自動生產(chǎn)線PLC聯(lián)合工業(yè)機器人控制設計

高 星

（杭州市臨平職業(yè)高級中學，杭州311100）

0 引言

工業(yè)機器人技術的快速發(fā)展，增強了自動化生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力和效率。工業(yè)機器人雖有獨立的控制器和控制系統(tǒng)，但在自動生產(chǎn)線中只是一個執(zhí)行點位，生產(chǎn)線的整體配合，以及與部分機器人點位的配合，還是多以PLC系統(tǒng)為主[1]。因此，在以PLC為主的自動生產(chǎn)線系統(tǒng)中，在加入工業(yè)機器人系統(tǒng)后，如何使PLC與機器人系統(tǒng)有效配合，是目前生產(chǎn)線系統(tǒng)需要解決的問題[2]。

1 自動化生產(chǎn)工藝流程概述

本文以某小型產(chǎn)品加工組裝的生產(chǎn)線中的某一流程為例，產(chǎn)品通過由傳送帶傳送至裝蓋區(qū)，隨后停止，待工業(yè)機器人的手爪將產(chǎn)品蓋組裝完成后，傳送帶繼續(xù)運動，將裝蓋后的產(chǎn)品移動至下一單元，進行后續(xù)操作[3]。該部分操作中，帶動傳送帶運動的電動機由PLC控制，裝蓋區(qū)的檢測傳感器檢測信號發(fā)送至PLC的I/O端口，工業(yè)機器人手爪由獨立的機器人控制器實現(xiàn)抓取、松爪、移動等操作。

該部分屬于自動化生產(chǎn)線中PLC控制系統(tǒng)與工業(yè)機器人控制系統(tǒng)中較為常見的聯(lián)合生產(chǎn)方式，屬于較為簡單的配合，具有典型性，本文以該例作為PLC與機器人聯(lián)合控制設計的案例，完成硬件系統(tǒng)構造設計，并作出控制特點、思路設計與分析。

2 硬件系統(tǒng)構造

在大型PLC控制系統(tǒng)與工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的聯(lián)合生產(chǎn)應用中，均是以PLC系統(tǒng)為主、機器人控制系統(tǒng)為輔。傳統(tǒng)的自動化生產(chǎn)線多以“人工-自動生產(chǎn)線”為主，自動生產(chǎn)線在實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)時由嚴格的生產(chǎn)順序和工藝要求，每個生產(chǎn)步驟可以劃分為若干個控制區(qū)域，每個區(qū)域以一個PLC為主控設備，各個區(qū)域間均以眾多的PLC之間相互通信為主。人工站位是配合生產(chǎn)中無法由機器完成的生產(chǎn)部分，人工生產(chǎn)的特點具有相對獨立性，但仍需要與生產(chǎn)線配合。工業(yè)機器人的引入實質(zhì)上是替代了人工站位，是對自動化生產(chǎn)線上的補充，因此也具有相對獨立性。但人和機器人系統(tǒng)在與PLC溝通方面不同，工業(yè)機器人是相對獨立的控制系統(tǒng)，必須與PLC系統(tǒng)建立有效聯(lián)系，因此必須構建穩(wěn)定的硬件系統(tǒng)，具體方式如圖1所示。

圖1 PLC控制系統(tǒng)與工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的聯(lián)系方式

圖1，PLC以西門子S7-1200為例，工業(yè)機器人控制系統(tǒng)以ABB公司的IRB-120機器人小型控制器為例，該部分結構圖只簡單描述了硬件接線情況，省略了工業(yè)機器人示教器等內(nèi)容。本部分系統(tǒng)中，以S7-1200PLC為控制核心，控制內(nèi)容分為兩部分。一部分是對生產(chǎn)線的控制，包括帶動傳送帶運轉(zhuǎn)的電動機驅(qū)動模塊，另外還有傳送帶上待裝配區(qū)的檢測傳感器；另一部分是與工業(yè)機器人系統(tǒng)的配合。

在第一部分中，首先PLC控制電動機運動，從而帶動傳感器運轉(zhuǎn)，將上一級自動生產(chǎn)線模塊中運送來的物料，運送至待裝配區(qū)；當物料達到裝配區(qū)后，該區(qū)域內(nèi)的傳感器會檢測到物料信號，并將該電平變化的信號傳送至S7-1200的I/O端口中，根據(jù)預先編寫的控制程序，當物料突變信號到來后，S7-1200向傳送帶電機驅(qū)動模塊發(fā)出停止運行指令，此時傳送帶停止工作。當傳送帶完全停止后，S7-1200向工業(yè)機器人控制器的I/O端口發(fā)送指令，在接受到指令后，工業(yè)機器人控制器向IRB-120本體發(fā)送運行指令，此時工業(yè)機器人可以根據(jù)預先編寫在示教器內(nèi)的軟件程序，完成抓取料蓋、移動料蓋至物料上方、裝配物料蓋并松開手爪工具、移動復位后，等待下一次抓取信號的到來。此后，有工業(yè)機器人控制器再向S7-1200發(fā)送“裝配完畢”信號，此時，S7-1200向傳送帶電機驅(qū)動發(fā)送指令，使傳送帶繼續(xù)運轉(zhuǎn)，將已經(jīng)完成料蓋安裝的產(chǎn)品移送至下一生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并將繼續(xù)完成下一個物料的裝蓋操作，依次循環(huán)操作。

3 控制特點與思路設計

3.1 本系統(tǒng)控制特點

PLC與工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的聯(lián)合控制，大部分是以PLC為核心，通過與機器人系統(tǒng)的通信或I/O數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)控制指令的收發(fā)。目前，大型生產(chǎn)線中工業(yè)機器人控制器僅僅是對機器人本體控制，而不對生產(chǎn)線上的任何環(huán)節(jié)產(chǎn)生控制效果，所有工業(yè)機器人與生產(chǎn)線上設備的聯(lián)系，均是以PLC作為“媒介”。

3.2 聯(lián)合控制設計思路

本設計是由PLC為控制核心，工業(yè)機器人配合生產(chǎn)，針對本設計，采用以下聯(lián)合控制思路（圖2）。

圖2 PLC與工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的聯(lián)合控制思路

3.3 關鍵I/O點位和程序流程設計

本設計中，傳感器采用漫反射式光電傳感器，其輸出信號為數(shù)字信號，接入PLC的I0.0接口。傳送帶采用驅(qū)動模塊間接控制，驅(qū)動模塊接收PLC發(fā)出的電平變換指令即進行工作，當驅(qū)動模塊接收低電平“0”時，電動機啟動，傳送帶運轉(zhuǎn)；當接收高電平時，傳送帶停止；驅(qū)動控制端與PLC的Q0.0相接。工業(yè)機器人控制器的X3.1接線口與PLC的Q0.1相接，在示教器內(nèi)記錄為DI0；控制器的X1.1接線口與PLC的I0.1相接，用于機器人向PLC傳送工作完成信號，記錄為DO0。當傳送帶停止后，PLC的Q0.1接口輸出高電平，此時工業(yè)機器人DI0接口電平跳變?yōu)?，然后工業(yè)機器人開始進行裝蓋程序。當機器人執(zhí)行完畢裝蓋程序，機器人DO0向PLC發(fā)送指令1，此時PLC調(diào)動傳送帶繼續(xù)移動，且將Q0.1輸出更改為0。

該部分流程如圖3所示。

圖3 關鍵I/O點位和程序流程

3.4 本系統(tǒng)控制思路與需要注意的問題

本系統(tǒng)中，以PLC為本站生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的控制核心，因此所有命令的收發(fā)、執(zhí)行，都必須是以PLC指令為主，工業(yè)機器人的控制和運行過程中，每段指定程序的運行都必須在PLC指令信號的指引下進行。在沒有接到PLC的指令情況下，工業(yè)機器人本體是不允許進行任何單獨操作的，否則會破壞生產(chǎn)線的生產(chǎn)順序流程，造成產(chǎn)品質(zhì)量問題或經(jīng)濟損失。

在建立自動化生產(chǎn)線PLC與工業(yè)機器人控制系統(tǒng)聯(lián)合運行時，必須對PLC的程序進行嚴格編程與驗證。PLC是生產(chǎn)線中某一生產(chǎn)站和生產(chǎn)環(huán)節(jié)的核心，既要協(xié)調(diào)生產(chǎn)線傳動帶、氣動設備等執(zhí)行器的運作，也要協(xié)調(diào)生產(chǎn)線上各傳感器信號的接收，還必須要對工業(yè)機器人進行合理控制，因此PLC仍是自動化生產(chǎn)線中重要的部分。

4 總結

工業(yè)機器人在工業(yè)自動化生產(chǎn)線中的應用日益增多，在焊接、噴涂、搬運、碼垛、涂膠等等功能上應用較多，且在化工、汽車生產(chǎn)、鑄造、醫(yī)療、食品生產(chǎn)等涉及自動化生產(chǎn)的領域應用十分廣泛。未來，在自動化生產(chǎn)線中應用工業(yè)機器人已經(jīng)成為大勢所趨，合理架構機器人與PLC的聯(lián)合控制體系也成為技術革新的焦點。成熟的PLC控制技術和工業(yè)機器人應用技術聯(lián)合發(fā)展，是衡量自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)效率和生產(chǎn)規(guī)模的關鍵因素之一，因此，必須將該部分內(nèi)容作為日后研究重點。