PLC实现工业机器人的自动控制

作者：蓝天设计学院时间：20200818

        [摘要]在现代科学技术不断发展的背景之下，工业现场所涉及到的重体力劳动量不断提升。当中部分劳动任务的实现单单依靠人力是很难实现的。而为厂良好的完成工业现场的相关生产作业任务，就需要通过对机器人装置的研究与应用来实现。基于PLC的机器人装置主要采取关节式结构，能够实现对人体手臂部分的活动动作加以模拟，在自动控制系统下的顶定程序、轨迹、以及要求作用下，实现包括零部件抓取、搬运、以及装配在内的一系列动作。本文针对基于PLC的机器人自动控制系统设计过程中的相关问题做详细分析与说明。
        [关键词]PLC；工业机器人；自动控制
        中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）29-0359-01
        引言
        目前，工业机器人已经广泛用于机械制造业中，代替人完成具有大批量、高质量要求的工作。工业机器人多用在自动工位上，由外围设备控制程序的启动和运行。本文主要介绍如何利用GEPLC实现对FANUC系统机器人的自动控制。
        一、基于PLC控制的工业机器人系统概述
        目前，PLC控制技术、工业机器人技术以及CAD技术已经成为了工业自动化领域最关键的几个技术。这几个技术的不断完善和发展，给现代工业自动化领域的形成提供了巨大的帮助。近几年来，随着科学技术的不断发展，基于PLC控制的工业机器人系统的研究已经进入了关键阶段，实现基于PLC控制的工业机器人系统在生产中的应用也成为了现实。由于基于PLC控制的工业机器人系统可以在工业生产之中发挥重要作用，基于PLC控制的工业机器人系统在工业生产中的应用水平已经成为了衡量工业自动化领域发展水平的关键因素之一。基于PLC控制的工业机器人系统可以使得工业机器人在PLC系统的控制之下，自动地完成工业生产过程之中要进行的多功能型任务。除此之外，基于PLC控制的工业机器人系统还可以完胜一系列的工业生产工作，有效地实现机电一体化生产。
        二、基于PLC控制的工业机器人系统的控制特点
        基于PLC控制的工业机器人系统在应用中有着许多的优良特性，其主要集中体现在以下三个方面：首先，PLC编码控制器拥有着强大的控制性能，可以迅速地向工业机器人系统发出指令信息，而且在对工业机器人系统的控制过程中，还可以通过联网技术的应用，实现工业机器人系统的各种操作指令；其次，PLC编码控制器拥有着可靠性强的特点，由于PLC编码控制器拥有着相应的编码加密处理，这就形成了PLC编码控制器的强大抗干扰能力，使得基于PLC控制的工业机器人系统在运行过程中可以稳定地进行工业生产；最后，PLC编码控制器拥有着适用范围广的特点，目前，基于PLC控制的工业机器人系统已经可以广泛地应用于各个领域，体现了其适用范围的广泛性。
        三、基于PLC实现工业机器人的自动控制系统设计
        1、底层控制器的选型
        底层控制器作为控制系统的核心，其选择的合适与否对整个系统来说十分重要，其性能直接影响了控制系统的可靠性、数据处理速度、数据采集的实时性等。移动机器人运行环境较恶劣，干扰源众多，对运动控制器的实时性和可靠性要求较高，所以选择一种稳定可靠地运动控制器至关重要，既要满足系统要求，又要具有良好的可扩展性和兼容性。
        考虑到实验环境以及可扩展程度等问题，选择PLC用于适合本系统的底层运动控制器。它采用可编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
        2、电气系统设计
        在对轮式全向移动机器人控制系统硬件进行选型以后，根据移动机器人的硬件组成进行电气系统设计。移动机器人的电气系统主要包括三个部分：主电路、伺服驱动系统电路和PLC控制系统电路。
        移动机器人控制系统主电路通过PLC和继电器实现控制。控制原理如下：继电器由线圈和辅助触点两部分组成。当线圈通电的时候，其对应的常开触点闭合，常闭触点断开。在控制电路中，继电器线圈的电压为24V，继电器线圈的一端与PLC数字量输出相连，另一端与地相连。PLC的数字量输出电压为24V，通过控制PLC数字量的输出进而控制继电器线圈的通电和断电，继电器触点所控制的元件就会得电和失电。
        3、I/O配置段设计
        I/O配置段包括I/O刷新周期（典型为4ms）和I/O数据映像区大小信息，通过软PLC编程系统的工程配置模块进行可视化配置，以适应不同机器人应用程序对I/O设备的不同需求。长度固定为16字节，内容包括I/O刷新周期、本地数字输入LDI（Local Digital Input）单元个数、本地数字输出LDO（Local Digital Output）单元个数、本地模拟输入LAI（Local Analog Input）单元个数、本地模拟输出LAO（Local Analog Output）单元个数、远程数字输入RDI（Remote Digital Input）单元个数、远程数字输出RDO（Remote Digital Output）单元个数、远程模拟输入RAI（RemoteAnalogInput）单元个数、远程模拟输出RAO（Remote Analog Output）单元个数。
        4、PLC程序设计
        在底层控制器中，使用编程软件STEP 7 PROFESSIONAL V12的PTO运动控制指令，使用位置控制方式，控制4个转向伺服电机，从而控制4个车轮的转向角；另外，使用扩展模拟量输出模块输出电压值，控制4个轮毅电机，驱动机器人运动。排除硬件的因素外，程序的好坏直接决定着运动性能的高。
        因此程序的编写是整个设计中最为重要的环节之一。在实现所需功能的前提下，程序应尽量做到简洁明了，这就要求绘制流程图和顺序功能图时思路清晰。
        PLC的编程语言有梯形图LD、功能块图FBD、顺序功能图SFC三种图形语言和指令表IL、结构文本ST两种文本语言。其中梯形图是最常见的一种PLC图形编辑语言，它是从传统的继电器控制系统原理图中演变而来，继承了继电器控制系统的电路图和逻辑关系，直观清晰。
        在进行PLC程序的设计时，一般应遵循以下几个常规要求：
        （I）完全满足被控对象的控制功能要求；
        （2）尽量使控制系统简单、经济、安全可靠；
        （3）控制系统预留一定的裕度，便于后续的调整和扩充。
        除此之外，一般PLC程序设计需要包括以下内容：
        （1）初始化程序。在PLC上电后，一般都要进行初始化的操作步骤，为系统启动作必要的准备，避免系统发生非常规动作。
        （2）检测和故障诊断等程序。这些与系统安全相关的程序相对独立，一般在PLC程序设计基本完成时添加。
        （3）保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，它可以避免由于非正常操作而引起的控制逻辑混乱。
        5、运行监控人机界面
        系统运行时可以在上位机通过串口终端查看系统运行状态，此外还在目标板上实现了简单的运行监控人机界面，使用更加友好的方式控制系统运行以及显示运行状态，以便于测试。
        运行监控人机界面包含文件管理、控制面板、消息框和运行状态显示4个区域。其中文件管理区域显示所有待运行测试的软PLC目标文件；控制面板用于控制系统运行，包括目标文件加载、启动、暂停、继续、停止等操作；消息框用于显示系统运行时简化信息，若要查看软PLC虚拟机详细运行信息，则需要在上位机通过串口终端查看；运行状态显示区域可显示I/O和伺服状态信息，根据目标文件中配置段信息显示数量正确的I/O或伺服轴运行状态信息。
        结语
        建立在PLC可编程序控制器基础之上所设计的机器人自动控制系统最为突出的优势在于对传统意义上繁琐且复杂的硬件系统接线线路加以厂简化，省略大量接线空间，从而使得机器人自动化控制过程中的柔性特征、以及可拓展性特征表现更加显著。同时，常规意义上的继电器控制电路模式被基于PLC的自动控制模式所桥代，由此大大提高厂整个机器人自动控制系统的动作可靠性、抗干扰性、易维护性。
        参考文献
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