自動(dòng)化流水線動(dòng)態(tài)檢重監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 林，徐世許，謝敬心，王京擘

（青島大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，青島 266071）

近年來(lái)工業(yè)自動(dòng)化水平不斷發(fā)展和進(jìn)步，促進(jìn)了我國(guó)工業(yè)界智能監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，目前很多小型工業(yè)應(yīng)用中，并沒(méi)有采取智能計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，導(dǎo)致信息傳輸效率較低，現(xiàn)場(chǎng)檢重復(fù)雜繁瑣[1]。充分考慮到產(chǎn)品的檢重精度高、人工強(qiáng)度大等問(wèn)題，為了更好地滿足產(chǎn)品大批量檢重需求，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)品檢重問(wèn)題的監(jiān)督與控制，研究并設(shè)計(jì)了自動(dòng)化流水線動(dòng)態(tài)檢重監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用自動(dòng)化檢重模式，通過(guò)輸送帶不間斷傳輸被檢產(chǎn)品，稱(chēng)重儀表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品重量信息。所有經(jīng)過(guò)輸送帶的產(chǎn)品觸發(fā)光電傳感器使其在下降沿動(dòng)作與標(biāo)準(zhǔn)重量進(jìn)行比對(duì)，其中超重、欠重產(chǎn)品在PLC 控制下被剔除，合格產(chǎn)品繼續(xù)向下運(yùn)輸。為了便于用戶查詢(xún)產(chǎn)品信息、辨別真?zhèn)危鞠到y(tǒng)通過(guò)噴碼機(jī)在產(chǎn)品外包裝上進(jìn)行噴碼，根據(jù)廠商的不同需求可進(jìn)行數(shù)字碼、條形碼及二維碼的噴印。同時(shí)，上位機(jī)將所有產(chǎn)品的重量信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)注生產(chǎn)日期、生產(chǎn)時(shí)間、產(chǎn)品編號(hào)等信息，方便用戶查詢(xún)、追溯。該流水線動(dòng)態(tài)檢重監(jiān)控系統(tǒng)集動(dòng)態(tài)檢重、剔除、噴碼、數(shù)據(jù)查詢(xún)等為一體，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和高效性，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)管理。自動(dòng)化流水線動(dòng)態(tài)檢重監(jiān)控系統(tǒng)已在工廠得到實(shí)際應(yīng)用，一方面規(guī)范、簡(jiǎn)化了生產(chǎn)線上產(chǎn)品重量檢測(cè)的工序，在一定程度上保障了企業(yè)生產(chǎn)效益；另一方面降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，為企業(yè)安全生產(chǎn)提供了保障。

1 硬件結(jié)構(gòu)

在本監(jiān)控系統(tǒng)中，包括PLC、上位機(jī)、稱(chēng)重儀表、觸摸屏、步進(jìn)電機(jī)、噴碼機(jī)等硬件設(shè)備。如圖1所示。中央控制器采用OMRON 公司的CP1L-EM40DT-D型PLC，PLC 帶有以太網(wǎng)通信接口和RS422/RS485串行接口，PLC 通過(guò)以太網(wǎng)與觸摸屏、上位機(jī)通信，通過(guò)RS485 串口與稱(chēng)重儀表通信[2]。觸摸屏選用了威綸通公司型號(hào)為MT8102iP 的觸摸屏，該觸摸屏通信方便，穩(wěn)定性高，運(yùn)行速度快，提供了可視化操作界面，能夠方便直觀顯示產(chǎn)品稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)[3]。動(dòng)態(tài)稱(chēng)重是在物料運(yùn)行處于非靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行的，比靜態(tài)稱(chēng)重更為復(fù)雜，所以動(dòng)態(tài)檢重系統(tǒng)應(yīng)選擇專(zhuān)用的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重儀表，這里選用梅特勒-托利多公司研發(fā)的IND560dyn 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重儀表，該動(dòng)態(tài)稱(chēng)重儀表中已內(nèi)置動(dòng)態(tài)檢重算法，滿足動(dòng)態(tài)檢重需求。噴碼機(jī)選擇了多米諾A200 壓電噴墨式噴碼機(jī)，多米諾A200 噴碼機(jī)結(jié)合了大面積噴印和高分辨率噴墨噴碼的優(yōu)勢(shì)，可噴印圖形、文字和GS1-128 條形碼，能夠?qū)崿F(xiàn)理想的標(biāo)識(shí)質(zhì)量。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure of system

2 總體設(shè)計(jì)

輸送帶由CP1L-EM40DT-D 型PLC 控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸送產(chǎn)品，當(dāng)產(chǎn)品到達(dá)稱(chēng)重區(qū)域時(shí)，IND560dyn動(dòng)態(tài)稱(chēng)重儀表實(shí)時(shí)顯示產(chǎn)品重量信息并將稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)傳給PLC。上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)讀取PLC 存儲(chǔ)區(qū)里的重量數(shù)據(jù)，同時(shí)，上位機(jī)將所有數(shù)據(jù)信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)。PLC 與觸摸屏連接，并根據(jù)觸摸屏上設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)重量對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行合格性判斷，其中合格品被輸送到噴碼單元等待噴碼，不合格的產(chǎn)品由PLC 進(jìn)行剔除。上位機(jī)與噴碼機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)通信進(jìn)行連接，上位機(jī)將噴碼信息傳給噴碼機(jī)，多米諾A200 壓電噴墨式噴碼機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)合格品進(jìn)行噴碼，噴印內(nèi)容包括生產(chǎn)日期、生產(chǎn)時(shí)間、產(chǎn)品編號(hào)。自動(dòng)化流水線工作流程如圖2所示。

圖2 自動(dòng)化流水線工作流程Fig.2 Workflow of automatic packaging assembly line

3 通訊設(shè)置

通訊設(shè)置包括上位機(jī)與PLC 基于FINS 通信、PLC 與稱(chēng)重儀表基于Modbus-RTU 通信、觸摸屏與PLC 基于TCP/IP 通信。通過(guò)硬件之間的相互通信，能夠?qū)?shù)據(jù)信息進(jìn)行有效管理。

3.1 上位機(jī)與PLC 基于FINS 通信設(shè)置

為實(shí)現(xiàn)FINS 通信功能，本文采用Visual Basic語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Visual Basic 是一種功能強(qiáng)大、靈活性高的編程語(yǔ)言，其技術(shù)棧和運(yùn)行時(shí)代碼庫(kù)旨在保持服務(wù)端的輕量級(jí)和靈活性。在實(shí)際稱(chēng)重系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)FINS 通信需在CX-P 編程軟件中對(duì)PLC 參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置上位機(jī)IP 地址為192.168.250.1，設(shè)置PLC地址為192.168.250.2，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，端口號(hào)為9600。

3.2 PLC 與稱(chēng)重儀表基于Modbus-RTU 通信設(shè)置

在PLC 中編寫(xiě)Modbus-RTU 主站程序，設(shè)置串行通信模式為Modbus-RTU 簡(jiǎn)易主站模式，控制通信參數(shù)，將串行通信模式設(shè)為串行網(wǎng)關(guān)模式。其中波特率設(shè)置為9600 b/s，數(shù)據(jù)位設(shè)為8 位，停止位設(shè)置為1 位，無(wú)奇偶校驗(yàn)[4]。利用PLC 自帶的Modbus-RTU 簡(jiǎn)易主站功能，使用Modbus-RTU 通信，讀取動(dòng)態(tài)稱(chēng)重儀表IND560 寄存器4001 和4002 中的數(shù)據(jù)。在PLC 中定義I1.00 變量為光電傳感器1，當(dāng)產(chǎn)品到達(dá)檢重區(qū)域時(shí)，光電傳感器1 觸發(fā)下降沿信號(hào)，確定產(chǎn)品已到位。同時(shí)，稱(chēng)重傳感器感受到重量信號(hào)變化并將其傳給稱(chēng)重儀表，此時(shí)稱(chēng)重儀表上顯示當(dāng)前產(chǎn)品的重量信息，PLC 讀取稱(chēng)重儀表的重量。PLC與稱(chēng)重儀表基于Modbus-RTU 通信程序如圖3所示，從通道D32200 開(kāi)始設(shè)置命令數(shù)據(jù)，將A641.00置為ON，啟動(dòng)通信，從通道D32250 開(kāi)始，觀察返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)[5]。

圖3 Modbus-RTU 通信程序Fig.3 Modbus-RTU communication program

3.3 觸摸屏與PLC 基于TCP/IP 通信設(shè)置

威綸通觸摸屏使用Ethernet（TCP/IP）與PLC 進(jìn)行通信，需要在FINS/TCP 連接設(shè)置中設(shè)置目標(biāo)IP地址為192.168.250.3。另外，在EasyBuilder Pro 軟件中添加PLC 設(shè)備CP1L-EM40DT-D，設(shè)置通信方式為OMRON Ethernet（TCP/IP），接口類(lèi)型為以太網(wǎng)，IP 地址設(shè)為192.168.250.2，端口號(hào)為9600。

4 程序設(shè)計(jì)

4.1 噴碼流程設(shè)計(jì)

噴碼機(jī)初始化完成并與上位機(jī)建立連接后，接收上位機(jī)發(fā)送的噴碼字段信息，準(zhǔn)備在產(chǎn)品上進(jìn)行噴印。當(dāng)產(chǎn)品到達(dá)噴印區(qū)域時(shí)，噴碼機(jī)啟動(dòng)噴印，在產(chǎn)品表面噴印生產(chǎn)日期、生產(chǎn)時(shí)間和產(chǎn)品編號(hào)信息，若噴印沒(méi)有結(jié)束，則繼續(xù)循環(huán)以上過(guò)程，直到所有合格的產(chǎn)品都被噴印，整個(gè)過(guò)程結(jié)束。噴碼流程如圖4所示，打印好的成品如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)噴碼流程Fig.4 Flow chart of system coding

圖5 成品Fig.5 Finished product

4.2 上位機(jī)監(jiān)視界面設(shè)計(jì)

自動(dòng)化流水線動(dòng)態(tài)檢重監(jiān)控系統(tǒng)需要對(duì)稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行保存，方便用戶查詢(xún)、追溯。上位機(jī)監(jiān)視界面基于Visual Basic 編程實(shí)現(xiàn)，同時(shí)上位機(jī)與數(shù)據(jù)庫(kù)相連，動(dòng)態(tài)顯示產(chǎn)品重量信息。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，上位機(jī)監(jiān)視界面包括用戶登錄、動(dòng)態(tài)顯示、數(shù)據(jù)查詢(xún)和系統(tǒng)維護(hù)界面。

查詢(xún)界面包含了多條件查詢(xún)功能，操作員可在規(guī)定日期時(shí)間內(nèi)查詢(xún)產(chǎn)品信息。在本次數(shù)據(jù)查詢(xún)中，系統(tǒng)以操作員、批次、合格情況、查詢(xún)時(shí)間等為查詢(xún)條件查詢(xún)符合條件的產(chǎn)品信息[6]。另外，在查詢(xún)界面設(shè)有“另存為”按鈕，其功能是將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行備份或以Excel 的形式保存，便于查找，防止丟失。數(shù)據(jù)查詢(xún)部分程序代碼如下：

上位機(jī)數(shù)據(jù)查詢(xún)界面通過(guò)Visual Basic 軟件繪制，產(chǎn)品重量信息存儲(chǔ)在SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)上位機(jī)與數(shù)據(jù)庫(kù)建立連接后，各產(chǎn)品信息以表的形式顯示在DateGrid 控件中。數(shù)據(jù)查詢(xún)?nèi)鐖D6所示，查得產(chǎn)品累計(jì)重量為227.63 kg。

圖6 數(shù)據(jù)查詢(xún)Fig.6 Data query

5 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化流水線動(dòng)態(tài)檢重監(jiān)控系統(tǒng)已在青島某工廠投入使用且運(yùn)行平穩(wěn)，滿足了企業(yè)對(duì)產(chǎn)品的檢重需求，能夠準(zhǔn)確快速的完成產(chǎn)品檢重、分揀、噴碼等工作，保障了自動(dòng)化流水線平穩(wěn)運(yùn)行。