王鴻博　李建東　崔曉暉　王寶平

(①順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 順德 528300 ;②無錫匯聯(lián)自動化系統(tǒng)有限公司,江蘇 無錫 214072;③長春合心機(jī)器制造有限公司,吉林 長春 130033;④北京FANUC數(shù)控工程限公司,北京100102)

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基于工業(yè)機(jī)器人的分揀生產(chǎn)線群控通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王鴻博①李建東②崔曉暉③王寶平④

(①順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 順德 528300 ;②無錫匯聯(lián)自動化系統(tǒng)有限公司,江蘇 無錫 214072;③長春合心機(jī)器制造有限公司,吉林 長春 130033;④北京FANUC數(shù)控工程限公司,北京100102)

根據(jù)禮品分揀自動化生產(chǎn)線工藝流程和自動化控制的要求，提出基于工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器視覺的自動化解決方案。構(gòu)建以西門子S7-1200為主控PLC(programmablelogiccontroller)、機(jī)器人與機(jī)器視覺、AGV(automatedguidedvehicle)自動導(dǎo)引小車、碼垛立體倉庫系統(tǒng)、禮品分揀流水線等組成的全自動分揀網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用MODBUS-TCP通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人、機(jī)器視覺、從屬PLC及主控PLC之間的數(shù)據(jù)與I/O信號交換。系統(tǒng)提高了工廠自動化水平、提高了生產(chǎn)效率，減小勞動強(qiáng)度，降低了人工成本。

工業(yè)機(jī)器人；MODBUS-TCP協(xié)議；PLC網(wǎng)絡(luò)；分揀生產(chǎn)線；機(jī)器視覺

(①ShundePolytechnic,Shunde528300,CHN; ②WuxiHuilianAutomaticSystemCo.,Ltd.,Wuxi214072,CHN;③ChangchunHexinMachineryManufacturingCo.,Ltd.,Changchun130033,CHN;④Beijing-FANUCNCEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100102,CHN)

工業(yè)機(jī)器人在傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級中應(yīng)用越來越廣泛，諸如包裝物品分揀、碼垛、焊接、噴涂、涂膠、裝配以及數(shù)控機(jī)床上下料等行業(yè)逐漸由機(jī)器人代替人工進(jìn)行，但仍存在工業(yè)機(jī)器人處于小系統(tǒng)、單機(jī)、單功能運(yùn)行現(xiàn)象[1]。隨著網(wǎng)絡(luò)自動化技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)自動化群控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸在小型工廠自動化系統(tǒng)中應(yīng)用[2]，以網(wǎng)絡(luò)化集成機(jī)器人、各類生產(chǎn)線、視覺檢測、上下料裝置、AGV自動導(dǎo)引小車等工廠自動化技術(shù)趨于成熟，大大提升了工廠自動化水平，提高生產(chǎn)效率，減小勞動強(qiáng)度，降低了人工成本。

本文介紹一種基于工業(yè)機(jī)器人、西門子S7-1200型PLC網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)、視覺檢測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)群控技術(shù)在小型工廠包裝自動生產(chǎn)線中的應(yīng)用。

1　全自動包裝分揀生產(chǎn)線及工藝流程

設(shè)備實(shí)物圖如圖1所示，整個系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，機(jī)器人禮品分揀系統(tǒng)由立體倉庫、碼垛機(jī)、AGV機(jī)器人、托盤流水線、視覺系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、禮品盒生產(chǎn)線和電氣系統(tǒng)組成。

1.1生產(chǎn)線硬件系統(tǒng)

1.1.1立體倉庫與碼垛機(jī)

立體倉庫與碼垛機(jī)系統(tǒng)用于各類包裝的禮品進(jìn)行分類與存儲，通過識別禮品包裝盒的條碼或電子標(biāo)簽(RFID)判斷禮品的存儲位置，便于碼垛機(jī)從倉庫進(jìn)行存取操作。倉庫總高約1 700mm，寬度約2 970mm；每個倉位容積約為310mm×250mm×300mm；包含28個倉位；每一倉位具有空位檢測開關(guān)。碼垛機(jī)系統(tǒng)X、Y、Z軸均采用變頻控制，X行程2.5m，Y行程約0.93m，Z行程0.86m，X軸方向的運(yùn)動采用蝸輪減速裝置，具有一定的自鎖性；X軸、Z軸的驅(qū)動電動機(jī)還帶有剎車裝置，保證機(jī)器斷電后立即停車；X軸和Y軸運(yùn)動都帶有防撞裝置。

1.1.2工業(yè)機(jī)器人

分揀系統(tǒng)采用國產(chǎn)匯博工業(yè)級工業(yè)機(jī)器人(型號:HR20-1700-C10)，交流全伺服電動機(jī)驅(qū)動；6自由度；負(fù)載能力20kg，重復(fù)定位精度：±0.08mm。

1.1.3AGV運(yùn)料小車

AGV運(yùn)送小車系統(tǒng)負(fù)責(zé)將碼垛機(jī)械手抓取的禮品托盤輸送至托盤生產(chǎn)線上，每次滿3個托盤時，小車自動運(yùn)行至托盤輸送線進(jìn)行輸送；小車由下部車架和上部輸送裝置組成。下部車架由電動機(jī)、驅(qū)動輪、輔助輪、電池和框架等零件組成。2臺電動機(jī)帶動驅(qū)動輪控制小車沿磁條導(dǎo)向運(yùn)動，4個輔助輪控制小車的平衡。上部輸送裝置采用皮帶傳動，皮帶離地面高度約為800mm，輸送帶前端有電磁鐵控制的阻擋機(jī)構(gòu)。

1.1.4視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)安裝于托盤輸送線中，當(dāng)托盤中禮品到達(dá)視覺檢測工位時，機(jī)器視覺系統(tǒng)對托盤內(nèi)的禮品進(jìn)行視覺識別，并把識別的禮品位置、形狀等特征數(shù)據(jù)送到中央控制器PLC和六關(guān)節(jié)機(jī)器人，由工業(yè)機(jī)器人根據(jù)目標(biāo)存放位置執(zhí)行相應(yīng)的動作。

視覺識別系統(tǒng)由智能相機(jī)、光源控制器、光源和鏡頭等硬件組成。光源采用背光方式(光源在工件下面, 光源尺寸(210mm×210mm)，可識別多種不同類型的工件，托盤傳到工件位且符合拍照條件時，給光源控制器輸入端一個觸發(fā)信號，相機(jī)拍照，拍照完成后，光源控制器給出一個輸出信號，系統(tǒng)執(zhí)行下一步操作。

1.1.5托盤輸送線及禮品盒流水線

托盤輸送線主要用于托盤的輸送與配合視覺系統(tǒng)進(jìn)行檢測的自動傳輸功能。系統(tǒng)采用倍速鏈結(jié)構(gòu)，側(cè)面流利條導(dǎo)向，喇叭口流利條導(dǎo)向，托盤回收處(可回收托盤10個)具有6個工位，第2、4工位阻擋氣缸，型材槽(內(nèi)槽)安裝功能型傳感器分別用在1、2、4、5、6工位。物品盒輸送線由異步電動機(jī)變頻控制。

禮品盒流水線主要用于將機(jī)器人分揀的禮品進(jìn)行歸類放置于禮品盒中，并輸送歸類完成的禮品盒至指定位置。系統(tǒng)由步進(jìn)電動機(jī)控制，采用脈沖定位控制的方式，也可采用傳感器定位的控制方式。運(yùn)送的禮品盒尺寸為435mm×315mm×100mm；物品輸送線高度為：774mm，可微調(diào)輸送速度最大200mm/s；禮品盒流水線為5工位，禮品盒占用3個工位，其余兩個工位為上下料用。

1.2分揀生產(chǎn)線工藝流程

全自動禮品分揀系統(tǒng)旨在根據(jù)禮品包裝形式的分類要求，通過碼垛機(jī)器人系統(tǒng)從倉庫取出待分揀的禮品放置托盤，自動傳遞至AGV小車，并經(jīng)過AGV小車輸送到托盤流水線，視覺系統(tǒng)根據(jù)流水線各托盤禮品的種類、形狀或其他特征進(jìn)行視覺分析，由機(jī)器人系統(tǒng)根據(jù)指定類型進(jìn)行分揀并將禮品放置在禮品盒流水線各指定的禮品盒中進(jìn)行分類存儲。整個系統(tǒng)通過MODBUS-TCP協(xié)議，由主控PLC協(xié)調(diào)機(jī)器人、倉儲系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、AGV小車及禮品盒生產(chǎn)線進(jìn)行全自動運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)分揀自動化。詳細(xì)工藝流程如圖3所示。

2　電氣控制與通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1電氣系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)采用西門子s7-1200系列PLC，SIMATICS7-1200系列PLC是西門子推出的新一代集成了自動化控制、人機(jī)界面和網(wǎng)絡(luò)控制功能于一體的新型PLC，廣泛用于各類包裝生產(chǎn)線、物流生產(chǎn)線、小型生產(chǎn)自動化群控等高性能離散工業(yè)領(lǐng)域。

本系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)如圖4所示，主控PLC采用S7-1200CPU1215C型，主控PLC除控制托盤輸送系統(tǒng)及禮品盒流水線外，還控制協(xié)調(diào)系統(tǒng)其他各子系統(tǒng)；倉庫及碼垛系統(tǒng)采用SIMATICS7-1200 (CPU1215C型)1個,擴(kuò)展模塊3個,西門子G120變頻器3個；視覺檢測系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)均采用MODBUS-TCP協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)控制方式與主控PLC交互通信。由主控PLC協(xié)同控制各子系統(tǒng)運(yùn)行。各子系統(tǒng)配備西門子TP700型觸摸屏，用于數(shù)據(jù)交換設(shè)置與狀態(tài)檢測顯示。

2.2通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)總線將工業(yè)機(jī)器人、主控PLC(禮品盒流水線)、碼垛機(jī)及立體倉庫系統(tǒng)PLC、碼垛機(jī)立體倉庫系統(tǒng)觸摸屏、主控觸摸屏(禮品盒流水線)、視覺系統(tǒng)、變頻器以及編程開發(fā)計(jì)算機(jī)等均通過以太網(wǎng)連接。編程開發(fā)計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)開發(fā)調(diào)試程序、視覺系統(tǒng)特征識別開發(fā)、機(jī)器人示教編程。碼垛立體倉庫系統(tǒng)和主控觸摸屏負(fù)責(zé)管理碼垛立庫系統(tǒng)、禮品盒流水線的運(yùn)行參數(shù)以及系統(tǒng)報(bào)警和提示信息等。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖5所示。

2.2.1系統(tǒng)中的PLC與MODBUS-TCP通信協(xié)議地址分配

MODBUS-TCP協(xié)議是廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的通信協(xié)議，通過此協(xié)議，控制器相互之間、或控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(以太網(wǎng))可以和其他設(shè)備之間進(jìn)行通信[3]。S7-1200CPU具有一個集成的以太網(wǎng)接口，支持面向連接的以太網(wǎng)傳輸層協(xié)議，可通過MODBUS-TCP協(xié)議將S7-1200與工業(yè)機(jī)器人、視覺系統(tǒng)、其他S7-1200PLC通過以太網(wǎng)絡(luò)連接起來。為保障各設(shè)備之間通信正常，MODBUS協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸開始之前建立各設(shè)備之間的邏輯關(guān)系，并在MODBUS與PLC之間建立對應(yīng)地址，本系統(tǒng)中相應(yīng)的各數(shù)據(jù)量傳輸?shù)刂啡绫?所示。

表1數(shù)據(jù)量傳輸?shù)刂?/p>

MODBUSS7-1200MB-地址PLC地址數(shù)據(jù)區(qū)域數(shù)據(jù)區(qū)域1-8192 A0.0-A1023.7輸出數(shù)字量輸出10001-18192I0.0-I1023.7輸入數(shù)字量輸入3000130512IW0-IW1022輸入模擬量輸入40001-49999DBW0-DBW19998保持存儲器數(shù)據(jù)塊

2.2.2主控PLC與視覺系統(tǒng)的通信

(1)智能相機(jī)與PLC通信流程

系統(tǒng)中的視覺主要對包裝制品的分類識別與標(biāo)定作用，采用信捷SV4-30ML型智能相機(jī)作為視覺識別系統(tǒng)。智能相機(jī)與主控PLC之間采用MODBUS-TCP協(xié)議通信，其中智能相機(jī)為服務(wù)器端，PLC為客戶端，即PLC主動讀取智能相機(jī)的數(shù)據(jù)；智能相機(jī)與PLC通信流程如圖6所示。

(2)S7-1200PLC中編程實(shí)現(xiàn)與智能相機(jī)MODBUS-TCP通信

系統(tǒng)采用西門子博途(TIA)V13版本平臺內(nèi)嵌的S7-1200MODBUS-TCP庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，PLC以客戶機(jī)的身份通過MODBUS-TCP協(xié)議讀取相機(jī)的數(shù)據(jù)[4]；在博途(TIA)V13平臺設(shè)備組態(tài)中添加設(shè)備組態(tài)并修改PLC的IP地址與相機(jī)IP地址在同一網(wǎng)段內(nèi)，本系統(tǒng)統(tǒng)一在8網(wǎng)段；在V13平臺內(nèi)添加MODBUS-TCP客戶端通信模塊(MB_CLIENT_DB)功能塊。配置通信模塊參數(shù)，如圖7所示，連接ID地址(CONNECT_ID)設(shè)為相機(jī)的站號3；IP地址是相機(jī)的地址，設(shè)為：192.168.8.3。IP端口(IP_PORT)是默認(rèn)為502；工作模式(MB_MODE)1 表示“寫”，0 表示“讀”；數(shù)據(jù)地址(MB_DATA_ADDR)是相機(jī)存放數(shù)據(jù)的起始地址，41001；(MB_DATA_LEN)是讀取數(shù)據(jù)的長度；(MB_DATA_PTR)是PLC存放讀入的數(shù)據(jù)的緩存區(qū)，本系統(tǒng)從MW400數(shù)據(jù)地址開始。

在相機(jī)與主控PLC通信中，要求PLC和機(jī)器人的讀寫寄存器地址與MODBUS地址相對應(yīng)，通信數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位在寄存器中存儲，以字為單位傳輸，以位為單位尋址。主控PLC中相機(jī)主模塊中打包了相機(jī)通信模塊、相機(jī)拍照使能模塊、相機(jī)中物品類型與姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸模塊、相機(jī)拍照完成模塊等。相機(jī)主模塊如圖8所示。

2.2.3主控PLC與工業(yè)機(jī)器人的通信

系統(tǒng)中工業(yè)機(jī)器人與主控PLC之間也采用的是MODBUS-TCP通信協(xié)議，其中工業(yè)機(jī)器人是服務(wù)端，PLC是客戶端，即PLC主動讀取和寫入數(shù)據(jù)；系統(tǒng)中約定工業(yè)機(jī)器人的IP地址為192.168.8.103，在博途(TIA)V13平臺中通信模塊的建立方法同相機(jī)模塊一樣。工業(yè)機(jī)器人與PLC的通信流程如圖9所示。

系統(tǒng)中的工業(yè)機(jī)器人具有兩種功能，一是根據(jù)智能相機(jī)中的物品類型與姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類抓取，接受主控PLC傳輸?shù)奈锲奉愋秃妥鴺?biāo)信息(此數(shù)據(jù)由智能相機(jī)傳輸給主控PLC)，在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中進(jìn)行坐標(biāo)信息的計(jì)算與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)物品類型按照將物品放置在禮品流水線指定位置；二是根據(jù)抓取物品數(shù)量判斷托盤是否為空，并將空托盤放置在托盤堆棧里面。因此主控PLC與工業(yè)機(jī)器人之間的信號數(shù)據(jù)交換模塊包括：機(jī)器人主控模塊、機(jī)器人I/O控制模塊、機(jī)器人回初始位功能模塊、機(jī)器人通信模塊及機(jī)器人數(shù)據(jù)傳遞模塊。

PLC與機(jī)器人通信程序模塊如圖10所示，該模塊主要完成和機(jī)器人通信，傳遞控制命令和坐標(biāo)信息。PLC與工業(yè)機(jī)器人通信緩存區(qū)以數(shù)組方式定義為：

RobotEthComReadBuffer:BufferARRAY[1...32]ofINT;(從機(jī)器人讀取數(shù)據(jù)的專用函數(shù))

RobotEthComWriteBuffer:BufferARRAY[1...32]ofINT;(發(fā)送給機(jī)器人數(shù)據(jù)的專用函數(shù))

當(dāng)PLC從機(jī)器人側(cè)讀取數(shù)據(jù)時，RobotEthComReadBuffer.Buffer[17]對應(yīng)“機(jī)器人狀態(tài)字”，可將機(jī)器人內(nèi)變量SYSTEMioOUT[0],對應(yīng)MODBUS地址為40017中的狀態(tài)賦值到變量giRobotStauWord中；giRobotStauWord中的數(shù)值表示機(jī)器人的工作狀態(tài)，其中“100”為機(jī)器人處于待機(jī)狀態(tài)；“200”表示機(jī)器人處于運(yùn)行中；“300”表示抓取時沒有吸到物體;“400”表示抓取完成后物體丟失。

當(dāng)PLC發(fā)送給機(jī)器人數(shù)據(jù)時，RobotEthComWriteBuffer.Buffer[1]對應(yīng)“機(jī)器人控制字”，可被變量giRobotCtrlWord賦值，機(jī)器人內(nèi)變量SYSTEMioIN[0],相對應(yīng)MODBUS地址為4001。giRobotCtrlWord中數(shù)值表示機(jī)器人控制狀態(tài)字，其中“103”為抓取動作啟動命令；“203”為中途停止后再啟動命令；“104”為復(fù)位回初始狀態(tài)命令。除機(jī)器人控制字外，主控PLC發(fā)送給機(jī)器人的數(shù)據(jù)還包括機(jī)器人抓取點(diǎn)X、Y、Z坐標(biāo)和抓取點(diǎn)的角度；機(jī)器人碼放點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)和碼放點(diǎn)的角度；機(jī)器人工具編號等，這些數(shù)據(jù)信息均通過RobotEthComWriteBuffer.Buffer[]數(shù)組進(jìn)行分類賦值，并通過定義變量經(jīng)過MODBUS相應(yīng)地址發(fā)送給機(jī)器人側(cè)。

3　結(jié)語

(1)根據(jù)包裝自動線的工藝流程與自動化要求，建立了基于視覺分揀、工業(yè)機(jī)器人、自動生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)化電氣控制方案。

(2)構(gòu)建了以西門子S7-1200為主控PLC的自動化控制網(wǎng)絡(luò)，介紹了基于MODBUS-TCP協(xié)議的PLC與工業(yè)機(jī)器人、PLC與智能機(jī)器視覺網(wǎng)絡(luò)通信自動化解決程序，并利用西門子博途(TIUA)V13版軟件平臺設(shè)計(jì)了PLC控制程序與觸摸屏監(jiān)控畫面。

(3)基于工業(yè)機(jī)器人及視覺檢測的包裝自動生產(chǎn)線系統(tǒng)適用于全自動各類包裝制品生產(chǎn)線，也可作為西門子PLC群控系統(tǒng)學(xué)習(xí)、工業(yè)機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)控制學(xué)習(xí)的載體。

[1]王田苗,陶永.我國工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014,50(9):1-13.

[2]張愛民,王倩.基于總線模式的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2010(11):40-42.

[3]李秀鐘,鐘造勝.基于S7-1200PLC的弱磁性鐵礦石磁選機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動化技術(shù)應(yīng)用,2015(7):56-61.

[4]李方園.西門子S7-1200的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].自動化博覽,2011(5):50-54.

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Design of group communication control system for sorting production line based on industrial robot

WANG Hongbo①, LI Jiandong②, CUI Xiaohui③, WANG Baoping④

Accordingtotherequirementsoftheautomaticproductionlineandautomaticcontrolofthesortingforgiftproductionline,anautomaticsolutionfortheindustrialrobotandmachinevisionisproposed.TheautomaticsortingnetworkcontrolsystemisconstructedbySIEMENSS7-1200PLC(programmablelogiccontroller),roboticsandmachinevision,AGV(automatedguidedvehicle)automaticguidedcar,stackingwarehousesystemandgiftssortinglines.TheMODBUS-TCPcommunicationprotocolisadoptedtorealizethedataexchangebetweentherobot,machinevision,slavePLCandmasterPLC.Thesystemcanimprovethefactoryautomationlevel,improvetheproductionefficiency,reducelaborintensity,andreducelaborcosts.

industrialrobot;MODBUS-TCPprotocol;PLCnetwork;sortingproductionline;machinevision

TP273

B

王鴻博 ，男 ，1973年生，工學(xué)碩士，副教授，從事機(jī)電一體化科研與教學(xué)，發(fā)表論文15篇。

(編輯李靜)(2015-09-07)

160323

*廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013B011303007)；順德學(xué)院創(chuàng)新強(qiáng)校立項(xiàng)(2015-KJZX049)；順德學(xué)院教學(xué)團(tuán)隊(duì)立項(xiàng)(ZX03240302)