基于S7-1500PLC 的上下料加工控制系統仿真設計

張云鵬，左振永，王逸翔

（1.河南機電職業學院，河南鄭州 451191；2.鄭州理工職業學院，河南鄭州 451150）

0 引言

隨著電子科學技術和機器人技術的快速進步，各個領域對自動化工作站的需求日益增多。工作站總的來說是包括虛、實兩個層面，真實工作站可以為虛擬工作站帶來真實信息，虛擬工作站可以通過在計算機上模擬、分析的方式向實體工作站傳遞更多模擬數據，還可以為實體工作站的機器人、機床等設備設計軟件和管理其生產環境；而虛擬仿真技術無疑是構建工廠系統的核心技術之一，該系統以虛擬仿真及其應用為基礎，完成了相應的產品設計和仿真。研究應用SAIDE Visual One 仿真軟件來仿真，且以虛擬車間為背景，基于博圖V15 PLC 軟件，用PLC 控制自動化生產線，仿真其可實施性。

該工作站使用Solid Works 軟件繪制加工的零件，根據應用場景選擇合適的機器人、機床和導軌等設備，在SAIDE Visual One 仿真環境中創建工作站、配置機器人和機床等設備的信號和屬性，之后對各個設備之間進行信號連接，完成機器人和PLC的編程，使工作站能夠順利完成零件自動上下料、機床自動加工的功能，觸摸屏能控制整個工作站過程的功能和顯示設備狀態的功能。對建立好的上下料加工控制系統進行測試，根據其出現的問題對其進行優化，保證系統運行安全可靠。

1 上下料加工系統總體介紹

上下料加工系統的最終目的是為了實現多品種、小數量零件的上下料加工智能化生產線自動控制，在上下料加工的過程中其生產流程應該簡單流暢，設備位置擺放應符合實際生產中的現實要求，控制系統應該簡潔且功能完善。其主要設計思路是模擬現實中小數量、多品種零件的隨機供料，在此仿真工作站中用隨機物料生成機來代替人工的隨機供料。其工作流程為：啟動工作站，傳送帶就開始傳送物料送到抓料點，此時抓料點的Work 組件會檢測抓料點上是否有零件，若抓料點無零件，則機器人無動作，呈現待機狀態。若抓料點有物料，則Work 組件會檢測到有零件進入，并判斷零件種類，發出信號給PLC，PLC 進行邏輯判斷后發送信號給機器人，機器人更換相應的夾爪，對零件進行抓取。此時傳送帶啟動等待下一個物料到位。根據零件類型，機器人會執行不同的加工順序，把零件放入車床或者銑床加工，加工完成后若要將零件放入成品物料架子，還需要判斷此種物料是否已滿，若不滿則可以放置，如果滿了機器人就停止運動。當機器人擺放完零件后，判斷下一個取料類型，若和已安裝夾爪類型相匹配則不需要更換夾爪，否則就更換夾爪，然后進行下一次的零件加工。

2 工作站的創建

為了實現多品種、小數量零件的上下料加工智能化生產線自動控制，采用日本Fanuc 的M-20iA 型帶電磁頭可裝卸夾爪型的工業機器人，其最大有效載荷20 kg，滿足負載重量要求；選用導軌來擴大機器人的活動范圍，其選用型號名稱為Robot Floor Track，機器人在導軌上的活動范圍為0～7000 mm，導軌寬度917 mm，高度46 mm；數控車床選用Generic CNC Lathe（通用數控車床），數控車床長3750 mm、寬2050 mm、高2260 mm，銑床選用Generic Milling Machine（通用銑床），銑床長3000 mm、寬2150 mm、高1750 mm。支持和機器人建立信號連接和能夠和PLC 建立連接并且完成工件的加工；選用一個能夠根據設定隨機或者按順序產生的零件，并賦予零件ID，模擬在實際生產過程中有多品種，小數量零件的情況；選用可設定速度為250 mm/s、長度2500 mm、寬500 mm、高800 mm 的傳送帶，啟停信號可以和機器人與PLC 連接。為了能夠和真實工作站貼近不用做其他功能，選用長800 mm、寬490 mm、高995 mm 的中央控制柜，長2000 mm、寬300 mm、高2200 mm 的物料架子用來放置加工完的物料，長530 mm、寬240 mm、高500 mm 的夾爪放置。除此之外還有如電腦配件、顯示屏、椅子、安全柵欄等。

用三維軟件SolidWorks 畫出所需模型，導入到SAIDE Visual One 軟件。仿照實際生產中的布局，實現零件上下料加工的功能，導軌選擇合適的長度，車床、銑床、物料架子和抓料點都在機器人手臂可操作的范圍之內，其工作站布局如圖1 所示。

圖1 工作站布局

3 加工上下料控制系統設計

3.1 工作站程序設計

在仿真工作站和外界控制系統通信之前，需要工作站完成組件屬性設置、夾爪信號設置、工作站設備信號連接、Work 組件程序編寫、機器人程序編寫等工作。

組件屬性設置主要是設備本身的屬性變量，用來控制傳送帶、物料機、車床、銑床和整個工作站的正常運行，4 種零件的放料計數、零件類型的判斷、車床和銑床開關門控制、夾爪裝卸控制、17 個加工環節的單獨控制和全局急停控制。夾爪信號設置是對上下料加工工作站的夾爪裝卸和零件抓放進行相關設定。工作站設備信號連接是所有的設備之間的連接信號，主要是對機器人和車床、銑床之間的連接。

Work 組件程序編寫是為了讓傳送帶上料的過程中Work 組件與傳送帶進行信號連接，需要實現以下功能：①當物料未到位，等待物料到達到傳送帶的過程中，Work Process 中的程序不運行；②使物料傳送到此Work 組件上時物料能夠停止；③當有物料停在Work 組件上時，Work 組件需能夠對零件類型進行判斷，進而寫入零件類型到特定屬性存儲區（在此存儲區是屬性“XUANNAGE”）。

機器人程序主要用到示教編程功能，程序由主程序和子程序組成，有1 個主程序和21 個子程序，機器人主程序是控制機器人運動的最主要一個組成部分，其能通過調用子程序來完成對全局的控制。

3.2 PLC 程序設計

系統選擇在博圖V15 軟件里進行程序的設計，該軟件是一款專業的自動化編程軟件，且自帶仿真觸摸屏，可以進行后續觸摸屏的連接和通信，進而用觸摸屏控制仿真工作站。PLC 設計主程序、自動模式子程序、手動模式子程序。主程序主要負責調動子程序，其也有一些公用程序的設置，用來控制整個工作站啟動、停止和復位功能，還有控制傳送帶啟停、判斷物料是否上料、判斷零件類型和顯示各個工藝流程狀態等功能。其主程序的主要功能流程如圖2 所示，自動模式子程序主要用于輔助仿真工作站進行機器人加工上下料的自主運行，其功能包括當物料到位時進行零件類型賦予、機器人對零件加工類型在觸摸屏上的顯示、車床開關門的一些判定。手動模式子程序主要是能利用觸摸屏控制車床開關門、傳送帶啟停、夾爪的裝卸，以及調用機器人各個子程序進而對各個加工過程進行單步控制。

圖2 主程序的主要功能流程

4 通信連接與仿真測試

通信涉及PLC 與SAIDE Visual One 仿真軟件的連接，進而控制仿真工作站中的機器人運動。S7-PLCSIM Advanced 軟件可以模擬單個或者多個虛擬PLC 控制器。把編寫的PLC 程序下載到虛擬控制器里，在SAIDE Visual One 軟件，點擊“連通性”選項卡，選擇“OPC UA”服務器連接功能，測試連接。最后把PLC 的輸入、輸出變量和仿真工作站的設備屬性變量建立連接就可以仿真測試了（圖3）。

圖3 PLC 與仿真工作站連接測試

在自動模式下，可以看到此時機器人處于空閑狀態，且物料已到位，PLC 對機器人進行零件類型的賦予，機器人根據QF 數值進行抓料，整個過程流程軟件無報錯，測試正常。

5 結束語

仿真工作站設計模擬上下料加工智能化生產線，對實際工廠的設備布局和各個工作過程的運行狀態進行了解，能進行可行性判斷，進而提前發現在實際工廠中可能遇見的問題，提高工廠的經濟效益，縮短工廠建設的周期。