基于智能制造應用技術的各模塊互聯互通技術解析

劉宏 丘建雄 李冬 惠州市技師學院

1、 引言

智能制造加工單元集自動化立體倉庫系統、運動控制系統、PLC 控制系統、七軸工業機器人、數控機床、智能檢測系統（無線測頭）、MES 系統、可視化系統和工業物聯網絡于一體，涉及智能控制技術、數控技術、工業機器人應用技術、機電一體化技術、自動化技術、計算機應用技術、軟件技術、工業工程技術、檢測技術等專業的知識。其中，數控加工設備與工業機器人及西門子S7-1200PLC 的互聯互通采用Modbus 通訊方式，其基于工業物聯網的通訊模式架構有其特殊性和構成復雜性。下面基于加工單元技術平臺的整體結構進行通訊拓撲框架分析及技術解析。

2、 智能制造加工單元技術平臺總體框架

智能制造應用技術加工單元技術平臺總體設備布局圖如下圖1所示，各設備按照如下順序調試互聯。

圖1 智能制造加工單元設備組成結構圖

首先，進行七軸工業機器人夾具、氣動部件等外部設備的安裝與調試，進行工業機器人（含外部軸第七軸）與數控機床、立體倉庫等設備之間動作的編程和調試。

其次，基于PLC 控制系統完成智能制造單元主要設備間的互聯、編程和調試。實現工業機器人從立體倉庫取出待加工毛坯（先讀取RFID 數據，然后再取工件），送至數控機床，加工、在線測量后，再由工業機器人送回立體倉庫規定的倉位中，并更新RFID 數據。實現智能制造單元中各設備的安全、協調運行。

然后，調試MES 系統與主控PLC、數控車床、加工中心以及立體倉庫的通信，使運行數據（機床狀態、機器人狀態、料庫狀態以及產品RFID 數據信息等）通過MES 系統，在可視化系統上顯示。完成機內攝像頭的功能調試，實現與MES 的通信，在看板上顯示數控車床和加工中心的實時加工視頻。

最后，依據BOM 中的數據在MES 系統中對現場加工零件任務進行排產和工單下達，完成規定零部件的加工與生產、質量檢測、刀具補償。能夠通過MES 系統實現生產數據管理、報表管理、智能看板管理等任務。根據具體生產任務要求，對加工零件指定的尺寸進行在線檢測，實現生產過程質量追溯，能夠結合MES 系統進行數據采集并實現零件工藝優化與實施及質量改進。

3、 智能制造加工單元各模塊互聯互通關鍵技術分析

基于智能制造應用技術加工單元中各模塊互聯互通的拓撲圖如下圖2 所示。

圖2 智能制造加工單元通訊原理拓撲圖

首先，以PLC為核心模塊作為工業控制物聯中的核心控制器，將其分配為ID：1；以機器人模塊作為工業控制物聯網中的中轉執行器，將其分配為ID：2；以MES 模塊作為工業控制物聯網拓撲的分布式觸發器，將其分配為ID：3；以數控加工設備（CNC、Lathe）作為工業控制物聯中的加工執行器，將其分配為ID：4、 ID：5；以RFID 模塊作為工業控制物聯網中的檢測控制器，將其分配為ID：6。

其次，在西門子S7-1200 PLC 作為服務器，MES 作為客戶端的時候兩者采用Modbus TCP/IP 通訊模式，按照固定的通訊約定模式實現生產管控軟件與核心控制器的通訊連接，實現制造數據管理、計劃排產管理、生產調度管理、庫存管理、質量管理、項目看板管理、生產過程控制、底層數據集成分析、上層數據集成分解等模塊管理。

另外，當七軸機器人作為服務器，PLC 作為客戶端，兩者通過Modbus TCP/IP 通訊模式，通過PLC 中轉將MES 的控制指令發送給機器人進行上下料操作；作為加工單元的執行器數控設備CNC 和Lathe 采用Profinet I/O 模式，通過硬件接線與核心控制器PLC 相互連接，從而實現基本硬件控制（如防護門、卡盤、臺虎鉗、零點夾具）；立體倉庫上的RFID 與PLC 和MES 采用RS485 串口通訊模式，利用射頻傳感功能中讀、寫信息的功能，實現料倉中物料生產狀態的改變的實時顯示（無料、毛坯、加工中、合格品、不合格品）。

最后，通過TIA 軟件通訊模塊的調試，實現各模塊的互聯互通，最終實現智能化加工單元的生產管控。

4 結論

本設備平臺應用智能制造加工單元進行機械零件的生產加工，結合智能制造關鍵技術裝備，運用智能制造基礎關鍵技術實現“生產精益化+設備自動化+管理信息化+人員高效化”。主要包含：智能制造系統架構、零件數字化設計與編程、機器人（含第七軸）編程、智能制造控制系統的聯調、零件智能加工與生產管控等幾項設備調試任務。各模塊間通訊采用工業物聯網現場總線Modbus 基本通訊模式，結合串口通訊、Profinet TCP/IP 通訊，將數控機床與工業機器人、RFID 智能傳感與控制裝備PLC、智能檢測與裝配裝備、智能物流與倉儲裝備等進行互聯互通，從而最終實現產品加工的智能制造。