廖耿斌

（廈門華廈學(xué)院，福建廈門， 360021）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，當(dāng)前自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中大規(guī)模普及。傳統(tǒng)的人工分揀存在低效率和漏揀、錯(cuò)揀等問(wèn)題，基于自動(dòng)化技術(shù)的物料分揀可以有效地避免這些問(wèn)題。在自動(dòng)化分揀技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)搭建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以使物料分揀作業(yè)更直觀更高效地進(jìn)行[1]。

1 分揀系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

■1.1 網(wǎng)絡(luò)通訊

國(guó)外于九十年代后期開(kāi)始對(duì)對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行研究，由美國(guó)斯坦福大學(xué)與麻省理工聯(lián)合舉辦了第一屆基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)控相關(guān)會(huì)議并建立了Test bed系統(tǒng)[2]，為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供關(guān)鍵性的理論基礎(chǔ)。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化地不斷革新，國(guó)內(nèi)外多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)始在工業(yè)生產(chǎn)線上加入網(wǎng)絡(luò)通信模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控的新模式。本系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)搭建PLC控制系統(tǒng)與PC上位機(jī)的物理連接，如圖1所示，使用OPC協(xié)議技術(shù)，將過(guò)程控制系統(tǒng)與其數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)交換，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

圖1 通訊連接

■1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以物料形狀作為分揀基礎(chǔ)[3]，包括長(zhǎng)方形、正方形、圓形三種類型，不同的物料在運(yùn)輸過(guò)程中通過(guò)視覺(jué)檢測(cè)判斷形狀[4]，并通過(guò)稱重檢測(cè)，判斷物料是否達(dá)到合格重量，不合格將通過(guò)氣缸推桿剔除，最終將不同的合格物料分揀到相應(yīng)料庫(kù)。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)中采用工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)物料的整體搬運(yùn)動(dòng)作，采用步進(jìn)電機(jī)控制傳輸帶進(jìn)行物料運(yùn)輸。在系統(tǒng)的工作的期間通過(guò)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域環(huán)境溫濕度監(jiān)控，設(shè)定工作環(huán)境的溫濕度區(qū)間范圍，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)超出范圍判定異常，報(bào)警告知工作人員技術(shù)處理。通過(guò)遠(yuǎn)程上位機(jī)設(shè)定合格重量以及實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況[5]，更迅速更直觀的向操作人員展示系統(tǒng)的工作情況。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。上位機(jī)與PLC通過(guò)以太網(wǎng)連接，形成一個(gè)小型局域網(wǎng)，能夠快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。輸入端包括DI數(shù)字信號(hào)輸入，應(yīng)用在形狀識(shí)別，檢測(cè)到形狀后，不同形狀將給到PLC不同接口信號(hào)；AI模擬信號(hào)輸入，應(yīng)用在溫濕度采集和稱重采集。輸出端主要用DO數(shù)字信號(hào)輸出，應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)控制皮帶運(yùn)輸，控制氣缸完成“抓”、“吸”、“推”等動(dòng)作。而工業(yè)機(jī)器人屬于與PLC交互的設(shè)備，需要同PLC實(shí)現(xiàn)互動(dòng)，因此需要同時(shí)連接雙方的輸入輸出端。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 分揀系統(tǒng)硬件組成

■2.1 主控設(shè)備

分揀系統(tǒng)的主控設(shè)備選擇西門子PLC的S7-200 SMART系列，該系列配備以太網(wǎng)口可與與上位機(jī)建立局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊。同時(shí)S7-200 SMART的編程軟件集成了運(yùn)動(dòng)控制指令，使步進(jìn)電機(jī)的控制更加簡(jiǎn)單直接。CPU型號(hào)選擇ST30標(biāo)準(zhǔn)CPU模塊，該模塊具備體積小，適合安裝在機(jī)箱中，不占用空間，控制速度快，操作方便，維修簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，具備18輸入/12輸出的數(shù)字量端口。

CPU接口模塊有限，主控設(shè)備需添加模塊擴(kuò)展。數(shù)字量模塊添加西門子S7-200 SMART系列的EM DT32，具備16輸入/16輸出的數(shù)字端口。除數(shù)字信號(hào)以外，本次設(shè)計(jì)還需要針對(duì)稱重，溫濕度等模擬信號(hào)的采集，模擬量模塊選用S7-200 SMART系列的EM AE04，該模塊具備4通道的模擬量采集輸入，可用于稱重信號(hào)以及溫濕度的讀取。

■2.2 工業(yè)機(jī)器人

采用FANUC公司的LR Mate 200iD /4s型迷你機(jī)器人，可在狹小的空間內(nèi)使用，控制軸數(shù)為6軸負(fù)責(zé)與PLC實(shí)現(xiàn)交互工作。如圖3所示，事先將工業(yè)機(jī)器人的不同時(shí)間段內(nèi)的抓取動(dòng)作分別寫入子程序塊中，通過(guò)工業(yè)機(jī)器人的DI/DO信號(hào)與PLC的數(shù)字信號(hào)DO/DI連接來(lái)實(shí)現(xiàn)程序的調(diào)用與信號(hào)傳遞[6]，最終達(dá)到工業(yè)機(jī)器人與PLC的交互目的。

圖3 PLC與機(jī)器人交互原理圖

■2.3 傳感器組件

物料的形狀通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品將拍攝目標(biāo)識(shí)別轉(zhuǎn)成對(duì)應(yīng)形狀信號(hào)，包括長(zhǎng)方形、正方形，圓形三種信號(hào)。視覺(jué)檢測(cè)包括檢測(cè)攝像頭和視覺(jué)控制器以及控制顯示屏。如圖4所示，通過(guò)以太網(wǎng)通訊將顯示屏與PLC連接，而攝像頭采集到的信號(hào)先通過(guò)專用相機(jī)電纜傳送到顯示器識(shí)別后將檢測(cè)到的形狀后輸出對(duì)應(yīng)信號(hào)給到控制器，根據(jù)事先寫好的識(shí)別指令，控制器與PLC通過(guò)串口連接，將檢測(cè)到的信號(hào)傳送給PLC內(nèi)容輸入信號(hào)，由控制程序繼續(xù)執(zhí)行處理。

圖4 PLC與視覺(jué)檢測(cè)通訊原理圖

采用應(yīng)變式稱重傳感器對(duì)物料進(jìn)行重量采集，通過(guò)變送器將傳感器輸出成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)4～20mA，再由模擬量模塊識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)并轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，對(duì)應(yīng)參數(shù)為6400～32000，通過(guò)PLC編程計(jì)算轉(zhuǎn)化成稱重值，取值范圍為0～5kg，計(jì)算曲線如圖5所示。取得的稱重?cái)?shù)據(jù)可用于識(shí)別物料是否合格。

圖5 AD轉(zhuǎn)換計(jì)算曲線圖

溫濕度儀器選用泰勒士的壁掛式溫濕度變送器，具有性能優(yōu)越可長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。選用TS-FTW15YM帶屏顯示。溫度量程為-20℃～80℃，精度為±0.3℃；濕度量程0～100%RH，精度±3%RH，供電電源為DC12～36V，用來(lái)對(duì)控制系統(tǒng)的周邊環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

3 分揀系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)計(jì)

如圖6所示，在上位機(jī)上設(shè)定一個(gè)稱重值后，按下啟動(dòng)按鈕，通過(guò)PLC的數(shù)字信號(hào)輸出將連接至機(jī)器人對(duì)應(yīng)的輸入端口觸發(fā)子函數(shù)A，機(jī)器人開(kāi)始移動(dòng)到指定物料上方，通過(guò)氣缸觸發(fā)抓取動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)將物料從初始料庫(kù)抓取出。

圖6 分揀系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

取出的物料搬運(yùn)至稱重臺(tái)后，在子函數(shù)A的結(jié)尾發(fā)出機(jī)器人的輸出信號(hào)，告知PLC可以執(zhí)行下一個(gè)工作，即進(jìn)行稱重檢測(cè)，當(dāng)該物料的重量值大于等于設(shè)定值，通過(guò)PLC內(nèi)部程序處理，定義為物料合格，同時(shí)PLC將會(huì)發(fā)出一個(gè)輸出信號(hào)將連接至機(jī)器人對(duì)應(yīng)的輸入端口觸發(fā)子函數(shù)B，等待中的機(jī)器人接收到命令后，再次通過(guò)氣缸抓取將物料抓取搬運(yùn)至傳送帶上結(jié)束工作的同時(shí)觸發(fā)輸出信號(hào)給PLC執(zhí)行下一步指令動(dòng)作，即接通電機(jī)使能和正轉(zhuǎn)，使傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)，將合格物料運(yùn)輸至分揀料庫(kù)附近。

分揀料庫(kù)包括正方形料庫(kù)存儲(chǔ)、長(zhǎng)方形料庫(kù)存儲(chǔ)、圓形料庫(kù)存儲(chǔ)，合格物料存儲(chǔ)需要進(jìn)行分揀。因此物料在運(yùn)輸過(guò)程中，經(jīng)過(guò)中間限位時(shí)會(huì)停下電機(jī)2s再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，目的是給予視覺(jué)攝像頭拍照的時(shí)間，將拍到畫面在顯示屏上顯示并識(shí)別該物料形狀，通過(guò)串口連接對(duì)應(yīng)的PLC輸入數(shù)字端口，不同的形狀觸發(fā)不同的輸入端口，以此來(lái)執(zhí)行不同程序。

識(shí)別工作結(jié)束后，PLC除了內(nèi)部執(zhí)行控制程序，在運(yùn)輸物料到達(dá)終點(diǎn)限位時(shí)，停下運(yùn)行的電機(jī)，還會(huì)將識(shí)別到的形狀信號(hào)，通過(guò)自身與機(jī)器人連接的輸出端口發(fā)處信號(hào)來(lái)觸發(fā)對(duì)應(yīng)的機(jī)器人輸入端口并調(diào)用相應(yīng)的三個(gè)子函數(shù)D-F其中一個(gè)，執(zhí)行動(dòng)作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至傳送帶終點(diǎn)，抓取物料并根據(jù)識(shí)別到的形狀信號(hào)而將該物料搬運(yùn)至相應(yīng)的物料庫(kù)中存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)分揀作業(yè)。

以上為合格物料的工作流程，在稱重環(huán)節(jié)中，當(dāng)稱取的物料小于設(shè)定值，將定義為物料不合格，由PLC的輸出信號(hào)同樣會(huì)觸發(fā)機(jī)器人的輸入端口調(diào)用子函數(shù)C，此時(shí)機(jī)器人同樣會(huì)抓取物料搬運(yùn)至傳送帶進(jìn)行運(yùn)輸。不同的是在經(jīng)過(guò)視覺(jué)檢測(cè)位置時(shí)，設(shè)定程序?yàn)椴煌Ｏ码姍C(jī)來(lái)執(zhí)行拍照觸發(fā)氣缸動(dòng)作，而是直接運(yùn)行至傳送帶終點(diǎn)停下，在傳送帶的終點(diǎn)有一個(gè)出口通道，當(dāng)不合格物料到達(dá)終點(diǎn)后，將觸發(fā)該位置的推料氣缸動(dòng)作，將不合格物料推出傳送帶，從出口通道進(jìn)入到廢料區(qū)進(jìn)行集中收集。

當(dāng)完成一個(gè)物料的運(yùn)輸后，PLC將通過(guò)料庫(kù)的位置開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)初始料庫(kù)中是否還有未檢測(cè)的物料，若存在物料則繼續(xù)執(zhí)行以上步驟進(jìn)行檢測(cè)與分揀。若未檢測(cè)到則通過(guò)上位機(jī)告知操作人員分揀作業(yè)完成，設(shè)備自動(dòng)回到原點(diǎn)并停止工作。在整個(gè)工作過(guò)程中，通過(guò)溫濕度對(duì)控制系統(tǒng)的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)異常情況，如溫度過(guò)高的現(xiàn)象，則停止工作并觸發(fā)警報(bào)鈴聲，上位機(jī)上以為出現(xiàn)相應(yīng)警報(bào)彈窗與蜂鳴，以便讓操作人員在第一時(shí)間得到消息并迅速做出處理，確保設(shè)備與人員的安全。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)搭建

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中稱重設(shè)定，運(yùn)行監(jiān)控，料庫(kù)數(shù)據(jù)查看等功能需求，設(shè)計(jì)基于IFIX的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)界面[7]。如圖7所示，系統(tǒng)可選取遠(yuǎn)程控制或者就地控制，當(dāng)遠(yuǎn)程遠(yuǎn)程控制時(shí)，便可通過(guò)控制面板的啟動(dòng)停止按鍵控制系統(tǒng)運(yùn)行。同時(shí)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)查看運(yùn)行情況，當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警會(huì)立即停止系統(tǒng)并點(diǎn)亮報(bào)警指示燈?？赏ㄟ^(guò)稱重臺(tái)數(shù)據(jù)和料庫(kù)狀態(tài)查看分揀過(guò)程中的物料重量值，判斷是否合格，查看各料庫(kù)儲(chǔ)存情況，并對(duì)物料合格率進(jìn)行計(jì)算分析。

圖7 分揀系統(tǒng)監(jiān)控界面

遠(yuǎn)程控制中的信號(hào)連接是通過(guò)OPC協(xié)議技術(shù)采集PLC的信號(hào)存儲(chǔ)于PC中，使用IFIX的OPC Server，如圖8所示，選擇S7200SMART.OPCServer，使IFIX的數(shù)據(jù)標(biāo)簽點(diǎn)與PC中的PLC信號(hào)對(duì)接，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控以及數(shù)據(jù)采集。

圖8 OPC Sever參數(shù)設(shè)定

5 結(jié)語(yǔ)

基于PLC的物料分揀遠(yuǎn)程監(jiān)制系統(tǒng)采用PLC作為主控設(shè)備，與工業(yè)機(jī)器人、視覺(jué)裝置、稱重傳感器等設(shè)備交互配合，通過(guò)遠(yuǎn)程上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控查看，實(shí)現(xiàn)物料運(yùn)輸過(guò)程中的分揀與合格篩選。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)通訊快速并且分揀效果良好，達(dá)到效率和效益的預(yù)期要求。