壳体零件自动化柔性加工智能生产线控制方案.docx
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壳体零件自动化柔性加工智能生产线控制方案
壳体柔性加工生产线控制方案
二零一八年七月
1项目总体规划及布局
壳体柔性加工自动线是在原有的两台加工中心和三台数控车布局的基础上进行自动化的改造。
根据原有布局，新增了自动化的物料输送系统、自动装卸及检测工作台、机器人自动上下料系统、自动化的工装库和上下料库等辅助设备，同时利用电气控制系统和MES系统的有效集成，实现整个生产线自动化、无人化、数字化、智能化的生产加工需要。
项目设备布局如下图所示：
2管控系统方案总体规划
根据壳体柔性加工自动线的总体规划和建设目标，为了达到项目的建设需要，实现对柔性加工线的自动化控制、无人化运行、数字化生产、智能化调度，规划设计了一套完整的控制系统方案，主要组成部分及功能如下：
1.现场工业网络
为了实现项目建设的功能要求，需要对柔性生产线进行网络化的集成管理控制，通过现场设备的工业网络互联打通制造执行系统与现场设备执行层之间的数据通信，保证柔性生产线的现场设备层、控制层、操作层与上面的管理层之间信息传输的实时畅通。
因此，需要构建一个统一、开放、互联、高速、安全的柔性生产线现场工业网络。
2.自动化控制系统
根据总体方案规划，壳体柔性生产线包含了数控机床、工业机器人、自动化工装库、上下料库、装卸与测量工作台等设备，同时配有工业相机、激光检测等识别与测量设备，针对设备较多，接口不同的特点，为整个柔性生产线配置一台主控PLC（西门子S7-1500系列），用于对生产线的设备进行集成控制。
3.现场制造执行系统（MES）
MES系统是壳体柔性生产线运行控制的大脑，对整个生产线进行生产任务下达、生产任务排产、数据存储与管理、信息交互、统计分析、报表输出、现场设备数据采集和运行状态监控、电子看板展示，同时，通过现场的MES系统可以与企业管理系统进行集成，根据需要向企业层传输生产数据。
3管控系统详细方案
根据壳体柔性生产线自动化、柔性化、集成化、数字化的设计需求，通过工业网络（现场总线、工业以太网）实现现场各设备与主控PLC以及管控PC之间的网络连通，为各层级之间数据的共享提供网络支撑。
利用OPC通讯技术实现计算机与主控PLC、数控机床、机器人、工业相机之间的数据交互，基于微软VisualStudio平台、西门子TIAPORTAL软件、SQL数据库平台，设计了一套高度集成、数据共享、生产透明、全自动、数字化的壳体机加柔性生产生产线管控系统。
3.1现场工业网络方案设计
根据总体方案规划和设计，整个生产单元主要由以下设备组成：
立式数控加工中心两台、数控车三台、装卸与检测工作台一台、自动化工装库一台、自动化上下料库一台、上下料辊道一套、装卸机器人一台、上下料机器人（含第七轴）一台、吹气装置一台。
除了以上所需的主要设备之外，还配有现场视频监控系统；现场电子看板信息显示系统；
在进行工业网络方案设计时，采用主流的工业以太网实现计算机之间的通讯，为了适应多种通信接口的连接需要，为整个生产单元配置一台西门子S7-1500系列的高性能PLC，该PLC集成了PROFIBUS-DP和PROFINET网络通信接口。
采用PROFIBUS-DP和PROFINET网络实现生产单元主控PLC与设备之间的数据和信号交互控制，采用OPCSERVER实现管控系统计算机与PLC之间的数据通信需求。
从而实现生产单元各个设备之间、主控PLC与设备之间、管控系统与PLC之间、管控系统与数控系统之间的数据无缝对接。
根据工业网络的标准架构，生产单元的现场工业网络从上到下主要分为：
管控系统控制层；主控PLC控制层；现场设备执行层。
详细的网络连接拓扑图如下所示：
3.1.1数控机床联网方案
壳体柔性生产线的加工设备是两台立式加工中心和三台数控车，根据现场工业网络连接拓扑图可知，数控机床有两个网络连接，一个是通过数控系统的总线接口（Profinet或其他总线，根据数控系统的实际情况而定）与生产线主控PLC进行联网，实现主控PLC对机床状态的监控以及上下料机器人的协调调度。
另外一个是通过以太网与上层MES系统进行联网，实现MES系统对数控机床运行参数的采集、数控程序的管理、设备OEE的统计分析等功能。
数控机床通过联网，可以使生产数据在MES系统、主控PLC、数控机床之间形成无缝传输和闭环交互。
由于整个生产线是多品种柔性化的生产方式，这就需要根据加工的产品型号不同，为数控机床分配正确的NC加工程序，因此，通过数控机床联网实现产品型号正确无误的传输是保证正常生产的关键方式。
对于NC程序的正确调用可以有两种方式，一种是通过管控系统的DNC模块进行统一管理，管控系统根据采集到的机床所要加工的产品型号判断所需的NC程序代号，并通过DNC系统把对应代号的NC程序推送到对应的数控机床上进行产品的加工，产品加工完成之后可以删除数控系统中的程序，保证加工程序的唯一性。
另外一种方法是把所有产品的NC程序作为子程序全部放到数控系统中，在主程序中对产品型号的判断，根据判断结果自动调用对应的NC子程序，完成产品的正确加工。
根据以上介绍，柔性生产线数控设备联网实现的主要功能如下：
⏹为数控机床提供正确的NC程序。
⏹监视数控加工设备的运行状态和报警信息。
⏹统计分析设备OEE。
⏹采集数控加工设备的运行参数。
⏹可以实现数控设备与自动上下料之间的信号交互。
数控加工设备网络连接实施方法：
数控机床的联网需要根据数控系统的具体接口类型进行实施，根据目前主流的数控系统配置，都集成有以太网接口，不需要接口转换模块就可以很方便的完成网络连接。
（针对本项目，目前还不清楚数控系统的具体型号以及接口类型，暂时按照常规的以太网接口实施。
）
通过这些网络接口把数控系统连接到网络交换机，再由交换机接入管控系统计算机，形成一个星型网络系统，各分支网络之间独立运行，降低网络整体故障率。
联网后的数控机床可以通过管控系统统一管理和监控，减少人为操作和人为干预，很大程度上提高了机床的运行效率。
柔性生产线的数控机联网示意图如下所示：
数控机床联网示意图
3.1.2配套设备联网方案
为了满足壳体生产线改造建设的需要，规划设计了上下料辊道、自动化工装库、自动化上下料库、装卸工作台、装卸机器人、上下料机器人（含第七轴）等辅助数控机床进行生产的自动化设备。
以上设备通过生产线主控PLC进行联网控制，具体联网方式如下：
Ø上下料辊道：
利用现场总线技术通过现场IO单元与主控PLC进行联网，由主控PLC控制上下料辊道的电机、气缸等执行元件实现物料托盘的自动流转；
Ø自动化工装库和自动化上下料库：
通过总线技术连接到主控PLC，实现位置控制和逻辑控制，工装库和上下料库上面集成的固定式扫码枪也采用Profinet总线与现场IO模块连接；
Ø装卸机器人：
采用KUKA标准产品的六轴工业机器人，机器人控制器配置有Profinet网络通信接口，通过Profinet接口与生产线的主控PLC进行通信，接收装卸指令。
主控PLC实时检测机器人的位置和状态，对机器人进行安全调度。
另外机器人以太网接口上集成有工业相机，用于对毛坯进行拍照识别，放置抓错。
Ø上下料机器人：
同样采用KUKA标准产品的六轴工业机器人，机器人控制器配置有Profinet网络通信接口，通过Profinet接口与生产线的主控PLC进行通信，另外，上下料的第七轴移动驱动系统采用西门子伺服驱动系统（含1FK7伺服电机和S120伺服驱动器）进行控制，通过profinet网络实现主控PLC对驱动系统的控制。
主控PLC实时记录和监测机器人第7轴的位置，并根据生产需要进行调度。
Ø装卸工作台：
利用装卸工作台上的IO单元与主控PLC联网通信，实现对其自动化的控制。
生产线配套设备网络连接如下图所示：
3.1.3打标机联网方案
根据生产加工需要在生产线内放置一台打标机，为在加工过程中标识码被加工掉的零件进行标识码重新打印。
初步方案采用激光打标机，打标机配有PCBase控制器，可以通过以太网接口与MES系统计算机进行联网通信。
另外为了实现无人化、自动化的调度控制，打标机选配了IO模块，生产线主控PLC可以通过IO信号对打标机进行逻辑控制。
为了适应对不同型号尺寸的零件打标的需要，增加了辅助控制轴，用于调整激光打标头的高度或角度。
零件打标机联网如下图所示：
打标机联网示意图
3.1.4现场电子看板联网方案
根据壳体柔性生产线的的总体规划，在绿色通道两侧布置一台液晶电视显示屏，主要用于设备运行状态的显示、生产信息的发布、实时生产数据的显示、物料信息的显示、产品质量信息的发布等功能。
电子显示屏展示的信息可以根据管理的需要随时进行调整和更改。
现场大屏终端采用网络化的平板电视，通过现场以太网连接到管控系统交换机，通过交换机接入中央管控系统计算机，所需要展示的信息均通过管控系统进行下发。
生产单元电子看板系统联网如下图所示：
电子看板系统联网示意图
3.1.5视频监控网络方案
为了促进生产组织和管理模式的提升，同时也为了加强对柔性线特殊区域、重要设备以及现场人员的直观管理，实时反映重要区域的现场情况，增强安全保障措施，进一步规范各岗位的生产管理，监控和维护正常的生产秩序，针对柔性生产线建设了一个现场视频监控系统。
根据生产线的具体布局情况和区域特点，对数控机床、装卸工作台、零件装卸区、安全门等地方安装局部监控摄像机，并在柔性生产线的四个角安装整体区域监控摄像机，形成一个全区域覆盖，重点区域和工位突出的视频监控网络。
所用监控前端设备（现场监控摄像机）均采用带有POE电源的网络摄像机（包括球型网络摄像机、枪型网络摄像机），配合POE交换机，只需要一根网线就可以把摄像机与交换机进行联网，无需采用独立的电源给摄像机供电，方便施工和维护。
把所有的现场网络摄像机通过以太网网线连接到现场交换机机柜中的POE交换机，然后POE交换机通过车间主干网连接到中控室的网络硬盘录像机然后再通过监控管理平台进行显示。
为了使视频数据能够进行存储，以备必要的时候对历史记录数据进行查询和回放，为网络录像机配置大容量的数据存储硬盘。
初步按照保存一个月的时间进行硬盘配置，如需保存更久可以进行扩展。
视频监控系统网络布局示意如下图所示：
视频监控网络连接示意图
3.2电气控制系统设计方案
根据壳体加工生产线的集成特点，同时考虑到控制系统设计的安全可靠经济，具有先进性和扩展性等原则，把生产线的辅助设备全部通过一台主控PLC与现场各设备的IO单元进行通信连接，实现壳体生产线现场设备层之间的分布连接与集中控制。
使得整个控制系统具有分布式控制结构接线简单、易于维护的特点，又具有集中控制结构便于设计和实现直接控制的特点。
控制系统在壳体加工生产线中起到承上启下的重要作用。
控制系统一方面通过逻辑控制、运动控制、数学运算等控制方式，实现生产线的所有生产设备按照工艺需求进行安全控制，另一方面负责把生产现场的各设备的运行参数、生产信息发送给数据采集系统，为生产调度、管理和决策提供数据支撑。
综合考虑各种设备的接口以及与上层数据采集控制系统的连接方便性，壳体生产线控制系统的主控PLC采用西门子S7-1500系列高端PLC。
该系列PLC具有丰富的网络接口，包括串行通信接口（支持常用的RS232/RS485/ModbusRTU等通信协议）、PROFIBUS-DP通信接口、PROFINET网络通信接口、工业以太网接口，这些接口既方便连接现场设备层的从站系统和从站节点，又方便通过以太网接口与上层数据采集控制系统进行信号和数据的交互。
S7-1500系统PLC的中央机架可以支持32个插槽，相对于S7-300和S7-400系列PLC的中央机架仅支持8个插槽具有极高的可扩展性，只需要通过模块自带的背板总线即可完成硬件模块的扩展，为项目后续扩展增加设备提供强有力的硬件控制平台支撑。
工装库、上下料库、装卸工作台这些现场设备运行的准确性、可靠性以及定位精度要求都比较高，同时考虑到与西门子主控PLC集成的方便性，因此，所用驱动系统均为西门子S120伺服驱动器和1FK7伺服电机。
通过主控PLC、伺服驱动器、伺服电机的集成应用，完成对工装库、上下料库以及装卸工作台的逻辑控制和运动控制。
装卸机器人与上下料机器人采用的是KUKA六轴工业机器人，上下料机器人配置了第七轴驱动系统。
第七轴驱动系统同样采用西门子S120伺服驱动器和1FK7伺服电机来实现。
库卡机器配置Profinet通信接口，利用此接口与主控PLC进行通信和数据交互。
打标机采用知名品牌的成熟产品，通过选配IO模块实现与主控PLC的通信，同时增加辅助控制轴来调整打标头的位置与角度，实现与壳体生产线的自动化集成控制运行。
其他辅助设备如上下料辊道、吹气装置、缓存台等是比较简单的设备，只需通过PLC进行简单的逻辑控制即可实现自动化运行。
控制系统总体连接示意图如下所示：
3.2.1上下料辊道
上下料辊道是毛坯进入生产线以及成品离开生产线的一个交互区域，辊道通过普通减速电机驱动进行滚动运行，根据物料托盘输送的需要在辊道上安装有光电检测开关和阻挡气缸，通过PLC控制器的逻辑控制，保证托盘输送过程中的安全互锁。
在上下料辊道的适当位置安装固定式读码器，读码器通过profinet总线接口与IO模块连接，实现与主控PLC的数据交互，装卸机器人抓取毛坯之后移动到读码器处读取毛坯上的标识码，确认抓取的毛坯型号是否正确。
上下料辊道的控制系统连接图如下所示：
上下料辊道控制连接图
3.2.2自动化工装库
自动化工装库是一个环形的辊道机构，根据生产线加工零件所用的毛坯不同，在辊道机构上放置了不同型号的工装，用于满足加工需求。
为了满足机器人抓取工装的定位精度需要，工装库采用伺服电机驱动辊道的旋转。
按照顺序每个工装存放位置进行数字编码（如1-40号），每个编码对应伺服电机的一个唯一行程位置。
当控制PLC接收到需要调用的工装代号之后，根据代号把对应的伺服电机位置传送到电机的运行参数中，并驱动电机运行到机器人抓取工装的位置，在机器人抓取位置安装光电检测开关，用于检测到位的工装位置是否放置有工装，如果没有检测到工装则主控PLC选择下一个相同的工装代号进行运动，直到装卸机器人抓取到工装。
同时在工作抓取位置安装固定式读码器，机器人抓取工装之后对工装进行读码，确认工装的正确性。
自动化工装控制系统连接图如下所示：
工装库控制系统连接图
3.2.3自动化上下料库
自动化上下料库的控制方案同自动化工装库，请参考上述工装库的介绍，此处不再描述。
3.2.4装卸工作台
装卸工作台主要有两个功能：
1）负责工件在工装上的自动夹紧，并通过视觉拍照或激光测量的方式检测工件的夹紧变形量，如果工件变形量超出标准的要求，则反馈系统，放松工件，通过伺服系统的运动调整夹紧力，直至满足生产加工的变形量需要。
2）通过工作台上配备的视觉拍照或激光测量装置，负责将加工好的工件关键尺寸进行检测、并反馈、记录相应的数据。
为了使装卸工作台达到上述功能，工作台的各驱动轴采用伺服电机精确定位，通过行程开关保证各轴运动的安全性，并在合适的位置安装光电检测开关，用于判断工装和毛坯工件是否放置到位，控制PLC通过这些开关信号控制装卸工作台的运行，以及与机器人的交互。
同时配置视觉检测设备或激光检测传感器，来测量工件的夹具变形量或加工之后的关键尺寸是否满足误差要求。
装卸工作台控制系统连接图如下所示：
装卸工作台控制系统连接图
3.2.5装卸机器人
装卸机器人主要实现以下功能：
1）按照生产计划安排抓取工装至装卸工作台。
2）拍照识别工件，从上料托盘抓取相应的工件放置工装上。
3）抓取零件组（装好工件的工装）放置上下料工作台。
4）从上下料工作台上抓取已加工过的零件组放置装卸料工作台。
5）将已加工好的工件抓取至成品托盘。
6）将已用过的工装抓取至工装库。
根据方案规划需要，装卸机器人选用KUKA品牌的KR90R3100六轴工业机器人，在机器人的末端集成抓手和视觉相机。
并选配Profinet通信接口模块，用于机器人与PLC控制器之间的数据通信。
装卸机器人控制系统连接图如下所示：
装卸机器人控制连接示意图
3.2.6上下料机器人
上下料机器人主要实现以下功能：
1）负责5台数控机床的上下料工作
2）抓取零组件进行标识码扫描，确认加工的零件型号。
3）把零组件放置到对应的数控机床上。
4）从数控机床上取出加工好的零件（含工装）放置到上下料库。
根据方案规划需要，上下料机器人选用KUKA品牌的KR90R3100六轴工业机器人，为了满足机器人为5台机床进行上下料的工作范围需求，配置了第七轴移动定位系统，通过西门子伺服电机的驱动实现上下料机器人在各数控机床之间工作的需要。
并选配Profinet通信接口模块，用于机器人与PLC控制器之间的数据通信。
上下料机器人控制系统连接图如下所示：
上下料机器人控制系统连接图
3.3现场MES系统设计方案
3.3.1MES系统硬件组成及功能
壳体生产线MES系统主要组成部分包含：
⏹制造执行系统集成计算机
⏹数据库存储服务器
⏹现场视频监控显示器
⏹UPS电源、工业网络交换机
现场制造执行系统连接图如下所示：
中央管控系统组成结构图
中央管控系统各部分的具体功能如下所述：
⏹MES系统集成管理计算机：
主要用于生产订单管理、工艺过程管理、生产过程数据采集，加工质量结果数据统计分析、可视化的报表展示；管控系统计算机上安装有OPCSERVER软件，能够实现与西门子PLC进行数据通讯和信息交互。
⏹数据库存储服务器、显示器：
用于负责存储和管理生产过程中的数据，物料的数据、刀具的数据、加工过程中的测量数据设备运行状态等数据，并可以对这些数据进行统计分析，方便查看和追溯。
⏹UPS电源：
用于负责数据库服务器和计算机的安全运行，当生产单元出现意外断电时，通过UPS电源保证中央管控系统能够继续正常工作，防止数据的丢失。
⏹工业网络交换机：
用于现场设备和系统联网。
⏹现场视频监控计算机及其他元件。
3.3.2MES系统集成方案设计
3.3.2.1MES系统与主控PLC集成
为了满足壳体生产线的无人化、自动化、数字化的生产运行，为整个生产单元配置了一台西门子S7-1500系列的高端PLC，用于对生产线现场执行层的各个生产设备、物料存储设备、物料装夹设备、上下料设备等进行逻辑调度和管理。
整个壳体生线由MES系统负责发送生产指令，存储、管理、更新生产所需数据和信息。
由生产线主控PLC负责接收MES系统的生产指令，并实时监测现场设备的运行状态和运行数据，根据接收到的生产指令和采集到的设备状态和数据用于控制调度生产线各设备的自动有序运行。
生产线的主控PLC可以同时兼顾工业机器人及其第七轴、打标机、数控机床、辅助设备的通信接口，方便数据交互。
在MES系统计算机上安装OPCSERVER服务器软件，主控PLC利用以太网接口连接到MES系统的网络交换机，通过安装在管控系统计算机上OPCSERVER实现与MES系统的通信工作。
MES系统与主控PLC集成连接图如下所示：
MES系统与主控PLC集成示意图
3.3.2.2MES系统与数控机床集成
壳体生产线共有五台数控机床，包括两台立式加工中心和三台数控车，这五台数控机床通过数控系统的通信接口与生产线的MES系统联网集成，通过MES系统的软件开发，可以从数控系统获取机床的运行状态、运行参数、刀具寿命信息等参数，可以统计分析数控的机床OEE。
也是企业层管理系统监控和查看现场设备运行状况、开工率、设备状态的有效途径。
（需要根据不同的数控系品牌型号开发相应的驱动接口，非常规情况下需要系统供应商提供SDK开发包）
MES系统与数据机床集成示意图如下所示：
MES系统与数控机床集成示意图
3.3.2.3MES系统与企业管理系统集成
壳体生产线的MES系统与企业管理系统（ERP、PLM）进行集成，从企业管理层获取生产任务或订单，并把壳体生产线的相关数据通过通信接口发送给企业管理层。
企业级的管理系统（ERP，PLM）把生产订单计划、工艺文件、产品信息等数据通过通讯接口写入生产单元管控系统数据库服务器的临时表，MES系统从数据库临时表读取生产订单数据，会话结束后清除临时表中的数据。
同样，MES系统向企业管理系统发送的现场生产运行数据也写入数据库临时表，由企业管理系统从数据库临时表读取，会话结束后清除临时表内的数据。
利用数据库开发平台构建壳体生产线MES系统的数据存储软件的开发。
生产线所产生的状态信息、生产数据、设备运行数据等均通过数据采集系统上传到生MES系统数据库服务器进行保存。
并可以根据企业需要把数据上传到企业层，方便对数据的查询和追溯。
MES系统与企业管理系统集成方案如下图所示：
（其中虚线框中企业级系统由用户建设）
MES系统与企业级ERP/PLM集成连接图
4管控系统硬件配置
根据电气控制系统和MES系统的方案规划，对硬件配置进行统计并进行前期价格预估。
详细配置及报价如下表所示。
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