鄭長(zhǎng)山

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127)

0 引言

PLC技術(shù)在工程上應(yīng)用十分廣泛，尤其針對(duì)機(jī)械手，它能部分代替人工操作，能按照生產(chǎn)工藝要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸。機(jī)械手的應(yīng)用可以大幅度減少人工重復(fù)操作，降低生產(chǎn)過(guò)程中的危險(xiǎn)系數(shù)，極大地提高生產(chǎn)效率與工作精度。此外，機(jī)械手還能在無(wú)人區(qū)或?qū)θ擞泻Φ沫h(huán)境中正常工作［1］。

本文研究了基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還研究了組態(tài)軟件WinCC在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，利用WinCC設(shè)計(jì)了機(jī)械手模型控制系統(tǒng)監(jiān)控界面，提供了較為直觀、清晰、準(zhǔn)確的機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)，為故障診斷提供了多方面的可能性，充分提高了系統(tǒng)的工作效率。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

機(jī)械手有三種運(yùn)行方式:自動(dòng)運(yùn)行、單周期運(yùn)行和手動(dòng)運(yùn)行。見(jiàn)圖 1［2］。

圖1 機(jī)械手工作示意圖

1.1 自動(dòng)運(yùn)行方式

當(dāng)機(jī)械手在原點(diǎn)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)光電開(kāi)關(guān)PS檢測(cè)到工件后，傳送帶停止運(yùn)行。自動(dòng)啟動(dòng)機(jī)械手下降，碰到下降極限開(kāi)關(guān)，機(jī)械手停止下降，同時(shí)接通夾緊/放松電磁閥線圈。

當(dāng)夾緊到位時(shí)，壓力繼電器動(dòng)合觸電閉合，接通上升電磁閥線圈。

上升到位時(shí)，碰到上升極限開(kāi)關(guān)，機(jī)械手停止上升，同時(shí)接通右旋轉(zhuǎn)電磁閥線圈。

右旋轉(zhuǎn)到位時(shí)，碰到右旋轉(zhuǎn)到位開(kāi)關(guān)，停止右旋轉(zhuǎn)，同時(shí)接通下降電磁閥線圈，機(jī)械手下降，碰到下降極限開(kāi)關(guān)，停止下降，同時(shí)斷開(kāi)夾緊/放松電磁閥線圈，放松時(shí)間為4秒。

4秒后自動(dòng)啟動(dòng)機(jī)械手上升，上升到位，碰到上升極限開(kāi)關(guān)，機(jī)械手停止上升，同時(shí)接通左旋轉(zhuǎn)電磁閥線圈。

左旋轉(zhuǎn)到位，碰到左旋轉(zhuǎn)極限開(kāi)關(guān)，停止左轉(zhuǎn)，回到原點(diǎn)，再次自動(dòng)啟動(dòng)傳送帶，當(dāng)光電開(kāi)關(guān)PS檢測(cè)到工件后，又開(kāi)始新的工作循環(huán)周期。工作流程如下:

1.2 機(jī)械手單周期運(yùn)行

機(jī)械手單周運(yùn)行是指按下啟動(dòng)按鈕后，機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始下降，完成上述動(dòng)作后停止運(yùn)行。若要求機(jī)械手繼續(xù)工作，要再次按下單周期啟動(dòng)按鈕。

1.3 機(jī)械手手動(dòng)運(yùn)行

機(jī)械手手動(dòng)運(yùn)行是指機(jī)械手的上升、下降、左旋轉(zhuǎn)、右旋轉(zhuǎn)、夾緊/放松等操作通過(guò)對(duì)應(yīng)的手動(dòng)操作按鈕來(lái)控制，與操作順序無(wú)關(guān)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采用上述三種工作方式設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。

(1)根據(jù)任務(wù)進(jìn)行輸入和輸出分析，最后確定16個(gè)數(shù)字量輸入，6個(gè)數(shù)字量輸出。

(2)根據(jù)輸入/輸出的個(gè)數(shù)，本著夠用的原則，選擇適合的硬件組態(tài)，保存和編譯。硬件組態(tài)過(guò)程如下:

如果選擇了電源模板PS307，必須安裝在1#槽位上;CPU模板的安裝位置緊挨著電源模板，安裝在2#槽位上;用于連接擴(kuò)展機(jī)架的接口模板IM，安裝在3#槽位上;各種信號(hào)模板SM，安裝在4～11#槽位上。從4#槽位開(kāi)始，CPU為信號(hào)模板分配I/O地址，且根據(jù)信號(hào)模板的類型遞增I/O地址［2］。

PLC硬件組成如圖2所示。

圖2 PLC硬件組成

3 編程及仿真調(diào)試

3.1 地址及變量分配

輸入/輸出地址分配如表1所示。在WinCC中輸入操作變量和輸出顯示變量。

3.2 編程

根據(jù)任務(wù)、地址分配及WinCC變量編寫(xiě)機(jī)械手程序。

雙擊SIMATIC Manager，打開(kāi)OB1，將程序鍵入。

程序中有現(xiàn)場(chǎng)控制的輸入和輸出，還有通過(guò)WinCC畫(huà)面控制的輸入操作變量和輸出顯示變量。

機(jī)械手部分程序如圖3所示。

圖3 機(jī)械手部分程序

3.3 仿真調(diào)試

用STEP-7編程軟件編好的程序，在SIMATIC管理器下，單擊選中SIMATIC300站點(diǎn)，S7-PLCSIM模擬軟件在STOP狀態(tài)下下載，然后選擇RUN，根據(jù)任務(wù)調(diào)試程序，現(xiàn)場(chǎng)輸入和輸出調(diào)試，WinCC中輸入操作變量和輸出顯示變量調(diào)試。S7-PLCSIM模擬軟件如圖4所示。

圖4 S7-PLCSIM仿真軟件

自動(dòng)運(yùn)行方式:自動(dòng)啟動(dòng)按鈕按下再松開(kāi)，用鼠標(biāo)在I0.0打“√”，再去掉“√”來(lái)模擬;傳送帶啟動(dòng)運(yùn)行;輸出Q4.0打“√”來(lái)模擬傳送帶啟動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)光電開(kāi)關(guān)PS檢測(cè)到工件后，用鼠標(biāo)在I1.1打“√”來(lái)模擬;傳送帶停止運(yùn)行，輸出Q4.0的“√”自動(dòng)消失模擬傳送帶停止。機(jī)械手自動(dòng)下降，輸出Q4.5自動(dòng)打“√”來(lái)模擬傳送帶下降;機(jī)械手碰到下降極限開(kāi)關(guān)，用鼠標(biāo)在I1.5打“√”來(lái)模擬;碰到下降極限開(kāi)關(guān)，機(jī)械手停止下降，輸出Q4.5的“√”自動(dòng)消失模擬機(jī)械手停止下降。

單周期運(yùn)行方式和手動(dòng)運(yùn)行方式跟自動(dòng)運(yùn)行方式在方法上類似。

根據(jù)表1在WinCC中輸入操作變量和輸出顯示變量。WinCC的輸入變量M打勾，觀看輸出Q顯示勾變化。

4 WinCC組態(tài)及監(jiān)控設(shè)計(jì)

WinCC組態(tài)及監(jiān)控過(guò)程如下:

(1)雙擊Windows桌面SIMATIC WinCC Explorer。

(2)鼠標(biāo)左鍵單擊新建WinCC項(xiàng)目，選擇單用戶項(xiàng)目，起名字為“機(jī)械手PLC控制及WinCC監(jiān)控”，單擊“確定”按扭。

(3)右擊WinCC資源管理器左邊中的“變量管理器”。單擊“添加新的驅(qū)動(dòng)程序”選項(xiàng)，在“添加新的驅(qū)動(dòng)程序”對(duì)話框中，選中“SIMATIC S7 Protocol Suite.chn”打開(kāi)。

(4)右擊通道單元MPI，在彈出的菜單中，單擊“新驅(qū)動(dòng)程序連接“選項(xiàng)。

單擊屬性按鈕，選擇2#插槽。單擊“確定按鈕”。

(5)右鍵NewConnection，選擇新建變量，名稱輸入自動(dòng)啟動(dòng)按鈕SB1，數(shù)據(jù)選擇位內(nèi)存，M20.0;右鍵NewConnection，選擇新建變量，名稱輸入正常停止按鈕SB3，數(shù)據(jù)選擇位內(nèi)存，M20.3;右鍵NewConnection，選擇新建變量，名稱輸入上升極限開(kāi)關(guān)，數(shù)據(jù)選擇位內(nèi)存，M20.4。用此法，按照上面的表1，建立輸入顯示變量。

右鍵NewConnection，選擇新建變量，名稱傳送帶接觸器，數(shù)據(jù)選擇輸出，地址Q4.0。同理用此方法，按照表1建立其他輸出變量。如圖5所示。

(6)編輯過(guò)程畫(huà)面

①在 WinCC資源管理器中，右擊“畫(huà)面編輯器”。

②在彈出菜單中，單擊“新建畫(huà)面”選項(xiàng)。

③在WinCC資源管理器右邊的子窗口中，雙擊“Newpdl.pdl”，打開(kāi)畫(huà)面編輯器。

④在打開(kāi)的圖形編輯器中編輯自己想編輯的畫(huà)面。如圖6所示。

圖5 輸入操作變量和輸出顯示變量

圖6 WinCC畫(huà)面圖形

(7)連接輸入的操作變量，鼠標(biāo)光標(biāo)放在畫(huà)面的自動(dòng)啟動(dòng)按鈕上，按鈕按下為“1”，設(shè)置過(guò)程:右鍵→屬性→事件→按鈕→鼠標(biāo)→按左鍵→右鍵C動(dòng)作→刪除大括號(hào)內(nèi)容→在大括號(hào)內(nèi)英文狀態(tài)下鍵入{SetTagBit(“”，1);}→引號(hào)內(nèi)容到窗口編輯動(dòng)作中的變量選擇→{SetTagBit(“自動(dòng)啟動(dòng)按鈕”，1);}→確定。

按鈕松開(kāi)為“0”，設(shè)置過(guò)程:右鍵→屬性→事件→按鈕→鼠標(biāo)→釋放左鍵→右鍵C動(dòng)作→刪除大括號(hào)內(nèi)容→在大括號(hào)內(nèi)英文狀態(tài)下鍵入{SetTagBit(“”，0);}→引號(hào)內(nèi)容到窗口編輯動(dòng)作中的變量選擇→{SetTagBit(“自動(dòng)啟動(dòng)按鈕”，0);}→確定。如圖7所示。

圖7 自動(dòng)啟動(dòng)按鈕連接過(guò)程

單周期啟動(dòng)按鈕、正常停止按鈕連接方法與自動(dòng)按鈕類似。

其他各種開(kāi)關(guān)，還有緊急停止按鈕都是按左鍵是1，按右鍵是0。

(8)連接輸出的顯示變量，鼠標(biāo)在畫(huà)面上的傳送帶上，設(shè)置過(guò)程:右鍵→屬性→屬性→顏色→背景顏色→右鍵→動(dòng)態(tài)對(duì)話框→鼠標(biāo)點(diǎn)擊表達(dá)式/公式右邊按鈕→選擇變量→找傳送帶接觸器變量Q4.0→確定→數(shù)據(jù)類型布爾型→真，綠色→假，灰色→事件名稱→觸發(fā)器→250ms→應(yīng)用。如圖8所示。

圖8 連接輸出的顯示變量

其他輸出顯示變量連接方法類似傳送帶接觸器。

(9)保存激活項(xiàng)目，做這一步之前要將程序下載到PLCSIM中，然后在所做的畫(huà)面中，鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊“保存”按鈕，然后點(diǎn)擊“運(yùn)行系統(tǒng)”按鈕。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間裝載后，將出現(xiàn)“WinCC運(yùn)行系統(tǒng)”畫(huà)面。通過(guò)鼠標(biāo)按下自動(dòng)啟動(dòng)按鈕，傳送帶運(yùn)行。然后用鼠標(biāo)在畫(huà)面點(diǎn)擊操作，將信號(hào)“1”或“0”送到程序中輸入變量，程序作用后，通過(guò)輸出顯示變量看到根據(jù)任務(wù)而進(jìn)行的顏色變化，形象的看到運(yùn)行過(guò)程。

5 系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試

5.1 聯(lián)機(jī)調(diào)試

斷電，根據(jù)地址分配將真正PLC與實(shí)物模型接線，對(duì)接好的線檢查，然后通電。雙擊 SIMATIC Manager→新建項(xiàng)目→取名字→插入對(duì)象→SIMATIC 300站點(diǎn)→硬件組態(tài)→編寫(xiě)程序→下載到真正的PLC中(不要打開(kāi) PLCSIM仿真器)→進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。

5.2 兩地控制調(diào)試

兩地控制調(diào)試過(guò)程:現(xiàn)場(chǎng)是一個(gè)地點(diǎn)，輸入信號(hào)通過(guò)模型按鈕和開(kāi)關(guān)給出，經(jīng)過(guò)PLC程序的作用，看到模型指示燈顯示亮或者滅(燈亮表示工作，燈滅表示不工作)，同時(shí)，在WinCC畫(huà)面上看到顏色的變化。另一個(gè)地點(diǎn)，在WinCC畫(huà)面中，用鼠標(biāo)模擬開(kāi)關(guān)和按鈕操作，經(jīng)過(guò)PLC程序的作用，看到畫(huà)面輸出的顏色變化，同時(shí)看到模型動(dòng)作指示燈顯示亮或者滅。

6 結(jié)論

通過(guò)采用PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)自動(dòng)化程度，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性，控制精度也大大增強(qiáng)。通過(guò)采用WinCC組態(tài)控制系統(tǒng)，提供較為清晰、直觀、準(zhǔn)確的機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而為維修和故障診斷提供多方面的可能性，系統(tǒng)監(jiān)控的應(yīng)用能力和運(yùn)行效率得到了大大增強(qiáng)。

［1］ 王亮，李虹.PLC對(duì)機(jī)械手的定位控制［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2012，(4).

［2］ 胡學(xué)林.可編程控制器原理及應(yīng)用(第二版)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2012.

［3］ 胡學(xué)林.可編程控制器教程(提高篇)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［4］ 許志軍.工業(yè)控制組態(tài)軟件及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.