基于PLC的多種工作方式機械手搬運系統設計

何光明，帥江華

(上饒職業技術學院，江西 上饒 334109)

1 設計需求

隨著我國物流行業發展規模不斷壯大，物流企業對貨品自動化搬運的作業需求量也不斷增多，傳統模式下，大多數物流企業主要依靠半自動化機械手系統完成貨品的搬運作業，存在自動化程度低、人機交互性不強、工作方式單一等問題，制約著物流企業搬運作業效率的提升。基于此，綜合應用PLC、組態和機械手控制技術設計一款全自動化、多工作方式和人機交互性更強的物流貨品搬運系統，為解決物流企業的貨品自動化搬運問題提供全新的方案。

2 系統結構功能設計

2.1 結構設計

系統機械結構設計示意圖如圖1所示，整個機械手由電磁閥組、氣路模塊、限位傳感器和PLC聯合控制，選用了S7-200型PLC的I0.1～I0.4 4個輸入地址，其中，I0.1和I0.2分別與下限位和上限位傳感器連接，I0.3～I0.4分別與右限位和左限位傳感器連接；輸出選用了PLC的Q0.0～Q0.4 五個地址位，分別與下降、加緊、上升、右行、左行電磁閥線圈連接。實際工作時，在PLC程序的控制下，機械手可在A點抓取待搬運的物流貨品，按照設計好的路線搬運至B點，當貨品被夾緊時，Q0.1被置位，當貨品被松開時，Q0.1被復位。在機械手部件的選取上，選用SAR12-1400型擺臂沖壓機械手。

圖1 系統結構設計示意圖

2.2 功能設計

該系統的功能操作面板設計如圖2所示，根據系統預設的自動、手動、回原點等多種工作方式，在功能操作面板上設計了相應的操作按鈕。其中，I2.0～I2.4分別為手動控制、回原點控制、單步控制、單周期控制、自動連續控制與PLC外部輸入地址的連接點，I0.5～I1.2分別為手動上升、左行、松開、下降、右行、夾緊按鈕與PLC外部輸入地址的連接點，I2.6為系統啟動按鈕、I2.7為系統停止按鈕。此外，為保證在緊急情況或系統發生故障時，能夠快速可靠地切斷負載電源，在功能操作面板上設置了“負載電源”和“緊急停車”按鈕，當PLC運行后按下“負載電源”按鈕，外部負載的KM線圈會通電并自鎖，為外部負載提供交流電信號，當出現緊急情況或系統發生故障時，可按下“緊急停車”按鈕斷開外部負載上的電源，以起到保護控制的作用。

圖2 系統功能操作面板設計圖

3 系統軟硬件設計

3.1 系統硬件接線設計

該系統的硬件接線圖如圖3所示，采用西門子S7-200 CPU 226型PLC作為硬件控制核心，按照如圖所示分配輸入和輸出地址端口，按照物流搬運現場作業需求，設有手動、自動、回原點等多種工作方式，各方式的具體工作流程設計如下。

圖3 系統硬件接線圖

1)手動方式。應用I0.5～I1.2這6個按鈕控制機械手上升、下降、左行、右行、夾緊和松開貨品物料的單步操作，適用于針對物流貨品搬運位置、位移的精準調整。

2)自動方式。當機械手處于原點位置時，按下啟動按鈕I2.6，機械手將從原點開始，按照“下降—抓取貨品—上升—右行—下降—放開—上升—左行”的規律循環進行物流貨品搬運自動作業。

3)單周期方式。當工作方式選擇按鈕調至單周期工作方式時，按下啟動按鈕I2.6后，機械手能夠執行一個單周期搬運物流貨品作業，之后返回并停留至原點位置。

4)回原點方式。當機械手沒有處在原點位置時，I2.1為高電平，此時按下啟動按鈕I2.6時，機械手能夠返回到原點位置，之后等待自動、手動或單周期運行指令。

3.2 系統軟件設計

該系統程序采用梯形圖語言編寫，按照順序功能流程的思路為主程序、公用子程序、手動子程序、自動子程序(包括循環連續搬運程序、單周期搬運程序)。其中主程序編寫中，以SM0.0作為公用程序的調用指令，當系統上電后，自動進入到公用程序，之后由用戶選擇搬運貨品工作方式，再執行相應的搬運作業流程。為保證系統安全運行，在公用程序中設置了一些聯鎖程序，本系統的主程序和公用程序如圖4所示。

圖4 系統主程序及公用程序

3.3 系統組態設計

為提升系統應用的交互性，應用MCGS軟件和TPC7062K觸摸屏設計組態子系統。整個組態界面主要由機械手模塊、指示燈模塊、按鈕模塊3部分構成，其中，機械手模塊調用了MCGS中的機械手空間、矩形控件等，并編寫了動作腳本程序；指示燈模塊選取“指示燈2”控件，并與PLC的I0.5～I1.2地址位建立起邏輯變量關系，用于動態地指示機械手的搬運動作；按鈕模塊選取“標準按鈕”控件，并與I0.5～I2.7地址位建立起邏輯變量關系，用戶可在觸摸屏上按下相應的按鈕，對系統進行遠程觸摸控制，系統的組態界面如圖5所示。

圖5 基于PLC的多種工作方式機械手搬運系統組態設計界面

4 系統應用測試

系統設計并裝配完成后，應用于某物流企業貨品搬運現場進行作業測試。測試指標包括故障次數、平均響應時間、搬運成功次數。測試方案為：應用系統連續進行100次、300次、500次物流貨品的抓取和搬運作用，收集測試指標相關的數據，并進行統計整理，以驗證本系統的應用有效性和可靠性，具體的測試數據如表1所示。

表1 系統應用測試統計表

5 結語

對系統運行功能進行測試的結果可知：分別進行100次、300次和500次物流貨品搬運作業過程中，系統故障發生率為0%，搬運成功次數為100%，平均響應時間約為1.3 s，說明本系統具有良好的作業特性，各項指標均能滿足物流企業貨品自動化搬運的需求，具有良好的適應性、穩定性、可靠性和應用性。此外，通過測試現場的人機交互應用發現：所設計的組態子系統能夠實現對貨品搬運的遠程交互控制，大大降低了人為硬件控制對系統元件的損耗率，有利于物流企業節約維護和更換機械搬運手系統的成本。