實驗室自動分揀倉儲系統設計

趙立輝，霍春寶，陳曉英

（遼寧工業大學 電氣工程學院，遼寧 錦州 121001）

目前的大學教學體系中，PLC技術作為自動化學科的重點技術，越來越受到電類學科教育工作者的重視?？v觀近幾年在普通高校中PLC技術的實訓實踐設備往往相對封閉，可操作性和改造性不高，造成可設置的、讓學生創新的實驗項目并不多，應用起來并不靈活，學生插拔、連線的操作比較多，而知識體系形成的操作并不多，導致教育教學和工程實際的脫節［1－2］。

為提高學生動手能力，讓實驗設備更貼近實際，讓實驗項目設置靈活，設計研發了實驗室自動分揀倉儲系統。本系統模擬工業現場批量生產中的設備，要求機器設備能自動對工件進行檢測、傳送、加工、裝卸、剔除廢品，采用控制系統將各個部分的動作協調起來，使其按照規定的工藝自動進行工作，形成一套自動化生產線。生產線按模塊化組合，控制器、模塊、接線、界面設計都可以按設計者的思想更改設計方式，系統涵蓋了計算機、工業控制網絡、DeviceNet總線、Control－Logix控制器［3］、氣動機械手、傳感器等技術。在近1年來的實踐教學中，取得了較好的教學效果，學生按組參加實踐環節的鍛煉，得到了PLC技術能力的提高。

本設計研發的系統以遼寧工業大學的工業控制網絡實驗室為平臺，采用羅克韋爾公司的ControlLogix系列產品系統為控制核心，控制器采用西門子、歐姆龍等產品，模塊相應可以配套擴展，程序及界面設計也可按需求和硬件設備采用相應平臺開發。

1 系統總體設計

實驗室自動分揀倉儲系統是以材料分揀裝置、機械手模型和自動立體倉庫模型為基本單元，增加連接部件和PC－LINK網絡技術，使之成為了一套模擬實際工業生產中連續復雜過程的教學裝置。圖1為系統總體結構圖。

圖1 系統總體結構圖

系統技術要求：

（1）分揀材料能夠包括塑料、鐵塊、銅塊等常用工業材料，在傳送帶上可以完成分揀入倉，分揀速度30個／分；

（2）機械手操作，實現10個／分抓取操作，回旋角度180°；

（3）系統具有6個倉儲用倉庫，模擬工業現場真實倉庫，根據實際要求可以按倉完成材料入庫操作。

系統各主要組成部件如下。

1.1 監控主機端

PC機作為監控主機，它是工業控制網絡上的一個節點，主要運行組態程序用于實時監控系統運行，本設計中包括完成硬件組態、控制器文件的實現、設置網絡通信參數、編寫軟件梯形圖及監控自動分揀倉儲系統狀態功能［4］。

1.2 工業控制網絡

實驗室自動分揀倉儲系統采用開放式的工業控制網絡模型NetLinx結構，分為3層：網絡層、控制層和設備層［5－7］，其中管理監控主機處于 EtherNet層、PLC控制器處于ControlNet、輸入輸出設備處于DeviceNet，具體結構如圖2所示。系統中的監控主機主要實現編程、監控等功能，處于3層網絡的最頂層，采用以太網標準協議與網絡連接，設計中可采用西門子、歐姆龍等以太網模塊實現對控制層的連接；PLC是現場控制處理器，設計中采用羅克韋爾自動化公司的1769－L32C模塊連接控制網，可以配套相應的擴展模塊，實現對自動分揀倉儲系統現場設備節點的控制；光電開關、光電傳感器、霍爾元件等設備采用RS485協議連接設備層。

1.3 PLC控制器

圖2 開放式網絡NetLinx結構

控制器是系統的控制核心，為了與教學課程配套，考慮到實驗室的具體情況，學生設計中可以采用西門子、歐姆龍、羅克韋爾的PLC產品；教學中可以某一具體型號PLC為主要講授內容，在實踐教學中可以讓學生在各種PLC上進行實際操作，使學生具有PLC設計實踐工作能力。本文采用羅克韋爾自動化公司的可編程控制器，采用的型號為1769－L32C，其配套的模塊包括各種數字量I／O口、模擬口、通信模塊以及伺服控制器等，與現場工業設計完全一致。

1.4 氣動機械手

機械手模型是一個模擬工業生產過程中自動化設備周邊常見機械手的微縮模型，它使用了氣動驅動、傳感器、位置控制、電氣傳動等技術，具有零組件的自動輸送、取拿和移送功能，可以作為四維運動控制裝置［8］。

該裝置采用架式結構，由氣動組合機械手、輸送帶、供電部件、驅動部件和信號端子等組成，并配有電磁閥、傳感器、直流電機等，配合PLC、單片機等控制器既可構成典型的機電一體化教學模型。機械手工作過程：當模擬零組件的料塊放入取料位的相應位置，機械手將按以下步驟動作：（1）手臂回轉收回；（2）手臂下降；（3）手指張開；（4）手指閉合夾物；（5）手臂抬升；（6）手臂旋轉；（7）手臂前伸；（8）手臂下降；（9）手指張開放物。

1.5 輸入／輸出模塊

輸入／輸出模塊主要連接系統的I／O，模塊要與PLC配套，在學生的實際教學中，讓學生獨自選擇模塊完成教學要求。

2 系統實現

2.1 控制要求

（1）出倉：手動將料塊放入倉庫，系統由電磁閥自動將料塊推出到傳送帶上。

（2）分揀鐵塊：當傳送帶上的傳感器檢測到有鐵塊經過時，將其推入1#庫。

（3）分揀鋁塊：當傳送帶上的傳感器檢測到有鋁塊經過時，將其推入2#庫。

（4）機械手：當傳送帶上的傳感器檢測到有塑料塊經過時，機械手動作，搬到緩沖臺，準備入立體庫，立體庫具有選庫功能，本模型具有4個庫區。

（5）托臺：將立體庫中的空盒子搬到緩沖臺，機械手將藍塊放入后盒子后，再將盒子送回立體庫。

2.2 程序設計

程序的設計是PLC設計的重點，涉及到配置以太網模塊、控制器配置、I／O模塊組態以及梯形圖的編寫，系統可以采用不同的PLC配套相應的程序完成設計［9－12］，學生可以得到多方面的訓練。本文中系統在主機中采用羅克韋爾的RSLogix 5000軟件完成。傳感器檢測、機械手動作、貨物傳送至傳送帶、傳送帶運送貨物至倉庫、檢測入庫、計數報警是自動分揀傳送倉儲系統流程，由主控制器ControlLogix系列的Logix1769處理器控制機械手傳送帶以及托臺電機來完成。具體的主流程圖如圖3所示。

圖3 系統的整體運作流程圖

2.3 顯示界面設計

組態功能由羅克韋爾Factory Talk View實現。在教學過程中可以讓學生采用 MCGS、組態王、WINCC等組態軟件編寫程序，根據項目的不同、工藝流程的不同，學生獨自思考問題，采用不同的軟件完成監控界面的設計，在實踐中取得了較好的效果。

本文采用FactoryTalk View Site Edition軟件設計，用戶只需一次設計圖形顯示畫面，然后將其存儲在服務器內，就可以在網絡上任何一個客戶端訪問這些畫面，無需拷貝、導入、轉換或者重新輸入標簽或命令。設計的組態界面包括登錄用戶驗證界面、運行主界面、按鍵界面和計數界面。同時還完成報表功能。主界面如圖4所示。

圖4 自動分揀倉儲系統組態界面主界面

2.4 調試運行

系統設計運行方式可以為連續運行、選擇入庫方式運行以及按鍵手動運行，運行方式靈活。經過軟硬件組態、網絡組態，根據工藝流程編寫相應程序，經調試上電運行，傳送帶工作正常，可以實現對不同材料的分揀；機械手部分可以流暢運行，完成取物、抓取、放置、運送、分揀等自動生產線工藝流程，托臺部分可以準確地完成左行、右行、上升、下降，取物進、取物出等流程，符合控制要求，能夠靈活地為學生實踐教學服務。

3 系統為學生提供的教學服務

3.1 學生可獲得的能力分析

技術上該系統集光電技術、步進電機控制、傳感器技術、PLC控制技術于一體，是實際運行的工業生產線的實驗室模型，解決了專業實驗設備重理論、輕實踐，連線少、控制復雜但可操作性差的特點，在提高學生專業知識與實際技能的結合上發揮了重要作用。課程教學上，該系統與PLC課程、傳感器課程、電氣控制、控制理論等緊密結合，是相關電類課程的良好實驗設備，該系統具有課程知識綜合性的特點，達到提高大學生創新能力、綜合能力和實踐能力的目的。

3.2 開設的實驗實訓項目

系統設計之初緊密結合電類學生實驗實訓項目需要，能夠開出設計性、綜合性實驗項目10多個，可以采用不同的PLC配套相應的模塊、程序完成項目設計。再結合傳統的實驗設備、電機、模塊等，可以設計出滿足開放實驗、創新性實驗需要的項目，符合新形勢下提高大學生能力的需要。

經過教學實踐，在系統上可以實現綜合性、設計性項目15個，項目可以按年級不同專業學生分組開展教學活動，可由學生自主設計完成，也可以用作工程項目演示使用。實驗項目包括四大類：

（1）基礎性實驗：包括傳送帶產品分揀實驗、機械手取物實驗、自動倉儲實驗及PLC通信控制實驗；

（2）綜合性實驗：包括自動分揀倉儲系統運行實驗、PLC動態界面設計觸摸屏與PLC系統聯合調試實驗、多站臺三層網絡系統設計實驗；

（3）設計性實驗：包括基于MCGS的歐姆龍PLC自動倉儲系統實驗、基于 WINCC的西門子S7－200PLC自動倉儲系統實驗、PLC與控制電機產品聯合設計實驗、多廠家產品互聯倉儲系統實驗等；

（4）演示性實驗：包括自動分揀倉儲系統綜合運行演示。

4 結論

自動分揀倉儲系統設計完成后，經過1年多自動化、電氣專業本科生的實踐教學應用，學生從電氣設計、PLC選型、I／O口分配、擴展模塊選擇、生產工藝等方面經過了系統化、貼近生產實際的訓練，在專業知識、實踐經驗、設計能力等方面都得到了提高，取得了較好的教學效果；同時，可以與專業的生產設計廠家配合，設計研究出配套的、符合生產實際設備的模塊與本系統結合使用；讓學生獨立思考，可以滿足多專業、多層次的學生實驗、實踐教學需要，為國家、省大學生創新項目、競賽項目服務。

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