基于PLC的多种工作方式机械手搬运系统设计

何光明，帅江华

(上饶职业技术学院，江西 上饶 334109)

1 设计需求

随着我国物流行业发展规模不断壮大，物流企业对货品自动化搬运的作业需求量也不断增多，传统模式下，大多数物流企业主要依靠半自动化机械手系统完成货品的搬运作业，存在自动化程度低、人机交互性不强、工作方式单一等问题，制约着物流企业搬运作业效率的提升。基于此，综合应用PLC、组态和机械手控制技术设计一款全自动化、多工作方式和人机交互性更强的物流货品搬运系统，为解决物流企业的货品自动化搬运问题提供全新的方案。

2 系统结构功能设计

2.1 结构设计

系统机械结构设计示意图如图1所示，整个机械手由电磁阀组、气路模块、限位传感器和PLC联合控制，选用了S7-200型PLC的I0.1～I0.4 4个输入地址，其中，I0.1和I0.2分别与下限位和上限位传感器连接，I0.3～I0.4分别与右限位和左限位传感器连接；输出选用了PLC的Q0.0～Q0.4 五个地址位，分别与下降、加紧、上升、右行、左行电磁阀线圈连接。实际工作时，在PLC程序的控制下，机械手可在A点抓取待搬运的物流货品，按照设计好的路线搬运至B点，当货品被夹紧时，Q0.1被置位，当货品被松开时，Q0.1被复位。在机械手部件的选取上，选用SAR12-1400型摆臂冲压机械手。

图1 系统结构设计示意图

2.2 功能设计

该系统的功能操作面板设计如图2所示，根据系统预设的自动、手动、回原点等多种工作方式，在功能操作面板上设计了相应的操作按钮。其中，I2.0～I2.4分别为手动控制、回原点控制、单步控制、单周期控制、自动连续控制与PLC外部输入地址的连接点，I0.5～I1.2分别为手动上升、左行、松开、下降、右行、夹紧按钮与PLC外部输入地址的连接点，I2.6为系统启动按钮、I2.7为系统停止按钮。此外，为保证在紧急情况或系统发生故障时，能够快速可靠地切断负载电源，在功能操作面板上设置了“负载电源”和“紧急停车”按钮，当PLC运行后按下“负载电源”按钮，外部负载的KM线圈会通电并自锁，为外部负载提供交流电信号，当出现紧急情况或系统发生故障时，可按下“紧急停车”按钮断开外部负载上的电源，以起到保护控制的作用。

图2 系统功能操作面板设计图

3 系统软硬件设计

3.1 系统硬件接线设计

该系统的硬件接线图如图3所示，采用西门子S7-200 CPU 226型PLC作为硬件控制核心，按照如图所示分配输入和输出地址端口，按照物流搬运现场作业需求，设有手动、自动、回原点等多种工作方式，各方式的具体工作流程设计如下。

图3 系统硬件接线图

1)手动方式。应用I0.5～I1.2这6个按钮控制机械手上升、下降、左行、右行、夹紧和松开货品物料的单步操作，适用于针对物流货品搬运位置、位移的精准调整。

2)自动方式。当机械手处于原点位置时，按下启动按钮I2.6，机械手将从原点开始，按照“下降—抓取货品—上升—右行—下降—放开—上升—左行”的规律循环进行物流货品搬运自动作业。

3)单周期方式。当工作方式选择按钮调至单周期工作方式时，按下启动按钮I2.6后，机械手能够执行一个单周期搬运物流货品作业，之后返回并停留至原点位置。

4)回原点方式。当机械手没有处在原点位置时，I2.1为高电平，此时按下启动按钮I2.6时，机械手能够返回到原点位置，之后等待自动、手动或单周期运行指令。

3.2 系统软件设计

该系统程序采用梯形图语言编写，按照顺序功能流程的思路为主程序、公用子程序、手动子程序、自动子程序(包括循环连续搬运程序、单周期搬运程序)。其中主程序编写中，以SM0.0作为公用程序的调用指令，当系统上电后，自动进入到公用程序，之后由用户选择搬运货品工作方式，再执行相应的搬运作业流程。为保证系统安全运行，在公用程序中设置了一些联锁程序，本系统的主程序和公用程序如图4所示。

图4 系统主程序及公用程序

3.3 系统组态设计

为提升系统应用的交互性，应用MCGS软件和TPC7062K触摸屏设计组态子系统。整个组态界面主要由机械手模块、指示灯模块、按钮模块3部分构成，其中，机械手模块调用了MCGS中的机械手空间、矩形控件等，并编写了动作脚本程序；指示灯模块选取“指示灯2”控件，并与PLC的I0.5～I1.2地址位建立起逻辑变量关系，用于动态地指示机械手的搬运动作；按钮模块选取“标准按钮”控件，并与I0.5～I2.7地址位建立起逻辑变量关系，用户可在触摸屏上按下相应的按钮，对系统进行远程触摸控制，系统的组态界面如图5所示。

图5 基于PLC的多种工作方式机械手搬运系统组态设计界面

4 系统应用测试

系统设计并装配完成后，应用于某物流企业货品搬运现场进行作业测试。测试指标包括故障次数、平均响应时间、搬运成功次数。测试方案为：应用系统连续进行100次、300次、500次物流货品的抓取和搬运作用，收集测试指标相关的数据，并进行统计整理，以验证本系统的应用有效性和可靠性，具体的测试数据如表1所示。

表1 系统应用测试统计表

5 结语

对系统运行功能进行测试的结果可知：分别进行100次、300次和500次物流货品搬运作业过程中，系统故障发生率为0%，搬运成功次数为100%，平均响应时间约为1.3 s，说明本系统具有良好的作业特性，各项指标均能满足物流企业货品自动化搬运的需求，具有良好的适应性、稳定性、可靠性和应用性。此外，通过测试现场的人机交互应用发现：所设计的组态子系统能够实现对货品搬运的远程交互控制，大大降低了人为硬件控制对系统元件的损耗率，有利于物流企业节约维护和更换机械搬运手系统的成本。