西門子S7-1500在機(jī)器人與視覺定位中的應(yīng)用

王升

（碼捷（蘇州）科技有限公司 蘇州）

The application of SIEMENS S7-1500 in robot and visual positioning

［摘要］ 本文介紹了S7-1500系列PLC在機(jī)器人與視覺定位中的應(yīng)用，對(duì)手動(dòng)測(cè)試工位進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)改造，使得工位的效率提高，減少了人力成本,且生產(chǎn)數(shù)據(jù)可追溯。

［關(guān)鍵詞］ 機(jī)器人、視覺、開放式通信、S7、PROFINET IO、GRAPH

［Abstract］ This paper introduces that the application of S7-1500 series PLC in robot and visual positioning,It automates and upgrades the manual test station,which improves the efficiency of the workstation,reduces labor costs,and makes production data traceable.

［Key Words］ Robot、Vision、OUC、S7、PROFINET IO、GRAPH

一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1.背景介紹

碼捷（蘇州）科技有限公司創(chuàng)建于1968年，總部位于美國(guó)新澤西州，是世界領(lǐng)先的激光全息條碼掃描設(shè)備生產(chǎn)商之一，現(xiàn)已加入霍尼韋爾集團(tuán)。當(dāng)前為了減少人力成本，提高生產(chǎn)效率，決定對(duì)測(cè)試1900系列掃碼槍PCB工位進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)改造。原有手工站如圖1所示，升級(jí)后的自動(dòng)化生產(chǎn)如圖2所示。

圖1 手工生產(chǎn)

圖2 自動(dòng)化生產(chǎn)

2.項(xiàng)目工藝介紹

聚焦機(jī)將PCB上的透鏡調(diào)整至最佳位置，然后進(jìn)行點(diǎn)膠、UV固化。原有流程是人工將PCB放入聚焦機(jī)聚焦，聚焦結(jié)束后人眼判斷點(diǎn)膠效果，手動(dòng)分揀良品、不良品。改造后的流程是人工一次將8個(gè)PCB放入載具，機(jī)器人從載具抓取PCB并依次放入4臺(tái)聚焦機(jī)聚焦，聚焦結(jié)束后通過(guò)相機(jī)判斷膠量，并對(duì)良品、不良品進(jìn)行碼垛放置。升級(jí)后流程最為關(guān)鍵的工藝是機(jī)器人把PCB的定位孔插入聚焦機(jī)的銷釘，如圖3所示，而機(jī)器人抓取PCB不可避免地會(huì)出現(xiàn)輕微的偏移，要保證PCB定位精度在0.2mm，就必須使用相機(jī)對(duì)其進(jìn)行位置調(diào)整。

圖3 PCB放入聚焦機(jī)

全局概覽如圖4所示，具體流程如下：

1) 上料與翻轉(zhuǎn)：人工將8個(gè)PCB水平放入載具中，氣缸將載具推至工作位，帶有夾爪氣缸的伺服依次抓取PCB，并放置在翻轉(zhuǎn)氣缸處進(jìn)行90°翻轉(zhuǎn)。

2) 機(jī)器人與相機(jī)：機(jī)器人抓取垂直的PCB至相機(jī)處拍照算出偏移值X、Y、θ，隨后機(jī)器人對(duì)PCB進(jìn)行偏移，最終放入聚焦機(jī)。

3) 上托盤：托盤通過(guò)傳動(dòng)帶自動(dòng)傳入良品區(qū)，機(jī)器人將合格的PCB通過(guò)碼垛放入良品的托盤中，不合格的PCB放入不良品區(qū)，托盤傳送如圖5所示。

圖4 全局概覽

圖5 托盤傳送

4) 下料：伺服對(duì)裝滿合格品的托盤進(jìn)行垂直堆疊，滿盤后由人工取走。

二、控制系統(tǒng)構(gòu)成

1.硬件配置

1) S7-1500系列PLC：整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，具有強(qiáng)大的通信能力，使用GRAPH語(yǔ)言編寫設(shè)備間的動(dòng)作邏輯順序。

2) S7-1200系列PLC：小型經(jīng)濟(jì)的PLC用于伺服的脈沖控制。

3) ABB機(jī)器人：對(duì)PCB進(jìn)行抓取與放置。

4) 2臺(tái)康耐視相機(jī)與1臺(tái)工控機(jī)：1臺(tái)相機(jī)抓取PCB定位圖像，另1臺(tái)抓取PCB點(diǎn)膠范圍圖像，工控機(jī)根據(jù)圖像分析出PCB偏移量與點(diǎn)膠量。

5) 4臺(tái)聚焦機(jī)與4臺(tái)PC：PC控制聚焦機(jī)對(duì)PCB進(jìn)行聚焦與點(diǎn)膠固化。

6) TP700觸摸屏：對(duì)整個(gè)項(xiàng)目設(shè)備進(jìn)行控制、故障與通信診斷、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

2.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)絡(luò)采用星形結(jié)構(gòu)，如圖6所示，S7-1500與1臺(tái)工控機(jī)、1個(gè)機(jī)器人采用開放式通信，與4臺(tái)聚焦PC采用S7通信，與1個(gè)S7-1200采用PROFINET通信。

圖6 網(wǎng)絡(luò)概覽

三、控制系統(tǒng)完成的功能

1.相機(jī)定位的實(shí)現(xiàn)

(1) 相機(jī)定位原理

機(jī)器人與相機(jī)總覽如圖7所示。

1) 平移。工件發(fā)生平移時(shí)，在拍照位置進(jìn)行拍照后，與開始訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)位置對(duì)比，Mark點(diǎn)成像會(huì)產(chǎn)生偏移；Mark點(diǎn)偏移量MDx=CDx、MDy=CDy;如圖8所示即相機(jī)計(jì)算出的Mark點(diǎn)偏移量，可以直接補(bǔ)償。

2)平移和旋轉(zhuǎn)。工件發(fā)生平移和旋轉(zhuǎn)時(shí)，在拍照位置進(jìn)行拍照后，與開始訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)位置對(duì)比，Mark點(diǎn)成像會(huì)產(chǎn)生偏移。

因?yàn)镸ark點(diǎn)偏移量MDx≠CDx、MDy≠CDy,所以相機(jī)計(jì)算出的Mark點(diǎn)偏移量，不能直接補(bǔ)償給機(jī)器人，需要計(jì)算出CDx和CDy及CDr和MDr 然后補(bǔ)償給機(jī)器人，機(jī)器人補(bǔ)償后才能進(jìn)行抓取，如圖9所示。

圖7 發(fā)生平移

圖8 發(fā)生平移與旋轉(zhuǎn)

圖9 機(jī)器人與相機(jī)總覽

3) 實(shí)際流程。首先要對(duì)相機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)械手坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定，保證相機(jī)計(jì)算出的坐標(biāo)與機(jī)器人一致。相機(jī)的位置要保持固定不變，機(jī)器人抓取的PCB在相機(jī)拍照處位置為Pos1并且相機(jī)拍取照片為Pic1，PCB定位孔準(zhǔn)備水平放入聚焦機(jī)的銷釘?shù)奈恢脼镻os2，PCB定位孔最終放入聚焦機(jī)的銷釘?shù)奈恢脼镻os3。

進(jìn)行校正的PCB在Pos1拍取照片Pic2，工控機(jī)通過(guò)比較Pic1與Pic2中Mark點(diǎn)之間的差異計(jì)算出偏移的X、Y、θ,換算出新的Pos2′，放入最終Pos3。如圖10所示為實(shí)際拍攝的PCB照片。

圖10 相機(jī)拍攝PCB照片

(2) 相機(jī)的工控機(jī)與PLC通信

PLC與工控機(jī)之間通過(guò)開放式通信發(fā)送與接收固定長(zhǎng)度的BYTE（字節(jié)）數(shù)組，定義好對(duì)應(yīng)BYTE的含義則可進(jìn)行信息交互，如表1所示。對(duì)于浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，PLC需要通過(guò)SWAP指令對(duì)DWORD（雙字）進(jìn)行數(shù)據(jù)順序更改，如圖11所示，程序如圖12所示。

表1 PLC與工控機(jī)通信格式

（續(xù)）

圖11 DWORD字節(jié)順序

圖12 SWAP指令使用

2.通過(guò)PROFINET實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的控制

S7-1200作為PROFINET IO設(shè)備，S7-1500作為IO控制器。這樣S7-1500可以通過(guò)S7-1200的脈沖控制伺服，智能設(shè)備組態(tài)如圖13所示。因?yàn)閭鬏斨械念愋桶址?，需要將狀態(tài)I傳至DB，DB命令覆蓋至Q，軸的通信內(nèi)容如圖14所示，程序如圖15所示。

圖13 智能設(shè)備組態(tài)

圖14 軸的通信內(nèi)容

圖15 DB對(duì)IQ存儲(chǔ)區(qū)讀寫

3.聚焦PC與PLC通信

聚焦PC主動(dòng)與S7-1500建立S7連接，聚焦PC對(duì)定義好的DB字節(jié)數(shù)組讀與寫，雙方起到交換信息的作用，通信格式見表2。

表2 與聚焦PC通信格式

（續(xù)）

4.項(xiàng)目中的難點(diǎn)分析

1) S7-1500支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。選用哪種通信協(xié)議最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)、最安全是非常關(guān)鍵的。

① 與相機(jī)的工控機(jī)通信采用開放式通信，因?yàn)閮H相機(jī)數(shù)據(jù)傳輸，那么開放式通信無(wú)疑是最簡(jiǎn)單的。

② 與4臺(tái)聚焦機(jī)PC通信采用S7通信，因?yàn)闄C(jī)器人要將PCB放入聚焦機(jī)內(nèi)聚焦，那么聚焦機(jī)的當(dāng)前安全狀態(tài)需要實(shí)時(shí)了解，通過(guò)S7協(xié)議，PC可以將當(dāng)前狀態(tài)不斷寫入PLC的DB，讓PLC進(jìn)行判斷。

③ 與S7-1200采用PROFINET通信，因?yàn)镾7-1200支持PROFINET IO，而且PROFINET實(shí)時(shí)性非常高（可以達(dá)到5ms以內(nèi)），S7-1200組態(tài)IO映射后，S7-1500程序中可以直接使用IO，非常簡(jiǎn)單。

2) 項(xiàng)目中使用多種通信協(xié)議，針對(duì)不同協(xié)議診斷的方法也不一樣。

① 對(duì)于開放式通信，通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)T-DIAG功能塊進(jìn)行診斷，對(duì)于讀出的Result.State進(jìn)行判斷，程序如圖16所示，State說(shuō)明如表3所示。

圖16 開放式通信診斷程序

表3 State說(shuō)明

② 對(duì)PROFINET IO設(shè)備診斷，通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)DeviceStates功能塊進(jìn)行診斷，程序如圖17所示，因?yàn)樵O(shè)備編號(hào)為1，位1為True代表IO設(shè)備存在，如圖18所示。

圖17 IO設(shè)備診斷程序

圖18 診斷緩存

③ 對(duì)S7通信診斷，因?yàn)镾7通信為單邊通信，所以PC需要不斷地對(duì)固定字節(jié)進(jìn)行累加寫入，PLC通過(guò)判斷字節(jié)累加與否從而得知連接狀態(tài)，如表2聚焦機(jī)反饋至PLC字節(jié)B0所示。

3) PLC需同時(shí)協(xié)調(diào)多種設(shè)備的流程動(dòng)作與通信，GRAPH語(yǔ)言是最佳選擇，如何快速診斷出GRAPH中的互鎖、監(jiān)控、跳轉(zhuǎn)條件，是保證生產(chǎn)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

① 使用HMI中GRAPH總覽控件，可以看到當(dāng)前的步號(hào)，互鎖、監(jiān)控條件以及轉(zhuǎn)換條件、動(dòng)作的名稱，如圖19上半部分所示。

② 使用HMI中PLC代碼視圖控件，直接顯示GRAPH源程序，互鎖、監(jiān)控條件一條條列出來(lái)，如圖19下半部分所示。

4） 生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可追溯對(duì)于故障分析、工藝改進(jìn)起至關(guān)重要的作用。但對(duì)于沒有 MES和 SCADA的項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，如何通過(guò)簡(jiǎn)單的方式讓生產(chǎn)工程師查看生產(chǎn)數(shù)據(jù)就成了難點(diǎn)，以往的解決方法是通過(guò)HMI將數(shù)據(jù)存入U(xiǎn)盤，但查看數(shù)據(jù)需要HMI反復(fù)上電插拔 U 盤，這樣很不方便。PLC 中的數(shù)據(jù)記錄功能可以通過(guò)編程選擇時(shí)間點(diǎn)來(lái)記錄多條數(shù)據(jù)，PC或者手機(jī)通過(guò)CPU集成的 Web服務(wù)器功能查看，生成的數(shù)據(jù)日志如圖20所示，訪問(wèn)數(shù)據(jù)日志的 CSV文件如圖21所示。

圖19 GRAPH診斷

圖20 生成數(shù)據(jù)日志

圖21 生成的CSV文件

四、項(xiàng)目運(yùn)行

1900系列測(cè)試PCB工位自動(dòng)化改造于2018年1月15日完成，系統(tǒng)投入試運(yùn)行。

項(xiàng)目完成后減少了3個(gè)操作員的人力成本，人工操作得到簡(jiǎn)化，避免了人為產(chǎn)生的錯(cuò)誤，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)自動(dòng)化生產(chǎn)一致性高，生產(chǎn)數(shù)據(jù)可追溯。

五、應(yīng)用體會(huì)

如今工業(yè)以太網(wǎng)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線，西門子PLC在工業(yè)以太網(wǎng)通信中靈活、穩(wěn)定、安全、實(shí)時(shí)性高。1900系列項(xiàng)目經(jīng)過(guò)半年的實(shí)際使用，通信穩(wěn)定性極高，還未出現(xiàn)過(guò)任何錯(cuò)誤，如圖22所示。項(xiàng)目使用的CPU1511是S7-1500系列CPU最經(jīng)濟(jì)的一款，同時(shí)連接8臺(tái)設(shè)備，使用4種不同協(xié)議，僅占到通信資源的20%，剩余資源依舊富余，如圖23所示，這充分體現(xiàn)了西門子公司產(chǎn)品通信性能的強(qiáng)大。

圖22 通信統(tǒng)計(jì)

圖23 連接資源

參考文獻(xiàn)

［1］ 西門子（中國(guó)）有限公司SIEMENS AG.TIA Portal V14幫助［Z］.2017.

［2］ 西門子（中國(guó)）有限公司SIEMENS AG.Machine and Plant Diagnostics with ProDiag［Z］.2017.