基于組態(tài)王和PLC的自動掃描控制系統(tǒng)應(yīng)用

陳代勛

(大冶有色博源環(huán)保股份有限公司，湖北 黃石 435000)

0 引言

公司從事廢家電、電路板、廢機(jī)電、電線電纜、廢汽車等有色金屬資源化拆解的“城市礦產(chǎn)”示范基地，環(huán)保拆解分類出再生銅、鋁、鎳、錫、鉛、鐵等金屬送入熔爐。

當(dāng)前，在廢舊家電進(jìn)行環(huán)保拆解時(shí)，因基金審核要求，需要出入庫登記，并對登記信息及作業(yè)現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)控，數(shù)據(jù)傳送省環(huán)保網(wǎng)。目前出庫登記環(huán)節(jié)是廢家電人工搬運(yùn)上料，再掃描工配合，手持PDA掃描貼標(biāo)條碼，后臺軟件識別，人工驗(yàn)證后進(jìn)入拆解區(qū)[1-3]。拆解線每個(gè)入料口工位安排一人掃描，需電視工位4個(gè)、洗衣機(jī)空調(diào)工位2個(gè)、冰箱工位1個(gè)，兩班倒每天人員調(diào)配5～10人。不僅人工成本高、工作量大，而且費(fèi)時(shí)效率低。該崗位要求細(xì)心負(fù)責(zé)，機(jī)械單調(diào)，規(guī)律可循，易被自動化技術(shù)替代。

1 工藝設(shè)計(jì)確定流程

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和自動化技術(shù)的成熟，市場上傳感器等配件能達(dá)到技術(shù)要求，借鑒高速公路ETC、旅游排隊(duì)ETC、公交地鐵ETC等模式，為自主開發(fā)實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。

考慮自動化掃描的整體需求，選用組態(tài)王上位機(jī)軟件為服務(wù)器，下位機(jī)西門子PLC200smart CPU為控制中心[3]，建立控制終端電視掃描及冰箱洗衣機(jī)等工位7套。服務(wù)器實(shí)現(xiàn)每套掃描數(shù)據(jù)的讀寫，數(shù)據(jù)庫及報(bào)表匯總，西門子PLC負(fù)責(zé)全部開關(guān)量讀寫、模擬量采集及程序聯(lián)鎖控制。PLC配置的擴(kuò)展性和子程序的重復(fù)調(diào)用特點(diǎn)，先以低成本開發(fā)單套工位，調(diào)試完善投入運(yùn)行后，再逐步推廣類似的所有工位。以CRT電視拆解線作為樣例(如圖1所示)，闡述設(shè)計(jì)方案，確定工藝流程(如圖2所示)。

1.電視 2.條碼標(biāo)簽 3.掃描槍 4.測距傳感器 5.控制面板 6.顯示器 7.攝像頭 8.控制柜PLC 9.工控機(jī) S1.掃描輸送帶 S2.后輸送帶

搬運(yùn)工將廢舊電視搬到上料工位，電視屏有條碼標(biāo)簽則面對掃描槍，推送至S1掃描輸送帶，進(jìn)入4a測距傳感器的有效范圍。控制柜PLC采集4a傳感器的模擬量信號，進(jìn)行模數(shù)換算比較。當(dāng)電視屏與掃描器為10～30 cm之間，掃描槍能以最佳信號識別二維碼，PLC控制啟動掃描器開關(guān)，啟動掃描槍發(fā)出激光束開始工作。控制面板中綠燈亮(掃描槍工作)[4-5]。

推送電視時(shí)其標(biāo)簽隨運(yùn)動軌跡必會對準(zhǔn)激光束(前期貼標(biāo)高度已定位)。如果激光束未啟動原因是電視與掃描槍不在最佳識別范圍，只須調(diào)整間距，在測距內(nèi)啟動掃描器。如果激光束偏離標(biāo)簽定高，手動或自動啟動步進(jìn)電機(jī)工作使掃描槍上下移動，激光束有效射向標(biāo)簽。

當(dāng)標(biāo)簽中二維碼識別成功，掃描槍信號通過串口數(shù)據(jù)傳送到組態(tài)王，顯示器彈出條碼信息和計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，同時(shí)掃描槍聲光報(bào)警提醒和控制面板的紅燈亮。組態(tài)王數(shù)據(jù)處理后傳送信號給PLC，PLC關(guān)閉掃描槍激光束，同時(shí)啟動S1掃描輸送帶，將已掃描電視送到下步工序。

S1掃描輸送帶尾端送出電視時(shí)，S2后輸送帶的前端安裝4b測距(光電)傳感器識別電視后，啟動S2后輸送帶傳送電視去拆解,脫離4b傳感器時(shí)下降沿觸發(fā)PLC控制S1短程輸送帶停止，同時(shí)白燈亮(起始狀態(tài))。S2后輸送帶也受拆解區(qū)電氣控制。

S1傳送與恢復(fù)起始狀態(tài)時(shí)，搬運(yùn)工同時(shí)又搬入第2臺電視，循環(huán)掃描工序。搬運(yùn)工通過觸發(fā)激光束、掃描槍的識別聲光報(bào)警、上位機(jī)的條碼顯示和計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)、操作面板的指示燈狀態(tài)及S1輸送帶啟停。來判斷驗(yàn)證成功及通過率，并有攝像頭監(jiān)控記錄全程作業(yè)(環(huán)保基金審核要求)。工藝流程如圖2所示。

圖2 自動掃描工藝系統(tǒng)控制流程(電視拆解線為例)

2 配置選型控制功能

2.1 上位機(jī)軟件

選擇組態(tài)王6.6SP1版[6]，它具有畫面仿真、實(shí)時(shí)顯示、I/O過程控制、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)庫查詢、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等特性，還有網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)、多客戶機(jī)、WEB網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等功能。尤其是能兼容市面上絕大多數(shù)儀表、傳感器等智能設(shè)備，適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能滿足該系統(tǒng)的全部要求。

2.2 可編程控制器PLC

根據(jù)規(guī)模和擴(kuò)展性需求，選性價(jià)比高、成本低的小型西門子PLC S7-200smart。它的以太網(wǎng)優(yōu)勢完全取代了西門子S7-200，直接與觸摸屏、上位機(jī)互聯(lián)互通，減少網(wǎng)絡(luò)模塊。先以單工位做開發(fā)實(shí)驗(yàn)，前期投入低。計(jì)算工藝要求的開關(guān)量輸入輸出及模擬量點(diǎn)位,單套需DI10點(diǎn)、DQ7點(diǎn)、AI2點(diǎn)，選擇CPU SR40, 模擬量輸入EM AE08(8AI)。考慮7套項(xiàng)目總需求:再擴(kuò)展EM DR32(16DI/16DR)開關(guān)量模塊3塊，EM AE08(8AI)模擬量模塊1塊。

2.3 掃描槍

掃描裝置有手持式和固定式，也分有線掃描槍，無線掃描槍及PDA掃描槍。其中PDA是智能掌上電腦，安裝操作系統(tǒng)和APP應(yīng)用價(jià)格高。筆者選用Symbol無線掃描槍做實(shí)驗(yàn)?zāi)K。

2.4 測距傳感器

配合掃描槍使其啟動觸發(fā)激光束的距離測量器,技術(shù)要求：測量范圍5～100 cm、模擬量電流4～20 Ma、常開點(diǎn)1個(gè)、電源DC24v,介質(zhì)是超聲波、紅外或激光等。

2.5 掃描輸送帶S1

拆解線前端改裝，新增1.2 m皮帶式或輥輪式輸送機(jī)，受PLC啟停變頻調(diào)速控制。

2.6 控制面板

安裝在上料掃描區(qū)，有各種狀態(tài)的顯示燈、按鈕、聲音提示電器元件。還有自動/零位/手動三種開關(guān)擋位，常規(guī)選用自動擋，搬運(yùn)工無需操控，按狀態(tài)自動識別運(yùn)行；手動擋是通過不同按鈕人工啟停掃描槍、S1輸送帶及干預(yù)其他功能；零位指屏蔽各功能不受控制，用原人工手持PDA掃描槍工作。

3 編程組態(tài)軟件調(diào)試

自動化系統(tǒng)編程先要建立掃描槍、傳感器、PLC、組態(tài)王之間的通訊連接，再分類別和不同功能進(jìn)行模塊化編程，然后建立控制邏輯和程序聯(lián)鎖，在調(diào)試過程中不斷優(yōu)化，最后增加故障報(bào)警、數(shù)據(jù)顯示和其他輔助功能。

3.1 組態(tài)王與Symbol無線掃描槍串口通訊

首先測試掃描槍與電腦的連接，無線槍由手持端和通訊底座組成，手持與底座是藍(lán)牙通訊，無線距離10 m，底座與電腦USB連接，是PS/2接口協(xié)議，相當(dāng)于掃描時(shí)光標(biāo)直接彈出條碼信息。參照說明書完成無線槍與通訊底座的配對，通過蜂鳴器的不同聲音確認(rèn)各種工作狀態(tài)。但組態(tài)王無法與無線槍通訊，只能將掃描槍轉(zhuǎn)換為串口或組態(tài)軟件識別的協(xié)議。互聯(lián)網(wǎng)搜尋安裝無線槍的虛擬串口軟件，再掃描配對USB轉(zhuǎn)串口碼。在電腦設(shè)備管理器→人體學(xué)輸入設(shè)備→Communication Virtual Port COM→屬性設(shè)置→波特率9 600，無校驗(yàn)，數(shù)據(jù)位8，停止位1→高級改串口COM3。然后組態(tài)王設(shè)置設(shè)備連接，定義設(shè)備→智能模塊→通用掃描槍→BarCodeScanner→COM3→設(shè)備地址1。組態(tài)串口的通訊設(shè)置與掃描槍的虛擬串口保持一致。這樣光標(biāo)就接收不到掃描信號，掃描到的條碼數(shù)據(jù)以字符串形式傳送給組態(tài)王的變量寄存器。數(shù)據(jù)詞典中設(shè)置變量，動畫連接，測試掃描器能否正常通訊顯示變量數(shù)據(jù)。

3.2 模塊化PLC編程

分若干個(gè)模塊功能編寫子程序，再分別調(diào)用，縮短PLC掃描周期，優(yōu)化編程結(jié)構(gòu)，節(jié)省時(shí)間精力，還可建立庫文件，為其他項(xiàng)目積累資源。(1)測距傳感器的模擬量信號采集后，需在PLC做模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理程序，再模塊封包，外置變量接口。重復(fù)調(diào)用時(shí)只需設(shè)置輸入輸出對應(yīng)接口參數(shù)和相應(yīng)變量。(2)測距信號和設(shè)置范圍比較，再控制掃描激光束啟動，掃描數(shù)據(jù)傳組態(tài)，返回信號控制PLC來停激光束，同時(shí)計(jì)數(shù)加1。如果重復(fù)掃描一個(gè)條碼，比較數(shù)據(jù)一致，將不進(jìn)行計(jì)數(shù)累加。(3)輸送帶的程序控制和聯(lián)鎖。(4)建立主程序和相關(guān)聯(lián)鎖關(guān)系，手動/自動程序編寫。

3.3 人機(jī)畫面

上位機(jī)組態(tài)畫面，建立人機(jī)交互數(shù)據(jù)功能。對現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，內(nèi)置腳本支持定時(shí)、事件觸發(fā)，指令外傳的作用，對接省環(huán)保網(wǎng)ERP與PLC數(shù)據(jù)變量。內(nèi)置報(bào)表系統(tǒng)，生成歷史、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)報(bào)表。建立用戶登錄、權(quán)限管控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和打印導(dǎo)出文件等方便管理。現(xiàn)場作業(yè)對錯(cuò)碼、壞標(biāo)和無標(biāo)等特殊情況可提供數(shù)據(jù)修正等功能。

4 結(jié)語

自動化掃描作業(yè)的實(shí)現(xiàn)，節(jié)省勞動成本，避免人為差錯(cuò)，降低復(fù)查率，提高生產(chǎn)效率，優(yōu)化資源配置。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，投入低，當(dāng)年收回勞務(wù)成本。運(yùn)行穩(wěn)定，易于維護(hù)，可在工礦冶煉、倉儲進(jìn)出貨管理、物流等領(lǐng)域推廣應(yīng)用。