自動生產線PLC聯合工業機器人控制設計

高 星

（杭州市臨平職業高級中學，杭州311100）

0 引言

工業機器人技術的快速發展，增強了自動化生產線的生產能力和效率。工業機器人雖有獨立的控制器和控制系統，但在自動生產線中只是一個執行點位，生產線的整體配合，以及與部分機器人點位的配合，還是多以PLC系統為主[1]。因此，在以PLC為主的自動生產線系統中，在加入工業機器人系統后，如何使PLC與機器人系統有效配合，是目前生產線系統需要解決的問題[2]。

1 自動化生產工藝流程概述

本文以某小型產品加工組裝的生產線中的某一流程為例，產品通過由傳送帶傳送至裝蓋區，隨后停止，待工業機器人的手爪將產品蓋組裝完成后，傳送帶繼續運動，將裝蓋后的產品移動至下一單元，進行后續操作[3]。該部分操作中，帶動傳送帶運動的電動機由PLC控制，裝蓋區的檢測傳感器檢測信號發送至PLC的I/O端口，工業機器人手爪由獨立的機器人控制器實現抓取、松爪、移動等操作。

該部分屬于自動化生產線中PLC控制系統與工業機器人控制系統中較為常見的聯合生產方式，屬于較為簡單的配合，具有典型性，本文以該例作為PLC與機器人聯合控制設計的案例，完成硬件系統構造設計，并作出控制特點、思路設計與分析。

2 硬件系統構造

在大型PLC控制系統與工業機器人控制系統的聯合生產應用中，均是以PLC系統為主、機器人控制系統為輔。傳統的自動化生產線多以“人工-自動生產線”為主，自動生產線在實現產品生產時由嚴格的生產順序和工藝要求，每個生產步驟可以劃分為若干個控制區域，每個區域以一個PLC為主控設備，各個區域間均以眾多的PLC之間相互通信為主。人工站位是配合生產中無法由機器完成的生產部分，人工生產的特點具有相對獨立性，但仍需要與生產線配合。工業機器人的引入實質上是替代了人工站位，是對自動化生產線上的補充，因此也具有相對獨立性。但人和機器人系統在與PLC溝通方面不同，工業機器人是相對獨立的控制系統，必須與PLC系統建立有效聯系，因此必須構建穩定的硬件系統，具體方式如圖1所示。

圖1 PLC控制系統與工業機器人控制系統的聯系方式

圖1，PLC以西門子S7-1200為例，工業機器人控制系統以ABB公司的IRB-120機器人小型控制器為例，該部分結構圖只簡單描述了硬件接線情況，省略了工業機器人示教器等內容。本部分系統中，以S7-1200PLC為控制核心，控制內容分為兩部分。一部分是對生產線的控制，包括帶動傳送帶運轉的電動機驅動模塊，另外還有傳送帶上待裝配區的檢測傳感器；另一部分是與工業機器人系統的配合。

在第一部分中，首先PLC控制電動機運動，從而帶動傳感器運轉，將上一級自動生產線模塊中運送來的物料，運送至待裝配區；當物料達到裝配區后，該區域內的傳感器會檢測到物料信號，并將該電平變化的信號傳送至S7-1200的I/O端口中，根據預先編寫的控制程序，當物料突變信號到來后，S7-1200向傳送帶電機驅動模塊發出停止運行指令，此時傳送帶停止工作。當傳送帶完全停止后，S7-1200向工業機器人控制器的I/O端口發送指令，在接受到指令后，工業機器人控制器向IRB-120本體發送運行指令，此時工業機器人可以根據預先編寫在示教器內的軟件程序，完成抓取料蓋、移動料蓋至物料上方、裝配物料蓋并松開手爪工具、移動復位后，等待下一次抓取信號的到來。此后，有工業機器人控制器再向S7-1200發送“裝配完畢”信號，此時，S7-1200向傳送帶電機驅動發送指令，使傳送帶繼續運轉，將已經完成料蓋安裝的產品移送至下一生產環節，并將繼續完成下一個物料的裝蓋操作，依次循環操作。

3 控制特點與思路設計

3.1 本系統控制特點

PLC與工業機器人控制系統的聯合控制，大部分是以PLC為核心，通過與機器人系統的通信或I/O數據傳輸，從而實現控制指令的收發。目前，大型生產線中工業機器人控制器僅僅是對機器人本體控制，而不對生產線上的任何環節產生控制效果，所有工業機器人與生產線上設備的聯系，均是以PLC作為“媒介”。

3.2 聯合控制設計思路

本設計是由PLC為控制核心，工業機器人配合生產，針對本設計，采用以下聯合控制思路（圖2）。

圖2 PLC與工業機器人控制系統的聯合控制思路

3.3 關鍵I/O點位和程序流程設計

本設計中，傳感器采用漫反射式光電傳感器，其輸出信號為數字信號，接入PLC的I0.0接口。傳送帶采用驅動模塊間接控制，驅動模塊接收PLC發出的電平變換指令即進行工作，當驅動模塊接收低電平“0”時，電動機啟動，傳送帶運轉；當接收高電平時，傳送帶停止；驅動控制端與PLC的Q0.0相接。工業機器人控制器的X3.1接線口與PLC的Q0.1相接，在示教器內記錄為DI0；控制器的X1.1接線口與PLC的I0.1相接，用于機器人向PLC傳送工作完成信號，記錄為DO0。當傳送帶停止后，PLC的Q0.1接口輸出高電平，此時工業機器人DI0接口電平跳變為1，然后工業機器人開始進行裝蓋程序。當機器人執行完畢裝蓋程序，機器人DO0向PLC發送指令1，此時PLC調動傳送帶繼續移動，且將Q0.1輸出更改為0。

該部分流程如圖3所示。

圖3 關鍵I/O點位和程序流程

3.4 本系統控制思路與需要注意的問題

本系統中，以PLC為本站生產環節中的控制核心，因此所有命令的收發、執行，都必須是以PLC指令為主，工業機器人的控制和運行過程中，每段指定程序的運行都必須在PLC指令信號的指引下進行。在沒有接到PLC的指令情況下，工業機器人本體是不允許進行任何單獨操作的，否則會破壞生產線的生產順序流程，造成產品質量問題或經濟損失。

在建立自動化生產線PLC與工業機器人控制系統聯合運行時，必須對PLC的程序進行嚴格編程與驗證。PLC是生產線中某一生產站和生產環節的核心，既要協調生產線傳動帶、氣動設備等執行器的運作，也要協調生產線上各傳感器信號的接收，還必須要對工業機器人進行合理控制，因此PLC仍是自動化生產線中重要的部分。

4 總結

工業機器人在工業自動化生產線中的應用日益增多，在焊接、噴涂、搬運、碼垛、涂膠等等功能上應用較多，且在化工、汽車生產、鑄造、醫療、食品生產等涉及自動化生產的領域應用十分廣泛。未來，在自動化生產線中應用工業機器人已經成為大勢所趨，合理架構機器人與PLC的聯合控制體系也成為技術革新的焦點。成熟的PLC控制技術和工業機器人應用技術聯合發展，是衡量自動化生產線生產效率和生產規模的關鍵因素之一，因此，必須將該部分內容作為日后研究重點。