CN110554653A - 基于工业控制器和人机界面的集装箱自动清洗的控制系统 - Google Patents

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CN110554653A CN201810550599.4A CN201810550599A CN110554653A CN 110554653 A CN110554653 A CN 110554653A CN 201810550599 A CN201810550599 A CN 201810550599A CN 110554653 A CN110554653 A CN 110554653A
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Abstract

一种基于工业控制器和人机界面的集装箱自动清洗的控制系统,其特征在于:该系统包括PLC控制器、HMI触摸屏、机器人控制器、自行小车、干冰清洗机、吸尘器、空压机和六轴工业机器人;减少不必要的干冰和能源浪费,也较现有的技术提高了清洗效率。同时,本发明采用了大量安全防护措施和图像监控系统,从而实现了安全化,可视化的清洗。

Description

基于工业控制器和人机界面的集装箱自动清洗的控制系统
技术领域
本发明提供一种基于工业控制器和人机界面的集装箱自动清洗的控制系统,本发明涉及到ISO标准集装箱机器人自动清洁领域。
背景技术
目前集装箱清洗的主流方式为化学清洗和蒸汽清洗,通常是由人工进行完成。现有的传统方式进行集装箱清洗时,势必对于清洗人员存在健康和安全上的隐患,同时清洗过程中货物残液、废气、废液也会对环境造成一定程度的污染,以及水资源的浪费。换一种角度来看,正是由于上述原因使得人力成本升高,同时因为通常使用液态水为溶剂溶液所以在清洁效率、环境温度、季节条件上都会有很大限制。
近几年随着自动化技术的发展,有人提出了一种基于标准工业六轴机器人的自动干冰清洗的方法。采用机器人搭载干冰清洗喷头,利用干冰爆破原理,通过空气压缩机加速干冰颗粒,在清洗表面上产生微型的爆炸使干冰迅速升华,使被清洗物体表面的污垢、油污、残留杂质等迅速冷冻,从而凝结、脆化、被剥离,且同时随气流清除。不会对被清洗物体表面造成任何伤害,也不会产生其他污染物质。该方法解决了传统清洗方法中的人力成本和环境污染两大问题。
但是该方法也存在无法柔性化、可视化、安全的进行清洁等问题。其清洁的方式过于固化,无法应对复杂的实际情况,同时也缺少对人员和设备的安全防护方案。
发明内容
发明目的:本发明提供一种基于工业控制器和人机界面的集装箱自动清洗的控制系统,其目的是用于解决现有技术清洗方式固化,缺少安全防护措施的问题。
技术方案:
一种基于工业控制器和人机界面的集装箱自动清洗的控制系统,其特征在于:该系统包括PLC控制器(1)、HMI触摸屏(2)、机器人控制器(4)、自行小车(5)、干冰清洗机(6)、吸尘器(7)、空压机(8)和六轴工业机器人(11);
HMI触摸屏(2)、机器人控制器(4)、自行小车(5)、干冰清洗机(6)、吸尘器(7),空压机(8)以及通风系统(9)均连接至PLC控制器(1);
机器人控制器(4)、干冰清洗机(6)、吸尘器(7)和六轴工业机器人(11)均设置在自行小车(5)上,六轴工业机器人(11)设置在自行小车(5)的前端。
PLC控制器(1)作为主控制器与HMI触摸屏2使用Profinet进行通信,机器人控制器(4)通过Profinet与PLC控制器(1)进行通信;当六轴工业机器人(11)执行作业时机器人控制器(4)不直接与自行小车(5)进行信号交互,都是经由PLC控制器(1)完成统一调度。
在自行小车(5)上还设置有机器人示教器(12),机器人示教器12连接机器人控制器(4),通过机器人示教器(12)对六轴工业机器人(11)进行本地化的操作如动作点示教、参数更改、逻辑编写、状态及运行作业监控。
自行小车(5)通过Profinet与PLC控制器(1)进行通信,用户使用HMI触摸屏(2)通过PLC控制器(1)对自行小车(5)的设备状态实时的监控以及对自行小车(5)进行设置;在自行小车(5)上设置有激光定位扫描仪(16),该激光定位扫描仪(16)连接至自行小车(5)的控制系统,激光定位扫描仪(16)为车载的2D激光导航仪,利用该车载的2D激光导航仪实时进行区域轮廓扫描,通过自行小车(5)自身的控制系统结合自身相关算法,完成路径规划,实现纠偏定位。
在自行小车(5)的车头与车尾区域安装有用来检测车体前后的障碍物或人员的安全区域扫描仪(13),单台安全区域扫描仪13的检测范围为±135°,两台的扫描范围完全覆车身周围水平面的全部角度范围;两台安全区域扫描仪(13)的安全输出信号直接接入自行小车(5)的控制系统,辅助信号接入PLC控制器(1);自行小车(5)的控制系统连接至自行小车(5)的驱动电机和减速刹车系统,当任意一台安全区域扫描仪(13)检测到有障碍物体或人体,自行小车(5)的控制系统控制自行小车(5)通过一小段减速距离后,直接关断电机的动力源。
在自行小车(5)的四角各安装一个急停按钮(14),急停按钮(14)连接至自行小车(5)的控制系统;
在自行小车(5)的车身周边装有安全触边(15);
在自行小车(5)上设置有两套CO2传感器(17),其位置只要满足能够检测到被清洗集装箱中的CO2浓度的位置即可,CO2传感器(17)连接至PLC控制器(1)。
干冰清洗机(6)的干冰管路与空压机(8)的压力空气管路会和之后延伸至六轴工业机器人(11)的末端的干冰喷头管路的电磁阀导通,通过六轴工业机器人(11)喷出;干冰喷头管路处设置有电磁阀,电磁阀连接至PLC控制器(1);
吸尘器(7)的吸头设置在自行小车(5)的前端底部,在该系统所在的集装箱内设有通风系统(9)。
吸尘器(7)的主机的底部连接一个方形底座,该方形底座通过装卡装置设置在自行小车(5)的底盘上,装卡装置主要包括壳体(011)和设置在壳体(011)内的拉块(012);拉块(012)设置在壳体(011)中部的空腔(013)内且拉块(012)能做向空腔出口方向的移动动作,在空腔(013)的靠近出口端的两侧各设置一个凹腔(014),凹腔(014)内设置一根垂直于壳体(011)上表面的且能以自身的轴为轴自转的立杆(015),立杆(015)的上端穿过凹腔(014)上表面后凸出于壳体(011)上表面,立杆(015)的下端与凹腔(014)的底面活动连接;立杆(015)在凹腔(014)内的部分设置有垂直于立杆(015)的横向摆杆(016),横向摆杆(016)为能够带动立杆(015)转动的结构,横向摆杆(016)的后端固定连接立杆(015),横向摆杆(016)的前端的底部设置有向下延伸的拨动圆柱(017),拨动圆柱(017)垂直于立杆(015);拉块(012)上设置有V形开槽,V形开槽的开口端朝向外侧,拨动圆柱(017)处在V形开槽的开口范围内且拨动圆柱(017)搭接在V形开槽的开口处的内侧壁,通过拉块(012)的移动,使得V形开槽推动横向摆杆(016)摆动;拉块(012)的外端还设置有T形拉杆,T形拉杆包括固定拉杆(019)和转杆(020),固定拉杆(019)的长度方向与拉块(012)移动方向相同,转杆(020)的长度方向始终与固定拉杆(019)的长度方向垂直,转杆(020)能相对于固定拉杆(019)转动;
在立杆(015)凸出于壳体(011)上表面的部分设置有夹紧杆(021),夹紧片的前端设置有弧形弹片(022),夹紧杆(021)的后端连接立杆(015),夹紧杆(021)与横向摆杆(016)的位置上下对应;
拉块(012)的内端与空腔(013)之间设置有复位拉簧(018),使得拉块(012)能够在复位拉簧(018)作用下向内移回;
在拨动圆柱(017)上套有能以拨动圆柱(017)为轴自转的滚动套或者滚动轮(026)。
拉块(12)的垂直方向的位置低于横向摆杆(16),使得拉块(12)能够从横向摆杆(16)下方穿过,如图7所示!
基于工业控制器和人机界面的集装箱自动清洗的控制方法,其特征在于:
控制方法具体如下:
操作人员根据将要清洗的目标集装箱的尺寸,清洁程度等信息,通过HMI触摸屏(2)进行选择;当具备清洗运行条件时,操作人员将系统选到自动模式后按下系统启动按钮,自动清洗流程开始;PLC控制器(1)根据操作人员所选配方,设置机器人控制器(4)中机器人作业中运行速度倍率。同时PLC控制器(1)控制干冰清洗机(6)、吸尘器(7)、空压机(8)上电运行;PLC控制器(1)在确认以上步骤执行完毕后,控制自行小车(5)启动,前进到指定位置后停止;PLC控制器(1)在接收到自行小车(5)已停止信号后,根据配方参数调用对应的机器人作业编号,六轴工业机器人(11)开始进行清扫作业;当六轴工业机器人(11)运动到喷射起点时,向PLC控制器(1)输出喷射请求信号;PLC控制器(1)接收该信号并控制干冰喷头管路的电磁阀导通,机器人一边运动一边进行喷洗,当其运动到喷射终点时PLC以同样的方式进行电磁阀的关闭;当六轴工业机器人(11)完成单次作业时,PLC控制器(1)会控制自行小车(5)继续前进固定距离,同时在前进的过程中,吸尘器(7)一直处于工作状态;如此循环运行,直到自行小车(5)判断已经到达行进终点,此时PLC控制器(1)更换机器人作业号,使六轴工业机器人(11)进行五个面的喷洗;全部完成后,自行小车(5)缓慢的一边使用吸尘系统进行清扫一边退出目标集装箱,整个流程结束。
HMI触摸屏(2)内的人机界面包含主画面(21),该主画面(21)为最顶层的界面,用来作为进入其他子画面的接口画面;同时在主画面(21)顶端设有状态栏,显示一些系统状态,一些安全信号的状态,此状态栏设为全局模板,也就意味着用户在任何子画面中都可监视这些重要信息。
用户管理画面(22),用来进行用户的登入和登出,以及用户的权限和密码管理。用户权限分为三级,分别为:操作员,工程师,管理员。其中管理员具有最高的操作权限,能进行任何操作;操作员作为最低的操作权限只能进行简单的手动操作,不能进行配方的创建和参数的更改;
自行小车画面(23),用来显示自行小车的相关状态,同时,该画面能对自行小车(5)的参数进行设置,以及手动操作,机器人画面(24),主要是为监控六轴工业机器人(11)与PLC控制器(1)之间的交互信号,如果六轴工业机器人(11)运作中非故障停止时,用户能通过交互信号的状态来判断其停止的逻辑上的原因;清洁设备画面(24),其中包括了干冰清洗机(6),吸尘器(7),空压机(8)以及通风系统(9)的状态监控和手动控制功能;配方管理画面(26)中可对清洗配方进行管理,运行统计画面(27),主要用来显示系统运行日志信息,报警管理画面(28)中会显示当前系统报警和历史报警;当前报警为全局模块,当有报警触发时会弹出,并一直在屏幕的最前端进行显示,除非用户对其进行确认;那些确认但未解决的仍然会存在于报警管理画面(28)中。
优点效果:
本发明提供一种基于工业控制器和人机界面的集装箱自动清洗的控制系统,其改进了现有的ISO标准集装箱的清洗方法,通过基于工业控制器及人机界面的控制系统及方法,在减少人力成本及环境污染的同时,能够更加柔性化、可视化并且更为安全的进行清洁。
本发明采用的是一种基于PLC和HMI的控制系统及方法,它包括可编程逻辑控制器PLC,工业触摸人机界面HMI,标准六轴工业机器人,可自动导航的自行小车,干冰清洗机,工业吸尘器,空气压缩机,视频监控设备及安全检测元件。
PLC作为主控通过工业以太网Profinet和IO控制的方式对其他设备进行整体的调度和控制。Profinet通讯协议的网络底层基于标准以太网,是一种可靠高速的工业级现场总线。
HMI作为人机接口,可以对所有其他设备进行图形可视化操作及状态监视。HMI与PLC通过Profinet进行通讯,使其之间的变量能够直接读写。
使用标准六轴工业机器人作为干冰清洗工具(喷头)的载体,利用其成熟完整运动指令、精准的定位、来保证最终对集装箱内壁的清洗质量;利用其高自由度的姿态,去完成一些人工难以清洗区域。工业机器人的运动运算,逻辑处理,动作点存储都是在机器人控制中完成。机器人控制器提供多样化控制和数据通讯接口,PLC可通过Profinet与其进行参数配置,作业调用,远程启动,交互作业等控制。同时,用户可以使用机器人示教器进行本地化的操作,如动作点和逻辑的更改,机器人状态的监视等。
使用可自动导航的自行小车,作为工业机器人、干冰清洗机、工业吸尘器的载具。PLC可通过TCP/IP协议与小车进行通讯,控制小车的起停,运动速度,运动距离,加减速斜坡以及一些重要参数的配置。为了提高小车控制的响应速度,小车的纠偏及运动控制由其自身的控制器完成。
干冰清洗机,空气压缩机,工业吸尘器通过IO通讯的方式与PLC连接,用来控制这些设备的启停以及故障、运行等状态的反馈。
视频监控设备采用标准Ethernet将记录的信息传输到控制端的硬盘刻录机。由于硬盘刻录机集成了操作系统可以直接通过HDMI接口连接到显示器上。
采用多种的安全防护方案以保证用户操作人员在参与控制和维护设备过程中的安全。
因为在集装箱内这样的密闭空间内清洗,即便在设置有照明的情况下光线依然较为昏暗,这就存在用户误操作的可能:如当人员在被清洗区域内进行维护设备故障时,控制端的操作人员在没有意识到情况下启动自行小车,加之集装箱内空间有限,这是十分危险的。所以本发明中提出了在自行小车上加装两套安全区域扫描仪,在车体边缘加装物理防护触边,一旦触发设备立即停止,同时触发时设备无法上电启动。以保证360度无盲区的人员防护。
由于干冰清洗后会产生大量的CO2,当清洗过程中或清洗完成后需要人员进入清洗区域进行作业时,通过安装在自行小车上的多组CO2传感器能够对该区域的空气安全进行检测判断,如果检测没有危险,在HMI和塔状信号灯进行提示。同时也会在控制端集装箱内加装风扇,保证及时气流更换。
本发明采用PLC作为系统主控,应用其成熟的工业以太网Profinet连接机器人控制器,自行小车,HMI等设备。通过HMI,PLC可根据用户所选配方参数,调整机器人执行作业时的速度倍率,这样便可实现单位清洗面内喷射干冰量的调节;允许用户根据不同集装箱的尺寸,脏污程度,对机器人与小车的相关参数进行设置。同时可将这些参数作为固定配方进行储存。从而满足柔性化的清洗,减少不必要的干冰和能源浪费,也较现有的技术提高了清洗效率。同时,本发明采用了大量安全防护措施和图像监控系统,从而实现了安全化,可视化的清洗。
附图说明:
图1是本发明的系统结构图;
图2是本发明的HMI画面结构图;
图3是本发明的自动运行流程图;
图4是整体结构示意图;
图5为装卡装置的俯视初始状态图;
图6为装卡装置的俯视夹紧状态图;
图7为装卡装置的正立面示意图;
图8为固定拉杆和转杆的一种连接关系的示意图;
图9为弧形弹片的连接结构示意图,弧形弹片与夹紧杆可以采用焊接的方式连接!
具体实施方式:下面结合附图对本发明做进一步的说明:
如图1所示,本发明提供一种基于工业控制器和人机界面的集装箱自动清洗的控制系统,该系统包括PLC控制器(1)、HMI触摸屏(2)、机器人控制器(4)、自行小车(5)、干冰清洗机(6)、吸尘器(7)、空压机(8)和六轴工业机器人(11);
HMI触摸屏(2)、机器人控制器(4)、自行小车(5)、干冰清洗机(6)、吸尘器(7),空压机(8)以及通风系统(9)均连接至PLC控制器(1);
机器人控制器(4)、干冰清洗机(6)、吸尘器(7)和六轴工业机器人(11)均设置在自行小车(5)上,六轴工业机器人(11)设置在自行小车(5)的前端。
PLC控制器(1)作为主控制器与HMI触摸屏2使用Profinet进行通信,机器人控制器(4)通过Profinet与PLC控制器(1)进行通信;当六轴工业机器人(11)执行作业时机器人控制器(4)不直接与自行小车(5)进行信号交互,都是经由PLC控制器(1)完成统一调度。
在自行小车(5)上还设置有机器人示教器12,机器人示教器12连接机器人控制器(4),通过机器人示教器(12)对六轴工业机器人(11)进行本地化的操作如动作点示教、参数更改、逻辑编写、状态及运行作业监控。
自行小车(5)通过Profinet与PLC控制器(1)进行通信,用户使用HMI触摸屏(2)通过PLC控制器(1)对自行小车(5)的设备状态实时的监控以及对自行小车(5)进行设置;在自行小车(5)上设置有激光定位扫描仪(16),该激光定位扫描仪(16)连接至自行小车(5)的控制系统,激光定位扫描仪(16)为车载的2D激光导航仪,利用该车载的2D激光导航仪实时进行区域轮廓扫描,通过自行小车(5)自身的控制系统结合自身相关算法,完成路径规划,实现纠偏定位。
在自行小车(5)的车头与车尾区域安装有用来检测车体前后的障碍物或人员的安全区域扫描仪(13),单台安全区域扫描仪13的检测范围为±135°,两台的扫描范围完全覆车身周围水平面的全部角度范围;两台安全区域扫描仪(13)的安全输出信号直接接入自行小车(5)的控制系统,辅助信号接入PLC控制器(1);自行小车(5)的控制系统连接至自行小车(5)的驱动电机和减速刹车系统,当任意一台安全区域扫描仪(13)检测到有障碍物体或人体,自行小车(5)的控制系统控制自行小车(5)通过一小段减速距离后,直接关断电机的动力源。
在自行小车(5)的四角各安装一个急停按钮(14),急停按钮(14)连接至自行小车(5)的控制系统;
在自行小车(5)的车身周边装有安全触边(15);
在自行小车(5)上设置有两套CO2传感器(17),其位置只要满足能够检测到被清洗集装箱中的CO2浓度的位置即可,CO2传感器(17)连接至PLC控制器(1)。
干冰清洗机(6)的干冰管路与空压机(8)的压力空气管路会和之后延伸至六轴工业机器人(11)的末端的干冰喷头管路的电磁阀导通,通过六轴工业机器人(11)喷出;干冰喷头管路处设置有电磁阀,电磁阀连接至PLC控制器(1);
吸尘器(7)的吸头设置在自行小车(5)的前端底部。
在该系统所在的集装箱内设有通风系统(9)。
吸尘器(7)的主机底部可以固定连接一个方形底座,该底座可以通过焊接的方式或者粘接的方式,或者捆绑的方式与吸尘器(7)的主机底部连接,当然也可以不设置这个底座,可根据需要来选择,吸尘器(7)的主机或者主机底部的底座通过装卡装置设置在自行小车(5)上,这样是为了方便将主机拿下来一遍倾倒杂物,装卡装置主要包括壳体(011)和设置在壳体(011)内的拉块(012);壳体(011)固定在自行小车(5)的底盘上,拉块(012)设置在壳体(011)中部的空腔(013)内且拉块(012)能做向空腔出口方向的移动动作(即图5中的向下方向,空腔出口即图4中的空腔下端),在空腔(013)的靠近出口端的两侧各设置一个凹腔(014),凹腔(014)内设置一根垂直于壳体(011)上表面的且能以自身的轴为轴自转的立杆(015)(也就是说立杆(015)垂直于图5的图面),立杆(015)的上端穿过凹腔(014)上表面后凸出于壳体(011)上表面,立杆(015)的下端与凹腔(014)的底面活动连接;(立杆(015)在转动时,轴向方向固定!立杆(015)与凹腔(014)的底面的连接可以有很多种方式,只需要在现有的方式中选择一种即可,例如最简单的一种,在凹腔(014)的底面设置一根短立柱,然后将立杆(015)设置成一根空心管,该空心管的直径略大于短立柱,然后从壳体(011)上表面的孔中向下插直至穿过壳体(011)上表面后伸进凹腔(014)内,并使得立杆(015)额底部套住短立柱即可!)立杆(015)在凹腔(014)内的部分设置有垂直于立杆(015)的横向摆杆(016),横向摆杆(016)为能够带动立杆(015)转动的结构,横向摆杆(016)的后端固定连接立杆(015),横向摆杆(016)的前端的底部设置有向下延伸的拨动圆柱(017),拨动圆柱(017)垂直于立杆(015);拉块(012)上设置有V形开槽,V形开槽的开口端朝向外侧(即拉块(012)被拉动的方向,如图5所示的下端!),拨动圆柱(017)处在V形开槽的开口范围内且拨动圆柱(017)搭接在V形开槽的开口处的内侧壁,通过拉块(012)的移动,使得V形开槽推动横向摆杆(016)摆动;拉块(012)的外端(即图5中的下端)还设置有T形拉杆,T形拉杆包括固定拉杆(019)和转杆(020),固定拉杆(019)的长度方向与拉块(012)移动方向相同,转杆(020)的长度方向始终与固定拉杆(019)的长度方向垂直,转杆(020)能相对于固定拉杆(019)转动;(转动的方向有多种,例如可以将固定拉杆(019)设置呈带有内螺纹的管状,然后将一根螺栓的下半部份A设置成外螺纹的形式,而上部留有一小部分没有螺纹的部分B,然后将螺栓垂直穿过转杆(020)的中心,并将螺栓的螺纹部分旋拧进固定拉杆(019)内,并使得转杆(020)始终处在螺栓的没有螺纹的部分,并能在该部分上旋转,通过螺栓旋拧进固定拉杆(019)的深度来调整转杆(020)至拉块(012)之间的距离,当然方法有很多,都属于领域公知的常识,这里不再赘述!)
在立杆(015)凸出于壳体(011)上表面的部分设置有夹紧杆(021),夹紧片的前端设置有弧形弹片(022),夹紧杆(021)的后端连接立杆(015),夹紧杆(021)与横向摆杆(016)的位置上下对应,(即夹紧弹片(21)与立杆(015)连接的位置形成上连接点,横向摆杆(016)与立杆(015)连接的位置为下连接点, 上连接点与下连接点之间的连线为一条垂直于壳体(011)上表面的线,即与立杆(015)的轴线平行,也就是说夹紧杆(021)在垂直方向的投影与横向摆杆的垂直向的投影重合,或者说夹紧杆(021)与横向摆杆(016)平行,这样是为了保证横向摆杆摆动的方向幅度与夹紧杆(021)夹紧的方向幅度保持一致!防止因角度差别过大而造成的夹紧不利!)
拉块(012)的内端与空腔(013)之间设置有复位拉簧(018),使得拉块(012)能够在复位拉簧(018)作用下向内移回。
空腔(013)的侧壁设置有滑道(025),拉块(012)的两侧设置伸进滑道(025)内的滑块024,滑块024限位在滑道(025)内移动,以保证其移动的直线性。
在拨动圆柱(017)上套有能以拨动圆柱(017)为轴自转的滚动套或者滚动轮(026)。这样是为了减少与V形开槽侧壁之间的摩擦,方便推动。
当将吸尘器主机内的杂物倾倒之后,将吸尘器主机或主机底部的底座放置于两个弧形弹片(022)之间,横向摆杆(016)的初始状态为图5中所示的八字形结构,即横向摆杆(016)的前端向内倾斜,使得两个横向摆杆(016)前端之间的连线在两个横向摆杆(016)后端连线的内侧(图5中的上为内侧,下为外侧),然后向外(图5中向下)拉动拉块(012),拉块(012)的V形开槽023侧壁推动横向摆杆(016)向外摆动(图5中向下摆动至图6中的状态,)与此同时,夹紧杆(021)也同步向外摆动,这样两个夹紧杆(021)之间的距离逐渐变小,使得弧形弹片(022)夹紧摄像头,弧形弹片(022)是为了使得夹紧力为弹性力,一方面给夹紧力一个缓冲,另一方面防止夹紧对设备造成损坏;当拉到图6所示的状态后,将转杆(020)旋转至与壳体(011)上表面垂直的方向(如图6所示),然后将转杆(020)卡在壳体(011)的侧立面完成临时固定,当需要拆卸吸尘器主机时,拉住转杆(020)并旋转至水平向,然后拉块(012)能够在复位拉簧(018)作用下向内移回,此时,吸尘器夹紧力解除,即可完成拆卸、倾倒。
下面对本发明做进一步的详细说明:
发明所涉及到控制系统包含(参见图1),PLC控制器1作为主控制器与HMI触摸屏2使用Profinet进行通信,可将用户在HMI触摸屏2上设置的输入信息写入PLC控制器1程序中,同时PLC控制器1将其采集到的设备数据输出到HMI触摸屏2上进行显示监控。机器人控制器4通过Profinet与PLC控制器1进行通信;当六轴工业机器人11执行作业时机器人控制器4不直接与自行小车5进行信号交互,都是经由PLC控制器1完成统一调度。用户可通过机器人示教器12对六轴工业机器人11进行本地化的操作如动作点示教、参数更改、逻辑编写、状态及运行作业监控。
自行小车5通过Profinet与PLC控制器1进行通信,用户可以使用HMI触摸屏2通过PLC控制器1对自行小车5的设备状态,如运行速度、运行位置、纠偏信息进行实时的监控,也可以进行对其进行设置如目标运行位置,目标运行速度,目标加减速斜坡等,同时还可在手动或维护模式下对其进行点动操作。自行小车5利用车载的2D激光导航仪实时进行区域轮廓扫描,结合自身相关算法,完成路径规划,实现纠偏定位。这部分功能在自行小车5内部的控制器完成,只对PLC控制器1通讯相关的接口信号及数据。有两台安全区域扫描仪13分别安装在自行小车5的车头与车尾区域,用来检测车体前后的障碍物或人员;单台安全区域扫描仪13的检测范围为±135°,两台的扫描范围可以完全覆车身周围水平面的全部角度范围。两台安全区域扫描仪13的安全输出信号直接接入自行小车5的控制系统,辅助信号接入PLC控制器1。当任意一台安全区域扫描仪13检测到有障碍物体或人体,自行小车5直接作出响应,通过一小段减速距离后,直接关断电机的动力源;自行小车5的电机动力源必须在所有安全检测设备都没有触发的情况下,方可再次接通,确保人员与设备的安全。在自行小车5的四角各安装一个急停按钮14,在维护和调试时如设备突发紧急情况时,方便操作人员及时按下该按钮,可与安全区域扫描仪13实现同样的停车效果和再启动条件。在自行小车5的车身周边装有安全触边15,作为冗余保护措施,一旦任意安全区域扫描仪13故障或失效,仍可为人员和设备提供最后一道防线,其停止与再启动机制与其他安全设备一致。安全区域扫描仪13,急停按钮14,以及安全触边15都将安全信号直接接入自行小车的控制器,只是将其辅助信号接入PLC控制器1用以监控,目的就是保证安全功能的响应速度以及控制关断的可靠性。有两套CO2传感器17安装在自行小车5上,检测被清洗集装箱中的CO2浓度,当检测浓度不达标,一直会在HMI触摸屏2中做出相关提示。
干冰清洗机6用来将干冰原料加工成细小的颗粒,同时空压机8制造产生空气压力通过管路与干冰管路汇合,再通过软管连接至六轴工业机器人11的末端。由于干冰清洗机和空压机可控制的接口比较简单,PLC控制器1通过IO的通讯的方式即可实现控制设备的启停以及报警等信号的采集。在干冰清洗的过程中,会将集装箱内壁污垢带落到地面,采用工业级别的吸尘器7安装在自行小车5的前端,在自行小车5一边行走时一边进行吸尘作业。PLC控制器1同样也是采用简单的IO通讯即可完成对目标的控制。
在干冰清洗的过程中,产生的微型爆炸带走污垢的同时使得干冰升华,将会在集装箱相对密闭的空间内产生大量的CO2,因此在设备所在的集装箱内设有通风系统9,由PLC控制1直接以IO的方式进行控制。
监控器10和显示器3组成独立的监控系统,不受PLC控制器1控制。其中监控器10由网络型监控摄像头和智能硬盘刻录机组成;网络型监控摄像头可支持标准的以太网通信,智能硬盘刻录机集成了交换机和硬盘的功能,内置windows系统,无需配置电脑即可连接至本地甚至是远端的显示器。
上述的电子模块之间的连接均采用常规公知的电路手段进行连接,这里不做赘述!
本发明所涉及到控制系统中的人机界面包含(参见图2),主画面21为最顶层的界面,用来作为进入其他子画面的接口画面。同时在主画面21顶端设有状态栏,显示一些系统状态,如系统时间,实际运行时间,当前任务信息,实际运行节拍等信息。一些安全信号的状态,如区域安全扫描仪13,安全触边15,急停按钮14是否处于触发状态。此状态栏设为全局模板,也就意味着用户在任何子画面中都可监视这些重要信息。
用户管理画面22,用来进行用户的登入和登出,以及用户的权限和密码管理。用户权限分为三级,分别为:操作员,工程师,管理员。其中管理员具有最高的操作权限,可以进行任何操作;操作员作为最低的操作权限只能进行简单的手动操作,不能进行配方的创建和参数的更改。
自行小车画面23,用来显示自行小车的相关状态,如当前实时的速度值,位置值以及对外的接口IO状态等。同时该画面可对自行小车5的参数进行设置,以及手动操作。机器人画面24,主要是为监控六轴工业机器人11与PLC控制器1之间的交互信号,如果六轴工业机器人11运作中非故障停止时,用户可以通过交互信号的状态来判断其停止的逻辑上的原因。清洁设备画面24,其中包括了干冰清洗机6,吸尘器7,空压机8以及通风系统9的状态监控和手动控制功能。配方管理画面26中可对清洗配方进行管理,如更改,创建,删除,保存,导出等功能。运行统计画面27,主要用来显示系统运行日志信息,如完成清洗任务总数,系统运行总时间,无故障运行时间等等。报警管理画面28中会显示当前系统报警和历史报警。当前报警为全局模块,当有报警触发时会弹出,并一直在屏幕的最前端进行显示,除非用户对其进行确认。那些确认但未解决的仍然会存在于报警管理画面28中。
本发明所涉及到控制方法(参见图3),具体如下:
操作人员根据将要清洗的目标集装箱的尺寸,清洁程度等信息,通过HMI触摸屏2进行选择。当具备清洗运行条件时,操作人员将系统选到自动模式后按下系统启动按钮,自动清洗流程开始。PLC控制器1根据操作人员所选配方,设置机器人控制器4中机器人作业中运行速度倍率。同时PLC控制器1控制干冰清洗机6、吸尘器7、空压机8上电运行。PLC控制器1在确认以上步骤执行完毕后,控制自行小车5启动,前进到指定位置后停止。PLC控制器1在接收到自行小车5已停止信号后,根据配方参数调用对应的机器人作业编号,六轴工业机器人11开始进行清扫作业。当六轴工业机器人11运动到喷射起点时,向PLC控制器1输出喷射请求信号。PLC控制器1接收该信号并控制干冰喷头管路的电磁阀导通,机器人一边运动一边进行喷洗,当其运动到喷射终点时PLC以同样的方式进行电磁阀的关闭。当六轴工业机器人11完成单次作业时,PLC控制器1会控制自行小车5继续前进固定距离,同时在前进的过程中,吸尘器7一直处于工作状态。如此循环运行,直到自行小车5判断已经到达行进终点,此时PLC控制器1更换机器人作业号,使六轴工业机器人11进行五个面的喷洗。全部完成后,自行小车5缓慢的一边使用吸尘系统进行清扫一边退出目标集装箱,直至运行到设备集装箱内,整个流程结束。
综上,本发明主要保护的是一种基于工业控制器和人机界面的集装箱自动清洗的控制系统及方法,只是以PLC和HMI触摸屏作为具体实例,实际上工业控制器不仅限于PLC,还包括工业PC等其他具有逻辑编程能力的工业控制器,同样人机界面也不仅限于工业触摸屏,还包括工业PC一体机,工业显示器等其他人机界面终端。

Claims (10)

1.一种基于工业控制器和人机界面的集装箱自动清洗的控制系统,其特征在于:该系统包括PLC控制器(1)、HMI触摸屏(2)、机器人控制器(4)、自行小车(5)、干冰清洗机(6)、吸尘器(7)、空压机(8)和六轴工业机器人(11);
HMI触摸屏(2)、机器人控制器(4)、自行小车(5)、干冰清洗机(6)、吸尘器(7),空压机(8)以及通风系统(9)均连接至PLC控制器(1);
机器人控制器(4)、干冰清洗机(6)、吸尘器(7)和六轴工业机器人(11)均设置在自行小车(5)上,六轴工业机器人(11)设置在自行小车(5)的前端。
2.根据权利要求1所述的基于工业控制器和人机界面的集装箱自动清洗的控制系统,其特征在于:PLC控制器(1)作为主控制器与HMI触摸屏2使用Profinet进行通信,机器人控制器(4)通过Profinet与PLC控制器(1)进行通信;当六轴工业机器人(11)执行作业时机器人控制器(4)不直接与自行小车(5)进行信号交互,都是经由PLC控制器(1)完成统一调度。
3.根据权利要求2所述的基于工业控制器和人机界面的集装箱自动清洗的控制系统,其特征在于:在自行小车(5)上还设置有机器人示教器(12),机器人示教器12连接机器人控制器(4),通过机器人示教器(12)对六轴工业机器人(11)进行本地化的操作如动作点示教、参数更改、逻辑编写、状态及运行作业监控。
4.根据权利要求2所述的基于工业控制器和人机界面的集装箱自动清洗的控制系统,其特征在于:自行小车(5)通过Profinet与PLC控制器(1)进行通信,用户使用HMI触摸屏(2)通过PLC控制器(1)对自行小车(5)的设备状态实时的监控以及对自行小车(5)进行设置;在自行小车(5)上设置有激光定位扫描仪(16),该激光定位扫描仪(16)连接至自行小车(5)的控制系统,激光定位扫描仪(16)为车载的2D激光导航仪,利用该车载的2D激光导航仪实时进行区域轮廓扫描,通过自行小车(5)自身的控制系统结合自身相关算法,完成路径规划,实现纠偏定位。
5.根据权利要求2所述的基于工业控制器和人机界面的集装箱自动清洗的控制系统,其特征在于:在自行小车(5)的车头与车尾区域安装有用来检测车体前后的障碍物或人员的安全区域扫描仪(13),单台安全区域扫描仪13的检测范围为±135°,两台的扫描范围完全覆车身周围水平面的全部角度范围;两台安全区域扫描仪(13)的安全输出信号直接接入自行小车(5)的控制系统,辅助信号接入PLC控制器(1);自行小车(5)的控制系统连接至自行小车(5)的驱动电机和减速刹车系统,当任意一台安全区域扫描仪(13)检测到有障碍物体或人体,自行小车(5)的控制系统控制自行小车(5)通过一小段减速距离后,直接关断电机的动力源。
6.根据权利要求2所述的基于工业控制器和人机界面的集装箱自动清洗的控制系统,其特征在于:在自行小车(5)的四角各安装一个急停按钮(14),急停按钮(14)连接至自行小车(5)的控制系统;
在自行小车(5)的车身周边装有安全触边(15);
在自行小车(5)上设置有两套CO2传感器(17),其位置只要满足能够检测到被清洗集装箱中的CO2浓度的位置即可,CO2传感器(17)连接至PLC控制器(1)。
7.根据权利要求2所述的基于工业控制器和人机界面的集装箱自动清洗的控制系统,其特征在于:干冰清洗机(6)的干冰管路与空压机(8)的压力空气管路会和之后延伸至六轴工业机器人(11)的末端的干冰喷头管路的电磁阀导通,通过六轴工业机器人(11)喷出;干冰喷头管路处设置有电磁阀,电磁阀连接至PLC控制器(1);
吸尘器(7)的吸头设置在自行小车(5)的前端底部,在该系统所在的集装箱内设有通风系统(9)。
8.根据权利要求7所述的基于工业控制器和人机界面的集装箱自动清洗的控制系统,其特征在于:吸尘器(7)的主机通过装卡装置设置在自行小车(5)的底盘上,装卡装置主要包括壳体(011)和设置在壳体(011)内的拉块(012);拉块(012)设置在壳体(011)中部的空腔(013)内且拉块(012)能做向空腔出口方向的移动动作,在空腔(013)的靠近出口端的两侧各设置一个凹腔(014),凹腔(014)内设置一根垂直于壳体(011)上表面的且能以自身的轴为轴自转的立杆(015),立杆(015)的上端穿过凹腔(014)上表面后凸出于壳体(011)上表面,立杆(015)的下端与凹腔(014)的底面活动连接;立杆(015)在凹腔(014)内的部分设置有垂直于立杆(015)的横向摆杆(016),横向摆杆(016)为能够带动立杆(015)转动的结构,横向摆杆(016)的后端固定连接立杆(015),横向摆杆(016)的前端的底部设置有向下延伸的拨动圆柱(017),拨动圆柱(017)垂直于立杆(015);拉块(012)上设置有V形开槽,V形开槽的开口端朝向外侧,拨动圆柱(017)处在V形开槽的开口范围内且拨动圆柱(017)搭接在V形开槽的开口处的内侧壁,通过拉块(012)的移动,使得V形开槽推动横向摆杆(016)摆动;拉块(012)的外端还设置有T形拉杆,T形拉杆包括固定拉杆(019)和转杆(020),固定拉杆(019)的长度方向与拉块(012)移动方向相同,转杆(020)的长度方向始终与固定拉杆(019)的长度方向垂直,转杆(020)能相对于固定拉杆(019)转动;
在立杆(015)凸出于壳体(011)上表面的部分设置有夹紧杆(021),夹紧片的前端设置有弧形弹片(022),夹紧杆(021)的后端连接立杆(015),夹紧杆(021)与横向摆杆(016)的位置上下对应;
拉块(012)的内端与空腔(013)之间设置有复位拉簧(018),使得拉块(012)能够在复位拉簧(018)作用下向内移回;
在拨动圆柱(017)上套有能以拨动圆柱(017)为轴自转的滚动套或者滚动轮(026)。
9.根据权利要求2所述的基于工业控制器和人机界面的集装箱自动清洗的控制方法,其特征在于:
控制方法具体如下:
操作人员根据将要清洗的目标集装箱的尺寸,清洁程度等信息,通过HMI触摸屏(2)进行选择;当具备清洗运行条件时,操作人员将系统选到自动模式后按下系统启动按钮,自动清洗流程开始;PLC控制器(1)根据操作人员所选配方,设置机器人控制器(4)中机器人作业中运行速度倍率;
同时PLC控制器(1)控制干冰清洗机(6)、吸尘器(7)、空压机(8)上电运行;PLC控制器(1)在确认以上步骤执行完毕后,控制自行小车(5)启动,前进到指定位置后停止;PLC控制器(1)在接收到自行小车(5)已停止信号后,根据配方参数调用对应的机器人作业编号,六轴工业机器人(11)开始进行清扫作业;当六轴工业机器人(11)运动到喷射起点时,向PLC控制器(1)输出喷射请求信号;PLC控制器(1)接收该信号并控制干冰喷头管路的电磁阀导通,机器人一边运动一边进行喷洗,当其运动到喷射终点时PLC以同样的方式进行电磁阀的关闭;当六轴工业机器人(11)完成单次作业时,PLC控制器(1)会控制自行小车(5)继续前进固定距离,同时在前进的过程中,吸尘器(7)一直处于工作状态;如此循环运行,直到自行小车(5)判断已经到达行进终点,此时PLC控制器(1)更换机器人作业号,使六轴工业机器人(11)进行五个面的喷洗;全部完成后,自行小车(5)缓慢的一边使用吸尘系统进行清扫一边退出目标集装箱,整个流程结束。
10.根据权利要求2所述的基于工业控制器和人机界面的集装箱自动清洗的控制方法,其特征在于:HMI触摸屏(2)内的人机界面包含主画面(21),该主画面(21)为最顶层的界面,用来作为进入其他子画面的接口画面;同时在主画面(21)顶端设有状态栏,显示一些系统状态,一些安全信号的状态,此状态栏设为全局模板,也就意味着用户在任何子画面中都可监视这些重要信息;
用户管理画面(22),用来进行用户的登入和登出,以及用户的权限和密码管理;
用户权限分为三级,分别为:操作员,工程师,管理员;
其中管理员具有最高的操作权限,能进行任何操作;操作员作为最低的操作权限只能进行简单的手动操作,不能进行配方的创建和参数的更改;
自行小车画面(23),用来显示自行小车的相关状态,同时,该画面能对自行小车(5)的参数进行设置,以及手动操作,机器人画面(24),主要是为监控六轴工业机器人(11)与PLC控制器(1)之间的交互信号,如果六轴工业机器人(11)运作中非故障停止时,用户能通过交互信号的状态来判断其停止的逻辑上的原因;清洁设备画面(24),其中包括了干冰清洗机(6),吸尘器(7),空压机(8)以及通风系统(9)的状态监控和手动控制功能;配方管理画面(26)中可对清洗配方进行管理,运行统计画面(27),主要用来显示系统运行日志信息,报警管理画面(28)中会显示当前系统报警和历史报警;当前报警为全局模块,当有报警触发时会弹出,并一直在屏幕的最前端进行显示,除非用户对其进行确认;那些确认但未解决的仍然会存在于报警管理画面(28)中。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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