基于PLC和嵌入式技术的智能物料搬运系统设计

王 靖，周 瑜，庄文密，吴啸波，许兴淼

WANG Jing,ZHOU Yu,ZHUANG Wen-mi,WU Xiao-bo,XU Xing-miao

（江苏科技大学 电气与信息工程学院，张家港 215600）

0 引言

随着国内物流业以及制造业的不断发展，物料以及货品的运输量也在急剧增长，并且对于智能化的要求也越来越高。传统的人工分拣与搬运模式已不能满足新形势的要求，因此更加高效智能的货品搬运处理方式逐渐成为了一个主流的研究方向[1]。利用先进的控制方式以及智能化的处理方案，可以在物流搬运这一环节进行突破与创新。

其中，以PLC为核心的控制系统凭借其稳定性以及其对各种现场的适应程度而被广泛使用，并且以嵌入式技术为核心的智能系统可以对应用现场的相关信息进行处理，比如图像识别、状态监测、云端处理等。本文希望通过PLC与嵌入式技术的结合，保证搬运系统的承载能力与稳定性的同时，加入智能化功能，使得系统更加人性化并且符合技术发展的潮流。

1 总体方案设计

智能物料搬运系统主要由硬件部分的多维搬运平台以及控制部分的西门子S7-200 PLC和负责进行信息智能化处理的STM32嵌入式系统组成，总体框图如图1所示。通过PLC作为搬运平台运动的主控制器，设有自动、手动、调试三个模式以适应用户不同需求[2]。在手动模式下，搬运平台在步进电机、丝杆以及电推杆等装置的驱动下根据用户按钮指令进行前后滑动、左右平移以及上下升降等工作；在自动模式下，STM32通过外接摄像头对货物信息进行图像提取与二值化处理后根据对不同特征值的判断反馈不同信号给PLC从而驱动搬运平台到达对应位置、自动进行物料的收取；调试模式下，用户可逐一测试步进电机、直流电机、电动推杆以及相关传感器的工作状态，方便维护。

图1 系统总体框图

2 硬件设计

在本文设计的硬件系统中，以西门子S7-200 PLC作为控制器，主要实现搬运平台的运动系统的控制，搬运平台的机械结构如图2所示。在X轴方向采用步进电机驱动滚珠丝杆以可设定的速度转动从而带动平台进行滑动，行程为2米；在Y轴方向通过直流电机的正反转配合齿轮与齿条的啮合实现左右双向的伸缩，以进行两侧物料的取放；在Z轴方向上通过电动推杆以及气弹簧的支撑实现平台的上升与下降[3]，以进行不同目标高度的物料的取放。同时，用于进行物料信息图像识别的摄像头固定在来料位置，通过STM32F103VET6处理器进行不同物料的特征值提取与处理。

图2 搬运平台机械结构示意图

2.1 控制器选型及I/O地址分配

本文设计选用西门子S7-200-224XP PLC，该机自带两个高速脉冲输出口，符合系统设计中多段速控制步进电机的电气需求。此外，该型号PLC自带10点I/O信号输出、14点输入。根据系统控制要求，共需要X个数字量输入点、Y个数字量输出点以及Z个高速脉冲输出点，具体输入输出分配如表1所示。

表1 输入输出分配表

2.2 步进电机及滚珠丝杆传动机构

采用时代超群57系列带编码器全闭环步进电机，带有1000P的编码器实现全面闭环来防止丢步。同时，运行过程中可实现最大转矩4N.M，最高转速2000转。经过研究对比，该电机采用了基于反馈编码器的空间矢量电流控制算法和矢量平滑滤波技术，对困扰传统步进电机的低频共振有很好的抵制作用。

滚珠丝杆主要功能是将旋转运动转换成线性运动，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。机构硬件结构图如图3所示，通过联轴器连接步进电机与丝杆，PLC脉冲输出驱动电机以不同速度转动后丝杆将转动转变为直线运动，带动搬运平台的前后滑动。此外，对于平台行进的速度可由按钮信号或者触摸屏给定信号进行多段速调节。

图3 滚珠丝杆传动机构结构图

2.3 直流电机及齿轮齿条传动机构

采用24V/30W直流减速电机配合齿轮与齿条的啮合来推动搬运平台中的左右伸缩平板的运动。电机可实现无极调速，最大转速为50r/min，并且通过正反向的控制即可实现双向的伸缩，扩大搬运的范围。此结构示意图如图4所示，关键在于加装在电机上的金属齿轮与固定在平板下方的齿条的相对运动大大简化了传统的双向伸缩的机械装置。

图4 电机及齿轮齿条传动机构结构图

2.4 电动推杆及气弹簧升降机构

根据设计要求并结合对目前市场应用现状的调研，搬运系统没有采用传统的气缸推动方式，而是采用电动推杆进行上下推动、气弹簧负责提供支撑的方式实现了搬运平台的升降，机械机构如图5所示。由于电动推杆只需提供24V直流电源以及气弹簧无需外界能源支持，在硬件系统中结构更加简单有效，减去了传统搬运机器人或者机械手所依靠的气压来源，从使整个系统仅有电路而不需要气路的存在，安全性也更高。并且，通过PLC程序控制可完成不同高度的升降，实现了上多个不同高度位置的取货放货，在垂直空间上扩大搬运范围。

图5 电动推杆及气弹簧升降机构结构图

3 软件设计

3.1 系统工作流程

系统工作流程如图6所示，具体如下：

图6 系统工作流程图

3.2 PLC关键子程序设计

3.2.1 可调节脉冲输出子程序设计

本文所选用的西门子S7-200 PLC自身带有两路PTO/PWM高速脉冲发生器，这使得PLC能够以最高100KHz的频率产生一个高速脉冲串（PTO）以及一个脉宽调制波形（PWM）。并且，当两路高速脉冲发生器使能后[8]，PLC的数字量输出过程印象区的Q0.0和Q0.1输出波形。采用运动控制库指令来控制高速脉冲输出以实现对步进电机的驱动，从而带动搬运平台在X轴方向上的运动，运动控制库函数功能表如表2所示。

表2 运动控制库函数功能表

通过上表可知，在程序设计中需根据电机驱动负载的能力在启动和停止时给定合适的速度，防止出现电机的抖动，步进电机初始化程序梯形图如图7所示。

图7 步进电机初始化程序梯形图

3.2.2 多高度升降子程序设计

在垂直方向上，电动推杆的行程可根据实际需求选用不同行程产品，通过程序设计可以将电动推杆单一的上升下降运动转化成多高度的运动。经过测试，电动推杆的运动是匀速的故可以通过定时器的配合，控制推杆每段上升或下降的距离，并且还可以实现距离的灵活调节，平台可到达行程内的任意高度，多高度升降子程序梯形图如图8所示。如此一来，搬运平台在垂直方向上的运动形式更加多样[4]，有利于用户对不同形状大小产品的收放。

图8 多高度升降子程序梯形图

3.2.3 双向收放运动程序设计

在搬运平台的左右伸缩进行货物的收放工作时，通过程序控制两个继电器的触点得电与否来实现对直流电机的正反转控制，并且在两端设有接近开关，防止转动距离过大使得齿轮与齿条的连接脱落。

3.3 STM32嵌入式程序设计

本文设计实现通过摄像头采集画面，对每一个待收取物料的标签进行特征提取与识别从而控制搬运平台准确的将货物放置于指定位置，而不是简单的顺序放置与搬运。采用OV7725摄像头进行图像的采集，并由STM32F103VET6处理器进行图像的处理工作。考虑到应用环境的多样，摄像头画面容易受光照等因素的影响[5]，所以直接采用原始画面进行处理的难度较大并且准确率不高。因此，通过迭代阈值法对RGB565格式的图像数据进行二值化处理。

首先，通过对数据进行移位等操作对RGB三色分量值进行单独提取；然后，去除干扰使画面转为黑白二值图像，并且通过串口调试得黑色对应值为0，白色对应值为255。得到二值化图像后可以更加有效的提取货物标签上的特征值，设计通过边缘检测法[6]，提取不同形状的特征值实现对于多种形状如正方形、三角形的识别与判断并通过设定引脚高低电平信号的变化将货物信息回传给PLC控制搬运平台运动。原始画面与程序处理后画面对比如图9所示。

图9 图像处理效果对比

4 结语

针对于当前制造业以及物流行业对物料智能化搬运的需求日益增长的现状，通过PLC技术与嵌入式技术的相互协作，在承载能力大、运行稳定、抗干扰能力强的基础上加入了智能化处理方式，加入了图像处理、人机交互等功能，解决了传统搬运机器人中控制方式较为单一，多依赖于传感开关等问题。同时，搬运平台的创新型设计大大扩大了工作区域，实现了多维度多方向的搬运与传送，提高了空间利用率。该系统具有较高的自动化水平、人机交互界面友好、智能化水平得到提高，可适用于多种不同的应用环境与工业现场，有着良好的市场前景。