智能制造生產(chǎn)線中PLC控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用*

向艷芳，劉 苗，蘭 凱，鄧霖志

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410208； 2.湖南省工程研究中心，湖南 長沙 410208)

0 引 言

制造業(yè)在國家乃至整個社會層面都扮演著至關(guān)重要的作用，大數(shù)據(jù)、人工智能、5G技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用[1]，也促使傳統(tǒng)制造業(yè)迎來一次又一次新的變革。傳統(tǒng)制造業(yè)以人員數(shù)量來實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量的模式也將慢慢淡出視野，“機(jī)器代人”，“機(jī)器換人”成為未來制造行業(yè)的發(fā)展趨勢。發(fā)展智能制造，既符合制造業(yè)發(fā)展的內(nèi)在要求，也是重塑我國制造業(yè)新優(yōu)勢、實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級的必然選擇[2-3]。近年來，隨著我國制造行業(yè)的不斷革新與改進(jìn)，智能化水平顯著提高，生產(chǎn)效率大幅提升。但大多數(shù)生產(chǎn)線存在設(shè)備彼此獨(dú)立、信息共享不完善、信息數(shù)據(jù)分析能力弱和人機(jī)交互功能不友好等問題。作為“機(jī)器”的PLC具備功能完善、可靠性高、適用性強(qiáng)等多種優(yōu)點(diǎn)，已成為了現(xiàn)代工業(yè)智能集成控制系統(tǒng)的核心控制器件。筆者針對智能工廠中制造生產(chǎn)線升級改造需求，提出了一種以總控PLC為控制核心，以實(shí)現(xiàn)多設(shè)備聯(lián)動工作為目標(biāo)的設(shè)計應(yīng)用方案，通過實(shí)施應(yīng)用，方案既滿足了智能制造生產(chǎn)線數(shù)控車銑復(fù)合工作需要，又達(dá)到復(fù)雜零件混合加工生產(chǎn)要求，對企業(yè)的自動化水平提升、智慧工廠的方案設(shè)計具有參考意義。

1 智能制造生產(chǎn)線單元組成

此次設(shè)計智能制造生產(chǎn)線由控制中樞依據(jù)提前設(shè)計的生產(chǎn)節(jié)拍，操作機(jī)器人，配合數(shù)控機(jī)床加工，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人上料、機(jī)器人下料、在線檢測、機(jī)床加工、機(jī)器人入庫等生產(chǎn)工藝過程[4]。智能制造生產(chǎn)線組成如圖1所示。產(chǎn)線主要設(shè)備元件及功能如下。

圖1 智能制造生產(chǎn)線組成

(1) 機(jī)器人：采用華中數(shù)控HsRobot612機(jī)器人，配套XZDG-04第七軸，完成機(jī)床上下料、工件入庫、出庫。

(2) 數(shù)控車床：采用寶元數(shù)控CK6146型號車床，完成工件車削。

(3) 數(shù)控銑床：采用華中數(shù)控Z-540B型號加工中心，完成工件銑削。

(4) 立體倉庫：采用4×6立體料庫，完成毛坯、半成品和成品工件的存儲。

(5) 微型計算機(jī)：采用Ideacemtre AIO 700-241ISH型號聯(lián)想微型計算機(jī)3臺，完成上位機(jī)軟件監(jiān)控、加工數(shù)據(jù)分析、加工任務(wù)派發(fā)等。

(6) PLC采用西門子：S7-1200控制器，控制器具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)與設(shè)備的S7通信和MODBUS通信。

此次設(shè)計采用西門子S7-1200系列CPU1215C，該P(yáng)LC擁有6個快速計數(shù)器(3個頻率為100 kHz；3個頻率為30 kHz)，帶有可參數(shù)化的使能和復(fù)位輸入，可以同時用作帶有2點(diǎn)單獨(dú)輸入的加減計數(shù)器，可用于連接增量型編碼器。并且該P(yáng)LC集成通信命令(USS協(xié)議、Modbus RTU、S7通信“T-Send/T-Receive”(T發(fā)送/T接收)或自由端口模式 (Freeport))使其能直接通過RS485或RS232等輸出脈沖信號控制各設(shè)備，而不需要再額外擴(kuò)展脈沖控制模塊[5]。

為補(bǔ)充CPU1215C集成IO口，該CPU擴(kuò)展了SM1223數(shù)字量輸入/輸出模塊2塊，SM1221數(shù)字量輸入模塊2塊。其中SM1223用于機(jī)床IO數(shù)據(jù)信號交互，SM1221用于料倉數(shù)據(jù)信號交互。

2 PLC與MES的連接

通過#MB_SERVER_Instance設(shè)置端口號、數(shù)據(jù)存儲起始位置，建立PLC與MES連接，響應(yīng)采用直接返回MES發(fā)送信號方式，避免數(shù)據(jù)丟失。PLC與MES握手建立PLC接收命令大于0PLC返回命令碼 MES接受命令碼后清零 PLC清零,實(shí)現(xiàn)交互流程。

PLC與MES之間的數(shù)據(jù)交互是通過DB_MesData數(shù)據(jù)塊進(jìn)行的，具體如表1所列。在PLC程序中設(shè)計MES控制程序，主要包括產(chǎn)線啟動、產(chǎn)線停止、產(chǎn)線復(fù)位、訂單下發(fā)、產(chǎn)線報修、車床控制、加工中心控制和MES復(fù)位等。

表1 DB_MesData 數(shù)據(jù)塊

3 PLC與機(jī)器人的連接

為確保數(shù)據(jù)傳輸不失幀、校驗(yàn)實(shí)時準(zhǔn)確，采用Modbus輪詢通信的方式，使用MB_CLIENT建立PLC與機(jī)器人連接，實(shí)現(xiàn)16個WORD型數(shù)據(jù)接收與16個WORD型數(shù)據(jù)發(fā)送，具體如圖2所示。機(jī)器人端口號為502，IP地址為192.168.1.158，讀的起始位置30001，寫的起始位置40001，二者交互數(shù)據(jù)存儲于DB_RobData數(shù)據(jù)塊，主要包括機(jī)器人工作狀態(tài)、機(jī)器人軸參數(shù)、機(jī)器人運(yùn)輸狀態(tài)等，具體如表2所列。

圖2 PLC與機(jī)器人通訊程序

表2 DB_RobData數(shù)據(jù)塊

續(xù)表2 DB_RobData數(shù)據(jù)塊

機(jī)器人位于工作原點(diǎn)、數(shù)控機(jī)床準(zhǔn)備就緒是PLC控制生產(chǎn)線工作前提，可有效減少設(shè)備碰撞和安全事故的發(fā)生。

4 主控PLC與HMI

為了使整個控制系統(tǒng)可視化、可監(jiān)管，對整個生產(chǎn)線運(yùn)行過程進(jìn)行整體把控，采用西門子TP900系列觸摸屏作為生產(chǎn)線控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面。觸摸屏擁有9.0英寸寬屏TFT顯示屏，分辨率達(dá)到800×480，與PLC通過網(wǎng)線組態(tài)連接。二者配合一方面控制數(shù)控機(jī)床，獲取產(chǎn)線加工狀態(tài)；另一方面控制生產(chǎn)線動作流程，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的取料、機(jī)床上料、機(jī)床下料、放料等工序任務(wù)。PLC接收生產(chǎn)線MES的啟動信號后，檢測數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)，進(jìn)而對工序任務(wù)進(jìn)行評估，決定機(jī)器人搬運(yùn)動作、機(jī)床開關(guān)門和卡盤松緊。PLC控制程序使用T型圖編寫、狀態(tài)顯示使用C語言程序編寫。多設(shè)備程序塊功能如表3所列。通過條件判斷if-else-end if指令語句，簡潔快速編制設(shè)備狀態(tài)顯示，顯示界面如圖3所示。

表3 多設(shè)備程序塊功能

圖3 HMI設(shè)備顯示狀態(tài)界面

結(jié)合生產(chǎn)線控制要求和調(diào)試需要，上位機(jī)HMI界面設(shè)有主頁面、機(jī)器人運(yùn)行界面、料倉顯示界面、命令下發(fā)界面、IO監(jiān)控界面和調(diào)試報警界面等。實(shí)時顯示機(jī)床工作狀態(tài)、產(chǎn)線工作狀態(tài)，為便于調(diào)試，在HMI界面設(shè)計了機(jī)床啟動、機(jī)床暫停、機(jī)床卡盤控制等IO直接控制信號。在TIA Portal V15編程環(huán)境中，利用西門子自帶的HMI畫面模塊，添加畫面，布置按鈕、開關(guān)、顯示燈、文本框、選擇框等插件，通過對其進(jìn)行設(shè)計與編譯，構(gòu)建滿足多設(shè)備控制與顯示要求的美化畫面。

5 控制系統(tǒng)調(diào)試

利用微型計算機(jī)分別將博圖PLC程序和HMI設(shè)計畫面下載到西門子PLC和TP900觸摸屏中，并實(shí)現(xiàn)PLC和HMI硬件網(wǎng)線連接和軟件通訊設(shè)置。設(shè)備通過啟動按鈕硬件觸發(fā)啟動，生產(chǎn)線正常運(yùn)行，在觸摸屏中進(jìn)行機(jī)床參數(shù)設(shè)定，將吹掃時間設(shè)定為60 s、安全門設(shè)置打開、卡盤設(shè)置松開等。機(jī)器人依據(jù)HMI輸入的取料位、放料位和設(shè)備號進(jìn)行工件運(yùn)輸。

在生產(chǎn)線自動運(yùn)行模式下，機(jī)器人自動完成生產(chǎn)線機(jī)床上下料過程，比較分析觸摸屏機(jī)器人軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)，重復(fù)定位，精度可達(dá)±0.5 mm的精度要求。

6 結(jié) 論

文中重點(diǎn)對制造生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造升級，主要針對多設(shè)備互聯(lián)互通、產(chǎn)品自動化生產(chǎn)、人機(jī)界面的友好交互等功能進(jìn)行完善，重點(diǎn)總結(jié)如下。

(1) 智能制造生產(chǎn)線以PLC為控制核心，通過以太網(wǎng)和IO端口等方式，進(jìn)行傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人和PLC的整合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了零件自動化加工的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化改造，順應(yīng)了制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。

(2) 操作員通過MES和HMI下達(dá)任務(wù)，PLC依據(jù)接收到的信息進(jìn)行任務(wù)解析，控制工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控車床和加工中心運(yùn)行，同時將工業(yè)機(jī)器人、機(jī)床等的狀態(tài)信息顯示在HMI和MES操作界面，以實(shí)現(xiàn)零件加工全生命周期管控。

(3) 通過完整的控制系統(tǒng)設(shè)計，為自動化生產(chǎn)線升級改造提供了解決方案，也為其在智能工廠廣泛應(yīng)用提供參考。

(4) 接下來，生產(chǎn)線可以根據(jù)加工節(jié)拍，生產(chǎn)實(shí)際需要增加數(shù)控機(jī)床設(shè)備，減少機(jī)器人閑置時間，從而進(jìn)一步提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。