基于PLC的自動機器人控制系統研究

摘要：控制系統是現代機器人的核心部分，如同人類的大腦一樣決定著機器人的自動化水平。為了實現對機器人運動軌跡、運動速度、運動加速度的有效控制，提高機器人的自動化程度，讓機器人更好地適應外界工作環境。本文選擇PLC技術為研究對象，結合智能化技術的最新發展，對其控制系統進行了深入的研究，希望能夠為PLC技術在自動機器人控制系統中的應用提供一定的思路。

關鍵詞：PLC;自動控制;機器人;控制系統

中圖分類號：TP242.2??? 文獻標識碼：A??? 文章編號：1007-9416（2020）04-0000-00

0 引言

工業4.0時代對機器人的控制技術提出了更好的要求，要求機器人高精度、超高穩定性和快速響應。因此，近年來機器人控制系統向著數字交流化、智能化、新型半導體元件大功率化、模塊化等高精尖化的方向發展，一方面速度精度都得以不斷提高，另一方面，結構和操作日益簡單，標準化水平正在日益提高。PLC控制器因為方便靈活、成本低廉、編程簡單、擴展性強等優勢被廣泛用于控制器中。本文設計的基于PLC的自動機器人在設計過程中充分考慮了經濟性、簡單性、實用性、結構的開放性，滿足速度、加速度、力矩的要求，抗干擾能力強，定位精度高，行走能力強。

1機器人控制系統和PLC控制相關概述

1.1 機器人的控制方式

機器人控制方式主要有兩種：首先是點位控制，該控制系統結構簡單，根據末端執行器的點位進行定位，無需考慮運動路徑，但是精度上仍然還需要提高。其次輪廓控制，該定位方式較為嚴格，要求機器人在速度和路徑上必須要嚴格一致，并且進行多軸聯動，通過嚴格的控制提高定位精度。從內部原理上來看，也是分為兩種，非伺服控制系統采用事先編制好運動軌跡的方法，適用于PLC等運動程序簡單的系統，其控制方式簡單。伺服控制是當前自動機器人常見的控制方法，利用各種傳感器將外界信息傳輸到系統，并且進行處理，這將是未來機器人技術的主要發展方向。伺服控制系統按照動力形式劃分包括電型、液壓型和氣動型，按照執行元件的類型可以分為直流和交流，按照控制方式可以分為開環、半閉環和閉環系統^[1]。

1.2 機器人控制系統的機構組成

控制器，主要是根據指令要求控制各個執行器完成相應地操作，是機械人的核心機構。控制參數，主要包括速度和位移以及力矩等參數，通過電信號進行控制。執行工作環節，主要將控制器發出來的電信號轉化為機械運動。測試環節，通過傳感器和變換回路對系統進行測試。比較環節，針對測試數據和系統信號進行對比，然后計算出信號偏差。從本質上來說，機器人是通過運動控制器來控制其運動軌跡，包括使用DSP和PLC進行控制。工業計算機的控制器得益于巨大的計算能力，處理器能夠高速運行，搭配集成電路，具有強大的控制功能^[2]。

1.3 PLC相關概述

PLC系統即可編程邏輯控制器，在工業場景中有廣闊的適應性，其各項功能都可以進行拓展設計，編程簡單，結構簡便，加之具有體積小、重量輕、能耗低，因此應用廣泛。系統以微型處理器為核心，結合智能控制領域的最新技術，抗干擾性強，包含故障檢測和自診斷程序，對外在環境有良好的判斷力。其基本結構包括模塊式和整體式兩種，主要元件包括中央處理器、存儲器、輸入單元、輸出單元、通訊接口、編程設備等。PLC系統具有強大的指令功能和極高的通訊能力，使多軸聯動插補得以實現，這讓系統可能在高精度狀態下實現閉環控制。PLC技術不需要復雜的電路設計就能夠實現有效控制，因此，本文采用PLC設計方案。在PLC設備選型中要做好輸入輸出（I/O）點數、存儲器容量、控制功能的選擇，根據結果的復雜程度來選擇合適的功能模塊^[3]。

2 基于PLC的自動機器人控制系統設計

2.1 系統總體設計

系統結構精簡，節能降耗，能夠根據不同的工業場景進行適應性設計。功能要滿足機器人的自動控制需求，同時具有手動功能，指令功能良好。無論是在負載和空載狀態下，機器人都能隨時實現隨遇平衡狀態。為了方便一線操作人員使用，系統采用組態軟件，這樣他們不需要具有非常專業的知識就可以實現對系統的控制。為了方便使用，系統采用高度人際和諧的視窗界面，能夠滿足系統記錄的需要。系統支持立體 3D 圖庫，采用多樣的語言文字表現形式，具有擴展報警功能和過程控制數據采集功能，和傳統系統相比，系統的圖像更為形象，同時采用全新的動畫編輯方式，使用豐富的表現語言。編程過程中采用TouchWin 編程工具，提升變成的可靠性，提升控制的水平。機器人有自動和手動兩種模式，在手動模式下，可以對各軸的正反向運動分別調節，控制運動量和深度。在自動模式下，系統可以監控機器人的運動狀態，包括各個機構的位置和運行狀態。無論在手動還是在自動模式下，都可以對機器人的狀態進行全面監控，方便進行操作，在自動模式下，系統根據報警功能自動自動檢測故障，確保機器人在正確的運動狀態^[4]。

2.2 系統的安裝和調試

機器人安裝不能直接使用220v電壓，要使用變壓器進行電壓轉換，使用36V直流供電。在數據傳輸過程中，機器人非常容易受到干擾，其自動化水平會大幅降低，因此在系統安裝之后，要進行調試程序。機器人本體安裝好之后，要進行可靠接地設計，檢查強電連接，確保電源輸出和輸入正確，查看電機有無異常發熱，每個關節是否都能正常運動。按照系統設置進行示教過程，將各軸用手動模式運動到開始位置，整個控制系統進行供電。再根據示教模式設定機器人的速度，從1m/s到3m/s提升速度，測試機器人穩定性。在進入到程序點用軸操作鍵，讓機器人達到作業狀態，按下確認鍵，讓機器人按照既定路徑進行相關操作。周而復始，反復執行示教程序，并且測試誤差，進一步對控制系統進行調整。

3 結語

總之，控制系統是機器人的大腦和神經中樞，其重要性毋庸置疑，比起DSP等技術，PLC技術編程和調試更為容易，直接采用專用指令就能夠完成對高端機器人的控制。因此，PLC在未來的機器人設計中還有著更廣泛的應用前景，需要進一步深入研究。

參考文獻

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[2] 孫式運，樊文建.電氣自動化控制中的人工智能技術[J].電子測試，2018（14）：134-135.

[3] 申少魁.PLC控制系統在機器人上的應用[J].南方農機，2018（16）：3.

[4] 王增彪，李菊，鄧嘉鳴，等.基于PLC的噴涂機器人控制系統設計[J].現代職業教育，2015（17）：30-31.

收稿日期：2020-03-09

作者簡介：熊智（1971—），男，四川成都人，碩士，工程師，研究方向：應用電子技術。

Research on PLC Based Automatic Robot Control System

XIONG Zhi

（College of Physics and Engineering Technology， Chengdu Normal University， Chengdu Sichuan 611130）

Abstract： control system is the core part of modern robot， which determines the automation level of robot just like human brain. In order to realize the effective control of the robot's motion track， speed and acceleration， improve the robot's automation degree， and make the robot adapt to the external working environment better. In this paper PLC technology is selected as the research object， combined with the latest development of intelligent technology， the control system of PLC is studied in depth， hoping to provide some ideas for the application of PLC technology in the automatic robot control system.

Key words： PLC; automatic control; robot; control system