gè)變量.此時(shí)就是將物料的水平移動和HMI變量進(jìn)行綁定.變量名稱下的范圍為0～50，0代表(203，191)，50代表(1018，191)，當(dāng)物料從0變化到50時(shí)，物料就移動到了目標(biāo)位置(1018，191)，這段水平距離被分成了50份.

圖8 物料移動設(shè)置界面示意圖

當(dāng)程序和組態(tài)設(shè)計(jì)完成后，還需要聯(lián)合程序與組態(tài)進(jìn)行調(diào)試，進(jìn)行WINCC組態(tài)模擬仿真，然后將程序塊轉(zhuǎn)為在線.程序在執(zhí)行方面分為2個(gè)部分，通電的部分呈綠色，未通電的部分為藍(lán)色的短虛線.圖9所示為組態(tài)仿真和程序監(jiān)視，在HMI畫面中點(diǎn)擊開始仿真，然后啟用程序監(jiān)視，給畫面一個(gè)動作執(zhí)行，此時(shí)可以觀察到該畫面模塊對應(yīng)的程序段，梯形圖由相應(yīng)的藍(lán)色虛線轉(zhuǎn)為綠色的通電狀態(tài).據(jù)此可以判斷是否按照設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行通電執(zhí)行來調(diào)試模塊功能[6].

圖9 組態(tài)仿真和程序監(jiān)視示意圖

程序和組態(tài)調(diào)試成功后，將程序下載至PLC進(jìn)行裝載.當(dāng)PLC通電后，各模塊處于靜止?fàn)顟B(tài)，HMI觸摸屏手動模式狀態(tài)燈亮，表示正在運(yùn)行中，可以通過點(diǎn)擊各主電機(jī)與分電機(jī)的啟動和停止按鈕，判斷電機(jī)能否正常工作.氣缸推動動作也可進(jìn)行啟動、停止按鈕調(diào)試.在手動模式運(yùn)轉(zhuǎn)正常無誤后，點(diǎn)擊組態(tài)中的自動模式啟動按鈕，自動模式處于運(yùn)行狀態(tài)中，各物料從主傳送帶左側(cè)依次進(jìn)入，并向右側(cè)運(yùn)輸.當(dāng)某傳感器對該物料敏感，就會發(fā)出信號給PLC，同時(shí)PLC根據(jù)梯形圖程序設(shè)置，該傳感器旁的氣缸得到PLC的輸出信號，將物料推動到次皮帶上，同時(shí)次皮帶通電將該物料送到目的地后再斷電復(fù)位.未得到敏感信號的其他傳感器依舊處于待接收信號狀態(tài)，其旁邊的氣缸處于初始壓縮狀態(tài).其他待分揀物料的動作和上述工作原理類似[7].

此外，組態(tài)還可將參與的分揀物料進(jìn)行總數(shù)統(tǒng)計(jì)，并將各物料的分類數(shù)目顯示在界面中，實(shí)現(xiàn)對物料數(shù)目的監(jiān)控.

4 結(jié) 論

本研究設(shè)計(jì)的物料分揀控制系統(tǒng)利用西門子PLC 1214進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過采用博圖軟件實(shí)現(xiàn)對物料分揀的軟件設(shè)計(jì)和組態(tài)界面設(shè)計(jì)，并能夠通過該軟件對系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行良好的優(yōu)化改善.系統(tǒng)軟件程序編寫結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，組態(tài)具有多樣性，可隨著HMI觸摸屏尺寸的增大，功能性也變得更加豐富與細(xì)節(jié)化.同時(shí)，利用程序與組態(tài)在電腦或觸摸屏上進(jìn)行仿真，可觀察到仿真畫面中物料在主皮帶上運(yùn)輸，傳感器對某一物料識別，氣缸將識別的物料推入次皮帶上，分揀出的物料運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)的目的地，同時(shí)對其數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并完成分揀，能較好地體現(xiàn)該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用場景中的工作原理和應(yīng)用特點(diǎn).