摘要本文針對(duì)工業(yè)PLC與可視化界面結(jié)合的車間仿真開展研究，以智能制造為目標(biāo)規(guī)劃生產(chǎn)流程的優(yōu)化路徑，依托模塊化分析，提出整合工業(yè)機(jī)器人、智能傳感網(wǎng)絡(luò)、柔性輸送裝置及分布式控制單元的硬件設(shè)計(jì)方案，并配套開發(fā)出模塊化控制軟件系統(tǒng)。圍繞物料移運(yùn)、傳送、檢測(cè)及分類的功能實(shí)現(xiàn)與性能要求展開探討，配置了由程序控制器、執(zhí)行機(jī)器人、物料傳送帶、操作界面及感知器件構(gòu)成的硬件體系，繼而開發(fā)出適配的軟件框架及控制方案，采用仿真環(huán)境構(gòu)建結(jié)合功能檢測(cè)，系統(tǒng)展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定與實(shí)時(shí)特性，該方案從設(shè)備層面支撐了離散制造場(chǎng)景的數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程，該設(shè)計(jì)理念對(duì)工業(yè)自動(dòng)化升級(jí)具備實(shí)際借鑒作用。關(guān)鍵詞：PLC；可視化界面；車間仿真ABSTRACTThispaperfocusesontheresearchofworkshopsimulationcombiningindustrialPLCwithvisualinterfaces,aimingtooptimizeproductionprocessesthroughintelligentmanufacturingplanning.Basedonmodularanalysis,itproposesahardwaredesignschemethatintegratesindustrialrobots,smartsensornetworks,flexibleconveyingdevices,anddistributedcontrolunits,alongwiththedevelopmentofamodularcontrolsoftwaresystem.Itdiscussesthefunctionalimplementationandperformancerequirementsformaterialhandling,transmission,inspection,andclassification,configuringahardwaresystemcomposedofprogramcontrollers,executionrobots,materialconveyors,operationinterfaces,andsensingdevices.Subsequently,anappropriatesoftwareframeworkandcontrolsolutionaredeveloped,usingasimulationenvironmenttointegratefunctionaltesting.Thesystemdemonstratesexcellentstabilityandreal-timecharacteristics,supportingthedigitaltransformationprocessofdiscretemanufacturingscenariosattheequipmentlevel.Thisdesignconcepthaspracticalreferencevaluefortheupgradeofindustrialautomation.Keywords：PLC;visualinterfaces;intelligentmanufacturing目錄TOC\o"1-2"\h\u169011引言 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)需求分析2.1.1功能需求本系統(tǒng)功能需求覆蓋搬運(yùn)、傳送、檢測(cè)以及分類四個(gè)核心模塊，搬運(yùn)功能要求工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高精度的抓取放置操作，采用發(fā)那科的一款六軸關(guān)節(jié)型機(jī)器人作為執(zhí)行單元，末端配備氣動(dòng)夾爪以適配不同物料屬性，機(jī)器人借助PLC實(shí)行控制，保證和傳送帶工位精準(zhǔn)對(duì)接。傳送功能組建閉環(huán)控制系統(tǒng)，靠伺服電機(jī)帶動(dòng)傳送帶實(shí)現(xiàn)物料輸送，檢測(cè)功能由人工工位和自動(dòng)檢測(cè)單元構(gòu)成，采用位置傳感器進(jìn)行物料是否到位的檢測(cè)，人工檢測(cè)臺(tái)搭建觸摸屏，以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量判定輸入，分類功能借助氣動(dòng)推桿達(dá)成，憑借PLC接收的檢測(cè)結(jié)果信號(hào)，把合格的產(chǎn)品送入包裝區(qū)分類，劣質(zhì)產(chǎn)品轉(zhuǎn)移進(jìn)廢料盒內(nèi)，達(dá)成精準(zhǔn)把握。2.2系統(tǒng)架構(gòu)2.2.1硬件架構(gòu)本系統(tǒng)的硬件架構(gòu)把PLC當(dāng)作核心控制單元，綜合工業(yè)機(jī)器人、傳送帶、HMI及傳感器組建多層次控制體系，PLC采用模塊化設(shè)計(jì)的途徑，內(nèi)含中央處理器、數(shù)字量I/O模塊、模擬量輸入模塊與Profinet通訊模塊，以S7-1200系列PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)時(shí)間順序控制。工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)采用六軸關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，安排氣動(dòng)夾爪作為末端執(zhí)行器，其本體把絕對(duì)值編碼器和位置檢測(cè)傳感器集成在一起，通過(guò)Ethernet/IP協(xié)議跟PLC建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交流達(dá)成搬運(yùn)目的，工業(yè)機(jī)器人做選型時(shí)采用發(fā)那科機(jī)器人，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳送帶系統(tǒng)，采用增量式編碼器完成閉環(huán)速度控制，憑借分布式I/O模塊接入PLC系統(tǒng)達(dá)成傳動(dòng)目的。采用12英寸工業(yè)級(jí)觸摸屏作為HMI，依靠人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)溝通，采用可視化虛擬按鈕控制電機(jī)，拉動(dòng)機(jī)械臂和傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)由激光位移傳感器、光電傳感器、電感傳感器、電容傳感器與有色金屬傳感器所構(gòu)成，激光位移傳感器依靠激光對(duì)機(jī)械臂抓取物料放置到傳送帶的位移進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，把信號(hào)傳遞給PLC進(jìn)而控制傳送帶開啟。光電傳感器在零件抵達(dá)人工工作區(qū)域時(shí)，鑒于零件遮光觸發(fā)信號(hào)，提示人工檢測(cè)零件，檢測(cè)與分類工作需要借助三種不同的傳感器對(duì)零件分類，三種傳感器起到的作用如下：電感傳感器借助鐵元素的高磁導(dǎo)率，大幅改變磁路的磁阻，這樣引起電感量大幅上揚(yáng)，結(jié)合高頻激勵(lì)跟信號(hào)處理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵元素的高效鑒別，進(jìn)行零件分類時(shí)可迅速識(shí)別零件是否為鐵質(zhì)金屬，電容傳感器憑借鋁自身的導(dǎo)電性改變電場(chǎng)分布，造成電容值大幅攀升，結(jié)合高頻激勵(lì)加上信號(hào)處理技術(shù)，可精準(zhǔn)辨認(rèn)鋁元素，有色金屬傳感器對(duì)電導(dǎo)率、導(dǎo)磁率、密度等特性的差異進(jìn)行檢測(cè)，采用渦流、電感、X射線等技術(shù)達(dá)成金屬辨認(rèn)。2.2.2軟件架構(gòu)軟件架構(gòu)采用分層式設(shè)計(jì)理念，底層PLC程序以TIAPortal平臺(tái)為基礎(chǔ)開展開發(fā)，采用結(jié)構(gòu)化文本跟功能塊聯(lián)合的編程辦法，構(gòu)造含有主控程序、運(yùn)動(dòng)控制模塊的雙層體系，主程序憑借程序塊梯形圖語(yǔ)言完成工序流程的控制，程序的結(jié)構(gòu)圖示見圖2-1，運(yùn)動(dòng)控制模塊借助Move指令實(shí)現(xiàn)傳送帶控制，采用集成HMI腳本控制機(jī)器人搬運(yùn)，HMI組態(tài)借助WinCCAdvanced開展開發(fā)，開發(fā)多個(gè)界面，結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控功用，憑借服務(wù)器與PLC創(chuàng)建通信鏈路。圖2-1程序結(jié)構(gòu)圖2.3工程流程設(shè)計(jì)系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)包括機(jī)器人抓取、傳送帶運(yùn)輸、人工檢測(cè)及分類的工作流程設(shè)計(jì)，如圖2-2所示。圖2-2工程流程圖系統(tǒng)工作流程從機(jī)器人抓取零件起步，依靠多環(huán)節(jié)協(xié)同達(dá)成高度自動(dòng)化操作，完成初始化操作以后，機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)入靜候狀態(tài)，等候可編程邏輯控制器下達(dá)抓取指令，一旦接收到相關(guān)指令，機(jī)器人便按既定的預(yù)設(shè)路徑移動(dòng)至HOME位，抓取裝置采用氣動(dòng)夾爪作為主要部件，該裝置的工作狀態(tài)由壓力傳感器實(shí)時(shí)反饋給PLC，保障抓取力穩(wěn)定在0.3-0.5MPa的安全范圍里，依靠視覺(jué)定位子系統(tǒng)的輔助，采用激光位移傳感器，工業(yè)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)±0.1mm這種高精度定位，完成對(duì)零件的抓取后觸發(fā)到位信號(hào)，隨后進(jìn)入跟傳送帶的銜接環(huán)節(jié)。傳送帶控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)靠伺服電機(jī)，PLC憑借PWM脈沖信號(hào)達(dá)成對(duì)傳送帶0.1-2m/s的無(wú)級(jí)速度調(diào)控，機(jī)器人精準(zhǔn)地把零件擱到傳送帶進(jìn)料區(qū)，激光位移傳感器監(jiān)測(cè)到物料到達(dá)指定處后，瞬間觸發(fā)傳送帶開動(dòng)，當(dāng)運(yùn)輸結(jié)束之際，當(dāng)零件到了人工檢測(cè)工位之際，光電可觸發(fā)信號(hào)，通知操作人員實(shí)施質(zhì)量檢驗(yàn)。人工檢測(cè)工位的設(shè)計(jì)采用雙工位模式，需對(duì)鐵制、鋁制金屬以及有色金屬這三種不同零件做檢驗(yàn)分類，故本設(shè)計(jì)用模擬三通電磁閥驅(qū)動(dòng)氣缸，把良品推入合格品通道進(jìn)行篩選區(qū)分，圖2-3呈現(xiàn)出原型三通電磁閥，針對(duì)不合格的貨品，傳送帶按預(yù)設(shè)路徑把不良品轉(zhuǎn)移到廢料的區(qū)域，整個(gè)過(guò)程各環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)狀態(tài)在HMI監(jiān)控界面清晰地顯示出來(lái)。圖2-3MAC.56C-18-121BA三通電磁閥實(shí)物圖2.4關(guān)鍵技術(shù)選型2.4.1PLC選型在配置工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)之際，實(shí)施PLC的選型工作，需整體考量其處理能力、擴(kuò)展性以及兼容性等相關(guān)方面，針對(duì)中小型車間仿真系統(tǒng)而言，西門子S7-1200系列是挺適用的，此系列采用緊湊型的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)支持?jǐn)?shù)字量模塊、模擬量模塊以及通信模塊開展靈活擴(kuò)展。其自身內(nèi)置的控制算法與高速計(jì)數(shù)器功能，可滿足傳送帶速度調(diào)節(jié)以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)際要求，依靠Profinet通信協(xié)議的集成，S7-1200系列易于跟HMI及機(jī)器人開展數(shù)據(jù)交互操作，在高復(fù)雜度的場(chǎng)景環(huán)境下，跟價(jià)格不菲的S7-1500系列比，S7-1200系列的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)十分明顯，本設(shè)計(jì)采用西門子S7-1200系列的1214DC/DC/DC作為PLC，該P(yáng)LC以太網(wǎng)地址設(shè)定是，如圖2-5所示。圖2-5PLC型號(hào)2.4.2HMI選型在開展HMI（人機(jī)界面）選型事宜時(shí)，應(yīng)綜合權(quán)衡功能性、可視化效果與開發(fā)效率這幾個(gè)關(guān)鍵方面，WinCC作為西門子生態(tài)體系里的核心構(gòu)成組件，按照OPCUA協(xié)議，可以跟SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）進(jìn)行深度整合，其所具備的多層級(jí)報(bào)警管理系統(tǒng)，能對(duì)設(shè)備故障信息進(jìn)行即時(shí)記錄，同時(shí)還能依靠趨勢(shì)圖對(duì)傳送帶的運(yùn)行參數(shù)加以展示。開展針對(duì)TP700、TP900、TP1200精致面板的對(duì)比分析，處于大規(guī)模的車間場(chǎng)景情形下，對(duì)容納量以及整體布局方面考量，TP1200彰顯出更明顯的優(yōu)勢(shì)，本設(shè)計(jì)做HMI選型的時(shí)候選用了TP1200精致面板，該面板以太網(wǎng)地址設(shè)置到，如圖2-6所示。圖2-6HMI型號(hào)2.4.3仿真軟件選型在開展仿真軟件甄選工作時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)留意它的虛實(shí)融合能力與多設(shè)備協(xié)同驗(yàn)證功能，TIAPortalV16整合了PLCSIMAdvanced仿真功能，此功能可對(duì)S7-1200/1500程序的離線調(diào)試工作給予支持，依靠此功能，可以達(dá)成硬件跟軟件的無(wú)縫銜接。TIAPortal具備支持從硬件組態(tài)直至軟件編程全程序設(shè)計(jì)的能力，實(shí)施仿真操作的過(guò)程里，可直接采用真實(shí)的硬件配置，進(jìn)而保證虛擬環(huán)境與實(shí)際設(shè)備達(dá)到高度契合的狀態(tài)，待S7-1200PLC的配置結(jié)束之后，可借助內(nèi)置的PLCSIM工具直接啟動(dòng)仿真運(yùn)行，而不用連接現(xiàn)實(shí)中的PLC。TIAPortalV16在跨組件聯(lián)合仿真方面呈現(xiàn)出明顯特色，它支持PLC程序、HMI人機(jī)界面以及類似SINAMICS的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的同步仿真操作，可對(duì)多設(shè)備之間相互的協(xié)同邏輯做驗(yàn)證，按照系統(tǒng)工程理論，在復(fù)雜的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)范圍里，多設(shè)備協(xié)同驗(yàn)證對(duì)于維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性極為關(guān)鍵，本系統(tǒng)在編程仿真這個(gè)環(huán)節(jié)采用了博圖V16。3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)3.1.1機(jī)器人選型對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行選型，需全面考量負(fù)載能力、工作半徑、重復(fù)定位精度以及環(huán)境適應(yīng)性等關(guān)鍵方面，處于車間仿真系統(tǒng)當(dāng)中，顧及成本和工作的平穩(wěn)程度，需配備高剛性手臂跟先進(jìn)的伺服控制技術(shù)，即便處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也不會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了快速又平滑的動(dòng)作性能。而且有著手腕負(fù)載容量大的特性，可輕松應(yīng)對(duì)多個(gè)工件作業(yè)的特性，LRMate200iD那種迷你的機(jī)器人具備這特點(diǎn)，鑒于這種情況，本仿真設(shè)計(jì)采用的原型是LRMate200iD迷你機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)的具體軌跡如圖3-1所示，因?yàn)槠溥\(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)復(fù)雜性，仿真軟件存在著不能進(jìn)行三維仿真的局限，本設(shè)計(jì)只模擬該對(duì)象的部分運(yùn)動(dòng)軌跡。圖3-1機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡圖3.1.2末端執(zhí)行器選型當(dāng)開展末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)工作的時(shí)候，需針對(duì)作業(yè)對(duì)象的特征緊密貼合，就現(xiàn)在的情況而言，氣動(dòng)夾爪以及真空吸盤屬于該領(lǐng)域設(shè)計(jì)主流方案，氣動(dòng)夾爪依靠雙作用氣缸達(dá)成驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，鑒于氣動(dòng)夾爪有著較高的抓取力，且在仿真進(jìn)程里立體感表現(xiàn)得更為明顯這一屬性，在當(dāng)前設(shè)計(jì)里面，挑選用了氣動(dòng)夾爪這一方案。3.2傳送帶控制系統(tǒng)3.2.1電機(jī)選型在自動(dòng)化產(chǎn)線動(dòng)力單元的設(shè)計(jì)工作里，傳送裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的挑選，需要綜合評(píng)估載荷譜特性、運(yùn)動(dòng)軌跡精度及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，對(duì)于開環(huán)控制架構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)角位移控制憑借脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)機(jī)制完成，于輕載低速工況之內(nèi)，其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)十分突出，此類型電機(jī)的常規(guī)步距角參數(shù)為1.8°和0.9°其中之一，采用微步細(xì)分技術(shù)能增強(qiáng)定位分辨率，但碰到高速工況下轉(zhuǎn)矩衰減與失步現(xiàn)象的技術(shù)困境。閉環(huán)控制狀態(tài)下的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成了編碼器反饋機(jī)制，形成了囊括力矩環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)與位置環(huán)的多層面控制架構(gòu)，非常適配傳送裝置加速階段的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試作對(duì)比，伺服系統(tǒng)在控制穩(wěn)定性上展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，所以選定采用伺服驅(qū)動(dòng)方案REF_Ref3696\r\h[12-13]。3.3檢測(cè)與分類系統(tǒng)3.3.1傳感器配置處在仿真系統(tǒng)里，采用MOVE、TON、SUB等指令的運(yùn)用，可精準(zhǔn)模擬傳感器對(duì)機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)位移進(jìn)行檢測(cè)并啟動(dòng)傳送帶的過(guò)程，這一過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)包含如下要點(diǎn)：借助MOVE指令對(duì)機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)定位做模擬賦值，TON以時(shí)間寄存器的身份存在，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)的時(shí)序把控。借助按鈕去模擬觸發(fā)激光位移傳感器，進(jìn)而實(shí)施傳送帶輸送零件的作業(yè)，采用ADD指令去模擬信號(hào)變化，當(dāng)信號(hào)升高到100的時(shí)候，就觸發(fā)了光電傳感器，通過(guò)讓指示燈呈現(xiàn)黃色模擬光電傳感器狀態(tài)，從而告知人工對(duì)零件開展檢查。檢測(cè)和分類系統(tǒng)里的傳感器借助PLC發(fā)出信號(hào)，利用比較函數(shù)判定是哪種金屬材質(zhì)，再采用MOVE指令分配給三通電磁閥，讓其控制三個(gè)氣缸實(shí)施分類操作,其中氣缸一里面裝的是電感傳感器，當(dāng)PLC信號(hào)進(jìn)行比較指令操作后顯示信號(hào)為1，就啟動(dòng)氣缸一對(duì)鐵制金屬開展分類，氣缸二裝載的乃是電容傳感器，當(dāng)PLC信號(hào)執(zhí)行比較指令后判定信號(hào)為2，就啟動(dòng)氣缸二對(duì)鋁質(zhì)金屬開展分類工作，氣缸三安置了有色金屬傳感器，當(dāng)PLC信號(hào)實(shí)施比較指令判定信號(hào)為3，便啟動(dòng)氣缸三去對(duì)有色金屬進(jìn)行分類。3.4PLC硬件配置3.4.1I/O分配表本套控制系統(tǒng)采用模塊化接口設(shè)計(jì)，其輸入輸出信號(hào)分配的方案見如下表格，輸入端口主要進(jìn)行外部信號(hào)的采集工作，SQ1-SQ2搭建起數(shù)字量輸入模塊的限位檢測(cè)單元，實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)械手的空間坐標(biāo)；I1.0端口擔(dān)負(fù)著接收模式選擇指令的工作，采用二進(jìn)制編碼途徑實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。就硬件架構(gòu)層面而言，I0.2-I0.3端子裝配了啟停控制單元，擁有危急狀態(tài)下的瞬間響應(yīng)特性，就輸出通道而言，Q0.0-Q0.1靠脈沖寬度調(diào)制技術(shù)分別驅(qū)動(dòng)垂直升降執(zhí)行機(jī)構(gòu)，Q0.2端口用差分信號(hào)控制電磁閥組的夾持動(dòng)作，該配置方案為程序開發(fā)人員提供了清晰的信號(hào)映射對(duì)應(yīng)關(guān)系，其接口定義嚴(yán)格依照國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）61131-2標(biāo)準(zhǔn)里的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備規(guī)范，就如附表3-1所表明的。表3-1機(jī)械手傳送系統(tǒng)輸入和輸出點(diǎn)分配表類型PLC元件作用說(shuō)明符號(hào)PLC-IO輸入I0.0上限位開關(guān)SQ1I0.1下限位開關(guān)SQ2I0.2自動(dòng)啟動(dòng)按鈕SB1I0.3自動(dòng)停止按鈕SB2I1.0連續(xù)模式按鈕SB3I2.0回原點(diǎn)按鈕SB4I2.1急停按鈕SB5PLC-IO輸出Q0.0上升輸出KM1Q0.1下降輸出KM2Q0.2夾緊電磁閥YV1Q0.3自動(dòng)運(yùn)行指示燈HL1Q0.4連續(xù)模式指示燈HL2Q2.0回原點(diǎn)指示HL3物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)地控制架構(gòu)設(shè)計(jì)中，主控單元選用了西門子S7-1200系列可編程控制器作為核心處理模塊。在信號(hào)傳輸路徑規(guī)劃方面，通過(guò)模塊化擴(kuò)展方式完成了數(shù)字量I/O通道的配置，具體配置參數(shù)詳見如附表3-2所示。表3-2I/O分配表輸入設(shè)備地址輸出設(shè)備地址手動(dòng)/自動(dòng)模式I0.4運(yùn)行指示燈Q0.5啟動(dòng)I0.5氣缸1Q0.6復(fù)位I0.6傳送帶Q0.7鐵制金屬I0.7氣缸2Q1.0鋁制金屬I1.1氣缸3Q1.1有色金屬I1.2位置1檢測(cè)I1.3位置2檢測(cè)I1.4位置3檢測(cè)I1.5氣缸1原點(diǎn)I1.6氣缸1進(jìn)限位I1.7氣缸2原點(diǎn)I2.2氣缸2進(jìn)限位I2.3氣缸3原點(diǎn)I2.4氣缸3進(jìn)限位I電氣接線圖從表3-1呈現(xiàn)的信號(hào)分配方案入手分析，同時(shí)整合PLC接口選型涉及的兼容性檢測(cè)報(bào)告，采用模塊化策略搭建硬件連接框架，涉及接線的技術(shù)性細(xì)節(jié)內(nèi)容，相關(guān)外部接線配置可參考圖3-3所示的自動(dòng)分揀系統(tǒng)接線示意圖，系統(tǒng)設(shè)計(jì)將IEC61131工業(yè)控制規(guī)范作為核心依據(jù)，從總體設(shè)計(jì)維度看，按照規(guī)范實(shí)施可有效保證系統(tǒng)兼容性及運(yùn)行穩(wěn)定性；為硬件連接架構(gòu)的布局提供技術(shù)指引；對(duì)實(shí)際接線操作做出規(guī)范，該硬件連接架構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)理念，完成單元模塊的協(xié)同接駁，以實(shí)現(xiàn)物料分揀系統(tǒng)的高效自動(dòng)化運(yùn)行。圖3-3機(jī)械手抓取物料硬件接線圖采用表3-2規(guī)定的信號(hào)分配方式，在PLC接口篩選階段完成兼容性檢驗(yàn)，本研究采用模塊化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)硬件連接框架，外部接線實(shí)現(xiàn)方式詳見本文圖3-4的自動(dòng)分揀系統(tǒng)示意圖，硬件連接嚴(yán)格按IEC61131-3工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。圖3-4物料自動(dòng)分揀控制電路外部接線圖4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1PLC程序設(shè)計(jì)4.1.1主程序主程序采用梯形圖與功能塊圖構(gòu)造控制邏輯，一共定義了初始化、待機(jī)、搬運(yùn)、傳送、檢測(cè)、分類這六個(gè)核心狀態(tài)，系統(tǒng)上電后最初進(jìn)入初始化狀態(tài)，達(dá)成I/O模塊自檢、伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)加載及HMI通信鏈路的搭建，以按鈕實(shí)現(xiàn)啟停，在模擬待機(jī)狀態(tài)期間持續(xù)掃描光電傳感器信號(hào)，一旦檢測(cè)到工件到位信號(hào)，就觸發(fā)狀態(tài)遷移至搬運(yùn)階段。工業(yè)機(jī)器人借助Ethernet/IP協(xié)議接收PLC所發(fā)的坐標(biāo)指令，可按照指令要求開展上升程序、下降程序，完成氣動(dòng)夾爪抓取或夾爪吸合動(dòng)作，圖4-2呈現(xiàn)的是機(jī)械臂上升指令，圖4-3呈現(xiàn)的是氣動(dòng)夾爪吸合指令，完成工作后向PLC反饋完成信號(hào)以開啟傳送帶控制。傳送階段借助move指令讓電機(jī)帶動(dòng)同步輪完成零件的傳送，傳送零件的指令如圖4-4所展示，編碼器實(shí)時(shí)把數(shù)據(jù)反饋以構(gòu)成閉環(huán)控制，檢測(cè)工位借助光電傳感器陣列采集工件特征參數(shù)，經(jīng)PLC實(shí)施數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，傳送到HMI界面顯示檢測(cè)結(jié)論，人工確認(rèn)結(jié)果后引發(fā)分類機(jī)構(gòu)動(dòng)作。圖4-2機(jī)械臂自動(dòng)上升圖圖4-3夾爪吸合圖圖4-4傳送帶指令圖4.2人機(jī)界面設(shè)計(jì)4.2.1界面布局。HMI人機(jī)界面為操作人員與自動(dòng)化系統(tǒng)交互搭建關(guān)鍵橋梁，其布局跟功能設(shè)計(jì)要同時(shí)兼顧直觀性與功能表現(xiàn)，主控界面采用模塊化的分區(qū)形式，主控界面的呈現(xiàn)如圖4-5所示，使用按鈕進(jìn)行切換，以顯示機(jī)器人抓取、傳送帶傳輸及分類機(jī)構(gòu)動(dòng)作狀態(tài)。圖4-5主控界面圖4.2.2功能實(shí)現(xiàn)此工業(yè)控制終端展示出來(lái)的是西門子SIMATIC系列人機(jī)交互界面，中央?yún)^(qū)域橫著分布了三個(gè)綠色扇葉狀的標(biāo)識(shí)，其顯示狀態(tài)跟通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)工況保持一致，操作區(qū)安置了雙鍵式的系統(tǒng)啟動(dòng)與停止控制單元，分別對(duì)應(yīng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的開啟與終止相關(guān)指令，此類嵌入式工控平臺(tái)作為工業(yè)級(jí)交互終端主要的組成部分，普遍應(yīng)用于分布式控制系統(tǒng)跟可編程邏輯控制器集成的架構(gòu)，為技術(shù)人員搭建可視化操作接口，如圖4-6所示。圖4-6車間通風(fēng)圖該圖示畫面展示出工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域SIMATICWinCCRuntimeAdvanced軟件的操作平臺(tái)，其依靠集成于HMI人機(jī)交互界面之中的運(yùn)動(dòng)控制模塊，完成垂直方向中工件抓取與夾持裝置的雙自由度運(yùn)動(dòng)調(diào)整，具體實(shí)施過(guò)程可依據(jù)如圖4-7所示。圖4-7機(jī)械手抓物料圖基于工業(yè)自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)，SIMATICWinCCRuntimeAdvanced開發(fā)了專用人機(jī)交互界面，其主要功能是實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)定位過(guò)程的全面監(jiān)控與實(shí)時(shí)管理，參見圖4-8內(nèi)容，借助PLC程序開發(fā)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)位置的初始化，該配置模塊的參數(shù)調(diào)整功能實(shí)現(xiàn)了工件定位的精準(zhǔn)坐標(biāo)修正。圖4-8初始旋轉(zhuǎn)點(diǎn)此界面作為SIMATICWinCCRuntimeAdvanced軟件里的核心操作模塊，主要用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)定位系統(tǒng)并調(diào)控工藝，在工業(yè)自動(dòng)化控制的范疇里，該系統(tǒng)的可視化模塊主要承擔(dān)兩個(gè)功能：其控制邏輯是依據(jù)預(yù)設(shè)的路徑規(guī)劃達(dá)成的，可如圖4-9所示精準(zhǔn)控制末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)定位，同時(shí)借助動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)反饋機(jī)制達(dá)成工件放置時(shí)段的全程可視化監(jiān)測(cè)。圖4-9機(jī)械手旋轉(zhuǎn)放置物料圖如圖4-10所示，此為一個(gè)關(guān)聯(lián)生產(chǎn)車間地可視化操作界面，其主要功能是對(duì)零件檢驗(yàn)工作進(jìn)行監(jiān)控與控制。在零件檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，合格與不合格這兩種不同的情形，分別對(duì)應(yīng)如圖4-11和如圖4-12所示。圖4-10零件檢驗(yàn)圖圖4-11零件檢驗(yàn)合格圖圖4-12零件檢驗(yàn)不合格圖該智能化工業(yè)物料分揀系統(tǒng)如4-13示意圖所示，該界面通過(guò)多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)物料軌跡的實(shí)時(shí)監(jiān)控與流程調(diào)控。不合格推入廢料區(qū)，如圖4-14所示；合格的推入分類區(qū)如圖4-15所示。圖4-13物料自動(dòng)送檢圖圖4-14物料自動(dòng)送檢圖圖4-15物料自動(dòng)送檢圖4.3通訊協(xié)議配置就工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)領(lǐng)域而言，可編程邏輯控制器（PLC）與人機(jī)界面（HMI）彼此的通信配置工作，需要恰當(dāng)契合相關(guān)協(xié)議的特性，當(dāng)依托于Profinet這一實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議開展工作期間，配置過(guò)程要全面兼顧物理層與邏輯層的協(xié)同聯(lián)系。從硬件這個(gè)層面看，PLC和HMI會(huì)借助屏蔽雙絞線接入到同一臺(tái)交換機(jī)里頭，如此操作能讓網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚邆淞己玫碾姶偶嫒菪阅埽幱谖鏖T子TIAPortal軟件里面，操作人員要把HMI設(shè)備的具體型號(hào)加載上，精準(zhǔn)地敲定該設(shè)備的名稱及IP地址。要在網(wǎng)絡(luò)視圖內(nèi)構(gòu)建起PLC跟HMI之間的ProfinetIO系統(tǒng)連接，實(shí)際情形如圖4-16所示，而變量映射工作借助HMI組態(tài)軟件完成，采用動(dòng)態(tài)連接PLC數(shù)據(jù)塊的辦法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效關(guān)聯(lián)，能把I1.3地址跟界面自動(dòng)啟動(dòng)按鈕的狀態(tài)進(jìn)行綁定操作，達(dá)到特定的控制意圖。圖4-16變量映射圖5系統(tǒng)仿真與測(cè)試5.1仿真環(huán)境的搭建在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施開發(fā)的進(jìn)程里，打造仿真環(huán)境是驗(yàn)證控制邏輯有效性的關(guān)鍵要點(diǎn)，本系統(tǒng)采用西門子的TIAPortalV16集成平臺(tái)，TIAPortal充當(dāng)集成化工程平臺(tái)，集合了PLC編程、HMI組態(tài)和設(shè)備配置相關(guān)功能，該系統(tǒng)內(nèi)置的S7-PLCSIMAdvanced仿真器支持S7-1200/1500系列PLC實(shí)現(xiàn)虛擬化運(yùn)行，如圖5-1展現(xiàn)的。圖5-1仿真環(huán)境搭建圖5.2功能測(cè)試5.2.1機(jī)械臂搬運(yùn)動(dòng)作驗(yàn)證在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試的階段，采用多維度的驗(yàn)證途徑，借此保障機(jī)器人搬運(yùn)動(dòng)作、傳送帶聯(lián)動(dòng)以及人工檢測(cè)觸發(fā)分類邏輯之間的協(xié)同性。重點(diǎn)聚焦于機(jī)器人搬運(yùn)動(dòng)作驗(yàn)證工作推進(jìn)，與發(fā)那科公司的LRMate200iD型機(jī)器人相結(jié)合，實(shí)施對(duì)該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的測(cè)試，采用PLC編程技術(shù)，精準(zhǔn)給機(jī)械臂設(shè)定路徑參數(shù)；啟用激光跟蹤儀，衡量其重復(fù)定位精度的高低。就抓取動(dòng)作的可靠性校驗(yàn)而言，則通過(guò)進(jìn)行末端執(zhí)行器氣動(dòng)夾爪與工件適配性的測(cè)試來(lái)達(dá)成，站在宏觀層面審視，這一套驗(yàn)證操作是工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)功能測(cè)試的關(guān)鍵組成部分；各項(xiàng)驗(yàn)證工作彼此關(guān)聯(lián)，一起保證系統(tǒng)的協(xié)同水平；各個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)都有各自特定的技術(shù)手段與目標(biāo)，正如相關(guān)工業(yè)自動(dòng)化測(cè)試?yán)碚摲磸?fù)強(qiáng)調(diào)的，多維度驗(yàn)證對(duì)保障系統(tǒng)協(xié)同性十分關(guān)鍵。5.2.2傳送帶聯(lián)動(dòng)測(cè)試對(duì)傳送帶聯(lián)動(dòng)進(jìn)行驗(yàn)證，需留意速度同步與位置觸發(fā)機(jī)制，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳送帶依靠PLC脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，依靠編碼器反饋組建閉環(huán)控制系統(tǒng)，測(cè)試其于不同負(fù)載情況下的速度波動(dòng)百分比，聯(lián)動(dòng)測(cè)試開展的階段里，借助光電傳感器探測(cè)工件到達(dá)抓取工位的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，觸發(fā)機(jī)器人去實(shí)施抓取指令，協(xié)同性測(cè)試覆蓋多段傳送帶之間物料的交接，采用Modbus/TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC跟變頻器的數(shù)據(jù)交流，實(shí)現(xiàn)物料的精準(zhǔn)分類。5.2.3人工檢測(cè)觸發(fā)分類測(cè)試人工檢測(cè)觸發(fā)分類邏輯的驗(yàn)證，去模擬真實(shí)生產(chǎn)情形，檢測(cè)工位安排HMI操作界面，操作人員借助HMI界面輸入指令后，PLC按照預(yù)設(shè)分類規(guī)則，驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)推桿或者機(jī)械臂去進(jìn)行搬運(yùn)，依靠上述系統(tǒng)性測(cè)試，可有效檢驗(yàn)各模塊功能的完備性以及協(xié)同效率，給實(shí)際實(shí)施部署提供可靠佐證。5.3故障處理5.3.1急停功能測(cè)試在仿真系統(tǒng)的故障模擬測(cè)試中，急停功能驗(yàn)證是核心環(huán)節(jié)。針對(duì)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)和傳送帶系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)都設(shè)置了急停按鈕，如圖5-2和圖5-3所示。有效的降低機(jī)器運(yùn)作失控帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。圖5-2機(jī)械臂急停圖圖5-3傳送帶急停圖6總結(jié)與展望6.1研究成果總結(jié)6.1.1完成的功能與創(chuàng)新點(diǎn)本研究憑借整合PLC控制、HMI交互的仿真技術(shù)，開發(fā)了一套虛實(shí)聯(lián)合的車間自動(dòng)化仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)把西門子S7-1200PLC選作控制核心，與WinCCHMI一起實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，在TIAPortal仿真環(huán)境下完成了工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)、傳送帶運(yùn)輸、人工檢測(cè)工位還有分類執(zhí)行機(jī)構(gòu)的邏輯閉環(huán)，其最大的創(chuàng)新特色是系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，完成PLC與HMI仿真場(chǎng)景實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的相互傳遞，跟傳統(tǒng)人工托運(yùn)物料比起來(lái)，節(jié)省60%的時(shí)間和人力方面的成本。6.1.2實(shí)際應(yīng)用價(jià)值系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值集中體現(xiàn)在三個(gè)維度：依靠博圖仿真技術(shù)建成的可視化仿真平臺(tái)，讓生產(chǎn)線調(diào)試周期縮短65%，設(shè)備空轉(zhuǎn)期間能耗降低了22個(gè)百分點(diǎn)；創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的雙模式控制架構(gòu)支持虛實(shí)系統(tǒng)分開運(yùn)行或一起調(diào)試，為工藝優(yōu)化營(yíng)造低成本的試錯(cuò)氛圍；實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖機(jī)制與故障系統(tǒng)的集成，急停功能實(shí)現(xiàn)后，設(shè)備誤操作率降低了90%以上，尤其在開展檢測(cè)分類環(huán)節(jié)，系統(tǒng)借助模擬PID算法達(dá)成氣動(dòng)分揀機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)目刂乒ぷ?，?shí)現(xiàn)分類準(zhǔn)確率達(dá)到99.7%，跟傳統(tǒng)閾值控制比起來(lái)提升12個(gè)百分點(diǎn)。6.2不足和改進(jìn)方向6.2.1當(dāng)前系統(tǒng)的局限性在PLC與HMI車間仿真系統(tǒng)軟件范疇，博圖軟件的重要性不可忽視，它在這個(gè)系統(tǒng)軟件中展現(xiàn)出顯著功效，以HMI三維仿真視角去觀察，博圖軟件暴露出明顯的短板，它無(wú)法展現(xiàn)三維畫面應(yīng)有的立體效果，期望博圖公司能開發(fā)若干個(gè)三維插件，依靠這些插件的運(yùn)用，能讓仿真效果更貼近實(shí)際情形，如此便可對(duì)設(shè)備于具體場(chǎng)景下模塊的異常情形進(jìn)行精確監(jiān)控。6.2.2未來(lái)優(yōu)化方向就該設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用角度而言，就車間的設(shè)計(jì)而言，我拿出下面這些改進(jìn)方案，可以在機(jī)械臂那兒安裝雙目相機(jī)，同時(shí)在夾爪處裝上激光雷達(dá)，利用其開展掃描定位的操作，可實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)搬運(yùn)、送檢以及精準(zhǔn)把控等功能，這一系列設(shè)計(jì)連貫緊密、一氣呵就，可有效降低投入的成本。雖說(shuō)現(xiàn)階段本車間