實驗室自動分揀倉儲系統(tǒng)設(shè)計

趙立輝，霍春寶，陳曉英

（遼寧工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

目前的大學(xué)教學(xué)體系中，PLC技術(shù)作為自動化學(xué)科的重點技術(shù)，越來越受到電類學(xué)科教育工作者的重視?？v觀近幾年在普通高校中PLC技術(shù)的實訓(xùn)實踐設(shè)備往往相對封閉，可操作性和改造性不高，造成可設(shè)置的、讓學(xué)生創(chuàng)新的實驗項目并不多，應(yīng)用起來并不靈活，學(xué)生插拔、連線的操作比較多，而知識體系形成的操作并不多，導(dǎo)致教育教學(xué)和工程實際的脫節(jié)［1－2］。

為提高學(xué)生動手能力，讓實驗設(shè)備更貼近實際，讓實驗項目設(shè)置靈活，設(shè)計研發(fā)了實驗室自動分揀倉儲系統(tǒng)。本系統(tǒng)模擬工業(yè)現(xiàn)場批量生產(chǎn)中的設(shè)備，要求機(jī)器設(shè)備能自動對工件進(jìn)行檢測、傳送、加工、裝卸、剔除廢品，采用控制系統(tǒng)將各個部分的動作協(xié)調(diào)起來，使其按照規(guī)定的工藝自動進(jìn)行工作，形成一套自動化生產(chǎn)線。生產(chǎn)線按模塊化組合，控制器、模塊、接線、界面設(shè)計都可以按設(shè)計者的思想更改設(shè)計方式，系統(tǒng)涵蓋了計算機(jī)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、DeviceNet總線、Control－Logix控制器［3］、氣動機(jī)械手、傳感器等技術(shù)。在近1年來的實踐教學(xué)中，取得了較好的教學(xué)效果，學(xué)生按組參加實踐環(huán)節(jié)的鍛煉，得到了PLC技術(shù)能力的提高。

本設(shè)計研發(fā)的系統(tǒng)以遼寧工業(yè)大學(xué)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實驗室為平臺，采用羅克韋爾公司的ControlLogix系列產(chǎn)品系統(tǒng)為控制核心，控制器采用西門子、歐姆龍等產(chǎn)品，模塊相應(yīng)可以配套擴(kuò)展，程序及界面設(shè)計也可按需求和硬件設(shè)備采用相應(yīng)平臺開發(fā)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

實驗室自動分揀倉儲系統(tǒng)是以材料分揀裝置、機(jī)械手模型和自動立體倉庫模型為基本單元，增加連接部件和PC－LINK網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使之成為了一套模擬實際工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)復(fù)雜過程的教學(xué)裝置。圖1為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)技術(shù)要求：

（1）分揀材料能夠包括塑料、鐵塊、銅塊等常用工業(yè)材料，在傳送帶上可以完成分揀入倉，分揀速度30個／分；

（2）機(jī)械手操作，實現(xiàn)10個／分抓取操作，回旋角度180°；

（3）系統(tǒng)具有6個倉儲用倉庫，模擬工業(yè)現(xiàn)場真實倉庫，根據(jù)實際要求可以按倉完成材料入庫操作。

系統(tǒng)各主要組成部件如下。

1.1 監(jiān)控主機(jī)端

PC機(jī)作為監(jiān)控主機(jī)，它是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點，主要運行組態(tài)程序用于實時監(jiān)控系統(tǒng)運行，本設(shè)計中包括完成硬件組態(tài)、控制器文件的實現(xiàn)、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)、編寫軟件梯形圖及監(jiān)控自動分揀倉儲系統(tǒng)狀態(tài)功能［4］。

1.2 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)

實驗室自動分揀倉儲系統(tǒng)采用開放式的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)模型NetLinx結(jié)構(gòu)，分為3層：網(wǎng)絡(luò)層、控制層和設(shè)備層［5－7］，其中管理監(jiān)控主機(jī)處于 EtherNet層、PLC控制器處于ControlNet、輸入輸出設(shè)備處于DeviceNet，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)中的監(jiān)控主機(jī)主要實現(xiàn)編程、監(jiān)控等功能，處于3層網(wǎng)絡(luò)的最頂層，采用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)連接，設(shè)計中可采用西門子、歐姆龍等以太網(wǎng)模塊實現(xiàn)對控制層的連接；PLC是現(xiàn)場控制處理器，設(shè)計中采用羅克韋爾自動化公司的1769－L32C模塊連接控制網(wǎng)，可以配套相應(yīng)的擴(kuò)展模塊，實現(xiàn)對自動分揀倉儲系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備節(jié)點的控制；光電開關(guān)、光電傳感器、霍爾元件等設(shè)備采用RS485協(xié)議連接設(shè)備層。

1.3 PLC控制器

圖2 開放式網(wǎng)絡(luò)NetLinx結(jié)構(gòu)

控制器是系統(tǒng)的控制核心，為了與教學(xué)課程配套，考慮到實驗室的具體情況，學(xué)生設(shè)計中可以采用西門子、歐姆龍、羅克韋爾的PLC產(chǎn)品；教學(xué)中可以某一具體型號PLC為主要講授內(nèi)容，在實踐教學(xué)中可以讓學(xué)生在各種PLC上進(jìn)行實際操作，使學(xué)生具有PLC設(shè)計實踐工作能力。本文采用羅克韋爾自動化公司的可編程控制器，采用的型號為1769－L32C，其配套的模塊包括各種數(shù)字量I／O口、模擬口、通信模塊以及伺服控制器等，與現(xiàn)場工業(yè)設(shè)計完全一致。

1.4 氣動機(jī)械手

機(jī)械手模型是一個模擬工業(yè)生產(chǎn)過程中自動化設(shè)備周邊常見機(jī)械手的微縮模型，它使用了氣動驅(qū)動、傳感器、位置控制、電氣傳動等技術(shù)，具有零組件的自動輸送、取拿和移送功能，可以作為四維運動控制裝置［8］。

該裝置采用架式結(jié)構(gòu)，由氣動組合機(jī)械手、輸送帶、供電部件、驅(qū)動部件和信號端子等組成，并配有電磁閥、傳感器、直流電機(jī)等，配合PLC、單片機(jī)等控制器既可構(gòu)成典型的機(jī)電一體化教學(xué)模型。機(jī)械手工作過程：當(dāng)模擬零組件的料塊放入取料位的相應(yīng)位置，機(jī)械手將按以下步驟動作：（1）手臂回轉(zhuǎn)收回；（2）手臂下降；（3）手指張開；（4）手指閉合夾物；（5）手臂抬升；（6）手臂旋轉(zhuǎn)；（7）手臂前伸；（8）手臂下降；（9）手指張開放物。

1.5 輸入／輸出模塊

輸入／輸出模塊主要連接系統(tǒng)的I／O，模塊要與PLC配套，在學(xué)生的實際教學(xué)中，讓學(xué)生獨自選擇模塊完成教學(xué)要求。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 控制要求

（1）出倉：手動將料塊放入倉庫，系統(tǒng)由電磁閥自動將料塊推出到傳送帶上。

（2）分揀鐵塊：當(dāng)傳送帶上的傳感器檢測到有鐵塊經(jīng)過時，將其推入1#庫。

（3）分揀鋁塊：當(dāng)傳送帶上的傳感器檢測到有鋁塊經(jīng)過時，將其推入2#庫。

（4）機(jī)械手：當(dāng)傳送帶上的傳感器檢測到有塑料塊經(jīng)過時，機(jī)械手動作，搬到緩沖臺，準(zhǔn)備入立體庫，立體庫具有選庫功能，本模型具有4個庫區(qū)。

（5）托臺：將立體庫中的空盒子搬到緩沖臺，機(jī)械手將藍(lán)塊放入后盒子后，再將盒子送回立體庫。

2.2 程序設(shè)計

程序的設(shè)計是PLC設(shè)計的重點，涉及到配置以太網(wǎng)模塊、控制器配置、I／O模塊組態(tài)以及梯形圖的編寫，系統(tǒng)可以采用不同的PLC配套相應(yīng)的程序完成設(shè)計［9－12］，學(xué)生可以得到多方面的訓(xùn)練。本文中系統(tǒng)在主機(jī)中采用羅克韋爾的RSLogix 5000軟件完成。傳感器檢測、機(jī)械手動作、貨物傳送至傳送帶、傳送帶運送貨物至倉庫、檢測入庫、計數(shù)報警是自動分揀傳送倉儲系統(tǒng)流程，由主控制器ControlLogix系列的Logix1769處理器控制機(jī)械手傳送帶以及托臺電機(jī)來完成。具體的主流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的整體運作流程圖

2.3 顯示界面設(shè)計

組態(tài)功能由羅克韋爾Factory Talk View實現(xiàn)。在教學(xué)過程中可以讓學(xué)生采用 MCGS、組態(tài)王、WINCC等組態(tài)軟件編寫程序，根據(jù)項目的不同、工藝流程的不同，學(xué)生獨自思考問題，采用不同的軟件完成監(jiān)控界面的設(shè)計，在實踐中取得了較好的效果。

本文采用FactoryTalk View Site Edition軟件設(shè)計，用戶只需一次設(shè)計圖形顯示畫面，然后將其存儲在服務(wù)器內(nèi)，就可以在網(wǎng)絡(luò)上任何一個客戶端訪問這些畫面，無需拷貝、導(dǎo)入、轉(zhuǎn)換或者重新輸入標(biāo)簽或命令。設(shè)計的組態(tài)界面包括登錄用戶驗證界面、運行主界面、按鍵界面和計數(shù)界面。同時還完成報表功能。主界面如圖4所示。

圖4 自動分揀倉儲系統(tǒng)組態(tài)界面主界面

2.4 調(diào)試運行

系統(tǒng)設(shè)計運行方式可以為連續(xù)運行、選擇入庫方式運行以及按鍵手動運行，運行方式靈活。經(jīng)過軟硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，根據(jù)工藝流程編寫相應(yīng)程序，經(jīng)調(diào)試上電運行，傳送帶工作正常，可以實現(xiàn)對不同材料的分揀；機(jī)械手部分可以流暢運行，完成取物、抓取、放置、運送、分揀等自動生產(chǎn)線工藝流程，托臺部分可以準(zhǔn)確地完成左行、右行、上升、下降，取物進(jìn)、取物出等流程，符合控制要求，能夠靈活地為學(xué)生實踐教學(xué)服務(wù)。

3 系統(tǒng)為學(xué)生提供的教學(xué)服務(wù)

3.1 學(xué)生可獲得的能力分析

技術(shù)上該系統(tǒng)集光電技術(shù)、步進(jìn)電機(jī)控制、傳感器技術(shù)、PLC控制技術(shù)于一體，是實際運行的工業(yè)生產(chǎn)線的實驗室模型，解決了專業(yè)實驗設(shè)備重理論、輕實踐，連線少、控制復(fù)雜但可操作性差的特點，在提高學(xué)生專業(yè)知識與實際技能的結(jié)合上發(fā)揮了重要作用。課程教學(xué)上，該系統(tǒng)與PLC課程、傳感器課程、電氣控制、控制理論等緊密結(jié)合，是相關(guān)電類課程的良好實驗設(shè)備，該系統(tǒng)具有課程知識綜合性的特點，達(dá)到提高大學(xué)生創(chuàng)新能力、綜合能力和實踐能力的目的。

3.2 開設(shè)的實驗實訓(xùn)項目

系統(tǒng)設(shè)計之初緊密結(jié)合電類學(xué)生實驗實訓(xùn)項目需要，能夠開出設(shè)計性、綜合性實驗項目10多個，可以采用不同的PLC配套相應(yīng)的模塊、程序完成項目設(shè)計。再結(jié)合傳統(tǒng)的實驗設(shè)備、電機(jī)、模塊等，可以設(shè)計出滿足開放實驗、創(chuàng)新性實驗需要的項目，符合新形勢下提高大學(xué)生能力的需要。

經(jīng)過教學(xué)實踐，在系統(tǒng)上可以實現(xiàn)綜合性、設(shè)計性項目15個，項目可以按年級不同專業(yè)學(xué)生分組開展教學(xué)活動，可由學(xué)生自主設(shè)計完成，也可以用作工程項目演示使用。實驗項目包括四大類：

（1）基礎(chǔ)性實驗：包括傳送帶產(chǎn)品分揀實驗、機(jī)械手取物實驗、自動倉儲實驗及PLC通信控制實驗；

（2）綜合性實驗：包括自動分揀倉儲系統(tǒng)運行實驗、PLC動態(tài)界面設(shè)計觸摸屏與PLC系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試實驗、多站臺三層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計實驗；

（3）設(shè)計性實驗：包括基于MCGS的歐姆龍PLC自動倉儲系統(tǒng)實驗、基于 WINCC的西門子S7－200PLC自動倉儲系統(tǒng)實驗、PLC與控制電機(jī)產(chǎn)品聯(lián)合設(shè)計實驗、多廠家產(chǎn)品互聯(lián)倉儲系統(tǒng)實驗等；

（4）演示性實驗：包括自動分揀倉儲系統(tǒng)綜合運行演示。

4 結(jié)論

自動分揀倉儲系統(tǒng)設(shè)計完成后，經(jīng)過1年多自動化、電氣專業(yè)本科生的實踐教學(xué)應(yīng)用，學(xué)生從電氣設(shè)計、PLC選型、I／O口分配、擴(kuò)展模塊選擇、生產(chǎn)工藝等方面經(jīng)過了系統(tǒng)化、貼近生產(chǎn)實際的訓(xùn)練，在專業(yè)知識、實踐經(jīng)驗、設(shè)計能力等方面都得到了提高，取得了較好的教學(xué)效果；同時，可以與專業(yè)的生產(chǎn)設(shè)計廠家配合，設(shè)計研究出配套的、符合生產(chǎn)實際設(shè)備的模塊與本系統(tǒng)結(jié)合使用；讓學(xué)生獨立思考，可以滿足多專業(yè)、多層次的學(xué)生實驗、實踐教學(xué)需要，為國家、省大學(xué)生創(chuàng)新項目、競賽項目服務(wù)。

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［1］王蘭英.MCGS組態(tài)軟件在PLC實驗教學(xué)中的應(yīng)用［J］.物理實驗，2012，32 （11）：44－46.

［2］岳洪偉.基于LabVIEW的數(shù)字信號處理虛擬實驗平臺實現(xiàn)［J］.實驗技術(shù)與管理，2011，28（8）：70－72.

［3］韓燁，劉志剛，李文帆.基于LabVIEW的新型電能質(zhì)量分析軟件開發(fā)［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（16）：121－125.

［4］孫大衛(wèi)，丁興俊.一種典型自動控制原理實驗教學(xué)設(shè)備研究［J］.實驗技術(shù)與管理，2011，28（7）：79－81.

［5］王莉，楊鵬.基于LabVIEW的虛擬示波器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.實驗室研究與探索，2010，29（1）：62－64.

［6］陳永利，李玉鼎.PLC和人機(jī)界面組合的控制系統(tǒng)研究［J］.制造業(yè)自動化，2012，34（13）：128－150.

［7］關(guān)明，周希倫，馬力靜.基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.制造業(yè)自動化，2012，34（14）：140－142.

［8］李振東.組態(tài)王與PLC控制的交流閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)［J］.化工自動化及儀表，2012，39（9）：1190－1193.

［9］張順昌，張玉潔.組態(tài)軟件在電氣控制與PLC教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2009，13（83）：46－48.

［10］朗朗，陳躍東，陳欣.PLC課程體系的多層次實驗結(jié)構(gòu)的研究［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010，32（2）：70－72.

［11］鄭春嬌，王金成.基于ControlLogix控制器的實驗室自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)［J］.電工電氣，2011（5）：36－38.

［12］樊超.ControlLogixPLC控制系統(tǒng)的組成及應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27（3）：17－19.