基于PLC的工業機器人自動生產線實訓設備系統的設計

王厚英，張清辰，藍春楓

（北海職業學院，廣西 北海 536000）

0 引言

作為智能制造和高端制造的關鍵，以工業機器人為代表的智能裝備成為通向工業4.0的突破口。工業機器人旨在提高制造業效率、提高產品質量，從而降低制造業生產成本，加速制造業轉型升級。以工業機器人為基礎裝備的智能制造在未來的制造業中居關鍵地位，可給企業帶來更大和靈活的生產空間，更大的效益[1]。因此，培養掌握工業機器人自動化應用技術的高技能人才是一項重大的任務。工業機器人自動化應用技術涉及可編程控制器（PLC）、變頻器、傳感器以及氣動和液壓控制重要技術，但筆者學校現有的實訓設備無法滿足開展對應實訓項目的要求，直接影響了人才的培養質量。為解決以上實訓教學存在的問題，筆者圍繞工業機器人自動生產線實訓要求，以西門子S7-200 SMART PLC作為核心主控部件[2]，ABB/KUKA工業機器人作為執行部件，UA52-LF5-SP3 AGV小車為產線運輸部件[3]，研制了滿足符合條件的實訓設備系統，來模擬企業生產過程，以提高綜合實訓教學質量和人才培養質量。

1 自動生產線實訓設備系統的組成及工作原理

1.1 自動化生產線系統的組成

自動化生產線系統的組成如圖1所示。以一實際的打磨噴涂自動化生產線為藍本，配置整個產線實訓系統，系統硬件包括主控臺、四臺機器人和一臺AGV小車，四臺機器人分別為ABB打磨機器人、ABB噴涂機器人、KUKA搬運機器人、KUKA碼垛機器人[4]，可完成搬運、打磨、噴漆與碼垛4種操作。功能上，該生產線實訓系統涉及智能控制平臺、工業機器人加工產線、物料運輸線三大部分組成。智能控制平臺主要設備為控制柜、總控平臺、工控機，其中機器人控制柜作為機器人的控制中樞，用于機器人路徑規劃、參數設置[3]等操作；總控平臺主要用于實現產線設備之間的通訊，總控平臺內置PLC，可實現與機器人、AGV小車的基本通訊；工控機用于布置WMS（智能倉儲物流系統）、MES（制造執行系統），通過信息化系統實現生產過程管控、數據分析和生產過程等；工業機器人加工產線設備為4臺工業機器人；物料運輸的主載體為AGV小車，整個產線的物料運輸過程全部由AGV小車配合工業機器人來協同完成。產線通過以太網MODBUS/TCP、FROFINE等通信方式，搭建產線設備之間的通訊系統，把S7-200 SMART PLC、4臺工業機器人與一臺AGV小車組成一個整體的系統組網，實現了系統的通訊。

圖1 自動化生產線系統布局

1.2 自動生產線系統的工作原理

系統在總控平臺控制工業機器人及AGV小車協同運作完成整個產線的產品物料的加工項目。在地面鋪設AGV地標，并在指定位置設定相應的停靠點，使AGV按照指定路線行走，完成物料的移動和運送的運輸工作[6]。AGV小車每到達地標點，傳送信號給PLC，PLC接受到相應的信號并傳送給對應的機器人，從而驅動機器人進行物料加工作業，然后機器人在完成該道工序后，回送信號給PLC，PLC接到工業機器人完成作業后信息，并傳送給AGV小車，接著小車作出運送作業。相同地完成其他工序作業。整個產線通過以太網MODBUS/TCP、FROFINE協議通信，通信的關鍵配置如下：

路由器 IP：192.168.20.1

AGV小車IP：192.168.20.100端口號：8192

總控本地IP：192.169.20.40

PLC IP：192.168.30

小車輔助軟件：

configurationFile.ini（文件為配置文件）

PORT=2001（設置PLC的端口號）

PORT=8192（設置AGV的端口號）

PORT=12345（設置提供外部系統對接端口（不能為5000））

2 自動化生產線系統控制軟件設計

2.1 系統的工作流程

在產線啟動下，AGV小車從1#點（點根據場地及工作工位已規劃好產線中的地標點X#）出發，移動到2#點，即碼垛機器人工作工位，碼垛機器人抓取原材料放到AGV小車，AGV小車運輸到5#點，即打磨機器人工位，打磨機器人作業完成后將半加工材料放到AGV小車，之后AGV小車將材料運輸到4#點，即噴涂機器人工位，噴涂機器人對材料進行噴涂作業，操作完成后機器人抓取工件放置AGV小車，并由AGV小車將加工好的成品運輸到3#點，即搬運機器人工位，搬運機器人將工件搬至指定位置后抓取工件放置AGV小車且輸送到2#點，最后由碼垛機器人將工件放置碼垛工作臺，即完成物料加工過程。系統完整工作流程框架圖如圖2所示。

圖2 系統工程流程框架圖

2.2 系統軟件設計

整個系統設計軟件主要由PLC的控制程序、AGV小車的運行軌跡算法及各工業機器人的工種作業編程程序組成。主要設計PLC的總控制程序部分。總控制程序主要流程如圖3所示。基于PLC控制的工業機器人對物料加工自動化產線中，主要軟件程序流程主要分為兩大部分。第一部分是PLC控制各機器人對物料加工作業，該部分中PLC與機器人進行通信，互相反饋作業信息，從而調動工業機器人的作業；PLC與AGV小車進行通信，互相反饋工業機器人作業狀態及產線作業中AGV小車的位置狀態等。第二部分是PLC監管整個產線的工作狀態及處理整個產線的工作狀態反饋信息，做到安全啟動、生產及保養等。

圖3 PLC控制程序主要流程框圖

2.3 運行效果

完成了工業機器人對工件的搬運、打磨、噴漆、碼垛的作業，且AGV小車銜接4大工作站的工件運輸。產線設計實際效果模擬企業某些工件加工的過程，運用了企業產線的工程技術，并落實于本專業教學實訓中。本產線設計運行模式有2種：自動運行、手動操作，更好地把企業生產過程再現于教學中。系統設計在產線自動運行狀態下，能把企業自動化產線生產環境呈現于教學中，同時手動模式效果利于學生通過逐一實踐各功能作業，學習掌握相應機器人操作、PLC編程、AGV小車設置、網絡設置調試等技術技能。此自動生產線實訓設備部分實物如圖4所示。

圖4 產線部分實物圖

3 結語

本文設計的基于西門子S7-200 SMART PLC控制的自動化產線實訓設備系統，智能完成物料加工作業。此系統設計過程中，運用了PLC控制技術、工業機器人技術、通訊技術以及智能控制技術實現整個產線生產功能。以工業機器人為產線運作載體的產線系統，經過調試運行將生產作業效率提升，完全可以代替問工作業，且降低成本。在教學上，本實訓設備設計的完成容納著產業轉型對“智能工廠、智能物流、智能生產”的要求中的技術技能，則落實于工業機器人技術專業及機電一體化專業教學實踐中，培養出來的人才符合了“標準上接軌于企業，設施上同步于企業、技能上適應于企業”的原則要求，提升了專業人才的培養質量。