EDA技術(shù)在皮革裁斷智能分揀中的應(yīng)用研究

胡頂勝，黃國杰，諶濤，周加立，鄭松，劉豪

（興義民族師范學(xué)院 物理與工程技術(shù)學(xué)院，貴州 興義562400）

引言

皮革裁斷分揀是皮革加工中常見的制作工藝環(huán)節(jié)，在以往傳統(tǒng)的中小型皮革企業(yè)加工制作過程中，由于勞動力成本較低，通常皮革裁斷后的分揀環(huán)節(jié)以人工方式完成，其缺點十分明顯，工人不僅勞動強度大且分揀準(zhǔn)確性存在一定的誤差。

近年來，伴隨著皮革加工生產(chǎn)智能化趨勢的發(fā)展，自動化、信息化、數(shù)字化是皮革加工過程的發(fā)展趨勢，更是中小型皮革企業(yè)加工生產(chǎn)中必不可少的手段。本次設(shè)計的皮革智能裁斷分揀系統(tǒng)，利用EDA 技術(shù)中的可編程邏輯控制器與高度檢測傳感器結(jié)合，用于控制皮革樣片的裁斷與分揀，經(jīng)以太網(wǎng)交換機與上位機、智能網(wǎng)關(guān)通信作為設(shè)備的監(jiān)測手段，精準(zhǔn)實現(xiàn)皮革樣片的裁斷準(zhǔn)確性，提高皮革樣片自動分揀的效率。

1 EDA 技術(shù)概述

EDA 技術(shù)泛指電子設(shè)計自動化（Electronics Design Automation），EDA 涵蓋了電子設(shè)計、仿真、驗證、制造全過程的所有技術(shù)，諸如：系統(tǒng)設(shè)計與仿真，電路設(shè)計與仿真，數(shù)字邏輯電路設(shè)計，模擬電路設(shè)計，數(shù)模混合設(shè)計，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，軟硬件協(xié)同設(shè)計，芯片上系統(tǒng)（SoC）設(shè)計，可編程邏輯控制器（PLC）和可編程系統(tǒng)芯片（SOPC）設(shè)計，專用集成電路（ASIC）和專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）設(shè)計技術(shù)等[1-2]。

其中，可編程邏輯控制器憑借可靠性高、運行速度快、輸出模塊功能齊全等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各類電子系統(tǒng)設(shè)計之中，具有運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能等多種功能，在制造工業(yè)中被作為開關(guān)量為主的開環(huán)順序主控制器。

2 EDA 技術(shù)融合的皮革裁斷智能分揀系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計內(nèi)容

皮革裁斷智能分揀系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容主要涵蓋了系統(tǒng)的硬件設(shè)計、編程邏輯控制器程序設(shè)計及系統(tǒng)監(jiān)控平臺的功能設(shè)計，通過充分利用多種EDA 技術(shù)實現(xiàn)皮革裁斷分揀過程的電子自動化，有效提高皮革裁斷準(zhǔn)確率與分揀碼垛效率。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計原理

本次皮革裁斷智能分揀系統(tǒng)設(shè)計采用EDA 技術(shù)中的可編程邏輯控制器作為裁斷分揀的主要控制設(shè)備，具體如圖1 所示，利用上位機（用作皮革生產(chǎn)車間現(xiàn)場監(jiān)控）、工業(yè)以太網(wǎng)交換機（用作實現(xiàn)交互通信）和智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備IOT2040（用以現(xiàn)場信息數(shù)據(jù)上傳）對皮革裁斷分揀過程實施在線精準(zhǔn)監(jiān)控。

其中，信號傳感器設(shè)備包含了高度檢測和位置檢測，通過信號指示燈命令，自動輸入按鈕控制傳感器，以此實現(xiàn)整個皮革裁斷機器的自動切割、分揀與碼垛過程[3]。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

皮革裁斷智能分揀系統(tǒng)的硬件主要是由皮革裁斷刀、皮革物料傳送帶、自動滾輪分揀機、三軸碼垛機和電控箱等組成，以EDA技術(shù)中的數(shù)字邏輯電路進行相關(guān)設(shè)計功能的組建，如圖2 所示。

現(xiàn)場設(shè)備共計有開關(guān)量輸入、輸出各24 個，由1 路高度檢測模擬量輸入組合而成。其中，編程邏輯控制器I/O 輸入/輸出分配的具體功能釋義如表1 所示。

表1 編程邏輯控制器I/O 分配表Tab.1 Programming logic controller I/O assignment table

2.3 系統(tǒng)程序設(shè)計

皮革裁斷智能分揀系統(tǒng)中的程序設(shè)計，結(jié)合編程邏輯控制器對整個設(shè)備進行精準(zhǔn)命令實施，充分發(fā)揮EDA 技術(shù)中的仿真邏輯優(yōu)勢，管理員通過電控箱開關(guān)來選擇設(shè)備的運行模式，在控制器上電運行初始階段整個設(shè)備電子系統(tǒng)進行自動初始化，對內(nèi)部寄存器存留的數(shù)據(jù)進行自動清空[4]。

系統(tǒng)程序設(shè)計從運行模式開始，手動模式主要用于皮革裁斷設(shè)備故障時調(diào)試或監(jiān)控異常狀態(tài)進行故障排查；自動模式作為系統(tǒng)中的主要常態(tài)運行模式，通過設(shè)備物理按鈕或遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備發(fā)出的信號實施自動裁斷命令。

在設(shè)備裁斷自動模式運行過程中，首先皮料在傳送帶中運行，將不同尺寸的皮革樣片（分為大、中、?。┫蚋叨葯z測點進行輸出，高度傳感器根據(jù)樣片大小將數(shù)據(jù)信息傳送給控制器，由控制器將不同大小的皮革樣片自動裁斷[5-6]；其次，控制器按照裁斷后的皮革樣片大小監(jiān)測結(jié)果將不同皮革樣片按照對應(yīng)的位置進行進行智能分揀，運用傳送帶末端的滾輪分揀機和氣爪旋轉(zhuǎn)分揀；最后，在智能分揀完成后將已經(jīng)裁斷好不同大小的皮革樣片利用托盤傳送到設(shè)備疊放的指定位置，利用三軸碼垛機按照提前預(yù)設(shè)好的疊放計算方法實現(xiàn)皮革樣片的整齊堆放，最終使皮革裁斷樣片的制作與加工生產(chǎn)效率有效提升。

2.4 系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計

皮革裁斷智能分揀系統(tǒng)的監(jiān)控主要由上位機組態(tài)王監(jiān)控平臺進行實時監(jiān)測。組態(tài)王編輯的監(jiān)控平臺基本功能豐富，其平臺搭配了EDA 技術(shù)中的可編程數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)芯片，可對整個裁斷分揀過程監(jiān)控實施手動或自動模式。具體如圖3 所示，在監(jiān)控開啟之前設(shè)備管理員必須要輸入正確的賬號、密碼才能進入監(jiān)控軟件之中，軟件內(nèi)容設(shè)計包含了設(shè)備狀態(tài)檢測、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、管理員權(quán)限管理、歷史數(shù)據(jù)調(diào)度、自動報表上傳、設(shè)備狀態(tài)分析等。利用以太網(wǎng)通信傳輸方式與編程邏輯控制器建立通信數(shù)據(jù)，二者互相連接進行數(shù)據(jù)交互，在組態(tài)王軟件中建立數(shù)據(jù)詞典，用于自動讀寫控制器中的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容設(shè)計并監(jiān)控畫面（包含了監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)），實現(xiàn)自動監(jiān)控畫面信號的準(zhǔn)確輸出[7-8]。

2.5 系統(tǒng)測試情況

經(jīng)皮革裁斷設(shè)備實際現(xiàn)場調(diào)試運行，在利用本系統(tǒng)之后其裁斷分揀的速度有效提高。在剪裁邊緣整齊與皮革上料完整運輸?shù)那疤嶂拢じ锊脭嗟臋C器效率從過去的1 min 裁剪25 次提高到1 min 55 次，且裁斷后的皮革樣片大小誤差控制在了±2 mm 以內(nèi)，裁斷精確度明顯提高。在皮革裁斷后的分揀過程中，高度檢測傳感器可準(zhǔn)確將大、中、小皮革樣片放入托盤進入自動分揀環(huán)節(jié)，分揀后碼垛機可將裁斷后不同大小的皮革樣片進行正確堆疊，方便銜接下一個皮革加工環(huán)節(jié)。

3 結(jié)語

本次設(shè)計的皮革裁斷智能分揀系統(tǒng)，以多種EDA 技術(shù)作為系統(tǒng)的設(shè)計載體，利用硬件設(shè)備滾輪分揀機與三軸碼垛機作為皮革樣片裁剪后的分揀堆疊設(shè)備，改變了以往皮革裁斷人工傳統(tǒng)分揀的現(xiàn)象，有效提高了勞動率；通過利用編程邏輯控制器對不同大小皮革樣片實施精準(zhǔn)裁剪，提高了皮革裁剪的精確度；利用上位機組態(tài)王監(jiān)控平臺對皮革裁斷分揀過程與設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)實時檢測，通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)讀寫使監(jiān)控畫面信號呈現(xiàn)準(zhǔn)確，進一提升了皮革加工過程的智能化與自動化。

同時，皮革裁斷智能分揀系統(tǒng)還具有廣闊的性能拓展空間。可利用工業(yè)云與EDA 技術(shù)中的可視化編程軟件進一步對移動端監(jiān)視程序進行有效開發(fā)，例如利用Node-red 編程工具構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序，通過系統(tǒng)中的編程邏輯控制器向移動端（例如騰訊云、百度云）進行雙向數(shù)據(jù)信號傳輸，從而實現(xiàn)管理者在移動端設(shè)備中的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。