基于PLC的塑料家居制品生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮玉爽，董磊，李豐振，李剛民，王仲民

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2.禧天龍科技發(fā)展有限公司，天津 300000）

0 引言

目前，塑料家居制品的生產(chǎn)往往需要多臺或單臺注塑機(jī)分散性單一生產(chǎn)，再依靠人工或機(jī)械手將產(chǎn)品取出，這一過程中產(chǎn)品容易出現(xiàn)收縮、溢邊、黑條、龜裂等缺陷[1]。在塑料家居制品裝配包裝過程中，主要依靠人工操作，生產(chǎn)效率很低，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性較差，自動化程度很低，存在控制與調(diào)速不夠靈活等問題。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，主要集中在裝配、焊接、噴涂及分揀等行業(yè)中[2-3]。隨著信息與自動化技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)場總線控制技術(shù)、PLC控制技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時交換和控制指令收發(fā)，在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[4-5]。隨著現(xiàn)場總線控制技術(shù)、PLC控制技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器視覺、AGV自動導(dǎo)航車、無人化立體倉庫等自動化技術(shù)在工業(yè)自動化生產(chǎn)線中的組合應(yīng)用，工廠生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的自動化水平、可靠性和穩(wěn)定性大幅提升，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)一步提高。

為了提高塑料家居制品生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)拍，本文介紹一種基于工業(yè)以太網(wǎng)總線技術(shù)、PLC控制技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的自動化生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)化電氣控制在塑料家居制品生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 塑料家居制品智能制造生產(chǎn)線及工藝流程

塑料家居制品生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主要由工業(yè)機(jī)器人裝配貼標(biāo)工作站系統(tǒng)、匯流后識別系統(tǒng)、捆扎包裝系統(tǒng)、碼垛機(jī)器人系統(tǒng)、AGV自動導(dǎo)航車系統(tǒng)、無人化立體倉庫系統(tǒng)和PLC電氣控制和通信系統(tǒng)等組成。

1.1 塑料家居制品生產(chǎn)線控制系統(tǒng)硬件部分

1.1.1 工業(yè)機(jī)器人裝配貼標(biāo)工作站系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人裝配貼標(biāo)工作站系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)塑料家居制品從注塑機(jī)注塑成型出來后自動裝配把手組件、輪子組件、粘貼標(biāo)簽/條碼、次品識別/剔除和成品輸出至主輸送線的功能。該系統(tǒng)可同時兼容7種不同型號塑料家居制品的自動化生產(chǎn)，單臺工業(yè)機(jī)器人裝配貼標(biāo)系統(tǒng)的工作效率在23.5～30.0 s/只，大幅提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率。

工業(yè)機(jī)器人裝配貼標(biāo)工作站系統(tǒng)的視覺識別系統(tǒng)由智能相機(jī)、光源控制器、光源和鏡頭等硬件組成，應(yīng)用改進(jìn)的圖像二值化算法對塑料家居制品多組件裝配過程狀態(tài)識別，實(shí)現(xiàn)多組件上下料、自動抓取、定位組裝、商標(biāo)粘貼、視覺檢測等多工序協(xié)同裝配。投擲機(jī)構(gòu)將把手組件投擲到抓取工作臺，輪子振動盤將輪子組件傳送到工作臺，機(jī)器視覺系統(tǒng)對其進(jìn)行信號采集和算法處理，然后進(jìn)行抓取和擺放，再進(jìn)行組件的壓合處理。標(biāo)簽粘貼在塑料家居制品中間位置或右邊位置，且距離箱口的高度誤差不超過5 mm，貼標(biāo)效果應(yīng)平整、無褶皺、無氣泡。

1.1.2 塑料家居制品匯流后識別系統(tǒng)

匯流后識別系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對塑料家居制品標(biāo)簽/條碼的識別和處理。CCD攝像頭對堆疊好的塑料家居制品進(jìn)行標(biāo)簽識別，識別無誤的塑料家居制品進(jìn)入套袋機(jī)內(nèi)進(jìn)行套袋處理，同時將識別的信息通過顯示屏告知人工或自動揀選對應(yīng)的天地蓋及箱蓋型號和數(shù)量，而無法識別的塑料家居制品剔除警報(bào)后等待人工處理。

匯流后識別系統(tǒng)的顯示屏每次只顯示1條信息，指示燈與屏幕顯示信息同步。當(dāng)人工把取出的天蓋、地蓋放至天地蓋緩存線時，光電感應(yīng)后會自動認(rèn)為當(dāng)前屏幕顯示指令完成，清除屏幕信息或更新至下一條信息，執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行下一步動作。

1.1.3 塑料家居制品捆扎包裝系統(tǒng)

捆扎包裝系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對堆疊后的塑料家居制品成品進(jìn)行捆扎包裝處理。首先將加裝好天地蓋和箱蓋的塑料家居制品成品經(jīng)傳送帶輸送至捆扎系統(tǒng)第一工位，對其進(jìn)行一次捆扎處理；然后將經(jīng)過一次捆扎處理的塑料家居制品傳送到十字轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)處進(jìn)行轉(zhuǎn)位處理；最后經(jīng)轉(zhuǎn)位處理的塑料家居制品傳送到捆扎系統(tǒng)第二工位，對其進(jìn)行第二次捆扎處理。

1.1.4 AGV自動導(dǎo)航車系統(tǒng)

AGV 自動導(dǎo)航車系統(tǒng)負(fù)責(zé)將捆扎包裝好的塑料家居制品成品輸送至無人立體倉庫輸送帶上?？刂葡到y(tǒng)中選用海康威視潛伏系列導(dǎo)航車，該導(dǎo)航車采用慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航等技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確定位；采用雙輪差速驅(qū)動，支持前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動控制，運(yùn)動過程平滑柔順；支持多等級電量閥值控制，低電量時自主充電，完成充電后自主返回工作。具備前置攝像頭和前置激光避障，支持前遠(yuǎn)/近距離檢測，前/后雙層碰撞檢測，前/后急停等多級安全防護(hù)[6]，實(shí)現(xiàn)在成品輸送過程中安全可靠的運(yùn)動控制。

1.1.5 無人化立體倉庫系統(tǒng)

無人化立體倉庫系統(tǒng)主要由高層貨架、托盤、巷道式堆垛機(jī)及出入庫輸送系統(tǒng)等部分組成，實(shí)現(xiàn)對來自塑料家居制品生產(chǎn)車間的不同型號的產(chǎn)品進(jìn)行自動存儲。通過對塑料家居制品箱體上的標(biāo)簽/條碼進(jìn)行識別，確定塑料家居制品的存儲位置，實(shí)現(xiàn)存取操作。

1.2 塑料家居制品智能制造生產(chǎn)線工藝流程

塑料家具制品智能制造系統(tǒng)旨在將注塑機(jī)注塑成型出來后的塑料家居制品輸送到裝配貼標(biāo)工作站，實(shí)現(xiàn)塑料家居制品的把手組件裝配、輪子組件裝配、標(biāo)簽粘貼、次品識別及剔除，然后將成品堆疊后進(jìn)行輸送。堆疊后的塑料家居制品經(jīng)匯流識別后，對其進(jìn)行套袋、加天地蓋和箱蓋，再由捆扎包裝系統(tǒng)對其進(jìn)行捆扎包裝處理。捆扎包裝后的塑料家居制品自動傳遞至AGV自動導(dǎo)航車，并經(jīng)過AGV自動導(dǎo)航車輸送到無人倉庫輸送線。塑料家居制品智能制造控制系統(tǒng)由主控CPU 314C-2DP PLC協(xié)調(diào)工業(yè)機(jī)器人、無人立體倉庫系統(tǒng)、機(jī)器視覺系統(tǒng)、AGV自動導(dǎo)航車系統(tǒng)、捆扎包裝系統(tǒng)及塑料家居制品生產(chǎn)線控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換和控制指令收發(fā)，實(shí)現(xiàn)塑料家居制品的全自動化生產(chǎn)，其生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 塑料家居制品生產(chǎn)工藝流程圖

2 PLC電氣控制與通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)由CPU 314C-2DP PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)總線通信進(jìn)行系統(tǒng)控制，完成對變頻器、電動機(jī)、傳感器、電磁閥、工業(yè)機(jī)器人、觸摸屏、行程開關(guān)和限位開關(guān)等各種外設(shè)的通信控制工作。人機(jī)界面采用觸摸屏編制和交互人機(jī)界面，完成塑料家居制品的生產(chǎn)管理、狀態(tài)管理和維護(hù)管理等工作。CPU 314C-2DP PLC除控制塑料家居制品生產(chǎn)線控制系統(tǒng)外，還通過工業(yè)以太網(wǎng)通信控制協(xié)調(diào)輸送帶系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人裝配貼標(biāo)工作站系統(tǒng)、AGV自動導(dǎo)航車系統(tǒng)、無人化立體倉庫系統(tǒng)、碼垛機(jī)器人系統(tǒng)及捆扎包裝系統(tǒng)等，PLC電氣控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 塑料家居制品智能制造系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)圖

2.2 工業(yè)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工業(yè)以太網(wǎng)是基于以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP技術(shù)開發(fā)出來的一種工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，簡單來說，工業(yè)以太網(wǎng)就是在工業(yè)控制系統(tǒng)中使用的以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)是符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，按照IEEE802.1D“媒體訪問控制網(wǎng)橋”規(guī)范和IEEE802.1Q“局域網(wǎng)虛擬網(wǎng)橋”規(guī)范，對其沒有進(jìn)行任何實(shí)時擴(kuò)展而實(shí)現(xiàn)的以太網(wǎng)[7]。

基于工業(yè)以太網(wǎng)的塑料家居制品生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主要由信息管理層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、傳感檢測及執(zhí)行機(jī)構(gòu)層等組成[8]。信息管理層包括數(shù)據(jù)信息的交換、傳遞和記錄，實(shí)現(xiàn)對塑料家居制品把手、輪子組件裝配、標(biāo)簽/條碼粘貼等自動化生產(chǎn)工藝參數(shù)的管理；裝配貼標(biāo)工作站系統(tǒng)、AGV自動導(dǎo)航車系統(tǒng)、無人化立體倉庫系統(tǒng)、碼垛機(jī)器人系統(tǒng)及捆扎包裝系統(tǒng)控制指令的發(fā)送等。網(wǎng)絡(luò)傳輸層通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備完成塑料家居制品自動化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)操作人員在網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場對工業(yè)機(jī)器人裝配貼標(biāo)工作站系統(tǒng)、AGV自動導(dǎo)航車系統(tǒng)、無人化立體倉庫系統(tǒng)、碼垛機(jī)器人系統(tǒng)及捆扎包裝系統(tǒng)等的檢查、維護(hù)和管理。傳感監(jiān)測及執(zhí)行機(jī)構(gòu)層通過傳感檢測設(shè)備，對塑料家居制品自動化生產(chǎn)工藝流程中的把手、輪子組件裝配、標(biāo)簽/條碼粘貼、輸送帶傳送等工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時檢測，并通過工業(yè)以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸和接收來自主控CPU 314C-2DP PLC的控制指令，實(shí)現(xiàn)對塑料家居制品的質(zhì)量檢測、裝配貼標(biāo)、包裝處理及輸送等工藝流程的遠(yuǎn)程控制。

3 結(jié)論

本文提出基于工業(yè)以太網(wǎng)總線技術(shù)、PLC控制技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)群控技術(shù)在塑料家居制品生產(chǎn)線系統(tǒng)中的應(yīng)用，得到如下結(jié)論：1）根據(jù)塑料家居制品生產(chǎn)線系統(tǒng)的工藝流程與自動化控制要求，設(shè)計(jì)基于工業(yè)以太網(wǎng)總線技術(shù)、PLC控制技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)；2）設(shè)計(jì)以西門子CPU314C-2DP PLC為主控PLC的工業(yè)以太網(wǎng)通信控制系統(tǒng)，介紹了基于工業(yè)以太網(wǎng)的PLC與輸送帶系統(tǒng)、裝配貼標(biāo)工作站系統(tǒng)、AGV自動導(dǎo)航車系統(tǒng)、無人化立體倉庫系統(tǒng)、碼垛機(jī)器人系統(tǒng)及捆扎包裝系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信自動化解決方案；3）通過工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術(shù)進(jìn)行設(shè)備聯(lián)網(wǎng), 實(shí)現(xiàn)塑料家居制品生產(chǎn)線系統(tǒng)與AGV自動導(dǎo)航車系統(tǒng)、無人化立體倉庫系統(tǒng)、碼垛機(jī)器人系統(tǒng)及捆扎包裝系等控制設(shè)備進(jìn)行協(xié)同控制與數(shù)據(jù)交換，提高了生產(chǎn)和網(wǎng)絡(luò)管理自動化水平和系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率。