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

在社會經(jīng)濟高速發(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。在這樣的背景下，需要結合生產(chǎn)加工的實際需求，對原有的機加工設備進行智能化改造。其中將加工中心、數(shù)控機床以及工業(yè)機器人進行組合，成為具有代表性的智能化改造升級。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。在PLC技術的支持下，智能生產(chǎn)線可以對實際生產(chǎn)進行模擬，從用戶下單到機器人取材料，然后結合生產(chǎn)加工任務，再將材料放置到對應的機床，并進行全面加工；完成加工之后，還會對產(chǎn)品進行在線檢測，并將質量反饋到上位機；此時，機器人將合格的產(chǎn)品放置料倉?？偪叵到y(tǒng)通過可視化系統(tǒng)對整個加工生產(chǎn)過程的所有數(shù)據(jù)進行顯示，進而實現(xiàn)智能管控的目標，將有利于提升生產(chǎn)效率與質量，并降低人力成本。

1 PLC技術概述

對于PLC技術而言，輸入以及輸出模塊（I/O模塊）屬于整個系統(tǒng)感知的外部條件，可靈活連接CPU模塊。對于輸入模塊而言，主要對信號進行接收以及收集；對于輸出模塊而言，主要對輸出設備進行控制。模塊不僅具有傳輸信號的功能，還能夠實現(xiàn)電平轉換以及隔離，因此，PLC技術在工業(yè)機器人、數(shù)控車床和加工中心中的應用，需要軟件與硬件達到高度協(xié)調。

1.1 基本框架

PLC技術基本框架：①中央處理單元。對于PLC系統(tǒng)而言，CPU是控制中樞，作用是接收、儲存用戶數(shù)據(jù)以及相關程序；②存儲器?；诠δ芙嵌榷?，存儲器主要有用于存儲系統(tǒng)軟件的系統(tǒng)程序存儲器以及用來存儲應用軟件的用戶程序儲存器；③電源。對于PLC系統(tǒng)而言，電源就是動力中樞，斷電即關閉，通電即運行[1]。

1.2 工作原理

PLC技術的工作方式是循環(huán)掃描，每完成一次掃描會自動存儲用戶程序，并讓系統(tǒng)執(zhí)行程序對規(guī)定任務進行實施。所謂掃描周期，也就是完成一次掃描所耗費的時間；完整的循環(huán)過程通常需要經(jīng)過這些階段：①公共處理階段。PLC會復位監(jiān)視定時器、檢查所連接的所有外界設備以及用戶的內(nèi)存狀態(tài)等。倘若發(fā)現(xiàn)異常情況，故障顯示電路會及時接通，并由對應的燈進行顯示原因并做后續(xù)判斷；②執(zhí)行用戶程序階段。這個階段主要執(zhí)行、讀取、解釋映像寄存器所存儲的數(shù)據(jù)；③計算掃描周期。該階段如果在掃描周期之前做了相關設置，那么不會立即開始掃描工作，需要達到預期設定值才會進行掃描；反之，通常計算整個掃描周期；④I/O刷新階段。這個階段主要針對各個輸入點的狀態(tài)以及映像寄存器的狀態(tài)進行分析。

1.3 應用優(yōu)勢

1.3.1 可靠性更高

在科學技術高速發(fā)展的背景下，不斷完善了元器件性能，讓PLC技術運行可靠性有了極大的提升，這就意味著穩(wěn)定運行的時間很長，理論上可以達到幾萬小時，因此，生廠商通常不會明確標注該性能指標。從實踐來看，PLC系統(tǒng)在運行過程中之所以出現(xiàn)故障，基于自身原因導致的故障很少，多數(shù)是因為傳感器、外部開關或者是機芯機構出現(xiàn)問題而導致故障，由此可見，其自身可靠性是很高的。

1.3.2 通用性更強

大部分的PLC產(chǎn)品均配置有I/O模塊以及相關部件，基本能夠滿足相關需求；同時，PLC技術實現(xiàn)了系統(tǒng)化的功能模塊化、生產(chǎn)模塊化的目標，這就意味著用戶能夠結合自身需求進行靈活組合，能夠幫助用戶節(jié)約更多時間以及成本。

1.3.3 程序設計更簡單

現(xiàn)階段，PLC技術主要應用于工業(yè)機器人、數(shù)控車床和加工中心中，為了能夠實現(xiàn)自動化、智能化控制，PLC生產(chǎn)廠家在進行設計時，通常采用的是“梯形圖語言”，而較少采用“編程語言”，因為前者的結構與繼電器的控制原理圖相似，因此，對于工程技術人員來講，這類程序設計更簡單、更易懂、更便捷[2]。

1.3.4 模塊化結構更先進

PLC技術的模塊化結構不僅先進，而且系統(tǒng)組合更加靈活。模塊化技術手段，會將I/O通道、電源、CPU等各個部件做模塊化設計，并通過電纜以及機架將各個模塊進行組合；同時，可以基于用戶需求進行組合，非常有利于提升工作效率以及質量。

1.3.5 設計周期更短

PLC系統(tǒng)設計周期更短，因為系統(tǒng)硬件是基于對象需求合理分配模塊，所以，整個設計時間會大大減少，有利于提升工程進度。

2 智能加工生產(chǎn)線總體結構概述

對于智能加工生產(chǎn)線而言，最重要的是控制系統(tǒng)，即：I/O通訊系統(tǒng)、PLC電氣控制（作用是對周邊設備以及機器人的I/O通訊進行有效控制）+基于數(shù)控加工設備的MES系統(tǒng)（作用是對數(shù)據(jù)進行處理，并通過系統(tǒng)實現(xiàn)邏輯控制）。對于控制系統(tǒng)來講，控制模式選用的是設備層與控制層，基于實際需求，針對每個層次采用不同軟硬件配置以及網(wǎng)絡結構，確保各個系統(tǒng)的功能達到實際需求。智能加工生產(chǎn)線總體結構見圖1，以及智能加工生產(chǎn)線工藝流程見圖2[3]。

圖1 智能加工生產(chǎn)線總體結構

圖2 智能加工生產(chǎn)線工藝流程

3 基于PLC的總控系統(tǒng)的硬件設計分析

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（西門子），選用CPU 1215C DC/DC/DC，工作存儲器擁有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)機器人、加工中心以及數(shù)控車床之間的I/O通訊需要達到高效、穩(wěn)定的目標，因此，硬件方面進行了加強，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，核心控制設備是PLC，并與生產(chǎn)加工中心、數(shù)控機床、MES系統(tǒng)、數(shù)字料倉、工業(yè)機器人之間進行信號交互。需要注意的是，設備不同意味著信號類型不同，數(shù)據(jù)也會不同，這就需要采用對應的傳輸介質、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，達到智能生產(chǎn)加工的目標。

3.2.1 PLC與數(shù)控機床、生產(chǎn)加工中心

依托I/O硬接線可以完成PLC與數(shù)控機床、生產(chǎn)加工中心之間的信號交互，可以實現(xiàn)相關控制，例如，加強程序的裝載、聯(lián)機遠程啟停生產(chǎn)加工中心以及數(shù)控機床；同時，數(shù)控機床的主軸位置、工作模式、狀態(tài)等信息能夠及時獲??；還可以對安全門開關以及自動液壓卡盤等進行有效控制[4]。

3.2.2 PLC與料倉

與普通的立體倉庫相比，數(shù)字料倉綜合性能更強，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，能夠實時反饋料倉情況。同樣依托I/O硬接線完成PLC與料倉之間的信號交互；通過預先編寫好的PLC程序，能都快速讀取料倉情況，然后在HMI上顯示。

3.2.3 PLC與工業(yè)機器人

將“MB_CLIENT”指令作為Modbus TCP客戶端，然后借助S7-1200CPU的PROFINET，能夠完成PLC與工業(yè)機器人之間的信號交互。工業(yè)機器人會將外部行走軸的實時坐標、關節(jié)軸、狀態(tài)等發(fā)送給PLC的數(shù)據(jù)包；同時，由PLC為機器人發(fā)送數(shù)據(jù)包，例如，取料的位置、放料的位置、各類型標志位等。

3.2.4 PLC與MES

對于智能生產(chǎn)加工線而言，這兩者之間的信號交換涉及的變量、類型比較復雜，數(shù)量也多；同時，兩者信號交換并不僅是收發(fā)關系，而需要的是雙發(fā)應答。簡單來講，由命令方發(fā)送命令，接收方要在響應命令處對相應命令進行回應；然后，命令方發(fā)送方需要接收到命令響應，并將命令碼清零，同時，接收方收到清零之后的命令，又需要將響應清零，這樣才算完成交互。之所以要采用應答模式，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)的軟件設計分析

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

4.1 MES

PLC與MES之間是應答模式，主要的應答信息包括加工調度、系統(tǒng)啟動與停止、復位產(chǎn)線、上下料位、設備號、工序流程指令、加工返修以及需要由MES寫RFID信息，并且由HMI寫RFID信息等。

4.2 ROBOT

ROBOT屬于子程序，其功能需要對機器人狀態(tài)數(shù)據(jù)進行讀取，還需要結合MES所下發(fā)的訂單實際情況，再有PLC進行處理之后，對指令進行發(fā)送，讓驅動機器人能都對手爪進行正確更換，進而完成上下料、對放置對應的加工設備進行判斷、取消等任務。

4.3 HMI

智能生產(chǎn)加工線選用的是TP900觸摸屏（西門子），PLC控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與其完成連接，顯示的內(nèi)容有料倉狀態(tài)、工業(yè)機器人狀態(tài)、MES通訊、機床監(jiān)控、權限設置等。

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，按照料倉狀態(tài)初化每一個倉位的RFID；機器人從料倉進行取料時，首先需要對倉位RFID標簽信息進行讀取之后，再送到機床上料，由機床進行加工、在線測量等；最后，再由機器人從機床上取料，然后送回到對應的料倉中，并對RFID標簽信息（新倉位）進行更新。

4.5 手動控制

單步運行或者是全流程自動運行，通常需要HMI上的組態(tài)調試功能鍵實現(xiàn)，作用調試生產(chǎn)線的相關設備。

4.6 設備控制

同樣通過HMI上的組態(tài)調試功能鍵，對安全門開關、卡盤松緊程度以及生產(chǎn)加工中心、數(shù)控中心的聯(lián)機、啟動、停止、復位等方面進行控制，再通過HMI對設備狀態(tài)以及各個倉位狀態(tài)等信息進行顯示[5]。

4.7 處理訂單

由MES系統(tǒng)對工單進行下發(fā)，對機器人所要抓取的毛胚料進行判別；然后，結合毛坯的不同，對加工工序進行明確，例如，先車后銑或者是車加工、銑加工；最后，結合在線檢測的結果，對后續(xù)流程進行判斷，質量達標由機器人送至對應料倉，反之，則返回加工程序，或者是淘汰。

5 結束語

基于工業(yè)機器人的智能加工生產(chǎn)線中應用PLC技術，目前還處于摸索階段，有部分企業(yè)通過現(xiàn)場安裝、調試以及運行，能夠實現(xiàn)智能化生產(chǎn)，充分發(fā)揮出PLC技術的維護方便、檢測靈活、運行穩(wěn)定等優(yōu)勢，尤其是成本方面能夠大幅度降低，加之PLC系統(tǒng)開放性強，能夠基于生產(chǎn)加工需求進行拓展。因此，未來還需要加強這方面的研究與實踐，將能夠推動我國智能化制造全面發(fā)展。