基于PLC的多通道碼垛緩存線的設計與實現

凌雷鳴

基于PLC的多通道碼垛緩存線的設計與實現

凌雷鳴

（鎮江領智機器人科技有限公司，江蘇 鎮江 212001）

文章闡述了基于PLC的多通道緩存線的設計與實現，通過通信收到上位機下達的產品編號后，在多通道緩存線進口端進行內部數據處理，計算得出該產品應存入的緩存通道，再由PLC內部邏輯執行進道緩存處理．多通道緩存線主要運用在大型包裝生產現場，尤其是針對不同產品碼垛入庫前的分揀緩存．將不同產品信息的箱體分類緩存有利于提高碼垛效率．

緩存線；PLC；碼垛

在大型包裝生產線，尤其是大型箱體包裝線的后端往往會設立碼垛機器人對包裝箱進行集中碼垛，傳統的箱體碼垛由于產品規格相同，機器人僅需要根據設定好的路徑對箱體按序碼存即可．但是在許多工業現場環境中，可能存在多種產品公用一條碼垛線的情況，且入庫需要對不同產品進行信息確認，此時如果單純的依靠機器人處理箱體數據不僅會增加機器人的運算量，同時由于不同產品需要堆放的垛位不同，故而會增加機器人的運行軌跡進而降低碼垛效率[1]．所以在類似的工業運行環境中往往在碼垛前增加使用基于PLC的多通道緩存單元來提高碼垛效率減少入庫錯誤風險．

1 多通道緩存單元的工作原理

一般來說設計緩存單元，其緩存線數是由產品類別數所決定的，在所有產品種類的基礎上還需要設計緩存冗余以確保在單線緩存出箱時不至于繼續進箱，這就必然造成機構設備的體積增大．同時考慮到生產過程中每天生產的產品種類有限，故而如果按照傳統的緩存設計理念而增加緩存線數量必然會導致設備冗余量變大，緩存效率降低．本例中設計的緩存線通過優化軟件的方式將原本供給15種產品的緩存設備，通過14條緩存線實現其功能．

其設計原理是不再將固定的緩存線設定品種，其線的品種號是隨動的，根據第一箱進入該緩存道的產品好設定緩存線編號．故而每一條緩存線既是產品線又是冗余線，以此方法減少緩存線數量．其運行原理如下：

首先系統初始化后將所有的緩存線產品標志位清零，當入口有紙箱需進入緩存線時，接受上位機給出紙箱對應的產品數據（01～15），然后程序內部進行遍歷尋找在現有緩存線中是否存在與之相同的產品數據（即緩存通道），若有且滿足進箱條件（未滿25箱且不在出箱狀態）則觸發該緩存通道進箱程序運行；若無則程序內部重新遍歷，順位尋找緩存線產品標志位為0的緩存通道，并將其標志位由0變更為該紙箱的產品數據，同時觸發該緩存通道進箱程序運行．最后當單條緩存通道內部進箱數據達到25箱且滿足出箱條件時（同一時段沒有另一組通道出箱）觸發該通道的出箱程序．出箱完成后將該緩存通道的產品標志位清零，便于重復使用該緩存通道．該方法的好處是不再需要定線定編號，進箱均可以優先使用靠近入口的緩存通道，從而提高緩存效率．

2 多通道緩存線的硬件設計

由于要涉及產品信號的載入和計算，故而需要對相關的產品數據進行處理，普通的小型LC僅能夠對邏輯變量進行處理，即無法完成項目需求．所以本研究采用的是西門子S7-1214C型PLC，其不僅有邏輯處理能力，同時也支持SCL源代碼編程，從而提高了PLC的數據處理能力[2]．多通道緩存線的硬件電路拓撲如圖1所示．

由圖1可知，多通道緩存線是由進箱單元、緩存單元、出箱單元以及遠程IO組成．其中進箱單元負責將上位機發送過來的產品編號進行數據處理，并給出應去達的緩存線號；緩存單元負責執行紙箱緩存動作；出箱單元負責產品出箱邏輯執行；遠程IO負責對接線體遠端氣缸等執行器并與碼垛機器人做信號對接．

圖1 多通道緩存線硬件電路拓撲

3 多通道緩存線的軟件設計

多通道緩存線的軟件分為主控程序、進箱單元程序、緩存單元程序以及出箱單元程序，其中進箱單元程序需要著重考慮如何將帶編號的箱子存入編號隨動的緩存線；緩存單元程序需要考慮各電機運行之間的間隙用以將箱子分開并計數；出箱單元程序需要考慮與紙箱碼垛總控系統上位機的數據交互以及清線功能．

3.1 進箱單元程序設計

上文中提到傳統的緩存線的緩存機構總數是由所需要的緩存產品數量所決定的，這樣設計的優點在于程序架構簡單，在定線定編號后可以將進緩存的箱子直接輸送到指定線體緩存，對于PLC而言僅僅需要收到上位機下達的產品編號指令技能準確的判定箱體所對應的產品緩存道從而執行相關進箱操作．但是這就必然導致機構龐大，需要為每一種產品獨立設置一條單獨的產品緩存線，而在實際工控環境中，有時雖然產品數量繁多，但是當日下達的生產任務的產品卻十分有限，故而就導致了機構的過度冗余，所以本例綜合考慮了生產成本及功能實現，在進箱單元程序上進行了優化，程序流程圖如圖2所示．

圖2 進箱單元程序流程圖

由進箱程序可以看出，在進箱前獲得產品編號后需要對數據進箱相關處理，首先進行第一次遍歷，尋找是否在緩存線中已經存在該產品編號的緩存線，若存在則將執行標志位賦值，若遍歷結束仍未找到符合條件的緩存線編號，則置位未找到標志并進行下一輪遍歷，尋找首個編號為0的緩存線，并將其編號置為該產品號．進箱單元核心部分程序如下：

3.2 緩存單元程序設計

在進箱單元給出進箱動作指令后，開始進箱動作，每進一箱，推箱動作一次，就將該緩存線內的箱體數量加1．當緩存數量達到25箱時，則該線滿足出箱條件，此時需要判定出箱單元的線體上是否有其他編號的箱子在出箱，若有則等待當前緩存紙箱全部結束出箱，若無則立即出箱，同時置位出箱忙碌標志位，防止其他線體執行出箱操作從而導致的出箱混雜．緩存單元程序流程圖如圖3所示．

緩存單元核心部分程序如下：

圖3 緩存單元程序流程圖

3.3 出箱單元程序設計

在執行出箱時，需要與上位機對接信號[3]．此時有2種情況，一種是以清線模式出箱，在清線剔除工位上將擋板立起并執行剔除動作，此時雖未記滿25箱也需要強制出箱；另一種是正常出箱，在未收到上位機清線信號時當緩存線給出出箱指令后執行出箱動作并對出箱數量進行記錄，當記到25箱數據時將所有的標志位清零[4]．出箱單元程序流程圖如圖4所示．

圖4 出箱單元程序流程圖

出箱單元程序的部分核心程序段如下：

4 結束語

在涉及碼垛大型包裝生產線的工控環境中，設置增加使用基于PLC的多通道緩存單元能夠有效減少碼垛機器人的運算量及工作量，提高碼垛效率．同時緩存線的設置也能夠有效防止箱體堆積造成的設備停機，能夠為小型故障檢修提供時間保障[5]．本設計已在化纖包裝線上運用，通過相關軟件的優化，在減少相關碼垛線硬件的情況下提高了碼垛效率，減少了設備冗余，減少了設備投入，增加了經濟效益．

[1] 鄒玉靜，閔華松，陳友東．一種混聯碼垛機器人智能避障軌跡規劃與仿真[J]．計算機仿真，2013（7）：326-330．

[2] 梁百川，張抗抗．一種總線系統實時數據嵌入式存儲方法[J]．火力與指揮控制，2014（1）：140-143．

[3] 王振臣，劉薇，席靜，等．基于PLC網絡的換熱站無線遠程監控系統[J]．微計算機信息，2004（8）：15-16．

[4] 謝經兵．物流過程中集裝箱拼箱系統的設計與實現[D]．成都：電子科技大學，2013．

[5] 盧志珍．基于PLC的全自動包裝碼垛生產線控制系統設計[D]．無錫：江南大學，2008．

Design and Implementation of Multi-channel Palletizing Buffer Line Based on PLC

LING Leiming

（）

The paper mainly describes the design and implementation of the multi-channel buffer line based on PLC. After receiving the product number from the upper computer through communication, the internal data processing is carried out at the inlet end of the multi-channel buffer line. After calculation, the buffer channel that the product should be stored in is obtained, and then the internal logic of PLC executes the buffer processing. Multi-channel buffer line is mainly used in large-scale packaging production site, especially for sorting buffer before palletizing and warehousing of different products. It is helpful to improve the palletizing efficiency by classifying and caching different product information.

cache line; PLC; stacking

TP202

A

1672-0318（2021）05-0032-05

10.13899/j.cnki.szptxb.2021.05.006

2020-12-25

凌雷鳴，男，江蘇丹陽人，碩士，工程師，主要研究方向為工業自動化、控制工程．

（責任編輯：王璐）