基于智能制造應(yīng)用技術(shù)的各模塊互聯(lián)互通技術(shù)解析

劉宏 丘建雄 李冬 惠州市技師學(xué)院

1、 引言

智能制造加工單元集自動化立體倉庫系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)、七軸工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、智能檢測系統(tǒng)（無線測頭）、MES 系統(tǒng)、可視化系統(tǒng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)于一體，涉及智能控制技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、自動化技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、軟件技術(shù)、工業(yè)工程技術(shù)、檢測技術(shù)等專業(yè)的知識。其中，數(shù)控加工設(shè)備與工業(yè)機(jī)器人及西門子S7-1200PLC 的互聯(lián)互通采用Modbus 通訊方式，其基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的通訊模式架構(gòu)有其特殊性和構(gòu)成復(fù)雜性。下面基于加工單元技術(shù)平臺的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行通訊拓?fù)淇蚣芊治黾凹夹g(shù)解析。

2、 智能制造加工單元技術(shù)平臺總體框架

智能制造應(yīng)用技術(shù)加工單元技術(shù)平臺總體設(shè)備布局圖如下圖1所示，各設(shè)備按照如下順序調(diào)試互聯(lián)。

圖1 智能制造加工單元設(shè)備組成結(jié)構(gòu)圖

首先，進(jìn)行七軸工業(yè)機(jī)器人夾具、氣動部件等外部設(shè)備的安裝與調(diào)試，進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人（含外部軸第七軸）與數(shù)控機(jī)床、立體倉庫等設(shè)備之間動作的編程和調(diào)試。

其次，基于PLC 控制系統(tǒng)完成智能制造單元主要設(shè)備間的互聯(lián)、編程和調(diào)試。實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人從立體倉庫取出待加工毛坯（先讀取RFID 數(shù)據(jù)，然后再取工件），送至數(shù)控機(jī)床，加工、在線測量后，再由工業(yè)機(jī)器人送回立體倉庫規(guī)定的倉位中，并更新RFID 數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)智能制造單元中各設(shè)備的安全、協(xié)調(diào)運(yùn)行。

然后，調(diào)試MES 系統(tǒng)與主控PLC、數(shù)控車床、加工中心以及立體倉庫的通信，使運(yùn)行數(shù)據(jù)（機(jī)床狀態(tài)、機(jī)器人狀態(tài)、料庫狀態(tài)以及產(chǎn)品RFID 數(shù)據(jù)信息等）通過MES 系統(tǒng)，在可視化系統(tǒng)上顯示。完成機(jī)內(nèi)攝像頭的功能調(diào)試，實(shí)現(xiàn)與MES 的通信，在看板上顯示數(shù)控車床和加工中心的實(shí)時(shí)加工視頻。

最后，依據(jù)BOM 中的數(shù)據(jù)在MES 系統(tǒng)中對現(xiàn)場加工零件任務(wù)進(jìn)行排產(chǎn)和工單下達(dá)，完成規(guī)定零部件的加工與生產(chǎn)、質(zhì)量檢測、刀具補(bǔ)償。能夠通過MES 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理、報(bào)表管理、智能看板管理等任務(wù)。根據(jù)具體生產(chǎn)任務(wù)要求，對加工零件指定的尺寸進(jìn)行在線檢測，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程質(zhì)量追溯，能夠結(jié)合MES 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并實(shí)現(xiàn)零件工藝優(yōu)化與實(shí)施及質(zhì)量改進(jìn)。

3、 智能制造加工單元各模塊互聯(lián)互通關(guān)鍵技術(shù)分析

基于智能制造應(yīng)用技術(shù)加工單元中各模塊互聯(lián)互通的拓?fù)鋱D如下圖2 所示。

圖2 智能制造加工單元通訊原理拓?fù)鋱D

首先，以PLC為核心模塊作為工業(yè)控制物聯(lián)中的核心控制器，將其分配為ID：1；以機(jī)器人模塊作為工業(yè)控制物聯(lián)網(wǎng)中的中轉(zhuǎn)執(zhí)行器，將其分配為ID：2；以MES 模塊作為工業(yè)控制物聯(lián)網(wǎng)拓?fù)涞姆植际接|發(fā)器，將其分配為ID：3；以數(shù)控加工設(shè)備（CNC、Lathe）作為工業(yè)控制物聯(lián)中的加工執(zhí)行器，將其分配為ID：4、 ID：5；以RFID 模塊作為工業(yè)控制物聯(lián)網(wǎng)中的檢測控制器，將其分配為ID：6。

其次，在西門子S7-1200 PLC 作為服務(wù)器，MES 作為客戶端的時(shí)候兩者采用Modbus TCP/IP 通訊模式，按照固定的通訊約定模式實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管控軟件與核心控制器的通訊連接，實(shí)現(xiàn)制造數(shù)據(jù)管理、計(jì)劃排產(chǎn)管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫存管理、質(zhì)量管理、項(xiàng)目看板管理、生產(chǎn)過程控制、底層數(shù)據(jù)集成分析、上層數(shù)據(jù)集成分解等模塊管理。

另外，當(dāng)七軸機(jī)器人作為服務(wù)器，PLC 作為客戶端，兩者通過Modbus TCP/IP 通訊模式，通過PLC 中轉(zhuǎn)將MES 的控制指令發(fā)送給機(jī)器人進(jìn)行上下料操作；作為加工單元的執(zhí)行器數(shù)控設(shè)備CNC 和Lathe 采用Profinet I/O 模式，通過硬件接線與核心控制器PLC 相互連接，從而實(shí)現(xiàn)基本硬件控制（如防護(hù)門、卡盤、臺虎鉗、零點(diǎn)夾具）；立體倉庫上的RFID 與PLC 和MES 采用RS485 串口通訊模式，利用射頻傳感功能中讀、寫信息的功能，實(shí)現(xiàn)料倉中物料生產(chǎn)狀態(tài)的改變的實(shí)時(shí)顯示（無料、毛坯、加工中、合格品、不合格品）。

最后，通過TIA 軟件通訊模塊的調(diào)試，實(shí)現(xiàn)各模塊的互聯(lián)互通，最終實(shí)現(xiàn)智能化加工單元的生產(chǎn)管控。

4 結(jié)論

本設(shè)備平臺應(yīng)用智能制造加工單元進(jìn)行機(jī)械零件的生產(chǎn)加工，結(jié)合智能制造關(guān)鍵技術(shù)裝備，運(yùn)用智能制造基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)“生產(chǎn)精益化+設(shè)備自動化+管理信息化+人員高效化”。主要包含：智能制造系統(tǒng)架構(gòu)、零件數(shù)字化設(shè)計(jì)與編程、機(jī)器人（含第七軸）編程、智能制造控制系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)、零件智能加工與生產(chǎn)管控等幾項(xiàng)設(shè)備調(diào)試任務(wù)。各模塊間通訊采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場總線Modbus 基本通訊模式，結(jié)合串口通訊、Profinet TCP/IP 通訊，將數(shù)控機(jī)床與工業(yè)機(jī)器人、RFID 智能傳感與控制裝備PLC、智能檢測與裝配裝備、智能物流與倉儲裝備等進(jìn)行互聯(lián)互通，從而最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品加工的智能制造。