基于PLC控制的视觉检测及处理系统在电解生产线上的应用

刘俊良，江文炳

（1.江西瑞林装备有限公司，江西 南昌 330032；2.云南锡业股份铜业分公司，云南 昆明 650000）

目前，无论是采用传统法铜电解工艺还是采用ISA法铜电解工艺，阴极剥片机组在全自动化的电解厂中都是不可缺少的，并且铜板剥离通常是电解厂出铜产品的最后一道工序，所以产品质量的把控尤为重要。而在全自动化电解厂中，国内传统剥片机组只有通过人工去挑出带有铜粒子的铜板并且手动处理，劳动强度大且工作效率低，并且人工成本很高。

为了解决以上问题，本文将阐述在新型剥片机组洗涤系统中增加视觉检测系统，通过相机来检测铜粒子所处铜板的准确位置和粒子高度，面积等相关参数，通过与PLC数据交互，将每块铜板的粒子参数发送至PLC系统，经过数据处理完后发出相关参数给到机器人抓取机构，机器人抓取机构将需要处理的B级铜抓取到粒子处理架，再通过伺服定位系统和铣刀处理机构去对含有大量杂质的铜粒子进行铣削处理，使其达到A级铜的目的，提高工作效率，降低人工成本。具体流程可见图1。

图1 粒子检测及处理整体机械流程

1 PLC系统设计

1.1 系统概述

PLC控制系统是工业设备重要的组成部分，是连接着粒子检测系统，机器人抓取系统，伺服行走定位系统的关键枢纽。此次项目采用的是PLC控制系统是西门子S7-1500系统，S7-1500自动化系统是在S7-300/400的基础上开发的自动化系统，在原有的基础上，提高了系统功能，集成了运动控制功能和PROFINET IRT通信功能，通过集成式屏蔽保证信号检测的质量。S7-1500的CPU模块响应时间快速，位指令执行时间最短可达1ns。集成有可用于调试和诊断的CPU显示面板、最多128轴的运动控制功能、标准以太网口。PROFINET接口和Web服务器，可以通过网页浏览器快速浏览诊断信息。支持高大2GB的存储卡，可存储项目数据、归档、配方和相关文档。优化存储的程序块可以提高处理器的访问速度。对应S7-1500的编程和组态软件为TIA博图。本文主要阐述与粒子检测系统、机器人抓取机构、粒子处理系统的相关内容。

1.2 系统配置

相关硬件配置主要有西门子1513系列CPU，西门子精智系列人机界面HMI，西门子V90伺服控制系统，FANUC M-410ic/315系列机器人以及Gocator线激光轮廓相机检测系统及其配套计算机数据处理系统。西门子CPU1513作为主站，通过PROFINET通信协议分别与其他分站进行数据交互，具体系统配置可见图2。

图2 系统配置图

1.3 软件整体设计

软件设计是系统运行的重要组成部分。软件设计也是基于机械结构组成，对每个部分进行联结控制。相机固定在两侧机架上，整块铜板通过伺服提升机构进行提升，提升的过程，相机同时发出激光射线，检测到铜板上各粒子高度，面积等相关数据，并实时发送到计算机，计算机接收到的数据经过特定算法，非线性优化处理，再通过线拼成面，再经过图像处理后便可得出整个铜板表面的图形与对应粒子所在的区域位置等参数，当检测整个板面完成后，铜板表面的数据实时发送到西门子1513CPU进行数据整合处理，如果检测表面没有存在粒子，CPU将发送A级铜信号给到机器人抓取系统，机器人将铜板抓取到A级铜处理工位进行铜板剥离，这也是正常的工艺流程；当检测到铜板为B级铜，机器人将铜板抓取到B级铜处理架上或是B级铜暂存架上，而放到B级铜处理架上的铜板，由CPU去发送信号，驱动X轴，Y轴方向的伺服电机，自动定位到粒子所在的位置，到达目标位后，再由铣刀处理机构对粒子进行铣削打磨，将含有大量杂质的粒子祛除，完成后再由机器人抓取机构将打磨完的铜板抓取到A级铜处理架进行正常流程剥离，这样就完成整个流程了。而B级铜暂存架功能就是存储B级铜，待B级铜处理架处理完成后，机器人再将暂存架上的铜板抓取到处理架上进行处理。具体设计流程见图3。

图3 系统设计流程图

2 粒子检测系统设计

2.1 概述

粒子检测系统通过铜板剥离生产线上安装2台激光轮廓传感器，分别对每块阴极板单面进行扫描,得到单面的轮廓数据，测量软件对扫描的三维轮廓数据进行分析、处理，判断阴极板的表面质量，同时将检测数据保存到本地数据库,并采用TCP Modbus方式将检测结果传输至PLC。激光轮廓传感器的检测视场大于阴极板的宽度，当阴极板到达检测位置时，PLC发送“开始信号”至计算机，开启传感器扫描。传感器连接状态、PLC通讯状态、阴极板检测结果均在检测系统操作界面上显示。

2.2 框架结构说明

框架结构主要由三大部分组成：数据采集层、数据处理层、数据显示层。

数据采集层：相机检测。数据处理：由电脑主机和处理算法组成。用于点云数据的处理，PLC通信交互。数据显示：由电脑显示器和显示软件组成。用于处理数据和图片显示。

2.3 软件架构组成

软件架构主要包含用户登录及退出、系统参数设置、数据表格输出、历史系统查询、用户权限更改和系统主画面显示及数据结果显示。历史数据具备生成EXCEL报表功能以及具有报表打印功能，便于统计分析铜表面情况。

2.4 粒子检测系统工作流程

2.4.1 首先设定好铜板参数

板面区域边长：根据现场实际物料来设定；

粒子高度限值：粒子高度值上下限值，用于筛选判定A级铜、B级铜；

粒子面子占比限值：粒子面积占整块铜板面积的百分比，用于筛选判定A级铜、B级铜。

2.4.2 根据现场设定完相关参数后，可选择本地或是远程控制

本地模式：铜板在移动的过程中，通过手动触发相机扫描光束去检测铜板表面情况，将数据采集下来进行处理。

远程模式：通过PLC远程发送启动命令，即当铜板开始运动时，PLC直接发送启动命令，相机开始工作，铜板运行完一个工位时，停止工作，计算机同步处理相关数据，并生成对应铜板粒子的参数列表和通过图像处理，形成图像数据显示（见图4），其中红点代表铜板表面粒子。同时将铜板类型及粒子位置，高度等参数发送给PLC控制系统。再由PLC系统进行处理控制后续的工作流程。

图4 粒子参数列表和图片数据

3 机器人抓取系统

3.1 概述

机器人为FANUC M-410ic/315系列，该系列机器人安装面积小，工作空间大，能够快速完成小节距的多点定位，定位精度高，示教简单，可编程性强，本体结构适用于在该类工况环境下运行，稳定性非常高安全可靠性高。本系统中，机器人通过PROFINET通讯协议和PLC进行数据交换，PLC传输给机器人控制信号以及速度给定，来执行取放铜板启动命令，以及控制机器人不同轨迹的选择。同时PLC接收机器人运行的各种状态，来判断机器人是否运行正常，确保机器人系统稳定可靠运行，方便操作人员掌握设备运行状态。

3.2 机器人编程设计

（1）机器人取板程序:机器人从初始位开始运行到抓板工位，夹具抓住板子后，再回到初始位，完成整个取板流程；

（2）机器人放板至A级铜处理工位程序：PLC接收检测系统的参数，判定为A级铜后，会将取到的铜板直接从初始位到A级铜处理工位放板处放下，再回到初始位，完成放板流程，同时处理工位开始对铜板剥离。其中判定A级铜再将信号给到机器人不会有时间延误，取板程序和放板程序是非常连贯的；

（3）机器人放板至B级铜处理工位或暂存架程序：同样的将判定为B级铜的铜板在进行分类，如果处理工位满足条件则直接放到B级铜处理工位，如果不满足，先放到暂存架待后续处理；

（4）机器人去处理架翻转铜板或取板到A级铜处理架程序：当处理架处理完一面粒子后，如果铜板另外一面不是粒子板，则机器人从初始位直接去取处理完后的粒子板，然后放到A级铜处理工位进行剥离，再回到初始位；如果另外一面也是粒子板，当第一面处理完成后，机器人从初始位到B级铜架取板抓起来后，在没有障碍的位置进行180度旋转，然后再放回到B级铜处理架，再回到初始位，当两面都处理完成后，机器人再从初始位到B级铜处理架取板放到A级铜处理架，放完板后再回到初始位，完成整个流程。

4 粒子处理系统

4.1 概述

粒子处理系统主要由两台V90伺服电机以及粒子铣削打磨机构组成，其中两台伺服电机构成一个直角坐标系，主要起到定位功能，铣削打磨主要由旋转电机和特制刀盘组成，对粒子进行铣削打磨。

4.2 粒子处理系统工作流程

首先板子是竖直悬挂在B级铜处理架上，X/Y轴伺服电机起始在原点位置，机器人放板完成后，PLC将会把铜板表面第一个需要处理的粒子位置发送给伺服电机，伺服电机将会自动启动到目标位置，到达后，铣刀电机旋转，然后伸出气缸伸出顶到铜板表面，对粒子进行铣削，完成后缩回，铣刀停止。PLC再发送第二个需要处理的位置，给到伺服电机，以此类推将全部粒子打完后，伺服电机再回到初始位，等待机器人将板子翻转处理另外一面或者直接抓取到A级铜处理工位。以下图5是处理前后铜板对比效果，其中左侧为处理前，右侧为处理后，实际效果满足要求。

图5 铜板处理前后对比

5 结语

采用高精度相机，配合相应算法和图像处理技术，可以完全实现对粒子铜板的区分和知道粒子所在的准确位置，再搭配西门子1500PLC的高性能和FANUC机器人专业性特点，加上西门子V90伺服控制器定位的精准性，实现了从粒子数据采集，数据处理，物料转运执行以及粒子精准处理整个步骤。提高了A级铜的产出率，提高效益，同时也提高工厂自动化程度，减轻工厂人员劳动强度，提高工作效率，降低人工成本。