CN111736546B - 一种装配线的柔性控制方法、系统和模块化工位控制装置 - Google Patents

一种装配线的柔性控制方法、系统和模块化工位控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种装配线的柔性控制方法、系统和模块化工位控制装置，方法中，硬件控制部分包括整线控制过程和工位控制过程；所述整线控制过程是通过整线控制模块对整条装配线的独立于工位外执行元件动作进行控制和数据处理；所述工位控制过程是将工位模块化成能独立运行的工位控制模块，使工位控制模块通过工位上位控制器传输所述整线控制模块下发的运行配方至工位PLC，由工位PLC对工位内的IO设备进行控制和数据的实时采集；软件控制部分包括整线控制软件和工位控制软件；所述工位控制软件包括工位PLC程序模块化和上位机配置模块化。本发明通过对软件及硬件控制系统进行模块化设计，解决了设备改造或工位调整时系统不兼容的技术问题。

Description

一种装配线的柔性控制方法、系统和模块化工位控制装置
技术领域
本发明涉及生产装配线的控制技术领域，特别涉及一种装配线的柔性控制、系统和模块化工位控制装置。
背景技术
随着全球传统能源的日益枯竭及其在生产使用中暴露出诸多问题，发展新型能源行业已成为社会普遍共识。其中，动力锂电池作为新能源汽车的重要组成部分，随着电动汽车市场的不断扩大其需求量越来越大，高效智能化的电池生产线对电池生产企业来说至关重要。在动力电池生产领域，动力电池pack一般是指包装、封装和装配，按照客户要求将电池模组组成某一特定形状，组装成动力电池包的过程工艺。PACK成组工艺是动力电池包生产的关键性步骤，是动力电池生产中不可缺少的重要环节。目前电池PACK行业在我国还属于新兴行业，技术、设备等还不成熟，技术人员的整体素质不高。其技术门槛较高，也令企业进入该行业面临不小的难度。因此设计一个高模块化、柔性化的Pack装配线控制系统，已成为动力电池制造企业十分迫切的需求。
目前动力电池Pack装配线存在的缺点是：业内部分初具规模的企业装备了动力电池Pack装配线，但由于Pack产品种类繁多，不同种类Pack装配工艺各不同，生产物料不同、生产工序不同、工艺标准不同。传统Pack装配线控制系统往往是针对单一产品设计，无法兼容多种产品生产，当切换产品，需要对产线进行改造或装备新的产线设备，相应的控制系统也需要重新设计，以满足不同Pack生产工艺，不但增加工作量，也增加成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种装配线的柔性控制方法、系统和模块化工位控制装置，通过对软件及硬件控制系统进行模块化设计，解决了设备改造或工位调整时系统不兼容的技术问题。
第一方面，本发明提供了一种装配线的柔性控制方法，包括硬件控制部分和软件控制部分；
所述硬件控制部分包括整线控制过程和工位控制过程；
所述整线控制过程是通过整线控制模块对整条装配线的独立于工位外执行元件动作进行控制和数据处理；
所述工位控制过程是将工位模块化成能独立运行的工位控制模块，使工位控制模块通过工位上位控制器传输所述整线控制模块下发的运行配方至工位PLC，由工位PLC对工位内的IO设备进行控制和数据的实时采集；
所述软件控制部分包括整线控制软件和工位控制软件；
所述整线控制软件用于接受工位系统发来的数据信息，经过运算与处理后，发出相应指令对现场设备进行控制，并对现场设备出现的所有故障报警及时地进行分析处理；
所述工位控制软件包括工位PLC程序模块化和上位机配置模块化；
所述工位PLC程序模块化是用组态软件对工位内的IO设备进行组态，并将工位内的IO设备的控制程序逻辑和/或数据采集逻辑封装于FB功能块中，通过FB功能块的块接口调用相应的控制程序用于数据交换；采用开放式TCP/IP通讯，通过工位PLC处理，在采集的设备数据中填入设备号，并发送至工位上位控制器，工位上位控制器解析接收数据的设备号，将数据与相应设备绑定并保存至本地；
所述上位机配置模块化是工位上位控制器根据自定义配置和/或可选择配置与工位PLC通讯数据，所述自定义配置指工位上位控制器能自定义添加与工位PLC的交互信息，所述可选择配置是指系统运行时工位上位控制器能选择需要启用的工位内的IO设备，并通过封装FB功能块来启用或禁用工位内的IO设备。
第二方面，本发明提供了一种装配线的柔性控制系统，包括硬件控制部分和软件控制部分；
所述硬件控制部分，进一步包括：
整线控制模块，用于对整条装配线的独立于工位外执行元件动作进行控制和数据处理；
工位控制模块，能脱离整线控制模块而独立运行，包括工位上位控制器和工位PLC，所述工位上位控制器传输所述整线控制模块下发的运行配方至工位PLC，由工位PLC对工位内的IO设备进行控制和数据的实时采集；
所述软件控制部分包括整线控制软件和工位控制软件；
所述整线控制软件用于接受工位系统发来的数据信息，经过运算与处理后，发出相应指令对现场设备进行控制，并对现场设备出现的所有故障报警及时地进行分析处理；
所述工位控制软件，进一步包括：
工位PLC程序模块，用组态软件对工位内的IO设备进行组态，并将工位内的IO设备的控制程序逻辑和/或数据采集逻辑封装于FB功能块中，通过FB功能块的块接口调用相应的控制程序用于数据交换；采用开放式TCP/IP通讯，通过工位PLC处理，在采集的设备数据中填入设备号，并发送至工位上位控制器，工位上位控制器解析接收数据的设备号，将数据与相应设备绑定并保存至本地；
上位机配置模块，是工位上位控制器根据自定义配置和/或可选择配置与工位PLC通讯数据，所述自定义配置指工位上位控制器能自定义添加与工位PLC的交互信息，所述可选择配置是指系统运行时工位上位控制器能选择需要启用的工位内的IO设备，并通过封装FB功能块来启用或禁用工位内的IO设备。
第三方面，本发明提供了一种模块化工位控制装置，包括硬件控制部分和软件控制部分；
所述硬件控制部分包括工位上位控制器和工位PLC，所述工位上位控制器传输整线控制模块下发的运行配方至工位PLC，由工位PLC对工位内的IO设备进行控制和数据的实时采集；
所述软件控制部分，进一步包括：
工位PLC程序模块，用组态软件对工位内的IO设备进行组态，并将工位内的IO设备的控制程序逻辑和/或数据采集逻辑封装于FB功能块中，通过FB功能块的块接口调用相应的控制程序用于数据交换；采用开放式TCP/IP通讯，通过工位PLC处理，在采集的设备数据中填入设备号，并发送至工位上位控制器，工位上位控制器解析接收数据的设备号，将数据与相应设备绑定并保存至本地；
上位机配置模块，是工位上位控制器根据自定义配置和/或可选择配置与工位PLC通讯数据，所述自定义配置指工位上位控制器能自定义添加与工位PLC的交互信息，所述可选择配置是指系统运行时工位上位控制器能选择需要启用的工位内的IO设备，并通过封装FB功能块来启用或禁用工位内的IO设备。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：通过将软件及硬件控制系统进行模块化设计，硬件模块化设计使单工位具备独立控制能力，使其脱离系统也具备工作能力，软件模块化，使用时可直接调用修改关键参数，二者组合设计，实现Pack装配线控制系统模块化，解决设备改造或工位调整时系统不兼容而重新设计的问题。当切换产品，硬件进行单工位脱离系统或变换位置，只需要对相应的模块程序进行增加或修改，大大减少工作量，降低人工成本。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明装配线的Pack装配线简易网络拓扑示意图；
图2为本发明的单工位硬件配置架构示意图；
图3为本发明实施例一中方法中的流程图；
图4和图5均为本发明封装后的FB功能块的示意图；
图6为本发明上下位机通讯接口的示意图；
图7为本发明上位机配置模块的配置窗口示意图；
图8为本发明实施例二中系统的结构示意图。
图9为本发明实施例三中装置的结构示意图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种装配线的柔性控制方法、系统和模块化工位控制装置，通过对软件及硬件控制系统进行模块化设计，解决了设备改造或工位调整时系统不兼容的技术问题。
本申请实施例中的技术方案，总体思路如下：通过将每个工位模块化成能独立运行的工位控制模块，每个工位的硬件都配置了工位PLC和上位控制器，从而能脱离整线控制模块而独立运行；软件上对PLC程序模块化，上位机配置模块化，增加启用/禁用IO设备程序的方式，即用灵活的硬件配合软件模块组合设计，从而实现整线控制和工位控制的两级模块化的Pack装配线控制系统，达到柔性控制的效果。其中，
每个工位的硬件都配置了工位PLC，提高了控制系统的性能，使其能运行多个IO设备控制程序，更适用于程序模块化配置；PLC程序模块化方面，通过调用FB功能块接口进行处理数据交换，可灵活地增加或修改设备控制程序，标准上下位机通讯接口给上下位机数据交互提供了架构支持；上位机配置模块化方面，通过自定义用户设备及控制程序，可以使现场设备改造和工位调整更具效率；增加启用/禁用IO设备程序方面，在未使用设备时，通过禁用与该设备相关的组态配置，使控制器性能得到提升。
在介绍具体实施例之前，先介绍本申请实施例方法所对应的系统框架，装配线控制系统由制造企业生产过程执行系统(MES)管控，跟踪生产进度，库存情况，工作进度和其它进出车间的操作管理相关的信息。如图1所示，整个装配线硬件控制部分大概分如下几个部分：
整线控制模块，用于对整条装配线上的独立于工位外的执行元件动作进行控制和数据处理；由于整条生产线除了由工位PLC控制的工位内的执行机构外，还会存在不由工位PLC控制的工位外的执行机构，则由整线控制模块控制；所述整线控制模块包括整线PLC、整线服务器及工控机、整线PLC控制独立于工位外的执行元件动作；所述整线服务器及工控机用于生产整线数据处理。
工位控制模块，结合图2所示，用于动力电池Pack装配操作，能脱离整线控制模块而独立运行，包括工位上位控制器和工位PLC，所述工位上位控制器传输所述整线控制模块下发的运行配方至工位PLC，由工位PLC对工位内的IO设备进行控制和数据的实时采集。
组网时，可将每个工位控制模块的工位上位控制器和工位PLC以及工位内的IO设备(各种IO控制器)连接交换机，由交换机通过和总线连接至整线控制模块的整线PLC，将工位内的IO设备如扫码枪等通过串口线连接工位上位控制，工位上位控制器则通过Ethernet线连接至整线控制模块的整线服务器及工控机。
实施例一
本实施例提供一种装配线的柔性控制方法，如图3所示，包括硬件控制部分和软件控制部分；
所述硬件控制部分，包括整线控制过程和工位控制过程；
所述整线控制过程是通过整线控制模块对整条装配线的独立于工位外执行元件动作进行控制和数据处理；所述整线控制模块包括整线PLC、整线服务器及工控机、整线PLC控制独立于工位外执行元件动作；所述整线服务器及工控机用于生产整线数据处理。
所述工位控制过程是将工位模块化成能独立运行的工位控制模块，使工位控制模块通过工位上位控制器传输所述整线控制模块下发的运行配方至工位PLC，由工位PLC对工位内的IO设备进行控制和数据的实时采集；所述独立工位控制模块还作为独立工位控制模块的人机界面使用。
具体如图2，采用Profinet工业现场总线控制，每个工位独立配置工位PLC用于对工位内的IO设备(拧紧枪等)进行控制及设备数据实时采集；工位均配置工控一体机，作为PLC的上位控制器传输运行配方至PLC，亦作为人机界面(HMI)使用；通过该控制方式，每个工位形成独立的控制系统，工位间互不影响，可实现灵活互换，每个工位亦可脱离整线控制模块独立运行。
所述软件控制部分包括整线控制软件和工位控制软件；
所述整线控制软件用于接受工位系统发来的数据信息，经过运算与处理后，发出相应指令对现场设备进行控制，并对现场设备出现的所有故障报警及时地进行分析处理；具体的，整线控制软件位于系统架构中的控制层，是整个装配线电气控制系统的核心，在整个电气控制系统中起着“承上启下”的作用。它采用PLC及现场总线系统接受工位系统发来的数据信息，经过其CPU中所存储的控制程序的运算与处理后，发出相应指令(输出信号)对现场设备进行控制。对现场设备出现的所有故障报警及时地进行分析处理，实时将故障报警信息上传给数据追溯系统。并在所属工位的人机界面(HMI)上显示具体的信息和处理办法。通过Profinet总线网络使得控制层内的PLC之间可以方便地进行数据交流。
所述工位控制软件，包括工位PLC程序模块化和上位机配置模块化；
所述工位PLC程序模块化是用组态软件对工位内的IO设备进行组态，并将工位内的IO设备的控制程序逻辑和/或数据采集逻辑封装于FB功能块中，通过FB功能块的块接口调用相应的控制程序用于数据交换；采用开放式TCP/IP通讯，通过工位PLC处理，在采集的设备数据中填入设备号，并发送至工位上位控制器，工位上位控制器解析接收数据的设备号，将数据与相应设备绑定并保存至本地；具体包括：
①工位设备组态：通过组态软件如西门子博途V14SP1编程软件组态IO设备(如拧紧枪)，单工位均能组态10个以内IO设备(如拧紧枪)，由于配置独立PLC控制器，既保证系统性能，也大幅提高接入IO设备(拧紧枪)数量；
②封装FB功能块：如图4所示，采用西门子博途V14SP1编程软件中FB功能块编写，将多种IO设备(如拧紧枪)控制程序逻辑/数据采集逻辑封装于FB功能块中，通过块接口(FB输入、输出、InOut管脚)调用相应控制程序，用于数据交换，FB功能块中使用跳转指令，未被调用的程序不占用PLC扫描周期；
③标准上、下位机通讯接口：如图6所示，采用开放式TCP/IP通讯，通过工位PLC处理，在采集的设备数据中填入设备号，并发送至工位上位控制器，工位上位控制器解析接收数据的设备号，将数据与相应设备绑定并保存至本地。
所述上位机配置模块化是工位上位控制器根据自定义配置和/或可选择配置与工位PLC通讯数据，所述自定义配置指工位上位控制器能自定义添加与工位PLC的交互信息，所述可选择配置是指系统运行时工位上位控制器能选择需要启用的工位内的IO设备，并通过封装FB功能块来启用或禁用工位内的IO设备。具体是：
如图7所示，工位上位控制器与工位PLC通讯数据采用自定义配置和可选择配置，自定义配置中可自定义添加与工位PLC的交互地址、长度、读写模式、类型等，可选择配置是可选择系统运行时需要启用设备；在系统启动时，即可根据定义的不同配置，上位机下发配方至PLC，PLC通过配方参数调用相应设备功能。
基于同一发明构思，本申请还提供了与实施例一中的方法对应的装置，详见实施例二。
实施例二
在本实施例中提供了一种装配线的柔性控制系统，如图8所示，包括硬件控制部分和软件控制部分；
所述硬件控制部分，进一步包括：
整线控制模块，用于对整条装配线的独立于工位外执行元件动作进行控制和数据处理；所述整线控制模块包括整线PLC、整线服务器及工控机、整线PLC控制独立于工位外执行元件动作；所述整线服务器及工控机用于生产整线数据处理。
工位控制模块，能脱离整线控制模块而独立运行，包括工位上位控制器和工位PLC，所述工位上位控制器传输所述整线控制模块下发的运行配方至工位PLC，由所述工位PLC对工位内的IO设备进行控制和数据的实时采集；所述独立工位控制模块还作为独立工位控制模块的人机界面使用。
所述软件控制部分，包括整线控制软件和工位控制软件；
所述整线控制软件用于接受工位系统发来的数据信息，经过运算与处理后，发出相应指令对现场设备进行控制，并对现场设备出现的所有故障报警及时地进行分析处理；
所述工位控制软件进一步包括：
工位PLC程序模块，用组态软件对工位内的IO设备进行组态，并将工位内的IO设备的控制程序逻辑和/或数据采集逻辑封装于FB功能块中，通过FB功能块的块接口调用相应的控制程序用于数据交换；采用开放式TCP/IP通讯，通过工位PLC处理，在采集的设备数据中填入设备号，并发送至工位上位控制器，工位上位控制器解析接收数据的设备号，将数据与相应设备绑定并保存至本地；
上位机配置模块，是工位上位控制器根据自定义配置和/或可选择配置与工位PLC通讯数据，所述自定义配置指工位上位控制器能自定义添加与工位PLC的交互信息，所述可选择配置是指系统运行时工位上位控制器能选择需要启用的工位内的IO设备，并通过封装FB功能块来启用或禁用工位内的IO设备。
由于本实施例所介绍的装配线的柔性控制系统为实施本申请实施例一中方法所采用的设备，故而基于本申请实施例一中所介绍的方法，本领域所属技术人员能够了解本实施例的电子设备的具体实施方式以及其各种变化形式，所以在此对于该电子设备如何实现本申请实施例中的方法不再详细介绍。只要本领域所属技术人员实施本申请实施例中的方法所采用的设备，都属于本申请所欲保护的范围。
基于同一发明构思，本申请提供了实施例二对应的一种模块化工位控制装置的实施例，详见实施例三。
实施例三
本实施例提供了一种模块化工位控制装置，如图9所示，包括硬件控制部分和软件控制部分；
所述硬件控制部分包括工位上位控制器和工位PLC，所述工位上位控制器传输整线控制模块下发的运行配方至工位PLC，由所述工位PLC对工位内的IO设备进行控制和数据的实时采集；
所述软件控制部分，进一步包括：
工位PLC程序模块，用组态软件对工位内的IO设备进行组态，并将工位内的IO设备的控制程序逻辑和/或数据采集逻辑封装于FB功能块中，通过FB功能块的块接口调用相应的控制程序用于数据交换；采用开放式TCP/IP通讯，通过工位PLC处理，在采集的设备数据中填入设备号，并发送至工位上位控制器，工位上位控制器解析接收数据的设备号，将数据与相应设备绑定并保存至本地；
上位机配置模块，是工位上位控制器根据自定义配置和/或可选择配置与工位PLC通讯数据，所述自定义配置指工位上位控制器能自定义添加与工位PLC的交互信息，所述可选择配置是指系统运行时工位上位控制器能选择需要启用的工位内的IO设备，并通过封装FB功能块来启用或禁用工位内的IO设备。
由于本发明实施例三所介绍的装置，为实施本发明实施例一的方法中除了整线控制模块以外所采用的装置，故而基于本发明实施例一所介绍的方法，本领域所属人员能够了解该装置的具体结构及变形，故而在此不再赘述。凡是本发明实施例一的方法所采用的装置都属于本发明所欲保护的范围。
本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：通过将软件及硬件控制系统进行模块化设计，硬件模块化设计使单工位具备独立控制能力，使其脱离系统也具备工作能力，软件模块化，使用时可直接调用修改关键参数，二者组合设计，实现Pack装配线控制系统模块化，解决设备改造或工位调整时系统不兼容而重新设计的问题。当切换产品，硬件进行单工位脱离系统或变换位置，只需要对相应的模块程序进行增加或修改，大大减少工作量，降低人工成本。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种装配线的柔性控制方法，其特征在于：包括硬件控制部分和软件控制部分；
所述硬件控制部分包括整线控制过程和工位控制过程；
所述整线控制过程是通过整线控制模块对整条装配线的独立于工位外执行元件动作进行控制和数据处理；
所述工位控制过程是将工位模块化成能独立运行的工位控制模块，使工位控制模块通过工位上位控制器传输所述整线控制模块下发的运行配方至工位PLC，由工位PLC对工位内的IO设备进行控制和数据的实时采集；
所述软件控制部分包括整线控制软件和工位控制软件；
所述整线控制软件用于接受工位系统发来的数据信息，经过运算与处理后，发出相应指令对现场设备进行控制，并对现场设备出现的所有故障报警及时地进行分析处理；
所述工位控制软件包括工位PLC程序模块化和上位机配置模块化；
所述工位PLC程序模块化是用组态软件对工位内的IO设备进行组态，并将工位内的IO设备的控制程序逻辑和/或数据采集逻辑封装于FB功能块中，通过FB功能块的块接口调用相应的控制程序用于数据交换；采用开放式TCP/IP通讯，通过工位PLC处理，在采集的设备数据中填入设备号，并发送至工位上位控制器，工位上位控制器解析接收数据的设备号，将数据与相应设备绑定并保存至本地；
所述上位机配置模块化是工位上位控制器根据自定义配置和/或可选择配置与工位PLC通讯数据，所述自定义配置指工位上位控制器能自定义添加与工位PLC的交互信息，所述可选择配置是指系统运行时工位上位控制器能选择需要启用的工位内的IO设备，并通过封装FB功能块来启用或禁用工位内的IO设备。
2.根据权利要求1所述的一种装配线的柔性控制方法，其特征在于：
所述整线控制模块包括整线PLC、整线服务器及工控机、整线PLC控制独立于工位外执行元件动作；所述整线服务器及工控机用于生产整线数据处理。
3.一种装配线的柔性控制系统，其特征在于：包括硬件控制部分和软件控制部分；
所述硬件控制部分，进一步包括：
整线控制模块，用于对整条装配线的独立于工位外执行元件动作进行控制和数据处理；
工位控制模块，能脱离整线控制模块而独立运行，包括工位上位控制器和工位PLC，所述工位上位控制器传输所述整线控制模块下发的运行配方至工位PLC，由所述工位PLC对工位内的IO设备进行控制和数据的实时采集；
所述软件控制部分包括整线控制软件和工位控制软件；
所述整线控制软件用于接受工位系统发来的数据信息，经过运算与处理后，发出相应指令对现场设备进行控制，并对现场设备出现的所有故障报警及时地进行分析处理；
所述工位控制软件，进一步包括：
工位PLC程序模块，用组态软件对工位内的IO设备进行组态，并将工位内的IO设备的控制程序逻辑和/或数据采集逻辑封装于FB功能块中，通过FB功能块的块接口调用相应的控制程序用于数据交换；采用开放式TCP/IP通讯，通过工位PLC处理，在采集的设备数据中填入设备号，并发送至工位上位控制器，工位上位控制器解析接收数据的设备号，将数据与相应设备绑定并保存至本地；
上位机配置模块，是工位上位控制器根据自定义配置和/或可选择配置与工位PLC通讯数据，所述自定义配置指工位上位控制器能自定义添加与工位PLC的交互信息，所述可选择配置是指系统运行时工位上位控制器能选择需要启用的工位内的IO设备，并通过封装FB功能块来启用或禁用工位内的IO设备。
4.根据权利要求3所述的一种装配线的柔性控制系统，其特征在于：所述整线控制模块包括整线PLC、整线服务器及工控机、整线PLC控制独立于工位外执行元件动作；所述整线服务器及工控机用于生产整线数据处理。
5.一种模块化工位控制装置，其特征在于：包括硬件控制部分和软件控制部分；
所述硬件控制部分包括工位上位控制器和工位PLC，所述工位上位控制器传输整线控制模块下发的运行配方至工位PLC，由所述工位PLC对工位内的IO设备进行控制和数据的实时采集；
所述软件控制部分，进一步包括：
工位PLC程序模块，用组态软件对工位内的IO设备进行组态，并将工位内的IO设备的控制程序逻辑和/或数据采集逻辑封装于FB功能块中，通过FB功能块的块接口调用相应的控制程序用于数据交换；采用开放式TCP/IP通讯，通过工位PLC处理，在采集的设备数据中填入设备号，并发送至工位上位控制器，工位上位控制器解析接收数据的设备号，将数据与相应设备绑定并保存至本地；
上位机配置模块，是工位上位控制器根据自定义配置和/或可选择配置与工位PLC通讯数据，所述自定义配置指工位上位控制器能自定义添加与工位PLC的交互信息，所述可选择配置是指系统运行时工位上位控制器能选择需要启用的工位内的IO设备，并通过封装FB功能块来启用或禁用工位内的IO设备。
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