基于PLC 與工業(yè)機器人的碼垛工作站控制系統(tǒng)設(shè)計

任輩杰

（蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730070）

隨著科技的發(fā)展，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）與工業(yè)機器人的應(yīng)用逐漸成熟。PLC 具備強大的邏輯控制與數(shù)據(jù)處理能力，工業(yè)機器人具有可編程、高精度、高速等特點，整合這2 種設(shè)備，并引入以太網(wǎng)通信技術(shù)、變頻器及威綸通觸摸屏，能夠有效提升控制系統(tǒng)的操作便捷性與智能化水平。碼垛工作站控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)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(huán)境的安全性，提高生產(chǎn)效率，還能為工業(yè)生產(chǎn)提供一種高效、智能化的碼垛解決方案。該控制系統(tǒng)在生產(chǎn)實踐中具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備

1.1 以太網(wǎng)通信技術(shù)

碼垛工作站的控制系統(tǒng)運用了以太網(wǎng)通信技術(shù)，利用以太網(wǎng)交換機，將傳感器、觸摸屏、PLC 及其他設(shè)備連接到同一個網(wǎng)絡(luò)，使PLC 能夠與各設(shè)備進行穩(wěn)定、高速的指令傳遞與數(shù)據(jù)傳輸。以太網(wǎng)通信的應(yīng)用有效提升了控制系統(tǒng)的靈活性與可靠性，大幅降低了成本與布線的復(fù)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(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)、碼垛參數(shù)等，并完成操作調(diào)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(tǒng)運用3 個變頻器，以控制相關(guān)設(shè)備的電機。變頻器通過動態(tài)調(diào)節(jié)電機的運行狀態(tài)與轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)電機的精確控制。在碼垛過程中，使用變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，能夠更好地適應(yīng)不同的碼垛需求，提高系統(tǒng)的準確性與靈活性。變頻器的運用使各設(shè)備可以按照實際需求進行調(diào)節(jié)，確保碼垛工作的正常進行。

2 碼垛工作站控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

碼垛工作站主要包括ABB 機器人、控制系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、料盤4 部分。工作站使用的由ABB IRC5 控制器控制的IRB 120 工業(yè)機器人，具備可編程、高精度、高速等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化的物料搬運與碼垛操作。控制系統(tǒng)主要包括控制柜及其他相關(guān)硬件設(shè)備，控制柜內(nèi)置PLC，用于控制和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)。PLC 負責(zé)與機器人及其他設(shè)備進行指令傳輸與數(shù)據(jù)交換。物料輸送系統(tǒng)借助傳送帶來實現(xiàn)物料的輸送與定位。傳送帶負責(zé)將碼垛的物料從供應(yīng)區(qū)域運輸至碼垛區(qū)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(guī)格不同，目的是滿足不同物料的碼垛需求[1]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計基于工業(yè)機器人與PLC 的協(xié)同控制思想。其中，PLC 作為核心控制設(shè)備，負責(zé)協(xié)調(diào)和控制整個系統(tǒng)。PLC 通過ABB IRC5 控制器的通信接口，與工業(yè)機器人進行指令傳輸與數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)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(yù)設(shè)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(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)施包括PLC、工業(yè)機器人、變頻器、電機、傳感器、電磁閥及觸摸屏等。這些硬件設(shè)備相互連接、共同協(xié)作，實現(xiàn)系統(tǒng)的運行與控制。工業(yè)機器人作為核心部件，與PLC 相連，利用以太網(wǎng)接口進行通信。它使用ABB IRC5 控制器來執(zhí)行碼垛任務(wù)，同時與PLC 交換數(shù)據(jù)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(zé)編程與調(diào)試機器人，而電磁閥則負責(zé)控制末端執(zhí)行器的動作[3]。控制系統(tǒng)選用西門子S7-200 Smart PLC，其具備較短的指令執(zhí)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(shè)備相連，利用自帶的以太網(wǎng)口完成通信。它主要負責(zé)信號控制與信息處理，按照任務(wù)要求實時獲取物料狀態(tài)變化，并控制不同程序的啟停。

觸摸屏是系統(tǒng)的交互界面，使用威綸通TK8071IP觸摸屏，并借助RS-485 通信協(xié)議與PLC 進行通信。操作人員能夠使用觸摸屏來實時監(jiān)控、設(shè)置和調(diào)整機器人任務(wù)參數(shù)。變頻器是重要的硬件設(shè)備，選用三菱FRD7200 變頻器，負責(zé)控制原料電機、目標盤的電機，通過精確調(diào)節(jié)電機的運行狀態(tài)與轉(zhuǎn)速，滿足不同的碼垛需求。

除核心硬件設(shè)備外，還有其他配套設(shè)備，如用來監(jiān)測目標盤與原料盤狀態(tài)的傳感器。傳感器負責(zé)將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給PLC，數(shù)據(jù)反饋能使系統(tǒng)實時獲得物料狀態(tài)的變化情況。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

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(jié)合的方式實現(xiàn)自動化碼垛，包括PLC、ABB 工業(yè)機器人、觸摸屏等核心部件[4]。實際生產(chǎn)中，PLC 與機器人利用網(wǎng)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(yù)設(shè)的參數(shù)與特定流程進行精確操作。機器人配備的真空檢知系統(tǒng)負責(zé)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(shù)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(wǎng)線向PLC 發(fā)送信號。PLC接收到信號后控制料盤轉(zhuǎn)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(shù)大于已夾取的物料總數(shù)，機器人會一直繼續(xù)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(shè)計與程序?qū)崿F(xiàn)

控制系統(tǒng)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(shè)置人機界面（Human Machine Interface，HMI）上的工藝參數(shù)。在手動調(diào)試階段，需要單獨調(diào)試各模塊，測試機器人的緊急停止、抓取、目標盤的轉(zhuǎn)動以及傳送帶的送料控制等功能，為后續(xù)的自動運行奠定基礎(chǔ)。設(shè)置好碼垛相關(guān)參數(shù)后，將機器人切換至自動模式，系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)為工作人員提供實時監(jiān)控畫面，從而實時監(jiān)控整個碼垛工作站運行狀態(tài)。

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(wù)模塊。整個系統(tǒng)程序設(shè)計包含子程序與主程序設(shè)計兩大部分。其中：主程序設(shè)計涵蓋中斷程序、邏輯判斷及子程序調(diào)用等內(nèi)容，目的是實現(xiàn)碼垛的軌跡適配與其他具體功能；子程序設(shè)計則包括拾取工具、調(diào)用對應(yīng)碼垛及目標盤執(zhí)行等子程序的設(shè)計[6]。拾取工具程序利用子程序能夠帶參數(shù)調(diào)用的特點，結(jié)合實際情況與不同參數(shù)，能夠拾取不同的工具。不同目標盤的執(zhí)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(xiàn)緊急情況或觸發(fā)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(tǒng)、設(shè)備及人員的安全。

3 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

為驗證系統(tǒng)的可靠性與優(yōu)越性，將該系統(tǒng)應(yīng)用于某電子設(shè)備廠，對比系統(tǒng)投放前后的碼垛效率，結(jié)果如表1 所示。

表1 系統(tǒng)投放前后對比結(jié)果

通過對比系統(tǒng)投放前后的數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)計的碼垛工作站控制系統(tǒng)在效率與準確性方面表現(xiàn)出色。測試結(jié)果顯示，碼垛工作站控制系統(tǒng)的應(yīng)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(jié)拍均有所下降，碼垛數(shù)量與準確率均有明顯提高，這說明該系統(tǒng)在實際生產(chǎn)環(huán)境中具有良好的性能與穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

設(shè)計的碼垛工作站控制系統(tǒng)作為一種解決傳統(tǒng)人工碼垛問題的創(chuàng)新方案，具有重要的應(yīng)用價值與廣闊的應(yīng)用前景。該控制系統(tǒng)具備較強的適應(yīng)性與靈活性，能夠顯著降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率，改善工作環(huán)境的安全性。未來，將在控制系統(tǒng)中應(yīng)用更多先進技術(shù)，如大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)等，進一步優(yōu)化與改進系統(tǒng)的性能和準確性，實現(xiàn)更精準的物料識別與規(guī)劃。此外，將考慮拓展系統(tǒng)功能，如無縫對接物流系統(tǒng)，實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的智能化管理。