基于S7-1200PLC 的机器人自动分拣控制系统设计

付建彬

（广东省岭南工商第一技师学院 机电工程系，广东 韶关 512026）

关键字：S7-1200PLC；机器人；视觉系统；自动分拣

随着科学技术的不断发展，自动化程度也越来越高，以往物料的分拣工作都是由人工完成，而人工分拣往往会出现效率低、错误率高等缺点.基于PLC 的机器人自动分拣装置具有安全性强、工作效率高等优点，已经成为目前物料自动分拣控制的主流，它可以根据设定的程序高效工作［1］.本项目设计由硬件系统和软件系统两部分组成.硬件系统由车间现有的设备构成，并绘制相关的电气原理图.软件系统包括：PLC编程软件、视觉软件、机器人程序及触摸屏软件组成.系统采用工业机器人对物料进行分拣入库，由PLC控制器构成控制系统，结合视觉系统进行物料识别［2-3］，并通过人机界面进行操作与实时监控，整个运行状态一目了然.

1 硬件设计

硬件设计用到的实训设备是由配电装置、光源指示装置、出料机构、传送机构、纠正装置、视觉检测模块、触摸屏、机器人等.根据本系统设计的要求，系统框图如图1 所示.

图1 系统框图

1.1 出料、传送及纠正系统

该控制系统由出料装置、传送机构和纠正装置三个部分组成.其中，出料装置通过气缸击打方式实现物料的出库［4］，气缸由两位四通电磁阀控制，气缸上方伸出到位传感器和缩回到位传感器来检测推料气缸的运行位置.出料装置右侧有一个出料筒，它用于放置物料，其下方的传感器用于检测筒内有无物料.

传送机构由皮带传送的方式实现，传送带与三相异步电动机通过同步带连接运行.其中，三相异步电动机由无级调速装置进行速度设定，并通过PLC 控制皮带实现正反转运动.传送机构的末端安装有传感器用于检测物料位置，从而实现下一步控制.

纠正机构的后方是气缸，由两位四通电磁阀控制，实现纠正机构上升与下降动作.气缸上方有一个上升到位传感器和下降到位传感器.纠正机构上的机械抓手用于抓取物料，并通过齿轮旋转带动抓手进行翻转动作.纠正机构下方有挡料推杆，用于固定物料位置，从而进行物料拍照识别及纠正操作.出料、传送及纠正系统如图2 所示.

图2 出料、传送及纠正系统

1.2 视觉系统

视觉系统采用众为兴AVS3200 视觉控制器，AVS3200 智能视觉识别系统主要功能是实现物料拍照识别及定位、配合上位机软件ADTvision 进行操作.可以通过以太网、串口、Modbus 以及I/O 接口输出的方式将定位结果快速回传至LC 以及各种类型的控制器.利用ADTvision 软件对物料图样进行采集，建立物料模板类型，并通过以太网的连接与机器人进行通讯，将识别的物料模板信息传送给机器人［5］.整个视觉系统由硬件和软件两个部分组成，硬件部分包括：视觉控制器、相机、镜头、光源及光源控制器 ，软件部分主要有ADTvision 软件.

1.3 PLC 控制器

目前，自动分拣控制系统主要的控制方式包含：继电器控制、单片机控制以及PLC 控制等各种控制方式.其中，PLC 控制具有可靠性高、稳定性好、操作简单等优点，本系统PLC 控制器选用了西门子S7-1200PLC .这是一款紧凑型、模块化的PLC， 它能很好的完成各种简单的逻辑控制、网络通信等任务［6］.本系统PLC 选用的是1214C DC/DC/DC 型号的CPU，该型号PLC 有14 个输入、10 个输出，共24 个点数.其中该CPU 右侧可以扩展8 个信号模块，左侧可以扩展3 个通信模块.选用S7-1200PLC 作为控制器能很好的满足本系统设计的要求.

本控制系统的物料检测及出库、物料传送及纠正控制是由PLC 及各元器件共同配合实现［7-8］.物料图案的模板建立、识别及物料分拣入库是由视觉系统及机器人配合实现.其中PLC、机器人及视觉系统通过以太网进行通讯实现信息传递，各元器件与PLC 控制关系，如图3 所示.

图3 PLC 外部接线图

1.4 触摸屏

人机界面是一种智能化操作显示装置，能适应设计人员的工作要求，方便操作人员对系统运行状态进行现场监控和修改相关数据.本系统设计采用了威纶通10.1 英寸 的触摸屏，其型号为MT8102iE.该触摸屏和PLC 的通讯通过以太网实现，通过触摸屏界面实现对整个控制系统实时状态的监控.

1.5 机器人系统

本系统的机器人选用的是众为兴AR6520 SCARA 四轴机器人，该机器人仅重24.3 kg，工作范围 600 mm.该机器人具有结构精巧灵活、传动精度高、运行速度快、噪声小等优点.配合众为兴驱控一体控制器QC400A 及RPB06 示教器使用，机器人系统支持串口、网络、USB 等多种通讯方式.其末端执行器配备了各种工具，如：手抓、喷枪及真空吸盘等，本分拣系统采用真空吸盘工具，通过吸盘来吸取物料.

2 软件设计与调试

本系统中软件设计部分包括：PLC 程序设计、触摸屏界面设计、视觉系统处理及机器人程序设计4个部分组成.其中，PLC 程序设计主要完成对物料检测、物料出库、传送带控制、纠正机构控制、机器人通讯及触摸屏的信息交换与控制.通过触摸屏界面设计实现了与PLC 信息交换［8］，从而达到对整个系统实时状态的监控及相关参数修改的目的.视觉系统处理先在相应的ADTvision 软件上对不同图案的物料进行模板建立，后进行物料识别并根据不同的物料发送指令给机器人进行下一步动作.机器人接收PLC 发送的指令信息后，完成对不同模板的物料进行分拣及入库动作.该系统工作流程如图4 所示.

图4 工作流程图

2.1 PLC 程序设计

根据所选择的PLC 型号，对本系统设计中PLC的输入输出端子进行分配，其I/O 分配如表1 所示.

表1 I/O 分配表

2.2 触摸屏界面设计

本系统中，触摸屏界面由自动控制画面和手动控制画面两个界面组成，其中自动控制画面由系统状态显示、物料分拣计数显示及操作按键区域3 个部分组成.系统状态显示区域，用来显示系统的运行状态和仓内是否还有物料.物料分拣计数区域分别对圆形图案物料及三角形图案物料进行计数.操作按钮区域对系统动作进行控制，有启动、停止、复位及进入手动界面几个按键.手动控制画面是对每个动作进行单独控制，主要有推料、传送带正反转、挡料、翻转等动作.触摸屏与PLC 之间用以太网进行通讯，能保持数据的实时性，通过触摸屏方便了操作人员对整个控制系统实时状态的监视与控制.

2.3 机器人程序设计

机器人程序编程方法有示教器编程及离线编程两种，本设计采用示教器编程方法，首先将示教器的IP 地址设定与电脑IP 地址同一网段即可.如示教器IP 地址是：192.168.0.123，电脑IP 地址设定为：192.168.0.125.并通过示教器示教4 点，其中P1 为初始点，P2 为抓取点，P3 为物料1 放置点，P4 为物料2放置点，示教点位如表2 所示.

表2 机器人示教点位表

当传感器检测到物料到达位置后，通过PLC 程序发送指令给机器人，机器人程序开始运行.机器人从初始点位运行到抓取点位，机器人运行过程中吸盘同时进行抽真空，从而吸取物料进行搬运，并根据物料的图案不同进行判断放置的位置.移动到相对应的放置点位置后，吸盘断开抽真空动作物料放下，完成分拣动作.机器人完成分拣动作后返回初始点，给PLC 反馈信号［9］，系统继续进行循环动作，直至筒内再无物料或按下停止按钮后动作停止.如需让系统继续运行应往筒内加料或重新按下启动按钮，系统才会继续动作.

2.4 视觉系统处理

视觉系统处理在相应的ADTvision 软件中编辑完成，在进行软件编辑时候要对其以太网进行设定，通过以太网设定使得视觉系统与机器人进行信息传递.其中服务器IP 用机器人的IP，本地IP 地址与机器人IP 地址同一网段，本地端口设定2000.通过ADTvision 软件实现对不同图案的物料进行识别并建立相应的模板，通过与机器人通讯进行信息反馈，实现后续分拣动作.

2.5 程序调试

首先，将机器人示教器开关打到自动运行状态，此时机器人运行到初始位准备动作［10］.再按下触摸屏界面中的启动按钮，系统开始运行.传感器检测到筒内有物料，推料气缸动作，将物料推送到传送带上，传送带开始正转动作.物料运行到纠正机构下方，挡料气缸动作，传送带停止正转.通过视觉系统对物料拍照及模板识别，将模板信息反馈到机器人，机器人将信息传递到PLC.根据PLC 程序进行下一步动作，如识别到没有模板物料，系统将对物料进行纠正动作，纠正完成后继续对物料进行拍照及模板识别.如果识别有模板物料，传送带继续运行到传送带末端，末端传感器感应后传送带停止运行.通过PLC 发送指令信号给机器人，机器人根据识别的不同模板的物料进行分拣入不同的库. PLC 与触摸屏保持实时通信，操作人员能对系统的运行状态进行实时监视与操作.在触摸屏界面上能清楚看到不同物料的分拣个数，能方便操作人员进行控制.

3 结论

本系统设计主要针对物料分拣，采用PLC 控制机器人来实现，具有很高的可靠性，提高了生产效率.通过视觉系统与机器人的配合，实现对不同形状的物料进行分拣入不同库里.操作人员能在触摸屏界面上直观的看到不同物料的入库个数，对整个运行状态进行实时监控.该系统能很好的运用在自动化生产物料分拣中，有较强的实用意义.