基于PLC的收餐機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱亞榮，姜樹海

（南京林業(yè)大學(xué)　智能控制與機(jī)器人技術(shù)研究所，南京　210037）

基于PLC的收餐機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱亞榮，姜樹海

（南京林業(yè)大學(xué)智能控制與機(jī)器人技術(shù)研究所，南京210037）

針對當(dāng)前餐廳收餐自動化水平低下的現(xiàn)狀，提出了自動化收餐流水線的概念，設(shè)計(jì)了一款收餐機(jī)器人；在分析收餐機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種基于PLC的收餐機(jī)器人控制系統(tǒng)；系統(tǒng)主要由餐盤翻轉(zhuǎn)模塊、篩選模塊、餐具輸運(yùn)模塊、餐盤堆疊模塊和殘?jiān)占K組成；根據(jù)不同模塊的工作流程和作業(yè)需求，以西門子S7-200為控制系統(tǒng)核心，完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并分別對各模塊進(jìn)行了編程調(diào)試，可實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，符合實(shí)際控制要求，達(dá)到自動收餐的目的。

收餐機(jī)器人；PLC；控制系統(tǒng)；位置控制

0　引言

在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展和科技不斷進(jìn)步的時(shí)代，自動化生產(chǎn)和管理已滲入到各大行業(yè)，作為現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)核心的工業(yè)自動化正在不斷地被廣泛運(yùn)用到經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各領(lǐng)域［1］。餐飲業(yè)在我國第三產(chǎn)業(yè)中占有重要地位，是服務(wù)經(jīng)濟(jì)繁榮程度的標(biāo)志［2］，其自動化水平的提高對國民而言意義重大。

為控制人工成本和改善就餐環(huán)境，國內(nèi)餐廳開始將自動化技術(shù)、信息技術(shù)應(yīng)用于其中的作業(yè)環(huán)節(jié)，讓機(jī)器代替手工或幫助手工進(jìn)行工作，市場上也不斷涌現(xiàn)出相關(guān)的科技產(chǎn)品，使餐廳運(yùn)營不斷朝著信息化和自動化發(fā)展［3］。目前的餐飲行業(yè)已普遍開始應(yīng)用一些信息化的科技產(chǎn)品，比如點(diǎn)菜系統(tǒng)，可快速通過觸摸屏或手持器點(diǎn)餐，自動將菜單傳至收銀臺和廚房［4］。杭州雄偉科技開發(fā)有限公司設(shè)計(jì)的一種自助式餐飲結(jié)算臺［5］，用以幫助餐廳實(shí)現(xiàn)不同部門間的信息流通，方便營業(yè)管理。自動化層面上的科技產(chǎn)品目前來看還不成熟，盡管相繼出現(xiàn)了不少代替人工的機(jī)器，用以實(shí)現(xiàn)餐飲服務(wù)中某些流程的自動化，比如食堂自動打飯機(jī)、餐廳服務(wù)機(jī)器人［6］、蛋炒飯機(jī)器人［7］等，但是，后續(xù)的收餐環(huán)節(jié)依舊主要靠人工完成，暫時(shí)還沒有出現(xiàn)成熟、可推廣的技術(shù)。在就餐高峰時(shí)期，人工收餐勞動量大，效率低下，常常出現(xiàn)餐盤來不及收集的狀況，尤其是在學(xué)校食堂、企業(yè)員工餐廳等就餐人員眾多的場合，這種狀況更為明顯，嚴(yán)重影響就餐環(huán)境?；谧詣踊讲粩喟l(fā)展、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)相繼升級和收餐環(huán)節(jié)科技滯后的問題，我們提出了自動化餐飲流水線中收餐機(jī)器人的課題。

在機(jī)器人控制中，多采用基于微機(jī)的控制器或基于DSP（digital signal processing，數(shù)字信息處理器）的控制器作為機(jī)器人的控制系統(tǒng)硬件，即“運(yùn)動控制器+PC”結(jié)構(gòu)形式的控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)以PC為上位機(jī)，運(yùn)動控制器為下位機(jī)，可快速對運(yùn)動軸，尤其是多軸的系統(tǒng)加以控制。雖然上下位結(jié)構(gòu)清楚，但系統(tǒng)穩(wěn)定性不夠、難以擴(kuò)展、兼容性不強(qiáng)、維護(hù)困難。PLC（programmable logic controller，可編程邏輯控制器）由于其可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、功能完善、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制系統(tǒng)中有著重要地位，且隨著PLC技術(shù)的成熟，尤其是在運(yùn)動控制方面，可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊，用于圓周運(yùn)動或直線運(yùn)動的控制［10］。目前，機(jī)器人控制多采用PLC控制器對機(jī)器人各軸運(yùn)動進(jìn)行規(guī)劃和編程，使機(jī)器人按照既定的程序依次動作，在工作過程中，借助傳感器判斷工作狀態(tài)、感知工作環(huán)境，不斷調(diào)節(jié)運(yùn)動狀態(tài)，機(jī)器人可即按照預(yù)定的動作和路線有序工作［11］?；赑LC能實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)功能要求且性價(jià)比高的特性，我們開展了基于PLC的收餐機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究。

1　系統(tǒng)總體框架

為達(dá)到以機(jī)械替代人工進(jìn)行餐盤清潔與殘?jiān)斶\(yùn)的目的，收餐機(jī)器人采用五大模塊來對餐盤、餐具和殘?jiān)M(jìn)行處理，此五大模塊分別為餐盤翻轉(zhuǎn)模塊、篩選模塊、餐具輸運(yùn)模塊、餐盤堆疊模塊和殘?jiān)占K，如圖1所示。

圖1　收餐機(jī)器人機(jī)械示意圖

收餐機(jī)器人采用模塊化的控制系統(tǒng)，各控制模塊可自由組合，適應(yīng)不同的工作條件，以滿足不同的控制系統(tǒng)運(yùn)行要求。具體工作流程：首先，帶有殘?jiān)牟捅P和其他餐具送至餐盤翻轉(zhuǎn)模塊后，餐盤翻轉(zhuǎn)模塊開始運(yùn)轉(zhuǎn)，將餐盤、餐具和殘?jiān)蛛x，而后餐具和殘?jiān)珊Y選裝置進(jìn)行篩選，餐具將進(jìn)入餐具輸運(yùn)裝置，并被輸運(yùn)到指定位置，而殘?jiān)鼘⑦M(jìn)入殘?jiān)占K，餐盤將進(jìn)一步跟隨旋轉(zhuǎn)架運(yùn)動到餐盤堆疊模塊，整個(gè)處理過程結(jié)束。模塊間的關(guān)系和工作流程如圖2所示。

圖2　收餐機(jī)器人系統(tǒng)工作流程圖

1.1餐盤翻轉(zhuǎn)模塊

餐盤翻轉(zhuǎn)模塊采用旋轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)架由伺服電機(jī)驅(qū)動，上面安裝機(jī)械手。其中，機(jī)械手上安裝光電傳感器和電磁鐵，并且可做水平方向和上下方向運(yùn)動。在實(shí)際運(yùn)動中，旋轉(zhuǎn)架運(yùn)轉(zhuǎn)流程如圖3所示：1）啟動時(shí)，機(jī)械手處于水平位置，當(dāng)餐盤擺放到機(jī)械手上時(shí)，機(jī)械手上的光電傳感器感知，PLC收到信號并讓電磁鐵通電吸住餐盤；2）接著旋轉(zhuǎn)架開始轉(zhuǎn)動；3）在旋轉(zhuǎn)過程中，由于其他餐具未被吸住，因而受慣性作用掉落到下面的篩選模塊上，達(dá)到分離的目的；4）旋轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)180°后停止，電磁鐵斷電失去磁性并放下餐盤，等待下一個(gè)餐盤的到來。

圖3　旋轉(zhuǎn)架運(yùn)轉(zhuǎn)過程

1.2餐具輸送模塊

為將餐具運(yùn)送到更寬闊的地方統(tǒng)一收集，如圖4所示，餐具和殘?jiān)袈浜螅?jīng)濾網(wǎng)式輸送帶篩選后，殘?jiān)袈涞綒堅(jiān)占帲途邉t跟隨輸送帶向前運(yùn)動，將餐具運(yùn)到指定位置后停止，餐具由于慣性掉落在餐具收集處。餐具輸送模塊運(yùn)動流程如圖所示：在餐具和殘?jiān)袈涮幇惭b光電傳感器，當(dāng)餐具滑落時(shí)，傳感器檢測到物體，此時(shí)輸送帶開始運(yùn)行，運(yùn)行一個(gè)工作長度后，輸送帶停止運(yùn)行直到下一個(gè)餐具掉落。

圖4　輸送帶運(yùn)行過程

1.3餐盤堆疊模塊

餐盤堆疊模塊由做直線運(yùn)動的手臂和用于夾緊餐盤的機(jī)械手爪組成。手臂由旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動，經(jīng)滾珠絲杠傳動，可做前進(jìn)、后退、上升、下降運(yùn)動并返回原點(diǎn)。機(jī)械手爪上安裝光電傳感器和電磁鐵，通過控制電磁鐵的通斷電，改變電磁鐵磁性，實(shí)現(xiàn)餐盤的夾緊和放下。機(jī)械手運(yùn)動過程如圖5所示，當(dāng)餐盤在A側(cè)放于機(jī)械手上后，機(jī)械手上的光電傳感器感知，將信號傳給PLC控制器，PLC再控制電磁鐵通電吸取餐盤。機(jī)械手隨旋轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)180°后，到達(dá)B側(cè)。接著，手臂向前前進(jìn)一個(gè)工作長度，到達(dá)C側(cè)，即餐盤堆疊位置，使電磁鐵斷電并放下餐盤，手臂再原路返回到原位置，如此循環(huán)。

圖5　餐盤堆疊運(yùn)動過程

當(dāng)系統(tǒng)啟動后，可通過手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇運(yùn)行模式。在手動運(yùn)行時(shí)，可以對各模塊運(yùn)動進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動或一個(gè)工作單位的運(yùn)動，保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全和精確性。在自動模式時(shí)，系統(tǒng)可自動完成各模塊的運(yùn)動，并實(shí)現(xiàn)模塊間的協(xié)調(diào)和順序控制，保證收餐的整個(gè)流程有序完成，大大解放人力，也可提高就餐高峰時(shí)期的收餐效率。

2　系統(tǒng)硬件配置

控制系統(tǒng)由CPU226、3個(gè)位控模塊EM253、4個(gè)伺服驅(qū)動器和4個(gè)伺服電機(jī)組成。由于西門子CPU226內(nèi)置脈沖輸出器，如脈沖串輸出（PTO）模式［12］，為節(jié)省位控模塊數(shù)量，餐具輸送模塊采用PTO控制方式；而餐盤翻轉(zhuǎn)模塊、餐盤堆疊模塊由于位置精度要求較高，則利用EM253進(jìn)行位置控制。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

2.1PLC

西門子S7-200系列PLC具有可靠、易操作、靈活等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制中被廣泛應(yīng)用，并且能夠滿足收餐機(jī)器人的性能需求，所以PLC選擇西門子S7-200系列?？刂葡到y(tǒng)需要較多的輸入輸出端口，總計(jì)17個(gè)數(shù)字量輸入，8個(gè)數(shù)字量輸出，同時(shí)連接有3個(gè)EM253位控模塊，故只能選擇CPU226型號。

2.1.1數(shù)字量輸入部分

圖6　收餐機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

控制系統(tǒng)輸入部分可分為轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕、光電傳感器和限位開關(guān)，共有17個(gè)數(shù)字輸入量。具體分配如表1所示。

表1　輸入變量地址分配表

2.1.2數(shù)字量輸出部分

控制系統(tǒng)主要輸出控制的設(shè)備有伺服電機(jī)驅(qū)動器，電磁鐵和指示燈，共有8個(gè)數(shù)字輸出量。具體分配如表2所示。

2.2伺服電機(jī)

在此控制系統(tǒng)中，共有4個(gè)伺服電機(jī)，分別控制旋轉(zhuǎn)架、機(jī)械手前進(jìn)后退、機(jī)械手上升下降、餐盤輸送帶的運(yùn)行。伺服電機(jī)接收伺服驅(qū)動器發(fā)出的電信號，在電動機(jī)軸上以角位移或角速度的形式輸出，精確控制電機(jī)運(yùn)行的速度，經(jīng)滾珠絲杠傳動，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的直線運(yùn)動［13］。

表2　輸出變量地址分配表

由于設(shè)計(jì)在餐盤翻轉(zhuǎn)模塊、餐具運(yùn)輸模塊、餐盤堆疊模塊均需要實(shí)現(xiàn)精確的定位控制，并且需要電機(jī)能快速反應(yīng)、不產(chǎn)生噪聲以營造餐廳良好環(huán)境，故選用伺服電機(jī)。

此控制系統(tǒng)中，有4個(gè)伺服電機(jī)，相應(yīng)地，每個(gè)伺服電機(jī)需配備一個(gè)伺服驅(qū)動器來控制電機(jī)，接收來自PLC的脈沖，以改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、扭矩等，達(dá)到精確控制伺服電機(jī)的目的［14］。

2.3位置控制模塊

定位模塊EM253通過產(chǎn)生高速脈沖來實(shí)現(xiàn)對單軸步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)速度、位置控制。通過S7-200PLC的擴(kuò)展接口，實(shí)現(xiàn)與CPU間通訊控制。在此系統(tǒng)中，共使用了3個(gè)EM253位控模塊，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手兩個(gè)方向和旋轉(zhuǎn)架正反轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的位置控制。由于機(jī)械手做直線運(yùn)動，故采用工程單位（如：毫米、英尺）作為控制系統(tǒng)的測量單位。EM253位控模塊安裝、拆卸簡單方便，易于靈活控制各個(gè)運(yùn)動模塊。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，收餐機(jī)器人的控制過程分為手動控制模式和自動控制模式。在手動控制模式時(shí)，各設(shè)備可以單獨(dú)運(yùn)行，相互之間沒有順序，互不干擾。模式選擇流程圖如圖7所示。

圖7　收餐機(jī)器人模式選擇流程圖

3.1手動控制模式

在手動模式時(shí)，可以通過按鈕單獨(dú)控制各設(shè)備的運(yùn)行，包括：旋轉(zhuǎn)架的正反轉(zhuǎn)，機(jī)械手的前進(jìn)后退、上升下降，輸送帶的前進(jìn)后退，電磁鐵的通斷電。在運(yùn)行允許范圍內(nèi)，各設(shè)備可任意移動，便于控制系統(tǒng)的調(diào)試和檢測。手動控制流程圖如圖8所示。

圖8　手動控制運(yùn)行流程圖

3.2自動控制模式

在自動控制模式時(shí)，系統(tǒng)通電后，按下啟動按鈕，各設(shè)備開始按照順序運(yùn)行，具體運(yùn)行流程如圖9所示。

圖9　自動控制運(yùn)行流程圖

3.3編程用數(shù)據(jù)地址分配

控制系統(tǒng)中有多個(gè)模塊，輸送帶采用PTO控制方式，旋轉(zhuǎn)架和機(jī)械手采用EM253進(jìn)行控制。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，為使編程清晰明了、易于修改，對各模塊地址進(jìn)行分配，如表3所示。

3.4程序的編寫

利用西門子公司專門為S7-200 PLC設(shè)計(jì)開發(fā)的STEP7-Micro/WIN，該軟件基于Windows，功能十分強(qiáng)大，主要用于開發(fā)程序，也可實(shí)時(shí)監(jiān)控程序執(zhí)行的狀態(tài)。

控制系統(tǒng)主程序利用梯形圖進(jìn)行編程，在了解系統(tǒng)總體流程后，細(xì)化各模塊，按照不同的功能要求編寫不同模塊的相應(yīng)程序。其中旋轉(zhuǎn)架、機(jī)械手和輸送帶的位置控制部分借助STEP7-Micro/WIN中的“位置控制向?qū)А惫ぞ?，進(jìn)行各模塊位置控制參數(shù)的設(shè)置，生成子程序，在編寫主程序時(shí)直接調(diào)用，如圖10所示。

表3　模塊地址分配表

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

選用東元經(jīng)濟(jì)型TSTE30C驅(qū)動器（最大功率1KW）和TSB13102B3NLA001系列伺服電機(jī)，根據(jù)驅(qū)動器手冊完成PLC控制器、EM253模塊和伺服驅(qū)動器的接線，如圖11所示。

圖10　機(jī)械手自動向上運(yùn)行程序子程序

圖11　硬件接線圖

接線檢查無誤后，建立PLC與上位機(jī)的通訊，將程序下載到PLC，對PLC的輸出進(jìn)行監(jiān)控。最終調(diào)試結(jié)果如下：1）手動模式時(shí)，依次按下啟動、電磁鐵通斷電、旋轉(zhuǎn)架正反轉(zhuǎn)、機(jī)械手前進(jìn)后退、機(jī)械手上升下降各按鈕，電源指示燈亮起，同時(shí)各模塊的伺服電機(jī)點(diǎn)動正反轉(zhuǎn)均可實(shí)現(xiàn)。2）撥動轉(zhuǎn)換開關(guān)，切換到自動模式，按下啟動按鈕，電源指示燈亮起，接著，分別觸發(fā)機(jī)械手光電傳感器和輸送帶光電傳感器，對垂直方向和水平方向的限位開關(guān)進(jìn)行強(qiáng)制輸入，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)驅(qū)動餐盤翻轉(zhuǎn)模塊、餐具輸送模塊、餐盤堆疊模塊的伺服電機(jī)可以按照控制要求順序動作，實(shí)現(xiàn)了一定條件下的自動控制，基本滿足收餐需求。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同的收餐環(huán)境，可以相應(yīng)地調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化。

5　結(jié)論

收餐機(jī)器人控制系統(tǒng)運(yùn)用PLC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了收餐流程的自動化控制，可以使簡單重復(fù)的人工收餐方式由機(jī)器操作代替，有效解決了就餐高峰時(shí)期大量餐盤堆積無法清理的問題。系統(tǒng)采用西門子S7-200 PLC作為控制器，驅(qū)動伺服電機(jī)單軸運(yùn)動控制模塊，控制餐盤翻轉(zhuǎn)模塊的圓周運(yùn)動、餐具輸送模塊和餐盤堆疊模塊的直線運(yùn)動，使得各模塊運(yùn)動協(xié)調(diào)有序。收餐機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡單穩(wěn)定，易于操作，經(jīng)過調(diào)試達(dá)到設(shè)計(jì)要求，未來可廣泛應(yīng)用于學(xué)校食堂、員工餐廳、大型快餐店等餐飲流水線中的收餐環(huán)節(jié)。未來我們將結(jié)合收餐機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)際，進(jìn)一步完善整機(jī)的性能。

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Control System Design for Catering Collecting Robot Based on PLC

Zhu Yarong，Jiang Shuhai
（Institute of Intelligent Control and Robotics，Nanjing Forestry University，Nanjing210037，China）

As present catering collecting automation level is low，a notion of automated catering collecting assembly line is put forward and a catering collection robot is designed.After analyzing the whole structure and motion requirements，a further control system for catering collecting robot based on PLC is designed.It is mainly divided into serving tray rotating module，filtering module，tableware conveying module，serving tray stacking module and residues collecting module.Considering different working process and control requirements between modules，this paper applied Siemens S7-200 as the core of control system，finished hardware and software design，made programs and debugged for each module，and achieved accurate position control，which meets actual control requirements and can collect serving tray automatically.

catering collecting robot；PLC；control system；position control

1671-4598（2016）05-0084-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.025

TP241

B

2015-10-23；

2015-12-07。

江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PDPA）；南京林業(yè)大學(xué)引進(jìn)高層次歸國人員及高層次人才基金項(xiàng)目（G2003-01）。

朱亞榮（1991-），女，江蘇省如皋市人，碩士研究生，主要從事機(jī)器人技術(shù)方向的研究。

姜樹海（1964-），男，吉林省德惠市人，工學(xué)博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事機(jī)器人技術(shù)、智能控制技術(shù)方向的研究。