氣動采摘機械手快速控制系統(tǒng)設計—基于PLC和MCGS組態(tài)軟件

周煒明，許 娜

(河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽 473000)

0 引言

隨著計算機技術的飛速發(fā)展，PLC(可編程邏輯編程器)已經進入日常生產、生活的各個方面，PLC的應用在各行各業(yè)已成為必不可少的內容。PLC作為通用的工業(yè)計算機，其功能日益強大，已經成為工業(yè)控制領域的主流控制設備。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、機器人技術一起被譽為當代工業(yè)自動化的三大支柱。采摘機械手是作物采摘機器人的執(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)設計采摘機器人，并采用MCGS系統(tǒng)對機械手的作業(yè)狀態(tài)進行監(jiān)測，以達到快速準確的采摘效果。

1 PLC和MCGS在機械手控制系統(tǒng)中應用

機械手是自動控制領域最常遇到的控制對象，是提高勞動生產率和改善工人作業(yè)條件的一種重要手段，被廣泛應用在各種機械和農業(yè)等領域，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、水下或大面積農業(yè)作業(yè)、復雜采摘作業(yè)環(huán)境等，機械手發(fā)揮了重要的作用，受到了國內外各領域專家的重視。PLC(可編程控制器)是專門為工業(yè)環(huán)境下自動控制設計的控制裝置，隨著計算機技術和微電子技術的發(fā)展，PLC在硬件和軟件編程、通訊聯(lián)網等方面得到了較大的改善，已經成為機械手自動化控制的最重要配置之一。

PLC通用性和實用性較好，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，在采摘機器人和裝配生產線上應用非常廣泛。近幾年，隨著我國自動化水平的不斷提高，PLC也被應用到了更多的自動化控制領域。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PLC時嵌入到內部的程序，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)，兩者互相補充缺一不可。

MCGS是一套主要對PLC系統(tǒng)進行監(jiān)控的軟件，它可以快速地在計算機平臺上構建和生成監(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)故障時可以進行預警，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際問題的方案，在機械手自動化控制過程中發(fā)揮重要的作用。本研究將MCGS應用到采摘機器人氣動機械手快速控制系統(tǒng)的監(jiān)控過程中，可對機械手的動作狀態(tài)進行檢測，為優(yōu)化機械手的作業(yè)性能提供數(shù)據(jù)支持。

圖1 PLC硬件結構總體框架圖

2 PLC和MCGS組態(tài)軟件控制系統(tǒng)設計

按照結構形式的不同，PLC共分為兩種模式：一種是整體式，體積小、價格便宜，將PLC常用的構建都封裝在箱體內，然后按照CPU型號和I/O點數(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)用戶需求進行擴展。

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、場效應管、雙向可控硅和繼電器等組成。在設計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。

對采摘機器人的動作和動作進行預定義編碼，然后嵌入到硬件開關中，通過開關的動作來執(zhí)行動作編碼。PLC的硬件動作開關示意圖如圖2所示。

如圖2所示：每個動作指令都對應于相應的開關，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行監(jiān)控。本次采用MCGS組態(tài)軟件對PLC系統(tǒng)進行監(jiān)測，其結構示意圖如圖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)結構示意圖

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

MCGS組態(tài)軟件建立的應用系統(tǒng)包括主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略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備窗口和多個用戶窗口。主控窗口可以對這些窗口進行管理，如工程名稱的定義、工程菜單的編制、封面設計及窗口的啟動等。

2)設備窗口。設備窗口主要用來連接和驅動采摘機器人的機械手等末端設備，可以采集不同功能的末端設備的作業(yè)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)分析，并管理和調度設備的正常運行。

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

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

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

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

圖4 MCGS用戶應用系統(tǒng)總體框架圖

3 采摘機械手組態(tài)軟件系統(tǒng)測試

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

圖5 實時數(shù)據(jù)庫窗口

為了實現(xiàn)PLC氣動采摘機械手的快速控制和監(jiān)測，需要對系統(tǒng)進行實時數(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，動畫設置如圖6所示。

圖6 動畫組態(tài)屬性設置

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

對基于PLC氣動采摘機械手的果實抓取和松開等功能進行了測試，測試的項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)情況進行了統(tǒng)計，得到了如表2所示的測試結果。

從采摘的破損率來看：基于PLC控制的氣動采摘機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：氣動采摘機械手的作業(yè)速度較快，可以滿足快速控制的設計需求。

圖7 果實抓取測試

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 結論

為了提高采摘機器人機械手的控制效率，將PLC控制和MCGS組態(tài)軟件引入到了采摘機械手控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)了采摘機械手的快速控制和狀態(tài)監(jiān)測，從而提高了機械手的控制效率。為了驗證方案的可行性，對采摘機械手控制系統(tǒng)進行了測試(包括PLC控制效率和MCGS的監(jiān)測效果)。測試結果表明：MCGS可以成功地監(jiān)測機械手的作業(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確性，抓取果實的破損率較低，需要的抓取時間較短，可以滿足采摘機械手快速控制的設計需求。