自动生产线PLC联合工业机器人控制设计

高 星

（杭州市临平职业高级中学，杭州311100）

0 引言

工业机器人技术的快速发展，增强了自动化生产线的生产能力和效率。工业机器人虽有独立的控制器和控制系统，但在自动生产线中只是一个执行点位，生产线的整体配合，以及与部分机器人点位的配合，还是多以PLC系统为主[1]。因此，在以PLC为主的自动生产线系统中，在加入工业机器人系统后，如何使PLC与机器人系统有效配合，是目前生产线系统需要解决的问题[2]。

1 自动化生产工艺流程概述

本文以某小型产品加工组装的生产线中的某一流程为例，产品通过由传送带传送至装盖区，随后停止，待工业机器人的手爪将产品盖组装完成后，传送带继续运动，将装盖后的产品移动至下一单元，进行后续操作[3]。该部分操作中，带动传送带运动的电动机由PLC控制，装盖区的检测传感器检测信号发送至PLC的I/O端口，工业机器人手爪由独立的机器人控制器实现抓取、松爪、移动等操作。

该部分属于自动化生产线中PLC控制系统与工业机器人控制系统中较为常见的联合生产方式，属于较为简单的配合，具有典型性，本文以该例作为PLC与机器人联合控制设计的案例，完成硬件系统构造设计，并作出控制特点、思路设计与分析。

2 硬件系统构造

在大型PLC控制系统与工业机器人控制系统的联合生产应用中，均是以PLC系统为主、机器人控制系统为辅。传统的自动化生产线多以“人工-自动生产线”为主，自动生产线在实现产品生产时由严格的生产顺序和工艺要求，每个生产步骤可以划分为若干个控制区域，每个区域以一个PLC为主控设备，各个区域间均以众多的PLC之间相互通信为主。人工站位是配合生产中无法由机器完成的生产部分，人工生产的特点具有相对独立性，但仍需要与生产线配合。工业机器人的引入实质上是替代了人工站位，是对自动化生产线上的补充，因此也具有相对独立性。但人和机器人系统在与PLC沟通方面不同，工业机器人是相对独立的控制系统，必须与PLC系统建立有效联系，因此必须构建稳定的硬件系统，具体方式如图1所示。

图1 PLC控制系统与工业机器人控制系统的联系方式

图1，PLC以西门子S7-1200为例，工业机器人控制系统以ABB公司的IRB-120机器人小型控制器为例，该部分结构图只简单描述了硬件接线情况，省略了工业机器人示教器等内容。本部分系统中，以S7-1200PLC为控制核心，控制内容分为两部分。一部分是对生产线的控制，包括带动传送带运转的电动机驱动模块，另外还有传送带上待装配区的检测传感器；另一部分是与工业机器人系统的配合。

在第一部分中，首先PLC控制电动机运动，从而带动传感器运转，将上一级自动生产线模块中运送来的物料，运送至待装配区；当物料达到装配区后，该区域内的传感器会检测到物料信号，并将该电平变化的信号传送至S7-1200的I/O端口中，根据预先编写的控制程序，当物料突变信号到来后，S7-1200向传送带电机驱动模块发出停止运行指令，此时传送带停止工作。当传送带完全停止后，S7-1200向工业机器人控制器的I/O端口发送指令，在接受到指令后，工业机器人控制器向IRB-120本体发送运行指令，此时工业机器人可以根据预先编写在示教器内的软件程序，完成抓取料盖、移动料盖至物料上方、装配物料盖并松开手爪工具、移动复位后，等待下一次抓取信号的到来。此后，有工业机器人控制器再向S7-1200发送“装配完毕”信号，此时，S7-1200向传送带电机驱动发送指令，使传送带继续运转，将已经完成料盖安装的产品移送至下一生产环节，并将继续完成下一个物料的装盖操作，依次循环操作。

3 控制特点与思路设计

3.1 本系统控制特点

PLC与工业机器人控制系统的联合控制，大部分是以PLC为核心，通过与机器人系统的通信或I/O数据传输，从而实现控制指令的收发。目前，大型生产线中工业机器人控制器仅仅是对机器人本体控制，而不对生产线上的任何环节产生控制效果，所有工业机器人与生产线上设备的联系，均是以PLC作为“媒介”。

3.2 联合控制设计思路

本设计是由PLC为控制核心，工业机器人配合生产，针对本设计，采用以下联合控制思路（图2）。

图2 PLC与工业机器人控制系统的联合控制思路

3.3 关键I/O点位和程序流程设计

本设计中，传感器采用漫反射式光电传感器，其输出信号为数字信号，接入PLC的I0.0接口。传送带采用驱动模块间接控制，驱动模块接收PLC发出的电平变换指令即进行工作，当驱动模块接收低电平“0”时，电动机启动，传送带运转；当接收高电平时，传送带停止；驱动控制端与PLC的Q0.0相接。工业机器人控制器的X3.1接线口与PLC的Q0.1相接，在示教器内记录为DI0；控制器的X1.1接线口与PLC的I0.1相接，用于机器人向PLC传送工作完成信号，记录为DO0。当传送带停止后，PLC的Q0.1接口输出高电平，此时工业机器人DI0接口电平跳变为1，然后工业机器人开始进行装盖程序。当机器人执行完毕装盖程序，机器人DO0向PLC发送指令1，此时PLC调动传送带继续移动，且将Q0.1输出更改为0。

该部分流程如图3所示。

图3 关键I/O点位和程序流程

3.4 本系统控制思路与需要注意的问题

本系统中，以PLC为本站生产环节中的控制核心，因此所有命令的收发、执行，都必须是以PLC指令为主，工业机器人的控制和运行过程中，每段指定程序的运行都必须在PLC指令信号的指引下进行。在没有接到PLC的指令情况下，工业机器人本体是不允许进行任何单独操作的，否则会破坏生产线的生产顺序流程，造成产品质量问题或经济损失。

在建立自动化生产线PLC与工业机器人控制系统联合运行时，必须对PLC的程序进行严格编程与验证。PLC是生产线中某一生产站和生产环节的核心，既要协调生产线传动带、气动设备等执行器的运作，也要协调生产线上各传感器信号的接收，还必须要对工业机器人进行合理控制，因此PLC仍是自动化生产线中重要的部分。

4 总结

工业机器人在工业自动化生产线中的应用日益增多，在焊接、喷涂、搬运、码垛、涂胶等等功能上应用较多，且在化工、汽车生产、铸造、医疗、食品生产等涉及自动化生产的领域应用十分广泛。未来，在自动化生产线中应用工业机器人已经成为大势所趋，合理架构机器人与PLC的联合控制体系也成为技术革新的焦点。成熟的PLC控制技术和工业机器人应用技术联合发展，是衡量自动化生产线生产效率和生产规模的关键因素之一，因此，必须将该部分内容作为日后研究重点。