趙 悅，莫 莉，張 陽

(成都大學 機械工程學院，四川 成都 610106)

0 引 言

分揀在我們?nèi)粘Ｉ钪惺制毡椋〉絺€人物資的整理與分類，大到工業(yè)中各種物料的分揀.目前，主要的物料分揀體現(xiàn)在物流方面，隨著科技的發(fā)展，網(wǎng)上電商的購物方式被人們普遍接受，隨之而來的是快遞行業(yè)的迅速興起與發(fā)展.各種類別的快遞貨品層出不窮，這就更加要求物料分揀的高效率和精確的區(qū)別能力.顯然，僅用人力來解決相關問題已經(jīng)不能滿足當前的實際生產(chǎn)需求，需要對相關的流程進行技術創(chuàng)新與改革.故物料自動分揀技術得到了廣泛地重視與發(fā)展，其主要技術特征是按照物料的特性與特征等，選取適當?shù)膫鞲衅鲗δ澄锪线M行單一識別，且不被其他物料所干擾.物料被精確識別后分揀到相應的位置，從而完成物料的自動分揀[1].針對上述技術特征，本研究利用西門子PLC設計了一種物料自動分揀的系統(tǒng)，其物料分揀的人機界面可以通過西門子博圖軟件來進行設計，同時，通過在軟件中進行程序設計和WINCC組態(tài)設計，模擬仿真實際生產(chǎn)流程中的物料自動分揀的過程.本設計的人機操作界面，可視性好，可方便地根據(jù)實際應用場景進行靈活改變.

1 物料分揀控制系統(tǒng)總體結構設計

本研究的物料分揀控制系統(tǒng)的總體結構設計主要由主電機、分電機、主傳送帶、次傳送帶和各種類型的專用傳感器以及與之對應的電磁閥控制的氣缸等組成，具體結構如圖1所示.

圖1 物料分揀系統(tǒng)總體結構示意圖

物料分揀控制系統(tǒng)各模塊的主要功能為：

1)主電機.為系統(tǒng)提供動力，帶動主皮帶的傳送，對物料進行補給和傳送至各檢測點.

2)分電機.將分揀出來的物料運輸?shù)较鄳牧喜壑?

3)主傳送帶.和主電機配套使用，對傳送帶上的物料進行傳輸.

4)次傳送帶.和分電機配套使用，對已經(jīng)分檢出的物料進行傳輸.

5)傳感器.本系統(tǒng)結構中設置了4個傳感器，分別有不同的特點.具有獨立檢測物料的能力，可將檢測出的信號反饋給PLC，同時，PLC給出輸出信號.

6)氣缸和電磁閥.接收PLC發(fā)送出來的輸出信號，氣缸根據(jù)接收信號的高低，給出相應的分揀動作.若信號為高電平，氣缸執(zhí)行推動動作;相反的情況下，氣缸回縮或者保持原靜止狀態(tài)，此時氣缸和對應傳感器未接收到信號，電平保持為低[2].

2 物料分揀控制系統(tǒng)硬件設計

物料分揀控制系統(tǒng)硬件包括PLC、傳感器、主電機、分電機以及小型氣缸等部件.硬件之間的關系如圖2所示.

圖2 物料分揀系統(tǒng)硬件設計關系示意圖

物料分揀系統(tǒng)硬件設計采用西門子PLC的CPU為1214C DC/DC/DC，采用的HMI觸摸屏為TP1200系列.根據(jù)整個PLC控制的物料自動分揀裝置的控制要求，系統(tǒng)的輸入有30個,系統(tǒng)的輸出有13個.系統(tǒng)分配的輸入與輸出端口如表1與表2所示.

表1 PLC的I/O口分配(輸入)

表2 PLC的I/O口分配(輸出)

3 物料分揀控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 PLC程序設計

物料分揀控制系統(tǒng)軟件設計采用西門子博圖V15編程軟件，其適用于西門子系列PLC 300、400、1200與1500系列CPU的編程、軟件調試、仿真以及組態(tài)界面設計，支持LAD和STL語言，其中，PLC 1200不支持STL語言，均可以在Windows 10環(huán)境中運行[3].

本PLC控制系統(tǒng)的軟件設計有手動控制和自動控制2種運行模式，并通過按鈕進行方式選擇.PLC程序包括1個主程序和6個子程序，這6個子程序分別是位置模塊FC1、模式切換模塊FC2、手動模式模塊FC3、自動模式模塊FC4、狀態(tài)模塊FC5以及輸出模塊FC6子程序.PLC控制系統(tǒng)的主程序流程如圖3所示.

圖3 PLC控制系統(tǒng)主程序流程圖

根據(jù)生產(chǎn)設備使用流程，本控制系統(tǒng)的PLC對物料分揀的順序控制功能圖如圖4所示.

圖4 物料分揀控制系統(tǒng)的順序流程圖

控制系統(tǒng)通電之后，具有可供選擇的2種工作模式,即手動模式和自動模式.

手動模式：各模塊處于靜止狀態(tài)，各指示燈均處于熄滅狀態(tài)或者呈關閉顏色的狀態(tài).在不知道系統(tǒng)的運行狀態(tài)和系統(tǒng)設備是否正常的情況下，需首先選擇手動模式，對模塊設備進行調試.檢查主電機與分電機能否正常通電轉動，并帶動皮帶朝著物料分揀運輸方向旋轉，各傳感器能否正確做出信號輸入響應，氣缸執(zhí)行推動動作.確認無誤后，再選取自動模式[4].

自動模式：點擊啟動按鈕，主電機指示燈亮，主電機通電，主皮帶朝著運輸方向運動，同時物料開始進入主皮帶.本系統(tǒng)選取的傳感器暫定名稱為傳感器1、傳感器2、傳感器3與傳感器4，每個傳感器分別檢測的物料為物料1、物料2、物料3與物料4,傳感器的位置與對應氣缸并排靠近.若待識別物料為物料3時，傳感器1、2與4上的指示燈無響應，傳感器3指示燈亮，表示對該物料識別成功.傳感器3將檢測信號傳送給PLC中，同時PLC根據(jù)程序設定，傳感器3旁邊的氣缸對識別出來的物料3執(zhí)行推出動作，并將其推送到相應的次皮帶上.在開始推動過程中，分電機指示燈亮表示已啟動對應的分電機，于是分電機帶動次皮帶朝著料槽中運動.

氣缸將識別出來的物料推入次皮帶后，主皮帶依舊繼續(xù)輸送其他物料到傳感器檢測點.之前分揀出來的物料在次皮帶上一直運輸?shù)搅喜壑泻螅摯纹嚯姀臀?完成分揀工序.其他物料的識別、對應傳感器、氣缸和次皮帶的動作流程也按照上述的流程進行.

此外，在每個次皮帶的末端，也就是料槽口處，均設置了一個變量，用來顯示輸出已經(jīng)分揀出來的同類物料數(shù)目，在主皮帶的進料口端也設置了一個變量，用來累計此刻參與分揀物料的總數(shù)目.主皮帶的末端也有一個變量，表示未被傳感器識別出來的其他物料的數(shù)目統(tǒng)計，這主要是考慮到現(xiàn)實生產(chǎn)場景中出現(xiàn)次品等情況.

3.2 組態(tài)界面設計

西門子博圖V15軟件有極其強大的組態(tài)界面設計和仿真的能力.在本研究中，首先，創(chuàng)建項目，選擇PLC型號和觸摸屏HMI型號；然后，用PN/IE-1網(wǎng)線連接，實現(xiàn)CPU與HMI的通訊.具體過程如圖5所示.

圖5 設備之間的網(wǎng)絡連接示意圖

接下來進行HMI變量的創(chuàng)建，該過程與程序設計里PLC變量的創(chuàng)建是一樣的，只是沒有關于地址的定義，而是多了一些連接性，以實現(xiàn)2種效果.

1)HMI變量的創(chuàng)建是為了能和PLC變量連接.連接的目的是表示此時HMI畫面的變量是受PLC中的梯形圖控制.創(chuàng)建HMI變量后，將相應的數(shù)據(jù)類型選擇好，選擇連接方式為HMI連接，此時會自動出現(xiàn)一個PLC-1，表示和PLC變量已經(jīng)關聯(lián)完成.

2)另一種連接是內(nèi)部容量，此時變量不受前面的程序控制.創(chuàng)建名字和數(shù)據(jù)類型，選擇連接類型為內(nèi)部變量，后面就沒有PLC-1.這種變量的創(chuàng)建表示此變量不受PLC中的梯形圖控制，而是自己獨立在畫面中設置起作用.圖6所示為部分HMI變量[5].

圖6 部分HMI變量示意圖

同時，根據(jù)設計需要，選擇工具箱的選項進行根畫面的設計，其最終界面如圖7所示.

圖7 物料分揀系統(tǒng)界面示意圖

如圖7所示，物料在主皮帶和次皮帶上的運輸中，使能的BOOL變量呈綠燈狀態(tài)，表明模塊正處于運行狀態(tài).系統(tǒng)總共有6個I/O域分別統(tǒng)計總數(shù)目、4種物料的數(shù)目以及其他物料的數(shù)目，5個電機在傳送帶的下側，傳感器右側為氣缸.

在組態(tài)界面上，除了按鈕、I/O域與指示燈的添加外，代表物料的黃色方塊和氣缸都可以實現(xiàn)動態(tài)運行.下面以繪制一個正方形代表物料為例進行說明，物料的形狀可以利用畫面中的工具箱來制作，物料的顏色可以在選中該正方形后，點擊下方的屬性，通過屬性中的常規(guī)項可以對物料的顏色、尺寸與位置等進行重新定義.定義結束后，選擇動畫一欄，可以看見下方有移動的設置.移動主要分為水平移動和垂直移動.圖8為物料的水平移動設置，表示物料在傳送帶上從左往右運動到某個位置.位置可以自由選擇，既可以通過選擇該物料進行水平拖動，也可以通過在水平移動手動輸入要移動到某個位置的坐標點.水平移動的Y軸數(shù)值不變.水平移動變量名稱為“調試_主皮帶位置”，這個名稱就是HMI變量里的某個變量.此時就是將物料的水平移動和HMI變量進行綁定.變量名稱下的范圍為0～50，0代表(203，191)，50代表(1018，191)，當物料從0變化到50時，物料就移動到了目標位置(1018，191)，這段水平距離被分成了50份.

圖8 物料移動設置界面示意圖

當程序和組態(tài)設計完成后，還需要聯(lián)合程序與組態(tài)進行調試，進行WINCC組態(tài)模擬仿真，然后將程序塊轉為在線.程序在執(zhí)行方面分為2個部分，通電的部分呈綠色，未通電的部分為藍色的短虛線.圖9所示為組態(tài)仿真和程序監(jiān)視，在HMI畫面中點擊開始仿真，然后啟用程序監(jiān)視，給畫面一個動作執(zhí)行，此時可以觀察到該畫面模塊對應的程序段，梯形圖由相應的藍色虛線轉為綠色的通電狀態(tài).據(jù)此可以判斷是否按照設計的要求進行通電執(zhí)行來調試模塊功能[6].

圖9 組態(tài)仿真和程序監(jiān)視示意圖

程序和組態(tài)調試成功后，將程序下載至PLC進行裝載.當PLC通電后，各模塊處于靜止狀態(tài)，HMI觸摸屏手動模式狀態(tài)燈亮，表示正在運行中，可以通過點擊各主電機與分電機的啟動和停止按鈕，判斷電機能否正常工作.氣缸推動動作也可進行啟動、停止按鈕調試.在手動模式運轉正常無誤后，點擊組態(tài)中的自動模式啟動按鈕，自動模式處于運行狀態(tài)中，各物料從主傳送帶左側依次進入，并向右側運輸.當某傳感器對該物料敏感，就會發(fā)出信號給PLC，同時PLC根據(jù)梯形圖程序設置，該傳感器旁的氣缸得到PLC的輸出信號，將物料推動到次皮帶上，同時次皮帶通電將該物料送到目的地后再斷電復位.未得到敏感信號的其他傳感器依舊處于待接收信號狀態(tài)，其旁邊的氣缸處于初始壓縮狀態(tài).其他待分揀物料的動作和上述工作原理類似[7].

此外，組態(tài)還可將參與的分揀物料進行總數(shù)統(tǒng)計，并將各物料的分類數(shù)目顯示在界面中，實現(xiàn)對物料數(shù)目的監(jiān)控.

4 結 論

本研究設計的物料分揀控制系統(tǒng)利用西門子PLC 1214進行設計，通過采用博圖軟件實現(xiàn)對物料分揀的軟件設計和組態(tài)界面設計，并能夠通過該軟件對系統(tǒng)設計進行良好的優(yōu)化改善.系統(tǒng)軟件程序編寫結構嚴謹，組態(tài)具有多樣性，可隨著HMI觸摸屏尺寸的增大，功能性也變得更加豐富與細節(jié)化.同時，利用程序與組態(tài)在電腦或觸摸屏上進行仿真，可觀察到仿真畫面中物料在主皮帶上運輸，傳感器對某一物料識別，氣缸將識別的物料推入次皮帶上，分揀出的物料運輸?shù)较鄳哪康牡兀瑫r對其數(shù)目進行統(tǒng)計并完成分揀，能較好地體現(xiàn)該系統(tǒng)在實際應用場景中的工作原理和應用特點.