基于PLC和那智機(jī)器人的碼垛輸送線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳健輝，黃德啟

（新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引 言

目前，各地的搬運(yùn)和碼垛作業(yè)多數(shù)是由人工進(jìn)行，不僅工作強(qiáng)度大，還容易出現(xiàn)碼垛不齊、散包等現(xiàn)象[1]。為提高生產(chǎn)效率，降低成本，可以應(yīng)用碼垛機(jī)器人實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速獲取、搬運(yùn)、裝箱、碼垛、拆垛等作業(yè)[2-4]。作為一種多學(xué)科交叉和集成的機(jī)械裝備，碼垛機(jī)器人是目前使用較多的工業(yè)機(jī)器人之一，它應(yīng)用了機(jī)械、控制、電氣、人工智能、傳感器技術(shù)和信息技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)[3，5-6]。由于PLC具有抗干擾能力強(qiáng)、通用性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制場(chǎng)景[7-9]，本文設(shè)計(jì)中采用西門(mén)子PLC S7-1200作為控制系統(tǒng)的核心，結(jié)合傳感器、輸入輸出模塊、機(jī)器人和觸摸屏等，設(shè)計(jì)一種碼垛輸送線控制系統(tǒng)，以袋裝大豆蛋白粉為目標(biāo)，進(jìn)行整體碼垛，解決繁雜的碼垛問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)碼垛過(guò)程的自動(dòng)化。

1 碼垛輸送線總體方案

碼垛輸送線由輸送線體、托盤(pán)庫(kù)、頂升機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。其中輸送線體包括皮帶線、滾筒線和直角彎道線，由三相異步電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，采用50 Hz、三相五線制供電。以袋裝大豆蛋白粉為目標(biāo)，將成品進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送和整體碼垛。數(shù)據(jù)的采集由光電傳感器和行程開(kāi)關(guān)來(lái)完成，其中光電傳感器檢測(cè)輸送線體上的蛋白粉是否輸送到位，限位開(kāi)關(guān)用來(lái)檢測(cè)部分機(jī)構(gòu)的動(dòng)作狀態(tài)。通過(guò)視覺(jué)機(jī)構(gòu)對(duì)不同顏色的包裝袋進(jìn)行識(shí)別，在相應(yīng)的碼垛工位上，將相同顏色的蛋白粉碼為一垛。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)計(jì)布局圖，包括各線體位置和機(jī)器人的安裝位置，碼垛輸送線布局圖如圖1所示。

圖1 碼垛輸送線布局圖

2 碼垛輸送線電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)

碼垛輸送線在運(yùn)行過(guò)程中需要執(zhí)行輸送、振動(dòng)、推倒、壓平等一系列動(dòng)作，動(dòng)作多且所處工作環(huán)境惡劣（高溫、振動(dòng)、粉塵），這就要求控制系統(tǒng)具有較高的可靠性、良好的節(jié)能措施和較強(qiáng)的故障診斷能力，確保生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行[10-11]。本文控制系統(tǒng)的核心部件選用目前流行的PLC，其運(yùn)行速度高、通用性好、可靠性高。

除機(jī)器人外，全套輸送線及附屬裝置的控制均由獨(dú)立的PLC和觸摸屏組成的控制系統(tǒng)完成。觸摸屏能夠?qū)崿F(xiàn)輸送線參數(shù)設(shè)定、調(diào)整及顯示檢測(cè)功能，各個(gè)輸送驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立控制。為保證安全，設(shè)備周?chē)惭b護(hù)欄，護(hù)欄門(mén)裝配安全門(mén)鎖，由PLC控制。輸送系統(tǒng)與碼垛機(jī)器人整機(jī)的聯(lián)鎖控制通過(guò)I∕O信號(hào)交換進(jìn)行。硬件配置包括CPU、輸入模塊、輸出模塊、檢測(cè)元件對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)、人機(jī)操作界面（觸摸屏、按鈕、指示燈）、控制元件（中間繼電器、交流接觸器、電磁閥）、執(zhí)行元件（電機(jī)、氣缸）等。碼垛輸送線總體方案圖如圖2所示。

圖2 碼垛輸送線總體方案圖

2.2 可編程邏輯控制器

完成碼垛輸送線各個(gè)模塊的準(zhǔn)確控制需要一個(gè)核心控制器，考慮到碼垛輸送線輸入輸出信號(hào)點(diǎn)位的實(shí)際需求，本文采用西門(mén)子S7-1200型號(hào)的PLC?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集由光電傳感器和限位開(kāi)關(guān)完成，PLC根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對(duì)中間繼電器、指示燈、電磁閥和安全門(mén)鎖進(jìn)行控制。同時(shí)，觸摸屏和機(jī)器人皆可與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

PLC原理圖設(shè)計(jì)如圖3、圖4所示。

圖3 PLC原理圖（一）

圖4 PLC原理圖（二）

2.3 機(jī)器人

碼垛輸送線的機(jī)器人選用的是日本那智公司的LP130機(jī)器人，本體最大負(fù)荷為130 kg（包含抓手）。該款機(jī)器人具有獨(dú)立控制系統(tǒng)，搭配1個(gè)示教器。機(jī)器人所有動(dòng)作的運(yùn)行控制均由該控制器完成，示教器能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)對(duì)話，可通過(guò)簡(jiǎn)單的參數(shù)調(diào)正實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手運(yùn)行軌跡的設(shè)定，并能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)兩種不同運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換。

LP130機(jī)器人是多關(guān)節(jié)碼垛機(jī)器人，由4個(gè)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，基本結(jié)構(gòu)為底座、大臂和小臂。多關(guān)節(jié)型碼垛機(jī)器人具有人手臂的某些特征，大臂和小臂可在通過(guò)底座的垂直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，大臂和小臂間的關(guān)節(jié)稱為肘關(guān)節(jié)，大臂和底座間的關(guān)節(jié)稱為肩關(guān)節(jié)。與其他種類的碼垛機(jī)器人不同，該款機(jī)器人占據(jù)空間小、工作范圍大，可以繞過(guò)障礙物進(jìn)行提取和搬運(yùn)作業(yè)，是目前應(yīng)用較為普遍的碼垛機(jī)器人，但缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)直觀性差、驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃比較復(fù)雜。目前，多數(shù)碼垛機(jī)器人應(yīng)用于1～3個(gè)碼垛工位中，機(jī)器人的有效工作范圍不能得到充分利用。針對(duì)多品種同時(shí)生產(chǎn)且場(chǎng)地有限的情況，可以通過(guò)增加碼垛工位來(lái)提高碼垛機(jī)器人的碼垛效率[12]。

本文利用機(jī)器人夾取來(lái)自輸送線的蛋白成品，碼放到4個(gè)碼垛位。機(jī)器人本體控制裝置的主電路及本體端子如圖5所示。

圖5 機(jī)器人主電路及本體端子圖

端子為機(jī)器人本體控制柜內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)接線端子，不使用時(shí)正負(fù)兩相短接。

2.4 視覺(jué)機(jī)構(gòu)

設(shè)備需要通過(guò)視覺(jué)機(jī)構(gòu)對(duì)不同顏色封口繩的包裝袋進(jìn)行識(shí)別，在相應(yīng)的碼垛工位上，將相同顏色封口繩的蛋白粉碼為一垛。

隧道式視覺(jué)識(shí)別裝置中的工業(yè)相機(jī)采用?？低昅W-CA050-12GC，該款工業(yè)相機(jī)為500萬(wàn)全局快門(mén)彩色面陣相機(jī)，可以通過(guò)千兆網(wǎng)絡(luò)接口快速、實(shí)時(shí)傳輸非壓縮數(shù)據(jù)，最高幀數(shù)可達(dá)24.1 f∕s。

物料的生產(chǎn)方式為兩條線同時(shí)生產(chǎn)，4種產(chǎn)品合線，隧道式視覺(jué)識(shí)別裝置在機(jī)器人抓取前端使用視覺(jué)識(shí)別進(jìn)行區(qū)分。

在隧道式視覺(jué)識(shí)別裝置中加裝兩套光源來(lái)對(duì)拍攝環(huán)境進(jìn)行補(bǔ)光。袋子封包線使用4種顏色進(jìn)行區(qū)分（可用顏色不包含白色），相機(jī)識(shí)別封包線顏色。袋子相同位置人工增加彩色戳記（或粘貼標(biāo)識(shí)），相機(jī)識(shí)別戳記（或標(biāo)識(shí)）。

圖6是設(shè)備的視覺(jué)識(shí)別模擬圖。

圖6 視覺(jué)識(shí)別模擬圖

2.5 主要元件

本文系統(tǒng)所使用的主要元件如表1所示。

表1 主要元件表

3 碼垛輸送線電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 I∕O分配

1）PLC

根據(jù)控制系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)，對(duì)PLC的I∕O端子進(jìn)行如表2所示的分配。

表2 I/O端子分配表

2）機(jī)器人

碼垛輸送線中的機(jī)器人需要和PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將PLC的部分輸出信號(hào)接入機(jī)器人控制器中。機(jī)器人的輸入、輸出端子示意圖分別如圖7和圖8所示。此端子為機(jī)器人本體控制柜內(nèi)的I∕O板上的接線端子，根據(jù)需要自定義接線。將機(jī)器人的部分輸出信號(hào)對(duì)接到PLC的輸入信號(hào)，部分輸入信號(hào)對(duì)接到PLC的輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)輸送系統(tǒng)與碼垛機(jī)器人的聯(lián)鎖控制。

圖7 機(jī)器人輸入端子圖

圖8 機(jī)器人輸出端子圖

3.2 程序流程

碼垛輸送線的主要功能實(shí)現(xiàn)都是由核心控制器PLC的軟件來(lái)完成，其控制流程如圖9所示。首先系統(tǒng)供電啟動(dòng)PLC，經(jīng)程序初始化后，等待叉車(chē)將空托盤(pán)放置于托盤(pán)庫(kù)存儲(chǔ)，儲(chǔ)存就緒后判斷輸送線和托盤(pán)庫(kù)是否啟動(dòng)，分配機(jī)進(jìn)行托盤(pán)分配；然后判斷區(qū)域是否進(jìn)行碼垛，允許機(jī)器人碼垛信號(hào)就緒時(shí)機(jī)器人開(kāi)始進(jìn)行碼垛作業(yè)，碼垛完成后進(jìn)行整垛輸出，將堆垛成品輸送到叉取位等待叉車(chē)取貨，并等待下一次的產(chǎn)品碼垛。

圖9 碼垛輸送線程序流程

3.3 HMI設(shè)計(jì)

碼垛輸送線中采用的是西門(mén)子KTP1200的觸摸屏，利用Portel V15軟件進(jìn)行畫(huà)面設(shè)計(jì)。根據(jù)畫(huà)面控制要求及PLC的程序，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中添加需要控制或監(jiān)控的變量，并與PLC內(nèi)部變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，調(diào)試完成后下載到觸摸屏即可。人機(jī)界面通過(guò)Portel V15設(shè)計(jì)生產(chǎn)主畫(huà)面、托盤(pán)庫(kù)畫(huà)面、輸入畫(huà)面、輸出畫(huà)面、手動(dòng)畫(huà)面，可通過(guò)頁(yè)面底部的圖標(biāo)按鈕進(jìn)行畫(huà)面的切換。其中碼垛輸送線主畫(huà)面和托盤(pán)庫(kù)主畫(huà)面作為生產(chǎn)主要頁(yè)面，是生產(chǎn)過(guò)程中操作人員日常主要的操作界面，碼垛輸送線主畫(huà)面和托盤(pán)庫(kù)主畫(huà)面如圖10所示。在主畫(huà)面中，可以直觀了解到當(dāng)前輸送線的實(shí)時(shí)狀態(tài)，操作人員通過(guò)虛擬按鈕和開(kāi)關(guān)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，包括設(shè)備啟停和模式選擇。碼垛的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也通過(guò)主畫(huà)面顯示，還可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)碼垛數(shù)據(jù)進(jìn)行修改調(diào)整。

圖10 碼垛輸送線與托盤(pán)庫(kù)主畫(huà)面

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證碼垛輸送線的可行性，設(shè)計(jì)完成后，在生產(chǎn)車(chē)間進(jìn)行實(shí)際的碼垛測(cè)試。輸送線托盤(pán)采用田字托盤(pán)，規(guī)格為1 400 mm×1 200 mm×150 mm，袋裝大豆蛋白成品規(guī)格為680 mm×390 mm×250 mm。碼垛樣式為2+3編組，一層5袋，8層為一垛，碼垛樣式交替往復(fù)。垛型示意圖如圖11所示，測(cè)試結(jié)果如表3所示。通過(guò)全線測(cè)試，碼垛輸送線實(shí)現(xiàn)了蛋白粉的自動(dòng)碼垛。經(jīng)過(guò)測(cè)算，系統(tǒng)能滿足不少于500袋∕h的設(shè)計(jì)要求，過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生包裝袋碰撞、起摞現(xiàn)象。實(shí)踐結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)速度和抗干擾能力。

圖11 垛型示意圖

表3 測(cè)試結(jié)果

5 結(jié) 論

本文以工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展為背景，以碼垛輸送線為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一種基于PLC和那智機(jī)器人的碼垛輸送線控制系統(tǒng)。以西門(mén)子S7-1200型PLC作為控制系統(tǒng)的核心，結(jié)合那智機(jī)器人，對(duì)可編程控制器、機(jī)器人、觸摸屏等硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成了I∕O端子分配、控制程序和觸摸屏等軟件的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，碼垛輸送線控制系統(tǒng)具有較高的工作效率和良好的可靠性。