基于組態王的現代物流模擬系統監控設計

羅慧芳，許清泉，秦 清

（常州工學院，江蘇 常州 213002）

項目針對JDP2000物流模擬系統進行監控設計。設計要求界面形象，立體感強；準確監控物流系統的動作過程；物流系統硬件核心為PLC控制，由三菱FX2N作為控制器，系統軟硬件設計能夠按要求完成物件的裝配和緩沖功能。根據物流模擬系統運行監控設計對界面的設計要求，運用組態軟件制作界面，而界面中的畫面則采用三維軟件單獨制作的方法。對物流模擬系統聯機運行，實時監控，實現控制自動化。

1 軟件確定及動畫制作方案

工控組態軟件集成了圖形技術、人機界面技術、數據庫技術、控制技術、網絡與通信技術，使控制系統開發人員只需通過可視化的組態方式，完成監控程序設計。常用的組態軟件：組態王、MCGS、WinCC、力控等。基于項目設計中對界面的要求比較高，并考慮運用三維設計軟件制作現代物流模擬系統的三維模型，所以采用組態王。組態王能靈活運用其他軟件所繪制的三維圖像，作為動畫，使畫面更加形象，立體感更強。三維軟件選用3DSMAX。

動畫制作方案：用3DSMAX繪出現代物流模擬系統某單元中整個單元的三維畫面，處理好每個相關的元件，將其連接或合并。經過上色，貼圖，材質，渲染，將整個系統的動作制作成一幅動畫，再將動畫以一個完整畫面的形式載入組態軟件中去，這樣制作多個畫面。當軟件得到PLC的信號時，切到相應的畫面上去。這種方案靈活性較差，但是整個畫面界面形象，立體感強，動作流暢。

2 3DSMAX基本畫面設計

2.1 基本畫面的制作

創造3DS MAX三維造型，從標準幾何體到復雜三維模型，最常用的就是使用Modify命令面板對模型進行修改。使用修改器對物體進行修改，可實現對物體整體和局部的修改，并能隨時對每一種修改器進行修改、刪除以及改變修改器之間的順序，從而獲得滿意的造型。另外，在Create命令面板的Geometry子面板的下拉列表框中選擇Compound Objects選項，則可以在Object Type中選擇不同的工具，這些工具可以通過多個物體來創建一個新的“復合”幾何體模型。

利用以上的方法，根據每個單元的真實式樣和尺寸比例繪制畫面，就可以繪制出所需畫面，以裝配單元轉盤的繪制方法為例：

（1）在命令面板Create中選擇Geometry，點擊Cylinder，并拖動鼠標2次，畫一圓柱體Cylinder1，在命令面板 Modify的Parameters中修改Cylinder1的半徑及高度，設置其半徑（Radius）為50，高度（Height）為4，圓面分段數（Side）64，繪制圓柱體如圖1所示。

圖1 圓柱體效果圖

（2）轉盤中有4個長方形的洞，要將其挖去，采用布爾運算：繪制一個長、寬、高分別為：25、16、10的長方形，將其移至圓柱體上長方形空洞所在的位置。使用（Align）按鈕使其與圓柱體對齊。長方體放置到位后，進行布爾運算：點擊選擇布爾運算的第一物體——圓柱體，在命令面板Create的Geometry中選擇Compound Objects，點擊Boolean按鈕，再點擊ick Operand按鈕，選擇布爾運算的第二物體——長方體，即可做成轉盤上的缺口形狀，其他三個長方形的洞也是如此做法。制作完成的轉盤如圖2所示。

圖2 轉盤

其他部件繪制方法類似，繪制時注意各部分的大小、比例，以及它們之間的相對位置，并靈活運用3DS MAX中，對物體變形等的操作，使繪制出的圖像更加立體、逼真、形象。繪制完成后的裝配站界面如圖3所示。

圖3 裝配站

2.2 畫面的渲染

3DS MAX中，通過物體表面指定不同的材質和貼圖效果來模擬真實的物體，這種方法稱為渲染。任何效果只有經過渲染處理，才能顯示出最佳的視覺效果。

1）賦予材質。所謂材質，即一些指定給物體表面的顯示參數，使物體在渲染時顯示出不同的外部特征。使用材質可以影響物體的顏色、表面光澤和透明度等特性。

以裝配單元的傳送帶賦予材質為例：

（1）點擊選擇傳送帶，在英文狀態下鍵入 M，出現Material Editor編輯對話框。

（2）選擇一個材質球，對該材質球進行編輯，在Shader Basic Parameters下拉菜單中選擇材質（Metal），在基本參數中，Specular Level：500，Glossiness：5，其他屬性不變。

2）背景貼圖。打開裝配單元，在菜單欄—渲染（Rendering）—環境（Environment），彈出 Environment and Effects對話框，選擇 Use Map，點擊NULL，彈出 Material/Map Browser編輯對話框，雙擊（位圖），打開導入的圖片文件，設計中選用圖片 WALL011，單擊打開按鈕后選定，背景的圖像就貼好了。

3）渲染。在視圖區選擇Perspective視圖，使其邊框變成黃色，鍵入F10，在Common標簽下面，改變 Output Size的大小，選擇，點擊（渲染）按鈕，3DS MAX會渲染好所需的圖片。

3 組態王監控設計

3.1 工程的建立

打開組態王，出現組態王工程管理器，點擊新建，鍵入工程名：（1）裝配單元，（2）緩沖單元；工程描述：現代物流模擬系統監控系統，完成工程建立，并將其設置為當前工程。

3.2 組態王與PLC的通訊

1）I/O設備的定義。組態王中的I/O變量與具體I/O設備的數據交換是通過邏輯設備名來實現的，當工程人員在組態王中定義I/O變量屬性時，就要指定與該I/O變量進行數據交換的邏輯設備名。本系統控制設備PLC（三菱FX2N－64MR），與計算機相連的I/O設備。定義串口I/O設備的配置，由設備配置管理器完成。

雙擊工程管理器界面左側目錄樹中的COM1，進行設置：數據位選擇7；停止位1；通信方式RS422。新建邏輯設備，隨導向進行設定。生產廠家：三菱；設備名稱：FX2；通信描述：編程口；為設備鍵入邏輯名稱：PLC，設備連接口為：COM1，完成設置。

2）I/O變量的定義。數據庫是“組態王”的核心部分。在數據庫中存放的是變量的當前值，變量包括系統變量和用戶定義的變量。變量的基本類型有兩類：內存變量、I/O變量。I/O變量是指可與外部進行數據交換的變量，數據交換是雙向的、動態的。在“組態王”系統運行過程中，每當I/O變量的值改變時，該值就會自動寫入下位機或其他應用程序；每當下位機或應用程序中的值改變時，“組態王”系統中的變量值也會自動更新。

在工程瀏覽器中左邊的目錄樹中選擇“數據詞典”項，右側的內容顯示區會顯示當前工程中所定義的變量。雙擊“新建”圖標，彈出“定義變量”屬性對話框。并對其進行編輯設置，以第一單元回轉按鈕為例，將其變量名定義為“回轉START”；變量類型：I/O離散；連接設備：plc；寄存器：X034；數據類型：Bit；讀寫屬性：只寫。其他變量也類似。

3.3 監控界面的制作

單擊工程瀏覽器工具條“MAKE”按鈕或右鍵單擊工程瀏覽器空白處從顯示的快捷菜單中選擇“切換到Make”命令，進入組態王“開發系統”。以裝配系統的制作為例。

（1）標題欄的制作。選擇目錄樹上的畫面，新建，在工具箱中選擇點位圖，并使點位圖覆蓋整個畫面，為該畫面鋪設背景；再以文本在畫面上寫“現代物流模擬系統監控系統——裝配單元”。

（2）控制畫面的制作。畫面名稱：控制；鍵入F2，打開圖庫管理器，在按鈕圖庫中找出一個符合的按鈕，加入畫面中。還是以回轉按鈕為例：右擊該按鈕圖標，選擇動畫連接，出現動畫連接對話框，點擊“按下時”命令語言連接，然后在命令語言框中鍵入：＼本站點＼回轉START＝1；＼本站點＼回轉START＝0；其他各按鈕也依次加入，并輸入命令語言。控制畫面制作完畢。

（3）主畫面的制作。主畫面是整個監控系統的核心，也是整個監控系統的顯示部分。創建一個新的畫面，畫面名稱：動畫。在工具欄中選擇點位圖，并在畫面中拖動鼠標，使點位圖覆蓋整個畫面，右鍵點擊點位圖，在菜單中選擇從文件中加載，將之前做好的動畫畫面加載至點位圖中；點擊右鍵，選擇動畫連接，彈出動畫連接對話框，在特殊欄中，點擊隱含按鈕，出現隱含對話框，并對其編輯。將條件表達式中鍵入對應變量，并判斷其是否等于1，當其為1時，使該畫面顯示。依次載入所有畫面，并使畫面與相應變量連接。

（4）報警畫面的制作。畫面名稱：報警；從圖庫管理器中提取四個指示燈，在指示燈的下方用文本標明：圓料故障、方料故障、提升故障、轉臺故障。右擊指示燈，選擇動畫連接，將其與相應變量相連接。還可以將報警燈設置成為閃爍。

4 系統軟件設計

4.1 裝配站動作及程序流程

（1）動作流程。裝配站首先由井式供料機提供方料，然后方料滑入轉盤輸送帶的凹槽處。轉盤輸送帶旋轉180°，圓方料裝配。在吸盤手工作完成裝配后，轉盤輸送帶再次旋轉180°，原料從凹槽處落下，進入傳送機構（帶式），最后由機械臂工作將其移動到緩沖站。

（2）程序流程。確定運行方式，自動/手動。如果是手動操作：則按照手動工作流程進行操作。如果是自動運行狀態，先確定是否具有報警信號，有則進行報警，無則啟動系統。傳送帶啟動，然后井式供料機工作，將方料放置在工位，推出方料后，轉臺回轉，檢測傳感器狀態，無誤后進行加圓料（裝配）過程。完成裝配后，轉臺回轉，方料落入傳送帶，確定方料已經到位，轉臺停轉。傳送帶將原料傳送至指定位置，機械臂工作運送至緩沖站。

4.2 緩沖站動作及程序流程

（1）動作流程。裝配站進行貨物的供給，由帶式傳送機將貨物輸送到A/B處庫進料處，再由氣動裝料裝置將貨物移進斗式緩沖庫。當堆垛單元需要貨物時，移貨裝置將貨物移至出料傳送帶，并通過出料傳送帶將貨物送到堆垛站。斗式緩沖庫的A庫和B庫可以通過面板上的按鈕進行預選。

（2）程序流程。先確定是否有報警信號，如果有則報警，如果無則進入下一步。回參考點，確定倉庫已經進入初始狀態。然后確定運行方式，自動/手動狀態。手動模式，則進行單步的運行。確定是A庫進貨還是B庫進貨，按鈕面板上選擇，如果選擇的倉庫已經貨滿而沒有出貨則啟動警報，可以先出貨再進貨或者選擇另一個倉庫進行操作。選擇后，傳送帶會將貨物運送至相應的倉庫進行入庫操作。

在出貨時也要選擇個倉庫進行出貨處理，如果選擇的倉庫并沒有貨物儲存則報警。可以先將貨物入庫后再出庫也可以選擇另一個有貨物的倉庫出貨。出貨后，貨物由傳送帶運至堆垛站處理。

5 調試

5.1 硬件調試

在硬件調試的過程中，遇到不少問題：傳感器的位置不佳，在原料經過傳感器或者無物體經過時，傳感器發出錯誤的信號；復位后，裝置的位置不正確，導致啟動后有運行錯誤；PLC的PG模塊，不運行，失電不正常；電磁閥氣管漏氣導致氣缸動作不正常。逐一解決。

5.2 軟件調試

將PLC與計算機通訊測試。打開現代物流模擬系統，上電并恢復初始狀態。在組態王中點擊目錄樹設備里面的COM1，窗口中出現之前建立的設備名稱：plc。右擊，并選擇“測試plc”，打開設備測試標簽，任意輸入一個線圈名稱，點擊添加按鈕，將其添加至采集列表，可以添加1～3個作為測試用，添加好之后，點擊讀取按鈕。若通訊成功，在變量值一欄中可讀取線圈是打開或者是閉合；若顯示通訊失敗，檢查連接線及通訊設置。

在起初的聯機中，組態王與PLC的通訊失敗，正確的通訊設置應該為：數據位選擇7；停止位為1；通信方式為：RS422。“切換到VIEW”，進入組態王畫面運行系統。打開畫面，選擇打開“標題”、“控制”、“報警”、“動畫”四個畫面，監控系統就能對現代物流模擬系統進行監控：點擊控制畫面中的按鈕，物流模擬系統就會做出相應的動作；當物流模擬系統做出動作的時候，動畫畫面就會顯示相應的動作；當物流系統的部分發生故障時，報警畫面中相應的故障報警燈就會閃爍。

5.3 組態王監控調試效果

以裝配站為例說明，下面是調試過程中的控制運行界面截圖。

首先進入開機裝配站啟動界面（如圖4所示），點擊進入自動方式，系統自動完成裝配過程：方料進入工位（如圖5所示），方料指示燈亮；然后，旋轉臺旋轉180度，到位停止，圓料裝入方料中，進行裝配；裝配完成，工件放入傳送帶，由機械手臂搬運至緩沖站。完成裝配站的監控操作。

圖4 裝配站啟動界面

6 結語

本項目是江蘇省大學生實踐創新項目，結題時提供了完整的系統設計說明書、PLC控制程序及基于組態王設計的系統用戶程序及聯機調試效果圖。從整個系統的硬件設計、PLC控制程序設計，到運用組態王監控設計，涵蓋了電氣控制、監控設計等主要工業控制技術，學生通過完成該項目，專業知識及綜合應用能力得到學習和訓練，并具有一定的工程運用能力。

圖5 裝配站方料進貨界面

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