0引言
目前，粉体材料在化工、建材、冶金、电子、医药、生物工程、陶瓷、农药涂料、国防及尖端技术领域得到了广泛应用，作为国民经济许多领域的配套产业，全自动粉末包装机械行业发展潜力巨大[1,2]。在工业发达国家，粉体包装设备自动化技术较为成熟，大多数粉体物料生产厂家都装备了自动化包装生产线，现场生产环境整洁且工作效率高[2]。国内的粉体包装企业因为开发粉体包装技术的高难度而不愿涉足该领域，很多粉体企业依靠进口包装设备或采用传统的人工上袋方式进行生产，生产成本代价高昂且生产效率低下，随着国内用工成本的增加和环保意识的加强，粉体包装机械设备以光、机、电、气、磁为载体，朝着智能化和自动化方向发展[2～4]。PLC作为工业控制系统核心，其编程语言简单且具有较强灵活性和可靠性，粉体包装设备自动化中利用PLC作为控制系统，能够使其自动化水平得到提高[5]。PLC控制系统在抗电磁干扰、高温、粉尘等方面能力很高，在工业自动化领域应用最广泛，其应用的广度和深度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的重要标志，也是未来粉尘包装机械领域发展方向[6]。本文利用ER10-C10型埃夫特机器人控制柜系统，西门子S7-1200PLC控制柜系统，智能相机，输送机构，对企业提供的含有密封装置的软纸质阀口袋实现自动定位-拾取-夹紧-开袋-套袋等连续过程控制系统设计，利用MCGS触摸屏实现对粉体包装生产过程监控、参数输入、报警输出，操作简单便捷。经过现场调试运行，系统运行稳定，具有较高的定位精度和上袋效率，可代替人工上袋，对相关粉体包装设备实现自动化具有借鉴和推广价值。
1自动上袋工艺过程
整个控制系统硬件构成如图1所示，本系统实现的功能是输送机构4将阀口袋3运送至光电开关处，输送机构停止，延迟200ms触发相机2拍照，经过图像处理之后将阀口袋位姿信息发送给机器人，机器人末端执行器对阀口袋实现拾取-夹袋-开袋过程，最后将阀口袋套在出料嘴6，然后返回起始点待机，如此循环的等待下一个阀口袋，最终实现阀口袋自动上袋的全自动循环过程。其中，图1中5表示自主设计的专用末端执行器[7]，图中1表示MCGS触摸屏。为了准确控制整个运行过程，在旋转气缸、夹紧气缸、开袋气缸处均设计有气缸用传感器电子设备，检测旋转气缸、夹紧气缸、开袋气缸的运行状态。在末端执行器开袋气缸处设计安装颜色传感器，根据金属出料嘴和阀口袋表面反射颜色信号的差异去检测套袋是否成功，保障了粉体包装套袋过程的安全性[8]。

2阀口袋识别
选用SV4-30M智能相机、H0514-MP2镜头、分辨率为640×480，支持100Mbps以太网通讯方式，通过内含的CMOS传感器来采集传送带上的阀口袋图像，对其进行图像畸变校正、二值化、滤波、特征信息识别等处理过程，最终利用定位工具对其特征（图2中5与7）进行识别。利用自带的二次开发软件X-SightStudio对特征信息进行脚本编写，最终相机输出图2中编号5与7的交点P0（x0，y0）以及阀口袋前端边沿P0M0所处的角度θ0，建立相机与PLC以太网通信，将识别的特征信息发送给PLC。对于同一种型号阀口袋，图中的l和大小确定，建立如下方程式即可求得P（x，y）和PM所处的角度θ。经过手眼标定转换矩阵和坐标转换，即可获得机器人拾取阀口袋坐标（X，Y，a）。

3阀口袋自动上袋控制系统设计
3.1控制系统框架
采用S7-1200PLC作为系统控制核心，完成对相机、机器人、昆仑通态MCGS人机界面、启动按钮、光电开关、急停按钮，输送机构和末端执行器上各种传感器检测装置等器件的通信控制工作。昆仑通态显示屏自带良好的软件设计界面，将编辑好的设计界面下载到人机界面中可以实现对生产过程的操作和监控功能，故障自动报警以及故障查询功能，使生产操作简单化，自动化。
在TIA博途开发软件编写PLC程序，通过与机器人建立通信连接，实现精确控制机器人自动上袋过程，从而实现超精细粉体包装过程。
编写手动和自动程序，在手动情况下，可以调试输送机构的启动，相机光源打开，触发拍照，末端执行器的旋转气缸、开袋气缸动作等过程，确保接线的准确性。在自动运行的过程中，确保运行安全性，对阀口袋拾取坐标值限制在一定范围内，超出设定坐标值范围内将启动报警程序，停止运行。
3.2硬件组成
1）PLC采用S7-1200PLC，CPU型号为1215C/DC/DC/DC，本地板载I/O为14个输入，10个输出，扩展数字量模块为SM1223DI16×24VDC/DQ，共计16个数字量输入模块和16个数字量输出模块[9]。
2）机器人选用型号为ER10-C10埃夫特机器人,该机器人具有6个自由度、由带有编码器的伺服电机驱动、其最大运动半径1640mm、末端最大负载10kg、重复定位精度±0.05mm、控制系统为C10平台，可以方便的在示教器上编写程序代码。
3）交换机选用上海造瑞电子科技有限公司的ZRS108-D型号的8口工业交换机，完成相机和PLC、PLC和机器人之间的信息交互，完成阀口袋拾取坐标的传送以及实现PLC控制机器人操作过程。
3.3PLC输入/出端口设计
本控制系统S7-1200CPU采用源型输入接线，M端接入24V直流电源的正极，扩展数字量模块SM1223接线的方式与S7-1200PLC的CPU本体接线方式一致。按照各I/O端口地址进行接线即可，图3是本控制系统I/O端口的接线图。其中，-KA1、-KA2表示中间继电器线圈，其常开触点分别控制触发相机拍照，以及环形光源（拍照光源）打开；-KA3表示中间继电器常开触点，相机拍完照之后将会从相机控制器SIC242的Y4端口发送信号，线圈得电使其常开触点吸合，从而达到拍照完成检测的目的。

3.4机器人输入/出功能设计
在实际工作过程中，PLC、相机、机器人通过以太网建立通信连接，PLC根据运行到不同阶段通过start_on传输的内容去控制机器人运行过程，同时机器人通过status_rob、run_rob传输的内容将运行信息发送给PLC。
3.5系统软件设计
结合阀口袋自动上袋的过程，控制系统软件将PLC、相机、机器人、MCGS触摸屏、传感器及执行器件联系在一起，使其能够实现粉体包装自动化。
1）相机与PLC通讯客户端和PLC与机器人通讯客户端程序
该程序使控制系统能够不停地实现数据的读与写，该程序实现了图像处理之后将特征信息发送给PLC及经过PLC数据处理之后向机器人发送抓取点坐标的过程，最终使机器人准确拾取阀口袋。
2）PLC数据处理程序
相机将阀口袋位姿信息发送给PLC，该数据处理程序将对得到的数据经过数据格式转换，手眼标定转换矩阵及坐标转换处理之后，将抓取点坐标发送给机器人。
3）输送机控制程序
根据系统实现的工作过程和前面定义I/O端口，设计输送机构控制程序。输送机构程序在实现工作过程的要求之外，同时还要从安全角度出发，在程序中设计停止按钮，急停按钮，报警按钮等功能。在程序设计时，为保障工序有条不紊的进行，在PLC电路中设计自锁与互锁电路，提高运行效率。
4）机器人控制程序
机器人控制程序分为两个部分，分别是PLC控制机器人程序和机器人程序。PLC是根据接收到机器人运行状况信号之后向机器人发送下一步运行指令来达到控制机器人，中间包括移动末端执行器到拾取点，接通拾取气泵，拾取吸盘吸住阀口袋，采用延时法来使吸气过程平稳；机器人末端执行器将阀口袋抬起一定高度，PLC控制旋转气缸旋转90°，夹紧气缸将阀口袋夹紧，采用延时法确保夹紧过程可靠；拾取气泵断开，拾取吸盘与阀口袋分离，回转气缸复位；按照既定路径将阀口袋抬高到套袋起始点，PLC控制开袋气缸作用，使其与阀口袋阀套贴合，开袋气泵作用使开袋吸盘吸住阀套，采用延时法使吸附过程可靠，开袋气缸复位，将阀口袋阀套打开，进行套袋程序[8]。在机器人示教器编写程序，分别是数据判断程序，目的是为了机器人运行安全，将抓取点坐标数据限制在一定范围内，在该数值范围内，机器人将进行下一步指令，超出该范围，机器人停止运动，蜂鸣器报警；拾取阀口袋程序，按照既定路径运动到某一位置，得到拾取点坐标值之后，移动到拾取点；套袋程序，目的是按照既定路径，将阀口袋套在出料嘴上，完成套袋任务，之后，机器人将回到起始套袋点，处于待机状态，在开袋气缸上装有颜色传感器，一旦检测到套袋失败，停止套袋，并发出报警。
4MCGS人机界面设计
人机界面的主要任务是实现生产过程的实时监控，主要参数数据的监控报警，故障发生内容查询，相关技术人员登录权限设置，实现生产过程的管理。
使用昆仑通态的“1061Ti”人机界面，该款产品具有以太网接口，可以与PLC的FROFINT接口建立连接。该人机界面自带MCGS组态环境，其中包括主控窗口，设备窗口、用户窗口、实时数据库、运行策略窗口，能够使用户根据自己的项目需求组态人机界面，模块之间的关系如图4所示，其中主控窗口是设置启动窗口。将组态好的工程下载到MCGS模拟运行环境，进行仿真运行，确定无误后将组态的工程下载到“1061Ti”人机界面。本系统设计了用户登录界面、操作界面、机器人、流水线、浏览报警查询界面、数据安全报警界面、通信报警界面，能够实现对开发系统的保护以及操作安全功能；实现对通信故障，机器人抓取点坐标数据超限及时报警，并在当前界面以小窗口形式进行提醒和蜂鸣器闪烁报警功能；能够对生产过程实现启动、状态跟踪、停止、急停功能；能够读写机器人阀口袋拾取坐标；能够查询一定时间范围内故障报警信息等内容，机器人设计界面如图5所示。

5运行测试结果
按照上述所设计的控制系统，经运行程序调试之后，所设计的控制系统运行稳定，实现对输送机构、相机、机器人、急停、报警等子系统逻辑控制，MCGS触摸屏实现对整个生产过程监控，主要参数数据的监控报警等任务，拾取精度较高，完全满足后续末端执行器对阀口袋夹紧，打开阀口袋阀套及套袋精度要求，自动上袋效率较高，连续运行情况下上袋速度达8袋/分钟。下表是对机器人抓取点坐标值的统计，由表1中数据可以看出，机器人对输送机构上的阀口袋准确定位，X方向的拾取误差小于0.6mm，Y方向的误差小于0.4mm，阀口袋旋转角度a的误差小于0.5°。
6结语
目前，大多数粉体包装企业采用进口国外全自动粉体包装设备或者依靠人工上袋，不利于我国粉体包装行业长久发展。本文基于机器视觉和PLC实现了阀口袋运输、拾取、夹紧、开袋、套袋、套空检测全自动化操作，设计了MCGS人机界面，实现了生产过程实时监控，在保证系统运行安全与稳定基础之上，将有效解决国家对生产粉体企业的环保要求和粉体污染对人体危害的问题。

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