邢滿(mǎn)榮，張 鵬，王曉冬，張 潔，尹岳波

（河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院，秦皇島 066004；北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，使用由PLC控制的搬運(yùn)機(jī)械手，可以將工人從重復(fù)、繁重的勞動(dòng)中解放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，并且可以代替人工在惡劣、危險(xiǎn)的環(huán)境下工作。而利用工控組態(tài)軟件可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化過(guò)程控制。本設(shè)計(jì)采用PLC控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，采用MCGS組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制。

1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過(guò)程

本系統(tǒng)要求在生產(chǎn)流水線(xiàn)和裝箱機(jī)之間設(shè)置一個(gè)搬運(yùn)機(jī)械手，用來(lái)完成產(chǎn)品在不同工作空間的位置轉(zhuǎn)換，具體如圖1所示。該機(jī)械手有三種工作方式，分別為自動(dòng)、手動(dòng)、回原點(diǎn)，其中自動(dòng)方式分為連續(xù)和單周期兩種方式。下降/上升、左移/右移、夾緊/松開(kāi)使用電磁閥控制。

圖1 機(jī)械手工作過(guò)程示意圖

1.1 自動(dòng)方式

機(jī)械手在原點(diǎn)位置，即左限位開(kāi)關(guān)閉合，上限位開(kāi)關(guān)閉合，機(jī)械手松開(kāi)。

連續(xù)方式：按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手按照下降→夾緊（延時(shí)1s）→上升→右移→下降→松開(kāi)（延時(shí)1s）→上升→左移的順序依次從左向右轉(zhuǎn)送工件。依此循環(huán)。

按下停止按鈕，機(jī)械手完成當(dāng)前工作過(guò)程，停在原點(diǎn)位置。

單周期方式：動(dòng)作過(guò)程與連續(xù)方式時(shí)相同，只是不循環(huán)，一周期后立刻停止。

1.2 手動(dòng)方式

按下上升按鈕，做上升動(dòng)作，按下下降按鈕，做下降動(dòng)作，按下左移按鈕，做左移動(dòng)作，按下右移按鈕，做右移動(dòng)作，按下夾緊按鈕，做夾緊動(dòng)作，按下松開(kāi)按鈕，做松開(kāi)動(dòng)作。

1.3 回原點(diǎn)方式

選擇回原點(diǎn)方式，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手自動(dòng)回到原點(diǎn)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)要求

監(jiān)控系統(tǒng)不僅要求通過(guò)畫(huà)面實(shí)時(shí)顯示機(jī)械手現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)，而且還要求在上位機(jī)上可以進(jìn)行機(jī)械手的操作，既可以通過(guò)組態(tài)進(jìn)行機(jī)械手運(yùn)行方式的選擇及啟動(dòng)、停止等按鈕的操作。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 I/O分配

按照系統(tǒng)的控制要求，系統(tǒng)需要16個(gè)輸入點(diǎn)，6個(gè)輸出點(diǎn)，具體分配如表1所示。其中輸入量中的啟動(dòng)、停止、手動(dòng)上升、手動(dòng)夾緊、手動(dòng)左移、手動(dòng)右移、手動(dòng)下降、手動(dòng)夾緊、手動(dòng)放松輸入點(diǎn)要接相應(yīng)的按鈕，其他的輸入量，如方式選擇開(kāi)關(guān)（自動(dòng)、手動(dòng)、回原點(diǎn)、連續(xù)/單周期）、限位開(kāi)關(guān)（上限、下限、左限、右限）等輸入點(diǎn)接相應(yīng)的開(kāi)關(guān)。輸出量中原點(diǎn)指示燈輸出點(diǎn)接一盞燈，其他的輸出點(diǎn)接相應(yīng)的電磁閥。

表1 I/O分配表

3.2 PLC選型

根據(jù)上述要求，決定選用德國(guó)西門(mén)子公司的S7-200PLC，CPU類(lèi)型選用226型，輸出選用繼電器型的。該型號(hào)的PLC具有24個(gè)輸入點(diǎn)，16個(gè)輸出點(diǎn)，為了冗余的要求，增加一個(gè)擴(kuò)展模塊，該型號(hào)的PLC性能穩(wěn)定，價(jià)格適中，能夠滿(mǎn)足該控制系統(tǒng)的要求。

4 組態(tài)軟件的選擇

本系統(tǒng)選用MCGS工控組態(tài)軟件，該軟件由北京昆侖自動(dòng)化有限公司開(kāi)發(fā)。具有簡(jiǎn)單靈活的可視化操作界面及豐富生動(dòng)的多媒體畫(huà)面，支持國(guó)內(nèi)外多數(shù)品牌的數(shù)據(jù)采集與輸出設(shè)備。用戶(hù)只需要完成簡(jiǎn)單的配置工作，就可以利用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)與PLC的通信功能。它通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫(huà)顯示、流程控制、報(bào)表輸出等多種方式進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5 PLC程序設(shè)計(jì)

因?yàn)橄到y(tǒng)有自動(dòng)、手動(dòng)、回原點(diǎn)三種工作方式，故程序結(jié)構(gòu)上采用了主程序和子程序。其中主程序僅實(shí)現(xiàn)調(diào)用功能，三個(gè)子程序分別實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)、回原點(diǎn)的功能。主程序如圖2所示。

圖2 PLC主程序

5.1 自動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

分析自動(dòng)控制的控制要求可知，該程序適合采用順序控制設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)。首先根據(jù)控制過(guò)程畫(huà)出順序功能圖，具體如圖3所示，然后根據(jù)順序功能圖設(shè)計(jì)PLC梯形圖。M0.7的梯形圖如圖4所示。

圖3 自動(dòng)程序順序功能圖

圖4 M0.7的梯形圖

5.2 回原點(diǎn)程序的設(shè)計(jì)

與自動(dòng)程序類(lèi)似，回原點(diǎn)的動(dòng)作過(guò)程是按照一定的順序操作的，適合采用順序控制設(shè)計(jì)法。順序功能如圖5所示。

圖5 回原點(diǎn)順序功能圖

5.3 手動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

該程序比較簡(jiǎn)單，僅僅要求按下相應(yīng)的按鈕，就實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作，在此基礎(chǔ)上添加限位條件就可以了，因此適合采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法。梯形圖如圖6所示。

圖6 手動(dòng)程序

6 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用組態(tài)軟件監(jiān)控機(jī)械手工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC的通訊，主要分定義數(shù)據(jù)對(duì)象、設(shè)計(jì)用戶(hù)窗口并建立動(dòng)畫(huà)連接、設(shè)計(jì)運(yùn)行策略、組態(tài)設(shè)備窗口四個(gè)步驟。

6.1 定義數(shù)據(jù)對(duì)象

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是MCGS的數(shù)據(jù)處理中心。MCGS各個(gè)部分都可以對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行操作，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)象來(lái)交換信息和協(xié)調(diào)工作。根據(jù)控制要求一共定義了20個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象。具體如圖7所示。

6.2 設(shè)計(jì)用戶(hù)窗口的監(jiān)控畫(huà)面并建立動(dòng)畫(huà)連接

監(jiān)控畫(huà)面的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單講就是創(chuàng)建逼真的人機(jī)界面，達(dá)到圖像元素的視覺(jué)效果。在組態(tài)平臺(tái)上進(jìn)入用戶(hù)窗口，就可以進(jìn)行監(jiān)控界面的制作。圖8為機(jī)械手的組態(tài)監(jiān)控畫(huà)面。

圖7 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)變量

MCGS實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)效果的主要方法是將用戶(hù)窗口中圖形對(duì)象與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)對(duì)象建立動(dòng)畫(huà)連接，并設(shè)置相應(yīng)的動(dòng)畫(huà)屬性。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，圖形對(duì)象的狀態(tài)特征由數(shù)據(jù)對(duì)象的實(shí)時(shí)數(shù)值驅(qū)動(dòng)，用以實(shí)現(xiàn)圖形的動(dòng)畫(huà)效果。

圖8 機(jī)械手的MCGS監(jiān)控畫(huà)面

6.3 設(shè)計(jì)運(yùn)行策略

在運(yùn)行策略中編寫(xiě)腳本程序，由于機(jī)械手的主要控制功能在PLC中實(shí)現(xiàn)，因此在腳本程序中主要是控制垂直移動(dòng)量和水平移動(dòng)量，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的連續(xù)動(dòng)作。使監(jiān)控畫(huà)面更加逼真。腳本程序如下：

IF 下移=0 THEN

垂直移動(dòng)量=垂直移動(dòng)量+1

ENDIF

IF 上移=0 THEN

垂直移動(dòng)量=垂直移動(dòng)量-1

ENDIF

IF 右移=0 THEN

水平移動(dòng)量=水平移動(dòng)量+1

ENDIF

IF 左移=0 THEN

水平移動(dòng)量=水平移動(dòng)量-1

ENDIF

6.4 組態(tài)設(shè)備窗口

組態(tài)軟件之所以能實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)械手的動(dòng)作，是因?yàn)镻LC與MCGS之間進(jìn)行了通信，這一功能靠設(shè)備窗口組態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)的設(shè)備組態(tài)如圖9所示。首先，在設(shè)備工具箱中選擇通用串口父設(shè)備并添加西門(mén)子S7-200PLC。然后，在通用串口父設(shè)備下進(jìn)行設(shè)備屬性編輯，最后，在S7-200PPI下進(jìn)行通道連接。

圖9 MCGS與PLC通訊設(shè)置

7 系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試

首先將編寫(xiě)好的梯形圖下載到PLC并運(yùn)行，然后打開(kāi)組態(tài)工程并運(yùn)行，機(jī)械手監(jiān)控畫(huà)面就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控了，機(jī)械手的運(yùn)行不僅可以通過(guò)操作面板控制，而且可以通過(guò)組態(tài)工程中的開(kāi)關(guān)控制，不僅實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。

8 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械手的控制程序采用了模塊化的編程思想，利用了子程序和跳轉(zhuǎn)指令，程序結(jié)構(gòu)清晰，性能穩(wěn)定。利用組態(tài)軟件MCGS實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的監(jiān)控和管理，畫(huà)面逼真，形象直觀(guān)，有效地實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制。

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