基于工业互联网的笔记本外壳检测系统设计

王 峰，丁金林，常维康，史森培

（苏州市职业大学 电子信息工程系，江苏 苏州 215104）

铝合金具有重量轻、散热效率高、抗压性较强等优点，将其应用在中高档超薄型笔记本电脑外壳上，不仅外观漂亮，而且具有良好的防锈、防震、耐磨、抗拉伸和抗氧化等功能。但在笔记本外壳加工过程中，因通过冷压成型的铝制外壳具有一定弹性，当利用加工中心成型及切边时，壳体边缘深度可能会出现加工误差，导致质量不合格[1-2]。出现产品质量问题的具体原因主要有两点：①冷压成型的外壳本身存在质量问题，壳体底面及边沿出现严重误差，不能用于进一步加工；②在加工中心进行加工时，真空吸盘吸力不均匀，出现底面不水平，导致加工误差过大。在实际生产中，对加工精度的检测由于缺乏有效的手段，通常普遍采用量规人工选点检测，这不仅工作量大，且测量准确度不高，易造成大量次品。据调查，人工选点检测的次品率一般在10%左右，更有甚者达15%，严重影响企业效益。也可采用视觉技术[3]解决这一问题，但视觉技术不仅成本较高，而且在进行边沿高度检测时难度较大。基于以上问题，本研究提出采用高精度光学传感器进行巡检，不但解决了产品质量检测问题，而且降低了劳动力成本，提高了检测效率，具有较高好的推广价值。

1 笔记本外壳检测系统架构设计

检测系统的架构主要由PLC控制器、X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器、变频器、真空吸盘、光学传感器、各种开关按钮及传感器、交换机、触摸屏、网关及工业互联网平台等组成，其设计方案如图1所示。其中PLC是系统的核心：首先，通过变频器控制传送带速度，实现工件的自动送料；其次，当位置传感器检测工件到位后，控制真空吸盘工作，并实现工件的准确定位；最后，通过伺服驱动器控制，使固定在十字轴上的精密光学传感器按照固定轨迹精确运动，在设定的位置点自动采集测量数据，并与标准值比较，判断工件是否合格。在检测现场设置触摸屏，可进行系统调试、参数设置、测量数据显示等功能，实现全自动化检测。该系统既确保了加工质量，又提高了产品的检测效率，适合笔记本电脑外壳经打孔、成型和切边后成品的检测。此外，为了方便产品检测优化及远程检测，利用工业网关采集PLC的控制系统数据，通过MQTT协议发送数据到汉云工业互联网平台，可在云端进行组态、数据分析、故障诊断等，实现异地PC和手机APP端的设备监控。

图1 笔记本外壳检测系统架构设计方案

2 笔记本外壳检测系统电路设计

控制系统主电路图如图2所示。主回路采用单相220 V供电，断路器QS1为总电源开关，QS2、QS3、QS4分别为变频器控制、伺服控制及PLC控制回路电源开关。M1为皮带电机，由0.37 k W的施耐德紧凑型单相变频器ATV320U04M2C驱动，M2、M3分别为X轴、Y轴伺服电机，分别由两台0.2 kW的单相运动伺服驱动器LXM28AU02M3X实现位置控制。变压器不仅可实现主回路和控制回路电气隔离，而且可抑制高频杂波传入控制回路；变压器有两路输出，其中一路为交流36 V，为设备提供安全工作电源，用于现场设备照明；另一路为交流220 V，经开关电源转换为直流24 V，为PLC及控制电路提供工作电源。此外，SA1为控制回路电源开关，合上SA1，电源指示灯HL1点亮，表示系统处于通电状态。HL2为系统工作状态指示灯，由继电器KA1控制；HL3为报警指示灯，由继电器KA2控制，在系统出现故障时点亮；气阀由KA3控制，通过真空吸盘实现柔性工件的固定。

图2 控制系统主电路图

控制电路PLC I/O接线图如图3所示。控制器选择施耐德TM241CEC24T，其具有丰富的通信端口，包括2个串口、1个以太网接口、1个CANopen接口，可满足系统与伺服驱动器、变频器及其他系统的以太网通信。模拟量输入选择2通道电流输入型扩展模块TM3AI 2H，用于采集光学传感器信号，进行水平及边缘测量。SB1、SB2分别为启动、停止按钮；SB3为系统复位按钮，可进行PLC及变频器、伺服驱动器的故障复位；SA为急停开关；光电开关SQ1选用OMRON的ESZ-LS81，当检测到皮带上有工件时，变频器工作，皮带运行；SQ2、SQ3、SQ4为位置传感器，用于检测工件是否正确放入吸盘；SQ5、SQ6、SQ7为X轴伺服的上下限位及原点传感器；SQ8、SQ9、SQ10为Y轴伺服的上下限位及原点传感器。外壳高度检测选用CMOS激光传感器HG-C1030，其精度为10 um，可满足公差范围为0.05 mm的测量需求，其模拟量输出连接TM3AI2H，外部控制输入端由PLC控制，使用方便，可精确测量物体表面的平面度及工件的高度。继电器KA1驱动状态指示灯，可通过不同闪烁表明系统目前工作状态；KA2驱动报警灯，KA3驱动气动电磁阀，当工件到位后继电器得电，真空吸盘工作，通过真空负压固定工件，为后续测量做好准备；KA5、KA6控制光学传感器1和2的工作状态，KA4和KA7为备用继电器。其中，单相变频器与PLC通过Modbus RTU通信，两台伺服驱动器与PLC通过CANopen通信，触摸屏与PLC 通过Modbus TCP通信。

图3 PLC I/O接线图

3 笔记本外壳检测系统控制设计

3.1 PLC主程序设计

主程序由SFC编程语言搭建，设计流程图如图4所示。每一个方框表示一个子程序段，各个程序段的执行顺序： PLC上电后，执行Init初始化程序，然后直接跳转到并行分支，包括Input、Calculate、OpMode、Motion、Inver ter程序段，在一个扫描周期内按从左到右的顺序执行。其中Input为输入程序，Calculate为数据采集及计算程序，OpMode包含选择分支Manual和Auto，分别为手动运行程序和为自动运行程序，Motion为伺服运动程序，Inverter为变频器程序。双击程序框，即可进入对应程序段，编写程序代码，完成笔记本外壳检测系统程序设计。

图4 主程序设计流程图

表1 变频器Modbus通信参数设置表

3.2 变频器控制程序设计

PLC通过变频器实现皮带调速及正反转控制，进而实现系统自动上料。本研究中PLC与变频器采用Modbus RTU协议通信[4-5]，其中PLC为Modbus主站，变频器为Modbus从站，使用标准网线连接TM241CEC24T PLC的SL1和ATV320变频器的RJ45网线接口，使用集成显示终端，对变频器参数进行设置，设置参数及参数路径如表1所示。设置变频器频率给定方式为集成的Modbus通信，控制模式设置为组合模式，可通过网络启动，从站站号为1，通信速率为19 200 bps，串行数据格式为8个数据位、1个停止位、无检验位。

打开SoMachine软件，进行变频器组态及编程。首先，在串行线路 SL1上添加设备，进行通信接口设置，其参数与变频器设置一致。其次，进行变频器程序编写，将变频器的内部变量通过IOScanner映射到PLC本地变量，通过对PLC变量进行读写，来完成对变频器的监控。ATV320变频器实现Modbus通信所用的控制状态字、控制字等相关变量如表2所示。可通过对控制字CMD的写操作控制变频器，读取状态字ETA获取变频器的当前状态，根据变频器的内部操作状态表创建FB块进行PLC编程，通过触摸屏控制变频器，监测变频器实际工作频率和电机电流。

表2 ATV320变量表

3.3 伺服控制程序设计

PLC通过伺服驱动器控制光学传感器在X、Y水平面运动，实现对笔记本外壳在设定的位置点自动循迹和采集数据，实现产品的自动巡检。

在本研究中，PLC与X轴、Y轴伺服驱动器采用CANopen协议通信[6-8]，其中PLC为主站，X轴、Y轴伺服驱动器均为从站，伺服驱动器参数设置如表3所示。X轴站号为1，Y轴站号为2，其通信速率都为1 Mbps，并定义原点及正向、反向限位等,确保其正常工作。在So Ma c h ine中进行CANopen通信组态及相关编程，首先，设置CANopen端口通信速率和伺服驱动器一致，添加2个Lexium28伺服轴，进行X、Y伺服轴硬件组态，并配置X轴、Y轴伺服齿轮比，电机每转脉冲数11 000个，即1个脉冲对应位移为0.001 mm。其次，定义相关BOOL型操作变量以及DINT型数据变量，编写X轴、Y轴控制程序，建立POU程序组织单元，调用针对伺服控制的使能、原点设置、绝对定位等相关功能模块，实现X轴、Y轴伺服使能、原点设置、正向点动、反向点动、相对定位和绝对定位等精确控制，进而可实现传感器在工件水平面的自动循迹控制。

表3 X轴及Y轴横移轴参数表

4 触摸屏画面设计

人机用户界面选用7英寸触摸屏HMIGXU3512，通过Modbus TCP协议与PLC通信。可在触摸屏设置变频器工作频率，控制皮带运行速度；通过对X轴、Y轴伺服参数设置，实现水平面上的精确运动；同时实时监控各个采集点位置数据及高度数据，进行产品质量的判断。

4.1 界面设计

使用Vi j e o De s i gne r Bas i c创建HMI项目，选择Ta r ge t的常规菜单，设置触摸屏以太网IP地址为192.168.12.30；进行从站PLC通信参数配置，设置PLC以太网IP地址为192.168.12.11。触摸屏界面包括1个主界面及6个子界面，其中系统主界面如图5所示，按下相应按钮可切换到对应的子界面。其中，系统参数设置界面可进行变频器、X轴、Y轴等参数设置；监控界面可实时监测工作状态、工件数量及合格率等；通信设置界面可进行触摸屏IP地址及通信参数设定；故障诊断界面可自动进行系统故障监测并给出故障解决方案提示；数据分析界面可显示当前工件12个采点的数据并进行统计分析。

4.2 系统调试

在组态完成后，下载触摸屏程序并运行，进行基本功能调试。首先进行手动调试，并建立伺服X轴和Y轴坐标系；然后进行自动控制调试，先将画面切换到如图6所示的监控界面，设置产品名称及计划数量，然后点击“运行”按钮，系统则自动启动，使皮带运行，带动工件到达指定位置并控制真空吸盘动作；同时，十字轴按照设定轨迹运动，在指定位置进行产品测量，并实时显示检测数量、合格数量、合格率以及当前工件的采集点数据等，判断产品质量，并进行报警，提醒用户处理。

图5 组态系统主界面

图6 监控界面

5 笔记本外壳检测系统云端监控平台设计

为了更好地进行设备远程监控及数据分析，利用汉云工业互联网平台[9-12]，将系统工作过程中的运行数据通过工业网关上报到平台，进行数据分析和呈现，方便对现场数据的实时监控及参数调整和优化，实现在异地的PC和手机APP端进行设备监控。

5.1 网关配置

使用XEdge客户端软件进行网关配置。建立3个连接，前两个连接为网关采集PLC数据做准备，其中连接1为网关通过Schneider MODBUS_TCP与PLC通信，主要用于非位变量添加；连接2为网关通过标准的MODBUS_TCP与PLC通信，主要用于位变量添加；连接3为网关通过MQTT协议与云平台通信。在建立连接后，进行监控点配置及云服务配置，实现云平台与网关的通信。

5.2 云组态

登录汉云工业互联网平台后，进行基础数据配置，添加网关绑定设备。系统监控在线后，进行云端采集点配置，确保可实时显示生产数据。进行云组态界面设计，关联采集点，完成工业APP的发布，监控主界面如图7所示。云端显示产品名称、完成数量、合格率等统计数据，并能实时监控皮带转速、采点坐标及当前采点测量数据，当数据异常或出现故障时可对本地设备生成报警，通过短信服务通知相关人员。同时，可通过手机APP登录工业互联网平台，对笔记本外壳检测系统进行监控。

图7 云平台组态显示

6 结论

针对笔记本电脑铝合金外壳加工中质量检测问题，设计了一种基于汉云工业互联网平台的笔记本外壳检测系统。该系统采用具有丰富通信端口的施耐德PLC作为控制器，进行基于Modbus RTU通信的传输皮带控制设计，实现自动进料；通过真空吸盘及传感器实现工件的精确定位；进行基于CANopen的十字轴轨迹控制设计，实现光学传感的自动寻迹及自动测量；并利用工业网关将现场数据上传至汉云工业互联网平台，实现云端监控、设备管理、数据分析、故障诊断与系统维护。该系统不仅可有效检测笔记本外壳的加工质量，降低废品率，而且实现了设备上云，便于远程维护及管理，具有较高的推广应用价值。