郭 鵬，童一飛，王 霞，林 杰，魏小林

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094) (2.南京工程高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 南京 211135)

隨著制造業(yè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈以及客戶需求的多樣化，使得制造商們要不斷地進(jìn)行創(chuàng)新和新產(chǎn)品的開發(fā)，同時(shí)還要追求產(chǎn)品成本的不斷降低以及質(zhì)量的不斷提高[1]。日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)和對(duì)更好質(zhì)量與更高可靠性商品的追求，制造商們更多地引入自動(dòng)化生產(chǎn)線[2]，高度的自動(dòng)化生產(chǎn)線對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高的要求。隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，可編程邏輯控制器(PLC)與觸摸屏在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛[3]。在監(jiān)控系統(tǒng)中使用觸摸屏，不僅可以使得對(duì)生產(chǎn)線的監(jiān)控更加直觀方便，而且還能降低監(jiān)控系統(tǒng)的成本[4]。

1 實(shí)驗(yàn)型生產(chǎn)系統(tǒng)

本監(jiān)控系統(tǒng)的主要監(jiān)控對(duì)象是由多功能工作站組成的實(shí)驗(yàn)型生產(chǎn)系統(tǒng)，其主要進(jìn)行的是模擬焊接。

1.1 多功能工作站

多功能工作站是實(shí)驗(yàn)型生產(chǎn)系統(tǒng)的基本組成單元，采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法。多功能工作站的總體布局如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)型生產(chǎn)系統(tǒng)工作流程

實(shí)驗(yàn)型生產(chǎn)系統(tǒng)由4個(gè)工作站(工件檢測(cè)站/模擬焊接站/成品檢測(cè)站/成品分揀站)構(gòu)成。原料從立體倉庫出庫，由AGV(automated guided vehicle)小車從立體倉庫運(yùn)輸至工作站1，由傳送帶傳送至緩沖托盤內(nèi)。在工作站1上，機(jī)器人視覺系統(tǒng) 對(duì)原材料進(jìn)行尺寸檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后再由AGV小車運(yùn)往工作站2。工作站2的機(jī)器人換上氣抓組件，抓起原料放置在變位機(jī)平臺(tái)上并由氣缸夾緊，然后再換上畫筆工裝，對(duì)零件進(jìn)行模擬焊接，在工件表面留下模擬焊接的軌跡。完成后，由AGV運(yùn)往工作站3，成品在工作站3完成顏色檢驗(yàn)后運(yùn)往工作站4進(jìn)行分揀，最后由AGV小車運(yùn)往立體倉庫。在生產(chǎn)過程中檢測(cè)出的不合格品運(yùn)往廢品庫。工作流程圖如圖2所示。

圖1 多功能工作站總體布局圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)中的硬件組成主要包括：EV觸摸屏、三菱PLC和CC-LINK現(xiàn)場(chǎng)總線。

2.1 EV觸摸屏

系統(tǒng)采用的EV觸摸屏型號(hào)為MT5500。該觸摸屏是電阻式觸摸屏，穩(wěn)定性較好，能夠有效地抵御外界雜質(zhì)的干擾，比較適合用于環(huán)境復(fù)雜的工控領(lǐng)域。

圖2 實(shí)驗(yàn)型加工系統(tǒng)工作流程圖

2.2 三菱PLC

系統(tǒng)中采用1個(gè)三菱Q系列PLC Q02H作為主站PLC，控制工作站1；采用3個(gè)三菱FX系列PLC FX3U作為從站PLC，分別控制工作站2、工作站3、工作站4[5]。

2.3 CC-LINK

系統(tǒng)采用CC-LINK現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)行主站PLC與從站PLC間的通信。CC-LINK現(xiàn)場(chǎng)總線具有良好的兼容性和抗噪性，在擁有強(qiáng)大性能的同時(shí)還擁有較高的可靠性，能夠有效地減少工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中設(shè)備間復(fù)雜的配線[6]。由于本監(jiān)控系統(tǒng)中采用的是三菱PLC，因此采用CC-LINK現(xiàn)場(chǎng)總線能夠保證較好的兼容性。

3 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

3.1 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)中的4個(gè)PLC分別控制4個(gè)多功能工作站，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，從站PLC將采集到的數(shù)據(jù)通過CC-LINK通訊協(xié)議傳送到主站PLC上，主站PLC主要進(jìn)行上位機(jī)操作指令的傳達(dá)以及所有設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的匯集。觸摸屏通過RS232串行總線與主站PLC進(jìn)行通訊。通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)設(shè)置

CC-LINK網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的設(shè)置內(nèi)容主要包括傳送速率和模式設(shè)置、自動(dòng)刷新設(shè)置、站號(hào)設(shè)置以及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置，其中網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的主要內(nèi)容包括連接模塊數(shù)、自動(dòng)回復(fù)模塊數(shù)和重試次數(shù)等[6]。自動(dòng)刷新參數(shù)設(shè)置主要包括遠(yuǎn)程輸入RX、遠(yuǎn)程輸出RY、特殊寄存器RWw、特殊繼電器、特殊寄存器RWr的刷新軟元件的設(shè)置[7]。

采用GX-developer軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的設(shè)置，主要設(shè)置項(xiàng)見表1。

設(shè)置完這些參數(shù)并下載至三菱Q02H PLC中后，CC-LINK網(wǎng)絡(luò)組態(tài)設(shè)置即完成。

3.3 主站刷新軟元件分配

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)中對(duì)于主站刷新軟元件的設(shè)置可知，對(duì)于從站PLC來說，X100、Y00、D100、D0為首個(gè)從站(工作站2)的初始地址。從站PLC的CPU的型號(hào)為FX3U-32MR，其遠(yuǎn)程輸入/輸出點(diǎn)均為32個(gè)，有4個(gè)遠(yuǎn)程寄存器，各從站所對(duì)應(yīng)的刷新軟元件地址見表2。

表1 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)主要設(shè)置項(xiàng)

表2 從站對(duì)應(yīng)軟元件地址分配

完成了刷新軟元件的地址分配后，主站PLC就可以通過程序指令對(duì)這些軟元件進(jìn)行對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的讀寫[8]。

3.4 CC-LINK接口模塊端設(shè)置

1)主站接口模塊QJ61BT11N：設(shè)置主站模塊的站號(hào)開關(guān)為00；考慮到現(xiàn)場(chǎng)總線的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，可以選擇中高速的傳輸速率，因此將傳輸速率置為2.5Mbps。

2)從站接口模塊FX3U-64CCL：將模塊站號(hào)依次設(shè)置為01～03；占用站數(shù)設(shè)置為0，表示占用一個(gè)站；傳輸速率設(shè)置與主站模塊一致，為2.5Mbps。

3.5 觸摸屏通訊設(shè)置

在EV5000組態(tài)軟件中，首先在編輯界面中添加觸摸屏和PLC對(duì)象，型號(hào)分別為MT5500和Mitsubishi Q series(CPU Port)；然后添加一條串口線，一端與觸摸屏的COM0口相連，一端與PLC的COM0口相連。硬件連接圖如圖4所示。

圖4 硬件連接圖

完成硬件連接后，接下來設(shè)置觸摸屏的屬性。在本系統(tǒng)中，只需要對(duì)任務(wù)欄和串口進(jìn)行設(shè)置[9]。屬性設(shè)置如圖5所示。

圖5 屬性設(shè)置

4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

4.1.1系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

多功能工作站監(jiān)控系統(tǒng)主要由用戶管理模塊、生產(chǎn)管理模塊、聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控模塊、生產(chǎn)信息模塊和事件顯示模塊組成，如圖6所示。

圖6 工作站監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

4.1.2系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

1)用戶管理模塊。

該模塊是系統(tǒng)初始化后的界面，用于對(duì)用戶的身份進(jìn)行驗(yàn)證，只有在輸入了正確的用戶名與密碼之后，用戶才能獲得監(jiān)控系統(tǒng)的使用權(quán)限。模塊界面中設(shè)置有用戶名與密碼的輸入框以及確認(rèn)與退出按鈕，實(shí)現(xiàn)用戶的登錄與退出。

2)生產(chǎn)管理模塊。

該模塊主要用來進(jìn)行生產(chǎn)系統(tǒng)當(dāng)前的生產(chǎn)訂單號(hào)和計(jì)劃生產(chǎn)數(shù)量的輸入，用戶可以通過系統(tǒng)自動(dòng)控制生產(chǎn)的停止，也可以手動(dòng)控制生產(chǎn)計(jì)劃的開始、繼續(xù)和暫停，并實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)信息。

3)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控模塊。

該模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各工作站狀態(tài)的監(jiān)控。用戶可以通過此模塊實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地掌握機(jī)器人的工作狀態(tài)，并且還可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行急停、復(fù)位等控制操作。設(shè)置有對(duì)工作站的監(jiān)控畫面和對(duì)工作站進(jìn)行控制的按鈕，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工作站的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及基本控制。

4)生產(chǎn)信息模塊包括訂單基本情況和訂單執(zhí)行情況。具體包括正在執(zhí)行的訂單號(hào)、生產(chǎn)計(jì)劃、完成計(jì)劃和不合格品數(shù)。

5)事件顯示模塊。

該模塊的主要功能是顯示系統(tǒng)的歷史報(bào)警信息，包括系統(tǒng)緊急停止、毛坯質(zhì)量不合格、成品質(zhì)量不合格等信息等，同時(shí)還要顯示這些事件產(chǎn)生的時(shí)間。當(dāng)事件解決后，用戶能夠?qū)κ录M(jìn)行標(biāo)記，表示已經(jīng)解決。由一個(gè)事件顯示框組成，進(jìn)行報(bào)警事件的實(shí)時(shí)顯示。

4.2 組態(tài)界面設(shè)計(jì)

組態(tài)界面的總體設(shè)計(jì)布局如圖7所示。

圖7 組態(tài)界面布局

模塊界面的布局都大體相同。在聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控模塊中的控制按鈕放置在屏幕的下部，控制畫面的切換由方向鍵控制。

4.3 觸摸屏組態(tài)詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.3.1用戶登錄模塊

界面上設(shè)置有1個(gè)文本輸入元件和1個(gè)數(shù)值輸入元件以及登錄和退出按鈕。用戶登錄界面如圖8所示。

圖8 用戶登錄界面

4.3.2生產(chǎn)管理模塊

在執(zhí)行訂單計(jì)劃的過程中，該模塊還將根據(jù)工作站4機(jī)器人的分揀信號(hào)來判斷已經(jīng)加工的工件數(shù)，當(dāng)完成的工件數(shù)達(dá)到計(jì)劃生產(chǎn)數(shù)后，工作站1機(jī)器人將停止對(duì)毛坯進(jìn)行檢測(cè)。生產(chǎn)管理模塊界面如圖9所示。

圖9 生產(chǎn)管理界面

4.3.3聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控模塊

此模塊的建立分為圖形建模和動(dòng)態(tài)畫面宏代碼編程。

1)圖形建模。

根據(jù)不同工作站中的機(jī)器人進(jìn)行不同操作的特點(diǎn)來建立各機(jī)器人的動(dòng)畫模型，實(shí)時(shí)展示機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程，因此需要一系列的圖片來顯示機(jī)器人在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下各關(guān)節(jié)的位置。本系統(tǒng)采用FLASH MX來進(jìn)行圖形的建模，建模完成后再將圖片導(dǎo)入至組態(tài)軟件中。導(dǎo)入畫面如圖10所示。

圖10 新建位圖

畫面導(dǎo)入完成后，工程文件窗口中顯示出相應(yīng)的位圖文件，如圖11所示。

圖11 工程文件窗口

2)宏指令編程。

在PLC程序中添加一些語句段來提取信號(hào)量，根據(jù)這些信號(hào)量進(jìn)行宏指令的編寫，并由定時(shí)器來觸發(fā)宏指令，周期為100ms。其要求是：①通過不同信號(hào)的開關(guān)來判斷各工作站所處的狀態(tài)，由此更新位圖狀態(tài)量，形成連續(xù)的動(dòng)作畫面；②由關(guān)鍵部位的傳感器來確定機(jī)器人的靜態(tài)位置；③保證各工作站之間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的平穩(wěn)過渡。

在完成各個(gè)工作站的圖形建模和宏指令編程后，生成的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控畫面如圖12所示。

圖12 聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控畫面

4.3.4生產(chǎn)信息模塊

將訂單號(hào)和生產(chǎn)計(jì)劃的顯示元件的讀取地址都設(shè)置為生產(chǎn)管理中相應(yīng)元件的輸入地址。完成計(jì)劃數(shù)為工作站4 PLC分揀號(hào)觸發(fā)定時(shí)器計(jì)數(shù)的值，不合格品數(shù)則為工作站3 PLC不合格信號(hào)觸發(fā)定時(shí)器計(jì)數(shù)的值。界面如圖13所示。

圖13 生產(chǎn)信息界面

4.3.5事件顯示模塊

系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，事件顯示模塊將會(huì)顯示報(bào)警信息，界面如圖14所示。

事件顯示元件只能夠顯示預(yù)先登錄過的事件的類型和時(shí)間。事件處理完成后，用戶可以通過點(diǎn)擊該事件的報(bào)警信息解除警報(bào)。深色字體為事件異常，淺色字體為正常。

圖14 事件顯示界面

5 結(jié)束語

本文利用三菱PLC、EV觸摸屏和CC-LINK總線技術(shù)建立了一套多功能工作站組成的實(shí)驗(yàn)型生產(chǎn)系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，確定了監(jiān)控軟件的各功能模塊并利用EV5000軟件進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。本文的研究可為相似的觸摸屏監(jiān)控軟件開發(fā)提供借鑒。