基于PLC控制的粮食包装机器人的开发.pdf

基于P L C 控制的粮食包装机器人的开发 De vel opm ent of a f ood packagi n g r obot bas ed on PL C cont r ol 梁明亮’ ，苏东民 ，常兰州。 ，张明环。 L I ANG Mi n g ． 1 i a n g ’ ，SU Do n g - mi n l | ，CHANG L a n - z h ou ，ZHANG Mi n g - h u a n 。 1 ． 郑州铁路职业技术学院，郑州 4 5 0 0 5 2 ； 2 ． 河南工业大学 粮油食品学院，郑州 4 5 0 0 0 1 3 ． 河南金谷实业发展有限公司，郑州 4 5 0 0 5 3 摘 要介绍了一种基于P L C 控制的粮食包装机器人的设计开发方法，详细阐述了粮食包装机器人的整 体设计方案、包装控制原理、P L C 控制器及触摸屏的硬件设计和P L C 的软件编程。包装机器人 控制器为西门子8 7 - 2 0 0 系列，主机单元为C P U 2 2 6 X M，采用1 0 ． 4 英寸T F T 彩色触摸屏作为显 示和人机对话部件。整机调试和运行显示，机器人实现了包装袋抓取、袋口打开、粮食自动 包装和袋口封紧等功能，有较好地工程应用价值。 关键词 粮食包装 ；机器人 ；P L C；西门子8 7 -2 0 0 中图分类号 T P 2 4 4 文献标识码 B 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 5 0 7 上 - 0 0 2 3 - 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 5 ． o 7 上 ． 0 7 0 引言 在粮食加工产业中，套袋打包工作简单繁琐、劳动 强度大、劳动环境差，逐步采用粮食包装机器人进行 自 动包装是现代农业和食品加工业的发展的必然要求。采 用机器人代替人工对玉米 、大豆、大米、面粉等粮食进 行灌装 、封袋 ，对于提高粮食类加工企业 的生产效率 、 降低劳动力成本和减轻技术工人的劳动强度有着重要 的 意义 。充分利用当前国内国际先进 的包装机械技术与 电 子信息控制技术，以进 口西门子P L C 控制技术为背景 ， 在此基础上对软、硬件进行技术改造和 自主创新，实现 了一种粮食包装机器人系统的国产化设计。 1 整体设计原理与方案 对大豆、大米、面粉等粮食的包装需要较大的控制 力矩，实现对某一物体的位移或搬运可通过以下三种方 式实现 一是电气直接控制 ，通过电机控制产生转动， 利用齿轮啮合，带动机构回转或位移；二是执行部件采 用纯气动控制 ；三是 电气及气动控制相结合 。直接采用 电气控制力矩很难达到，且灵活性会较差，采用纯气动 控制精度和稳定性难 以保证。综合上述情况 ，本系统采 用电气控制和压缩空气控制方式相结合的控制方案。 气动系统主要包括气动执行器的执行机构、调节机 构和对 电磁 阀的驱动单元 ，活塞式、薄膜式、拨叉式和 齿轮齿条式都是各种气动执行机构的表现形式。薄膜式 适合于直接带动阀杆的区域，活塞式适用于要求有较大 推力的控制区域 ，拨叉式更适合用于需要扭矩大、空间 收稿日麓 基盒项目 作者简介 小的控制区域。要实现气压控制需要压缩空气储气缸 ， 电磁阀的动作就是 由压缩空气的通断来控制。 粮食包装机器人设计 的运行动作主要包括散体粮食 仓 门的开启和关闭、包装袋传送 、打开包装袋 口、套装 包装袋、粮食包装 、袋 口封紧、包装好的成袋粮食移位 等过程“ 。 2 包装控制过程设计 粮食包装机器人的包装工作流程设计如图1 所示口 】 。 成 肼 湘 卜 物 料 称 重 l l 物 料 仓 门 打 开 包 装 结 束 I l l , at-关 闭 物 料 仓 『1 『．_-1 物 料 灌 装 图l 机器人工作流程框图 1 首先由光 电传感单元检测包装袋箱里是否有空 袋 ，检测信息送给P L C 控制器 ，如果无空袋，通过控制 器的报警单元进行提示报警 ，可人工放入空袋或 自 动传 送 ，如果有空袋，进行第二步的工作流程 。 2 取袋压缩空气气缸对空袋抓取机构进行驱动控 制 ，使其能 自由地往返运行，空袋品店抓取机构抓取包 装袋后，将空包装袋放到拖板上，通过带传动传送到指 定位置平 台，将包装袋 口输送 到上下两个抓 取机构之 间，安装在旁边的定位轮起定位检测作用 ，如果没有抓 取到位 ，重新进行第二步，如果定位检测到位 ，进行下 一 步 。 2 01 5 -0 3 -1 3 河南省科技开放合作项目 1 3 2 1 0 6 0 0 0 0 7 9 ；河南省科技厅软科学研究项 目 2 0 1 5 河南省高校青年骨干 教师资助计划 2 0 1 4 G GJ S 一 1 6 7 ；河南省教育厅科学技术研究项 目 2 0 0 9 C 5 t 0 0 0 2 2 0 1 1 C5 1 0 0 0 3 梁明亮 1 9 7 8一 ，男，副教授，硕士，研究方向为嵌入式及机器人技术。 第3 7 卷第7 期2 0 1 5 -0 7 上 【 2 3 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 取袋压缩空气气缸驱动机构抓紧袋口后 ，使袋口 张开，通过气缸驱动将包装袋套入散体粮食储料斗上。 4 粮食原料 由第3 步的工序的带式输送机存入储料 斗，在储料斗套好包装袋后 ，这时储料斗仓门打开，在 振动器 一般采用步进 电机或其它直流 电机传动机构 的震动下，散体粮食通过出料 口进入到包装袋，包装袋 放在装有称重传感器 的平台上，称重传感器将压力转换 为相应的电信号送给P L C 控制器 ，经换算后将包装质量 显示在液 晶屏上 ，机器开启前，一般先设设定到达设定 包装质量最大值 ，到达设定值后，控制系统将储料斗的 出料 口迅速关闭。 5 当一袋粮食包装完成后，通过封袋气缸驱动夹 袋装置将袋 口封紧，然后拖到封 口位置封 口。 6包装 并封好 口的成袋粮 食最后 被拖到 传送 带 上，一袋粮食 自动包装过程完成。下一袋粮食 自动包装 过程将重复第1 步到第6 步 。 3 P L C 控制器设计 3 ． 1 设计思路 控制器是机器人实现工作任务的控制核心。粮食包 装机器人控制系统的主要任务是根据粮食 的包装工艺流 程对各部分进行 实时协调控制 ，这些控制动作主要有 包装箱供送 、成袋产输送、包装袋抓取、袋 口打开、粮 食包装 、关 闭仓 门、袋 口封紧等 。散体粮食包装机器人 运行方式有 自动连续运行和人工手动点动操作，输入端 口输 出端 口较多。 粮食包装机器人工作时受电磁干扰信号较大，输入 的传感信号和输出的控制信号有开关量 数字信号 、 模拟量 用于变频调速 。P L C 控制器 具有抗干扰能力 强、性能可靠 、与工业现场信号易匹配、信号输入输 出 相对容易、编程相对简单 、维修调试方便等优点，系统 选用西门子S 7 ． 2 0 0 系列P L C 控制器完全能满足对各种光 电开关、接近开关、磁性开关、电磁阀、交流伺服电机 的信号输入检测或输 出控制实现系统的整体控制。设计 1 0 ． 4 寸彩色触摸屏与P L C相结合，形成较为友好的人机对 话界面，方便操作人员进行设置和机器运行状态监测。 3 ． 2 P L C 控制器组成 P L C 控制器系统组成框 图如图2 所示 。 彩色触摸屏 T F T1 o 4 毋0 B d B 5 K 接 触器 电磁 闲 变频器 M M 4 40 S 7 2 0 0 系捌 P L E CP U2 2 6 MX 主电机 l 渊 遵 电 机 豆 日v I 2 2 3 模拟量扩展 嚣 耄 嚣I L 光 电 传 感 器 l I 一 ⋯ ⋯ 。 行 程 开 关 f 图2 P L C控制器组成框图 【 2 4 】 第3 7 卷第7 期2 0 1 5 0 7 上 控制 器选 用 西 门子S 7 ． 2 0 0 系列 ，主 机单 元采 用 CP U2 2 6 XM。s 7 2 0 0 系列的CP U2 2 X型P L C系统集成方 便，具有多种功能模块和人机界面可供选择，容易实现 P L C 网络的构建 ，完全满足粮食包装机器人控制各项控 制任务的需求 。 S 7 ． 2 0 0 CP U2 2 6 XM P L C具有速度快 、功能强大 、 性能稳 定等优点 ，具体技术特 性和功 能为 1 4 0 个 数字输入输 出点 ；2 最大可扩展2 4 8 个数字量I ／ O点或 3 5 路模拟量I ／ O；3 具有2 6 KB的程序和数据 存储 区空 间；4 内置高性能 的P I D控制器 ；5 通信 自由，具有 多点接 口 MP I 、点对 点接 口 P P I 和R S ． 4 8 5 通信／ 编程 口。 粮食包装机器人控制系统共连接数字量输入端 12 1 2 4 个 ，其 中有1 9 个用于压缩空气气缸运动的运行标志位置 开关，有2 个用于压力传感器 的信号输入，各类用于探 测功能的光电传感器 占用3 个输入端 口。设计 1 8 个数字 量输出端 口，其中控制各种包装过程的动作用 电磁阀线 圈使用 1 5 个端 口，控制包装袋运送和成袋粮食传送的接 触器 占用3 个输出端 口。 采用P L C 和变频器配合组成控制系统 ，变频器的主要 作用是参数设定，从而实现主电机的多段速控制 。本系 统选用西门子公司的MM4 4 0 型变频器，s 7 ． 2 0 0 C P U2 2 6 XM P L C 的8 路数字量输出端 口作为MM4 4 0 变频器的输入信 号，通过数字量信号的设定形成不同的状态组合 ，从而 实现对主电机的调速 。 3 ． 3 T F T 彩色液 晶触摸屏 液 晶触摸屏主要作用为机器人控制参数和控制方式 的设定 。系统工作前，通过触摸屏设置工作基本参数， P L C控制器根据工作要求和状态进行分析计算，确定具 体的测量精度和运行工况 ，运行过程中，控制器可随时 接收操作员根据生产要求 的人工指令，及时修改相关控 制参数 。 P L C控制器与液 晶的接 口技术越来越成熟” 】 ，本系 统采用 自行研 发的液 晶触 摸屏模块 ，型号为T F T1 0 4 8 0 6 0 6 5 K，彩色触摸屏集 中了液 晶显示部件和触摸屏。 液晶显示 采用彩色T F T 液晶 ，色彩支持6 5 5 3 6 色 ，分辨 率为8 0 0 X 6 0 0 ，显示尺寸为 1 0 - 4 英寸 ，总线读写速度为 3 0 MHz ，单 点读 写周期短 4 0 n s ，总线接 口方式为 8 ／ 1 6 位标准8 0 8 0 方式 ，支持与P L C控制器 的高速系统接 口。触摸检测部件用于检测用户触摸位置，从触摸点检 测装置上接收到的触摸信 息转换成触 点坐标后 ，送给控 制器 CP U，用以传送触摸控制信号。T F T1 0 4 模块 的触摸屏及触摸屏控制器为高品质工业级，分辨率高达 4 0 9 6 点，只需5 根线可与控制系统无缝链接 ，外围接 口 【 下转第3 4 页】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 结束语 针对航空领域用户需求及工艺特 点，以国产高档数 控机床 为应用和研 究对象，研究工艺参数和加工程序优 化技术及其应用具有十分重要的意义。在给定复杂结构 件加工代码 的基础上，从而最大限度保持机床主轴功率 输 出曲线平滑 ，做 了一些粗浅的探索，利用优化进给速 度的方式能够 比较理想的获得相对平滑的输 出功率，但 有时有可能造成优化后的进给速度低于用户设定的所被 允许的最小进给速度，这个时候需要进一步 的优化来保 证加工效果 ，还有大量的工作有待进一步研究。 参考文献 【 1 】 高亮， 杨扬 ， 李新宇 ． 数控加 工参数优化 的研究现状 与进展 [ J ] ．航 空制造技术， 2 0 1 0 年l 1 月1 5 2 2 4 8 5 1 ． 【 2 ] 艾 兴 ， 肖诗 纲 ． 切 削用 量 简 明手 册 【 M】 ． 北 京 机 械 工业 出版 社， 1 9 9 4 ． [ 3 ] Ke o g h E， Ka s e t t y S ． On t h e n e e d f o r t i me s e r i e s d a t a mi n i n g b e n c h ma r k s A s u r v e y a n d e mp i r i c a l d e mo n s t r a t i o n [ C] ． E d mo n t o n ， Al be r t a ， Ca na da Pr o c e e d i n gs of t he 8 t h ACM SI GKDD I n t e r na t i o n a l Co nf e r e nc e on Kn owl e d ge Di s c ov e r y a n d Da t a M i n i n g，20 02 1 0 2 1 1 1 ． 【 4 】 陈湘 涛， 李 明亮， 陈玉娟． 基于 时间序列 相似性 的应用研 究综 述 【 J ] ．计 算机工程与设计， 2 0 1 0 ． 3 1 3 5 7 7 5 8 1 ． 【 5 】 崔海 龙， 关立文， 滑 勇之 ， 王小龙． 基 于VE RI CUT 次开发 的数控 加工 切削力仿真研 究【 J 】 ． 组合机床 与 自动 化加工技术， 2 0 1 2 年 5 月 5 9 1 2 ． [ 6 】武美萍， 翟建军， 廖文和． 数控加工切削参数优化研究[ 中国机 械工程 ，2 0 0 4 3 4 9 5 1 ． ●盘‘ ●置‘ {矗‘ 盘● ． 出● {盘‘ 盘‘ 盘‘ 曼‘ ●矗● 岛‘ 毫‘ ． 出． 蠡‘ 虫‘ 妇．出． 岛妇． 岛‘ 重‘ 矗● 品‘ 【 上接第2 4 页】 电路简单。采用长寿命L E D 背光，功耗低 、颜色纯正， 工业级的技术特性完全适合于包装机器人系统的工业现 场应用和工作环境。 4 P L C 软件设计 P L C 软件设计采用西 门子公司S T E P 7 编程软件 ，使 用直观梯形图和语句相结合 的编程方法 ，使用顺序控制 设计法和 步进 梯形 图进行编程 ，梯形 图程序 编译成功 后，通过西门子P L C 与上位机的通信线路，将程序代码 下载到P L C处理器中。 在本系统设备编程 过程 中考虑到 调试 、维护的需 要 ，将 工作模式设置了手动和 自动两种控制方式 ，粮食 包装机器人控制系统P L C 软件流程如图3 所示。 手 动 控 制 主控程序 参 数 设 定 蓁 l 妻 l l I 耋 I I I霉 I I l垂 l 篓 ll耄 l 图3 P L C 程 序流程 框图 自动控制功能有运行、暂停 、结束、复位等4 个步 骤，手动功能有退、进 、起、停等工作过程 中的运动方 式。在按钮抬起或按下时，对系统的相关继 电器、接触 器 置位或复位，实现P L C 对具体机构和运行部件的前后 【 3 4 l 第3 7 卷第7 期2 0 1 5 - 0 7 上 左右位移控制 。可以在触摸屏中进行参数设定，可根据 操作者的要求 ，随意设定计数值 、包装数量 、转速控制 等参数 ，并能根据所设定 的参数最高什对实时监控，当 实际值超 过设定最高值时 ，系统将输 出报警显示或 声 响。对彩色液晶触摸屏的编程主要利用GT ． De s i g n e r 2 触 摸屏编程软件 中的交替性按钮功能。系统软件程序还设 计有状态监测功能，可实进监视包装执行机构运行部件 的工作状态，如对电机堵转 、变频器异常、包装箱 中包 装袋等情况，都能进行及时保护或发出报警提示信息。 5 结束语 系统设计完成 后，进 行了玉米、面粉包装试验 ， 机器人操作方便 ，运行稳定 。工程实践和测试表明，系 统软、硬件设计达到了各项要求 ，有较好的推广应用价 值。粮食包装机器人采用P L C自动控制系统 ，集气压传 动、变频调速、传感检测、通信技术、人工智能等技术 于一体，与传统包装设备相 比，性能有 了显著提升和改 进。在国家大力倡导技术创新的形势下 ，机器人技术在 粮食包装行业的推广应用，对于粮食加工企业 降低人工 成本和提高企业经济效益有着重要的意义。 参考文献 【 1 】 张 明， 等． 酒箱码垛 机器人 的机构 设计与运 动仿真 分析【 J 】 _ 包装 工程 ，2 0 1 3 1 8 3 8 6 ． 【 2 】杨旭东． 面粉 自动包装机P L C 控制系统设计【 J 】 ． 山东工业技 术， 2 0 1 3 1 3 2 6 2 7 ． 【 3 1 雷 慧杰 ， 等．P L C 和变 频器在钢锭 自动分拣系统 中的应用【 J 】 ． 制造 业 自动化， 2 0 1 5 2 1 3 9 1 4 1 ． 【 4 】梁明亮， 等． 基于A R M微处理器的液晶触摸屏的接 口设计【 J 】 ．计 算机 测量与控制， 2 0 1 1 3 6 9 1 ． 6 9 3 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m