CN106598003B - 用于led灯智能装配生产线的集成控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于LED灯智能装配生产线的集成控制系统，包含生产线管控层，对LED灯智能装配生产线进行一体化管控；生产线执行控制层，与生产线管控层通过工业以太网连接，对LED灯智能装配生产线进行执行控制；执行器控制层，与生产线执行控制层通过总线连接，对LED灯智能装配生产线进行逻辑控制；其中，所述的生产线管控层还与LED灯总装车间制造执行系统连接，实现智能装配生产线与LED灯总装车间的无缝集成。本发明采用三层级式架构，具有模块化、柔性化、高可靠、智能化的特点，保证了LED灯智能装配生产线高效、稳定、柔性的装配生产。

Description

用于LED灯智能装配生产线的集成控制系统

技术领域

本发明涉及一种集成控制系统，具体是指一种用于LED灯智能装配生产线的集成控制系统，属于工业自动化技术领域。

背景技术

现有技术中，LED灯的能耗约为普通节能灯的三分之一，并且不含有毒有害物质，是新一代节能环保的照明产品。目前，国内LED灯以手工生产模式为主，生产效率低，质量一致性不高。随着LED灯的普及，市场需求量越来越大，同时企业的用工成本也在不断攀升，致使自动化生产线受到青睐。目前在国内已经投产使用的LED灯自动装配生产线已有近百条。

LED灯智能装配生产线是在自动装配生产线的基础上，进一步提升自动化、数字化、信息化水平，基于智能车间生产模式，并且结合加入自感知、自适应、自主分析决策等智能功能的新一代装配生产线。而集成控制系统是LED灯智能装配生产线的核心子系统。现有的LED灯智能装配生产线的集成控制系统大多采用基于可编程控制器的通用工业控制系统，仅具备基本逻辑控制功能，达到“机器换人”的目的；但不具备任何智能管控功能，无法应用于新一代智能生产线。

现有技术中，中国发明专利《LED球泡灯全自动柔性装配线》，专利申请号为201210440423.6，所公开的装配线包括光源装配工作站、电源装配工作站、灯罩装配工作站、中间储料装置、终端储料装置、供料装置和控制系统。该发明专利主要阐述了生产线的机械结构、设备功能、工艺方法，虽然提及控制系统，但控制系统的具体结构、功能、实现方法等并未涉及。并且，该全自动柔性装配线的控制系统与本发明的智能控制系统也存在本质区别。

中国发明专利《基于ERP的连续染色生产线智能集约控制系统》，专利申请号为201110275907.5，所公开的智能集约控制系统包括车间级监控系统、企业级管理系统、以及用于连接两者的中间信息管理系统。该发明建立基于订单的工艺模型，使得机床设备工作时能自动调控工艺参数，提高产品质量的稳定性。然而，该智能集约控制系统用于连续染色生产线，无法直接或转化应用于LED灯的智能装配生产线。不仅如此，该专利的车间级监控系统、中间信息管理系统、企业级管理系统的结构也与本发明存在本质区别。

基于上述，针对LED灯智能装配生产线研发关键技术，目前亟需提出一种用于LED灯智能装配生产线的集成控制系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于LED灯智能装配生产线的集成控制系统，采用三层级式架构，具有模块化、柔性化、高可靠、智能化的特点，保证了LED灯智能装配生产线高效、稳定、柔性的装配生产。

为了达到上述目的，本发明提供一种用于LED灯智能装配生产线的集成控制系统，包含生产线管控层，对LED灯智能装配生产线进行一体化管控；生产线执行控制层，与生产线管控层通过工业以太网连接，对LED灯智能装配生产线进行执行控制；执行器控制层，与生产线执行控制层通过总线连接，对LED灯智能装配生产线进行逻辑控制；其中，所述的生产线管控层还与LED灯总装车间制造执行系统连接，实现智能装配生产线与LED灯总装车间的无缝集成。

所述的生产线管控层包括：工控机，实现LED灯智能装配生产线的一体化管控；智能感知系统，与工控机通过有线通讯连接，实现LED灯智能装配生产线的智能感知，包括身份识别、视频采集、图像采集、条形码/二维码采集和RFID采集，用于操作人员的信息采集、LED灯智能装配生产线的监控、装配物料信息的采集；智能监控系统，与工控机通过无线通讯连接，实现LED灯智能装配生产线的生产状态的智能监控，用于产品信息、质量信息、生产效率的实时可视化。

所述的生产线管控层的工控机内安装有LED灯智能装配生产线管控一体化模块，具体包括：生产状态监控模块，对LED灯智能装配生产线的运行状态进行监控；质量数据分析模块，对产品质量数据进行记录与统计分析；通讯互联模块，实现LED灯智能装配生产线与LED灯总装车间制造执行系统间的网络通信；工艺知识库模块，设置并存储LED灯智能装配生产线的工艺参数；智能感知与信息采集模块，对智能感知系统进行综合管控；设备健康检测与智能维护模块，对LED灯智能装配生产线和各控制系统进行健康检测与智能维护。

所述的生产线执行控制层包括：主PLC，通过工业以太网与生产线管控层的工控机实时通信连接；多个从PLC，依次通过总线与主PLC串联连接；其中，所述的主PLC对所有从PLC的接口进行控制；每个PLC由CPU、IO模块和网络接口模块构成。

所述的生产线执行控制层包括：多个PLC，分别通过工业以太网与生产线管控层的工控机实时通信连接，由工控机对各PLC的接口进行协同控制；每个PLC由CPU、IO模块和网络接口模块构成。

所述的生产线执行控制层内安装有LED灯智能装配生产线执行控制模块，具体包括：光源装配单元执行控制模块，安装在主PLC中，针对光源装配单元的上下料工位、压装工位、拧螺丝工位、点胶工位进行协同控制；电源装配单元执行控制模块，安装在从PLC中，针对电源装配单元的上下料工位、压装工位、灯头铆接工位、通电检测工位进行协同控制；灯罩装配单元执行控制模块，安装在从PLC中，针对灯罩装配单元的上下料工位、压装工位、点胶工位、成品检测工位等进行协同控制；生产线系统控制模块，安装在主PLC中，针对光源装配单元、电源装配单元、灯罩装配单元间的传输接驳进行协同控制；生产线接口控制模块，安装在主PLC中，对生产线执行控制层的所有接口进行通信控制；安全控制模块，安装在主PLC中，对LED灯智能装配生产线进行安全控制。

所述的执行器控制层包括：分别与生产线执行控制层的各PLC的IO模块通过IO接口连接的螺丝机控制器、点胶机控制器、自动货柜控制器、振动料盘控制器、通电检测控制器、成品检测控制器，均由PLC执行逻辑控制；分别与生产线执行控制层的各PLC的网络接口模块通过总线连接的触摸屏、机器人控制器、工业相机，均由PLC执行逻辑控制。

所述的执行器控制层内安装有执行器嵌入式控制模块，具体包括：安装在触摸屏内的触摸屏人机交互模块、安装在机器人控制器中的机器人运功控制模块、安装在工业相机内的视觉检测模块、安装在螺丝机控制器中的螺丝机执行控制模块、安装在点胶机控制器中的点胶机执行控制模块、安装在通电检测控制器中的通电检测模块、安装在自动货柜控制器中的自动货柜执行控制模块、安装在振动料盘控制器中的振动料盘执行控制模块、以及安装在成品检测控制器中的成品检测模块，实现触摸屏、机器人、视觉检测、螺丝机、点胶机、通电检测、自动货柜、振动料盘、成品检测的逻辑控制、运动控制、仪器仪表控制。

综上所述，本发明所提供的用于LED灯智能装配生产线的集成控制系统，与现有技术相比，具有以下显著优点和有益效果：1）高效率；通过LED灯智能装配生产线执行控制模块和执行器嵌入式控制模块的优化，提高生产效率，充分发挥生产线机械系统执行能力；2）高可靠；LED灯智能装配生产线执行控制模块设置有大量冗余、误动作保护、防差错等设计；LED灯智能装配生产线管控一体化模块具有生产状态监控、设备健康检测与智能维护等功能，实现生产线及生产过程的高可靠性；3）模块化；集成控制系统采用模块化设计，层级划分清晰，接口简单、明确，不仅易于生产线调试和维护，同时也使生产线具备单元独立运行和人机混线运行能力；4）智能化；集成控制系统柔性好，支持多产品规格快速切换，生产线管控层具备智能感知、智能监控等功能，与车间制造执行系统无缝对接，适应智能生产线在LED灯总装车间的一体化集成。

附图说明

图1为本发明中的用于LED灯智能装配生产线的集成控制系统的结构示意图；

图2为本发明中的用于LED灯智能装配生产线的集成控制系统的控制示意图。

具体实施方式

以下结合图1～图2，详细说明本发明的一个优选实施例。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明所提供的用于LED（Light Emitting Diode，发光二极管）灯智能装配生产线的集成控制系统，包含生产线管控层，对LED灯智能装配生产线进行一体化管控；生产线执行控制层，与生产线管控层通过工业以太网（TCP/IP协议，TransmissionControl Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/因特网互联协议）连接，对LED灯智能装配生产线进行执行控制；执行器控制层，与生产线执行控制层通过PROFIBUS DP（Process Field Bus Decentralized Periphery，分布式外围过程现场总线）总线连接，对LED灯智能装配生产线进行逻辑控制；其中，所述的生产线管控层还提供对外接口，与LED灯总装车间制造执行系统（MES）连接，实现智能装配生产线与LED灯总装车间的无缝集成。

如图1所示，所述的生产线管控层包括：工控机，其是生产线管控层的核心控制器，实现LED灯智能装配生产线的一体化管控；智能感知系统，与工控机通过有线通讯（例如USB或网口）连接，实现LED灯智能装配生产线的智能感知，包括身份识别、视频采集、图像采集、条形码/二维码采集和RFID（Radio Frequency Identification，无线射频识别）采集；智能监控系统，与工控机通过无线通讯（例如蓝牙或WLAN）连接，实现LED灯智能装配生产线的智能监控，包括采用电子看板和手机APP（手机软件）进行监控。

其中，身份识别用于操作人员的信息采集；视频采集和图像采集用于LED灯智能装配生产线中关键位置的监控；条形码/二维码采集和RFID采集用于进行装配的物料信息的采集，建立信息关联。而采用电子看板和手机APP可用于生产状态的监视，实现产品信息、质量信息、生产效率的实时可视化。

如图2所示，所述的生产线管控层的工控机内安装有LED灯智能装配生产线管控一体化模块，具体包括：生产状态监控模块、质量数据分析模块、通讯互联模块、工艺知识库模块、智能感知与信息采集模块、以及设备健康检测与智能维护模块，实现对LED灯智能装配生产线的生产状态监控、质量数据分析、通讯互联、工艺知识库、智能感知与信息采集、以及设备健康检测与智能维护的一体化管控。本实施例中，所述的LED灯智能装配生产线管控一体化模块可基于西门子WINCC或NI LabVIEW平台，结合高级程序语言和ORACLE数据，通过二次开发实现。

其中，所述的生产状态监控模块用于对LED灯智能装配生产线的运行状态进行监控，具有对生产批次、产品数量、合格品数量、生产效率、物料信息、设备报警等信息进行显示和分析的基本功能，以及具有现场视频监控、关键工艺参数监控的高级功能。

所述的质量数据分析模块用于对产品质量数据进行记录与统计分析，将视觉检测、通电检测、成品检测的数据实时上传，并记录在质量数据库中，可进行质量统计分析，质量问题追溯；将螺丝拧紧力矩、压装力、点胶量的关键工艺数据予以记录和分析；其中，产品质量数据可形成电子报表并上传到LED灯总装车间制造执行系统。

所述的通讯互联模块用于实现LED灯智能装配生产线与LED灯总装车间制造执行系统，或者其它设备生产线、智能装置之间的网络通信，配置主流网络接口和通信协议，接口开放性好，可定制开发。

所述的工艺知识库模块用于设置并存储LED灯智能装配生产线的工艺参数，如螺丝拧紧力矩、压装力、点胶量等；操作人员可调整工艺参数，LED灯智能装配生产线也可根据质量数据自主补充并优化工艺参数。

所述的智能感知与信息采集模块用于对智能感知系统进行综合管控，包括身份识别、视频采集、图像采集、条形码/二维码采集、以及RFID采集，并对感知或采集到的信息进行分析处理及可视化操作。

所述的设备健康检测与智能维护模块用于对LED灯智能装配生产线和各控制系统进行健康检测与智能维护，通过传感器采集振动、温度、电流等信号，利用智能算法评估LED灯智能装配生产线的健康状态，并根据健康状态和维护周期提示操作人员进行设备维护和检修。

如图1所示，所述的生产线执行控制层包括：主PLC（Programmable LogicController，可编程控制器），采用西门子S7-300系列，通过工业以太网与生产线管控层的工控机实时通信连接；多个从PLC，依次通过PROFIBUS DP总线与主PLC串联连接；其中，所述的主PLC对所有从PLC的接口进行控制。

或者，所述的生产线执行控制层包括：多个PLC，分别通过工业以太网与生产线管控层的工控机实时通信连接，由工控机对各PLC的接口进行协同控制。

所述的PLC由CPU（中央处理单元）、IO（输入输出）模块和网络接口模块构成。

如图2所示，所述的生产线执行控制层内安装有LED灯智能装配生产线执行控制模块，具体包括：光源装配单元执行控制模块、电源装配单元执行控制模块、灯罩装配单元执行控制模块、生产线系统控制模块、生产线接口控制模块、以及安全控制模块，实现对光源装配单元的执行控制、电源装配单元的执行控制、灯罩装配单元的执行控制、生产线系统的控制、生产线接口的控制、以及生产安全的控制。

其中，所述的光源装配单元执行控制模块安装在主PLC（图1中的PLC1）中，可针对光源装配单元的上下料工位、压装工位、拧螺丝工位、点胶工位进行协同控制。

所述的电源装配单元执行控制模块安装在从PLC（图1中的PLC2）中，可针对电源装配单元的上下料工位、压装工位、灯头铆接工位、通电检测工位进行协同控制。

所述的灯罩装配单元执行控制模块安装在从PLC（图1中的PLC3）中，可针对灯罩装配单元的上下料工位、压装工位、点胶工位、成品检测工位等进行协同控制。

所述的生产线系统控制模块安装在主PLC（图1中的PLC1）中，可针对光源装配单元、电源装配单元、灯罩装配单元间的传输接驳进行协同控制。

所述的生产线接口控制模块安装在主PLC（图1中的PLC1）中，对生产线执行控制层的所有接口进行通信控制。

所述的安全控制模块安装在主PLC（图1中的PLC1）中，对LED灯智能装配生产线进行安全控制。

如图1所示，所述的执行器控制层包括：分别与生产线执行控制层的各PLC的IO模块通过IO接口连接的螺丝机控制器、点胶机控制器、自动货柜控制器、振动料盘控制器、通电检测控制器、成品检测控制器，均由PLC执行逻辑控制；分别与生产线执行控制层的各PLC的网络接口模块通过PROFIBUS DP总线连接的触摸屏、机器人控制器、工业相机，均由PLC执行逻辑控制。

如图2所示，所述的执行器控制层内安装有执行器嵌入式控制模块，具体包括：安装在触摸屏内的触摸屏人机交互模块、安装在机器人控制器中的机器人运功控制模块、安装在工业相机内的视觉检测模块、安装在螺丝机控制器中的螺丝机执行控制模块、安装在点胶机控制器中的点胶机执行控制模块、安装在通电检测控制器中的通电检测模块、安装在自动货柜控制器中的自动货柜执行控制模块、安装在振动料盘控制器中的振动料盘执行控制模块、安装在成品检测控制器中的成品检测模块，实现触摸屏、机器人、视觉检测、螺丝机、点胶机、通电检测、自动货柜、振动料盘、成品检测的逻辑控制、运动控制、仪器仪表控制。

以下，以5瓦LED球泡灯的总装生产为例进行详细说明。使用LED球泡灯智能装配生产线，该生产线使用本发明提供的集成控制系统。该智能装配生产线具体工作流程是：

1、绝缘套通过振动料盘自动排列，机械手自动上料，并放置在工装夹具上；

2、散热器通过自动货柜供料，机器人自动将散热器套在绝缘套上；

3、气动压装机将散热器与绝缘套压紧；

4、自动点胶机在散热器顶部点导热硅脂；

5、光源板通过自动货柜供料，机器人自动将光源板放在散热器上；

6、自动拧螺丝机将光源板、散热器、绝缘套固连；

7、工业相机对光源板、螺丝等进行图像比对检测；

8、机械手将半成品翻转180°，转移到传送带上，剔除不良品；

9、机械手将半成品从传送带抓起，视觉检测偏转角度，纠正后放置到工装夹具上；

10、电源板通过自动货柜供料，机器人自动将电源板插入绝缘套；

11、气动压装机将电源板与光源板对插压紧；

12、连接环通过振动料盘自动排列，机械手自动将连接环预装到绝缘套上；

13、气动压装机将连接环与绝缘套压紧；

14、E27灯头通过振动料盘自动排列，机械手自动将E27灯头插装到电源板上；

15、通电检测装置对半成品加电检测电流、功率等；

16、启动灯头铆接机将检测合格半成品的E27灯头铆接在连接环上；

17、机械手将半成品转移到传送带上，剔除不良品；

18、机械手将半成品翻转180°，放置到工装夹具上；

19、自动点胶机在散热器顶部卡口处点硅胶；

20、灯罩通过振动料盘自动排列，机械手自动将灯罩压入散热器卡口；

21、成品检测装置对产品加电检测光通量、色温、显色指数等；

22、机械手将成品转移到传送带上，剔除不良品。

上述的LED球泡灯智能装配生产线连续试运行8小时，生产线运行节拍达到4.5s，不良品率仅为0.5%，生产效率高，运行稳定。其中，LED灯智能装配生产线管控一体化模块具有生产批次、产品数量、合格品数量、生产效率、物料信息、设备报警、现场视频监控、关键工艺参数监控等功能。产品质量数据的可记录分析，视觉检测、通电检测、成品检测数据实时上传，数据记录在数据分析模块质量数据库中，可进行质量统计分析，质量问题追溯等。螺丝拧紧力矩等关键工艺数据可记录、分析，质量数据可形成电子报表并上传到车间制造执行系统。生产线可与车间制造执行系统、其它设备或生产线、智能装置进行网络通信，配置主流网络接口和通信协议，接口开放性好，可定制开发。可设置、存储工艺参数，如螺丝拧紧力矩、压装力、点胶量等。工艺人员可调整工艺参数，生产线也可根据质量数据自主补充、优化工艺参数库。控制系统具有身份识别、视频采集、图像采集、条形码/二维码采集、RFID采集等功能。智能感知系统中分布在生产线多出的传感器采集振动、温度、电流等信号，通过智能算法评估生产线健康状态，根据健康状态和维护周期提示人员进行设备维护、检修。

通过该实施例的实施证明，本发明所涉及的LED灯智能装配生产线的集成控制系统应用效果良好，具有性能优势和推广价值。

综上所述，本发明针对现有技术存在的不足，提供一种用于LED灯智能装配生产线的集成控制系统，该集成控制系统基于生产线管控——生产线执行控制——执行器控制三层级式架构，专门针对LED灯智能装配流水线设计了控制系统。以工控机、分布式PLC、嵌入式控制系统等为主体构建硬件系统，以智能管控一体化模块、执行控制模块、嵌入式控制模块等为主体构建控制系统，实现LED灯智能装配生产线的一体化集成控制，解决了生产线智能控制的关键技术。本发明具有模块化、柔性化、高可靠、智能化的特点，保证了LED灯智能装配生产线高效、稳定、柔性的装配生产。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种用于LED灯智能装配生产线的集成控制系统，其特征在于，包含：

生产线管控层，对LED灯智能装配生产线进行一体化管控；

生产线执行控制层，与生产线管控层通过工业以太网连接，对LED灯智能装配生产线进行执行控制；

执行器控制层，与生产线执行控制层通过总线连接，对LED灯智能装配生产线进行逻辑控制；

其中，所述的生产线管控层还与LED灯总装车间制造执行系统连接，实现智能装配生产线与LED灯总装车间的无缝集成；

所述的生产线管控层包括：

工控机，实现LED灯智能装配生产线的一体化管控；

智能感知系统，与工控机通过有线通讯连接，实现LED灯智能装配生产线的智能感知，包括身份识别、视频采集、图像采集、条形码/二维码采集和RFID采集，用于操作人员的信息采集、LED灯智能装配生产线的监控、装配物料信息的采集；

智能监控系统，与工控机通过无线通讯连接，实现LED灯智能装配生产线的生产状态的智能监控，用于产品信息、质量信息、生产效率的实时可视化；

所述的生产线执行控制层包括：

主PLC，通过工业以太网与生产线管控层的工控机实时通信连接；

多个从PLC，依次通过总线与主PLC串联连接；

其中，所述的主PLC对所有从PLC的接口进行控制；每个PLC由CPU、IO模块和网络接口模块构成；

所述的执行器控制层包括：

分别与生产线执行控制层的各PLC的IO模块通过IO接口连接的螺丝机控制器、点胶机控制器、自动货柜控制器、振动料盘控制器、通电检测控制器、成品检测控制器，均由PLC执行逻辑控制；

分别与生产线执行控制层的各PLC的网络接口模块通过总线连接的触摸屏、机器人控制器、工业相机，均由PLC执行逻辑控制。

2.如权利要求1所述的用于LED灯智能装配生产线的集成控制系统，其特征在于，所述的生产线管控层的工控机内安装有LED灯智能装配生产线管控一体化模块，包括：

生产状态监控模块，对LED灯智能装配生产线的运行状态进行监控；

质量数据分析模块，对产品质量数据进行记录与统计分析；

通讯互联模块，实现LED灯智能装配生产线与LED灯总装车间制造执行系统间的网络通信；

工艺知识库模块，设置并存储LED灯智能装配生产线的工艺参数；

智能感知与信息采集模块，对智能感知系统进行综合管控；

设备健康检测与智能维护模块，对LED灯智能装配生产线和各控制系统进行健康检测与智能维护。

3.如权利要求1所述的用于LED灯智能装配生产线的集成控制系统，其特征在于，所述的生产线执行控制层包括：多个PLC，分别通过工业以太网与生产线管控层的工控机实时通信连接，由工控机对各PLC的接口进行协同控制；每个PLC由CPU、IO模块和网络接口模块构成。

4.如权利要求1所述的用于LED灯智能装配生产线的集成控制系统，其特征在于，所述的生产线执行控制层内安装有LED灯智能装配生产线执行控制模块，包括：

光源装配单元执行控制模块，安装在主PLC中，针对光源装配单元的上下料工位、压装工位、拧螺丝工位、点胶工位进行协同控制；

电源装配单元执行控制模块，安装在从PLC中，针对电源装配单元的上下料工位、压装工位、灯头铆接工位、通电检测工位进行协同控制；

灯罩装配单元执行控制模块，安装在从PLC中，针对灯罩装配单元的上下料工位、压装工位、点胶工位、成品检测工位进行协同控制；

生产线系统控制模块，安装在主PLC中，针对光源装配单元、电源装配单元、灯罩装配单元间的传输接驳进行协同控制；

生产线接口控制模块，安装在主PLC中，对生产线执行控制层的所有接口进行通信控制；

安全控制模块，安装在主PLC中，对LED灯智能装配生产线进行安全控制。

5.如权利要求1所述的用于LED灯智能装配生产线的集成控制系统，其特征在于，所述的执行器控制层内安装有执行器嵌入式控制模块，包括：

安装在触摸屏内的触摸屏人机交互模块、安装在机器人控制器中的机器人运功控制模块、安装在工业相机内的视觉检测模块、安装在螺丝机控制器中的螺丝机执行控制模块、安装在点胶机控制器中的点胶机执行控制模块、安装在通电检测控制器中的通电检测模块、安装在自动货柜控制器中的自动货柜执行控制模块、安装在振动料盘控制器中的振动料盘执行控制模块、以及安装在成品检测控制器中的成品检测模块，实现触摸屏、机器人、视觉检测、螺丝机、点胶机、通电检测、自动货柜、振动料盘、成品检测的逻辑控制、运动控制、仪器仪表控制。