基于PLC的工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王厚英，張清辰，藍(lán)春楓

（北海職業(yè)學(xué)院，廣西 北海 536000）

0 引言

作為智能制造和高端制造的關(guān)鍵，以工業(yè)機(jī)器人為代表的智能裝備成為通向工業(yè)4.0的突破口。工業(yè)機(jī)器人旨在提高制造業(yè)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而降低制造業(yè)生產(chǎn)成本，加速制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。以工業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ)裝備的智能制造在未來(lái)的制造業(yè)中居關(guān)鍵地位，可給企業(yè)帶來(lái)更大和靈活的生產(chǎn)空間，更大的效益[1]。因此，培養(yǎng)掌握工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)的高技能人才是一項(xiàng)重大的任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)涉及可編程控制器（PLC）、變頻器、傳感器以及氣動(dòng)和液壓控制重要技術(shù)，但筆者學(xué)?，F(xiàn)有的實(shí)訓(xùn)設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足開(kāi)展對(duì)應(yīng)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的要求，直接影響了人才的培養(yǎng)質(zhì)量。為解決以上實(shí)訓(xùn)教學(xué)存在的問(wèn)題，筆者圍繞工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)要求，以西門(mén)子S7-200 SMART PLC作為核心主控部件[2]，ABB/KUKA工業(yè)機(jī)器人作為執(zhí)行部件，UA52-LF5-SP3 AGV小車(chē)為產(chǎn)線運(yùn)輸部件[3]，研制了滿(mǎn)足符合條件的實(shí)訓(xùn)設(shè)備系統(tǒng)，來(lái)模擬企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，以提高綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)的組成

自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)的組成如圖1所示。以一實(shí)際的打磨噴涂自動(dòng)化生產(chǎn)線為藍(lán)本，配置整個(gè)產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件包括主控臺(tái)、四臺(tái)機(jī)器人和一臺(tái)AGV小車(chē)，四臺(tái)機(jī)器人分別為ABB打磨機(jī)器人、ABB噴涂機(jī)器人、KUKA搬運(yùn)機(jī)器人、KUKA碼垛機(jī)器人[4]，可完成搬運(yùn)、打磨、噴漆與碼垛4種操作。功能上，該生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)涉及智能控制平臺(tái)、工業(yè)機(jī)器人加工產(chǎn)線、物料運(yùn)輸線三大部分組成。智能控制平臺(tái)主要設(shè)備為控制柜、總控平臺(tái)、工控機(jī)，其中機(jī)器人控制柜作為機(jī)器人的控制中樞，用于機(jī)器人路徑規(guī)劃、參數(shù)設(shè)置[3]等操作；總控平臺(tái)主要用于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線設(shè)備之間的通訊，總控平臺(tái)內(nèi)置PLC，可實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人、AGV小車(chē)的基本通訊；工控機(jī)用于布置WMS（智能倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)）、MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)），通過(guò)信息化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程管控、數(shù)據(jù)分析和生產(chǎn)過(guò)程等；工業(yè)機(jī)器人加工產(chǎn)線設(shè)備為4臺(tái)工業(yè)機(jī)器人；物料運(yùn)輸?shù)闹鬏d體為AGV小車(chē)，整個(gè)產(chǎn)線的物料運(yùn)輸過(guò)程全部由AGV小車(chē)配合工業(yè)機(jī)器人來(lái)協(xié)同完成。產(chǎn)線通過(guò)以太網(wǎng)MODBUS/TCP、FROFINE等通信方式，搭建產(chǎn)線設(shè)備之間的通訊系統(tǒng)，把S7-200 SMART PLC、4臺(tái)工業(yè)機(jī)器人與一臺(tái)AGV小車(chē)組成一個(gè)整體的系統(tǒng)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的通訊。

圖1 自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)布局

1.2 自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)在總控平臺(tái)控制工業(yè)機(jī)器人及AGV小車(chē)協(xié)同運(yùn)作完成整個(gè)產(chǎn)線的產(chǎn)品物料的加工項(xiàng)目。在地面鋪設(shè)AGV地標(biāo)，并在指定位置設(shè)定相應(yīng)的?？奎c(diǎn)，使AGV按照指定路線行走，完成物料的移動(dòng)和運(yùn)送的運(yùn)輸工作[6]。AGV小車(chē)每到達(dá)地標(biāo)點(diǎn)，傳送信號(hào)給PLC，PLC接受到相應(yīng)的信號(hào)并傳送給對(duì)應(yīng)的機(jī)器人，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行物料加工作業(yè)，然后機(jī)器人在完成該道工序后，回送信號(hào)給PLC，PLC接到工業(yè)機(jī)器人完成作業(yè)后信息，并傳送給AGV小車(chē)，接著小車(chē)作出運(yùn)送作業(yè)。相同地完成其他工序作業(yè)。整個(gè)產(chǎn)線通過(guò)以太網(wǎng)MODBUS/TCP、FROFINE協(xié)議通信，通信的關(guān)鍵配置如下：

路由器 IP：192.168.20.1

AGV小車(chē)IP：192.168.20.100端口號(hào)：8192

總控本地IP：192.169.20.40

PLC IP：192.168.30

小車(chē)輔助軟件：

configurationFile.ini（文件為配置文件）

PORT=2001（設(shè)置PLC的端口號(hào)）

PORT=8192（設(shè)置AGV的端口號(hào)）

PORT=12345（設(shè)置提供外部系統(tǒng)對(duì)接端口（不能為5000））

2 自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的工作流程

在產(chǎn)線啟動(dòng)下，AGV小車(chē)從1#點(diǎn)（點(diǎn)根據(jù)場(chǎng)地及工作工位已規(guī)劃好產(chǎn)線中的地標(biāo)點(diǎn)X#）出發(fā)，移動(dòng)到2#點(diǎn)，即碼垛機(jī)器人工作工位，碼垛機(jī)器人抓取原材料放到AGV小車(chē)，AGV小車(chē)運(yùn)輸?shù)?#點(diǎn)，即打磨機(jī)器人工位，打磨機(jī)器人作業(yè)完成后將半加工材料放到AGV小車(chē)，之后AGV小車(chē)將材料運(yùn)輸?shù)?#點(diǎn)，即噴涂機(jī)器人工位，噴涂機(jī)器人對(duì)材料進(jìn)行噴涂作業(yè)，操作完成后機(jī)器人抓取工件放置AGV小車(chē)，并由AGV小車(chē)將加工好的成品運(yùn)輸?shù)?#點(diǎn)，即搬運(yùn)機(jī)器人工位，搬運(yùn)機(jī)器人將工件搬至指定位置后抓取工件放置AGV小車(chē)且輸送到2#點(diǎn)，最后由碼垛機(jī)器人將工件放置碼垛工作臺(tái)，即完成物料加工過(guò)程。系統(tǒng)完整工作流程框架圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工程流程框架圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件主要由PLC的控制程序、AGV小車(chē)的運(yùn)行軌跡算法及各工業(yè)機(jī)器人的工種作業(yè)編程程序組成。主要設(shè)計(jì)PLC的總控制程序部分?？偪刂瞥绦蛑饕鞒倘鐖D3所示?；赑LC控制的工業(yè)機(jī)器人對(duì)物料加工自動(dòng)化產(chǎn)線中，主要軟件程序流程主要分為兩大部分。第一部分是PLC控制各機(jī)器人對(duì)物料加工作業(yè)，該部分中PLC與機(jī)器人進(jìn)行通信，互相反饋?zhàn)鳂I(yè)信息，從而調(diào)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)；PLC與AGV小車(chē)進(jìn)行通信，互相反饋工業(yè)機(jī)器人作業(yè)狀態(tài)及產(chǎn)線作業(yè)中AGV小車(chē)的位置狀態(tài)等。第二部分是PLC監(jiān)管整個(gè)產(chǎn)線的工作狀態(tài)及處理整個(gè)產(chǎn)線的工作狀態(tài)反饋信息，做到安全啟動(dòng)、生產(chǎn)及保養(yǎng)等。

圖3 PLC控制程序主要流程框圖

2.3 運(yùn)行效果

完成了工業(yè)機(jī)器人對(duì)工件的搬運(yùn)、打磨、噴漆、碼垛的作業(yè)，且AGV小車(chē)銜接4大工作站的工件運(yùn)輸。產(chǎn)線設(shè)計(jì)實(shí)際效果模擬企業(yè)某些工件加工的過(guò)程，運(yùn)用了企業(yè)產(chǎn)線的工程技術(shù)，并落實(shí)于本專(zhuān)業(yè)教學(xué)實(shí)訓(xùn)中。本產(chǎn)線設(shè)計(jì)運(yùn)行模式有2種：自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)操作，更好地把企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程再現(xiàn)于教學(xué)中。系統(tǒng)設(shè)計(jì)在產(chǎn)線自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，能把企業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)線生產(chǎn)環(huán)境呈現(xiàn)于教學(xué)中，同時(shí)手動(dòng)模式效果利于學(xué)生通過(guò)逐一實(shí)踐各功能作業(yè)，學(xué)習(xí)掌握相應(yīng)機(jī)器人操作、PLC編程、AGV小車(chē)設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置調(diào)試等技術(shù)技能。此自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備部分實(shí)物如圖4所示。

圖4 產(chǎn)線部分實(shí)物圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于西門(mén)子S7-200 SMART PLC控制的自動(dòng)化產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備系統(tǒng)，智能完成物料加工作業(yè)。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)用了PLC控制技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、通訊技術(shù)以及智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)線生產(chǎn)功能。以工業(yè)機(jī)器人為產(chǎn)線運(yùn)作載體的產(chǎn)線系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)調(diào)試運(yùn)行將生產(chǎn)作業(yè)效率提升，完全可以代替問(wèn)工作業(yè)，且降低成本。在教學(xué)上，本實(shí)訓(xùn)設(shè)備設(shè)計(jì)的完成容納著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型對(duì)“智能工廠、智能物流、智能生產(chǎn)”的要求中的技術(shù)技能，則落實(shí)于工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)及機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)教學(xué)實(shí)踐中，培養(yǎng)出來(lái)的人才符合了“標(biāo)準(zhǔn)上接軌于企業(yè)，設(shè)施上同步于企業(yè)、技能上適應(yīng)于企業(yè)”的原則要求，提升了專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。