基于PLC的收餐机器人控制系统设计

朱亚荣，姜树海

（南京林业大学　智能控制与机器人技术研究所，南京　210037）

基于PLC的收餐机器人控制系统设计

朱亚荣，姜树海

（南京林业大学智能控制与机器人技术研究所，南京210037）

针对当前餐厅收餐自动化水平低下的现状，提出了自动化收餐流水线的概念，设计了一款收餐机器人；在分析收餐机器人整机结构和运动要求的基础上，进一步设计了一种基于PLC的收餐机器人控制系统；系统主要由餐盘翻转模块、筛选模块、餐具输运模块、餐盘堆叠模块和残渣收集模块组成；根据不同模块的工作流程和作业需求，以西门子S7-200为控制系统核心，完成了系统的软硬件设计，并分别对各模块进行了编程调试，可实现精确的位置控制，符合实际控制要求，达到自动收餐的目的。

收餐机器人；PLC；控制系统；位置控制

0　引言

在经济飞速发展和科技不断进步的时代，自动化生产和管理已渗入到各大行业，作为现代先进科学技术核心的工业自动化正在不断地被广泛运用到经济发展的各领域［1］。餐饮业在我国第三产业中占有重要地位，是服务经济繁荣程度的标志［2］，其自动化水平的提高对国民而言意义重大。

为控制人工成本和改善就餐环境，国内餐厅开始将自动化技术、信息技术应用于其中的作业环节，让机器代替手工或帮助手工进行工作，市场上也不断涌现出相关的科技产品，使餐厅运营不断朝着信息化和自动化发展［3］。目前的餐饮行业已普遍开始应用一些信息化的科技产品，比如点菜系统，可快速通过触摸屏或手持器点餐，自动将菜单传至收银台和厨房［4］。杭州雄伟科技开发有限公司设计的一种自助式餐饮结算台［5］，用以帮助餐厅实现不同部门间的信息流通，方便营业管理。自动化层面上的科技产品目前来看还不成熟，尽管相继出现了不少代替人工的机器，用以实现餐饮服务中某些流程的自动化，比如食堂自动打饭机、餐厅服务机器人［6］、蛋炒饭机器人［7］等，但是，后续的收餐环节依旧主要靠人工完成，暂时还没有出现成熟、可推广的技术。在就餐高峰时期，人工收餐劳动量大，效率低下，常常出现餐盘来不及收集的状况，尤其是在学校食堂、企业员工餐厅等就餐人员众多的场合，这种状况更为明显，严重影响就餐环境。基于自动化水平不断发展、传统产业相继升级和收餐环节科技滞后的问题，我们提出了自动化餐饮流水线中收餐机器人的课题。

在机器人控制中，多采用基于微机的控制器或基于DSP（digital signal processing，数字信息处理器）的控制器作为机器人的控制系统硬件，即“运动控制器+PC”结构形式的控制系统。这种控制系统以PC为上位机，运动控制器为下位机，可快速对运动轴，尤其是多轴的系统加以控制。虽然上下位结构清楚，但系统稳定性不够、难以扩展、兼容性不强、维护困难。PLC（programmable logic controller，可编程逻辑控制器）由于其可靠性高、结构简单、编程方便、功能完善、性价比高等优点，在工业控制系统中有着重要地位，且随着PLC技术的成熟，尤其是在运动控制方面，可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，用于圆周运动或直线运动的控制［10］。目前，机器人控制多采用PLC控制器对机器人各轴运动进行规划和编程，使机器人按照既定的程序依次动作，在工作过程中，借助传感器判断工作状态、感知工作环境，不断调节运动状态，机器人可即按照预定的动作和路线有序工作［11］。基于PLC能实现控制系统功能要求且性价比高的特性，我们开展了基于PLC的收餐机器人控制系统设计的研究。

1　系统总体框架

为达到以机械替代人工进行餐盘清洁与残渣输运的目的，收餐机器人采用五大模块来对餐盘、餐具和残渣进行处理，此五大模块分别为餐盘翻转模块、筛选模块、餐具输运模块、餐盘堆叠模块和残渣收集模块，如图1所示。

图1　收餐机器人机械示意图

收餐机器人采用模块化的控制系统，各控制模块可自由组合，适应不同的工作条件，以满足不同的控制系统运行要求。具体工作流程：首先，带有残渣的餐盘和其他餐具送至餐盘翻转模块后，餐盘翻转模块开始运转，将餐盘、餐具和残渣分离，而后餐具和残渣由筛选装置进行筛选，餐具将进入餐具输运装置，并被输运到指定位置，而残渣将进入残渣收集模块，餐盘将进一步跟随旋转架运动到餐盘堆叠模块，整个处理过程结束。模块间的关系和工作流程如图2所示。

图2　收餐机器人系统工作流程图

1.1餐盘翻转模块

餐盘翻转模块采用旋转架结构，旋转架由伺服电机驱动，上面安装机械手。其中，机械手上安装光电传感器和电磁铁，并且可做水平方向和上下方向运动。在实际运动中，旋转架运转流程如图3所示：1）启动时，机械手处于水平位置，当餐盘摆放到机械手上时，机械手上的光电传感器感知，PLC收到信号并让电磁铁通电吸住餐盘；2）接着旋转架开始转动；3）在旋转过程中，由于其他餐具未被吸住，因而受惯性作用掉落到下面的筛选模块上，达到分离的目的；4）旋转架旋转180°后停止，电磁铁断电失去磁性并放下餐盘，等待下一个餐盘的到来。

图3　旋转架运转过程

1.2餐具输送模块

为将餐具运送到更宽阔的地方统一收集，如图4所示，餐具和残渣掉落后，经滤网式输送带筛选后，残渣掉落到残渣收集处，餐具则跟随输送带向前运动，将餐具运到指定位置后停止，餐具由于惯性掉落在餐具收集处。餐具输送模块运动流程如图所示：在餐具和残渣掉落处安装光电传感器，当餐具滑落时，传感器检测到物体，此时输送带开始运行，运行一个工作长度后，输送带停止运行直到下一个餐具掉落。

图4　输送带运行过程

1.3餐盘堆叠模块

餐盘堆叠模块由做直线运动的手臂和用于夹紧餐盘的机械手爪组成。手臂由旋转伺服电机驱动，经滚珠丝杠传动，可做前进、后退、上升、下降运动并返回原点。机械手爪上安装光电传感器和电磁铁，通过控制电磁铁的通断电，改变电磁铁磁性，实现餐盘的夹紧和放下。机械手运动过程如图5所示，当餐盘在A侧放于机械手上后，机械手上的光电传感器感知，将信号传给PLC控制器，PLC再控制电磁铁通电吸取餐盘。机械手随旋转架旋转180°后，到达B侧。接着，手臂向前前进一个工作长度，到达C侧，即餐盘堆叠位置，使电磁铁断电并放下餐盘，手臂再原路返回到原位置，如此循环。

图5　餐盘堆叠运动过程

当系统启动后，可通过手动/自动转换开关选择运行模式。在手动运行时，可以对各模块运动进行调试，实现点动或一个工作单位的运动，保证系统运行的安全和精确性。在自动模式时，系统可自动完成各模块的运动，并实现模块间的协调和顺序控制，保证收餐的整个流程有序完成，大大解放人力，也可提高就餐高峰时期的收餐效率。

2　系统硬件配置

控制系统由CPU226、3个位控模块EM253、4个伺服驱动器和4个伺服电机组成。由于西门子CPU226内置脉冲输出器，如脉冲串输出（PTO）模式［12］，为节省位控模块数量，餐具输送模块采用PTO控制方式；而餐盘翻转模块、餐盘堆叠模块由于位置精度要求较高，则利用EM253进行位置控制。控制系统结构示意图如图6所示。

2.1PLC

西门子S7-200系列PLC具有可靠、易操作、灵活等优点，在工业控制中被广泛应用，并且能够满足收餐机器人的性能需求，所以PLC选择西门子S7-200系列。控制系统需要较多的输入输出端口，总计17个数字量输入，8个数字量输出，同时连接有3个EM253位控模块，故只能选择CPU226型号。

2.1.1数字量输入部分

图6　收餐机器人控制系统结构示意图

控制系统输入部分可分为转换开关、按钮、光电传感器和限位开关，共有17个数字输入量。具体分配如表1所示。

表1　输入变量地址分配表

2.1.2数字量输出部分

控制系统主要输出控制的设备有伺服电机驱动器，电磁铁和指示灯，共有8个数字输出量。具体分配如表2所示。

2.2伺服电机

在此控制系统中，共有4个伺服电机，分别控制旋转架、机械手前进后退、机械手上升下降、餐盘输送带的运行。伺服电机接收伺服驱动器发出的电信号，在电动机轴上以角位移或角速度的形式输出，精确控制电机运行的速度，经滚珠丝杠传动，实现精准的直线运动［13］。

表2　输出变量地址分配表

由于设计在餐盘翻转模块、餐具运输模块、餐盘堆叠模块均需要实现精确的定位控制，并且需要电机能快速反应、不产生噪声以营造餐厅良好环境，故选用伺服电机。

此控制系统中，有4个伺服电机，相应地，每个伺服电机需配备一个伺服驱动器来控制电机，接收来自PLC的脉冲，以改变伺服电机的转速、转向、扭矩等，达到精确控制伺服电机的目的［14］。

2.3位置控制模块

定位模块EM253通过产生高速脉冲来实现对单轴步进电机的开环速度、位置控制。通过S7-200PLC的扩展接口，实现与CPU间通讯控制。在此系统中，共使用了3个EM253位控模块，实现对机械手两个方向和旋转架正反转伺服电机的位置控制。由于机械手做直线运动，故采用工程单位（如：毫米、英尺）作为控制系统的测量单位。EM253位控模块安装、拆卸简单方便，易于灵活控制各个运动模块。

3　系统软件设计

根据控制系统的功能要求，收餐机器人的控制过程分为手动控制模式和自动控制模式。在手动控制模式时，各设备可以单独运行，相互之间没有顺序，互不干扰。模式选择流程图如图7所示。

图7　收餐机器人模式选择流程图

3.1手动控制模式

在手动模式时，可以通过按钮单独控制各设备的运行，包括：旋转架的正反转，机械手的前进后退、上升下降，输送带的前进后退，电磁铁的通断电。在运行允许范围内，各设备可任意移动，便于控制系统的调试和检测。手动控制流程图如图8所示。

图8　手动控制运行流程图

3.2自动控制模式

在自动控制模式时，系统通电后，按下启动按钮，各设备开始按照顺序运行，具体运行流程如图9所示。

图9　自动控制运行流程图

3.3编程用数据地址分配

控制系统中有多个模块，输送带采用PTO控制方式，旋转架和机械手采用EM253进行控制。在程序设计时，为使编程清晰明了、易于修改，对各模块地址进行分配，如表3所示。

3.4程序的编写

利用西门子公司专门为S7-200 PLC设计开发的STEP7-Micro/WIN，该软件基于Windows，功能十分强大，主要用于开发程序，也可实时监控程序执行的状态。

控制系统主程序利用梯形图进行编程，在了解系统总体流程后，细化各模块，按照不同的功能要求编写不同模块的相应程序。其中旋转架、机械手和输送带的位置控制部分借助STEP7-Micro/WIN中的“位置控制向导”工具，进行各模块位置控制参数的设置，生成子程序，在编写主程序时直接调用，如图10所示。

表3　模块地址分配表

4　实验结果与分析

选用东元经济型TSTE30C驱动器（最大功率1KW）和TSB13102B3NLA001系列伺服电机，根据驱动器手册完成PLC控制器、EM253模块和伺服驱动器的接线，如图11所示。

图10　机械手自动向上运行程序子程序

图11　硬件接线图

接线检查无误后，建立PLC与上位机的通讯，将程序下载到PLC，对PLC的输出进行监控。最终调试结果如下：1）手动模式时，依次按下启动、电磁铁通断电、旋转架正反转、机械手前进后退、机械手上升下降各按钮，电源指示灯亮起，同时各模块的伺服电机点动正反转均可实现。2）拨动转换开关，切换到自动模式，按下启动按钮，电源指示灯亮起，接着，分别触发机械手光电传感器和输送带光电传感器，对垂直方向和水平方向的限位开关进行强制输入，试验发现驱动餐盘翻转模块、餐具输送模块、餐盘堆叠模块的伺服电机可以按照控制要求顺序动作，实现了一定条件下的自动控制，基本满足收餐需求。因此，在实际应用中，根据不同的收餐环境，可以相应地调整电机的运行速度，实现系统的最优化。

5　结论

收餐机器人控制系统运用PLC技术，实现了收餐流程的自动化控制，可以使简单重复的人工收餐方式由机器操作代替，有效解决了就餐高峰时期大量餐盘堆积无法清理的问题。系统采用西门子S7-200 PLC作为控制器，驱动伺服电机单轴运动控制模块，控制餐盘翻转模块的圆周运动、餐具输送模块和餐盘堆叠模块的直线运动，使得各模块运动协调有序。收餐机器人控制系统的设计简单稳定，易于操作，经过调试达到设计要求，未来可广泛应用于学校食堂、员工餐厅、大型快餐店等餐饮流水线中的收餐环节。未来我们将结合收餐机器人的应用实际，进一步完善整机的性能。

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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。

江苏省高校优势学科建设工程资助项目（PDPA）；南京林业大学引进高层次归国人员及高层次人才基金项目（G2003-01）。

朱亚荣（1991-），女，江苏省如皋市人，硕士研究生，主要从事机器人技术方向的研究。

姜树海（1964-），男，吉林省德惠市人，工学博士，副教授，硕士研究生导师，主要从事机器人技术、智能控制技术方向的研究。