基于PLC控制的視覺檢測(cè)及處理系統(tǒng)在電解生產(chǎn)線上的應(yīng)用

劉俊良，江文炳

（1.江西瑞林裝備有限公司，江西 南昌 330032；2.云南錫業(yè)股份銅業(yè)分公司，云南 昆明 650000）

目前，無論是采用傳統(tǒng)法銅電解工藝還是采用ISA法銅電解工藝，陰極剝片機(jī)組在全自動(dòng)化的電解廠中都是不可缺少的，并且銅板剝離通常是電解廠出銅產(chǎn)品的最后一道工序，所以產(chǎn)品質(zhì)量的把控尤為重要。而在全自動(dòng)化電解廠中，國內(nèi)傳統(tǒng)剝片機(jī)組只有通過人工去挑出帶有銅粒子的銅板并且手動(dòng)處理，勞動(dòng)強(qiáng)度大且工作效率低，并且人工成本很高。

為了解決以上問題，本文將闡述在新型剝片機(jī)組洗滌系統(tǒng)中增加視覺檢測(cè)系統(tǒng)，通過相機(jī)來檢測(cè)銅粒子所處銅板的準(zhǔn)確位置和粒子高度，面積等相關(guān)參數(shù)，通過與PLC數(shù)據(jù)交互，將每塊銅板的粒子參數(shù)發(fā)送至PLC系統(tǒng)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理完后發(fā)出相關(guān)參數(shù)給到機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)，機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)將需要處理的B級(jí)銅抓取到粒子處理架，再通過伺服定位系統(tǒng)和銑刀處理機(jī)構(gòu)去對(duì)含有大量雜質(zhì)的銅粒子進(jìn)行銑削處理，使其達(dá)到A級(jí)銅的目的，提高工作效率，降低人工成本。具體流程可見圖1。

圖1 粒子檢測(cè)及處理整體機(jī)械流程

1 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)概述

PLC控制系統(tǒng)是工業(yè)設(shè)備重要的組成部分，是連接著粒子檢測(cè)系統(tǒng)，機(jī)器人抓取系統(tǒng)，伺服行走定位系統(tǒng)的關(guān)鍵樞紐。此次項(xiàng)目采用的是PLC控制系統(tǒng)是西門子S7-1500系統(tǒng)，S7-1500自動(dòng)化系統(tǒng)是在S7-300/400的基礎(chǔ)上開發(fā)的自動(dòng)化系統(tǒng)，在原有的基礎(chǔ)上，提高了系統(tǒng)功能，集成了運(yùn)動(dòng)控制功能和PROFINET IRT通信功能，通過集成式屏蔽保證信號(hào)檢測(cè)的質(zhì)量。S7-1500的CPU模塊響應(yīng)時(shí)間快速，位指令執(zhí)行時(shí)間最短可達(dá)1ns。集成有可用于調(diào)試和診斷的CPU顯示面板、最多128軸的運(yùn)動(dòng)控制功能、標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)口。PROFINET接口和Web服務(wù)器，可以通過網(wǎng)頁瀏覽器快速瀏覽診斷信息。支持高大2GB的存儲(chǔ)卡，可存儲(chǔ)項(xiàng)目數(shù)據(jù)、歸檔、配方和相關(guān)文檔。優(yōu)化存儲(chǔ)的程序塊可以提高處理器的訪問速度。對(duì)應(yīng)S7-1500的編程和組態(tài)軟件為TIA博圖。本文主要闡述與粒子檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)、粒子處理系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容。

1.2 系統(tǒng)配置

相關(guān)硬件配置主要有西門子1513系列CPU，西門子精智系列人機(jī)界面HMI，西門子V90伺服控制系統(tǒng)，F(xiàn)ANUC M-410ic/315系列機(jī)器人以及Gocator線激光輪廓相機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)及其配套計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。西門子CPU1513作為主站，通過PROFINET通信協(xié)議分別與其他分站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，具體系統(tǒng)配置可見圖2。

圖2 系統(tǒng)配置圖

1.3 軟件整體設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)運(yùn)行的重要組成部分。軟件設(shè)計(jì)也是基于機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行聯(lián)結(jié)控制。相機(jī)固定在兩側(cè)機(jī)架上，整塊銅板通過伺服提升機(jī)構(gòu)進(jìn)行提升，提升的過程，相機(jī)同時(shí)發(fā)出激光射線，檢測(cè)到銅板上各粒子高度，面積等相關(guān)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過特定算法，非線性優(yōu)化處理，再通過線拼成面，再經(jīng)過圖像處理后便可得出整個(gè)銅板表面的圖形與對(duì)應(yīng)粒子所在的區(qū)域位置等參數(shù)，當(dāng)檢測(cè)整個(gè)板面完成后，銅板表面的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到西門子1513CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)整合處理，如果檢測(cè)表面沒有存在粒子，CPU將發(fā)送A級(jí)銅信號(hào)給到機(jī)器人抓取系統(tǒng)，機(jī)器人將銅板抓取到A級(jí)銅處理工位進(jìn)行銅板剝離，這也是正常的工藝流程；當(dāng)檢測(cè)到銅板為B級(jí)銅，機(jī)器人將銅板抓取到B級(jí)銅處理架上或是B級(jí)銅暫存架上，而放到B級(jí)銅處理架上的銅板，由CPU去發(fā)送信號(hào)，驅(qū)動(dòng)X軸，Y軸方向的伺服電機(jī)，自動(dòng)定位到粒子所在的位置，到達(dá)目標(biāo)位后，再由銑刀處理機(jī)構(gòu)對(duì)粒子進(jìn)行銑削打磨，將含有大量雜質(zhì)的粒子祛除，完成后再由機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)將打磨完的銅板抓取到A級(jí)銅處理架進(jìn)行正常流程剝離，這樣就完成整個(gè)流程了。而B級(jí)銅暫存架功能就是存儲(chǔ)B級(jí)銅，待B級(jí)銅處理架處理完成后，機(jī)器人再將暫存架上的銅板抓取到處理架上進(jìn)行處理。具體設(shè)計(jì)流程見圖3。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

2 粒子檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 概述

粒子檢測(cè)系統(tǒng)通過銅板剝離生產(chǎn)線上安裝2臺(tái)激光輪廓傳感器，分別對(duì)每塊陰極板單面進(jìn)行掃描,得到單面的輪廓數(shù)據(jù)，測(cè)量軟件對(duì)掃描的三維輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，判斷陰極板的表面質(zhì)量，同時(shí)將檢測(cè)數(shù)據(jù)保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫,并采用TCP Modbus方式將檢測(cè)結(jié)果傳輸至PLC。激光輪廓傳感器的檢測(cè)視場(chǎng)大于陰極板的寬度，當(dāng)陰極板到達(dá)檢測(cè)位置時(shí)，PLC發(fā)送“開始信號(hào)”至計(jì)算機(jī)，開啟傳感器掃描。傳感器連接狀態(tài)、PLC通訊狀態(tài)、陰極板檢測(cè)結(jié)果均在檢測(cè)系統(tǒng)操作界面上顯示。

2.2 框架結(jié)構(gòu)說明

框架結(jié)構(gòu)主要由三大部分組成：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)顯示層。

數(shù)據(jù)采集層：相機(jī)檢測(cè)。數(shù)據(jù)處理：由電腦主機(jī)和處理算法組成。用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，PLC通信交互。數(shù)據(jù)顯示：由電腦顯示器和顯示軟件組成。用于處理數(shù)據(jù)和圖片顯示。

2.3 軟件架構(gòu)組成

軟件架構(gòu)主要包含用戶登錄及退出、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)表格輸出、歷史系統(tǒng)查詢、用戶權(quán)限更改和系統(tǒng)主畫面顯示及數(shù)據(jù)結(jié)果顯示。歷史數(shù)據(jù)具備生成EXCEL報(bào)表功能以及具有報(bào)表打印功能，便于統(tǒng)計(jì)分析銅表面情況。

2.4 粒子檢測(cè)系統(tǒng)工作流程

2.4.1 首先設(shè)定好銅板參數(shù)

板面區(qū)域邊長：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際物料來設(shè)定；

粒子高度限值：粒子高度值上下限值，用于篩選判定A級(jí)銅、B級(jí)銅；

粒子面子占比限值：粒子面積占整塊銅板面積的百分比，用于篩選判定A級(jí)銅、B級(jí)銅。

2.4.2 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定完相關(guān)參數(shù)后，可選擇本地或是遠(yuǎn)程控制

本地模式：銅板在移動(dòng)的過程中，通過手動(dòng)觸發(fā)相機(jī)掃描光束去檢測(cè)銅板表面情況，將數(shù)據(jù)采集下來進(jìn)行處理。

遠(yuǎn)程模式：通過PLC遠(yuǎn)程發(fā)送啟動(dòng)命令，即當(dāng)銅板開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，PLC直接發(fā)送啟動(dòng)命令，相機(jī)開始工作，銅板運(yùn)行完一個(gè)工位時(shí)，停止工作，計(jì)算機(jī)同步處理相關(guān)數(shù)據(jù)，并生成對(duì)應(yīng)銅板粒子的參數(shù)列表和通過圖像處理，形成圖像數(shù)據(jù)顯示（見圖4），其中紅點(diǎn)代表銅板表面粒子。同時(shí)將銅板類型及粒子位置，高度等參數(shù)發(fā)送給PLC控制系統(tǒng)。再由PLC系統(tǒng)進(jìn)行處理控制后續(xù)的工作流程。

圖4 粒子參數(shù)列表和圖片數(shù)據(jù)

3 機(jī)器人抓取系統(tǒng)

3.1 概述

機(jī)器人為FANUC M-410ic/315系列，該系列機(jī)器人安裝面積小，工作空間大，能夠快速完成小節(jié)距的多點(diǎn)定位，定位精度高，示教簡單，可編程性強(qiáng)，本體結(jié)構(gòu)適用于在該類工況環(huán)境下運(yùn)行，穩(wěn)定性非常高安全可靠性高。本系統(tǒng)中，機(jī)器人通過PROFINET通訊協(xié)議和PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，PLC傳輸給機(jī)器人控制信號(hào)以及速度給定，來執(zhí)行取放銅板啟動(dòng)命令，以及控制機(jī)器人不同軌跡的選擇。同時(shí)PLC接收機(jī)器人運(yùn)行的各種狀態(tài)，來判斷機(jī)器人是否運(yùn)行正常，確保機(jī)器人系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，方便操作人員掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 機(jī)器人編程設(shè)計(jì)

（1）機(jī)器人取板程序:機(jī)器人從初始位開始運(yùn)行到抓板工位，夾具抓住板子后，再回到初始位，完成整個(gè)取板流程；

（2）機(jī)器人放板至A級(jí)銅處理工位程序：PLC接收檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)，判定為A級(jí)銅后，會(huì)將取到的銅板直接從初始位到A級(jí)銅處理工位放板處放下，再回到初始位，完成放板流程，同時(shí)處理工位開始對(duì)銅板剝離。其中判定A級(jí)銅再將信號(hào)給到機(jī)器人不會(huì)有時(shí)間延誤，取板程序和放板程序是非常連貫的；

（3）機(jī)器人放板至B級(jí)銅處理工位或暫存架程序：同樣的將判定為B級(jí)銅的銅板在進(jìn)行分類，如果處理工位滿足條件則直接放到B級(jí)銅處理工位，如果不滿足，先放到暫存架待后續(xù)處理；

（4）機(jī)器人去處理架翻轉(zhuǎn)銅板或取板到A級(jí)銅處理架程序：當(dāng)處理架處理完一面粒子后，如果銅板另外一面不是粒子板，則機(jī)器人從初始位直接去取處理完后的粒子板，然后放到A級(jí)銅處理工位進(jìn)行剝離，再回到初始位；如果另外一面也是粒子板，當(dāng)?shù)谝幻嫣幚硗瓿珊?，機(jī)器人從初始位到B級(jí)銅架取板抓起來后，在沒有障礙的位置進(jìn)行180度旋轉(zhuǎn)，然后再放回到B級(jí)銅處理架，再回到初始位，當(dāng)兩面都處理完成后，機(jī)器人再從初始位到B級(jí)銅處理架取板放到A級(jí)銅處理架，放完板后再回到初始位，完成整個(gè)流程。

4 粒子處理系統(tǒng)

4.1 概述

粒子處理系統(tǒng)主要由兩臺(tái)V90伺服電機(jī)以及粒子銑削打磨機(jī)構(gòu)組成，其中兩臺(tái)伺服電機(jī)構(gòu)成一個(gè)直角坐標(biāo)系，主要起到定位功能，銑削打磨主要由旋轉(zhuǎn)電機(jī)和特制刀盤組成，對(duì)粒子進(jìn)行銑削打磨。

4.2 粒子處理系統(tǒng)工作流程

首先板子是豎直懸掛在B級(jí)銅處理架上，X/Y軸伺服電機(jī)起始在原點(diǎn)位置，機(jī)器人放板完成后，PLC將會(huì)把銅板表面第一個(gè)需要處理的粒子位置發(fā)送給伺服電機(jī)，伺服電機(jī)將會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)到目標(biāo)位置，到達(dá)后，銑刀電機(jī)旋轉(zhuǎn)，然后伸出氣缸伸出頂?shù)姐~板表面，對(duì)粒子進(jìn)行銑削，完成后縮回，銑刀停止。PLC再發(fā)送第二個(gè)需要處理的位置，給到伺服電機(jī)，以此類推將全部粒子打完后，伺服電機(jī)再回到初始位，等待機(jī)器人將板子翻轉(zhuǎn)處理另外一面或者直接抓取到A級(jí)銅處理工位。以下圖5是處理前后銅板對(duì)比效果，其中左側(cè)為處理前，右側(cè)為處理后，實(shí)際效果滿足要求。

圖5 銅板處理前后對(duì)比

5 結(jié)語

采用高精度相機(jī)，配合相應(yīng)算法和圖像處理技術(shù)，可以完全實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子銅板的區(qū)分和知道粒子所在的準(zhǔn)確位置，再搭配西門子1500PLC的高性能和FANUC機(jī)器人專業(yè)性特點(diǎn)，加上西門子V90伺服控制器定位的精準(zhǔn)性，實(shí)現(xiàn)了從粒子數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，物料轉(zhuǎn)運(yùn)執(zhí)行以及粒子精準(zhǔn)處理整個(gè)步驟。提高了A級(jí)銅的產(chǎn)出率，提高效益，同時(shí)也提高工廠自動(dòng)化程度，減輕工廠人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，降低人工成本。