基于西門子PLC的自動修磨機器人自動化系統(tǒng)設計

周偉

（南京鋼鐵集團第一煉鋼廠，江蘇南京 210035）

前言

目前鋼鐵廠圓棒修磨工序一般通過人工手持修磨器完成，修磨質量難以保證且修磨深度不可控，存在修磨效率低、勞動強度大，而且金屬粉塵對人體存在一定的危害。精整圓棒修磨工作一般包括三個區(qū)間，分別是物料等待區(qū)、物料修磨區(qū)和下料區(qū)，物料等待區(qū)內放置有待修磨的圓棒，物料修磨區(qū)用于對圓棒進行修磨，下料區(qū)用于收集修磨完成的物料。

隨著科技的進步，無人化越來越成為傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)轉型的趨勢，人工智能和智能制造的理念也在逐漸深入人心，讓機器人代替人工作，既可以提高工作效率，也可以提高工作質量，同時也能保生產(chǎn)的安全性。基于這樣的需求，本文設計了一種基于PLC控制的圓棒全自動修磨的電控系統(tǒng)。

1 機器人系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)整體布置

如圖1所示，是整個系統(tǒng)的簡略示意圖，物料上料區(qū)是人工上料放置區(qū)，放置成捆的待修磨的圓棒。等待修磨區(qū)是系統(tǒng)自動運行時，自動從上料區(qū)通過擋料桿放下使圓棒自然滾動放下的兩至三根圓棒等待修磨。修磨作業(yè)區(qū)包含機器人系統(tǒng)，工業(yè)相機系統(tǒng)，機器人軌道，以及圓棒輥道等設備，是系統(tǒng)的核心作業(yè)區(qū)域，用于修磨作業(yè)。修磨完成等待區(qū)是圓棒修磨完由修磨作業(yè)區(qū)通過輥道電機輸送至完成等待區(qū)。完成修磨集料槽放置修磨完成的成品圓棒。小型液壓站用于控制圓棒修磨作業(yè)區(qū)承載圓棒的輥道的升降?，F(xiàn)場操作臺包含HMI 觸摸屏和急停等一些單體設備的啟停按鈕和指示燈。

圖1 機器人系統(tǒng)整體示意圖

如圖1 箭頭方向所示，整個系統(tǒng)運行簡略過程如下介紹：首先現(xiàn)場操作人員將需要修磨的同一批次的圓棒通過行車吊入至上料區(qū)，緊接著去操作臺輸入圓棒的長度，直徑和修磨深度三個固定參數(shù)。并檢查畫面所有啟動條件均滿足（此部分在本文3.1部分有詳細介紹），并且現(xiàn)場無人員闖入，安全狀態(tài)時，點下啟動按鈕，系統(tǒng)進入全自動運行狀態(tài)。首先系統(tǒng)通過控制氣缸，讓少量圓棒先進入到等待修磨區(qū)，接著再通過氣缸撥動一根需要修磨的圓棒至修磨作業(yè)區(qū)，當修磨作業(yè)區(qū)光電感應器感應到有圓棒時，開始啟動機器人工作，機器人將機械臂伸至圓棒頭部開始的一小段的正上方，安裝在機械臂上的相機開始拍照，同時PLC 通過伺服電機控制承載圓棒的對輥開始緩慢旋轉，邊旋轉邊拍照，當相機識別到有需要修磨的缺陷時，將坐標發(fā)送給PLC，PLC再轉發(fā)至機器人修磨系統(tǒng)，機器人經(jīng)過比對，坐標無異常后，開始修磨作業(yè)，修磨完成后，修磨系統(tǒng)收回，相機系統(tǒng)繼續(xù)拍照，當圓棒旋轉一周無缺陷需要修磨時，PLC 通過伺服電機使機器人在行走軌道上向前前進一段距離，并開始掃描下一段，重復執(zhí)行以上操作。如相機再次掃描拍照，仍發(fā)現(xiàn)缺陷，則重復修磨操作步驟。當一根圓棒全部掃描完畢后，機器人機械臂收回，并退回起始點，等待下一根需要修磨的圓棒。已修磨好的圓棒，通過變頻電機從修磨作業(yè)區(qū)，運至修磨完成等待區(qū)，進入修磨完成等待區(qū)的圓棒再通過撥料桿撥送至完成修磨集料槽，當集料槽料滿后，系統(tǒng)會自動暫停，并在畫面顯示報警，提醒現(xiàn)場操作人員將集料槽的圓棒吊走。當?shù)却齾^(qū)無料修磨時，系統(tǒng)自動進入待機態(tài)。

1.2 系統(tǒng)的技術參數(shù)

如表1 所示為整個機器人系統(tǒng)的基本技術參數(shù)。

表1 技術參數(shù)

2 機器人自動化系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)控制框圖設計

如圖2 所示，是系統(tǒng)的整體控制框圖。包括電源模塊、PLC控制模塊、缺陷定位模塊以及圓棒修磨模塊，所述電源模塊、缺陷定位模塊以及圓棒修磨模塊均與PLC 控制模塊相連，圖中的控制開關、檢測開關和PLC 控制器分開進行供電，PLC 控制器的輸出控制信號通過繼電器來控制修磨設備部分設備工作，PLC 控制器一部分輸出引腳用來連接輸出報警裝置以及各種指示燈等，PLC 控制器通過以太網(wǎng)通訊和機器人，伺服電機以及相機（視覺系統(tǒng)）通訊，用來控制機器人行走、動作，輥道旋轉和相機的動作，并接受信號。

圖2 系統(tǒng)控制框圖

所述三色燈即為系統(tǒng)安全門聲光報警裝置，可以實時顯示系統(tǒng)運行，停止或者故障狀態(tài)；所述指示燈指現(xiàn)場檢測開關的實時位置在操作臺上指示燈的顯示。

2.2 系統(tǒng)通訊拓撲設計

如圖3 所示，為系統(tǒng)的通訊拓撲圖，1500PLC 通過Profibus 通訊協(xié)議和兩臺變頻器進行通訊，通過Profinet 協(xié)議和兩臺伺服電機交換數(shù)據(jù)，通過開放式以太網(wǎng)通訊和機器人本體，工業(yè)相機，工控機以及觸摸屏通訊，交換數(shù)據(jù)。

圖3 系統(tǒng)通訊拓撲圖

2.3 IO變量設計

除了2.2 部分所述PLC 系統(tǒng)通過工業(yè)通信方式與部分系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互外，現(xiàn)場還有部分硬接線的檢測開關，以及控制氣缸等單體設備的輸出點仍需要經(jīng)過傳統(tǒng)的DI，DO 點與PLC 的數(shù)字量輸入輸出模塊進行數(shù)據(jù)交互。如表2 所示，為系統(tǒng)的IO 點主要包含的設備，其中I 點均為現(xiàn)場檢測開關傳給PLC 的信號，Q 點為PLC 通過繼電器控制現(xiàn)場設備的信號。

表2 系統(tǒng)IO點表

3 機器人自動化系統(tǒng)軟件設計

3.1 PLC程序設計

S7-1500 自動化系統(tǒng)是西門子工業(yè)自動化集團在S7-300 和S7-400 系統(tǒng)的基礎上進一步開發(fā)的自動化系統(tǒng)［1］，在各個大中型項目里面有著非常高的市場占有率，相對于300 系列PLC，有了多方面的革新和提升，它的處理速度更快，聯(lián)網(wǎng)能力更強，診斷能力和安全性更高，不僅可節(jié)省成本，提高生產(chǎn)效率，而且安全可靠，維護簡單方便，成為工廠客戶和現(xiàn)場維護人員的首選控制器。與之配合的開發(fā)平臺博途相對于傳統(tǒng)STEP7 軟件，操作更加便捷，組態(tài)功能更加強大。本文所實際的程序就是采用西門子公司博途V15.1 版本編寫，采用了經(jīng)典的順序控制法編程思路，即按照不同的時間順序、邏輯順序或條件控制順序使各個機構有序地按照預先設定的順序依次進行工作［2］。系統(tǒng)全自動運行流程如圖4 所示，圖中已清晰地表達出系統(tǒng)自動化運作的流程。其中第七軸是指機器人行走軌道，因為圓棒長度最大可達9 米，所以機器人需要行走并分段掃描，直至走完圓棒所設定的長度，后再回到起點，等待下一根圓棒，并重復修磨過程。系統(tǒng)啟動前的條件一共有15 條，在圖4 中已列出。在系統(tǒng)啟動前，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定和人員的安全，必須全部滿足條件，系統(tǒng)方可運行。

圖4所示，整個系統(tǒng)運行主要包括以下步驟：

圖4 系統(tǒng)全自動運行流程圖

S1：位于物料等待區(qū)內的接近開關檢測是否有物料，若有物料，則PLC 控制模塊控制擋料桿轉動，使位于物料等待區(qū)內的物料進入物料修磨區(qū)；

S2：位于物料修磨區(qū)內的接近開關檢測待修磨的物料是否就位，若就位，則PLC 控制模塊控制第一伺服電機工作，使其帶動主動輥旋轉，從而使對轉輥道旋轉，帶動物料旋轉，同時，第二伺服電機帶動機器人本體沿滑軌移動，進而帶動帶動工業(yè)相機沿滑軌移動，工業(yè)相機對物料進行圖像采集，并將采集到的圖像數(shù)據(jù)傳輸至PLC控制模塊；

S3：PLC 控制模塊接收工業(yè)相機傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)，并對圖像數(shù)據(jù)進行分析，判斷物料上是否存在缺陷，若物料表面存在缺陷，則控制對輥旋轉，使物料表面的缺陷朝向正上方，隨后發(fā)送缺陷坐標至修磨機器人，使磨具移動至缺陷正上方，對物料進行修磨；

S4：若物料表面不存在缺陷，則PLC 控制模塊根據(jù)機器人本體的移動距離，判斷是否達到物料的設定長度，若未達到設定長度，則PLC 控制模塊控制機器人本體回到初始位置，再次帶動工業(yè)相機沿物料長度方向移動；若已達設定長度，則PLC 控制模塊控制下料機械臂將物料收集至下料區(qū)。

3.2 觸摸屏程序設計

本系統(tǒng)人機交互采用了西門子的精智系列TP900 觸摸屏，簡單直觀，方便操作人員，是西門子公司性價比較高的一款觸摸屏其具有觸摸功能和PLC通信功能【3】，如圖5所示，為觸摸屏的主屏，主界面顯示了常用的操作按鈕和狀態(tài)顯示，具體功能對應的文字說明。

圖5 觸摸屏主界面圖

如圖6 所示為手動控制命令，當設備出現(xiàn)故障需要調試或者需要操作某個單體設備時，可切換到手動模式，并點擊對應按鈕，進行單體設備的控制。觸摸屏還包含了通訊狀態(tài)圖，可以實時顯示各個系統(tǒng)的通訊是否正常，報警界面，顯示是否有設備異常報警，不再一一贅述。

圖6 觸摸屏手動控制界面圖

3.3 系統(tǒng)安全設計

由于現(xiàn)場環(huán)境以及冶金機器人的特性，安全生產(chǎn)與運行是一切之本，本系統(tǒng)對安全進行了著重設計，在程序中各個系統(tǒng)已做了安全互鎖。如在系統(tǒng)自動運行時，操作人員誤觸單體設備的手動控制命令，設備自動屏蔽該命令，不執(zhí)行。再如前文所述的系統(tǒng)啟動前的條件判斷，任意一項不滿足，按下啟動鍵是無效的。

同時為了現(xiàn)場使用和維保人員的安全考慮，整個系統(tǒng)外圍設置了一層黃色安全網(wǎng)，并設置兩個安全門，每個安全門旁邊設置一個三色燈，以指示系統(tǒng)狀態(tài)。三色燈有三種顏色，紅色代表系統(tǒng)運行態(tài)，此時禁止開門進入；綠色表示系統(tǒng)停止態(tài)，可開門；黃燈閃爍表示系統(tǒng)報警態(tài)。當系統(tǒng)運行時，安全門被意外打開時，系統(tǒng)會自動進入暫停狀態(tài)，保障人身安全，再次啟動，需人工確認恢復。

當系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況時，兩個安全門配套的按鈕盒上有急停按鈕，急停拍下后，手動、自動均不能動作，所有運轉設備，立刻停止。

在上料處設置了一個光電感應器，由于此處需要上料，不宜設置防護網(wǎng)，所以通過光電感應器來保證安全，當系統(tǒng)運行時，如果有人或物誤闖入運行區(qū)域，系統(tǒng)自動暫停。需要現(xiàn)場操作人員確認情況，確認安全時，手動恢復。

4 結語

本系統(tǒng)自上線驗收以來，穩(wěn)定運行數(shù)月，效果優(yōu)良。系統(tǒng)操作簡單，完全自動化運行，啟動后，無需人工干預，即可完成圓棒上料，分支，缺陷識別，姿態(tài)調整，缺陷坐標計算，自動修磨，下料等流程。本系統(tǒng)通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)圓棒修磨工序的全自動化運作，有效提高了精整圓棒的修磨效率，降低了操作人員的勞動強度，實現(xiàn)修磨工位無人化操作；通過對轉輥道帶動圓棒旋轉，再通過工業(yè)相機對圓棒進行掃描和圖像采集，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)自動定位圓棒缺陷位置，隨后控制修磨機器人定點修磨，實現(xiàn)了修磨精度遠遠高于人工的效果。隨著國家智能制造的推進和南鋼智能制造的發(fā)展要求，本文所設計的圓棒全自動機器人修磨系統(tǒng)，以提高精整廠圓棒表面修磨質量和效率、降低工人勞動強度，實現(xiàn)修磨工位無人化操作為目標。通過在現(xiàn)場的長期穩(wěn)定運行，證實了本方案的可行性與可靠性，得到了相關領導和操作人員的一致的高度評價，為南鋼在智能化應用積累了一定的經(jīng)驗。