基于PLC的相框組裝包裝控制系統設計

劉彥磊，郭濤，張世輝，李傳軍，張培

基于PLC的相框組裝包裝控制系統設計

劉彥磊1，郭濤2，張世輝1，李傳軍1，張培1

（1.天津中德應用技術大學 機械工程學院，天津 300350；2.中國電子系統工程第四建設有限公司，石家莊 050004）

為了解決相框組裝包裝控制系統中工業機器人、機器視覺檢測系統、MES系統、觸控一體機之間等通信及數據交換的難題，實現MES系統對底層設備的直接控制。進行結構設計，包括相紙組裝、logo組裝、視覺檢測、包裝盒組裝等裝置。以臺達PLC AS228P為主控器，進行通信網絡架構及相關算法軟件的設計，利用Modbus TCP協議通過以太網實現與不同智能設備間通信。組裝包裝系統運行穩定，成功率達到99.5%，產品合格率達到99.2%，數據通信穩定和可靠，符合工業應用要求。該控制系統很好地滿足了企業對智能制造的需求，解決了不同設備之間數據通信的難題。

工業機器人；機器視覺；MES；Modbus TCP

為了適應中國制造2025發展及企業自身發展需求，提高企業產線的智能化水平已經成為制造業發展的趨勢，其智能化程度對企業生產效率具有重要影 響[1]。實現生產線的自動化、智能化、柔性化程度、通信等問題就顯得尤為重要了，為此楊新順[2]提出結合工控機、運動控制卡等多控制器的控制系統，葛暢[3]提出結合PLC和伺服電機的控制系統來實現產線的自動化程度，熊雋等[4-7]則把工業機器人應用于智能產線來提高其智能化程度。

大部分采用傳統I/O控制，很難實現MES系統對PLC的直接控制和通信的問題，以及不同設備之間的通信問題，并且存在由于人工漏檢、檢測不準等造成的相框裝配的質量問題。在已有的研究基礎上，文中設計以PLC為控制中心，引入工業機器人、機器視覺缺陷檢測系統，通過以太網與工業機器人系統、視覺檢測系統、觸控一體機、MES系統等進行信息采集和數據交換的智能化控制系統，通過實驗和企業實際應用來驗證該系統的有效性[8]。

1 系統方案設計

根據企業實際應用要求，設計了相框組裝包裝機械結構及工藝流程，綜合應用PLC、工業機器人控制系統、視覺檢測系統、Modbus TCP、觸控一體機和MES系統等技術來進行電氣硬件結構和通信網絡的設計，以此來解決企業提出的相框裝配質量、生產效率、MES系統與PLC之間直接進行控制和通信，以

及不同設備之間數據通信的問題。

1.1 相框組裝包裝結構

根據相框產線生產工藝設計了相框的組裝包裝系統，其包括2部分：相框組裝結構和相框包裝結構，見圖1。其工藝過程：首先把相框從傳送帶取來放到logo組裝平臺進行logo組裝，其次把相片裝入相框，然后進行機器視覺缺陷檢測，最后裝盒進行包裝。

1.2 相框組裝結構

相框組裝結構主要包括機器人平臺、logo組裝平臺、相片組裝平臺、觸控一體機及機器視覺檢測平臺，其結構見圖2。

工藝流程：在MES控制以及PLC已經復位完成狀態下，由MES發送抓取相框尺寸和抓取觸發指令，PLC控制機器人開始抓取相框到相框logo組裝位，并抓取相板到相框相板組裝位。

在MES控制以及PLC已經復位完成狀態下，由MES發送抓取logo顏色和抓取觸發指令，PLC控制機器人開始抓取相對應顏色的logo到裝配區，其余顏色的logo到暫存區。

圖1 相框組裝包裝結構

圖2 相框組裝結構

待logo和相框相板都抓取到位后，logo裝配機構開始將logo推入相框logo槽內，推入完成后PLC發送抓取指令，將相框抓取到相板裝配位置，相板裝配完成后由機器人抓取到檢測位置，進行相板安裝平整度和側面劃痕的拍照檢測，檢測合格后由MES發送抓取指令，將合格的相框和暫存區的logo抓取到盒子里。

1.3 相框包裝結構

相框包裝結構主要包括機器人平臺、包裝固定平臺、觸控一體機，其結構見圖3。

圖3 相框包裝結構

工藝流程：在MES控制且單站復位完成狀態下，由MES發送開始抓取指令，由SCARA機器人從環線將包裝盒抓取到包裝位，由氣動開蓋系統將包裝蓋打開，此時給MES反饋完成信號，MES發送相框抓取指令給六軸機器人，將裝配完成的相框抓取到盒子里，相框放置完成后，反饋給MES完成信號，由MES發送開始包裝指令，氣動翻蓋系統將盒子重新扣好，由SCARA機器人將包裝完成的盒子重新放到環線托盤上。

2 控制系統硬件結構設計

基于PLC的相框組裝包裝控制系統采用臺達PLC AS 228P為主控制器，具有高效的算力，內置EtherNet通信接口，支持Modbus TCP開放式工業以太網絡協議，靈活網絡系統架構，滿足實時控制與數據交換需求。支持與第三方設備進行開放式工業以太網絡通信，通過工業交換機可與工業機器人、三菱PLC、機器視覺檢測系統、觸控一體機等設備進行通信，臺達PLC的MODBUS TCP數據交換只需在編程軟件數據交換表進行簡單設置就可實現與第三方設備進行通信及數據交換，不需單獨編寫通信程序，大大簡化編程難度[9-10]，系統硬件結構見圖4。

圖4 系統硬件結構

3 系統網絡通信設計

該項目采用了Modbus TCP協議，以太網TCP/IP數據包封裝有MODBUS報文，并使用TCP/IP和以太網在站點間傳送。設備間通過以太網口進行連接，大大簡化了布線，增加了通信的穩定性，并且所用設備均支持此協議，以臺達AS 228P PLC為主控制器，采用星型網絡拓撲機構，與第三方設備進行通信和數據交換，協調控制機器人、組裝平臺、視覺檢測平臺、包裝平臺。按照工藝流程完成組裝包裝工作，完成相關數據采集以及所有設備與MES系統進行數據通信的任務[11-13]，系統網絡拓撲結構見圖5。

圖5 系統網絡拓撲結構

3.1 PLC機器人通信設計

臺達PLC AS 228P作為主控制器，主要接收來自MES系統的指令，并按照指令要求完成對機器人的控制，實現機器人從傳送帶抓取相框和logo放置組裝平臺進行組裝檢測包裝等任務。主控PLC的Modbus TCP數據交換設置，需在編程軟件中進行設置，主機IP為192.168.1.14，端口號為502，數據交換區為D300-D400、M100-M150；該數據交換區用作存儲MES系統與工業機器人進行交換的數據。三菱PLC的數據交換區（D20-D30）主要存儲其與主控PLC、包裝機器人進行通信及控制的相關數據，機器人與主控PLC數據交互的主要地址分配見 表1[14]。

表1 機器人與主控PLC數據交互的主要地址

Tab.1 Main address of data interaction between robot and PLC

李群機器人作為客戶端來讀取主PLC M100-M150區和三菱PLC D20-D30的數據，根據數據的含義來執行相關動作，完成相框、logo抓取放置到組裝平臺的任務，同時把包裝盒放到包裝平臺進行包裝。6軸機器人和SCARA機器人IP設置要與PLC在同一網段，通過編寫程序設置IP地址及相應的通信程序來完成數據交換，通信程序如下所述[15]。

Dim ep As New IPEndPoint("192.168.1.81")

Dim mb As New Modbus(ep)

Dim id As String

id = mb.ReadDeviceId(0)

Dim bool( ) As Boolean

mb.ReadCoils(100, 20, bool)

3.2 機器視覺系統設計

機器視覺系統采用基恩士視覺系統，包括工業相機、鏡頭、照明等。視覺檢測系統與PLC通過Modbus TCP協議和I/O進行通信數據的交換，PLC通過讀取視覺檢測系統的數據來判斷相框質量，視覺檢測系統主要功能是檢測相框是否存在劃痕，以及照片裝配后位置是否正確。通過檢測，確保加工完的相框和組裝好的相框照片滿足外觀和裝配精度等要求，視覺檢測處理流程見圖6。

圖6 視覺檢測處理流程

4 軟件設計

根據工藝要求，軟件設計包括PLC主程序、機器人程序、視覺檢測系統程序。主控PLC程序主要接收來自MES系統的指令，控制機器人從傳送帶抓取相框、logo到裝配臺進行裝配，以及視覺檢測；其次控制機器人把包裝盒放到包裝臺，并把檢測合格的相框裝放到包裝盒進行包裝；最后將包裝好的禮盒放到傳送帶，主程序控制流程見圖7。

圖7 主程序控制流程

5 系統調試

相框組裝包裝實物見圖8。為保證系統的性能，將該系統交付企業試運行并測試驗證，對工業機器人的抓取定位，相框的組裝包裝，視覺檢測系統，PLC與設備之間的通信和數據交換，MES系統直接控制

PLC等功能進行了一系列測試驗證。結果表明，組裝包裝過程穩定，精確且速度快，包裝成功率達到99.5%，產品合格率達到99.2%，包裝效率為4～6個/min，數據交換及通信非常的穩定、可靠，滿足了企業實際需求。為了更好地顯示數據以及方便技術人員操作，設計了組裝單元和包裝單元人機界面，界面包括組裝包裝過程狀態參數、報警界面、故障、機器人狀態、MES指令狀態、自動手動模式等，組裝單元界面見圖9，包裝單元界面見圖10。

圖8 相框組裝包裝實物

圖9 組裝單元界面

圖10 包裝單元界面

6 結語

為了滿足企業實際需求，設計了基于PLC的智能相框組裝包裝系統，采用了集工業機器人、視覺檢查系統、MES系統于一體的綜合技術，利用Modbus TCP協議，以及自研的數據交換和通信軟件算法，很好地解決了MES系統對底層PLC為核心控制器的直接控制和通信，以及不同設備之間數據通信的難題。通過企業的實際應用驗證，該系具有通信實時性強、可靠、穩定、柔性化、效率高等特點，大大提高了企業的產能和效益。

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Design of Photo Frame Assembly and Packaging Control System Based on PLC

LIU Yan-lei1, GUO Tao2, ZHANG Shi-hui1, LI Chuan-jun1, ZHANG Pei1

(1.School of Mechanical Engineering, Tianjin Sino-German University of Applied Sciences, Tianjin 300350, China; 2.China Electronics System Engineering Fourth Construction Co., Ltd., Shijiazhuang 050004, China)

The work aims to solve the problems of communication and data exchange among industrial robots, machine vision inspection system, MES system and touch control AIO machine, and realize the direct control of the bottom equipment by MES system. The main structure was designed, including photo paper assembly, logo assembly, visual inspection, packaging box assembly and other devices. The communication network and related software were designed with Delta PLC AS228P as the master controller. Modbus TCP protocol was used to realize communication with different intelligent devices through Ethernet. The assembly and packaging operation was stable, the success rate reached 99.5%, the product qualification rate reached 99.2%, and the data communication was stable and reliable, which met the requirements of industrial application. The control system can meet the needs of intelligent manufacturing and solve the problem of data communication between different devices.

industrial robot; machine vision; MES; Modbus TCP

TB486；TP23

A

1001-3563(2022)05-0205-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.05.028

2021-05-31

天津市企業科技特派員項目（20YDTPJC01120 ）；天津市智能制造專項資金支持類項目（20193151）；天津市教委科研計劃（2018KJ258）；天津市教委科研計劃重點項目（2020ZD05）

劉彥磊（1982—），男，碩士，天津中德應用技術大學副教授，主要研究方向為機器人技術及機器視覺，智能控制。