試論P(yáng)LC在基于工業(yè)機(jī)器人的智能加工生產(chǎn)線(xiàn)中的應(yīng)用

張軍安

（浙江省寧波晶鉆工業(yè)科技有限公司，浙江 寧波 315202）

0 引言

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，人力成本不斷上漲，特別是制造業(yè)技術(shù)發(fā)展速度很快，智能制造將成為制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在這樣的背景下，需要結(jié)合生產(chǎn)加工的實(shí)際需求，對(duì)原有的機(jī)加工設(shè)備進(jìn)行智能化改造。其中將加工中心、數(shù)控機(jī)床以及工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行組合，成為具有代表性的智能化改造升級(jí)。具體而言，是以PLC為總控系統(tǒng)核心，打造小型的智能加工生產(chǎn)線(xiàn)。在PLC技術(shù)的支持下，智能生產(chǎn)線(xiàn)可以對(duì)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行模擬，從用戶(hù)下單到機(jī)器人取材料，然后結(jié)合生產(chǎn)加工任務(wù)，再將材料放置到對(duì)應(yīng)的機(jī)床，并進(jìn)行全面加工；完成加工之后，還會(huì)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)，并將質(zhì)量反饋到上位機(jī)；此時(shí)，機(jī)器人將合格的產(chǎn)品放置料倉(cāng)。總控系統(tǒng)通過(guò)可視化系統(tǒng)對(duì)整個(gè)加工生產(chǎn)過(guò)程的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能管控的目標(biāo)，將有利于提升生產(chǎn)效率與質(zhì)量，并降低人力成本。

1 PLC技術(shù)概述

對(duì)于PLC技術(shù)而言，輸入以及輸出模塊（I/O模塊）屬于整個(gè)系統(tǒng)感知的外部條件，可靈活連接CPU模塊。對(duì)于輸入模塊而言，主要對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收以及收集；對(duì)于輸出模塊而言，主要對(duì)輸出設(shè)備進(jìn)行控制。模塊不僅具有傳輸信號(hào)的功能，還能夠?qū)崿F(xiàn)電平轉(zhuǎn)換以及隔離，因此，PLC技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控車(chē)床和加工中心中的應(yīng)用，需要軟件與硬件達(dá)到高度協(xié)調(diào)。

1.1 基本框架

PLC技術(shù)基本框架：①中央處理單元。對(duì)于PLC系統(tǒng)而言，CPU是控制中樞，作用是接收、儲(chǔ)存用戶(hù)數(shù)據(jù)以及相關(guān)程序；②存儲(chǔ)器。基于功能角度而言，存儲(chǔ)器主要有用于存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件的系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器以及用來(lái)存儲(chǔ)應(yīng)用軟件的用戶(hù)程序儲(chǔ)存器；③電源。對(duì)于PLC系統(tǒng)而言，電源就是動(dòng)力中樞，斷電即關(guān)閉，通電即運(yùn)行[1]。

1.2 工作原理

PLC技術(shù)的工作方式是循環(huán)掃描，每完成一次掃描會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)用戶(hù)程序，并讓系統(tǒng)執(zhí)行程序?qū)σ?guī)定任務(wù)進(jìn)行實(shí)施。所謂掃描周期，也就是完成一次掃描所耗費(fèi)的時(shí)間；完整的循環(huán)過(guò)程通常需要經(jīng)過(guò)這些階段：①公共處理階段。PLC會(huì)復(fù)位監(jiān)視定時(shí)器、檢查所連接的所有外界設(shè)備以及用戶(hù)的內(nèi)存狀態(tài)等。倘若發(fā)現(xiàn)異常情況，故障顯示電路會(huì)及時(shí)接通，并由對(duì)應(yīng)的燈進(jìn)行顯示原因并做后續(xù)判斷；②執(zhí)行用戶(hù)程序階段。這個(gè)階段主要執(zhí)行、讀取、解釋映像寄存器所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)；③計(jì)算掃描周期。該階段如果在掃描周期之前做了相關(guān)設(shè)置，那么不會(huì)立即開(kāi)始掃描工作，需要達(dá)到預(yù)期設(shè)定值才會(huì)進(jìn)行掃描；反之，通常計(jì)算整個(gè)掃描周期；④I/O刷新階段。這個(gè)階段主要針對(duì)各個(gè)輸入點(diǎn)的狀態(tài)以及映像寄存器的狀態(tài)進(jìn)行分析。

1.3 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.3.1 可靠性更高

在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的背景下，不斷完善了元器件性能，讓PLC技術(shù)運(yùn)行可靠性有了極大的提升，這就意味著穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間很長(zhǎng)，理論上可以達(dá)到幾萬(wàn)小時(shí)，因此，生廠(chǎng)商通常不會(huì)明確標(biāo)注該性能指標(biāo)。從實(shí)踐來(lái)看，PLC系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中之所以出現(xiàn)故障，基于自身原因?qū)е碌墓收虾苌伲鄶?shù)是因?yàn)閭鞲衅?、外部開(kāi)關(guān)或者是機(jī)芯機(jī)構(gòu)出現(xiàn)問(wèn)題而導(dǎo)致故障，由此可見(jiàn)，其自身可靠性是很高的。

1.3.2 通用性更強(qiáng)

大部分的PLC產(chǎn)品均配置有I/O模塊以及相關(guān)部件，基本能夠滿(mǎn)足相關(guān)需求；同時(shí)，PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)化的功能模塊化、生產(chǎn)模塊化的目標(biāo)，這就意味著用戶(hù)能夠結(jié)合自身需求進(jìn)行靈活組合，能夠幫助用戶(hù)節(jié)約更多時(shí)間以及成本。

1.3.3 程序設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單

現(xiàn)階段，PLC技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控車(chē)床和加工中心中，為了能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化、智能化控制，PLC生產(chǎn)廠(chǎng)家在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用的是“梯形圖語(yǔ)言”，而較少采用“編程語(yǔ)言”，因?yàn)榍罢叩慕Y(jié)構(gòu)與繼電器的控制原理圖相似，因此，對(duì)于工程技術(shù)人員來(lái)講，這類(lèi)程序設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、更易懂、更便捷[2]。

1.3.4 模塊化結(jié)構(gòu)更先進(jìn)

PLC技術(shù)的模塊化結(jié)構(gòu)不僅先進(jìn)，而且系統(tǒng)組合更加靈活。模塊化技術(shù)手段，會(huì)將I/O通道、電源、CPU等各個(gè)部件做模塊化設(shè)計(jì)，并通過(guò)電纜以及機(jī)架將各個(gè)模塊進(jìn)行組合；同時(shí)，可以基于用戶(hù)需求進(jìn)行組合，非常有利于提升工作效率以及質(zhì)量。

1.3.5 設(shè)計(jì)周期更短

PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期更短，因?yàn)橄到y(tǒng)硬件是基于對(duì)象需求合理分配模塊，所以，整個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)間會(huì)大大減少，有利于提升工程進(jìn)度。

2 智能加工生產(chǎn)線(xiàn)總體結(jié)構(gòu)概述

對(duì)于智能加工生產(chǎn)線(xiàn)而言，最重要的是控制系統(tǒng)，即：I/O通訊系統(tǒng)、PLC電氣控制（作用是對(duì)周邊設(shè)備以及機(jī)器人的I/O通訊進(jìn)行有效控制）+基于數(shù)控加工設(shè)備的MES系統(tǒng)（作用是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)邏輯控制）。對(duì)于控制系統(tǒng)來(lái)講，控制模式選用的是設(shè)備層與控制層，基于實(shí)際需求，針對(duì)每個(gè)層次采用不同軟硬件配置以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，確保各個(gè)系統(tǒng)的功能達(dá)到實(shí)際需求。智能加工生產(chǎn)線(xiàn)總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，以及智能加工生產(chǎn)線(xiàn)工藝流程見(jiàn)圖2[3]。

圖1 智能加工生產(chǎn)線(xiàn)總體結(jié)構(gòu)

圖2 智能加工生產(chǎn)線(xiàn)工藝流程

3 基于PLC的總控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分析

3.1 硬件配置

為了保障系統(tǒng)的可靠性、安全性以及有效性，總控系統(tǒng)的核心選用S7-1200型（西門(mén)子），選用CPU 1215C DC/DC/DC，工作存儲(chǔ)器擁有125KB，板載DQ10x24VDC及AI2和AQ2，PROFINET端口*2，作用是保障PLC間數(shù)據(jù)穩(wěn)定通信、HMI以及用于編程。工業(yè)機(jī)器人、加工中心以及數(shù)控車(chē)床之間的I/O通訊需要達(dá)到高效、穩(wěn)定的目標(biāo)，因此，硬件方面進(jìn)行了加強(qiáng)，配置有2塊數(shù)字量輸入模塊（SM 1221 DI16x24VDC）、2塊數(shù)字量輸入/輸出模塊（SM 1223 DI16/DQ16）。另外，配置模塊CM 1241，能夠確保RS422/RS485接口能夠穩(wěn)定通信。

3.2 I/O地址以及變量分配

基于智能生產(chǎn)加工的總體框架以及工藝流程，核心控制設(shè)備是PLC，并與生產(chǎn)加工中心、數(shù)控機(jī)床、MES系統(tǒng)、數(shù)字料倉(cāng)、工業(yè)機(jī)器人之間進(jìn)行信號(hào)交互。需要注意的是，設(shè)備不同意味著信號(hào)類(lèi)型不同，數(shù)據(jù)也會(huì)不同，這就需要采用對(duì)應(yīng)的傳輸介質(zhì)、傳輸協(xié)議以及傳輸方式，確保數(shù)據(jù)能夠能夠穩(wěn)定交換，達(dá)到智能生產(chǎn)加工的目標(biāo)。

3.2.1 PLC與數(shù)控機(jī)床、生產(chǎn)加工中心

依托I/O硬接線(xiàn)可以完成PLC與數(shù)控機(jī)床、生產(chǎn)加工中心之間的信號(hào)交互，可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制，例如，加強(qiáng)程序的裝載、聯(lián)機(jī)遠(yuǎn)程啟停生產(chǎn)加工中心以及數(shù)控機(jī)床；同時(shí)，數(shù)控機(jī)床的主軸位置、工作模式、狀態(tài)等信息能夠及時(shí)獲?。贿€可以對(duì)安全門(mén)開(kāi)關(guān)以及自動(dòng)液壓卡盤(pán)等進(jìn)行有效控制[4]。

3.2.2 PLC與料倉(cāng)

與普通的立體倉(cāng)庫(kù)相比，數(shù)字料倉(cāng)綜合性能更強(qiáng)，一方面，可以為工件放置提供必要的空間；另外一方面，配置有指示燈、按鈕、傳感器等，能夠?qū)崟r(shí)反饋料倉(cāng)情況。同樣依托I/O硬接線(xiàn)完成PLC與料倉(cāng)之間的信號(hào)交互；通過(guò)預(yù)先編寫(xiě)好的PLC程序，能都快速讀取料倉(cāng)情況，然后在HMI上顯示。

3.2.3 PLC與工業(yè)機(jī)器人

將“MB_CLIENT”指令作為Modbus TCP客戶(hù)端，然后借助S7-1200CPU的PROFINET，能夠完成PLC與工業(yè)機(jī)器人之間的信號(hào)交互。工業(yè)機(jī)器人會(huì)將外部行走軸的實(shí)時(shí)坐標(biāo)、關(guān)節(jié)軸、狀態(tài)等發(fā)送給PLC的數(shù)據(jù)包；同時(shí)，由PLC為機(jī)器人發(fā)送數(shù)據(jù)包，例如，取料的位置、放料的位置、各類(lèi)型標(biāo)志位等。

3.2.4 PLC與MES

對(duì)于智能生產(chǎn)加工線(xiàn)而言，這兩者之間的信號(hào)交換涉及的變量、類(lèi)型比較復(fù)雜，數(shù)量也多；同時(shí)，兩者信號(hào)交換并不僅是收發(fā)關(guān)系，而需要的是雙發(fā)應(yīng)答。簡(jiǎn)單來(lái)講，由命令方發(fā)送命令，接收方要在響應(yīng)命令處對(duì)相應(yīng)命令進(jìn)行回應(yīng)；然后，命令方發(fā)送方需要接收到命令響應(yīng)，并將命令碼清零，同時(shí)，接收方收到清零之后的命令，又需要將響應(yīng)清零，這樣才算完成交互。之所以要采用應(yīng)答模式，目的是保障命令收發(fā)的有效性、安全性。

4 基于PLC的總控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分析

根據(jù)智能生產(chǎn)線(xiàn)總體框架、功能需求以及工藝流程，需要編寫(xiě)以下程序，如下：

4.1 MES

PLC與MES之間是應(yīng)答模式，主要的應(yīng)答信息包括加工調(diào)度、系統(tǒng)啟動(dòng)與停止、復(fù)位產(chǎn)線(xiàn)、上下料位、設(shè)備號(hào)、工序流程指令、加工返修以及需要由MES寫(xiě)RFID信息，并且由HMI寫(xiě)RFID信息等。

4.2 ROBOT

ROBOT屬于子程序，其功能需要對(duì)機(jī)器人狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，還需要結(jié)合MES所下發(fā)的訂單實(shí)際情況，再有PLC進(jìn)行處理之后，對(duì)指令進(jìn)行發(fā)送，讓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人能都對(duì)手爪進(jìn)行正確更換，進(jìn)而完成上下料、對(duì)放置對(duì)應(yīng)的加工設(shè)備進(jìn)行判斷、取消等任務(wù)。

4.3 HMI

智能生產(chǎn)加工線(xiàn)選用的是TP900觸摸屏（西門(mén)子），PLC控制系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)與其完成連接，顯示的內(nèi)容有料倉(cāng)狀態(tài)、工業(yè)機(jī)器人狀態(tài)、MES通訊、機(jī)床監(jiān)控、權(quán)限設(shè)置等。

4.4 RIFD

PLC的程序通常是根據(jù)RFID規(guī)定的編碼規(guī)則完成編寫(xiě)，按照料倉(cāng)狀態(tài)初化每一個(gè)倉(cāng)位的RFID；機(jī)器人從料倉(cāng)進(jìn)行取料時(shí)，首先需要對(duì)倉(cāng)位RFID標(biāo)簽信息進(jìn)行讀取之后，再送到機(jī)床上料，由機(jī)床進(jìn)行加工、在線(xiàn)測(cè)量等；最后，再由機(jī)器人從機(jī)床上取料，然后送回到對(duì)應(yīng)的料倉(cāng)中，并對(duì)RFID標(biāo)簽信息（新倉(cāng)位）進(jìn)行更新。

4.5 手動(dòng)控制

單步運(yùn)行或者是全流程自動(dòng)運(yùn)行，通常需要HMI上的組態(tài)調(diào)試功能鍵實(shí)現(xiàn)，作用調(diào)試生產(chǎn)線(xiàn)的相關(guān)設(shè)備。

4.6 設(shè)備控制

同樣通過(guò)HMI上的組態(tài)調(diào)試功能鍵，對(duì)安全門(mén)開(kāi)關(guān)、卡盤(pán)松緊程度以及生產(chǎn)加工中心、數(shù)控中心的聯(lián)機(jī)、啟動(dòng)、停止、復(fù)位等方面進(jìn)行控制，再通過(guò)HMI對(duì)設(shè)備狀態(tài)以及各個(gè)倉(cāng)位狀態(tài)等信息進(jìn)行顯示[5]。

4.7 處理訂單

由MES系統(tǒng)對(duì)工單進(jìn)行下發(fā)，對(duì)機(jī)器人所要抓取的毛胚料進(jìn)行判別；然后，結(jié)合毛坯的不同，對(duì)加工工序進(jìn)行明確，例如，先車(chē)后銑或者是車(chē)加工、銑加工；最后，結(jié)合在線(xiàn)檢測(cè)的結(jié)果，對(duì)后續(xù)流程進(jìn)行判斷，質(zhì)量達(dá)標(biāo)由機(jī)器人送至對(duì)應(yīng)料倉(cāng)，反之，則返回加工程序，或者是淘汰。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于工業(yè)機(jī)器人的智能加工生產(chǎn)線(xiàn)中應(yīng)用PLC技術(shù)，目前還處于摸索階段，有部分企業(yè)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試以及運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化生產(chǎn)，充分發(fā)揮出PLC技術(shù)的維護(hù)方便、檢測(cè)靈活、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，尤其是成本方面能夠大幅度降低，加之PLC系統(tǒng)開(kāi)放性強(qiáng)，能夠基于生產(chǎn)加工需求進(jìn)行拓展。因此，未來(lái)還需要加強(qiáng)這方面的研究與實(shí)踐，將能夠推動(dòng)我國(guó)智能化制造全面發(fā)展。