伴随着多种技术的进步，推动了自动化控制水平不断提高，人们越来越重视劳动强度的大小和工作环境的状态，其中基于可编程控制器的自动化生产需要融入更多的新技术。控制系统的设计要基于简单、方便、易自动控制，以提高生产效率。本文主要研究了一种以提高产品稳定性和降低人工成本为前提，以增加每小时件数（UPH）为目标，提高生产率的自动生产线控制系统，并重点结合自动装配生产线的特点分析了控制系统，针对硬件及软件的设计方法加以分析。
1.基于PROFINET现场总线的设计
PROFINET现场总线是由SIMENZ与PROFIBUS协会进行联合开发。PROFINET系统基于Profibus为现有系统投资提供保护屏障。当不同智能设备通信时间误差不严格时，通常采用以太网TCP/IP；在实时通信时间要求严格的情况下，采用标准PROFIBUS-DP技术进行传输，可以将Profibus-DP数据加以集成后输入到PROFINET系统中。PROFINET基于微软公司的数据处理方法，系统设计使用了最新的总线标准，针对工业总线在应用层面没有协议。PROFINET根据自动化的实时性要求，提供了多种通信方式，可以保证数据通信的可靠性、实时性、安全性，可以满足现场设备对于网络数据实时通信的多种要求。PROFINET内置了WLAN、Bluetooth等多种传输方法，可以满足用户对于覆盖范围的要求，还可以保证网络的通信速度，可以适用于多种生产现场条件。PROFINET可以全面兼容TCP/IP标准，与各种控制系统进行通信。借助当前成熟的自动化软件与解决方案，系统的可靠性得以提升。PROFINET采用的整体架构如图1所示：
图1Profinet构架示意图
2.系统的通讯设计
在此系统框架下，发挥关键作用的是PLC系统，各类控制参数要途经PLC内部，设备控制借助Profinet完成数据通讯。（1）PLC和机器人发生数据交换。PLC和机器人的数据交换采用了Profinet，另外机器人选择了Profinet板卡，可以结合需要选装software。本站的设计采用了PROFINETSlaveSW(SoftWare)，可以实（optionnumber888-3）。系统的网线端口借助LAN口与交换机连接，完成与PLC的数据交换。（2）PLC和相机发生通讯。Montrac与自动化生产线的控制系统连接，PLC与相机的数据交换也采用了Profinet通讯。（3）相机和机器人发生通讯。实践表明，CognexCamera与Robot发生通讯方式仅借助TCP/IP实现，这种方式通讯速度难以保证，多种数据通信时存在延时的影响；机器人可以优先设置，Motion可对相关指令可以优化。通讯任务的执行通过后台程序实现，需要较长的更新时间；相机拍摄相关参数可能存储于PC的内部，PLC要确定数据的类型。Robot和PLC发生通讯存在字节数量上限的影响。由于上述多种因素的影响，相机和机器人可以实现Profinet条件下的通讯。（4）PC和PLC发生数据交换。PC在运行组态软件时，PLC内置的保护设置可以灵活设置，可以采用“允许远程控制方通讯访问”。此外，HMI对于PLC存在的DB数据能实现实时读写，因此可以保证数据监控与参数设置易于实现。
3.自动化生产的硬件设计
3.1硬件总体设计
此生产线控制部分选择了PLC，输入采用了操作盘，也可以选择触摸屏，选择了配置可以更加可靠的Montrac系统，针对现场总线采用的系统为FCS，主线控制PLC和Montrac中的控制器TC2U借助UDP实现通讯，系统中单站PLC和Robot以及HMI可以进行Profinet数据交换，CognexCamera和Robot发生数据交换也是借助Profinet，采用此方式对子系统、传感器加以控制。借助仿真系统、智能模拟等多种新技术以及数字化设计出的系统可以保证可靠性，图2为相关硬件设备的交互方法。
图2自动装配控制系统示意图
3.2 针对SIMATICS7-1200与模块SM1221/SM1223的解决思路
SIMATICS7-1200控制器采用了模块设计，体现出结构紧凑、多样化功能等优势，应用于自动化系统现可以保障安全。S7-1200针对CPU采用了CPU1214C；针对输入输出扩展模块中特别采用了SM1221与SM1223，SM1221采用了数字量输入，SM1223采用了数字化的输入/输出；系统中的电源模块采用了PM1207；针对仿真器的设计选择SIM1274；针对通讯模块的设计选择了CM1241。
作为新一代控制器，SIMATICS7-1200经过了多次的改革，可以保证最高的性价比，体现出非凡的易用性。在本次生产线的系统设计中，控制单站PLC可以作为控制核心。针对控制信号输入与输出选择了S7-1200（V4.0）的设备，此设备的特点是自带10路DO 、14路DI，另外2路AI可以支持以太网口，为Profinet实现通讯创造了条件。考虑到需要扩展IO，外加了SM1223（16DO，16DI）模块与SM1221（16DI）模块，数字量的额定输入电压设定为24VDC。PLC借助IRM传感器可以读取出Montrac各类数据，比如输出信号、输入信号、目标地址、ShuttleID等。系统识别这些数据后通过TC2U模块的Node与Module进行分类， Montrac信息在完成解析后会存储于设定的站存储区中。借助PLC的输入/输端口与IRM发生通信，电压选择了24VDC。
3.3机器人技术与IRB120机器人的设置
国外研究工业机器人始于上世纪中后期，近年来研究工业机器人取得了很大的进步，可以满足不同行业的需求，工业机器人产品在向着规模化的方向发展。特别是以日本、德国、美国为代表的发达国家针对工业领域的机器人领域掌握了大量的关键技术，在产品开发方向积累了很多研究成果。当前，工业机器人的应用方向包括电弧焊、冶金、焊接、自动化装配、搬运、喷涂、切割等较为简单但是多次重复的工序，特别是在汽车制造业，需要多种机器人完成不同的工序加以。当前柔性小机器人也应用了3C电子领域，有效提高了装配的精度与速度。
IRB120作为ABB Robotics公司换代产品，是最新一代六轴机器人的代表之一，春负载可以达到3kg。它的设计专门对制造业，可以满足柔性加以的需要，如可以广泛于电子计算机行业。机器人作为一类开放式结构，其特点是更加适合于柔性加工领域。它可安装于多种工序中，能广泛与外部系统发生通信。机器人可以配有IRC5C，还可以选择IRC5控制器。当前机器人主流的控制软件Roboware。基于Robotware机器人系统可以具有多种功能，如实现动作控制、程序开发以及通信等。
4.控制系统的软件设计
软件设计的每个部分根据不同的协议进行通信和控制。一是针对S7-1500PLC特别采用了程序选择模块。其功能是为了程序管理的方便，可以针对PLC控制中的FB、DB、FC。基于IRC5进行软件设计可以实现机器人加工的数据交换以及数据类型转换，Process中的PLC可以和机器人实现数据交互。为对相机拍照加以控制，判定拍照结果。本项目的设计采用了可以与S7-1200兼容的软件STEP_7_Basic_V10.5，此软件的特点具有硬件模块自动地址分配功能，还可以实现通讯连接、程序编译下载等多种功能。用户能有选择地创建功能块，还可以进行变量标签、报警、HMI屏幕作为本地或全局库，可用于所有项目。
4.1系统软件的控制流程
上料机构能根据设定将进料有序、准确地送至指定位置。上料工序包括上电初始化、上料检测站、处理站（由机器人完成）、分拣站、输送站等。
4.2 PLC应用于处理报警信息
PLC控制方法可以针对外部的IO信号加以处理，还可以进行塔灯控制、气源控制等。PLC内部可以高效处理所有报警信号，将报警信号快速送入到单站PC机，实现相应的错误提示。为了保证错误的快速处理，对于机器设备的错误信息加以了分类。报警类型对应error code范围见表1所示。
表1报警信息及范围
在PLC内部，DB180的功能是收集不同种类的错误代码。系统的上位机能访问DB180的数据。各类变量都可以触发主机发出报警信息。上位机结合地址可以显示错误代码与报警类型。针对设备维护人员的需要，增加了故障报警功能，PLC与上位机特别预留了不同类型的报警信息。如果要添加其他报警，要在PLC关联报警变量，上位机中表达报警内容。
4.3PLC和上位机发生通信
在上位机监控系统的设计中，下位机PLC可以与上位机发生数据通信，通常借助RS-232/422串口得以实现。为了消除通信速度慢、可靠性低的问题。针对通信准确性的解决采用了增加校验机制。PLC与上位机发生通信可选择PROFIBUS总线，也可以采用太网通信。太网通信速度可以保证，但要配备以太网模块，还要以太网卡以及PC机，且前期的开发存在较大的难度，因此选择Profinet通信。
上位机软件选择了主流软件intouch2014。上位监控与数据源获取借助软件实现。数据库选择了InTouch公司发布的SQL Server 2012 Express。采用MP Line数据采集系统可以保证稳定性。数据输出选择了Visual Studio 2012 系统，以图形和表格的形式呈现。PC机的操作系统为Windows7企业版、SP1专业版，内存大于8G，硬盘大于500g。安装杀毒软件是预防客户频繁进行数据复制，导致系统发生中毒或数据丢失。
软件根据不同台站的不同要求，数据库应可以适应于多种数据类型和数据报表。为保证上位机的数据库与报表信息不会互相干扰，程序设计采用了双数据库模式。配置数据库可以存储InTouch程序生成的多种数据；报表信息可以存储工件数据以及系统的状态数据。PLC上电初始化完成后，程序可以为运行做好准备。
5.结束语
本次设计选择了Montrac智能化系统，能以物料配送路线加以优化，以PLC为主的自动装配功能，以及机器人生产线，能有效提高产品稳定性，降低人工成本。采用PLC控制系统完成了仿真系统生产线的设计。此系统具有简单、可靠性高、自动化水平高等特点，有效提高了功能性。
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