基于智能制造产线下 PLC 与工业机器

本科毕业论文（设计）论文题目：基于智能制造产线下PLC与工业机器人数据交互设计姓 名：学 号：班 级：年 级：专 业：学 院：指导教师：完成时间：本科毕业论文（设计）专用本科毕业论文（设计）专用摘要自“中国制造2025”的提出以来，中国大力倡导先进制造业的发展，在此期间，中国的造产线相关研究也越来越受到关注。在整条智能制造产线运行中，PLC与工业机器人之间的通讯为其中极其重要的一环，因此，对该部分的研究就有着十分重大的意义。本文介绍以S7-1200PLC为中央处理系统，以华中数控工业机器人系统为输出服务RFID为监控系统的智能制造产线通讯部分。采用ModbusTCP和Modbus通讯协议进行通讯，实现用触摸屏就可以让机器人完成仓库取料、放料以及机床的上料、下料；采用RFID对料仓进行实时监控，及时的读取或者写入物料状态。根据ModbusPLC与工业机器人和之间的通讯编程。利用PLC人下单运行指令。本文采用工业机器人配合PLC和RFID代替人工进行上下料，提升了整条产线的安全性，并节省了大量人力。关键词：智能制造产线；S7-1200PLC；Modbus通讯协议；RFID；华中数控工业机器人；AbstractSincetheproposalof"MadeinChina2025",Chinahasvigorouslyadvocatedthedevelopmentofadvancedmanufacturingindustry.Duringthisperiod,China'sintelligentmanufacturingindustryhasflourished.Inordertobecomeamanufacturingadvancedmanufacturingindustryisindispensable.Therefore,researchonintelligentmanufacturingproductionlineisalsoreceivingmoreandmoreattention.Intheoperationoftheentireintelligentmanufacturingline,thecommunicationbetweenPLCandindustrialrobotsisanextremelyimportantpart.Therefore,theresearchonthispartisofgreatsignificance.ThispaperintroducesthecommunicationpartofintelligentmanufacturingproductionlinewithS7-1200PLCasthecentralprocessingsystem,HuazhongCNCindustrialrobotsystemastheoutputserver,delicatepanelastheoperationpanel,andRFIDasthemonitoringsystem.ModbusTCPandModbuscommunicationprotocolsareusedforcommunication,andtherobotcancompletethepickingandplacingofmaterialsinwarehouseandtheloadingandunloadingofthemachinetoolwiththetouchscreen;RFIDisusedtomonitorthesiloinrealtimeandreadorwritethematerialstatusintime.AccordingtotherelevantrequirementsoftheModbuscommunicationprotocol,carryoutthecommunicationprogrammingbetweenPLCandindustrialrobotsandRFID.UsetheworkingcharacteristicsofPLCtohelptheindustrialrobotcalculateanddeterminetheoffsetofthesilo,adoptthegrippernumber,andsendtherobotarunningInthispaper,industrialrobotsandPLCandRFIDareusedtoreplacemanualloadingandunloading,whichimprovesthesafetyofthewholeproductionlineandsavesalotofmanpower.Keywords:intelligentmanufacturingproductionline;S7-1200PLC；Modbuscommunicationprotocol;RFID；HuazhongCNCIndustrialRobot;Dataexchange目录TOC\o"1-2"\h\z\u1 绪论 11.1 课题研究的背景和意义 11.2 国内外研究现状 11.3 研究内容 22 硬件配置 3西门子PLC3车床I/O连接7铣床I/O连接8机器人选型9HMI选型93 软件配置 10程序结构10全局数据块建立11通讯程序编程17运算程序编程214 HMI设计与编程 27画面的设计布局27按钮的变量关联285 综合调试 29通讯延迟29程序校验30产线综合运行32优势分析326 结语 33参考文献 34致谢 35附录 36附录一附录二PAGEPAGE11 绪论1.1课题研究的背景和意义国制造2025》的提出，意在通过三个十年的努力，到新中国成立一百年时，把我国建设成为引领世界制造业发展的制造强国，为实现中华民族伟大复兴的中国梦打下坚实基础。随着我国科学技术的进步，人们对于商品质量的需求有了新的提升，商品的复杂程度也在可是仍然存在大而不强，多而不精的情况，在很多的制造领域依然要依赖于进口，在目前现代工业机器人集精密化、柔性化、智能化等先进制造技术于一体，由于其强大的可编程功能，使得其在各类制造厂里都能够大放异彩；在制造业领域，要想实现批量化、统这两者配合上PLC转变。1.2国内外研究现状我国正在从制造业大国向制造业强国转变，但我国制造业技术长期以来都是以传统制造业为主，不利于未来世界市场的竞争。在新冠疫情期间，由于很多工厂劳动力的缺失，迫使其向智能制造升级，反而使得智能制造技术进一步发展，目前我国的智能制造技术正在一步步赶超世界其他制造大国，逐步成为世界舞台上的一颗新星。1992年执行新1994重的突出了智能制造的重要地位；德国是世界著名的工业4.0发源地，世界上智能制造技发经费占GDP的比例也是位居世界第一，著名的发那科和安川系统就是来自于日本。环节更加高效、准确和全面地完成。1.3研究内容本文以机器人应用、PLC编程为出发点，在规格化、批量化的零件生产要求中，用工V16进行PLCModbus通HMI界面用于触摸面板操作，用RFID进行监控，有效的节省了大量的人力，并提升了整套系统操作的安全性，更使整个产线启动运行更加简单、易于操作。2 硬件配置2.1西门子PLC的配置2.1.1CPU型号1个通讯模块用于对RFID进行通讯；2个PROFINET端口用于编程、HMI和PLC间数据通信；4个I/O扩展信号模块用于连接机床CPU1215DC/DC/DC6ES7215-1AG40-0XB0，在此型号下，有V4.0-V4.4共计5个版本，其具体情况如表2.1所示。表2.1CPU1215DC/DC/DC各版本配置版本配置V4.0100KB工作存储器；24VDC电源，板载DI14x24VDC漏型/源型，DQ10x24VDC及AI2和AQ2；板载6个高速计数器和4个脉冲输出；信号板扩展板载I/O；多达3个通信模块用于串行通信；多达8个信号模块用于I/O扩展；2个PROFINET端口用于编程，HMIPLC间的通信。V4.1125KB工作存储器；24VDC电源，板载DI14x24VDC漏型/源型，板载DQ10x24VDC及AI2AQ2；板载6个高速计数器和4个脉冲输出；信号板扩展板载I/O；多达3于串行通信的通信模块；多达8个用于I/O扩展的信号模块；2个PROFINET端口，用于编程、HMI和PLC间数据通信。V4.2125KB工作存储器；24VDC电源，板载DI14x24VDC漏型/源型，板载DQ10x24VDC及AI2AQ2；板载6个高速计数器和4个脉冲输出；信号板扩展板载I/O；多达3于串行通信的通信模块；多达8个用于I/O扩展的信号模块；2个PROFINET端口，用于编程、HMI和PLC间数据通信V4.3125KB工作存储器；24VDC电源，板载DI14x24VDC漏型/源型，板载DQ10x24VDC及AI2AQ2；板载6个高速计数器和4个脉冲输出；信号板扩展板载I/O；多达3于串行通信的通信模块；多达8个用于I/O扩展的信号模块；2个PROFINET端口，用于编程、HMI和PLC间数据通信V4.4125KB工作存储器；24VDC电源，板载DI14x24VDC漏型/源型，板载DQ10x24VDC、AI2和AQ2；板载6个高速计数器和4路脉冲输出；信号板扩展板载式I/O；多达3个可进行串行通信的通信模块；多达8个可用于I/O扩展的信号模块；PROFINETIO控制器，双端口，智能设备，TCP/IP传输协议，开放式用户安全通信，S7服务器，OPCUA：服务器DA对比之下，V4.0的工作存储器容量相对较少；而V4.4有很多新增功能，但本作品无程打开的时间就越长，影响多次编程效率，综合考虑，这里主要编程选用版本备选版本V4.2。2.1.2通讯模块选型这里主要用于RFID通讯，为满足更高的通讯效率，这里选择点对点分支下，CM1241(RS422/485)，订货号为6ES7241-1CH32-0XB0，版本选用V2.2，在西门子官网，可查询到该型号具体参数，见图2.1和图2.2。图2.1CM1241(RS422/485)参数2.1.3I/O信号扩展模块

图2.2CM1241实物样式CPU自带的I/OCPU自带16位输入和1664位的输入和32DI/DQ模块和两个DI求。其中，DI/DQ扩展模块选用SM1223，DI16x24VDC，DQ16x继电器，其技术参数如图2.3所示。图2.3SM1223，DI16x24VDC，DQ16x继电器DI扩展模块选用SM1221，DI16x24VDC，其参数见图2.4所示。2.1.4组装

图2.4SM1221，DI16x24VDC组态见图2.5。图2.5设备和组态图中：[1]CPU，负责程序编程和运算，输入输出地址为0.0-0.7,1.0-1.7共计16位；[2]SM1223-1，扩展I/O模块，输入输出地址为2.0-2.7,3.0-3.7,共计16位；[3]SM1223-2，扩展I/O模块，输入输出地址为4.0-4.7,5.0-5.7,共计16位；[4]SM1221-1，扩展I模块，输入地址为8.0-8.7,9.0-9.7，共计16位；[5]SM1221-2，扩展I模块，输入地址为10.0-10.7,11.0-11.7，共计16位；奇偶校验无，数据位8字符，停止位1，等待时间20000ms。2.2车床I/O连接要想实现PLCPLCPLC外部I/O连接机床对应开关，以实现其控制操作。这里直接将2.1中SM1233-1的16位外接I/O口使用即可，其按照表2.2所示。表2.2车床开关连接名称变量类型地址位车床已联机Bool%I2.0车床卡盘有工件Bool%I2.1车床在原点Bool%I2.2车床运行中Bool%I2.3车床加工完成Bool%I2.4车床报警Bool%I2.5车床卡盘张开状态Bool%I2.6车床卡盘夹紧状态Bool%I2.7车床开门状态Bool%I3.0车床允许上料Bool%I3.1车床预留1Bool%I3.2车床预留2Bool%I3.3车床预留3Bool%I3.4车床启动信号Bool%Q2.1车床响应信号Bool%Q2.2机器人急停Bool%Q2.3车床安全门控制Bool%Q2.4车床卡盘控制信号Bool%Q2.5车床急停Bool%Q2.6车床吹气Bool%Q2.72.3铣床I/O连接与车床对应开关做得有一定的对称性，这里直接将2.1中SM1233-2的16位外接I/O口使用，由此得出对应连线见表2.3。表2.3铣床开关连接名称变量类型地址位铣床已联机Bool%I4.0铣床卡盘有工件Bool%I4.1铣床在原点Bool%I4.2铣床运行中Bool%I4.3铣床加工完成Bool%I4.4铣床报警Bool%I4.5铣床虎钳卡盘张开状态Bool%I4.6铣床虎钳卡盘夹紧状态Bool%I4.7铣床开门状态Bool%I5.0铣床允许上料Bool%I5.1铣床零点卡盘夹紧到位Bool%I5.2铣床零点卡盘松开到位Bool%I5.3铣床预留1Bool%I5.4铣床联机请求Bool%Q4.0铣床启动信号Bool%Q4.1铣床响应信号Bool%Q4.2铣床零点卡盘控制Bool%Q4.3铣床安全门控制Bool%Q4.4铣床虎钳卡盘控制信号Bool%Q4.5铣床急停Bool%Q4.6铣床吹气Bool%Q4.72.4机器人选型工业机器人这里这里选用华中数控HSR-JR620L工业机器人，其主要有以下优势：HSR-JR620L具有精度至高、加速能力强、运动范围超大等优点,重复定位精度高达±0.06mm，运动半径长达1848mm，可轻松应对加工、装配及焊接等行业的应用市场。且可一年回收成本，在后面的智能制造产线作业中多次重复操作也不易出现故障；长寿命：采用高精密高刚度进口减速机，寿命可长达数十年；0.3S；久保持无故障率；超高精度：除了精密的设计外，采用了进口高精密减速机，末端重复定位精度高达±0.06mm；到过渡点零时间停顿；高刚性：经过结构优化，采用大功率电机与优质的材料，刚性非常好；高负载：末端最大负载20kg，可轻松应对加工、装配及焊接行业的应用市场。2.5HMI选型简洁，这里，由于整个流程下对HMI性能要求不高，这里选用TP700精智面板，其主要参数如下：7.0''TFT显示屏，800x480像素，16M色；触摸屏；1个MPI/PROFIBUSDP，1个支持MRP和的PROFINET/工业以太网接口（2个端口）；2个多媒体卡插槽；3个USB。10103 软件配置3.1程序结构在编写一个PLC工业机器人和RFID两个通讯程序，通讯程序数据块的使用，就需要用到全局数据块存储控制机床的运算程序，为便于关联所有子程序放入主程序之中，使排布更加有条理，便于后期修正与调试。在上述基础之下，就得到了如图3.1所示框架图。图3.1程序框架图PAGEPAGE113.2全局数据块建立块和程序编程的调用中间量全局数据块。3.2.1通讯全局数据块简写为“ROB通讯数据块”）和RFID读写全局数据块（后文简写为“RFID通讯数据块”）。其中，ROB通讯数据块用于PLC与机器人的读写，机器人和PLC程序也是一次为基础，进行数据交互，实现联调运行，在本次设计中，其准确性极其重要；而RFID通讯数据块用于对料仓状态的读写，也是贯穿于整个设计之中。（1）ROB通讯数据块的创建与配置在ROB通讯数据块中，全部为int变量，分为读和写各16位int，读的部分是通过ModbusTCP读取工业机器人指定的16PLC及时的收到机器人的反馈，能实时了解到机器人的运行状态以及实时的在HMI上展示出机器人的各个坐标轴的坐标值。工业机器人读状态对应的PLC内全局变量见表3.1。表3.1工业机器人读寄存器对应PLC值机器人内部地址功能变量类型定义功能值说明1读intJ1轴实时坐标值(系统数据)J1轴实时坐标值2读intJ2轴实时坐标值(系统数据)J2轴实时坐标值3读intJ3轴实时坐标值(系统数据)J3轴实时坐标值4读intJ4轴实时坐标值(系统数据)J4轴实时坐标值5读intJ5轴实时坐标值(系统数据)J5轴实时坐标值6读intJ6轴实时坐标值(系统数据)J6轴实时坐标值7读intE1轴实时坐标值(系统数据)E1轴实时坐标值8读int机器人状态(系统数据)机器人报警9读int机器人home位(第2参考点)确认(系统数据)机器人home位10读int机器人模式(系统数据)机器人运行模式读int机器人运行状态忙/空闲R[90]0：空闲1：忙12读int取料位置响应R[11]，机器人反馈取料位13读int放料位置响应R[12]，机器人反馈放料位14读int设备号响应R[13]，机器人反馈设备号15读intRFID位置R[14]，机器人反馈16读intR[24]控制信号R[24]1:请求读RFID芯片2：请求RFID芯片写入3:请求车床卡盘松开4：请求车床卡盘夹紧5:请求铣床夹具6：请求铣床夹具7:请求机床启动9:料仓盘点完成11：车床上料完成12:车床下料完成13：铣床上料完成14:铣床下料完成15：料仓放料完成资料来源：2019年人社MES与PLC变量表PLCROB通讯数据块中，写数据主要为便于机器人计算以及发送对应的控制命令，为便于后期升级运用MES的方式传递给机器人取放料信号和料仓坐标位置，其详细信息见表3.2。表3.2工业机器人写寄存器对应PLC值机器人内部地址功能变量类型定义功能值说明1写int取料位R[15]2写int放料位R[16]3写int设备号R[17]1:车床2：铣床4写intRFID读写完成R[18]5写int车床安全门R[19]0：打开；1：关闭6写int加工中心安全门R[20]0：打开；1：关闭7写int手爪类型R[21]8写intR[22]R[22]9写int料仓盘点启动信号R[23]0：不启动1：启动10写int订单生产启动信号R[25]写int车床卡盘信号R[26]0：打开1：关闭；12写int铣床卡盘信号R[27]0：打开1：关闭；13写int列偏R[28]14写int行偏R[29]15写intHMI信号R[31]1：HMI发出的指令(不执行机床启动）16写int机器人运行功能待测试：(自动模式）3暂停运行程序4恢复运行程序目标：打到外部模式，通过PLC能够控制机器人程序的加载、上使能、启动、暂停、恢复、卸载资料来源：2019年人社MES与PLC变量表最终，设置好的全局变量如图3.2所示。图3.2ROB通讯数据块（2）RFID通讯数据块的创建与配置RFIDint3.3所示即可。图3.3RFID通讯数据块由于在软件中会自动选用“优化的块访问”这一选项，而用于通讯的全局数据块采用此3.2和3.2.2所示状态。进行调用。3.2.2中间量全局数据块路更加清晰、有条理，对于不同程序里面的调用，分别创建其对应的中间量Struct。（1）HMIHMI部分主要用于HMI上按钮操作功能与编写程序相关联和显示实时状态，主要又分为下单、RFID读写、车床监视与控制、铣床监视与控制、机床吹气五个部分。下单人程序思路如图3.4所示，本次设计中机器人采用表3.2中设备号进行判定是工作于车床或是工作于铣床，命令1为车床，2为铣床。以此，就可以设计出下单所需要用到的中间8个bool变量和一个int变量。2RFID

图3.4工业机器人程序思路图RFID页面所需要关联的按钮仅有两个，分别为读RFID和写2个bool变量。3车床车床需要用到的主要有车床门开关、卡盘夹紧和卡盘松开共计3个bool变量。铣床夹共计5个bool变量。5机床吹气通过HMI气时间和吹气间隔总计2个bool变量、2个时间变量。的保障。（2）料仓一个新的数据类型，如图2.2.4所示。图3.5RFID数据类型由于RFID30保持程序的简洁性，本次设计中采用创建新数据类型同时利用Array变量进行批量创建的of‘RFID数据’”即可，如图3.6所示。图3.6料仓中间量创建3.3通讯程序编程本次设计中通讯部分主要为两个部分即ROB(Robot,这里指工业机器人通讯和RFID通讯。RFID通讯在2.1RFIDCM1241CM1241通讯板，我们就可以使用Modbus_Comm_Load指令通过Modbus协议对用于通信的通信模块RFIDModbus_Comm_Load指令块的使用。在编程之前，需要对CPU属性进行设置，在属性-系统和时钟存储器选项栏中，启用系统存储字节和时钟存储字节。随后，便可以创建FC程序块，然后，在通讯处理器-Modbus(RTU)选项中调用Modbus_Comm_Load应保持最初状态就开启状态，故在此使用M1.0，即系统存储器中FirstScan，在程序开始即给REQ端端口中，选用已经配置好的"Local~CM_1241_(RS422_485)_1"块，BAUD传输速率选用最高的1000ms等待从站响应的时间；将MB_DB端口空出，待后面配置完成后加入对应块。剩下部分根据系统默认即可，如此，完成了对于Modbus_Comm_Load指令块的配置，配置结果见图3.7所示。图3.7Modbus_Comm_Load指令配置由于我们CM1241块中RS422/485接口中操作模式是选用半双工（RS485）2线制模式，而Modbus_Comm_Load指令创建后，系统默认为16#00，即全双工(RS422)4线制模式.点到点，故需要在系统快，Modbus_Comm_Load_DB中，StaticMODE里16#00改为16#04。随后我们便可以添加Modbus_MasterModbus_Comm_Load指令组态的端口作为Modbus主站进行通信。这里有读和写两个部分，其中公共部分有MB_ADDR（Modbus站地址），均选择Modbus从站中3.3（模式）为“0”读，“1”写，“2”诊断。表3.3Modbus_Master指令端口调用规则MODE（Modbus地址）0每个请求的位数1到99991到2000/199210每个请求的位数10001到199991到2000/199210每个请求的字数40001到499991到125/1241400001到4655351到125/12410每个请求的字数30001到399991到125/12411每个请求的位数1到999911每个请求1个字40001到499991400001到46553511每个请求的位数1到99992到1968/196011每个请求的字数40001到499992到123/122400001到4655342到123/12212²每个请求的位数1到99991到1968/196012²每个请求的字数40001到499991到123400001到4655351到1221此功能将忽略Modbus_Master的和操作数。REQ依然为启动该指令，即为“1”时，请求向Modbus从站发送数据，本次设计中，HMI和机器人应均可发出RFID读写请求信号，由3.2的表3.1中可知，当机器人发送R[24]=1时，请求读RFID信号，R[24]=2时，请求写RFID信号，在3.2-2）-（1）HMI部分提到，HMI中分别关联读和写两个bool量，用于此处控制RFID的读写。以读RFID为REQ处添加和HMI中读RFID出选择处填写P#DB4.DBX0.0INT4（DB4:选用DB4全局数据块，即3.2中所创建的RFID通讯全局数据块;X0.0:起始地址为0.0；INT：关联变量为INT;4:共计使用4位INT量），在指令快ENO1赋值给机器人通讯变量中的“RFID读写完成”，其含义为：读RFID完成后，向机器人发送RFID读写完成信号。2020图3.8读RFID程序写RFIDMODE和DB4Modbus_Master指令配置完成后，回到Modbus_Comm_Load指令块中，将配置好的Modbus_Master绑定在Modbus_Comm_Load的MB_DB通讯中“RFID读写完成”在向机器人发送信号后应该将其复位，来保证下一次程序的正常运行，设置此变量为1再加入接通延迟2s后将其置为0，至此，RFID通讯配置完成。ROB通讯对于ROB3.2中涉及到的全局数据块创建完成以后，需要创建MB_CLIENTPLC作为客户端，ROB作为服务端，通过PROFINET连接进行通信，使用此ModbuTCP版本均选择3.1版本，MB_CLIENT指令块需要创建读和写两个部分，其程序如图3.9。图3.9ROB读写通讯程序PAGEPAGE21其中：读ROB的频率为1Hz,正常处理状态下会断开，完成后“DONE”和“BUSY”重新置为“0”再次启动读，ROB的MB_CLIENT指令块REQ上只需使用每次读完成后的“DONE”即可DISCONNECT，本次设计中采用指定IP和端口号的通信连接，故选用状态“0”（3）CONNECT_ID，本次设计为确定唯一的ID，填入“1”（4）IP_OCTET_x（1~4），机器人的IP地址，本次设计中机器人IP地址为17，即在1-4中分别填入“192”、“168”、“8”、“117”。（5）IP_PORT，端口号，这里采用默认端口号502（6）MB_MODE，模式，“0”读，“1”写（7）地址范围16PLC地址范围40001—49999，占16位。故，读部分起始地址选用30001，写部分选用40001（8）DATA_LEN，数据长度，有前文可知，数据长度位16（9）3.2节中创建的ROB全局数据块相关联，前16位int量为读，后16位int量为写，故二者起始地址分别为0.0和32.0ROB即可。3.4运算程序编程在3.1料仓读写、工业机器人下单、机床控制和综合联调四个部分，PLC的运算程序为一整套智能制造系统的逻辑处理核心，下面对其设计进行详细说明：3.4.1RFID料仓读写3.3中RFIDRFID通讯数据及时的反馈给HMI中间量料仓中，将其一一对应赋值，若采用“MOVE”指令会使工作量过大，本次设计选用SCL语言，利用程序嵌套以实现这一功能，其程序如下：//读IF"rob通讯"."R[24]"=1AND"rob通讯".RFID位置<>0AND"Modbus_Master_DB".DONE=TRUETHEN"中间量".料仓["rob通讯".RFID位置].场次:="RFID通讯数据".读场次;"中间量".料仓["rob通讯".RFID位置].材质:="RFID通讯数据".读材质;"中间量".料仓["rob通讯".RFID位置].工序:="RFID通讯数据".读工序;"中间量".料仓["rob通讯".RFID位置].状态:="RFID通讯数据".读状态;END_IF;//写IF"rob通讯"."R[24]"=2AND"rob通讯".RFID位置<>0THEN"RFID通讯数据".写场次:="中间量".料仓["rob通讯".RFID位置].场次;"RFID通讯数据".写材质:="中间量".料仓["rob通讯".RFID位置].材质;"RFID通讯数据".写工序:="中间量".料仓["rob通讯".RFID位置].工序;"RFID通讯数据".写状态:="中间量".料仓["rob通讯".RFID位置].状态;END_IF;程序中，以机器人发送信号“R[24]”读写RFID请求和“RFID位置”已获取料仓号判定程序读写，“"rob通讯".RFID位置”为实时料仓仓位号，以此为变量，嵌套入循环程序中，即可读取对应料仓信息。3.4.2机器人下单程序ROB下单程序主要用于HMI下单，进而帮助机器人运算相应数值，使得机器人按照设定执行对应程序。对应图3.4，设计出其对应的下单程序。（1）料仓判定首先，用中间量“仓位号”存储具体仓位，本次设计中选用5×6立体料仓，如图3.10，仓位号为排用于放置小圆毛坯，第排用于放置大圆毛坯，第5排用于放置方形毛坯。图3.10一体化料仓1行偏和列偏由于PLC利用仓位号计算行偏和列偏更加简单，这里选用PLC计算行偏列偏，同时需要占用两个通讯变量R[28]和R[29]（见表3.2）,首先，料仓中物料位置为均匀排布，料仓已完全固定。本次设计中，机器人示教点为1号和30号，以此算出总的行间距和列间距，然后通过行偏和列偏计算出对应仓位号的位置，如此，计算公式如下：列偏=（仓位号-1）/6取余行偏=（仓位号-1）/6取整 （式3.1）要利用PLC实现这一计算，本次设计中考虑用到SUB，MOD和DIV三个数学函数块，在按下启动按钮时，开始计算，先用SUB将仓位号-1并存储至MW300（由于变量为int，故存储中间量采用MW，为有效避免地址重复使用，尽量选用地址为较大的地址），随后，分别用MOD和DIV对MW300进行取余和取商并存储至R[28]和R[29]。夹爪号选择需要PLC给其提供对应仓位的手爪号，第1、2排用于放置小圆毛坯选用小圆夹爪，设定其为1排用于放置大圆毛坯选用大圆夹爪，设定其为25排用于放置方形毛坯选用方形夹爪，设定其为3号夹爪。夹爪确定完成后，需要安装固定好夹爪快换台，并按照指定顺序、特定位置放置好对应夹爪，如图3.11。图机器人夹爪快换台准备完毕后，需要机器人分别示教各个夹爪取放爪点位，并完成换爪程序，其后，在PLC中，采用IN_RANGE指令，判定出仓位号属于1~12，13~24，25~30时分别将1、2、3赋值给ROB变量中“手爪类型”，即表3.2中R[21]。（2）下单加工程序设计由于绝大部分运动程序均已在机器人程序中编程运行，PLC只需给出正确的设备号、取料位、放料位及订单生产启动信号。HMI中仓库取料按下，“库取”开关导通，此时，将和HMI信号(表3.2中R[25]和R[31])。最后，为便于后期调试，设置一键清零按钮将上述相关数据清零；便于多次下单，设置复原程序，机器人运行20s后将取料位、放料位、设备号清零。（3）机床控制1正反FB块机床控制部分主要利用大量外部IO通过线缆对机床相应部位执行控制，考虑有很多重复将开关转变为Y[0]N[1]的量，为便于编程，故直接创建正反FB块，输入为bool量，输出为int量，见图3.12。2联机

图3.12开0关1FB程序块I0.4关联车和铣的已联机QHMI中间量、R[24]对应值和其需要控制的IO一一对应，以车床门为例，如图3.13，车床门只需HMI上按下车床门开关，或者机器人发送R[24]=11即可。3吹气

图3.13车床门控制吹气部分有手动吹气和自动吹气两个部分，手动吹气即为按下以后便可使机床吹气，自动吹气可设定吹气时间和吹气间隔以实现更加标准化吹气，其程序见图3.14，利用脉冲控制接通总时长，利用接通延时的输出来使其循环往复运行，以完成交替式自动吹气。（4）综合联调

图3.14机床吹气程序此部分将各个部分元素联合在一起，使其成为一套完整的系统。1机床与ROB利用上文中所创建的正反FB块可直接输部分接入机床状态I接口输出接入ROB通讯中对应信号即可实现机床状态对于ROB的实时反馈。2ROB对机床控制只需确定R[24]值和对应机床的设备号即可向机床发送相应信号和启动信号。3机床反馈当机床零件加工完成，需要将其加工完成信号的相应及时的发送给ROB。料仓盘点人发送料仓盘点启动信号，盘点结束，通过机器人反馈信号将料仓盘点启动信号置为0。4 HMI设计与编程4.1画面的设计布局HMI的状态，其设计要求应整齐有序，外观相对规范得体。（1）主界面HMI分为工业机器人状态、车床状态、铣床状态、机器人下单、料仓监视、读写RFID共计六个部分，并添加一键清零按钮便于后期排障。（2）工业机器人状态

图4.1HMI主界面放，并在旁加以文字备注，最后加入一键清零按钮。（3）车床状态他界面按钮，以便于随时切换。（4）铣床状态铣床状态中较于车床，铣床有两个卡盘控制，零点卡盘和虎钳卡盘，其他部分一样。（5）机器人下单库放料、启动、料仓盘点、一键清零共计9个按钮，拖入仓位号，加文字备注，最后，拖入其他界面按钮。（6）料仓监视分分配一个IO（7）读写RFID设计此界面需要设置符号IORFID和写RFID按钮。4.2按钮的变量关联（1）主界面零按钮即可。（2）工业机器人状态位和运行状态需要与三个灯关联，以实时观察状态，拖入夹爪号和R[24]，并将一键清零按钮关联。（3）车床状态否装有工件。（4）铣床状态此部分关联与车床基本一致（5）机器人下单机器人下单中，将4.1中已创建的车床上料、车床下料、铣床上料、铣床下料、仓库取料、仓库放料、启动、料仓盘点、一键清零共计9个按钮与中间量中关联，均使用按1松0即可。（6）料仓监视料仓中，在4.1中创建完成以后，需要先创建文本，分别为场次、工序、材质、状态四种，场次在收到数值位0~6时输出位1~7；工序分为车工序、铣工序和车铣工序；材质4.1中创建的每一个IO背景方格中关联外部IO中对应的“仓格”（7）读写RFID将场次、工序、材质、状态的读写与3.2中RFID通讯全局数据块中变量进行一一关联，将读写按钮与中间量关联即可。5 综合调试5.1通讯延迟RFID和工业机器人在与PLC通讯时均会遇上通讯出现延迟的问题，那么，研究好每PLC和机器人程序进行进一步优化，可使整个产线衔接更加紧密。5.1.1PLC与工业机器人的通讯延迟要测试PLCFC5.1所示程序，然后编辑并加载如图5.2机器人程序。图5.1通讯延迟测试梯形图3030图5.2通讯延迟测试机器人程序由3.2已经下载至CPUHMI中启动按钮，观察2s后R[11]是否被置为1，若置为1，则通讯延迟小于2s，反之，则大于2s。若大于2s至4s之间，则换至3s继续测试，以此往复，最终将通讯延迟精度精确至0.5s经测试，本次设计中PLC与机器人之间的通讯延迟为3.5s至4s之间，故为保证更加流畅通讯，校验考虑通讯延迟因素时，将延迟定为4s。5.1.2PLC与RFID的通讯延迟RFID通讯延迟测试操作为，将触头靠近任意仓位，并立即开始用计时器计时，观察PLC监控表中该料仓数值变化，数值有变化，马上按下停止计时，为保证其精确性，需要略微差别，本次设计中最后得出各料仓延迟数值约为1.3~1.5s。5.2程序校验最后将一个部分进行试运行。PLC程序效验PLCPLC算机IP设置问题、组态IP不一致问题等均需要进行排除。其次观察ROB通讯过程中，全局数据块监控值是否按照预期值变化，若出现与预期F1PLC程序确认无误，需检查机器人程序的信号反馈是否正确。IO，若对应部分导通可以实现机床对应部分的开合则为正常，若出现异样则可能是程序编程或者外部接线问题，需要一一排除。PAGEPAGE31（1）RFID效验首先检查系统块-Modbus_Comm_Load_DB-Static-MODE中是否正确输入观察通讯块，开启监视，观察触点，16#0000为无错误，正常通讯，进行下一步操作。通过手动输入HMI中“写RFID位点，点击“写入RFID”，再点击“读取RFID”，若“读RFID”出现对应窗口与写入一致，则表示RFID程序功能正常，通讯无误。（2）ROB程序效验首先直接打开ROB通讯块，开启监视，观察机器人7轴坐标信息是否正确传输，若R[15]HMI偏）、“2”（行偏），即指定料仓位置为第三行第四列，若以上数据无误，则ROB下单部分程序正常。（3）机床控制效验先将机床开至联机状态，观察PLC监控中联机是否接通，确认无误后，直接在HMI则程序无误。HMI效验HMI中，首先检查机床IO信号灯是否正常打开/关闭，可能出现软件上IO关联错误问题，也可能外部接线没正常连接。PLC或机器人示教器中相应数值是否发生变化。随后，检查相应数值框是否正常，如机器人7轴坐标数据库，在机器人运动时，其数值应同时也发生变化。最后，检查动画显示效果，在RFID中，观察读写状态中，场次、工序、材质、状态是否显示正确。ROB程序效验在PLC和HMIR寄存器中数值变化是否正确，以确保通讯状态。现异样能及时暂停，速度尽量调低，以保证安全操作。上述均测试无误后，设置为自动模式，将主程序加载，运行，测试整个程序的运行状态是否正常。5.3产线综合运行在5.2均测试完成以后，进行产线试运行，将机器人加载主程序，转为自动模式，在HMI中输入仓位号，按下“仓库取料”，“车床上料”，“启动”按钮，观察程序运行状态，手后，测试机床取料入库，当均可以无误、安全运行后，产线便可以投入运行。5.4优势分析在实际的生产产线验证中，运用本次设计，可以做到让机床几乎不间断生产，同时，一个操作人员就可以操作整整5条产线，效率远远高于传统数控加工操作。同时，由于只通过触摸屏操作，相对更加轻松，也更为安全。对于编程程序，一次编程完成，就可以无限复制使用，大大降低维护成本，也为大规模使用提供便利。由此可见，本次设计具有一定的实用性，达到了机器人应用、产线运行的这一目标，MES完全自动化的这一要求。6 结语本文对智能制造产线中，PLC与机器人之间的通讯编程进行了设计和分析，根据ModbusTCP通讯协议实现工业机器人和PLC数据交互，使整个产线更加精准、可控。通过HMI本。本文主要进行了以下研究：（1）工业机器人和PLC通过通讯协议连接，可以对机器人进行实时控制。PLC端，通过非优化访问的全局数据块存储通讯信息，PLC作为客户端，通过读部分的16个INT位点读取出机器人16个寄存器信息；通过更改写部分的16个INT存器中，机器人通过读PLC写入的寄存器信息，完成对应的指令操作。HMI中变量关联PLC实现下单、数据监视等操作。（3）使用RFID进行料仓监视，利用Modbus进行通讯，使得PLC可以对料仓状态进行读写，并直观的反映到HMI中。（4）机床控制，通过添加数字量I/O模块，并将模块连接机床，实现PLC对于机床的控制。本文提出了一种基于PLC与机器人直接通讯的工业控制系统，该系统通过HMI下预。通过以上设计方法和思路，使整条产线更加安全、稳定、高效。参考文献[1]姜明.工业机器人技术在智能制造领域中的应用分析[J].现代工业经济和信息化,2022,12(09):122-124.[2]彭淑素.智能制造时代自动化技术在工业机器人中的应用研究[J].科技资讯,2022,20(18):60-62.[3]李嫄.智能制造中S7-1200PLC与工业机器人的ModbusTCP通信应用[J].新技术新工艺,2022(04):51-54.[4]孙洁,王兴楠,刘晓悦.MES与PLC实时通信系统研究[J].小型微型计算机系统,2020,41(01):128-131.[6]李霞.基于Modbus/TCP伺服通信设计[J].工业控制计算机,2022,35(05):35-38.[7]纪宗军.智能制造视域下西门子S7-1200PLC在电梯系统中的应用探析[J].数字通信世界,2022(06):132-134+137.[8]赵彦贺,王志江,周晓金,王彦朋,赵进江.一种基于Modbus通讯协议的现场智能控制器[P].河北省：CN115066124A,2022-09-16.[9]彭淑素.智能制造时代自动化技术在工业机器人中的应用研究[J].科技资讯,2022,20(18):60-62.[10]翟秀丽,孙锡保.智能制造中S7-1200Modbus/TCP与工业机器人通信应用[J].电子世界,2021(13):66-67.[11]佘志远,朱毅,肖万彪等.基于西门子1500的ModbusTCP与相机通信在冲压行业的应用[J].锻压装备与制造技术,2021,56(04):68-71.DOI:10.16316/j.issn.1672-0121.2021.04.016.[12]公相.s7-1200plc的modbustcp通信分析[J].数字技术与应用,2020,38(03):11-12.DOI:10.19695/12-1369.2020.03.05.[13]KOCOMOTION.SchrittmotorantriebemitModbusTCP[J].ElektrotechnischeZeitschrift:Elektrotechnik+Automation,2011,132(10):53.[14]JAMESR.STOCK,DIANER.EDMONDSON,JENNIFERA.ESPINOSA,etal.technology:aretrospectivelookfirmadoptionwithaviewtowardsthefuture[J].Internationaljournalofvaluechainmanagement:IJVCM,2016,7(4):317-351.[15]TONYJOHN,VORBR?CKER.EnablingIoTconnectivityforModbusTCPsensors[C].//202025thIEEEInternationalConferenceonEmergingandFactoryAutomation:25thIEEEInternationalConferenceonEmergingTechnologiesandFactoryAutomationSept.2020,Austria.:1339-1342.致谢首先，诚挚的感谢我的论文指导老师。她在忙碌的教学工作中来审查、指导修改我的论文，在我大学期间，给予我很多的关心与帮助；其次，我还要感谢我校实验中心主任，主任带领我参加有关于智能制造技术比赛，给予了我技术支持，也借以此，我才得以有本次设计的思路；随后，我还要感谢与我们校企合作对接的老师，他对我程序的精进，思路的扩展提供了很大的帮助。最后，还有教过我的所有老师们，你们严谨细致、一丝不苟的精神一直是我工作、学习中的榜样。好光阴映视着将来更进一步的灿烂生活，在此对你们表示衷心的感谢！会，扩宽了我的视野，让我实现自我，走向更加广阔的平台。附录附录一PLC程序：主程序Main（OB1）全局变量DB块4040FB程序块FC程序块PAGEPAGE46系统块5050PLCPAGEPAGE51PLC数据类型HMI文本和图形列表附录二Main:<attr>GROUP:[0]<end><pos><end><program>LBL[1]=0R[12]=0R[13]=0R[14]=0R[24]=0R[90]=0

工业机器人程序IFR[15]=0ANDR[16]=0ANDR[17]=0,GOTOLBL[1]R[25]=1=R[15]R[12]=R[16]R[13]=R[17]R[90]=1IFR[10]=0,CALL"QZ.PRG"IFR[10]<>R[21],CALL"HZ.PRG"IFR[11]<>0ANDR[12]=0ANDR[13]<>0,CALL"KQ.PRG"IFR[11]=0ANDR[12]<>0ANDR[13]=1,CALL"CQ.PRG"IFR[11]=0ANDR[12]<>0ANDR[13]=2,CALL"XQ.PRG"JJR[0]GOTOLBL[1]<end>QZ（取夹爪）：<attr>VERSION:0GROUP:[0]<end><pos><end><program>DO[4]=OFFDO[5]=ONJJR[2]JJR[3]LLR[R[21]]+LR[35]VEL=200LLR[R[21]]+LR[31]VEL=200LLR[R[21]]VEL=200TIME=1000DO[4]=ONDO[5]=OFFTIME=1000LLR[R[21]]+LR[31]VEL=200LLR[R[21]]+LR[30]VEL=200R[10]=R[21]JJR[3]JJR[2]DO[2]=OFFDO[3]=ON<end>6060HZ（换夹爪）：<attr>VERSION:0GROUP:[0]<end><pos><end><program>JJR[2]JJR[3]LLR[R[10]]+LR[30]LLR[R[10]]+LR[31]VEL=200LLR[R[10]]VEL=100TIME=1000DO[4]=OFFDO[5]=ONTIME=1000LLR[R[10]]+LR[35]VEL=200R[10]=0CALL"QZ.PRG"<end>PAGEPAGE61CQ（车床取料）：<attr>VERSION:0GROUP:[0]<end><pos><end><program>LR[42]=LR[R[10]+3]R[19]=0JJR[7]JJR[8]LLR[42]+LR[38]VEL=200LLR[42]VEL=200TIME=1000DO[2]=ONDO[3]=OFFTIME=1000R[24]=3R[26]=0TIME=1000LLR[42]+LR[38]JJR[8]JJR[7]R[24]=12T