基于PLC和云平台的装配生产线控制系统设计.pdf

第 15 卷第 4 期南阳理工学院学报Vol.15 No.42 0 2 3 年 7 月JOURNAL OF NANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGYJul.2023基金项目:国家自然科学基金项目(61504072);河南省科技攻关项目(202102110124)作者简介:杨 旭(1987-),男,博士,讲师,主要研究方向:智能控制、电力电子变换器、无线电能传输等方面研究。基于 PLC 和云平台的装配生产线控制系统设计杨 旭,刘忠超,李跃阳(南阳理工学院智能制造学院 河南 南阳 473004)摘 要:针对传统自动化生产线远程操作困难、监控实时性较差等问题,设计了基于 PLC 和云平台的装配生产线控制系统。系统基于亚龙 YL-301A 装配生产线,以西门子 S7-1511 PN 为控制器,设计了装配生产线中 6 个工作站的系统连接及网络拓扑,实现了圆柱形物料的加工、装配和分拣,开发了现场控制的 HMI 人机交互系统。借助于IBM 的 Node-RED 平台(可视化物联网开发平台),实现了控制现场数据的实时传输,以及历史数据的存储。并通过 MQTT 协议将 Node-RED 平台的实时数据传输到腾讯云物联网平台,实现了腾讯连连 APP 对现场的实时监控。现场运行表明:系统能够通过手机 APP 和云平台实现生产线现场的远程监控、历史数据读取、微信报警等功能,提高了自动化生产线的灵活性和实时性,较好地满足了应用需求。关键词:可编程控制器;装配生产线;Node-RED;腾讯云;云平台中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1674-5132(2023)04-0031-04DOI:10.16827/ki.41-1404/z.2023.04.006 生产线自动化水平的高低,直接影响工业生产的精准度、产品的生产周期、人力物力成本等,进而决定企业的经济效益1。传统的生产线控制只能在生产现场对设备进行监控,使得控制系统的灵活性和实时性大大受限,影响生产的管理水平和生产效率2-3。随着“中国制造 2025”和“工业 4.0”概念的提出和发展,工业制造领域的转型升级成为工业物联网发展的重要驱动力,传统的生产线已经往物联网、云平台、智能化和信息化方向转型4。本文借助于手机移动监控的实时性、便利性,通过物联网云平台,开发实现了对装配生产线的远程实时监控。系统借助 Node-RED 平台,在云平台与生产线 PLC 控制器之间进行数据交换,将云平台作为数据共享平台,手机通过 APP 访问云平台,实现与控制现场系统的实时数据交互,提高了自动化生产线的智能化、安全化和高效化5。1 装配生产线系统组成1.1 装配生产线介绍 自动化装配生产线由 6 个工作站组成,分别是供料站、搬运站、加工站、搬装站、装配站、分拣站,其中供料站为主站,其余站为从站6。整个生产线完成中空圆柱体加工和顶盖的装配,圆柱体由主料件(中空圆柱体)和辅料件(顶盖)组成。1.2 控制系统选型 6 个工作站的控制系统均选择西门子 S7-1511 PN 控制器,其是一款经济型 PLC,具有卓越的控制性能,处理速度快,联网能力强,集成了 PROFINET接口和强大的工艺功能,支持与 PROFINET 子站和HMI 设备通讯,能够完成复杂的逻辑控制、人机界面交互等7。1.3 各工作站基本组成 供料站为系统主站,负责装配生产线现场数据的上传、下发、接收等操作。供料站由旋转料盘与上料台组成。搬运站由双杆气缸的机械手机构组成。加工站由旋转工作台、加工机构、颜色识别机构组成。搬装站由转台机构和步进传动机构组成。装配站由简易料仓、供料机构、机械手爪机构组成。分拣站由分拣机构和料槽机构组成。2 系统网络架构设计 为了通过云平台监控装配生产线设备稳定运行及库存情况,利用可视化编程软件 Node-RED 平台,建立腾讯云物联网开发平台与 PLC 的数据交互通道,将现场运行数据存入数据库管理系统8。2.1 系统总体网络架构 Node-RED 平台与 PLC 之间通过 PROFINET 协议进行通讯,利用 Node-RED 平台中所提供的西门南阳理工学院学报第 15 卷子 s7 节点,通过 IP 地址访问 PLC。Node-RED 平台与 MySQL 数据库之间通过 TCP/IP 协议访问本机地址,实现历史数据的存储。Node-RED 平台与腾讯云之间通过 MQTT 协议进行通信,通过设置腾讯云物联网平台中所创建产品的三元组信息,进行订阅与发布节点的设置,即可进行通信。该装配生产线的网络架构设计如图 1 所示。图 1 网络架构设计2.2 PLC 主从站设计 该生产线采用每一工作站由一台 S7-1511-PN PLC 承担其控制任务,主站为供料站,搬运站、加工站、搬装站、装配站、分拣站为从站,其各个站的地址分别为 192.168.0.1、192.168.0.2、192.168.0.3、192.168.0.4、192.168.0.5、192.168.0.6,接入到同一个交换机,通过西门子的 S7 协议进行通讯,并通过软件系统中的 GET/PUT 模块进行数据交换。主从站架构如图 2 所示。图 2 主从站架构设计3 控制系统程序设计 该自动化装配生产线中,总共由 6 个工作站组成,直流电机、步进电机与各类传感器是各个站的重要组成部分,一方面保证物料在生产线上的运输,另一方面对物料进行搬运与装配,保证产品的正常加工。生产线控制系统主要由 6 台西门子 S7-1511 PN 的 PLC 进行控制,程序设计使用西门子 TIA 博途 V16.0 平台9。TIA 博途是西门子工业自动化集团发布的一款全新的全集成自动化软件,根据装配生产线实际生产工艺编写相应的 PLC 控制程序。装配生产线控制逻辑流程如图 3 所示。图 3 生产线控制逻辑流程 图 3 中,当开始工作时,由供料站进行物料的供给,通过转盘将物料运输至上料台,由传感器检测是否到达,由搬运站的机械爪将物料搬运至加工站。到达加工站后,加工站的光电传感器检测物料位置,23 第 4 期杨 旭等:基于 PLC 和云平台的装配生产线控制系统设计由加工站的直流电机控制转盘旋转,进行铣槽机构和冲压机构的加工,加工完毕后到达颜色检测工位。检测完毕后,由搬装站的机械手将物料运输至装配站,其中搬装站机械臂的移动依靠该站的步进电机。到达装配站后,根据加工站传输的物料颜色数据进行顶盖的分配,分配完毕后由装配站的机械手进行顶盖的安装。安装完成后再由搬装站的机械手与步进传动机构将物料运输至分拣站,分拣站根据物料颜色进行分拣。4 Node-RED 与各平台交互实施 Node-RED 是 IBM 公司发布的可视化物联网开发工具,提供了一个基于浏览器的流程编辑器,可以将硬件设备、API 和在线服务连接在一起。它是一个可视化的项目,使用 NodeJS 事件驱动且完全开源,提供 Web 页面用来编写 Flow。创建 Flow 主要方式是在浏览器中选择节点列表,可以方便地通过拖拽节点的方式完成10。4.1 Node-RED 节点 系统设计用到的节点有 contrib-s7、node-mysql、contrib-iot-explorer、debug、function 等,所用节点通信方式及功能如表 1 所示。表 1 节点通信方式及功能 节点名称 通信方式 节点功能 contrib-s7 以太网连接 PLC/读取变量/写入变量 node-mysql TCP/IP连接 MySQL 数据库/写入数据 contrib-iot-explorer MQTT连接腾讯云物联网平台/读取数据 debug 读取数据/显示数据 function 在数据流中使用 JavaScript语言对数据进行处理4.2 Node-RED 与 PLC 交互 在上位 PC 机中通过 CMD 命令进入 Node-RED平台,通过浏览器访问本地 IP,进入 Node-RED 界面。通过西门子提供的 contrib-s7 节点实现与 PLC进行连接,该系列节点包含了 s7-in、s7-out 与 s7-control 节点,s7-in 节点功能为连接 PLC 与读取 PLC中的变量,s7-out 节点功能为写入 PLC 变量,s7-con-trol 节点功能为启用高级控制,可在其中设置发送与读取数据的周期。在 Node-RED 中安装 contrib-s7 节点,并将其拖拽至流程中,在 s7 节点中与 PLC 进行连接,并进行变量表的配置。连接成功后在数据流中可以看到online 提示(如图 4 所示)。图 4 Node-RED 上报数据流4.3 Node-RED 与 MySQL 交互 系统使用 MySQL 保存生产线的运行数据和相关状态。MySQL 数据库与 Node-RED 平台通过TCP/IP 协议进行连接,在 MySQL 节点中进行 IP 地址以及端口等设置。将 s7-in 节点、function 节点、mysql 节点进行连接,构成一个完整的数据流,并在function 中编写 MySQL 的插入语句,即可从调试窗口中读取 PLC 变量的当前值,并将当前值存储至MySQL 中作为历史数据(如图 5)。图 5 MySQL 数据流4.4 Node-RED 与腾讯云交互 腾讯云与 Node-RED 平台交互传输采用的是MQTT 协议。MQTT 协议是一种消息列队传输协议,采用订阅、发布机制,订阅者只接收自己已经订阅的数据,非订阅数据则不接收,既保证了必要的数据交换,又避免了无效数据造成的储存与处理11。Node-RED 平台中提供了腾讯云物联网开发平台的节点,通过该节点来进行产品连接,根据所需参数分别填写设备信息、连接服务信息,以及订阅/发布节点 Topic 设置,即可进行通讯。连接成功后会提示已连接。5 人机交互设计及调试5.1 手机 APP 设计 在腾讯云物联网平台定义属性、事件和功能,进入交互界面开发,通过界面的设计可以让用户在腾讯连连小程序或者 APP 上获得当前数据,在腾讯连连 APP 中可以进行启动、停止、复位等操作,并可以在 APP 界面中获取当前运行时间、总运行时间、成品类型等数据。当数据上传至腾讯云平台后,腾讯33南阳理工学院学报第 15 卷云平台能够将这些数据发送腾讯连连 APP 与小程序中,在 APP 中可以实时监控生产线运行状态。5.2 微信端报警设计 在腾讯云物联网开发平台的数据开发中进行报警设置,通过读取产品设备中的数据,以及逻辑运算,获得设备报警或设备通知信息。系统设计中使用了两个数据流,分别为库存不足通知以及设备卡死报警。当设备库存数量小于等于 5 时或设备长时间没有新的工件产生时,均会向用户的 APP 与微信中发送通知,提醒用户当前异常情况。6 结论 基于亚龙 YL-301A 装配生产线,对生产线中 6台 PLC 编程实现了装配生产线的自动化控制。系统实现了现场 PLC 的多协议通讯,并通过 Node-RED 平台将现场生产数据上传至数据库和云端,实现了利用智能手机对装配生产线的跨地域、实时远程监控。通过测试,自动化装配生产线控制灵活,工作效率高。系统可以实现对生产线控制现场的远程监控、历史数据读取、微信报警等功能,实现了通过云端服务器对远程工业生产线的监控,对传统制造业的转型升级具有较高的应用和参考价值。参 考 文 献1 陈凤华.基于 S7-1200 PLC 的工件装配自动化生产线控制系统设计J.韶关学院学报,2019,40(3):35-39.2 冯挺,杜向党,郭玉嘉,等.物联网云平台环境下的手机远程监控系统设计J.自动化仪表,2020,41(3):72-75.3 张寻政.基于工业互联网的新型边缘-云协同架构设计与实现D.济南:山东大学,2021.4 王琰.车辆弹簧生产线远程监控系统设计J.中国农机化学报,2020,41(11):101-106.5 孙洁,许清河,于凤臣,等.基于 PLC 的云平台污水处理控制系统设计J.电气传动,2021,51(16):51-56.6 王鸿博.YL-335A 自动生产线控制系统J.机械工程与自动化,2009,153(2):165-167.7 赵帅兵.基于 SIMATIC S7-1500 PLC 的全油回收控制系统设计J.有色金属加工,2021,50(4):64-65+70.8 王祥傲,郭建勇,张国栋,等.基于腾讯云和 PLC 的物料装配远程监控系统J.莆田学院学报,2022,29(2):80-85.9 郑广智,张珊,郭海涛,等.物联网和 PLC 技术在鱼菜共生系统中的应用J.中国农学通报,2021,37(30):133-138.10 王弘扬,肖威,孙云辉,等.OPC UA 与 Node-red 技术在IOT2040 物联网网关的应用J.制造业自动化,2018,40(7):58-60.11 刘晓悦,王泰达,王兴楠,等.基于工业物联网的污水处理厂远程监控技术研究J.电气传动,2020,50(11):60-64+71.(责任编辑:黄奇瑞)DESIGN OF ASSEMBLY LINE CONTROL SYSTEM BASED ON PLC AND CLOUD PLATFORM YANG Xu,LIU Zhong-chao,LI Yue-yang(School of Intelligent Manufacturing,Nanyang Institute of Technology,Nanyang 473004,China)Abstract:Aiming at the problems of difficult remote operation and poor real-time monitoring of traditional automatic production line,an assembly line control system based on PLC and cloud platform is designed.Based on Yalong YL-301A assembly line and siemens S7-1511 PN as the controller,the system connection and network topology of six workstations in the assembly line are designed,the processing,assembly and sorting of cylindrical materials are realized,and the HMI human-computer interaction system for field control is developed.With the help of IBMs node red platform(visual Internet of things development platform),it realizes the real-time transmission of control field data and the storage of historical data.The real-time data of node red platform is transmitted to tencent cloud internet of things platform through mqtt protocol,which realizes the real-time monitoring of tencent lianlian app on the scene.The on-site operation shows that the system can realize the functions of on-site remote monitoring,historical data reading,wechat alarm,etc.through mobile app and cloud platform,which improves the flexibility and real-time performance of the automatic production line and better meets the application requirements.Key words:PLC;assembly line;Node-RED;tencent cloud;cloud platform43