基于PLC和組態(tài)王的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉次樂(lè) 李小斌 吳宏岐 劉霞

摘要：在我國(guó)機(jī)械手的發(fā)展越來(lái)越受到社會(huì)的關(guān)注，機(jī)械手取代人力的趨勢(shì)日漸明顯，機(jī)械手控制系統(tǒng)的研究和教學(xué)被許多高校關(guān)注，然而受實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和場(chǎng)地的限制，在校大學(xué)生很難獲得更多的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)。因此，這里給出一種基于組態(tài)王和PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可有效解決實(shí)驗(yàn)條件不足的問(wèn)題，幫助在校學(xué)生更好地理解學(xué)習(xí)機(jī)械手控制過(guò)程。實(shí)踐表明，該方案可以取得很好的研究、學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；PLC；組態(tài)王

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）05-0020-03

隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)加工的高效、高精度需求，機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)的重視，在南方很多企業(yè)已經(jīng)開始將機(jī)器人應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，這也進(jìn)一步推動(dòng)了高等院校對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究和教學(xué)，目前在校大學(xué)生對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)興趣也是空前高漲。然而，與之相對(duì)的是實(shí)驗(yàn)設(shè)備的緊缺和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的嚴(yán)重不足。這里給出一種機(jī)械手虛擬控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，可借助計(jì)算機(jī)軟件逼真地模擬機(jī)械手的控制過(guò)程，使學(xué)生和老師不要機(jī)械手就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工作過(guò)程研究。該方案只需要計(jì)算機(jī)和PLC，或者只有計(jì)算機(jī)，即可達(dá)到真實(shí)系統(tǒng)的仿真效果。

1 機(jī)械手主要結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

1.1 機(jī)械手主要結(jié)構(gòu)

如圖1所示，機(jī)械手主要由A、B、C三個(gè)氣缸組成，A氣缸控制水平方向移動(dòng)，B氣缸控制垂直方向的移動(dòng)，C氣缸完成機(jī)械手夾緊、松開動(dòng)作，三個(gè)氣缸在程序控制下完成機(jī)械手對(duì)物料的搬運(yùn)[1]。

1.2 機(jī)械手工作過(guò)程

當(dāng)機(jī)械手處于原始位置，它的左上位開關(guān)處于閉合的狀態(tài)，當(dāng)用戶按下啟動(dòng)開按鈕時(shí)，機(jī)械手將開始向下運(yùn)動(dòng)，碰到下限位開關(guān)時(shí)，停止2秒后執(zhí)行夾緊動(dòng)作，夾起A點(diǎn)物體，隨后機(jī)械手開始向上移動(dòng)，碰到上限位開關(guān)時(shí)開始向右移動(dòng)，碰到右限位開關(guān)就向下運(yùn)動(dòng)，直到遇到下限位開關(guān)，執(zhí)行松開動(dòng)作將物品放到b點(diǎn)。之后，機(jī)械手回到原位，這個(gè)流程即完成了一次物料的搬運(yùn)的過(guò)程，整個(gè)工作過(guò)程如圖2所示。

2 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC外部電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以西門子S7-200系列PLC的CPU226主機(jī)作為控制核心，其外圍電路如圖3所示。機(jī)械手控制方式分為：手動(dòng)控制模式、單周期控制模式、自動(dòng)控制模式，采用轉(zhuǎn)換開關(guān)SA進(jìn)行選擇。當(dāng)SA選擇手動(dòng)模式（I0.0輸入）時(shí)，所有動(dòng)作手動(dòng)實(shí)現(xiàn)；當(dāng)SA選擇單周期控制模式（I0.1輸入）時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手完成一次搬運(yùn)過(guò)程然后回到初始位置停止；當(dāng)SA選擇自動(dòng)控制模式（I0.2輸入）時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手循環(huán)完成搬運(yùn)過(guò)程，直到按下停止按鈕后回到初始位置停止。

圖2中，PLC輸出量有6個(gè)，其中YV1～YV5（Q0.0～Q0.4輸出）為電磁閥線圈，可通過(guò)其各自電磁閥分別控制機(jī)械手的氣缸動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上升、下降、左移、右移和夾緊，另一個(gè)輸出（Q0.5）為運(yùn)行狀態(tài)指示。

2.2 PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)[2-4]

機(jī)械手控制程序采用STEP 7-Micro/WIN編程軟件設(shè)計(jì)，主要程序段梯形圖如圖3所示。這里采用西門子PLC的SM0.1觸點(diǎn)在系統(tǒng)上電的時(shí)候，對(duì)可能用到的存儲(chǔ)空間進(jìn)行清零，將M0.0到M0.7、M1.0到M1.7、M2.0到M2.7、Q0.0到Q0.7的地址的內(nèi)容批量清零。

如果機(jī)械手位于原始位置，按下啟動(dòng)按鈕時(shí)I0.3（組態(tài)王M1.3）觸點(diǎn)閉合，機(jī)械手執(zhí)行下降的動(dòng)作，下降到位I1.4（組態(tài)王M2.4）觸點(diǎn)閉合，將Q0.4置位，執(zhí)行夾緊程序，保持2S后，夾緊貨物后，將Q0.4保持置位狀態(tài)，同時(shí)將Q0.0置位，讓機(jī)械手執(zhí)行上升動(dòng)作，機(jī)械手上升到上限位后，進(jìn)入到右移狀態(tài)，將Q0.3置位，機(jī)械手右移到位后，執(zhí)行下降動(dòng)作，機(jī)械手下移到位后，將Q0.4復(fù)位，執(zhí)行松開動(dòng)作，此時(shí)將定時(shí)器T2開始計(jì)時(shí)1S，時(shí)間到后，機(jī)械手開始上升，執(zhí)行回原點(diǎn)程序，回到原點(diǎn)停止。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)采用組態(tài)王Kingview軟件設(shè)計(jì)，Kingview6.53是一款全中文的工業(yè)控制用組態(tài)軟件，具有開放性好、適應(yīng)性強(qiáng)、易于擴(kuò)展、開發(fā)周期短等諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其是它在自動(dòng)控制系統(tǒng)中能夠發(fā)揮組態(tài)開發(fā)、上傳下達(dá)的重要作用。組態(tài)王軟件包由工程管理器、工程瀏覽器、畫面運(yùn)行系統(tǒng)、信息窗口這四個(gè)部分組成。其中工程瀏覽器、畫面運(yùn)行系統(tǒng)是兩個(gè)獨(dú)立的Windows應(yīng)用程序，都可以單獨(dú)使用[5]。

3.1 通訊設(shè)備參數(shù)設(shè)置

西門子S7-200型PLC支持多種通信協(xié)議，其中點(diǎn)到點(diǎn)（Point-to-Point）接口（PPI）方式是西門子專為S7-200系列PLC開發(fā)的一種通訊協(xié)議，通訊非常簡(jiǎn)單方便，只用NETR和NETW兩條語(yǔ)句即可進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的傳遞，不需要額外再配置模塊或軟件[6]。S7-200系列CPU上集成的編程口同時(shí)就是PPI通訊聯(lián)網(wǎng)接口，其物理特性為RS485。西門子公司提供的PC/PPI電纜帶有RS232/RS485電平轉(zhuǎn)換器，因此在不增加任何硬件的情況下，可以很方便地將PLC和PC機(jī)（插MPI卡）互聯(lián)。PC與PLC之間的通信采用主從方式，PC始終處于主導(dǎo)地位。

打開STEP 7-Micro/WIN編程軟件，然后點(diǎn)擊左邊通信， 在彈出窗口中點(diǎn)屬性設(shè)置通信參數(shù)；在組態(tài)王工程瀏覽器工程目錄顯示區(qū)，通過(guò)“設(shè)備”大綱項(xiàng)目下的PLC與上位機(jī)所連串口對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。PLC的通信參數(shù)要和組態(tài)王、編程軟件一致。這里設(shè)置為：波特率9600，數(shù)據(jù)位8，停止位1，偶校驗(yàn)。

3.2 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)是聯(lián)系下位機(jī)和上位機(jī)的橋梁。選擇工程瀏覽器左邊“數(shù)據(jù)庫(kù)＼數(shù)據(jù)詞典”，在“變量屬性”對(duì)話框里可以創(chuàng)建機(jī)械手控制系統(tǒng)的各個(gè)數(shù)據(jù)變量。根據(jù)機(jī)械手的控制要求和組態(tài)王畫面中的控制要素，可設(shè)計(jì)組態(tài)王工程的變量。如圖4所示。

這些變量與PLC內(nèi)部的變量是一一對(duì)應(yīng)的，PLC輸入輸出完全由組態(tài)王內(nèi)部變量代替。這樣，PLC的實(shí)際輸入輸出狀態(tài)就會(huì)全部反映在組態(tài)王監(jiān)控界面上了。

3.2.2 建立機(jī)械手畫面及動(dòng)畫連接

設(shè)計(jì)機(jī)械手圖形界面并建立動(dòng)畫連接，組態(tài)畫面如圖5所示。畫面中的動(dòng)畫連接均采用隱含連接方式，也就是當(dāng)畫面中的各個(gè)圖素隱含連接表達(dá)式為真時(shí)才將其顯示出來(lái)，當(dāng)表達(dá)式不成立時(shí)則會(huì)隱含。

4 仿真運(yùn)行

在PLC編程軟件和計(jì)算機(jī)完成通信后，將程序下載到設(shè)備中。打開組態(tài)王，點(diǎn)擊機(jī)械手控制工程，切換到view狀態(tài)，選擇單周期模式，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手縱軸開始伸出，向下移動(dòng)，下降到位后，執(zhí)行夾緊動(dòng)作，當(dāng)機(jī)械爪夾緊貨物后，機(jī)械手縱軸開始收縮，垂直向上方行走，到上限位后，機(jī)械手橫軸開始伸出，向右移動(dòng)，機(jī)械手橫軸一直伸出到右限位后停止，此時(shí)機(jī)械手縱軸開始伸出，將小球向垂直方向放下，機(jī)械手將貨物放到2號(hào)皮帶機(jī)上后，縱軸開始縮回，向上運(yùn)動(dòng)到最高限位，機(jī)械手水平向初始位置縮回，控制機(jī)械手回到原始位置停止。運(yùn)行過(guò)程中，沒(méi)個(gè)動(dòng)作的狀態(tài)都有相應(yīng)指示燈指示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)，采用S7-200型PLC實(shí)現(xiàn)了其控制系統(tǒng)，上位機(jī)用組態(tài)王開發(fā)了人機(jī)界面，上位機(jī)和下位機(jī)之間通過(guò)PPI協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信。實(shí)踐證明，在沒(méi)有機(jī)械手實(shí)物的情況下，完全可以逼真模擬PLC對(duì)機(jī)械手的控制過(guò)程。如果采用PLC仿真軟件，在沒(méi)有PLC的情況下也可以模擬實(shí)際系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]張鳳珊.電氣控制及可編程序控制器[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2013.

[2]王智勇，王延華.基于S7-300PLC和WinCC的鍋爐控制系統(tǒng)[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2011（03）：161-162.

[3]王阿根.西門子S7-200PLC編程實(shí)例精解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[4]王志蘭.基于S7-400 PLC工業(yè)廢水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（08）：154.

[5]吳松，黃元，基于組態(tài)王和PLC的機(jī)械手及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2011，（8）：48-49.

[6]李衛(wèi)平，原思聰.基于PLC和組態(tài)王的泵站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2004，23（5）：28-30.