融合PLC邏輯控制器的自動(dòng)化分揀機(jī)器人動(dòng)作控制優(yōu)化

郭翠鋒

（晉城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，晉城 048026）

0 引言

近年來，電子商務(wù)獲得了飛速發(fā)展，人們消費(fèi)行為越來越傾向于網(wǎng)絡(luò)線上購(gòu)物，因此網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物交易量越來越多，尤其是遇上購(gòu)物節(jié)時(shí)，物流在分揀環(huán)節(jié)遭遇了巨大挑戰(zhàn)，人力分揀完全無法滿足要求，導(dǎo)致大量商品積壓，延遲了商品運(yùn)送時(shí)間，尤其對(duì)于一些對(duì)時(shí)間要求較高的商品，耽誤兩三天，就有可能導(dǎo)致商品商品變質(zhì)，給電商和消費(fèi)者都造成了損失，面對(duì)這種情況，自動(dòng)化分揀機(jī)器人逐漸應(yīng)用到物流分揀環(huán)節(jié)，取代人力完成分揀工作，極大的提高了分揀效率，但是分揀機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的并不成熟，在分揀準(zhǔn)確性方面還不足?，F(xiàn)在的分揀機(jī)器人雖然能夠?qū)Υ蠹锲贩謷r(shí)完成的又快又好，但是分揀一些小的物品時(shí)，動(dòng)作控制精度就受到了極大限制，經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)檢、物品掉落或者物品損壞的問題[1]。在此背景下，如何提高自動(dòng)化分揀機(jī)器人動(dòng)作控制精度成為當(dāng)下研究的重點(diǎn)。

關(guān)于自動(dòng)化分揀機(jī)器人動(dòng)作控制問題的研究在很多前人發(fā)表的文章中都進(jìn)行了研究。如，張千，高國(guó)琴在其發(fā)表的文章中提出了一種關(guān)于串類水果機(jī)器人分揀抓取機(jī)械手控制系統(tǒng)開發(fā)方法，結(jié)合PLC實(shí)現(xiàn)了抓取機(jī)械手抓取力度的精確控制，避免了在采摘過程中碰壞采摘果實(shí)；焦玉成，俞娟，杜逸鳴基于PLC與觸摸屏針對(duì)物品碼垛工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行控制，通過不斷糾正分揀路徑誤差，來提高碼垛準(zhǔn)確性和速度。曹現(xiàn)剛，費(fèi)佳浩，王鵬等人通過優(yōu)化多個(gè)機(jī)器人機(jī)械臂協(xié)同運(yùn)作策略來提高煤矸分揀效率，降低煤炭分選的投資和生產(chǎn)成本。

基于前人研究經(jīng)驗(yàn)，提出一種融合PLC邏輯控制器的自動(dòng)化分揀機(jī)器人動(dòng)作控制優(yōu)化方法。通過優(yōu)化PLC邏輯控制器運(yùn)行算法來實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的控制。優(yōu)化控制研究分為三部分，即PLC在自動(dòng)化分揀機(jī)器動(dòng)作控制中的應(yīng)用，基于PLC的控制方案缺陷分析，并提出優(yōu)化方法，提高控制精度。

1 基于PLC的自動(dòng)化分揀機(jī)器人動(dòng)作控制優(yōu)化方法

物流產(chǎn)業(yè)是隨著網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物興盛起來的產(chǎn)業(yè)。網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物與物流產(chǎn)業(yè)息息相關(guān)，消費(fèi)者在通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)付款后，需要通過物流將商品交付到用戶手上，才算完成一次交易，因此物流運(yùn)輸質(zhì)量對(duì)于網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物交易達(dá)成至關(guān)重要。而影響物流運(yùn)輸質(zhì)量的最關(guān)鍵因素的就是運(yùn)輸時(shí)間，運(yùn)輸時(shí)間越短，消費(fèi)者的消費(fèi)體驗(yàn)越好，因此對(duì)于物流企業(yè)來說，提高工作效率是一直研究的問題。分揀是物流運(yùn)輸中最耗費(fèi)時(shí)間的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此隨著自動(dòng)化機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用，分揀機(jī)器人逐漸取代人工分揀工作，極大節(jié)省了物流運(yùn)輸時(shí)間，但是目前分揀機(jī)器人主要針對(duì)大型貨物具有很好的工作質(zhì)量，一旦要分揀較小的商品或者分揀易損壞的商品，分揀工作質(zhì)量就會(huì)下降[2]。為此，本章節(jié)通過優(yōu)化自動(dòng)化分揀機(jī)器人動(dòng)作控制算法來提高分揀機(jī)器人的工作質(zhì)量。

1.1 PLC邏輯控制器研究與分析

PLC，中文被稱為邏輯控制器，是一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中控制各個(gè)業(yè)務(wù)邏輯程序運(yùn)行的硬件設(shè)備，主要被應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)線上的機(jī)械化設(shè)備控制，其性能直接關(guān)系到設(shè)備整體運(yùn)行效率和運(yùn)行質(zhì)量，因此通過優(yōu)化PLC來提升控制系統(tǒng)性能是常見的機(jī)械化設(shè)備升級(jí)手段和途徑[3]。本章節(jié)就PLC邏輯控制器相關(guān)理論進(jìn)行研究和分析。

1.1.1 PLC結(jié)構(gòu)組成

PLC結(jié)構(gòu)組成如下：

1）中央處理單元

中央處理單元，英文簡(jiǎn)稱CPU，是PLC的核心組成單元。這一單元中又包含了三個(gè)關(guān)鍵元件，即控制器、運(yùn)算器和寄存器[4]。每個(gè)元件所起到的作用不同。

（1）控制器：控制命令生成和輸出。通過總線與各個(gè)下位機(jī)設(shè)備連接在一起，實(shí)現(xiàn)控制；

（2）運(yùn)算器：各種運(yùn)算程序執(zhí)行；

（3）寄存器：PLC的“數(shù)據(jù)庫(kù)”，分為ROM和RAM兩種，存儲(chǔ)各種系統(tǒng)程序、執(zhí)行程序、邏輯變量和其他一些信息。

2）輸入與輸出單元

輸入與輸出單元的作用是發(fā)送和接收信息。

3）擴(kuò)展接口

擴(kuò)展接口的作用是給PLC增加一些專用功能模塊。

4）外設(shè)接口

外設(shè)接口就是連接外圍設(shè)備的接口。

5）電源

電源主要為PLC運(yùn)行提供電力能源

1.1.2 PLC控制過程分析

PLC是各種設(shè)備和系統(tǒng)的中央控制模塊，其控制過程如下：

步驟1：給PLC通電，啟動(dòng)PLC。

步驟2：PLC自檢測(cè)，檢測(cè)各個(gè)部件和運(yùn)行部分是否正常。

步驟3：通信處理。將PLC與外設(shè)各種設(shè)備進(jìn)行通信預(yù)處理，保證通信可靠性。

步驟4：編寫各個(gè)業(yè)務(wù)程序；

步驟5：按照編寫好的程序進(jìn)行順序掃描，連續(xù)循環(huán)操作；

步驟6：進(jìn)入采樣程序。利用外設(shè)的傳感器采集分揀機(jī)器動(dòng)作參數(shù)。

步驟7：通過輸入單元輸入動(dòng)作參數(shù)到運(yùn)算器當(dāng)中，經(jīng)過運(yùn)算程序運(yùn)算得出控制參數(shù)。

步驟8：根據(jù)結(jié)果利用控制器生成控制命令；

步驟9：借助輸出單元傳輸?shù)脚c之相連的下述執(zhí)行設(shè)備，控制設(shè)備按照命令操作。

步驟10：一次循環(huán)任務(wù)完成，進(jìn)入下一輪任務(wù)處理，輸出指令刷新。重復(fù)過程，直至所有動(dòng)作控制完成[5]。

1.2 基于PLC的分揀機(jī)器人動(dòng)作控制PID算法

PLC是分揀機(jī)器人動(dòng)作控制實(shí)現(xiàn)的硬件，而動(dòng)作控制所需要的控制參數(shù)需要運(yùn)行運(yùn)算程序而獲得，這就是PLC最關(guān)鍵控制算法。PLC控制算法中最常用的就是PID算法。

PID算法是一種通過預(yù)期值與實(shí)際輸出值之間的差值來控制被控量，使之被控量不斷接近預(yù)期理想值的算法。PID算法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)[6]。PID名字的由來是比例、積分和微分三個(gè)英文單詞首字母，因此PID組成分為三部分，如圖1所示。

圖1 PID組成結(jié)構(gòu)圖

圖1中，r（t）代表設(shè)置的機(jī)器人分揀動(dòng)作預(yù)期參數(shù)值，將此作為PID輸入；u（t）表示經(jīng)過比例、積分和微分運(yùn)算得出的被控量，也就是控制分揀機(jī)器人動(dòng)作的參數(shù)值，計(jì)算公式如式(1)所示；y（t）代表通過被控量控制分揀機(jī)器人產(chǎn)生分揀動(dòng)作時(shí)的實(shí)際參數(shù)值；e（t）代表機(jī)器人分揀動(dòng)作預(yù)期參數(shù)值與實(shí)際參數(shù)值之間的誤差，計(jì)算公式如式(2)所示。

式中，KP為PID控制器的比例增益；Ti表示積分時(shí)間常數(shù)；Ki為PID控制器的積分增益。

將上述式(3)轉(zhuǎn)換成傳遞函數(shù)形式，如下：

式中，Td為微分時(shí)間常數(shù)；s為采樣周期。

PID算法的核心問題就是KP、Ki、Kd整定問題，因?yàn)檫@三個(gè)系數(shù)直接關(guān)系到PID的控制性能，因此如何精確參數(shù)取值成為分揀機(jī)器人動(dòng)作控制的優(yōu)化途徑，這在下一章節(jié)進(jìn)行具體分析。

1.3 自動(dòng)化分揀機(jī)器人動(dòng)作控制優(yōu)化策略

通過上述分析可知，基于PLC的分揀機(jī)器人動(dòng)作控制PID算法中比例增益系數(shù)、積分增益系數(shù)、微分增益系數(shù)取值是影響自動(dòng)化分揀機(jī)器人動(dòng)作精度，因此在本章節(jié)從參數(shù)整定著手，優(yōu)化自動(dòng)化分揀機(jī)器人動(dòng)作控制方案。

遺傳算法是一種利用自然界競(jìng)爭(zhēng)法則進(jìn)行尋優(yōu)的一種算法，基本流程如圖2所示。

圖2 遺傳算法基本流程

基于遺傳算法優(yōu)化分揀機(jī)器人動(dòng)作控制PID算法過程如下：

步驟1：初始化，并設(shè)定相關(guān)參數(shù)值；

步驟2：構(gòu)建優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，如下：

式中，t為上升時(shí)間；α、β、γ為權(quán)值系數(shù)；i=1，2，…，n；zi（t）值越小，分揀機(jī)器人動(dòng)作控制精度越高。

步驟3：KP、Ki、Kd作為個(gè)體，進(jìn)行編碼，并進(jìn)入目標(biāo)函數(shù)求取最優(yōu)解的過程。

步驟4：利用下述式(7)、式(8)計(jì)算適應(yīng)度函數(shù)值。

當(dāng)z(t)＞0時(shí)：

當(dāng)z(t)=0時(shí)：

式中，n為種群規(guī)模；Fi（x）為適應(yīng)度函數(shù)。

步驟5：根據(jù)下述公式選擇和復(fù)制被遺傳的個(gè)體。

步驟6：對(duì)被遺傳下來的個(gè)體進(jìn)行交叉操作和變異操作，產(chǎn)生下一代種群。交叉概率和變異概率計(jì)算公式如下：

式中，g取值范圍0～1。

步驟7：判斷是否滿足終止條件？若滿足，得出KP、Ki、Kd最優(yōu)取值，否則重復(fù)上述過程4～6。

2 自動(dòng)化分揀機(jī)器人動(dòng)作控制優(yōu)化效果驗(yàn)證

為檢驗(yàn)所研究的自動(dòng)化分揀機(jī)器人動(dòng)作控制優(yōu)化效果，以櫻桃、草莓、蘋果這種小粒水果作為商品分揀對(duì)象設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證分揀動(dòng)作的控制精度。

2.1 分揀機(jī)器人選擇

本實(shí)驗(yàn)中所選擇的分揀機(jī)器人以三菱公司推出 FX2N 32MR-001 PLC作為主控制器，以O(shè)pen Source CV為圖像處理庫(kù)，以主流的upyter Lab為開發(fā)工具，使用 Python3為主要編程語言。采用攝像頭與機(jī)械臂機(jī)身一體式設(shè)計(jì)，“手眼合一”的視覺識(shí)別讓機(jī)械臂顯得更加靈動(dòng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)顏色識(shí)別追蹤與抓取，還搭配稱重傳感器，根據(jù)物體重量輸入相應(yīng)的抓取力度。機(jī)器人分揀場(chǎng)景如圖3所示。

圖3 機(jī)器人分揀場(chǎng)景

2.2 PLC選型

分揀機(jī)器人中主控系統(tǒng)為三菱公司推出FX2N 32MR-001 PLC。該控制器技術(shù)參數(shù)表如表1所示。

表1 FX2N 32MR-001 PLC技術(shù)參數(shù)表

2.3 參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)中所需要的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置表

2.4 分揀機(jī)器人動(dòng)作PID優(yōu)化控制模型構(gòu)建

借助在MATLAB中的Simulink工具箱搭建分揀機(jī)器人動(dòng)作PID優(yōu)化控制的仿真模型，如圖4所示。

圖4 分揀機(jī)器人動(dòng)作PID優(yōu)化控制模型

模型中，經(jīng)過遺傳算法整定后，PID三個(gè)參數(shù)的取值分別為：比例增益系數(shù)=49.5436、積分增益系數(shù)=0.3584、微分増益系數(shù)=0.1410。

2.5 優(yōu)化結(jié)果與分析

自動(dòng)化分揀機(jī)器人動(dòng)作控制優(yōu)化后，機(jī)器人動(dòng)作精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 機(jī)器人動(dòng)作精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表3中可以看出，自動(dòng)化分揀機(jī)器人動(dòng)作控制優(yōu)化后，預(yù)期位置點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)際位置點(diǎn)坐標(biāo)誤差均在1.0以下，說明分揀機(jī)器人的動(dòng)作能夠很好的按照預(yù)期的路徑的運(yùn)行。此外，通過草莓等級(jí)分揀可知，分揀誤差率均在5%以下，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期，說明分揀準(zhǔn)確率較高?？偠灾?。通過動(dòng)作路徑準(zhǔn)確度和分揀誤差率檢驗(yàn)，證明了自動(dòng)化分揀機(jī)器人動(dòng)作控制優(yōu)化后是有效的。

3 結(jié)語

綜上所述，商品分揀雖然簡(jiǎn)單，但是往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間才能完成，耽誤了物流運(yùn)輸時(shí)間，因此物流企業(yè)為提高服務(wù)質(zhì)量，分揀機(jī)器人被大量應(yīng)用，但是目前的分揀機(jī)器人在分揀小型貨物上精度并不高。為此，本文提出一種融合PLC邏輯控制器的自動(dòng)化分揀機(jī)器人動(dòng)作控制優(yōu)化方法。該研究通過優(yōu)化PID算法三個(gè)參數(shù)來提高機(jī)器人分揀動(dòng)作精度，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化后的效果，證明了研究的有效性。然而，本研究所選用的分揀商品類型較少，取得的成果代表性不強(qiáng)，因此需要擴(kuò)大分揀商品的類型，擴(kuò)大研究適用性。