基于PLC的机器人生产物流控制系统设计
胡志刚， 陈伟卓
（江苏工程职业技术学院，江苏 南通226007）
摘 要： 根据某企业改造其生产线的具体需求，提出以西门子PLC为主站，各工作单元的工业机器人为从站，采用PROFINET进行通信连接的设计方案。文中对工业机器人、PLC设备进行了选型；对工业机器人、PLC进行了硬件组态设计与软件设计。通过对整个系统进行调试，表明所设计的生产物流控制系统硬件、软件可行，达到了预期的目标，提高了企业生产物流的效率和稳定性。
关键词： 西门子PLC；工业机器人；生产物流
0 引 言
本文以某劳动密集型企业改造生产线为例，该生产线的生产工序较为简单，但每道工序的生产环节均为手工操作，且要求工人数量多，由于人工操作，随意性较大，不能保证产品的一致性，产品的生产效率、质量及成本一直困扰着企业的发展。
在劳动力成本逐年上升的背景下，如将工业机器人引入该企业，由工业机器人代替流水线中的人工操作，将会提高生产线的自动化水平，可以帮助企业解决用工成本高和产品质量不一致的问题，同时还能提高企业的生产效率[1]。本文采用工业机器人、PLC、触摸屏等工控器件设计了多个机器人的生产物流控制系统，该系统的设计对劳动密集型企业的转型升级及机器人代替人工操作等方面具有一定的应用价值[2]。
1 系统需求分析
通过对该企业的实际调研并查阅相关的技术资料及文献，对此系统的控制要求分析如下：
1）根据该产品生产物流工序的实际情况可以由4台不同功能的机器人来协调完成，分别是加工机器人、装配机器人、分拣机器人及码垛机器人。多个机器人之间不存在位姿上的约束关系，各机器人的运动是独立的，但各机器人需要根据生产物流工艺的要求在特定的时间进行启动或停止，这里用PLC来控制各机器人的启动与停止。
2）控制系统要求采用三层控制，第一层为系统管理层，通过触摸屏、PLC监控整个生产过程的运行状况。第二层为单元层，主要采用现场总线连接生产过程中各机器人工作单元。第三层为执行层，主要控制变频器、工业机器人、执行机构等完成生产过程中的具体任务。
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2 系统整体方案设计
本设计方案以一台PLC作为主控制器，其主要任务是对生产物流过程中各机器人进行调度与任务分配。为了实现实时控制及数据传输，采用现场总线连接PLC、工业机器人及触摸屏，整个控制系统设计框图如图1所示。
3）要求各机器人工作单元有必要的电气安全防护措施，以确保生产线运行安全可靠。
图1 控制系统整体设计
3 系统主要硬件选型
3 .1 工业机器人的选型
工业机器人的选型主要参数有：自由度（轴数）、有效载荷、安装方式、工作范围等。为了提高生产物流系统的效率和作业的灵活性，系统中各单元机器人均采用六自由度工业机器人，同时所选用的工业机器人应能满足以下要求：1）机器人运动空间应能包络整个工作区域；2）工业机器人要有外部控制接口，能与外部控制系统（PLC）进行交互式通讯，外部控制系统（PLC）通过编程实现对工业机器人的运动控制；3）工业机器人要求具有性能稳定、精度高、集成方便等特点。
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库卡工业机器人控制柜KRC4内有6个基于以太网的不同总线系统，其内部总线结构如图2所示。图中①为库卡系统总线KSB;②为库卡线路接口KLI;③为库卡选项网络接口KONI;④为库卡控制系统总线KCB;⑤为库卡扩展总线KEB; ⑥为库卡服务接口KSI。从库卡机器人总线图中可以看出，连接PLC或现场设备可采用KLI接口。
为了防止安全事故的发生，每个机器人工作单元均设有安全防护门，工作人员只能从安全门进入，安全防护门顶端安装有传感器，将所有安全门的检测开关送至控制器，设备正常运行时一旦检测到安全门打开，设备立即停止。在现场控制柜中用SIEMENS ET200S构建各工作单元的外部安全信号、急停及启动复位信号等。
3.2 PLC的选型
该生产物流系统各工作单元分布范围较广，对现场通信的要求较高，不仅要求各工作单元之间的通信稳定可靠，而且要求各控制部分层次分明，有较高的工作效率。库卡机器人在工业应用中更多地与西门子PLC组成控制系统，它们在通信接口、通信协议方面具有良好的适应性、兼容性及无缝连接等特性。由于各工作单元机器人在运行中对安全性要求较高，因此该系统选择安全型CPU作为主控制器，型号为SIEMENS CPU 315F-2 PN/DP，该PLC是西门子公司推出的一款中型PLC，不需要对安全I/O进行额外的布线，就可以实现与安全有关的通信[3]。
通过机器人各工作单元的分析可知，各工作单元距离较远，采用集中控制传输现场信号时信号衰减较多，通信不稳定，影响通信的有效性，因此在主控制器与现场设备之间增加分布式I/O板卡，机器人通过此I/O板卡与主控制器西门子PLC自带的PROFIBUS-DP端口建立连接，采用PROFIBUS通信协议创设通信程序，建立主从式通信系统。这种连接方式可以大大减小施工布线连接的工作量及减小系统的故障发生率。
本系统的远程I/O选用西门子的ET200S，ET200S集成故障安全技术（PROFlsafe），防护等级较高，可靠性较高，能在复杂的生产条件下稳定工作。
目前，喘证无标准量化测试表，因慢阻肺的症状与喘证相似，本研究拟在评价临床症状的改善程度，故本研究选用慢阻肺相关症状评价相关量表进行评价：改良版英国医学研究委员会呼吸困难问卷（mMRC）、慢性阻塞性肺疾病评估测试评分（CAT）、临床慢阻肺问卷评分（CCQ）。
4 PLC控制系统硬件设计
4 .1 库卡机器人总线系统
不过，广东人对腊味的热衷不只是在冬季。广东素有“秋风起，食腊味”的说法，如今产业化的生产模式，更是让全年腊味不断。其中，最令老饕们偏爱的食物当属腊味煲仔饭。腊味煲仔饭是腊味饭的集大成者，肉质肥美，青菜爽口，米饭弹力十足，连煲底那一层焦香的锅巴，都让人难以忘怀。
Dysregulation of the Wnt/β-catenin signaling pathway is seen in some neuroendocrine tumors of the gut.
图2 库卡机器人内部总线结构
4.2 控制系统硬件组态
机器人可以通过外部自动运行接口连接上级控制器（例如PLC）来控制机器人的运行。首先机器人和PLC之间必须存在且配置的现场总线，如PROFINET，必须通过现场总线传输机器人的进程信号，传输过程中通过外部自动运行接口协议中的可配置的数字输入和输出端来实现。通过外部自动运行接口向机器人发出的机器人进程的信号有运行许可、程序启动等信号。机器人控制系统可以向上级控制系统发送有关运行状态和故障状态的信息,如程序正在运行、驱动装置处于待机状态等信号。因此，PLC的输出信号就是机器人的输入信号，而机器人输出信号就是PLC的输入信号。控制系统信号分配如表1、表2所示。
通过对国内外机器人产品功能及参数进行分析比较，结合生产物流中各工作单元的实际要求及工作载荷，选用德国库卡机器人来完成生产物流系统的任务要求。根据生产物流实际的控制任务要求，选择加工单元、装配单元机器人型号为KR30L16-2，其承载能力为30 kg，作用范围达3102 mm。选择分拣单元、码垛单元机器人型号为KR90 R3700，其承载能力为90 kg，作用范围达3700 mm。
2.6 药物的不良反应 一些降糖药存在明显的不良反应，某些患者于服药后可出现低血糖、胃肠道不适、恶心、腹痛和腹泻等症状。药物不良反应带来的不适可影响患者的日常生活，从而导致其不愿服用药物［6］。李静［7］调查显示，医务人员对患者坚持服药的必要性及药物的不良反应交代不清，对药物产生惧怕、担心、擅自停药或改药，由此造成依从性差的占10% 。
图3 控制系统硬件组态
4.3 控制系统信号分配
此系统共有4个工作单元，由SIEMENS315F PLC作为主站，连接4个工作单元的机器人和现场控制柜中的SIEMENS ET200S作为从站，各工作单元机器人下挂SIEMENS ET200S作为机器人的I/O与外部通信，如装配工作单元的控制信号、码垛工作单元变频器的控制信号等，ET200S上的I/O点由机器人控制系统分配，并完成信号的输入输出。控制系统硬件组态连接如图3所示。
表1 控制信号分配表（1）
表2 控制信号分配表（2）
4.4 通信系统设计
基于PLC控制的机器人控制系统通信设计如图4所示。机器人KRC4控制器与西门子PLC之间的通信采用PROFINET进行连接，通过网络通信接口RJ45将库卡线路接口KLI、现场设备、工业交换机、西门中S7-300PLC等连接在一起，由于库卡机器人本体并没有输入与输出点同外围电路相连接，因此与机器人相连接的输入/输出信号需要ET200S 进行连接。机器人与ET200S 采用PROFINET进行通信。
图4 机器人控制系统通信连接
5 系统软件设计
软件设计主要由三部分构成，各个部分之间依照不同的通信协议进行通信与控制。
第一部分是基于S7-300PLC对整个生产线程序调用模块设计，为了方便程序的移植和调用，将用户编写的程序和程序中能用到的数据放置在程序块中，对项目内部的PLC中的FB、DB、FC进行相应的规范，采用此模块结构进行编程，使用户程序的可重用性大大提高，从而避免了大量重复的劳动，同时也便于程序调试时修改。接下来是基于机器人KRC4软件设计，实现机器人内部数据交换，PLC与机器人在执行过程中的信号交互。
第二部分是机器人的程序设计，主要是根据生产物流系统各工作单元的控制要求，编写机器人程序，从而实现机器人进行加工、装配、分拣、码垛等功能。
第三部分是管理者监控系统，主要由西门子触摸屏TP1200组成的监控系统。可对整个生产物流进行实时监控、生产物流数据的统计与显示、故障查询与报警、报表的生成与储存，实现每个机器人工作单元的生产运行数据采集、监控、调节。
6 结 语
工业机器人现已成为国内外自动化技术的主力军，越来越多的劳动密集型企业采用工业机器人来代替人的一些重复劳动，一方面，采用工业机器人能够在危险环境非常高的状态下可靠作业；另一方面，工业机器人具有精度高、运行稳定、可不间断的进行工作，还能保证产品的一致性等诸多优点，因此采用机器人对企业生产线进行改造升级，可以提高企业的生产效率和产品更新换代的能力，从而为企业营造一个更加安全可靠的生存环境[4]。
[参 考 文 献]
[1] 胡志刚,陈伟卓.基于多机器人的生产物流系统设计[J].内燃机与配件,2019(2)：195-197.
[2] 卢振利,孙凯翔.应用工业机器人的劳动密集型企业典型生产线的设计[J].高技术通讯,2015(25)：815-821.
[3] 李富国,李杰.基于PLC的工业机器人控制系统的研究[J].机械研究与应用,2018(6)：163-178.
[4] 熊隽.基于智能制造生产线的工业机器人应用[J].机床与液压,2018(11)：91-94.
Design of Robot Production Logistics Control System Based on PLC
HU Zhigang, CHEN Weizhuo
(Jiangsu College of Engineering and Technology,Nantong 226007,China)
Abstract: According to the specific needs of an enterprise to transform its production line, this paper proposes a design scheme of co mmunication connection using PROFINET with Siemens PLC as the main station and industrial robots of each working unit as slave stations. Industrial robots and PLC equipment are selected; hardware configuration design and software design are carried out for industrial robots and PLCs. Through debugging the whole system, the results show that the designed hardware and software of the production logistics control system are feasible, and have achieved the expected goals, improving the efficiency and stability of the enterprise production logistics.
Keywords: Siemens PLC; industrial robot; production logistics
中图分类号: TP 242
文献标志码： A
文章编号： 1002-2333（2019）11-0039-03
基金项目: 江苏工程职业技术学院自然科学研究基金项目（GYKY/2016/5）
（责任编辑 邵明涛）
作者简介： 胡志刚(1978—),男,硕士,讲师,高级技师,主要从事工业机器人技术应用研究工作。
收稿日期： 2016-11-24
标签：西门子PLC论文; 工业机器人论文; 生产物流论文; 江苏工程职业技术学院论文;