信息技术背景下智能制造单元的通信模块调试实践

信息技术背景下智能制造单元的通信模块调试实践

杜云福 苏晶

武汉市第二轻工业学校

摘要：“中国制造2025”明确了以“智能制造”为制造业数字转型的主攻方向，培养智能制造和智能控制等高素质复合型人才成为职业院校装备制造类专业信息化建设和教学改革的新目标。为此，校企合作共同开发了智能制造单元实训平台，该平台包含了PLC（可编程序控制器）、数控车床、工业机器人、MES、加工中心、数字化立体料仓等模块。本文重点介绍各模块之间如何通过PLC实现数据共享和对接，希望能对智能制造研究同行们有所帮助。

关键词：智能制造单元；PLC  ；通信模块 ；数据交互

1智能制造单元简介

近几年来，随着信息技术和物联网等技术的飞速发展，“中国制造”向“中国智造”转型成为制造业的发展趋势与升级方向，“智能制造”应运而生。智能制造，简单来说是采用智能化的手段去改善传统制造行业，将工业物联网、人工智能、大数据、自动化、云计算等多种技术与制造业进行深度融合，促进装备和产品制造自动化、信息化、数字化、智能化，为制造业高质量发展注入更多澎湃动力。作为工业自动化系统的核心组成部分，PLC一直致力于推进工业4.0和智能制造，正在引领“中国智造”提质升级、由大转强。

我校基于机械类专业教学改革和创新的初衷，与企业合作开发了智能制造单元实训平台，用于智能制造和智能控制等高素质复合型人才培养，力争能够助力智能制造紧缺人才培养和装备制造类专业数字化转型升级。本实训平台的基本功能是：控制机器人完成机械加工过程中的上下料、取放料、零件制造加工、在线测量等操作，实现整个加工过程自动化，极大地优化工艺流程、提升机械零部件精度、降低人力成本、提高生产效率。智能制造单元实训平台布局如下图所示。

图1   智能制造单元实训平台整体布局图

2智能制造单元实训平台设备组态

PLC组态是实现自动化控制的关键技术之一。通过合理配置各种模块，PLC组态可以实现与外部设备的通信和数据交换，以实现各种自动化控制任务。PLC组态共包含通信模块、CPU模块、输入输出数字量模块等六个模块，由它们协同完成驱动程序的启动，建立与PLC之间的通信。

CPU模块是PLC组态的核心，它类似于计算机的大脑，负责处理各种逻辑运算、控制算法和数据处理任务。它接收输入信号，并根据预设的程序逻辑进行运算和判断，然后产生输出信号控制外部设备的行为。

输入输出数字量模块是PLC组态中的另一个重要组成部分。它负责与外部设备进行数字信号的交换。输入模块接收外部设备发送的信号，并将其转换为PLC内部可以处理的信号格式。输出模块则将PLC内部的信号转换为外部设备可以接收的信号格式，从而控制外部设备的操作。

通过对逻辑设备名的管理，PLC组态实现了对外部设备的管理。在数据词典中，建立若干I/O变量，将其与PLC的数据寄存器建立通道。这样，通过这些I/O变量，可以方便地读取或写入PLC的数据寄存器，实现与外部设备的数据交换。

智能制造单元实训平台组态设备视图如下图所示：

图2智能制造单元实训平台组态设备视图

3智能制造单元实训平台的数据交互过程（PLC与机器人通信）

智能制造单元的实现离不开不同设备之间的数据交互和通信。在智能制造单元实训平台中中，PLC作为控制核心起到了关键作用。它通过与其他设备采用不同的通信方式进行数据交互，实现设备之间的协调和协同工作。数据通信交互示意图如下：

图 3 智能制造单元实训平台数据交互示意图

3.1 PLC与机器人和MES的数据交互

PLC与机器人和MES系统之间的数据交互采用MODBUS TCP通信方式。MODBUS TCP是一种基于以太网的通信协议，它通过以太网连接PLC、机器人和MES系统，实现数据的传输和通信。通过这种通信方式，PLC向机器人发送指令，控制其运动和操作，同时将相关的生产数据传输给MES系统进行实时监控和数据分析。值得一提的是，PLC在与机器人进行数据交互时，是作为客户端写入/读取机器人数据区，而与MES进行数据交互时，是作为服务器传递信号的。其参考程序如下图所示：

图4  PLC与机器人和MES的通信参考程序

3.2 PLC与RFID的数据交互

PLC与RFID设备之间的数据交互通常采用MODBUS RTU通信方式。MODBUS RTU是一种串行通信协议，常用于PLC与外部设备之间的数据传输。通过这种通信方式，PLC可以与RFID设备进行数据交换，实现物料的识别和追踪。PLC可以发送查询指令获取RFID设备读取到的标签信息，并利用这些信息进行物料管理和控制。其参考程序如下图所示：

图5   PLC与RFID的通信参考程序

3.3PLC与料仓和数控设备的数据交互

此外，PLC通过I/O信号直连的方式与料仓和数控设备进行数据交互。通过I/O接口，PLC可以读取和控制料仓的状态，实现物料的供给和调度。同时，PLC还可以与数控设备进行信号的传递，控制数控设备的启停和加工过程。参考程序如下图所示：

图6   PLC与料仓和数控设备的通信参考程序

4结束语

智能制造是夯实中国智造，厚植制造业新优势的核心抓手。然而，我国目前仍处于智能制造的初级阶段，接下来还需要层层推进、深化发展。职业院校在智能制造研究方面明显力不从心，研究智能加工的院校较少，主要因为智能制造融合了物联网、大数据、云计算等数字化技术和先进制造技术，涵盖知识广，内容深，任何一个模块，都需要至少一门专业课程支撑。现状是，懂机械加工的教师，未必了解工业机器人与PLC编程调试，会工业机器人与PLC编程调试的教师，又很少有机械加工基础，以上因素导致复合型创新人才的培养受到局限。接下来，职业院校需要着力研究如何将机械制造、工业机器人与PLC编程调试等相关课程进行科学系统的整合，必要时可以聘请企业综合专业技能强的工匠师傅参与智能制造方面的教学，争取能够打破学科专业壁垒，在实践中认识、掌握规律，扎扎实实促进复合型创新人才的培养。