基于KingView和MCGS的建筑鋁模板分揀系統①

張運楚,王兆斌,孫 鴿,張漢元,邵 星

1(山東建筑大學 信息與電氣工程學院,濟南 250101)

2(山東省智能建筑技術重點實驗室,濟南 250101)

隨著我國房地產行業的快速發展以及各項工程建設的興起,模板行業得以快速發展,但大多數的工程還是以竹、木模板為主要結構支護材料,消耗了大量的森林資源.建筑行業順應社會節能減排的潮流,在模板體系上開始減少竹、木模板的使用量,而鋁合金模板憑借著其自重輕、重復使用率高的特點,在眾多類型的建筑模板中逐漸脫穎而出[1].住房與城鄉建設部發布了行業產品標準《鋁合金模板》的公告,倡導節能、環保、綠色、可持續發展的社會發展趨勢,未來巨大的建筑模板市場空間下,將為建筑鋁模板帶來更多的發展機會和更高的市場占有率[2].

由于施工承重柱、墻板或樓梯等混凝土工程中,每一部分都需要不同的建筑鋁模板進行組裝支護,這就需要提前將建筑鋁模板按照每一部分的設計清單進行分揀打包,但是現在分揀打包環節完全依靠手工作業,存在分揀效率低、易出錯的問題.目前國內鋁合金模板的生產和租賃企業,在模板周轉使用過程中維修保養、分類打包、堆放配送等環節主要存在效率低、周轉速度慢的弊端,常造成鋁模板積壓,除占用大量場地外,也影響了企業的經濟效益[3].

在傳統物流行業中,自動分揀技術已經得到了很多應用.李建明主要研究了一種串行合流方式的分區自動分揀系統,各物品在各分揀區等待,按照訂單輸送到主傳送帶上,分揀完畢到包裝環節[4].這種方式是在明確待分揀物品的確切位置的前提下分揀的,相當于在超市購物時,消費者在各貨架選取商品,最后在付款處結賬.李昭等人設計了一種合流再分流的分揀裝置,適用于規則包裝的物品分揀,在快遞物流包裝分揀上應用廣泛[5].柯知超研究了一種對多個分揀任務的時序管理系統,很好的解決了對于電子商務中多訂單的分揀問題[6].但是建筑鋁模板分揀主要是針對單個清單的不同模板分揀,而且由于鋁模板形狀大小不一,無法達到規則包裝的分揀要求.考慮到鋁模板在生產工藝流程中的要求,由于鋁模板一開始是按清單生產,但生產完成之后還有一系列的工藝流程,導致了模板的混亂,無法按清單分區排放.針對鋁模板分揀的特點,鋁模板分揀系統按串行分流的方式分揀,為了保證分揀的高準確率,系統在工位處設置觸摸顯示屏,保證工人能實時監控分揀任務的進行,能夠有效減少分揀錯誤率.

為了解決鋁模板分揀效率低、分類錯誤率高的問題,本文基于KingView 和MCGS 設計開發了一套鋁模板分揀系統.首先為每一塊鋁模板設計二維碼標簽,掃描槍掃描二維碼即可識別鋁模板型號、區位等信息,上位機系統按照鋁模板的工程清單將每一次掃描的鋁模板進行分類,并將同一型號鋁模板的數量進行累加.然后上位機系統將每一次的分揀過程信息下發給觸摸屏,工人根據觸摸屏信息進行打包作業.鋁模板分揀系統將鋁模板的分揀打包環節自動化進行,既提高了分揀效率也節省了人力資源.

1 分揀系統總體設計

KingViewKingview 是北京亞控公司開發的組態軟件[7],具有豐富的圖庫和圖庫開發工具,方便實現圖庫中控件與變量參數之間的數據連接,同時提供了大量的設備驅動程序,實現上位機PC 與下位機設備的相互通訊[8].KingView 還具有很強的數據處理能力和一定的網絡功能,可以實現分布式歷史數據庫的管理和遠程監控,以致可以在較短的時間內就能夠開發出畫面美觀、操作簡單、功能齊全的控制系統[9].憑借組態軟件編程簡單,界面形象直觀的特點,本系統采用KingView 組態軟件設計上位機系統,進行采集數據的顯示和與數據庫之間的數據交換.

MCGS 組態軟件與其他相關的硬件設備結合,可以快速、方便的開發各種用于現場采集、數據處理和控制設備的組態系統[10].本系統采用高性能嵌入式一體化觸摸屏,該產品設計采用了10.4 英寸高亮度TFT 液晶顯示屏(分辨率800×600),四線電阻式觸摸屏(分辨率4096×4096),具有良好的電磁屏蔽性,美觀堅固的鋁合金結構以及具備強大的圖像顯示和數據處理功能[11].觸摸屏可由MCGS 組態軟件編寫界面,用于顯示采集的數據和信號的交互,以及實時數據的統計等,具有友好交互的特點.

鋁模板分揀系統由上位機和下位機兩部分組成,系統的總體結構如圖1所示.上位機包括KingView 編寫的組態軟件系統以及存儲信息的數據庫,KingView與數據庫之間的通信是基于ODBC 完成的.下位機包括基于MCGS 觸摸屏的信息交互裝置和用于二維碼數據采集的二維碼掃描槍,M C G S 觸摸屏和KingView 之間是利用Modbus TcpIP 協議完成通信,二維碼掃描槍與KingView 之間是以USB 轉成虛擬串口的方式來模擬RS232 串口進行通信.

圖1 分揀系統總體結構圖

本系統采用QR 二維碼表示鋁模板的型號、區號等信息,如圖2所示.當工程交接以后,首先由模板設計人員設計分區清單,然后將清單導入數據管理系統,同時批量設計并打印二維碼標簽.鋁模板生產完成以后,將二維碼標簽粘貼到鋁模板上,作為鋁模板的身份標識.

圖2 鋁模板的二維碼標簽

分揀打包時,將帶標簽的鋁模板放到分揀傳送帶上,由人工手持二維碼掃描槍掃描,掃描信息經數據管理系統判斷該模板屬于哪一工位,然后將掃描信息和提示信息下發到所屬工位的MCGS 觸摸屏,用于提醒工人進行打包作業.鋁模板分揀系統的整體流程如圖3所示.

2 分揀系統內的通信設置

2.1 分揀系統內的通信設置

開放數據庫連接(Open Database Connectivity,ODBC)解決了異構數據庫間的數據共享問題,現已成為Windows 開放系統體系結構的主要部分和基于Windows 環境的一種數據庫訪問接口標準,ODBC 為異構數據庫訪問提供統一接口,允許應用程序以SQL為數據存取標準,存取不同DBMS 管理的數據,使應用程序直接操縱數據庫中的數據,免除隨數據庫的改變而改變[12].用ODBC 可以訪問各類計算機上的數據庫文件,甚至訪問如Excel 表格和ASCII 數據文件這類非數據庫對象.

圖3 鋁模板分揀系統的整體流程

本文基于Windows 10 操作系統的ODBC 數據源應用配置數據庫連接.由于鋁模板分區清單是Excel 表格形式,在分區清單導入數據管理系統過程中,首先采用“Microsoft Excel Driver (*.xls,*.xlsx,*.xlsm,*.xlsb)”驅動程序創建新數據源,然后在“ODBC 數據源管理程序(64 位)”中建立“墻板清單Excel 庫”的用戶數據源.由于掃描槍每一次的數據采集以及信息交互是通過Access 數據庫完成的,采用“Microsoft Access Driver(*.mdb,*.accdb)”驅動程序創建新數據源,然后在“ODBC數據源管理程序(64 位)”中建立“墻板分揀Access 工作庫”的用戶數據源.

在KingView 中通過建立表格模板和記錄體與數據庫進行數據交互,KingView 的工程瀏覽器界面左側存在SQL 訪問管理器,其子項就是表格模板和記錄體.新建“待分揀墻板工作表模板”的表格模板來定義數據庫中新建表格的結構,通過SQLCreateTable (Access DeviceID,tablename,"待分揀墻板工作表模板")語句來實現,新建的表格模板如圖4所示.記錄體用來連接表格的列和KingView 數據詞典中的變量,本系統新建了四個記錄體用于滿足系統要求：建立ReadExcelSheet Bind 處理鋁模板分區清單導入數據管理系統時模板代碼和數量的問題,建立FWSortingBind 處理數據詞典中變量的數據保存到新建表格中的問題,建立FWProjectInfoRWBind 處理項目信息的問題,建立WorkStationConfigRWBind 處理工位配置的問題,新建記錄體如圖5所示.

圖4 新建表格模板

圖5 新建記錄體

2.2 KingView 與MCGS 觸摸屏基于Modbus TCP/IP技術的通信

Modbus 協議是應用層報文傳輸協議(OSI 模型第7 層),它定義了一個與通信層無關的協議數據單元(PDU),即PDU=功能碼+數據域.以太網對應的通信模式是Modbus TCP,Modbus TCP 模式沒有額外規定校驗,因為TCP 協議是一個面向連接的可靠協議[13].本文一共設置3 個工位,每一個工位設置一臺MCGS 觸摸屏,這里只介紹工位1 的MCGS 觸摸屏的通信設置方法,其他兩臺均和工位1 的MCGS 觸摸屏設置方法類似.

工位1 的MCGS 觸摸屏的初始IP 地址為200.200.200.190,應用此IP 地址設置與KingView 的通信.(類似地,工位2 和工位3 的MCGS 觸摸屏的初始IP 地址分別為為200.200.200.191 和200.200.200.192.)在MCGS 嵌入版組態軟件的設備窗口中,新建通用TCPIP 父設備,然后在其樹下建立Modbus TCPIP 數據轉發設備,設置通用TCPIP 父設備的本地IP 地址為200.200.200.190,本地端口號為502,在設置Modbus TCPIP 數據轉發設備中,根據系統功能要求,增加八個設備通道,為防止寄存器溢出,要根據變量的字節數設置通道容量,設置的八個設備通道如圖6所示.

在連接KingView 組態系統與MCGS 觸摸屏時,首先需要“新建設備”,本文在設置時選擇通用性較高,具有完備的Modbus TCP 通信協議的莫迪康PLC 設備驅動[14].設備指定地址中寫入200.200.200.190：502 1,至此MCGS 工位1 觸摸屏的設置完成.然后在數據詞典中要新建8 個IO 變量對應MCGS 中的8 個設備通道,變量名稱、寄存器地址、變量類型及數據類型如表1所示.

圖6 MCGS 中增加的設備通道

表1 數據詞典中變量說明

2.3 KingView 與掃描槍之間的串口通信

RS-232 接口符合美國電子工業聯盟(EIA)制定的串行數據通信的接口標準,原始編號全稱是EIA-RS-232(簡稱232,RS232)[15].它是儀器儀表設備通用的通信協議,同時也被廣泛用于計算機串行接口外設連接.在RS-232 標準中,字符是以一串行的比特串來一個接一個的串行(serial)方式傳輸,優點是傳輸線少,配線簡單,傳送距離可以較遠[16].

本系統采用的掃描槍是Honeywell Xenon 1900 二維碼掃描槍,其本身是USB 接口,具有插拔方便、傳輸速度快、不用單獨供電的特點,但是工業環境更注重高穩定性,串行通訊端口成為工業現場的常用接口[17].本系統結合兩種接口的特點,進行USB 轉成虛擬串口的方式,具有方便快捷、穩定性高的優勢.另外,USB 接口的二維碼掃描槍在輸入時,類似于鍵盤輸入.由于驅動的原因,掃描槍只能在光標處輸入,分揀系統界面運行時無法保證光標一直處在輸入框內,造成系統效率低下,采用USB 轉成虛擬串口的形式,可以解決光標位置不定的問題,提高系統運行效率.

首先Honeywell Xenon 1900 二維碼掃描槍掃描如圖7的條形碼,編程掃描槍模擬一個常規的基于RS232的COM 端口,在運行上位機系統的計算機中裝載Honeywell scanning mobility USB serial driver,為掃描槍提供虛擬串口狀態下的運行驅動,然后在KingView組態中新建掃描槍設備進行掃描槍與KingView 的通信.新建掃描槍設備時選擇智能模塊下的通用掃描槍設備驅動,在選擇與設備所連接的串口中選擇與計算機設備管理器中相同的串口號.最后在數據詞典中建立與掃描槍連接的變量ScannedFWCode,掃描槍與KingView 的通信才能建立,變量ScannedFWCode 的設置如表2所示.

圖7 Honeywell Xenon 1900 掃描槍設置條碼

表2 變量ScannedFWCode 的設置

3 組態界面開發

3.1 基于KingView 的上位機界面開發

建筑鋁模板分揀系統的上位機主要是處理掃描槍掃描的數據,通過統計模板數量和型號,達到分類打包的目的.上位機工作流程如圖8所示.首先將模板的分區清單導入數據庫中,由系統自動分配工位,保存工位任務配置,工位配置情況就保存在數據庫中,工人手持掃描槍掃描模板上的二維碼,模板信息就進入數據庫中,對應的提示信息下發到對應的工位觸摸屏,提醒工人將傳送帶上對應的模板取下.

上位機界面由KingView 6.60SP2 組態軟件開發完成,主要包括以下功能：導入鋁模板分區清單,繼續工作未完成的清單,根據鋁模板區號自動劃分工位,當前掃描結果的顯示,實時數據庫的顯示.上位機界面如圖9所示.當模板分區清單導入數據庫之后,分區清單顯示在“墻板清單”中,并自動重命名,系統自動分配任務給每一工位,分配情況顯示在“工位任務配置”中,點擊“保存工位任務配置”,工位配置情況保存在數據庫中.“掃描識別的模板代碼”中顯示每次掃描的模板代碼,“選擇已導入模板清單”能夠繼續上次未完成的分揀任務,“退出”按鈕實現系統退出功能.“工位任務配置”處是顯示系統自動分配工位結果的地方,系統的自動分配工位任務功能,不同以往的手動輸入,提高了系統的運行效率,同時將任務配置情況下發到各工位處,有利于工位處工人對于分揀任務的監控.

圖8 鋁模板分揀系統上位機工作流程圖

圖9 鋁模板分揀系統的上位機界面

3.2 基于MCGS 的下位機界面開發

MCGS 觸摸屏作為上位機系統與工人的信息交互裝置,界面的簡單易操作性是關鍵的問題.MCGS 下位機界面由MCGS 嵌入版組態軟件開發完成,界面具有待分揀鋁模板代碼顯示功能、模板揀取指示燈提示功能、已分揀鋁模板列表統計功能、本工位分揀墻板區號范圍提示功能、模板打包指示燈提示和打包模板區號提示功能,其中模板打包指示燈還具有按鍵功能,使模板打包指示燈初始化.MCGS 下位機界面如圖10所示.

圖10 MCGS 下位機界面

MCGS 下位機界面的工作流程如下,當鋁模板墻板分區清單導入數據管理系統后,被分配好的區號范圍就顯示在“本工位分揀墻板區號范圍”處,每當掃描槍掃描標簽時,系統會根據對應區號范圍下發在對應MCGS 觸摸屏上,如“100WE2600-Q1”會下發到工位1 處的觸摸屏,顯示在“待分揀鋁模板代碼處”.“模板揀取指示燈”顏色改變,其他工位的指示燈熄滅.“已分揀鋁模板列表”顯示相應信息,此處的“是否分揀完畢”中“1”代表“是”,“0”代表“否”.如果一個區的模板分揀完畢,如“Q1”區,則對應工位觸摸屏的“模板打包指示燈”顏色改變,“打包墻板區號”處顯示對應區號如“Q1”.此指示燈提示工人打包對應區的模板,工人收到此信號后,按下觸摸屏的“模板打包指示燈”使該指示燈復位,方便下次提示打包信息.

系統將MCGS 觸摸屏作為下位機,有效地將Kingview 和MCGS 兩套組態系統結合在一起,相互配合,能夠使得工位處的工人實時監控分揀任務的進行及完成情況.利用MCGS 的組態界面設計特性和觸摸屏特性,為系統節省了單獨的指示燈及按鍵裝置,有效地減少上位機的I/O 接口分配,提高系統運行效率.

4 系統調試運行及數據庫管理

本系統是在實驗室條件下仿真調試運行,共采用45 塊歸屬36 個分區的鋁模板分區清單進行測試,圖11為鋁模板分揀系統裝置實物圖.如圖12所示的鋁模板分區清單中,模板代碼的第一行“100WE2600-Q1”的“Q1”代表此型號的模板歸屬“Q1”區,Q1 區包含兩種型號的模板,第一種型號包含兩塊,第二種型號包含一塊,其余行的模板代碼也是如此.上位機界面和數據庫運行在裝載Windows 10 的計算機上,MCGS 觸摸屏選用TPC1162Hn 嵌入式一體化觸摸屏,電源采用24V 直流輸出的MPS-150W24V1S 開關電源,二維碼標簽是采用BarTender 軟件設計,由TSC T-310E 二維碼打印機打印出來,二維碼掃描槍采用Honeywell Xenon 1900 二維碼掃描槍.

圖11 鋁模板分揀系統裝置實物圖

掃描槍掃描鋁模板上的二維碼標簽,將數據傳送到數據管理系統,系統會根據鋁模板型號代碼的字段,進行數據的累加統計,更新該模板代碼對應記錄的“已分揀模板數量”、“是否分揀完畢”字段,歸類并判斷是否達到打包要求.數據管理系統的部分功能代碼如下：

數據管理系統的可視化界面在KingView 中應用KVFormworkList 控件實現.在控件屬性中定義“墻板分揀Access 工作庫”數據源,在數據改變命令語言中采用如下的功能代碼,就能實現控件實時顯示數據的更新及累加,如圖12所示,掃描槍掃描二維碼之前,“已分揀模板數量”列中全為“0”,“是否分揀完畢”列中全為“否”,當掃描槍掃描二維碼時,連接掃描槍的變量發生數據改變,“已分揀模板數量”處實現數據的累加及更新,直到和“模板數量”處的數量相同時,當前型號的鋁模板分揀完畢,“是否分揀完畢”處的“否”變為“是”,圖12中的分揀測試結果顯示,系統能夠準確分揀分區清單要求的模板型號和數量.

圖12 數據管理的實時顯示

5 結語

針對鋁模板分揀打包環節完全依靠人工作業出現的分揀效率低、分類錯誤率高的問題,本文設計了一套鋁模板自動分揀系統,系統依靠二維碼掃描槍掃描設計的集成鋁模板型號、區位等信息的二維碼標簽,獲取鋁模板的信息數據,采用KingView 組態系統作為上位機進行數據的統計分析與實時顯示,利用MCGS 觸摸屏進行信息的交互,鋁模板自動分揀系統將兩套組態系統結合在一起,相互配合完成分揀過程.仿真結果表明鋁模板分揀系統提高了分揀效率,具有良好的分類準確率.下一步的研究工作是在每一個工位處配置機械手臂或者推擋裝置,與上位機系統協調控制,實現分揀打包環節的完全自動化.