西门子S7-1500在机器人与视觉定位中的应用

王升

（码捷（苏州）科技有限公司 苏州）

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

［摘要］ 本文介绍了S7-1500系列PLC在机器人与视觉定位中的应用，对手动测试工位进行自动化升级改造，使得工位的效率提高，减少了人力成本,且生产数据可追溯。

［关键词］ 机器人、视觉、开放式通信、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、项目简介

1.背景介绍

码捷（苏州）科技有限公司创建于1968年，总部位于美国新泽西州，是世界领先的激光全息条码扫描设备生产商之一，现已加入霍尼韦尔集团。当前为了减少人力成本，提高生产效率，决定对测试1900系列扫码枪PCB工位进行自动化升级改造。原有手工站如图1所示，升级后的自动化生产如图2所示。

图1 手工生产

图2 自动化生产

2.项目工艺介绍

聚焦机将PCB上的透镜调整至最佳位置，然后进行点胶、UV固化。原有流程是人工将PCB放入聚焦机聚焦，聚焦结束后人眼判断点胶效果，手动分拣良品、不良品。改造后的流程是人工一次将8个PCB放入载具，机器人从载具抓取PCB并依次放入4台聚焦机聚焦，聚焦结束后通过相机判断胶量，并对良品、不良品进行码垛放置。升级后流程最为关键的工艺是机器人把PCB的定位孔插入聚焦机的销钉，如图3所示，而机器人抓取PCB不可避免地会出现轻微的偏移，要保证PCB定位精度在0.2mm，就必须使用相机对其进行位置调整。

图3 PCB放入聚焦机

全局概览如图4所示，具体流程如下：

1) 上料与翻转：人工将8个PCB水平放入载具中，气缸将载具推至工作位，带有夹爪气缸的伺服依次抓取PCB，并放置在翻转气缸处进行90°翻转。

2) 机器人与相机：机器人抓取垂直的PCB至相机处拍照算出偏移值X、Y、θ，随后机器人对PCB进行偏移，最终放入聚焦机。

3) 上托盘：托盘通过传动带自动传入良品区，机器人将合格的PCB通过码垛放入良品的托盘中，不合格的PCB放入不良品区，托盘传送如图5所示。

图4 全局概览

图5 托盘传送

4) 下料：伺服对装满合格品的托盘进行垂直堆叠，满盘后由人工取走。

二、控制系统构成

1.硬件配置

1) S7-1500系列PLC：整个控制系统的核心，具有强大的通信能力，使用GRAPH语言编写设备间的动作逻辑顺序。

2) S7-1200系列PLC：小型经济的PLC用于伺服的脉冲控制。

3) ABB机器人：对PCB进行抓取与放置。

4) 2台康耐视相机与1台工控机：1台相机抓取PCB定位图像，另1台抓取PCB点胶范围图像，工控机根据图像分析出PCB偏移量与点胶量。

5) 4台聚焦机与4台PC：PC控制聚焦机对PCB进行聚焦与点胶固化。

6) TP700触摸屏：对整个项目设备进行控制、故障与通信诊断、数据存储。

2.网络结构图

网络采用星形结构，如图6所示，S7-1500与1台工控机、1个机器人采用开放式通信，与4台聚焦PC采用S7通信，与1个S7-1200采用PROFINET通信。

图6 网络概览

三、控制系统完成的功能

1.相机定位的实现

(1) 相机定位原理

机器人与相机总览如图7所示。

1) 平移。工件发生平移时，在拍照位置进行拍照后，与开始训练标准位置对比，Mark点成像会产生偏移；Mark点偏移量MDx=CDx、MDy=CDy;如图8所示即相机计算出的Mark点偏移量，可以直接补偿。

2)平移和旋转。工件发生平移和旋转时，在拍照位置进行拍照后，与开始训练标准位置对比，Mark点成像会产生偏移。

因为Mark点偏移量MDx≠CDx、MDy≠CDy,所以相机计算出的Mark点偏移量，不能直接补偿给机器人，需要计算出CDx和CDy及CDr和MDr 然后补偿给机器人，机器人补偿后才能进行抓取，如图9所示。

图7 发生平移

图8 发生平移与旋转

图9 机器人与相机总览

3) 实际流程。首先要对相机坐标系与机械手坐标系进行标定，保证相机计算出的坐标与机器人一致。相机的位置要保持固定不变，机器人抓取的PCB在相机拍照处位置为Pos1并且相机拍取照片为Pic1，PCB定位孔准备水平放入聚焦机的销钉的位置为Pos2，PCB定位孔最终放入聚焦机的销钉的位置为Pos3。

进行校正的PCB在Pos1拍取照片Pic2，工控机通过比较Pic1与Pic2中Mark点之间的差异计算出偏移的X、Y、θ,换算出新的Pos2′，放入最终Pos3。如图10所示为实际拍摄的PCB照片。

图10 相机拍摄PCB照片

(2) 相机的工控机与PLC通信

PLC与工控机之间通过开放式通信发送与接收固定长度的BYTE（字节）数组，定义好对应BYTE的含义则可进行信息交互，如表1所示。对于浮点型数据，PLC需要通过SWAP指令对DWORD（双字）进行数据顺序更改，如图11所示，程序如图12所示。

表1 PLC与工控机通信格式

（续）

图11 DWORD字节顺序

图12 SWAP指令使用

2.通过PROFINET实现对PLC的控制

S7-1200作为PROFINET IO设备，S7-1500作为IO控制器。这样S7-1500可以通过S7-1200的脉冲控制伺服，智能设备组态如图13所示。因为传输中的类型包含字符串，需要将状态I传至DB，DB命令覆盖至Q，轴的通信内容如图14所示，程序如图15所示。

图13 智能设备组态

图14 轴的通信内容

图15 DB对IQ存储区读写

3.聚焦PC与PLC通信

聚焦PC主动与S7-1500建立S7连接，聚焦PC对定义好的DB字节数组读与写，双方起到交换信息的作用，通信格式见表2。

表2 与聚焦PC通信格式

（续）

4.项目中的难点分析

1) S7-1500支持多种工业以太网协议。选用哪种通信协议最简单、最经济、最安全是非常关键的。

① 与相机的工控机通信采用开放式通信，因为仅相机数据传输，那么开放式通信无疑是最简单的。

② 与4台聚焦机PC通信采用S7通信，因为机器人要将PCB放入聚焦机内聚焦，那么聚焦机的当前安全状态需要实时了解，通过S7协议，PC可以将当前状态不断写入PLC的DB，让PLC进行判断。

③ 与S7-1200采用PROFINET通信，因为S7-1200支持PROFINET IO，而且PROFINET实时性非常高（可以达到5ms以内），S7-1200组态IO映射后，S7-1500程序中可以直接使用IO，非常简单。

2) 项目中使用多种通信协议，针对不同协议诊断的方法也不一样。

① 对于开放式通信，通过调用系统T-DIAG功能块进行诊断，对于读出的Result.State进行判断，程序如图16所示，State说明如表3所示。

图16 开放式通信诊断程序

表3 State说明

② 对PROFINET IO设备诊断，通过调用系统DeviceStates功能块进行诊断，程序如图17所示，因为设备编号为1，位1为True代表IO设备存在，如图18所示。

图17 IO设备诊断程序

图18 诊断缓存

③ 对S7通信诊断，因为S7通信为单边通信，所以PC需要不断地对固定字节进行累加写入，PLC通过判断字节累加与否从而得知连接状态，如表2聚焦机反馈至PLC字节B0所示。

3) PLC需同时协调多种设备的流程动作与通信，GRAPH语言是最佳选择，如何快速诊断出GRAPH中的互锁、监控、跳转条件，是保证生产稳定性的关键。

① 使用HMI中GRAPH总览控件，可以看到当前的步号，互锁、监控条件以及转换条件、动作的名称，如图19上半部分所示。

② 使用HMI中PLC代码视图控件，直接显示GRAPH源程序，互锁、监控条件一条条列出来，如图19下半部分所示。

4） 生产数据的可追溯对于故障分析、工艺改进起至关重要的作用。但对于没有 MES和 SCADA的项目来说，如何通过简单的方式让生产工程师查看生产数据就成了难点，以往的解决方法是通过HMI将数据存入U盘，但查看数据需要HMI反复上电插拔 U 盘，这样很不方便。PLC 中的数据记录功能可以通过编程选择时间点来记录多条数据，PC或者手机通过CPU集成的 Web服务器功能查看，生成的数据日志如图20所示，访问数据日志的 CSV文件如图21所示。

图19 GRAPH诊断

图20 生成数据日志

图21 生成的CSV文件

四、项目运行

1900系列测试PCB工位自动化改造于2018年1月15日完成，系统投入试运行。

项目完成后减少了3个操作员的人力成本，人工操作得到简化，避免了人为产生的错误，提高了生产效率，同时自动化生产一致性高，生产数据可追溯。

五、应用体会

如今工业以太网逐渐代替传统的现场总线，西门子PLC在工业以太网通信中灵活、稳定、安全、实时性高。1900系列项目经过半年的实际使用，通信稳定性极高，还未出现过任何错误，如图22所示。项目使用的CPU1511是S7-1500系列CPU最经济的一款，同时连接8台设备，使用4种不同协议，仅占到通信资源的20%，剩余资源依旧富余，如图23所示，这充分体现了西门子公司产品通信性能的强大。

图22 通信统计

图23 连接资源

参考文献

［1］ 西门子（中国）有限公司SIEMENS AG.TIA Portal V14帮助［Z］.2017.

［2］ 西门子（中国）有限公司SIEMENS AG.Machine and Plant Diagnostics with ProDiag［Z］.2017.