智能制造生产线中PLC控制系统设计应用*
时间：2023-02-17 08:50:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
向艳芳，刘 苗，兰 凯，邓霖志
(1.湖南工业职业技术学院，湖南 长沙 410208；
2.湖南省工程研究中心，湖南 长沙 410208)
制造业在国家乃至整个社会层面都扮演着至关重要的作用，大数据、人工智能、5G技术在智能制造领域的广泛运用[1]，也促使传统制造业迎来一次又一次新的变革。传统制造业以人员数量来实现高产量的模式也将慢慢淡出视野，“机器代人”，“机器换人”成为未来制造行业的发展趋势。发展智能制造，既符合制造业发展的内在要求，也是重塑我国制造业新优势、实现转型升级的必然选择[2-3]。近年来，随着我国制造行业的不断革新与改进，智能化水平显著提高，生产效率大幅提升。但大多数生产线存在设备彼此独立、信息共享不完善、信息数据分析能力弱和人机交互功能不友好等问题。作为“机器”的PLC具备功能完善、可靠性高、适用性强等多种优点，已成为了现代工业智能集成控制系统的核心控制器件。笔者针对智能工厂中制造生产线升级改造需求，提出了一种以总控PLC为控制核心，以实现多设备联动工作为目标的设计应用方案，通过实施应用，方案既满足了智能制造生产线数控车铣复合工作需要，又达到复杂零件混合加工生产要求，对企业的自动化水平提升、智慧工厂的方案设计具有参考意义。
此次设计智能制造生产线由控制中枢依据提前设计的生产节拍，操作机器人，配合数控机床加工，实现机器人上料、机器人下料、在线检测、机床加工、机器人入库等生产工艺过程[4]。智能制造生产线组成如图1所示。产线主要设备元件及功能如下。
图1 智能制造生产线组成
(1) 机器人：采用华中数控HsRobot612机器人，配套XZDG-04第七轴，完成机床上下料、工件入库、出库。
(2) 数控车床：采用宝元数控CK6146型号车床，完成工件车削。
(3) 数控铣床：采用华中数控Z-540B型号加工中心，完成工件铣削。
(4) 立体仓库：采用4×6立体料库，完成毛坯、半成品和成品工件的存储。
(5) 微型计算机：采用Ideacemtre AIO 700-241ISH型号联想微型计算机3台，完成上位机软件监控、加工数据分析、加工任务派发等。
(6) PLC采用西门子：S7-1200控制器，控制器具有模块化、结构紧凑、功能全面等特点，可实现与设备的S7通信和MODBUS通信。
此次设计采用西门子S7-1200系列CPU1215C，该PLC拥有6个快速计数器(3个频率为100 kHz；
3个频率为30 kHz)，带有可参数化的使能和复位输入，可以同时用作带有2点单独输入的加减计数器，可用于连接增量型编码器。并且该PLC集成通信命令(USS协议、Modbus RTU、S7通信“T-Send/T-Receive”(T发送/T接收)或自由端口模式 (Freeport))使其能直接通过RS485或RS232等输出脉冲信号控制各设备，而不需要再额外扩展脉冲控制模块[5]。
为补充CPU1215C集成IO口，该CPU扩展了SM1223数字量输入/输出模块2块，SM1221数字量输入模块2块。其中SM1223用于机床IO数据信号交互，SM1221用于料仓数据信号交互。
通过#MB_SERVER_Instance设置端口号、数据存储起始位置，建立PLC与MES连接，响应采用直接返回MES发送信号方式，避免数据丢失。PLC与MES握手建立PLC接收命令大于0PLC返回命令码 MES接受命令码后清零 PLC清零,实现交互流程。
PLC与MES之间的数据交互是通过DB_MesData数据块进行的，具体如表1所列。在PLC程序中设计MES控制程序，主要包括产线启动、产线停止、产线复位、订单下发、产线报修、车床控制、加工中心控制和MES复位等。
表1 DB_MesData 数据块
为确保数据传输不失帧、校验实时准确，采用Modbus轮询通信的方式，使用MB_CLIENT建立PLC与机器人连接，实现16个WORD型数据接收与16个WORD型数据发送，具体如图2所示。机器人端口号为502，IP地址为192.168.1.158，读的起始位置30001，写的起始位置40001，二者交互数据存储于DB_RobData数据块，主要包括机器人工作状态、机器人轴参数、机器人运输状态等，具体如表2所列。
图2 PLC与机器人通讯程序
表2 DB_RobData数据块
续表2 DB_RobData数据块
机器人位于工作原点、数控机床准备就绪是PLC控制生产线工作前提，可有效减少设备碰撞和安全事故的发生。
为了使整个控制系统可视化、可监管，对整个生产线运行过程进行整体把控，采用西门子TP900系列触摸屏作为生产线控制系统人机交互界面。触摸屏拥有9.0英寸宽屏TFT显示屏，分辨率达到800×480，与PLC通过网线组态连接。二者配合一方面控制数控机床，获取产线加工状态；
另一方面控制生产线动作流程，实现工业机器人的取料、机床上料、机床下料、放料等工序任务。PLC接收生产线MES的启动信号后，检测数控机床、机器人当前状态，进而对工序任务进行评估，决定机器人搬运动作、机床开关门和卡盘松紧。PLC控制程序使用T型图编写、状态显示使用C语言程序编写。多设备程序块功能如表3所列。通过条件判断if-else-end if指令语句，简洁快速编制设备状态显示，显示界面如图3所示。
表3 多设备程序块功能
图3 HMI设备显示状态界面
结合生产线控制要求和调试需要，上位机HMI界面设有主页面、机器人运行界面、料仓显示界面、命令下发界面、IO监控界面和调试报警界面等。实时显示机床工作状态、产线工作状态，为便于调试，在HMI界面设计了机床启动、机床暂停、机床卡盘控制等IO直接控制信号。在TIA Portal V15编程环境中，利用西门子自带的HMI画面模块，添加画面，布置按钮、开关、显示灯、文本框、选择框等插件，通过对其进行设计与编译，构建满足多设备控制与显示要求的美化画面。
利用微型计算机分别将博图PLC程序和HMI设计画面下载到西门子PLC和TP900触摸屏中，并实现PLC和HMI硬件网线连接和软件通讯设置。设备通过启动按钮硬件触发启动，生产线正常运行，在触摸屏中进行机床参数设定，将吹扫时间设定为60 s、安全门设置打开、卡盘设置松开等。机器人依据HMI输入的取料位、放料位和设备号进行工件运输。
在生产线自动运行模式下，机器人自动完成生产线机床上下料过程，比较分析触摸屏机器人轴坐标数据，重复定位，精度可达±0.5 mm的精度要求。
文中重点对制造生产线的控制系统进行了改造升级，主要针对多设备互联互通、产品自动化生产、人机界面的友好交互等功能进行完善，重点总结如下。
(1) 智能制造生产线以PLC为控制核心，通过以太网和IO端口等方式，进行传统数控机床、工业机器人和PLC的整合应用，实现了零件自动化加工的信息化、网络化、数字化改造，顺应了制造产业的发展趋势。
(2) 操作员通过MES和HMI下达任务，PLC依据接收到的信息进行任务解析，控制工业机器人、数控车床和加工中心运行，同时将工业机器人、机床等的状态信息显示在HMI和MES操作界面，以实现零件加工全生命周期管控。
(3) 通过完整的控制系统设计，为自动化生产线升级改造提供了解决方案，也为其在智能工厂广泛应用提供参考。
(4) 接下来，生产线可以根据加工节拍，生产实际需要增加数控机床设备，减少机器人闲置时间，从而进一步提高生产线的生产效率。
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