基于PLC的自动机器人控制系统研究

摘要：控制系统是现代机器人的核心部分，如同人类的大脑一样决定着机器人的自动化水平。为了实现对机器人运动轨迹、运动速度、运动加速度的有效控制，提高机器人的自动化程度，让机器人更好地适应外界工作环境。本文选择PLC技术为研究对象，结合智能化技术的最新发展，对其控制系统进行了深入的研究，希望能够为PLC技术在自动机器人控制系统中的应用提供一定的思路。

关键词：PLC;自动控制;机器人;控制系统

中图分类号：TP242.2    文献标识码：A    文章编号：1007-9416（2020）04-0000-00

0 引言

工业4.0时代对机器人的控制技术提出了更好的要求，要求机器人高精度、超高稳定性和快速响应。因此，近年来机器人控制系统向着数字交流化、智能化、新型半导体元件大功率化、模块化等高精尖化的方向发展，一方面速度精度都得以不断提高，另一方面，结构和操作日益简单，标准化水平正在日益提高。PLC控制器因为方便灵活、成本低廉、编程简单、扩展性强等优势被广泛用于控制器中。本文设计的基于PLC的自动机器人在设计过程中充分考虑了经济性、简单性、实用性、结构的开放性，满足速度、加速度、力矩的要求，抗干擾能力强，定位精度高，行走能力强。

1机器人控制系统和PLC控制相关概述

1.1 机器人的控制方式

机器人控制方式主要有两种：首先是点位控制，该控制系统结构简单，根据末端执行器的点位进行定位，无需考虑运动路径，但是精度上仍然还需要提高。其次轮廓控制，该定位方式较为严格，要求机器人在速度和路径上必须要严格一致，并且进行多轴联动，通过严格的控制提高定位精度。从内部原理上来看，也是分为两种，非伺服控制系统采用事先编制好运动轨迹的方法，适用于PLC等运动程序简单的系统，其控制方式简单。伺服控制是当前自动机器人常见的控制方法，利用各种传感器将外界信息传输到系统，并且进行处理，这将是未来机器人技术的主要发展方向。伺服控制系统按照动力形式划分包括电型、液压型和气动型，按照执行元件的类型可以分为直流和交流，按照控制方式可以分为开环、半闭环和闭环系统^[1]。

1.2 机器人控制系统的机构组成

控制器，主要是根据指令要求控制各个执行器完成相应地操作，是机械人的核心机构。控制参数，主要包括速度和位移以及力矩等参数，通过电信号进行控制。执行工作环节，主要将控制器发出来的电信号转化为机械运动。测试环节，通过传感器和变换回路对系统进行测试。比较环节，针对测试数据和系统信号进行对比，然后计算出信号偏差。从本质上来说，机器人是通过运动控制器来控制其运动轨迹，包括使用DSP和PLC进行控制。工业计算机的控制器得益于巨大的计算能力，处理器能够高速运行，搭配集成电路，具有强大的控制功能^[2]。

1.3 PLC相关概述

PLC系统即可编程逻辑控制器，在工业场景中有广阔的适应性，其各项功能都可以进行拓展设计，编程简单，结构简便，加之具有体积小、重量轻、能耗低，因此应用广泛。系统以微型处理器为核心，结合智能控制领域的最新技术，抗干扰性强，包含故障检测和自诊断程序，对外在环境有良好的判断力。其基本结构包括模块式和整体式两种，主要元件包括中央处理器、存储器、输入单元、输出单元、通讯接口、编程设备等。PLC系统具有强大的指令功能和极高的通讯能力，使多轴联动插补得以实现，这让系统可能在高精度状态下实现闭环控制。PLC技术不需要复杂的电路设计就能够实现有效控制，因此，本文采用PLC设计方案。在PLC设备选型中要做好输入输出（I/O）点数、存储器容量、控制功能的选择，根据结果的复杂程度来选择合适的功能模块^[3]。

2 基于PLC的自动机器人控制系统设计

2.1 系统总体设计

系统结构精简，节能降耗，能够根据不同的工业场景进行适应性设计。功能要满足机器人的自动控制需求，同时具有手动功能，指令功能良好。无论是在负载和空载状态下，机器人都能随时实现随遇平衡状态。为了方便一线操作人员使用，系统采用组态软件，这样他们不需要具有非常专业的知识就可以实现对系统的控制。为了方便使用，系统采用高度人际和谐的视窗界面，能够满足系统记录的需要。系统支持立体 3D 图库，采用多样的语言文字表现形式，具有扩展报警功能和过程控制数据采集功能，和传统系统相比，系统的图像更为形象，同时采用全新的动画编辑方式，使用丰富的表现语言。编程过程中采用TouchWin 编程工具，提升变成的可靠性，提升控制的水平。机器人有自动和手动两种模式，在手动模式下，可以对各轴的正反向运动分别调节，控制运动量和深度。在自动模式下，系统可以监控机器人的运动状态，包括各个机构的位置和运行状态。无论在手动还是在自动模式下，都可以对机器人的状态进行全面监控，方便进行操作，在自动模式下，系统根据报警功能自动自动检测故障，确保机器人在正确的运动状态^[4]。

2.2 系统的安装和调试

机器人安装不能直接使用220v电压，要使用变压器进行电压转换，使用36V直流供电。在数据传输过程中，机器人非常容易受到干扰，其自动化水平会大幅降低，因此在系统安装之后，要进行调试程序。机器人本体安装好之后，要进行可靠接地设计，检查强电连接，确保电源输出和输入正确，查看电机有无异常发热，每个关节是否都能正常运动。按照系统设置进行示教过程，将各轴用手动模式运动到开始位置，整个控制系统进行供电。再根据示教模式设定机器人的速度，从1m/s到3m/s提升速度，测试机器人稳定性。在进入到程序点用轴操作键，让机器人达到作业状态，按下确认键，让机器人按照既定路径进行相关操作。周而复始，反复执行示教程序，并且测试误差，进一步对控制系统进行调整。

3 结语

总之，控制系统是机器人的大脑和神经中枢，其重要性毋庸置疑，比起DSP等技术，PLC技术编程和调试更为容易，直接采用专用指令就能够完成对高端机器人的控制。因此，PLC在未来的机器人设计中还有着更广泛的应用前景，需要进一步深入研究。

参考文献

[1] 李乐超.电气自动化控制设备的可靠性分析[J].中国高新技术企业，2013（32）：59-60.

[2] 孙式运，樊文建.电气自动化控制中的人工智能技术[J].电子测试，2018（14）：134-135.

[3] 申少魁.PLC控制系统在机器人上的應用[J].南方农机，2018（16）：3.

[4] 王增彪，李菊，邓嘉鸣，等.基于PLC的喷涂机器人控制系统设计[J].现代职业教育，2015（17）：30-31.

收稿日期：2020-03-09

作者简介：熊智（1971—），男，四川成都人，硕士，工程师，研究方向：应用电子技术。

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