基于PLC的工業(yè)機械手自動化控制系統(tǒng)設計研究

莫凡珣，張佳，孫樂濤

[摘? ? 要]文章以工業(yè)機械手自動化控制系統(tǒng)設計作為切入點，敘述PLC可編程邏輯控制器技術的工作原理、主要應用及核心優(yōu)勢，探討基于PLC技術的自動控制系統(tǒng)設計方法，闡述機械手軌跡規(guī)劃、硬件結構、軟件程序3方面的設計要點。旨在提升工業(yè)機械手的控制精度與強化運動控制能力，更好地替代人工完成復雜條件下的生產活動，推動工業(yè)機器人技術體系的創(chuàng)新發(fā)展。

[關鍵詞]PLC技術;工業(yè)機械手;自動化控制;系統(tǒng)設計

[中圖分類號]TP241;TP273 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）12–00–02

Research on the Design of Automatic Control System

for Industrial Machinery Based on PLC

Mo Fan-xun，Zhang Jia，Sun Le-tao

[Abstract]This paper takes the automatic control system design of industrial manipulator as the starting point， describes the working principle， main application and core advantages of PLC programming logic controller technology， discusses the design method of automatic control system based on PLC technology， and expounds the design points of manipulator trajectory planning， hardware structure and software program.The aim is to improve the control accuracy of the industrial manipulator and strengthen the movement control ability， better replace the manual completion of the production activities under complex conditions， and promote the innovative development of the industrial robot technology system.

[Keywords]PLC technology; industrial manipulator; automatic control; system design

1 PLC技術應用概述

1.1 PLC工作原理

PLC是一種以可編程控制器為核心設備，替代繼電器完成邏輯運算控制，具備順序控制與計數(shù)控制等多項控制方法，適用于惡劣工業(yè)環(huán)境的一種新型控制技術，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出值來實現(xiàn)控制目的。在PLC控制系統(tǒng)運行期間，依次執(zhí)行輸入采樣、程序執(zhí)行與輸出刷新操作，在輸入采樣步驟，按特定順序掃描全部輸入數(shù)據(jù)及狀態(tài)，按照掃描結果將其導入I/O映像區(qū)中儲存，隨后進入程序執(zhí)行步驟，在后續(xù)步驟中不會改變已存儲的狀態(tài)數(shù)據(jù)。在程序執(zhí)行步驟，按從上到下順序掃描梯形圖的控制線路，掃描期間同步開展邏輯運算操作，基于運算結果來刷新輸出線圈，選擇性執(zhí)行特殊功能指令。在輸出刷新步驟，根據(jù)梯形圖排列順序和運算結果，刷新對應輸出鎖存電路，在電路驅動作用下控制外接設備。

1.2 主要應用

在工業(yè)機械手等機械設備自動控制系統(tǒng)中，PLC技術主要用于開關量邏輯控制、運動控制、模擬量控制、過程控制、數(shù)據(jù)采集管理、故障診斷等場景中，可以滿足多元化的機械設備控制需要，適用于多數(shù)工業(yè)場景[1]。例如，在故障診斷場景中，PLC系統(tǒng)中存在若干自檢信號，定期采集、轉換與分析自檢信號，以及對工業(yè)機械手運行參數(shù)檢測值和額定值進行比較分析，如果檢測值與額定值二者產生過大偏差，或是系統(tǒng)根據(jù)自檢信號發(fā)現(xiàn)故障問題時，啟動故障診斷和溯源分析程序，判斷故障類型與鎖定具體故障點，發(fā)送報警信號，在系統(tǒng)界面上顯示故障碼。

1.3 PLC技術的核心優(yōu)勢

在早期工業(yè)機械手自動控制系統(tǒng)中，采取繼電器控制方法，存在控制精度不足、功能單一、環(huán)境適應能力差的局限性。與之相比，PLC技術有著實時性、豐富I/O卡件、系統(tǒng)配置簡單靈活、硬件設備易于安裝維護、結構組態(tài)靈活的優(yōu)勢。因而，其逐漸取代了傳統(tǒng)的繼電器控制方法，工業(yè)機械手自動控制系統(tǒng)的運行效率、控制精度、穩(wěn)定性均得到明顯提升。以組態(tài)靈活優(yōu)勢為例，PLC系統(tǒng)采取模塊化設計方法，系統(tǒng)結構由主控制器與多個單元模塊組成，各模塊對應所實現(xiàn)的使用功能，如果工藝技術、工業(yè)環(huán)境與受控對象發(fā)生變化，直接對系統(tǒng)結構中的單元模塊種類、數(shù)量、硬件設備種類型號及排列方式加以調整即可。

2 基于PLC的工業(yè)機械手自動化控制系統(tǒng)的設計方法

2.1 工業(yè)機械手軌跡規(guī)劃設計

2.1.1 路徑設計

設計人員在已掌握信息基礎上，綜合分析工業(yè)機械手種類、現(xiàn)場環(huán)境、生產目標與工藝流程等因素，使用運動方程式，確定工業(yè)機械手位置與關節(jié)變量值，也可以根據(jù)機械手位姿來獲取關節(jié)變量值與速度值，在軟件程序中導入各類參數(shù)，規(guī)劃設計完成不同生產任務、機械手處于各點位置時的運動路徑，運動路徑由機械手出發(fā)點與到達點間的中間位形序列加以構成。

2.1.2 插補方式選擇及軌跡控制

（1）以工業(yè)機械手控制需求及方法為依據(jù)，選擇恰當?shù)牟逖a方式。例如，在采取工業(yè)機械手運動路徑點位控制方式時，由于沒有路徑約束條件，滿足機械手在起點、終點時的位姿要求即可，可選擇采取不插補或是關節(jié)插補的方式，不插補方式采取保證各軸獨立快速到達、限制各關節(jié)最大加速度的措施，關節(jié)插補也被稱為平滑插補，采取限制各關節(jié)最大加速度、各軸協(xié)調運動定時插補的措施。而在采取機械手連續(xù)路徑控制方法時，可采取空間插補或是關節(jié)插補的方式，空間插補措施包括直線/曲線/圓弧等距插補、給定起停線速度及線加速度條件下限制各關節(jié)速度與最大加速度，關節(jié)插補措施包括空間插補點定時插補、限制各關節(jié)最大加速度、基于低階多項式擬合空間直線來維持各軸協(xié)調動作狀態(tài)。

（2）設計機械手軌跡控制程序，在工業(yè)機械手啟動后對軌跡控制程序進行初始化處理，采集現(xiàn)場監(jiān)測信號來掌握軌跡上機械手的實時位置及姿態(tài)，采取插補算法，基于機器人逆運動學和所設置若干角度位置控制系統(tǒng)，在機械手運動期間實時調整位置及姿態(tài)，保證機械手完全按照預定軌跡運動。

2.1.3 軌跡插值設計

在機械手軌跡插值設計環(huán)節(jié)，可采取直線插補或是平面圓弧插補算法，負責根據(jù)已掌握信息，在給出全部路徑節(jié)點數(shù)據(jù)后進行插值計算來獲取機械手關節(jié)變量插值。其中，直線插補算法是在已掌握直線兩端起點和終點位置姿態(tài)信息情況下，求算運動軌跡的中間點位置姿態(tài)、各軸增量、插補點坐標值等信息。平面圓弧插補算法是根據(jù)基礎坐標系和圓弧平面的重合情況進行計算，如在已知平面內一圓圓心坐標值時，在公式中導入總的圓心角、機械手沿圓弧運動速度、插補時間間隔等參數(shù)，計算各插點坐標值。

2.1.4 機械手末端軌跡仿真實驗

為論證PLC控制系統(tǒng)中工業(yè)機械手路徑軌跡規(guī)劃方案是否具備實施性，需要建立機械手仿真控制模型來開展仿真實驗。例如，在某工業(yè)機械手PLC控制項目中，設計人員采取MATLAB編寫程序和繪圖函數(shù)的方法建立仿真模型，在模型中標記機械手在各點位置時的關節(jié)位置與姿態(tài)等信息，根據(jù)已掌握機械手末端軌跡平面坐標值來計算全部關節(jié)角，可選擇以直線為切入點，設定一條直線，采取軌跡方程式或是插值法獲取直線上的全部點位坐標值，通過增加點數(shù)數(shù)量的方式來提高仿真機結果準確性。隨后，根據(jù)坐標值來確定機械手末端位姿，通過方程式輸出結果來獲取各關節(jié)角度，使用MATLAB軟件自帶工具進行求解，繪制仿真圖。最終，根據(jù)仿真實驗結果，獲取二連桿機械手與三連桿機械手在不同運動軌跡時的仿真過程，包括桿件位置、關節(jié)姿態(tài)、運動軌跡等。

2.2 硬件設計

2.2.1 PLC控制器選型設計

可編程邏輯控制器是PLC機械手自動控制系統(tǒng)的核心器件，控制器選型合理與否，直接影響到機械手控制效果與系統(tǒng)運行狀態(tài)。對PLC控制器的選型，需要從CPU能力、存儲器容量、控制功能、I/O點數(shù)、輸入輸出需求等多個維度進行綜合分析。一般情況下，可選擇配置CPIH-X40DR-A型號的PLC控制器，該款控制器CPU中央處理器內置輸入24點/輸出16點，為繼電器輸出類型，供電電源為AC220 V，由步進電機把傳感器所采集現(xiàn)場監(jiān)測信號接入原點輸入信號，可以滿足絕大多數(shù)情況下的機械手自動控制需求，通過控制電機轉動的方式來控制機械手位置、速度和加速減速時間個數(shù)。

2.2.2 電機及驅動器選型設計

首先，在工業(yè)機械手自動控制系統(tǒng)中，步進電機起到把電脈沖信號轉換至角位移量或是線位移量、多相時序控制電流進行分時段供電的作用，由PLC控制器下達調節(jié)電機轉動加速度及速度的指令，從而起到調速控制作用。在電機選型設計環(huán)節(jié)，需要根據(jù)工業(yè)機械手控制需求來設定步進電機的基本參數(shù)要求，包括電機固有步距角、保持轉矩、相數(shù)。一般情況下，要求所配備步電機半步工作角為0.9°、整步工作角為1.8°、保持轉矩為2 N.m、相數(shù)為二相至五相即可，要求所選相數(shù)與固有步距角保持匹配狀態(tài)，如在配置二相步進電機時，要求半步與整步角分別為0.9°與1.8°，在配置三相步進電機時，分別將半步與整步角保持為0.7°和1.5°。

其次，在確定步進電機規(guī)格型號的條件下，配置與之匹配的驅動器。例如，在配置MSMD042PIU型步進電機時，應配備MADDT1205型號的驅動器，該款驅動器輸入電源為單相200 V、最大瞬時與最大連續(xù)輸出電流為10 A及5 A、編碼器反饋信號為1000 p/r、分辨率為131072 p/r、可外接再生制動電阻、具備自動增益調整和全閉環(huán)控制使用功能，附帶擾動觀察器和動態(tài)制動器。

2.3 系統(tǒng)軟件設計

2.3.1 參數(shù)設定

根據(jù)工業(yè)機械手控制要求和仿真實驗結果，在軟件程序中設定各項基礎參數(shù)，包括數(shù)據(jù)存儲器參數(shù)、位置序列、軸參數(shù)、速度、位置、加速與減速時間、駐留時間、區(qū)域等。例如，分開設定各編號存儲器的設置內容，包括間隙補償、原點搜索加速時間、加速/減速曲線、初始速度、輸入輸出位置、逆時針與順時針軟件限位值、初始脈沖定義等。而在設定位置序列參數(shù)時，分開設定各處地址與模塊單元的位置序列內容，包括X軸定義、位置定義、處理時間、減速時間、初始速度、輸出代碼、完成代碼、加速時間等。

2.3.2 軟件編程

在編程環(huán)節(jié)，可選用CX-Programmer Ver7.30等軟件，使用工作字來輔助位置控制模塊進行工作，根據(jù)控制需求來編寫梯形圖，在梯形圖中設定16條及以上的命令語句，各條命令語句對應特殊功能指令，以此來實現(xiàn)電機轉動控制、機械手末端軌跡控制等使用功能。例如，使用工作字操作開關，形成上升沿微分，啟動主控程序與控制模塊，步進電機保持通電狀態(tài)和發(fā)出設定脈沖信號，位置控制模塊接收脈沖信號后控制機械手連桿末端按特定速度抵達預定點位，如果沒有接收到脈沖信號或未達到預定位置則退回上一步驟，在一切無誤后完成設定運動軌跡，程序返回初始工作狀態(tài)。同時，在工業(yè)機械手內分布多個連桿時，根據(jù)連桿數(shù)量來設置多個位置控制模塊，重復執(zhí)行發(fā)出設定脈沖信號、模塊控制連桿按預定軌跡到達指定位置的操作步驟，直至全部連桿運動完畢。

2.3.3 人機界面設計

為提供良好的人機操作服務，滿足工業(yè)機械手的遠程手動控制需求，以應對一些PLC系統(tǒng)無法獨立解決的復雜問題及突發(fā)狀況。需要在方案中做好人機界面設計工作，可選用LEVI Studio維控觸摸屏編程軟件、WE320-A編程軟件、MaqicWorks HMI組態(tài)軟件等輔助軟件，根據(jù)工業(yè)機械手的實際控制需求，在系統(tǒng)界面上設計指示燈顯示、實時運行監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、故障查詢、自動啟動、停機運行等功能欄及按鈕，工作人員可以通過系統(tǒng)界面所顯示信息來掌握工業(yè)機械手及PLC系統(tǒng)運行狀況，遠程下達參數(shù)調節(jié)等控制指令。同時，為保證操作安全，避免出現(xiàn)誤觸情況，應建立指令確認機制，在下達控制指令后，系統(tǒng)界面彈出指令確認欄，由確認指令、取消指令兩種按鈕組成，點擊確認指令按鈕后，再將指令下達、執(zhí)行。

3 結語

本文對PLC技術的工作原理和應用情況進行簡單敘述，嘗試用PLC技術來開發(fā)設計以工業(yè)機械手為目標對象的自動化控制系統(tǒng)，依次闡述軌跡規(guī)劃、硬件結構與系統(tǒng)軟件程序的設計方法及要點，并開展仿真試驗與使用正/逆向運動學相關理論來推導機械手的運動軌跡及過程。以此來論證PLC技術在工業(yè)機械手控制方面的應用可行性，為系統(tǒng)開發(fā)設計提供思路，做到對工業(yè)機械手運動軌跡的有效控制。

參考文獻

[1] 況婧.基于PLC的3DOF機械臂的控制系統(tǒng)的設計[D].成都：電子科技大學，2015.