PLC控制技術支持下的工業(yè)機器人組裝系統(tǒng)設計

王浩

（中交紫光科技有限公司，北京，100088）

1 PLC控制的工業(yè)機器人系統(tǒng)發(fā)展趨勢概述

■ 1.1 PLC控制的工業(yè)機器人系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

隨著時代不斷發(fā)展，科學技術不斷進步，促使我國的工業(yè)機器人開始突顯出智能化特征，需要注意的是，這是基于PLC控制技術而產生的。本文認為基于PLC控制技術下的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)在未來社會中的發(fā)展過程中需要重視以下幾方面內容：

（1）在實際操作過程中，提高PLC控制技術的仿真模擬、設計分析，提高仿真模擬的精準度，對工業(yè)機器人控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，提高控制系統(tǒng)的整體性能，提高機器人的產能。

（2）隨著PLC控制技術不斷發(fā)展，其自身的應用范圍也在不斷擴寬，同時，PLC控制技術自身的控制性能不斷提升，促使工業(yè)機器人系統(tǒng)趨向于復雜化。

（3）借助PLC控制技術進一步完善網絡通信功能，促使工業(yè)機器人能夠與其他機器人之間實現遠程通信，循序漸進，將PLC控制技術發(fā)展成為全球工業(yè)機器人統(tǒng)一標準。

■ 1.2 設計需求

工業(yè)機器人系統(tǒng)的運行質量主要由系統(tǒng)結構、應用技術所決定，在規(guī)劃設計過程中，需結合工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的運行模式和實際作業(yè)的需求，確定控制系統(tǒng)的屬性，并將其作為規(guī)劃設計的依據。

（1）以實際運行環(huán)境而言。工業(yè)機器人的運行模式是根據系統(tǒng)所發(fā)出的指令進行確定，終端接收單元在獲取指令信號以后完成相應的操作。鑒于此，工業(yè)機器人內部需預留一定的內部空間，合理分布內部空間結構，降低內部空間的占有率，從而達到降低制造成本的目的。

（2）以運行負載層面而言。工業(yè)機器人加工制造以PLC控制技術作為核心研發(fā)出來，可以有效降低操作人員的工作壓力，進行批量化的生產活動，提高企業(yè)的整體運行效能。運行負載是指工業(yè)機器人結構在運行時，受到外部壓力而形成的一種荷載能力。因此，設計過程中需要明確劃分不同運行狀況的具體邊界，確定工作極限值，提高組裝系統(tǒng)的運行效率。

（3）在工作精度方面。組裝系統(tǒng)可以根據發(fā)出的指令信號完成相應的操作，同時對運行過程中的精準度造成一定的影響。機器人在完成某個指令的過程中，需結合終端單元對空間位置進行定位，待定位信息發(fā)送至控制系統(tǒng)后，方可調整操作參數，設置下一步工序，提高系統(tǒng)運行過程中的精準度。設計運行精度時根據終端設置的空間定位進行確定，在最大程度上消除空間位置的偏差，促使指令發(fā)出后可以與終端單元實現連接。

2 工業(yè)機器人系統(tǒng)框架研究

■ 2.1 機器人控制系統(tǒng)框架分析

工業(yè)機器人的結構組成比較簡單，主要由電纜、PC機（Personal Computer，個人計算機）、控制器、設備、I/O模塊（I/O module）、伺服電機等硬件裝置構成[1]。設計人員通過結構劃分，將工業(yè)機器人控制系統(tǒng)細分為三個關鍵性構成部位，具體情況可以參照下圖1。

圖1 工業(yè)機器人系統(tǒng)框架圖

終端用戶層是指機器人裝置PC設備、示教器，二者之間使用TCP/IP協議實現通信。操作人員可以利用示教器控制工業(yè)機器人完成相應的動作，上位機PC部位是設計人員根據實際作業(yè)的需求對功能模塊進行開發(fā)設計。

控制器層是工業(yè)機器人控制系統(tǒng)內的關鍵構成部分，主要用來控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，系統(tǒng)運行過程中控制器層與軟件、示教器之間相互交互。此外，該層負責解釋系統(tǒng)運行過程中的程序文件、機器人運行、過程控制等內容。

硬件設備層主要負責硬件設備的控制，確保機器人接收到特定指令以后控制相應的硬件完成指令任務。

■ 2.2 機器人控制系統(tǒng)軟件框架分析

結合圖2來看，控制系統(tǒng)中軟件系統(tǒng)的設計大致可以細分為三個結構層。總計需要負責四個控制系統(tǒng)的進程：管理進程、RC（Remote Control，遙控、遠程控制）子系統(tǒng)進程、設備接口進程、PLC子系統(tǒng)進程。不同的進程所負責的任務不同，結合實際情況將運行任務細分為實時性任務、非實時性任務。

圖2 工業(yè)機器人控制器軟件系統(tǒng)架構圖

（1）運行管理層。該層主要負責控制系統(tǒng)的監(jiān)控與任務管理活動，具體涉及：機器人初始化配置、控制系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)運行過程中的控制、任務管理、設備運行狀態(tài)監(jiān)管、機器人結構組件故障報警等。

（2）設備接口層。該層主要負責控制系統(tǒng)的外部接口進程，使用總線通訊的方式完成I/O模塊、伺服模塊之間的信息交互。本文采用EtherCat總線接口，利用EtherCat協議實現不同構件之間的數據交互。設備接口層其實是一個外部驅動接口，這種接口的兼容性較強大，可以適用于多種不同類型的接口，高效滿足控制系統(tǒng)通用性要求。

（3）核心業(yè)務層。該層主要負責兩個系統(tǒng)進程：RC及PLC。其中，RC進程主要用來控制機器人運行，PLC進程則負責管理系統(tǒng)的邏輯功能，二者之間存在緊密的關聯。進一步而言，PLC系統(tǒng)是整個業(yè)務層中的核心部分，通過PLC系統(tǒng)與RC系統(tǒng)進行交互，促使數據信息在控制系統(tǒng)不同子系統(tǒng)中相互傳遞，實現實時信息數據共享。

（4）本文著重對軟PLC系統(tǒng)展開調研，控制系統(tǒng)會將開發(fā)人員所設計的PLC程序傳輸至編輯器內，編輯器接收到程序后開始編譯，并對程序信息進行處理，然后將處理后的信息加載至控制系統(tǒng)內，再破解分析目標對象并執(zhí)行相應的操作。整個過程中，需要完成軟PLC系統(tǒng)初始化任務與虛擬機的兩個子任務。軟PLC系統(tǒng)進程的主線程其實是為了完成系統(tǒng)的初始化任務，完整讀取計算機自帶Windows系統(tǒng)中的目標文件，該文件存儲在PLC程序中，在這個過程中還會對PLC程序進行內存映像，啟動PLC虛擬機，從而保證系統(tǒng)的線程進入堵塞狀態(tài)，當程序的主線程任務完成后自動退出程序。不難發(fā)現，PLC控制系統(tǒng)的關鍵性任務其實是軟PLC虛擬機的任務，在程序內的主線程內開啟一個或多個虛擬機子任務，讀取、解析、執(zhí)行目標對象的程序文件，從而實現邏輯、過程控制。

3 系統(tǒng)設計

在對PLC控制技術進行研究分析、設計的過程中，設計人員需加大對機器人控制系統(tǒng)的功能需求關注度，明確指出PLC控制技術的實際需求。PLC控制器作為一種先進且性能強大的控制器，其具備諸多種輔助功能，控制器的核心構件是微處理器。PLC結合機器人運行的實際數據對其進行監(jiān)控，并結合監(jiān)控數據發(fā)出合理的指令，可以有效避免機器人發(fā)生故障。結合實際情況來看，工業(yè)機器人在實踐過程中，PLC控制技術發(fā)揮出巨大的效能。首先，該技術具備極強的控制能力，可以保證指令信息的時效性；其次，PLC控制技術具備一定的可靠性，其能夠對復雜的編碼進行加密處理，強化控制器的抗干擾能力，保證機器人運行過程中的穩(wěn)定性；最后，PLC控制技術具備適用性特點，可以被廣泛運用在諸多生產活動中。

■ 3.1 PLC控制的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)硬件設計分析

設計人員在設計工業(yè)機器人的過程中，需要著重分析機器人抓取目標、搬運目標、裝配作業(yè)等相關功能，基于PLC控制技術，利用氣缸的驅動作用實現以上功能。依靠電磁閥構件來控制氣缸以實現各種不同功能，利用電磁閥構件驅動機器人執(zhí)行相應的動作，由此可以論證出工業(yè)機器人控制系統(tǒng)中運用PLC控制技術，系統(tǒng)必須內置電磁閥與控制開關，并保證二者相互協調，不會產生沖突，其屬于一種比較特殊的控制方法。一個完整的工業(yè)機器人需要配置兩個作業(yè)臺，在工業(yè)機器人進行控制的過程中，利用特定的構件將機器人移動至1#作業(yè)臺，然后將工件從2#作業(yè)臺移動至1#作業(yè)臺，再開始對下一個工件進行操作。工業(yè)機器人的作業(yè)流程可以參照圖3。

結合圖3可以了解到，工業(yè)機器人會根據事先編制好的作業(yè)流程執(zhí)行特定的動作。機器人在初始化部位開始向下移動，操作手指將1#作業(yè)臺上放置的工件夾住，移動至指定部位。在一定距離以后，機器人的機械臂會沿著既定方向進行移動，直至機器人將工件傳輸至2#作業(yè)臺部位。然后按照以上流程依次將所有工件全部放置在2#作業(yè)臺上，由此完成整個工作周期。工業(yè)機器人自動化控制系統(tǒng)能夠同時以連續(xù)性、手動型操作方式進行操控。設計過程中的關鍵點是保證PLC控制技術可以實現，工件到達輸入點或輸出點完成分配任務。對工業(yè)機器人動作的變化進行了解，借助限位器來控制系統(tǒng)的位置檢測信號，促使機器人的機械臂動作變化的精準性。機器人的啟動與關閉可以通過控制按鈕來掌控。

圖3 機器人裝置工作流程示意圖

■ 3.2 PLC控制系統(tǒng)的機器人軟件設計

在設計工業(yè)機器人軟件的過程中，以機器人的操作流程作為依據。機器人是基于PLC控制技術開發(fā)出來的，控制系統(tǒng)提供有兩種控制模式：手動操控模式與自動操作模式。在對軟件部分進行設計時，需全面了解機器人控制系統(tǒng)的具體作業(yè)流程，確保流程的全面性，并對每一步作業(yè)流程進行檢驗。結合實際情況而言，在設計機器人控制系統(tǒng)的軟件部位時，應該嚴格按照以下流程進行：

（1）對機器人軟件程序進行初始化管理。初始化管理保證機器人處于充電狀態(tài)下，這樣規(guī)定是為了確保機器人可以有效展開后續(xù)的動作，保證控制系統(tǒng)不會因直接輸入信號而導致機器人表現出錯誤的動作。在編制控制程序時，應合理選擇PLC初始化狀態(tài)指令，從而達到簡化編程的目的。

（2）對機器人控制系統(tǒng)的手動模式進行優(yōu)化設計。在實際設計過程中，設置手動控制按鈕，確保控制系統(tǒng)設計的合理性，手動操控模式主要是為了應對機器人后期的檢修。先設計手動控制按鈕，將其與機器人的機械臂進行連接，適當降低機械臂，然后按照標準程序完成機器人手臂、手指、手腕的動作。為了進一步提高系統(tǒng)的安全性，可以設置保護程序進行保護。

（3）在全面掌握機器人常規(guī)性作業(yè)流程的前提下，對機器人自動化控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，保證機器人每一個動作相互之間不會產生沖突。一般情況下，當機器人處于初始化狀態(tài)時，其應該對自身的結構組件進行自檢。

3.2.1 軟PLC虛擬機內部數據表示

IEC61131-3標準僅定義了軟PLC編程語言層面的數據類型規(guī)范，未定義軟PLC運行時的數據表示方法。因此設計軟PLC虛擬機內部數據表示時，一方面要能夠正確表達IEC6I I31-3標準數據類型，另一方面設計要盡量簡潔，以降低軟PLC虛擬機實現復雜度。因此本文采用帶類型標簽的數據共用體來表示虛擬機內部數據。這種結構可表示整型、無符整型、浮點型和字符串型4種不同類型的數據，每個數據均由類型標簽和值兩部分組成。

3.2.2 用戶級POU調用指令

IEC61131-3標準定義了3種形式的程序組織單元POU：函數 FUN、功能塊FB和程序PROG。一個軟PLC任務由一個或多個POU組成，至少包含一個頂層POU，作為軟PLC任務的入口程序。每個POU都是一個獨立的軟件模塊，通過相互調用來實現完整的軟PLC功能。

這3種形式的POU有各自的異同點。為簡化虛擬機設計，本文采用統(tǒng)一的POU調用過程設計。為實現POU的調用過程，必須通過調用棧來維護調用狀態(tài)，這樣才能在調用結束后保證正常返回。本文設計的調用棧結構包含棧容量、棧頂索引和棧空間基址。棧容量固定不變，是由軟PLC編譯器通過計算當前軟PLC任務的最大POU調用深度而給定的，并保存在軟PLC目標文件任務描述符中；棧頂索引始終指向下一個可用的空閑棧幀；調用棧空間是一個棧幀數組，在目標文件加載過程中根據棧容量動態(tài)分配而來。

PLC任務中每次調用一個POU時，虛擬機會創(chuàng)建這個POU（即當前活動的POU）棧幀結構，并壓入調用棧中；每次從一個POU中返回時，虛擬機便會從調用棧中彈出并銷毀這個POU棧幀結構。因此每個棧幀對應一個POU，棧底存放的棧幀便是頂層POU，即最外層或入口POU，棧頂存放的棧幀則是當前活動中的POU。

當前活動POU棧幀維護著該POU相關的接口信息以及返回地址信息，以保證調用時傳參過程和返回過程的正確性。本文設計的棧幀結構包含當前活動POU描述符索引、返回地址、寄存器組基址。當前活動POU描述符索引用于索引到當前活動POU描述符；返回地址實為軟PLC任務模型代碼段中虛擬機指令索引，指向調用當前活動POU指令的下一條虛擬機指令。

本文設計的虛擬機在運行時，不能直接對軟PLC任務模型中的各類數據段（即常量段、全局變量段、保持數據段）中的數據進行計算或操作，必須先從這些數據段中加載數據到寄存器中，然后對寄存器數據進行計算或操作。每個“寄存器”結構實際為一個內部數據結構IValue，這種設計犧牲了一定的運行效率，換取了軟PLC編譯器和虛擬機實現復雜度的降低。寄存器組是在創(chuàng)建棧幀過程中動態(tài)分配而來的，其數目從當前活動POU描述符信息中獲取，即輸入變量個數p、輸入-輸出變量個數q、輸出變量個數r和局部變量個數s之和。在所有虛擬機指令中，均使用8bit的操作數來索引寄存器，因此寄存器組最多可包含256個寄存器。

具體執(zhí)行步驟如下所述:

（1）解碼ucall指令。ucall指令的編碼類型為ABx。其中A用于索引調用者寄存器組中傳入參數的起始位置，Bx用于索引被調用POU描述符。

（2）創(chuàng)建被調用者棧幀。將Bx保存在被調用者棧幀pou字段中，以便在被調用POU返回時使用；從軟PLC任務模型中取得當前程序計數器PC的值，并將PC+1保存到返回地址ret字段中，以便能正確返回到ucall指令的下一條指令；根據被調用POU描述符信息，動態(tài)分配n（n=p+q+r+s）個寄存器空間。

（3）傳入參數。從調用者寄存器組復制入參到被調用者寄存器組，傳入參數的個數為P+q，包括被調用you輸入變量和輸入-輸出變量。入參在調用者寄存器組中起始位置由A索引，在被調用者寄存器組中起始位置為O。

（4）棧幀入棧。壓入被調用者棧幀到調用棧中，調用棧會自動維護棧頂索引，使其指向下一個空閑棧幀的位置。

（5）入口跳轉。從被調用POU描述符中取得入口地址i賦給程序計數器PC，至此ucall指令執(zhí)行完畢，虛擬機在下一個“取指-譯碼-執(zhí)行”周期，便進入被調用POU代碼內執(zhí)行。

3.2.3 軟PLC系統(tǒng)運行庫

系統(tǒng)級POU調用過程具體步驟如下所述：

（1）解碼scull指令。scull指令的編碼類型為ABx，其中A用于索引寄存器組中參數列表的起始位置，Bx用于索引系統(tǒng)級POU描述符。

（2）執(zhí)行系統(tǒng)級POU本體。根據描述符的入口地址字段得到該系統(tǒng)級POU程序本體，將A索引的寄存器地址傳入后執(zhí)行。此時系統(tǒng)級POU內部將直接對寄存器組的數據進行操作。

（3）程序計數器PC自增1，以便執(zhí)行下一條虛擬機指令，至此scan執(zhí)行完畢。

4 結束語

綜上所述，隨著工業(yè)生產活動規(guī)模不斷擴大，傳統(tǒng)的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)無法有效滿足實際作業(yè)的需求，需要對工業(yè)機器人的自動化控制系統(tǒng)進行優(yōu)化升級。本文以PLC控制技術作為前提基礎，對自動化控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，提高工業(yè)機器人自動化控制的整體性能，進而帶動整個工業(yè)產業(yè)進一步發(fā)展。