基于PLC和嵌入式技術(shù)的智能物料搬運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 靖，周 瑜，莊文密，吳嘯波，許興淼

WANG Jing,ZHOU Yu,ZHUANG Wen-mi,WU Xiao-bo,XU Xing-miao

（江蘇科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，張家港 215600）

0 引言

隨著國內(nèi)物流業(yè)以及制造業(yè)的不斷發(fā)展，物料以及貨品的運(yùn)輸量也在急劇增長，并且對(duì)于智能化的要求也越來越高。傳統(tǒng)的人工分揀與搬運(yùn)模式已不能滿足新形勢(shì)的要求，因此更加高效智能的貨品搬運(yùn)處理方式逐漸成為了一個(gè)主流的研究方向[1]。利用先進(jìn)的控制方式以及智能化的處理方案，可以在物流搬運(yùn)這一環(huán)節(jié)進(jìn)行突破與創(chuàng)新。

其中，以PLC為核心的控制系統(tǒng)憑借其穩(wěn)定性以及其對(duì)各種現(xiàn)場(chǎng)的適應(yīng)程度而被廣泛使用，并且以嵌入式技術(shù)為核心的智能系統(tǒng)可以對(duì)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)信息進(jìn)行處理，比如圖像識(shí)別、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、云端處理等。本文希望通過PLC與嵌入式技術(shù)的結(jié)合，保證搬運(yùn)系統(tǒng)的承載能力與穩(wěn)定性的同時(shí)，加入智能化功能，使得系統(tǒng)更加人性化并且符合技術(shù)發(fā)展的潮流。

1 總體方案設(shè)計(jì)

智能物料搬運(yùn)系統(tǒng)主要由硬件部分的多維搬運(yùn)平臺(tái)以及控制部分的西門子S7-200 PLC和負(fù)責(zé)進(jìn)行信息智能化處理的STM32嵌入式系統(tǒng)組成，總體框圖如圖1所示。通過PLC作為搬運(yùn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的主控制器，設(shè)有自動(dòng)、手動(dòng)、調(diào)試三個(gè)模式以適應(yīng)用戶不同需求[2]。在手動(dòng)模式下，搬運(yùn)平臺(tái)在步進(jìn)電機(jī)、絲桿以及電推桿等裝置的驅(qū)動(dòng)下根據(jù)用戶按鈕指令進(jìn)行前后滑動(dòng)、左右平移以及上下升降等工作；在自動(dòng)模式下，STM32通過外接攝像頭對(duì)貨物信息進(jìn)行圖像提取與二值化處理后根據(jù)對(duì)不同特征值的判斷反饋不同信號(hào)給PLC從而驅(qū)動(dòng)搬運(yùn)平臺(tái)到達(dá)對(duì)應(yīng)位置、自動(dòng)進(jìn)行物料的收取；調(diào)試模式下，用戶可逐一測(cè)試步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、電動(dòng)推桿以及相關(guān)傳感器的工作狀態(tài)，方便維護(hù)。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)中，以西門子S7-200 PLC作為控制器，主要實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制，搬運(yùn)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。在X軸方向采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿以可設(shè)定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行滑動(dòng)，行程為2米；在Y軸方向通過直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)配合齒輪與齒條的嚙合實(shí)現(xiàn)左右雙向的伸縮，以進(jìn)行兩側(cè)物料的取放；在Z軸方向上通過電動(dòng)推桿以及氣彈簧的支撐實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的上升與下降[3]，以進(jìn)行不同目標(biāo)高度的物料的取放。同時(shí)，用于進(jìn)行物料信息圖像識(shí)別的攝像頭固定在來料位置，通過STM32F103VET6處理器進(jìn)行不同物料的特征值提取與處理。

圖2 搬運(yùn)平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 控制器選型及I/O地址分配

本文設(shè)計(jì)選用西門子S7-200-224XP PLC，該機(jī)自帶兩個(gè)高速脈沖輸出口，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)中多段速控制步進(jìn)電機(jī)的電氣需求。此外，該型號(hào)PLC自帶10點(diǎn)I/O信號(hào)輸出、14點(diǎn)輸入。根據(jù)系統(tǒng)控制要求，共需要X個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)、Y個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)以及Z個(gè)高速脈沖輸出點(diǎn)，具體輸入輸出分配如表1所示。

表1 輸入輸出分配表

2.2 步進(jìn)電機(jī)及滾珠絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

采用時(shí)代超群57系列帶編碼器全閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)，帶有1000P的編碼器實(shí)現(xiàn)全面閉環(huán)來防止丟步。同時(shí)，運(yùn)行過程中可實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩4N.M，最高轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)。經(jīng)過研究對(duì)比，該電機(jī)采用了基于反饋編碼器的空間矢量電流控制算法和矢量平滑濾波技術(shù)，對(duì)困擾傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的低頻共振有很好的抵制作用。

滾珠絲桿主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。機(jī)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，通過聯(lián)軸器連接步進(jìn)電機(jī)與絲桿，PLC脈沖輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)以不同速度轉(zhuǎn)動(dòng)后絲桿將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)搬運(yùn)平臺(tái)的前后滑動(dòng)。此外，對(duì)于平臺(tái)行進(jìn)的速度可由按鈕信號(hào)或者觸摸屏給定信號(hào)進(jìn)行多段速調(diào)節(jié)。

圖3 滾珠絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.3 直流電機(jī)及齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

采用24V/30W直流減速電機(jī)配合齒輪與齒條的嚙合來推動(dòng)搬運(yùn)平臺(tái)中的左右伸縮平板的運(yùn)動(dòng)。電機(jī)可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，最大轉(zhuǎn)速為50r/min，并且通過正反向的控制即可實(shí)現(xiàn)雙向的伸縮，擴(kuò)大搬運(yùn)的范圍。此結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，關(guān)鍵在于加裝在電機(jī)上的金屬齒輪與固定在平板下方的齒條的相對(duì)運(yùn)動(dòng)大大簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的雙向伸縮的機(jī)械裝置。

圖4 電機(jī)及齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.4 電動(dòng)推桿及氣彈簧升降機(jī)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求并結(jié)合對(duì)目前市場(chǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀的調(diào)研，搬運(yùn)系統(tǒng)沒有采用傳統(tǒng)的氣缸推動(dòng)方式，而是采用電動(dòng)推桿進(jìn)行上下推動(dòng)、氣彈簧負(fù)責(zé)提供支撐的方式實(shí)現(xiàn)了搬運(yùn)平臺(tái)的升降，機(jī)械機(jī)構(gòu)如圖5所示。由于電動(dòng)推桿只需提供24V直流電源以及氣彈簧無需外界能源支持，在硬件系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單有效，減去了傳統(tǒng)搬運(yùn)機(jī)器人或者機(jī)械手所依靠的氣壓來源，從使整個(gè)系統(tǒng)僅有電路而不需要?dú)饴返拇嬖冢踩砸哺?。并且，通過PLC程序控制可完成不同高度的升降，實(shí)現(xiàn)了上多個(gè)不同高度位置的取貨放貨，在垂直空間上擴(kuò)大搬運(yùn)范圍。

圖5 電動(dòng)推桿及氣彈簧升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖6所示，具體如下：

圖6 系統(tǒng)工作流程圖

3.2 PLC關(guān)鍵子程序設(shè)計(jì)

3.2.1 可調(diào)節(jié)脈沖輸出子程序設(shè)計(jì)

本文所選用的西門子S7-200 PLC自身帶有兩路PTO/PWM高速脈沖發(fā)生器，這使得PLC能夠以最高100KHz的頻率產(chǎn)生一個(gè)高速脈沖串（PTO）以及一個(gè)脈寬調(diào)制波形（PWM）。并且，當(dāng)兩路高速脈沖發(fā)生器使能后[8]，PLC的數(shù)字量輸出過程印象區(qū)的Q0.0和Q0.1輸出波形。采用運(yùn)動(dòng)控制庫指令來控制高速脈沖輸出以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，從而帶動(dòng)搬運(yùn)平臺(tái)在X軸方向上的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)控制庫函數(shù)功能表如表2所示。

表2 運(yùn)動(dòng)控制庫函數(shù)功能表

通過上表可知，在程序設(shè)計(jì)中需根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力在啟動(dòng)和停止時(shí)給定合適的速度，防止出現(xiàn)電機(jī)的抖動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)初始化程序梯形圖如圖7所示。

圖7 步進(jìn)電機(jī)初始化程序梯形圖

3.2.2 多高度升降子程序設(shè)計(jì)

在垂直方向上，電動(dòng)推桿的行程可根據(jù)實(shí)際需求選用不同行程產(chǎn)品，通過程序設(shè)計(jì)可以將電動(dòng)推桿單一的上升下降運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成多高度的運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過測(cè)試，電動(dòng)推桿的運(yùn)動(dòng)是勻速的故可以通過定時(shí)器的配合，控制推桿每段上升或下降的距離，并且還可以實(shí)現(xiàn)距離的靈活調(diào)節(jié)，平臺(tái)可到達(dá)行程內(nèi)的任意高度，多高度升降子程序梯形圖如圖8所示。如此一來，搬運(yùn)平臺(tái)在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)形式更加多樣[4]，有利于用戶對(duì)不同形狀大小產(chǎn)品的收放。

圖8 多高度升降子程序梯形圖

3.2.3 雙向收放運(yùn)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

在搬運(yùn)平臺(tái)的左右伸縮進(jìn)行貨物的收放工作時(shí)，通過程序控制兩個(gè)繼電器的觸點(diǎn)得電與否來實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，并且在兩端設(shè)有接近開關(guān)，防止轉(zhuǎn)動(dòng)距離過大使得齒輪與齒條的連接脫落。

3.3 STM32嵌入式程序設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)通過攝像頭采集畫面，對(duì)每一個(gè)待收取物料的標(biāo)簽進(jìn)行特征提取與識(shí)別從而控制搬運(yùn)平臺(tái)準(zhǔn)確的將貨物放置于指定位置，而不是簡(jiǎn)單的順序放置與搬運(yùn)。采用OV7725攝像頭進(jìn)行圖像的采集，并由STM32F103VET6處理器進(jìn)行圖像的處理工作?？紤]到應(yīng)用環(huán)境的多樣，攝像頭畫面容易受光照等因素的影響[5]，所以直接采用原始畫面進(jìn)行處理的難度較大并且準(zhǔn)確率不高。因此，通過迭代閾值法對(duì)RGB565格式的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理。

首先，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行移位等操作對(duì)RGB三色分量值進(jìn)行單獨(dú)提??；然后，去除干擾使畫面轉(zhuǎn)為黑白二值圖像，并且通過串口調(diào)試得黑色對(duì)應(yīng)值為0，白色對(duì)應(yīng)值為255。得到二值化圖像后可以更加有效的提取貨物標(biāo)簽上的特征值，設(shè)計(jì)通過邊緣檢測(cè)法[6]，提取不同形狀的特征值實(shí)現(xiàn)對(duì)于多種形狀如正方形、三角形的識(shí)別與判斷并通過設(shè)定引腳高低電平信號(hào)的變化將貨物信息回傳給PLC控制搬運(yùn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。原始畫面與程序處理后畫面對(duì)比如圖9所示。

圖9 圖像處理效果對(duì)比

4 結(jié)語

針對(duì)于當(dāng)前制造業(yè)以及物流行業(yè)對(duì)物料智能化搬運(yùn)的需求日益增長的現(xiàn)狀，通過PLC技術(shù)與嵌入式技術(shù)的相互協(xié)作，在承載能力大、運(yùn)行穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的基礎(chǔ)上加入了智能化處理方式，加入了圖像處理、人機(jī)交互等功能，解決了傳統(tǒng)搬運(yùn)機(jī)器人中控制方式較為單一，多依賴于傳感開關(guān)等問題。同時(shí)，搬運(yùn)平臺(tái)的創(chuàng)新型設(shè)計(jì)大大擴(kuò)大了工作區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了多維度多方向的搬運(yùn)與傳送，提高了空間利用率。該系統(tǒng)具有較高的自動(dòng)化水平、人機(jī)交互界面友好、智能化水平得到提高，可適用于多種不同的應(yīng)用環(huán)境與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，有著良好的市場(chǎng)前景。