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      氣動采摘機械手快速控制系統設計—基于PLC和MCGS組態軟件

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-19 09:14:37    瀏覽次數:48    評論:0
      導讀

      0 引言隨著計算機技術的飛速發展,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的應用在各行各業已成為必不可少的內容。PLC作為通用的工業計算機,其功能日益強大,已經成為工業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展,并與CAD/CAM、機器人技術一起被譽為當代工業

      0 引言

      隨著計算機技術的飛速發展,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的應用在各行各業已成為必不可少的內容。PLC作為通用的工業計算機,其功能日益強大,已經成為工業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展,并與CAD/CAM、機器人技術一起被譽為當代工業自動化的三大支柱。采摘機械手是作物采摘機器人的執行末端,為了得到較高的采摘效率,往往在執行末端采用液壓控制系統,本次擬采用PLC氣動控制系統設計采摘機器人,并采用MCGS系統對機械手的作業狀態進行監測,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條件的一種重要手段,被廣泛應用在各種機械和農業等領域,如沖壓、鍛造、噴漆、熱處理及作物采摘等作業過程,特別是在有毒、放射性、水下或大面積農業作業、復雜采摘作業環境等,機械手發揮了重要的作用,受到了國內外各領域專家的重視。PLC(可編程控制器)是專門為工業環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展,PLC在硬件和軟件編程、通訊聯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。其軟件系統也分為兩部分:用戶程序和系統程序。系統程序由廠家生產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;用戶程序可以根據用戶的自身需求對程序進行編寫。硬件系統和軟件系統組成了完整的PLC系統,兩者互相補充缺一不可。

      MCGS是一套主要對PLC系統進行監控的軟件,它可以快速地在計算機平臺上構建和生成監控系統組態軟件,通過對監控數據的處理,可以以動畫的形式呈現,在監控到系統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的監控過程中,可對機械手的動作狀態進行檢測,為優化機械手的作業性能提供數據支持。

      圖1 PLC硬件結構總體框架圖

      Fig.1 The general framework diagram of PLC hardware structure

      2 PLC和MCGS組態軟件控制系統設計

      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點數的不同分成若干規格;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接口可以根據用戶需求進行擴展。

      PLC的存儲器分為用戶存儲和系統存儲兩部分:系統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用戶需求存儲個人的操作系統數據。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,對于動作的執行與否以及執行的好壞需要利用專門的軟件進行監控。本次采用MCGS組態軟件對PLC系統進行監測,其結構示意圖如圖3所示。

      表1 PLC動作編號

      Table 1 PLC action number

      圖2 PLC硬件示意圖

      Fig.2 PLC hardware schematic diagram

      圖3 監測系統結構示意圖

      Fig.3 The structure schematic diagram of the monitoring system

      監測系統共分為兩部分:一部分是組態環境;一部分是運行環境。其中,組態環境可以幫助用戶構造系統,運行環境以用戶個性化設計需求為依據,完成用戶需求的目標和功能。

      MCGS組態軟件建立的應用系統包括主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略5部分(見圖4),每個部分具有不同的組態操作,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數據,將數據傳輸到數據庫進行數據分析,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)實時數據庫。實時數據庫是MCGS系統的核心,可以將采集的采摘機器人作業環境進行數據處理,是數據采集和信息輸出的關鍵部分。其采集的數據利用實時數據庫進行報警處理和存盤,還可以為系統的其他部分提供數據共享。

      5)運行策略。運行策略主要是針對系統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,使系統可以順利的運行。

      如上所述,采摘機械手的PLC控制系統設計完成后,可以利用MCGS組態軟件的監測功能對系統進行監測,根據監測到的機械手作業性能,對其進行結構優化,使采摘機械手能夠發揮最大的采摘作用。

      圖4 MCGS用戶應用系統總體框架圖

      Fig.4 The general framework diagram of MCGS user application system

      3 采摘機械手組態軟件系統測試

      基于PLC的采摘機械手控制系統完成后,可以利用MCGS組態軟件對其作業性能進行監測,同時利用MCGS系統對機械手的動作進行管理和調度,使采摘機械手的性能發揮到最佳狀態。首先利用MCGS系統對實時數據進行采集,實時數據采集窗口的設計如圖5所示。

      圖5 實時數據庫窗口

      Fig.5 Real time Database window

      為了實現PLC氣動采摘機械手的快速控制和監測,需要對系統進行實時數據采集,采集的數據可以直接輸出,也可以以動畫的形式輸出,動畫設置如圖6所示。

      圖6 動畫組態屬性設置

      Fig.6 The attribute setting of animation configuration

      由圖4可知,標準SHNN-CAD檢測出17個目標回波,其中有7個屬于SST,正確回波檢測率為0.412;加權SHNN-CAD檢測出17個目標回波,其中有9個屬于SST,正確回波檢測率為0.53。因此同標準SHNN-CAD相比加權SHNN-CAD對目標回波不連通SST具有更好的檢測效果。

      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系統對作業情況進行了統計,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

      Fig.7 The fruit grabbing test

      表2 MCGS系統數據統計結果

      Table 2 Data statistical results of MCGS system

      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組態軟件引入到了采摘機械手控制系統中,實現了采摘機械手的快速控制和狀態監測,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進行了測試(包括PLC控制效率和MCGS的監測效果)。測試結果表明:MCGS可以成功地監測機械手的作業狀態數據,采用PLC控制系統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。

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      (文/小編)
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