一種盒裝藥品入庫的自動化單元控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

畢思，李皓

（武昌工學(xué)院，湖北武漢，430000）

0 引言

傳統(tǒng)的分揀模式自動化程度低，作業(yè)流程和標(biāo)準(zhǔn)相對不規(guī)范，沒有形成完整的系統(tǒng)作業(yè)。未解決此類問題，采用PLC、機(jī)器人和視覺相結(jié)合的全自動的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)一個智能分揀系統(tǒng)。此設(shè)計(jì)依靠PLC、機(jī)器人、視覺等一些外部設(shè)備之間相互協(xié)調(diào)通訊，完成盒裝藥品入庫單元控制系統(tǒng)的總體方案，實(shí)現(xiàn)五種不同規(guī)格的藥品，能夠正確的分揀并碼垛。主要設(shè)計(jì)設(shè)備間的通訊、PLC程序的編寫、人機(jī)界面的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試等。采用西門子S7-1200進(jìn)行分揀系統(tǒng)的邏輯控制和程序設(shè)計(jì)，完成對機(jī)器人、機(jī)器視覺、人機(jī)界面、指示燈、安全門、傳感器等設(shè)備之間的通訊控制。完成對五種不同規(guī)格的盒裝藥品進(jìn)行分揀碼垛。

1 盒裝藥品入庫單元控制系統(tǒng)的總體方案

根據(jù)功能的要求，制定了如圖1的系統(tǒng)總體方案的布局。

圖1 盒裝藥品入庫單元控制系統(tǒng)的總體方案

PLC通過工業(yè)交換機(jī)與工業(yè)機(jī)器人和相機(jī)之間連接，采用Modbus協(xié)議進(jìn)行通訊，當(dāng)相機(jī)對盒裝藥品拍照并進(jìn)行視覺分析后，解析出盒裝藥品的種類和坐標(biāo)后，將解析出的信息傳遞給PLC，然后主控PLC將相關(guān)信息傳遞給工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器人得到信息后，根據(jù)相對應(yīng)的信號進(jìn)行相對應(yīng)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(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了對變頻器的控制，從而能夠間接控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。PLC與TPC7062TD型號的觸摸屏的觸摸屏之間采用以太網(wǎng)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

1.1 PLC設(shè)備選型

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

表1 PLC主要參數(shù)

西門子S7-1200系列PLC是一種中小型的控制系統(tǒng)，它具有模塊化、構(gòu)緊湊、功能全面、通信功能極強(qiáng)等特點(diǎn)，能適用于多種應(yīng)用。綜合對比西門子系列，發(fā)那科（FANAC） 系列、三菱等系列各型號的PLC的性能、性價比和實(shí)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(wù)書里對控制系統(tǒng)的各項(xiàng)控制要求。

1.2 觸摸屏選型

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

表2 觸摸屏主要參數(shù)

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1.3 變頻器的選擇與PLC的通訊設(shè)計(jì)

變頻器的選擇西門子G120 CU250S-2V4.7變頻器，變頻器的地址設(shè)置為192.168.0.3。西門子G120變頻器可以方便的進(jìn)行維護(hù)，對硬件模塊進(jìn)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(jìn)行通訊，使之操作更為簡單，同時減少了接口數(shù)量。G120創(chuàng)新的冷卻系統(tǒng)提高了變頻器的穩(wěn)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(shè)計(jì)的各種要求。

G120變頻器和PLC之間采用PROFINET進(jìn)行通訊，PROFINET通訊是基于以太網(wǎng)的一種通訊方式，需要和PLC的IP地址為同一地址段，設(shè)置為192.168.0.3。利用博圖軟件在設(shè)備組態(tài)中找到G120變頻器，在以太網(wǎng)地址中進(jìn)行修改。

1.4 盒裝藥品入庫單元控制系統(tǒng)的工作流程

盒裝藥品入庫單元控制流程如圖2所示，系統(tǒng)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(dāng)切換為手動模式時，可實(shí)現(xiàn)對相機(jī)、輸送鏈、機(jī)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(jìn)行移動，當(dāng)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(jī)啟動，開始拍照，經(jīng)過程序的分析，將分析數(shù)據(jù)傳給PLC，再由PLC將得到的盒裝藥物的種類、位置傳遞給機(jī)器人，此時機(jī)器人開始工作，對盒裝藥物進(jìn)行分揀碼垛，當(dāng)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(jī)器人信號、相機(jī)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(jī)器人會回到原點(diǎn)，相機(jī)的分析程序?qū)⒊跏蓟?/p>

1.5 PLC的I/O連接

根據(jù)流程規(guī)劃和任務(wù)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(guān)I/O分配表如表3所示。電路連接如圖3所示。

表3 PLC相關(guān)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(tǒng)的設(shè)計(jì)

人機(jī)界面或稱為人機(jī)交互（HMI），也可稱作是工業(yè)平板電腦。人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，一般使用觸摸式的顯示屏，簡稱觸摸屏，通過在組態(tài)軟件的中對整個系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，讓整個工作流程能夠更直觀的展現(xiàn)出來，使人操作起來更加方便，便于觀察和記錄數(shù)據(jù)。

2.1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

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

（2）設(shè)備屬性編輯完成之后，在實(shí)時數(shù)據(jù)庫中添加需要用到的數(shù)據(jù)，并定義數(shù)據(jù)類型。

（3）設(shè)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(biāo)準(zhǔn)按鈕來充當(dāng)開關(guān)，并進(jìn)行命名，完成之后，在彈出來的標(biāo)準(zhǔn)按鈕屬性設(shè)置中選擇操作屬性，在數(shù)據(jù)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(shè)置

（4）然后根據(jù)任務(wù)要求，相應(yīng)的添加自動模式、手動模式、模式切換、啟動、停止、電機(jī)正轉(zhuǎn)、電機(jī)反轉(zhuǎn)、電機(jī)停止、相機(jī)手動拍照、機(jī)器人手動分揀以及用戶登錄等按鈕。然后進(jìn)行對應(yīng)的操作屬性設(shè)置。操作完成后，在工具→用戶權(quán)限管理中添加如圖5所示的管理人員和普通員工，并進(jìn)行屬性分配。

圖5 用戶管理

（5）下一步進(jìn)行用戶登錄的權(quán)限管理，將手動模式下的模式切換、電機(jī)正轉(zhuǎn)、電機(jī)反轉(zhuǎn)、電機(jī)停止、相機(jī)手動拍照、機(jī)器人手動分揀等按鈕的權(quán)限改為只有管理員才能擁有。為了確保設(shè)備的安全，將用戶登錄界面設(shè)計(jì)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(quán)力，管理員擁有手動模式下其他按鈕的使用權(quán)力。點(diǎn)開用戶登錄的屬性設(shè)置窗口，打開腳本程序編輯器，在系統(tǒng)函數(shù)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(rèn)的登錄為操作員賬戶，權(quán)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(quán)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(quán)力。

（6）當(dāng)所有的按鈕權(quán)限都設(shè)置完成后，把項(xiàng)目進(jìn)行保存，然后在工具欄中選擇組態(tài)檢查，沒有問題之后，下載工程并進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境，進(jìn)行模擬運(yùn)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(shè)計(jì)

在主程序設(shè)計(jì)思路中，要確保程序的直觀性以及實(shí)用性，將PLC與相機(jī)及機(jī)器人之間建立通訊連接的函數(shù)塊FB1插入到主程序中，形成了一個PLC與相機(jī)及機(jī)器人通訊的DB塊。

同時，在主程序中要實(shí)現(xiàn)自動模式和手動模式能夠切換，在主程序中將M0.4設(shè)置為模式切換，與人機(jī)界面中模式切換按鈕相關(guān)聯(lián)，當(dāng)工作人員在人機(jī)界面上進(jìn)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(shè)置為默認(rèn)模式，即工作人員在人機(jī)界面中不進(jìn)行模式切換時，系統(tǒng)為自動模式，所以在主程序中用到了動斷觸點(diǎn)連接自動模式，動合觸點(diǎn)連接手動模式，如此實(shí)現(xiàn)模式切換。如圖8所示。

圖8 PLC主程序設(shè)計(jì)

2.3 程序的模擬調(diào)試

當(dāng)程序?qū)懞弥?，往往會有一些遺漏的問題沒有解決，這時，就需要我們?nèi)z驗(yàn)程序書寫是否符合邏輯，程序能否滿足設(shè)計(jì)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(jìn)行編譯，然后把程序下載到仿真軟件中，轉(zhuǎn)為在線模式，啟動監(jiān)視系統(tǒng)，將啟動開關(guān)置為1，觀察控制回路是否完整，若不完整，則修改相應(yīng)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(guān)的元器件進(jìn)行接線，接線完成后，給系統(tǒng)進(jìn)行上電，打開觸摸屏，在觸摸屏上切換成手動模式，點(diǎn)擊電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止按鈕，觀察電機(jī)是否完成相應(yīng)的任務(wù)。切換自動模式進(jìn)行調(diào)試，按下啟動按鈕時，觀察系統(tǒng)是否自動運(yùn)行，按下停止按鈕時，觀察系統(tǒng)是否初始化，若在此過程中出現(xiàn)接線問題，應(yīng)及時處理，若調(diào)試沒有達(dá)到要求，則應(yīng)通知各個部門進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)所有流程都能正常運(yùn)行時，系統(tǒng)就能正常運(yùn)行。

3 結(jié)語

本文采用西門子公司研發(fā)的博圖V14軟件進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)，通過PLC控制及PROFINET、MODBUS和以太網(wǎng)等通訊協(xié)議將各個獨(dú)立的模塊匯聚成一個整體，構(gòu)成以PLC為基礎(chǔ)的分揀系統(tǒng)。通過MCGS嵌入式軟件進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)各個功能模塊的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場控制。通過本控制系統(tǒng)得出結(jié)論：（1）對物料分揀采取模塊化的設(shè)計(jì)，在出現(xiàn)問題后，能更容易找到問題所在，能夠?qū)M成部分進(jìn)行全面的分析。（2）采用西門子S7-1200型號的PLC作為控制系統(tǒng)，能夠使盒裝藥品入庫單元控制系統(tǒng)更智能化。（3）在本設(shè)計(jì)中，用到了工業(yè)機(jī)器人、PLC、變頻器以及人機(jī)界面等相關(guān)的技術(shù)來撰寫，讓我掌握了很多知識和技能，同時提高了我實(shí)踐的能力。