机加工自动生产线控制系统集成

1、机加工自动生产线控制系统集成郭琼，姚晓宁（无锡职业技术学院控制学院，江苏 无锡市，214121）摘 要：根据机加工生产特点，设计了一种自动加工生产线。将机器人、机床等设备通过现场总线集成到控制系统网络，实现了自动生产线上各个工序有条不紊、周期性的协调工作；采用OPC技术、RFID技术、PLC技术及其无线通讯技术，实现了产品信息的全程跟踪、实时记录和有效追溯。该系统的投入不仅使生产现场透明化、产品管理信息化，而且提高了车间的生产效率和整个企业的核心竞争力，是现代化制造业工厂发展的趋势。关键词：工业以太网；RFID技术；OPC技术；系统集成中图分类号：TN91 文献标识码：B0 前言随着信息采集技

2、术、网络技术与微控制器技术的迅速发展普及，以及互联网与移动通信网络的广泛应用，大规模发展物联网及相关产业的时机日趋成熟。物联网的发展和物联网技术在制造业中的应用，使得先进制造技术正在向信息化、自动化和智能化的方向发展，不仅要求高效制造出满足用户需求的优质产品，而且还要求清洁、灵活地进行生产，以提高产品对动态多变的市场的适应能力和竞争能力1。无锡职业技术学院基于物联网的智能工厂始建于2012年，车间建筑面积5000平方米，拥有自动生产线、产量柔性精益生产单元、立体仓库、教科研场所等单元，整个车间基于工业以太网的网络结构，采用PLC技术、RFID技术、传感技术、网络技术和计算机技术，实现了控制中心

3、与各个加工单元、仓储单元之间的信息交互和管理，构建了一个从PCS、MES到ERP三个层次一体化的集生产、教学、科研、服务于一体的智能工厂。1 自动生产线控制系统结构智能工厂调温器体生产线为全自动生产线，生产单元如图1所示布局。线体主要由输送辊道、顶升平移机、工装夹具、停止器、传感器、托盘等部件组成，在线体周边依加工工序和工艺要求布置有立式加工中心、机器人、清洗装置、机械手、自动检测装置等设备。整个生产线不仅要求各个机构能够自动地配合、加工出合格的产品，而且要求工件进入托盘后，从机床的上下料、定位夹紧、机加工以及工件在各工序间的输送、检测等都能自动进行，为此系统需要通过液压系统、电气控制系统、P

4、LC系统以及上位机指令将各个部分的动作和逻辑关联起来，使其按照规定的程序和预定的节拍自动工作。图1 自动生产线布局为了使生产线各个工序、各种动作有条不紊的、周期性的协调工作，系统采用PLC及其分布式远程I/O模块实现生产单元的“集中管理、分散控制”；同时PLC接收来自上位机MES系统的管理，包括操作人员信息核对、产品控制、物料管理等信息，控制系统结构如图2所示。图2 自动生产线控制系统结构自动生产线选用西门子CPU315-2PN/DP模块，该模块内置工业以太网接口和现场总线接口，可在分布式I/O的生产线上作为集中式控制器使用，能满足自动生产线控制要求以及控制系统与上层MES系统、底层分散的I/

5、O设备之间的通信。通信内容包括操作人员身份识别、生产线线体状态、机械手信息、机器人信息、工件加工信息、机床工作状态及各种故障信息等。图3控制系统硬件组态系统硬件组态如图3所示。采用PROFINET网络与底层的现场I/O设备通讯，I/O设备包括IM151-3PN现场模块、ET200eco PN输入输出模块、RF180C通信模块等具有以太网功能的模块；为了与车间其它单元PLC系统数据共享，控制系统还配备了工业级PN/PN耦合器，通过该网桥，可以实现自动生产线与车间其它PLC系统之间的信息交互。生产线中机床、机器人配有PROFIBUS-DP板，作为PLC的PROFIBUS-DP从站接入自动生产线网络

6、；PROFIBUS-DP是一种经过优化的高速的通信网络，以保证单元控制器与现场级设备通信的快速性3，实现了控制中心对机床、机器人的交互连锁控制，并能实时采集机床、机器人的状态信息，例如图4为在PLC中采集到的机床某一时刻的工作情况，包括机床的运行状态、主轴转速、当前刀具号等信息。图4 机床信息为了保证生产的可靠性，在各单元的控制器之间采用光纤环网连接，一旦MES系统出现故障，控制系统可以脱离MES系统正常生产。2 生产过程监控为了实现对生产线上产品生产信息的全程跟踪、实时记录和有效追溯及其实现对产品的库存管理，在生产线上的每一道工序都布置有RFID读写器RF380R，对应的电子标签RF340T

7、安装在承载物料的托盘上，从而形成生产管理系统与现场生产信息的连接通道。通讯处理器选用RF180C PN，每个处理器可以连接两台读写装置。读写器通过工业以太网接口连接到RF180C模块上，RF180C模块通过工业以太网接口连接到其他以太网设备接口上，其硬件组态方式如图5所示。图5 RF180C的硬件组态 读写器采集生产数据，由PLC将采集到的状态数据发送到上位机并接收上位机指令2，上位机对生产过程进行统一调度和监控。图6为读写器往电子标签MDS中写入信息，DB47.DBB0=1为写指令（为2是读指令），用于将存储在DB47.DBB6指定的数据块数据写入MDS中，写入信息长度为DB47.DBB2中

8、设定的字节长度值。图6写入MDS信息通过传感器、控制器及MES的配合，将工序信息写入电子标签、或将电子标签信息传送到MES系统，MES系统对数据进行分析转发，实现对产品信息的识别、跟踪、查询和追溯。图7为MES系统对自动生产线某一产品的跟踪，其中事件MOVE是指移入操作，当前加工件从上一步初加工进入自动检测工序，进站时间是13点25分。图7 加工件进入下一工序动作跟踪可见，基于RFID技术的现代物流系统，有利于增强工厂管理水平，提高生产效率，同时也是工厂向现代化制造业转变、融入现代物联网的重要部分。此外，在生产线末端还设有二维条码机打码工位，通过RFID读写器读写电子标签内物料信息，并将信息发

9、送到打标服务器，如果产品检验合格则启动打标机工作程序，完成对产品的打标工作，使得系统能对加工好的成品进行信息追溯和管理，如果产品检验不合格则直接放行进入废品收纳通道；在毛坯超市入口处，工作人员需要通过一维条码枪扫描工卡、工件，只有身份、物料相符且满足操作要求时，MES系统才会给控制系统下发设备使能信号，实现对工件的加工防错功能。3 与MES系统集成系统采用OPC技术，实现上位机MES与PLC之间的通信。PLC系统和上位机之间需要建立一定的应答机制，以便上位机采集现场数据，跟踪现场信息，依据跟踪结果判断生产工艺参数的合理性，并下发产品动作指令，使得MES系统能对工艺路线控制信息、现场设备故障信息

10、、现场工位缺料信息、现场订单执行进度信息、现场设备操作人员信息等基础数据进行管理。图8为MES系统与PLC系统建立的应答机制，该数据通过RFID读写器获取。当MES计算机成功获取某一工序数据后会给PLC反馈信号“1”，托盘进入下一工序。图8 MES通过RFID读写器读取的信息图9为MES对物料的管理信息，通过对RFID信息的读写，自动记录加工件工序号、工序实际开始和结束时间、工序具体加工的设备/工位、操作者等生产信息。图9 加工件在生产线上各个工序时间节点4 与车间级物料小车控制系统集成自动生产线进出口处设有毛坯超市和成品超市。毛坯超市在生产线的入口、成品超市在生产线的出口。在超市的辊道入口处

11、设有三个按钮，分别是小车呼叫（缺料呼叫/成品入库呼叫）、校验按钮和确认按钮，其中校验按钮用于对毛坯的校验，当小车上运载的货物与生产单元请求货物批号不一致时，MES发出错误信号，生产单元毛坯辊道线上的停止器关闭不放行，货物不能进入生产单元。如图10所示，工厂智能管控平台作为无线接入点即AP主站，采用SCALANCE W788-1RR模块并配有2.4GHz全向天线，其无线信号可以覆盖整个生产车间；车载控制系统接收端采用SCALANCE W747-1RR客户端，实现物料小车在车间内的漫游功能，接收来自AP主站的信息，然后显示在车载显示界面，实现了人与车之间的对话，并发出不同的语音提示信息，小车作业人

12、员依据车载显示界面的导航信息操作物料小车，提高物料小车的利用效率、缩短物料小车的调度时间并大大减少货物送错的概率。图10 物料小车与车间控制系统的集成当自动生产线有呼叫信号时，管控平台接收该信息并处理，通过无线网络向物料小车发送，物料小车最终成功接收到来自自动线的呼叫信息、作出判断并在小车HMI界面显示相关信息，提示小车操作人员或者驶向立库领取毛坯或者驶向成品超市执行入库任务。当小车上装载物料时，车载显示界面将同步实时显示物料信息，如图11所示，包含筐号、物料名称、物料代码、当前去向等信息。图11 车载物料信息5结束语智能工厂机加工生产线采用Profinet和Profibus混合的控制网络。其中Profinet网络利用网络交换机构成星型拓扑结构，组网方式非常灵活，可以在配电柜及被控设备附近布置远程I/O站，设备之间采用专用电缆连接，这种网络结构节省电缆、维护方便，且能与MES等其它系统实现无缝对接4；为了保证底层设备运行的可靠性和快速性，底层关键设备采用PROFIBUS网络通信。机加工生产线经过现场调试，各方面运行状况良好，产品加工精度符合要求；不仅实现了生产线上多设备信息采集和共享，而且大大提高了设备的