基于SIMOTION的高速裝箱機的控制系統(tǒng)開發(fā)

劉苗 楊文明 梅江平

（1石家莊四藥有限公司，石家莊，050021；2中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津，300113；3天津大學機構理論與裝備設計教育部重點實驗室，天津，300072）

基于SIMOTION的高速裝箱機的控制系統(tǒng)開發(fā)

劉苗1楊文明2梅江平3

（1石家莊四藥有限公司，石家莊，050021；2中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津，300113；3天津大學機構理論與裝備設計教育部重點實驗室，天津，300072）

本文針對目前高速裝箱機控制系統(tǒng)存在不穩(wěn)定、靈活性不足等問題，提出了一種基于SIMOTION D435的新的高速裝箱機的控制方案。該方案以SIMOTION D435為控制核心，以PROFERBUS總線和以太網(wǎng)進行通信，并匹配遠程IO模塊的控制硬件系統(tǒng)，并且運用SCOUT工程平臺中的數(shù)學模型和三種各具特點的編程語言對高速裝箱機進行一體化編程的軟件開發(fā)，硬件上減少了電纜布線繁雜、通信不穩(wěn)定的問題，軟件上使得程序架構更加清晰明了，減少了程序冗余和漏洞，并建立了友好的人機界面，從而使得裝箱機的控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定靈活，保證了企業(yè)用戶的生產(chǎn)質量。

高速裝箱機，SIMOTION，控制系統(tǒng)

0 引言

近幾年來，隨著機械自動化水平和勞動力成本的不斷提高，機器人技術越來越廣泛地應用于軍工、醫(yī)療、服務等行業(yè)中，在提高工作效率、加強產(chǎn)品質量、保障安全生產(chǎn)等方面發(fā)揮著重要作用[1]。尤其是在產(chǎn)品的裝箱工序，針對食品、飲料、醫(yī)藥等行業(yè)，國家出臺了較為嚴格的衛(wèi)生政策法規(guī)，以避免人工操作造成的二次污染。無人化生產(chǎn)已成為一種必然趨勢。在產(chǎn)品裝箱方面，高速裝箱機[2]以其高速、清潔、低維護等特性較好地滿足了這類工序的需要，從而成功地取代了以往的人工操作。越來越多的企業(yè)開始引進高速裝箱機來提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和降低企業(yè)的人工成本。

高速裝箱機的控制系統(tǒng)是裝箱機的核心部分，然而目前已用于高速裝箱機的控制系統(tǒng)在控制穩(wěn)定性和靈活性方面還存在較大的缺陷。本文針對這種情況開發(fā)了一個新的裝箱機控制系統(tǒng)。首先，分析了軟袋藥品高速裝箱作業(yè)的控制要求；其次，簡單介紹SIMOTION控制系統(tǒng)，并詳細設計了控制系統(tǒng)的硬件配置方案以及開發(fā)出控制軟件；最后，通過生產(chǎn)實踐驗證控制方案的正確性和可行性，解決了目前高速裝箱機控制系統(tǒng)上存在的問題。

圖1 藥品內裝箱生產(chǎn)線布局圖

1 裝箱作業(yè)的控制要求

結合軟袋藥品生產(chǎn)車間的實際情況，并考慮調整維修方便，軟袋藥品裝箱生產(chǎn)線布局如圖1所示，紙箱從開箱機進入,沿著生產(chǎn)線進入到高速裝箱機。裝箱機進行兩側裝箱，裝滿后沿著生產(chǎn)線經(jīng)過稱重裝置，檢查是否裝滿，裝滿后繼續(xù)向前進入封箱機，經(jīng)過封箱機后由噴碼機進行噴碼，最后到生產(chǎn)線末端有碼垛機器人[3-4]進行碼垛。整條生產(chǎn)線自動化程度較高，需要人工少。

該生產(chǎn)線以高速裝箱機為核心，高速裝箱機如圖2所示。由于醫(yī)藥行業(yè)設備自動化程度高，產(chǎn)品產(chǎn)量大等特點，對高速裝箱機提出如下控制要求：

1）運行速度快。

由于軟袋藥品的套袋速度高，因此，裝箱機的速度也要求必須達到與之匹配的水平。以石家莊四藥集團裝箱生產(chǎn)線為例，要求穩(wěn)定抓取速度可以達到130袋/分，最高速度可以達到150袋/分。

2）運動平穩(wěn)性好。

系統(tǒng)要求裝箱時藥品袋擺放整齊，并避免在裝箱過程中藥品軟袋被甩掉，因此，在抓取過程中，藥品袋的運動要保證平穩(wěn)，這要求裝箱機的機械手末端運動軌跡平滑、

動作柔和，運動規(guī)律為擺線型。

3）可多種規(guī)格抓取。

根據(jù)生產(chǎn)要求，機械手要對三種容量規(guī)格不同的藥品進行裝箱，每種規(guī)格軟袋藥品的抓取點和抓取次數(shù)等均不同，因此，在系統(tǒng)編寫程序時要分情況對待。

圖2 高速裝箱機

2 控制系統(tǒng)配置與方案設計

SIMOTION作為一個單一的系統(tǒng)[5]，集運動控制、邏輯控制與工藝控制功能于一身，既具有伺服運動控制的功能，又有PLC的邏輯控制功能，且具有豐富的工藝包便于調用，極大地減小了編程難度。同時，由于硬件上控制器與驅動模塊集成在一起，因此整個系統(tǒng)更加緊湊，響應更加迅速，同時還能保證較高的循環(huán)率和優(yōu)秀的產(chǎn)品質量。此外，模塊化的設計順應了模塊化機器概念的趨勢，使用PROFIBUS和PROFINETz總線實現(xiàn)模塊之間的通信，使SIMOTION運動控制系統(tǒng)具有更大的靈活性。

2.1 控制功能需求分析

1）運動控制功能。

圖2所示為基于Diamond機器人[6]的裝箱機，其具有三個伺服交流電機，兩個同型號的伺服電機帶動機器人兩個主動臂轉動，另一個伺服電機帶動步進帶前進?？刂葡到y(tǒng)能夠控制兩個帶動主動臂運動的電機同步運動，以實現(xiàn)對機器人運動的控制，同時控制一個帶動步進帶的伺服電機實現(xiàn)精確的步進功能。

2）I/O功能。

控制系統(tǒng)讀取光電開關信號、磁性接近開關信號、外部開關輸入信號、伺服電機通電信號、伺服電機使能等信號的功能為數(shù)字量輸入功能；控制接觸器、繼電器、電磁閥通斷等的功能為數(shù)字量輸出功能[7]。通過調查分析，裝箱一體機需要有20個數(shù)字量輸入口，26個數(shù)字量輸出口。

3）人機界面功能。

人機界面是操作員與控制系統(tǒng)之間的連接窗口，操作人員可以通過人機界面來操控高速裝箱機。良好的人機界面一方面要滿足功能需求，另外還需要具有良好的導向性、易操作性和美觀性。

綜上所述，集成類Diamond機器人的高速裝箱機的控制系統(tǒng)需具備：運動控制功能、I/O功能、人機界面功能等。

2.2 控制系統(tǒng)總體方案

為了解決控制系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題，筆者選擇了SIMOTION D435作為控制的核心，并根據(jù)高速裝箱機和生產(chǎn)線的需要，選擇了3臺西門子伺服電機和遠程I/O模塊。

系統(tǒng)整體配置如圖3所示：包括：SIMOTION D435運動控制器；電源模塊；雙軸電機驅動模塊；單軸電機驅動模塊；TP270操作界面；以太網(wǎng)線（SIMOTION D435與操作界面相連）；Profibus現(xiàn)場總線；遠程I/O，SIMATIC ET200M；光電傳感器；氣缸；外部交流電機；機械手主動臂驅動電機；步進帶驅動電機。

該總體方案以Simotion D435為核心控制器。運動控制功能通過DRIVE-CLiQ接口[8]連接與之匹配的Sinamics全數(shù)字伺服驅動系統(tǒng)來實現(xiàn)；I/O控制功能通過Profibus DP擴展遠程I/O模塊來實現(xiàn)，本方案中擴展了1個DP子站為ET200M；人機界面通過工業(yè)以太網(wǎng)擴展西門子TP270觸摸屏來實現(xiàn)；上位機通過另一個工業(yè)以太網(wǎng)連接。

該方案具有良好的可擴展性，采用遠程I/O模塊極大地減少控制系統(tǒng)的電纜布線繁雜、通信不穩(wěn)等難題，而且此種硬件配置還有網(wǎng)絡功能強大、控制系統(tǒng)的可靠性高、對工作環(huán)境適應能力強、設備維護方便等優(yōu)點。

圖3 控制系統(tǒng)硬件配置

3 控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)

SIMOTION的編程平臺為SCOUT。SCOUT提供了3種編程語言，即MCC(運動控制圖)、LAD(梯形圖)、ST(結構化文本)[9]。這3種語言各有所長，MCC語言使復雜的運動編程變得極其簡單，LAD適合邏輯控制的編程，而ST適合于邏輯運算的編程。

SCOUT工程系統(tǒng)為SIMOTION提供了系統(tǒng)組態(tài)、一體化編程、參數(shù)設定、調試及故障診斷工具，因此，幾乎所有任務，如系統(tǒng)配置、參數(shù)設置、驅動器調試、測試診斷、編程等，都可用圖形化的方式完成。在運行時，軟件模塊使邏輯控制、運動控制與工藝控制功能融為一體，以工藝對象的形式封裝。

不同的硬件平臺使用相同的工程開發(fā)系統(tǒng)和運行軟

件模塊，有利于滿足用戶靈活配置的需要。

3.1 控制程序構架

根據(jù)現(xiàn)實的生產(chǎn)線布置和生產(chǎn)要求,藥品完成裝箱需要控制程序執(zhí)行的任務主要包括：進箱控制、藥品運行控制、裝箱控制、排箱控制及輔助程序等。其中，裝箱控制是所有控制程序的核心部分,裝箱程序控制流程架構如圖4所示。

整個程序的結構劃分基于對高速裝箱機的工藝流程分析所得，故在程序設計時，各分程序之間的耦合較少，便于設備分段調試。同時，根據(jù)用戶需求，控制程序分為自動控制模式和手動控制模式。自動控制模式即正常運行時的模式；當設備在自動運行過程中發(fā)生故障，停機后可以將設備運行調整至手動控制狀態(tài)，手動控制裝箱機的各個工序動作，以排除故障。

整個程序的編寫采用不同的編程語言，這根據(jù)SCOUT的3種編程語言各自的特點決定。用MCC編寫運動控制部分包括回零程序、定位程序、點動程序等機械手運動控制的程序，不但編程非常簡單，而且程序的可讀性得到提高，極大地減小了程序冗余；LAD編寫邏輯控制部分,如進箱、計數(shù)、排箱、夾箱、半箱旋轉等邏輯關系比較復雜的控制程序,這使得程序的模塊性和可讀性得到大大提高，同時使得編程的正確率得到提高，減少了由于程序錯誤引起控制不穩(wěn)的難題。ST編寫的是電機狀態(tài)捕捉及變量聲明部分等程序,這使得程序的模塊性與可移植性變大并加強。這種編程設計搭配靈活，控制程序清晰明了，減少了因程序混亂引起的控制不穩(wěn)問題。

圖4 裝箱控制流程

3.2 人機界面設計

通過對控制軟件功能需求分析可知，高速裝箱機的人機界面有主控制界面、自動控制界面、手動控制界面、零位修改界面、參數(shù)修改界面、路徑試教界面和外部輸出操作界面等。其中界面設計運行時的界面如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)控制界面

圖6 裝箱生產(chǎn)線

4 生產(chǎn)實踐

在完成裝箱機控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設計和軟件系統(tǒng)開發(fā)后，需要通過生產(chǎn)實踐來驗證整個控制系統(tǒng)的正確性、合理性與穩(wěn)定性。圖6是裝箱機運用到生產(chǎn)線上時的情況。高速裝箱機經(jīng)過6個多月的實踐運行，控制系統(tǒng)運行狀況良好，以前常常出現(xiàn)的因控制系統(tǒng)不穩(wěn)定造成的突然停機和機器飛車的狀況，如今幾乎沒有出現(xiàn)，完全滿足了實際生產(chǎn)需求，受到應用廠家的一致好評。

[1] Meng Fei, Zhang Haiou, Wang Guilan. Application of industrial robot in rapid prototype manufacturing technology [J]. 2010 2nd International Conference on Industrial Mechatronics and Automation. May 30-31, 2010 , Wuhan, China.

[2] 張良安. 高速軟袋裝箱一體機的設計及其關鍵技術[D].天津:天津大學,2007:17-30.

[3] Zhang Liangan, Mei Jiangping, Zhao Xueman, et al. Layout Analysis and Path Planning of a Robot Palletizing Production Line[J]. Proceedings of the IEEE International Conference on Automation and Logistics. September 1-3, 2008, Qingdao, China.

[4] 劉相權，贠超，張志強，等.基于PMAC運動控制卡的混聯(lián)碼垛機器人研制[J].機械設計，2009，26(5)：49-52.

[5] 崔潤記，張君峰，等. 西門子新型運動控制器 SIMOTION D435在全鋼工程胎成型機上的應用[J].微機應用與自動控制,2007(33):49-54.

[6] 王攀峰,梅江平,黃田.高速并聯(lián)機械手抓放操作時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃[J].天津大學學報,2007,40(10):1139- 1145.

[7] 凌貿易. 裝箱一體機系統(tǒng)方案設計及其控制系統(tǒng)開發(fā)[D].天津:天津大學, 2010:28-53.

[8] 王禮. 西門子SIMOTION D在高速紙箱包裝機上的應用[J].變頻器的世界,2006(12):87-94.

[9] 張立群,李鐵才,萬筱劍. SIMOTION.D在銅箔后處理生產(chǎn)線上的應用[J].制造業(yè)自動化，2008，30(6)：47-50.