西門子S7-1500在機器人與視覺定位中的應用

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在機器人與視覺定位中的應用，對手動測試工位進行自動化升級改造，使得工位的效率提高，減少了人力成本,且生產數據可追溯。

［關鍵詞］ 機器人、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、項目簡介

1.背景介紹

碼捷（蘇州）科技有限公司創(chuàng)建于1968年，總部位于美國新澤西州，是世界領先的激光全息條碼掃描設備生產商之一，現(xiàn)已加入霍尼韋爾集團。當前為了減少人力成本，提高生產效率，決定對測試1900系列掃碼槍PCB工位進行自動化升級改造。原有手工站如圖1所示，升級后的自動化生產如圖2所示。

圖1 手工生產

圖2 自動化生產

2.項目工藝介紹

聚焦機將PCB上的透鏡調整至最佳位置，然后進行點膠、UV固化。原有流程是人工將PCB放入聚焦機聚焦，聚焦結束后人眼判斷點膠效果，手動分揀良品、不良品。改造后的流程是人工一次將8個PCB放入載具，機器人從載具抓取PCB并依次放入4臺聚焦機聚焦，聚焦結束后通過相機判斷膠量，并對良品、不良品進行碼垛放置。升級后流程最為關鍵的工藝是機器人把PCB的定位孔插入聚焦機的銷釘，如圖3所示，而機器人抓取PCB不可避免地會出現(xiàn)輕微的偏移，要保證PCB定位精度在0.2mm，就必須使用相機對其進行位置調整。

圖3 PCB放入聚焦機

全局概覽如圖4所示，具體流程如下：

1) 上料與翻轉：人工將8個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，并放置在翻轉氣缸處進行90°翻轉。

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

3) 上托盤：托盤通過傳動帶自動傳入良品區(qū)，機器人將合格的PCB通過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：伺服對裝滿合格品的托盤進行垂直堆疊，滿盤后由人工取走。

二、控制系統(tǒng)構成

1.硬件配置

1) S7-1500系列PLC：整個控制系統(tǒng)的核心，具有強大的通信能力，使用GRAPH語言編寫設備間的動作邏輯順序。

2) S7-1200系列PLC：小型經濟的PLC用于伺服的脈沖控制。

3) ABB機器人：對PCB進行抓取與放置。

4) 2臺康耐視相機與1臺工控機：1臺相機抓取PCB定位圖像，另1臺抓取PCB點膠范圍圖像，工控機根據圖像分析出PCB偏移量與點膠量。

5) 4臺聚焦機與4臺PC：PC控制聚焦機對PCB進行聚焦與點膠固化。

6) TP700觸摸屏：對整個項目設備進行控制、故障與通信診斷、數據存儲。

2.網絡結構圖

網絡采用星形結構，如圖6所示，S7-1500與1臺工控機、1個機器人采用開放式通信，與4臺聚焦PC采用S7通信，與1個S7-1200采用PROFINET通信。

圖6 網絡概覽

三、控制系統(tǒng)完成的功能

1.相機定位的實現(xiàn)

(1) 相機定位原理

機器人與相機總覽如圖7所示。

1) 平移。工件發(fā)生平移時，在拍照位置進行拍照后，與開始訓練標準位置對比，Mark點成像會產生偏移；Mark點偏移量MDx=CDx、MDy=CDy;如圖8所示即相機計算出的Mark點偏移量，可以直接補償。

2)平移和旋轉。工件發(fā)生平移和旋轉時，在拍照位置進行拍照后，與開始訓練標準位置對比，Mark點成像會產生偏移。

因為Mark點偏移量MDx≠CDx、MDy≠CDy,所以相機計算出的Mark點偏移量，不能直接補償給機器人，需要計算出CDx和CDy及CDr和MDr 然后補償給機器人，機器人補償后才能進行抓取，如圖9所示。

圖7 發(fā)生平移

圖8 發(fā)生平移與旋轉

圖9 機器人與相機總覽

3) 實際流程。首先要對相機坐標系與機械手坐標系進行標定，保證相機計算出的坐標與機器人一致。相機的位置要保持固定不變，機器人抓取的PCB在相機拍照處位置為Pos1并且相機拍取照片為Pic1，PCB定位孔準備水平放入聚焦機的銷釘的位置為Pos2，PCB定位孔最終放入聚焦機的銷釘的位置為Pos3。

進行校正的PCB在Pos1拍取照片Pic2，工控機通過比較Pic1與Pic2中Mark點之間的差異計算出偏移的X、Y、θ,換算出新的Pos2′，放入最終Pos3。如圖10所示為實際拍攝的PCB照片。

圖10 相機拍攝PCB照片

(2) 相機的工控機與PLC通信

PLC與工控機之間通過開放式通信發(fā)送與接收固定長度的BYTE（字節(jié)）數組，定義好對應BYTE的含義則可進行信息交互，如表1所示。對于浮點型數據，PLC需要通過SWAP指令對DWORD（雙字）進行數據順序更改，如圖11所示，程序如圖12所示。

表1 PLC與工控機通信格式

（續(xù)）

圖11 DWORD字節(jié)順序

圖12 SWAP指令使用

2.通過PROFINET實現(xiàn)對PLC的控制

S7-1200作為PROFINET IO設備，S7-1500作為IO控制器。這樣S7-1500可以通過S7-1200的脈沖控制伺服，智能設備組態(tài)如圖13所示。因為傳輸中的類型包含字符串，需要將狀態(tài)I傳至DB，DB命令覆蓋至Q，軸的通信內容如圖14所示，程序如圖15所示。

圖13 智能設備組態(tài)

圖14 軸的通信內容

圖15 DB對IQ存儲區(qū)讀寫

3.聚焦PC與PLC通信

聚焦PC主動與S7-1500建立S7連接，聚焦PC對定義好的DB字節(jié)數組讀與寫，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.項目中的難點分析

1) S7-1500支持多種工業(yè)以太網協(xié)議。選用哪種通信協(xié)議最簡單、最經濟、最安全是非常關鍵的。

① 與相機的工控機通信采用開放式通信，因為僅相機數據傳輸，那么開放式通信無疑是最簡單的。

② 與4臺聚焦機PC通信采用S7通信，因為機器人要將PCB放入聚焦機內聚焦，那么聚焦機的當前安全狀態(tài)需要實時了解，通過S7協(xié)議，PC可以將當前狀態(tài)不斷寫入PLC的DB，讓PLC進行判斷。

③ 與S7-1200采用PROFINET通信，因為S7-1200支持PROFINET IO，而且PROFINET實時性非常高（可以達到5ms以內），S7-1200組態(tài)IO映射后，S7-1500程序中可以直接使用IO，非常簡單。

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

① 對于開放式通信，通過調用系統(tǒng)T-DIAG功能塊進行診斷，對于讀出的Result.State進行判斷，程序如圖16所示，State說明如表3所示。

圖16 開放式通信診斷程序

表3 State說明

② 對PROFINET IO設備診斷，通過調用系統(tǒng)DeviceStates功能塊進行診斷，程序如圖17所示，因為設備編號為1，位1為True代表IO設備存在，如圖18所示。

圖17 IO設備診斷程序

圖18 診斷緩存

③ 對S7通信診斷，因為S7通信為單邊通信，所以PC需要不斷地對固定字節(jié)進行累加寫入，PLC通過判斷字節(jié)累加與否從而得知連接狀態(tài)，如表2聚焦機反饋至PLC字節(jié)B0所示。

3) PLC需同時協(xié)調多種設備的流程動作與通信，GRAPH語言是最佳選擇，如何快速診斷出GRAPH中的互鎖、監(jiān)控、跳轉條件，是保證生產穩(wěn)定性的關鍵。

① 使用HMI中GRAPH總覽控件，可以看到當前的步號，互鎖、監(jiān)控條件以及轉換條件、動作的名稱，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，如圖19下半部分所示。

4） 生產數據的可追溯對于故障分析、工藝改進起至關重要的作用。但對于沒有 MES和 SCADA的項目來說，如何通過簡單的方式讓生產工程師查看生產數據就成了難點，以往的解決方法是通過HMI將數據存入U盤，但查看數據需要HMI反復上電插拔 U 盤，這樣很不方便。PLC 中的數據記錄功能可以通過編程選擇時間點來記錄多條數據，PC或者手機通過CPU集成的 Web服務器功能查看，生成的數據日志如圖20所示，訪問數據日志的 CSV文件如圖21所示。

圖19 GRAPH診斷

圖20 生成數據日志

圖21 生成的CSV文件

四、項目運行

1900系列測試PCB工位自動化改造于2018年1月15日完成，系統(tǒng)投入試運行。

項目完成后減少了3個操作員的人力成本，人工操作得到簡化，避免了人為產生的錯誤，提高了生產效率，同時自動化生產一致性高，生產數據可追溯。

五、應用體會

如今工業(yè)以太網逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的現(xiàn)場總線，西門子PLC在工業(yè)以太網通信中靈活、穩(wěn)定、安全、實時性高。1900系列項目經過半年的實際使用，通信穩(wěn)定性極高，還未出現(xiàn)過任何錯誤，如圖22所示。項目使用的CPU1511是S7-1500系列CPU最經濟的一款，同時連接8臺設備，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)了西門子公司產品通信性能的強大。

圖22 通信統(tǒng)計

圖23 連接資源

參考文獻

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

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