工業控制柜智能裝配生產線控制系統研制

鄭國良，馬千里，牛建濤，武藝詠，楊洪濤

（鄭州機械研究所有限公司，鄭州 450052）

0 引言

自動化裝備是實現工業自動化的重要智能裝備，是實現智能制造的必備手段。工業控制柜作為自動化裝備的重要組成部分，是裝備高效可靠的完成既定任務的控制中心。在全球推進工業自動化的浪潮中，各類工業控制柜的生產需求大大增加[1]。國內人口紅利消失所引起的勞動力成本激增，給復雜工業控制柜的批量化生產帶來了巨大挑戰。

在傳統的工業控制柜單臺小批量生產過程中，機柜線纜的制作、布置和連接往往需要經驗豐富的操作人員通過人工識圖接線的方式完成。首先，按元器件布局圖在安裝板上安裝導軌、線槽及各類元器件；然后，對照電氣原理圖，根據經驗依次完成每根線纜的布線路徑規劃、線纜制作、布線和接線。在此過程中，每根線纜都需要多次裁剪才能獲得合理的長度，裁線、剝線、打線號、線鼻子壓接等操作都是單人手工完成的。顯然，這種控制柜生產方式存在以下問題：1）對操作人員要求高。該生產方式要求操作人員專業知識扎實且工作經驗豐富，不宜降低勞動成本。2）生產效率低下。線纜制備基本上是單人手動完成的，效率低且勞動強度大。3）資源浪費嚴重。接線過程中，幾乎每一根線纜都會造成浪費。4）難以批量化生產。該生產方式操作流程繁瑣，產出的控制柜一致性較差，檢驗維修不便。

針對工業控制柜批量化生產的迫切需求，以及以人工識圖接線為主的傳統生產方式的諸多缺點和不足，借鑒計算機輔助制造（CAM）、集成制造（CIM）、智能制造（IM）的生產思路[2,3]，在對Eplan軟件設計的工業控制柜三維電氣模型數據進行二次開發的基礎上，集成各種自動化裝備，設計了一種工業控制柜智能裝配生產線并開發了相應的控制系統，實現了復雜工業控制柜批量化生產過程的智能化、流程化、可視化和高度自動化，對改善勞動力結構、降低人力成本、提高產品生產效率、保障生產質量具有重要意義。

1 生產線總體方案

工業控制柜智能裝配生產線在控制柜的生產過程中引入自動化控制技術，集成了觸摸屏、全自動制線機、傳送裝置等自動化設備，實現了制線環節自動化、布線環節可視化、接線環節規范化，達到了保證工業控制柜生產質量、提高工業控制柜生產效率、降低對作業人員專業水平要求的目的。

生產線的總體方案如圖1所示，構建包括控制中心、制線中心、接線中心在內的工業控制柜智能裝配系統。控制中心由一臺工控機構成，統籌整個生產線的制線接線工作。制線中心的全自動制線機集成了多臺裁剝線機、線號機、線鼻子分選裝置、打端機等自動化制線裝備，可自動加工出指定線號、線徑、顏色、長度和線鼻子型號的定制化線纜。接線中心由若干個人機交互布線接線工位構成，主要完成控制柜安裝板的布線接線工作。

圖1 生產線總體方案

生產線的工作流程如圖2所示。接線工位啟動后按自身接線進度向控制中心發送下一組線纜的制線請求，控制中心根據接線中心各工位制線請求的先后順序向制線中心發布制線任務，制線中心的全自動制線機自動制備線纜，完成一組線纜制作后通過傳送裝置將線纜傳送至相應的接線工位，接線工位收到線纜后按照本工位觸摸屏指示有序的完成布線接線操作，并自動向控制中心發送下一組線纜的制線請求，從而構成一個高效有序的閉環系統。

圖2 生產線工作流程圖

2 控制系統硬件設計

生產線控制系統由工業PC機、Beckhoff嵌入式控制器、觸摸屏一體機、全自動制線機、線纜分揀裝置、線纜傳送裝置、按鈕、指示燈、接近開關等組成，如圖3所示。該系統采用上、下位機結構，上位機是工業PC機，下位機是Beckhoff嵌入式控制器。工控機控制整個生產線的制線、接線進程，與觸摸屏、嵌入式控制器建立通訊，發布相應的控制命令并接收其反饋。各接線工位觸摸屏指導工人進行線纜的布置和連接，并根據接線進度向工控機發送制線請求。嵌入式控制器接收來自工控機的命令，控制全自動制線機、傳送裝置等完成線纜制作、分揀和傳送，并向工控機各種外設的輸入狀態。

圖3 生產線控制系統硬件拓撲結構

硬件接口部分。工控機與嵌入式控制器及各觸摸屏之間均通過以太網技術實現通信連接，通過RJ45接口輔以多口交換機實現工控機與嵌入式控制器及各觸摸屏之間穩定快速的通訊回路。嵌入式控制器與全自動制線機之間通過串口技術實現通信連接，按制線機提供的協議向其發送制線命令及查詢命令，并接收其反饋信息；與其他外設之間基于EtherCAT總線技術通過分布式I/O實現連接[4]。

3 控制系統操作軟件開發

3.1 控制系統操作軟件開發概述

1）LabVIEW軟件平臺。LabVIEW是由美國國家儀器(NI)公司開發的圖形化編程環境，擁有強大的數據采集與處理功能，具有豐富的軟硬件接口和驅動軟件，可與大多數主流的測試儀器、數據采集設備、實時操作系統以及嵌入式設備無縫集成[5,6]。本文采用LabVIEW軟件編寫了工業控制柜智能裝配生產線控制系統的操作軟件，實現了工控機與各觸摸屏及嵌入式控制器等外設接口建立通訊、工控機與各觸摸屏訪問本地或遠程數據庫、制線進程控制、系統狀態查詢、接線指示等功能。

2）工控機-觸摸屏通訊接口開發。LabVIEW軟件平臺的數據通信模塊中提供了用于與TCP網絡上的設備進行交互的TCP VI和函數[7]，本文據此開發了工控機與各觸摸屏進行數據交互的通訊接口模塊，系統網絡結構為C/S構架，包括運行在工控機上的服務器模塊和運行在各觸摸屏上的客戶端模塊。

服務器模塊的程序結構如圖4所示，程序運行后，清除客戶端列表并通過創建TCP偵聽器函數創建一個偵聽器引用，用于檢查新的客戶端連接；通過等待TCP偵聽器函數掃描網絡上的客戶端，并更新客戶端列表；如果網絡上存在客戶端，通過讀取TCP數據函數按客戶端列表順序依次讀取該客戶端發送到網絡上的TCP數據，并按自定義的協議處理數據后獲得各觸摸屏的反饋及請求信息，同時按自定義的協議將工控機的命令及響應信息處理成字符串，通過寫入TCP數據函數發送至該客戶端，否則，繼續掃描客戶端。

圖4 服務器模塊控制流程圖

客戶端模塊的程序框圖如圖5所示。工控機上的服務器模塊運行后，在正確配置服務器IP地址以及端口號的情況下，運行該客戶端模塊，通過打開TCP連接函數獲取服務器模塊的連接ID，通過讀取TCP數據函數讀取工控機發送至本客戶端的TCP數據，根據自定義協議進行處理后得到服務器發送至本觸摸屏的命令及響應信息，同時按自定以的協議將客戶端的反饋及請求信息處理后，通過寫入TCP數據函數發送至工控機。

圖5 客戶端模塊程序框圖

3）工控機-嵌入式控制器通訊接口開發。ADS通訊是Beckhoff公司定義的一種專門協議，用于TwinCAT設備之間的非周期性通訊[8]。在工控機上安裝TwinCAT開發環境，就可以通過LabVIEW調用TwinCAT提供的接口文件TcAdsDll.dll來訪問PLC程序中的變量，具體流程如圖6所示。首先調用AdsPortOpen()函數打開ADS端口，然后調用AdsSyncReadWriteReq()函數（nIndexGroup=F003）根據PLC程序中的變量名獲取該變量的句柄，在程序運行過程中可以調用AdsSyncReadReq()函數（nIndexGroup=F005）或AdsSyncWriteReq()函數（nIndexGroup=F005）通過句柄對變量進行讀寫，退出程序時調用AdsSyncWriteReq()函數（nIndexGroup=F006）釋放變量句柄，最后調用AdsPortClose()函數關閉ADS端口。

圖6 工控機訪問PLC變量流程圖

4）線纜數據。Eplan是一款可用于多領域設計的軟件平臺，應用范圍廣泛，平臺包括Electric P8和ProPanel模塊。Electric P8用于電氣原理圖的設計，Pro Panel主要面向機箱機柜等柜體的設計[9～11]。借助Eplan軟件平臺完成控制柜電氣原理圖以及三位裝配設計，并對平臺導出數據進行二次開發，可獲得了控制柜的線纜數據。

在確定了工業控制柜電氣系統具體參數以及電器元件型號后，首先通過Electric P8模塊進行控制柜的原理圖設計，正確定義導線的線徑、顏色、連接點、線鼻子類型以及連接類型等信息。然后，在ProPanel中進行控制柜三維裝配的設計，合理布置導軌、線槽以及元器件。接著，通過自動布線和手動布線相結合的方法進行合理的線纜布置。最后，在Eplan標簽中設置參數及順序的導出模板，并按模板導出線纜連接數據。鑒于Eplan軟件導出的數據可讀性較差，本文編寫LabVIEW程序對導出數據進行提取和處理，獲得了較為直觀的線纜數據。線纜數據包含了接線順序、線纜長度、線徑、顏色、連接點位置、線鼻子類型、布線路徑、連接屬性等信息，可用于指導制線和布線接線。

5）數據庫。數據庫是工業控制柜智能裝配生產線控制系統操作軟件的重要組成部分，存儲了生產線運行過程中所涉及到的安裝板線纜信息、接線進程、制線進程、故障列表等數據，存儲在工控機上，允許工控機及各觸摸屏訪問，但只允許工控機改寫。數據庫構成如表1所示，機柜xx前（后）安裝板線纜信息錄入了該安裝板上所有線纜的詳細信息，線纜按分組和組內序號加以區分，編序方法充分考慮了安裝板上線纜布接的實際情況以及制線中心制線速度與接線中心布線接線速度的匹配情況，以實現生產線生產效率最大化；安裝板信息記錄了各安裝板上線纜的最大組數，用以判斷接線工位是否完成安裝板接線；制線內容及進度記錄了制線中心當前的制線任務及完成進度，用于制線中心初始化；接線內容及接線進程記錄了接線中心各工位當前的接線任務及進度，用于接線中心各工位初始化；請求記錄包含了接線中心各工位的線纜請求及響應情況，便于在后續階對接線環節進行查詢；故障列表記錄了生產線運行過程中發生的所有故障；員工信息包含了車間所有操作人員的工號及權限，員工在登陸軟件及配置相關功能時首先需要進行合法性校驗。

表1 工業控制柜智能裝配線控制系統數據庫構成

6）工控機及觸摸屏訪問數據庫接口。通過數據庫進行生產線運行數據的存儲和管理，能夠大幅降低操作軟件中數據查詢、更新、增刪等功能模塊的復雜程度，增強程序的可讀性。本文選用美國Microsoft公司推出的關系型數據庫管理系統SQL Server進行生產線數據的存儲，并開發了本地及遠程訪問數據庫接口，實現了工控機及各觸摸屏并發訪問數據庫的功能[12]。首先，建立并配置UDL（通用數據連接）文件，該文件存儲了OLE DB連接信息，包括鏈接的提供程序、服務器名稱、用戶名、密碼、服務器上的數據庫名稱以及訪問權限等。然后通過LabVIEW軟件平臺的互聯接口模塊下DataBase選板中提供的DB Tools Open Connection VI獲取數據庫的連接。在程序運行過程中，調用該選板中的DB Tools Select Data、DB Tools Update Data、DB Tools Insert Data、DB Tools Delete Data等VI對連接的數據進行查詢、更新、增刪等操作。在終止程序運行時，通過DB Tools Close Connection VI關閉數據庫連接。

3.2 控制中心操作軟件

控制中心操作軟件的主要功能是實現人機交互和制線進程控制。

1）人機交互界面。控制中心操作軟件提供了生產線系統狀態監控界面，如圖7所示。生產線管理人員可以查看接線中心各接線工位的運行狀態、接線進度和線纜請求情況、制線中心各制線機的制線進度、生產線運行過程中所出現的故障等信息。

圖7 控制中心操作軟件人機交互界面

2）制線進程控制。控制中心接收接線中心各工位的制線請求并規劃制線任務，發送制線命令至全自動制線機完成線纜制作，通過嵌入式控制器控制線纜分揀裝備和輸送裝備進行線纜分揀和傳輸，在接線中心收到線纜后，更新接線中心觸摸屏信息以指導接線人員進行布線接線操作。

生產線運行過程中接線中心各工位向控制中心發送的制線請求有兩類，如圖8所示。當接線工位開始一塊新安裝板的接線操作或收到制線中心傳送過來的線纜后，會根據接線進度向控制中心發送下一組線纜的制線請求，控制中心按各工位的請求順序存儲該正常請求；接線人員在接線過程中，若發現某根線纜有問題，會向控制中心發送該線纜的制線請求，控制中心按工位存儲該實時請求。

圖8 接線中心制線請求示例

制線進程控制流程如圖9所示，生產線啟動后，控制軟件根據數據庫中的記錄恢復上一次關機時的狀態。若系統存在正常制線請求，則按照先進先出的原則從正常請求列表提取一條制線請求，同時追加該工位的所有實時制線請求，構成制線任務列表。然后觸發線纜分揀控制程序驅動導流裝置至該工位傳送裝置的線纜放置盒上方。接著向嵌入式控制器發布本組線纜中第一根線纜的制線命令，并等待制線完成。當查詢到嵌入式控制器的制線完成反饋后，發布下一根線纜的制線命令。當任務列表中的線纜全部制作完成后，觸發線纜傳送控制程序將線纜傳送至相應的接線工位。只有當一組線纜制作完成并傳送至相應的接線工位后，才允許退出此程序。

圖9 制線進程控制流程圖

3.3 人機交互布線接線操作軟件

人機交互布線接線操作軟件主要用以指導接線人員進行布線接線操作并進行接線進程控制。

1）布線路徑指示功能模塊開發。布線路徑指示是人機交互布線接線操作軟件的核心功能，實現方法如圖10所示。根據控制柜各安裝板上線槽及元器件布局布置布爾顯示控件矩陣，路徑字符串中包含了線纜起點、拐點、終點的位置信息。程序運行時，先隱藏界面上用以指示路徑的布爾顯示控件，并構建布爾顯示控件的引用句柄矩陣。在顯示某根線纜的布線路徑時，根據布爾顯示控件的布局以及線纜路徑字符穿中各關鍵點的位置信息，計算出布線路徑上所有布爾顯示控件的索引值，通過控件引用句柄更改布爾顯示控件屬性，將其可見性設置為可見，就可以顯示當前線纜的布線路徑。

圖10 布線路徑顯示方法

2）人機交互界面。軟件的人機交互界面如圖11所示，當接線人員拿到制線中心傳送過來的線纜后，程序響應控制中心的刷新命令，在界面上顯示本組線纜的相關信息，并向控制中心發送下一組線纜的制線請求。接線人員根據線纜的線號，選中要布接的線纜，界面上自動顯示此線纜的詳細接線信息，包括線纜起點和終點連接點的位置、布線的路徑等，指示接線人員進行線纜布置和連接。在接線過程中，如果發現某根線纜有問題，可以重新向控制中心發送該線纜的制線請求。

圖11 人機交互布線接線軟件界面

4 控制系統底層軟件開發

4.1 控制系統底層軟件開發概述

TwinCAT是德國Beckhoff公司的基于PC平臺和Windows操作系統的控制軟件，能把工業PC或者嵌入式PC變成一個功能強大的PLC或者Motion Controller控制生產設備[13]。TwinCAT開發環境包括System Manager和PLC Control兩個應用程序，System Manger用于系統設置和I/O硬件配置，PLC Control用于PLC程序的編寫和調試[14,15]。借助TwinCAT PLC Control模塊可完成運行環境變量和底層控制程序的開發。運行環境變量主要是控制器與工控機的通訊參數，底層程序主要是控制外設輔助線纜制作和傳輸的PLC程序。借助TwinCAT System Manager可建立PLC程序中輸入輸出參數與I/O硬件間的映射。

4.2 PLC程序開發

PLC程序通常用來監視輸入，設置輸出，實現邏輯控制。根據功能需求的不同，開發了如下4套程序，用以實現線纜制作、線纜分揀、線纜傳送和I/O刷新等功能。

1）線纜制作控制程序。線纜制作控制程序的主要功能是按照全自動制線機提供的控制協議，將來自工控機的制線命令編譯后發送給全自動制線機，并查詢全自動制線機的線纜制作狀態。按協議編譯的制線命令如圖12所示。

圖12 制線命令

2）線纜分揀控制程序。線纜分揀程序的主要功能是控制全自動制線機出口的線纜導流裝置，使全自動制線機制作的線纜直接掉落在相應傳送裝置的線纜放置盒內。當全自動制線機開始進行某個工位的線纜制作時，上位機會觸發線纜分揀控制程序，程序根據當前導流裝置的所在的位置，控制氣缸將導流裝置推（或拉）至目標位置。

3）線纜傳送控制程序。當制線中心完成一組線纜的制作后，控制中心觸發該程序，控制相應的調速電機將線纜放置盒送往接線工位，當檢測到線纜放置盒傳送到位后，關閉調速電機并取消該裝置的忙碌設置。當接線人員取走線纜放置盒中的線纜并按下取線反饋按鈕后，程序自動控制調速電機將線纜放置盒傳回制線中心，并將該狀態反饋至控制中心。

4）I/O刷新程序。I/O刷新程序的功能是對線纜分揀控制程序和線纜傳送控制程序中的輸入輸出變量進行整理，方便數組、結構體等類型的變量在程序開發過程中的應用，降低程序的復雜程度，提高程序的模塊化程度。

5 結語

工業控制柜智能裝配生產線現場如圖13所示。按照傳統的生產方式，專業基礎扎實、工作經驗豐富的作業人員生產一臺包含872根線纜的控制柜，至少需要7天時間。生產線運行后，在滿負荷的情況下，配備12名普通員工，平均每天可生產至少4臺工業控制柜，且勞動強度大幅降低。

圖13 生產線現場

該工業控制柜智能裝配生產線的成功研制，有效解決了復雜工業控制柜的批量化生產需求與控制柜傳統生產方式效率低下的矛盾，對提高企業的經濟效益具有重要意義。