王朝陽　?。ㄩL江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北　荊州434023）

基于PLC的工業(yè)機(jī)械手控制設(shè)計與組態(tài)監(jiān)控

王朝陽
（長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北荊州434023）

在工業(yè)機(jī)械化建設(shè)中，PLC的開發(fā)為實現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用、工業(yè)機(jī)械手的定位精準(zhǔn)度提高創(chuàng)造了條件。可編程邏輯控制程序在實現(xiàn)自動化控制系統(tǒng)方面所表現(xiàn)出的可靠性、功能性以及編程操作簡單等多方面特性，受到現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的。本文對PLC做了簡單介紹，詳細(xì)論述了PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)械手操作控制中的設(shè)計和組態(tài)監(jiān)控。

PLC；機(jī)械手；設(shè)計；組態(tài)監(jiān)控

機(jī)械手是一種自動操作裝置，通過對預(yù)定程序要求的設(shè)定，模仿人手臂和手的某些系列動作，完成吸附、搬運或操作動作。在工業(yè)生產(chǎn)加工領(lǐng)域，機(jī)械手的使用有效地提高了工作效率，降低了人工勞動投入和成本投入，成為了工業(yè)化自動化領(lǐng)域的重要組成部分。所謂PLC，即可編程邏輯控制器的簡稱，是一種可編輯的存儲工具，運用電子控制程序進(jìn)行數(shù)字運算操作、順序控制、邏輯運算等多項用戶指令的操作，完成對機(jī)械或生產(chǎn)過程的控制。

機(jī)械手的應(yīng)用減少了人力勞動，避免了工人工業(yè)生產(chǎn)中難以完成的危險動作和任務(wù)，有效減少和避免生產(chǎn)事故的發(fā)生，保障了生產(chǎn)節(jié)奏，提高生產(chǎn)效率。國內(nèi)外在對工業(yè)化機(jī)械手的研究開發(fā)上不遺余力，而為了保證機(jī)械手的工作原理利用最大化，在實現(xiàn)自動化技術(shù)建設(shè)中，工業(yè)領(lǐng)域目前實現(xiàn)機(jī)械手自動化的控制方式包括PLC(可編程邏輯控制器)、IPC（工業(yè)控制計算機(jī)）、DCS（集散控制系統(tǒng)）三種典型方式。本文主要對PLC進(jìn)行機(jī)械手控制設(shè)計進(jìn)行分析。

1　PLC對工業(yè)機(jī)械手控制操作原理和過程

PLC的基本工作原理是以周期為單位，分為三個階段進(jìn)行，包括輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新，整個運作期間就是這三個階段的周期性掃描和命令執(zhí)行。

1.1輸入采樣階段

在輸入采樣階段，可編程邏輯控制器通過掃描讀取所有輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)，進(jìn)入I/O映象區(qū)進(jìn)行信息的存儲和保留，為轉(zhuǎn)入下面階段做準(zhǔn)備。

1.2用戶程序執(zhí)行階段

在用戶程序執(zhí)行階段，可編程邏輯控制器按照從上至下的順序進(jìn)行用戶程序信息的掃描，在用戶程序梯形圖形態(tài)掃描中掃描方式采用先左后右、先上后下的順序，對各觸點構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算結(jié)果，刷新邏輯線圈中存儲RAM中對應(yīng)位的狀態(tài)，或者是輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(yīng)為的狀態(tài)，再或者是確定是否執(zhí)行某特定的功能指令。在此程序執(zhí)行過程中，I/O映象區(qū)模塊的數(shù)據(jù)信息不會隨便唄更新，只有在程序直接進(jìn)行I/O模塊取值才會導(dǎo)致存儲信息的更新，而不會因為立即輸入指令導(dǎo)致信息的丟失。

1.3輸出刷新階段

結(jié)束掃描用戶程序階段，可編程邏輯控制器開始對信息進(jìn)行輸出，在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)，實現(xiàn)可編程邏輯控制器的實際輸出。

2　工業(yè)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計

了解了PLC的控制原理和過程，對于將PIC應(yīng)用到工業(yè)機(jī)械手的控制和設(shè)計有著積極的促進(jìn)作用。本次設(shè)計以在流水線、拋光機(jī)和裝箱機(jī)之間機(jī)械手的設(shè)置作為研究對象，實現(xiàn)完成工件在不同工作區(qū)間的位置轉(zhuǎn)換。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1機(jī)械手的控制要求

該機(jī)械手設(shè)置的具體目標(biāo)過程是：首先要確定機(jī)械手的感知區(qū)域，當(dāng)工件通過流水線的傳送靠近機(jī)械手的感知區(qū)域A，機(jī)械手通過信號的接收獲得感知，發(fā)生移動，實現(xiàn)加工工件的吸附，再將它轉(zhuǎn)移到封口機(jī)B進(jìn)行封口，待封口完成，機(jī)械手再將吸附工件放回流水線C。機(jī)械手再回歸到原來的位置進(jìn)行其他工件的操作。這一過程中，實現(xiàn)了機(jī)械手橫軸、縱軸及豎軸以及工件吸附的一系列動作。

在機(jī)械手操作驅(qū)動控制中，其控制過程是在工件傳送到位置A時，觸碰開關(guān)SQ0，使電磁閥YV6通電之后按照程序要求下降，空氣進(jìn)入氣缸使氣缸驅(qū)動豎軸下降；豎軸下降，利用空氣在下缸體的進(jìn)入，執(zhí)行機(jī)械手吸盤對工件的吸附，到達(dá)豎軸下限后，觸碰開關(guān)SQ 12通電使電磁閥YV7通電；在保持吸附狀態(tài)過程中，PLC控制器需要維持一定時間的待機(jī)，機(jī)械手吸附工件上升然后橫軸向左移動到B位置的過程中，首先觸碰到限位開關(guān)SQ11使接觸器KM 1通電，后保持電機(jī)開始運轉(zhuǎn)，然后閉合開關(guān)SQ5，使KM 3通電，同時KM 2電機(jī)開始運作，并拉動機(jī)械手縱軸向前運動；縱軸移動至觸碰開關(guān)SQ10，豎軸開始下降電磁閥YV6通電，直到再次觸碰SQ12開關(guān)，機(jī)械手不再維持工件吸附狀態(tài)，然后工件進(jìn)行拋光作業(yè)，此過程需要能滿足拋光要求時間相應(yīng)的待機(jī)時間，YV 7電磁閥斷電，豎軸再次上升至SQ 11。拋光工作完畢，豎軸下降，使YV7再次通電，繼續(xù)對工件進(jìn)行吸附和轉(zhuǎn)移。與之前一樣，需要一定的待機(jī)時間方便機(jī)械手將工件從B轉(zhuǎn)移到C處，此轉(zhuǎn)移過程中，豎軸上升至SQ 11使KM 1通電，橫軸移動中到達(dá)SQ6，使電磁閥YV6通電，豎軸再次下降至開關(guān)SQ12導(dǎo)致YV7斷電，完成整個工件由A到B再到C的工藝流程。最后機(jī)械手準(zhǔn)備回歸原來的初始位置，豎軸上升觸碰SQ11開關(guān)，橫軸向右移動使KM 2通電，并最終關(guān)閉開關(guān)SQ4。如上所述，是實現(xiàn)PLC操控機(jī)械手實現(xiàn)自動化操作的一個循環(huán)。

2.2機(jī)械手控制的設(shè)計要求

2.2.1硬件設(shè)計

在工業(yè)化生產(chǎn)上，機(jī)械化操作對于機(jī)械操作控制要求是相當(dāng)嚴(yán)格的。為了適應(yīng)機(jī)械手的操作需求，上下左右的移動，至少需要對機(jī)械手操作控制系統(tǒng)配置19個輸入點，具體的輸入點包括：自動開關(guān)和手動開關(guān)，工作到位開關(guān)和停止按鈕，橫軸的左限位、中限位、右限位三個開關(guān)，縱軸的前限位、中限位、后限位三個開關(guān)，豎軸的上限位和下限位開關(guān)；以及手動控制按鈕中的上升、下降、前進(jìn)、后退、夾緊、松開指令六個按鈕。

設(shè)置了輸入點，就一定會有輸出點的設(shè)置需求。正常情況下，有需求的輸入點包括在工業(yè)化生產(chǎn)結(jié)束后的指示燈、操控機(jī)械手橫向左行和橫向右行指示燈、控制機(jī)械手縱向上升和下降的指示燈、控制機(jī)械手前性和后退的指示燈。這些輸出點信號的給與，對工業(yè)化生產(chǎn)中起到重要的提示和監(jiān)督作用，避免了手動控制時，對機(jī)械手的盲目操控指揮，而發(fā)生不必要的失誤。

綜合這些操作情況的設(shè)置需求，在選擇使用的機(jī)械化操縱系統(tǒng)控制設(shè)備時，由于可編程邏輯控制器的分類種類多樣，規(guī)格有也很多樣，所以要嚴(yán)格遵從實際需求來進(jìn)行合適控制器的選擇，以免造成不必要的資源浪費。譬如，三菱公司的FX2N-48MR型可編程邏輯控制器（PLC），性能比較穩(wěn)定，也能滿足在此項技術(shù)設(shè)計中對于眾多輸出和輸入點設(shè)計的需求。

除了對適配性控制器的選擇，還要對操作控制面板和電路進(jìn)行設(shè)計，才能保障工業(yè)化生產(chǎn)的順利進(jìn)行。對機(jī)械手的操控要進(jìn)行輸入點和輸出點的設(shè)置，是通過電腦系統(tǒng)進(jìn)行完成的，但是在一些操作中，譬如機(jī)器設(shè)備的停機(jī)和啟動等手動操作，沒有控制面板，就無法完成相關(guān)有用按鈕和指示燈的設(shè)置，所以，控制面板是必須要隨機(jī)配備的。相應(yīng)的，控制面板的控制電路設(shè)計要完備。

2.2.2軟件設(shè)計

在工業(yè)化生產(chǎn)中，機(jī)械手的不停運作需要自動化設(shè)計，以保證單位時間的工作效率最大，而對于生產(chǎn)中單步運行和回原位的實際需求來說，手動設(shè)計也是不可缺少的，所以在設(shè)計中，往往是同時采用手動和自動方式的結(jié)合。這就要求，在自動和手動開關(guān)的設(shè)置中進(jìn)行使用條件的全面考量，保證兩種方式程序互補干擾，避免開關(guān)指令不不合理執(zhí)行或停止。

3　工業(yè)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控

在對機(jī)械手進(jìn)行控制設(shè)計后，需要對控制系統(tǒng)實施監(jiān)控，系統(tǒng)的監(jiān)控界面采用一款名為組態(tài)王的組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計。其設(shè)計實現(xiàn)過程主要分為四個步驟：

（1）機(jī)械手虛擬控制系統(tǒng)是由多個機(jī)械電子元件組成，包括按鈕、指示燈、限位開關(guān)等基礎(chǔ)元件，這些元件構(gòu)成機(jī)械手虛擬控制系統(tǒng)，方便組建系統(tǒng)工程。

（2）連接電源，保證操作設(shè)備與系統(tǒng)的正確連接，在組態(tài)王工程瀏覽器中，根據(jù)設(shè)備配置導(dǎo)向和數(shù)據(jù)詞典，對系統(tǒng)進(jìn)行外部設(shè)備和數(shù)據(jù)庫的定義。

（3）根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的要求，進(jìn)行組態(tài)界面的設(shè)置，將圖速通與實時數(shù)據(jù)庫相關(guān)變量通過動畫畫面進(jìn)行其對應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)，通過仿真搬運操作區(qū)間，設(shè)置實際參數(shù)來實現(xiàn)實時監(jiān)控，保證工藝流程。

（4）將符合實際工業(yè)操作需求的應(yīng)用程序?qū)懭隤LC中，確保PLC設(shè)置為有效運行狀態(tài)，并且換為監(jiān)控狀態(tài)，同時對畫面監(jiān)控與實際運行操作進(jìn)行對比，保證監(jiān)控畫面的真實有效，即為實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控。

4　結(jié)束語

可編程邏輯控制器在社會發(fā)展中順應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)建設(shè)需求，在多方面功能特性上不斷地完善和更新，在社會上引起廣泛關(guān)注并得到利用。工業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)是社會工業(yè)化建設(shè)進(jìn)步的巨大推動力，而工業(yè)機(jī)械手在其中又起到了相當(dāng)關(guān)鍵性的作用，減少人工勞動，提高工業(yè)生產(chǎn)效率，為推動工業(yè)化發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。只有將工業(yè)機(jī)械手與可編程邏輯控制器相結(jié)合，用可編輯邏輯控制器控制設(shè)計機(jī)械手的操作并實施組態(tài)監(jiān)控，才能充分發(fā)揮工業(yè)機(jī)械手的最大利用價值，也是實現(xiàn)工業(yè)化建設(shè)全面自動化的重要舉措。

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