基于組態(tài)王的現(xiàn)代物流模擬系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計(jì)

羅慧芳，許清泉，秦 清

（常州工學(xué)院，江蘇 常州 213002）

項(xiàng)目針對JDP2000物流模擬系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)要求界面形象，立體感強(qiáng)；準(zhǔn)確監(jiān)控物流系統(tǒng)的動作過程；物流系統(tǒng)硬件核心為PLC控制，由三菱FX2N作為控制器，系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)能夠按要求完成物件的裝配和緩沖功能。根據(jù)物流模擬系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控設(shè)計(jì)對界面的設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用組態(tài)軟件制作界面，而界面中的畫面則采用三維軟件單獨(dú)制作的方法。對物流模擬系統(tǒng)聯(lián)機(jī)運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)控制自動化。

1 軟件確定及動畫制作方案

工控組態(tài)軟件集成了圖形技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，使控制系統(tǒng)開發(fā)人員只需通過可視化的組態(tài)方式，完成監(jiān)控程序設(shè)計(jì)。常用的組態(tài)軟件：組態(tài)王、MCGS、WinCC、力控等。基于項(xiàng)目設(shè)計(jì)中對界面的要求比較高，并考慮運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件制作現(xiàn)代物流模擬系統(tǒng)的三維模型，所以采用組態(tài)王。組態(tài)王能靈活運(yùn)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(qiáng)。三維軟件選用3DSMAX。

動畫制作方案：用3DSMAX繪出現(xiàn)代物流模擬系統(tǒng)某單元中整個(gè)單元的三維畫面，處理好每個(gè)相關(guān)的元件，將其連接或合并。經(jīng)過上色，貼圖，材質(zhì)，渲染，將整個(gè)系統(tǒng)的動作制作成一幅動畫，再將動畫以一個(gè)完整畫面的形式載入組態(tài)軟件中去，這樣制作多個(gè)畫面。當(dāng)軟件得到PLC的信號時(shí)，切到相應(yīng)的畫面上去。這種方案靈活性較差，但是整個(gè)畫面界面形象，立體感強(qiáng)，動作流暢。

2 3DSMAX基本畫面設(shè)計(jì)

2.1 基本畫面的制作

創(chuàng)造3DS MAX三維造型，從標(biāo)準(zhǔn)幾何體到復(fù)雜三維模型，最常用的就是使用Modify命令面板對模型進(jìn)行修改。使用修改器對物體進(jìn)行修改，可實(shí)現(xiàn)對物體整體和局部的修改，并能隨時(shí)對每一種修改器進(jìn)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(xiàng)，則可以在Object Type中選擇不同的工具，這些工具可以通過多個(gè)物體來創(chuàng)建一個(gè)新的“復(fù)合”幾何體模型。

利用以上的方法，根據(jù)每個(gè)單元的真實(shí)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(zhuǎn)盤的繪制方法為例：

（1）在命令面板Create中選擇Geometry，點(diǎn)擊Cylinder，并拖動鼠標(biāo)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(shè)置其半徑（Radius）為50，高度（Height）為4，圓面分段數(shù)（Side）64，繪制圓柱體如圖1所示。

圖1 圓柱體效果圖

（2）轉(zhuǎn)盤中有4個(gè)長方形的洞，要將其挖去，采用布爾運(yùn)算：繪制一個(gè)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(jìn)行布爾運(yùn)算：點(diǎn)擊選擇布爾運(yùn)算的第一物體——圓柱體，在命令面板Create的Geometry中選擇Compound Objects，點(diǎn)擊Boolean按鈕，再點(diǎn)擊ick Operand按鈕，選擇布爾運(yùn)算的第二物體——長方體，即可做成轉(zhuǎn)盤上的缺口形狀，其他三個(gè)長方形的洞也是如此做法。制作完成的轉(zhuǎn)盤如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)盤

其他部件繪制方法類似，繪制時(shí)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(yùn)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(zhì)和貼圖效果來模擬真實(shí)的物體，這種方法稱為渲染。任何效果只有經(jīng)過渲染處理，才能顯示出最佳的視覺效果。

1）賦予材質(zhì)。所謂材質(zhì)，即一些指定給物體表面的顯示參數(shù)，使物體在渲染時(shí)顯示出不同的外部特征。使用材質(zhì)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(zhì)為例：

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

（2）選擇一個(gè)材質(zhì)球，對該材質(zhì)球進(jìn)行編輯，在Shader Basic Parameters下拉菜單中選擇材質(zhì)（Metal），在基本參數(shù)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(huán)境（Environment），彈出 Environment and Effects對話框，選擇 Use Map，點(diǎn)擊NULL，彈出 Material/Map Browser編輯對話框，雙擊（位圖），打開導(dǎo)入的圖片文件，設(shè)計(jì)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(qū)選擇Perspective視圖，使其邊框變成黃色，鍵入F10，在Common標(biāo)簽下面，改變 Output Size的大小，選擇，點(diǎn)擊（渲染）按鈕，3DS MAX會渲染好所需的圖片。

3 組態(tài)王監(jiān)控設(shè)計(jì)

3.1 工程的建立

打開組態(tài)王，出現(xiàn)組態(tài)王工程管理器，點(diǎn)擊新建，鍵入工程名：（1）裝配單元，（2）緩沖單元；工程描述：現(xiàn)代物流模擬系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)，完成工程建立，并將其設(shè)置為當(dāng)前工程。

3.2 組態(tài)王與PLC的通訊

1）I/O設(shè)備的定義。組態(tài)王中的I/O變量與具體I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)交換是通過邏輯設(shè)備名來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)工程人員在組態(tài)王中定義I/O變量屬性時(shí)，就要指定與該I/O變量進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的邏輯設(shè)備名。本系統(tǒng)控制設(shè)備PLC（三菱FX2N－64MR），與計(jì)算機(jī)相連的I/O設(shè)備。定義串口I/O設(shè)備的配置，由設(shè)備配置管理器完成。

雙擊工程管理器界面左側(cè)目錄樹中的COM1，進(jìn)行設(shè)置：數(shù)據(jù)位選擇7；停止位1；通信方式RS422。新建邏輯設(shè)備，隨導(dǎo)向進(jìn)行設(shè)定。生產(chǎn)廠家：三菱；設(shè)備名稱：FX2；通信描述：編程口；為設(shè)備鍵入邏輯名稱：PLC，設(shè)備連接口為：COM1，完成設(shè)置。

2）I/O變量的定義。數(shù)據(jù)庫是“組態(tài)王”的核心部分。在數(shù)據(jù)庫中存放的是變量的當(dāng)前值，變量包括系統(tǒng)變量和用戶定義的變量。變量的基本類型有兩類：內(nèi)存變量、I/O變量。I/O變量是指可與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的變量，數(shù)據(jù)交換是雙向的、動態(tài)的。在“組態(tài)王”系統(tǒng)運(yùn)行過程中，每當(dāng)I/O變量的值改變時(shí)，該值就會自動寫入下位機(jī)或其他應(yīng)用程序；每當(dāng)下位機(jī)或應(yīng)用程序中的值改變時(shí)，“組態(tài)王”系統(tǒng)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(shù)據(jù)詞典”項(xiàng)，右側(cè)的內(nèi)容顯示區(qū)會顯示當(dāng)前工程中所定義的變量。雙擊“新建”圖標(biāo)，彈出“定義變量”屬性對話框。并對其進(jìn)行編輯設(shè)置，以第一單元回轉(zhuǎn)按鈕為例，將其變量名定義為“回轉(zhuǎn)START”；變量類型：I/O離散；連接設(shè)備：plc；寄存器：X034；數(shù)據(jù)類型：Bit；讀寫屬性：只寫。其他變量也類似。

3.3 監(jiān)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(jìn)入組態(tài)王“開發(fā)系統(tǒng)”。以裝配系統(tǒng)的制作為例。

（1）標(biāo)題欄的制作。選擇目錄樹上的畫面，新建，在工具箱中選擇點(diǎn)位圖，并使點(diǎn)位圖覆蓋整個(gè)畫面，為該畫面鋪設(shè)背景；再以文本在畫面上寫“現(xiàn)代物流模擬系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)——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(gè)符合的按鈕，加入畫面中。還是以回轉(zhuǎn)按鈕為例：右擊該按鈕圖標(biāo)，選擇動畫連接，出現(xiàn)動畫連接對話框，點(diǎn)擊“按下時(shí)”命令語言連接，然后在命令語言框中鍵入：＼本站點(diǎn)＼回轉(zhuǎn)START＝1；＼本站點(diǎn)＼回轉(zhuǎn)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(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，也是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的顯示部分。創(chuàng)建一個(gè)新的畫面，畫面名稱：動畫。在工具欄中選擇點(diǎn)位圖，并在畫面中拖動鼠標(biāo)，使點(diǎn)位圖覆蓋整個(gè)畫面，右鍵點(diǎn)擊點(diǎn)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(diǎn)位圖中；點(diǎn)擊右鍵，選擇動畫連接，彈出動畫連接對話框，在特殊欄中，點(diǎn)擊隱含按鈕，出現(xiàn)隱含對話框，并對其編輯。將條件表達(dá)式中鍵入對應(yīng)變量，并判斷其是否等于1，當(dāng)其為1時(shí)，使該畫面顯示。依次載入所有畫面，并使畫面與相應(yīng)變量連接。

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

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(jī)提供方料，然后方料滑入轉(zhuǎn)盤輸送帶的凹槽處。轉(zhuǎn)盤輸送帶旋轉(zhuǎn)180°，圓方料裝配。在吸盤手工作完成裝配后，轉(zhuǎn)盤輸送帶再次旋轉(zhuǎn)180°，原料從凹槽處落下，進(jìn)入傳送機(jī)構(gòu)（帶式），最后由機(jī)械臂工作將其移動到緩沖站。

（2）程序流程。確定運(yùn)行方式，自動/手動。如果是手動操作：則按照手動工作流程進(jìn)行操作。如果是自動運(yùn)行狀態(tài)，先確定是否具有報(bào)警信號，有則進(jìn)行報(bào)警，無則啟動系統(tǒng)。傳送帶啟動，然后井式供料機(jī)工作，將方料放置在工位，推出方料后，轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)，檢測傳感器狀態(tài)，無誤后進(jìn)行加圓料（裝配）過程。完成裝配后，轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)，方料落入傳送帶，確定方料已經(jīng)到位，轉(zhuǎn)臺停轉(zhuǎn)。傳送帶將原料傳送至指定位置，機(jī)械臂工作運(yùn)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(jìn)行貨物的供給，由帶式傳送機(jī)將貨物輸送到A/B處庫進(jìn)料處，再由氣動裝料裝置將貨物移進(jìn)斗式緩沖庫。當(dāng)堆垛單元需要貨物時(shí)，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(jìn)行預(yù)選。

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

在出貨時(shí)也要選擇個(gè)倉庫進(jìn)行出貨處理，如果選擇的倉庫并沒有貨物儲存則報(bào)警。可以先將貨物入庫后再出庫也可以選擇另一個(gè)有貨物的倉庫出貨。出貨后，貨物由傳送帶運(yùn)至堆垛站處理。

5 調(diào)試

5.1 硬件調(diào)試

在硬件調(diào)試的過程中，遇到不少問題：傳感器的位置不佳，在原料經(jīng)過傳感器或者無物體經(jīng)過時(shí)，傳感器發(fā)出錯(cuò)誤的信號；復(fù)位后，裝置的位置不正確，導(dǎo)致啟動后有運(yùn)行錯(cuò)誤；PLC的PG模塊，不運(yùn)行，失電不正常；電磁閥氣管漏氣導(dǎo)致氣缸動作不正常。逐一解決。

5.2 軟件調(diào)試

將PLC與計(jì)算機(jī)通訊測試。打開現(xiàn)代物流模擬系統(tǒng)，上電并恢復(fù)初始狀態(tài)。在組態(tài)王中點(diǎn)擊目錄樹設(shè)備里面的COM1，窗口中出現(xiàn)之前建立的設(shè)備名稱：plc。右擊，并選擇“測試plc”，打開設(shè)備測試標(biāo)簽，任意輸入一個(gè)線圈名稱，點(diǎn)擊添加按鈕，將其添加至采集列表，可以添加1～3個(gè)作為測試用，添加好之后，點(diǎn)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(shè)置。

在起初的聯(lián)機(jī)中，組態(tài)王與PLC的通訊失敗，正確的通訊設(shè)置應(yīng)該為：數(shù)據(jù)位選擇7；停止位為1；通信方式為：RS422。“切換到VIEW”，進(jìn)入組態(tài)王畫面運(yùn)行系統(tǒng)。打開畫面，選擇打開“標(biāo)題”、“控制”、“報(bào)警”、“動畫”四個(gè)畫面，監(jiān)控系統(tǒng)就能對現(xiàn)代物流模擬系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控：點(diǎn)擊控制畫面中的按鈕，物流模擬系統(tǒng)就會做出相應(yīng)的動作；當(dāng)物流模擬系統(tǒng)做出動作的時(shí)候，動畫畫面就會顯示相應(yīng)的動作；當(dāng)物流系統(tǒng)的部分發(fā)生故障時(shí)，報(bào)警畫面中相應(yīng)的故障報(bào)警燈就會閃爍。

5.3 組態(tài)王監(jiān)控調(diào)試效果

以裝配站為例說明，下面是調(diào)試過程中的控制運(yùn)行界面截圖。

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

圖4 裝配站啟動界面

6 結(jié)語

本項(xiàng)目是江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目，結(jié)題時(shí)提供了完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書、PLC控制程序及基于組態(tài)王設(shè)計(jì)的系統(tǒng)用戶程序及聯(lián)機(jī)調(diào)試效果圖。從整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、PLC控制程序設(shè)計(jì)，到運(yùn)用組態(tài)王監(jiān)控設(shè)計(jì)，涵蓋了電氣控制、監(jiān)控設(shè)計(jì)等主要工業(yè)控制技術(shù)，學(xué)生通過完成該項(xiàng)目，專業(yè)知識及綜合應(yīng)用能力得到學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，并具有一定的工程運(yùn)用能力。

圖5 裝配站方料進(jìn)貨界面

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