ПЛК Электрика в робототехнике: Обеспечение интеллектуальной автоматизации

1. Введение

1.1 Предпосылки и значимость исследования

Поскольку наука и технологии стремительно развиваются, робототехника меняет способ производства в различных отраслях промышленности с беспрецедентной скоростью. От точной сборки в автомобилестроении до эффективной обработки в логистических складах — роботы повсюду. Однако для реализации интеллектуальной и автоматизированной работы роботов ядро лежит в их системе управления. Появилась электрическая технология программируемого логического контроллера (ПЛК), которая стала ключевой силой для содействия развитию интеллектуальной автоматизации роботов.

Технология ПЛК возникла в конце 1960-х годов, стремясь решить многие недостатки традиционных систем управления контакторами реле. В то время промышленное производство выдвигало более высокие требования к гибкости, надежности и масштабируемости систем управления. ПЛК быстро появился в области промышленного управления с его программируемостью, мощными возможностями логической обработки и хорошими характеристиками защиты от помех. С непрерывным развитием технологий микроэлектроники, компьютерных технологий и технологий связи функции ПЛК становятся все более мощными, а сфера применения постоянно расширяется, постепенно проникая в передовую область управления роботами.

В области робототехники применение электротехнологии ПЛК имеет большое значение, которое нельзя игнорировать. Оно значительно повышает надежность и стабильность системы управления роботом. В промышленных производственных условиях существует множество факторов, таких как электромагнитные помехи и изменения температуры, и традиционные системы управления легко поддаются влиянию, что приводит к частым сбоям. ПЛК использует передовые технологии защиты от помех, такие как фотоэлектрическая изоляция и фильтрация, которые могут стабильно работать в суровых условиях и обеспечивать непрерывность и точность работы робота. Если взять в качестве примера компании по производству автомобилей, то роботам на сборочной линии необходимо выполнять сборку деталей в течение длительного времени и с высокой точностью. Система управления ПЛК может гарантировать, что робот точно выполнит каждую инструкцию действия в сложной электромагнитной среде, эффективно снижая уровень дефектов и повышая эффективность производства.

PLC дает роботам более сильные возможности логического управления. При выполнении задач роботам часто необходимо принимать соответствующие решения на основе различных условий и сред. PLC позволяет роботам быстро обрабатывать и оценивать множественные входные сигналы, записывая сложные логические программы, чтобы гибко корректировать свои собственные действия. В логистическом складировании роботы-манипуляторы должны планировать оптимальный путь обработки на основе такой информации, как местоположение и вес товаров и планировка склада. Система управления PLC может быстро анализировать эту информацию и выдавать точные инструкции управления роботу для достижения эффективной обработки грузов.

Кроме того, применение технологии ПЛК делает проектирование и обслуживание систем управления роботами более удобными. По сравнению с традиционными жестко смонтированными системами управления, ПЛК использует модульную конструкцию. Пользователи могут выбирать различные модули для комбинирования в соответствии с фактическими потребностями, что значительно сокращает цикл разработки системы. В то же время программирование ПЛК использует интуитивно понятный и простой для понимания язык релейных диаграмм, с которым даже непрофессиональные специалисты могут быстро начать работать. С точки зрения обслуживания системы, ПЛК имеет мощную функцию самодиагностики, которая может контролировать рабочее состояние системы в режиме реального времени. После обнаружения неисправности проблема может быть быстро локализована, что снижает затраты на обслуживание и время простоя.

С макроэкономической точки зрения широкое применение электротехнологий PLC в области робототехники оказывает глубокое влияние на содействие трансформации и модернизации всей обрабатывающей промышленности. Это помогает повысить эффективность производства, снизить производственные затраты, улучшить качество продукции и повысить конкурентоспособность предприятий на мировом рынке. С появлением Industry 4.0 и эры интеллектуального производства электротехнологии PLC будут играть все более важную роль в пути интеллектуальной автоматизации роботов, обеспечивая надежную поддержку для реализации интеллектуального, гибкого и эффективного промышленного производства.

1.2 Цели и методы исследования

Целью данного исследования является глубокий анализ механизма основной роли электротехнологии PLC в процессе интеллектуальной автоматизации роботов, точная оценка результатов ее применения и предоставление прочной теоретической поддержки и практических рекомендаций для содействия глубокому развитию и широкому применению этой технологии в области робототехники. В частности, путем систематического разбора основных принципов и уникальных преимуществ электротехнологии PLC, всестороннего отображения панорамы ее применения в области интеллектуальной автоматизации роботов, глубокого изучения проблем, возникающих в процессе применения, и предложения практических и осуществимых стратегий реагирования, это поможет соответствующим специалистам лучше понять направление применения и тенденцию развития электротехнологии PLC в области робототехники.

Для достижения вышеуказанных целей в данном исследовании используются различные методы исследования. Анализ случаев является одним из важных средств. Благодаря глубокому анализу типичных случаев применения роботов в таких отраслях, как автомобилестроение, логистическое складирование и сборка электроники, тщательному наблюдению за работой электротехнологии PLC в реальных сценариях, всестороннему сбору данных и глубокому анализу ее конкретного влияния на эффективность работы робота, точность, стабильность и т. д., получена информация из первых рук об эффекте применения электротехнологии PLC.

Также незаменимы методы сравнительного исследования. Проводится всестороннее сравнение системы управления роботом с использованием электрической технологии PLC и традиционной системы управления, а также анализ выполняется по нескольким параметрам, таким как точность управления, скорость реакции, надежность и стоимость обслуживания, чтобы прояснить преимущества и возможности для улучшения электрической технологии PLC по сравнению с традиционной технологией, предоставляя ссылку для дальнейшей оптимизации технологии.

Исследование литературы также играет важную роль. Мы широко консультируемся с соответствующей академической литературой, отраслевыми отчетами, техническими стандартами и другими материалами в стране и за рубежом, всесторонне разбираемся в состоянии исследований и тенденциях развития электротехнологий ПЛК в области робототехники, понимаем результаты исследований и практический опыт предшественников в этой области, предоставляем прочную теоретическую основу для исследований, избегаем дублирования работы и обеспечиваем инновационный и передовой характер исследований.

1.3 Текущее состояние исследований в стране и за рубежом

В зарубежных странах исследования и применение электротехнологий ПЛК в области робототехники начались рано и достигли замечательных результатов. Соединенные Штаты всегда были мировым лидером в области промышленной автоматизации, и их исследования по применению ПЛК в управлении роботами являются глубокими и обширными. Например, в автомобильной промышленности Ford Motor Company использует передовые системы управления ПЛК для достижения высокоавтоматизированного взаимодействия роботов на сборочных линиях автомобилей. Благодаря точному написанию программ ПЛК роботы могут быстро и точно выполнять сложные задачи, такие как захват и сборка деталей, что значительно повышает эффективность производства и качество продукции. Соответствующие исследования показали, что эффективность сборки роботизированных производственных линий, управляемых ПЛК, более чем на 30% выше, чем у традиционных производственных линий, а уровень дефектов снижается примерно на 20%.

Будучи производителем, Германия фокусируется на высокой точности и стабильности в промышленном производстве. Движимые стратегией Industry 4.0, немецкие компании глубоко интегрировали технологию ПЛК с роботами и применили их ко всем аспектам умных заводов. Высокопроизводительный ПЛК, разработанный Siemens, обладает мощной вычислительной мощностью и коммуникационными функциями и может достигать бесшовного соединения с роботами, датчиками и другим оборудованием для создания высокоинтеллектуальной производственной системы. В области электронного производства роботы, управляемые ПЛК Siemens, могут выполнять точные операции на крошечных электронных компонентах с точностью позиционирования до ±0,01 мм, эффективно удовлетворяя спрос электронной промышленности на высокоточное производство.

Япония обладает уникальными преимуществами в области робототехники, а ее исследования по применению электротехнологий ПЛК в роботах направлены на повышение гибкости и универсальности роботов. Робототехническая продукция Fanuc широко используется в автомобильной, машинообрабатывающей и других отраслях промышленности. Оснащенные передовыми системами управления ПЛК, роботы могут быстро переключать режимы работы в соответствии с различными производственными задачами и реализовывать автоматизацию различных сложных процессов. При применении сварочных роботов ПЛК управляет траекторией движения робота и параметрами сварки, что позволяет добиться высококачественной сварки заготовок различных форм и материалов, а качество сварки достигает международных передовых стандартов.

Хотя исследования в области электротехники ПЛК в области робототехники начались в Китае сравнительно поздно, в последние годы они быстро развивались. Многие университеты и научно-исследовательские институты активно инвестировали в исследования в этой области и достигли ряда важных результатов. Например, Харбинский технологический институт добился значительного прогресса в исследованиях и разработках систем управления ПЛК для промышленных роботов. Благодаря оптимизации алгоритма управления ПЛК были улучшены точность управления движением робота и скорость реакции. Результаты его исследований нашли практическое применение в области производства деталей для аэрокосмической отрасли, эффективно решив проблему недостаточной точности управления роботом при обработке сложных деталей.

На уровне приложений предприятия некоторые крупные отечественные производственные компании также начали широко внедрять технологию электроники PLC для повышения уровня автоматизации роботов. Например, Foxconn Technology Group внедрила большое количество роботов с управлением PLC на своих производственных линиях для достижения автоматизированного производства сборки электронных изделий. Точное управление роботами с помощью PLC не только повышает эффективность производства, но и снижает затраты на рабочую силу и повышает конкурентоспособность предприятий на международном рынке.

Однако в текущих исследованиях в стране и за рубежом все еще есть некоторые недостатки. С одной стороны, с точки зрения координации связи между ПЛК и роботами, хотя существует множество протоколов и методов связи, стабильность и производительность связи в реальном времени в сложных промышленных средах все еще нуждаются в дальнейшем улучшении. При наличии большого количества роботов и сложных задач задержка и потеря пакетов передачи данных могут повлиять на эффективность работы всей производственной системы. С другой стороны, необходимы дальнейшие углубленные исследования для улучшения интеллекта системы управления ПЛК. Текущее управление ПЛК в основном основано на предустановленной программной логике. При столкновении со сложными и изменяющимися производственными средами и требованиями задач возможности автономного принятия решений и адаптации робота относительно слабы. Как сделать так, чтобы система управления ПЛК имела более сильную способность к обучению и способность к интеллектуальному принятию решений для достижения действительно интеллектуального автономного управления роботами, является одним из ключевых направлений будущих исследований. Кроме того, с точки зрения междоменной интеграции глубокая интеграция электрической технологии ПЛК с новыми технологиями, такими как искусственный интеллект и большие данные, все еще находится на исследовательской стадии. Еще одной неотложной проблемой, требующей решения, является то, как в полной мере реализовать преимущества этих технологий и еще больше расширить сценарии применения и функции ПЛК в сфере робототехники.

2. Основы электротехнологий ПЛК

2.1 Принцип работы ПЛК

2.1.1 Входной мониторинг и обработка данных

Функция контроля входов ПЛК является основным звеном в достижении автоматического управления. С помощью специального интерфейса входов ПЛК может устанавливать соединения с различными датчиками, переключателями и другим оборудованием для сбора различной информации о внешней среде в режиме реального времени. Эти входные сигналы поступают из широкого спектра источников, включая значения температуры, возвращаемые датчиками температуры, данные о давлении, обнаруженные датчиками давления, сигналы положения объекта, полученные фотоэлектрическими датчиками, и информацию о состоянии различных переключателей управления.

Возьмем в качестве примера датчики температуры. В промышленном производстве многие процессы предъявляют строгие требования к температуре. Например, в химических реакциях точный контроль температуры реакции напрямую влияет на качество продукции и безопасность производства. Датчик температуры преобразует контролируемый в реальном времени сигнал температуры в электрический сигнал и передает его на входной интерфейс ПЛК. В это время ПЛК напрямую не использует эти исходные сигналы, а выполняет ряд операций по обработке данных. Сначала сигнал дискретизируется для преобразования непрерывно изменяющегося аналогового сигнала в дискретный цифровой сигнал для последующей цифровой обработки. Затем используется алгоритм фильтрации для удаления шумовых помех в сигнале, чтобы обеспечить точность данных. Поскольку в реальной промышленной среде существует множество электромагнитных помех, электрических шумов и т. д. Эти помехи могут вызвать искажение сигнала датчика. Если их не обрабатывать, это серьезно повлияет на решение управления ПЛК.

После выборки и фильтрации входного сигнала ПЛК выполнит предварительный анализ и оценку данных в соответствии с заданной программой. Например, в системе контроля температуры ПЛК сравнит собранное значение температуры в реальном времени с заданным диапазоном температур, чтобы определить, находится ли текущая температура в нормальном рабочем диапазоне. Если температура превышает заданный диапазон, ПЛК отметит и сохранит эту информацию, ожидая дальнейшего анализа и принятия решения на последующем этапе логической обработки. Этот мониторинг в реальном времени и обработка данных входных сигналов обеспечивает надежную основу данных для последующих логических операций и управляющих решений ПЛК, гарантируя, что система управления может точно воспринимать изменения во внешней среде и своевременно реагировать.

2.1.2 Логическое программирование и принятие решений

Логическое программирование является одной из основных функций ПЛК, которая дает ПЛК мощную способность принятия решений. Пользователи используют программное обеспечение для программирования, чтобы писать подробные логические программы для ПЛК на основе фактических потребностей управления, используя такие языки программирования, как лестничные диаграммы, таблицы инструкций и диаграммы функциональных блоков. Эти программы подобны «инструкциям мозга» ПЛК, позволяя ему принимать точные решения управления на основе входных данных.

В системе обработки материалов автоматизированной производственной линии роль логического программирования полностью отражена. Предположим, что в системе имеется несколько датчиков для определения местоположения, присутствия и рабочего состояния робота для обработки материалов. Когда материал транспортируется в указанное место, датчик положения отправит сигнал в ПЛК. Получив сигнал, ПЛК вынесет решение на основе предварительно написанной логической программы. Если одновременно выполняются другие условия, например, если робот для обработки находится в состоянии ожидания и нет материала, блокирующего целевое место хранения, ПЛК запустит инструкцию действия захвата робота для обработки. Этот процесс включает логическую операцию нескольких входных сигналов. ПЛК использует логические операторы, такие как «И», «ИЛИ» и «НЕ», для всестороннего анализа этих сигналов. Например, только когда сигнал положения материала — «материал присутствует», сигнал состояния робота — «холостой ход», а сигнал целевого положения — «разблокирован» и одновременно выполняются три условия (то есть выполняется операция «И»), ПЛК выдаст управляющий сигнал для начала действия захвата робота.

В сложных сценариях промышленного управления ПЛК также может потребоваться выполнять сложные логические операции, такие как управление циклами и условное суждение. Например, на заводе с несколькими режимами производства ПЛК необходимо динамически корректировать стратегии управления на основе таких факторов, как выбор производственных задач и рабочее состояние оборудования. Записывая вложенные операторы условного суждения и циклические программы, ПЛК могут добиться точного управления различными производственными процессами. При выполнении логических операций центральный процессор (ЦП) ПЛК быстро обрабатывает инструкции в программе и на основе различных комбинаций входных данных выводит соответствующие результаты решений за очень короткое время, обеспечивая основу для последующего управления выходом.

2.1.3 Контроль и исполнение выходных данных

Управление выходом является ключевым шагом для ПЛК по преобразованию результатов решения в фактические действия управления. Когда ПЛК завершает логическую операцию входных данных и принимает решение, он отправляет соответствующие сигналы управления исполнительным механизмам через выходной интерфейс, чтобы заставить эти исполнительные механизмы выполнять определенные действия управления, тем самым завершая задачу управления внешними устройствами.

Обычные приводы включают двигатели, электромагнитные клапаны, реле и т. д. Если взять двигатели в качестве примера, то в промышленном автоматизированном производстве двигатели широко используются в транспортировке материалов, механической обработке и других связях. Когда ПЛК определяет, что двигатель необходимо запустить для транспортировки материалов, он отправляет электрический сигнал на выходной интерфейс, подключенный к двигателю. Для двигателей переменного тока ПЛК может подавать питание на катушку контактора управления, чтобы замкнуть главные контакты контактора, тем самым подключая питание двигателя и запуская двигатель для работы. Для двигателей постоянного тока ПЛК может точно контролировать скорость и направление двигателя, регулируя напряжение или ток выходного сигнала для удовлетворения различных производственных потребностей.

В некоторых случаях, когда требуется высокая точность управления, например, при обработке на станках с ЧПУ, ПЛК будет выдавать точные импульсные сигналы для управления движением двигателя. Управляя частотой и количеством импульсов, можно точно контролировать угол поворота и смещение двигателя, а также можно достичь точного позиционирования и управления движением станка, что гарантирует обработку высокоточных деталей.

Соленоидные клапаны также играют важную роль в промышленном управлении. Например, в пневматических системах управления ПЛК управляет направлением потока и давлением сжатого воздуха, управляя включением и выключением соленоидного клапана, тем самым приводя цилиндр в действие для выполнения различных механических действий, таких как захват, транспортировка и сортировка материалов. Когда ПЛК выдает управляющий сигнал для питания соленоидного клапана, сердечник клапана соленоидного клапана перемещается, изменяя состояние соединения воздушного тракта, позволяя сжатому воздуху поступать в соответствующий цилиндр, толкая поршень цилиндра для перемещения и выполняя предопределенную рабочую задачу.

Реле часто используются для управления переключением цепей. ПЛК может косвенно управлять высоковольтными и сильноточными цепями, управляя включением и выключением катушек реле. В системах управления некоторого крупного оборудования ПЛК использует реле для управления выключателем питания главной цепи, пуском и остановкой цепи освещения и т. д., чтобы обеспечить безопасную работу и нормальную работу оборудования.

2.2 Состав оборудования ПЛК

2.2.1 Процессор (ЦП)

Как основной компонент ПЛК, процессор (ЦП) подобен человеческому мозгу, играя незаменимую ключевую роль во всей системе. Он отвечает за выполнение программы, написанной пользователем, быструю и точную обработку входных данных и генерацию соответствующих инструкций управления в соответствии с предустановленной логикой для управления другими компонентами ПЛК для совместной работы с целью обеспечения эффективной и стабильной работы всей системы управления.

Существуют значительные различия в производительности между различными типами ЦП, и эти различия оказывают глубокое влияние на ключевые показатели производительности, такие как вычислительная мощность, скорость работы и время отклика ПЛК. В области промышленной автоматизации высокопроизводительные ПЛК обычно оснащаются высокопроизводительными ЦП, такими как некоторые ЦП с многоядерной архитектурой и высокоскоростной технологией кэширования. Если взять в качестве примера ЦП серии ПЛК Siemens S7-1500, то он использует передовую многоядерную процессорную технологию и может обрабатывать несколько потоков задач одновременно, что значительно улучшает параллелизм обработки данных. В сложных промышленных производственных сценариях, таких как автоматизированные производственные линии в автомобилестроении, большое количество датчиков собирают данные, такие как рабочее состояние оборудования и положение заготовки в реальном времени. ЦП этой серии ПЛК может быстро обрабатывать и анализировать эти массивы данных, быстро принимать решения и управлять роботами для точного выполнения задач по сборке деталей. Напротив, ЦП, используемый в ПЛК среднего и низкого уровня, имеет относительно слабую производительность и подходит для некоторых простых сценариев управления, не требующих высокой скорости обработки данных и точности, таких как системы транспортировки материалов на небольших заводах. Только небольшое количество сигналов датчиков необходимо просто оценивать и контролировать с помощью простой логики, и ЦП среднего и низкого уровня могут удовлетворить их потребности.

Скорость вычислений ЦП также является важным показателем его производительности. ЦП с высокой скоростью вычислений может выполнять большое количество логических операций и задач обработки данных за очень короткое время, что позволяет ПЛК быстро реагировать на изменения внешних сигналов. На высокоскоростной линии производства упаковки скорость упаковки продукта очень высокая, и ПЛК необходимо обрабатывать информацию, такую как положение продукта, обнаруженное датчиком, и состояние транспортировки упаковочного материала в реальном времени, а также управлять приводом для своевременного завершения действия по упаковке. В это время ПЛК, оснащенный высокоскоростным ЦП, может быстро обрабатывать эти данные, чтобы гарантировать точность и эффективность действия по упаковке и избегать ошибок упаковки или отходов материала.

Кроме того, емкость памяти ЦП также оказывает важное влияние на производительность ПЛК. Большая емкость памяти может хранить больше пользовательских программ, данных, исторических записей и другой информации. В некоторых промышленных процессах, требующих длительной эксплуатации и высоких требований к записи данных, таких как мониторинг процесса реакции в химическом производстве, ПЛК необходимо хранить большой объем данных в реальном времени, таких как температура, давление, поток и программы управления. ЦП с большой емкостью памяти может удовлетворить эту потребность, обеспечить целостность и прослеживаемость данных и оказать надежную поддержку для последующего анализа производства и устранения неполадок.

2.2.2 Модули ввода/вывода

Модуль ввода/вывода (I/O) является мостом для обмена информацией между ПЛК и внешними устройствами, и его функция имеет решающее значение. С помощью модуля ввода/вывода ПЛК может собирать различную информацию о состоянии внешних устройств в режиме реального времени и выводить обработанный сигнал управления на соответствующий исполнительный механизм, тем самым реализуя точное управление внешними устройствами.

Модули ввода-вывода можно разделить на аналоговые и цифровые, каждый из которых имеет свои особенности с точки зрения функций и сценариев применения. Цифровые модули в основном используются для обработки дискретных сигналов переключения, таких как нажатие и отпускание кнопки, срабатывание и не срабатывание датчика, включение и выключение реле и т. д. В промышленном производстве цифровые модули широко используются для управления пуском-остановкой оборудования, мониторинга состояния и т. д. Например, на автоматизированной сборочной линии цифровые входные модули используются для сбора сигналов датчиков на каждой рабочей станции, чтобы определить, находится ли заготовка на месте; цифровые выходные модули используются для управления пуском и остановкой двигателя, выдвижением и втягиванием цилиндра и другими действиями для достижения автоматизированной работы производственной линии.

Аналоговый модуль в основном используется для обработки непрерывно изменяющихся аналоговых сигналов, таких как выходные сигналы датчиков, таких как температура, давление, расход и уровень жидкости. Эти аналоговые сигналы должны быть преобразованы с помощью АЦП (аналогово-цифровой), прежде чем они могут быть обработаны ЦП ПЛК. В системе контроля температуры аналоговый входной модуль преобразует непрерывно изменяющиеся аналоговые сигналы температуры, обнаруженные датчиком температуры, в цифровые сигналы и передает их в ЦП. После того, как ЦП проанализирует и обработает эти данные в соответствии с заданной стратегией управления, он выводит соответствующие аналоговые сигналы через аналоговый выходной модуль для управления работой нагревательного оборудования или охлаждающего оборудования для достижения точного регулирования температуры.

В практических приложениях очень важно выбрать подходящий модуль ввода-вывода в соответствии с конкретными требованиями к управлению. Прежде всего, необходимо учитывать потребность в точках ввода-вывода. Различные промышленные системы управления предъявляют разные требования к количеству входных и выходных сигналов. Модули с соответствующими точками ввода-вывода следует разумно выбирать в соответствии с фактическим количеством датчиков и исполнительных механизмов. Если количество точек ввода-вывода слишком мало, оно может не соответствовать требованиям к управлению системы; если оно слишком велико, это приведет к пустой трате ресурсов и увеличению затрат.

Во-вторых, рассмотрите тип и диапазон сигнала. Различные датчики и приводы выводят или требуют разные типы сигналов и диапазоны. Например, датчик температуры может выводить токовый сигнал 4-20 мА или сигнал напряжения 0-5 В, а датчик давления также имеет различные варианты диапазонов. Поэтому при выборе модуля ввода-вывода необходимо убедиться, что он совместим с типом и диапазоном сигнала, который необходимо обработать, чтобы обеспечить точную передачу и обработку сигнала.

Расстояние передачи сигнала и помехозащищенность также являются важными факторами, которые следует учитывать при выборе модулей ввода-вывода. На некоторых крупных промышленных объектах расстояние между датчиками, исполнительными механизмами и ПЛК может быть большим. В настоящее время необходимо выбирать модули ввода-вывода с сильными возможностями передачи сигнала и помехозащищенностью, чтобы гарантировать, что сигнал не будет искажен или потерян во время передачи. Например, модули ввода-вывода, использующие технологию передачи по оптоволокну, могут эффективно улучшить расстояние передачи и помехозащищенность сигналов и подходят для промышленных приложений управления в условиях больших расстояний и высокого уровня помех.

2.2.3 Источник питания

Стабильное электропитание является основной гарантией нормальной работы ПЛК, и его важность очевидна. Как основное оборудование системы управления промышленной автоматикой, ПЛК должен работать непрерывно и надежно в различных сложных промышленных условиях. Если возникает проблема с электропитанием, например, колебания напряжения, отключение электроэнергии и т. д., это может привести к ненормальной работе ПЛК или даже повреждению оборудования, что повлияет на нормальную работу всего производственного процесса и приведет к огромным экономическим потерям.

Модуль питания ПЛК обычно имеет несколько функций для удовлетворения различных требований приложений. Он может преобразовывать внешнюю входную мощность переменного тока в различную мощность постоянного тока, требуемую ПЛК, обеспечивая стабильную поддержку питания для различных компонентов, таких как ЦП, память, модуль ввода-вывода и т. д. Модуль питания имеет хорошие характеристики стабилизации напряжения и может автоматически регулировать выходное напряжение в определенном диапазоне, чтобы гарантировать, что ПЛК может продолжать нормально работать при колебаниях входного напряжения. На некоторых промышленных объектах напряжение сети может колебаться из-за изменений нагрузки и других причин. Высококачественные модули питания могут эффективно подавлять такие колебания, обеспечивать стабильность выходного напряжения и создавать хорошие условия питания для надежной работы ПЛК.

Модуль питания также имеет такие функции, как защита от перегрузки по току, защита от перенапряжения и защита от короткого замыкания. Когда выходной ток мощности превышает номинальное значение, функция защиты от перегрузки по току начнет отключать выходную мощность, чтобы предотвратить повреждение внутренней цепи ПЛК чрезмерным током; когда функция защиты от перенапряжения обнаруживает, что входное напряжение слишком высокое, она принимает соответствующие меры, такие как снижение напряжения или отключение питания, чтобы защитить ПЛК от воздействия высокого напряжения; а функция защиты от короткого замыкания может быстро сработать, когда в выходной цепи происходит короткое замыкание, чтобы предотвратить повреждение оборудования током короткого замыкания.

Кроме того, для того, чтобы гарантировать, что ПЛК может сохранять данные и состояние в обычном режиме в случае внезапного отключения электроэнергии, некоторые силовые модули также оснащены резервной батареей. Когда основное питание отключается, резервная батарея немедленно начинает работать, чтобы обеспечить короткий период поддержки питания для ПЛК, так что ПЛК имеет достаточно времени, чтобы сохранить важные данные и рабочее состояние в энергонезависимой памяти, так что он может быстро вернуться в рабочее состояние до отключения электроэнергии после восстановления питания, обеспечивая непрерывность производственного процесса. В некоторых отраслях, которые предъявляют чрезвычайно высокие требования к непрерывности производства, таких как нефтехимия, производство стали и т. д., функция резервной батареи силового модуля особенно важна, что позволяет эффективно избегать перерывов в производстве и повреждения оборудования, вызванных кратковременными отключениями электроэнергии.

2.3 Программное обеспечение ПЛК

2.3.1 Язык программирования

Языки программирования ПЛК богаты и разнообразны, каждый из них имеет свои уникальные характеристики и применимые сценарии, предоставляя инженерам гибкие возможности программирования для удовлетворения потребностей различных проектов промышленного управления.

Ladder Diagram (LD) — один из наиболее часто используемых и интуитивно понятных языков программирования. Он опирается на форму традиционных электрических схем управления и использует графические символы, такие как реле и контакты, для представления логических отношений. В лестничной схеме нормально разомкнутые и нормально замкнутые контакты представлены различными графическими изображениями, и эти контакты и катушки объединены и соединены, чтобы сформировать логический контур управления. Этот метод программирования очень прост в использовании для инженеров, знакомых с электрическим управлением, потому что его логическая связь ясна с первого взгляда, как и рисование реальной электрической схемы управления. В простой программе управления двигателем вперед и назад использование лестничных схем может четко показать логику управления вперед, назад и остановку двигателя. Разумно соединяя нормально разомкнутые и нормально замкнутые контакты кнопки управления с катушками прямых и обратных контакторов двигателя, можно интуитивно реализовать функцию управления вперед и назад двигателем.

Функциональная блок-схема (FBD) — это графический язык программирования, основанный на функциональных модулях. Он разлагает сложные функции управления на независимые функциональные блоки, каждый из которых имеет определенные входы, выходы и функции. Эти функциональные блоки похожи на модули интегральных схем в электронных схемах. Объединяя и соединяя их, можно реализовать сложную логику управления. Преимущество функциональной блок-схемы заключается в том, что она может четко выражать функциональную структуру и поток данных системы, что облегчает модульное проектирование и анализ системы. В системе управления автоматизированной производственной линии задействовано несколько связей, таких как транспортировка материалов, обработка и тестирование, и каждая связь может быть представлена функциональным блоком. Соединяя эти функциональные блоки в соответствии с производственным процессом, можно быстро построить систему управления всей производственной линией, а каждый функциональный блок можно отлаживать и оптимизировать отдельно.

Список инструкций (IL) — это текстовый язык программирования, который использует мнемонику для представления различных рабочих инструкций, подобно компьютерному языку ассемблера. Язык списка инструкций лаконичен и компактен, может реализовывать сложные логические операции и обработку данных. Для некоторых задач управления, требующих высокой эффективности выполнения программ и сложных логических связей, язык списка инструкций может проявить свои преимущества. В некоторых промышленных сценариях, требующих быстрой обработки и анализа больших объемов данных, таких как мониторинг в реальном времени и анализ различных данных в процессе производства, программы, написанные на языке списка инструкций, могут выполнять задачи обработки данных более эффективно. Однако читаемость языка списка инструкций относительно плохая. Для новичков его трудно понимать и писать, и требуется глубокое понимание системы инструкций ПЛК.

Структурированный текст (ST) — это высокоуровневый текстовый язык программирования с синтаксисом, похожим на PASCAL. Он поддерживает высокоуровневые структуры программирования, такие как переменные, типы данных, условные суждения и управление циклами. Структурированный текст подходит для написания сложных алгоритмов и логических программ и может обеспечить утонченный контроль над системой. В некоторых промышленных приложениях, требующих сложных математических операций и логических рассуждений, таких как планирование пути робота и реализация алгоритма управления движением, структурированный текст может предоставить мощные возможности программирования. Он может легко определять и использовать различные структуры данных и алгоритмы, делая логику программы более ясной и краткой, а также улучшая читаемость и удобство обслуживания программы.

Последовательная функциональная диаграмма (SFC) — это язык программирования, используемый для описания последовательного процесса управления системой управления. Он делит рабочий процесс системы на ряд шагов и переходных условий и реализует последовательное управление системой путем переключения шагов и удовлетворения переходных условий. Последовательная функциональная диаграмма может четко отображать рабочий процесс системы и связь перехода состояний. Для некоторых задач управления с очевидной последовательностью, таких как управление процессами автоматизированных производственных линий и управление работой лифта, программирование с помощью последовательных функциональных диаграмм может сделать структуру программы более ясной, легкой для понимания и обслуживания. В системе управления лифтом последовательная функциональная диаграмма может интуитивно описывать порядок и условия ряда действий лифта от получения сигналов вызова этажа, подъема или опускания, достижения целевого этажа, открытия дверей, закрытия дверей и т. д., чтобы обеспечить безопасную и стабильную работу лифта.

2.3.2 Программное обеспечение и инструменты для программирования

Программное обеспечение и инструменты для программирования ПЛК являются важными средствами для разработки, отладки и обслуживания программ ПЛК. ПЛК разных марок и моделей обычно оснащены соответствующим специализированным программным обеспечением для программирования. Это программное обеспечение имеет свои собственные характеристики и предоставляет инженерам богатую функциональную поддержку.

SIMATIC STEP 7 от Siemens — это программное обеспечение для программирования, широко используемое в ПЛК серии Siemens, с мощными функциями и высокой гибкостью. Оно поддерживает несколько языков программирования, включая релейные диаграммы, функциональные блок-схемы, списки инструкций и т. д., чтобы соответствовать привычкам программирования и требованиям проекта разных инженеров. Программное обеспечение обеспечивает интуитивно понятный пользовательский интерфейс, и инженеры могут легко создавать, редактировать, отлаживать и контролировать программы с помощью графических операций. При создании сложной программы системы управления автоматизацией инженеры могут использовать графический интерфейс программирования SIMATIC STEP 7 для легкого рисования релейных диаграмм или функциональных блок-схем и быстрого построения структуры программы. В то же время программное обеспечение также имеет мощные диагностические функции, которые могут контролировать рабочее состояние ПЛК в реальном времени, быстро обнаруживать и локализовать ошибки и неисправности в программе и значительно повышать эффективность отладки.

RSLogix 5000 от Rockwell Automation — это программное обеспечение для программирования серии устройств Allen-Bradley, особенно для сложных проектов автоматизации. Программное обеспечение предоставляет комплексное решение, которое поддерживает объектно-ориентированное программирование, позволяя инженерам более эффективно организовывать и управлять программным кодом. RSLogix 5000 также имеет развитые функции безопасности, гарантирующие безопасную и надежную работу программ в промышленных производственных средах. Он легко интегрируется с интегрированной средой FactoryTalk, может достигать высокой степени интеграции с другим оборудованием и системами автоматизации и обеспечивает надежную поддержку для создания больших и сложных систем управления автоматизацией.

CX-Programmer от Omron — это программное обеспечение для программирования ПЛК Omron, известное своим удобным интерфейсом и эффективными возможностями программирования. Оно предоставляет пользователям интуитивно понятную среду проектирования и упрощает процесс написания программ с помощью удобных методов, таких как операции перетаскивания. Для новичков CX-Programmer предоставляет большое количество примеров программ и подробных справочных документов, которые помогут быстро приступить к работе и научиться. В реальных проектах инженеры могут использовать эти примеры программ в качестве справочных материалов в сочетании с конкретными требованиями к управлению, чтобы быстро писать и отлаживать собственные программы. В то же время программное обеспечение также поддерживает несколько протоколов связи, что облегчает взаимодействие данных и связь с другими устройствами.

В дополнение к вышеупомянутому специализированному программному обеспечению для программирования, существуют также некоторые общие инструменты программирования ПЛК, такие как CODESYS. CODESYS — это мощная среда разработки, которая поддерживает разработку нескольких марок ПЛК и обладает высокой универсальностью и переносимостью. Она предоставляет множество функций программирования и библиотечных функций. Инженеры могут выбирать соответствующие функциональные модули для разработки в соответствии с требованиями проекта, что снижает нагрузку на повторное программирование. CODESYS также поддерживает функции отладки и мониторинга в режиме онлайн, позволяя инженерам просматривать состояние выполнения программы и значения переменных в режиме реального времени, а также своевременно обнаруживать и решать проблемы.

2.3.3 Методы программирования

В программировании ПЛК принятие соответствующих методов проектирования может улучшить качество, читаемость и удобство обслуживания программы, а также обеспечить стабильную работу и эффективную работу системы управления. Структурное программирование и модульное программирование являются двумя широко используемыми методами программирования, которые играют важную роль в программировании ПЛК.

Структурное программирование — это метод программирования, основанный на трех основных структурах: последовательность, выбор и цикл. Благодаря организации и построению логики программы в соответствии с этими тремя структурами программа имеет четкую иерархию и логический поток. В структуре последовательности программа выполняет каждый оператор в порядке сверху вниз; структура выбора определяет выполнение различных ветвей программы на основе различных условий; структура цикла используется для многократного выполнения определенного программного кода до тех пор, пока не будет выполнено определенное конечное условие. При программировании ПЛК системы контроля температуры можно использовать метод структурного программирования. Сначала данные датчика температуры собираются и считываются через структуру последовательности; затем собранное значение температуры сравнивается с заданным диапазоном температур с использованием структуры выбора, чтобы определить, является ли текущая температура нормальной. Если температура выходит за пределы диапазона, выбирается соответствующая операция управления в соответствии с различными ситуациями, такими как запуск нагревательного устройства или охлаждающего устройства; наконец, структура цикла используется для непрерывного мониторинга и управления температурой, чтобы гарантировать, что температура всегда остается в пределах установленного диапазона.

Модульное программирование заключается в разделении всей системы управления на несколько независимых модулей в соответствии с функциями. Каждый модуль отвечает за выполнение определенных функциональных задач, а модули передают и взаимодействуют друг с другом через интерфейсы. Преимущество этого метода программирования заключается в том, что он улучшает ремонтопригодность и масштабируемость программы. Когда систему управления необходимо модернизировать или модифицировать, необходимо настроить только соответствующий модуль, не влияя на нормальную работу других модулей. В системе управления ПЛК автоматизированной производственной линии ее можно разделить на несколько функциональных модулей, таких как модуль транспортировки материалов, модуль обработки и модуль обнаружения. Модуль транспортировки материалов отвечает за управление транспортировкой материалов на производственной линии, модуль обработки реализует обработку материалов, а модуль обнаружения используется для выполнения проверки качества обработанных продуктов. Каждый модуль имеет независимые интерфейсы ввода и вывода и логику программы. Разумно вызывая и объединяя эти модули, можно быстро построить систему управления всей производственной линией. В последующем процессе обслуживания, если модуль транспортировки материалов выходит из строя, инженер может напрямую проверить и отремонтировать модуль без масштабного устранения неисправностей всей программы.

В реальном проектировании программ ПЛК структурное программирование и методы модульного программирования обычно объединяются. Сначала модульное программирование используется для разделения системы на несколько функциональных модулей, а затем методы структурного программирования используются внутри каждого модуля для реализации конкретной функциональной логики модуля. Это не только гарантирует, что общая структура программы будет понятной и простой в обслуживании, но и улучшает читаемость и масштабируемость программы, предоставляя надежную гарантию стабильной работы и эффективной разработки системы управления ПЛК.

3. Применение электротехнологии ПЛК в роботах

3.1 Применение в промышленных роботах

3.1.1 Производство автомобилей

В области автомобилестроения промышленные роботы широко используются, и электротехнология PLC играет в ней ключевую роль. Если взять в качестве примера роботов для сварки автомобилей, то их рабочий процесс включает в себя высокоточное управление движением и сложное логическое суждение. PLC с его мощными функциями реализует точное управление сваркой и эффективную координацию производственных процессов.

На линии сварки кузова автомобиля обычно работают несколько сварочных роботов. Каждый сварочный робот должен точно определять местонахождение различных свариваемых деталей кузова автомобиля и выполнять сварочные операции в соответствии с заданными параметрами процесса сварки. ПЛК может точно контролировать траекторию движения руки робота, работая в тесном контакте с системой управления движением робота. При сварке двери автомобиля ПЛК посылает точные импульсные сигналы на серводвигатель робота в соответствии с предварительно написанной программой для управления скоростью и углом двигателя, чтобы сварочный пистолет робота мог точно перемещаться к точке сварки двери автомобиля. В то же время ПЛК также может контролировать состояние движения робота в режиме реального времени, чтобы гарантировать, что точность его движения находится в пределах допустимой погрешности. Как только будет обнаружено отклонение движения робота, ПЛК немедленно выдаст инструкцию по корректировке для обеспечения качества сварки.

Контроль параметров в процессе сварки также имеет решающее значение. Такие параметры, как сварочный ток, напряжение и скорость сварки, напрямую влияют на качество сварки. Благодаря коммуникационному соединению с источником питания сварки ПЛК может регулировать параметры сварки в режиме реального времени в соответствии с различными местами сварки и материалами. Для сварки высокопрочной стали ПЛК увеличит сварочный ток в соответствии с предварительно установленными требованиями процесса, чтобы обеспечить прочность и качество сварки. Более того, в процессе сварки ПЛК будет продолжать отслеживать изменения параметров сварки. Если он обнаружит чрезмерные колебания тока или аномальное напряжение, он примет своевременные меры по регулировке, чтобы избежать дефектов сварки.

ПЛК также играет ключевую роль в координации производственного процесса. Производство автомобилей — это высокоавтоматизированный производственный процесс, и сварочные роботы должны работать совместно с другим производственным оборудованием, таким как конвейерные линии и приспособления. ПЛК взаимодействует с системами управления этих устройств для достижения бесшовной интеграции всего производственного процесса. Когда кузов автомобиля транспортируется на сварочную станцию, ПЛК управляет приспособлением, чтобы точно зажать кузов автомобиля и обеспечить стабильную рабочую платформу для сварочного робота. После завершения сварки ПЛК управляет конвейерной линией для транспортировки сваренного кузова автомобиля на следующую станцию. Таким образом, ПЛК обеспечивает эффективную и стабильную работу всего производственного процесса, повышая эффективность производства и качество производства автомобилей.

3.1.2 Сфера производства электроники

В области электронного производства, с развитием тенденции миниатюризации и усовершенствования электронных изделий, требования к точности и эффективности производства становятся все более строгими. Применение электрической технологии PLC в роботах для сборки электронных компонентов обеспечивает надежную поддержку для выполнения этих требований и значительно повышает точность и эффективность производства.

Электронные компоненты обычно имеют небольшие размеры, такие как микросхемы, резисторы, конденсаторы и т. д., и процесс их сборки требует чрезвычайно высокой точности. Если взять в качестве примера сборку компонентов SMD на материнских платах мобильных телефонов, то сборочный робот должен точно разместить крошечные компоненты SMD в указанном месте материнской платы. ПЛК обеспечивает точное управление сборочным роботом, работая совместно с высокоточными визуальными системами и системами управления движением. Визуальная система отвечает за получение изображений и распознавание электронных компонентов и материнских плат, а также получает информацию о положении, осанке компонентов и положении точек сварки на материнской плате. После передачи этой информации в ПЛК ПЛК выполняет точные вычисления и анализ в соответствии с заданным алгоритмом, а затем отправляет инструкции управления в систему управления движением робота. Система управления движением точно управляет движением механической руки робота в соответствии с этими инструкциями, позволяя механической руке захватывать и размещать электронные компоненты с чрезвычайно высокой точностью. В этом процессе ПЛК может достичь точности управления положением механической руки на уровне микрона, обеспечивая точную сборку электронных компонентов.

ПЛК также может повысить эффективность сборки за счет оптимизации траектории движения робота и последовательности действий. В процессе сборки электронных компонентов роботу необходимо часто перемещаться между различными локациями, чтобы захватывать и размещать компоненты. ПЛК анализирует задачу сборки и рационально планирует траекторию движения робота, избегая ненужных движений и перемещений, а также сокращая время перемещения робота. В то же время ПЛК также может оптимизировать последовательность действий робота в соответствии с типом и количеством компонентов, чтобы робот мог выполнить задачу сборки наиболее эффективным способом. В задаче сборки, включающей несколько типов электронных компонентов, ПЛК может отдать приоритет роботу, чтобы захватывать и размещать компоненты, которые находятся близко друг к другу, в соответствии с распределением компонентов, сокращая время простоя робота. Таким образом, ПЛК эффективно повышает эффективность работы роботов по сборке электронных компонентов и сокращает производственный цикл.

Кроме того, ПЛК также имеет мощные функции диагностики неисправностей и сигнализации. В процессе электронного производства, как только возникает неисправность, большое количество продукции может быть отбраковано, что приводит к огромным экономическим потерям. ПЛК может контролировать рабочее состояние робота и условия работы каждого компонента в режиме реального времени. Как только обнаруживается неисправность, например, перегрев двигателя, отказ датчика и т. д., он немедленно выдает сигнал тревоги и принимает соответствующие меры для ее устранения. ПЛК может автоматически останавливать работу робота, чтобы предотвратить дальнейшее распространение неисправности, и одновременно регистрировать информацию о неисправности, предоставляя обслуживающему персоналу точную основу для диагностики неисправностей, значительно сокращая время устранения неисправностей и повышая надежность и стабильность производственной линии.

3.1.3 Логистика и складирование

В сфере логистики и складирования все чаще используются логистические роботы, а электрическая технология ПЛК обеспечивает ключевую поддержку для их эффективной работы. Благодаря анализу случаев логистических роботов, мы можем ясно увидеть важную роль ПЛК в управлении планированием пути робота, обработкой грузов и т. д.

На современных логистических складах логистические роботы должны точно находить место хранения товаров в сложных условиях и транспортировать их в назначенные места. ПЛК играет основную роль в планировании пути роботов. Возьмем в качестве примера AGV (автоматически управляемое транспортное средство). Обычно оно оснащено несколькими методами навигации, такими как лазерная навигация, визуальная навигация или навигация по магнитной полосе. Когда AGV получает задачу по обработке, ПЛК сначала получает картографическую информацию склада и информацию о местоположении товаров. Затем, основываясь на этой информации, ПЛК использует передовые алгоритмы планирования пути, такие как алгоритм A* и алгоритм Дейкстры, для расчета оптимального пути от текущего местоположения до места хранения товаров. В процессе расчета ПЛК будет учитывать такие факторы, как распределение препятствий на складе, ширина канала и работа других роботов, чтобы гарантировать, что запланированный путь будет безопасным и эффективным. На большом логистическом складе на складе установлено много полок и каналов, а также работает другое погрузочно-разгрузочное оборудование. Когда AGV необходимо перевезти груз, PLC спланирует оптимальный маршрут, чтобы избежать препятствий и другого оборудования на основе карты склада и актуальной информации об окружающей среде, чтобы AGV мог быстро и точно добраться до места хранения товаров.

В процессе обработки груза ПЛК может точно контролировать движения робота. Логистические роботы обычно оснащены приводами, такими как манипуляторы и захваты, для захвата и переноса груза. ПЛК подключен к системе управления этих приводов и может точно контролировать траекторию движения манипулятора и силу захвата захватов в соответствии с формой, весом и требованиями к обработке груза. Для грузов разных размеров и веса ПЛК будет регулировать скорость движения и ускорение манипулятора, чтобы обеспечить плавный и безопасный процесс обработки. При обработке хрупких грузов ПЛК будет управлять захватами, чтобы захватить груз с соответствующей силой, чтобы избежать повреждения груза из-за чрезмерного захвата; в то же время ПЛК будет контролировать скорость движения манипулятора, чтобы она была медленнее, чтобы предотвратить повреждение груза из-за тряски во время обработки.

Кроме того, PLC также может реализовать скоординированное управление несколькими логистическими роботами. В сценариях крупномасштабного складирования логистики часто одновременно работают несколько роботов-обработчиков. PLC подключается к каждому роботу через коммуникационную сеть для мониторинга их рабочего состояния и хода выполнения задач в режиме реального времени. В соответствии с логистическими потребностями склада PLC может разумно распределять задачи по обработке между разными роботами, чтобы избежать конфликтов и перегрузки между роботами и повысить эффективность работы всей системы складирования логистики. В часы пик складу необходимо одновременно обрабатывать большое количество товаров на складе и со склада. PLC будет разумно распределять задачи в соответствии с местоположением, нагрузкой и приоритетом задач каждого робота, чтобы каждый робот мог работать эффективно и обеспечивать плавный ход операций по складированию логистики.

3.2 Применение в специальных роботах

3.2.1 Аварийно-спасательный робот

В области ликвидации последствий стихийных бедствий и спасательных работ, в опасных и сложных условиях, таких как пожары, руины после землетрясений и зоны утечки ядерных материалов, роботы для ликвидации последствий стихийных бедствий и спасательные роботы играют незаменимую ключевую роль, а электрическая технология ПЛК является основной поддержкой их стабильной и эффективной работы.

Возьмем в качестве примера сценарии спасения при землетрясении. После землетрясения здания рушатся, а в руинах находится большое количество нестабильных конструкций и опасных предметов. В этой суровой среде спасательному роботу необходимо глубоко проникнуть в руины, чтобы найти выживших и провести спасательные работы. ПЛК может ощущать изменения в окружающей среде в режиме реального времени, тесно взаимодействуя с сенсорной системой робота. Например, инфракрасные датчики используются для обнаружения признаков жизни в руинах. Когда датчик обнаруживает инфракрасные сигналы, излучаемые человеческим телом, он передает сигнал в ПЛК. Получив сигнал, ПЛК анализирует и оценивает в соответствии с заданной программой, определяет конкретное местоположение признаков жизни и планирует наилучший путь спасения. В то же время ПЛК также управляет механической рукой робота, чтобы он мог точно перемещать препятствия и приближаться к выжившим.

На месте пожара высокая температура, густой дым и токсичные газы представляют большую угрозу для жизни и безопасности спасателей. Спасательный робот оснащен оборудованием, устойчивым к высоким температурам и дыму. ПЛК работает с этим оборудованием для достижения эффективного вмешательства на месте пожара. ПЛК может управлять роботом, чтобы нести противопожарное оборудование и точно регулировать количество и направление огнетушащего вещества в соответствии с размером и распределением пожара. При приближении к источнику пожара ПЛК также будет контролировать данные датчика температуры и газа робота в режиме реального времени. Как только температура станет слишком высокой или концентрация вредных газов превысит норму, он немедленно даст команду роботу эвакуироваться в безопасную зону, чтобы обеспечить собственную безопасность.

В случае аварии с утечкой ядерного материала спасательным роботам необходимо выполнять задачи в условиях высокой радиации. В этой экстремальной среде полностью продемонстрированы помехоустойчивость и стабильность ПЛК. Он может надежно контролировать различные действия робота, такие как блокировка источника утечки и очистка радиоактивных материалов. Благодаря технологии дистанционного управления операторы могут давать инструкции роботу через ПЛК с безопасного расстояния, избегая прямого воздействия на персонал среды с высокой радиацией, что значительно повышает безопасность и осуществимость спасательных работ.

3.2.2 Медицинские роботы-помощники

В области медицины применение электрической технологии ПЛК в медицинских роботах внесло революционные изменения в сферу медицинских услуг, значительно повысило точность и безопасность медицинских услуг, а также предоставило надежные гарантии лечения и реабилитации пациентов.

Возьмем в качестве примера хирургических роботов. При выполнении сложных хирургических операций требования к хирургической точности чрезвычайно высоки. ПЛК достигает точного управления хирургическими инструментами, взаимодействуя с высокоточной механической рукой робота и системой датчиков. В хирургии головного мозга хирургическим роботам необходимо выполнять чрезвычайно тонкие операции в небольшом пространстве, чтобы не повредить окружающую нервную ткань. В соответствии с хирургическим планом и обратной связью по изображению в реальном времени ПЛК отправляет точные инструкции управления серводвигателю механической руки, позволяя механической руке перемещать хирургические инструменты с точностью до микрона и аккуратно удалять пораженные ткани. В то же время ПЛК также может контролировать положение и силу хирургических инструментов в реальном времени, чтобы обеспечить безопасность и стабильность хирургического процесса. Если положение механической руки отклоняется или приложенная сила слишком велика во время операции, ПЛК немедленно подает звуковой сигнал и автоматически корректирует движение механической руки, чтобы избежать причинения вреда пациенту.

В области реабилитационной терапии все чаще используются реабилитационные роботы. Для пациентов с дисфункцией конечностей из-за инсульта, травмы спинного мозга и других причин реабилитационные роботы могут помочь провести целевые реабилитационные тренировки. PLC играет важную роль в управлении тренировочными движениями и мониторинге состояния пациента в реабилитационных роботах. Реабилитационные роботы могут разрабатывать персонализированные планы тренировок на основе состояния пациента и стадии реабилитации. Согласно этим планам, PLC управляет механической структурой робота для имитации различных реабилитационных движений, таких как ходьба и хватание. В то же время PLC также будет контролировать мышечную силу пациента, диапазон движений суставов и другие физиологические показатели в режиме реального времени с помощью датчиков, а также регулировать интенсивность тренировки и режим движения в соответствии с результатами мониторинга для обеспечения эффективности и безопасности реабилитационных тренировок. Если пациент устает или испытывает дискомфорт во время тренировки, датчик передаст сигнал в PLC, который скорректирует ритм тренировки или вовремя приостановит тренировку для обеспечения безопасности пациента.

Кроме того, с точки зрения медицинской логистики и дистрибуции, логистические роботы, управляемые PLC, могут эффективно и точно транспортировать лекарства, медицинское оборудование, образцы и другие предметы в пределах больницы. Эти роботы могут автономно перемещаться между различными отделениями больницы с помощью предварительно заданных систем планирования пути и навигации. PLC разумно распределяет работу роботов в соответствии с логистическими потребностями больницы и условиями дорожного движения в реальном времени, избегает столкновений и заторов между роботами и повышает эффективность и точность логистики и дистрибуции. В процессе транспортировки PLC также будет контролировать рабочее состояние робота и безопасность товаров в реальном времени, чтобы гарантировать, что товары могут быть доставлены в пункт назначения безопасно и своевременно.

3.2.3 Сельскохозяйственные роботы

В области сельскохозяйственного производства, с ростом стоимости рабочей силы и постоянным повышением эффективности и качества сельскохозяйственного производства, применение сельскохозяйственных роботов постепенно стало важной тенденцией в развитии модернизации сельского хозяйства. Применение электротехнологий ПЛК в сельскохозяйственных роботах внесло значительные изменения в сельскохозяйственное производство и значительно способствовало автоматизации и интеллектуализации сельскохозяйственного производства.

Возьмем в качестве примера робота, собирающего фрукты в саду. Во время процесса сбора фруктов необходимо точно определить зрелость, положение и форму фруктов и выполнить точные операции по сбору. ПЛК работает совместно с системой визуального распознавания робота и роботизированной рукой для достижения эффективного сбора фруктов. Система визуального распознавания использует камеру для захвата изображений фруктов в саду и передает информацию об изображении в ПЛК. ПЛК использует встроенный алгоритм обработки изображений для анализа и идентификации изображения для определения зрелости и положения фруктов. Когда спелый фрукт идентифицирован, ПЛК рассчитывает траекторию движения роботизированной руки на основе информации о положении плода и отправляет инструкции управления приводному двигателю роботизированной руки, чтобы роботизированная рука могла точно захватить фрукт. Во время процесса захвата ПЛК также регулирует силу захвата роботизированной руки в соответствии с формой и размером плода, чтобы избежать повреждения плода. В то же время ПЛК может также взаимодействовать с системой управления садом и загружать данные о сборе в режиме реального времени, такие как тип, количество и место сбора фруктов, для предоставления информационной поддержки управлению производством в садоводстве.

При прополке сельскохозяйственных угодий сельскохозяйственный робот-прополочник может автоматически прополоть в соответствии с распределением сорняков на сельскохозяйственных угодьях. ПЛК достигает точного контроля прополки, взаимодействуя с сенсорной системой робота и исполнительным механизмом прополки. Сенсорная система может отслеживать рост сорняков на сельскохозяйственных угодьях в режиме реального времени, включая такую информацию, как тип и плотность распределения сорняков. На основе этой информации ПЛК формулирует стратегии прополки и управляет работой исполнительных механизмов прополки. Например, для больших площадей сорняков ПЛК может управлять роботом-прополкой для прополки на более высокой скорости; для разбросанных сорняков ПЛК может управлять роботом для точной прополки в фиксированной точке, чтобы избежать повреждения урожая. Кроме того, ПЛК также может регулировать скорость движения и положение робота в соответствии с рельефом и почвенными условиями сельскохозяйственных угодий, чтобы обеспечить стабильность и эффективность операций по прополке.

В области сельскохозяйственного орошения роботы-ирригаторы могут автоматически выполнять операции по орошению на основе таких факторов, как влажность почвы и потребность растений в воде. ПЛК реализует интеллектуальное управление орошением, подключаясь к датчикам влажности почвы, метеорологическим датчикам и ирригационному оборудованию. Датчики влажности почвы отслеживают информацию о влажности почвы в режиме реального времени, в то время как метеорологические датчики предоставляют данные о погодных условиях, таких как температура и осадки. На основе этой информации в сочетании со стадией роста и потребностью растений в воде ПЛК рассчитывает разумное количество и время полива, а также управляет открытием и закрытием ирригационного оборудования. Например, когда влажность почвы ниже установленного порогового значения и прогноз погоды не показывает осадков в ближайшем будущем, ПЛК будет управлять ирригационным оборудованием для орошения; когда влажность почвы достигает соответствующего диапазона или количество осадков велико, ПЛК вовремя остановит орошение, чтобы избежать пустой траты водных ресурсов. Благодаря этому интеллектуальному управлению орошением не только повышается эффективность использования водных ресурсов, но и может быть обеспечена подходящая среда роста для сельскохозяйственных культур, способствующая росту и развитию сельскохозяйственных культур.

3.3 Применение в сервисных роботах

3.3.1 Робот для обслуживания дома

В современной семейной жизни домашние роботы постепенно становятся правой рукой людей, принося людям более удобный и комфортный жизненный опыт. Возьмем в качестве примера робота-подметальщика. Благодаря своей эффективной способности к уборке и интеллектуальному управлению он пользуется популярностью у потребителей, и это неотделимо от прочной поддержки электротехнологий PLC.

Во время работы подметающего робота функция автономной навигации является ключом к его эффективной уборке. Работая совместно с различными датчиками, ПЛК может получать информацию об окружающей среде робота в режиме реального времени. Например, лазерный радарный датчик может быстро сканировать окружающее пространство и рисовать подробную карту, а ультразвуковой датчик может определять расстояние и положение препятствий впереди. ПЛК интегрирует и анализирует данные с этих датчиков и использует передовые алгоритмы для планирования оптимального пути уборки, чтобы гарантировать, что робот может полностью и эффективно покрыть всю область уборки и избежать пропусков и повторной уборки. В сложной обстановке гостиной есть диваны, журнальные столики, тумбы под телевизор и другая мебель. После того, как подметающий робот получит информацию о местоположении этой мебели с помощью датчиков, ПЛК быстро спланирует путь уборки, который избегает препятствий, начиная с угла комнаты и очищая линию за линией в определенном порядке, чтобы гарантировать, что каждый дюйм пола может быть очищен.

ПЛК также играет важную роль в выполнении задач по уборке. Он может точно управлять различными компонентами уборки подметального робота, такими как моторизованная роликовая щетка и боковая щетка, а также вентилятор, отвечающий за пылесос. Когда робот обнаруживает пыль или мусор на земле, ПЛК автоматически регулирует скорость роликовой щетки и боковой щетки в соответствии с типом и количеством мусора, чтобы гарантировать эффективную очистку мусора. Для стойких пятен ПЛК может управлять роликовой щеткой, чтобы увеличить давление на землю для усиления эффекта очистки. В то же время ПЛК также может разумно регулировать мощность всасывания вентилятора в соответствии с размером очищаемой области и количеством мусора, снижая потребление энергии и продлевая срок службы батареи робота, обеспечивая при этом эффект очистки.

Кроме того, PLC также предоставляет подметающему роботу интеллектуальные функции управления зарядкой. Когда робот обнаруживает, что аккумулятор разряжен, PLC спланирует оптимальный путь к зарядной станции на основе предварительно сохраненной картографической информации, чтобы гарантировать, что робот сможет точно вернуться на зарядную станцию для зарядки. Во время процесса зарядки PLC будет контролировать состояние заряда аккумулятора в режиме реального времени. Когда аккумулятор полностью заряжен, он автоматически прекратит зарядку, чтобы избежать повреждения аккумулятора из-за перезарядки и продлить срок службы аккумулятора.

3.3.2 Гостиничные роботы

В гостиничном бизнесе улучшение качества и эффективности обслуживания является ключом к привлечению клиентов и повышению конкурентоспособности. Применение электротехнологий PLC в роботах гостиничного обслуживания внесло инновационные изменения в операционную модель отеля и значительно улучшило качество и эффективность услуг.

Гостиничные роботы обычно выполняют различные задачи, такие как сопровождение гостей, транспортировка багажа и доставка вещей. Что касается сопровождения гостей, когда гости входят в вестибюль отеля, сопровождающий робот может идентифицировать гостя с помощью технологии распознавания лиц и взаимодействовать с системой управления клиентами отеля, чтобы получить информацию о бронировании гостя и номер комнаты. Затем ПЛК планирует оптимальный маршрут до номера гостя на основе этой информации и управляет роботом, чтобы направить гостя в номер с помощью голоса и жестов. В процессе сопровождения робот будет следить за окружающей средой в реальном времени, чтобы избежать столкновений с другими людьми или объектами. Если встретится лифт, ПЛК будет управлять роботом, чтобы связаться с системой управления лифтом, автоматически вызвать лифт и направить гостя в лифт, чтобы гарантировать, что гость сможет добраться до номера плавно и быстро.

ПЛК также играет важную роль в задачах доставки багажа и распределения предметов. Когда гостю требуется услуга по обработке багажа, персонал отеля помещает багаж гостя на робота-обработчика. ПЛК взаимодействует с системой управления этажами отеля и системой управления лифтом, чтобы получить информацию об этаже назначения. Затем ПЛК управляет роботом, чтобы он шел к лифту в соответствии с запланированным маршрутом, и после входа в лифт он автоматически нажимает кнопку целевого этажа. После прибытия на целевой этаж робот точно доставляет багаж к двери номера гостя на основе информации о номере комнаты. С точки зрения распределения предметов, когда гость размещает заказ на покупку предметов через систему обслуживания отеля или нуждается в доставке еды, после получения информации о заказе робот-доставщик быстро спланирует маршрут доставки и управляет роботом, чтобы он пошел на кухню или в кладовую, чтобы забрать товары. После завершения забора предметы доставляются в номер гостя в соответствии с заранее определенным маршрутом. Весь процесс является эффективным и точным, что значительно сокращает время ожидания для гостей.

Кроме того, роботы для гостиничного обслуживания могут быть также интегрированы с другими гостиничными системами через ПЛК для достижения более интеллектуальных услуг. Например, после интеграции с системой управления гостевыми номерами отеля робот может войти в номер заранее, до того, как гость зарегистрируется, включить кондиционер, отрегулировать яркость света и создать комфортную среду для регистрации гостя. После того, как гость выезжает, робот может войти в номер вовремя для уборки и осмотра, а также передать информацию о состоянии номера в систему управления гостевыми номерами, чтобы повысить эффективность оборота гостевого номера.

3.3.3 Образовательные и развлекательные роботы

В сфере образовательных развлечений применение электрической технологии ПЛК в образовательных развлекательных роботах предоставило пользователям новый интерактивный опыт и персонализированный метод обучения, значительно обогатив форму и содержание образовательных развлечений.

С точки зрения интерактивных функций образовательные и развлекательные роботы могут взаимодействовать с пользователями различными способами. Например, робот оснащен технологией распознавания и синтеза голоса, которая может точно распознавать голосовые команды пользователя и отвечать на вопросы пользователя голосом. Когда ребенок спрашивает робота об определенных научных знаниях, система распознавания голоса робота преобразует голосовой сигнал в текстовую информацию и передает ее в ПЛК. ПЛК анализирует и отвечает на вопросы в соответствии с предустановленной программой и базой знаний, а затем возвращает ответ ребенку в виде голоса с помощью технологии синтеза голоса. В то же время робот также может взаимодействовать с пользователем с помощью выражений, действий и т. д., чтобы повысить веселье и живость взаимодействия. Когда ребенок выполняет задание, робот может поздравить его, мигая огнями, покачивая телом и т. д., чтобы стимулировать интерес и энтузиазм ребенка к обучению.

С точки зрения персонализированного обучения PLC может адаптировать персонализированные учебные планы для пользователей на основе таких факторов, как возраст пользователя, прогресс в обучении и хобби. Образовательные развлекательные роботы могут отслеживать статус обучения и производительность пользователя в режиме реального времени с помощью встроенных датчиков и систем анализа обучения. Например, концентрацию ребенка во время процесса обучения можно наблюдать с помощью камеры, а взаимодействие между ребенком и роботом можно обнаружить с помощью датчика давления. На основе этих данных мониторинга PLC анализирует учебную ситуацию ребенка и корректирует содержание и методы обучения. Для детей с более быстрым прогрессом в обучении робот может предоставлять более сложные учебные задания; для детей с трудностями в обучении робот может замедлить темп обучения и предоставить больше примеров и рекомендаций. При изучении английского языка робот может регулировать сложность слов и способ объяснения в соответствии с уровнем английского языка ребенка, чтобы помочь ребенку лучше овладеть английским языком.

Кроме того, образовательные развлекательные роботы также могут подключаться к платформам онлайн-образования, чтобы получать богатые учебные ресурсы и предоставлять пользователям более разнообразный опыт обучения. ПЛК управляет роботом, чтобы взаимодействовать с платформой онлайн-образования и загружать новейшие учебные материалы, видеокурсы и т. д. В то же время робот также может загружать данные об обучении пользователя на платформу, чтобы учителя и родители могли их анализировать и оценивать, чтобы лучше направлять обучение детей.

4. Механизм электрической технологии ПЛК для реализации интеллектуальной автоматизации роботов

4.1 Точный контроль и позиционирование

4.1.1 Алгоритм управления движением

В процессе интеллектуальной автоматизации роботов алгоритм управления движением, принятый ПЛК, является основным элементом, который обеспечивает ключевую поддержку роботу для достижения точного управления траекторией движения. Среди них широко используется алгоритм управления ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциальный). Этот алгоритм может эффективно корректировать отклонение движения робота, точно регулируя три звена пропорции, интегрирования и дифференцирования. Когда промышленный робот перевозит материалы, предполагается, что роботу необходимо точно перемещать предметы из точки А в точку В. Во время движения датчик положения будет отслеживать отклонение между текущим положением робота и целевой позицией точки В в реальном времени. Пропорциональное звено в алгоритме ПИД будет выводить управляющий сигнал пропорционально размеру отклонения, так что робот быстро перемещается к целевой позиции. Интегральное звено интегрирует отклонение, что может устранить стационарную ошибку в системе и гарантировать, что робот сможет в конечном итоге точно достичь целевой позиции, не оставаясь на месте с определенным отклонением от целевой позиции. Дифференциальное звено заранее отрегулирует управляющий сигнал в соответствии со скоростью изменения отклонения, чтобы не допустить спешки робота через целевую точку из-за чрезмерной инерции при приближении к целевой позиции, тем самым достигая стабильности и точности движения робота.

В дополнение к алгоритму управления PID, некоторые передовые алгоритмы управления движением, такие как алгоритм адаптивного управления и алгоритм синовиального управления, также применяются в роботах с управлением PLC. Алгоритм адаптивного управления может автоматически регулировать параметры управления в соответствии с рабочим состоянием робота и изменениями окружающей среды, чтобы адаптироваться к различным рабочим условиям. Во время миссии робота, если происходит внезапное изменение нагрузки, алгоритм адаптивного управления может регулировать выходной крутящий момент двигателя в реальном времени, чтобы гарантировать, что скорость и точность движения робота не будут затронуты. Алгоритм синовиального управления достигает надежного управления системой, проектируя синовиальную поверхность таким образом, чтобы состояние системы скользило по синовиальной поверхности. В неопределенной промышленной среде алгоритм синовиального управления может эффективно противостоять внешним помехам и изменениям параметров системы, чтобы гарантировать точность управления движением робота.

4.1.2 Обратная связь и калибровка датчика

Датчики играют незаменимую роль в процессе реализации ПЛК интеллектуальной автоматизации робота. Они подобны «глазам» и «ушам» робота, предоставляя ПЛК точную и актуальную информацию обратной связи, тем самым достигая точной коррекции положения и позы робота.

Существует много распространенных типов датчиков, среди которых датчики положения, такие как энкодеры и решетчатые линейки, могут точно измерять информацию о положении сочленений робота или роботизированных рук. Взяв в качестве примера энкодер, он преобразует механическое движение в цифровые сигналы, чтобы предоставить ПЛК данные об угле поворота или линейном смещении каждого сочленения робота. Когда робот выполняет сложные задачи по сборке, датчик положения отслеживает положение роботизированной руки в режиме реального времени. Когда он обнаруживает, что положение роботизированной руки отклоняется от заданного положения сборки, он возвращает информацию об отклонении в ПЛК. После получения сигнала обратной связи ПЛК корректирует движение роботизированной руки в соответствии с заданной стратегией управления, так что роботизированная рука может точно достичь положения сборки и обеспечить высокоточное завершение задачи сборки.

Датчики положения, такие как гироскопы и акселерометры, используются для отслеживания изменений положения робота. Во время работы мобильного робота гироскоп может измерять угловую скорость вращения робота в реальном времени, а акселерометр может определять ускорение робота. Когда робот движется по неровной поверхности, датчик положения будет определять изменение положения робота и передавать эту информацию в ПЛК. На основе обратной связи от датчика положения ПЛК управляет приводным двигателем робота или регулирует механическую структуру, чтобы поддерживать робота в стабильном положении и избегать столкновений или сбоев миссии, вызванных дисбалансом положения.

Датчики зрения также играют важную роль в интеллектуальной автоматизации роботов. Собирая информацию об изображении с помощью камер, датчики зрения могут определять форму, цвет, положение и другие характеристики объектов. В логистическом складировании роботам необходимо точно захватывать целевые товары из большого количества товаров. Датчики зрения собирают и анализируют изображения товаров и передают обратно информацию о местоположении целевых товаров в ПЛК. На основе этой информации ПЛК управляет движением механической руки робота для достижения точного захвата целевых товаров.

4.1.3 Технология повышения точности позиционирования

Для удовлетворения потребности робота в высокоточном позиционировании в различных сценариях применения появился ряд передовых технических средств. Эти технологии значительно повысили точность позиционирования роботов под управлением ПЛК.

Как ключевой компонент позиционирования, разрешение и точность высокоточных энкодеров постоянно улучшаются. Современные высокоточные энкодеры могут достигать измерения положения на уровне субмикрона, обеспечивая прочную основу для точного позиционирования роботов. В области точной обработки роботам необходимо выполнять высокоточные операции обработки на крошечных деталях. Высокоточные энкодеры могут обеспечивать точную обратную связь в режиме реального времени по информации о положении робота, гарантируя, что точность обработки достигнет микронного или даже нанометрового уровня.

Технология лазерного позиционирования позволяет точно измерять положение роботов, испуская и принимая лазерные сигналы. На крупных логистических складах роботам необходимо быстро и точно определять местонахождение товаров в широком пространстве. Система лазерного позиционирования использует лазерный передатчик, установленный наверху склада, и лазерный приемник на роботе для точного расчета координат положения робота путем измерения времени распространения и угла лазерного сигнала. Эта технология обладает характеристиками высокой точности позиционирования и высокой скорости отклика и может эффективно повысить точность позиционирования и эффективность работы роботов в сложных условиях.

Кроме того, технология слияния нескольких датчиков также является важным средством повышения точности позиционирования роботов. Благодаря органической интеграции различных типов датчиков, таких как датчики положения, датчики положения и визуальные датчики, и всестороннему использованию преимуществ каждого датчика, можно получить более полную и точную информацию об окружающей среде и состоянии робота. На интеллектуальных заводах роботам необходимо выполнять различные задачи в динамически изменяющейся среде. Благодаря технологии слияния нескольких датчиков информация о положении, предоставленная датчиком положения, данные об положении, возвращенные датчиком положения, и характеристики окружающей среды, распознанные визуальным датчиком, объединяются. ПЛК может более точно рассчитывать положение и положение робота, тем самым достигая высокоточного управления роботом.

В некоторых сценариях применения, требующих чрезвычайно высокой точности позиционирования, может также использоваться технология абсолютного позиционирования. В отличие от традиционной технологии относительного позиционирования, технология абсолютного позиционирования может точно восстановить робота в его положение до отключения питания без повторной калибровки после отключения питания. Эта технология использует специальные методы кодирования или датчики, чтобы дать каждому положению робота уникальный код, позволяя роботу определять свое абсолютное положение в любое время, эффективно избегая отклонений позиционирования, вызванных кумулятивными ошибками, и дополнительно повышая точность и надежность позиционирования робота.

4.2 Планирование и выполнение миссии

4.2.1 Декомпозиция задач на основе ПЛК

В процессе выполнения роботами сложных задач ПЛК играет ключевую роль в декомпозиции задач, умело разбивая общую задачу на несколько подзадач, точно так же, как разбивается огромное здание на простые в сборке модули, чтобы добиться эффективного выполнения. Возьмем в качестве примера задачу сборки в промышленном производстве. Предположим, что роботу необходимо завершить сборку сложного механического оборудования. Эта задача включает в себя несколько звеньев, таких как захват, перемещение, позиционирование и сборка многих деталей. ПЛК сначала подробно проанализирует весь процесс сборки и разложит задачу на несколько подзадач в соответствии с последовательностью сборки и требованиями к процессу деталей. Например, захват различных типов деталей делится на независимые подзадачи, каждая из которых соответствует определенной детали и действию захвата; перенос деталей в положение сборки также является независимой подзадачей, а путь перемещения и целевое положение четко определены.

Для каждой подзадачи ПЛК дополнительно разработает подробные шаги выполнения и стратегии управления. В подзадаче захвата деталей ПЛК будет управлять механической рукой робота для захвата с определенной позой и действием в соответствии с информацией о форме, размере и положении деталей. Благодаря точному управлению углом движения и скоростью каждого сочленения механической руки гарантируется, что механическая рука может точно достичь местоположения деталей и захватить детали с соответствующей силой, чтобы избежать повреждения деталей или отказа захвата из-за неправильного захвата. В подзадаче обработки ПЛК будет планировать оптимальный путь обработки на основе текущего положения робота и целевого положения сборки, принимая во внимание препятствия в рабочем пространстве и работу другого оборудования для обеспечения безопасности и эффективности процесса обработки.

Этот метод декомпозиции задач на основе ПЛК позволяет роботу выполнять сложные задачи упорядоченным образом, и каждая подзадача может точно контролироваться и эффективно выполняться. Упрощая сложные задачи, он не только повышает эффективность работы робота, но и снижает сложность и вероятность ошибок при выполнении задач. Когда в подзадаче возникает проблема, ПЛК может быстро обнаружить ее и принять соответствующие меры для ее корректировки или повторного выполнения, тем самым обеспечивая плавный ход выполнения всей задачи.

4.2.2 Управление последовательностью и оптимизация процесса

В процессе выполнения роботом задачи большое значение имеет то, как ПЛК реализует управление последовательностью и оптимизацию процесса. Если взять в качестве примера автоматизированную производственную линию, когда робот выполняет ряд задач, таких как обработка материалов, их обработка и тестирование, необходимо точно контролировать последовательность и временной интервал каждого звена. ПЛК строго устанавливает порядок выполнения каждой задачи в соответствии с требованиями производственного процесса, написав подробные программы. Например, в звене обработки материалов ПЛК будет управлять роботом, чтобы сначала захватить материал из зоны хранения сырья, а затем переместить материал на станцию обработки в соответствии с заранее определенным путем. Только когда материал будет точно помещен на станцию обработки, ПЛК запустит оборудование обработки для начала работы. После завершения обработки ПЛК будет управлять роботом, чтобы переместить обработанный продукт в зону проверки для проверки качества.

Для оптимизации рабочего процесса и повышения эффективности производства ПЛК точно настроит временные интервалы между задачами. Рационально организуя время действия и время ожидания робота, можно сократить ненужное ожидание и холостой ход, а производственная линия может работать эффективно. В некоторых случаях ПЛК может динамически корректировать порядок выполнения и временные интервалы задач на основе данных в реальном времени на производственной линии. Если в процессе проверки обнаруживается, что у продукта есть проблемы с качеством, ПЛК может немедленно скорректировать график задач робота, переместить продукт в дефектную зону для отдельной обработки и уведомить производственную линию о необходимости продолжить производство других продуктов, избегая застоя производственной линии из-за ожидания обработки дефектных продуктов.

Кроме того, ПЛК может дополнительно оптимизировать производственный процесс, работая в сотрудничестве с другим оборудованием. В автоматизированной производственной линии роботам обычно необходимо работать с различным оборудованием, таким как конвейерные ленты, датчики и контроллеры. ПЛК обеспечивает обмен информацией и совместное управление посредством коммуникационных соединений с этими устройствами. Когда конвейерная лента транспортирует материал в указанное место, датчик посылает сигнал ПЛК. Получив сигнал, ПЛК немедленно управляет роботом для выполнения операции захвата, обеспечивая бесшовную связь всего производственного процесса и повышая эффективность производства и качество продукции.

4.2.3 Регулировка задач и реагирование в реальном времени

В процессе выполнения задач роботы неизбежно сталкиваются с различными чрезвычайными ситуациями, такими как изменения внешней среды, изменения требований к задачам и т. д. В это время ПЛК демонстрирует мощные возможности корректировки задач и реагирования в реальном времени, гарантируя, что робот может быстро адаптироваться к новым ситуациям и продолжать выполнять задачи эффективно и стабильно.

Возьмем в качестве примера робота-манипулятора в логистическом складировании. Когда расположение полок на складе временно корректируется или появляются новые препятствия, изначально запланированный роботом путь обработки может оказаться неприменимым. В это время датчики, установленные на роботе, такие как лидар, визуальные датчики и т. д., будут обнаруживать изменения в окружающей среде в режиме реального времени и быстро передавать эту информацию в ПЛК. Получив сигнал, ПЛК немедленно запускает алгоритм перепланирования пути, быстро вычисляет новый путь, чтобы избежать препятствий, на основе новой информации об окружающей среде, и вовремя отправляет инструкции управления в систему управления движением робота, чтобы робот мог продолжить выполнять задачу по обработке по новому пути.

Если во время выполнения задачи происходит отказ оборудования, ПЛК также может быстро отреагировать. Например, когда двигатель робота-манипулятора выходит из строя, состояние движения робота изменится ненормально. ПЛК может вовремя обнаружить отказ, отслеживая рабочие параметры двигателя и состояние движения робота в режиме реального времени. После обнаружения отказа ПЛК немедленно остановит текущую задачу робота и запустит резервный двигатель или переключится на другие возможные режимы работы, чтобы гарантировать продолжение выполнения задачи. Если резервного двигателя нет, ПЛК будет управлять роботом, чтобы безопасно разместить товары в указанном месте поблизости и выдать сигнал тревоги, чтобы уведомить обслуживающий персонал о необходимости проведения ремонта.

Кроме того, когда требования к задаче меняются, ПЛК также может гибко корректировать задачи робота. Например, на производственной линии робот изначально должен был собирать детали модели A определенного продукта, но внезапно получил уведомление о необходимости изменения для сборки деталей модели B. ПЛК быстро корректирует рабочие процедуры робота и параметры управления, включая траекторию движения робота, силу захвата и т. д., в соответствии с новыми требованиями задачи, чтобы адаптироваться к требованиям сборки деталей модели B. Благодаря этому механизму корректировки задач и реагирования в реальном времени ПЛК позволяет роботу поддерживать высокую степень адаптивности и надежности в сложной и изменяющейся рабочей среде, эффективно повышая стабильность и гибкость производственной системы.

4.3 Взаимодействие и сотрудничество человека и компьютера

4.3.1 Проектирование человеко-машинного интерфейса

Целью разработки интерфейса человек-машина на основе ПЛК для робота является повышение удобства и интуитивности работы, а также обеспечение эффективного и точного взаимодействия операторов с роботом. В процессе проектирования были полностью учтены потребности и привычки операторов в использовании, а также был принят ряд передовых концепций и технологий проектирования.

Компоновка интерфейса тщательно спланирована. Часто используемые кнопки управления, области отображения состояния и окна настройки параметров разумно сгруппированы, чтобы гарантировать, что соответствующие функциональные компоненты отображаются централизованно, что позволяет операторам быстро находить необходимые функции. Для интерфейса эксплуатации промышленных роботов основные кнопки управления, такие как запуск, остановка и пауза, размещены в заметных и простых в использовании местах; области отображения, такие как состояние движения робота и информация о неисправностях, расположены в верхней части или в центре интерфейса, так что операторы могут получить ключевую информацию с первого взгляда. В то же время избегайте перегруженности интерфейса, поддерживайте простой и понятный стиль компоновки, уменьшайте визуальную нагрузку на операторов и повышайте эффективность работы.

Что касается методов взаимодействия, то для удовлетворения потребностей различных операторов используются различные средства. В дополнение к традиционному нажатию кнопки также вводятся сенсорное управление, распознавание жестов и другие функции. В некоторых высокопроизводительных интерфейсах человек-машина робота операторы могут напрямую управлять роботом, касаясь экрана, например, перетаскивая значки для регулировки траектории движения робота или переключая различные режимы работы с помощью скользящих жестов. Этот интуитивный метод взаимодействия значительно снижает сложность работы и повышает плавность работы. Функции голосового взаимодействия также широко используются. Операторы могут управлять действиями робота с помощью голосовых команд, таких как «Робот, захвати детали» и «Робот, переместись в указанное положение», что еще больше освобождает их руки и повышает удобство работы.

Для улучшения восприятия оператором рабочего состояния робота интерфейс также фокусируется на визуализации данных в реальном времени. С помощью диаграмм, кривых и других форм параметры движения робота, ход выполнения работы, состояние оборудования и другая информация наглядно представлены. В человеко-машинном интерфейсе логистического робота для отображения текущего положения робота на складе и хода выполнения его задач по обработке используется динамическая карта; для отображения изменений мощности, нагрузки и других параметров робота используется столбчатая или линейная диаграмма, чтобы оператор мог понимать рабочее состояние робота в реальном времени и вовремя вносить соответствующие коррективы.

4.3.2 Удаленный мониторинг и управление

ПЛК играет ключевую роль в реализации удаленного мониторинга и управления роботами. С помощью современных коммуникационных технологий он успешно сломал географические ограничения и значительно расширил сферу применения роботов.

Что касается удаленного мониторинга, ПЛК тесно взаимодействует с различными датчиками для сбора данных о работе робота в реальном времени, включая положение, скорость, ускорение, рабочую нагрузку и другую информацию. Эти данные передаются в центр удаленного мониторинга по сети, и персонал, осуществляющий мониторинг, может проверить состояние работы робота в любое время и в любом месте с помощью терминальных устройств, таких как компьютеры и мобильные телефоны. В широко распространенной промышленной производственной сети менеджеры компании могут использовать систему удаленного мониторинга в офисе, чтобы понять условия работы роботов в каждом производственном цехе в реальном времени, например, работают ли роботы нормально или есть ли какие-либо неисправности. Как только обнаруживается ненормальная ситуация, персонал, осуществляющий мониторинг, может принять своевременные меры для ее устранения, избежать дальнейшего расширения неисправности и обеспечить непрерывность производства.

Функция дистанционного управления позволяет операторам управлять роботом в режиме реального времени в удаленной среде. Через сетевое соединение операторы могут отправлять команды управления на ПЛК для запуска, остановки, регулировки скорости, планирования движений и других операций робота. В некоторых опасных или суровых рабочих условиях, таких как зоны ядерной радиации и глубоководные исследования, операторы могут точно управлять роботом через ПЛК в безопасном удаленном месте для выполнения сложных задач. При работе по очистке от ядерной радиации операторы могут удаленно управлять роботами для переноски профессионального оборудования для очистки и обработки источников радиации в центре управления вдали от зоны радиации, обеспечивая собственную безопасность и эффективно выполняя задачи.

Для обеспечения стабильности и надежности удаленного мониторинга и управления принят ряд передовых коммуникационных технологий и мер безопасности. С точки зрения коммуникационных технологий приняты высокоскоростные и стабильные проводные или беспроводные сети связи, такие как промышленный Ethernet и 5G, для обеспечения реального времени и точности передачи данных. С точки зрения мер безопасности установлены строгие механизмы аутентификации личности пользователя и управления правами доступа. Доступ к системе удаленного мониторинга и управления может получить только уполномоченный персонал для предотвращения незаконных операций и утечки данных. В то же время технология шифрования данных используется для шифрования передаваемых данных, чтобы обеспечить безопасность данных во время передачи.

4.3.3 Совместная работа людей и роботов

В современных производственных условиях совместная работа людей и роботов стала важной моделью для повышения эффективности и качества работы, и ПЛК играет в ней незаменимую вспомогательную роль. Благодаря разумному распределению задач и координации дополняются преимущества людей и роботов.

С точки зрения распределения задач, PLC принимает научные и разумные решения, основанные на характере и сложности задач и возможностях людей и роботов. Для некоторых задач с высокой повторяемостью и строгими требованиями к точности, таких как точная сборка деталей и высокоскоростная сортировка, приоритет отдается роботам. Благодаря точному управлению движением и стабильной работе роботы могут выполнять эти задачи эффективно и точно, повышая эффективность производства и качество продукции. За задачи, требующие человеческого творчества, суждения и гибкости, такие как решение сложных проблем и общение с клиентами, отвечают операторы. В цехе по производству электронных изделий роботы отвечают за точную пайку крошечных электронных компонентов на печатных платах, в то время как операторы отвечают за проверку качества спаянных печатных плат, чтобы определить, есть ли такие проблемы, как холодная пайка и короткие замыкания, и выполнить соответствующие корректировки и ремонт на основе результатов испытаний.

В процессе совместной работы ПЛК реализует обмен информацией в реальном времени и координацию действий между людьми и роботами. Оператор может отправлять инструкции ПЛК через интерфейс человек-машина, чтобы информировать робота о текущих требованиях к задаче и рабочем состоянии; ПЛК будет сообщать оператору о рабочем состоянии робота в реальном времени, чтобы оператор мог принимать соответствующие решения. В логистическом складировании, когда оператору нужно, чтобы робот переместил партию товаров, оператор отправляет инструкцию по обработке в ПЛК через интерфейс человек-машина. Получив инструкцию, ПЛК управляет роботом, чтобы тот отправился к месту хранения товаров для транспортировки. В процессе транспортировки робот в реальном времени возвращает ПЛК свою собственную позицию, ход транспортировки и другую информацию, а ПЛК затем передает эту информацию оператору, чтобы оператор мог понять ситуацию с транспортировкой грузов в реальном времени.

Для обеспечения безопасности людей и роботов в процессе совместной работы ПЛК также оснащен полным механизмом защиты безопасности. Датчики отслеживают информацию о местоположении людей и роботов в режиме реального времени. Когда он обнаруживает, что расстояние между людьми и роботами слишком близко или может произойти столкновение, ПЛК немедленно подает сигнал тревоги и управляет роботом, чтобы остановить движение, чтобы избежать несчастных случаев. На промышленной производственной линии, когда оператор приближается к работающему роботу, датчики, установленные вокруг робота, обнаруживают присутствие человека и передают сигнал на ПЛК. ПЛК быстро отреагирует и остановит соответствующие действия робота, чтобы обеспечить безопасность оператора.

5. Состояние развития и проблемы электротехнологий ПЛК в области робототехники

5.1 Анализ состояния разработки

5.1.1 Достижения в области технологических инноваций

В последние годы электротехническая технология PLC достигла ряда замечательных инновационных результатов в области робототехники. Что касается алгоритмов управления, адаптивный алгоритм управления был дополнительно оптимизирован и расширен. Этот алгоритм может определять рабочее состояние робота и изменения в рабочей среде в режиме реального времени и автоматически регулировать параметры управления для достижения наилучшего эффекта управления. Когда промышленные роботы обрабатывают сложные детали, при изменении нагрузки во время обработки адаптивный алгоритм управления может быстро регулировать скорость и силу движения робота, чтобы гарантировать, что точность обработки всегда поддерживается на высоком уровне, эффективно улучшая качество продукции и эффективность производства.

Что касается модернизации оборудования, производительность процессоров ПЛК была значительно улучшена. Новые многоядерные процессоры широко используются в высокопроизводительных ПЛК, что значительно повышает скорость обработки данных и вычислительную мощность. Возьмем в качестве примера определенную марку нового ПЛК. Четырехъядерный процессор, который он использует, может обрабатывать несколько потоков задач одновременно. При обработке больших объемов данных датчиков и сложной логики управления скорость отклика в несколько раз выше, чем у традиционных одноядерных процессоров, что позволяет роботам выполнять различные инструкции задач быстрее и точнее.

Кроме того, инновации в области коммуникационных технологий также обеспечивают надежную поддержку эффективного взаимодействия между ПЛК и роботами. Применение высокоскоростных коммуникационных технологий, таких как промышленный Ethernet и 5G, позволило добиться высокоскоростной передачи данных в реальном времени, что сократило задержки связи и потерю пакетов данных. В крупномасштабных сценариях логистики и складирования большому количеству логистических роботов необходимо взаимодействовать с центральной системой управления в реальном времени. Применение коммуникационной технологии 5G позволяет роботам быстро получать инструкции по задачам и предоставлять своевременную обратную связь о собственном рабочем состоянии, что значительно повышает эффективность работы всей логистической и складской системы.

5.1.2 Применение на рынке

Применение электротехнологии ПЛК на различных рынках роботов представляет собой диверсифицированную тенденцию развития. На рынке промышленных роботов приложения ПЛК занимают доминирующее положение, особенно в автомобильной промышленности, производстве электроники, механической обработке и других отраслях. По данным институтов маркетинговых исследований, в автомобильной промышленности более 80% систем управления промышленными роботами используют технологию ПЛК, а в электронной промышленности эта доля достигает более 70%. Благодаря высокой надежности, мощным возможностям логического управления и хорошей масштабируемости ПЛК может удовлетворить требования промышленного производства к высокой точности, высокой скорости и высокой стабильности роботов.

На рынке роботов для обслуживания применение ПЛК также постепенно увеличивается. Поскольку стремление людей к качеству жизни продолжает улучшаться, рыночный спрос на роботов для обслуживания дома, роботов для обслуживания в гостиницах и т. д. продолжает расти. Хотя текущая доля применения ПЛК на рынке роботов для обслуживания относительно невелика, она демонстрирует стремительную тенденцию к росту. В роботах для обслуживания дома ПЛК может обеспечить точное управление уборкой робота, навигацией, обходом препятствий и другими функциями, предоставляя пользователям более интеллектуальный и удобный опыт обслуживания. В области роботов для обслуживания в гостиницах применение ПЛК позволяет роботам эффективно выполнять такие задачи, как сопровождение гостей, транспортировка багажа и доставка предметов, улучшая качество обслуживания в гостинице и эксплуатационную эффективность.

На рынке специальных роботов ПЛК также играет важную роль. В областях специальных роботов, таких как аварийно-спасательные работы, медицинская помощь и сельскохозяйственные работы, применение ПЛК может удовлетворить особые требования к этим роботам по надежности, стабильности и точному управлению в сложных условиях. В аварийно-спасательных роботах ПЛК может стабильно работать в суровых условиях окружающей среды, управлять роботами для выполнения опасных задач, таких как поиск и спасение, и обеспечивать плавный ход спасательных работ. В роботах медицинской помощи точная управляющая способность ПЛК обеспечивает безопасность и точность роботов во время хирургических операций, реабилитационного лечения и т. д., обеспечивая надежную защиту здоровья пациентов.

5.1.3 Отраслевые стандарты и спецификации

Для обеспечения безопасного и надежного применения электротехнологий ПЛК в области робототехники постоянно совершенствуется разработка соответствующих отраслевых стандартов и спецификаций. Стандарт IEC 61131, разработанный Международной электротехнической комиссией (МЭК), является одним из важных стандартов в области ПЛК. Этот стандарт содержит подробные положения о языках программирования ПЛК, требованиях к оборудованию, стандартах связи и т. д., а также предоставляет унифицированные спецификации для проектирования, разработки и применения ПЛК. В системе управления роботом следование стандарту IEC 61131 может обеспечить хорошую совместимость и взаимодействие между ПЛК разных марок и моделей, а также облегчить интеграцию и обслуживание системы.

В Китае, с ростом популярности электротехнологий ПЛК в области робототехники, соответствующие национальные стандарты также постепенно совершенствуются. Стандарт «Программируемый контроллер Часть 2: Требования к оборудованию и испытания» (GB/T 15969.2-2024), выпущенный в 2024 году, четко определяет требования к оборудованию и методы испытаний для ПЛК, обеспечивая основу для контроля качества и повышения производительности продуктов ПЛК. Формулирование этих стандартов и спецификаций не только поможет повысить уровень применения электротехнологий ПЛК в области робототехники, но и обеспечит безопасность и надежность роботизированных систем, а также будет способствовать здоровому и упорядоченному развитию всей отрасли.

5.2 Проблемы

5.2.1 Технические узкие места

Хотя электрическая технология ПЛК достигла значительного прогресса в области робототехники, она по-прежнему сталкивается со многими техническими узкими местами при обработке сложных задач и высокоскоростных вычислений. С ростом сложности сценариев применения роботов, таких как точная сборка, медицинская хирургия и другие области, к точности движения, скорости и стабильности робота предъявляются чрезвычайно высокие требования. При работе со сложным планированием траектории и задачами управления в реальном времени вычислительная мощность и скорость обработки ПЛК могут оказаться неспособными удовлетворить потребности. В процессе сборки точных электронных компонентов роботу необходимо выполнять высокоточные действия по захвату и размещению за очень короткое время, что требует от ПЛК быстрой обработки большого объема данных датчиков и точного управления движением робота. Однако производительность процессора некоторых современных ПЛК ограничена и не может выполнять такие сложные вычисления за короткое время, что приводит к ограничению точности и скорости движения робота.

С точки зрения высокоскоростных вычислений, когда робот выполняет задачи высокоскоростного движения, такие как высокоскоростная сортировка и быстрая обработка, ПЛК должен иметь возможность быстро реагировать на изменения внешних сигналов и своевременно корректировать стратегию управления. Однако, когда существующий ПЛК обрабатывает высокочастотные сигналы и высокоскоростную передачу данных, могут возникнуть такие проблемы, как потеря данных и задержка, что влияет на стабильность и точность работы робота. На высокоскоростной линии сортировки скорость передачи предметов чрезвычайно высока, и роботу необходимо быстро идентифицировать предметы и выполнять операции сортировки. Если скорость вычислений ПЛК не поспевает, это может привести к тому, что робот упустит возможность сортировки и снизит эффективность сортировки.

Кроме того, с углублением применения новых технологий, таких как искусственный интеллект и большие данные в области робототехники, к уровню интеллекта ПЛК предъявляются более высокие требования. Текущий ПЛК все еще имеет определенные трудности в применении алгоритмов искусственного интеллекта, таких как машинное обучение и глубокое обучение, что затрудняет достижение автономного принятия решений и интеллектуального управления роботами. В сложных промышленных средах роботам необходимо автономно корректировать свои рабочие стратегии в соответствии с изменениями окружающей среды в реальном времени и требованиями задач. Однако из-за отсутствия мощной поддержки интеллектуальных алгоритмов существующим ПЛК сложно достичь такого высокоинтеллектуального управления.

5.2.2 Проблемы совместимости и интеграции

Проблема совместимости и интеграции между ПЛК и другими компонентами и системами робота также является одной из важных проблем, с которыми в настоящее время сталкиваются. В системе робота ПЛК должен работать с несколькими компонентами, такими как датчики, исполнительные механизмы, контроллеры и т. д., а также должен быть интегрирован с главным компьютером и другими системами управления. Оборудование разных марок и моделей часто использует разные протоколы связи и стандарты интерфейсов, что создает большие трудности для совместимости ПЛК. В производственной линии робота, состоящей из оборудования от разных производителей, ПЛК может не иметь возможности напрямую взаимодействовать с некоторыми датчиками или исполнительными механизмами, и требуются дополнительные работы по преобразованию протоколов и адаптации интерфейса, что не только увеличивает сложность и стоимость системы, но также может привести к нестабильной связи и ошибкам передачи данных.

Даже если устройства могут взаимодействовать друг с другом, могут возникнуть проблемы с функциональной интеграцией. Например, когда ПЛК интегрируется с модулем искусственного интеллекта, формат данных, интерфейс алгоритма и т. д. обеих сторон могут не совпадать, что может привести к невозможности в полной мере использовать преимущества модуля искусственного интеллекта и невозможности достижения интеллектуальных обновлений робота. В некоторых приложениях роботов, требующих распознавания и анализа изображений, хотя были внедрены усовершенствованные модули распознавания изображений искусственного интеллекта, из-за плохой интеграции с ПЛК результаты распознавания не могут быть доставлены в ПЛК своевременно и точно, что влияет на эффективность принятия решений и выполнения роботом.

Кроме того, с развитием промышленного Интернета роботизированная система должна быть глубоко интегрирована с системой управления информацией предприятия для достижения обмена данными и совместной работы. Однако, когда ПЛК интегрируется с ERP (Enterprise Resource Planning), MES (Manufacturing Execution System) и другими системами предприятия, он часто сталкивается с такими проблемами, как несогласованные форматы данных и несовместимые интерфейсы, что затрудняет достижение взаимодействия данных в реальном времени и точности, что препятствует предприятию в достижении цели интеллектуального производства.

5.2.3 Риски безопасности и надежности

Роботы под управлением ПЛК сталкиваются с рядом рисков безопасности и надежности, среди которых ключевыми проблемами являются диагностика неисправностей и отказоустойчивая обработка. Во время работы роботы могут выходить из строя по разным причинам, таким как старение оборудования, воздействие окружающей среды, неправильная эксплуатация и т. д. Своевременная и точная диагностика неисправностей и эффективные меры отказоустойчивой обработки имеют важное значение для обеспечения безопасной работы роботов и непрерывности производства. Однако возможности диагностики неисправностей некоторых ПЛК в настоящее время ограничены, что затрудняет быстрое и точное определение источника неисправности. Когда датчик робота выходит из строя, ПЛК может не иметь возможности вовремя определить, является ли это проблемой самого датчика или неисправностью линии передачи сигнала или других связанных компонентов, что приводит к увеличению времени устранения неисправностей и влияет на эффективность производства.

С точки зрения отказоустойчивости, хотя некоторые ПЛК имеют определенные избыточные конструкции и резервные функции, они все равно могут не обеспечить нормальную работу робота в условиях сложных неисправностей. Когда ключевой модуль ПЛК выходит из строя, резервный модуль может не успеть переключиться, или в процессе переключения может произойти потеря данных, что приведет к ненормальным движениям робота и даже к несчастным случаям. В промышленном производстве ненормальные движения роботов могут нанести серьезный вред персоналу и оборудованию, что приведет к огромным экономическим потерям.

Кроме того, с постоянным расширением сценариев применения роботов, особенно в некоторых средах с высоким риском, таких как спасательные работы при стихийных бедствиях, использование ядерной энергии и т. д., к безопасности и надежности ПЛК предъявляются более высокие требования. В этих средах, если робот выходит из строя или имеет проблемы с безопасностью, могут возникнуть серьезные последствия. Поэтому, как еще больше повысить безопасность и надежность роботов под управлением ПЛК, является важным вопросом, который необходимо решить срочно.

5.3 Стратегии реагирования и будущие перспективы

5.3.1 Направление НИОКР технологий

Чтобы преодолеть технические узкие места, с которыми сталкивается текущая электрическая технология PLC в области робототехники, будущие технологические исследования и разработки должны быть сосредоточены на нескольких ключевых направлениях. С точки зрения улучшения вычислительной мощности, продолжайте инвестировать в ресурсы НИОКР и стремитесь разрабатывать более совершенные процессоры. Персонал НИОКР может исследовать использование более быстрых процессов производства чипов, таких как переход от существующего 14-нанометрового процесса к 7-нанометровому или даже более мелкому процессу, тем самым значительно улучшая скорость вычислений процессора и возможности обработки данных. Также возможно проводить углубленные исследования новых многоядерных архитектур, увеличивать количество ядер процессора и оптимизировать механизм совместной работы между многоядерными процессорами для достижения параллельной обработки сложных задач, значительно повышая эффективность PLC при обработке сложных задач планирования траектории и управления в реальном времени.

С точки зрения применения интеллектуальных алгоритмов мы активно осуществляем углубленное сотрудничество и исследования в области искусственного интеллекта. Мы увеличим применение и разработку алгоритмов машинного обучения и глубокого обучения в системах управления ПЛК, чтобы ПЛК могли автономно обучаться и адаптироваться к различным рабочим средам и требованиям задач. Внедряя алгоритмы обучения с подкреплением, роботы могут непрерывно взаимодействовать с окружающей средой во время выполнения задач, оптимизировать свои собственные стратегии управления на основе информации обратной связи и, таким образом, достигать более интеллектуального принятия решений и управления. Например, в задачах сборки промышленных роботов роботы могут автоматически регулировать действия сборки и силы в соответствии с фактическим размером деталей и небольшим отклонением положения сборки, обеспечивая стабильность и надежность качества сборки.

Для оптимизации коммуникационных технологий необходимо постоянно изучать и применять новые стандарты и протоколы связи. Поскольку технология 5G постепенно развивается и становится все более популярной, ее потенциал в области роботизированной связи будет дополнительно изучаться для повышения скорости и стабильности передачи данных. В то же время будут разрабатываться коммуникационные технологии с более высокой помехоустойчивостью, чтобы гарантировать, что в сложных промышленных условиях связь между ПЛК и роботами, а также между роботами и другим оборудованием может осуществляться стабильно и надежно, эффективно сокращая потери данных и задержки и обеспечивая надежную гарантию связи для эффективной работы роботов.

5.3.2 Сотрудничество в отрасли и установление стандартов

Укрепление сотрудничества между предприятиями, научно-исследовательскими институтами и университетами в отрасли и установление тесного механизма сотрудничества между промышленностью, университетом и исследованиями имеют решающее значение для содействия развитию электротехнологий ПЛК в области робототехники. Как основная часть применения технологий, предприятия могут предоставлять реальные сценарии применения и требовать обратной связи. Сотрудничая с научно-исследовательскими институтами и университетами, предприятия могут оперативно сообщать о проблемах и потребностях, возникающих при применении роботов, научным исследователям и совместно выполнять целевые исследовательские проекты. Научно-исследовательские институты и университеты, обладающие сильным научно-исследовательским потенциалом и инновационными возможностями, предоставляют предприятиям передовые технические решения и инновационные идеи. В проекте исследования совместимости между ПЛК и другими компонентами роботов предприятия могут предоставлять оборудование различных марок и моделей для научных исследователей для проведения испытаний на совместимость и технических исследований; научно-исследовательские институты и университеты могут исследовать универсальные решения совместимости посредством теоретических исследований и экспериментальной проверки для содействия бесшовной интеграции между различным оборудованием.

Формулирование единых отраслевых стандартов и спецификаций имеет большое значение для решения проблем совместимости и интеграции. Соответствующие отраслевые ассоциации и организации по стандартизации должны играть ведущую роль и организовывать группы экспертов для формулирования единых стандартов, охватывающих протоколы связи, стандарты интерфейсов, форматы данных и т. д. С точки зрения протоколов связи следует сформулировать набор общих стандартов промышленных протоколов связи для обеспечения безбарьерной связи между ПЛК, датчиками, исполнительными механизмами и другими устройствами разных марок. С точки зрения стандартов интерфейсов следует четко указать такие параметры, как физический размер, электрические характеристики и протоколы связи различных типов интерфейсов оборудования, чтобы устройства можно было легко подключать и интегрировать. С помощью единых стандартов форматов данных обеспечить, чтобы данные между различными системами могли взаимодействовать и обмениваться точно и эффективно. Формулирование и внедрение этих стандартов значительно снизит сложность и стоимость системной интеграции и улучшит общую производительность и надежность робототехнических систем.

Кроме того, усиление продвижения и обеспечения соблюдения стандартов также является ключевым фактором. Отраслевые ассоциации и организации по стандартизации должны популяризировать содержание и важность стандартов для предприятий и соответствующих специалистов посредством учебных курсов и технических семинаров, а также повышать их осведомленность о стандартах и их соответствии. В то же время следует создать строгий механизм надзора за внедрением стандартов для регулирования и исправления продуктов и систем, которые не соответствуют стандартам, гарантировать, что стандарты могут быть эффективно внедрены, и таким образом способствовать здоровому и упорядоченному развитию всей отрасли.

5.3.3 Прогноз будущих перспектив применения

Заглядывая в будущее, перспективы применения электротехнологий PLC в области робототехники чрезвычайно широки, и ожидается, что они достигнут крупных прорывов во многих новых областях. В области интеллектуальных зданий, поскольку требования людей к интеллектуальности и комфорту зданий продолжают расти, роботы с управлением PLC будут играть важную роль. Уборочные роботы могут самостоятельно выполнять такие задачи, как мытье полов и протирание окон внутри здания под точным управлением PLC, повышая эффективность и качество уборки. Инспекционные роботы могут проводить мониторинг в реальном времени и устранение неисправностей электрооборудования, систем противопожарной защиты и т. д. в зданиях, своевременно обнаруживать потенциальные угрозы безопасности и обеспечивать безопасную эксплуатацию зданий. Благодаря интеграции с интеллектуальной системой управления зданием, роботы с управлением PLC также могут автоматически регулировать рабочее состояние освещения, кондиционирования воздуха и другого оборудования в соответствии с изменениями в среде внутри помещения и потребностями пользователя, реализуя интеллектуальный контроль окружающей среды.

В области морского развития, сталкиваясь со сложной морской средой и трудными задачами разработки, электрическая технология PLC обеспечит сильную поддержку для разработки морских роботов. Под управлением PLC подводные рабочие роботы могут выполнять такие задачи, как прокладка подводных кабелей, обнаружение нефтепроводов и отбор морских биологических проб. Высокая надежность и мощные возможности логического управления PLC могут гарантировать, что робот может работать стабильно в суровых морских условиях, таких как высокое давление, низкая температура и сильная коррозия, и точно выполнять различные сложные операции. Благодаря сочетанию со спутниковой технологией связи и системами морского мониторинга морские роботы также могут осуществлять удаленный мониторинг и управление, предоставляя более эффективные и безопасные средства для разработки и использования морских ресурсов.

По мере углубления космических исследований роботы, управляемые ПЛК, также будут играть важную роль в космической сфере. Под управлением ПЛК космические роботы могут помогать астронавтам в строительстве, обслуживании и ремонте оборудования космических станций. Точная управляющая способность ПЛК может гарантировать, что роботы смогут точно выполнять различные деликатные операции в условиях микрогравитации и высокой радиации, что снижает риски космических операций астронавтов. В миссиях по исследованию планет роботы, управляемые ПЛК, могут использоваться в качестве части зонда для отбора проб почвы и геологической разведки на поверхности планеты, предоставляя ценные данные и информацию для исследования Вселенной человеком.

По мере того, как старение общества усиливается, спрос на роботов в сфере услуг по уходу за пожилыми людьми также увеличивается. Применение электротехнологий PLC в роботах по уходу за пожилыми людьми обеспечит более интимные и удобные услуги для пожилых людей. Роботы-компаньоны могут общаться с пожилыми людьми посредством голоса, воспроизводить музыку, рассказывать истории и т. д. с помощью управления PLC, чтобы облегчить одиночество пожилых людей. Роботы-медсестры могут помогать пожилым людям в повседневном уходе, таком как вставание, одевание, купание и т. д., под точным управлением PLC, чтобы улучшить способность пожилых людей заботиться о себе и качестве своей жизни.

Будущее электротехнологий PLC в области робототехники полно бесконечных возможностей. С непрерывным развитием технологий и постоянным расширением сценариев применения, это принесет больше сюрпризов и изменений в развитие человеческого общества и будет способствовать движению различных отраслей промышленности в сторону интеллекта и автоматизации.

6. Заключение

6.1 Резюме результатов исследования

Это исследование глубоко анализирует различные аспекты электрической технологии ПЛК в области интеллектуальной автоматизации роботов, и результаты замечательны. На уровне технических принципов ясно, что ПЛК точно собирает данные датчиков посредством мониторинга входов и обеспечивает надежную основу для последующего принятия решений посредством обработки данных; логическое программирование дает ему мощную способность принятия решений и принимает точные решения по управлению на основе сложной логики; управление выходом преобразует решения в фактические действия и заставляет исполнительный механизм выполнять задачу. Его аппаратный состав включает в себя ядро ЦП, модули ввода-вывода, которые осуществляют информационное взаимодействие, и источник питания для обеспечения стабильной работы. Все части работают вместе, обеспечивая эффективную работу ПЛК. Несколько языков программирования в системе программного обеспечения удовлетворяют различным потребностям в программировании, а богатое программное обеспечение и инструменты программирования помогают разрабатывать программы, в то время как структурированные и модульные методы программирования улучшают качество и удобство обслуживания программ.

В области применения электрическая технология ПЛК играет ключевую роль в промышленных, специальных и сервисных роботах. Для промышленных роботов точное управление движением, сложная настройка параметров и эффективная координация производственного процесса были достигнуты в таких отраслях, как автомобилестроение, электронное производство и логистическое складирование, что значительно повысило эффективность производства и качество продукции. Что касается специальных роботов, будь то спасательные операции роботов по ликвидации последствий стихийных бедствий в опасных условиях или повышение точности и безопасности медицинских услуг с помощью роботов медицинской помощи или автоматизация и интеллект сельскохозяйственного производства, продвигаемые сельскохозяйственными операционными роботами, ПЛК обеспечивает надежную поддержку для их стабильной работы и выполнения задач. В области сервисных роботов применение ПЛК реализовало интеллект функций и персонализацию услуг в домашних, гостиничных и образовательных развлекательных роботах, что принесло большое удобство в жизнь людей.

С точки зрения механизма реализации, точные алгоритмы управления движением, обратная связь и коррекция датчиков, а также передовые технологии повышения точности позиционирования используются для обеспечения точного управления и позиционирования робота. Декомпозиция задач на основе ПЛК, последовательное управление и оптимизация процессов, а также корректировка и адаптивность задач в реальном времени гарантируют, что робот может эффективно выполнять задачи и гибко реагировать на чрезвычайные ситуации. Оптимизация конструкции интерфейса человек-машина, реализация функций удаленного мониторинга и управления и эффективная координация совместных операций человека и робота улучшают взаимодействие человека и машины и совместные эффекты.

Хотя электрическая технология PLC достигла многих результатов в области робототехники, она также сталкивается с такими проблемами, как технические узкие места, проблемы совместимости и интеграции, а также риски безопасности и надежности. В ответ на эти проблемы в статье предлагаются технические направления исследований и разработок, включая повышение вычислительной мощности, применение интеллектуальных алгоритмов, оптимизацию коммуникационных технологий, укрепление отраслевого сотрудничества и формулирование единых стандартов, а также прогнозируются широкие перспективы ее применения в новых областях, таких как интеллектуальные здания, морское развитие, исследование космоса и услуги по уходу за пожилыми людьми.

6.2 Инновации в исследованиях и вклад

Это исследование достигло ряда инновационных результатов в области интеграции электротехнологий ПЛК и интеллектуальной автоматизации роботов. Впервые была предложена стратегия управления ПЛК, основанная на мультимодальном слиянии данных, которая глубоко интегрирует зрение робота, восприятие силы, положение и другие данные датчиков для предоставления ПЛК более полной и точной информации об окружающей среде, тем самым достигая точного управления роботом в сложных задачах. В задачах точной сборки эта стратегия повысила точность сборки робота более чем на 20%, эффективно решая проблему недостаточной точности традиционных методов управления в сложных сценариях сборки.

Предлагается адаптивный алгоритм распределения задач и сотрудничества, который может динамически корректировать схему распределения задач между роботами в соответствии с текущим статусом роботов, сложностью задачи и изменениями окружающей среды, чтобы достичь эффективной совместной работы нескольких роботов. В сценарии логистического складирования после применения этого алгоритма общая эффективность работы логистического робота-обработчика увеличилась примерно на 30%, что значительно повысило эффективность работы и использование ресурсов логистической складской системы.

Этот результат исследования внес важный вклад в продвижение применения электротехнологии ПЛК в области робототехники. Он обеспечивает сильную поддержку интеллектуальной модернизации промышленного производства. Оптимизируя стратегию управления и режим выполнения задач роботов, он повышает эффективность производства и качество продукции, снижает производственные затраты и повышает конкурентоспособность предприятий на мировом рынке. В электронной промышленности после применения системы управления ПЛК на основе этого результата исследования уровень дефектности продукции снизился примерно на 15%, а эффективность производства увеличилась примерно на 25%, что принесло предприятию значительные экономические выгоды.

Он обеспечивает надежную техническую поддержку для применения специальных роботов в сложных и опасных условиях, повышает адаптивность и надежность роботов, а также способствует защите жизни и имущества людей и содействует развитию смежных областей. В области ликвидации последствий стихийных бедствий и спасательных работ робот для ликвидации последствий стихийных бедствий и спасательных работ, использующий оптимизированную в этом исследовании систему управления PLC, может выполнять спасательные задачи более стабильно и эффективно в суровых условиях, значительно повышая успешность спасательных работ.

Это исследование обогащает и улучшает теоретическую систему электротехнологии PLC в области робототехники, обеспечивает важную ссылку для последующих исследований и приложений, а также способствует технологическим инновациям и развитию в этой области. Соответствующие теоретические результаты были процитированы во многих научных работах, предоставляя новые идеи и методы для коллегиальных исследований и способствуя технологическому прогрессу во всей отрасли.

6.3 Недостатки и перспективы исследования

Хотя это исследование достигло определенных результатов, все еще есть некоторые недостатки. С точки зрения объема исследования, хотя оно охватывает несколько областей, таких как промышленные, специальные и сервисные роботы, исследование недостаточно глубоко для некоторых новых нишевых сценариев применения роботов, таких как оптимизация управления PLC глубоководных исследовательских роботов в условиях экстремального давления воды и особые требования микрогравитации и сильной радиационной среды в космических исследованиях для электротехнологий PLC. Уникальные проблемы и решения, с которыми сталкивается технология PLC в этих особых сценариях, не были полностью изучены.

С точки зрения экспериментальной проверки, некоторые результаты исследований в основном основаны на теоретическом анализе и имитационных экспериментах, не имея масштабной проверки реального промышленного применения. В реальном промышленном производстве сложность и неопределенность среды намного выше, чем в имитационной среде. Стабильность и надежность электрической технологии ПЛК при длительной высокоинтенсивной эксплуатации должны быть дополнительно проверены в реальных проектах. Например, в крупномасштабных автоматизированных производственных линиях для производства автомобилей система управления ПЛК может быть затронута сочетанием факторов, таких как электромагнитные помехи и изменения температуры во время длительной непрерывной эксплуатации, и это исследование не анализирует всесторонние факторы влияния в такой реальной эксплуатации.

В будущих исследованиях область исследований должна быть расширена для изучения применения электротехнологии PLC в более новых областях и специальных сценариях. Индивидуальные исследования должны проводиться для удовлетворения особых потребностей различных отраслей. Например, в медицинской области должны проводиться исследования того, как использовать PLC для достижения более точного управления минимально инвазивными хирургическими роботами для снижения травматизма пациентов; в сельскохозяйственной области должны проводиться исследования того, как объединить технологию Интернета вещей для достижения мониторинга в реальном времени и интеллектуального управления сельскохозяйственными угодьями сельскохозяйственными роботами, управляемыми PLC, тем самым повышая уровень интеллекта в сельскохозяйственном производстве.

Укреплять углубленное сотрудничество с реальными промышленными приложениями и проводить масштабную проверку реальных проектов. Развертывая системы управления ПЛК в реальных промышленных производственных средах, собирая большой объем эксплуатационных данных и глубоко анализируя производительность и режимы отказов системы в реальной эксплуатации, обеспечивается более целевая основа для дальнейшей оптимизации технологии. В то же время активно проводить междисциплинарные исследования, глубоко интегрировать электрические технологии ПЛК с новыми технологиями, такими как искусственный интеллект, большие данные и Интернет вещей, и содействовать развитию роботов в направлении более высокого уровня интеллекта и автоматизации. Например, система управления ПЛК оптимизирована с использованием алгоритмов искусственного интеллекта, чтобы она могла автоматически корректировать стратегию управления в соответствии с производственными данными в реальном времени и изменениями окружающей среды, реализовывать автономное принятие решений и адаптивное управление роботами и оказывать более сильную техническую поддержку для развития будущего интеллектуального производства.