基于KingView和MCGS的建筑铝模板分拣系统①

张运楚,王兆斌,孙 鸽,张汉元,邵 星

1(山东建筑大学 信息与电气工程学院,济南 250101)

2(山东省智能建筑技术重点实验室,济南 250101)

随着我国房地产行业的快速发展以及各项工程建设的兴起,模板行业得以快速发展,但大多数的工程还是以竹、木模板为主要结构支护材料,消耗了大量的森林资源.建筑行业顺应社会节能减排的潮流,在模板体系上开始减少竹、木模板的使用量,而铝合金模板凭借着其自重轻、重复使用率高的特点,在众多类型的建筑模板中逐渐脱颖而出[1].住房与城乡建设部发布了行业产品标准《铝合金模板》的公告,倡导节能、环保、绿色、可持续发展的社会发展趋势,未来巨大的建筑模板市场空间下,将为建筑铝模板带来更多的发展机会和更高的市场占有率[2].

由于施工承重柱、墙板或楼梯等混凝土工程中,每一部分都需要不同的建筑铝模板进行组装支护,这就需要提前将建筑铝模板按照每一部分的设计清单进行分拣打包,但是现在分拣打包环节完全依靠手工作业,存在分拣效率低、易出错的问题.目前国内铝合金模板的生产和租赁企业,在模板周转使用过程中维修保养、分类打包、堆放配送等环节主要存在效率低、周转速度慢的弊端,常造成铝模板积压,除占用大量场地外,也影响了企业的经济效益[3].

在传统物流行业中,自动分拣技术已经得到了很多应用.李建明主要研究了一种串行合流方式的分区自动分拣系统,各物品在各分拣区等待,按照订单输送到主传送带上,分拣完毕到包装环节[4].这种方式是在明确待分拣物品的确切位置的前提下分拣的,相当于在超市购物时,消费者在各货架选取商品,最后在付款处结账.李昭等人设计了一种合流再分流的分拣装置,适用于规则包装的物品分拣,在快递物流包装分拣上应用广泛[5].柯知超研究了一种对多个分拣任务的时序管理系统,很好的解决了对于电子商务中多订单的分拣问题[6].但是建筑铝模板分拣主要是针对单个清单的不同模板分拣,而且由于铝模板形状大小不一,无法达到规则包装的分拣要求.考虑到铝模板在生产工艺流程中的要求,由于铝模板一开始是按清单生产,但生产完成之后还有一系列的工艺流程,导致了模板的混乱,无法按清单分区排放.针对铝模板分拣的特点,铝模板分拣系统按串行分流的方式分拣,为了保证分拣的高准确率,系统在工位处设置触摸显示屏,保证工人能实时监控分拣任务的进行,能够有效减少分拣错误率.

为了解决铝模板分拣效率低、分类错误率高的问题,本文基于KingView 和MCGS 设计开发了一套铝模板分拣系统.首先为每一块铝模板设计二维码标签,扫描枪扫描二维码即可识别铝模板型号、区位等信息,上位机系统按照铝模板的工程清单将每一次扫描的铝模板进行分类,并将同一型号铝模板的数量进行累加.然后上位机系统将每一次的分拣过程信息下发给触摸屏,工人根据触摸屏信息进行打包作业.铝模板分拣系统将铝模板的分拣打包环节自动化进行,既提高了分拣效率也节省了人力资源.

1 分拣系统总体设计

KingViewKingview 是北京亚控公司开发的组态软件[7],具有丰富的图库和图库开发工具,方便实现图库中控件与变量参数之间的数据连接,同时提供了大量的设备驱动程序,实现上位机PC 与下位机设备的相互通讯[8].KingView 还具有很强的数据处理能力和一定的网络功能,可以实现分布式历史数据库的管理和远程监控,以致可以在较短的时间内就能够开发出画面美观、操作简单、功能齐全的控制系统[9].凭借组态软件编程简单,界面形象直观的特点,本系统采用KingView 组态软件设计上位机系统,进行采集数据的显示和与数据库之间的数据交换.

MCGS 组态软件与其他相关的硬件设备结合,可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制设备的组态系统[10].本系统采用高性能嵌入式一体化触摸屏,该产品设计采用了10.4 英寸高亮度TFT 液晶显示屏(分辨率800×600),四线电阻式触摸屏(分辨率4096×4096),具有良好的电磁屏蔽性,美观坚固的铝合金结构以及具备强大的图像显示和数据处理功能[11].触摸屏可由MCGS 组态软件编写界面,用于显示采集的数据和信号的交互,以及实时数据的统计等,具有友好交互的特点.

铝模板分拣系统由上位机和下位机两部分组成,系统的总体结构如图1所示.上位机包括KingView 编写的组态软件系统以及存储信息的数据库,KingView与数据库之间的通信是基于ODBC 完成的.下位机包括基于MCGS 触摸屏的信息交互装置和用于二维码数据采集的二维码扫描枪,M C G S 触摸屏和KingView 之间是利用Modbus TcpIP 协议完成通信,二维码扫描枪与KingView 之间是以USB 转成虚拟串口的方式来模拟RS232 串口进行通信.

图1 分拣系统总体结构图

本系统采用QR 二维码表示铝模板的型号、区号等信息,如图2所示.当工程交接以后,首先由模板设计人员设计分区清单,然后将清单导入数据管理系统,同时批量设计并打印二维码标签.铝模板生产完成以后,将二维码标签粘贴到铝模板上,作为铝模板的身份标识.

图2 铝模板的二维码标签

分拣打包时,将带标签的铝模板放到分拣传送带上,由人工手持二维码扫描枪扫描,扫描信息经数据管理系统判断该模板属于哪一工位,然后将扫描信息和提示信息下发到所属工位的MCGS 触摸屏,用于提醒工人进行打包作业.铝模板分拣系统的整体流程如图3所示.

2 分拣系统内的通信设置

2.1 分拣系统内的通信设置

开放数据库连接(Open Database Connectivity,ODBC)解决了异构数据库间的数据共享问题,现已成为Windows 开放系统体系结构的主要部分和基于Windows 环境的一种数据库访问接口标准,ODBC 为异构数据库访问提供统一接口,允许应用程序以SQL为数据存取标准,存取不同DBMS 管理的数据,使应用程序直接操纵数据库中的数据,免除随数据库的改变而改变[12].用ODBC 可以访问各类计算机上的数据库文件,甚至访问如Excel 表格和ASCII 数据文件这类非数据库对象.

图3 铝模板分拣系统的整体流程

本文基于Windows 10 操作系统的ODBC 数据源应用配置数据库连接.由于铝模板分区清单是Excel 表格形式,在分区清单导入数据管理系统过程中,首先采用“Microsoft Excel Driver (*.xls,*.xlsx,*.xlsm,*.xlsb)”驱动程序创建新数据源,然后在“ODBC 数据源管理程序(64 位)”中建立“墙板清单Excel 库”的用户数据源.由于扫描枪每一次的数据采集以及信息交互是通过Access 数据库完成的,采用“Microsoft Access Driver(*.mdb,*.accdb)”驱动程序创建新数据源,然后在“ODBC数据源管理程序(64 位)”中建立“墙板分拣Access 工作库”的用户数据源.

在KingView 中通过建立表格模板和记录体与数据库进行数据交互,KingView 的工程浏览器界面左侧存在SQL 访问管理器,其子项就是表格模板和记录体.新建“待分拣墙板工作表模板”的表格模板来定义数据库中新建表格的结构,通过SQLCreateTable (Access DeviceID,tablename,"待分拣墙板工作表模板")语句来实现,新建的表格模板如图4所示.记录体用来连接表格的列和KingView 数据词典中的变量,本系统新建了四个记录体用于满足系统要求：建立ReadExcelSheet Bind 处理铝模板分区清单导入数据管理系统时模板代码和数量的问题,建立FWSortingBind 处理数据词典中变量的数据保存到新建表格中的问题,建立FWProjectInfoRWBind 处理项目信息的问题,建立WorkStationConfigRWBind 处理工位配置的问题,新建记录体如图5所示.

图4 新建表格模板

图5 新建记录体

2.2 KingView 与MCGS 触摸屏基于Modbus TCP/IP技术的通信

Modbus 协议是应用层报文传输协议(OSI 模型第7 层),它定义了一个与通信层无关的协议数据单元(PDU),即PDU=功能码+数据域.以太网对应的通信模式是Modbus TCP,Modbus TCP 模式没有额外规定校验,因为TCP 协议是一个面向连接的可靠协议[13].本文一共设置3 个工位,每一个工位设置一台MCGS 触摸屏,这里只介绍工位1 的MCGS 触摸屏的通信设置方法,其他两台均和工位1 的MCGS 触摸屏设置方法类似.

工位1 的MCGS 触摸屏的初始IP 地址为200.200.200.190,应用此IP 地址设置与KingView 的通信.(类似地,工位2 和工位3 的MCGS 触摸屏的初始IP 地址分别为为200.200.200.191 和200.200.200.192.)在MCGS 嵌入版组态软件的设备窗口中,新建通用TCPIP 父设备,然后在其树下建立Modbus TCPIP 数据转发设备,设置通用TCPIP 父设备的本地IP 地址为200.200.200.190,本地端口号为502,在设置Modbus TCPIP 数据转发设备中,根据系统功能要求,增加八个设备通道,为防止寄存器溢出,要根据变量的字节数设置通道容量,设置的八个设备通道如图6所示.

在连接KingView 组态系统与MCGS 触摸屏时,首先需要“新建设备”,本文在设置时选择通用性较高,具有完备的Modbus TCP 通信协议的莫迪康PLC 设备驱动[14].设备指定地址中写入200.200.200.190：502 1,至此MCGS 工位1 触摸屏的设置完成.然后在数据词典中要新建8 个IO 变量对应MCGS 中的8 个设备通道,变量名称、寄存器地址、变量类型及数据类型如表1所示.

图6 MCGS 中增加的设备通道

表1 数据词典中变量说明

2.3 KingView 与扫描枪之间的串口通信

RS-232 接口符合美国电子工业联盟(EIA)制定的串行数据通信的接口标准,原始编号全称是EIA-RS-232(简称232,RS232)[15].它是仪器仪表设备通用的通信协议,同时也被广泛用于计算机串行接口外设连接.在RS-232 标准中,字符是以一串行的比特串来一个接一个的串行(serial)方式传输,优点是传输线少,配线简单,传送距离可以较远[16].

本系统采用的扫描枪是Honeywell Xenon 1900 二维码扫描枪,其本身是USB 接口,具有插拔方便、传输速度快、不用单独供电的特点,但是工业环境更注重高稳定性,串行通讯端口成为工业现场的常用接口[17].本系统结合两种接口的特点,进行USB 转成虚拟串口的方式,具有方便快捷、稳定性高的优势.另外,USB 接口的二维码扫描枪在输入时,类似于键盘输入.由于驱动的原因,扫描枪只能在光标处输入,分拣系统界面运行时无法保证光标一直处在输入框内,造成系统效率低下,采用USB 转成虚拟串口的形式,可以解决光标位置不定的问题,提高系统运行效率.

首先Honeywell Xenon 1900 二维码扫描枪扫描如图7的条形码,编程扫描枪模拟一个常规的基于RS232的COM 端口,在运行上位机系统的计算机中装载Honeywell scanning mobility USB serial driver,为扫描枪提供虚拟串口状态下的运行驱动,然后在KingView组态中新建扫描枪设备进行扫描枪与KingView 的通信.新建扫描枪设备时选择智能模块下的通用扫描枪设备驱动,在选择与设备所连接的串口中选择与计算机设备管理器中相同的串口号.最后在数据词典中建立与扫描枪连接的变量ScannedFWCode,扫描枪与KingView 的通信才能建立,变量ScannedFWCode 的设置如表2所示.

图7 Honeywell Xenon 1900 扫描枪设置条码

表2 变量ScannedFWCode 的设置

3 组态界面开发

3.1 基于KingView 的上位机界面开发

建筑铝模板分拣系统的上位机主要是处理扫描枪扫描的数据,通过统计模板数量和型号,达到分类打包的目的.上位机工作流程如图8所示.首先将模板的分区清单导入数据库中,由系统自动分配工位,保存工位任务配置,工位配置情况就保存在数据库中,工人手持扫描枪扫描模板上的二维码,模板信息就进入数据库中,对应的提示信息下发到对应的工位触摸屏,提醒工人将传送带上对应的模板取下.

上位机界面由KingView 6.60SP2 组态软件开发完成,主要包括以下功能：导入铝模板分区清单,继续工作未完成的清单,根据铝模板区号自动划分工位,当前扫描结果的显示,实时数据库的显示.上位机界面如图9所示.当模板分区清单导入数据库之后,分区清单显示在“墙板清单”中,并自动重命名,系统自动分配任务给每一工位,分配情况显示在“工位任务配置”中,点击“保存工位任务配置”,工位配置情况保存在数据库中.“扫描识别的模板代码”中显示每次扫描的模板代码,“选择已导入模板清单”能够继续上次未完成的分拣任务,“退出”按钮实现系统退出功能.“工位任务配置”处是显示系统自动分配工位结果的地方,系统的自动分配工位任务功能,不同以往的手动输入,提高了系统的运行效率,同时将任务配置情况下发到各工位处,有利于工位处工人对于分拣任务的监控.

图8 铝模板分拣系统上位机工作流程图

图9 铝模板分拣系统的上位机界面

3.2 基于MCGS 的下位机界面开发

MCGS 触摸屏作为上位机系统与工人的信息交互装置,界面的简单易操作性是关键的问题.MCGS 下位机界面由MCGS 嵌入版组态软件开发完成,界面具有待分拣铝模板代码显示功能、模板拣取指示灯提示功能、已分拣铝模板列表统计功能、本工位分拣墙板区号范围提示功能、模板打包指示灯提示和打包模板区号提示功能,其中模板打包指示灯还具有按键功能,使模板打包指示灯初始化.MCGS 下位机界面如图10所示.

图10 MCGS 下位机界面

MCGS 下位机界面的工作流程如下,当铝模板墙板分区清单导入数据管理系统后,被分配好的区号范围就显示在“本工位分拣墙板区号范围”处,每当扫描枪扫描标签时,系统会根据对应区号范围下发在对应MCGS 触摸屏上,如“100WE2600-Q1”会下发到工位1 处的触摸屏,显示在“待分拣铝模板代码处”.“模板拣取指示灯”颜色改变,其他工位的指示灯熄灭.“已分拣铝模板列表”显示相应信息,此处的“是否分拣完毕”中“1”代表“是”,“0”代表“否”.如果一个区的模板分拣完毕,如“Q1”区,则对应工位触摸屏的“模板打包指示灯”颜色改变,“打包墙板区号”处显示对应区号如“Q1”.此指示灯提示工人打包对应区的模板,工人收到此信号后,按下触摸屏的“模板打包指示灯”使该指示灯复位,方便下次提示打包信息.

系统将MCGS 触摸屏作为下位机,有效地将Kingview 和MCGS 两套组态系统结合在一起,相互配合,能够使得工位处的工人实时监控分拣任务的进行及完成情况.利用MCGS 的组态界面设计特性和触摸屏特性,为系统节省了单独的指示灯及按键装置,有效地减少上位机的I/O 接口分配,提高系统运行效率.

4 系统调试运行及数据库管理

本系统是在实验室条件下仿真调试运行,共采用45 块归属36 个分区的铝模板分区清单进行测试,图11为铝模板分拣系统装置实物图.如图12所示的铝模板分区清单中,模板代码的第一行“100WE2600-Q1”的“Q1”代表此型号的模板归属“Q1”区,Q1 区包含两种型号的模板,第一种型号包含两块,第二种型号包含一块,其余行的模板代码也是如此.上位机界面和数据库运行在装载Windows 10 的计算机上,MCGS 触摸屏选用TPC1162Hn 嵌入式一体化触摸屏,电源采用24V 直流输出的MPS-150W24V1S 开关电源,二维码标签是采用BarTender 软件设计,由TSC T-310E 二维码打印机打印出来,二维码扫描枪采用Honeywell Xenon 1900 二维码扫描枪.

图11 铝模板分拣系统装置实物图

扫描枪扫描铝模板上的二维码标签,将数据传送到数据管理系统,系统会根据铝模板型号代码的字段,进行数据的累加统计,更新该模板代码对应记录的“已分拣模板数量”、“是否分拣完毕”字段,归类并判断是否达到打包要求.数据管理系统的部分功能代码如下：

数据管理系统的可视化界面在KingView 中应用KVFormworkList 控件实现.在控件属性中定义“墙板分拣Access 工作库”数据源,在数据改变命令语言中采用如下的功能代码,就能实现控件实时显示数据的更新及累加,如图12所示,扫描枪扫描二维码之前,“已分拣模板数量”列中全为“0”,“是否分拣完毕”列中全为“否”,当扫描枪扫描二维码时,连接扫描枪的变量发生数据改变,“已分拣模板数量”处实现数据的累加及更新,直到和“模板数量”处的数量相同时,当前型号的铝模板分拣完毕,“是否分拣完毕”处的“否”变为“是”,图12中的分拣测试结果显示,系统能够准确分拣分区清单要求的模板型号和数量.

图12 数据管理的实时显示

5 结语

针对铝模板分拣打包环节完全依靠人工作业出现的分拣效率低、分类错误率高的问题,本文设计了一套铝模板自动分拣系统,系统依靠二维码扫描枪扫描设计的集成铝模板型号、区位等信息的二维码标签,获取铝模板的信息数据,采用KingView 组态系统作为上位机进行数据的统计分析与实时显示,利用MCGS 触摸屏进行信息的交互,铝模板自动分拣系统将两套组态系统结合在一起,相互配合完成分拣过程.仿真结果表明铝模板分拣系统提高了分拣效率,具有良好的分类准确率.下一步的研究工作是在每一个工位处配置机械手臂或者推挡装置,与上位机系统协调控制,实现分拣打包环节的完全自动化.