基于PLC的相框組裝包裝控制系統(tǒng)設(shè)計

劉彥磊，郭濤，張世輝，李傳軍，張培

基于PLC的相框組裝包裝控制系統(tǒng)設(shè)計

劉彥磊1，郭濤2，張世輝1，李傳軍1，張培1

（1.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 機械工程學(xué)院，天津 300350；2.中國電子系統(tǒng)工程第四建設(shè)有限公司，石家莊 050004）

為了解決相框組裝包裝控制系統(tǒng)中工業(yè)機器人、機器視覺檢測系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、觸控一體機之間等通信及數(shù)據(jù)交換的難題，實現(xiàn)MES系統(tǒng)對底層設(shè)備的直接控制。進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括相紙組裝、logo組裝、視覺檢測、包裝盒組裝等裝置。以臺達(dá)PLC AS228P為主控器，進行通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及相關(guān)算法軟件的設(shè)計，利用Modbus TCP協(xié)議通過以太網(wǎng)實現(xiàn)與不同智能設(shè)備間通信。組裝包裝系統(tǒng)運行穩(wěn)定，成功率達(dá)到99.5%，產(chǎn)品合格率達(dá)到99.2%，數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定和可靠，符合工業(yè)應(yīng)用要求。該控制系統(tǒng)很好地滿足了企業(yè)對智能制造的需求，解決了不同設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信的難題。

工業(yè)機器人；機器視覺；MES；Modbus TCP

為了適應(yīng)中國制造2025發(fā)展及企業(yè)自身發(fā)展需求，提高企業(yè)產(chǎn)線的智能化水平已經(jīng)成為制造業(yè)發(fā)展的趨勢，其智能化程度對企業(yè)生產(chǎn)效率具有重要影 響[1]。實現(xiàn)生產(chǎn)線的自動化、智能化、柔性化程度、通信等問題就顯得尤為重要了，為此楊新順[2]提出結(jié)合工控機、運動控制卡等多控制器的控制系統(tǒng)，葛暢[3]提出結(jié)合PLC和伺服電機的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)產(chǎn)線的自動化程度，熊雋等[4-7]則把工業(yè)機器人應(yīng)用于智能產(chǎn)線來提高其智能化程度。

大部分采用傳統(tǒng)I/O控制，很難實現(xiàn)MES系統(tǒng)對PLC的直接控制和通信的問題，以及不同設(shè)備之間的通信問題，并且存在由于人工漏檢、檢測不準(zhǔn)等造成的相框裝配的質(zhì)量問題。在已有的研究基礎(chǔ)上，文中設(shè)計以PLC為控制中心，引入工業(yè)機器人、機器視覺缺陷檢測系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)與工業(yè)機器人系統(tǒng)、視覺檢測系統(tǒng)、觸控一體機、MES系統(tǒng)等進行信息采集和數(shù)據(jù)交換的智能化控制系統(tǒng)，通過實驗和企業(yè)實際應(yīng)用來驗證該系統(tǒng)的有效性[8]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)企業(yè)實際應(yīng)用要求，設(shè)計了相框組裝包裝機械結(jié)構(gòu)及工藝流程，綜合應(yīng)用PLC、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)、視覺檢測系統(tǒng)、Modbus TCP、觸控一體機和MES系統(tǒng)等技術(shù)來進行電氣硬件結(jié)構(gòu)和通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，以此來解決企業(yè)提出的相框裝配質(zhì)量、生產(chǎn)效率、MES系統(tǒng)與PLC之間直接進行控制和通信，以

及不同設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信的問題。

1.1 相框組裝包裝結(jié)構(gòu)

根據(jù)相框產(chǎn)線生產(chǎn)工藝設(shè)計了相框的組裝包裝系統(tǒng)，其包括2部分：相框組裝結(jié)構(gòu)和相框包裝結(jié)構(gòu)，見圖1。其工藝過程：首先把相框從傳送帶取來放到logo組裝平臺進行l(wèi)ogo組裝，其次把相片裝入相框，然后進行機器視覺缺陷檢測，最后裝盒進行包裝。

1.2 相框組裝結(jié)構(gòu)

相框組裝結(jié)構(gòu)主要包括機器人平臺、logo組裝平臺、相片組裝平臺、觸控一體機及機器視覺檢測平臺，其結(jié)構(gòu)見圖2。

工藝流程：在MES控制以及PLC已經(jīng)復(fù)位完成狀態(tài)下，由MES發(fā)送抓取相框尺寸和抓取觸發(fā)指令，PLC控制機器人開始抓取相框到相框logo組裝位，并抓取相板到相框相板組裝位。

在MES控制以及PLC已經(jīng)復(fù)位完成狀態(tài)下，由MES發(fā)送抓取logo顏色和抓取觸發(fā)指令，PLC控制機器人開始抓取相對應(yīng)顏色的logo到裝配區(qū)，其余顏色的logo到暫存區(qū)。

圖1 相框組裝包裝結(jié)構(gòu)

圖2 相框組裝結(jié)構(gòu)

待logo和相框相板都抓取到位后，logo裝配機構(gòu)開始將logo推入相框logo槽內(nèi)，推入完成后PLC發(fā)送抓取指令，將相框抓取到相板裝配位置，相板裝配完成后由機器人抓取到檢測位置，進行相板安裝平整度和側(cè)面劃痕的拍照檢測，檢測合格后由MES發(fā)送抓取指令，將合格的相框和暫存區(qū)的logo抓取到盒子里。

1.3 相框包裝結(jié)構(gòu)

相框包裝結(jié)構(gòu)主要包括機器人平臺、包裝固定平臺、觸控一體機，其結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 相框包裝結(jié)構(gòu)

工藝流程：在MES控制且單站復(fù)位完成狀態(tài)下，由MES發(fā)送開始抓取指令，由SCARA機器人從環(huán)線將包裝盒抓取到包裝位，由氣動開蓋系統(tǒng)將包裝蓋打開，此時給MES反饋完成信號，MES發(fā)送相框抓取指令給六軸機器人，將裝配完成的相框抓取到盒子里，相框放置完成后，反饋給MES完成信號，由MES發(fā)送開始包裝指令，氣動翻蓋系統(tǒng)將盒子重新扣好，由SCARA機器人將包裝完成的盒子重新放到環(huán)線托盤上。

2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于PLC的相框組裝包裝控制系統(tǒng)采用臺達(dá)PLC AS 228P為主控制器，具有高效的算力，內(nèi)置EtherNet通信接口，支持Modbus TCP開放式工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，靈活網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，滿足實時控制與數(shù)據(jù)交換需求。支持與第三方設(shè)備進行開放式工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)通信，通過工業(yè)交換機可與工業(yè)機器人、三菱PLC、機器視覺檢測系統(tǒng)、觸控一體機等設(shè)備進行通信，臺達(dá)PLC的MODBUS TCP數(shù)據(jù)交換只需在編程軟件數(shù)據(jù)交換表進行簡單設(shè)置就可實現(xiàn)與第三方設(shè)備進行通信及數(shù)據(jù)交換，不需單獨編寫通信程序，大大簡化編程難度[9-10]，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計

該項目采用了Modbus TCP協(xié)議，以太網(wǎng)TCP/IP數(shù)據(jù)包封裝有MODBUS報文，并使用TCP/IP和以太網(wǎng)在站點間傳送。設(shè)備間通過以太網(wǎng)口進行連接，大大簡化了布線，增加了通信的穩(wěn)定性，并且所用設(shè)備均支持此協(xié)議，以臺達(dá)AS 228P PLC為主控制器，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錂C構(gòu)，與第三方設(shè)備進行通信和數(shù)據(jù)交換，協(xié)調(diào)控制機器人、組裝平臺、視覺檢測平臺、包裝平臺。按照工藝流程完成組裝包裝工作，完成相關(guān)數(shù)據(jù)采集以及所有設(shè)備與MES系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信的任務(wù)[11-13]，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1 PLC機器人通信設(shè)計

臺達(dá)PLC AS 228P作為主控制器，主要接收來自MES系統(tǒng)的指令，并按照指令要求完成對機器人的控制，實現(xiàn)機器人從傳送帶抓取相框和logo放置組裝平臺進行組裝檢測包裝等任務(wù)。主控PLC的Modbus TCP數(shù)據(jù)交換設(shè)置，需在編程軟件中進行設(shè)置，主機IP為192.168.1.14，端口號為502，數(shù)據(jù)交換區(qū)為D300-D400、M100-M150；該數(shù)據(jù)交換區(qū)用作存儲MES系統(tǒng)與工業(yè)機器人進行交換的數(shù)據(jù)。三菱PLC的數(shù)據(jù)交換區(qū)（D20-D30）主要存儲其與主控PLC、包裝機器人進行通信及控制的相關(guān)數(shù)據(jù)，機器人與主控PLC數(shù)據(jù)交互的主要地址分配見 表1[14]。

表1 機器人與主控PLC數(shù)據(jù)交互的主要地址

Tab.1 Main address of data interaction between robot and PLC

李群機器人作為客戶端來讀取主PLC M100-M150區(qū)和三菱PLC D20-D30的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的含義來執(zhí)行相關(guān)動作，完成相框、logo抓取放置到組裝平臺的任務(wù)，同時把包裝盒放到包裝平臺進行包裝。6軸機器人和SCARA機器人IP設(shè)置要與PLC在同一網(wǎng)段，通過編寫程序設(shè)置IP地址及相應(yīng)的通信程序來完成數(shù)據(jù)交換，通信程序如下所述[15]。

Dim ep As New IPEndPoint("192.168.1.81")

Dim mb As New Modbus(ep)

Dim id As String

id = mb.ReadDeviceId(0)

Dim bool( ) As Boolean

mb.ReadCoils(100, 20, bool)

3.2 機器視覺系統(tǒng)設(shè)計

機器視覺系統(tǒng)采用基恩士視覺系統(tǒng)，包括工業(yè)相機、鏡頭、照明等。視覺檢測系統(tǒng)與PLC通過Modbus TCP協(xié)議和I/O進行通信數(shù)據(jù)的交換，PLC通過讀取視覺檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來判斷相框質(zhì)量，視覺檢測系統(tǒng)主要功能是檢測相框是否存在劃痕，以及照片裝配后位置是否正確。通過檢測，確保加工完的相框和組裝好的相框照片滿足外觀和裝配精度等要求，視覺檢測處理流程見圖6。

圖6 視覺檢測處理流程

4 軟件設(shè)計

根據(jù)工藝要求，軟件設(shè)計包括PLC主程序、機器人程序、視覺檢測系統(tǒng)程序。主控PLC程序主要接收來自MES系統(tǒng)的指令，控制機器人從傳送帶抓取相框、logo到裝配臺進行裝配，以及視覺檢測；其次控制機器人把包裝盒放到包裝臺，并把檢測合格的相框裝放到包裝盒進行包裝；最后將包裝好的禮盒放到傳送帶，主程序控制流程見圖7。

圖7 主程序控制流程

5 系統(tǒng)調(diào)試

相框組裝包裝實物見圖8。為保證系統(tǒng)的性能，將該系統(tǒng)交付企業(yè)試運行并測試驗證，對工業(yè)機器人的抓取定位，相框的組裝包裝，視覺檢測系統(tǒng)，PLC與設(shè)備之間的通信和數(shù)據(jù)交換，MES系統(tǒng)直接控制

PLC等功能進行了一系列測試驗證。結(jié)果表明，組裝包裝過程穩(wěn)定，精確且速度快，包裝成功率達(dá)到99.5%，產(chǎn)品合格率達(dá)到99.2%，包裝效率為4～6個/min，數(shù)據(jù)交換及通信非常的穩(wěn)定、可靠，滿足了企業(yè)實際需求。為了更好地顯示數(shù)據(jù)以及方便技術(shù)人員操作，設(shè)計了組裝單元和包裝單元人機界面，界面包括組裝包裝過程狀態(tài)參數(shù)、報警界面、故障、機器人狀態(tài)、MES指令狀態(tài)、自動手動模式等，組裝單元界面見圖9，包裝單元界面見圖10。

圖8 相框組裝包裝實物

圖9 組裝單元界面

圖10 包裝單元界面

6 結(jié)語

為了滿足企業(yè)實際需求，設(shè)計了基于PLC的智能相框組裝包裝系統(tǒng)，采用了集工業(yè)機器人、視覺檢查系統(tǒng)、MES系統(tǒng)于一體的綜合技術(shù)，利用Modbus TCP協(xié)議，以及自研的數(shù)據(jù)交換和通信軟件算法，很好地解決了MES系統(tǒng)對底層PLC為核心控制器的直接控制和通信，以及不同設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信的難題。通過企業(yè)的實際應(yīng)用驗證，該系具有通信實時性強、可靠、穩(wěn)定、柔性化、效率高等特點，大大提高了企業(yè)的產(chǎn)能和效益。

[1] 龐黨鋒, 宋亞杰, 王春光, 等. 基于工業(yè)機器人的數(shù)控加工控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 機床與液壓, 2020, 48(21): 62-64.

PANG Dang-feng, SONG Ya-jie, WANG Chun-guang, et al. Design of Control System of NC Machining Based on Industrial Robot[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2020, 48(21): 62-64.

[2] 楊新順. 基于多控制器的包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 包裝工程, 2017, 38(11): 165-169.

YANG Xin-shun. Control System Design for Packaging Production Line Based on Multi-Controller[J]. Packaging Engineering, 2017, 38(11): 165-169.

[3] 葛暢. 基于PLC的伺服裝箱機控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 包裝與食品機械, 2019, 37(4): 40-42.

GE Chang. Design of Servo Boxing Machine Control System Based on PLC[J]. Packaging and Food Machinery, 2019, 37(4): 40-42.

[4] 熊雋. 基于智能制造生產(chǎn)線的工業(yè)機器人應(yīng)用[J]. 機床與液壓, 2018, 46(21): 91-94.

XIONG Jun. Industrial Robot Applications Based on Intelligent Manufacturing Production Line[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2018, 46(21): 91-94.

[5] 吳斌. 基于工業(yè)機器人的智能制造生產(chǎn)線設(shè)計[J]. 機床與液壓, 2020, 48(23): 55-59.

WU Bin. Design of Intelligent Manufacturing Production Line Based on Industrial Robot[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2020, 48(23): 55-59.

[6] 羅英俊, 張軍, 寧玉紅, 等. 工業(yè)機器人在電機外殼加工生產(chǎn)線上的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2017(12): 48-53.

LUO Ying-jun, ZHANG Jun, NING Yu-hong, et al. Application of Industrial Robot in the Production Line of Motor Shell[J]. Modern Manufacturing Engineering, 2017(12): 48-53.

[7] 譚子會. 基于雙目視覺的包裝過程分揀技術(shù)研究[J]. 包裝與食品機械, 2020, 38(5): 60-63.

TAN Zi-hui. Research on Packaging Process Sorting Technology Based on Binocular Vision[J]. Packaging and Food Machinery, 2020, 38(5): 60-63.

[8] 馬洪福, 張成, 周正海, 等. PLC控制的粕庫裝車打包計數(shù)系統(tǒng)設(shè)計[J]. 包裝與食品機械, 2020, 38(1): 47-49.

MA Hong-fu, ZHANG Cheng, ZHOU Zheng-hai, et al. Design of Packing and Counting System for Storage Truck Based on PLC Control[J]. Packaging and Food Machinery, 2020, 38(1): 47-49.

[9] 胡運林, 汪泳, 吳彬. 雙工位煙絲自動裝箱機的系統(tǒng)設(shè)計[J]. 機械設(shè)計與制造工程, 2021, 50(1): 51-54.

HU Yun-lin, WANG Yong, WU Bin. The System Design of the Tobacco Automatic Packing Equipment with Double Working Position[J]. Machine Design and Manufacturing Engineering, 2021, 50(1): 51-54.

[10] 吳迎春, 徐連強, 王峰云. 窗簾滑輪自動裝配系統(tǒng)設(shè)計[J]. 機械設(shè)計與制造工程, 2020, 49(9): 48-52.

WU Ying-chun, XU Lian-qiang, WANG Feng-yun. Design of Curtain Pulley Automatic Assembly System[J]. Machine Design and Manufacturing Engineering, 2020, 49(9): 48-52.

[11] 陳亞琳. 三伺服枕式包裝機控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 包裝與食品機械, 2020, 38(1): 61-63.

CHEN Ya-lin. Control System Design of Three Servo Pillow Food Packaging Machine[J]. Packaging and Food Machinery, 2020, 38(1): 61-63.

[12] 趙紀(jì)國, 朱月松, 沙杰, 等. 食品用碗/杯自動包裝機構(gòu)的設(shè)計[J]. 包裝與食品機械, 2020, 38(2): 42-45.

ZHAO Ji-guo, ZHU Yue-song, SHA Jie, et al. Design of Automatic Packaging Mechanism for Stacked Food Bowls/Cups[J]. Packaging and Food Machinery, 2020, 38(2): 42-45.

[13] 戴衛(wèi)軍, 唐燕妮. 基于ZigBee+RFID的智能裝配多機器人協(xié)作系統(tǒng)研究[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2017(12): 54-58.

DAI Wei-jun, TANG Yan-ni. Research on Multi Robots Cooperative System of Intelligent Assembly Based on ZigBee and RFID[J]. Modern Manufacturing Engineering, 2017(12): 54-58.

[14] 刁世普, 秦磊, 鄭振興. 自主分揀機器人視覺系統(tǒng)的快速標(biāo)定方法[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù), 2020(11): 91-93.

DIAO Shi-pu, QIN Lei, ZHENG Zhen-xing. Rapid Calibration Method for Autonomous Sorting Robot' s Vision System[J]. Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique, 2020(11): 91-93.

[15] 袁春靜, 劉桂濤, 王林平, 等. 用于不同規(guī)格瓷器包裝的通用自動化系統(tǒng)設(shè)計[J]. 包裝工程, 2021, 42(1): 224-229.

YUAN Chun-jing, LIU Gui-tao, WANG Lin-ping, et al. Design of a Universal Automation System for Packaging Porcelain of Different Specifications[J]. Packaging Engineering, 2021, 42(1): 224-229.

Design of Photo Frame Assembly and Packaging Control System Based on PLC

LIU Yan-lei1, GUO Tao2, ZHANG Shi-hui1, LI Chuan-jun1, ZHANG Pei1

(1.School of Mechanical Engineering, Tianjin Sino-German University of Applied Sciences, Tianjin 300350, China; 2.China Electronics System Engineering Fourth Construction Co., Ltd., Shijiazhuang 050004, China)

The work aims to solve the problems of communication and data exchange among industrial robots, machine vision inspection system, MES system and touch control AIO machine, and realize the direct control of the bottom equipment by MES system. The main structure was designed, including photo paper assembly, logo assembly, visual inspection, packaging box assembly and other devices. The communication network and related software were designed with Delta PLC AS228P as the master controller. Modbus TCP protocol was used to realize communication with different intelligent devices through Ethernet. The assembly and packaging operation was stable, the success rate reached 99.5%, the product qualification rate reached 99.2%, and the data communication was stable and reliable, which met the requirements of industrial application. The control system can meet the needs of intelligent manufacturing and solve the problem of data communication between different devices.

industrial robot; machine vision; MES; Modbus TCP

TB486；TP23

A

1001-3563(2022)05-0205-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.05.028

2021-05-31

天津市企業(yè)科技特派員項目（20YDTPJC01120 ）；天津市智能制造專項資金支持類項目（20193151）；天津市教委科研計劃（2018KJ258）；天津市教委科研計劃重點項目（2020ZD05）

劉彥磊（1982—），男，碩士，天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)副教授，主要研究方向為機器人技術(shù)及機器視覺，智能控制。