基于PLC的塑料家居制品生產線控制系統設計

馮玉爽，董磊，李豐振，李剛民，王仲民

（1.天津職業技術師范大學 機械工程學院，天津 300222；2.禧天龍科技發展有限公司，天津 300000）

0 引言

目前，塑料家居制品的生產往往需要多臺或單臺注塑機分散性單一生產，再依靠人工或機械手將產品取出，這一過程中產品容易出現收縮、溢邊、黑條、龜裂等缺陷[1]。在塑料家居制品裝配包裝過程中，主要依靠人工操作，生產效率很低，產品質量穩定性較差，自動化程度很低，存在控制與調速不夠靈活等問題。隨著機器人技術的發展和產品質量要求的提高，工業機器人在生產線控制系統中得到了越來越廣泛的應用，主要集中在裝配、焊接、噴涂及分揀等行業中[2-3]。隨著信息與自動化技術的快速發展，現場總線控制技術、PLC控制技術和機器人技術的有機結合，實現數據信息的實時交換和控制指令收發，在工業自動化控制系統中得到廣泛應用[4-5]。隨著現場總線控制技術、PLC控制技術、工業機器人技術、機器視覺、AGV自動導航車、無人化立體倉庫等自動化技術在工業自動化生產線中的組合應用，工廠生產線控制系統的自動化水平、可靠性和穩定性大幅提升，生產效率和產品質量進一步提高。

為了提高塑料家居制品生產線控制系統的穩定性和優化產品生產節拍，本文介紹一種基于工業以太網總線技術、PLC控制技術和機器人技術的自動化生產線網絡化電氣控制在塑料家居制品生產線控制系統中的應用。

1 塑料家居制品智能制造生產線及工藝流程

塑料家居制品生產線控制系統主要由工業機器人裝配貼標工作站系統、匯流后識別系統、捆扎包裝系統、碼垛機器人系統、AGV自動導航車系統、無人化立體倉庫系統和PLC電氣控制和通信系統等組成。

1.1 塑料家居制品生產線控制系統硬件部分

1.1.1 工業機器人裝配貼標工作站系統

工業機器人裝配貼標工作站系統可實現塑料家居制品從注塑機注塑成型出來后自動裝配把手組件、輪子組件、粘貼標簽/條碼、次品識別/剔除和成品輸出至主輸送線的功能。該系統可同時兼容7種不同型號塑料家居制品的自動化生產，單臺工業機器人裝配貼標系統的工作效率在23.5～30.0 s/只，大幅提高了生產效率和產品合格率。

工業機器人裝配貼標工作站系統的視覺識別系統由智能相機、光源控制器、光源和鏡頭等硬件組成，應用改進的圖像二值化算法對塑料家居制品多組件裝配過程狀態識別，實現多組件上下料、自動抓取、定位組裝、商標粘貼、視覺檢測等多工序協同裝配。投擲機構將把手組件投擲到抓取工作臺，輪子振動盤將輪子組件傳送到工作臺，機器視覺系統對其進行信號采集和算法處理，然后進行抓取和擺放，再進行組件的壓合處理。標簽粘貼在塑料家居制品中間位置或右邊位置，且距離箱口的高度誤差不超過5 mm，貼標效果應平整、無褶皺、無氣泡。

1.1.2 塑料家居制品匯流后識別系統

匯流后識別系統可實現對塑料家居制品標簽/條碼的識別和處理。CCD攝像頭對堆疊好的塑料家居制品進行標簽識別，識別無誤的塑料家居制品進入套袋機內進行套袋處理，同時將識別的信息通過顯示屏告知人工或自動揀選對應的天地蓋及箱蓋型號和數量，而無法識別的塑料家居制品剔除警報后等待人工處理。

匯流后識別系統的顯示屏每次只顯示1條信息，指示燈與屏幕顯示信息同步。當人工把取出的天蓋、地蓋放至天地蓋緩存線時，光電感應后會自動認為當前屏幕顯示指令完成，清除屏幕信息或更新至下一條信息，執行機構進行下一步動作。

1.1.3 塑料家居制品捆扎包裝系統

捆扎包裝系統可實現對堆疊后的塑料家居制品成品進行捆扎包裝處理。首先將加裝好天地蓋和箱蓋的塑料家居制品成品經傳送帶輸送至捆扎系統第一工位，對其進行一次捆扎處理；然后將經過一次捆扎處理的塑料家居制品傳送到十字轉位機構處進行轉位處理；最后經轉位處理的塑料家居制品傳送到捆扎系統第二工位，對其進行第二次捆扎處理。

1.1.4 AGV自動導航車系統

AGV 自動導航車系統負責將捆扎包裝好的塑料家居制品成品輸送至無人立體倉庫輸送帶上。控制系統中選用海康威視潛伏系列導航車，該導航車采用慣性導航、視覺導航等技術實現精確定位；采用雙輪差速驅動，支持前進、后退、旋轉等運動控制，運動過程平滑柔順；支持多等級電量閥值控制，低電量時自主充電，完成充電后自主返回工作。具備前置攝像頭和前置激光避障，支持前遠/近距離檢測，前/后雙層碰撞檢測，前/后急停等多級安全防護[6]，實現在成品輸送過程中安全可靠的運動控制。

1.1.5 無人化立體倉庫系統

無人化立體倉庫系統主要由高層貨架、托盤、巷道式堆垛機及出入庫輸送系統等部分組成，實現對來自塑料家居制品生產車間的不同型號的產品進行自動存儲。通過對塑料家居制品箱體上的標簽/條碼進行識別，確定塑料家居制品的存儲位置，實現存取操作。

1.2 塑料家居制品智能制造生產線工藝流程

塑料家具制品智能制造系統旨在將注塑機注塑成型出來后的塑料家居制品輸送到裝配貼標工作站，實現塑料家居制品的把手組件裝配、輪子組件裝配、標簽粘貼、次品識別及剔除，然后將成品堆疊后進行輸送。堆疊后的塑料家居制品經匯流識別后，對其進行套袋、加天地蓋和箱蓋，再由捆扎包裝系統對其進行捆扎包裝處理。捆扎包裝后的塑料家居制品自動傳遞至AGV自動導航車，并經過AGV自動導航車輸送到無人倉庫輸送線。塑料家居制品智能制造控制系統由主控CPU 314C-2DP PLC協調工業機器人、無人立體倉庫系統、機器視覺系統、AGV自動導航車系統、捆扎包裝系統及塑料家居制品生產線控制系統實現數據信息交換和控制指令收發，實現塑料家居制品的全自動化生產，其生產工藝流程如圖1所示。

圖1 塑料家居制品生產工藝流程圖

2 PLC電氣控制與通信系統設計

2.1 PLC電氣控制系統

電氣控制系統由CPU 314C-2DP PLC通過工業以太網總線通信進行系統控制，完成對變頻器、電動機、傳感器、電磁閥、工業機器人、觸摸屏、行程開關和限位開關等各種外設的通信控制工作。人機界面采用觸摸屏編制和交互人機界面，完成塑料家居制品的生產管理、狀態管理和維護管理等工作。CPU 314C-2DP PLC除控制塑料家居制品生產線控制系統外，還通過工業以太網通信控制協調輸送帶系統、工業機器人裝配貼標工作站系統、AGV自動導航車系統、無人化立體倉庫系統、碼垛機器人系統及捆扎包裝系統等，PLC電氣控制系統如圖2所示。

圖2 塑料家居制品智能制造系統電氣控制系統圖

2.2 工業以太網通信系統設計

工業以太網是基于以太網技術和TCP/IP技術開發出來的一種工業通信網絡，簡單來說，工業以太網就是在工業控制系統中使用的以太網。工業以太網是符合IEEE802.3標準，按照IEEE802.1D“媒體訪問控制網橋”規范和IEEE802.1Q“局域網虛擬網橋”規范，對其沒有進行任何實時擴展而實現的以太網[7]。

基于工業以太網的塑料家居制品生產線控制系統主要由信息管理層、網絡傳輸層、傳感檢測及執行機構層等組成[8]。信息管理層包括數據信息的交換、傳遞和記錄，實現對塑料家居制品把手、輪子組件裝配、標簽/條碼粘貼等自動化生產工藝參數的管理；裝配貼標工作站系統、AGV自動導航車系統、無人化立體倉庫系統、碼垛機器人系統及捆扎包裝系統控制指令的發送等。網絡傳輸層通過工業以太網交換機設備完成塑料家居制品自動化控制網絡系統的數據傳輸，實現操作人員在網絡現場對工業機器人裝配貼標工作站系統、AGV自動導航車系統、無人化立體倉庫系統、碼垛機器人系統及捆扎包裝系統等的檢查、維護和管理。傳感監測及執行機構層通過傳感檢測設備，對塑料家居制品自動化生產工藝流程中的把手、輪子組件裝配、標簽/條碼粘貼、輸送帶傳送等工藝參數進行實時檢測，并通過工業以太網通信實現數據信息的傳輸和接收來自主控CPU 314C-2DP PLC的控制指令，實現對塑料家居制品的質量檢測、裝配貼標、包裝處理及輸送等工藝流程的遠程控制。

3 結論

本文提出基于工業以太網總線技術、PLC控制技術和機器人技術的網絡群控技術在塑料家居制品生產線系統中的應用，得到如下結論：1）根據塑料家居制品生產線系統的工藝流程與自動化控制要求，設計基于工業以太網總線技術、PLC控制技術和機器人技術的自動化生產線控制系統；2）設計以西門子CPU314C-2DP PLC為主控PLC的工業以太網通信控制系統，介紹了基于工業以太網的PLC與輸送帶系統、裝配貼標工作站系統、AGV自動導航車系統、無人化立體倉庫系統、碼垛機器人系統及捆扎包裝系統的網絡通信自動化解決方案；3）通過工業以太網現場總線技術進行設備聯網, 實現塑料家居制品生產線系統與AGV自動導航車系統、無人化立體倉庫系統、碼垛機器人系統及捆扎包裝系等控制設備進行協同控制與數據交換，提高了生產和網絡管理自動化水平和系統穩定性，提高了生產效率和產品合格率。