基于西門子S7-200PLC的機(jī)械手控制器的設(shè)計(jì)

摘 要：文中對機(jī)械手控制器的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了合理分析和科學(xué)論證，設(shè)計(jì)了以西門子PLC S7-200為核心器件，完成機(jī)械手的行動(dòng)控制系統(tǒng)。文中對硬件系統(tǒng)和主要功能模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)和規(guī)劃，其中系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)模塊主要包含PLC系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、提示系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等四個(gè)模塊。同時(shí)，采用V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9對系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，并對主模塊進(jìn)行了分析和講解。

關(guān)鍵詞：PLC;機(jī)械手;控制器;多模式

生產(chǎn)力的不斷進(jìn)步推動(dòng)了科技的進(jìn)步與革新，建立了生產(chǎn)與科技更加合理的生產(chǎn)關(guān)系。隨著科技的發(fā)展，越來越多高危、高污染地區(qū)不適合人工操作，機(jī)械手應(yīng)用技術(shù)在不斷地提升中，代替人工。機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)化最突出的表現(xiàn)，它能自動(dòng)執(zhí)行工作，靠的就是自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。機(jī)械手還可以全天候不停進(jìn)行重復(fù)、單調(diào)、簡易的工作，提高效率的同時(shí)還能減少成本，增強(qiáng)自身在同行間的競爭力。隨著自動(dòng)化理論的提升和各行業(yè)需求，機(jī)械手技術(shù)迅速發(fā)展起來。

1 設(shè)計(jì)重點(diǎn)和思路

使用西門子PLC（S7-200）為主控結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一款多功能機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品位置的檢測和轉(zhuǎn)移功能。本系統(tǒng)主要由電磁式傳感器、西門子PLC、電動(dòng)機(jī)、可彈式按鈕開關(guān)和兩位三通電磁閥組成。

1.1功能要求

切換開關(guān)用來決定工作模式：手動(dòng)和自動(dòng)。

手動(dòng)模式下可以任意方向操作，前進(jìn)、后退、下降、上升、左移、右移。

自動(dòng)模式下可以執(zhí)行設(shè)定好的路徑，到達(dá)產(chǎn)品抓取位置抓取產(chǎn)品，并移動(dòng)到指定放擺放區(qū)，回到原點(diǎn)。

1.2設(shè)計(jì)要求

（1）通過PLC控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)距離;

（2）電磁閥控制氣缸動(dòng)作;

（3）轉(zhuǎn)換開關(guān)控制模式切換;

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1總體設(shè)計(jì)方案

手臂動(dòng)作設(shè)計(jì)方案有兩種：氣動(dòng)和軸動(dòng)。

2.1.1采用氣動(dòng)方式控制機(jī)械手

采用氣動(dòng)方式，機(jī)械臂左右移動(dòng)和上下移動(dòng)由氣缸來帶動(dòng)，動(dòng)作的距離根據(jù)氣缸本身長短來決定，并且只有最大值和最小值兩個(gè)固定點(diǎn)，自由度較為限制。但可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的移動(dòng)，氣缸價(jià)格便宜。

2.1.2采用軸控制技術(shù)

軸動(dòng)方式，即機(jī)械手的各個(gè)手臂各被一個(gè)電機(jī)控制，可以隨時(shí)停在手臂上的任意位置，加上編碼器，還可以實(shí)時(shí)反饋位置信息。

通過上述兩個(gè)方案的比較、綜合考慮后，選取（2）方案最為合理。軸動(dòng)控制相對氣動(dòng)控制更為靈活、移動(dòng)更為穩(wěn)定。

2.2機(jī)械手手爪設(shè)計(jì)方案論證

機(jī)械手手爪設(shè)計(jì)方案[1]主要有兩種：

方案一：同樣采用小伺服電機(jī)來控制手爪。

方案二：采用小氣缸來控制手爪。

通過對比以上兩種設(shè)計(jì)方案，方案二相對優(yōu)先，氣缸式帶有一定的彈性，可減少對產(chǎn)品抓取時(shí)產(chǎn)生的損害;采用方案一電機(jī)式，要添加一個(gè)壓力檢測，防止盲目抓緊破壞產(chǎn)品，費(fèi)用增加，且有一定威脅性，因此采用方案二。

3 模塊選用及功能闡述

3.1西門子PLC S7系列的介紹及構(gòu)成說明

在西門子公司所有的PLC系列[2]中S7系列PLC是使用最多的，S7系列包括S7-200 PLC、S7-300 PLC和S7-400 PLC。S7-200PLC具有體積小、接口可拓展、價(jià)格便宜、強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，在一般情況下都有可以滿足控制系統(tǒng)的要求。當(dāng)選擇的主機(jī)沒有想要的控制功能時(shí)，需要對硬件部分加裝拓展模塊。擴(kuò)展模塊包括：數(shù)字模塊、模擬模塊、通訊模塊和功能模塊四類。設(shè)計(jì)中可根據(jù)要求來選擇所需的擴(kuò)展模塊，增強(qiáng)功能。

3.2S7-200 CPU存儲(chǔ)器的類型

輸入繼電器（I）、輸出繼電器（Q）、通用輔助繼電器（M）、特殊繼電器（SM）、順序控制繼電器（S）、定時(shí)器（T）、計(jì)數(shù)器（C）。

4 硬件設(shè)計(jì)與制作

4.1 硬件設(shè)計(jì)

4.1.1 PLC模塊介紹

PLC的特點(diǎn)完全可以勝任工廠需求：

①抗干擾能力強(qiáng)，可靠性極高;

②PLC可用梯形圖、語句表、功能模塊圖編程;

③有豐富的內(nèi)部功能，定時(shí)、計(jì)數(shù)、自檢、模數(shù)，數(shù)模轉(zhuǎn)換等功能;

④具有通信功能;

⑤模塊拓展功能。

4.1.2材料清單

本文中使用到的所有硬件材料見表1。

4.1.3 輸入輸出信號(hào)地址分配表

輸入端管腳分配如表2所示，輸出端口與外部連接分配如表3所示。

根據(jù)I/O表觀察，需要的端口數(shù)量大于常規(guī)CPU端口，因此選擇添加一個(gè)數(shù)字模塊EM223來增多輸入輸出口。如圖1所示。

4.1.4 主機(jī)PLC管腳接線

主機(jī)PLC管腳接線如圖2所示。

4.2 整體接線

電能源從220V的生活用電接入，連接到空氣開關(guān)，空開連接交流接觸器和開關(guān)電源，交流接觸器連接交流繼電器最后接到熱繼電器，連接電機(jī)。開關(guān)電源變電壓為DC24V，接到PLC，PLC輸出端接各電機(jī)正反轉(zhuǎn)接觸器，以及各種指示燈;PLC輸入端接感應(yīng)器和操作按鈕。如圖3所示。

4.3 ?硬件

傳感器、控制開關(guān)、開關(guān)電源、空氣開關(guān)、交流接觸器、減壓閥、氣控電磁閥。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 系統(tǒng)主要模塊

程序主要分為三個(gè)模塊，控制模式選擇程序、動(dòng)作指示燈程序、控制范圍控制程序。

在STEP7-micro/win軟件中，編好程序，編譯矯錯(cuò)，最后編譯通過，點(diǎn)擊“菜單欄”中的“文件”，點(diǎn)擊導(dǎo)出，生成“.awl”文件。

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)詳細(xì)步驟：

啟動(dòng)程序，首先實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通電，然后電源指示燈亮起。通過所有的傳感器來判斷是否在原點(diǎn)。選擇模式檔位，信號(hào)從遙控器傳至PLC，亮起對應(yīng)的信號(hào)燈。經(jīng)由開關(guān)按鈕控制，做出預(yù)期動(dòng)作。

5.1.1 系統(tǒng)主程序流程

主程序流程圖，如圖4所示

5.1.2 控制模式選擇程序

在打開控制電源后，手動(dòng)、自動(dòng)、回原點(diǎn)模式之一會(huì)處于通電狀態(tài)，等待按下使能按鈕。按下后，進(jìn)入相應(yīng)模式。再運(yùn)行期間可以切換模式。

5.1.3動(dòng)作指示燈程序

按下相應(yīng)按鈕后，會(huì)輸出2個(gè)信號(hào)，一個(gè)動(dòng)作信號(hào)，一個(gè)指示燈信號(hào)，根據(jù)指示燈來判斷當(dāng)前機(jī)器的運(yùn)作情況。也可以指示燈判斷設(shè)備或程序是否故障。

5.1.4控制范圍控制程序

當(dāng)機(jī)器運(yùn)作或誤碰的情況下，可能出現(xiàn)失控狀態(tài)，接近開關(guān)裝在一個(gè)相對極限的位置，當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)在接近開關(guān)的位置時(shí)，判斷為失控狀態(tài)，切斷當(dāng)前方向的供電，起到保護(hù)作用。

5.2 系統(tǒng)軟件主要程序分析

5.2.1 模式選擇

進(jìn)入手動(dòng)、自動(dòng)和回原點(diǎn)模式如圖5所示。

電源上電：I0.0常開閉合（打開電源），I0.1（關(guān)閉電源）常閉閉合，Q2.2（電源得電指示燈）得電亮燈。

手動(dòng)模式啟動(dòng)：Q2.2得電后閉合I0.2（手動(dòng)按鈕），Q0.7（手動(dòng)模式指示燈）得電亮燈，如果切換模式：打到I0.3（自動(dòng)模式檔位）或I0.4（回原點(diǎn)檔位），則Q0.7失電熄滅。退出手動(dòng)檔。

自動(dòng)模式啟動(dòng)：Q2.2得電后閉合I0.3（自動(dòng)檔位），再按下一次I0.5（使能按鈕），此時(shí)Q1.0（自動(dòng)模式指示燈）亮燈，并自鎖使能按鈕。如果切換模式：打到I0.2（手動(dòng)模式檔位）或I0.4（回原點(diǎn)檔位），則Q1.0失電熄滅。退出自動(dòng)檔。

回原點(diǎn)模式啟動(dòng)：同理，電源得電后，打到I0.4（手動(dòng)檔位），再按住I0.5（使能按鈕），Q1.1得電（進(jìn)入回原點(diǎn)模式）。各部位回原點(diǎn)（I1.7、I2.0和I2.2都斷開）、放開使能按鈕或切換檔位，退出回原點(diǎn)模式。如已在原點(diǎn)位置，則等待換模式。

5.2.2 手動(dòng)模式

手動(dòng)前進(jìn)和后退動(dòng)作如圖6和圖7所示。

手動(dòng)前進(jìn)：

手動(dòng)模式下再按住使能按鈕，再按住前進(jìn)按鈕（I0.6），M0.1線圈得電，M0.1常開開關(guān)閉合，Q0.1得電，給前后電機(jī)發(fā)出正轉(zhuǎn)信號(hào)，同時(shí)前進(jìn)信號(hào)燈亮（Q1.2）。在遇到前進(jìn)限位開關(guān)（I1.6）時(shí)，I2.6常閉斷開，阻斷電機(jī)正轉(zhuǎn)（Q0.1失電）。當(dāng)電機(jī)故障時(shí)，前后熱繼電器（I2.6常閉）斷開，也可以阻斷電機(jī)供電。如圖5.4所示。

手動(dòng)后退：

手動(dòng)模式下再按住使能按鈕，再按住后退按鈕（I0.7），M0.2線圈得電，M0.2常開開關(guān)閉合，Q0.2得電，給前后電機(jī)發(fā)出反轉(zhuǎn)信號(hào)，同時(shí)后退信號(hào)燈亮（Q1.3）。在抵達(dá)后退極限區(qū)域時(shí)（I1.7得電），阻斷電機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)（Q0.2失電）。當(dāng)電機(jī)故障時(shí)，前后熱繼電器（I2.6常閉）斷開，也可以阻斷電機(jī)供電。如圖5.5所示。

5.2.3 回原點(diǎn)模式

回原點(diǎn)模式后如圖8所示。

Q1.1常開閉合（回原點(diǎn)信號(hào)），使得M0.2得電（控制前進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)后退）。一直退回到后退限位（I1.7常閉斷開）停止動(dòng)作。

后退限位的常開閉合I1.7，M0.3得電（控制左右電機(jī)反轉(zhuǎn)左移）。直到觸碰到左限位（I2.0常閉斷開）。

為了保證回原點(diǎn)時(shí)是一步一步有序進(jìn)行，所以要先判斷I1.7（在后極限位）和I2.0（在左極限位）是否已完成復(fù)歸動(dòng)作（極限位常開閉合為已完成），條件都滿足后M0.5（上下電機(jī)反轉(zhuǎn)）得電，手臂開始上升。達(dá)到上限位停止。

現(xiàn)在，前后、左右和上下都在原點(diǎn)，I1.7、I2.0和I2.2常閉斷開，中斷回原點(diǎn)命令。

5.2.4 自動(dòng)模式

自動(dòng)模式下按使能鍵一次，即會(huì)自鎖自動(dòng)模式狀態(tài)。如圖9所示。

在執(zhí)行自動(dòng)模式前，先判斷是否在原點(diǎn)位置，如果在則M2.0（自動(dòng)模式---已到達(dá)原點(diǎn)）得電。否則，機(jī)械手各部先回原點(diǎn)。

各手臂依次回到原點(diǎn)后，M2.0線圈得電，M2.0的常閉全都斷開，防止繼續(xù)回原點(diǎn)，阻礙后續(xù)動(dòng)作的執(zhí)行。

之后，以M2.0的常開閉合為觸發(fā)點(diǎn)，激活第一個(gè)動(dòng)作，每完成一個(gè)操作，都相應(yīng)會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)，以該信號(hào)為下一個(gè)動(dòng)作的觸發(fā)點(diǎn)，以此類推。

在運(yùn)行到最后一個(gè)動(dòng)作時(shí)，發(fā)出的信號(hào)會(huì)切斷M2.0的通電，回原點(diǎn)指令激活，繼而開始回原點(diǎn)。周而復(fù)始至切換模式或電機(jī)熱保護(hù)動(dòng)作（M3.0常開斷開）。

6 結(jié)語

本設(shè)計(jì)是以PLC為主控器件的機(jī)械手，結(jié)構(gòu)簡單，但滿足設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行效果也不錯(cuò)，而且還具有較高的可行性和可塑性，甚至能在一些高危、高污染地區(qū)也可正常工作。PLC又具有可編程和拓展模塊的能力，本系統(tǒng)有較明顯的模塊劃分，也便于以后的設(shè)備升級，符合現(xiàn)代工廠的條件。

參考文獻(xiàn)：

[1] Yan-Jun X， Jing Z， Yu-Ming G， et al. The Research of Automatic Mold Manipulator Control System on PLC[C]. Wase International Conference on Information Engineering. IEEE Computer Society， 2010： 200-203.

[2] 王偉.可編程序控制器的使用和維護(hù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

作者簡介：

陳瑞兵（1978-），男，漢族，廣東高州人，本科，廣東東莞理工學(xué)校擔(dān)任機(jī)械講師，主要研究方向：數(shù)控加工，模具設(shè)計(jì)及制造。

（東莞理工學(xué)校，廣東 東莞 523470）