冯玉爽，董磊，李丰振，李刚民，王仲民

（1.天津职业技术师范大学 机械工程学院，天津 300222；2.禧天龙科技发展有限公司，天津 300000）

0 引言

目前，塑料家居制品的生产往往需要多台或单台注塑机分散性单一生产，再依靠人工或机械手将产品取出，这一过程中产品容易出现收缩、溢边、黑条、龟裂等缺陷[1]。在塑料家居制品装配包装过程中，主要依靠人工操作，生产效率很低，产品质量稳定性较差，自动化程度很低，存在控制与调速不够灵活等问题。随着机器人技术的发展和产品质量要求的提高，工业机器人在生产线控制系统中得到了越来越广泛的应用，主要集中在装配、焊接、喷涂及分拣等行业中[2-3]。随着信息与自动化技术的快速发展，现场总线控制技术、PLC控制技术和机器人技术的有机结合，实现数据信息的实时交换和控制指令收发，在工业自动化控制系统中得到广泛应用[4-5]。随着现场总线控制技术、PLC控制技术、工业机器人技术、机器视觉、AGV自动导航车、无人化立体仓库等自动化技术在工业自动化生产线中的组合应用，工厂生产线控制系统的自动化水平、可靠性和稳定性大幅提升，生产效率和产品质量进一步提高。

为了提高塑料家居制品生产线控制系统的稳定性和优化产品生产节拍，本文介绍一种基于工业以太网总线技术、PLC控制技术和机器人技术的自动化生产线网络化电气控制在塑料家居制品生产线控制系统中的应用。

1 塑料家居制品智能制造生产线及工艺流程

塑料家居制品生产线控制系统主要由工业机器人装配贴标工作站系统、汇流后识别系统、捆扎包装系统、码垛机器人系统、AGV自动导航车系统、无人化立体仓库系统和PLC电气控制和通信系统等组成。

1.1 塑料家居制品生产线控制系统硬件部分

1.1.1 工业机器人装配贴标工作站系统

工业机器人装配贴标工作站系统可实现塑料家居制品从注塑机注塑成型出来后自动装配把手组件、轮子组件、粘贴标签/条码、次品识别/剔除和成品输出至主输送线的功能。该系统可同时兼容7种不同型号塑料家居制品的自动化生产，单台工业机器人装配贴标系统的工作效率在23.5～30.0 s/只，大幅提高了生产效率和产品合格率。

工业机器人装配贴标工作站系统的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，应用改进的图像二值化算法对塑料家居制品多组件装配过程状态识别，实现多组件上下料、自动抓取、定位组装、商标粘贴、视觉检测等多工序协同装配。投掷机构将把手组件投掷到抓取工作台，轮子振动盘将轮子组件传送到工作台，机器视觉系统对其进行信号采集和算法处理，然后进行抓取和摆放，再进行组件的压合处理。标签粘贴在塑料家居制品中间位置或右边位置，且距离箱口的高度误差不超过5 mm，贴标效果应平整、无褶皱、无气泡。

1.1.2 塑料家居制品汇流后识别系统

汇流后识别系统可实现对塑料家居制品标签/条码的识别和处理。CCD摄像头对堆叠好的塑料家居制品进行标签识别，识别无误的塑料家居制品进入套袋机内进行套袋处理，同时将识别的信息通过显示屏告知人工或自动拣选对应的天地盖及箱盖型号和数量，而无法识别的塑料家居制品剔除警报后等待人工处理。

汇流后识别系统的显示屏每次只显示1条信息，指示灯与屏幕显示信息同步。当人工把取出的天盖、地盖放至天地盖缓存线时，光电感应后会自动认为当前屏幕显示指令完成，清除屏幕信息或更新至下一条信息，执行机构进行下一步动作。

1.1.3 塑料家居制品捆扎包装系统

捆扎包装系统可实现对堆叠后的塑料家居制品成品进行捆扎包装处理。首先将加装好天地盖和箱盖的塑料家居制品成品经传送带输送至捆扎系统第一工位，对其进行一次捆扎处理；然后将经过一次捆扎处理的塑料家居制品传送到十字转位机构处进行转位处理；最后经转位处理的塑料家居制品传送到捆扎系统第二工位，对其进行第二次捆扎处理。

1.1.4 AGV自动导航车系统

AGV 自动导航车系统负责将捆扎包装好的塑料家居制品成品输送至无人立体仓库输送带上。控制系统中选用海康威视潜伏系列导航车，该导航车采用惯性导航、视觉导航等技术实现精确定位；采用双轮差速驱动，支持前进、后退、旋转等运动控制，运动过程平滑柔顺；支持多等级电量阀值控制，低电量时自主充电，完成充电后自主返回工作。具备前置摄像头和前置激光避障，支持前远/近距离检测，前/后双层碰撞检测，前/后急停等多级安全防护[6]，实现在成品输送过程中安全可靠的运动控制。

1.1.5 无人化立体仓库系统

无人化立体仓库系统主要由高层货架、托盘、巷道式堆垛机及出入库输送系统等部分组成，实现对来自塑料家居制品生产车间的不同型号的产品进行自动存储。通过对塑料家居制品箱体上的标签/条码进行识别，确定塑料家居制品的存储位置，实现存取操作。

1.2 塑料家居制品智能制造生产线工艺流程

塑料家具制品智能制造系统旨在将注塑机注塑成型出来后的塑料家居制品输送到装配贴标工作站，实现塑料家居制品的把手组件装配、轮子组件装配、标签粘贴、次品识别及剔除，然后将成品堆叠后进行输送。堆叠后的塑料家居制品经汇流识别后，对其进行套袋、加天地盖和箱盖，再由捆扎包装系统对其进行捆扎包装处理。捆扎包装后的塑料家居制品自动传递至AGV自动导航车，并经过AGV自动导航车输送到无人仓库输送线。塑料家居制品智能制造控制系统由主控CPU 314C-2DP PLC协调工业机器人、无人立体仓库系统、机器视觉系统、AGV自动导航车系统、捆扎包装系统及塑料家居制品生产线控制系统实现数据信息交换和控制指令收发，实现塑料家居制品的全自动化生产，其生产工艺流程如图1所示。

图1 塑料家居制品生产工艺流程图

2 PLC电气控制与通信系统设计

2.1 PLC电气控制系统

电气控制系统由CPU 314C-2DP PLC通过工业以太网总线通信进行系统控制，完成对变频器、电动机、传感器、电磁阀、工业机器人、触摸屏、行程开关和限位开关等各种外设的通信控制工作。人机界面采用触摸屏编制和交互人机界面，完成塑料家居制品的生产管理、状态管理和维护管理等工作。CPU 314C-2DP PLC除控制塑料家居制品生产线控制系统外，还通过工业以太网通信控制协调输送带系统、工业机器人装配贴标工作站系统、AGV自动导航车系统、无人化立体仓库系统、码垛机器人系统及捆扎包装系统等，PLC电气控制系统如图2所示。

图2 塑料家居制品智能制造系统电气控制系统图

2.2 工业以太网通信系统设计

工业以太网是基于以太网技术和TCP/IP技术开发出来的一种工业通信网络，简单来说，工业以太网就是在工业控制系统中使用的以太网。工业以太网是符合IEEE802.3标准，按照IEEE802.1D“媒体访问控制网桥”规范和IEEE802.1Q“局域网虚拟网桥”规范，对其没有进行任何实时扩展而实现的以太网[7]。

基于工业以太网的塑料家居制品生产线控制系统主要由信息管理层、网络传输层、传感检测及执行机构层等组成[8]。信息管理层包括数据信息的交换、传递和记录，实现对塑料家居制品把手、轮子组件装配、标签/条码粘贴等自动化生产工艺参数的管理；装配贴标工作站系统、AGV自动导航车系统、无人化立体仓库系统、码垛机器人系统及捆扎包装系统控制指令的发送等。网络传输层通过工业以太网交换机设备完成塑料家居制品自动化控制网络系统的数据传输，实现操作人员在网络现场对工业机器人装配贴标工作站系统、AGV自动导航车系统、无人化立体仓库系统、码垛机器人系统及捆扎包装系统等的检查、维护和管理。传感监测及执行机构层通过传感检测设备，对塑料家居制品自动化生产工艺流程中的把手、轮子组件装配、标签/条码粘贴、输送带传送等工艺参数进行实时检测，并通过工业以太网通信实现数据信息的传输和接收来自主控CPU 314C-2DP PLC的控制指令，实现对塑料家居制品的质量检测、装配贴标、包装处理及输送等工艺流程的远程控制。

3 结论

本文提出基于工业以太网总线技术、PLC控制技术和机器人技术的网络群控技术在塑料家居制品生产线系统中的应用，得到如下结论：1）根据塑料家居制品生产线系统的工艺流程与自动化控制要求，设计基于工业以太网总线技术、PLC控制技术和机器人技术的自动化生产线控制系统；2）设计以西门子CPU314C-2DP PLC为主控PLC的工业以太网通信控制系统，介绍了基于工业以太网的PLC与输送带系统、装配贴标工作站系统、AGV自动导航车系统、无人化立体仓库系统、码垛机器人系统及捆扎包装系统的网络通信自动化解决方案；3）通过工业以太网现场总线技术进行设备联网, 实现塑料家居制品生产线系统与AGV自动导航车系统、无人化立体仓库系统、码垛机器人系统及捆扎包装系等控制设备进行协同控制与数据交换，提高了生产和网络管理自动化水平和系统稳定性，提高了生产效率和产品合格率。