何光明，帥江華

(上饒職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 上饒 334109)

1 設(shè)計需求

隨著我國物流行業(yè)發(fā)展規(guī)模不斷壯大，物流企業(yè)對貨品自動化搬運的作業(yè)需求量也不斷增多，傳統(tǒng)模式下，大多數(shù)物流企業(yè)主要依靠半自動化機械手系統(tǒng)完成貨品的搬運作業(yè)，存在自動化程度低、人機交互性不強、工作方式單一等問題，制約著物流企業(yè)搬運作業(yè)效率的提升?；诖?，綜合應(yīng)用PLC、組態(tài)和機械手控制技術(shù)設(shè)計一款全自動化、多工作方式和人機交互性更強的物流貨品搬運系統(tǒng)，為解決物流企業(yè)的貨品自動化搬運問題提供全新的方案。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖如圖1所示，整個機械手由電磁閥組、氣路模塊、限位傳感器和PLC聯(lián)合控制，選用了S7-200型PLC的I0.1～I0.4 4個輸入地址，其中，I0.1和I0.2分別與下限位和上限位傳感器連接，I0.3～I0.4分別與右限位和左限位傳感器連接；輸出選用了PLC的Q0.0～Q0.4 五個地址位，分別與下降、加緊、上升、右行、左行電磁閥線圈連接。實際工作時，在PLC程序的控制下，機械手可在A點抓取待搬運的物流貨品，按照設(shè)計好的路線搬運至B點，當(dāng)貨品被夾緊時，Q0.1被置位，當(dāng)貨品被松開時，Q0.1被復(fù)位。在機械手部件的選取上，選用SAR12-1400型擺臂沖壓機械手。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

2.2 功能設(shè)計

該系統(tǒng)的功能操作面板設(shè)計如圖2所示，根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的自動、手動、回原點等多種工作方式，在功能操作面板上設(shè)計了相應(yīng)的操作按鈕。其中，I2.0～I2.4分別為手動控制、回原點控制、單步控制、單周期控制、自動連續(xù)控制與PLC外部輸入地址的連接點，I0.5～I1.2分別為手動上升、左行、松開、下降、右行、夾緊按鈕與PLC外部輸入地址的連接點，I2.6為系統(tǒng)啟動按鈕、I2.7為系統(tǒng)停止按鈕。此外，為保證在緊急情況或系統(tǒng)發(fā)生故障時，能夠快速可靠地切斷負載電源，在功能操作面板上設(shè)置了“負載電源”和“緊急停車”按鈕，當(dāng)PLC運行后按下“負載電源”按鈕，外部負載的KM線圈會通電并自鎖，為外部負載提供交流電信號，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況或系統(tǒng)發(fā)生故障時，可按下“緊急停車”按鈕斷開外部負載上的電源，以起到保護控制的作用。

圖2 系統(tǒng)功能操作面板設(shè)計圖

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件接線設(shè)計

該系統(tǒng)的硬件接線圖如圖3所示，采用西門子S7-200 CPU 226型PLC作為硬件控制核心，按照如圖所示分配輸入和輸出地址端口，按照物流搬運現(xiàn)場作業(yè)需求，設(shè)有手動、自動、回原點等多種工作方式，各方式的具體工作流程設(shè)計如下。

圖3 系統(tǒng)硬件接線圖

1)手動方式。應(yīng)用I0.5～I1.2這6個按鈕控制機械手上升、下降、左行、右行、夾緊和松開貨品物料的單步操作，適用于針對物流貨品搬運位置、位移的精準(zhǔn)調(diào)整。

2)自動方式。當(dāng)機械手處于原點位置時，按下啟動按鈕I2.6，機械手將從原點開始，按照“下降—抓取貨品—上升—右行—下降—放開—上升—左行”的規(guī)律循環(huán)進行物流貨品搬運自動作業(yè)。

3)單周期方式。當(dāng)工作方式選擇按鈕調(diào)至單周期工作方式時，按下啟動按鈕I2.6后，機械手能夠執(zhí)行一個單周期搬運物流貨品作業(yè)，之后返回并停留至原點位置。

4)回原點方式。當(dāng)機械手沒有處在原點位置時，I2.1為高電平，此時按下啟動按鈕I2.6時，機械手能夠返回到原點位置，之后等待自動、手動或單周期運行指令。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)程序采用梯形圖語言編寫，按照順序功能流程的思路為主程序、公用子程序、手動子程序、自動子程序(包括循環(huán)連續(xù)搬運程序、單周期搬運程序)。其中主程序編寫中，以SM0.0作為公用程序的調(diào)用指令，當(dāng)系統(tǒng)上電后，自動進入到公用程序，之后由用戶選擇搬運貨品工作方式，再執(zhí)行相應(yīng)的搬運作業(yè)流程。為保證系統(tǒng)安全運行，在公用程序中設(shè)置了一些聯(lián)鎖程序，本系統(tǒng)的主程序和公用程序如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序及公用程序

3.3 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計

為提升系統(tǒng)應(yīng)用的交互性，應(yīng)用MCGS軟件和TPC7062K觸摸屏設(shè)計組態(tài)子系統(tǒng)。整個組態(tài)界面主要由機械手模塊、指示燈模塊、按鈕模塊3部分構(gòu)成，其中，機械手模塊調(diào)用了MCGS中的機械手空間、矩形控件等，并編寫了動作腳本程序；指示燈模塊選取“指示燈2”控件，并與PLC的I0.5～I1.2地址位建立起邏輯變量關(guān)系，用于動態(tài)地指示機械手的搬運動作；按鈕模塊選取“標(biāo)準(zhǔn)按鈕”控件，并與I0.5～I2.7地址位建立起邏輯變量關(guān)系，用戶可在觸摸屏上按下相應(yīng)的按鈕，對系統(tǒng)進行遠程觸摸控制，系統(tǒng)的組態(tài)界面如圖5所示。

圖5 基于PLC的多種工作方式機械手搬運系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計界面

4 系統(tǒng)應(yīng)用測試

系統(tǒng)設(shè)計并裝配完成后，應(yīng)用于某物流企業(yè)貨品搬運現(xiàn)場進行作業(yè)測試。測試指標(biāo)包括故障次數(shù)、平均響應(yīng)時間、搬運成功次數(shù)。測試方案為：應(yīng)用系統(tǒng)連續(xù)進行100次、300次、500次物流貨品的抓取和搬運作用，收集測試指標(biāo)相關(guān)的數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)計整理，以驗證本系統(tǒng)的應(yīng)用有效性和可靠性，具體的測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)應(yīng)用測試統(tǒng)計表

5 結(jié)語

對系統(tǒng)運行功能進行測試的結(jié)果可知：分別進行100次、300次和500次物流貨品搬運作業(yè)過程中，系統(tǒng)故障發(fā)生率為0%，搬運成功次數(shù)為100%，平均響應(yīng)時間約為1.3 s，說明本系統(tǒng)具有良好的作業(yè)特性，各項指標(biāo)均能滿足物流企業(yè)貨品自動化搬運的需求，具有良好的適應(yīng)性、穩(wěn)定性、可靠性和應(yīng)用性。此外，通過測試現(xiàn)場的人機交互應(yīng)用發(fā)現(xiàn)：所設(shè)計的組態(tài)子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對貨品搬運的遠程交互控制，大大降低了人為硬件控制對系統(tǒng)元件的損耗率，有利于物流企業(yè)節(jié)約維護和更換機械搬運手系統(tǒng)的成本。