基于组态王的现代物流模拟系统监控设计

罗慧芳，许清泉，秦 清

（常州工学院，江苏 常州 213002）

项目针对JDP2000物流模拟系统进行监控设计。设计要求界面形象，立体感强；准确监控物流系统的动作过程；物流系统硬件核心为PLC控制，由三菱FX2N作为控制器，系统软硬件设计能够按要求完成物件的装配和缓冲功能。根据物流模拟系统运行监控设计对界面的设计要求，运用组态软件制作界面，而界面中的画面则采用三维软件单独制作的方法。对物流模拟系统联机运行，实时监控，实现控制自动化。

1 软件确定及动画制作方案

工控组态软件集成了图形技术、人机界面技术、数据库技术、控制技术、网络与通信技术，使控制系统开发人员只需通过可视化的组态方式，完成监控程序设计。常用的组态软件：组态王、MCGS、WinCC、力控等。基于项目设计中对界面的要求比较高，并考虑运用三维设计软件制作现代物流模拟系统的三维模型，所以采用组态王。组态王能灵活运用其他软件所绘制的三维图像，作为动画，使画面更加形象，立体感更强。三维软件选用3DSMAX。

动画制作方案：用3DSMAX绘出现代物流模拟系统某单元中整个单元的三维画面，处理好每个相关的元件，将其连接或合并。经过上色，贴图，材质，渲染，将整个系统的动作制作成一幅动画，再将动画以一个完整画面的形式载入组态软件中去，这样制作多个画面。当软件得到PLC的信号时，切到相应的画面上去。这种方案灵活性较差，但是整个画面界面形象，立体感强，动作流畅。

2 3DSMAX基本画面设计

2.1 基本画面的制作

创造3DS MAX三维造型，从标准几何体到复杂三维模型，最常用的就是使用Modify命令面板对模型进行修改。使用修改器对物体进行修改，可实现对物体整体和局部的修改，并能随时对每一种修改器进行修改、删除以及改变修改器之间的顺序，从而获得满意的造型。另外，在Create命令面板的Geometry子面板的下拉列表框中选择Compound Objects选项，则可以在Object Type中选择不同的工具，这些工具可以通过多个物体来创建一个新的“复合”几何体模型。

利用以上的方法，根据每个单元的真实式样和尺寸比例绘制画面，就可以绘制出所需画面，以装配单元转盘的绘制方法为例：

（1）在命令面板Create中选择Geometry，点击Cylinder，并拖动鼠标2次，画一圆柱体Cylinder1，在命令面板 Modify的Parameters中修改Cylinder1的半径及高度，设置其半径（Radius）为50，高度（Height）为4，圆面分段数（Side）64，绘制圆柱体如图1所示。

图1 圆柱体效果图

（2）转盘中有4个长方形的洞，要将其挖去，采用布尔运算：绘制一个长、宽、高分别为：25、16、10的长方形，将其移至圆柱体上长方形空洞所在的位置。使用（Align）按钮使其与圆柱体对齐。长方体放置到位后，进行布尔运算：点击选择布尔运算的第一物体——圆柱体，在命令面板Create的Geometry中选择Compound Objects，点击Boolean按钮，再点击ick Operand按钮，选择布尔运算的第二物体——长方体，即可做成转盘上的缺口形状，其他三个长方形的洞也是如此做法。制作完成的转盘如图2所示。

图2 转盘

其他部件绘制方法类似，绘制时注意各部分的大小、比例，以及它们之间的相对位置，并灵活运用3DS MAX中，对物体变形等的操作，使绘制出的图像更加立体、逼真、形象。绘制完成后的装配站界面如图3所示。

图3 装配站

2.2 画面的渲染

3DS MAX中，通过物体表面指定不同的材质和贴图效果来模拟真实的物体，这种方法称为渲染。任何效果只有经过渲染处理，才能显示出最佳的视觉效果。

1）赋予材质。所谓材质，即一些指定给物体表面的显示参数，使物体在渲染时显示出不同的外部特征。使用材质可以影响物体的颜色、表面光泽和透明度等特性。

以装配单元的传送带赋予材质为例：

（1）点击选择传送带，在英文状态下键入 M，出现Material Editor编辑对话框。

（2）选择一个材质球，对该材质球进行编辑，在Shader Basic Parameters下拉菜单中选择材质（Metal），在基本参数中，Specular Level：500，Glossiness：5，其他属性不变。

2）背景贴图。打开装配单元，在菜单栏—渲染（Rendering）—环境（Environment），弹出 Environment and Effects对话框，选择 Use Map，点击NULL，弹出 Material/Map Browser编辑对话框，双击（位图），打开导入的图片文件，设计中选用图片 WALL011，单击打开按钮后选定，背景的图像就贴好了。

3）渲染。在视图区选择Perspective视图，使其边框变成黄色，键入F10，在Common标签下面，改变 Output Size的大小，选择，点击（渲染）按钮，3DS MAX会渲染好所需的图片。

3 组态王监控设计

3.1 工程的建立

打开组态王，出现组态王工程管理器，点击新建，键入工程名：（1）装配单元，（2）缓冲单元；工程描述：现代物流模拟系统监控系统，完成工程建立，并将其设置为当前工程。

3.2 组态王与PLC的通讯

1）I/O设备的定义。组态王中的I/O变量与具体I/O设备的数据交换是通过逻辑设备名来实现的，当工程人员在组态王中定义I/O变量属性时，就要指定与该I/O变量进行数据交换的逻辑设备名。本系统控制设备PLC（三菱FX2N－64MR），与计算机相连的I/O设备。定义串口I/O设备的配置，由设备配置管理器完成。

双击工程管理器界面左侧目录树中的COM1，进行设置：数据位选择7；停止位1；通信方式RS422。新建逻辑设备，随导向进行设定。生产厂家：三菱；设备名称：FX2；通信描述：编程口；为设备键入逻辑名称：PLC，设备连接口为：COM1，完成设置。

2）I/O变量的定义。数据库是“组态王”的核心部分。在数据库中存放的是变量的当前值，变量包括系统变量和用户定义的变量。变量的基本类型有两类：内存变量、I/O变量。I/O变量是指可与外部进行数据交换的变量，数据交换是双向的、动态的。在“组态王”系统运行过程中，每当I/O变量的值改变时，该值就会自动写入下位机或其他应用程序；每当下位机或应用程序中的值改变时，“组态王”系统中的变量值也会自动更新。

在工程浏览器中左边的目录树中选择“数据词典”项，右侧的内容显示区会显示当前工程中所定义的变量。双击“新建”图标，弹出“定义变量”属性对话框。并对其进行编辑设置，以第一单元回转按钮为例，将其变量名定义为“回转START”；变量类型：I/O离散；连接设备：plc；寄存器：X034；数据类型：Bit；读写属性：只写。其他变量也类似。

3.3 监控界面的制作

单击工程浏览器工具条“MAKE”按钮或右键单击工程浏览器空白处从显示的快捷菜单中选择“切换到Make”命令，进入组态王“开发系统”。以装配系统的制作为例。

（1）标题栏的制作。选择目录树上的画面，新建，在工具箱中选择点位图，并使点位图覆盖整个画面，为该画面铺设背景；再以文本在画面上写“现代物流模拟系统监控系统——装配单元”。

（2）控制画面的制作。画面名称：控制；键入F2，打开图库管理器，在按钮图库中找出一个符合的按钮，加入画面中。还是以回转按钮为例：右击该按钮图标，选择动画连接，出现动画连接对话框，点击“按下时”命令语言连接，然后在命令语言框中键入：＼本站点＼回转START＝1；＼本站点＼回转START＝0；其他各按钮也依次加入，并输入命令语言。控制画面制作完毕。

（3）主画面的制作。主画面是整个监控系统的核心，也是整个监控系统的显示部分。创建一个新的画面，画面名称：动画。在工具栏中选择点位图，并在画面中拖动鼠标，使点位图覆盖整个画面，右键点击点位图，在菜单中选择从文件中加载，将之前做好的动画画面加载至点位图中；点击右键，选择动画连接，弹出动画连接对话框，在特殊栏中，点击隐含按钮，出现隐含对话框，并对其编辑。将条件表达式中键入对应变量，并判断其是否等于1，当其为1时，使该画面显示。依次载入所有画面，并使画面与相应变量连接。

（4）报警画面的制作。画面名称：报警；从图库管理器中提取四个指示灯，在指示灯的下方用文本标明：圆料故障、方料故障、提升故障、转台故障。右击指示灯，选择动画连接，将其与相应变量相连接。还可以将报警灯设置成为闪烁。

4 系统软件设计

4.1 装配站动作及程序流程

（1）动作流程。装配站首先由井式供料机提供方料，然后方料滑入转盘输送带的凹槽处。转盘输送带旋转180°，圆方料装配。在吸盘手工作完成装配后，转盘输送带再次旋转180°，原料从凹槽处落下，进入传送机构（带式），最后由机械臂工作将其移动到缓冲站。

（2）程序流程。确定运行方式，自动/手动。如果是手动操作：则按照手动工作流程进行操作。如果是自动运行状态，先确定是否具有报警信号，有则进行报警，无则启动系统。传送带启动，然后井式供料机工作，将方料放置在工位，推出方料后，转台回转，检测传感器状态，无误后进行加圆料（装配）过程。完成装配后，转台回转，方料落入传送带，确定方料已经到位，转台停转。传送带将原料传送至指定位置，机械臂工作运送至缓冲站。

4.2 缓冲站动作及程序流程

（1）动作流程。装配站进行货物的供给，由带式传送机将货物输送到A/B处库进料处，再由气动装料装置将货物移进斗式缓冲库。当堆垛单元需要货物时，移货装置将货物移至出料传送带，并通过出料传送带将货物送到堆垛站。斗式缓冲库的A库和B库可以通过面板上的按钮进行预选。

（2）程序流程。先确定是否有报警信号，如果有则报警，如果无则进入下一步。回参考点，确定仓库已经进入初始状态。然后确定运行方式，自动/手动状态。手动模式，则进行单步的运行。确定是A库进货还是B库进货，按钮面板上选择，如果选择的仓库已经货满而没有出货则启动警报，可以先出货再进货或者选择另一个仓库进行操作。选择后，传送带会将货物运送至相应的仓库进行入库操作。

在出货时也要选择个仓库进行出货处理，如果选择的仓库并没有货物储存则报警。可以先将货物入库后再出库也可以选择另一个有货物的仓库出货。出货后，货物由传送带运至堆垛站处理。

5 调试

5.1 硬件调试

在硬件调试的过程中，遇到不少问题：传感器的位置不佳，在原料经过传感器或者无物体经过时，传感器发出错误的信号；复位后，装置的位置不正确，导致启动后有运行错误；PLC的PG模块，不运行，失电不正常；电磁阀气管漏气导致气缸动作不正常。逐一解决。

5.2 软件调试

将PLC与计算机通讯测试。打开现代物流模拟系统，上电并恢复初始状态。在组态王中点击目录树设备里面的COM1，窗口中出现之前建立的设备名称：plc。右击，并选择“测试plc”，打开设备测试标签，任意输入一个线圈名称，点击添加按钮，将其添加至采集列表，可以添加1～3个作为测试用，添加好之后，点击读取按钮。若通讯成功，在变量值一栏中可读取线圈是打开或者是闭合；若显示通讯失败，检查连接线及通讯设置。

在起初的联机中，组态王与PLC的通讯失败，正确的通讯设置应该为：数据位选择7；停止位为1；通信方式为：RS422。“切换到VIEW”，进入组态王画面运行系统。打开画面，选择打开“标题”、“控制”、“报警”、“动画”四个画面，监控系统就能对现代物流模拟系统进行监控：点击控制画面中的按钮，物流模拟系统就会做出相应的动作；当物流模拟系统做出动作的时候，动画画面就会显示相应的动作；当物流系统的部分发生故障时，报警画面中相应的故障报警灯就会闪烁。

5.3 组态王监控调试效果

以装配站为例说明，下面是调试过程中的控制运行界面截图。

首先进入开机装配站启动界面（如图4所示），点击进入自动方式，系统自动完成装配过程：方料进入工位（如图5所示），方料指示灯亮；然后，旋转台旋转180度，到位停止，圆料装入方料中，进行装配；装配完成，工件放入传送带，由机械手臂搬运至缓冲站。完成装配站的监控操作。

图4 装配站启动界面

6 结语

本项目是江苏省大学生实践创新项目，结题时提供了完整的系统设计说明书、PLC控制程序及基于组态王设计的系统用户程序及联机调试效果图。从整个系统的硬件设计、PLC控制程序设计，到运用组态王监控设计，涵盖了电气控制、监控设计等主要工业控制技术，学生通过完成该项目，专业知识及综合应用能力得到学习和训练，并具有一定的工程运用能力。

图5 装配站方料进货界面

［1］ 穆亚辉.组态王软件实用技术［M］.郑州：黄河水利出版社，2012.

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［4］ 史国生.电气控制与可编程控制器技术［M］.3版 北京：化工工业出版社，2010.

［5］ 童娜，杨帆.3ds max7完全征服手册［M］.北京：中国青年出版社，2005.

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