周煒明，許 娜

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000)

0 引言

隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC(可編程邏輯編程器)已經(jīng)進(jìn)入日常生產(chǎn)、生活的各個方面，PLC的應(yīng)用在各行各業(yè)已成為必不可少的內(nèi)容。PLC作為通用的工業(yè)計算機(jī)，其功能日益強(qiáng)大，已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備。PLC 從誕生至今雖然時間不長，但是得到了異常迅猛的發(fā)展，并與CAD/CAM、機(jī)器人技術(shù)一起被譽(yù)為當(dāng)代工業(yè)自動化的三大支柱。采摘機(jī)械手是作物采摘機(jī)器人的執(zhí)行末端，為了得到較高的采摘效率，往往在執(zhí)行末端采用液壓控制系統(tǒng)，本次擬采用PLC氣動控制系統(tǒng)設(shè)計采摘機(jī)器人，并采用MCGS系統(tǒng)對機(jī)械手的作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，以達(dá)到快速準(zhǔn)確的采摘效果。

1 PLC和MCGS在機(jī)械手控制系統(tǒng)中應(yīng)用

機(jī)械手是自動控制領(lǐng)域最常遇到的控制對象，是提高勞動生產(chǎn)率和改善工人作業(yè)條件的一種重要手段，被廣泛應(yīng)用在各種機(jī)械和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，如沖壓、鍛造、噴漆、熱處理及作物采摘等作業(yè)過程，特別是在有毒、放射性、水下或大面積農(nóng)業(yè)作業(yè)、復(fù)雜采摘作業(yè)環(huán)境等，機(jī)械手發(fā)揮了重要的作用，受到了國內(nèi)外各領(lǐng)域?qū)＜业闹匾?。PLC(可編程控制器)是專門為工業(yè)環(huán)境下自動控制設(shè)計的控制裝置，隨著計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，PLC在硬件和軟件編程、通訊聯(lián)網(wǎng)等方面得到了較大的改善，已經(jīng)成為機(jī)械手自動化控制的最重要配置之一。

PLC通用性和實(shí)用性較好，硬件配套齊全，編程簡單易掌握，在使用時可以節(jié)省大量的人力、物力，在采摘機(jī)器人和裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用非常廣泛。近幾年，隨著我國自動化水平的不斷提高，PLC也被應(yīng)用到了更多的自動化控制領(lǐng)域。與一般的微電子控制器相同，PLC也有兩部分組成，包括硬件部分和軟件部分。

硬件部分包括核心處理器、存儲器、輸入輸出接口、電源、編程控制器和I/O擴(kuò)展接口，總體框架如圖1所示。其軟件系統(tǒng)也分為兩部分：用戶程序和系統(tǒng)程序。系統(tǒng)程序由廠家生產(chǎn)PLC時嵌入到內(nèi)部的程序，是PLC自帶程序，被固化在如圖1的EPROM中；用戶程序可以根據(jù)用戶的自身需求對程序進(jìn)行編寫。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了完整的PLC系統(tǒng)，兩者互相補(bǔ)充缺一不可。

MCGS是一套主要對PLC系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控的軟件，它可以快速地在計算機(jī)平臺上構(gòu)建和生成監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件，通過對監(jiān)控數(shù)據(jù)的處理，可以以動畫的形式呈現(xiàn)，在監(jiān)控到系統(tǒng)故障時可以進(jìn)行預(yù)警，還可以通過流程控制與報表輸出等多種方式為客戶提供解決實(shí)際問題的方案，在機(jī)械手自動化控制過程中發(fā)揮重要的作用。本研究將MCGS應(yīng)用到采摘機(jī)器人氣動機(jī)械手快速控制系統(tǒng)的監(jiān)控過程中，可對機(jī)械手的動作狀態(tài)進(jìn)行檢測，為優(yōu)化機(jī)械手的作業(yè)性能提供數(shù)據(jù)支持。

圖1 PLC硬件結(jié)構(gòu)總體框架圖

2 PLC和MCGS組態(tài)軟件控制系統(tǒng)設(shè)計

按照結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC共分為兩種模式：一種是整體式，體積小、價格便宜，將PLC常用的構(gòu)建都封裝在箱體內(nèi)，然后按照CPU型號和I/O點(diǎn)數(shù)的不同分成若干規(guī)格；另一種形式是模塊式，一般大中型PLC采用這種模式，由機(jī)架和模塊組成。這兩種模式的PLC都屬于總線式的，兩種模式的I/O接口可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行擴(kuò)展。

PLC的存儲器分為用戶存儲和系統(tǒng)存儲兩部分：系統(tǒng)存儲部分存儲了廠家設(shè)計的基本操作程序；用戶存儲部分可以根據(jù)用戶需求存儲個人的操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)。存儲器分為3種類型，包括RAM(隨機(jī)存儲器)、ROM(只讀存儲器)、EEPROM(可電擦出可編程只讀存儲器)。PLC另一個重要的部分是I/O接口，I/O接口兩個主要的模塊是輸入和輸出模塊，輸入模塊可以接收信號和采集信號，輸出模塊可以由大功率晶體管、場效應(yīng)管、雙向可控硅和繼電器等組成。在設(shè)計PLC編程時，代碼的定義非常重要，本次主要的動作編碼如表1所示。

對采摘機(jī)器人的動作和動作進(jìn)行預(yù)定義編碼，然后嵌入到硬件開關(guān)中，通過開關(guān)的動作來執(zhí)行動作編碼。PLC的硬件動作開關(guān)示意圖如圖2所示。

如圖2所示：每個動作指令都對應(yīng)于相應(yīng)的開關(guān)，對于動作的執(zhí)行與否以及執(zhí)行的好壞需要利用專門的軟件進(jìn)行監(jiān)控。本次采用MCGS組態(tài)軟件對PLC系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

表1 PLC動作編號

圖2 PLC硬件示意圖

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

監(jiān)測系統(tǒng)共分為兩部分：一部分是組態(tài)環(huán)境；一部分是運(yùn)行環(huán)境。其中，組態(tài)環(huán)境可以幫助用戶構(gòu)造系統(tǒng)，運(yùn)行環(huán)境以用戶個性化設(shè)計需求為依據(jù)，完成用戶需求的目標(biāo)和功能。

MCGS組態(tài)軟件建立的應(yīng)用系統(tǒng)包括主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略5部分(見圖4)，每個部分具有不同的組態(tài)操作，其功能特性不同。

1)主控窗口。主控窗口是本次采摘機(jī)械手監(jiān)控的主體框架部分，在主控窗口上可以加入一個設(shè)備窗口和多個用戶窗口。主控窗口可以對這些窗口進(jìn)行管理，如工程名稱的定義、工程菜單的編制、封面設(shè)計及窗口的啟動等。

2)設(shè)備窗口。設(shè)備窗口主要用來連接和驅(qū)動采摘機(jī)器人的機(jī)械手等末端設(shè)備，可以采集不同功能的末端設(shè)備的作業(yè)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并管理和調(diào)度設(shè)備的正常運(yùn)行。

3)用戶窗口。用戶窗口可以實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人和人之間的交互功能，其使用的圖形有圖元、圖符和動畫構(gòu)件，利用這些可以設(shè)計圖形畫面，也可以對動畫的顯示進(jìn)行定義和操作，將復(fù)雜的畫面變得簡單、易操作。

4)實(shí)時數(shù)據(jù)庫。實(shí)時數(shù)據(jù)庫是MCGS系統(tǒng)的核心，可以將采集的采摘機(jī)器人作業(yè)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，是數(shù)據(jù)采集和信息輸出的關(guān)鍵部分。其采集的數(shù)據(jù)利用實(shí)時數(shù)據(jù)庫進(jìn)行報警處理和存盤，還可以為系統(tǒng)的其他部分提供數(shù)據(jù)共享。

5)運(yùn)行策略。運(yùn)行策略主要是針對系統(tǒng)的運(yùn)行流程而設(shè)計的，包括編程控制程序和功能構(gòu)件的選擇，使系統(tǒng)可以順利的運(yùn)行。

如上所述，采摘機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計完成后，可以利用MCGS組態(tài)軟件的監(jiān)測功能對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測到的機(jī)械手作業(yè)性能，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使采摘機(jī)械手能夠發(fā)揮最大的采摘作用。

圖4 MCGS用戶應(yīng)用系統(tǒng)總體框架圖

3 采摘機(jī)械手組態(tài)軟件系統(tǒng)測試

基于PLC的采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)完成后，可以利用MCGS組態(tài)軟件對其作業(yè)性能進(jìn)行監(jiān)測，同時利用MCGS系統(tǒng)對機(jī)械手的動作進(jìn)行管理和調(diào)度，使采摘機(jī)械手的性能發(fā)揮到最佳狀態(tài)。首先利用MCGS系統(tǒng)對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實(shí)時數(shù)據(jù)采集窗口的設(shè)計如圖5所示。

圖5 實(shí)時數(shù)據(jù)庫窗口

為了實(shí)現(xiàn)PLC氣動采摘機(jī)械手的快速控制和監(jiān)測，需要對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)可以直接輸出，也可以以動畫的形式輸出，動畫設(shè)置如圖6所示。

圖6 動畫組態(tài)屬性設(shè)置

動畫顯示功能可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行一系列的修改，包括動畫的效果，如填充顏色、字符的顏色和邊線的屬性設(shè)置等。設(shè)置好MCGS系統(tǒng)的功能屬性后，對采摘機(jī)械手進(jìn)行了測試，測試場景如圖7所示。

對基于PLC氣動采摘機(jī)械手的果實(shí)抓取和松開等功能進(jìn)行了測試，測試的項(xiàng)目包括采摘的破損率和采摘時間等，并利用MCGS系統(tǒng)對作業(yè)情況進(jìn)行了統(tǒng)計，得到了如表2所示的測試結(jié)果。

從采摘的破損率來看：基于PLC控制的氣動采摘機(jī)械手具有較高的控制精度，采摘的破損率較小。由作用時間可以看出：氣動采摘機(jī)械手的作業(yè)速度較快，可以滿足快速控制的設(shè)計需求。

圖7 果實(shí)抓取測試

測試編號采摘破損率/%抓取時間/s10.891.2520.851.3230.961.1240.731.1850.791.08

4 結(jié)論

為了提高采摘機(jī)器人機(jī)械手的控制效率，將PLC控制和MCGS組態(tài)軟件引入到了采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了采摘機(jī)械手的快速控制和狀態(tài)監(jiān)測，從而提高了機(jī)械手的控制效率。為了驗(yàn)證方案的可行性，對采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行了測試(包括PLC控制效率和MCGS的監(jiān)測效果)。測試結(jié)果表明：MCGS可以成功地監(jiān)測機(jī)械手的作業(yè)狀態(tài)數(shù)據(jù)，采用PLC控制系統(tǒng)具有較高的控制效率和準(zhǔn)確性，抓取果實(shí)的破損率較低，需要的抓取時間較短，可以滿足采摘機(jī)械手快速控制的設(shè)計需求。