一种盒装药品入库的自动化单元控制系统设计
时间：2023-02-09 12:10:08 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
毕思，李皓
（武昌工学院，湖北武汉，430000）
传统的分拣模式自动化程度低，作业流程和标准相对不规范，没有形成完整的系统作业。未解决此类问题，采用PLC、机器人和视觉相结合的全自动的系统设计方法，设计一个智能分拣系统。此设计依靠PLC、机器人、视觉等一些外部设备之间相互协调通讯，完成盒装药品入库单元控制系统的总体方案，实现五种不同规格的药品，能够正确的分拣并码垛。主要设计设备间的通讯、PLC程序的编写、人机界面的设计、系统调试等。采用西门子S7-1200进行分拣系统的逻辑控制和程序设计，完成对机器人、机器视觉、人机界面、指示灯、安全门、传感器等设备之间的通讯控制。完成对五种不同规格的盒装药品进行分拣码垛。
根据功能的要求，制定了如图1的系统总体方案的布局。
图1 盒装药品入库单元控制系统的总体方案
PLC通过工业交换机与工业机器人和相机之间连接，采用Modbus协议进行通讯，当相机对盒装药品拍照并进行视觉分析后，解析出盒装药品的种类和坐标后，将解析出的信息传递给PLC，然后主控PLC将相关信息传递给工业机器人，机器人得到信息后，根据相对应的信号进行相对应的分拣工作。
PLC与变频器之间采用PROFINET通讯的方式，通过PLC与变频器之间进行连接，实现了对变频器的控制，从而能够间接控制步进电机的转速。PLC与TPC7062TD型号的触摸屏的触摸屏之间采用以太网通讯，要保证PLC与触摸屏之间IP地址的地址段相同，才能使PLC与触摸屏之间建立连接，从而实现数据交换。
1.1 PLC设备选型
盒装药品入库单元控制系统选择用西门子S7-1200PLC，S7-1200在S7-200的基础上又增加了许多功能，能满足更广泛领域的要求，S7-1200的CPU集成了PROFINET接口，可以实现编程设备与CPU、CPU与HMI以及CPU与CPU之间的通信。参数说明表如表1所示。
表1 PLC主要参数
西门子S7-1200系列PLC是一种中小型的控制系统，它具有模块化、构紧凑、功能全面、通信功能极强等特点，能适用于多种应用。综合对比西门子系列，发那科（FANAC） 系列、三菱等系列各型号的PLC的性能、性价比和实用性等各方面，故选择西门子S7-1200 型PLC。该型号PLC能完全满足任务书里对控制系统的各项控制要求。
1.2 触摸屏选型
选择昆仑通态公司生产的TPC7062TD型号的触摸屏，这款国产的触摸屏有高性能嵌入式一体化的特点，同时这款产品采用7英寸、800×480分辨率的液晶屏，还拥有128M的内存和系统储存。这款触摸屏完美能够满足人机界面的要求。参数说明如表2所示。
表2 触摸屏主要参数
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1.3 变频器的选择与PLC的通讯设计
变频器的选择西门子G120 CU250S-2V4.7变频器，变频器的地址设置为192.168.0.3。西门子G120变频器可以方便的进行维护，对硬件模块进行热插拔，并可以拆卸接线端子；
G120变频器可以通过PROFINET、PROFIBUS或PROFIdrive进行通讯，使之操作更为简单，同时减少了接口数量。G120创新的冷却系统提高了变频器的稳定性和使用寿命，总之，G120是一款性价比很高的变频器，恰好符合本设计的各种要求。
G120变频器和PLC之间采用PROFINET进行通讯，PROFINET通讯是基于以太网的一种通讯方式，需要和PLC的IP地址为同一地址段，设置为192.168.0.3。利用博图软件在设备组态中找到G120变频器，在以太网地址中进行修改。
1.4 盒装药品入库单元控制系统的工作流程
盒装药品入库单元控制流程如图2所示，系统上电后，可在触摸屏上切换手动模式和自动模式两种模式。当切换为手动模式时，可实现对相机、输送链、机器人分拣程序的手动控制。切换为自动模式时，输送链开始启动，并带着盒装药物进行移动，当盒装药物移动到一定的位置被传感器检测到以后，输送链停止工作，相机启动，开始拍照，经过程序的分析，将分析数据传给PLC，再由PLC将得到的盒装药物的种类、位置传递给机器人，此时机器人开始工作，对盒装药物进行分拣码垛，当盒装药物离开传感器的检测范围之后，输送链开始工作，开始了新一轮的分拣工作。
图2 盒装药品入库单元控制的流程图
若在自动模式下按下急停按钮，则机器人信号、相机信号以及输送链的信号都将会被初始化，即输送链将停止工作，机器人会回到原点，相机的分析程序将初始化。
1.5 PLC的I/O连接
根据流程规划和任务书，PLC还需要在输入端接入一个拍照位传感器（欧姆龙PNP型）。PLC相关I/O分配表如表3所示。电路连接如图3所示。
表3 PLC相关I/O分配表
图3 电路连线图
人机界面或称为人机交互（HMI），也可称作是工业平板电脑。人机界面的设计，一般使用触摸式的显示屏，简称触摸屏，通过在组态软件的中对整个系统进行规划设计，让整个工作流程能够更直观的展现出来，使人操作起来更加方便，便于观察和记录数据。
2.1 人机界面设计
（1）让触摸屏和PLC的IP地址在同一地址段内，点开设备Siemens_ 1200的属性窗口，找到本地IP地址和远端IP地址，把远端IP地址设置成博图软件中S7-1200PLC的IP地址相同，设置成192.168.0.1，把本地的IP地址改成与远端IP地址段相同的地址，设置成192.168.0.2。
（2）设备属性编辑完成之后，在实时数据库中添加需要用到的数据，并定义数据类型。
（3）设置完成后，打开用户窗口，在触摸屏的主界面上，通过工具箱里的插入元件选择一些元器件，并选择标准按钮来充当开关，并进行命名，完成之后，在弹出来的标准按钮属性设置中选择操作属性，在数据对象操作中选择合适的操作方式。如图4所示。
图4 按钮操作属性设置
（4）然后根据任务要求，相应的添加自动模式、手动模式、模式切换、启动、停止、电机正转、电机反转、电机停止、相机手动拍照、机器人手动分拣以及用户登录等按钮。然后进行对应的操作属性设置。操作完成后，在工具→用户权限管理中添加如图5所示的管理人员和普通员工，并进行属性分配。
图5 用户管理
（5）下一步进行用户登录的权限管理，将手动模式下的模式切换、电机正转、电机反转、电机停止、相机手动拍照、机器人手动分拣等按钮的权限改为只有管理员才能拥有。为了确保设备的安全，将用户登录界面设计了两种登录方式，分别为管理员登录和操作员登录，操作员只有使用自动模式下的启动、停止的权力，管理员拥有手动模式下其他按钮的使用权力。点开用户登录的属性设置窗口，打开脚本程序编辑器，在系统函数的用户登录操作中选择“！Logon”并添加。如图6所示。
图6 用户登录脚本程序添加
此时，默认的登录为操作员账户，权限仅限于在自动模式下按启动、停止按钮，若想拥有手动模式的权力，则需要在用户登录中选择管理员登录，然后选择模式切换，方能行使手动模式下按钮的权力。
（6）当所有的按钮权限都设置完成后，把项目进行保存，然后在工具栏中选择组态检查，没有问题之后，下载工程并进入运行环境，进行模拟运行和工程下载后，触摸屏的操作界面如图7所示。
图7 触摸屏操作界面
2.2 PLC主程序设计
在主程序设计思路中，要确保程序的直观性以及实用性，将PLC与相机及机器人之间建立通讯连接的函数块FB1插入到主程序中，形成了一个PLC与相机及机器人通讯的DB块。
同时，在主程序中要实现自动模式和手动模式能够切换，在主程序中将M0.4设置为模式切换，与人机界面中模式切换按钮相关联，当工作人员在人机界面上进行模式切换时，可以选择切换到任意模式，在主程序中，将自动模式设置为默认模式，即工作人员在人机界面中不进行模式切换时，系统为自动模式，所以在主程序中用到了动断触点连接自动模式，动合触点连接手动模式，如此实现模式切换。如图8所示。
图8 PLC主程序设计
2.3 程序的模拟调试
当程序写好之后，往往会有一些遗漏的问题没有解决，这时，就需要我们去检验程序书写是否符合逻辑，程序能否满足设计要求。这里，我使用了博图软件自带的仿真软件，打开仿真软件，对PLC进行编译，然后把程序下载到仿真软件中，转为在线模式，启动监视系统，将启动开关置为1，观察控制回路是否完整，若不完整，则修改相应的程序。如图9所示。
图9 模拟仿真测试
完成模拟测试后，将相关的元器件进行接线，接线完成后，给系统进行上电，打开触摸屏，在触摸屏上切换成手动模式，点击电机正转、反转、停止按钮，观察电机是否完成相应的任务。切换自动模式进行调试，按下启动按钮时，观察系统是否自动运行，按下停止按钮时，观察系统是否初始化，若在此过程中出现接线问题，应及时处理，若调试没有达到要求，则应通知各个部门进行调整，当所有流程都能正常运行时，系统就能正常运行。
本文采用西门子公司研发的博图V14软件进行PLC程序设计，通过PLC控制及PROFINET、MODBUS和以太网等通讯协议将各个独立的模块汇聚成一个整体，构成以PLC为基础的分拣系统。通过MCGS嵌入式软件进行人机界面的设计，能够实现各个功能模块的运行状态进行现场控制。通过本控制系统得出结论：（1）对物料分拣采取模块化的设计，在出现问题后，能更容易找到问题所在，能够对组成部分进行全面的分析。（2）采用西门子S7-1200型号的PLC作为控制系统，能够使盒装药品入库单元控制系统更智能化。（3）在本设计中，用到了工业机器人、PLC、变频器以及人机界面等相关的技术来撰写，让我掌握了很多知识和技能，同时提高了我实践的能力。
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