基于PLC的相框組裝包裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉彥磊，郭濤，張世輝，李傳軍，張培

基于PLC的相框組裝包裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉彥磊1，郭濤2，張世輝1，李傳軍1，張培1

（1.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300350；2.中國(guó)電子系統(tǒng)工程第四建設(shè)有限公司，石家莊 050004）

為了解決相框組裝包裝控制系統(tǒng)中工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、觸控一體機(jī)之間等通信及數(shù)據(jù)交換的難題，實(shí)現(xiàn)MES系統(tǒng)對(duì)底層設(shè)備的直接控制。進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括相紙組裝、logo組裝、視覺檢測(cè)、包裝盒組裝等裝置。以臺(tái)達(dá)PLC AS228P為主控器，進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及相關(guān)算法軟件的設(shè)計(jì)，利用Modbus TCP協(xié)議通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與不同智能設(shè)備間通信。組裝包裝系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，成功率達(dá)到99.5%，產(chǎn)品合格率達(dá)到99.2%，數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定和可靠，符合工業(yè)應(yīng)用要求。該控制系統(tǒng)很好地滿足了企業(yè)對(duì)智能制造的需求，解決了不同設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信的難題。

工業(yè)機(jī)器人；機(jī)器視覺；MES；Modbus TCP

為了適應(yīng)中國(guó)制造2025發(fā)展及企業(yè)自身發(fā)展需求，提高企業(yè)產(chǎn)線的智能化水平已經(jīng)成為制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，其智能化程度對(duì)企業(yè)生產(chǎn)效率具有重要影 響[1]。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)化、智能化、柔性化程度、通信等問題就顯得尤為重要了，為此楊新順[2]提出結(jié)合工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡等多控制器的控制系統(tǒng)，葛暢[3]提出結(jié)合PLC和伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線的自動(dòng)化程度，熊雋等[4-7]則把工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于智能產(chǎn)線來提高其智能化程度。

大部分采用傳統(tǒng)I/O控制，很難實(shí)現(xiàn)MES系統(tǒng)對(duì)PLC的直接控制和通信的問題，以及不同設(shè)備之間的通信問題，并且存在由于人工漏檢、檢測(cè)不準(zhǔn)等造成的相框裝配的質(zhì)量問題。在已有的研究基礎(chǔ)上，文中設(shè)計(jì)以PLC為控制中心，引入工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器視覺缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)與工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、視覺檢測(cè)系統(tǒng)、觸控一體機(jī)、MES系統(tǒng)等進(jìn)行信息采集和數(shù)據(jù)交換的智能化控制系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)和企業(yè)實(shí)際應(yīng)用來驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性[8]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)企業(yè)實(shí)際應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)了相框組裝包裝機(jī)械結(jié)構(gòu)及工藝流程，綜合應(yīng)用PLC、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)、視覺檢測(cè)系統(tǒng)、Modbus TCP、觸控一體機(jī)和MES系統(tǒng)等技術(shù)來進(jìn)行電氣硬件結(jié)構(gòu)和通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，以此來解決企業(yè)提出的相框裝配質(zhì)量、生產(chǎn)效率、MES系統(tǒng)與PLC之間直接進(jìn)行控制和通信，以

及不同設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信的問題。

1.1 相框組裝包裝結(jié)構(gòu)

根據(jù)相框產(chǎn)線生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)了相框的組裝包裝系統(tǒng)，其包括2部分：相框組裝結(jié)構(gòu)和相框包裝結(jié)構(gòu)，見圖1。其工藝過程：首先把相框從傳送帶取來放到logo組裝平臺(tái)進(jìn)行l(wèi)ogo組裝，其次把相片裝入相框，然后進(jìn)行機(jī)器視覺缺陷檢測(cè)，最后裝盒進(jìn)行包裝。

1.2 相框組裝結(jié)構(gòu)

相框組裝結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)器人平臺(tái)、logo組裝平臺(tái)、相片組裝平臺(tái)、觸控一體機(jī)及機(jī)器視覺檢測(cè)平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)見圖2。

工藝流程：在MES控制以及PLC已經(jīng)復(fù)位完成狀態(tài)下，由MES發(fā)送抓取相框尺寸和抓取觸發(fā)指令，PLC控制機(jī)器人開始抓取相框到相框logo組裝位，并抓取相板到相框相板組裝位。

在MES控制以及PLC已經(jīng)復(fù)位完成狀態(tài)下，由MES發(fā)送抓取logo顏色和抓取觸發(fā)指令，PLC控制機(jī)器人開始抓取相對(duì)應(yīng)顏色的logo到裝配區(qū)，其余顏色的logo到暫存區(qū)。

圖1 相框組裝包裝結(jié)構(gòu)

圖2 相框組裝結(jié)構(gòu)

待logo和相框相板都抓取到位后，logo裝配機(jī)構(gòu)開始將logo推入相框logo槽內(nèi)，推入完成后PLC發(fā)送抓取指令，將相框抓取到相板裝配位置，相板裝配完成后由機(jī)器人抓取到檢測(cè)位置，進(jìn)行相板安裝平整度和側(cè)面劃痕的拍照檢測(cè)，檢測(cè)合格后由MES發(fā)送抓取指令，將合格的相框和暫存區(qū)的logo抓取到盒子里。

1.3 相框包裝結(jié)構(gòu)

相框包裝結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)器人平臺(tái)、包裝固定平臺(tái)、觸控一體機(jī)，其結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 相框包裝結(jié)構(gòu)

工藝流程：在MES控制且單站復(fù)位完成狀態(tài)下，由MES發(fā)送開始抓取指令，由SCARA機(jī)器人從環(huán)線將包裝盒抓取到包裝位，由氣動(dòng)開蓋系統(tǒng)將包裝蓋打開，此時(shí)給MES反饋完成信號(hào)，MES發(fā)送相框抓取指令給六軸機(jī)器人，將裝配完成的相框抓取到盒子里，相框放置完成后，反饋給MES完成信號(hào)，由MES發(fā)送開始包裝指令，氣動(dòng)翻蓋系統(tǒng)將盒子重新扣好，由SCARA機(jī)器人將包裝完成的盒子重新放到環(huán)線托盤上。

2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于PLC的相框組裝包裝控制系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)PLC AS 228P為主控制器，具有高效的算力，內(nèi)置EtherNet通信接口，支持Modbus TCP開放式工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，靈活網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，滿足實(shí)時(shí)控制與數(shù)據(jù)交換需求。支持與第三方設(shè)備進(jìn)行開放式工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)通信，通過工業(yè)交換機(jī)可與工業(yè)機(jī)器人、三菱PLC、機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)、觸控一體機(jī)等設(shè)備進(jìn)行通信，臺(tái)達(dá)PLC的MODBUS TCP數(shù)據(jù)交換只需在編程軟件數(shù)據(jù)交換表進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)置就可實(shí)現(xiàn)與第三方設(shè)備進(jìn)行通信及數(shù)據(jù)交換，不需單獨(dú)編寫通信程序，大大簡(jiǎn)化編程難度[9-10]，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目采用了Modbus TCP協(xié)議，以太網(wǎng)TCP/IP數(shù)據(jù)包封裝有MODBUS報(bào)文，并使用TCP/IP和以太網(wǎng)在站點(diǎn)間傳送。設(shè)備間通過以太網(wǎng)口進(jìn)行連接，大大簡(jiǎn)化了布線，增加了通信的穩(wěn)定性，并且所用設(shè)備均支持此協(xié)議，以臺(tái)達(dá)AS 228P PLC為主控制器，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錂C(jī)構(gòu)，與第三方設(shè)備進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換，協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、組裝平臺(tái)、視覺檢測(cè)平臺(tái)、包裝平臺(tái)。按照工藝流程完成組裝包裝工作，完成相關(guān)數(shù)據(jù)采集以及所有設(shè)備與MES系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的任務(wù)[11-13]，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1 PLC機(jī)器人通信設(shè)計(jì)

臺(tái)達(dá)PLC AS 228P作為主控制器，主要接收來自MES系統(tǒng)的指令，并按照指令要求完成對(duì)機(jī)器人的控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人從傳送帶抓取相框和logo放置組裝平臺(tái)進(jìn)行組裝檢測(cè)包裝等任務(wù)。主控PLC的Modbus TCP數(shù)據(jù)交換設(shè)置，需在編程軟件中進(jìn)行設(shè)置，主機(jī)IP為192.168.1.14，端口號(hào)為502，數(shù)據(jù)交換區(qū)為D300-D400、M100-M150；該數(shù)據(jù)交換區(qū)用作存儲(chǔ)MES系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行交換的數(shù)據(jù)。三菱PLC的數(shù)據(jù)交換區(qū)（D20-D30）主要存儲(chǔ)其與主控PLC、包裝機(jī)器人進(jìn)行通信及控制的相關(guān)數(shù)據(jù)，機(jī)器人與主控PLC數(shù)據(jù)交互的主要地址分配見 表1[14]。

表1 機(jī)器人與主控PLC數(shù)據(jù)交互的主要地址

Tab.1 Main address of data interaction between robot and PLC

李群機(jī)器人作為客戶端來讀取主PLC M100-M150區(qū)和三菱PLC D20-D30的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的含義來執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作，完成相框、logo抓取放置到組裝平臺(tái)的任務(wù)，同時(shí)把包裝盒放到包裝平臺(tái)進(jìn)行包裝。6軸機(jī)器人和SCARA機(jī)器人IP設(shè)置要與PLC在同一網(wǎng)段，通過編寫程序設(shè)置IP地址及相應(yīng)的通信程序來完成數(shù)據(jù)交換，通信程序如下所述[15]。

Dim ep As New IPEndPoint("192.168.1.81")

Dim mb As New Modbus(ep)

Dim id As String

id = mb.ReadDeviceId(0)

Dim bool( ) As Boolean

mb.ReadCoils(100, 20, bool)

3.2 機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺系統(tǒng)采用基恩士視覺系統(tǒng)，包括工業(yè)相機(jī)、鏡頭、照明等。視覺檢測(cè)系統(tǒng)與PLC通過Modbus TCP協(xié)議和I/O進(jìn)行通信數(shù)據(jù)的交換，PLC通過讀取視覺檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來判斷相框質(zhì)量，視覺檢測(cè)系統(tǒng)主要功能是檢測(cè)相框是否存在劃痕，以及照片裝配后位置是否正確。通過檢測(cè)，確保加工完的相框和組裝好的相框照片滿足外觀和裝配精度等要求，視覺檢測(cè)處理流程見圖6。

圖6 視覺檢測(cè)處理流程

4 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝要求，軟件設(shè)計(jì)包括PLC主程序、機(jī)器人程序、視覺檢測(cè)系統(tǒng)程序。主控PLC程序主要接收來自MES系統(tǒng)的指令，控制機(jī)器人從傳送帶抓取相框、logo到裝配臺(tái)進(jìn)行裝配，以及視覺檢測(cè)；其次控制機(jī)器人把包裝盒放到包裝臺(tái)，并把檢測(cè)合格的相框裝放到包裝盒進(jìn)行包裝；最后將包裝好的禮盒放到傳送帶，主程序控制流程見圖7。

圖7 主程序控制流程

5 系統(tǒng)調(diào)試

相框組裝包裝實(shí)物見圖8。為保證系統(tǒng)的性能，將該系統(tǒng)交付企業(yè)試運(yùn)行并測(cè)試驗(yàn)證，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的抓取定位，相框的組裝包裝，視覺檢測(cè)系統(tǒng)，PLC與設(shè)備之間的通信和數(shù)據(jù)交換，MES系統(tǒng)直接控制

PLC等功能進(jìn)行了一系列測(cè)試驗(yàn)證。結(jié)果表明，組裝包裝過程穩(wěn)定，精確且速度快，包裝成功率達(dá)到99.5%，產(chǎn)品合格率達(dá)到99.2%，包裝效率為4～6個(gè)/min，數(shù)據(jù)交換及通信非常的穩(wěn)定、可靠，滿足了企業(yè)實(shí)際需求。為了更好地顯示數(shù)據(jù)以及方便技術(shù)人員操作，設(shè)計(jì)了組裝單元和包裝單元人機(jī)界面，界面包括組裝包裝過程狀態(tài)參數(shù)、報(bào)警界面、故障、機(jī)器人狀態(tài)、MES指令狀態(tài)、自動(dòng)手動(dòng)模式等，組裝單元界面見圖9，包裝單元界面見圖10。

圖8 相框組裝包裝實(shí)物

圖9 組裝單元界面

圖10 包裝單元界面

6 結(jié)語

為了滿足企業(yè)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了基于PLC的智能相框組裝包裝系統(tǒng)，采用了集工業(yè)機(jī)器人、視覺檢查系統(tǒng)、MES系統(tǒng)于一體的綜合技術(shù)，利用Modbus TCP協(xié)議，以及自研的數(shù)據(jù)交換和通信軟件算法，很好地解決了MES系統(tǒng)對(duì)底層PLC為核心控制器的直接控制和通信，以及不同設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信的難題。通過企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，該系具有通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠、穩(wěn)定、柔性化、效率高等特點(diǎn)，大大提高了企業(yè)的產(chǎn)能和效益。

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Design of Photo Frame Assembly and Packaging Control System Based on PLC

LIU Yan-lei1, GUO Tao2, ZHANG Shi-hui1, LI Chuan-jun1, ZHANG Pei1

(1.School of Mechanical Engineering, Tianjin Sino-German University of Applied Sciences, Tianjin 300350, China; 2.China Electronics System Engineering Fourth Construction Co., Ltd., Shijiazhuang 050004, China)

The work aims to solve the problems of communication and data exchange among industrial robots, machine vision inspection system, MES system and touch control AIO machine, and realize the direct control of the bottom equipment by MES system. The main structure was designed, including photo paper assembly, logo assembly, visual inspection, packaging box assembly and other devices. The communication network and related software were designed with Delta PLC AS228P as the master controller. Modbus TCP protocol was used to realize communication with different intelligent devices through Ethernet. The assembly and packaging operation was stable, the success rate reached 99.5%, the product qualification rate reached 99.2%, and the data communication was stable and reliable, which met the requirements of industrial application. The control system can meet the needs of intelligent manufacturing and solve the problem of data communication between different devices.

industrial robot; machine vision; MES; Modbus TCP

TB486；TP23

A

1001-3563(2022)05-0205-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.05.028

2021-05-31

天津市企業(yè)科技特派員項(xiàng)目（20YDTPJC01120 ）；天津市智能制造專項(xiàng)資金支持類項(xiàng)目（20193151）；天津市教委科研計(jì)劃（2018KJ258）；天津市教委科研計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2020ZD05）

劉彥磊（1982—），男，碩士，天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)及機(jī)器視覺，智能控制。