一種盒裝藥品入庫的自動化單元控制系統設計

畢思，李皓

（武昌工學院，湖北武漢，430000）

0 引言

傳統的分揀模式自動化程度低，作業流程和標準相對不規范，沒有形成完整的系統作業。未解決此類問題，采用PLC、機器人和視覺相結合的全自動的系統設計方法，設計一個智能分揀系統。此設計依靠PLC、機器人、視覺等一些外部設備之間相互協調通訊，完成盒裝藥品入庫單元控制系統的總體方案，實現五種不同規格的藥品，能夠正確的分揀并碼垛。主要設計設備間的通訊、PLC程序的編寫、人機界面的設計、系統調試等。采用西門子S7-1200進行分揀系統的邏輯控制和程序設計，完成對機器人、機器視覺、人機界面、指示燈、安全門、傳感器等設備之間的通訊控制。完成對五種不同規格的盒裝藥品進行分揀碼垛。

1 盒裝藥品入庫單元控制系統的總體方案

根據功能的要求，制定了如圖1的系統總體方案的布局。

圖1 盒裝藥品入庫單元控制系統的總體方案

PLC通過工業交換機與工業機器人和相機之間連接，采用Modbus協議進行通訊，當相機對盒裝藥品拍照并進行視覺分析后，解析出盒裝藥品的種類和坐標后，將解析出的信息傳遞給PLC，然后主控PLC將相關信息傳遞給工業機器人，機器人得到信息后，根據相對應的信號進行相對應的分揀工作。

PLC與變頻器之間采用PROFINET通訊的方式，通過PLC與變頻器之間進行連接，實現了對變頻器的控制，從而能夠間接控制步進電機的轉速。PLC與TPC7062TD型號的觸摸屏的觸摸屏之間采用以太網通訊，要保證PLC與觸摸屏之間IP地址的地址段相同，才能使PLC與觸摸屏之間建立連接，從而實現數據交換。

1.1 PLC設備選型

盒裝藥品入庫單元控制系統選擇用西門子S7-1200PLC，S7-1200在S7-200的基礎上又增加了許多功能，能滿足更廣泛領域的要求，S7-1200的CPU集成了PROFINET接口，可以實現編程設備與CPU、CPU與HMI以及CPU與CPU之間的通信。參數說明表如表1所示。

表1 PLC主要參數

西門子S7-1200系列PLC是一種中小型的控制系統，它具有模塊化、構緊湊、功能全面、通信功能極強等特點，能適用于多種應用。綜合對比西門子系列，發那科（FANAC） 系列、三菱等系列各型號的PLC的性能、性價比和實用性等各方面，故選擇西門子S7-1200 型PLC。該型號PLC能完全滿足任務書里對控制系統的各項控制要求。

1.2 觸摸屏選型

選擇昆侖通態公司生產的TPC7062TD型號的觸摸屏，這款國產的觸摸屏有高性能嵌入式一體化的特點，同時這款產品采用7英寸、800×480分辨率的液晶屏，還擁有128M的內存和系統儲存。這款觸摸屏完美能夠滿足人機界面的要求。參數說明如表2所示。

表2 觸摸屏主要參數

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1.3 變頻器的選擇與PLC的通訊設計

變頻器的選擇西門子G120 CU250S-2V4.7變頻器，變頻器的地址設置為192.168.0.3。西門子G120變頻器可以方便的進行維護，對硬件模塊進行熱插拔，并可以拆卸接線端子；G120變頻器可以通過PROFINET、PROFIBUS或PROFIdrive進行通訊，使之操作更為簡單，同時減少了接口數量。G120創新的冷卻系統提高了變頻器的穩定性和使用壽命，總之，G120是一款性價比很高的變頻器，恰好符合本設計的各種要求。

G120變頻器和PLC之間采用PROFINET進行通訊，PROFINET通訊是基于以太網的一種通訊方式，需要和PLC的IP地址為同一地址段，設置為192.168.0.3。利用博圖軟件在設備組態中找到G120變頻器，在以太網地址中進行修改。

1.4 盒裝藥品入庫單元控制系統的工作流程

盒裝藥品入庫單元控制流程如圖2所示，系統上電后，可在觸摸屏上切換手動模式和自動模式兩種模式。當切換為手動模式時，可實現對相機、輸送鏈、機器人分揀程序的手動控制。切換為自動模式時，輸送鏈開始啟動，并帶著盒裝藥物進行移動，當盒裝藥物移動到一定的位置被傳感器檢測到以后，輸送鏈停止工作，相機啟動，開始拍照，經過程序的分析，將分析數據傳給PLC，再由PLC將得到的盒裝藥物的種類、位置傳遞給機器人，此時機器人開始工作，對盒裝藥物進行分揀碼垛，當盒裝藥物離開傳感器的檢測范圍之后，輸送鏈開始工作，開始了新一輪的分揀工作。

圖2 盒裝藥品入庫單元控制的流程圖

若在自動模式下按下急停按鈕，則機器人信號、相機信號以及輸送鏈的信號都將會被初始化，即輸送鏈將停止工作，機器人會回到原點，相機的分析程序將初始化。

1.5 PLC的I/O連接

根據流程規劃和任務書，PLC還需要在輸入端接入一個拍照位傳感器（歐姆龍PNP型）。PLC相關I/O分配表如表3所示。電路連接如圖3所示。

表3 PLC相關I/O分配表

圖3 電路連線圖

2 盒裝藥品入庫單元控制系統的設計

人機界面或稱為人機交互（HMI），也可稱作是工業平板電腦。人機界面的設計，一般使用觸摸式的顯示屏，簡稱觸摸屏，通過在組態軟件的中對整個系統進行規劃設計，讓整個工作流程能夠更直觀的展現出來，使人操作起來更加方便，便于觀察和記錄數據。

2.1 人機界面設計

（1）讓觸摸屏和PLC的IP地址在同一地址段內，點開設備Siemens_ 1200的屬性窗口，找到本地IP地址和遠端IP地址，把遠端IP地址設置成博圖軟件中S7-1200PLC的IP地址相同，設置成192.168.0.1，把本地的IP地址改成與遠端IP地址段相同的地址，設置成192.168.0.2。

（2）設備屬性編輯完成之后，在實時數據庫中添加需要用到的數據，并定義數據類型。

（3）設置完成后，打開用戶窗口，在觸摸屏的主界面上，通過工具箱里的插入元件選擇一些元器件，并選擇標準按鈕來充當開關，并進行命名，完成之后，在彈出來的標準按鈕屬性設置中選擇操作屬性，在數據對象操作中選擇合適的操作方式。如圖4所示。

圖4 按鈕操作屬性設置

（4）然后根據任務要求，相應的添加自動模式、手動模式、模式切換、啟動、停止、電機正轉、電機反轉、電機停止、相機手動拍照、機器人手動分揀以及用戶登錄等按鈕。然后進行對應的操作屬性設置。操作完成后，在工具→用戶權限管理中添加如圖5所示的管理人員和普通員工，并進行屬性分配。

圖5 用戶管理

（5）下一步進行用戶登錄的權限管理，將手動模式下的模式切換、電機正轉、電機反轉、電機停止、相機手動拍照、機器人手動分揀等按鈕的權限改為只有管理員才能擁有。為了確保設備的安全，將用戶登錄界面設計了兩種登錄方式，分別為管理員登錄和操作員登錄，操作員只有使用自動模式下的啟動、停止的權力，管理員擁有手動模式下其他按鈕的使用權力。點開用戶登錄的屬性設置窗口，打開腳本程序編輯器，在系統函數的用戶登錄操作中選擇“！Logon”并添加。如圖6所示。

圖6 用戶登錄腳本程序添加

此時，默認的登錄為操作員賬戶，權限僅限于在自動模式下按啟動、停止按鈕，若想擁有手動模式的權力，則需要在用戶登錄中選擇管理員登錄，然后選擇模式切換，方能行使手動模式下按鈕的權力。

（6）當所有的按鈕權限都設置完成后，把項目進行保存，然后在工具欄中選擇組態檢查，沒有問題之后，下載工程并進入運行環境，進行模擬運行和工程下載后，觸摸屏的操作界面如圖7所示。

圖7 觸摸屏操作界面

2.2 PLC主程序設計

在主程序設計思路中，要確保程序的直觀性以及實用性，將PLC與相機及機器人之間建立通訊連接的函數塊FB1插入到主程序中，形成了一個PLC與相機及機器人通訊的DB塊。

同時，在主程序中要實現自動模式和手動模式能夠切換，在主程序中將M0.4設置為模式切換，與人機界面中模式切換按鈕相關聯，當工作人員在人機界面上進行模式切換時，可以選擇切換到任意模式，在主程序中，將自動模式設置為默認模式，即工作人員在人機界面中不進行模式切換時，系統為自動模式，所以在主程序中用到了動斷觸點連接自動模式，動合觸點連接手動模式，如此實現模式切換。如圖8所示。

圖8 PLC主程序設計

2.3 程序的模擬調試

當程序寫好之后，往往會有一些遺漏的問題沒有解決，這時，就需要我們去檢驗程序書寫是否符合邏輯，程序能否滿足設計要求。這里，我使用了博圖軟件自帶的仿真軟件，打開仿真軟件，對PLC進行編譯，然后把程序下載到仿真軟件中，轉為在線模式，啟動監視系統，將啟動開關置為1，觀察控制回路是否完整，若不完整，則修改相應的程序。如圖9所示。

圖9 模擬仿真測試

完成模擬測試后，將相關的元器件進行接線，接線完成后，給系統進行上電，打開觸摸屏，在觸摸屏上切換成手動模式，點擊電機正轉、反轉、停止按鈕，觀察電機是否完成相應的任務。切換自動模式進行調試，按下啟動按鈕時，觀察系統是否自動運行，按下停止按鈕時，觀察系統是否初始化，若在此過程中出現接線問題，應及時處理，若調試沒有達到要求，則應通知各個部門進行調整，當所有流程都能正常運行時，系統就能正常運行。

3 結語

本文采用西門子公司研發的博圖V14軟件進行PLC程序設計，通過PLC控制及PROFINET、MODBUS和以太網等通訊協議將各個獨立的模塊匯聚成一個整體，構成以PLC為基礎的分揀系統。通過MCGS嵌入式軟件進行人機界面的設計，能夠實現各個功能模塊的運行狀態進行現場控制。通過本控制系統得出結論：（1）對物料分揀采取模塊化的設計，在出現問題后，能更容易找到問題所在，能夠對組成部分進行全面的分析。（2）采用西門子S7-1200型號的PLC作為控制系統，能夠使盒裝藥品入庫單元控制系統更智能化。（3）在本設計中，用到了工業機器人、PLC、變頻器以及人機界面等相關的技術來撰寫，讓我掌握了很多知識和技能，同時提高了我實踐的能力。