基于PLC和嵌入式技術的智能物料搬運系統設計

王 靖，周 瑜，莊文密，吳嘯波，許興淼

WANG Jing,ZHOU Yu,ZHUANG Wen-mi,WU Xiao-bo,XU Xing-miao

（江蘇科技大學 電氣與信息工程學院，張家港 215600）

0 引言

隨著國內物流業以及制造業的不斷發展，物料以及貨品的運輸量也在急劇增長，并且對于智能化的要求也越來越高。傳統的人工分揀與搬運模式已不能滿足新形勢的要求，因此更加高效智能的貨品搬運處理方式逐漸成為了一個主流的研究方向[1]。利用先進的控制方式以及智能化的處理方案，可以在物流搬運這一環節進行突破與創新。

其中，以PLC為核心的控制系統憑借其穩定性以及其對各種現場的適應程度而被廣泛使用，并且以嵌入式技術為核心的智能系統可以對應用現場的相關信息進行處理，比如圖像識別、狀態監測、云端處理等。本文希望通過PLC與嵌入式技術的結合，保證搬運系統的承載能力與穩定性的同時，加入智能化功能，使得系統更加人性化并且符合技術發展的潮流。

1 總體方案設計

智能物料搬運系統主要由硬件部分的多維搬運平臺以及控制部分的西門子S7-200 PLC和負責進行信息智能化處理的STM32嵌入式系統組成，總體框圖如圖1所示。通過PLC作為搬運平臺運動的主控制器，設有自動、手動、調試三個模式以適應用戶不同需求[2]。在手動模式下，搬運平臺在步進電機、絲桿以及電推桿等裝置的驅動下根據用戶按鈕指令進行前后滑動、左右平移以及上下升降等工作；在自動模式下，STM32通過外接攝像頭對貨物信息進行圖像提取與二值化處理后根據對不同特征值的判斷反饋不同信號給PLC從而驅動搬運平臺到達對應位置、自動進行物料的收取；調試模式下，用戶可逐一測試步進電機、直流電機、電動推桿以及相關傳感器的工作狀態，方便維護。

圖1 系統總體框圖

2 硬件設計

在本文設計的硬件系統中，以西門子S7-200 PLC作為控制器，主要實現搬運平臺的運動系統的控制，搬運平臺的機械結構如圖2所示。在X軸方向采用步進電機驅動滾珠絲桿以可設定的速度轉動從而帶動平臺進行滑動，行程為2米；在Y軸方向通過直流電機的正反轉配合齒輪與齒條的嚙合實現左右雙向的伸縮，以進行兩側物料的取放；在Z軸方向上通過電動推桿以及氣彈簧的支撐實現平臺的上升與下降[3]，以進行不同目標高度的物料的取放。同時，用于進行物料信息圖像識別的攝像頭固定在來料位置，通過STM32F103VET6處理器進行不同物料的特征值提取與處理。

圖2 搬運平臺機械結構示意圖

2.1 控制器選型及I/O地址分配

本文設計選用西門子S7-200-224XP PLC，該機自帶兩個高速脈沖輸出口，符合系統設計中多段速控制步進電機的電氣需求。此外，該型號PLC自帶10點I/O信號輸出、14點輸入。根據系統控制要求，共需要X個數字量輸入點、Y個數字量輸出點以及Z個高速脈沖輸出點，具體輸入輸出分配如表1所示。

表1 輸入輸出分配表

2.2 步進電機及滾珠絲桿傳動機構

采用時代超群57系列帶編碼器全閉環步進電機，帶有1000P的編碼器實現全面閉環來防止丟步。同時，運行過程中可實現最大轉矩4N.M，最高轉速2000轉。經過研究對比，該電機采用了基于反饋編碼器的空間矢量電流控制算法和矢量平滑濾波技術，對困擾傳統步進電機的低頻共振有很好的抵制作用。

滾珠絲桿主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。機構硬件結構圖如圖3所示，通過聯軸器連接步進電機與絲桿，PLC脈沖輸出驅動電機以不同速度轉動后絲桿將轉動轉變為直線運動，帶動搬運平臺的前后滑動。此外，對于平臺行進的速度可由按鈕信號或者觸摸屏給定信號進行多段速調節。

圖3 滾珠絲桿傳動機構結構圖

2.3 直流電機及齒輪齒條傳動機構

采用24V/30W直流減速電機配合齒輪與齒條的嚙合來推動搬運平臺中的左右伸縮平板的運動。電機可實現無極調速，最大轉速為50r/min，并且通過正反向的控制即可實現雙向的伸縮，擴大搬運的范圍。此結構示意圖如圖4所示，關鍵在于加裝在電機上的金屬齒輪與固定在平板下方的齒條的相對運動大大簡化了傳統的雙向伸縮的機械裝置。

圖4 電機及齒輪齒條傳動機構結構圖

2.4 電動推桿及氣彈簧升降機構

根據設計要求并結合對目前市場應用現狀的調研，搬運系統沒有采用傳統的氣缸推動方式，而是采用電動推桿進行上下推動、氣彈簧負責提供支撐的方式實現了搬運平臺的升降，機械機構如圖5所示。由于電動推桿只需提供24V直流電源以及氣彈簧無需外界能源支持，在硬件系統中結構更加簡單有效，減去了傳統搬運機器人或者機械手所依靠的氣壓來源，從使整個系統僅有電路而不需要氣路的存在，安全性也更高。并且，通過PLC程序控制可完成不同高度的升降，實現了上多個不同高度位置的取貨放貨，在垂直空間上擴大搬運范圍。

圖5 電動推桿及氣彈簧升降機構結構圖

3 軟件設計

3.1 系統工作流程

系統工作流程如圖6所示，具體如下：

圖6 系統工作流程圖

3.2 PLC關鍵子程序設計

3.2.1 可調節脈沖輸出子程序設計

本文所選用的西門子S7-200 PLC自身帶有兩路PTO/PWM高速脈沖發生器，這使得PLC能夠以最高100KHz的頻率產生一個高速脈沖串（PTO）以及一個脈寬調制波形（PWM）。并且，當兩路高速脈沖發生器使能后[8]，PLC的數字量輸出過程印象區的Q0.0和Q0.1輸出波形。采用運動控制庫指令來控制高速脈沖輸出以實現對步進電機的驅動，從而帶動搬運平臺在X軸方向上的運動，運動控制庫函數功能表如表2所示。

表2 運動控制庫函數功能表

通過上表可知，在程序設計中需根據電機驅動負載的能力在啟動和停止時給定合適的速度，防止出現電機的抖動，步進電機初始化程序梯形圖如圖7所示。

圖7 步進電機初始化程序梯形圖

3.2.2 多高度升降子程序設計

在垂直方向上，電動推桿的行程可根據實際需求選用不同行程產品，通過程序設計可以將電動推桿單一的上升下降運動轉化成多高度的運動。經過測試，電動推桿的運動是勻速的故可以通過定時器的配合，控制推桿每段上升或下降的距離，并且還可以實現距離的靈活調節，平臺可到達行程內的任意高度，多高度升降子程序梯形圖如圖8所示。如此一來，搬運平臺在垂直方向上的運動形式更加多樣[4]，有利于用戶對不同形狀大小產品的收放。

圖8 多高度升降子程序梯形圖

3.2.3 雙向收放運動程序設計

在搬運平臺的左右伸縮進行貨物的收放工作時，通過程序控制兩個繼電器的觸點得電與否來實現對直流電機的正反轉控制，并且在兩端設有接近開關，防止轉動距離過大使得齒輪與齒條的連接脫落。

3.3 STM32嵌入式程序設計

本文設計實現通過攝像頭采集畫面，對每一個待收取物料的標簽進行特征提取與識別從而控制搬運平臺準確的將貨物放置于指定位置，而不是簡單的順序放置與搬運。采用OV7725攝像頭進行圖像的采集，并由STM32F103VET6處理器進行圖像的處理工作。考慮到應用環境的多樣，攝像頭畫面容易受光照等因素的影響[5]，所以直接采用原始畫面進行處理的難度較大并且準確率不高。因此，通過迭代閾值法對RGB565格式的圖像數據進行二值化處理。

首先，通過對數據進行移位等操作對RGB三色分量值進行單獨提取；然后，去除干擾使畫面轉為黑白二值圖像，并且通過串口調試得黑色對應值為0，白色對應值為255。得到二值化圖像后可以更加有效的提取貨物標簽上的特征值，設計通過邊緣檢測法[6]，提取不同形狀的特征值實現對于多種形狀如正方形、三角形的識別與判斷并通過設定引腳高低電平信號的變化將貨物信息回傳給PLC控制搬運平臺運動。原始畫面與程序處理后畫面對比如圖9所示。

圖9 圖像處理效果對比

4 結語

針對于當前制造業以及物流行業對物料智能化搬運的需求日益增長的現狀，通過PLC技術與嵌入式技術的相互協作，在承載能力大、運行穩定、抗干擾能力強的基礎上加入了智能化處理方式，加入了圖像處理、人機交互等功能，解決了傳統搬運機器人中控制方式較為單一，多依賴于傳感開關等問題。同時，搬運平臺的創新型設計大大擴大了工作區域，實現了多維度多方向的搬運與傳送，提高了空間利用率。該系統具有較高的自動化水平、人機交互界面友好、智能化水平得到提高，可適用于多種不同的應用環境與工業現場，有著良好的市場前景。