工業機器人與PLC協同操作的優化方法研究

摘要：工業機器人與可編程邏輯控制器（PLC）的協同操作在制造業中具有重要意義，該文旨在研究優化工業機器人與PLC的協同操作方法以提高生產效率和靈活性；分析目前存在的問題和挑戰，包括通信延遲、數據同步和協同控制等方面的困難；提出了一種基于先進算法和技術的優化方法，包括實時數據傳輸、智能調度算法和統一控制架構等；通過實驗驗證了優化方法的有效性和可行性，為工業機器人與PLC協同操作提供了新的思路和解決方案。

關鍵詞：工業機器人；可編程邏輯控制器（PLC）；協同操作

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.11.015

中圖分類號：TP 242.2；TP 277" " " " " " " " "文獻標志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）11-00-04

Research on Optimization Methods for Collaborative Operation

of Industrial Robots and PLC

ZHANG Wanda， LU Chengju

（Tianjin Electronic Information Technician College， Tianjin 300350， China）

Abstract： The collaborative operation between industrial robots and programmable logic controllers （PLCs） is of great significance in the manufacturing industry. This article aims to study the optimization of collaborative operation methods between industrial robots and PLCs to improve production efficiency and flexibility. Firstly， the current problems and challenges were analyzed， including difficulties in communication delay， data synchronization， and collaborative control. Secondly， an optimization method based on advanced algorithms and technologies was proposed， including real-time data transmission， intelligent scheduling algorithms， and unified control architecture. The effectiveness and feasibility of the optimization method were verified through experiments， providing new ideas and solutions for the collaborative operation of industrial robots and PLCs.

Keywords： industrial robots; programmable logic controller （PLC）; collaborative operations

隨著制造業的快速發展，工業機器人和可編程邏輯控制器（PLC）在生產線上扮演著越來越重要的角色。工業機器人能夠完成重復性高、精度要求高的任務，而PLC則負責控制生產線上各種設備和執行邏輯控制，工業機器人與PLC的協同操作可以實現生產過程的自動化和智能化，從而提高生產效率、降低成本，并且能夠滿足生產線靈活性的需求。

1" "智能調度算法與工業機器人和PLC通信的優化

在工業機器人與PLC的協同操作中，通信優化是提高實時性和數據傳輸速率的關鍵因素，以下詳細闡述了通信優化的方法。

1.1 高速通信技術的應用

在現代工業自動化領域，高速通信技術的應用對于解決通信延遲和數據傳輸速率的問題至關重要，特別是在工業機器人與PLC之間進行實時通信時，高速通信技術能夠顯著提升系統的性能和效率，工業以太網協議，如Ethernet/IP和PROFINET是目前廣泛應用于工業自動化領域的高速通信協議，該協議支持高達千兆位每秒（Gbps）的數據傳輸速率，遠高于傳統的串行通信方式，通過采用這些協議，工業機器人與PLC之間可以實現高速、可靠的數據互換，從而實現實時控制和監控。假設一個汽車制造廠正在使用工業機器人來進行焊接操作，這些機器人需要與PLC進行實時通信以獲取焊接參數、工件位置等信息并根據實時反饋進行調整。如果采用傳統的通信方式，如串行通信，可能會因通信延遲較高而影響焊接質量和生產效率，通過使用高速通信技術，這些問題可以得到有效解決。

1.2 實時數據傳輸機制的引入

實時數據傳輸機制的引入對工業自動化領域的影響是顯著的。通過采用Time-Sensitive Networking（TSN）技術，數據傳輸的實時性和準確性得到了有效的保障。在一個自動化生產線的場景中，數據傳輸的性能可以通過多個指標進行評估，包括數據傳輸速率、延遲、數據抖動和數據可靠性。實時數據傳輸的指標見表1。

數據傳輸速率是衡量數據傳輸效率的關鍵指標之一，以Mbps為單位，可以看到，在不同時間點數據傳輸速率有所變化。例如，在早上8點，數據傳輸速率為100 Mbps，而在上午11點達到最高峰，達到了180 Mbps。這反映了工廠生產線上數據傳輸需求的動態變化。延遲是另一個重要的性能指標，尤其是在需要實時響應的工業環境中。數據顯示，在各個時間點數據傳輸的延遲都在可接受的范圍內，最高值為1.2 ms。這意味著從傳感器到控制系統的數據傳輸能夠在極短的時間內完成，使得機器人等設備能夠及時做出相應調整[1]。

數據抖動是對數據傳輸過程中一種不穩定性的度量，較低的數據抖動意味著數據傳輸的穩定性較高。表1中數據抖動保持在相對較低的水平，最高值為0.7 ms，這表明通過應用TSN技術，數據在過程中傳輸的波動較小，有助于確保數據的一致性。數據可靠性是評估數據傳輸是否成功完成的指標，數據可靠性始終在99%以上，最高可達99.9%，這說明實時數據傳輸機制的引入確保了數據的高度可靠性，降低了數據傳輸失敗的風險。

2" "利用智能調度算法優化工業機器人與PLC的協同操作

2.1 基于人工智能技術

基于人工智能技術的智能調度算法在工業生產中的應用，為生產線優化提供了智能且靈活的解決方案。該算法通過深入分析歷史生產數據和實時生產狀況，能夠學習生產線的工作模式和規律，從而優化調度方案，提高整體效率與靈活性。以一個汽車制造工廠的生產線為例，生產過程涉及多個工序和機器人協同操作。借助基于人工智能的智能調度算法系統，可以分析歷史生產數據，評估生產線在不同條件下的表現，如生產速度、故障率、工藝參數等。同時，系統還會實時監控生產線的運行狀態，例如設備狀態和材料供應情況。通過綜合分析這些數據，智能調度算法能夠識別出生產線的工作模式與規律，如高負荷時段的瓶頸工序和不同生產條件下的最佳工藝參數等。基于這些洞察，算法可以實時調整生產計劃，優化資源利用并提高生產效率[2]。

2.2 實時生產數據和任務優先級的考慮

在制造業中，實時生產數據和任務優先級是智能調度算法的關鍵要素。智能調度系統通過綜合分析實時生產數據和任務的緊急程度，能夠動態調整工業機器人的工作路徑和PLC的控制邏輯，從而提高生產線的效率和靈活性。實時生產數據的收集是智能調度的基礎。這些數據通過生產線上的傳感器和監控設備采集，包括溫度、濕度、速度、產量等指標，反映了生產過程的實際狀態。通過對這些數據的實時分析，系統能夠準確掌握生產線的當前狀況，并及時作出調整，以優化生產過程。

另一方面，任務的優先級也是智能調度算法的重要考慮因素。系統會根據生產計劃和任務的緊急程度，靈活調整工作安排。例如，若某個訂單有緊急要求，或者某個設備出現故障需要修理，系統會將這些任務設定為高優先級。此時，智能調度算法將重新評估生產計劃，并調整工業機器人的工作路徑，以確保高優先級任務能夠及時完成。例如，假設生產線接到一個大客戶的加急訂單，系統會根據訂單的截止日期和當前生產能力，重新安排機器人的工作路徑，優先完成與該訂單相關的任務。通過這種智能任務調度，系統能夠避免生產線的滯后和延誤，從而提高整體生產效率[3]。生產任務的緊急程度以及實時生產數據的分析見表2。

在智能調度系統中，生產任務的緊急程度以及實時生產數據分析都是關鍵因素。系統根據以下公式確定任務的優先級：

（1）

式中，Deadline表示任務的截止日期；StartTime表示任務開始時間；CurrentTime表示當前時間。緊急程度越高，優先級越高。

（2）

實際完成時間（Actual Completion Time）是指任務完成的實際時間，預計完成時間（Expected Completion Time）是根據任務類型和生產線的工作效率預測的時間。生產效率反映了任務完成的效率和質量。

通過以上數據和公式，智能調度系統可以根據任務的緊急程度和生產效率來調整工業機器人的工作路徑和PLC的控制邏輯，以最大程度地提高生產線的效率和靈活性。

3" "建立統一控制架構，實現工業機器人與PLC的統一編程和控制

3.1 問題背景

傳統制造環境中存在一個明顯的問題，即工業機器人和PLC（可編程邏輯控制器）通常由不同的控制系統管理，導致它們之間的通信和協同操作受到嚴重限制。這主要是因為它們采用不同的控制邏輯和編程語言形成了分散的控制架構。這樣的分離機制使得協同控制算法在實現足夠的靈活性和智能化方面面臨挑戰。在傳統的制造環境中，工業機器人和PLC通常運行在各自獨立的控制系統中，機器人通常由專門的控制器管理，而PLC負責管理和控制生產線上的各種設備和過程。這種分散的控制架構導致了協同工作的復雜性，因為兩者之間需要高效的通信和協同操作。

3.2 統一控制架構

統一控制架構的實施給制造業帶來了許多顯著的好處，其中一個主要優勢是提高了制造系統的靈活性[4]，在傳統的制造環境中工業機器人和PLC由不同的控制系統管理，導致系統集成困難、功能擴展受限等問題，而統一控制架構的采用使得系統集成變得更加順暢，從而提高了生產線的靈活性，為了量化統一控制架構對制造系統靈活性的提升，我們將相關數據整理如表3所示。

表3數據展示了在傳統制造環境和采用統一控制架構后系統集成時間、設備間通信成本和靈活調整時間的變化情況。為了更好地理解統一控制架構的好處，我們可以使用以下公式來計算統一控制架構相對于傳統制造環境的改進程度。

系統集成時間的改善百分比：

（3）

根據表3數據，案例中系統集成時間的改善百分比為

（4）

設備間通信成本的改善百分比：

（5）

根據表3數據，案例中設備間通信成本的改善百分比為

（6）

靈活調整時間的改善百分比：

（7）

根據表3數據，案例中靈活調整時間的改善百分比為

（8）

通過以上公式計算可以清晰地看到，采用統一控制架構相對于傳統制造環境在系統集成時間、設備間通信成本和靈活調整時間方面所帶來的顯著改進。

3.3 統一編程語言和開發平臺

在制造業中采用統一的編程語言和開發平臺對于實現控制架構的統一至關重要，一種常見的做法是采用工業領域常用的標準化編程語言，比如，IEC 61131-3標準中的Structured Text（ST）或Function Block Diagram（FBD）。Structured Text是一種高級的文本編程語言，類似于常見的編程語言，如C語言或Pascal語言，可專門用于工業控制領域，它具有直觀的語法結構和豐富的功能，可以用于描述復雜的控制邏輯和算法。功能塊圖（FBD）是一種圖形化的編程語言，通過連接不同的功能塊來表示控制邏輯，適合于視覺化編程和圖形化設計。采用統一的編程語言和開發平臺帶來了諸多好處，它簡化了工程師的開發工作，由于工程師可以使用相同的語言和開發環境來編寫控制邏輯，他們可以更加高效地協作，并且可以更容易地重用已有的代碼和模塊。

4" "結束語

本文針對工業機器人與PLC協同操作提出了一種基于先進算法和技術的優化方法，通過實驗驗證了優化方法的有效性和可行性，為工業機器人與PLC協同操作提供了新的思路和解決方案。未來可以進一步深入研究和開發，推動工業機器人與PLC協同操作技術的發展，加速制造業的智能化和自動化進程。

參考文獻

[1] 孟國亮，任金平，解浩，等．“專創融合”協同項目驅動下工業機器人技術課程改革探索[J]．創新創業理論研究與實踐，2023，6（24）：64-67．

[2] 張艾莉，孫新宇．產業協同集聚、工業機器人應用與技術創新[J]．中國科技論壇，2023，（8）：51-61．

[3] 胡宏梅，顧晨．多工業機器人協同仿真系統的設計與實現[J]．現代信息科技，2022，6（22）：130-135，139．

[4] 劉旭東，陳章位，王直榮，等．基于三基站協同的工業機器人動態軌跡測量方法[J]．計量與測試技術，2022，49（7）：62-65．