莫凡珣，張佳，孫樂濤

[摘? ? 要]文章以工業(yè)機(jī)械手自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為切入點(diǎn)，敘述PLC可編程邏輯控制器技術(shù)的工作原理、主要應(yīng)用及核心優(yōu)勢，探討基于PLC技術(shù)的自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，闡述機(jī)械手軌跡規(guī)劃、硬件結(jié)構(gòu)、軟件程序3方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。旨在提升工業(yè)機(jī)械手的控制精度與強(qiáng)化運(yùn)動控制能力，更好地替代人工完成復(fù)雜條件下的生產(chǎn)活動，推動工業(yè)機(jī)器人技術(shù)體系的創(chuàng)新發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]PLC技術(shù);工業(yè)機(jī)械手;自動化控制;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

[中圖分類號]TP241;TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)應(yīng)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(shè)備，替代繼電器完成邏輯運(yùn)算控制，具備順序控制與計(jì)數(shù)控制等多項(xiàng)控制方法，適用于惡劣工業(yè)環(huán)境的一種新型控制技術(shù)，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出值來實(shí)現(xiàn)控制目的。在PLC控制系統(tǒng)運(yùn)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(jié)果將其導(dǎo)入I/O映像區(qū)中儲存，隨后進(jìn)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(yùn)算操作，基于運(yùn)算結(jié)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(yùn)算結(jié)果，刷新對應(yīng)輸出鎖存電路，在電路驅(qū)動作用下控制外接設(shè)備。

1.2 主要應(yīng)用

在工業(yè)機(jī)械手等機(jī)械設(shè)備自動控制系統(tǒng)中，PLC技術(shù)主要用于開關(guān)量邏輯控制、運(yùn)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(jī)械設(shè)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(zhuǎn)換與分析自檢信號，以及對工業(yè)機(jī)械手運(yùn)行參數(shù)檢測值和額定值進(jìn)行比較分析，如果檢測值與額定值二者產(chǎn)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(shí)，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(diǎn)，發(fā)送報(bào)警信號，在系統(tǒng)界面上顯示故障碼。

1.3 PLC技術(shù)的核心優(yōu)勢

在早期工業(yè)機(jī)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(yīng)能力差的局限性。與之相比，PLC技術(shù)有著實(shí)時(shí)性、豐富I/O卡件、系統(tǒng)配置簡單靈活、硬件設(shè)備易于安裝維護(hù)、結(jié)構(gòu)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(jī)械手自動控制系統(tǒng)的運(yùn)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(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由主控制器與多個(gè)單元模塊組成，各模塊對應(yīng)所實(shí)現(xiàn)的使用功能，如果工藝技術(shù)、工業(yè)環(huán)境與受控對象發(fā)生變化，直接對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的單元模塊種類、數(shù)量、硬件設(shè)備種類型號及排列方式加以調(diào)整即可。

2 基于PLC的工業(yè)機(jī)械手自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

2.1 工業(yè)機(jī)械手軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)

2.1.1 路徑設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員在已掌握信息基礎(chǔ)上，綜合分析工業(yè)機(jī)械手種類、現(xiàn)場環(huán)境、生產(chǎn)目標(biāo)與工藝流程等因素，使用運(yùn)動方程式，確定工業(yè)機(jī)械手位置與關(guān)節(jié)變量值，也可以根據(jù)機(jī)械手位姿來獲取關(guān)節(jié)變量值與速度值，在軟件程序中導(dǎo)入各類參數(shù)，規(guī)劃設(shè)計(jì)完成不同生產(chǎn)任務(wù)、機(jī)械手處于各點(diǎn)位置時(shí)的運(yùn)動路徑，運(yùn)動路徑由機(jī)械手出發(fā)點(diǎn)與到達(dá)點(diǎn)間的中間位形序列加以構(gòu)成。

2.1.2 插補(bǔ)方式選擇及軌跡控制

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

（2）設(shè)計(jì)機(jī)械手軌跡控制程序，在工業(yè)機(jī)械手啟動后對軌跡控制程序進(jìn)行初始化處理，采集現(xiàn)場監(jiān)測信號來掌握軌跡上機(jī)械手的實(shí)時(shí)位置及姿態(tài)，采取插補(bǔ)算法，基于機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)和所設(shè)置若干角度位置控制系統(tǒng)，在機(jī)械手運(yùn)動期間實(shí)時(shí)調(diào)整位置及姿態(tài)，保證機(jī)械手完全按照預(yù)定軌跡運(yùn)動。

2.1.3 軌跡插值設(shè)計(jì)

在機(jī)械手軌跡插值設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可采取直線插補(bǔ)或是平面圓弧插補(bǔ)算法，負(fù)責(zé)根據(jù)已掌握信息，在給出全部路徑節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后進(jìn)行插值計(jì)算來獲取機(jī)械手關(guān)節(jié)變量插值。其中，直線插補(bǔ)算法是在已掌握直線兩端起點(diǎn)和終點(diǎn)位置姿態(tài)信息情況下，求算運(yùn)動軌跡的中間點(diǎn)位置姿態(tài)、各軸增量、插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)值等信息。平面圓弧插補(bǔ)算法是根據(jù)基礎(chǔ)坐標(biāo)系和圓弧平面的重合情況進(jìn)行計(jì)算，如在已知平面內(nèi)一圓圓心坐標(biāo)值時(shí)，在公式中導(dǎo)入總的圓心角、機(jī)械手沿圓弧運(yùn)動速度、插補(bǔ)時(shí)間間隔等參數(shù)，計(jì)算各插點(diǎn)坐標(biāo)值。

2.1.4 機(jī)械手末端軌跡仿真實(shí)驗(yàn)

為論證PLC控制系統(tǒng)中工業(yè)機(jī)械手路徑軌跡規(guī)劃方案是否具備實(shí)施性，需要建立機(jī)械手仿真控制模型來開展仿真實(shí)驗(yàn)。例如，在某工業(yè)機(jī)械手PLC控制項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)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(biāo)記機(jī)械手在各點(diǎn)位置時(shí)的關(guān)節(jié)位置與姿態(tài)等信息，根據(jù)已掌握機(jī)械手末端軌跡平面坐標(biāo)值來計(jì)算全部關(guān)節(jié)角，可選擇以直線為切入點(diǎn)，設(shè)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(diǎn)位坐標(biāo)值，通過增加點(diǎn)數(shù)數(shù)量的方式來提高仿真機(jī)結(jié)果準(zhǔn)確性。隨后，根據(jù)坐標(biāo)值來確定機(jī)械手末端位姿，通過方程式輸出結(jié)果來獲取各關(guān)節(jié)角度，使用MATLAB軟件自帶工具進(jìn)行求解，繪制仿真圖。最終，根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲取二連桿機(jī)械手與三連桿機(jī)械手在不同運(yùn)動軌跡時(shí)的仿真過程，包括桿件位置、關(guān)節(jié)姿態(tài)、運(yùn)動軌跡等。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 PLC控制器選型設(shè)計(jì)

可編程邏輯控制器是PLC機(jī)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(jī)械手控制效果與系統(tǒng)運(yùn)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(diǎn)數(shù)、輸入輸出需求等多個(gè)維度進(jìn)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(nèi)置輸入24點(diǎn)/輸出16點(diǎn)，為繼電器輸出類型，供電電源為AC220 V，由步進(jìn)電機(jī)把傳感器所采集現(xiàn)場監(jiān)測信號接入原點(diǎn)輸入信號，可以滿足絕大多數(shù)情況下的機(jī)械手自動控制需求，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的方式來控制機(jī)械手位置、速度和加速減速時(shí)間個(gè)數(shù)。

2.2.2 電機(jī)及驅(qū)動器選型設(shè)計(jì)

首先，在工業(yè)機(jī)械手自動控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)起到把電脈沖信號轉(zhuǎn)換至角位移量或是線位移量、多相時(shí)序控制電流進(jìn)行分時(shí)段供電的作用，由PLC控制器下達(dá)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動加速度及速度的指令，從而起到調(diào)速控制作用。在電機(jī)選型設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要根據(jù)工業(yè)機(jī)械手控制需求來設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)要求，包括電機(jī)固有步距角、保持轉(zhuǎn)矩、相數(shù)。一般情況下，要求所配備步電機(jī)半步工作角為0.9°、整步工作角為1.8°、保持轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)時(shí)，要求半步與整步角分別為0.9°與1.8°，在配置三相步進(jìn)電機(jī)時(shí)，分別將半步與整步角保持為0.7°和1.5°。

其次，在確定步進(jìn)電機(jī)規(guī)格型號的條件下，配置與之匹配的驅(qū)動器。例如，在配置MSMD042PIU型步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)配備MADDT1205型號的驅(qū)動器，該款驅(qū)動器輸入電源為單相200 V、最大瞬時(shí)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(diào)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(shè)計(jì)

2.3.1 參數(shù)設(shè)定

根據(jù)工業(yè)機(jī)械手控制要求和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在軟件程序中設(shè)定各項(xiàng)基礎(chǔ)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(shí)間、駐留時(shí)間、區(qū)域等。例如，分開設(shè)定各編號存儲器的設(shè)置內(nèi)容，包括間隙補(bǔ)償、原點(diǎn)搜索加速時(shí)間、加速/減速曲線、初始速度、輸入輸出位置、逆時(shí)針與順時(shí)針軟件限位值、初始脈沖定義等。而在設(shè)定位置序列參數(shù)時(shí)，分開設(shè)定各處地址與模塊單元的位置序列內(nèi)容，包括X軸定義、位置定義、處理時(shí)間、減速時(shí)間、初始速度、輸出代碼、完成代碼、加速時(shí)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(jìn)行工作，根據(jù)控制需求來編寫梯形圖，在梯形圖中設(shè)定16條及以上的命令語句，各條命令語句對應(yīng)特殊功能指令，以此來實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動控制、機(jī)械手末端軌跡控制等使用功能。例如，使用工作字操作開關(guān)，形成上升沿微分，啟動主控程序與控制模塊，步進(jìn)電機(jī)保持通電狀態(tài)和發(fā)出設(shè)定脈沖信號，位置控制模塊接收脈沖信號后控制機(jī)械手連桿末端按特定速度抵達(dá)預(yù)定點(diǎn)位，如果沒有接收到脈沖信號或未達(dá)到預(yù)定位置則退回上一步驟，在一切無誤后完成設(shè)定運(yùn)動軌跡，程序返回初始工作狀態(tài)。同時(shí)，在工業(yè)機(jī)械手內(nèi)分布多個(gè)連桿時(shí)，根據(jù)連桿數(shù)量來設(shè)置多個(gè)位置控制模塊，重復(fù)執(zhí)行發(fā)出設(shè)定脈沖信號、模塊控制連桿按預(yù)定軌跡到達(dá)指定位置的操作步驟，直至全部連桿運(yùn)動完畢。

2.3.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

為提供良好的人機(jī)操作服務(wù)，滿足工業(yè)機(jī)械手的遠(yuǎn)程手動控制需求，以應(yīng)對一些PLC系統(tǒng)無法獨(dú)立解決的復(fù)雜問題及突發(fā)狀況。需要在方案中做好人機(jī)界面設(shè)計(jì)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(jī)械手的實(shí)際控制需求，在系統(tǒng)界面上設(shè)計(jì)指示燈顯示、實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、故障查詢、自動啟動、停機(jī)運(yùn)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(jī)械手及PLC系統(tǒng)運(yùn)行狀況，遠(yuǎn)程下達(dá)參數(shù)調(diào)節(jié)等控制指令。同時(shí)，為保證操作安全，避免出現(xiàn)誤觸情況，應(yīng)建立指令確認(rèn)機(jī)制，在下達(dá)控制指令后，系統(tǒng)界面彈出指令確認(rèn)欄，由確認(rèn)指令、取消指令兩種按鈕組成，點(diǎn)擊確認(rèn)指令按鈕后，再將指令下達(dá)、執(zhí)行。

3 結(jié)語

本文對PLC技術(shù)的工作原理和應(yīng)用情況進(jìn)行簡單敘述，嘗試用PLC技術(shù)來開發(fā)設(shè)計(jì)以工業(yè)機(jī)械手為目標(biāo)對象的自動化控制系統(tǒng)，依次闡述軌跡規(guī)劃、硬件結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì)方法及要點(diǎn)，并開展仿真試驗(yàn)與使用正/逆向運(yùn)動學(xué)相關(guān)理論來推導(dǎo)機(jī)械手的運(yùn)動軌跡及過程。以此來論證PLC技術(shù)在工業(yè)機(jī)械手控制方面的應(yīng)用可行性，為系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)提供思路，做到對工業(yè)機(jī)械手運(yùn)動軌跡的有效控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 況婧.基于PLC的3DOF機(jī)械臂的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2015.