EDA技術在皮革裁斷智能分揀中的應用研究

胡頂勝，黃國杰，諶濤，周加立，鄭松，劉豪

（興義民族師范學院 物理與工程技術學院，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節，在以往傳統的中小型皮革企業加工制作過程中，由于勞動力成本較低，通常皮革裁斷后的分揀環節以人工方式完成，其缺點十分明顯，工人不僅勞動強度大且分揀準確性存在一定的誤差。

近年來，伴隨著皮革加工生產智能化趨勢的發展，自動化、信息化、數字化是皮革加工過程的發展趨勢，更是中小型皮革企業加工生產中必不可少的手段。本次設計的皮革智能裁斷分揀系統，利用EDA 技術中的可編程邏輯控制器與高度檢測傳感器結合，用于控制皮革樣片的裁斷與分揀，經以太網交換機與上位機、智能網關通信作為設備的監測手段，精準實現皮革樣片的裁斷準確性，提高皮革樣片自動分揀的效率。

1 EDA 技術概述

EDA 技術泛指電子設計自動化（Electronics Design Automation），EDA 涵蓋了電子設計、仿真、驗證、制造全過程的所有技術，諸如：系統設計與仿真，電路設計與仿真，數字邏輯電路設計，模擬電路設計，數模混合設計，嵌入式系統設計，軟硬件協同設計，芯片上系統（SoC）設計，可編程邏輯控制器（PLC）和可編程系統芯片（SOPC）設計，專用集成電路（ASIC）和專用標準產品（ASSP）設計技術等[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點被廣泛應用于各類電子系統設計之中，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，在制造工業中被作為開關量為主的開環順序主控制器。

2 EDA 技術融合的皮革裁斷智能分揀系統設計

2.1 設計內容

皮革裁斷智能分揀系統的設計內容主要涵蓋了系統的硬件設計、編程邏輯控制器程序設計及系統監控平臺的功能設計，通過充分利用多種EDA 技術實現皮革裁斷分揀過程的電子自動化，有效提高皮革裁斷準確率與分揀碼垛效率。

2.2 系統設計原理

本次皮革裁斷智能分揀系統設計采用EDA 技術中的可編程邏輯控制器作為裁斷分揀的主要控制設備，具體如圖1 所示，利用上位機（用作皮革生產車間現場監控）、工業以太網交換機（用作實現交互通信）和智能網關設備IOT2040（用以現場信息數據上傳）對皮革裁斷分揀過程實施在線精準監控。

其中，信號傳感器設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 系統硬件設計

皮革裁斷智能分揀系統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技術中的數字邏輯電路進行相關設計功能的組建，如圖2 所示。

現場設備共計有開關量輸入、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 系統程序設計

皮革裁斷智能分揀系統中的程序設計，結合編程邏輯控制器對整個設備進行精準命令實施，充分發揮EDA 技術中的仿真邏輯優勢，管理員通過電控箱開關來選擇設備的運行模式，在控制器上電運行初始階段整個設備電子系統進行自動初始化，對內部寄存器存留的數據進行自動清空[4]。

系統程序設計從運行模式開始，手動模式主要用于皮革裁斷設備故障時調試或監控異常狀態進行故障排查；自動模式作為系統中的主要常態運行模式，通過設備物理按鈕或遠程監控設備發出的信號實施自動裁斷命令。

在設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、小）向高度檢測點進行輸出，高度傳感器根據樣片大小將數據信息傳送給控制器，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測結果將不同皮革樣片按照對應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分揀；最后，在智能分揀完成后將已經裁斷好不同大小的皮革樣片利用托盤傳送到設備疊放的指定位置，利用三軸碼垛機按照提前預設好的疊放計算方法實現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效率有效提升。

2.4 系統監控設計

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

2.5 系統測試情況

經皮革裁斷設備實際現場調試運行，在利用本系統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的前提之下，皮革裁斷的機器效率從過去的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，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確將大、中、小皮革樣片放入托盤進入自動分揀環節，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節。

3 結語

本次設計的皮革裁斷智能分揀系統，以多種EDA 技術作為系統的設計載體，利用硬件設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備，改變了以往皮革裁斷人工傳統分揀的現象，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裁剪，提高了皮革裁剪的精確度；利用上位機組態王監控平臺對皮革裁斷分揀過程與設備運轉狀態實時檢測，通過以太網進行數據讀寫使監控畫面信號呈現準確，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還具有廣闊的性能拓展空間。可利用工業云與EDA 技術中的可視化編程軟件進一步對移動端監視程序進行有效開發，例如利用Node-red 編程工具構建物聯網應用程序，通過系統中的編程邏輯控制器向移動端（例如騰訊云、百度云）進行雙向數據信號傳輸，從而實現管理者在移動端設備中的遠程實時監控。