基于PLC與HMI的物料分揀控制系統設計與實現

王曉瑜，李浩煜

(1.西安航空學院 電子工程學院，西安 710077；2.杭州和利時自動化有限公司，杭州 310018）

隨著中國制造2025 戰略目標的提出，高生產率、 高集約性的工業化生產方式由此得到廣泛應用，物料自動分揀作為工業自動化中不可缺少的環節，對機械臂的實時精準在線控制提出了更高的要求。

本文使用西門子S7-1200 PLC、漢普斯步進電機及驅動器、2 套滾珠絲杠機構、真空發生器和吸盤、伸縮氣缸和限位開關等元器件構成物料自動分揀控制系統，人機界面HMI SMART LINE 1000 IE V3 作為上位機監控設備； 結合PLC 編程軟件TIA Portal V15.1，組態軟件WinCC RT Professional，共同實現基于PLC 與HMI 的物料自動分揀系統設計。實驗結果表明，該方法可有效實現不同物料的多種模式分揀，且系統運行可靠、易于操作、控制精度高[1]。

1 系統總體方案設計

物料分揀系統機械臂部分由步進電機控制絲杠滑臺配合伸縮氣缸和真空吸盤以及支架鋁合金搭建，為提高系統結構精度減少誤差，使用3D 打印連接件完成X 軸滑臺和伸縮氣缸末端的連接。

系統總體設計方案分為硬件設計、PLC 程序設計、HMI 組態界面搭建與PLC 通訊、系統實驗調試四部分。總體設計方案如圖1 所示。硬件方面，HMI作為上位機實時顯示分揀機械臂的位置脈沖設定信號和速度設定信號，監控系統的運行狀態。主控制器選用西門子S7-1200 CPU 1214C PLC，PLC 將脈沖信號、方向信號以及其他控制信號發送到步進電機驅動器，然后由步進電機驅動器將這些信號進行功率放大供步進電機控制機械臂運動、吸取和投放物料至指定工位實現物料的自動分揀。軟件設計方面，使用TIA Portal V15.1 軟件進行PLC 源程序的編寫與調試。通過上位機HMI SMART 700 IE V3 及WinCC RT Professional 軟件，完成組態畫面的設置，實現物料分揀系統3 種方式分揀的在線實時監控等操作[2-3]。

圖1 控制系統結構圖Fig.1 Control system structure diagram

2 硬件組態

2.1 PLC 與HMI 選型

PLC 選用西門子S7-1200 PLC CPU 1214C 晶體管輸出型（16 輸入/10 輸出），HMI 選用西門子SMART 700 IE V3 作為上位機監控設備。

2.2 步進電機及驅動器選型

根據實驗室現有設備，選取兩相漢普斯步進電機2 個，扭矩1 N/m，步距角1.8°，3.0 A。步進電機驅動器選型FMDD50D40NOM，根據驅動器銘牌提示，SW1-SW4 撥碼開關電流為3 A，SW5-SW8 撥碼開關設定細分數為800 脈沖/轉。

2.3 絲桿及限位開關選型

物料分揀需對平面放置的待分揀物品進行定位并能準確移動到上方位置，故需要構建平面十字坐標系，將兩個絲杠垂直放置，形成X 軸和Y 軸，以便對工作臺物品進行準確定位。絲桿的選用一般考慮公稱型號、導程精度以及支撐方式3 個方面要素。此處選用有效行程15 cm，直徑8 mm，導程4 mm，精度0.03 mm 的滾珠絲桿并十字疊加提高絲杠的穩定性[4]。

為確保絲桿運動時不越程，在絲桿兩端側安裝含金屬感應器的NPN 型三線式接近開關，感應距離為4 mm，DC 24 V 電源供電。

2.4 吸盤及真空發生器選型

當伸縮氣缸完成伸出動作后，由電磁閥驅動真空發生器，對所分揀物品進行吸取工作。

（1）吸盤

待分揀物品重量約為10 g，物料較薄，表面光滑不透氣不易變形，吸盤為水平吸取，環境良好，無油無水，故吸盤形狀選平行類型；材質選擇硅膠，直徑為8 mm[5]。

（2）真空發生器

因吸盤吸附物料進行分揀動作，絲杠全程為400 mm，絲杠運行速度預設30 mm/s，則吸附響應時間T 應大于等于15 s。工件表面光滑不透氣不易變形，則泄漏量為0。

最大吸入流量為

式中：V 為氣管容積2.826 L，選用最大真空度為-90 kPa，最大真空流量為27 L/min，空氣消耗量為42 L/min 的真空發生器。進氣口和真空口與T 型金具相匹配，選用6 mm 氣管。

2.5 氣缸及電磁閥選型

氣缸部分主要起伸縮作用，為吸盤吸取做過渡橋梁，由氣動伸縮氣缸完成伸縮工作。

（1）氣缸

選用缸徑為25 mm 的迷你氣缸；根據工作移動距離和工況決定氣缸行程，兩個絲杠疊加高度為114 mm，T 型金具高度約為50 mm，除去氣缸本身的高度，則選用最短行程為25 mm 的氣缸。

（2）電磁閥

電磁閥的選擇根據所需流量、驅動形式、選定機能等決定，此處氣缸的接口以及排氣口選擇接口為1 分口，雙位置單電控的二位五通電磁閥2 個，驅動電源AC 220 V。

2.6 系統硬件接線

系統硬件接線圖如圖2 所示。

圖2 系統硬件接線圖Fig.2 System hardware wiring diagram

PLC 的輸出在外圍接線上采用互鎖，確保系統的可靠性，步進電機驅動器接直流24 V 電源。觸摸屏HMI 則設置相關參數發送給PLC 并監視整個系統的運行狀態，實現人機交互。

3 軟件設計

圖3 為系統分揀模式流程，分別采用自動、手動、單步3 種模式。在點擊開始按鈕后，機械臂首先初始化到起始位置，初始化完成后進行數據分析、坐標獲取轉換和定位，再將數據發送給PLC，機械臂完成對物體的吸取并放置在指定位置，開始下一次物品吸取的循環直至分揀完畢。

圖3 系統分揀模式流程Fig.3 System control flow chart

手動運行模式為點動手動控制機械臂完成移動、抓取等動作，用于系統的前期調試；單步運行模式為按下按鈕機械臂完成一個單步的動作，到達一步的指定位置后，機械臂停止運動直至再次按下按鈕，機械臂則再次運行；自動運行模式為整個動作自動循環執行。

3.1 絲杠參數設置

在工藝對象中打開軸設置界面并命名為“軸X”，在硬件接口中選擇脈沖發生器pulse_1，PTO 輸出類型，脈沖輸出端口Q0.0，激活方向輸出，端口選擇Q0.1，測量單位選擇為毫米（mm）；在軸運動拓展參數中設置電機每轉脈沖數為800，每轉負載位移4.0 mm，旋轉方向設為雙向；撥碼開關設置為SW1 置ON，SW2 與SW3 置OFF；在軸位置限制設定軸X 左（右）限位對應地址為I0.0（I0.1），選擇電平為高電平；然后完成軸的動態參數設置、回原點設置。

Y 軸相關參數設置類同以上內容，僅在PTO 脈沖地址和軸限位地址有所不同，Y 軸驅動器參數的設置如圖4 所示。

圖4 運動控制向導設定Fig.4 Motion control wizard settings

3.2 控制系統程序設計

程序編寫主要為控制步進電機帶動機械臂做相應物料分揀運動，由系統啟動、3 種分揀模式（手動、自動和單步）運行以及數據轉換三部分組成。現列舉機械臂X 軸上電初始化回原點運行控制程序和自動分揀程序，部分程序如圖5、圖6 所示。

圖5 X 軸回原點程序Fig.5 X-axis back to origin program

圖6 自動—分揀程序Fig.6 Automatic-sorting program

（1）系統啟動

上電初始化使用特殊輔助繼電器M，首次掃描置1，機械臂初始化回原點動作，準備就緒信號響應并傳至上位機，等待模式選擇。

（2）手動運行模式

主要用于前期機械臂調試工作、測試軸是否能正常運行，吸盤、氣缸和真空發生器單獨控制程序等內容的編寫。

（3）自動運行模式

機械臂先回原點，就位后向上位機發出待分揀信號，上位機傳入紅（藍）兩物件坐標，機械臂優先分揀紅色物件，待抵達位置并成功吸取后，將紅色物件放置在工作區域中的右上角位置；隨后將藍色物件坐標傳入程序塊，機械臂將藍色物件分揀至原點位置。待兩個物品均分揀完畢后，繼續向上位機發出待分揀信號，待上位機將新一組坐標傳入后，機械臂循環工作，部分程序如圖6 所示。

（4）數據轉換

主要用于顯示兩個軸實時位置及速度、運算上位機與兩個軸對應的軸坐標誤差等功能程序。

4 HMI 組態界面搭建與PLC 通訊

4.1 WinCC 畫面搭建

本系統使用WinCC RT Professional 進行畫面搭建，共4 個畫面，即主畫面、手動模式運行畫面、單步模式運行畫面、自動模式運行畫面。

（1）主畫面：為登錄總頁面，由控制按鈕和模式選擇構成，進行模式選擇、啟動停止與復位功能操作，若點擊模式選擇按鈕，則將跳轉到相應模式運行頁面。

（2）手動運行模式：由控制按鈕和監控信號構成，完成機械臂在X 軸方向點動、Y 軸方向點動、吸盤及氣缸的單獨控制，實時監控X 軸、Y 軸的運行距離與運行速度及機械臂當前狀態，具體如圖7 所示。

圖7 手動運行模式組態界面Fig.7 Manual operation mode configuration interface

（3）單步模式運行模式：點擊單步按鈕可實現機械臂的單步控制，完成本步動作后，點擊單步按鈕，則機械臂進入下一步工序，監控信號類同手動信號運行模式界面。

（4）自動運行模式：由控制按鈕和監控信號組成，前者由回原點和復位組成，可實時監測機械臂運行位置，監控信號類同手動信號運行模式界面。

4.2 HMI 與PLC 通訊調試

選用西門子SMART LINE IV V3 觸摸屏，以太網通訊。首先主站（上位機）地址設置為192.168.0.1，PLC 從站地址為192.168.0.2，在博途軟件里添加WinCC RT Professional 和常規IE 組件，在網絡視圖中連接PLC 和PLC Station，如圖8 所示，再將組態接口設置為S7ONLINE；其次完成從站設置，然后返回主站博途界面，切換至已完成的畫面并下載；最后打開WinCC RT Start 軟件，選擇剛才下載成功的文件夾點擊PC Station 文件，點擊運行，此時主畫面彈出，點擊畫面按鈕控制機械臂運動[6]。

圖8 組態視圖連接畫面Fig.8 Configuration view connection screen

5 實驗測試

連接PLC 以及空氣壓縮機電源后，置位系統總開關，系統上電復位，機械臂開始初始化，回到原點位置，即坐標（0，0）點。初始化完畢后，準備就緒信號響應，此時可以選擇以下運行模式（手動運行、單步運行、自動運行）。

在系統運行過程中，隨時按下停止按鈕則關閉系統，軸和電磁閥均停止工作，此時軸不進行回原點動作，再次上電時才進行復位。

圖9 為物料分揀系統自動運行模式下的上位機組態界面，此界面監控信號紅色表明系統自動運行模式燈亮，系統處于運行中，伸縮氣缸及真空發生器處于啟動工作狀態，機械臂在X 軸和Y 軸的實際移動距離分別為為67.772 mm 和83.450 mm。圖10 為此時系統對應的工作狀態，圖中物料已被分揀并吸盤吸附，由伸縮氣缸帶動物料上移。

圖9 自動運行模式實時組態界面Fig.9 Automatic running mode real-time configuration interface

圖10 自動運行模式物料分揀狀態Fig.10 Material sorting status in automatic running mode

測試結果表明基于PLC 和HMI 的物料分揀控制系統設計方案得以有效實現。

6 結語

本系統通過西門子SMART 700 IE V3 HMI和S7-1214C CPU PLC 實現了對物料分揀控制系統的應用。實驗結果表明，通過HMI 完成2 套步進電機聯動控制系統完成機械臂在3 種模式下（手動運行、單步運行和自動運行）的物料分揀任務，實時監控該系統的運行狀態，設計合理，運行可靠，控制精度高，有效達到設計目的。