1 引言

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

自動分揀系統(tǒng)主要是為了滿足不同的分揀需求而產生，不同的分揀需求就產生了不同的分揀依據。其中，常見的記錄與追溯信息的電子標簽有RFID、條形碼和二維碼[2]。本項目運用的是RFID技術，又稱無線射頻識別，該技術有讀取方便快捷、安全性好、數據容量大和穿透性強等優(yōu)點。最大的優(yōu)點就是非接觸識別，它能在各種惡劣的環(huán)境下以不到100 ms的速度閱讀標簽，是一項易于操控，簡單實用的靈活性應用技術[3]。

自動分揀系統(tǒng)中的執(zhí)行機構和控制系統(tǒng)也是其中很重要的部分。本項目采用工業(yè)機器人對物料進行分揀，由PLC控制器構成控制系統(tǒng)。我國工業(yè)機器人起步于上世紀1970年初期，它最顯著的特點有以下幾個[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、抗干擾能力強等特點，能夠實現開關量的邏輯控制、模擬量控制、運動控制、數據處理等多種功能。PLC還能夠和HMI（Human Machine Interface，人機交互）進行連接，實現人機交互，使整個運行狀態(tài)一目了然。

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

2 系統(tǒng)方案設計

本項目包含硬件系統(tǒng)分析和軟件系統(tǒng)設計兩部分。硬件系統(tǒng)由實驗室現有設備的部分硬件設備構成，需要進行機械分析和電氣分析，并繪制所需電氣原理圖，為后續(xù)的軟件設計做準備。軟件系統(tǒng)設計主要是以PLC控制器為核心，編程實現項目需求。根據項目需求，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

本次設計用到了實驗室的多功能工業(yè)機器人實訓系統(tǒng)，是基于其中的平面碼垛模塊、視覺檢測模塊、光源控制器、配電盤、出料裝置、變頻輸送機、觸摸屏等來編程實現的。

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。氣缸上方有一個氣缸伸出到位傳感器和一個氣缸縮回到位傳感器，用以判斷氣缸的運行狀態(tài)。出料裝置右側是出料筒，它的下方有一個對射傳感器，用來檢測料筒中是否有料。

傳送裝置中應用的是較為簡單方便的皮帶傳送方式，它和三相異步電動機通過同步帶連接。其中，三相異步電動機由變頻器控制，從而控制皮帶運動。傳送裝置邊緣安有三個傳感器，分別是視覺系統(tǒng)位置檢測傳感器、RFID位置檢測傳感器以及抓取位置傳感器，用來檢測物料到達的位置，實現下一步控制。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模塊及視覺識別模塊

RFID模塊由通信模塊、標簽塊、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通過這個模塊與PLC進行串口通信。標簽塊用于存儲數據，而天線則在標簽塊和讀寫器間傳遞射頻信號[6]。讀寫器是與通信模塊配套的RF 260R，能夠實現數據的寫入和讀出。RFID模塊如圖3所示。

圖3 RFID模塊

視覺識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，可調節(jié)光源的亮度和開關。攝像頭采用的是康耐視BWR96-90-W，由實訓平臺自帶的電腦控制，攝像頭和電腦通過以太網連接，采集物料自身特性。視覺系統(tǒng)與PLC通過I/O連接，把識別結果傳入PLC。視覺檢測模塊如圖4所示。

圖4 視覺檢測模塊

3.3 機器人系統(tǒng)

本系統(tǒng)用到的是ABB六軸工業(yè)機器人IRB120，僅重25 kg，工作范圍達580 mm[7]。機器人與PLC進行I/O通信，可編程實現抓取物料到相應位置，完成分揀功能，具有低投資、高產出優(yōu)勢。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，在本項目中只用到了真空吸盤工具用以吸取物料。機器人如圖5所示。

圖5 機器人

3.4 PLC控制器與HMI

分揀系統(tǒng)有繼電器控制、計算機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，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，可完成簡單邏輯控制、高級邏輯控制、HMI和網絡通信等任務[9]。該PLC的CPU型號為CPU 1214C DC/DC/DC源型，其本體有16路數字量輸入/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右側可擴展8個信號模塊，其左側可連接多達3個通信模塊。系統(tǒng)中的CPU擴展了兩個SM1223 DC/DC輸入/輸出模塊和一個SM1221 DC輸入/輸出模塊，由于需要用到RFID的讀寫功能，又在其左側連接了RF 120C通信模塊。

人機交互終端中，使用的是西門子12英寸HMI觸摸屏，其型號為KTP1200 Basic PN。人機界面是一種智能化操作控制顯示裝置[10]。主要是以面向的對象為設計原則，即按照操作人員的工作性質設計與之相適應和友好的人機界面[11]，根據其工作需求引導和幫助操作人員實現監(jiān)控和管理現場。這款觸摸屏和PLC配套使用，通過以太網連接，實現了對整個系統(tǒng)實時狀態(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

由于本次設計只用到了實訓平臺中的部分模塊，所以只繪制了和本次設計相關的部分元件與PLC的控制關系原理圖，以及機器人的控制關系原理圖。PLC及其擴展模塊電氣原理圖如圖7所示，機器人控制關系原理圖如圖8所示。

在圖7中，繪制了PLC及其擴展模塊的電氣原理圖，在PLC控制器中應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，在擴展模塊中有視覺系統(tǒng)和機器人的I/O接口及位置傳感器。

在圖8中，繪制了機器人與PLC的信息交流，機器人根據PLC的信號執(zhí)行程序，再返回信號給PLC。在快換機構中，機器人只用到了吸盤作為末端執(zhí)行器。

圖8 機器人控制關系原理圖

5 軟件系統(tǒng)設計

軟件設計部分分為PLC程序設計、HMI界面設計、機器人程序設計及視覺系統(tǒng)預處理四部分。PLC程序主要完成對傳送帶、氣缸、傳感器、機器人、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進行信息交換，實現對整個分揀系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。機器人程序需要接收PLC控制器傳送的協(xié)調信號，完成預定搬運和分揀動作。視覺預處理需要完成在相應的軟件上對物料顏色進行記錄，才能實現后續(xù)的視覺識別。系統(tǒng)工作流程圖如圖9所示，第一部分完成對物料的預處理，為后續(xù)分揀提供依據，第二部分對物料進行分揀。

圖9 系統(tǒng)工作流程圖

5.1 硬件組態(tài)

本次設計使用的是與西門子S7-1200搭配的博圖V15 Professional版本對整個PLC程序進行編程，它還包含了HMI編程組件，所以HMI界面設計也能在上面完成，滿足了本項目的編程需求。

首先對PLC進行硬件組態(tài)，設定各個模塊的I/O地址，避免編程沖突。PLC主控制器的輸入地址范圍設定為I0.0～I1.7，輸出地址范圍設定為Q0.0～Q1.7，其余擴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，點擊下載，看是否報錯，如果沒有報錯，再進行后續(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程序設計

根據本次設計所要完成的功能，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PLC輸入輸出分配表編寫程序，實現PLC控制傳送帶擊打出物料，接著視覺系統(tǒng)及RFID讀寫模塊識別出物料顏色和編碼，再給機器人和HMI界面反饋信息的功能。

5.3 機器人程序設計

工業(yè)機器人具有可編程的特點，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引式示教兩種途徑實現[13]。由于本次設計用到的實訓平臺中有機器人示教盒，所以直接采用示教編程的方法控制機器人。機器人輸入/輸出分配表如表2所示。示教點位表如表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 機器人輸入/輸出分配表

表3 機器人示教點位表

當傳感器檢測到物料到達指定位置，機器人控制程序開始運行。機器人接收到PLC的抓取信號時，抓取物料。先從初始位置運動到抓取等待位，再向下運動到抓取位。機器人到位，吸盤開始抽真空，吸住物料抓取到等待位處，結合PLC反饋的信息判斷應該把物料放到什么位置。移動到指定位置，吸盤噴出氣體把物料放下。放置完成，機器人運動到物料放置等待位，給PLC反饋信號，出料筒馬上又擊打出物料，機器人程序開始循環(huán)運行，直至料筒中沒有物料。

5.4 HMI界面設計

HMI界面中包括系統(tǒng)狀態(tài)顯示、RFID模塊與傳輸帶監(jiān)視、物料顏色計數三個區(qū)域。系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)域顯示此時系統(tǒng)運行的狀態(tài)和料倉內是否有料。RFID模塊與傳輸帶監(jiān)視區(qū)域包括對物料標簽內容的寫入和讀出控制，顯示此時讀出的物料內容以及傳輸帶的運行狀態(tài)，在此次設計中給物料添加的電子標簽是數字。物料計數區(qū)域是對紅、藍、白三種顏色個數的統(tǒng)計。人機交互本質是用戶和含有計算機的機器之間的雙向通信[14]。觸摸屏與PLC之間使用以太網進行通信，能夠保證實時的數據傳輸[15]，方便對整個系統(tǒng)進行監(jiān)視和控制，實現人機交互。HMI觸摸屏界面如圖13所示。

圖13 HMI觸摸屏界面

5.5 視覺預處理

視覺預處理在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，主要實現對物料顏色的訓練、錄入和識別。同時，能和西門子S7-1200系列PLC通訊，反饋顏色信息給PLC，實現后續(xù)分揀。

6 系統(tǒng)驗證

首先按下啟動按鈕，打開RF讀寫控制模塊，此時RFID寫入數據模式開啟。檢測到物料在桶內，氣缸擊打出物料，傳送帶開始運行。當視覺位置傳感器檢測到物料后，識別出物料顏色，物料到達RFID下方，給不同顏色的物料寫入想要的數據。給料筒中的每個物料寫入數據后即可停止系統(tǒng)運行，按下復位按鈕，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數據寫入

再次按下啟動按鈕，啟動分揀系統(tǒng)，關閉RF模塊讀寫控制模塊，此時RFID讀出模式開啟。視覺系統(tǒng)識別出物料顏色，RFID模塊讀出相應的顏色數據，在觸摸屏上顯示出來，同時顯示出記錄的每個顏色物料的個數。當抓取位置傳感器檢測到物料后，給PLC反饋信號，PLC給機器人發(fā)送抓取命令，機器人開始按照程序完成分揀工作。每個物料分揀完后，傳回一個完成信號給PLC，料筒中再擊打出下一個物料，直至分揀完成。HMI觸摸屏時刻與PLC保持通信，監(jiān)視整個系統(tǒng)的運行狀況。如圖15所示。最終實現了以PLC為控制核心，可按照物料顏色和編碼進行分類的分揀系統(tǒng)，同時能在觸摸屏上清晰的看到運行狀態(tài)并可以控制RFID讀寫。

圖15 物料分揀

7 結論

本項目設計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，實現產品加工的一個分揀系統(tǒng)。它的優(yōu)點是能在加工前查看和修改加工信息，分配到各個加工庫中，缺點是還沒實現在加工過程中修改后續(xù)信息，希望在后續(xù)有所改進。該系統(tǒng)能很好的運用于生產加工或者物流分揀中，有很強的實用意義。