基于PLC的等離子切割工作站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邱影杰，陳 曦，孟祥雙

(1.天津職業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300410；2.河北工業(yè)大學(xué)人工智能與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院，天津 300130)

0 引言

傳統(tǒng)裝備制造業(yè)使用的等離子切割工作站主要靠工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。由于機(jī)器人自身專注于運(yùn)動(dòng)控制，不善于復(fù)雜邏輯控制，所以機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制代碼往往面向單一產(chǎn)品生產(chǎn)過程。產(chǎn)品更新?lián)Q代需要重新編寫運(yùn)動(dòng)控制程序，維護(hù)成本高，維護(hù)周期長，降低生產(chǎn)效率。[1]

隨著裝備制造業(yè)技術(shù)水平和生產(chǎn)效率的不斷提高。人們對(duì)可定制個(gè)性化產(chǎn)品的需求不斷加大，使得傳統(tǒng)生產(chǎn)線“一刀切”的生產(chǎn)模式面臨巨大的挑戰(zhàn)。因此，研制能夠滿足小批量、可定制生產(chǎn)的高兼容性的生產(chǎn)設(shè)備顯得尤為重要。

文中設(shè)計(jì)一種基于PLC的等離子切割工作站控制系統(tǒng)，分擔(dān)工業(yè)機(jī)器人的任務(wù)，使機(jī)器人專注于運(yùn)動(dòng)控制，以PLC+HMI為核心的控制系統(tǒng)專注于邏輯控制、數(shù)據(jù)存檔上報(bào)、報(bào)警顯示、巡檢記錄、工作臺(tái)協(xié)同工作、安全裝置、除塵冷卻系統(tǒng)控制等功能，使生產(chǎn)裝備不但滿足自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化的需求。通過MES系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效地將生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)給生產(chǎn)車間，并且實(shí)時(shí)高效的監(jiān)控生產(chǎn)過程，掌握生產(chǎn)進(jìn)度制定績效獎(jiǎng)勵(lì)制度和專家系統(tǒng)。[2]

1 工作站的總體設(shè)計(jì)

等離子切割工作站的簡要工作過程為：首先，對(duì)不同產(chǎn)品的加工軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì)，編寫運(yùn)動(dòng)控制程序；然后，機(jī)器人與等離子電源協(xié)同工作完成標(biāo)記過程；最后，機(jī)器人與等離子電源協(xié)同工作完成切割過程。該工作站主要包括：等離子電源(4套)，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4臺(tái)機(jī)器人)，中央控制器PLC，人機(jī)交互界面HMI，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、夾具工位(包含大量傳感器和電磁閥等)、安全光幕、抽風(fēng)除塵系統(tǒng)等子系統(tǒng)模塊。各子系統(tǒng)之間的銜接關(guān)系如圖1所示。工作站能夠?qū)崿F(xiàn)4臺(tái)機(jī)器人與4臺(tái)等離子電源同時(shí)協(xié)同完成切割作業(yè)。[3]

圖1 等離子切割工作站系統(tǒng)框架

中央控制系統(tǒng)是工作站的中樞，上行與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)銜接，接收數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)下達(dá)的工作訂單，并將工業(yè)現(xiàn)場實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及報(bào)警數(shù)據(jù)上報(bào)給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；下行能夠控制運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及等離子電源等所有子系統(tǒng)的協(xié)同工作，另外能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控工作過程進(jìn)行數(shù)據(jù)歸檔及報(bào)警信息處理。

運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含4臺(tái)機(jī)器人及其控制裝置，本工作站選用的是FANUC Robot，充分發(fā)揮該機(jī)器人系統(tǒng)在切割焊接作業(yè)中的性能，工程師利用控制裝置的機(jī)器人示教器編寫個(gè)性化的作業(yè)程序，另外通過機(jī)器人的I/O接口實(shí)現(xiàn)與等離子電源的通信，一旦等離子電源報(bào)錯(cuò)協(xié)同機(jī)器人立刻停機(jī)。

等離子電源由于切割效率高、損耗小等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于裝備制造領(lǐng)域，本工作站選用的是SmartFocus系列等離子電源配有氣體控制箱，該電源性價(jià)比較高，電源本體自帶串行通信RS485接口，采用無協(xié)議報(bào)文格式，能夠通過串口實(shí)現(xiàn)等離子電源切割參數(shù)的讀取與設(shè)置及遠(yuǎn)程監(jiān)控。PLC與等離子電源之間采用主從通信模式，PLC作為主機(jī)，等離子電源作為從機(jī)，從機(jī)地址尋址范圍為0～4，這也是本工作站設(shè)計(jì)4套平行系統(tǒng)的原因。[4]為滿足柔性生產(chǎn)需求，其中2套選用SF300等離子電源，1套選用SF200等離子電源，1套選用SF400等離子電源。

外圍輔助系統(tǒng)主要用于保障切割作業(yè)安全有序執(zhí)行。其中，為了提高設(shè)備稼動(dòng)率，夾具工位采用冗余設(shè)計(jì)，1臺(tái)機(jī)器人對(duì)應(yīng)2個(gè)工位。2個(gè)工位共用1個(gè)電控柜通過DeviceNet總線實(shí)現(xiàn)與PLC端數(shù)據(jù)通信。[5-6]每個(gè)工位有8個(gè)夾爪，HMI可操控夾爪氣缸開閉，PLC能通過IO口讀取氣缸狀態(tài)交由HMI顯示。真正實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。安全光幕選用F3SG-PG系列實(shí)現(xiàn)設(shè)備周圍的入侵檢測，該產(chǎn)品接線簡單，性能穩(wěn)定，檢測距離長達(dá)70 m，便于后續(xù)對(duì)工作站進(jìn)行功能擴(kuò)展。此外，工作站配置三色塔指示工作狀態(tài)，并采用故障聲光報(bào)警。

2 中央控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

中央控制系統(tǒng)的核心控制器選用CJ2M-CPU34，人機(jī)界面選用NB10W系列HMI。CPU實(shí)現(xiàn)工作站的邏輯控制功能，HMI配合CPU實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)顯示、數(shù)值顯示、參數(shù)設(shè)定、配方選擇、數(shù)據(jù)歸檔、報(bào)警指示、巡檢指示等功能；等離子電源與PLC采用RS485串口通信[7]，CPU需要外加CP1W-CIF12選插板；機(jī)器人與PLC采用以太網(wǎng)通信，通訊線纜選用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線即可；由于4套系統(tǒng)共8個(gè)工位，傳統(tǒng)IO接線復(fù)雜且出錯(cuò)率高，不利于系統(tǒng)擴(kuò)展，所以本工作站選用DeviceNet總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸簡化接線且提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性，主站選用CJ1W-DRM21 DeviceNet 單元，5個(gè)從站分別配1個(gè)GRT1-DRT通訊耦合器組成5組遠(yuǎn)程IO從站，每個(gè)從站機(jī)架擴(kuò)展7個(gè)GRT1-ID8模塊和7個(gè)GRT1-OD8模塊，其中前4個(gè)從站供工位夾具IO使用，第5個(gè)從站供安全設(shè)備及功能擴(kuò)展使用。[8]另外，為保證各個(gè)子系統(tǒng)報(bào)警信息能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)，采用中斷處理方式，CPU機(jī)架擴(kuò)展一塊CJ1W-INT01中斷模塊(可接16個(gè)中斷源)。[9]CPU端硬件組態(tài)如圖2所示。從站1的硬件組態(tài)如圖3所示，其他從站的硬件組態(tài)與從站1類同。

圖3 從站1硬件組態(tài)

圖2 中央控制系統(tǒng)CPU端硬件組態(tài)

3 中央控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

中央控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為PLC內(nèi)部程序設(shè)計(jì)和HMI組態(tài)界面設(shè)計(jì)兩部分。其中，HMI界面組態(tài)選用NB-Designer組態(tài)軟件，PLC程序設(shè)計(jì)選用CX-Programmer 編程軟件。CPU內(nèi)部資源地址分配見表1。

表1 CPU內(nèi)部地址分配

工作站上電以后，PLC和HMI首先進(jìn)入工作模式，HMI歡迎界面之后進(jìn)入登錄界面，要輸入用戶名和密碼。用戶分為4類：生產(chǎn)工人負(fù)責(zé)輸入產(chǎn)品信息

選擇配方以及查詢生產(chǎn)數(shù)據(jù)；維保人員負(fù)責(zé)各子系統(tǒng)常規(guī)巡檢及設(shè)備維護(hù)；技術(shù)人員負(fù)責(zé)根據(jù)需求修改配方數(shù)據(jù)；管理者享有所有權(quán)限。[10]

登錄成功之后就進(jìn)入到工作首界面。在工作首界面中能夠根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)分別對(duì)4套切割子系統(tǒng)加工參數(shù)進(jìn)行選擇和設(shè)置，并且可以根據(jù)耗材儲(chǔ)備情況選擇不同的耗材組合。一鍵完成配方數(shù)據(jù)下載到切割子系統(tǒng)，效率高易操作，并且能夠時(shí)刻查看易損件使用壽命便于設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)。[11]

該工作站能夠?qū)Σ煌穸?，不同材質(zhì)的物料進(jìn)行切割及標(biāo)記作業(yè)。其中，切割過程又有質(zhì)量切割和高速切割2種模式，標(biāo)記包含普通標(biāo)記和凹口標(biāo)記2種。生產(chǎn)過程流程圖如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)過程流程圖

圖4中虛線框中的部分是在HMI上實(shí)現(xiàn)的，所選工作模式不同對(duì)應(yīng)的配方數(shù)據(jù)會(huì)有很大差別。除材質(zhì)、厚度、工作模式外消耗件的型號(hào)也會(huì)影響配方參數(shù)的選取，配方數(shù)據(jù)一般由經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師與管理者協(xié)商確定。[12]

與生產(chǎn)過程并行的還有維保過程和報(bào)警處理過程。以PLC上電作為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，以自然時(shí)間為準(zhǔn)，定期在HMI端彈出維保提示界面，只能由維保人員操作該界面。根據(jù)巡檢項(xiàng)目不同維保分為周檢，月檢，年檢等。由于CPU采用循環(huán)掃描的方式執(zhí)行代碼，為了保證報(bào)警處理響應(yīng)的實(shí)時(shí)性，所有報(bào)警信息均采用中斷處理方式。[13]其中，安全光幕入侵檢測優(yōu)先級(jí)最高，機(jī)器人故障次之，等離子電源故障第3，夾具故障第4。為確保安全控制面板顯要位置還需設(shè)置有急停按鈕。其中，工作站1號(hào)子系統(tǒng)主界面如圖5所示，其他3個(gè)子系統(tǒng)主界面類同。

圖5 工作站1號(hào)子系統(tǒng)主界面

4 結(jié)束語

等離子切割工作站包含4套并行子系統(tǒng)，并且4套系統(tǒng)互不干涉可以工作在不同的模式下，能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)柔性化、精益化的生產(chǎn)需求。并且通過工業(yè)路由器將PLC和HMI等設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，可以將該工作站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及生產(chǎn)進(jìn)度實(shí)時(shí)上報(bào)給MES系統(tǒng)，消除信息孤島，使本工作站真正成為智慧工廠中的一個(gè)信息節(jié)點(diǎn)。[14]管理者可以根據(jù)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運(yùn)算，便于制訂良好的激勵(lì)政策及定制個(gè)性化的專家系統(tǒng)。并且，隨著5G時(shí)代到來，信息獲取方式會(huì)開啟新紀(jì)元，未來工作站可加入無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)海量現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集及實(shí)時(shí)上報(bào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程高效精準(zhǔn)控制。[15]