摘要: 根据礼品分拣自动化生产线工艺流程和自动化控制的要求，提出基于工业机器人、机器视觉的自动化解决方案。构建以西门子S7 － 1200 为主控PLC( programmable logic controller) 、机器人与机器视觉、AGV( automated guided vehicle) 自动导引小车、码垛立体仓库系统、礼品分拣流水线等组成的全自动分拣网络控制系统。系统采用MODBUS － TCP 通信协议，实现了机器人、机器视觉、从属PLC 及主控PLC 之间的数据与I /O 信号交换。系统提高了工厂自动化水平、提高了生产效率，减小劳动强度，降低了人工成本。
关键词: 工业机器人; MODBUS － TCP 协议; PLC 网络; 分拣生产线; 机器视觉
工业机器人在传统工业产业升级中应用越来越广泛，诸如包装物品分拣、码垛、焊接、喷涂、涂胶、装配以及数控机床上下料等行业逐渐由机器人代替人工进行，但仍存在工业机器人处于小系统、单机、单功能运行现象。随着网络自动化技术的飞速发展，工业自动化群控网络技术逐渐在小型工厂自动化系统中应用，以网络化集成机器人、各类生产线、视觉检测、上下料装置、AGV 自动导引小车等工厂自动化技术趋于成熟，大大提升了工厂自动化水平，提高生产效率，减小劳动强度，降低了人工成本。
本文介绍一种基于工业机器人、西门子S7 － 1200型PLC 网络集成技术、视觉检测系统的网络群控技术在小型工厂包装自动生产线中的应用。
1 全自动包装分拣生产线及工艺流程
设备实物图如图1 所示，整个系统构成如图2 所示，机器人礼品分拣系统由立体仓库、码垛机、AGV 机器人、托盘流水线、视觉系统、工业机器人、礼品盒生产线和电气系统组成。
1． 1 生产线硬件系统
1． 1． 1 立体仓库与码垛机
立体仓库与码垛机系统用于各类包装的礼品进行分类与存储，通过识别礼品包装盒的条码或电子标签( ＲFID) 判断礼品的存储位置，便于码垛机从仓库进行存取操作。仓库总高约1 700 mm，宽度约2 970 mm;每个仓位容积约为310 mm × 250 mm× 300 mm; 包含28 个仓位; 每一仓位具有空位检测开关。码垛机系统X、Y、Z 轴均采用变频控制，X 行程2． 5m，Y 行程约0． 93 m，Z 行程0． 86 m，X 轴方向的运动采用蜗轮减速装置，具有一定的自锁性; X 轴、Z 轴的驱动电动机还带有刹车装置，保证机器断电后立即停车; X 轴和Y 轴运动都带有防撞装置。
1． 1． 2 工业机器人
分拣系统采用国产汇博工业级工业机器人( 型号: HＲ20 － 1700 － C10) ，交流全伺服电动机驱动; 6 自由度; 负载能力20 kg，重复定位精度: ± 0． 08 mm。
1． 1． 3 AGV 运料小车
AGV 运送小车系统负责将码垛机械手抓取的礼品托盘输送至托盘生产线上，每次满3 个托盘时，小车自动运行至托盘输送线进行输送; 小车由下部车架和上部输送装置组成。下部车架由电动机、驱动轮、辅助轮、电池和框架等零件组成。2 台电动机带动驱动轮控制小车沿磁条导向运动，4 个辅助轮控制小车的平衡。上部输送装置采用皮带传动，皮带离地面高度约为800 mm，输送带前端有电磁铁控制的阻挡机构。
1． 1． 4 视觉系统
视觉系统安装于托盘输送线中，当托盘中礼品到达视觉检测工位时，机器视觉系统对托盘内的礼品进行视觉识别，并把识别的礼品位置、形状等特征数据送到中央控制器PLC 和六关节机器人，由工业机器人根据目标存放位置执行相应的动作。
视觉识别系统由智能相机、光源控制器、光源和镜头等硬件组成。光源采用背光方式( 光源在工件下面，光源尺寸( 210 mm × 210 mm) ，可识别多种不同类型的工件，托盘传到工件位且符合拍照条件时，给光源控制器输入端一个触发信号，相机拍照，拍照完成后，光源控制器给出一个输出信号，系统执行下一步操作。
1． 1． 5 托盘输送线及礼品盒流水线
托盘输送线主要用于托盘的输送与配合视觉系统进行检测的自动传输功能。系统采用倍速链结构，侧面流利条导向，喇叭口流利条导向，托盘回收处( 可回收托盘10 个) 具有6 个工位，第2、4 工位阻挡气缸，型材槽( 内槽) 安装功能型传感器分别用在1、2、4、5、6工位。物品盒输送线由异步电动机变频控制。
礼品盒流水线主要用于将机器人分拣的礼品进行归类放置于礼品盒中，并输送归类完成的礼品盒至指定位置。系统由步进电动机控制，采用脉冲定位控制的方式，也可采用传感器定位的控制方式。运送的礼品盒尺寸为435 mm × 315 mm × 100 mm; 物品输送线高度为: 774 mm，可微调输送速度最大200 mm/s; 礼品盒流水线为5 工位，礼品盒占用3 个工位，其余两个工位为上下料用。
1． 2 分拣生产线工艺流程
全自动礼品分拣系统旨在根据礼品包装形式的分类要求，通过码垛机器人系统从仓库取出待分拣的礼品放置托盘，自动传递至AGV 小车，并经过AGV 小车输送到托盘流水线，视觉系统根据流水线各托盘礼品的种类、形状或其他特征进行视觉分析，由机器人系统根据指定类型进行分拣并将礼品放置在礼品盒流水线各指定的礼品盒中进行分类存储。整个系统通过MODBUS － TCP 协议，由主控PLC 协调机器人、仓储系统、视觉系统、AGV 小车及礼品盒生产线进行全自动运行，实现分拣自动化。详细工艺流程如图3 所示。
2 电气控制与通信系统设计
2． 1 电气系统
电气控制系统采用西门子s7 － 1200 系列PLC，SIMATICS7 － 1200 系列PLC 是西门子推出的新一代集成了自动化控制、人机界面和网络控制功能于一体的新型PLC，广泛用于各类包装生产线、物流生产线、小型生产自动化群控等高性能离散工业领域。
本系统电气控制系统如图4 所示，主控PLC 采用S7 － 1200 CPU1215C 型，主控PLC 除控制托盘输送系统及礼品盒流水线外，还控制协调系统其他各子系统;仓库及码垛系统采用SIMATIC S7 － 1200 ( CPU1215C型) 1 个，扩展模块3 个，西门子G120 变频器3 个; 视觉检测系统、机器人系统均采用MODBUS － TCP 协议通过网络控制方式与主控PLC 交互通信。由主控PLC 协同控制各子系统运行。各子系统配备西门子TP700 型触摸屏，用于数据交换设置与状态检测显示。
2． 2 通信系统设计
整个系统通过工业以太网总线将工业机器人、主控PLC( 礼品盒流水线) 、码垛机及立体仓库系统PLC、码垛机立体仓库系统触摸屏、主控触摸屏( 礼品盒流水线) 、视觉系统、变频器以及编程开发计算机等均通过以太网连接。编程开发计算机负责开发调试程序、视觉系统特征识别开发、机器人示教编程。码垛立体仓库系统和主控触摸屏负责管理码垛立库系统、礼品盒流水线的运行参数以及系统报警和提示信息等。系统网络拓扑图如图5 所示。
2． 2． 1 系统中的PLC 与MODBUS － TCP 通信协议地址分配
MODBUS － TCP 协议是广泛应用于工业控制领域的通信协议，通过此协议，控制器相互之间、或控制器经由网络( 以太网) 可以和其他设备之间进行通信［3］。S7－1200 CPU 具有一个集成的以太网接口，支持面向连接的以太网传输层协议，可通过MODBUS － TCP 协议将S7 － 1200 与工业机器人、视觉系统、其他S7 － 1200PLC通过以太网络连接起来。为保障各设备之间通信正常，MODBUS 协议在数据传输开始之前建立各设备之间的逻辑关系，并在MODBUS 与PLC 之间建立对应地址，本系统中相应的各数据量传输地址如表1 所示。
2． 2． 2 主控PLC 与视觉系统的通信
( 1) 智能相机与PLC 通信流程
系统中的视觉主要对包装制品的分类识别与标定作用，采用信捷SV4 － 30ML 型智能相机作为视觉识别系统。智能相机与主控PLC 之间采用MODBUS － TCP协议通信，其中智能相机为服务器端，PLC 为客户端，即PLC 主动读取智能相机的数据; 智能相机与PLC 通信流程如图6 所示。
( 2) S7 － 1200 PLC 中编程实现与智能相机MODBUS－ TCP 通信
系统采用西门子博途( TIA) V13 版本平台内嵌的S7 － 1200 MODBUS － TCP 库函数实现以太网通信，PLC 以客户机的身份通过MODBUS － TCP 协议读取相机的数据［4］; 在博途( TIA) V13 平台设备组态中添加设备组态并修改PLC 的IP 地址与相机IP 地址在同一网段内，本系统统一在8 网段; 在V13 平台内添加MODBUS － TCP 客户端通信模块( MB_CLIENT_DB) 功能块。配置通信模块参数，如图7 所示，连接ID 地址( CONNECT_ID) 设为相机的站号3; IP 地址是相机的地址，设为: 192． 168． 8． 3。IP 端口( IP_POＲT) 是默认为502; 工作模式( MB_MODE) 1 表示“写”，0 表示“读”; 数据地址( MB_DATA_ADDＲ) 是相机存放数据的起始地址，41001; ( MB_DATA_LEN) 是读取数据的长度; ( MB_DATA_PTＲ) 是PLC 存放读入的数据的缓存区，本系统从MW400 数据地址开始。
在相机与主控PLC 通信中，要求PLC 和机器人的读写寄存器地址与MODBUS 地址相对应，通信数据以字节为单位在寄存器中存储，以字为单位传输，以位为单位寻址。主控PLC 中相机主模块中打包了相机通信模块、相机拍照使能模块、相机中物品类型与姿态数据传输模块、相机拍照完成模块等。相机主模块如图8 所示。
PLC 是客户端，即PLC 主动读取和写入数据; 系统中约定工业机器人的IP 地址为192． 168． 8． 103，在博途( TIA) V13 平台中通信模块的建立方法同相机模块一样。工业机器人与PLC 的通信流程如图9 所示。系统中的工业机器人具有两种功能，一是根据智能相机中的物品类型与姿态数据进行分类抓取，接受主控PLC 传输的物品类型和坐标信息( 此数据由智能相机传输给主控PLC) ，在工业机器人系统中进行坐标信息的计算与数据转换，并根据物品类型按照将物品放置在礼品流水线指定位置; 二是根据抓取物品数量判断托盘是否为空，并将空托盘放置在托盘堆栈里面。因此主控PLC 与工业机器人之间的信号数据交换模块包括: 机器人主控模块、机器人I /O 控制模块、机器人回初始位功能模块、机器人通信模块及机器人数据传递模块。
PLC 与机器人通信程序模块如图10 所示，该模块主要完成和机器人通信，传递控制命令和坐标信息。PLC 与工业机器人通信缓存区以数组方式定义为:
ＲobotEthComＲeadBuffer: Buffer AＲＲAY［1． ． ． 32］of INT; ( 从机器人读取数据的专用函数)
ＲobotEthComWriteBuffer: Buffer AＲＲAY［1． ． ． 32］of INT; ( 发送给机器人数据的专用函数)
当PLC 从机器人侧读取数据时，ＲobotEthCom-ＲeadBuffer． Buffer 对应“机器人状态字”，可将机器人内变量SYSTEM ioOUT，对应MODBUS 地址为40017 中的状态赋值到变量giＲobotStauWord 中; gi-ＲobotStauWord 中的数值表示机器人的工作状态，其中“100”为机器人处于待机状态; “200”表示机器人处于运行中; “300”表示抓取时没有吸到物体; “400”表示抓取完成后物体丢失。
当PLC 发送给机器人数据时，ＲobotEthComWrite-Buffer． Buffer对应“机器人控制字”，可被变量gi-ＲobotCtrlWord 赋值，机器人内变量SYSTEM ioIN，相对应MODBUS 地址为4001。giＲobotCtrlWord 中数值表示机器人控制状态字，其中“103”为抓取动作启动命令; “203”为中途停止后再启动命令; “104”为复位回初始状态命令。除机器人控制字外，主控PLC 发送给机器人的数据还包括机器人抓取点X、Y、Z 坐标和抓取点的角度; 机器人码放点的X、Y、Z 坐标和码放点的角度; 机器人工具编号等，这些数据信息均通过ＲobotEthComWriteBuffer． Buffer数组进行分类赋值，并通过定义变量经过MODBUS 相应地址发送给机器人侧。
3 结语
( 1) 根据包装自动线的工艺流程与自动化要求，建立了基于视觉分拣、工业机器人、自动生产线网络化电气控制方案。
( 2) 构建了以西门子S7 － 1200 为主控PLC 的自动化控制网络，介绍了基于MODBUS － TCP 协议的PLC 与工业机器人、PLC 与智能机器视觉网络通信自动化解决程序，并利用西门子博途( TIUA) V13 版软件平台设计了PLC 控制程序与触摸屏监控画面。
( 3) 基于工业机器人及视觉检测的包装自动生产线系统适用于全自动各类包装制品生产线，也可作为西门子PLC 群控系统学习、工业机器人网络控制学习的载体。
