基于組態(tài)王和PLC的自動掃碼監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

王祥傲 錢夢圓 張可可 武浩澤

(滁州學(xué)院 安徽 滁州 239000)

引言

1913年福特汽車公司建立了世界上第一條汽車生產(chǎn)流水線，流水作業(yè)方式以其生產(chǎn)連續(xù)、效率高的優(yōu)點，在工業(yè)領(lǐng)域得到迅速推廣和應(yīng)用，至今仍是工業(yè)企業(yè)最重要的生產(chǎn)組織方式。然而，傳統(tǒng)的流水線生產(chǎn)以工人和機器設(shè)備的緊密配合為前提，勞動強度高，人為因素造成的質(zhì)量缺陷或統(tǒng)計失誤不可避免。為了進一步提高生產(chǎn)效率，降低人工成本，提升產(chǎn)品的市場競爭力，主要工業(yè)強國相繼提出了制造業(yè)升級戰(zhàn)略，如德國工業(yè)4.0、中國智能制造2025。

針對傳統(tǒng)生產(chǎn)線在生產(chǎn)過程中產(chǎn)品信息讀取、存儲、追溯不便的問題[1]，本文設(shè)計了由PLC和組態(tài)王軟件組成的掃碼監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r采集每件商品的條碼信息，通過串行通信發(fā)送至上位機監(jiān)控軟件，實現(xiàn)條碼信息的實時顯示和存儲、查詢功能[2][4]。

1 掃碼監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

掃碼監(jiān)控系統(tǒng)用于圖1所示的連續(xù)加工生產(chǎn)線。生產(chǎn)線的主要組成包括：兩級傳送帶、兩臺傳送帶驅(qū)動電機、擋料氣缸、兩只紅外檢測傳感器和DM60L讀碼器。生產(chǎn)線啟動后，托盤載運物料隨著傳送帶向前運行至擋料氣缸處，紅外傳感器分別從托盤底部和傳送帶側(cè)面檢測到托盤、物料，并將檢測結(jié)果發(fā)送給控制器。此時，傳送帶停止運行，由控制器觸發(fā)讀碼器工作，讀取物料表面粘貼的條形碼信息。當(dāng)成功讀取條形碼信息后，讀碼器向控制器發(fā)送讀碼成功信號，控制器接收到讀碼器的反饋信號后，驅(qū)動電機1、伸縮式擋料氣缸和電機2動作，將托盤經(jīng)第二級傳送帶輸送至下一工作站點。

圖1 生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)示意圖

圖2所示為掃碼監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。監(jiān)控系統(tǒng)以西門子S7-200 PLC系列的CPU224 XP為控制器，與上位機和康耐視DM60L讀碼器進行串行通信。PLC與上位機組態(tài)王軟件之間采用PPI通信協(xié)議，DM60L與PLC之間采用自由口通信協(xié)議[5][6]。

圖2 掃碼監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

PLC是掃碼監(jiān)控系統(tǒng)的核心，承擔(dān)數(shù)據(jù)傳遞、現(xiàn)場控制的任務(wù)。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計功能，掃碼監(jiān)控系統(tǒng)共有6個數(shù)字量輸入和4個數(shù)字量輸出，I/O分配如表1所示。

表1 I/O分配表

根據(jù)I/O分配表設(shè)計PLC端子接線圖如圖3所示。

圖3 PLC端子接線圖

利用PLC本體自帶的24V傳感器電源為紅外檢測傳感器、讀碼器提供工作電源。CPU224 XP集成了2個RS-485通信口，即PORT 0和PORT 1，其中PORT 0口與上位機通過USB/PPI電纜連接，PORT 1口與讀碼器連接。由于DM60L讀碼器提供的是RS-232通信接口，因此采用PC/PPI電纜連接讀碼器和PORT 1口。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PLC控制程序設(shè)計

PLC接收用戶通過按鈕或上位機發(fā)出的控制指令，啟動或停止系統(tǒng)的運行。圖4為監(jiān)控系統(tǒng)的PLC程序流程圖。

圖4 PLC控制程序流程圖

PLC上電運行后，首先需手動發(fā)出復(fù)位指令，啟動傳送電機1和擋料氣缸，將第一級傳送帶上可能滯留的托盤清空，2s后復(fù)位結(jié)束，傳送電機1停止運行、擋料氣缸復(fù)位。然后按下啟動按鈕，傳送電機1運行，第一級傳送帶將托盤輸送至擋料氣缸位置，紅外傳感器檢測到托盤和物料后，PLC向讀碼器發(fā)出觸發(fā)信號，開始讀取物料表面粘貼的條形碼。如果讀碼器成功讀出條碼數(shù)據(jù)，則將條碼信息經(jīng)PORT 1口發(fā)送給PLC，并通過I1.0口反饋讀碼成功，PLC接收到讀碼器的反饋信號后，關(guān)閉讀碼器，并啟動傳送電機1和擋料氣缸，將物料輸送至第二級傳送帶，2s后復(fù)位擋料氣缸，同時啟動傳送電機2運行10s，物料經(jīng)第二級傳送帶輸送至下一級工段。如果傳感器僅檢測到托盤，則不觸發(fā)讀碼器，直接將空托盤輸送至下一級工段；當(dāng)觸發(fā)讀碼器后，若10s內(nèi)無法讀取條碼數(shù)據(jù)，則默認(rèn)該物料沒有正確粘貼條形碼，PLC發(fā)出停止指令，并觸發(fā)報警信號，等待用戶人工處理。

3.2 PLC與讀碼器的串行通信程序設(shè)計

PLC與DM60L讀碼器之間的串行通信是監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，是上位機實時監(jiān)控、儲存及查詢物料信息的前提。本文采用自由口通信模式，通信參數(shù)為：波特率9600、無校驗、8位字符。DM60L的串行通信參數(shù)通過康耐視讀碼器專用軟件“DataMan”設(shè)置，如圖5所示。

圖5 DM60L串行通信參數(shù)設(shè)置

CPU224 XP的PORT1口自由口通信設(shè)置如圖6所示。

圖6 CPU224 XP自由口通信設(shè)置

續(xù)圖6 CPU224 XP自由口通信設(shè)置

PLC上電運行的首個掃描周期，設(shè)置PORT1口的通信參數(shù)，向SMB130寫入16#09，設(shè)置為與DM60L相同的串行通信參數(shù)，并設(shè)置空閑等待時間為5ms，等待時間結(jié)束后開始接收數(shù)據(jù)，接收字符的最大長度為100字節(jié)，接收的字符保存在VB200開始的連續(xù)100個字節(jié)存儲單元中；使能接收信息完成中斷24，連接到中斷0，開始接收讀碼器發(fā)送的信息。

3.3 組態(tài)王監(jiān)控畫面設(shè)計

上位機監(jiān)控軟件采用組態(tài)王6.55編輯，首先設(shè)置PLC與組態(tài)王的通信，采用PPI通信協(xié)議經(jīng)USB/PPI線纜連接；然后在組態(tài)王的數(shù)據(jù)詞典中定義變量，方便讀寫PLC的I/O及內(nèi)存變量，如圖7所示。

圖7 組態(tài)王變量定義

最后設(shè)計監(jiān)控畫面，監(jiān)控軟件包括主監(jiān)控畫面、實時數(shù)據(jù)報表畫面和報表查詢畫面。主監(jiān)控畫面實時顯示現(xiàn)場設(shè)備的運行情況，用戶可以通過該畫面設(shè)置的運行控制按鈕遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場的啟動、停止，也可以通過畫面切花按鈕進入實時報表畫面或報表查詢畫面。

4 掃碼監(jiān)控系統(tǒng)的運行調(diào)試

掃碼監(jiān)控系統(tǒng)的試驗測試裝置如圖8所示，包括上位機、CPU224XP、DM60L、檢測傳感器、伸縮氣缸以及傳送帶。

圖8 掃碼監(jiān)控系統(tǒng)試驗測試裝置

試驗測試結(jié)果表明，上位機可以遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)，能夠?qū)崟r讀取條碼信息并存儲。圖9為運行時的上位機主監(jiān)控畫面效果，通過監(jiān)控畫面可以實時設(shè)備狀態(tài)、當(dāng)前讀取的條碼信息以及讀碼數(shù)量。

圖9 上位機主監(jiān)控畫面運行效果圖

圖10、圖11分別為實時數(shù)據(jù)報表畫面和數(shù)據(jù)報表查詢畫面的實測運行效果。實測結(jié)果表明，本設(shè)計的掃碼監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)報表的生成，并可以將階段性報表保存在上位機中，供后期查詢使用。

圖10 實時數(shù)據(jù)報表畫面運行效果

圖11 數(shù)據(jù)報表查詢畫面運行效果

總結(jié)

條形碼中包含了產(chǎn)品的全部信息。在企業(yè)生產(chǎn)階段，快速、準(zhǔn)確的讀取和存儲產(chǎn)品條形碼信息不僅可以提高生產(chǎn)效率，更重要的是可以為安排生產(chǎn)進度、追溯產(chǎn)品質(zhì)量問題提供原始數(shù)據(jù)。本文針對傳統(tǒng)的人工統(tǒng)計效率低下、誤差率高的缺陷，設(shè)計了基于PLC的自動掃碼控制系統(tǒng)，并利用組態(tài)王設(shè)計遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對產(chǎn)品條碼信息的實時讀取與存儲，對于降低加工企業(yè)的人工成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性具有較高的實用意義。