一种基于PLC及工业机器人的码垛工作站设计*

2020-04-22林子其郝建豹潘伟荣易焕银胡君增梁其金

广东轻工职业技术学院学报 2020年1期

关键词：码垛触摸屏组态

林子其，郝建豹，潘伟荣，易焕银，胡君增，梁其金

(广东交通职业技术学院机电工程学院，广东广州510800)

“中国制造2025”提出，现代企业生产需不断引入新技术、新工艺，突出先进制造和高端装备，工业自动化水平向着智能化、网络化和集成化方向不断升级。工业机器人在转型升级中发挥着重要作用，企业对于工业机器人相关的应用的需求也越来越大[1-2]。

本文以物料自动输送及码垛控制为研究对象，以PLC控制器及工业机器人为核心，设计了一个基于PLC及工业机器人的码垛工作站系统。

1 系统方案设计

本工作站以PLC和工业机器人为核心,外加触摸屏、变频器、交流异步电机、传感器、物料仓及输送带传送机构等构成。系统方框图如图1所示。其中PLC采用西门子公司的S7-1200系列PLC，完成系统的主控制功能，一方面控制料仓推料和传输带送料，另一方面与工业机器人进行通讯，通知机器人取料进行码垛。工业机器人采用ABB公司的IRB120，实现物料的搬运码垛功能。触摸屏作为人机交互界面，上面设置按钮开关，输入输出接口及指示灯等，作为数据输入、系统控制及信息输出、指示系统当前状态等。系统上电工作时，按下启动按钮，PLC将控制整个流程自动运行。它通过料仓的传感器检测料仓是否有物料，如有物料则控制推料机构推料。然后启动变频器控制电机运行，电机带动传输带送料。当物料到达指定位置时，由物料到位传感器获取该信息，并发给PLC，PLC收到信息后发命令给变频器，控制传输带停止。同时PLC发送信息给工业机器人，通知机器人物料已经到位。工业机器人收到信号后即进行取料并实现码垛功能。

2 主要硬件选型

2.1 主控制器S7-1200PLC

本工作站选用西门子S7-1200系列的CPU1214C DC/DC/DC作为控制器。SIMATIC S7-1200是西门子推出的基于TIA Portal的小型PLC，它采用模块化和紧凑型设计，功能强大，适合各种应用场合，是目前工业化自动控制产品PLC的典型代表。

CPU1214C DC/DC/DC包含的主要资源如下：100 KB 工作存储器；24VDC 电源，板载 DI14 x 24VDC 漏型/源型，DQ10 x 24VDC 和 AI2；板载6个高速计数器和4路脉冲输出；支持信号板扩展板载 I/O；可扩展多达3个用于串行通信的通信模块及8个用于I/O扩展的信号模块；0.04ms/1000条指令；一个PROFINET接口，用于编程、HMI以及PLC间数据通信。本工作站PLC与触摸屏、变频器的连接都采用PROFINET接口。

图1 系统方框图

2.2 触摸屏

触摸屏具有简单易用、灵活性高、价格较低等特点，是当今社会进行人机界面交换的主要设备[3]。本工作站触摸屏选用西门子KTP700 Basic PN。KTP700 Basic是西门子第二代SIMATIC HMI精简系列面板，主要在小型或中型机器和设备中使用。它包含一个7寸 TFT 显示屏，800 x 480 像素，64K 色；8个功能键；1 x PROFINET接口，1 x USB接口。可采用TIA Portal软件进行组态与编程，操作简便。通过软件组态和触摸屏的设置，可使用触摸屏控制系统的启动和停止，并能监控系统的运行状态。

2.3 变频器

工作站的变频器采用的是西门子G120变频器，由变频器控制三相异步电动机输入电源的频率，从而调整电机转速，控制输送带速度。

SINAMICS G120是一种可满足多样化要求的模块化变频器，组件采用模块化设计，功率范围宽，0.55 kW ～ 250 kW，可组合出一种满足要求的理想变频器。该系列变频器提供有三种电压型号，可连接200V、400V和690V电网。另外，SINAMICS G120 还提供有一个功能全面的安全软件包。STARTER或SINAMICS Startdrive用于对安全功能进行调试。

2.4 工业机器人

工作站的工业机器人采用ABB的IRB120。 ABB工业机器人是市场上主流工业机器人品牌，而IRB 120是ABB新型第四代机器人家族的最新成员，也是迄今为止ABB制造的最小机器人。IRB 120具有敏捷、紧凑、轻量的特点，控制精度与路径精度俱优，是物料搬运与装配应用的理想选择。它广泛适用于电子、食品饮料、机械、太阳能、制药、医疗、研究等领域。

本工作站工业机器人与PLC之间的通讯采用IO通讯。

3 软件设计

主控制器PLC的软件采用TIA博途开发环境进行开发。TIA博途是西门子工业自动化集团发布的一款全新的全集成自动化软件。它是业内首个采用统一的工程组态和软件项目环境的自动化软件，几乎适用于所有自动化任务。借助该工程技术软件平台，用户能够快速、直观地开发和调试自动化系统。

工业机器人编程可以采用robotstudio软件离线编程或者使用机器人配套的示教器进行在线编程。

3.1 设备组态

设备组态的任务就是在设备视图和网络视图中，生成一个与实际的硬件系统对应的虚拟系统，PLC、HMI和PLC各模块的型号、订货号和版本号，模块的安装位置和设备之间的通信连接，都应与实际的硬件系统完全相同。此外还应设置模块的参数，即给参数赋值。

打开博途软件，新建项目，根据选择的硬件进行组态，组态的网络视图如图2所示。

CPU1214C与触摸屏及变频器均使用PROFINET互联。

图2 网络视图

3.2 PLC程序设计

PLC程序设计采用顺序控制的设计方法。工业控制中，许多场合要应用顺序控制的方式进行控制。所谓顺序控制，即生产过程按生产工艺要求的预先安排的顺序自动控制生产线。

本工作站中，PLC要控制系统进行自动送料。系统启动后，PLC通过传感器检测物料仓是否有料，如果有料，则控制推料机构推料，然后控制变频器启动电机，带动输送带送料。当物料到达指定位置后，PLC控制变频器停止电机运行。同时通知工业机器人物料已到位，然后等待机器人取料。当物料被取走后，PLC启动下一次送料流程。

根据顺序控制设计方法，先画出顺序功能图。顺序功能图是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，也是设计可编程控制器的顺序控制程序的有力工具[4]。基本思想是将系统的一个工作周期分解成若干个顺序相连的阶段，即“步”。顺序功能图主要有步、有向连线、转换和转换条件及动作(或命令)组成。本工作站的顺序功能图如图3所示。

根据顺序功能图进行编程。采用结构化的编程方法，建立一个函数块，编写程序如图4(a),图4(b),图4(c),图4(d)所示。

该函数块还包含了变频器启停控制及调速控制程序，由PLC通过PROFINET接口向变频器发送控制字和数据进行控制。限于编幅，这里就不再附上。该函数块编写后需要在main OB块中调用，它才会被执行。

PLC还通过PROFINET和触摸屏通讯，触摸屏上面设置按钮开关，IO接口，及指示灯指示系统状态。触摸屏画面如图5所示。