馬軍磊，栗偉周，秦 濤

（許昌學院工程技術中心，河南 許昌 461000）

伴隨著 “中國制造2025”行動綱領的出臺及我國經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài)，國家急需培養(yǎng)一批應用型、復合型、創(chuàng)新型人才[1]。在此背景下，智能制造成為學術研究熱點，各大高校紛紛購置了數(shù)控機床、加工中心、工業(yè)機器人等各種先進工業(yè)設備作為實訓教研平臺。然而這些先進工業(yè)設備往往是獨立運行的實訓單元，導致一方面實訓項目方向單一，不能實現(xiàn)學科知識的綜合運用，另一方面實訓項目與企業(yè)真實生產(chǎn)場景差異較大，難以適應企業(yè)對人才的需求。為了解決上述問題，設計了一種基于可編程邏輯控制器 （Programmable Logic Controller，PLC）及LabVIEW上位機的協(xié)同制造實訓平臺，實現(xiàn)了五軸加工中心和工業(yè)機器人等高端設備的協(xié)同工作。通過協(xié)同制造實訓平臺開發(fā)與應用，充分挖掘先進工業(yè)設備效能，提高利用率，同時有利于培養(yǎng)教師和學生對知識的綜合應用能力。

1 協(xié)同制造實訓平臺的硬件功能與網(wǎng)絡

1.1 協(xié)同制造實訓平臺的硬件設計

許昌學院工程技術中心在已有設備基礎上進行二次開發(fā)，設計了協(xié)同制造實訓平臺，所用到的主要硬件設備見第55頁表1。表1中 “原有”表示協(xié)同制造實訓平臺開發(fā)前已有的硬件設備，包括NACHI工業(yè)機器人、KUKA工業(yè)機器人、DMG五軸加工中心、自動導引運輸車 （Automated Guided Vehicle，AGV）等；“新增”表示為滿足協(xié)同制造實訓平臺功能而新增的硬件設備，包括PLC[2]、上位機、接駁站、物料中轉(zhuǎn)臺、物料托盤、電動輥道等。其中接駁站、物料中轉(zhuǎn)臺、物料托盤、電動輥道為自主設計制作的硬件設備。第55頁圖1為協(xié)同制造實訓平臺的硬件設備平面布置圖；第55頁圖2為協(xié)同制造實訓平臺的硬件設備部件詳圖。

1.2 協(xié)同制造實訓平臺的功能目標

1）倉庫管理。由上位機1、NACHI工業(yè)機器人和貨架組成。其中上位機1負責監(jiān)視NACHI工業(yè)機器人的運行狀態(tài)、顯示貨架的倉儲狀態(tài)以及發(fā)送待抓取物料位置至NACHI工業(yè)機器人。NACHI工業(yè)機器人實現(xiàn)物料的抓取、出入庫路徑規(guī)劃，將物料在貨架和接駁站A的定位托盤之間相互轉(zhuǎn)移。

2）加工中心自動上下料。由DMG五軸加工中心、KUKA工業(yè)機器人和物料中轉(zhuǎn)臺組成。當DMG五軸加工中心加工完畢，調(diào)用打開側(cè)門 （用于上下料）指令，側(cè)門打開完畢，通知KUKA工業(yè)機器人執(zhí)行上下料程序。KUKA工業(yè)機器人完成上下料程序后，發(fā)送信號給DMG五軸加工中心，DMG五軸加工中心接到指令關閉側(cè)門，進行下一輪加工程序。物料中轉(zhuǎn)臺負責暫時存放毛料和成品。

3）物料交換運輸。由PLC控制系統(tǒng)、AGV及電動輥道、自主設計的接駁站及上位機2組成。其中PLC控制系統(tǒng)負責接駁站定位托盤、入站/出站限位開關升降控制，接駁站傳送帶電動輥道的正反轉(zhuǎn)控制、AGV的啟?？刂啤鷻诎踩T的開啟控制等。AGV沿著導航磁條行走，將物料在接駁站A、接駁站B間轉(zhuǎn)移。上位機2主要負責監(jiān)控和顯示PLC控制系統(tǒng)及工業(yè)機器人的相關信息。

表1 協(xié)同制造實訓平臺的主要硬件設備一覽表

圖1 協(xié)同制造實訓平臺的硬件設備平面布置圖

1.3 協(xié)同制造實訓平臺網(wǎng)絡連接及電氣布線

為了滿足協(xié)同制造實訓平臺各功能單元內(nèi)部以及功能單元之間進行數(shù)據(jù)交互的需求，需要將主控設備 （上位機、PLC及工業(yè)機器人）之間用工業(yè)以太網(wǎng)連接[3]，主控設備與其他設備之間用控制線連接。第56頁圖3為協(xié)同制造實訓平臺的網(wǎng)絡連接及電氣布線示意圖。從圖3可以清楚地看出各主控設備與被控設備之間的控制關系。需要注意以下4個方面：一是PLC_A和PLC_B，KUKA工業(yè)機器人之間通過智能設備PROFINET i-Device[3]方式進行通信，其中PLC_A為主控制器，PLC_B，KUKA工業(yè)機器人為智能設備，該方式允許智能設備的I/O被主控制器和自身控制器同時控制；二是由于PLC_C安裝于AGV，而AGV是移動的，因此PLC_A和PLC_C分別通過485通信接口連接1個無線透傳模塊，可以直接代替兩臺PLC之間的有線RS485通信[4]；三是上位機1和NACHI工業(yè)機器人之間通過套接字[5]方式進行通信；四是上位機1、上位機2和PLC_A之間以OPC[6]方式進行通信。

圖2 協(xié)同制造實訓平臺的硬件設備部件詳圖

2 協(xié)同制造實訓平臺的軟件設計

2.1 協(xié)同制造實訓平臺的開發(fā)環(huán)境搭建

協(xié)同制造實訓平臺包含NACHI工業(yè)機器人、KUKA工業(yè)機器人、PLC、上位機4種硬件設備，每種硬件設備配套的程序開發(fā)都需要搭建對應的軟件開發(fā)環(huán)境[7-11]，具體見表2。

2.2 協(xié)同制造實訓平臺的網(wǎng)絡通信設置

1）PLC設備組態(tài)及PLC之間的 “i-Device”通信設置。首先，打開TIA Portal V15軟件并新建項目，在項目中添加3個PLC控制器，分別命名為PLC_A，PLC_B和 PLC_C，分別給 PLC_A和PLC_C控制器添加CM1241（RS422/RS485）通信模塊。其次，雙擊PLC_B，將 “屬性—常規(guī)—操作模式”中的 “I/O設備”選項勾選， “已分配的控制器”選擇 “PLC_A.PROFINET接口 _1”，并在“傳輸區(qū)域”設置I/O映射。

圖3 協(xié)同制造實訓平臺的網(wǎng)絡連接及電氣布線示意圖

表2 協(xié)同制造實訓平臺的軟件開發(fā)環(huán)境一覽表

2）PLC和KUKA工業(yè)機器人之間的 “i-Device”通信設置。一是TIA Portal V15軟件端設置。首先，安裝KUKA GSD文件并添加KRC4 GSD設備，并將該設備分配給I/O控制器PLC_A。其次，將所有PLC及KRC4 GSD設備的IP地址均設置為相同的網(wǎng)段，與KUKA工業(yè)機器人的IP地址網(wǎng)段保持一致。圖4為完成后的PLC系統(tǒng)網(wǎng)絡視圖。二是WorkVisual軟件端設置。首先，將PC和KUKA工業(yè)機器人控制器的 “KLI網(wǎng)口”用網(wǎng)線連接，并將PC的IP地址網(wǎng)段設置為與KUKA工業(yè)機器人相同的網(wǎng)段。其次，打開WorkVisual軟件，點擊 “查找”，將KUKA工業(yè)機器人控制器中的項目信息載入項目并激活。再次，在 “總線結構”中添加PROFINET，然后在右鍵點擊 “PROFINET I/O”，選擇 “添加”選項，選擇添加KRC4-ProfiNet_3.2，并設置PROFINET I/O的IP地址及設備名稱，注意要與TIA Portal V15軟件端設置的一致。最后，與KUKA工業(yè)機器人的I/O進行鏈接。

圖4 PLC系統(tǒng)網(wǎng)絡視圖

完成步驟1）和2）后，再配合相應的控制程序，就可以實現(xiàn)以PLC_A為主控制器、PLC_B和KRC4 GSD設備為智能設備的PROFINET I/O通信。

3）上位機和PLC_A之間的OPC通信設置。

一是TIA Portal V15軟件端設置。首先，雙擊PLC_A查看其屬性，在 “常規(guī)—防護與安全—連接機制”選項中，勾選 “允許來自遠程對象的PUTIGET通信訪問”選項。其次，在PLC程序中，需要被上位機訪問的背景數(shù)據(jù)塊屬性中的 “優(yōu)化的塊訪問”選項應取消勾選，并重新編譯背景數(shù)據(jù)塊，以便獲取背景數(shù)據(jù)的絕對地址。圖5為OPC通信PLC端設置。

圖5 OPC通信PLC端設置

二是OPC Server設置。首先，打開OPC Servers Configuration，新建通道，設備驅(qū)動選擇“Siemens TCP/IP Ethernet”，網(wǎng)卡選擇連接PLC的網(wǎng)卡，其他項目都選擇默認選項。其次，新建設備，設備模式選擇S7-1200，ID為PLC_A的IP地址。最后，添加需要監(jiān)控的PLC變量，Name為變量名，Address填寫PLC的變量地址。圖6為OPC Server Device設置。

圖6 OPC Server Device設置

三是LabVIEW DSC Module訪問PLC變量設置。首先，創(chuàng)建LabVIEW項目后，新建一個I/O Server，在 I/O Server類型中選擇 OPC Client，在OPC Client I/O配置的 “Registered OPC servers”欄選擇 “NationalInstruments.NIOPCServers.V5”選項。其次，創(chuàng)建約束變量。右鍵點擊 “OPC1”，選擇“Create Bound Variables”，將之前 OPC Server中創(chuàng)建的約束變量全部添加到項目中 （見圖7）。最后，將約束變量拖入VI的前面板或程序框圖，就可以像普通變量一樣使用了。

圖7 創(chuàng)建的約束變量

2.3 協(xié)同制造實訓平臺的程序設計

協(xié)同制造實訓平臺的程序設計涉及多種硬件設備，它們之間既自成體系又相互關聯(lián)。第58頁圖8為協(xié)同制造實訓平臺的程序流程圖。從圖8可以看出，工業(yè)機器人程序設計的主要內(nèi)容包括工業(yè)機器人的運動控制程序設計、I/O控制程序設計、出入庫子程序的編寫與調(diào)用、上下料子程序的編寫與調(diào)用等；PLC程序設計的主要內(nèi)容包括兩個接駁站的各種限位開關程序設計、傳送帶的邏輯控制程序設計、AGV啟?？刂瞥绦蛟O計、電動輥道正反轉(zhuǎn)控制程序設計、485通信程序設計等；上位機程序設計的主要內(nèi)容包括人機界面設計、下位機數(shù)據(jù)管理與可視化設計、下位機之間數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)程序設計等。

圖8 協(xié)同制造實訓平臺的程序流程圖

3 協(xié)同制造實訓平臺的應用

通過協(xié)同制造實訓平臺的建設，有利于發(fā)揮各硬件設備功能的協(xié)同效應，在實訓教學中，大大增加了實訓內(nèi)容的廣度和深度。

協(xié)同制造實訓平臺可以支撐的主要實訓內(nèi)容見表3。從表3可以看出，協(xié)同制造實訓平臺中各硬件設備既可以作為獨立實訓平臺使用，支撐工業(yè)機器人操作、PLC編程、機床加工等基礎性實訓項目；又可以關聯(lián)使用，支撐工業(yè)以太網(wǎng)通信、DMG五軸加工中心與工業(yè)機器人協(xié)同制造、上位機組態(tài)編程等綜合性實訓項目。同時，該平臺具備較強的擴展性，能夠提供靈活多變的功能組合，可以作為實驗平臺使用，為教師的科學研究及學生的畢業(yè)設計提供便利。

表3 協(xié)同制造實訓平臺可以支撐的主要實訓內(nèi)容一覽表

4 結束語

協(xié)同制造實訓平臺綜合利用了機械加工、自動控制、工業(yè)以太網(wǎng)、計算機編程等技術，將多種先進工業(yè)設備有機地結合起來，形成了一個自動化程度較高、多學科支撐的協(xié)同制造實訓平臺，有利于學科知識的綜合應用。自投入使用以來，引起了廣大師生的強烈興趣，不僅支撐了多個專業(yè)的實訓課程，取得了較好的實訓效果，還在迎接校內(nèi)外專家參觀時取得了良好的演示效果，受到了廣泛好評。當然，該平臺還存在較大的改進空間，比如可以依靠LabVIEW強大的機器視覺軟件包，在系統(tǒng)中加入機器視覺功能，大大增加系統(tǒng)智能化程度。