口紅生產(chǎn)線改造項(xiàng)目中ABB機(jī)器人與西門子PLC之間的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳星達(dá) 薛蓉蓉 揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

智能制造是信息化與工業(yè)化深度融合的表現(xiàn)，他是全球制造業(yè)變革的重要方向。目前各個(gè)國(guó)家都發(fā)布了相關(guān)的支持政策。例如，美國(guó)的“再工業(yè)化”計(jì)劃、德國(guó)的“工業(yè)4.0”計(jì)劃、日本的“新機(jī)器人戰(zhàn)略”計(jì)劃等。

在國(guó)家政策推動(dòng)，制造業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)型升級(jí)等背景下，中國(guó)智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，已逐漸成為制造業(yè)的主要驅(qū)動(dòng)力之一。江蘇省為了加快推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實(shí)體經(jīng)濟(jì)的深度融合，推進(jìn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。目標(biāo)到2020 年，全省建成1000 家智能車間，創(chuàng)建50 家左右省級(jí)智能制造示范工廠，試點(diǎn)創(chuàng)建10 家左右省級(jí)智能制造示范區(qū)。

本次項(xiàng)目針對(duì)廠方口紅生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度過(guò)慢、口紅質(zhì)量較低等問(wèn)題進(jìn)行了改造。口紅生產(chǎn)由七大重要工序組成：按單領(lǐng)料、加熱灌裝、模具冷卻、鏟模開模、拔模入庫(kù)、擦模盒蓋、退料作業(yè)。原始生產(chǎn)線中每道工序都需要人工參與，這種缺乏現(xiàn)代科技智能的生產(chǎn)線擁有很多弊端：耗時(shí)長(zhǎng)、花費(fèi)大等，其中急需改進(jìn)的問(wèn)題是無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)菌生產(chǎn)。

從發(fā)展角度看，把鏟模開模、拔模入庫(kù)、擦模盒蓋三道工序整合為一道口紅包裝生產(chǎn)線。改造過(guò)程中，這一道生產(chǎn)線是依靠ABB 機(jī)器人和西門子PLC 之間相互合作來(lái)完成的，這意味著兩套設(shè)備之間的信號(hào)溝通必須及時(shí)可靠。本次設(shè)計(jì)便是對(duì)機(jī)器人與PLC 之間的通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改良，使兩者能夠更好的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)PC 對(duì)機(jī)器人和PLC的遠(yuǎn)程監(jiān)控，最終達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在本次口紅包裝生產(chǎn)線改造中，生產(chǎn)線的硬件主要由計(jì)算機(jī)、西門子PLC-1200、ABB 機(jī)器人IRB-120、各類傳感器、其他執(zhí)行器等組成。

PLC 模塊和ABB 機(jī)器人是整個(gè)包裝生產(chǎn)線的核心，他們往往是獨(dú)立且共存的，兩者采用不同的管理系統(tǒng)，但都配有可實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)耐ㄐ拍K來(lái)實(shí)現(xiàn)相互交流。當(dāng)傳感器檢測(cè)物件的位置等信息后，傳送給PLC，機(jī)器人內(nèi)在通信模塊和PLC 通信模塊通過(guò)信號(hào)線短接進(jìn)行同步通信。在實(shí)際工作中，PLC 將得到的信號(hào)后發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)給定邏輯，向PLC 發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)PLC 程序的啟停等操作，最終實(shí)現(xiàn)ABB 機(jī)器人IRB-120 和西門子PLC-1200 信號(hào)傳輸，從而完成口紅無(wú)菌包裝生產(chǎn)線的改造。

口紅包裝系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 口紅包裝系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本次改造對(duì)生產(chǎn)線中PLC 對(duì)8 個(gè)數(shù)字輸入點(diǎn)和5 個(gè)數(shù)字輸出點(diǎn)進(jìn)行了監(jiān)管和控制，從而了解生產(chǎn)線中各物件和各執(zhí)行器的到位情況，并命令執(zhí)行器動(dòng)作。8 個(gè)輸入分別為：放料位檢知、取料位檢知、翻轉(zhuǎn)工裝原點(diǎn)檢知、翻轉(zhuǎn)工裝動(dòng)點(diǎn)檢知、翻轉(zhuǎn)夾爪原點(diǎn)檢知、翻轉(zhuǎn)夾爪動(dòng)點(diǎn)檢知、翻轉(zhuǎn)工裝上位檢知、翻轉(zhuǎn)工裝下位檢知；5 個(gè)數(shù)字輸出分別為：翻轉(zhuǎn)工裝左翻動(dòng)作、翻轉(zhuǎn)工裝右翻動(dòng)作、翻轉(zhuǎn)夾爪動(dòng)作、翻轉(zhuǎn)工裝上位動(dòng)作、翻轉(zhuǎn)工裝下位動(dòng)作。之后，再在PLC 中添加一個(gè)映射FC 模塊將監(jiān)控信號(hào)傳遞給機(jī)器人進(jìn)行條件判斷。

機(jī)器人將遠(yuǎn)程I/O 模塊FR8030 板卡內(nèi)FR1108-1 中的8 個(gè)輸出信號(hào)整編成為一個(gè)組信號(hào)來(lái)進(jìn)行與PLC 的通信。

生產(chǎn)線控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 機(jī)器人模塊硬件設(shè)計(jì)

大型工業(yè)機(jī)器人不適合應(yīng)用于精細(xì)的口紅包裝生產(chǎn)線，所以改造過(guò)程中采用了ABB 機(jī)器人中最小且速度最快的六軸機(jī)器人IRB-120，IRB-120 可以很好的節(jié)約空間，且可以在合適空間以任何角度安裝在工作站內(nèi)部。IRB-120 采用IRC5 控制器有先進(jìn)的QuickMove 和TrueMove 運(yùn)動(dòng)控制軟件，給予IRB120 機(jī)器人一流的控制性能，有利于進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，更加符合生產(chǎn)需求。

2.2 PLC 模塊硬件設(shè)計(jì)

口紅包裝生產(chǎn)線需要PLC 可以簡(jiǎn)單、精確的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化任務(wù)，通過(guò)研究不同品牌、不同型號(hào)的PLC，最終采用西門子SIMATIC 系列S7-1200PLC。SIMATIC S7-1200PLC 控制器能夠精確的監(jiān)控生產(chǎn)單元各傳感器的實(shí)時(shí)狀態(tài)，且能與ABB 機(jī)器人實(shí)現(xiàn)良好的通訊。S7-1200PLC 的通信模塊RS485 和RS232 為點(diǎn)到點(diǎn)的串行通訊提供硬件連接，能可靠有效的滿足機(jī)器人與PLC 的通信需求，并實(shí)行監(jiān)控。

3 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的完整要求，按照功能對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分組，劃分成不同的模塊。傳感器信號(hào)監(jiān)控、ABB 機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)測(cè)及PLC 與機(jī)器人之間的通信檢測(cè)是口紅包裝生產(chǎn)線的3 個(gè)重要的信息獲取途徑。傳感器信號(hào)監(jiān)控主要是采集翻轉(zhuǎn)工裝、放料位等狀態(tài)信號(hào)；ABB 機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要是PLC 對(duì)機(jī)器人傳遞的信號(hào)進(jìn)行狀態(tài)判斷，從而向工作單元發(fā)送動(dòng)作執(zhí)行指令；PLC 與機(jī)器人之間的通信檢測(cè)主要是把PLC 監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳送給機(jī)器人，從而機(jī)器人可以判斷是否該進(jìn)行拾取或放下物件等動(dòng)作。

軟件總體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

4 總結(jié)

本文根據(jù)口紅包裝生產(chǎn)線的實(shí)際情況，將PLC 技術(shù)、ABB 機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等有效的融合起來(lái)，對(duì)生產(chǎn)線所需要的各個(gè)信號(hào)進(jìn)行獲取、傳遞、分析、判斷等工作，以達(dá)到自動(dòng)化生產(chǎn)的目的。PLC 獲取傳感器信號(hào)、并將信號(hào)與機(jī)器人互傳，機(jī)器人對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷分析后將新的信號(hào)傳回PLC，兩者共同控制工作單元各部件的啟停，從而較好的實(shí)現(xiàn)口紅包裝生產(chǎn)線的無(wú)菌化改造。（指導(dǎo)教師：高楊）