基于S7-1200 PLC的工件装配自动化生产线控制系统设计

陈凤华

（浙江广厦建设职业技术学院 信息与控制工程学院，浙江 东阳322100）

随着自动检测、PLC以及工业控制网络等技术的快速发展，工业生产中工件加工流水线的自动化程度越来越高，将工业控制以太网用于自动化生产线的应用需求日益增多［1］.自动化生产线是指以计算机程序设计运用模式取代传统人工跟踪加工处理的生产过程，具有高效率、一体化等特征［2］.PLC技术与网络技术的有机结合可以满足系统的可靠性、实时性与可视化需要，设计自动化生产线控制系统是企业提高产品质量及经济效益的必然选择.传统的装配结合人工以单一的机械式操作控制为主，这种控制方式的稳定性与可靠性高，但相对也存在着劳动力需求高、工作量大、成本高、效率提升慢等问题.针对这种情况，进行一种自动化控制系统设计以取代传统的人工加机械操作控制模式，促进工件装配的工作效率、质量和效益的提升，具有十分突出的必要性.笔者以工件装配为例，在进行工件装配生产中，采用S7-1200PLC控制技术对工件装配的生产线运行进行实时控制，实现自动运送工件、识别工件、装配工件和工件计数等功能，提高自动化装配的质量、效率，促进生产经济效益提升.

1 自动化生产线控制系统总体方案设计

1.1 系统组成及功能

根据工件装配任务要求，需要实现自动取货、送件、识别工件、装配和缺陷工件筛选等功能，系统由智能视觉检测系统、码垛机立库系统、流水线系统单元、AGV小车单元、工业机器人系统、空盘回收框、各类工件、电气控制柜等组成（见图1）.

图1 系统组成框图

智能视觉检测系统由智能相机、光源控制器、光源和镜头等组成.通过内含的CCD传感器采集高质量现场工件的图像信息，以及DSP芯片对图像信息进行运算处理，PLC在接收到相机的图像处理结果后进行动作输出.码垛机立库系统本体部分主要由立体仓库、码垛机和基础底板组成.立体仓库是由横梁架体和立柱架体组合装配构成，各架体采用模块化安装，用于存放工件和成品件.托盘流水线主要由工件对接工位、工件托盘视觉检测缓冲工位、视觉检测工位、工件托盘装配缓冲工位及工件抓取工位组成.由三相异步电动机带动传送带前后转动从而输送托盘到指定工位.在托盘流水线输入端、检测工位及输出工位各有一个传感器，用于对装有工件托盘的检测.在检测工位和待抓取工位，各有一个气挡，用于托盘的定位及对前端缓冲工位托盘的阻挡.AGV小车单元由下部车架和上部输送装置组成，中间抽屉内装有电气控制板，共有3个货位，AGV小车实现与流水线输送带的对接以运送货物功能，一次最多运送3个物品托盘，托盘输入和输出端各有一个传感器，用于记录小车输送带上托盘的个数.工业机器人系统由机器人本体、机器人末端执行器、机器人控制器、示教单元、输入输出信号模块和抓取工具组成.机器人末端执行器装有两种吸盘，这两种吸盘可分别对工件及托盘进行抓取和放置操作.机器人示教单元有液晶显示屏、使能按钮、急停按钮、操作键盘，可进行参数设置、手动示教、位置编辑、程序编辑等操作.

1.2 系统控制原理

在单机模式下，码垛机立库系统控制立体仓库工件放置和码垛机取货，通过PLC编程可实现码垛机复位控制、自动取货和指定仓位取货，自动将工件送到AGV小车.流水线系统控制托盘生产线、装配生产线及工业机器人的运行，以及控制与视觉系统、码垛机系统和机器人的通讯.通过流水线系统PLC编程实现工件识别、机器人自动抓取、分类放置及自动装配功能.为了减小采集工件数据的误差，每个托盘上放置1个工件，在托盘有效区域内，智能相机对托盘中的工件种类和坐标进行提取和数据处理，以便将数据提供给工业机器人进行抓取和工件识别.

在联机模式下，码垛机立库系统控制与流水线系统的通讯，将工件仓位行列信息、变量信息传送给流水线系统.流水线系统实现与码垛机、视觉系统、机器人的通讯，全局控制所有系统的运行，远程控制机器人停止、运行和暂停，实现机器人手动、自动装配以及PLC远程控制自动装配的功能.

1.3 系统通信网络

通信网络建立好后，主控系统需要和各单元系统约定好通信的协议，主控发送运行指令，各单元系统按指令执行并反馈相应的状态.主控系统根据反馈的状态信息进行下一次运行控制的协调，实现整个系统的运行控制.系统通信网络图见图2.

图2 系统通信网络图

AGV小车、码垛机及流水线单元的IO信号交互均是通过两对对射红外传感器实现的.在AGV的前进方向和后退方向的两侧本体下端各安装有两只传感器，一只为对射传感器的发送端，另一只为对射传感器的接收端.在码垛机和流水线单元对应的位置，分别有与之对应的接收端和发送端.

2 硬件设计

系统硬件功能是通过可编程控制器（PLC）进行编程设计实现的.CPU负责整个控制系统，通过触摸屏完成人机交互以及信息交流，完成硬件与软件的设计［3］.

2.1 PLC选型

PLC作为生产线的控制中心，与触摸屏PC和机器人之间通过PROFINET总线通讯，能够实现多产品之间的通讯，具有很好的实时性［4］.PLC在对外部开关信息与触摸屏信号采集输入后，利用其中的输出模块将信号输出到控制交流接触器与继电器、电动机等结构部件.码垛机立体仓库系统和流水线系统采用的PLC为S7-1200系列，型号为CPU1215C.码垛机立体仓库系统PLC硬件地址，输入点I从0.0到6.3，接入正负向限位开关、轴减速检测开关、工件位置检测开关等输入信号.码垛机立体仓库系统PLC硬件地址，输出点Q从0.0到1.0，接入信号灯、继电器启停、变频器启停等输出信号.在生产线系统PLC硬件地址输入点I从0.0到2.3，接入联机/单机、托盘传送带检测开关、图像识别光电开关、机器人搬运工件检测开关等输入信号.在生产线系统PLC硬件地址输出点Q从0.0到2.3，接入步进电机脉冲方向、变频器启停、机器人启停等输出信号.

2.2 变频器选型

码垛机和托盘流水线系统中的4个变频器使用的是西门子G120系列的模块化的变频器，由变频器控制单元6SL3244-0BB12-1FA0、变频器功率单元6SL3224-0BE15-5UA0、变频器操作面板6SL3255-0AA00-4CA1三部分组成，分别安装在码垛机立库系统控制柜和主控流水线控制柜中.变频器1控制X轴电机，实现码垛机前后移动.变频器2控制Z轴电机，实现码垛机上下移动.变频器3控制Y轴电机，实现码垛机货叉前伸和后伸移动.变频器4控制托盘流水线的电机，实现正向和反向运转.

2.3 触摸屏选型

系统采用的触摸屏为西门子精智触摸屏TP700Comfort.触摸屏的主要作用是配合PLC对系统的运行参数进行设置，对系统运行状态、数据进行监控.

2.4 传感器选型

码垛机立库系统每个仓位都装有型号为VS10N061C2的微动开关，检测是否有托盘.码垛机X轴和Z轴装有3个型号为XUM5APCNL2的接近开关，实现行列计数.码垛机X轴和Z轴各装有型号为CZ-3112的正负限位开关，实现前进、后退、上升、下降的限位控制.在AGV小车、码垛机和托盘流水线侧，装有型号为XUB2ANANL2R/XUB2AKSNL2T的两对红外对射光电传感器，检测AGV小车到达和离开状态.码垛机与AGV小车侧，一对实现检测AGV小车到达码垛机，另一对实现由码垛机发送信号让AGV小车离开.托盘流水线与AGV小车侧，一对实现检测AGV小车到达托盘流水线，另一对实现流水线系统发送信号指令，让AGV小车离开托盘流水线.

托盘流水线上装有3个型号为G12-3A07NA漫反射光电开关，分别安装在输入端、拍照工位、抓取工位位置.为提高运行效率，AGV小车一次可输送3只托盘，因此需要传送带上托盘数进行计数.托盘计数分上料计数和下料计数，通过漫反射传感器检测实现.上料计数是指从码垛机往AGV小车传送带放置物品托盘计数.当系统计数到3，表示传送带已放满，无法继续接收托盘.上料计数通过传感器检测来实现，是在码垛机往传送带上料时，由传送带带着托盘往前运行，当托盘到达传感器上方时，传感器检测到工件，PLC接收到的对应输入点信号从0变成1，PLC可以通过检测该传感器的上升沿来对工件进行上料计数.下料计数是指AGV小车传送带往流水线传送物品托盘计数.当系统计数到3，表示托盘已传送完毕，可以返回码垛机侧再次进行托盘上料.下料计数也是通过传感器检测来实现，是在AGV传送带往流水线下料时，由传送带带着托盘往前运行，当托盘脱离下料检测工位传感器时，PLC接收到的对应输入点信号由1变成0，PLC可以通过检测该传感器的下降沿来对工件进行下料计数.

2.5 步进驱动器选型

装配流水线选用的型号是雷赛科技DM860步进驱动器.采用DC18-80 V供电，通过拨码开关设定驱动器电流、细分参数等，设置装配流水线步进电机的速度、加速度、脉冲频率等，可以达到调速和定位的目的.

2.6 电气控制柜布局

系统硬件设备中，AGV小车的电气控制部分安装在本体，智能相机的电气控制部分安装在托盘流水线本体下端.码垛机器人、流水线系统和工业机器人配有单独的电气控制柜，控制柜内安装有控制码垛机、流水线和机器人运行的控制器、变频器、驱动器等电气部件，各电控柜与其本体之间通过电缆进行连接.

3 软件设计

系统软件采用模块化设计，主要包括触摸屏组态、智能视觉系统和PLC控制模块.

3.1 触摸屏组态模块

触摸屏组态模块主要包括上位机软件和触摸屏.在上位机组态软件中创建好的工程经过模拟运行后下载到触摸屏正式运行［5］.触摸屏组态模块主要是完成与操作人员的交互功能.在Portal软件平台，添加设备、子模块，设置PLC、变频器和触摸屏的IP地址，并根据所需流程定义适合的通信协议.组态好的网络拓扑图见图3.

图4 视觉脚本程序

3.2 智能视觉系统

视觉编程上位机采用的是版本为2.4.6X-SightSTUDIO的软件.本软件适合于运行在 Windows 2000、Windows XP、Windows Vista及以上等平台.通过智能相机识别工件的形状及位置将信息通过PLC传送给工业机器人，工业机器人根据接收到的坐标信息去抓取工件并将其放置在指定位置.视觉系统完成硬件连接之后，设置以太网IP地址，进行工件信息的数据采集，根据工件的数量、多余工件、缺陷工件编写视觉脚本程序，见图4.

3.3 PLC控制模块

PLC控制软件设计的功能是编写实现控制功能的PLC程序［6］.PLC控制模块有码垛机立体仓库模块和流水线系统模块.码垛机立体仓库模块编程实现码垛机成功取货并送到AGV小车.流水线系统模块编程实现与视觉系统的拍照数据的传输、托盘传送工件、机器人装配工件等功能.系统编程流程图见图5.

图5 系统流程图

4 结语

随着工控技术的发展，PLC技术和产品发展迅速，总的趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、使用方便、高性能和智能化方向发展［7］.笔者设计的工件装配自动化生产线控制系统，利用S7-1200PLC作为生产线的控制中心，实现了与码垛机器人、工业机器人、视觉检测系统之间的通讯，实现了工件装配自动化及工件的搬运、检测、分类组装、入库等智能控制，系统运行安全可靠，适用性强.