团论文网
团论文网
-
摘要：以西门子S7-1200 PLC、运程IO模块、触摸屏为主要控制设备，设计了钢珠装配自动生产线控制系统，实现了料盒供料、料芯供料、高度检测、钢珠装配、视觉检测分拣、料盖装配、龙门搬运入库的自动化生产。系统通过数字孪生技术NX MCD和TIA V16对生产线的控制艺过程进行了虚实联调验证，结果表明系统的设计是可行的。钢珠装配自动生产线控制系综合应用了PLC控制、组态、运动控制、工业视觉控制、变频器控制、传感检测、气动、以太网通信等相关知识和技术，实现了钢珠装配自动化生产，提升了钢珠装配生产线的自动化管理和控制技术水平，提高了自动化生产线的灵活性和实时性，增强了系统运行的稳定性和可靠性，降低了生产成本，提高了产线的生产效率，具有较高的应用价值。
关键词：S7-1200 PLC；Profinet总线；视觉检测；运动控制
0引言
随着中国制造业的产业转型升级，企业产品制造自动化生产线的智能化、网络化、自动化的要求也越来越高[1-2]。为了提高系统运行的稳定性和可靠性，降低生产成本，提高产线的生产效率，提升企业的核心竞争力，许多企业根据生产要求定制自动化生产线[3-5]。
国内学者和企业工程技术人员对产品制造自动化生产线做了大量研究。在自动化生产线人才培养方面，曾一新等[6]设计了一款基于PLC的自动化生产线实训设备，便于学生掌握自动化生产线相关技术的综合应用，提升职业技能水平。安翠娟等[7]完成一款自动化生产线仿真实训平台设计，该仿真平台能有效提升课程的教学成效，学生发现、解决复杂工程问题的能力。自动化生产线的应用能有效提升生产效率和产品质量，杨顺吉等[8]利用PLC设了一款自动化包装生产线控制系统，实现了化纤箱生产线自动封箱、捆绑、称重、喷码、码垛的功能。杨新新等[9]为解决原有袋装螺蛳粉自动化生产线生产效率底下的问题，设计了一款包含自动化上料、分拣、包装等环节袋装螺蛳粉自动化生产线。詹俊勇等[10]完成了冲压件自动化焊接系统解决方案的设计，自动化完成完成冲压件螺母焊接生产，提升了焊接速度。白鹭等[11]完成了一款自动锻造生产线及其控制系统，该系统能有效解决铝合金锻造过程中存在的产品质量不稳定、生产效率低等问题。马汉勇等[12]设计了一条箱体自动化焊接生产线，可以满足多型金属箱体的焊接，解决了大型金属箱体手工焊接效率低、质量一致性不高等问题。上述文献列举了针对不同的工作场景设计、定制对应的自动化生产线。本文是以西门子S7-1200 PLC为控制系统的控制核心，综合应用当前先进技术，如PLC控制技术、组态技术、运动控制技术、变频器控制技术、传感检测技术、气动技术、网络通信技术等相关知识和技术，实现了钢珠装配自动化生产，提升了钢珠装配生产线的自动化管理和控制技术水平，提高了自动化生产线的灵活性和实时性，增强了系统运行的稳定性和可靠性，降低了生产成本，提高了产线的生产效率，具有较高的应用价值。
1钢珠装配自动化生产线的组成及系统结构
1.1生产线组成
钢珠装配自动化生产线主要由料盒供料单元、料芯供料单元、高度检测单元、钢珠装配单元、视觉检测分拣单元、料盖装配单元、龙门搬运入库单元7个工作站组成，系统结构如图1所示。
1.2系统结构
S7-1200 PLC的CPU 1215C提供两个PN接口，支持多种网络通信协议，便于控制系统的组网、通信、程序下载，编程电脑、HMI、工业视觉控制器、PLC直接与网络交换机相连[13-15]。7个远程IO串联，最终连接到PLC的第2个PN口，其中PLC设置为Profinet总线的IO控制设备，远程IO模块作为IO设备，系统的网络连接如图2所示。
2钢珠装配自动化生产线的硬件设计
2.1系统主要硬件选型
考虑控制系统的网络扩展性、集成功能和经济性，系统的控制核心选择西门子S7-1200系列PLC[16-18]，其中PLC由CPU模块和通信板组成，CPU模块型号为1215C DC/DC/DC（订货号：6ES7 215-1AG40-0XB0），通信板型号为CB 1241（RS485）（订货号：6ES7 241-1CH30-1XB0）；触摸屏采用精简面板系列型号为KTP700 Basic PN（订货号：6AV2 123-2GB03-0AX0），该产品为7"TFT显示屏，具有PROFINET以太网接口，实现PLC与HMI的交互控制及数据采集[19]；远程IO模块选择DPMK-PN-RT（订货号：PNIO Dev22），每个工作站配置一个模块；变频器选用汇川产品，型号为MD200 S2.2，用于驱动输送带带动料盒移动传送；伺服驱动控制器选用汇川产品，型号为IS620系列伺服驱动器及配套电机，用于产品入库的X轴和Y轴的定位控制，精准确定产品入库的坐标；视觉控制采用海康威视的产品，型号为Hikrobot MV-CE050-30UC，用于检测料盒的颜色和料盒的钢珠数量。
2.2 PLC控制系统的设备组态
在TIA Portal V17软件的主菜单“选项”-“管理通用站描述文件”添加远程IO、伺服的GSD文件，便可通过软件添加CPU、HMI、运程IO、伺服模块进行IP地址、IO地址等相关的参数进行设置，PLC硬件组态及网络拓扑如图3所示。
2.3系统主要设备的IO分配
PLC控制系统应具备启动、停止、复位、急停功能，转盘供料单元应用了步进电机的定位控制，需要使用脉冲发生器，根据S7-1200 PLC的脉冲发生器地址分布，PLC的IO地址分配如表1、表2所示，其他运程IO地址分配表略。
2.4视觉控制上位机的参数设置
在工业视觉控制上位机运行软件VisionMaster4.2，进入相机管理的设备列表，添加全局相机，选择对应的型号为Hikrobot MV-CE050-30UC，设置工业视觉控制的触发源为SOFTWARE；接着进入设备管理，将全局相机设备为TCP服务端，设置上位机的IP地址（192.168.30.20）、端口地址（2000），连接方式为自动重连。控制参数设置如图4所示。
基本参数设置完后，就可以进行视觉控制方案的设计，对全局相机的图像进行采集，设置料盒完整性和大、小钢珠数量的识别，识别结果通过TCP/IP协议发送给PLC，PLC根据检测结果进行处理。工业视觉控制方案流程如图5所示。
3钢珠装配自动化生产线控制程序设计
3.1系统的控制要求
钢珠装配生产线控制系统的控制要求如下。
（1）设备上电和接通气源，满足设备的初始状态后，并且所有料仓有工件，按下启动按钮，系统启动，运行指示灯亮，料盒供料单元推出料盒。
（2）料盒到位后，料芯供料单元推出大、小料芯，通过转盘的旋转、吸盘的升降和伸缩，把大、小料芯放置到料盒后，料盒输送到高度检测单元。
（3）高度检测单元通过传感器检测到料盒到位，输送带停止，阻挡气缸推出，高度检测气缸下降，进行高度检测，检测不合格，料盒推至“废料滑槽”，检测合格，料盒输送到钢珠装配单元。
（4）钢珠装配单元大钢珠罐装处检测到料盒到位后，输送带停止，阻挡气缸推出，进行大钢珠的罐装。大钢珠罐装完后，输送带启动，小钢珠罐装处检测到料盒到位后，输送带停止，阻挡气缸推出，进行小钢珠的罐装，工序完成后，料盒输送到视觉检测分拣单元。
（5）视觉检测分拣单元检测到料盒到位信号后，阻挡气缸推出，工业视觉控制器对料盒进行检测，检测结果通过TCP/IP通信反馈给PLC，检测不合格，料盒推至“废料滑槽”，检测合格，料盒输送到料盖装配单元。
（6）料盖装配单元检测到料盒到位后，输送带停止，料盖装配单元料仓推出料盖，通过吸盘的左右移动、升降、伸缩，把料盖放置到料盒。
（7）料盖装配完毕，龙门搬运入库单元的机械手抓取料盒放置到平面9宫格仓库空位处，系统周期任务结束。
（8）系统启动运行后，任何时候按下停止按钮，系统完成本周期工作任务后，系统停止。
（9）系统具备急停功能，按下紧急按钮（自锁按钮），系统立即停止工作，输送带、步进、X轴和Y轴停止移动，停止指示灯以1 Hz频率闪烁。紧急按钮（自锁按钮）复位后，通过系统复位后，系统能再启动。
（10）当设备不在初始状态或因系统急停使系统不满足设备的初始状态时，系统可通过复位按钮执行复位程序，使设备回到初始状态，便于系统启动。
3.2变频器控制功能的实现
系统的输送带是通过MD200变频器驱动，变频器控制方式是通过外部端子DI1、DI2实现正反转和启停控制，通过Modbus RTU通信实现频率给定。根据控制方式，变频器的参数设置如表3所示。
变频器的频率通过Modbus RTU通信修改变频器参数F008H的值实现频率设置，PLC通信的组态地址为461449，通过RTU通信组态与参数配置“MB_COMM_ LOAD”和MB_MASTER指令，设置PLC作为Modbus主站使用点对点通信板与变频器进行通信。PLC程序通过控制信号“变频器”.设置频率和“变频器”.频率值对变频器的频率进行修改。Modbus RTU组态和参数设置结果如图6所示。
3.3运动控制功能的实现
系统转盘供料单元的旋转供料是通过步进电机来进行定位和定速控制，龙门搬运入库单元的X轴和Y轴是通过伺服电机来过行定位和定速控制。为了提高编程的效率，需设计一个伺服步进运动控制功能块，通过调用伺服步进运动控制功能块实现转盘、龙门的X轴和Y轴的控制。伺服步进运动控制功能块的输入、输出和静态变量定义如图7~8所示。
轴工艺对象的控制需调用系统运动控制功能块，实现回原点、绝对运动、轴暂停、轴复位等相关功能，伺服步进运动控制功能块的组态结果如图9~11所示。
伺服步进运动控制功能块组态完成后，需在系统调试该功能块，创建对应转盘、X轴和Y轴的数据块，在程序控制对应数据块的信号或参数实现步进电机、伺服电机的控制，调用的效果如图12所示。对于转盘步进电机，通过控制数据块“转盘控制DB”中的位变量回原点、绝对移位、轴使能、轴复位、轴停止等信号，可实现转盘的回原点、绝对移位、轴使能、轴复位、轴停止的控制功能。通过设置控制数据块“转盘控制DB”中的目标速度、目标位置，实现转盘步进电机的定速、定位控制。通过伺服步进运控制功能块的输出参数当前速度、当前位置，可以反馈转盘的当前的实时速度和位置。
3.4工业视觉控制通信的实现
为了实现与工业视觉控制器的通信，需在PLC端进行TCP/IP组态，为了便于数据管理，创建视觉控制DB块，接收结果数据[0]为料盒是否合格，接收结果数据[1]为大钢珠数量，接收结果数据[2]为小钢珠数量，数据块参数如图13所示。
调用TCON、TSEND、TRCV系统开放式用户TCP/IP通信指令，组态和设置相关的通信参数，组态和设置结果如图14~15所示。
通过查看“接收结果数据[0]”的值（0不合格、1合格），确定料盒是否合格；通过查看“接收结果数据[1]”和“接收结果数据[2]”的值，确定料盒中大小钢珠的数量，由于接收的数据为ASIC II码，需对数据进行转换，对转换后的数据值进行比较判断产品是否合格，“数据转换结果[1]”和“数据转换结果[2]”的值即大小钢珠的数量。数据转换程序如图16所示。
3.5触摸屏HMI界面的组态
通过HMI组态界面需实现系统启动、停止控制，设置大小钢珠罐装数量、变频器的频率等相关参数，查看系统运行的状态数据，如传感器的动作状态、气缸的动作状态、伺服电机的当前速度和位置等相关参数。HMI组态系统监控界面如图17所示，高度检测手动调试监控界面如图18所示。
通过图17的组态画面，可实现系统的启动、停止、复位、急停等控制功能和查看系统的初态是否满足，可设置变频器输出频率、转盘的角速度、大小钢珠的装配数量、X轴和Y轴的速度，可以查看系统运行过程中不合格产品的数量、合格产品的数量、视觉检测时大小钢珠的数量。
通过图18组态画面，可进行高度检测单元的手动调试，实现高度测量单元阻挡气缸、升降气缸的手动控制，查看阻挡气缸、升降气缸到位传感器的动作状态和气缸输出的状态，显示高度测量单元的高度测量值。
3.6程序控制流程设计
根据系统的控制任务要求，系统在满足设备初始状态条件下启动，料盒供料单元推出料盒，接着转盘料芯供料单元对料盒放置大小料芯，料盒随输送带移动到高度检测单元，根据高度检测的结果，判断是否合格，不合格输送带移动到废料槽位置再推至废料槽，如合格料盒随输送带移动到大小钢珠装配单元，进行钢珠装配，装配完后，料盒输送到视觉检测单元进行料盒完整性、大小钢珠的数量进行检测，判断是合格，不合格输送带移动到废料槽位置再推至废料槽，如合格料盒随输送带移动到料盖装盖单元，进行料盖装配，装配完后，龙门搬动入库单元将产品搬运到料仓，系统生产的流程如图19所示。
4系统设计验证
为验证钢珠装配生产线控制系统的可行性，应用数字孪生技术NX MCD和TIA V16对生产线的工艺控制流程进行了验证。首先，应用NX MCD三维建模软件创建系统的各零部件的三维模型，对系统的三维模型进行装配，装配效果如图20所示；接着，应用NX MCD的机电概念设计模块，对系统所要控制的对象进行刚体、碰撞体、对象源、对象收集器等进行相关的参数设置，设置相应对象的滑动副、铰连副、传输面及基本参数，设置碰撞传感器及传感器相关参数，设置对象的位置控制、速度控制等执行器相关参数，创建信号适配器，为MCD对象提供输入和输出信号，支持运动或者行为控制；然后，根据珠装配生产线控制系统的控制要求，设计生产线的控制程序，将信号适配器中创建的信号与TIA V16软件程序中的PLC程序变量关联，通过OPC UA服务连接，实现真实的PLC和MCD模型信号适配器的变量通信，进行虚实联调；最后，观察MCD模型的运行过程，真实PLC的控制过程和结果最终是MCD模型运行动态的反映。通过NX MCD和TIA V16两个软件的反复验证，实现了钢珠装配生产线控制系统的料盒供料、料芯供料、高度检测、钢珠装配、视觉检测分拣、料盖装配、龙门搬运入库的全自动生产过程，系统运行流畅，系统的设计方案可行。由于数字孪生技术NX MCD和TIA V16的局限性，视觉控制的功能无法通过仿真实现，直接通过实际设备Hikrobot MV-CE050-30UC，对生产线中的料盒进行检测，视觉控制器能够实现料盒完整性和大、小钢珠数量的正确识别，视觉控制的检测方法也是可行的。
5结束语
本文是以S7-1200 PLC为控制核心，运用了运程IO模块、触摸屏、工业视觉控制技术，运用Profinet总线、Modbus RTU和TCP/IP通信技术，设计一款基于Profinet总线的钢珠装配生产线，该成产线主要由料盒供料单元、料芯供料单元、高度检测单元、钢珠装配单元、视觉检测分拣单元、料盖装配单元、龙门搬运入库单元7个工作站组成。系统通过数字孪生技术NX MCD和TIA V16对生产线的控制艺过程进行了虚实联调验证，结果表明系统的设计是可行的，实现了料盒供料、料芯供料、高度检测、钢珠装配、视觉检测分拣、料盖装配、龙门搬运入库等全自动生产过程，提升了钢珠装配生产线的自动化管理和控制技术水平，提高了自动化生产线的灵活性和实时性，增强了系统运行的稳定性和可靠性，降低了生产成本，提高了产线的生产效率，具有较高的应用价值。
参考文献：
[1]柴彩彩,汤萍,付莎莎.基于PLC的气动机械手控制系统设计[J].内燃机与配件,2024(8):63-65.
[2]申振丰,臧艺凯,周浪,等.移动机械臂在柔性制造系统中的应用[J].机器人技术与应用,2023(2):16-21.
[3]徐山.盾构机主驱动装配生产线关键技术研究与应用[J].现代制造工程,2024(4):26-32.
[4]张嘉钰,杨佳俊,杨硕,等.核电高强钢筋连接套筒智能检测生产线总体设计[J].机床与液压,2023,51(21):128-133.
[5]赵深学.智能机器人在全自动称重生产线的应用研究[J].机电工程技术,2023,52(3):236-240.
[6]曾一新,李有兵,林勇.基于PLC的自动化生产线实训设备设计[J].机电工程技术,2022,51(12):139-144.
[7]安翠娟,张凯,王国霞,等.基于PLCSIM Advanced和Simulink的自动化生产线仿真实训平台设计[J].实验科学与技术,2024,22(1):37-43.
[8]杨顺吉,于永民.基于PLC的自动包装生产线控制系统设计[J].机械工程与自动化,2021(4):179-181.
[9]杨新新,林贤坤,冷臻.袋装螺蛳粉自动化包装生产线设计[J].机械工程师,2024(3):59-64.
[10]詹俊勇,王军领,仲太生.冲压生产线自动化焊接系统设计[J].锻压装备与制造技术,2023,58(6):54-57.
[11]白鹭,李思奇,梁培新,等.铝合金转向节自动化锻造生产线控制系统设计[J].锻压技术,2023,48(10):200-206.
[12]马汉勇,戴开明,邹文凤.箱体自动化焊接生产线工艺研究[J].新技术新工艺,2023(9):11-15.
[13]张玉广,杨莉.西门子S7-1200 PLC以太网通信研究[J].现代计算机,2021(20):147-151.
[14]徐艺,刘铭,彭聪,等.基于S7-1200PLC的分拣系统设计[J].广东通信技术,2020,40(7):53-58.
[15]尤向阳,葛笑寒.利用以太网实现S7-1200与S7-200 SMART通信的方法[J].安阳工学院学报,2017,16(6):29-33.
[16]高东明,马建行,周磊,等.基于PLC的餐厨垃圾破碎机控制系统设计[J].制造业自动化,2022,44(2):133-137.
[17]盛泉宝.基于PLC的机械设备电气自动化控制分析[J].内燃机与配件,2021(19):216-217.
[18]张良,韩彦军,王艳莉.基于PLC的气动摆模机械手控制系统设计[J].液压与气动,2016(11):92-97.
[19]王衍皓,杨汇军,陈翔麟.小型加工生产线自动监控系统的研究[J].辽宁工业大学学报(自然科学版),2021,41(4):257-260.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
本文标签：
基于Profinet总线的钢珠装配生产线的控制系统设计论文
人参与 2025-02-06 11:05:18 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
-
站内搜索
-
随机文章
-
标签列表
-
-
最近发表
-
-
热门文章 | 最新文章 | 随机文章
-
-
最新留言
-
首页 论文知识 教育论文 毕业论文 教学论文 经济学 管理学 职称论文 法学 理学 医学 社会学 物理学 文献 工程论文 学位论文 研究论文
Powered 团论文网 版权所有 备案号：鄂ICP备2022005557号统计代码
全站搜索