朱亞榮，姜樹海

（南京林業(yè)大學　智能控制與機器人技術研究所，南京　210037）

基于PLC的收餐機器人控制系統(tǒng)設計

朱亞榮，姜樹海

（南京林業(yè)大學智能控制與機器人技術研究所，南京210037）

針對當前餐廳收餐自動化水平低下的現(xiàn)狀，提出了自動化收餐流水線的概念，設計了一款收餐機器人；在分析收餐機器人整機結(jié)構和運動要求的基礎上，進一步設計了一種基于PLC的收餐機器人控制系統(tǒng)；系統(tǒng)主要由餐盤翻轉(zhuǎn)模塊、篩選模塊、餐具輸運模塊、餐盤堆疊模塊和殘渣收集模塊組成；根據(jù)不同模塊的工作流程和作業(yè)需求，以西門子S7-200為控制系統(tǒng)核心，完成了系統(tǒng)的軟硬件設計，并分別對各模塊進行了編程調(diào)試，可實現(xiàn)精確的位置控制，符合實際控制要求，達到自動收餐的目的。

收餐機器人；PLC；控制系統(tǒng)；位置控制

0　引言

在經(jīng)濟飛速發(fā)展和科技不斷進步的時代，自動化生產(chǎn)和管理已滲入到各大行業(yè)，作為現(xiàn)代先進科學技術核心的工業(yè)自動化正在不斷地被廣泛運用到經(jīng)濟發(fā)展的各領域［1］。餐飲業(yè)在我國第三產(chǎn)業(yè)中占有重要地位，是服務經(jīng)濟繁榮程度的標志［2］，其自動化水平的提高對國民而言意義重大。

為控制人工成本和改善就餐環(huán)境，國內(nèi)餐廳開始將自動化技術、信息技術應用于其中的作業(yè)環(huán)節(jié)，讓機器代替手工或幫助手工進行工作，市場上也不斷涌現(xiàn)出相關的科技產(chǎn)品，使餐廳運營不斷朝著信息化和自動化發(fā)展［3］。目前的餐飲行業(yè)已普遍開始應用一些信息化的科技產(chǎn)品，比如點菜系統(tǒng)，可快速通過觸摸屏或手持器點餐，自動將菜單傳至收銀臺和廚房［4］。杭州雄偉科技開發(fā)有限公司設計的一種自助式餐飲結(jié)算臺［5］，用以幫助餐廳實現(xiàn)不同部門間的信息流通，方便營業(yè)管理。自動化層面上的科技產(chǎn)品目前來看還不成熟，盡管相繼出現(xiàn)了不少代替人工的機器，用以實現(xiàn)餐飲服務中某些流程的自動化，比如食堂自動打飯機、餐廳服務機器人［6］、蛋炒飯機器人［7］等，但是，后續(xù)的收餐環(huán)節(jié)依舊主要靠人工完成，暫時還沒有出現(xiàn)成熟、可推廣的技術。在就餐高峰時期，人工收餐勞動量大，效率低下，常常出現(xiàn)餐盤來不及收集的狀況，尤其是在學校食堂、企業(yè)員工餐廳等就餐人員眾多的場合，這種狀況更為明顯，嚴重影響就餐環(huán)境?；谧詣踊讲粩喟l(fā)展、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)相繼升級和收餐環(huán)節(jié)科技滯后的問題，我們提出了自動化餐飲流水線中收餐機器人的課題。

在機器人控制中，多采用基于微機的控制器或基于DSP（digital signal processing，數(shù)字信息處理器）的控制器作為機器人的控制系統(tǒng)硬件，即“運動控制器+PC”結(jié)構形式的控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)以PC為上位機，運動控制器為下位機，可快速對運動軸，尤其是多軸的系統(tǒng)加以控制。雖然上下位結(jié)構清楚，但系統(tǒng)穩(wěn)定性不夠、難以擴展、兼容性不強、維護困難。PLC（programmable logic controller，可編程邏輯控制器）由于其可靠性高、結(jié)構簡單、編程方便、功能完善、性價比高等優(yōu)點，在工業(yè)控制系統(tǒng)中有著重要地位，且隨著PLC技術的成熟，尤其是在運動控制方面，可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，用于圓周運動或直線運動的控制［10］。目前，機器人控制多采用PLC控制器對機器人各軸運動進行規(guī)劃和編程，使機器人按照既定的程序依次動作，在工作過程中，借助傳感器判斷工作狀態(tài)、感知工作環(huán)境，不斷調(diào)節(jié)運動狀態(tài)，機器人可即按照預定的動作和路線有序工作［11］?；赑LC能實現(xiàn)控制系統(tǒng)功能要求且性價比高的特性，我們開展了基于PLC的收餐機器人控制系統(tǒng)設計的研究。

1　系統(tǒng)總體框架

為達到以機械替代人工進行餐盤清潔與殘渣輸運的目的，收餐機器人采用五大模塊來對餐盤、餐具和殘渣進行處理，此五大模塊分別為餐盤翻轉(zhuǎn)模塊、篩選模塊、餐具輸運模塊、餐盤堆疊模塊和殘渣收集模塊，如圖1所示。

圖1　收餐機器人機械示意圖

收餐機器人采用模塊化的控制系統(tǒng)，各控制模塊可自由組合，適應不同的工作條件，以滿足不同的控制系統(tǒng)運行要求。具體工作流程：首先，帶有殘渣的餐盤和其他餐具送至餐盤翻轉(zhuǎn)模塊后，餐盤翻轉(zhuǎn)模塊開始運轉(zhuǎn)，將餐盤、餐具和殘渣分離，而后餐具和殘渣由篩選裝置進行篩選，餐具將進入餐具輸運裝置，并被輸運到指定位置，而殘渣將進入殘渣收集模塊，餐盤將進一步跟隨旋轉(zhuǎn)架運動到餐盤堆疊模塊，整個處理過程結(jié)束。模塊間的關系和工作流程如圖2所示。

圖2　收餐機器人系統(tǒng)工作流程圖

1.1餐盤翻轉(zhuǎn)模塊

餐盤翻轉(zhuǎn)模塊采用旋轉(zhuǎn)架結(jié)構，旋轉(zhuǎn)架由伺服電機驅(qū)動，上面安裝機械手。其中，機械手上安裝光電傳感器和電磁鐵，并且可做水平方向和上下方向運動。在實際運動中，旋轉(zhuǎn)架運轉(zhuǎn)流程如圖3所示：1）啟動時，機械手處于水平位置，當餐盤擺放到機械手上時，機械手上的光電傳感器感知，PLC收到信號并讓電磁鐵通電吸住餐盤；2）接著旋轉(zhuǎn)架開始轉(zhuǎn)動；3）在旋轉(zhuǎn)過程中，由于其他餐具未被吸住，因而受慣性作用掉落到下面的篩選模塊上，達到分離的目的；4）旋轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)180°后停止，電磁鐵斷電失去磁性并放下餐盤，等待下一個餐盤的到來。

圖3　旋轉(zhuǎn)架運轉(zhuǎn)過程

1.2餐具輸送模塊

為將餐具運送到更寬闊的地方統(tǒng)一收集，如圖4所示，餐具和殘渣掉落后，經(jīng)濾網(wǎng)式輸送帶篩選后，殘渣掉落到殘渣收集處，餐具則跟隨輸送帶向前運動，將餐具運到指定位置后停止，餐具由于慣性掉落在餐具收集處。餐具輸送模塊運動流程如圖所示：在餐具和殘渣掉落處安裝光電傳感器，當餐具滑落時，傳感器檢測到物體，此時輸送帶開始運行，運行一個工作長度后，輸送帶停止運行直到下一個餐具掉落。

圖4　輸送帶運行過程

1.3餐盤堆疊模塊

餐盤堆疊模塊由做直線運動的手臂和用于夾緊餐盤的機械手爪組成。手臂由旋轉(zhuǎn)伺服電機驅(qū)動，經(jīng)滾珠絲杠傳動，可做前進、后退、上升、下降運動并返回原點。機械手爪上安裝光電傳感器和電磁鐵，通過控制電磁鐵的通斷電，改變電磁鐵磁性，實現(xiàn)餐盤的夾緊和放下。機械手運動過程如圖5所示，當餐盤在A側(cè)放于機械手上后，機械手上的光電傳感器感知，將信號傳給PLC控制器，PLC再控制電磁鐵通電吸取餐盤。機械手隨旋轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)180°后，到達B側(cè)。接著，手臂向前前進一個工作長度，到達C側(cè)，即餐盤堆疊位置，使電磁鐵斷電并放下餐盤，手臂再原路返回到原位置，如此循環(huán)。

圖5　餐盤堆疊運動過程

當系統(tǒng)啟動后，可通過手動/自動轉(zhuǎn)換開關選擇運行模式。在手動運行時，可以對各模塊運動進行調(diào)試，實現(xiàn)點動或一個工作單位的運動，保證系統(tǒng)運行的安全和精確性。在自動模式時，系統(tǒng)可自動完成各模塊的運動，并實現(xiàn)模塊間的協(xié)調(diào)和順序控制，保證收餐的整個流程有序完成，大大解放人力，也可提高就餐高峰時期的收餐效率。

2　系統(tǒng)硬件配置

控制系統(tǒng)由CPU226、3個位控模塊EM253、4個伺服驅(qū)動器和4個伺服電機組成。由于西門子CPU226內(nèi)置脈沖輸出器，如脈沖串輸出（PTO）模式［12］，為節(jié)省位控模塊數(shù)量，餐具輸送模塊采用PTO控制方式；而餐盤翻轉(zhuǎn)模塊、餐盤堆疊模塊由于位置精度要求較高，則利用EM253進行位置控制?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構示意圖如圖6所示。

2.1PLC

西門子S7-200系列PLC具有可靠、易操作、靈活等優(yōu)點，在工業(yè)控制中被廣泛應用，并且能夠滿足收餐機器人的性能需求，所以PLC選擇西門子S7-200系列?？刂葡到y(tǒng)需要較多的輸入輸出端口，總計17個數(shù)字量輸入，8個數(shù)字量輸出，同時連接有3個EM253位控模塊，故只能選擇CPU226型號。

2.1.1數(shù)字量輸入部分

圖6　收餐機器人控制系統(tǒng)結(jié)構示意圖

控制系統(tǒng)輸入部分可分為轉(zhuǎn)換開關、按鈕、光電傳感器和限位開關，共有17個數(shù)字輸入量。具體分配如表1所示。

表1　輸入變量地址分配表

2.1.2數(shù)字量輸出部分

控制系統(tǒng)主要輸出控制的設備有伺服電機驅(qū)動器，電磁鐵和指示燈，共有8個數(shù)字輸出量。具體分配如表2所示。

2.2伺服電機

在此控制系統(tǒng)中，共有4個伺服電機，分別控制旋轉(zhuǎn)架、機械手前進后退、機械手上升下降、餐盤輸送帶的運行。伺服電機接收伺服驅(qū)動器發(fā)出的電信號，在電動機軸上以角位移或角速度的形式輸出，精確控制電機運行的速度，經(jīng)滾珠絲杠傳動，實現(xiàn)精準的直線運動［13］。

表2　輸出變量地址分配表

由于設計在餐盤翻轉(zhuǎn)模塊、餐具運輸模塊、餐盤堆疊模塊均需要實現(xiàn)精確的定位控制，并且需要電機能快速反應、不產(chǎn)生噪聲以營造餐廳良好環(huán)境，故選用伺服電機。

此控制系統(tǒng)中，有4個伺服電機，相應地，每個伺服電機需配備一個伺服驅(qū)動器來控制電機，接收來自PLC的脈沖，以改變伺服電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、扭矩等，達到精確控制伺服電機的目的［14］。

2.3位置控制模塊

定位模塊EM253通過產(chǎn)生高速脈沖來實現(xiàn)對單軸步進電機的開環(huán)速度、位置控制。通過S7-200PLC的擴展接口，實現(xiàn)與CPU間通訊控制。在此系統(tǒng)中，共使用了3個EM253位控模塊，實現(xiàn)對機械手兩個方向和旋轉(zhuǎn)架正反轉(zhuǎn)伺服電機的位置控制。由于機械手做直線運動，故采用工程單位（如：毫米、英尺）作為控制系統(tǒng)的測量單位。EM253位控模塊安裝、拆卸簡單方便，易于靈活控制各個運動模塊。

3　系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，收餐機器人的控制過程分為手動控制模式和自動控制模式。在手動控制模式時，各設備可以單獨運行，相互之間沒有順序，互不干擾。模式選擇流程圖如圖7所示。

圖7　收餐機器人模式選擇流程圖

3.1手動控制模式

在手動模式時，可以通過按鈕單獨控制各設備的運行，包括：旋轉(zhuǎn)架的正反轉(zhuǎn)，機械手的前進后退、上升下降，輸送帶的前進后退，電磁鐵的通斷電。在運行允許范圍內(nèi)，各設備可任意移動，便于控制系統(tǒng)的調(diào)試和檢測。手動控制流程圖如圖8所示。

圖8　手動控制運行流程圖

3.2自動控制模式

在自動控制模式時，系統(tǒng)通電后，按下啟動按鈕，各設備開始按照順序運行，具體運行流程如圖9所示。

圖9　自動控制運行流程圖

3.3編程用數(shù)據(jù)地址分配

控制系統(tǒng)中有多個模塊，輸送帶采用PTO控制方式，旋轉(zhuǎn)架和機械手采用EM253進行控制。在程序設計時，為使編程清晰明了、易于修改，對各模塊地址進行分配，如表3所示。

3.4程序的編寫

利用西門子公司專門為S7-200 PLC設計開發(fā)的STEP7-Micro/WIN，該軟件基于Windows，功能十分強大，主要用于開發(fā)程序，也可實時監(jiān)控程序執(zhí)行的狀態(tài)。

控制系統(tǒng)主程序利用梯形圖進行編程，在了解系統(tǒng)總體流程后，細化各模塊，按照不同的功能要求編寫不同模塊的相應程序。其中旋轉(zhuǎn)架、機械手和輸送帶的位置控制部分借助STEP7-Micro/WIN中的“位置控制向?qū)А惫ぞ?，進行各模塊位置控制參數(shù)的設置，生成子程序，在編寫主程序時直接調(diào)用，如圖10所示。

表3　模塊地址分配表

4　實驗結(jié)果與分析

選用東元經(jīng)濟型TSTE30C驅(qū)動器（最大功率1KW）和TSB13102B3NLA001系列伺服電機，根據(jù)驅(qū)動器手冊完成PLC控制器、EM253模塊和伺服驅(qū)動器的接線，如圖11所示。

圖10　機械手自動向上運行程序子程序

圖11　硬件接線圖

接線檢查無誤后，建立PLC與上位機的通訊，將程序下載到PLC，對PLC的輸出進行監(jiān)控。最終調(diào)試結(jié)果如下：1）手動模式時，依次按下啟動、電磁鐵通斷電、旋轉(zhuǎn)架正反轉(zhuǎn)、機械手前進后退、機械手上升下降各按鈕，電源指示燈亮起，同時各模塊的伺服電機點動正反轉(zhuǎn)均可實現(xiàn)。2）撥動轉(zhuǎn)換開關，切換到自動模式，按下啟動按鈕，電源指示燈亮起，接著，分別觸發(fā)機械手光電傳感器和輸送帶光電傳感器，對垂直方向和水平方向的限位開關進行強制輸入，試驗發(fā)現(xiàn)驅(qū)動餐盤翻轉(zhuǎn)模塊、餐具輸送模塊、餐盤堆疊模塊的伺服電機可以按照控制要求順序動作，實現(xiàn)了一定條件下的自動控制，基本滿足收餐需求。因此，在實際應用中，根據(jù)不同的收餐環(huán)境，可以相應地調(diào)整電機的運行速度，實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化。

5　結(jié)論

收餐機器人控制系統(tǒng)運用PLC技術，實現(xiàn)了收餐流程的自動化控制，可以使簡單重復的人工收餐方式由機器操作代替，有效解決了就餐高峰時期大量餐盤堆積無法清理的問題。系統(tǒng)采用西門子S7-200 PLC作為控制器，驅(qū)動伺服電機單軸運動控制模塊，控制餐盤翻轉(zhuǎn)模塊的圓周運動、餐具輸送模塊和餐盤堆疊模塊的直線運動，使得各模塊運動協(xié)調(diào)有序。收餐機器人控制系統(tǒng)的設計簡單穩(wěn)定，易于操作，經(jīng)過調(diào)試達到設計要求，未來可廣泛應用于學校食堂、員工餐廳、大型快餐店等餐飲流水線中的收餐環(huán)節(jié)。未來我們將結(jié)合收餐機器人的應用實際，進一步完善整機的性能。

［1］郭孟榕.我國工業(yè)自動化市場的發(fā)展狀況及前景展望［J］.中國科技信息，2003，42（3）：95.程鋼.中國餐飲業(yè)管理模式研究［D］.長沙：湖南師范大學，2010.

［2］Doug Doran.Restaurants and Technology-Past，Present and Fu-ture：a Practitioner's Viewpoint［J］.Worldwide Hospitality and Tourism Themes，2010，2（1），94-99.

［3］郭春鵬.餐飲信息化的多元化發(fā)展［J］.信息與電腦，2013 （7）：61-62.

［4］杭州雄偉科技開發(fā)有限公司.一種自助式餐飲結(jié)算臺：中國，CN201220121989.8 ［P］.2012 12-05.

［5］Yu Q X，Yuan C，F(xiàn)u Z，et al.An autonomous restaurant service robot with high positioning accuracy［J］.Industrial Robot：2012，39（3），271-281.

［6］南京大五教育科技有限公司.蛋炒飯機器人：中國，CN102848397A［P］.2013 01-02.

［7］卞洪元.基于PLC控制的工業(yè)機器人系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［D］.南京：東南大學，2005.

［8］張豐華，韓寶玲，羅慶生，等.基于PLC的新型工業(yè)碼垛機器人控制系統(tǒng)設計［J］.計算機測量與控制，2009，11 （17）：2191-2196.

［9］劉衛(wèi)平，王明泉.PLC的發(fā)展及應用前景［J］.機械管理開發(fā)，2009，10 （110）：78-80.

［10］陳保帆，韓亞軍.基于PLC控制產(chǎn)線機器人系統(tǒng)設計與研究［J］.數(shù)字技術與應用，2014 （3）：7-8.

［11］王翔.S7 200 PLC在數(shù)字伺服電機控制中的應用［J］.自動化技術與應用，2006，25 （6）：29-31.

［12］耿洪興，張樂年，譚堅紅，等.基于STC單片機的機械手運動控制研究［J］.機械制造與自動化，2010 （5）：150-152.

［13］胡佳麗，閏寶瑞，張安震，等.S7-200PLC在伺服電機位置控制中的作用［J］.自動化儀表，2009，30（12）：38-41.

Control System Design for Catering Collecting Robot Based on PLC

Zhu Yarong，Jiang Shuhai
（Institute of Intelligent Control and Robotics，Nanjing Forestry University，Nanjing210037，China）

As present catering collecting automation level is low，a notion of automated catering collecting assembly line is put forward and a catering collection robot is designed.After analyzing the whole structure and motion requirements，a further control system for catering collecting robot based on PLC is designed.It is mainly divided into serving tray rotating module，filtering module，tableware conveying module，serving tray stacking module and residues collecting module.Considering different working process and control requirements between modules，this paper applied Siemens S7-200 as the core of control system，finished hardware and software design，made programs and debugged for each module，and achieved accurate position control，which meets actual control requirements and can collect serving tray automatically.

catering collecting robot；PLC；control system；position control

1671-4598（2016）05-0084-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.025

TP241

B

2015-10-23；

2015-12-07。

江蘇省高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目（PDPA）；南京林業(yè)大學引進高層次歸國人員及高層次人才基金項目（G2003-01）。

朱亞榮（1991-），女，江蘇省如皋市人，碩士研究生，主要從事機器人技術方向的研究。

姜樹海（1964-），男，吉林省德惠市人，工學博士，副教授，碩士研究生導師，主要從事機器人技術、智能控制技術方向的研究。