基于PLC與HMI的物料分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王曉瑜，李浩煜

(1.西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，西安 710077；2.杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，杭州 310018）

隨著中國(guó)制造2025 戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，高生產(chǎn)率、 高集約性的工業(yè)化生產(chǎn)方式由此得到廣泛應(yīng)用，物料自動(dòng)分揀作為工業(yè)自動(dòng)化中不可缺少的環(huán)節(jié)，對(duì)機(jī)械臂的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)在線(xiàn)控制提出了更高的要求。

本文使用西門(mén)子S7-1200 PLC、漢普斯步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、2 套滾珠絲杠機(jī)構(gòu)、真空發(fā)生器和吸盤(pán)、伸縮氣缸和限位開(kāi)關(guān)等元器件構(gòu)成物料自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)，人機(jī)界面HMI SMART LINE 1000 IE V3 作為上位機(jī)監(jiān)控設(shè)備； 結(jié)合PLC 編程軟件TIA Portal V15.1，組態(tài)軟件WinCC RT Professional，共同實(shí)現(xiàn)基于PLC 與HMI 的物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可有效實(shí)現(xiàn)不同物料的多種模式分揀，且系統(tǒng)運(yùn)行可靠、易于操作、控制精度高[1]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

物料分揀系統(tǒng)機(jī)械臂部分由步進(jìn)電機(jī)控制絲杠滑臺(tái)配合伸縮氣缸和真空吸盤(pán)以及支架鋁合金搭建，為提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精度減少誤差，使用3D 打印連接件完成X 軸滑臺(tái)和伸縮氣缸末端的連接。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案分為硬件設(shè)計(jì)、PLC 程序設(shè)計(jì)、HMI 組態(tài)界面搭建與PLC 通訊、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試四部分。總體設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。硬件方面，HMI作為上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示分揀機(jī)械臂的位置脈沖設(shè)定信號(hào)和速度設(shè)定信號(hào)，監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。主控制器選用西門(mén)子S7-1200 CPU 1214C PLC，PLC 將脈沖信號(hào)、方向信號(hào)以及其他控制信號(hào)發(fā)送到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，然后由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將這些信號(hào)進(jìn)行功率放大供步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)、吸取和投放物料至指定工位實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)分揀。軟件設(shè)計(jì)方面，使用TIA Portal V15.1 軟件進(jìn)行PLC 源程序的編寫(xiě)與調(diào)試。通過(guò)上位機(jī)HMI SMART 700 IE V3 及WinCC RT Professional 軟件，完成組態(tài)畫(huà)面的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)物料分揀系統(tǒng)3 種方式分揀的在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控等操作[2-3]。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Control system structure diagram

2 硬件組態(tài)

2.1 PLC 與HMI 選型

PLC 選用西門(mén)子S7-1200 PLC CPU 1214C 晶體管輸出型（16 輸入/10 輸出），HMI 選用西門(mén)子SMART 700 IE V3 作為上位機(jī)監(jiān)控設(shè)備。

2.2 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器選型

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備，選取兩相漢普斯步進(jìn)電機(jī)2 個(gè)，扭矩1 N/m，步距角1.8°，3.0 A。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選型FMDD50D40NOM，根據(jù)驅(qū)動(dòng)器銘牌提示，SW1-SW4 撥碼開(kāi)關(guān)電流為3 A，SW5-SW8 撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定細(xì)分?jǐn)?shù)為800 脈沖/轉(zhuǎn)。

2.3 絲桿及限位開(kāi)關(guān)選型

物料分揀需對(duì)平面放置的待分揀物品進(jìn)行定位并能準(zhǔn)確移動(dòng)到上方位置，故需要構(gòu)建平面十字坐標(biāo)系，將兩個(gè)絲杠垂直放置，形成X 軸和Y 軸，以便對(duì)工作臺(tái)物品進(jìn)行準(zhǔn)確定位。絲桿的選用一般考慮公稱(chēng)型號(hào)、導(dǎo)程精度以及支撐方式3 個(gè)方面要素。此處選用有效行程15 cm，直徑8 mm，導(dǎo)程4 mm，精度0.03 mm 的滾珠絲桿并十字疊加提高絲杠的穩(wěn)定性[4]。

為確保絲桿運(yùn)動(dòng)時(shí)不越程，在絲桿兩端側(cè)安裝含金屬感應(yīng)器的NPN 型三線(xiàn)式接近開(kāi)關(guān)，感應(yīng)距離為4 mm，DC 24 V 電源供電。

2.4 吸盤(pán)及真空發(fā)生器選型

當(dāng)伸縮氣缸完成伸出動(dòng)作后，由電磁閥驅(qū)動(dòng)真空發(fā)生器，對(duì)所分揀物品進(jìn)行吸取工作。

（1）吸盤(pán)

待分揀物品重量約為10 g，物料較薄，表面光滑不透氣不易變形，吸盤(pán)為水平吸取，環(huán)境良好，無(wú)油無(wú)水，故吸盤(pán)形狀選平行類(lèi)型；材質(zhì)選擇硅膠，直徑為8 mm[5]。

（2）真空發(fā)生器

因吸盤(pán)吸附物料進(jìn)行分揀動(dòng)作，絲杠全程為400 mm，絲杠運(yùn)行速度預(yù)設(shè)30 mm/s，則吸附響應(yīng)時(shí)間T 應(yīng)大于等于15 s。工件表面光滑不透氣不易變形，則泄漏量為0。

最大吸入流量為

式中：V 為氣管容積2.826 L，選用最大真空度為-90 kPa，最大真空流量為27 L/min，空氣消耗量為42 L/min 的真空發(fā)生器。進(jìn)氣口和真空口與T 型金具相匹配，選用6 mm 氣管。

2.5 氣缸及電磁閥選型

氣缸部分主要起伸縮作用，為吸盤(pán)吸取做過(guò)渡橋梁，由氣動(dòng)伸縮氣缸完成伸縮工作。

（1）氣缸

選用缸徑為25 mm 的迷你氣缸；根據(jù)工作移動(dòng)距離和工況決定氣缸行程，兩個(gè)絲杠疊加高度為114 mm，T 型金具高度約為50 mm，除去氣缸本身的高度，則選用最短行程為25 mm 的氣缸。

（2）電磁閥

電磁閥的選擇根據(jù)所需流量、驅(qū)動(dòng)形式、選定機(jī)能等決定，此處氣缸的接口以及排氣口選擇接口為1 分口，雙位置單電控的二位五通電磁閥2 個(gè)，驅(qū)動(dòng)電源AC 220 V。

2.6 系統(tǒng)硬件接線(xiàn)

系統(tǒng)硬件接線(xiàn)圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件接線(xiàn)圖Fig.2 System hardware wiring diagram

PLC 的輸出在外圍接線(xiàn)上采用互鎖，確保系統(tǒng)的可靠性，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接直流24 V 電源。觸摸屏HMI 則設(shè)置相關(guān)參數(shù)發(fā)送給PLC 并監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖3 為系統(tǒng)分揀模式流程，分別采用自動(dòng)、手動(dòng)、單步3 種模式。在點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕后，機(jī)械臂首先初始化到起始位置，初始化完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、坐標(biāo)獲取轉(zhuǎn)換和定位，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC，機(jī)械臂完成對(duì)物體的吸取并放置在指定位置，開(kāi)始下一次物品吸取的循環(huán)直至分揀完畢。

圖3 系統(tǒng)分揀模式流程Fig.3 System control flow chart

手動(dòng)運(yùn)行模式為點(diǎn)動(dòng)手動(dòng)控制機(jī)械臂完成移動(dòng)、抓取等動(dòng)作，用于系統(tǒng)的前期調(diào)試；單步運(yùn)行模式為按下按鈕機(jī)械臂完成一個(gè)單步的動(dòng)作，到達(dá)一步的指定位置后，機(jī)械臂停止運(yùn)動(dòng)直至再次按下按鈕，機(jī)械臂則再次運(yùn)行；自動(dòng)運(yùn)行模式為整個(gè)動(dòng)作自動(dòng)循環(huán)執(zhí)行。

3.1 絲杠參數(shù)設(shè)置

在工藝對(duì)象中打開(kāi)軸設(shè)置界面并命名為“軸X”，在硬件接口中選擇脈沖發(fā)生器pulse_1，PTO 輸出類(lèi)型，脈沖輸出端口Q0.0，激活方向輸出，端口選擇Q0.1，測(cè)量單位選擇為毫米（mm）；在軸運(yùn)動(dòng)拓展參數(shù)中設(shè)置電機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為800，每轉(zhuǎn)負(fù)載位移4.0 mm，旋轉(zhuǎn)方向設(shè)為雙向；撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置為SW1 置ON，SW2 與SW3 置OFF；在軸位置限制設(shè)定軸X 左（右）限位對(duì)應(yīng)地址為I0.0（I0.1），選擇電平為高電平；然后完成軸的動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)置、回原點(diǎn)設(shè)置。

Y 軸相關(guān)參數(shù)設(shè)置類(lèi)同以上內(nèi)容，僅在PTO 脈沖地址和軸限位地址有所不同，Y 軸驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的設(shè)置如圖4 所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)控制向?qū)гO(shè)定Fig.4 Motion control wizard settings

3.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

程序編寫(xiě)主要為控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械臂做相應(yīng)物料分揀運(yùn)動(dòng)，由系統(tǒng)啟動(dòng)、3 種分揀模式（手動(dòng)、自動(dòng)和單步）運(yùn)行以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換三部分組成。現(xiàn)列舉機(jī)械臂X 軸上電初始化回原點(diǎn)運(yùn)行控制程序和自動(dòng)分揀程序，部分程序如圖5、圖6 所示。

圖5 X 軸回原點(diǎn)程序Fig.5 X-axis back to origin program

圖6 自動(dòng)—分揀程序Fig.6 Automatic-sorting program

（1）系統(tǒng)啟動(dòng)

上電初始化使用特殊輔助繼電器M，首次掃描置1，機(jī)械臂初始化回原點(diǎn)動(dòng)作，準(zhǔn)備就緒信號(hào)響應(yīng)并傳至上位機(jī)，等待模式選擇。

（2）手動(dòng)運(yùn)行模式

主要用于前期機(jī)械臂調(diào)試工作、測(cè)試軸是否能正常運(yùn)行，吸盤(pán)、氣缸和真空發(fā)生器單獨(dú)控制程序等內(nèi)容的編寫(xiě)。

（3）自動(dòng)運(yùn)行模式

機(jī)械臂先回原點(diǎn)，就位后向上位機(jī)發(fā)出待分揀信號(hào)，上位機(jī)傳入紅（藍(lán)）兩物件坐標(biāo)，機(jī)械臂優(yōu)先分揀紅色物件，待抵達(dá)位置并成功吸取后，將紅色物件放置在工作區(qū)域中的右上角位置；隨后將藍(lán)色物件坐標(biāo)傳入程序塊，機(jī)械臂將藍(lán)色物件分揀至原點(diǎn)位置。待兩個(gè)物品均分揀完畢后，繼續(xù)向上位機(jī)發(fā)出待分揀信號(hào)，待上位機(jī)將新一組坐標(biāo)傳入后，機(jī)械臂循環(huán)工作，部分程序如圖6 所示。

（4）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

主要用于顯示兩個(gè)軸實(shí)時(shí)位置及速度、運(yùn)算上位機(jī)與兩個(gè)軸對(duì)應(yīng)的軸坐標(biāo)誤差等功能程序。

4 HMI 組態(tài)界面搭建與PLC 通訊

4.1 WinCC 畫(huà)面搭建

本系統(tǒng)使用WinCC RT Professional 進(jìn)行畫(huà)面搭建，共4 個(gè)畫(huà)面，即主畫(huà)面、手動(dòng)模式運(yùn)行畫(huà)面、單步模式運(yùn)行畫(huà)面、自動(dòng)模式運(yùn)行畫(huà)面。

（1）主畫(huà)面：為登錄總頁(yè)面，由控制按鈕和模式選擇構(gòu)成，進(jìn)行模式選擇、啟動(dòng)停止與復(fù)位功能操作，若點(diǎn)擊模式選擇按鈕，則將跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)模式運(yùn)行頁(yè)面。

（2）手動(dòng)運(yùn)行模式：由控制按鈕和監(jiān)控信號(hào)構(gòu)成，完成機(jī)械臂在X 軸方向點(diǎn)動(dòng)、Y 軸方向點(diǎn)動(dòng)、吸盤(pán)及氣缸的單獨(dú)控制，實(shí)時(shí)監(jiān)控X 軸、Y 軸的運(yùn)行距離與運(yùn)行速度及機(jī)械臂當(dāng)前狀態(tài)，具體如圖7 所示。

圖7 手動(dòng)運(yùn)行模式組態(tài)界面Fig.7 Manual operation mode configuration interface

（3）單步模式運(yùn)行模式：點(diǎn)擊單步按鈕可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的單步控制，完成本步動(dòng)作后，點(diǎn)擊單步按鈕，則機(jī)械臂進(jìn)入下一步工序，監(jiān)控信號(hào)類(lèi)同手動(dòng)信號(hào)運(yùn)行模式界面。

（4）自動(dòng)運(yùn)行模式：由控制按鈕和監(jiān)控信號(hào)組成，前者由回原點(diǎn)和復(fù)位組成，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)械臂運(yùn)行位置，監(jiān)控信號(hào)類(lèi)同手動(dòng)信號(hào)運(yùn)行模式界面。

4.2 HMI 與PLC 通訊調(diào)試

選用西門(mén)子SMART LINE IV V3 觸摸屏，以太網(wǎng)通訊。首先主站（上位機(jī)）地址設(shè)置為192.168.0.1，PLC 從站地址為192.168.0.2，在博途軟件里添加WinCC RT Professional 和常規(guī)IE 組件，在網(wǎng)絡(luò)視圖中連接PLC 和PLC Station，如圖8 所示，再將組態(tài)接口設(shè)置為S7ONLINE；其次完成從站設(shè)置，然后返回主站博途界面，切換至已完成的畫(huà)面并下載；最后打開(kāi)WinCC RT Start 軟件，選擇剛才下載成功的文件夾點(diǎn)擊PC Station 文件，點(diǎn)擊運(yùn)行，此時(shí)主畫(huà)面彈出，點(diǎn)擊畫(huà)面按鈕控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)[6]。

圖8 組態(tài)視圖連接畫(huà)面Fig.8 Configuration view connection screen

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

連接PLC 以及空氣壓縮機(jī)電源后，置位系統(tǒng)總開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)上電復(fù)位，機(jī)械臂開(kāi)始初始化，回到原點(diǎn)位置，即坐標(biāo)（0，0）點(diǎn)。初始化完畢后，準(zhǔn)備就緒信號(hào)響應(yīng)，此時(shí)可以選擇以下運(yùn)行模式（手動(dòng)運(yùn)行、單步運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行）。

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，隨時(shí)按下停止按鈕則關(guān)閉系統(tǒng)，軸和電磁閥均停止工作，此時(shí)軸不進(jìn)行回原點(diǎn)動(dòng)作，再次上電時(shí)才進(jìn)行復(fù)位。

圖9 為物料分揀系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行模式下的上位機(jī)組態(tài)界面，此界面監(jiān)控信號(hào)紅色表明系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行模式燈亮，系統(tǒng)處于運(yùn)行中，伸縮氣缸及真空發(fā)生器處于啟動(dòng)工作狀態(tài)，機(jī)械臂在X 軸和Y 軸的實(shí)際移動(dòng)距離分別為為67.772 mm 和83.450 mm。圖10 為此時(shí)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)，圖中物料已被分揀并吸盤(pán)吸附，由伸縮氣缸帶動(dòng)物料上移。

圖9 自動(dòng)運(yùn)行模式實(shí)時(shí)組態(tài)界面Fig.9 Automatic running mode real-time configuration interface

圖10 自動(dòng)運(yùn)行模式物料分揀狀態(tài)Fig.10 Material sorting status in automatic running mode

測(cè)試結(jié)果表明基于PLC 和HMI 的物料分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案得以有效實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)西門(mén)子SMART 700 IE V3 HMI和S7-1214C CPU PLC 實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料分揀控制系統(tǒng)的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)HMI 完成2 套步進(jìn)電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)完成機(jī)械臂在3 種模式下（手動(dòng)運(yùn)行、單步運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行）的物料分揀任務(wù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控該系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行可靠，控制精度高，有效達(dá)到設(shè)計(jì)目的。