基于PROFIBUS现场总线的生产线监控系统实现

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摘要摘要汽车、食品、医药、机械加工和电子元件加工等领域已广泛应用自动化生产技术。随着科学技术的发展，人类社会对产品的功能与质量要求越来越高，产品更新换代速度越来越快，传统生产方式受到了挑战。在保证产品质量的前提下，如何提高生产线的效率，缩短产品生产周期、物流运输周期，更好的监控生产线运行，成为自动化生产线研究的新热点。本文采用PROFIBUS现场总线技术实现生产线监控，有着实际应用价值。在系统硬件设计部分，分别采用西门子S7—300、S7-200可编程控制器和工业控制计算机实现传送带协调控制、堆垛仓物料存取、物料参数自动采集与传送。完成西门子$7-300与S7-200系列PLC的PROFIBUS通信程序设计，实现基于PROFIBUS现场总线技术的生产线物料传送。自动采集物料的条形码、电子标签、颜色、重量和形状等参数，运用PROFIBUS现场总线技术实现各操作工位与总控工位之间的数据传递，监控各操作工位运行状态。在堆垛机存取物料控制部分，采用图像识别技术，修正堆垛机机械手的运动路径，实现堆垛机存取物料准确定位，提高系统运行可靠性。生产线实际运行和实验结果表明，生产线传送带协调控制达到设计要求，条形码、电子标签、颜色、重量和形状等参数的采集和传输准确可靠，堆垛机机械手存取物料精度达到1．5毫米。关键词：生产线PROFIBUS监控系统机器视觉定位 广东工业大学硕士学位论文ABSTRACTPROFIBUSisaninternationalapplicationonaverywiderangeofindustrialprocessfieldbus，mainlyusedinproductautomation，processautomation，buildingautomationandotherfields．Automaticproductionlinesaretheapplicationofprocessautomation．Automaticproductionlineshavebeeninfiltratedintoallsectorsofindustrialproduction，itwidelyusedinautomotive，food，medicine，machineryprocessingandproductionlineofelectroniccomponents．Automaticproductionlinesplayanimportantroleinthecountryindustrialproduction．Therefore，realizationofproductionlinemonitoringsystembasedonPROFIBUSfieldbusinthispapercanbeappliedtosomefields．Insystemhardwaredesign，useSiemensS7—300，S7—200PLCandindustrialcomputercontroltheachievecoordinationconveyor，storageaccess，materialsparametersacquisitionandtransmission．AndthenthispaperintroducedthePROFIBUSfieldbustechnology，typeandstructureofPROFIBUSfieldbusprotocolindetail．WithanemphasisonPROFIBUS—DPbasicfunctions，thephysicallayertransmissiontechnologyanddatalinklayerprotoc01．AccomplishedSiemensS7—300andS7—200seriesPLC’SPROFIBUS—DPcommunicationprogramdesign，implementedthecoordinationcontroloftheconveyorbeltinproductionline．Accomplishedautomaticcollectionofmaterials’parameters，includedbarcode，electronictag，color，weightandshapeparametersdata．UseVBprogramlanguagetoimplementthesoftwaredesignofeachoperationstation．UsePROFIBUSfieldbustechnologytorealizedatatransferbetweenoperationstationsandmainmonitoroperationstations，monitorrunningsituationofeachoperationstations．Instorageoperationstationsdesign，useimagerecognitiontechnologytomodifythemovementpathofstoragemachinehand，realizeaccuratepositioningofstorageoperationstationsmaterialsaccess．Aftertheactualoperationofproductionlinesandexperiment，coordinationcontroloftheproductionlineconveyorbeltattainthedesignrequirements．Accomplishedaccurateandreliablecollectionandtransmissionofmaterials’parameters，includedⅡ ABSTRACTbarcode，electronictag，color，weightandshapeparametersdata．Positioningaccuracyofstoragemachinehandattain．Keywords：ProductionLinePROFIBUSMonitoringSystemMachineVisionPositioningm 广东工业大学硕士学位论文独创性声明秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均以在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果归广东工业大学所有。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。论文作者签字：像母名叁指导教师签字：厂、年j月；汐日 第一章绪论1．1研究背景及意义随着科学技术的发展，人类社会对产品的功能与质量要求越来越高，产品更新换代速度越来越快，传统批量生产方式受到了挑战。在保证产品质量的前提下，如何提高生产线的效率，缩短产品生产周期、物流运输周期，更好的监控生产线运行，成为自动化生产线研究的新热点。汽车、食品、医药、机械加工和电子元件加工等领域已广泛应用自动化生产线技术。本文采用PROFIBUS现场总线技术实现生产线监控，有着实际应用价值。本文研究对象以自动化学院运动控制与图像识别实验室内生产过程监控系统为基础，采用单一现场总线网络，简化控制结构，接近实际工业生产过程。基于PROFIBUS现场总线的生产线监控系统，具有堆垛仓物料存取、条形码检测、电子标签检测、颜色检测、重量检测及形状检测等功能，监控各操作工位运行状态，实现生产线传送系统稳定协调控制及产品物料数据传递。为提高生产线效率，缩短运输周期，需要实现生产线监控系统仓库的存取物料机械手准确定位，协调物料出库和入库作业，提高存取物料的可靠性。物料仓库存放的物料放置在货位的固定位置上，堆垛机机器手按程序设定路径规划，运动到对应物料放置的位置，抓取待检测的物料，如果由于放置物料出现误差等原因，那么堆垛机将无法获取物料。对此问题常用的解决办法为：1、人工检查物料的位置；2、在物料放置的货位加装传感器，检测物料是否放置到位，否则报警，通知工人重新放置物料。这两种方法都不能很好的解决问题，人工检查耗费人力，而且可靠性不高；每个货位上安装传感器，成本过高，安装的传感器数量较大，由一个或多个传感器检测一个物料的位置，如果某个传感器出现故障，将无法反馈检测信息，另外如此多的传感器检修过程的工作量也十分大。随着计算机软、硬件技术和机器视觉传感技术的发展，机器视觉检测应用已成为制造业发展的重要课题。机器视觉是用机器代替人眼来实现人的视觉功能，从而进行测量及判断，用计算机来实现对客观三维世界的识别⋯。本文将先进的机器视觉运用在传统的堆垛机机器手运动控制中，实现存取物料机械手的位置闭环控制。在堆垛机机器手的前端安装摄像头及光源，利用采集到的图像，运用计 广东工业大学硕士学位论文算机数字图像处理技术，对待检测物料的位置进行跟踪，确定物料的精确位置，消除位置误差，控制堆垛机机器手的运动轨迹及动作，从而实现物料存取的准确运动控制，提高存取物料的可靠性。本文论述的基于机器视觉存取物料定位系统设计，仅在堆垛机机械手前端安装摄像头，在计算机上安装图像采集卡，既减少了人力耗费，又降低了安装成本，提高控制稳定性，所以研究基于机器视觉的存取物料定位系统非常有实际意义。1．2国内外研究现状1．2．1生产线监控技术的研究现状生产线监控技术的发展，伴随着现场总线技术的进步。现场总线是20世纪80年代中后期随着计算机、通信、控制和模块化集成技术发展而出现的技术，被誉为自动化领域的计算机局域网心1。现场总线常用于生产过程控制设备之间及与更高控制管理层之间的通信，是一种开放式的网络，可组成全分布式现场总线控制系统b1。现场总线技术源于网络通讯技术，经历二十左右的发展，第一代控制系统DDCS(直接数字控制系统)集中式控制，可靠性很差。第二代控制系统DCS(分散式控制系统或集散式控制系统)是半数字化系统。第三代FCS(FieldbusControlSystem)称为现场总线控制系统是一种全数字化控制系统，现场总线控制系统使控制系统发生了概念上的全新变化，它使传统的控制系统结构上发生了根本的变化。现场总线是应用在生产现场与微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点通信的系统也称为开放式、全数字化、多点通信的底层控制网络H1。在发达国家，现场总线技术从20世纪80年代开始出现并被逐步推广，现在已经被广泛接受和使用。在国内，现场总线首先用在外国公司在华投资的生产线，如外资汽车生产企业的生产线大多用到了现场总线技术，后来啤酒灌装、烟草加工、机械装配、产品包装等生产线也大量使用现场总线陆1。此外，市政工程、楼宇、智能化小区建设也开始使用现场总线。可以预见，随着现场总线技术发展及其在工业自动化领域的不断深入，传统的DCS必将为FCS所全面取代哺1。日本Profibus协会(JPO)有60多个团体会员，除新日铁等少数是用户单位外，其余绝大多数都是制造厂商。这些制造厂商中，有：横河、安川、富士电机、山武、明电舍、东洋电机、OMROM等等。另外有Siemens这样的起Profibus主导作用的德国公司，专门提供Profibus的开发和分析软件的德国公司Softing，瑞2 第一章绪论典的HMS工业网络，德国的Hilsher等外国公司H¨耵。我国民族工控产品如PLC、DCS长期落后于国外，根本原因是国外少数几家大公司为保证其垄断经营的地位对其工控产品采用封闭式结构，我国对其关键核心技术只有通过引进消化后方可掌握，因此贻误了市场时机而总是落后于人家，受制于人。现场总线技术的开放性策略无疑为我国工控界在国际市场上的发展带来了一个千载难逢的平等竞争机遇，当游戏规则的变更使大家站在同一起跑线上时，就看谁捷足先登，抢先占领市场，把握主动权，最终领导市场。在我国总线应用在汽车，钢铁，冶金，烟草等行业应用的毕竟广泛，在化工等行业也在推广期间。随着软件技术不断发展，监控管理系统也有了日新月异的发展。目前国外已经开发出集成化生产线监控与管理系统软件，如日本日立公司发布了“工作站协调程序"软件，进行自动化仓库搬运系统的控制；美国的IMHS系统具有扩展的仓库管理功能，包括供应商管理、零部件检验、质量跟踪、生产计划管理和销售管理等管理功能。国内也有部分公司推出相应的软件，如郑州宸极科技有限公司的“生产监控管理系统I型"系统，采用灵活的现场总线管理结构实现生产过程具体环节的检测、监视和智能化控制。近年来，生产线监控管理软件正向着集成化、智能化、多功能化、人机界面更友好化的方向发展。1．2．2机器视觉检测技术的研究现状机器视觉主要研究利用计算机模拟人的视觉功能，从客观事物的图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终对客观世界的三维景物和物体进行形态和运动识别。随着计算机硬、软件技术和机器视觉传感技术的发展，机器视觉检测研究和应用已成为制造业发展的重要课题。机器视觉就是用机器代替人眼来实现人的视觉功能，从而进行测量及判断，用计算机来实现对客观三维世界的识别。机器视觉检测技术，比较早期的研究工作可以追朔到1973年Shirai和Inoue用于装配任务的机器视觉反馈机器人。90年代机器视觉技术用于国外钢板表面缺陷在线检测，如德国Parsytec公司于1997年为韩国浦项制钢公司研制了HTS一2冷扎带钢表面检测系统。美国斯坦福大学和麻省理工学院合作开展“基于Internet的下一代远程诊断示范系统’’，得到Ford、Boeing等大公司支持，已使用在汽车制造生产线上。国内研究，西安交通大学人工智能与机器人研究所，完成863项目“精密装配机器人"的开发，研制了一套实时视觉系统，并已推广应用于国防、医学等领域，获得国家科技进步二等奖。已研制成功的(由天津大学 广东工业大学硕士学位论文精仪学院和南京依维柯汽车有限公司车身厂共同承担)国家“863”高科技项目“依维柯白车身二维激光视觉检测系统”，将以前需近6小时完成的白车身检测，通过激光视觉检测只需7分钟旧1。机器视觉系统在工业生产线的应用主要有以下三方面n们：1、用机器视觉进行产品检验，代替人的目检。包括：形状检测、测量零件的几何尺寸、位置、缺陷检测零件是否损坏、划伤、是否齐全等。2、在机器人进行装配、搬运等工作时，用机器视觉系统对一组需装配的零件逐个进行识别，并确定它在空间的位置和方向，引导机器人准确地抓取所需的零件，并放到指定位置，完成分类、搬运和装配任务。3、为移动机器人进行导航。利用视觉系统为移动机器人提供它所在环境的外部信息，使机器人能自主地规划它的行进路线，回避障碍物，安全到达目的地，并完成指令的工作任务。1．3主要研究内容及论文结构安排1．3．1主要研究内容随着现场总线技术及产品的快速发展，尤其是在底层现场控制系统中现场总线有着极高的效率和可靠性，本文主要研究内容涉及现场总线控制装备的硬件组态、监控软件程序设计、现场总线通信技术、步进电机驱动技术及传感器数据测控技术等。论文的主要研究内容如下：1、西门子PROFIBUS总线网络的组态和通讯方式，$7-200与$7-300PLC的操作与通讯方法，PLC与工控机通讯方法，Step7与MicroWin程序设计。2、针对生产线传送带上的步进电机驱动器与PLC在现有系统中可靠性和实时性上存在的问题，设计传送带协调控制程序，改善传送带运行效果。3、设计各操作工位工控机的监控程序，驱动各种传感器并采集物料数据，数据保存于总控工位的MSSQL数据库中。4、应用图像分割，边缘检测，模板匹配等技术，利用Matrox公司的图像开发包，结合生产线监控系统存在的不足，采用图像识别技术，修正堆垛机机械手的运动路径，实现堆垛机存取物料准确定位，提高系统运行可靠性。5、设计各操作工位程序界面，在线调试传送带协调控制PLC程序，总结生产线监控系统实验结果。4 第一章绪论1．3．1论文结构安排，第一章：绪论，主要介绍课题的研究背景、意义以及该领域国内外最新的研究现，主要研究内容及论文结构安排。第二章：传送系统硬件组态及软件设计规划，利用西门子STEP7软件完成传送系统硬件组态，如通讯站的设置，数据传输速率等，对$7-300和S7—200的机架电源，CPU，信号模块，扩展I／O模块等按其实际配置类型和物理地址进行组态，完成PROFIBUS现场总线相关参数设置。完成传送带协调控制程序设计，采用PROFIBUS现场总线技术实现生产线传送带协调控制。第三章：生产线各操作工位完成物料各种数据的采集，本章阐述生产线监控系统的主要组成部分，重点阐述条形码电子标签工位与自动称重工位的硬件构成与软件程序设计。第四章：运用数字图像识别技术，利用Matrox公司的图像开发包，在堆垛机存取物料控制部分，采用图像识别技术，修正堆垛机机械手的运动路径，实现堆垛机存取物料准确定位，提高系统运行可靠性。第五章：现场总线监控系统调试及实验结果分析，设计系统各个操作工位程序界面，阐述监控系统现场调试过程中遇到的问题及解决方法，最后对实验结果进行了分析。总结与展望对课题的研究工作做了全面的总结并对今后进一步的工作提出了合理的建议。5 广东工业大学硕士学位论文第二章基于PROFIBUS现场总线的生产线传送系统2．1生产线传送系统结构生产线监控系统由传送系统与物料参数自动采集两部分构成，生产线传送系统实现生产线传送带的协调控制及数据传递，各操作工位监控系统实现物料参数自动采集。本生产线传送系统结构图如图2一l所示：图2—1传送系统结构图Fig．2-1TransmissionSystemstructurediagram生产线传送系统主要包括以下四个部分：(1)堆垛机上下料工位：由原料仓库、成品仓库、堆垛机机械手、上下料平台和上下料机械手组成，实现物料产品的出入仓库管理；(2)皮带传送带：PLC的i／o端口控制步进电机驱动器，驱动步进电机转动，步进电机带动皮带传送带，完成物料传送；(3)滚轮传送带：由各操作工位工控机控制，通过扩展i／o控制卡控制步进电机驱动器，驱动步进电机转动，步进电机带动滚轮传送带，实现滚轮传送带的转动控制；(4)拐角：由顶升(下降)、旋转、滚轮步进电机组成，改变物料传送的方向。PLC的I／0端口或各操作工位工控机的I／O扩展卡控制步进电机驱动器，驱动器控制步进电机的启动、停止和方向，步进电机的转动带动生产线上的皮带传送带与滚轮传送带转动，完成物料的运输。采用PROFIBUS现场总线技术，组建控制网络，实现传送系统各部分的协调控6 第=章基于PROFIBUS现场总线的生产线传送系统昂。爨-凿圊■■一■桥蜂模块桥坪填块桥接产块桥拄模块熙$7碴-200(2)书◇。“◇◇◇颤色触摸群r{3jrJ]电●毡墨◇夺》豳表2—1传送带控制对应表Table2—1ConveyorControlTables7-200f1)PLC皮带传送带1、4、6，拐角i、2、3，圆拐角S7．300PLC皮带传送带2、3、5、7、8堆垛机工位工控机滚轮传送带1条形码工位工控机滚轮传送带2s7-200(2)PLC滚轮传送带3自动称重工位工控机滚轮传送带4形状工位工控机滚轮传送带5尺寸工位工控机滚轮传送带6传送带采取分段控制方式，皮带传送带1、4、6，拐角l、2、3及圆拐角由s7200(1)PLC控制，皮带传送带2、3、5、7、8由s7300PLC控制，滚轮传送带l由堆垛机工位工控机控制，滚轮传送带2由条形码工位工控机控制，滚轮传送带3由s7—200(2)PLC控制，滚轮传送带4由自动称重工位工控机控制，滚轮传送带5由形状工位工控机控制，滚轮传送带6由尺寸工位工控机控制。 广东I业大学硕士学位论文22生产线传送系统硬件构成21系统硬件组态根据生产线传送系统设计方案，进行硬件安装及组态。SIEMENS的s7—300PLC是针对模块化的中小控制器，有不同档次的CPU适应不同的具体应用要求。网络连接可选用MPI(多点接口)㈣．PROFIBU5或工业以太网，借助HWConfig工具可以进行硬件组态和参数设置。本系统S7-300PLC选用CPU313C一2DP““，其具有64K高速RAM(相当于大约21K的指令)用于存储程序和数据，有256个s7定时与计数器，16个数字量输入端口和16个数字量输出端口，DP接口传输速度最高可达12Mbit／s。57—200PLC选用CPU226“⋯，由于CPU226没有DP模块，因此需要添加EM一277模块实现PROFIBUS—DP通信。本系统s7—200PLC通过EM一277⋯1连接PROFIBUS—DP总线，其余从站工控机则通过PROFIBUSDP桥接模块PQ20连接到PROFIBUS—DP总线上。总线组态图如图2—2所示：围2-2总线组态幽Fig2—2Feildbusconfiguration利用STEP7组态软件的HwConfig工具完成硬件模块的配置和地址分配““，灵活构建Profibus网络。首先插入导轨0，在第一栏中插入电源模块PS307，然后在第二栏中插入313C一2DPCPU模块，s7—300与200PLC的PROFIBUS通讯需要通过EM277模块实现，因此在硬件组态时，从HwConfig的硬件目录HardwareCatalog””中调用EM277模块，各操作工位工控机也作为从站，需要通过桥接模块PQ20连接PROFIBUS。插入桥接模块PQ20前必须安装GSD文件，安装完成后在硬件组态中即可调用PQ20模块。最后将EM277模块和桥按模块PQ20的配置项拖放到PROFIBUS总线上，在弹出Properties对话框中，设置从站DP地址，此处输面肘面。十劐糖乎鲴瓣早蓟糍一翻蹴一訇一一劐。国。 第二章基于PRoFIBUS现场总线的生产线传送系统入的DP地址需要与实际EM277或PQ20上的硬件地址旋钮开关地址一致，将NetworkSettings中的PROFIBUS总线传输速度设置为1．5Mbit／sn"。设置DP地址后，根据实际硬件连接配置每个站点对应的I／0端口地址，各个I／O端口分别实现步进电机控制，光电传感器或限位开关状态数据读取等功能，DP站点地址，I／0字节地址及字节数配置表如表2-2所示：表2—2DP站点地址及I／O字节地址设置Table2—2StarionDPAddressandI／OaddressSettingI地址(字节)Q地址(字节)描述DP地址O～570～57总控工控机的PQ20358～65传送带S7．200的EM277466～75堆垛机工控机的PQ20576～85条形码工控机的PQ20686～93颜色触摸屏S7．200的EM277794～103自动称重工控机的PQ208104～113形状检测工控机的PQ209114～123尺寸检测工控机的PQ2010PROFIBUS-DP现场总线上主站和各从站的通讯无需编写专门通讯程序，只需通过配置I／0字节地址及字节数，读写对应的I／O字节上的数据即可实现。2．2．2PLO的I／0端口连接采用PLC的I／O端口实现三方面功能：1、控制步进电机驱动器；2、读取限位开关与光电传感器信号；3、控制总控柜的按钮及报警灯。1．控制步进电机驱动器步进电机采用MYCOM公司的两相步进电机，每个脉冲转动1．8度。配套采用MYCOM公司的步进电机驱动器，型号为IMS200，该驱动器支持FullStep、HalfStep、1／4Step、1／8Step细分模式。各步进电机驱动器的连接如表2—3所示：表2-3步进电机驱动器连接表Table2—’3Theconnectionofstepmotordriver电机编号功能描述PLCI／O端口驱动器对应功能A1拐角1滚轮电机S7·200(1)QO．0STOPQO．1STAI盯QO．1DIR9 广东工业大学硕士学位论文A2拐角2滚轮电机S7-200(1)Q0．3STOPQ0．4STAI汀Q0．5DIRA3拐角3滚轮电机S7·200(1)Q0．6STOPQ0．7STARTQ1．0DIRA4圆拐角入口电机S7—200(1)Q1．1STOPQ1．2STAIHA5圆拐角出口电机S7-200(1、Q1．3STOPQ1．4STARTA6拐角1顶升(下降)电机$7-200(1)Q1．5STOPQ1．6STARTA7拐角1旋转电机S7—200(1)Q1．7STOPQ2．0ST．AIUA8拐角2项升(下降)电机$7-200(1)Q2．1STOPQ2．2STAI玎A9拐角2旋转电机S7—200(1)Q2．3STOPQ2．4STAI盯A10拐角3项升(下降)电机$7-200(1)Q2．5STOPQ2．6STARTA11拐角3旋转电机$7-200(1)Q2．7STOPQ3．0STARTA12皮带传送带1电机S7-200(1)Q3．1STOPQ3．2STAI盯A13皮带传送带4电机$7-200(1)Q3．3STOPQ3．4STARTA14皮带传送带6电机S7-200(1)Q3．5STOPQ3．6STARTA15皮带传送带2电机S7．300Q4．oSTOPQ4．1START10 A16皮带传送带3电机S7．300Q4．2STOPQ4．3STARTA17皮带传送带5电机S7．300Q4．4STOPQ4．5STAI盯A18皮带传送带7电机S7．300Q4．6STOPQ4．7STARTA19皮带传送带8电机S7—300Q5．0STOPQ5．1STAI汀PLC的I／O端口控制步进电机驱动器，驱动器控制步进电机的启动、停止和旋转方向，步进电机的转动带动生产线上的皮带传送带与滚轮传送带转动，完成物料的运输，实现生产线监控系统的传送带控制。2．读取限位开关与光电传感器信号通过限位开关检测电机运动位置，一方面限制步进电机运动的范围，另一方面保护硬件设备。各个限位开关与光电传感器的连接如表2-4所示：表2-4限位开关与光电传感器的连接表Table2-4Theeonnectionofswitchesandsensors电机编号功能描述PLCI／O端口驱动器对应功能A6拐角1顶升原点S7-200(1)IO．6HOME拐角1项升极限10．7LIMA7拐角1旋转原点S7-200(1)11．OHOME拐角l旋转极限11．1LIMA8拐角2顶升原点S7-200(1)11．2HOME拐角2顶升极限11．3LIMA9拐角2旋转原点S7-200(1)11．4HOME拐角2旋转极限11．5LIMAlO拐角3顶升原点S7-200(1)11．6HOME拐角3顶升极限11．7LIMA11拐角3旋转原点S7-200(1)12．OHOME拐角3旋转极限12．1LIM拐角1光电传感器$7-200(1)10．1拐角2光电传感器S7-200(1)IO．3拐角3光电传感器S7-200(1)10．5 广东工业大学硕士学位论文限位开关安装在拐角的顶升电机与旋转电机上，分原点与极限位置两种，极限位置是指上顶最高点位置或旋转最大角度位置。光电传感器安装在拐角滚轮下方，检测物料是否到达拐角。3．控制总控柜的按钮及报警灯总控柜上的按钮与报警灯连接如表2-5所示：表2-5工作按钮与报警灯的连接表Table2——5Theconnectionofoperationbuttonsandalarm1ightS功能描述PLCI／O端口总控柜的LINK按钮输入S7．30014．O总控柜的EMERGENCY按钮S7．30014．1总控柜的PAUSE按钮输入S7．30014．2总控柜的LINK按钮输出S7．300Q5．2总控柜的PAUSE按钮输出S7．300Q5．3总控柜上面的报警灯的红灯S7．300Q5．5总摔柜E面的报警灯的黄灯S7．300Q5．6总控柜上面的报警灯的绿灯S7．300Q5．7按钮控制总控工位的联机及系统电源开关，报警灯显示当前生产线运行状态，红灯亮表示生产线出现故障，黄灯亮表示待机状态，绿灯亮为正常运行状态。2．3生产线传送系统程序设计2．3．1生产线工序流程物料在生产线上传送，经过操作工位的先后顺序，称为生产线的工序流程，如图2-4所示：图2-4生产线工序流程图Fig．2—4Processofproductionline12 第二章基于PRoFIBuS现场总线的生产线传送系统(1)堆垛机机器手从仓库中取出产品物料，放置在滚轮传送带上，传送至拐角1，拐角l顶升旋转改变物料传送方向后，判断条形码工位运行状态，如果忙则产品物料停留在拐角1上，空闲则传送产品物料到条形码电子标签工位；(2)条形码工位完成条形码及电子标签读取后，判断颜色触摸屏工位运行状态，若空闲则传送物料到颜色触摸屏工位，同时通过PROFIBUS现场总线发送数据到S7—300；(3)颜色工位完成颜色数据读取后，若拐角2空闲，则送出产品物料，若自动称重工位空闲，则拐角2将物料送至称重工位；(4)自动称重工位获取产品物料的重量后，也将判断下一工位运行状态，空闲则送出物料，同时通过PROFIBUS现场总线发送工位状态及数据到S7—300，形状工位按以上步骤完成物料数据采集与发送；(5)经圆滚轮传送带后，物料将再次回到堆垛机上下料工位，送成品仓前需判断物料的数据是否采集完整，否则将重新回到生产线，再次采集数据，如果采集完整将送成品仓，完成物料生产线的工序流程。2．3．2生产线传送系统协调控制策略由于各个工位对物料数据采集所需的操作时间不一，因此若缺少完善的传送带协调控制，将会造成物料碰撞，工位操作冲突，更严重的后果会损坏物料或使整条生产线瘫痪。各工位物料数据采集所需操作时间对比图，如图2—5所示：图2-5各工位操作时间对比图Fig．2—5Operatingtimeofoperationstationcomparisondiagram图2-5表明，传送系统存在以下问题：13 广东工业大学硕士学位论文l、由于称重工位的物料检测时间过长，传送物料机会减少，将造成后续的形状和尺寸工位的利用率下降。造成物料在拐角2等待称重工位完成操作，如果此时堆垛机工位送出物料的速度过快，将造成从拐角2开始、经颜色工位、条形码电子标签工位、到拐角1处于阻塞状态，而最终因为拐角1的操作忙，使堆垛机不再送出物料，生产线处于半瘫痪状态。2、堆垛机工位物料入库时间过长，也在一定程度上造成形状、尺寸工位的阻塞，大大降低了系统的整体效率。为提高工位的利用率和系统整体效率，针对以上传送系统存在问题，从改善传送带控制程序及称重工位与堆垛机工位操作优化两方面入手，提出以下解决方法：1、完善拐角及传送带协调控制PLC程序，保证传送带遇到意外或阻塞后仍能继续运行，排除瘫痪状态。根据生产线上物料传送情况，动态调节堆垛机工位上料速度，使同时在传送带上传输的物料数量在控制范围内，降低阻塞机会。2、简化自动称重工位三自由度机器手的运行路径、操作步骤及提高步进电机转速以减少运行时间。针对堆垛机研究相应的存取策略，优化路径，减少存取时间。下文将详细阐述以上两方法的具体实现过程。为保证生产线顺畅运行，物料正常传送，传送带协调控制程序起到关键作用。针对本系统检测工位多、传送带数量多的特点，本节研究传送带协调控制策略，协调传送带运行，使物料有序传送。将拐角同样作为一个操作工位，任意一个操作工位的运行状态只有忙和闲两种，只有在工位空闲时，传送带协调控制程序才能将上一工位已完成检测的物料送至该工位。传送系统协调控制基本思路为，本工位完成物料某种参数采集及相关操作后，标记该工位运行状态为空闲，通过PROFIBUS现场总线查询本工位下一工位运行状态，若下一工位为空闲状态，则起动本工位前后的皮带传送带，传送本工位完成数据采集的物料，同时接收上一工位完成数据采集，处于等待传送状态的物料。’主站$7-300通过PROFIBUS现场总线，接收各操作工位及拐角的忙闲状态信号，控制从站$7-200(1)与其余操作工位，实现传送带的协调控制。根据传送系14 第二章基于PROFIBUS现场总线的生产线传送系统统协调控制策略，编写传送系统控制程序，传送系统程序流程图如图2—6所示：1G统初始司获取物料割否1．颜色信息人否譬剑否经圆滚轮传送带，送到堆垛机工位从原料仓厍经拐角2’r取出待加工送到电子获得物料产品物料称重工位条形码‘掣否令l否物科经经拐角3送到拐角l送到回到生产线条形码工位形状工位堆垛机存放物料入L雨I扣士冬涧d上11j．C～1址1D凹成品仓库r送到尺寸l工位检测●r结束]＼／是图2—6传送系统程序流程图Fig．2-6Transmissionsystemsoftwareprogramflowchart图2-6中，每个操作工位或拐角完成操作后，均需通过PROFIBUS总线向主站$7-300查询下一个操作工位的忙闲运行状态，只有当下一个操作工位为空闲状态，才放行物料通过。例如：颜色触摸屏工位得到产品的颜色数据后，会查询拐角2是否空闲，如果空闲则下降挡板，放行产品物料进入拐角2，当拐角2完成带产品物料的顶升旋转后，也将查询自动称重工位是否空闲，若空闲才启动滚轮传送带，将产品物料送出。2．3．3生产线传送系统PLC程序设计主站S7—300PLC程序采用STEP7软件开发，从站$7-200(1)采用Micro／Win进行开发，主站$7-300和从站$7-200(1)分别实现不同功能。15 广东工业大学硕士学位论文1、主站$7-300主要实现功能有：(1)接收各工位和拐角运行状态信息，将状态信息转发给总控工位，由总控工位显示各操作工位运行状态。(2)接收转发总控工位命令，实现工位间的联机、脱机操作。(3)接收各工位所采集的数据信息并转发至总控工位，包括各工位忙闲状态、条形码、电子标签、颜色、重量、形状等数据。(4)接收各工位和拐角运行状态并转发至相应工位的下一个工位。(5)根据相应工位运行状态，协调控制传送带运行，控制皮带传送带2、5、7转动，条形码工位与颜色工位之间皮带传送带3转动，及形状工位与尺寸工位之间皮带传送带8转动。2、从站$7-200(1)主要实现以下功能：(1)获取判断各拐角运行状态，并转发至主站S7—300。(2)控制拐角1、2、3上的顶升电机、旋转电机、滚轮传送带电机转动。(3)控制拐角1、2、3前的皮带传送带1、4、6转动，及入库前的圆拐角滚轮传送带。2．3．3．1主站$7-300程序设计PROFIBUS-DP系统由不同类型的设备组成，这些设备分为三类n8。2引：(1)DP主站(1类)：1类DP主站(DPMI)是中央处理器，它在确定的周期内与分散的从站循环地交换信息。典型的1类主站设备，如PLC或PC等。(2)DP主站(2类)：2类DP主站(DPM2)是编程器、组态设备或操作面板。它们在DP系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。(3)DP从站：DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备，如I／O设备、驱动器、HMI、阀门等。本系统工控机通过桥接模块设置为DP从站。系统构成在同一条总线上最多可连接126个设备(主站或从站)。由系统组态来定义站点数、站地址、输入／输出地址、输入／输出数据格式、诊断报文格式和所使用的总线参数。PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站的系统，这为系统组态提供了高度的灵活性。在多主站系统中，总线上可连接若干个主站。这些主站可能是它与各自的从站构成的相对独立的子系统，包括一个DPMl、指定的若干从站及可能的DPM2设备。任何一个主站均可读取从站的输入和输出映像，但只有在组态时指定为16 第二章基于PROFIBUS现场总线的生产线传送系统DPMl的主站能向它所属的从站写输出数据。在单主站系统中，总线系统运行时只有一个主站在总线上活动。主站是中央控制部件，从站通过传输介质分散地与主站连接。单主站系统可达到最短的总线循环时间，本系统采用单主站形式。PROFIBUS-DP物理层使用RS-485传输，通常称为H2乜u，适用于需要高速传输和设施简单而又便宜的各个领域，RS-485技术的传输特点如下：数据传输：依据RS-485，异步NRZ(NonReturntoZero非归零制编码)传输。传输速率：波特率从9．6kbps到12Mbps可选。传输介质：屏蔽双绞电缆。站点数量：每段32个站(不带中继)，最多允许126个站(带中继)。距离：与传输速率有关，有中继器距离可延长到10km。连接器：9针，D型插头。PROFIBUS总线连接器使用9针D型连接器，其针脚定义见表2—6。表2-6PROFIBUS接口针脚定义Table2—6PindescriptionofPROFIBUSinterface针脚号信号名称规定1SHIELD屏蔽或功能地2M2424V输出电压地(辅助电源)3RXD／TXD-P接收和发送数据一正B线4CNTR-P方向控制信号P(对中继器的控制信号)5DGND数据基准电位(地)6VP终端电阻5V供电电压一正7P24正24V输出电压(辅助电源)8RXD／TXD——N接收和发送数据一负A线9CNTR-N方向控制信号N(对中继器的控制信号)PROFIBUS一个网络段可以由最多32个站组成(中继器没有站地址，但它们被计算在每段的最多站数中)，在总线的开头和结尾必须要接有终端电阻乜纠。如果需要扩展总线的长度或者PROFIBUS的站数大于32个时，可以使用RS-485中继器扩展网络，其拓扑结构如图2-7所示。17 广东工业大学硕士学位论文图2—7利用RS485中继器扩展网络Fig．2—7UseRS485repeatertoexpandthenetwork线路编码为非归零(NRZ，NonReturntoZero)制编码心钔，在位持续时间内，二值信号电平0或1保持不变。非归零制编码比较简单、成本低、不需要编码和译码，而且信道利用率较高。非归零制编码格式如图2—8所示：二i4；·———————王L——————_；-j竺三一一位顺序t争r鳓i·|2i3l4l5|6l7；8餮霎|终，弘i丁r始l|i图2-8非归零制编码格式Fig．2-8EncodingformatofNRZ数据传输格式为异步格式。高电平表示1，低电平表示0，无信号空载时输出高电平，每个数据字节(字符)的头尾分别有起始信号和停止信号用于同步。起始信号通知接收器数据即将到达，停止信号使接收器在下一个字节到达前能够有足够的准备时间。这种较低的同步要求意味着较低的接口成本。图3—6示出了非归零线路码和异步传输数据格式。如图2-8中所示，发送一个8位的字节需要11个位时间(1个起始位，8个数据位，1个奇偶校验位和1个停止位)，最低有效位(LSB)被第一个发送，最高有效位(MSB)被最后发送。在PROFIBUS通讯协议中，将第2层称之为FDL层(FieldbusDataLink现场总线数据链路层)，它包括了总线存取控制、数据安全可靠性、传输协议和报文的处理。在这一层中介质存取控制(MAC，MediumAccessContr01)控制数据的18 第二章基于PROFIBUS现场总线的生产线传送系统传输，MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据‘“¨2朝。PROFIBUS总线存取协议包括主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从方式，如图2-9所示。／7一一⋯⋯⋯甄}阿酌递疆苓牌环⋯·⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～～、、从图2—9PROFIBUS总线存取通信不意图Fig．2—9PROFIBUSaccesscommunicationdiagram令牌传递程序保证了每个主站在一个确切规定的时间内(TokenHoldTime)得到总线存取权(令牌)阻引。在PROFIBUS中，按照主站的地址构成逻辑环，在这个环中，令牌在规定时间内按照地址的升序在各个主站中依次传递。一旦一个主站获得令牌，这个主站在TokenHoldTime内就成为全网唯一的主站。在这段时间内，它按主从方式控制与管理全网，主从方式允许主站在得到总线存取令牌时可与从站通信，每个主站均可向从站发送或读取信息，而从站只是响应一个主站的请求，它们对总线没有控制权。通过这种方法可以实现下列系统配置：主一从系统；主一主系统(带令牌传递)；混合系统。图2-9中的3个主站构成令牌逻辑环，当某主站得到令牌电文后，该主站可在一定的时间内执行主站的工作，在这段时间内，它可依照主一从关系表与所有从站通信，也可依照主一主关系表与所有主站通信。在梯形图编程时，PROFIBUS-DP通信实际是对V变量区数据进行读写。硬件组态EM277时，设置V存储器㈨心81偏移量为0，对于$7-200(1)的EM277模块，选用8BytesOut／8BytesIn的输入输出区，则输入数据(由主站S7—300输入)放置在V存储器中的VBO，输出数据(输出至主站)取自V存储器的VB8。下表2—7是S7—200的V存储器对应$7-300的I／Q区域字节地址。19 广东工业大学硕士学位论文表2-7V存储器对应地址表Table2—。7AddresSofVstorageS7．200字节地址数据发送方向S7．300字节地址S7—200(1)VBO～VB7IB58～IB66S7—200(2)VB0～VB7IB86～IB94$7-300PLC与各个工位工控机的PROFIBUS—DP通信，是通过桥接模块PQ20实现的。在配置硬件组态时的I／0字节地址实际也就是桥接模块对应S7—300的接收／发送数据区。以堆垛机工位为例，PROFIBUS-DP输出数据区与桥接模块PQ20发送报文格式啪3如表2—8所示：表2-8输出数据区中桥接模块PQ20报文格式Table2——8MessageformatofPQ20intheoutputareaPROFIBUS．DP输出地址长度报文格式描述QB661字节通信控制字QB671字节发送报文长度N(只包括报文数据长度，不包括第1、2字节)QB68一QB758字节发送数据区共计10字节桥接模块报文长度N=10．2=8BytesPROFIBUS—DP输入数据区与桥接模块PQ20接收报文格式乜们如表2-9所示：表2-9输入数据区中桥接模块PQ20报文格式Table2—。9MessageformatofP020intheinputareaPROFIBUS．DP输入地址长度报文格式描述IB661字节通信状态字IB671字节接收报文长度M(只包括报文数据长度，不包括第1、2字节)IB68．IB758字节接收数据区共计10字节桥接模块报文长度M=10-2=8Bytes表2-8、2-9表明，读取堆垛机工位工控机发送的数据，对应读取S7—300的IB66-75字节的数据，相反要发送数据至堆垛机工位，则把数据写入QB66—75字节，实现通信。按照主站S7—300实现的不同功能将软件程序分成相应的初始化模块、总控发20 第二章基于PRWIBUS现场总线的生产线传送系统送模块、总控接收模块、状态查询与转发模块、传送带控制模块5个模块，各模块的设计如下：1．初始化模块指定各个工位工控机的PROFIBUS桥接模块PQ20的接收发送数据区的字节长度，如表2-10所示：表2-10发送数据区的字节长度表Table2-。10Lengthofsendingdataareainbytes总控工位堆垛机条码工位颜色工位称重工位形状工位尺寸工位56字节8字节初始化模块实现功能还包括查询工位启动状态，发送工位状态查询指令，查询各工位的忙闲运行状态并等待返回状态。2．总控发送模块总控工位控制生产线上各工位联机、脱机等操作。总控工控机将命令发送至主站$7-300的输入数据区IW2-IW8中，$7-300通过比较指令CMP判断命令的类型，再通过MOVE指令将IW2-IW8中的内容分别发送至与各工位对应的输出数据Q区中，同时发送相应工位桥接模块启动标志位，将操作命令发送至对应工控机口们。各工位接收总控命令所对应的$7-300Q区地址如表2—11所示：表2—11各工位接收命令的Q区地址表Table2—11QPartitionAddressofeachstationreceivecommand$7-200(1)堆垛机条码筋电称重形状R寸工位0W58QW68QW78OW85QW96QWl06QWll6—-OW64—。QW74——OW84-OW92——QWl02一QWll2一QWl22此程序模块另一功能为将条码工位检测到的物料条形码数据与电子标签数据转发至颜色触摸屏工位，并由触摸屏显示。3．总控接收模块总控工位接收各操作工位数据，S7—300中输出数据Q区与输入数据I区对应地址如表2-12所示：21 广东工业大学硕士学位论文表2-12总控Q区与各工位I区对应地址表Table2—12AddressofIPartitionandQPartitionineachstationS7_200(1)堆垛机条码颜色称重形状R寸工位IW58一1w154IW68-IW74IW78一1w841w86_1w92IW96-IWl02IWl06-IWl12IWl16-IWl22X拉对应列‘应对应刘‘应OW2弋阑硎10—QWl6Qwl8-QW24Qw25-QW32Ql||『3州i7l『40娜42删48QW50-QW56通过PROFIBUS总线的连接，总控工位接收来自各个工位的状态及物料数据，程序实现通过MOVE指令将各工位对应的$7-300输入数据I区中的数据，转发至总控工位对应的$7-300输出数据Q区中bll，由总控工位监控程序接收处理并显示各工位数据。4．状态查询与转发模块查询各拐角忙闲运行状态，由于$7-200(1)控制皮带传送带l、4、6，拐角1、2、3及圆拐角滚轮传送带，状态查询程序模块涉及$7-300与$7-200的PROFIBUS—DP通讯。根据各拐角光电传感器获取的拐角运行状态，经S7-200(1)程序判断后，通过总线传送至$7-300，由S7-300程序转发至对应拐角前一个工位。如果拐角状态忙，则对应工位不将物料送往此拐角，如果拐角状态空闲，则物料正常运送。操作工位的忙闲状态检测也是先通过总线传送给$7-300，再由S7-300转发给相应的拐角或工位。由于本系统操作工位较多，为了准确实现$7-300，$7-200(1)，及各个工位之间信息交换，定义忙闲状态字，如表2-13所示：表2-13忙闲状态字Table2—。13Statuswordofbusyoridle工位忙状态字闲状态字S7—300对应I区S7—200对应的V区拐角AlA1A3IW58VB8-VB9拐角A2B1B3IW60VBlO-VBl1拐角A3C1C3IW62VBl2-VBl3颜色工位B3F3QW58VBO-VBl称重工位B4F4QW60VB2-VB3形状工位B5F5QW62VB3-VB5 第二章基于PROFIBUS现场总线的生产线传送系统$7-300状态转发程序模块实现过程如下：(1)通过比较CMP指令分别判断IW58、IW60、IW62输入数据区忙闲状态字，将拐角1、2、3忙闲状态字通过MOVE指令分别转发至堆垛机上料工位、颜色工位、称重工位对应的QWIO-QWl6、QW25一QW32、QW33一QW40中。(2)通过比较CMP指令分别判断IW86一IW92、IW96一IWl02、IWl06一IWll2输入数据区忙闲状态字，判断颜色工位、称重工位、形状工位的忙闲运行状态，通过MOVE指令转发至拐角1、2、3的Qw58、QW60、Qw62中。(3)通过比较CMP指令分别判断IW68-IW74、IWl16一IWl22输入数据区忙闲状态字，将堆垛机上下料、尺寸工位忙闲状态，通过MOVE指令转发至尺寸、形状工位的QWSO-QW56、QW42-QW48中。5．传送带控制模块由于皮带传送带2、3、5、7、8的电机由$7-300程序控制，而皮带传送带1、4、6及圆滚轮传送带的电机由S7-300发送控制字到$7-200(1)，由其实现控制，所以$7-300的传送带控制程序有以下两类：(1)皮带传送带2、3、5、7、8控制皮带传送带2、3、5、7、8转动标志字如表2—14所示：表2-14皮带传送带2、3、5、7、8转动标志字Table2—14LogowordsofStrap2、3，5，7，8S7—300接收区转动标志字$7-200对应的V区电机起停触点皮带传送带2IW58A2VB8-VB9停止点Q4．O起动点Q4．1皮带传送带3IW78——IW84％90251无停止点Q4．3起动点Q4．2皮带传送带5IW60B2VBlO-VBl1停止点Q4．4起动点Q4．5皮带传送带7IW62C2VBl2-VBl3停止点Q4．6起动点Q4．7皮带传送带8IWl06—-IWl12％90551无停止点Q5．1起动点Q5．0 广东工业大学硕士学位论文S7—300的输出I／0端口连接对应步进电机驱动器的端口，S7—300输出I／O端口高低电平控制步进电机停止、起动。通过CMP指令判断条形码工位、形状工位IW78-IW84、IWl06一IWl12中的状态字，如果接收到对应工位操作完成状态字则起动皮带传送带3、8，维持转动10秒后停止。而皮带传送带2、5、7要配合拐角1、2、3的滚轮一起动作，在拐角1、2、3滚轮传送带送出物料后，皮带传送带2、5、7才转动。(2)皮带传送带1、4、6及圆滚轮传送带控制皮带传送带1、4、6及圆滚轮传送带控制的转动标志字如表2-15所示：表2—15皮带传送带1、4、6及圆滚轮转动标志字Table2—15LogowordsofStrap1、4、6$7-300接收区I区接收到的电机起动$7-200又寸应电栅起停触点操作完成状态字标志字的V变量区皮带传送带1IW68一IW74％90151QⅥ暇3=S1VBo-VBl停止点Q3．1起动点Q3．2皮带传送带41w86-1w92％90351QW60=S4Ⅵ讫-、l，B3停止点Q3．3起动点Q3．4皮带传送带6IW96．IWl02枞51Qw62_S6孵坯6停I匕点Q3．5起动点Q3．6圆滚乾供送带IWl16-IWl22蝴5l刚B螂yⅥ36_、『B7停止点Q1．1Q1．3起动点Q1．2Q1．4S7—300接收到来自堆垛机上料、颜色、形状工位I区的完成状态字，通过比较CMP指令进行判断，如果检测到操作完成状态字则转发电机起动标识字到对应的Q区，通过PROFIBUS连接实际是往对应传送带控制$7-200的相应V变量区写入电机起动标识字，$7-200获取标识字后，起动相应传送带。24 第二章基于PROFIBUS现场总线的生产线传送系统2．3．3．2从站S7--200(1)程序设计按照从站S7-200(1)所实现的功能将程序划分为状态获取、拐角转动控制、皮带传送带1、4、6和圆滚轮传送带控制模块，状态获取与皮带传送带l、4、6和圆滚轮传送带控制模块已在$7-300程序设计中实现，以下主要描述拐角转动控制程序设计。每个拐角转动控制由三个步进电机实现，它们分别完成项升(下降)、旋转、下降、滚轮传送等工作，电机的转动范围由限位开关控制，分别安装有项升原点、顶升极限、旋转原点、旋转极限限位开关，电机转动过程中，各限位开关有0N与OFF两种检测状态，可根据各限位开关的不同状态判断拐角的转动情况。另外拐角入口处安装有一个光电传感器，感应物料是否进入拐角滚轮上。拐角转动动作与相应限位开关的对应关系如表2—16所示：表2-16拐角转动动作与相应限位开关的对应关系表Table2—16RelationbetweenSensorandTuner光电顶升原点项升极限旋转原点旋转极限传感器限位开关载物顶升ONOFFONOFF载物旋转ONOFFONOFF载物下降ONOFFONOFFON空载顶升OFFONOFFON空载旋转OFFONOFFON空载下降OFFONOFF$7-200(1)程序设计中，通过判断这些传感器的0N与OFF情况，获知拐角的不同状态，从而实现拐角的顶升、旋转、下降、滚轮传送等动作。下面以拐角3的转动过程为例，说明每个拐角的控制程序设计思路，拐角3的控制程序流程图，如图2-9所示： 广东工业大学硕士学位论文Y称重工位完成操作拐角3空闲皮带传送带6转动送出物料到拐角3光电传感器检测到物料拐角3载物项升_N图2-9拐角3的转动控制程序流程图Fig．2·9Thecontrolprogramflowchartofturningcorner3如果顶升原点限位开关、旋转原点限位开关均为ON时，$7-200(1)判断拐角为空闲状态，并将拐角状态字转发主站$7-300，$7-300再通过PROFIBUS现场总线发送空闲状态字∞引，使前一工位的物料放行。物料经过皮带传送带传送到拐角上方，光电传感器感应到物料后。拐角则通过载物顶升、载物旋转、载物下降，然后S7—200(1)再次查询下一工位的忙闲状态，如果忙则不放行物料，等待下一工位操作完成进入空闲状态，如果空闲则立刻起动滚轮传送带放行物料。然后本拐角再经过空载上项、空载旋转、空载下降回到原来方向，完成一次的物料传送，并以90度改变物料传送方向，拐角状态恢复空闲，等待下一个物料的传送。2．4本章小结根据生产线设计要求，对传送系统进行硬件组态，设置PLC的I／O端口连接，完成西门子$7-300与$7-200系列PLC的PROFIBUS-DP通信程序设计，完成传送带协调控制程序设计，采用PROFIBUS现场总线技术实现生产线传送带协调控制。 第三章物科参数自动采集第三章物料参数自动采集31生产线操作工位监控系统结构上文阐述生产线传送系统的硬件构成及程序设计，实现传送带协调运输物料，本章将详细阐述各操作工位监控系统，实现物料数据采集，各操作工位完成数据采集设备的控制，生产线操作工位监控系统网络结构如图31所示：管理层屏科嚣””一””““桥接模块控制层固■一■寓熙毋◇”8◇书◇恃i羞带颜色触攒屏广j3jf—J]潞屏蜒．由瞻函夺套》南⋯’一祭形码电子称重形状jI盘删尺j检测堆垛机图3—1生产线操作工位监控系统网络结构图Pig3-1Thenetworkarchitectureofproductionlinemonitoringsystem系统监控网络分为三层，管理层为总控工位，控制层为PROFIBUS—DP主站s7—300，从站s7—200及通过桥接模块PQ20连接的工控机，工控机连接的现场设备为设备层。桥接模块P020完成协议转换，将工控机串口RS232一c协议转换为PROFIBUS—DPRS485协议。以上各层的具体功能如下： 广东工业大学硕士学位论文(1)管理层：总控工控机通过桥接模块PQ20连接PROFIBUS现场总线，接收来自各操作工位数据，接收完成后通过总控监控软件程序，显示各个工位的工作状态，产品物料的各种参数信息，并将产品物料参数保存至MSSQL数据库中。管理层的总控工位实现生产线上各个工位状态监控，及采集物料数据信息的功能。(2)控制层：主站$7-300完成拐角1、2、3后方的皮带传送带2、5、7，条形码与触摸屏工位之间的皮带传送带3，及形状与尺寸工位之间的皮带传送带8的运动控制，接收各操作工位桥接模块PQ20发送的工位运行状态信息(包括工位忙与空闲，操作进行中状态)及操作工位所采集的物料参数信息(包括物料条形码数据等)，再转发至总控工控机的桥接模块PQ20，待总控进行处理。从站$7-200(1)PLC，负责拐角l、2、3前方的皮带传送带1、4、6，拐角滚轮、顶升(下降)、旋转电机及圆拐角处滚轮电机的运动控制。从站颜色触摸屏工位的S7—200(2)PLC，完成本工位滚轮传送带的运动控制，及WeInView触摸屏MT506Sb31控制，触摸屏实现产品物料颜色与条形码数据显示。各操作工位完成产品物料参数采集，包括条形码电子标签工位、自动称重工位、形状检测工位、尺寸检测工位及堆垛机上下料工位。工控机监控程序完成本工位硬件设备控制，及通过桥接模块PQ20发送本工位的运行状态信息(包括工位忙与空闲，操作进行中状态)及工位所采集得物料参数信息(包括物料条形码电子标签数据等)，实现物料参数自动采集。PQ20完成协议转换，把RS232转换成RS485，将本工位信息传送至主站$7-300。(3)设备层：包括传送带上的步进电机驱动器，光电传感器，限位开关，颜色传感器，电子称，条形码读取器，电子标签读取器，模拟摄像机等设备，通过各种设备获取生产线的运行状态及物料参数信息。生产线各操作工位，实现对物料相应参数采集、滚轮传送带、电磁挡板控制、人机控制界面及操作工位运行状态数据收发等。其中条形码电子标签工位、自动称重工位较有代表性，下面作详细阐述。 第三章物料参数自动采集3．2条形码电子标签自动采集条形码电子标签工位，是物料从原料仓库经过堆垛机上料机器手运送后，进入生产线传送带经过的第一个工位，本工位完成物料条形码、电子标签采集。条形码电子标签工位由光电传感器、条形码传感器、电子标签传感器、滚轮传动装置、I／O控制卡、多串口扩展卡、控制按钮与工控机组成。条形码电子标签工位结构图如图3-2所示：图3-2条形码电子标签工位结构图Fig．3-2Structurediagramofbarcodeandelectrontagsoperationstation条形码传感器采用美国Intermec公司的E1022条形码模块，采用RS-232接口与工控机连接，读取条形码最远距离可达50CM，自动扫描条码速度最高可达每秒36次，读取角度约120度。电子标签传感器采用普诺玛公司的工业用RFID读写器PRR8152-C，读写高频(13．56MHz)电子标签，通过RS-232串口与工控机连接，具有运动中识别、多目标识别、一次最多可读写十个数据块等功能。工控机的选择：综合考虑系统要求的快速性、稳定性、以及性价比等因素，系统采用研华IPC-610型工控机。标准配置为CPU：P42．OG，内存256M，硬盘40G。另外由于大部分读取物料数据的设备均采用RS-232串口与工控机通信，故工控机的串口数不够，需要扩展多串口卡。采用MOXA公司的CP-104U型多串口卡，采用PCI总线，最多扩展4个RS-232串口，能满足工控机连接设备的需要。当工位前端的光电传感器检测到传动带上有物料进入此工位时，起动本工位电机，滚轮传送带开始运行，物料在传送带运输下匀速通过条形码传感器及电子标签传感器，在物料通行时间内完成读取工作，数据采集后，通过工控机监控软件显示条形码及电子标签参数。本工位运行状态信息及物料参数信息通过桥接模 广东工业大学硕士学位论文块PQ20经PROFIBUS-DP现场总线发送至主站S7—300PLC，再由$7-300PLC转发至总控工位处理。条形码电子标签工位的程序流程图如图3—3所示：图3-3条形码电子标签工位的程序流程图Fig．3-3Theprogramflowchartofbarcodeandelectrontagsoperationstation物料的条形码与电子标签是唯一的，用于区分不同物料，数据采集完毕后，将通过PROFIBUS—DP现场总线，发送至$7-300主站，再通过$7-300程序里面的总控接收模块转发到总控工位，总控工位收到数据后，会在总控MSSQL数据库中根据物料的条形码与电子标签建立一条新的记录口4¨3引。物料在生产线其它操作工位获取的数据，如颜色、重量等，总控工位将根据对应物料的条形码或电子标签，查找对应的物料记录，然后将新数据添加至对应字段中，实现物料参数保存。本工位前端有一个光电传感器，用于检查物料是否经过传送带输送带本工位，如果光电传感器检测到物料后，程序启动条形码传感器读取物料条形码数据，启动电子标签传感器读取物料电子标签，读取成功后正常放行物料，如果读取失败，则发出报警声示意，但仍放行物料。 第三章物料参数自动采集3．3物料重量参数自动采集自动称重工位一方面检测物料实际重量，另一方面报告重量不合格的物料。自动称重工位由光电传感器、条形码传感器、电子天平、滚轮传动装置、I／O控制卡、多串口扩展卡、控制按钮、运动控制卡、步进电机、机械手与工控机组成。自动称重工位结构图如图3-4所示：图3-4自动称重工位结构图Fig．3-4Structurediagramofweighingoperationstation数字电子天平采用成都普瑞逊公司的HT-3000，量程为O．19一30009，RS一232接口，提供13种称重单位选择，六位LCD显示、三种背光方式。电子天平主要由重量传感器将重量转换为电压或电流的模拟信号，经放大及滤波处理后由A／D处理器转换为数字信号，数字信号由MCU运算处理，通过RS232串口与其它外部设备通信。运动控制卡采用雷赛自动化有限公司的DMCl000控制卡。DMCl000是基于PCI总线的高性能运动控制卡，可控制多达4个步进电机。具有即插即用、最高400KHZ脉冲频率、S曲线减震功能、随时变速，28个i／o口(16进l2出)且全部I／O口光电隔离等高级功能。位置指令可用单路脉冲(脉冲+方向)或双路脉冲方式输出，可以是差分式，也可以是单端式。当工位前端的光电传感器1检测到传动带上有物料进入此工位时，起动本工位电机，滚轮传送带开始运行，物料在传送带运输下匀速通过条形码传感器并采集条形码数据，物料到达电磁挡板前，光电传感器2检测到物料后，工控机启动机械手抓取物料，然后放置在电子天平上进行称重，获得物料重量后，机械手抓 广东工业大学硕士学位论文取物料传送至传送带上，电磁挡板下降，放行物料。自动称重工位的程序流程图如图3—5所示：@⋯启0◆称重l土上机械手抓取物料回传送带点击“开始”按钮r’1I机械手到达取物料位置I／。＼、◆N机械手复位—0I启动滚轮传送带l挡板下降放行物料上1L读取条形码向总控发送数据‘当、上延时4s滚轮停止运转山公保存设置上机械手抓取物结束料到电子天平I图3-5自动称重工位的程序流程图Fig．3-5Theprogramflowchartofweighingoperationstation32 第三章物料参数自动采集光电传感器检查到物料进入本工位后，程序启动条形码传感器读取物料条形码数据，这里读取的条形码用于区分不同物料，因为在数据库中，不同条形码代表不同物料。如果读取成功，当物料经过本工位滚轮传送带输送到达电磁挡板前，另外一个光电传感器检测到物料到达机器手下方，程序启动机器手，抓取物料到电子秤上面，进行重量测量，读取重量成功后，机器手再次把物料放回到滚轮传送带上，如果下一工位空闲，则电磁挡板下降，放行物料到下一工位，如果下一工位忙，不放行物料，等待下一工位空闲。如果物料进入本工位时条形码读取不成功，则物料会直接经滚轮传送带输送通过本工位，不进行重量的测量。机械手抓取物料称重的过程所走的路径及其距离是固定的，经过调试，确定称重流程分12步实现，机械手的运动路径如图3-6所示：图3-6机械手的运动路径Fig．3-6Machinehand’Smovementpath图3—6中，各个位置对用机械手相应的操作：Stepl：X轴前进200毫米，位于传送带上方，三轴坐标为(200，1，1)；Step2：Z轴下降至85毫米处，机械手下降至与物料水平位置准备抓取，三轴坐标为(200，1，85)：Step3：Y轴向右移到126毫米，机械手抓取物料，三轴坐标为(200，126，85)；Step4：Z轴上升到O毫米处，升起物料离开传送带，三轴坐标为(200，126，0)；Step5：X 广东工业大学硕士学位论文轴后退至17毫米处，位于电子天平上方，三轴坐标为(17，126，0)；Step6：Y轴向左移至120毫米处，准备称重，三轴坐标为(17，120，0)；Step7：Z轴下降至12毫米处，物料放置在电子天平上，进行称重，三轴坐标为(17，120，12)；Step8：Z轴上升至0毫米处，称重完成升起物料离开电子天平，三轴坐标为(17，120，0)；Step9：X轴前进至200毫米处，机械手回到传送带上方，三轴坐标为(200，120，0)；SteplO：Z轴下降至84毫米处，将物料放置在传送带上，三轴坐标为(200，120，84)；Stepll：Y轴向左移至5毫米处，机械手离开物料，三轴坐标为(200，5，84)；Stepl2：Z轴上升至3毫米处，机械手上升离开传送带，准备放行物料，三轴坐标为(200，5，3)。抓取物料机械手中X轴和Y轴步进电机采用的驱动器型号为工MS200—220AL，细分数为4，即步进电机的步距角是0．45。。这样步进电机转一圈需要800个脉冲。PS466-OIA型步进电机每转一圈螺杆前进5mm，因此细分后步进电机每前进lmm需要160个脉冲。而Z轴步进电机采用的驱动器型号为M8030，细分数为8，即步进电机的步距角是0．225。。此步进电机转一圈需要1600个脉冲。已知Z轴步进电机每转一圈螺杆前进3．175mm，因此细分后步进电机每前进lmm需要约504个脉冲。经过编程调试，电机参数如表3-1所示。表3—1电机参数表Table3—1MotorparametertableX轴Y轴Z轴起始速度(脉冲／秒)600运行速度(脉冲／秒)400015000通过电机参数设置界面输入以上参数，步进电机的启动速度不能过快，否则会出现堵转失步等故障，设置为运行速度的20％较为合理。3．4本章小结生产线各操作工位完成物料各种参数自动采集，本章阐述生产线监控系统的主要组成部分，重点阐述条形码电子标签工位与自动称重工位的硬件构成与软件程序设计。 第四章基于机器视觉的存取物料定位系统4．1机器视党定位系统整体设计堆垛机工位由物料仓库存取系统和机器视觉定位系统两部分组成。物料仓库存取系统主要对物料进行存取操作，由原料仓、成品仓(每个仓有12列、6排共72个物料货位)、堆垛机机械手、上下料机械手、出入库平台、光电传感器、条形码传感器及工控机组成。物料仓库存取系统结构图如图4—1所示：传送带电磁挡板。厂]条形码传感器[、'[]囫物科叮“—÷．dh▲1r。^—扣d1Z钿刀I哪‘上下料机械手／／圳方向堆垛机机械手原料仓出库平台口瑚电机Y轴方向JIZ轴方向夕／／幽方向n厂]z轴电机lY轴电机渤电机口Ux轴电机。Ⅵ秽入库平台I成品仓fI图4—1物料仓库存取系统结构图Fig．4-1Structurediagramofstoreaccesssystem堆垛机、上下料机械手由三个步进电机及机械部件组成，实现X、Y、Z三轴运动，负责物料的抓取与运输；出入库平台实现物料在堆垛机和上下料机械手之间的传送；仓库分为原料仓与成品仓，原料仓库存放没有经过生产线采集条形码、颜色、形状等数据的待检测物料，没有规律，任意摆放，而成品仓则是摆放完成数据采集的物料，按照物料的颜色与形状，有顺序规律的放置。35 广东工业大学硕士学位论文将待采集数据的物料从原料仓移至传送带的工序流程称为出库。堆垛机机械手按顺序将原料仓内的物料运送至出库平台，再经上下料机械手抓取至传送带上，完成出库流程。将数据采集完成的物料存入成品仓的工序流程称为入库。物料进入堆垛机工位传送带，光电传感器1确认物料进入后，启动条形码传感器检测物料条形码，然后通过PROFIBUS总线，查询总控工位的MSSQL数据库此条形码对应的物料的数据是否采集完整，若完整则电磁挡板升起挡住物料，物料将被上下料机械手抓取，放置入库平台上，再经堆垛机机械手存入成品仓对应物料货位，完整入库流程。本堆垛机工位存在的主要问题为，没有完成视觉定位系统前，堆垛机机械手按照设定路径，运行至对应的物料货位并存取物料，如果途中步进电机失步或物料放置位置不正确，均会造成存取物料失败，严重的甚至会撞坏机器手，故需要改善机械手运动控制效果。随着计算机软、硬件技术和机器视觉传感技术的发展，机器视觉检测研究和应用已成为制造业发展的重要课题。机器视觉是用机器代替人眼来实现人的视觉功能，从而进行测量及判断，用计算机来实现对客观三维世界的识别。本文将先进的机器视觉运用在传统的堆垛机机器手运动控制中，实现存取物料机械手的位置闭环控制。堆垛机工位存取物料机器视觉定位系统控制框图如图4—2所示：给定物图4-2机器视觉定位系统控制框图Fig．4-2Controlblockdiagramofmachinevisionpositioningsystem机器视觉定位系统主要由工业CCD摄像机、图像采集卡及机器视觉定位算法程序等部分组成，通过安装在堆垛机机械手前端的工业CCD摄像机所拍摄的图像，通过定位算法，获取机械手运动的位置误差，在给定控制量输入端修正位置信号，从而实现堆垛机机械手的位置闭环控制。 第四章基于机器视觉的存取物料定位系统4．2机器视觉定位系统硬件构成硬件的选择是视觉定位系统设计的第一步，需要综合分析比较堆垛机控制系统的要求、定位精度、操作流程、比较主要硬件各型号产品的性能价格、安装耐用等因素，设计出性价比较高的硬件构成方案。本机器视觉定位系统由镜头、工业CCD摄像机、图像采集卡、运动控制卡、执行电机及工控机组成。机器视觉定位系统结构图如图4-3所示：图4-3机器视觉定位系统结构图Fig4-3Structurediagramofmachinevisionpositioningsystem工业摄像机采用台湾敏通公司MTC一32K9彩色摄像机，i／2英寸CCD，总像素：795(水平)×596(垂直)(PAL制式)／81i(水平)×508(垂直)(NTSC制式)，电子快门：1／50～i／i20，000秒连续(PAL制式)／1160～i／120，000秒连续(NTSC制式)，自动光圈：视频驱动／电子快门／直流驱动，复合式影像信号输出。“。图像采集卡采用北京大恒公司的DHCG300，基于PCI总线，支持三路复合视频输入，一路s—Video输入，标准PAL、NTSC制彩色／黑白视频信号输入，图像采集最大分辨率：768×576×24bit(PAL)，640X480×24bit(NTSC)，灵活采集图像：可按单场、单帧、连续场、连续帧、间隔几场或几帧等多种方式，支持色度空间变换(ColorSpaceConversion)：YUV4：2：2，RGB32，RGB24，RGBi5，RGBl6和Y8Bit等多种图像显示和存储格式”“。堆垛机机器手的运动控制，通过运动控制器对步进电机运动控制实现。BMC4000一C是一款基于步进和伺服电机的通用运动控制器，最多可实现4轴(x、Y、z、U)运动控制。可以设置成主机或从机操作模式。当设置为主机模式时，运 广东工业大学硕士学位论文动控制器可以将G代码存储于EEPROM中并执行程序，适用于脱离上位机的实时监控系统。在从机模式下，运动控制器执行主机通过RS232或者I／o接口发送来的命令，本系统采用从机模式，运动控制器通过RS232串口与PC工控机通信口引。4．3机器视觉定位系统程序设计4．3．1系统功能描述上文阐述视觉定位系统中的几个重要的硬件组成部分，下文将阐述系统的程序设计。视觉定位系统程序设计分为三个模块，1、采集图像，模板匹配，获得像素误差；2、把像素误差转换为位置误差；3、运动控制模块。通过工业CCD摄像机采集到的图像，经过滤波等图像预处理后，应用模板匹配算法，获得实际物料的中心像素坐标，与正确放置的物料中心像素坐标比较，得出像素误差，然后根据摄像机标定技术，转换像素误差为实际物理位置误差，最后利用位置误差修正堆垛机机械手的运动路径，成功抓取物料，实现视觉定位。机器视觉定位系统总体程序流程图，如图4-4所示：G统初始司获得模板中查询物料放驱动堆垛机L心坐标，转机器手，消换为偏差置的仓位除偏差．≤慕．否1r’r1孓驱动堆垛机堆垛机机器机器手，消手运动到对手放置成品除偏差应仓位仓物料堆垛机机器1r’手运动到对堆垛机机器摄像机拍摄堆垛机机器应仓位手叉取原料手回到原点仓物料一帧图像位置1P1P摄像机拍摄上卜料机器．兰．≤≥一帧图像—≮：乡r手放置物料图像预处理到传送带上|图像预处理．否亲添仓位边框1、K模板匹配r结束]＼／物料底座上卜科机器手从传送带歌得模极中模板匹配心坐标，转上叉取物料换为偏差图4—4机器视觉定位系统程序流程图Fig．4-4Machinevisionpositioningsystemprogramflowchart38 第四章基于机器视觉的存取物料定位系统本视觉定位系统软件实现的主要功能包括：(1)实现图像的连续采集、图像卡设置以及图像亮度、对比度、饱和度、色度等调节。(2)利用加拿大Matrox公司的图像软件开发包MIL提供的图像匹配技术，实现模板学习参数设置、模板搜索等功能，完成像素误差的获取。(3)根据模板匹配的位置信息反馈，转换为位置误差差，作为输入控制量给四轴运动控制卡，驱动堆垛机机器手，实现视觉定位正确存取物料。4．3．2像素误差获取将图像连续采集到计算机内存并实时显示到屏幕中是视觉定位系统的基础，以便为图像匹配提供原始数据。系统采用大恒DH-CG300图像卡，图像采集程序设计利用采集卡提供的丰富的接口函数API实现，利用这些底层函数完成图像卡的控制、采集图像到内存控制、数据传递等功能。以下两点是连续采集图像到内存的实现过程。1)初始化大恒图像卡，编写InitCGCard0初始化函数实现，设置视频格式为RGB888，设置扫描模式为隔行扫描，指定输入视频类型为COMPOSITE—VIDEO复合视频和采集通道序号为O，设置视频制式为PAL，设置输入视频窗口大小为768X576彩色RGB输出。2)调用开始采集图像CGStartSnap函数采集若干帧／场图像数据到内存中。如果图像处理时间，PAL制图像小于1／25秒，NTSC制图像小于1／30秒，就可以实现图像的实时处理，故利用Timerl—Timer()函数，实现每秒25帧，把采集卡采集到的图像数据进行格式处理及缓冲区拷贝。图像采集到内存后，最基本要完成的操作是锁定指定位置的静态内存，偏移量由图像大小和图像序号确定，然后将静态内存中的图像传递到用户缓冲区，同时进行格式转换，调用CGDataTransform函数，如果静态内存中的图像为15、16或32位，则转换为24位，接着就可以调用windows系统函数将图像显示到视图客户区。最后，当需要停止采集图像或程序退出时，需要调用停止和关闭采集功能的底层函数。Matrox公司的MIL软件包是一种硬件独立、有标准组件的32位图像库。它有一整套指令，针对图像的处理和特殊操作，包括：滤波、形态学处理、边缘特征、尺寸测量、模板匹配、光学符号识别OCR、字符串读取、斑痕分析、图像校准、口径测定、条形码与矩阵码读取等等。它也支持基本图形设备。MIL能够处理二值，灰度或彩色图像。39 广东工业大学硕士学位论文本视觉定位系统使用其中的模板匹配模块。在模板匹配模块中又包含了定义模板、保存模板、恢复模板、搜索策略和模板匹配等函数，利用这些函数实现快速、精度的模板精确定位。模板选取物料的白色底座，优点为形状简单容易匹配，容易预处理消除噪点，随摄像头观测的角度形状变化较小。模板匹配通过编写Pattern()函数实现，首先调用MpatFree0函数，清空一个模板匹配模块或一个模板匹配结果的缓冲区，调用MpatRestore()函数从硬盘恢复已保存的模板匹配模块measure．mod文件，调用SetPatternPara()函数设置模板匹配的参数，包括搜索速度，位置精度，接受度，可信度，及搜索区域范围，MpatPreprocModel()函数预处理一个准备匹配的模块，然后Grablmage()抓取一幅图像，并作平滑处理，MpatFindModel(MilImageProc，MilModel，MilResult)函数进行模板匹配，匹配结果在结构体变量Mi1Result中，最后调用MpatGetResult()函数，把模板匹配相似度保存在dScore变量中，模板中央x、Y像素坐标保存在u与v变量中，实现模板匹配过程。正确放置的物料中心像素坐标为(U，V)误差du=U—u，dv=V—v，若相减得到的位置误差du、dv为负数，则说明物料在正确位置的左边，若相减为正数，则说明物料放置离正确位置偏右。4．3．3位置误差转换图像上每一点的位置与空间物体表面相应点的几何位置相关，这些位置的相互关系是由摄像机成像的几何模型决定的，决定这一几何模型参数的过程就是摄像机标定。摄像机模型是光学成像几何关系的简化，最简单的模型为线性模型或称针孔模型。当计算精度要求较高时，尤其是使用了广角镜头摄像机时，这是就要使用摄像机的非线性模型。还有用于研究立体视觉的双目立体视觉模型、手眼系统模型等。本系统由于定位精度、实际摄像机安装方式等，主要研究线性模型。简单说摄像机标定就是确定物体的三维坐标与二维像素点之间的对应关系，举例说：摄像机离物体20厘米，而物体偏离摄像机中心5厘米，那摄像机成像的二维图像中对应物体偏离中心多少像素呢?寻找这个答案，实际是摄像机标定的基本任务。4。3．3．1线性模型摄像机标定摄像机成像的每张数字图像由M×N个点阵组成，M行N列的图像中的每个元素称为像素，每个像素点用数字量的大小表示就形成了图像的灰度或亮度。线性40 第四章基于机器视觉的存取物料定位系统模型∞钔通过透视投影将三维空间的景物映射N-。维像素矩阵中的灰度值。线性模型如图4-5所示：Xe图4-5线性模型Fig．4—5Linearmodel空间任意一点P在图像上投影成像点为P，它是光心0。与P点连线的0。P与图像平面的交点，如图4-5所示摄像机坐标系和世界坐标系之间的关系。0。-X。Y。Z。为摄像机坐标系，其原点O。即为摄像机的光心，Z。轴与光轴重合。O广X．Y．Z．为世界坐标系，o-xy为图像物理坐标系(单位为毫米mm)，坐标原点在0为光轴与图像物理平面的交点，其x，Y轴分别平行于摄像机坐标系的X。轴与Y。轴。0-uv为图像像素坐标系(单位为像素)，图像物理坐标系与像素坐标系均在图像平面，只是由于摄像机制作工艺造成图像实际中心与摄像机的光心不重合，造成坐标原点不同。P点在世界坐标系的三维坐标为(X．，Y，，Z，)，在摄像机坐标系的三维坐标是(X。，Y。，Z。)，(x，Y)是P点投影成像点P的图像物理坐标，单位是毫米(mm)，(u，v)是P点投影成像点P的图像像素坐标，单位是像素(pixel)。焦距f为图像平面到光心的距离。P在图像上的成像点P，在摄像机坐标系与图像坐标系之间的转换关系式如下：‘x：fxcy：f娑用矩阵形式表示为：Zc。乙⋯。。一一～一一料E0f0O1(4．1)由于图像点的像素坐标(u，v)表示的是像素位于数字图像数组中的行数和列数，并没有用物理距离单位表示该像素在图像中的位置，因此要建立以物理单位(毫米)的图像物理坐标系0-xy与0-uv图像像素坐标系的关系，如图4-6所示：41‰托乃●—．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．L们√副 广东工业大学硕士学位论文0Ct．ro，vo)X}y1UILl图4-6图像物理坐标系与像素坐标系的关系图Fig．4-6Relationshipbetweenimagephysicalcoordinatesystemandpixelcoordinatesystem但由于摄像机制作原因，两个坐标系原点不重合，若0在O—uv坐标系下的坐标为(u。，v。)，每个像素在X轴与Y轴方向上的物理尺寸为Kx，Ky(单位为毫米／像素)，则图像中任意一个像素在两个坐标系中的坐标有如下关系式：u：丧+u。v：善+v。用矩阵形式表示为：u。瓦+u。V2去+V。用矩阵形式表不为：阡毒Kx三ry：忙1001L，lIxo上ynb。虻IL工摄像机坐标系与世界坐标系之间的关系可以用旋转矩阵R和平移向量t来描述，通过坐标变换，我们可以得到世界坐标系和摄像机坐标系的关系如下：皿托Zc1rxw卜-’IlR，0Yw州忙(4．3)其中R为3×3正交单位矩阵，t为三维平移向量，OT=(0，0，0)。将式(4．1)，(4．2)代入(4．3)，可以得到以世界坐标系来表示的P点坐标与其投影点p的图像坐标系像素坐标(u，v)间的关系：HZcl1，I=H瓣1疆。专V。恢二?O1ILuu1]阵铃f001三0旧葶。面训瞄犯I1=MlM2蛳其中，M1完全由摄像机内部机构有关，称为摄像机内部参数，M2只与摄像机相对于世界坐标系的方位有关，称为摄像机外部参数，确定摄像机的内外参数的过程42f1l■R旷—．．．．．．．．．．．．．．L1●●●●●●●，j0O 第四章基于机嚣视觉的存取物料定位系统成为摄像机标定。43．32本系统CCD摄像机标定实现及位置误差转换本机器视觉定位系统的CCD摄像机标定，不需要考虑世界坐标系与摄像机坐标系的坐标变换，因为实际操作中，物料立体仓库的平面与摄像机成像平面平行，没有旋转与平移，故不考虑坐标变换。摄像机光心与图像中心的不重合，摄像机光心在像素坐标系中的坐标(‰，v。)，可作为系统误差处理，软件编程时给与补偿修正，本系统应用中取u。=0，v。=0。放本系统摄像机标定，仅需要考虑如何把图像物理坐标系与图像像素坐标系的关系，即求出换算因子Kx与Ky。巨匝墨日■■■■■■■—■■■●■■■■■■■■■■■■■■■——■■■■■瞳蹴￡i-。强————————．．．。。—．～————匠型到』±』_J#$⋯R6B：11一】R6B⋯∞图47换算因子的确定Fig4-7DeterrrIinatlonofconversionfactor图4—7中，实际测量得到物料白色底座两边距离是100毫米，利用vB程序设计picturebox控件里的)“ouseMove子过程“”““，获得鼠标移动时，鼠标所在的像素坐标，底座最左端为186，最右端为498，得到100毫米对应的像素为312，代入上--d'节的关系式42，得Kx为0．32(毫米／像素)。同理得到Ky为0．29(毫米／像素)。 广东工业大学硕士学位论文由模板匹配已经获得物料底座模板的像素误差du与dv，需要把其转换为物理坐标dx与dy，dx=du×Kx，dy=dv×Ky，Kx与Ky为图像物理坐标系与图像像素坐标系的关系，即每个像素对应的物理尺寸单位为毫米／像素。位置误差dx、dy为负数，则说明物料放置离正确位置偏左，若相减为正数，则说明物料放置离正确位置偏右，从而调整步进电机运动距离与方向。4．3．4定位程序设计设计BMC4000一C四轴运动控制器程序，首先通过CMC—Cardresetall()函数对运动控制器初始化，包括调用CMC—InitSpeed()设置X-Z轴的初始回原点运动速度、加速度、减速度，调用CMC—GoHome0是各轴回原点，调用CMC—WorkSpeed()函数设置x～Z轴的工作运动速度、加速度、减速度。CMC—GetPos0获得轴位置函数，用于获得X～Z轴运动的实际距离；CMC—MovelD0单轴运动函数，其形参Index为轴序号，0-2表示X-Z轴，Step表示运行的距离，单位是毫米；CMC—Move2D0二轴运动函数，实现二轴的同时运动，可以提高堆垛机机器手运动速度，提高本工位效率；CMC—SendData0发送指令函数，通过工控机串口发送指令给四轴运动控制器，由于四轴运动控制器设置为从机模式，需要通过串口发送运动指令给控制器来控制电机运动。4．4本章小结运用数字图像识别技术，利用Matrox公司的图像开发包，在堆垛机存取物料控制部分，采用图像识别技术，修正堆垛机机械手的运动路径，实现堆垛机存取物料准确定位，提高系统运行可靠性。 第五章生产线监控系统调试及实现结果分析第五章生产线监控系统调试及实验结果分析5．1生产线监控系统调试与系统软件界面设计生产线监控系统的调试，主要包括传送带协调控制程序调试，各个操作工位物料参数自动采集监控程序调试，总控工位监控程序调试及机器视觉定位系统调试等。传送带协调控制程序调试主要通过PLC程序调试实现。STEP7是西门子公司PLC产品的编程与组态软件，通过编程电缆的连接，可以方便的实现在线调试程序，修改下载程序的功能，STEP7具有良好的用户界面，具有容易使用，面向对象，组态取代编程，统一的数据库，基于WindowsNT／XP操作系统等特点。使用STEP7软件，在一个项目中创建S7程序。S7系列的PLC可编程控制器最少包括一个供电单元，一个CPU及输入和输出模块(I／O模块)。PLC通过S7程序监控控制对象，在S7程序中通过地址寻址I／o模块。在项目中使用STEP7的开发基本步骤如图5一l所示：图5-1STEP7项目开发基本步骤Fig．5-1ProjectdevelopmentbasicstepsofSTEP745 广车I业大学硕±学位论立完成STEP7项目开发有以上两种方法，因为本系统要创建一个使用许多输入和输出端口的综合程序，本系统采用方法1，先进行硬件选型及配置，此方法优点在于STEP7在硬件配置编辑器HWConfig中将显示己使用的硬件地址，以后编程时方便调用，减少出错机会。如果选择方法2，那么只能根据所选组件来自行确定每个地址，而不能通过STEP7调用这些硬件地址。进行s7—300PLC程序调试，将编程电缆把Pc与PLC连接，本系统选用USB接口的MPl编程电缆，在SIMATICManager项目管理界面中．Options选项卡内，SetPG／PCInterface里选择电缆类型为MPI，然后设置接口及WPI网络参数。如图5—2和图5—3所示：目5-2PG／PC接口选择界面Fig5-2PG／PCselectioninterface图5-3WPI呵络参数界面Fig5-3MPInetworkparametersinterfacePLC程序里Blocks块调试的基本原则为：从调用最深的嵌套层的块开始，即在OBI中调用，通过监视和修改变量。打开Blocks块界面后，打丌DEBUGI具栏，选择Operation选项，设置为单步模式来调试断点，但必须设置为测试操作模式，而不是过程操作模式。 第五章生产线监控系统调试硬实现结果分析打开DEBUG工具栏，选择Monitor选项，在线调试程序，观看梯形图中变量的值，修改需要改变的数值。调试过程中，发现拐角控制程序存在BUG问题，如果物料在进入拐角前，由于某些原因，未能正常传送到拐角的滚轮传送带上，滚轮将不停的转动，这样显然不合理。经过在线现场调试后，添加程序，解决BUG问题，现在如果经过5秒，没有检测到物料传送到拐角的滚轮传动带，则程序自动停止滚轮电机转动，并等待下一次物料的到来。添加的程序如图5-4所示：图5-4拐角滚轮电机控制程序Fig5-4Controlprogramofthecornerwheelmotor在线调试观察变量当前的值，用于调试PROFIBUS—DP通信，观察每个工位程序编写的正确性，工位状态、物料数据是否正确的传送到对应的工位或PLC上。如图55所示为在线调试观测各个工位向总控工位发送数据情况： 广东工n太学硕士学位论文3[===三=====三三=二i鬲而—；；三；⋯¨‘一◇一i如Ⅲ一i一图5-5在线调试Fig5-5OnlinedebugPLC程序经过一系列在线调试后，通过调试的程序编译Compile后，利用MPI编程电缆下载到PLCCPU中离线运行测试。根据系统软件的整体设计思路，本系统采用vB编程语言设计各工位的工控机程序，根据界面友好、操作方便、维护简单、易于扩展等要求，采用模块化的设计原则。主要分为系统测试界面模块、参数设置界面模块、主界面等模块。以上各模块在各个操作工位的软件界面与功能中根据实际工位要求有一定区别。l_系统测试界面多数工位都要通过I／0控制卡，进行按键、指示灯、电机驱动器的控制，因此，包括I／0卡的测试界面，如图56所示。在自动称重与堆垛机工位，由于要控制机器手，必须测试机器手的运动情况，如图5—7所示。 第五章生产线监控系统月试及窭现结果分析国窭墼!!!!!曼垦l垂二型l咔黼『r姒Im—r#帅一Il哑iⅢ匿r0smT指莉r1：ST“Tfll!r1：Ⅲ删r2：Lilt僦r2：自蛾F3[M阴6fN嗍}|r3：糖|】F{：锎；r{：雠黼tljr5：勰r5：#苦籽隧||r5：翩r6：锕lF7：H{r7：硼l；．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．_一【．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．__’州械I腓I域蝴I僦监坐#轴#自a自8自llⅢg埔tt|)，I一_卜一r一默、1自ttI)，I一卜F--u穗tc|)，f一，卜_一『一琳嘞一一■E_厂麟图5-6l／o卡的测试界面圈5—7机器手测试界面Fig5-6I／OtestinterfaceFig5·7Machinehandtestinterface用鼠标点击复选框，输入端口测试包括开始START，联机LINK．紧急停止EMERGENCY按钮状态，输出包括开始START，联机LINE指示灯，电磁挡板，传送带的测试。机器手测试则可以自定义某个轴的运动距离，测试点击运动状态。2．参数设置界面系统的参数设置，包括通信参数设置界面，用于设置串口通信的相关参数，如图5-8所示。图5-8串口参数设置Fig5-8Serialportparametersetting在形状工位和机器视觉定位系统，由于有摄像头与采集卡，必须对图像的对比、饱和等参数进行设置如图59所示。 广东I业大学硕±学位论文圃皿■叠■■■■■■■■■■■—雕。』对比度i=兰兰====jf而一亮度===匕==厅F—e日B—r．---一耳—一饱和度==二￡====两～霎兰I塑重I翌塑』图5-9CCD参数设置Fig5—9CCDparametersetting图像的对比度、亮度、色度及饱和度参数设置后，设置前后图像的变化可以实时显示在操作工位软件界面上。3．主界面不同工位的主界面差别较大，因为各工位的具体操作与现实内容均不同，条形码电子标签工位主要显示条形码与电子标签的读数，如图5—10所示。E口口日口t日z霹目—■■■——■—■■■■■■■■■■■—●■■■■目目E自《§：一出』⋯⋯I～T】条彤码P丽一立电子标签Fiiiiii————一《m#§II．．．．．．．．．．．．J陌匾图5—10条形码与电子标签工位界面Fig5—10Interfaceofbarcodeandelectronlagsoperationstation 第五章生产线监控系统调试及实现结果分析堆垛机工位则显示原料仓库物料上料的情况，堆垛机机器手及上下料机器手的运动情况，及成品仓的入库情况，如图5—11所示。EⅢⅡ■口Ⅲ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■●■●■■■■■■■■■■■■■●■■■目ggg露{’％删』皂‘一——一—Lju上LL型Ju—刖—ij—直J—且JJ劓卫uJ剖。哇型型!!纠JAI■}■■{●■j■l■■-■j■●，■{一x■厂———而mmlBl■}一一!一●j—I■■■一一!●l暑Y■厂———而mmIlcl一【■】一l■J■j■I■■■j■■’■}竺z■厂_1jmmII酬■-一1■，■．●t■I■■■j■■o●f茎钰受?羿；I引善善兽兽昌匐旨善量罟j善暑{8‘?：：：：”””lF刊一——j一——。————j堋!!!!!=竺～lj到■．■J■■|■j■J■r■；■j■l噩J厢lo．H”“9唧J|酬露露瞬■■j■I■●■■■■ltr宦舀匿口I茑i萤蔓崮画萄i画哥i画_i|：¨厂-一Jl訇萤重i匐丽崮爵．崩面ii葡；-＆广一II虱_：i：ji画iiiji藏蓠蔫荫司薛gt广———一Iliijij—Iiijijiiii‘藏。禹雨司’!!!!!!塑l!兰I竺L竺l竺I!丛!．笺掌型釜五孑嚣瓦=三三ii鬲；≥晒—一—吓％焉等孑图5-11堆垛机工位界面Fig5-11InterfaceofstoreandsortoperationstMion堆垛机工位界面显示上下料机器手，堆垛机机器手电机的运动状态，入库物料的数据显示，原料仓上料状态，成品仓下料状态等信息。52实验结果分析生产线监控系统实现的结果，主要体现在堆垛机工位基于机器视觉的存取物料定位系统抓取物料精度及可靠性提高，各个操作工位对物料的准确稳定快捷的操作，物料数据采集保存的准确性，物料在生产线上传送的协调控制等方面。视觉定位系统，较好的改善了堆垛机抓取物料的准确性，起到了较好的位置闭环控制作用。模板匹配及物料底座中心坐标测量结果如图512所示： 广东I业大学硕±学位论文墅竺!!!!!!!!!!!!!!!!竺竺二医型幢压兰U图5-12模板匹配结果进行模板匹配，需要选取物料的底座作为模板，然而每个物料的底座还是存在细微的区别．而且由于每个货位的光线情况不同，背景物体不一致．也会造成在模板匹配过程中模板匹配相似度降低。堆垛机机械手抓取物料精度达到5像素，相当于1．5毫米。各个操作工位完成物料参数数据采集，经过各操作工位的桥接模块PQ20发送至PROFIBUS—DP现场总线，由总线传送至主站s7—300PLC，再转发至总控工位，实现物料参数显示并保存。总控工位的MSSQL数据库完成物料数据的保存，打丌MSSOL数据库企业管理器，观察各操作工位所采集的物料参数信息，如图513所示： 第五章生产线监控系统调试爰实现结果分析】』鱼篓型鱼塑宣旦幽竺塑堂图5—13数据库中的物料参数Fig5·13Parametersofthematerialsindatabase因各物料有唯一的条形码及电子标签，故以条形码barcode或电子标签elelabel为主键，区分不同物料，其余物料参数如颜色coloF、重量weight等，作为电录里的字段添加，如果数据采集失败，则对应字段将显示为NULL。生产线传送带协调控制效果如表5一i所示：表5—1生产线协调控制效果Table5-1Resultsofconveyorbeltcoordinationcontrol单个物料传送带上最多能同时物料传送成功率传输时间输送的物料个数实验结果4分35秒895％。；，。；；，：。，。：。，一。。一帆|呈∞∞∞∞“圬塘"捕埔虬档{3孔笛竹∞弧∞M辐竹6B6B6B6B88目56 广东工业大学硕士学位论文物料被堆垛机机械手从原料仓库中抓取开始计算，经过传送带传送，各操作工位物料参数自动采集，到完成参数采集后入库成品仓库，单个物料传输时间为4分35秒。由于生产线传送带总长度较短，各操作工位物料参数采集时间较长等因素，传送带上最多能同时输送的物料个数为8个。由于仍存在机械结构连接问题，物料传送成功率为95％，问题为传送带上零件连接处不够平滑，造成物料卡在零件连接处。 总结和展望总结与展望1．对本文工作的总结本文将PROFIBUS现场总线技术应用于生产线监控系统中，完成生产线信息传递和协调控制。并将机器视觉技术与传统堆垛机控制结合，实现堆垛机存取物料准确定位，是本课题的创新之处。本文主要完成了以下工作：(1)实现基于PROFIBUS现场总线的生产线监控系统，该系统监控生产线上的状态数据及物料参数数据均采用PROFIBUS-DP现场总线传输，编写相关程序实现各个工位与PLC之间的通信，完成了生产线传送带的协调控制程序的开发。(2)完成包括条形码与电子标签、颜色、自动称重、形状、尺寸、堆垛机及总控工位的各功能模块VB程序设计，实现相关工位的功能，完成物料参数自动采集。(3)在堆垛机存取物料控制部分，采用图像识别技术，利用Matrox公司的MIL软件包，修正堆垛机机械手的运动路径，实现堆垛机存取物料准确定位，提高系统运行可靠性。2．对进一步工作的展望生产线运行和实验结果表明，本系统基本满足设计要求，但随着工业过程控制、计算机及网络技术的迅速发展，将会对生产线监控提出更新、更高的要求。另外由于本人精力及水平有限，因此基于PROFIBUS的生产线监控系统有待于从以下3方面改进：(1)该生产线监控系统没有对不合规格的物料进行剔除处理，而在实际生产中，需要排除不合规格的物料。因此需要添加剔除不合格物料装置，如在堆垛机入库前添加机械手，抓取检测结果不合格的物料，将此物料从生产线上剔除。(2)生产线故障处理机制不够完善，目前仅通过报警灯指示故障和紧急停车按钮制动生产线，如遇到物料在传送带上输送时，卡堵在拐角处，系统并不能及时发现，解决故障。针对此问题，需要优化机械结构，平滑零件连接。(3)总控工位的监控功能不够完善，虽然可以显示各工位的运行状态与所采集的物料参数，但没有显示各段传送带的运行状态。完善总控监控功能，需要深入研究生产监控技术，强化总控管理功能。55 广东工业大学硕士学位论文参考文献[1]张广军．机器视觉【MI．北京：科学出版社，2005．[2]周明．现场总线控制【MI．．北京：中国电力出版社，2002．[3]甘永梅．现场总线技术及其应用【M1．北京：机械工业出版社，2004．[4]夏德海．现场总线技术IMI．北京：中国电力出版社，2003．[5]李正军．现场总线及其应用技术【M】．北京：机械工业出版社，2005．[6]高鸿斌，孔美静，赫孟合编著．西门子PLC与工业控制网络应用【M1．北京：电子工业出版社，2006．[7]HermannStrass．Profibusgoesinternational[J]．EuropeanProductionEngineering，1995，19(01)：E39-42．[8]AlanMason．FieldbuscontrollJl．ChemicalEngineering，2003，7(02)：P．41-42．[9]张萍，朱政红．机器视觉技术及其在机械制造自动化中的应用【J】．合肥工业大学学报，2007，30(10)：P．1292．1295．[10]贾鑫．基于现场总线的视觉检测与控制技术研究[DI．山东：山东大学，2004．[11]李烨．现场总线技术及其应用研究[DI．湖南：湖南大学，2002．[12]http：／／www．ad．siemens．corn．cn／products／as／simaticplc／s7-300／cpu／10000732．asp[13]http：／／www．ad．siemens．tom．cn／products／as／s7—200／cpu／cpu226．asp[14]http：／／www．ad．siemens．tom．cn／products／as／s7—200／profibus／EM277．asp[15]崔坚．西门子工业网络通信指南【M1．北京：机械工业出版社，2005．[16]梁庚．现场总线控制系统的研究与应用【D】．保定：华北电力大学，2001．[17]MikeSpear．FromFieldbustoEthernet[J]．ProcessEngineering，2004，85(05)：P．31-32．[18]Z．Yao，T．Li，X．Wang．FieldbusprofibusanditsprospectslRl．Shanghai，4恤InternationalSymposiumonTestandMeasurement，2001．[19]邬宽明．现场总线技术应用选编【M1．北京：北京航空航天大学出版社，2004．[20]GeraldSchickhuber，OliverMcCarthy．DistributedfieldbusandcontrolnetworksystemslJl．Computing&ControlEngineeringJournal，1997，8(01)：E21—32． 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