基于PLC 與工業機器人的碼垛工作站控制系統設計

任輩杰

（蘭州職業技術學院，蘭州 730070）

隨著科技的發展，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）與工業機器人的應用逐漸成熟。PLC 具備強大的邏輯控制與數據處理能力，工業機器人具有可編程、高精度、高速等特點，整合這2 種設備，并引入以太網通信技術、變頻器及威綸通觸摸屏，能夠有效提升控制系統的操作便捷性與智能化水平。碼垛工作站控制系統的設計與應用具有重要的理論與實踐意義，不僅可以減輕人員的勞動強度，提升工作環境的安全性，提高生產效率，還能為工業生產提供一種高效、智能化的碼垛解決方案。該控制系統在生產實踐中具有廣闊的應用前景。

1 關鍵技術與設備

1.1 以太網通信技術

碼垛工作站的控制系統運用了以太網通信技術，利用以太網交換機，將傳感器、觸摸屏、PLC 及其他設備連接到同一個網絡，使PLC 能夠與各設備進行穩定、高速的指令傳遞與數據傳輸。以太網通信的應用有效提升了控制系統的靈活性與可靠性，大幅降低了成本與布線的復雜性。

1.2 威綸通觸摸屏

碼垛工作站的人機交互界面使用威綸通觸摸屏，具備易于操作、直觀簡潔的特點。借助觸摸屏，操作人員能夠便捷地設置監控系統狀態、碼垛參數等，并完成操作調整。威綸通觸摸屏的運用使人機交互界面更加便捷、友好。觸摸屏上的圖形化界面，使操作更加直觀、簡單，能夠有效提高工作人員的使用體驗與工作效率。

1.3 變頻器

碼垛工作站的控制系統運用3 個變頻器，以控制相關設備的電機。變頻器通過動態調節電機的運行狀態與轉速，實現電機的精確控制。在碼垛過程中，使用變頻器調節電機轉速，能夠更好地適應不同的碼垛需求，提高系統的準確性與靈活性。變頻器的運用使各設備可以按照實際需求進行調節，確保碼垛工作的正常進行。

2 碼垛工作站控制系統設計

2.1 系統總體架構設計

碼垛工作站主要包括ABB 機器人、控制系統、物料輸送系統、料盤4 部分。工作站使用的由ABB IRC5 控制器控制的IRB 120 工業機器人，具備可編程、高精度、高速等特點，能夠實現自動化的物料搬運與碼垛操作。控制系統主要包括控制柜及其他相關硬件設備，控制柜內置PLC，用于控制和協調整個系統。PLC 負責與機器人及其他設備進行指令傳輸與數據交換。物料輸送系統借助傳送帶來實現物料的輸送與定位。傳送帶負責將碼垛的物料從供應區域運輸至碼垛區域，保證物料處于準確位置，便于機器人完成拾取與碼垛。使用的料盤包括目標盤A 與目標盤B，其主要作用是接收與存放物料。目標盤A 與目標盤B 的尺寸與規格不同，目的是滿足不同物料的碼垛需求[1]。系統總體結構如圖1 所示。

圖1 系統總體結構圖

系統總體架構設計基于工業機器人與PLC 的協同控制思想。其中，PLC 作為核心控制設備，負責協調和控制整個系統。PLC 通過ABB IRC5 控制器的通信接口，與工業機器人進行指令傳輸與數據交互，實現對機器人運動、放置、拾取等操作的控制[2]。同時，通過控制傳送帶的位置與速度，PLC 可以確保待碼垛的物料精準到達機器人的拾取點。機器人按照預設的碼垛方案，利用視覺識別或其他傳感器來獲取物料信息，自動完成拾取與放置操作，將物料碼垛在目標位置上。

2.2 硬件設計

系統的硬件設施包括PLC、工業機器人、變頻器、電機、傳感器、電磁閥及觸摸屏等。這些硬件設備相互連接、共同協作，實現系統的運行與控制。工業機器人作為核心部件，與PLC 相連，利用以太網接口進行通信。它使用ABB IRC5 控制器來執行碼垛任務，同時與PLC 交換數據與指令。機器人伺服電機用于控制機器人的運動，示教器負責編程與調試機器人，而電磁閥則負責控制末端執行器的動作[3]。控制系統選用西門子S7-200 Smart PLC，其具備較短的指令執行時間與較多的輸入、輸出點。PLC 與傳感器、變頻器及觸摸屏等設備相連，利用自帶的以太網口完成通信。它主要負責信號控制與信息處理，按照任務要求實時獲取物料狀態變化，并控制不同程序的啟停。

觸摸屏是系統的交互界面，使用威綸通TK8071IP觸摸屏，并借助RS-485 通信協議與PLC 進行通信。操作人員能夠使用觸摸屏來實時監控、設置和調整機器人任務參數。變頻器是重要的硬件設備，選用三菱FRD7200 變頻器，負責控制原料電機、目標盤的電機，通過精確調節電機的運行狀態與轉速，滿足不同的碼垛需求。

除核心硬件設備外，還有其他配套設備，如用來監測目標盤與原料盤狀態的傳感器。傳感器負責將實時監測數據傳輸給PLC，數據反饋能使系統實時獲得物料狀態的變化情況。系統硬件結構如圖2 所示。

圖2 系統硬件結構

2.3 軟件設計與實現

2.3.1 工作站工作原理與主要流程

工作站通過氣、磁、光、機、電相結合的方式實現自動化碼垛，包括PLC、ABB 工業機器人、觸摸屏等核心部件[4]。實際生產中，PLC 與機器人利用網線完成自由通信。工作站的工作流程為程序啟動后，機器人按照觸摸屏上預設的參數與特定流程進行精確操作。機器人配備的真空檢知系統負責判斷當前位置是否能夠成功夾取物料。當夾取到物料時，觸摸屏上會亮起灰色信號燈，使工作人員可以清晰看到物料數量的變化。如果未能成功夾取物料，則觸摸屏上會亮起黑色信號燈，同時利用網線向PLC 發送信號。PLC接收到信號后控制料盤轉動，保證機器人可以夾取到全部物料。只要當前料盤上的物料總數大于已夾取的物料總數，機器人會一直繼續取料過程，直至料盤上的全部物料被成功檢測與夾取。

2.3.2 軟件設計與程序實現

控制系統啟動時，所有料盤返回初始位置，機器人在機械零點，物料處于傳送帶上。按照實際情況設置人機界面（Human Machine Interface，HMI）上的工藝參數。在手動調試階段，需要單獨調試各模塊，測試機器人的緊急停止、抓取、目標盤的轉動以及傳送帶的送料控制等功能，為后續的自動運行奠定基礎。設置好碼垛相關參數后，將機器人切換至自動模式，系統開始運行，自動完成放置與抓取操作[5]。為保證安全，整個過程均能夠通過觸摸屏的急停按鈕或機器人控制柜來啟動和停止機器人。輸入/輸出（Input/Output，I/O）信號監控系統為工作人員提供實時監控畫面，從而實時監控整個碼垛工作站運行狀態。

使用RAPID 語言編寫機器人控制程序，該語言為ABB 機器人專用編程語言，具備一定的靈活性與擴展性，能夠支持例行程序及多任務模塊。整個系統程序設計包含子程序與主程序設計兩大部分。其中：主程序設計涵蓋中斷程序、邏輯判斷及子程序調用等內容，目的是實現碼垛的軌跡適配與其他具體功能；子程序設計則包括拾取工具、調用對應碼垛及目標盤執行等子程序的設計[6]。拾取工具程序利用子程序能夠帶參數調用的特點，結合實際情況與不同參數，能夠拾取不同的工具。不同目標盤的執行程序具有不同的運動軌跡與目標形狀。中斷程序旨在確保運行安全，當出現緊急情況或觸發安全光柵時，機器人進入中斷程序，緊急停止工作，有效確保系統、設備及人員的安全。

3 系統測試與結果分析

為驗證系統的可靠性與優越性，將該系統應用于某電子設備廠，對比系統投放前后的碼垛效率，結果如表1 所示。

表1 系統投放前后對比結果

通過對比系統投放前后的數據可以看出，設計的碼垛工作站控制系統在效率與準確性方面表現出色。測試結果顯示，碼垛工作站控制系統的應用顯著提升了碼垛的效率與準確性，無論是目標盤A 還是目標盤B，碼垛節拍均有所下降，碼垛數量與準確率均有明顯提高，這說明該系統在實際生產環境中具有良好的性能與穩定性。

4 結語

設計的碼垛工作站控制系統作為一種解決傳統人工碼垛問題的創新方案，具有重要的應用價值與廣闊的應用前景。該控制系統具備較強的適應性與靈活性，能夠顯著降低勞動強度，提高生產效率，改善工作環境的安全性。未來，將在控制系統中應用更多先進技術，如大數據技術、人工智能技術等，進一步優化與改進系統的性能和準確性，實現更精準的物料識別與規劃。此外，將考慮拓展系統功能，如無縫對接物流系統，實現整個生產過程的智能化管理。