基于S7-1200PLC的分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

1 引言

隨著科技和生產(chǎn)制造業(yè)的發(fā)展，自動(dòng)分揀系統(tǒng)成為生產(chǎn)線上的主流。各式各樣的機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)、物流分揀等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越多，這就對(duì)分揀技術(shù)提出了較高的要求，高度自動(dòng)化已成為自動(dòng)分揀系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。

自動(dòng)分揀系統(tǒng)主要是為了滿足不同的分揀需求而產(chǎn)生，不同的分揀需求就產(chǎn)生了不同的分揀依據(jù)。其中，常見的記錄與追溯信息的電子標(biāo)簽有RFID、條形碼和二維碼[2]。本項(xiàng)目運(yùn)用的是RFID技術(shù)，又稱無線射頻識(shí)別，該技術(shù)有讀取方便快捷、安全性好、數(shù)據(jù)容量大和穿透性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。最大的優(yōu)點(diǎn)就是非接觸識(shí)別，它能在各種惡劣的環(huán)境下以不到100 ms的速度閱讀標(biāo)簽，是一項(xiàng)易于操控，簡(jiǎn)單實(shí)用的靈活性應(yīng)用技術(shù)[3]。

自動(dòng)分揀系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)也是其中很重要的部分。本項(xiàng)目采用工業(yè)機(jī)器人對(duì)物料進(jìn)行分揀，由PLC控制器構(gòu)成控制系統(tǒng)。我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于上世紀(jì)1970年初期，它最顯著的特點(diǎn)有以下幾個(gè)[4]：可編程、擬人化、通用性、精密化和智能化。而PLC則具有可靠性高、易安裝、體積小、靈活性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)量的邏輯控制、模擬量控制、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理等多種功能。PLC還能夠和HMI（Human Machine Interface，人機(jī)交互）進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)一目了然。

本項(xiàng)目以PLC為控制核心，最終實(shí)現(xiàn)了可按照物料顏色和編碼進(jìn)行分類的分揀系統(tǒng)，同時(shí)能在觸摸屏上清晰的看到運(yùn)行狀態(tài)并可以控制RFID讀寫。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目包含硬件系統(tǒng)分析和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分。硬件系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備的部分硬件設(shè)備構(gòu)成，需要進(jìn)行機(jī)械分析和電氣分析，并繪制所需電氣原理圖，為后續(xù)的軟件設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是以PLC控制器為核心，編程實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目需求。根據(jù)項(xiàng)目需求，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

3 硬件系統(tǒng)分析

本次設(shè)計(jì)用到了實(shí)驗(yàn)室的多功能工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，是基于其中的平面碼垛模塊、視覺檢測(cè)模塊、光源控制器、配電盤、出料裝置、變頻輸送機(jī)、觸摸屏等來編程實(shí)現(xiàn)的。

3.1 出庫及傳送系統(tǒng)

出庫及傳送系統(tǒng)中包括出料裝置和傳送裝置。出料裝置左側(cè)是氣缸，由兩位四通電磁閥控制，采用擊打方式使物料出庫。氣缸上方有一個(gè)氣缸伸出到位傳感器和一個(gè)氣缸縮回到位傳感器，用以判斷氣缸的運(yùn)行狀態(tài)。出料裝置右側(cè)是出料筒，它的下方有一個(gè)對(duì)射傳感器，用來檢測(cè)料筒中是否有料。

傳送裝置中應(yīng)用的是較為簡(jiǎn)單方便的皮帶傳送方式，它和三相異步電動(dòng)機(jī)通過同步帶連接。其中，三相異步電動(dòng)機(jī)由變頻器控制，從而控制皮帶運(yùn)動(dòng)。傳送裝置邊緣安有三個(gè)傳感器，分別是視覺系統(tǒng)位置檢測(cè)傳感器、RFID位置檢測(cè)傳感器以及抓取位置傳感器，用來檢測(cè)物料到達(dá)的位置，實(shí)現(xiàn)下一步控制。出庫及傳送系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 出庫及傳送系統(tǒng)

3.2 RFID模塊及視覺識(shí)別模塊

RFID模塊由通信模塊、標(biāo)簽塊、RFID讀寫器、天線組成[5]。其中，通信模塊采用的是西門子RF 120C，是用于系統(tǒng)集成的接口模塊，RFID通過這個(gè)模塊與PLC進(jìn)行串口通信。標(biāo)簽塊用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而天線則在標(biāo)簽塊和讀寫器間傳遞射頻信號(hào)[6]。讀寫器是與通信模塊配套的RF 260R，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入和讀出。RFID模塊如圖3所示。

圖3 RFID模塊

視覺識(shí)別模塊分為攝像頭和視覺光源兩部分，視覺光源由光源控制器控制，可調(diào)節(jié)光源的亮度和開關(guān)。攝像頭采用的是康耐視BWR96-90-W，由實(shí)訓(xùn)平臺(tái)自帶的電腦控制，攝像頭和電腦通過以太網(wǎng)連接，采集物料自身特性。視覺系統(tǒng)與PLC通過I/O連接，把識(shí)別結(jié)果傳入PLC。視覺檢測(cè)模塊如圖4所示。

圖4 視覺檢測(cè)模塊

3.3 機(jī)器人系統(tǒng)

本系統(tǒng)用到的是ABB六軸工業(yè)機(jī)器人IRB120，僅重25 kg，工作范圍達(dá)580 mm[7]。機(jī)器人與PLC進(jìn)行I/O通信，可編程實(shí)現(xiàn)抓取物料到相應(yīng)位置，完成分揀功能，具有低投資、高產(chǎn)出優(yōu)勢(shì)。其末端執(zhí)行器出還配備了各種各樣的工具，有手爪工具、真空吸盤工具、噴槍工具、激光筆工具以及模擬拋光工具，在本項(xiàng)目中只用到了真空吸盤工具用以吸取物料。機(jī)器人如圖5所示。

圖5 機(jī)器人

3.4 PLC控制器與HMI

分揀系統(tǒng)有繼電器控制、計(jì)算機(jī)控制和可編程序控制器（PLC）控制等控制方式[8]。由于PLC具有可靠性高、易操作、靈活性好等特點(diǎn)，所以本系統(tǒng)選用西門子S7-1200PLC作為控制模塊。西門子S7-1200是一款緊湊型、模塊化的PLC，可完成簡(jiǎn)單邏輯控制、高級(jí)邏輯控制、HMI和網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)[9]。該P(yáng)LC的CPU型號(hào)為CPU 1214C DC/DC/DC源型，其本體有16路數(shù)字量輸入/輸出，模擬量I/O端口，高速脈沖輸入/輸出引腳，集成的PROFINET接口等。CPU右側(cè)可擴(kuò)展8個(gè)信號(hào)模塊，其左側(cè)可連接多達(dá)3個(gè)通信模塊。系統(tǒng)中的CPU擴(kuò)展了兩個(gè)SM1223 DC/DC輸入/輸出模塊和一個(gè)SM1221 DC輸入/輸出模塊，由于需要用到RFID的讀寫功能，又在其左側(cè)連接了RF 120C通信模塊。

人機(jī)交互終端中，使用的是西門子12英寸HMI觸摸屏，其型號(hào)為KTP1200 Basic PN。人機(jī)界面是一種智能化操作控制顯示裝置[10]。主要是以面向的對(duì)象為設(shè)計(jì)原則，即按照操作人員的工作性質(zhì)設(shè)計(jì)與之相適應(yīng)和友好的人機(jī)界面[11]，根據(jù)其工作需求引導(dǎo)和幫助操作人員實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和管理現(xiàn)場(chǎng)。這款觸摸屏和PLC配套使用，通過以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)視和控制。PLC控制器及HMI觸摸屏如圖6所示。

圖6 PLC控制器及HMI觸摸屏

4 電氣原理圖分析

由于本次設(shè)計(jì)只用到了實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中的部分模塊，所以只繪制了和本次設(shè)計(jì)相關(guān)的部分元件與PLC的控制關(guān)系原理圖，以及機(jī)器人的控制關(guān)系原理圖。PLC及其擴(kuò)展模塊電氣原理圖如圖7所示，機(jī)器人控制關(guān)系原理圖如圖8所示。

在圖7中，繪制了PLC及其擴(kuò)展模塊的電氣原理圖，在PLC控制器中應(yīng)用到出庫及傳送系統(tǒng)中的部分輸入/輸出端口和限位傳感器，在擴(kuò)展模塊中有視覺系統(tǒng)和機(jī)器人的I/O接口及位置傳感器。

在圖8中，繪制了機(jī)器人與PLC的信息交流，機(jī)器人根據(jù)PLC的信號(hào)執(zhí)行程序，再返回信號(hào)給PLC。在快換機(jī)構(gòu)中，機(jī)器人只用到了吸盤作為末端執(zhí)行器。

圖8 機(jī)器人控制關(guān)系原理圖

5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分分為PLC程序設(shè)計(jì)、HMI界面設(shè)計(jì)、機(jī)器人程序設(shè)計(jì)及視覺系統(tǒng)預(yù)處理四部分。PLC程序主要完成對(duì)傳送帶、氣缸、傳感器、機(jī)器人、視覺系統(tǒng)、RFID讀寫模塊和HMI的基本控制與信息交流。HMI通過與PLC進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)分揀系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。機(jī)器人程序需要接收PLC控制器傳送的協(xié)調(diào)信號(hào)，完成預(yù)定搬運(yùn)和分揀動(dòng)作。視覺預(yù)處理需要完成在相應(yīng)的軟件上對(duì)物料顏色進(jìn)行記錄，才能實(shí)現(xiàn)后續(xù)的視覺識(shí)別。系統(tǒng)工作流程圖如圖9所示，第一部分完成對(duì)物料的預(yù)處理，為后續(xù)分揀提供依據(jù)，第二部分對(duì)物料進(jìn)行分揀。

圖9 系統(tǒng)工作流程圖

5.1 硬件組態(tài)

本次設(shè)計(jì)使用的是與西門子S7-1200搭配的博圖V15 Professional版本對(duì)整個(gè)PLC程序進(jìn)行編程，它還包含了HMI編程組件，所以HMI界面設(shè)計(jì)也能在上面完成，滿足了本項(xiàng)目的編程需求。

首先對(duì)PLC進(jìn)行硬件組態(tài)，設(shè)定各個(gè)模塊的I/O地址，避免編程沖突。PLC主控制器的輸入地址范圍設(shè)定為I0.0～I(xiàn)1.7，輸出地址范圍設(shè)定為Q0.0～Q1.7，其余擴(kuò)展模塊地址范圍依次增加，順序排列，方便編程。RFID通信模塊端口類型為字，其地址為IW7和QW7，不能與其他端口沖突，保證讀寫功能正常使用。組態(tài)完成后，點(diǎn)擊下載，看是否報(bào)錯(cuò)，如果沒有報(bào)錯(cuò)，再進(jìn)行后續(xù)編程。PLC硬件組態(tài)如圖10所示。

PLC硬件組態(tài)完成后，還需要把HMI的硬件模塊與PLC進(jìn)行通信連接，PLC與HMI的通信連接如圖11所示。

圖10 PLC硬件組態(tài)

圖11 PLC與HMI通信連接

5.2 PLC程序設(shè)計(jì)

根據(jù)本次設(shè)計(jì)所要完成的功能，選用了部分需要用到的引腳，PLC輸入/輸出分配表如表1所示。

表1 PLC I/O分配表

根據(jù)PLC輸入輸出分配表編寫程序，實(shí)現(xiàn)PLC控制傳送帶擊打出物料，接著視覺系統(tǒng)及RFID讀寫模塊識(shí)別出物料顏色和編碼，再給機(jī)器人和HMI界面反饋信息的功能。

5.3 機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人具有可編程的特點(diǎn)，其編程方法有示教編程和離線編程兩種[12]。離線編程法是利用圖形處理工具建立幾何模型，通過一些規(guī)劃算法來獲取工作軌跡，示教編程法可通過示教盒示教和導(dǎo)引式示教兩種途徑實(shí)現(xiàn)[13]。由于本次設(shè)計(jì)用到的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中有機(jī)器人示教盒，所以直接采用示教編程的方法控制機(jī)器人。機(jī)器人輸入/輸出分配表如表2所示。示教點(diǎn)位表如表3所示。白色物料放置位和紅色物料放置位分別在藍(lán)色物料放置位向左偏移80 mm和160 mm處，如圖12所示。

圖12 物料放置位

表2 機(jī)器人輸入/輸出分配表

表3 機(jī)器人示教點(diǎn)位表

當(dāng)傳感器檢測(cè)到物料到達(dá)指定位置，機(jī)器人控制程序開始運(yùn)行。機(jī)器人接收到PLC的抓取信號(hào)時(shí)，抓取物料。先從初始位置運(yùn)動(dòng)到抓取等待位，再向下運(yùn)動(dòng)到抓取位。機(jī)器人到位，吸盤開始抽真空，吸住物料抓取到等待位處，結(jié)合PLC反饋的信息判斷應(yīng)該把物料放到什么位置。移動(dòng)到指定位置，吸盤噴出氣體把物料放下。放置完成，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到物料放置等待位，給PLC反饋信號(hào)，出料筒馬上又擊打出物料，機(jī)器人程序開始循環(huán)運(yùn)行，直至料筒中沒有物料。

5.4 HMI界面設(shè)計(jì)

HMI界面中包括系統(tǒng)狀態(tài)顯示、RFID模塊與傳輸帶監(jiān)視、物料顏色計(jì)數(shù)三個(gè)區(qū)域。系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)域顯示此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)和料倉內(nèi)是否有料。RFID模塊與傳輸帶監(jiān)視區(qū)域包括對(duì)物料標(biāo)簽內(nèi)容的寫入和讀出控制，顯示此時(shí)讀出的物料內(nèi)容以及傳輸帶的運(yùn)行狀態(tài)，在此次設(shè)計(jì)中給物料添加的電子標(biāo)簽是數(shù)字。物料計(jì)數(shù)區(qū)域是對(duì)紅、藍(lán)、白三種顏色個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)。人機(jī)交互本質(zhì)是用戶和含有計(jì)算機(jī)的機(jī)器之間的雙向通信[14]。觸摸屏與PLC之間使用以太網(wǎng)進(jìn)行通信，能夠保證實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸[15]，方便對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。HMI觸摸屏界面如圖13所示。

圖13 HMI觸摸屏界面

5.5 視覺預(yù)處理

視覺預(yù)處理在In-Sight瀏覽器軟件中編輯完成，該軟件由康耐視公司提供，搭配該公司的攝像頭使用，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)物料顏色的訓(xùn)練、錄入和識(shí)別。同時(shí)，能和西門子S7-1200系列PLC通訊，反饋顏色信息給PLC，實(shí)現(xiàn)后續(xù)分揀。

6 系統(tǒng)驗(yàn)證

首先按下啟動(dòng)按鈕，打開RF讀寫控制模塊，此時(shí)RFID寫入數(shù)據(jù)模式開啟。檢測(cè)到物料在桶內(nèi)，氣缸擊打出物料，傳送帶開始運(yùn)行。當(dāng)視覺位置傳感器檢測(cè)到物料后，識(shí)別出物料顏色，物料到達(dá)RFID下方，給不同顏色的物料寫入想要的數(shù)據(jù)。給料筒中的每個(gè)物料寫入數(shù)據(jù)后即可停止系統(tǒng)運(yùn)行，按下復(fù)位按鈕，把物料放入料筒中，開始物料分揀。如下圖14所示。

圖14 物料顏色與RFID數(shù)據(jù)寫入

再次按下啟動(dòng)按鈕，啟動(dòng)分揀系統(tǒng)，關(guān)閉RF模塊讀寫控制模塊，此時(shí)RFID讀出模式開啟。視覺系統(tǒng)識(shí)別出物料顏色，RFID模塊讀出相應(yīng)的顏色數(shù)據(jù)，在觸摸屏上顯示出來，同時(shí)顯示出記錄的每個(gè)顏色物料的個(gè)數(shù)。當(dāng)抓取位置傳感器檢測(cè)到物料后，給PLC反饋信號(hào)，PLC給機(jī)器人發(fā)送抓取命令，機(jī)器人開始按照程序完成分揀工作。每個(gè)物料分揀完后，傳回一個(gè)完成信號(hào)給PLC，料筒中再擊打出下一個(gè)物料，直至分揀完成。HMI觸摸屏?xí)r刻與PLC保持通信，監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。如圖15所示。最終實(shí)現(xiàn)了以PLC為控制核心，可按照物料顏色和編碼進(jìn)行分類的分揀系統(tǒng)，同時(shí)能在觸摸屏上清晰的看到運(yùn)行狀態(tài)并可以控制RFID讀寫。

圖15 物料分揀

7 結(jié)論

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的主要是物料在加工前操作人員能查看或編輯后續(xù)加工步驟，由不同的信息組合，分揀到不同的加工庫中，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品加工的一個(gè)分揀系統(tǒng)。它的優(yōu)點(diǎn)是能在加工前查看和修改加工信息，分配到各個(gè)加工庫中，缺點(diǎn)是還沒實(shí)現(xiàn)在加工過程中修改后續(xù)信息，希望在后續(xù)有所改進(jìn)。該系統(tǒng)能很好的運(yùn)用于生產(chǎn)加工或者物流分揀中，有很強(qiáng)的實(shí)用意義。