基于PLC的工业机械手自动化控制系统设计研究

莫凡珣，张佳，孙乐涛

[摘    要]文章以工业机械手自动化控制系统设计作为切入点，叙述PLC可编程逻辑控制器技术的工作原理、主要应用及核心优势，探讨基于PLC技术的自动控制系统设计方法，阐述机械手轨迹规划、硬件结构、软件程序3方面的设计要点。旨在提升工业机械手的控制精度与强化运动控制能力，更好地替代人工完成复杂条件下的生产活动，推动工业机器人技术体系的创新发展。

[关键词]PLC技术;工业机械手;自动化控制;系统设计

[中图分类号]TP241;TP273 [文献标志码]A [文章编号]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技术应用概述

1.1 PLC工作原理

PLC是一种以可编程控制器为核心设备，替代继电器完成逻辑运算控制，具备顺序控制与计数控制等多项控制方法，适用于恶劣工业环境的一种新型控制技术，通过数字式或模拟式的输入输出值来实现控制目的。在PLC控制系統运行期间，依次执行输入采样、程序执行与输出刷新操作，在输入采样步骤，按特定顺序扫描全部输入数据及状态，按照扫描结果将其导入I/O映像区中储存，随后进入程序执行步骤，在后续步骤中不会改变已存储的状态数据。在程序执行步骤，按从上到下顺序扫描梯形图的控制线路，扫描期间同步开展逻辑运算操作，基于运算结果来刷新输出线圈，选择性执行特殊功能指令。在输出刷新步骤，根据梯形图排列顺序和运算结果，刷新对应输出锁存电路，在电路驱动作用下控制外接设备。

1.2 主要应用

在工业机械手等机械设备自动控制系统中，PLC技术主要用于开关量逻辑控制、运动控制、模拟量控制、过程控制、数据采集管理、故障诊断等场景中，可以满足多元化的机械设备控制需要，适用于多数工业场景[1]。例如，在故障诊断场景中，PLC系统中存在若干自检信号，定期采集、转换与分析自检信号，以及对工业机械手运行参数检测值和额定值进行比较分析，如果检测值与额定值二者产生过大偏差，或是系统根据自检信号发现故障问题时，启动故障诊断和溯源分析程序，判断故障类型与锁定具体故障点，发送报警信号，在系统界面上显示故障码。

1.3 PLC技术的核心优势

在早期工业机械手自动控制系统中，采取继电器控制方法，存在控制精度不足、功能单一、环境适应能力差的局限性。与之相比，PLC技术有着实时性、丰富I/O卡件、系统配置简单灵活、硬件设备易于安装维护、结构组态灵活的优势。因而，其逐渐取代了传统的继电器控制方法，工业机械手自动控制系统的运行效率、控制精度、稳定性均得到明显提升。以组态灵活优势为例，PLC系统采取模块化设计方法，系统结构由主控制器与多个单元模块组成，各模块对应所实现的使用功能，如果工艺技术、工业环境与受控对象发生变化，直接对系统结构中的单元模块种类、数量、硬件设备种类型号及排列方式加以调整即可。

2 基于PLC的工业机械手自动化控制系统的设计方法

2.1 工业机械手轨迹规划设计

2.1.1 路径设计

设计人员在已掌握信息基础上，综合分析工业机械手种类、现场环境、生产目标与工艺流程等因素，使用运动方程式，确定工业机械手位置与关节变量值，也可以根据机械手位姿来获取关节变量值与速度值，在软件程序中导入各类参数，规划设计完成不同生产任务、机械手处于各点位置时的运动路径，运动路径由机械手出发点与到达点间的中间位形序列加以构成。

2.1.2 插补方式选择及轨迹控制

（1）以工业机械手控制需求及方法为依据，选择恰当的插补方式。例如，在采取工业机械手运动路径点位控制方式时，由于没有路径约束条件，满足机械手在起点、终点时的位姿要求即可，可选择采取不插补或是关节插补的方式，不插补方式采取保证各轴独立快速到达、限制各关节最大加速度的措施，关节插补也被称为平滑插补，采取限制各关节最大加速度、各轴协调运动定时插补的措施。而在采取机械手连续路径控制方法时，可采取空间插补或是关节插补的方式，空间插补措施包括直线/曲线/圆弧等距插补、给定起停线速度及线加速度条件下限制各关节速度与最大加速度，关节插补措施包括空间插补点定时插补、限制各关节最大加速度、基于低阶多项式拟合空间直线来维持各轴协调动作状态。

（2）设计机械手轨迹控制程序，在工业机械手启动后对轨迹控制程序进行初始化处理，采集现场监测信号来掌握轨迹上机械手的实时位置及姿态，采取插补算法，基于机器人逆运动学和所设置若干角度位置控制系统，在机械手运动期间实时调整位置及姿态，保证机械手完全按照预定轨迹运动。

2.1.3 轨迹插值设计

在机械手轨迹插值设计环节，可采取直线插补或是平面圆弧插补算法，负责根据已掌握信息，在给出全部路径节点数据后进行插值计算来获取机械手关节变量插值。其中，直线插补算法是在已掌握直线两端起点和终点位置姿态信息情况下，求算运动轨迹的中间点位置姿态、各轴增量、插补点坐标值等信息。平面圆弧插补算法是根据基础坐标系和圆弧平面的重合情况进行计算，如在已知平面内一圆圆心坐标值时，在公式中导入总的圆心角、机械手沿圆弧运动速度、插补时间间隔等参数，计算各插点坐标值。

2.1.4 机械手末端轨迹仿真实验

为论证PLC控制系统中工业机械手路径轨迹规划方案是否具备实施性，需要建立机械手仿真控制模型来开展仿真实验。例如，在某工业机械手PLC控制项目中，设计人员采取MATLAB编写程序和绘图函数的方法建立仿真模型，在模型中标记机械手在各点位置时的关节位置与姿态等信息，根据已掌握机械手末端轨迹平面坐标值来计算全部关节角，可选择以直线为切入点，设定一条直线，采取轨迹方程式或是插值法获取直线上的全部点位坐标值，通过增加点数数量的方式来提高仿真机结果准确性。随后，根据坐标值来确定机械手末端位姿，通过方程式输出结果来获取各关节角度，使用MATLAB软件自带工具进行求解，绘制仿真图。最终，根据仿真实验结果，获取二连杆机械手与三连杆机械手在不同运动轨迹时的仿真过程，包括杆件位置、关节姿态、运动轨迹等。

2.2 硬件设计

2.2.1 PLC控制器选型设计

可编程逻辑控制器是PLC机械手自动控制系统的核心器件，控制器选型合理与否，直接影响到机械手控制效果与系统运行状态。对PLC控制器的选型，需要从CPU能力、存储器容量、控制功能、I/O点数、输入输出需求等多个维度进行综合分析。一般情况下，可选择配置CPIH-X40DR-A型号的PLC控制器，该款控制器CPU中央处理器内置输入24点/输出16点，为继电器输出类型，供电电源为AC220 V，由步进电机把传感器所采集现场监测信号接入原点输入信号，可以满足绝大多数情况下的机械手自动控制需求，通过控制电机转动的方式来控制机械手位置、速度和加速减速时间个数。

2.2.2 电机及驱动器选型设计

首先，在工业机械手自动控制系统中，步进电机起到把电脉冲信号转换至角位移量或是线位移量、多相时序控制电流进行分时段供电的作用，由PLC控制器下达调节电机转动加速度及速度的指令，从而起到调速控制作用。在电机选型设计环节，需要根据工业机械手控制需求来设定步进电机的基本参数要求，包括电机固有步距角、保持转矩、相数。一般情况下，要求所配备步电机半步工作角为0.9°、整步工作角为1.8°、保持转矩为2 N.m、相数为二相至五相即可，要求所选相数与固有步距角保持匹配状态，如在配置二相步进电机时，要求半步与整步角分别为0.9°与1.8°，在配置三相步进电机时，分别将半步与整步角保持为0.7°和1.5°。

其次，在确定步进电机规格型号的条件下，配置与之匹配的驱动器。例如，在配置MSMD042PIU型步进电机时，应配备MADDT1205型号的驱动器，该款驱动器输入电源为单相200 V、最大瞬时与最大连续输出电流为10 A及5 A、编码器反馈信号为1000 p/r、分辨率为131072 p/r、可外接再生制动电阻、具备自动增益调整和全闭环控制使用功能，附带扰动观察器和动态制动器。

2.3 系统软件设计

2.3.1 参数设定

根据工业机械手控制要求和仿真实验结果，在软件程序中设定各项基础参数，包括数据存储器参数、位置序列、轴参数、速度、位置、加速与减速时间、驻留时间、区域等。例如，分开设定各编号存储器的设置内容，包括间隙补偿、原点搜索加速时间、加速/减速曲线、初始速度、输入输出位置、逆时针与顺时针软件限位值、初始脉冲定义等。而在设定位置序列参数时，分开设定各处地址与模块单元的位置序列内容，包括X轴定义、位置定义、处理时间、减速时间、初始速度、输出代码、完成代码、加速时间等。

2.3.2 软件编程

在编程环节，可选用CX-Programmer Ver7.30等软件，使用工作字来辅助位置控制模块进行工作，根据控制需求来编写梯形图，在梯形图中设定16条及以上的命令语句，各条命令语句对应特殊功能指令，以此来实现电机转动控制、机械手末端轨迹控制等使用功能。例如，使用工作字操作开关，形成上升沿微分，启动主控程序与控制模块，步进电机保持通电状态和发出设定脉冲信号，位置控制模块接收脉冲信号后控制机械手连杆末端按特定速度抵达预定点位，如果没有接收到脉冲信号或未达到预定位置则退回上一步骤，在一切无误后完成设定运动轨迹，程序返回初始工作状态。同时，在工业机械手内分布多个连杆时，根据连杆数量来设置多个位置控制模块，重复执行发出设定脉冲信号、模块控制连杆按预定轨迹到达指定位置的操作步骤，直至全部连杆运动完毕。

2.3.3 人机界面设计

为提供良好的人机操作服务，满足工业机械手的远程手动控制需求，以应对一些PLC系统无法独立解决的复杂问题及突发状况。需要在方案中做好人机界面设计工作，可选用LEVI Studio维控触摸屏编程软件、WE320-A编程软件、MaqicWorks HMI组态软件等辅助软件，根据工业机械手的实际控制需求，在系统界面上设计指示灯显示、实时运行监测、数据统计、故障查询、自动启动、停机运行等功能栏及按钮，工作人員可以通过系统界面所显示信息来掌握工业机械手及PLC系统运行状况，远程下达参数调节等控制指令。同时，为保证操作安全，避免出现误触情况，应建立指令确认机制，在下达控制指令后，系统界面弹出指令确认栏，由确认指令、取消指令两种按钮组成，点击确认指令按钮后，再将指令下达、执行。

3 结语

本文对PLC技术的工作原理和应用情况进行简单叙述，尝试用PLC技术来开发设计以工业机械手为目标对象的自动化控制系统，依次阐述轨迹规划、硬件结构与系统软件程序的设计方法及要点，并开展仿真试验与使用正/逆向运动学相关理论来推导机械手的运动轨迹及过程。以此来论证PLC技术在工业机械手控制方面的应用可行性，为系统开发设计提供思路，做到对工业机械手运动轨迹的有效控制。

参考文献

[1] 况婧.基于PLC的3DOF机械臂的控制系统的设计[D].成都：电子科技大学，2015.