试论PLC在基于工业机器人的智能加工生产线中的应用

张军安

（浙江省宁波晶钻工业科技有限公司，浙江 宁波 315202）

0 引言

在社会经济高速发展的背景下，人力成本不断上涨，特别是制造业技术发展速度很快，智能制造将成为制造业发展的必然趋势。在这样的背景下，需要结合生产加工的实际需求，对原有的机加工设备进行智能化改造。其中将加工中心、数控机床以及工业机器人进行组合，成为具有代表性的智能化改造升级。具体而言，是以PLC为总控系统核心，打造小型的智能加工生产线。在PLC技术的支持下，智能生产线可以对实际生产进行模拟，从用户下单到机器人取材料，然后结合生产加工任务，再将材料放置到对应的机床，并进行全面加工；完成加工之后，还会对产品进行在线检测，并将质量反馈到上位机；此时，机器人将合格的产品放置料仓。总控系统通过可视化系统对整个加工生产过程的所有数据进行显示，进而实现智能管控的目标，将有利于提升生产效率与质量，并降低人力成本。

1 PLC技术概述

对于PLC技术而言，输入以及输出模块（I/O模块）属于整个系统感知的外部条件，可灵活连接CPU模块。对于输入模块而言，主要对信号进行接收以及收集；对于输出模块而言，主要对输出设备进行控制。模块不仅具有传输信号的功能，还能够实现电平转换以及隔离，因此，PLC技术在工业机器人、数控车床和加工中心中的应用，需要软件与硬件达到高度协调。

1.1 基本框架

PLC技术基本框架：①中央处理单元。对于PLC系统而言，CPU是控制中枢，作用是接收、储存用户数据以及相关程序；②存储器。基于功能角度而言，存储器主要有用于存储系统软件的系统程序存储器以及用来存储应用软件的用户程序储存器；③电源。对于PLC系统而言，电源就是动力中枢，断电即关闭，通电即运行[1]。

1.2 工作原理

PLC技术的工作方式是循环扫描，每完成一次扫描会自动存储用户程序，并让系统执行程序对规定任务进行实施。所谓扫描周期，也就是完成一次扫描所耗费的时间；完整的循环过程通常需要经过这些阶段：①公共处理阶段。PLC会复位监视定时器、检查所连接的所有外界设备以及用户的内存状态等。倘若发现异常情况，故障显示电路会及时接通，并由对应的灯进行显示原因并做后续判断；②执行用户程序阶段。这个阶段主要执行、读取、解释映像寄存器所存储的数据；③计算扫描周期。该阶段如果在扫描周期之前做了相关设置，那么不会立即开始扫描工作，需要达到预期设定值才会进行扫描；反之，通常计算整个扫描周期；④I/O刷新阶段。这个阶段主要针对各个输入点的状态以及映像寄存器的状态进行分析。

1.3 应用优势

1.3.1 可靠性更高

在科学技术高速发展的背景下，不断完善了元器件性能，让PLC技术运行可靠性有了极大的提升，这就意味着稳定运行的时间很长，理论上可以达到几万小时，因此，生厂商通常不会明确标注该性能指标。从实践来看，PLC系统在运行过程中之所以出现故障，基于自身原因导致的故障很少，多数是因为传感器、外部开关或者是机芯机构出现问题而导致故障，由此可见，其自身可靠性是很高的。

1.3.2 通用性更强

大部分的PLC产品均配置有I/O模块以及相关部件，基本能够满足相关需求；同时，PLC技术实现了系统化的功能模块化、生产模块化的目标，这就意味着用户能够结合自身需求进行灵活组合，能够帮助用户节约更多时间以及成本。

1.3.3 程序设计更简单

现阶段，PLC技术主要应用于工业机器人、数控车床和加工中心中，为了能够实现自动化、智能化控制，PLC生产厂家在进行设计时，通常采用的是“梯形图语言”，而较少采用“编程语言”，因为前者的结构与继电器的控制原理图相似，因此，对于工程技术人员来讲，这类程序设计更简单、更易懂、更便捷[2]。

1.3.4 模块化结构更先进

PLC技术的模块化结构不仅先进，而且系统组合更加灵活。模块化技术手段，会将I/O通道、电源、CPU等各个部件做模块化设计，并通过电缆以及机架将各个模块进行组合；同时，可以基于用户需求进行组合，非常有利于提升工作效率以及质量。

1.3.5 设计周期更短

PLC系统设计周期更短，因为系统硬件是基于对象需求合理分配模块，所以，整个设计时间会大大减少，有利于提升工程进度。

2 智能加工生产线总体结构概述

对于智能加工生产线而言，最重要的是控制系统，即：I/O通讯系统、PLC电气控制（作用是对周边设备以及机器人的I/O通讯进行有效控制）+基于数控加工设备的MES系统（作用是对数据进行处理，并通过系统实现逻辑控制）。对于控制系统来讲，控制模式选用的是设备层与控制层，基于实际需求，针对每个层次采用不同软硬件配置以及网络结构，确保各个系统的功能达到实际需求。智能加工生产线总体结构见图1，以及智能加工生产线工艺流程见图2[3]。

图1 智能加工生产线总体结构

图2 智能加工生产线工艺流程

3 基于PLC的总控系统的硬件设计分析

3.1 硬件配置

为了保障系统的可靠性、安全性以及有效性，总控系统的核心选用S7-1200型（西门子），选用CPU 1215C DC/DC/DC，工作存储器拥有125KB，板载DQ10x24VDC及AI2和AQ2，PROFINET端口*2，作用是保障PLC间数据稳定通信、HMI以及用于编程。工业机器人、加工中心以及数控车床之间的I/O通讯需要达到高效、稳定的目标，因此，硬件方面进行了加强，配置有2块数字量输入模块（SM 1221 DI16x24VDC）、2块数字量输入/输出模块（SM 1223 DI16/DQ16）。另外，配置模块CM 1241，能够确保RS422/RS485接口能够稳定通信。

3.2 I/O地址以及变量分配

基于智能生产加工的总体框架以及工艺流程，核心控制设备是PLC，并与生产加工中心、数控机床、MES系统、数字料仓、工业机器人之间进行信号交互。需要注意的是，设备不同意味着信号类型不同，数据也会不同，这就需要采用对应的传输介质、传输协议以及传输方式，确保数据能够能够稳定交换，达到智能生产加工的目标。

3.2.1 PLC与数控机床、生产加工中心

依托I/O硬接线可以完成PLC与数控机床、生产加工中心之间的信号交互，可以实现相关控制，例如，加强程序的装载、联机远程启停生产加工中心以及数控机床；同时，数控机床的主轴位置、工作模式、状态等信息能够及时获取；还可以对安全门开关以及自动液压卡盘等进行有效控制[4]。

3.2.2 PLC与料仓

与普通的立体仓库相比，数字料仓综合性能更强，一方面，可以为工件放置提供必要的空间；另外一方面，配置有指示灯、按钮、传感器等，能够实时反馈料仓情况。同样依托I/O硬接线完成PLC与料仓之间的信号交互；通过预先编写好的PLC程序，能都快速读取料仓情况，然后在HMI上显示。

3.2.3 PLC与工业机器人

将“MB_CLIENT”指令作为Modbus TCP客户端，然后借助S7-1200CPU的PROFINET，能够完成PLC与工业机器人之间的信号交互。工业机器人会将外部行走轴的实时坐标、关节轴、状态等发送给PLC的数据包；同时，由PLC为机器人发送数据包，例如，取料的位置、放料的位置、各类型标志位等。

3.2.4 PLC与MES

对于智能生产加工线而言，这两者之间的信号交换涉及的变量、类型比较复杂，数量也多；同时，两者信号交换并不仅是收发关系，而需要的是双发应答。简单来讲，由命令方发送命令，接收方要在响应命令处对相应命令进行回应；然后，命令方发送方需要接收到命令响应，并将命令码清零，同时，接收方收到清零之后的命令，又需要将响应清零，这样才算完成交互。之所以要采用应答模式，目的是保障命令收发的有效性、安全性。

4 基于PLC的总控系统的软件设计分析

根据智能生产线总体框架、功能需求以及工艺流程，需要编写以下程序，如下：

4.1 MES

PLC与MES之间是应答模式，主要的应答信息包括加工调度、系统启动与停止、复位产线、上下料位、设备号、工序流程指令、加工返修以及需要由MES写RFID信息，并且由HMI写RFID信息等。

4.2 ROBOT

ROBOT属于子程序，其功能需要对机器人状态数据进行读取，还需要结合MES所下发的订单实际情况，再有PLC进行处理之后，对指令进行发送，让驱动机器人能都对手爪进行正确更换，进而完成上下料、对放置对应的加工设备进行判断、取消等任务。

4.3 HMI

智能生产加工线选用的是TP900触摸屏（西门子），PLC控制系统通过以太网与其完成连接，显示的内容有料仓状态、工业机器人状态、MES通讯、机床监控、权限设置等。

4.4 RIFD

PLC的程序通常是根据RFID规定的编码规则完成编写，按照料仓状态初化每一个仓位的RFID；机器人从料仓进行取料时，首先需要对仓位RFID标签信息进行读取之后，再送到机床上料，由机床进行加工、在线测量等；最后，再由机器人从机床上取料，然后送回到对应的料仓中，并对RFID标签信息（新仓位）进行更新。

4.5 手动控制

单步运行或者是全流程自动运行，通常需要HMI上的组态调试功能键实现，作用调试生产线的相关设备。

4.6 设备控制

同样通过HMI上的组态调试功能键，对安全门开关、卡盘松紧程度以及生产加工中心、数控中心的联机、启动、停止、复位等方面进行控制，再通过HMI对设备状态以及各个仓位状态等信息进行显示[5]。

4.7 处理订单

由MES系统对工单进行下发，对机器人所要抓取的毛胚料进行判别；然后，结合毛坯的不同，对加工工序进行明确，例如，先车后铣或者是车加工、铣加工；最后，结合在线检测的结果，对后续流程进行判断，质量达标由机器人送至对应料仓，反之，则返回加工程序，或者是淘汰。

5 结束语

基于工业机器人的智能加工生产线中应用PLC技术，目前还处于摸索阶段，有部分企业通过现场安装、调试以及运行，能够实现智能化生产，充分发挥出PLC技术的维护方便、检测灵活、运行稳定等优势，尤其是成本方面能够大幅度降低，加之PLC系统开放性强，能够基于生产加工需求进行拓展。因此，未来还需要加强这方面的研究与实践，将能够推动我国智能化制造全面发展。