試論PLC在基于工業機器人的智能加工生產線中的應用

張軍安

（浙江省寧波晶鉆工業科技有限公司，浙江 寧波 315202）

0 引言

在社會經濟高速發展的背景下，人力成本不斷上漲，特別是制造業技術發展速度很快，智能制造將成為制造業發展的必然趨勢。在這樣的背景下，需要結合生產加工的實際需求，對原有的機加工設備進行智能化改造。其中將加工中心、數控機床以及工業機器人進行組合，成為具有代表性的智能化改造升級。具體而言，是以PLC為總控系統核心，打造小型的智能加工生產線。在PLC技術的支持下，智能生產線可以對實際生產進行模擬，從用戶下單到機器人取材料，然后結合生產加工任務，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，機器人將合格的產品放置料倉。總控系統通過可視化系統對整個加工生產過程的所有數據進行顯示，進而實現智能管控的目標，將有利于提升生產效率與質量，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，還能夠實現電平轉換以及隔離，因此，PLC技術在工業機器人、數控車床和加工中心中的應用，需要軟件與硬件達到高度協調。

1.1 基本框架

PLC技術基本框架：①中央處理單元。對于PLC系統而言，CPU是控制中樞，作用是接收、儲存用戶數據以及相關程序；②存儲器。基于功能角度而言，存儲器主要有用于存儲系統軟件的系統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掃描，每完成一次掃描會自動存儲用戶程序，并讓系統執行程序對規定任務進行實施。所謂掃描周期，也就是完成一次掃描所耗費的時間；完整的循環過程通常需要經過這些階段：①公共處理階段。PLC會復位監視定時器、檢查所連接的所有外界設備以及用戶的內存狀態等。倘若發現異常情況，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判斷；②執行用戶程序階段。這個階段主要執行、讀取、解釋映像寄存器所存儲的數據；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以及映像寄存器的狀態進行分析。

1.3 應用優勢

1.3.1 可靠性更高

在科學技術高速發展的背景下，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系統在運行過程中之所以出現故障，基于自身原因導致的故障很少，多數是因為傳感器、外部開關或者是機芯機構出現問題而導致故障，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技術實現了系統化的功能模塊化、生產模塊化的目標，這就意味著用戶能夠結合自身需求進行靈活組合，能夠幫助用戶節約更多時間以及成本。

1.3.3 程序設計更簡單

現階段，PLC技術主要應用于工業機器人、數控車床和加工中心中，為了能夠實現自動化、智能化控制，PLC生產廠家在進行設計時，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系統設計周期更短，因為系統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 智能加工生產線總體結構概述

對于智能加工生產線而言，最重要的是控制系統，即：I/O通訊系統、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）+基于數控加工設備的MES系統（作用是對數據進行處理，并通過系統實現邏輯控制）。對于控制系統來講，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絡結構，確保各個系統的功能達到實際需求。智能加工生產線總體結構見圖1，以及智能加工生產線工藝流程見圖2[3]。

圖1 智能加工生產線總體結構

圖2 智能加工生產線工藝流程

3 基于PLC的總控系統的硬件設計分析

3.1 硬件配置

為了保障系統的可靠性、安全性以及有效性，總控系統的核心選用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間數據穩定通信、HMI以及用于編程。工業機器人、加工中心以及數控車床之間的I/O通訊需要達到高效、穩定的目標，因此，硬件方面進行了加強，配置有2塊數字量輸入模塊（SM 1221 DI16x24VDC）、2塊數字量輸入/輸出模塊（SM 1223 DI16/DQ16）。另外，配置模塊CM 1241，能夠確保RS422/RS485接口能夠穩定通信。

3.2 I/O地址以及變量分配

基于智能生產加工的總體框架以及工藝流程，核心控制設備是PLC，并與生產加工中心、數控機床、MES系統、數字料倉、工業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，數據也會不同，這就需要采用對應的傳輸介質、傳輸協議以及傳輸方式，確保數據能夠能夠穩定交換，達到智能生產加工的目標。

3.2.1 PLC與數控機床、生產加工中心

依托I/O硬接線可以完成PLC與數控機床、生產加工中心之間的信號交互，可以實現相關控制，例如，加強程序的裝載、聯機遠程啟停生產加工中心以及數控機床；同時，數控機床的主軸位置、工作模式、狀態等信息能夠及時獲取；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與工業機器人之間的信號交互。工業機器人會將外部行走軸的實時坐標、關節軸、狀態等發送給PLC的數據包；同時，由PLC為機器人發送數據包，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，數量也多；同時，兩者信號交換并不僅是收發關系，而需要的是雙發應答。簡單來講，由命令方發送命令，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的有效性、安全性。

4 基于PLC的總控系統的軟件設計分析

根據智能生產線總體框架、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、系統啟動與停止、復位產線、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數據進行讀取，還需要結合MES所下發的訂單實際情況，再有PLC進行處理之后，對指令進行發送，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

智能生產加工線選用的是TP900觸摸屏（西門子），PLC控制系統通過以太網與其完成連接，顯示的內容有料倉狀態、工業機器人狀態、MES通訊、機床監控、權限設置等。

4.4 RIFD

PLC的程序通常是根據RFID規定的編碼規則完成編寫，按照料倉狀態初化每一個倉位的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上的組態調試功能鍵實現，作用調試生產線的相關設備。

4.6 設備控制

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

4.7 處理訂單

由MES系統對工單進行下發，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

基于工業機器人的智能加工生產線中應用PLC技術，目前還處于摸索階段，有部分企業通過現場安裝、調試以及運行，能夠實現智能化生產，充分發揮出PLC技術的維護方便、檢測靈活、運行穩定等優勢，尤其是成本方面能夠大幅度降低，加之PLC系統開放性強，能夠基于生產加工需求進行拓展。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展。