基于PLC 的工業(yè)機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳婧

（青島工程職業(yè)學(xué)院，山東 青島266112）

通過(guò)工業(yè)機(jī)械手對(duì)特定物質(zhì)加以抓取，進(jìn)而避免繁重的人力勞動(dòng)。從機(jī)械手的發(fā)展來(lái)看，自動(dòng)化控制將成為其發(fā)展方向。為保證機(jī)械手的穩(wěn)定運(yùn)行，將PLC應(yīng)用在工業(yè)機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，致力于提高控制波特率。

1 PLC

PLC是指在實(shí)施工業(yè)生產(chǎn)行為中，對(duì)設(shè)備開(kāi)關(guān)進(jìn)行打開(kāi)/閉合控制，在此種條件下，開(kāi)關(guān)可按照計(jì)算機(jī)設(shè)定的邏輯程序設(shè)計(jì)順序執(zhí)行對(duì)應(yīng)動(dòng)作，并根據(jù)邏輯關(guān)系執(zhí)行相關(guān)的保護(hù)行為，以及對(duì)邏輯控制過(guò)程中產(chǎn)生的大量非線性規(guī)律數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[1]。從PLC的傳統(tǒng)意義層面上分析，上述提出的所有可執(zhí)行功能通常是使用電氣與計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)的，但隨著高新技術(shù)的不斷引進(jìn)，由美國(guó)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)GM技術(shù)提出的電氣控制技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，在此研究項(xiàng)目提出的一年后，電氣數(shù)字公司提出了與集成電路與電子電路相關(guān)的行為控制器，并在有關(guān)會(huì)議中首次提出了可程序設(shè)計(jì)邏輯控制器原理，這便是第一代PLC技術(shù)的提出。隨著市場(chǎng)對(duì)PLC 技術(shù)研究的深入，PLC 被不斷賦予了數(shù)字統(tǒng)計(jì)能力、行為處理能力、人機(jī)交互能力等。目前，PLC技術(shù)已在一定程度上超越了人工智能技術(shù)，在市場(chǎng)多個(gè)產(chǎn)業(yè)內(nèi)均得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)階段，PLC已經(jīng)具備成熟的控制技術(shù)，以其優(yōu)異的傳輸性能和可程序設(shè)計(jì)性能夠通過(guò)可程序設(shè)計(jì)控制器，可靠、穩(wěn)定地控制系統(tǒng)功能，進(jìn)而提高系統(tǒng)的工作效率[2]。為此，本文將PLC應(yīng)用在機(jī)械手電氣自動(dòng)化中，設(shè)計(jì)一種新型機(jī)械手電氣自動(dòng)化方法，具體內(nèi)容如下。

圖1 PLC 機(jī)械手自動(dòng)化控制器結(jié)構(gòu)框圖

2 工業(yè)機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC機(jī)械手自動(dòng)化控制器。在PLC技術(shù)的應(yīng)用下，設(shè)計(jì)自動(dòng)化循環(huán)控制裝置，設(shè)計(jì)過(guò)程中可按照PPI 文本內(nèi)容，選擇可程序設(shè)計(jì)控制協(xié)議，閉路循環(huán)設(shè)計(jì)機(jī)械手自動(dòng)化控制器[3]。綜上所述，完成對(duì)機(jī)械手自動(dòng)化控制與循環(huán)設(shè)計(jì)。PLC機(jī)械手自動(dòng)化控制器結(jié)構(gòu)框圖，如圖1 所示。

根據(jù)圖1 所示，利用本文設(shè)計(jì)的PLC機(jī)械手自動(dòng)化控制器，判定機(jī)械手自動(dòng)化循環(huán)控制狀態(tài)，通過(guò)存儲(chǔ)子模塊接口與程序設(shè)計(jì)器相連，起到機(jī)械手自動(dòng)化控制的作用。

2.2 數(shù)據(jù)采集板卡。數(shù)據(jù)采集板卡主要是采集控制所需的模擬量數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，采用型號(hào)為HYVJ-KIB15690 數(shù)據(jù)采集板卡，該數(shù)據(jù)采集板卡性能高，且數(shù)據(jù)采集速度較快，通過(guò)一個(gè)2路六位模擬量輸入模塊，采集控制數(shù)據(jù)，通過(guò)ISA 總線使服務(wù)器與數(shù)據(jù)采集板卡互聯(lián)，即可控制數(shù)據(jù)采集板卡運(yùn)行。

2.3 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)采集板卡采集到的模擬量數(shù)據(jù)不符合系統(tǒng)運(yùn)行需求，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換采集數(shù)據(jù)。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的精準(zhǔn)度直接影響此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制的精準(zhǔn)度，因此根據(jù)系統(tǒng)的需要設(shè)計(jì)型號(hào)為AGVD-SDNV1400 的32 位半閃速結(jié)構(gòu)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，該型號(hào)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器不僅具備高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的功能，并且AGVD-SDNV1400 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器還具有轉(zhuǎn)換保持電路功能。該型號(hào)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)為：20V 多電源供電、分辨率為32 位、20MSPS 最大轉(zhuǎn)換速率、60ms 裝換周期、2.5 個(gè)時(shí)鐘的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)等待時(shí)間。AGVD-SDNV1400 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器各個(gè)引腳功能，如表1 所示。

表1 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器引腳功能

結(jié)合表1 所示，為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器引腳功能基本信息。通過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制數(shù)據(jù)的高效轉(zhuǎn)換，得到系統(tǒng)能夠識(shí)別的控制數(shù)據(jù)類型。

3 工業(yè)機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文基于PLC的可設(shè)計(jì)性，將其應(yīng)用到系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，具體應(yīng)用流程，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

如上述圖2 所示，在下述研究中主要將其分為3 步實(shí)現(xiàn)。

3.1 基于PLC采集機(jī)械手自動(dòng)化數(shù)據(jù)。在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，按照對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)原則，基于PLC采集機(jī)械手自動(dòng)化數(shù)據(jù)。本文選取3 個(gè)端口，分別表示為PLC（1.0/2.0/3.0），完成設(shè)計(jì)后，對(duì)機(jī)械手自動(dòng)化運(yùn)行工作的實(shí)施進(jìn)行終端數(shù)據(jù)采集。將PLC（1.0）定義為“001”通信方式，隨后兩個(gè)端口的通信地址分別表示為“0101”與“10100”，在完成終端數(shù)據(jù)的定位后，輸入通信指令，使數(shù)據(jù)呈現(xiàn)一定并行排列方式，輸出端口數(shù)據(jù)。

3.2 建立PPI 高級(jí)機(jī)械手自動(dòng)化控制協(xié)議。在完成數(shù)據(jù)采集工作的基礎(chǔ)上，本文將應(yīng)用Interbark 通訊網(wǎng)絡(luò)，遵循高級(jí)協(xié)議內(nèi)容，在支持多路同步自動(dòng)化的行為上，對(duì)循環(huán)的次數(shù)進(jìn)行具體限制。具體內(nèi)容如下。本文建立的PPI 高級(jí)控制協(xié)議具體信息，如表2 所示。

表2 PPI高級(jí)控制協(xié)議具體信息

結(jié)合表2 所示，考慮到實(shí)際機(jī)械手自動(dòng)化過(guò)程中信息量不大，上述PPI 高級(jí)控制協(xié)議即可滿足機(jī)械手自動(dòng)化控制需求。

3.3 實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自動(dòng)化控制?；赑LC技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)按照信號(hào)濾波的表述方式，將平流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，并記錄每次?shù)據(jù)發(fā)生變化的行為，通過(guò)控制信號(hào)電壓值，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端電壓數(shù)據(jù)與信號(hào)的有效控制。并以獲取的數(shù)據(jù)為依據(jù)，進(jìn)行機(jī)械手在不同運(yùn)行狀態(tài)下耗能的分析。假定輸出的數(shù)據(jù)值較之前低，則可保留數(shù)據(jù)，倘若輸出的數(shù)據(jù)值較之前高，則保留兩組數(shù)據(jù)中數(shù)值較低的一組。綜上所述，通過(guò)調(diào)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)在不同滿載狀態(tài)下對(duì)數(shù)據(jù)的控制，實(shí)現(xiàn)在終端對(duì)信息頻率的有效控制?？梢岳肞LC對(duì)該機(jī)械手狀態(tài)進(jìn)行判定，進(jìn)而對(duì)機(jī)械手自動(dòng)化運(yùn)行全過(guò)程進(jìn)行控制，為機(jī)械手自動(dòng)化控制提供強(qiáng)有力的方法支持。以此，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 實(shí)例分析

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。設(shè)計(jì)實(shí)例分析，以型號(hào)為HZH-052-A255 機(jī)械手為本次實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其執(zhí)行自動(dòng)化控制操作。本次實(shí)驗(yàn)流程圖，如圖3 所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)流程圖

結(jié)合圖3 所示，完成上述實(shí)驗(yàn)操作。為避免其他變量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，在本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，統(tǒng)一設(shè)定機(jī)械手自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)。首先，使用本文基于PLC設(shè)計(jì)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)械手自動(dòng)化控制，通過(guò)matalb 軟件測(cè)得其控制波特率，設(shè)為實(shí)驗(yàn)組；其次，使用傳統(tǒng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)械手自動(dòng)化控制，通過(guò)matalb 軟件測(cè)得其控制波特率，設(shè)為對(duì)照組。由此可見(jiàn)，本次實(shí)驗(yàn)對(duì)比指標(biāo)為控制波特率，控制波特率越高證明針對(duì)機(jī)械手控制效率越高。設(shè)置10 組實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論。整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表3 所示。

表3 控制波特率對(duì)比表

通過(guò)表3 可知，本文基于PLC設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制波特率高于對(duì)照組，能夠極大幅度上提高控制效率，具有現(xiàn)實(shí)推廣價(jià)值以及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)例分析的方式，證明了設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的適用性，以此為依據(jù)證明此次優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性。因此，有理由相信通過(guò)本文設(shè)計(jì)，能夠解決傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)械手自動(dòng)化控制中存在的缺陷。但本文同樣存在不足之處，主要表現(xiàn)為未對(duì)本次控制波特率測(cè)定結(jié)果的精密度與準(zhǔn)確度進(jìn)行檢驗(yàn)，進(jìn)一步提高控制波特率測(cè)定結(jié)果的可信度。這一點(diǎn)，在未來(lái)針對(duì)此方面的研究中可以加以補(bǔ)足。還需要對(duì)機(jī)械手的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出深入研究，以此為提高機(jī)械手的質(zhì)量提供建議。