基于PLC和組態(tài)王的機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

劉次樂 李小斌 吳宏岐 劉霞

摘要：在我國機械手的發(fā)展越來越受到社會的關(guān)注，機械手取代人力的趨勢日漸明顯，機械手控制系統(tǒng)的研究和教學(xué)被許多高校關(guān)注，然而受實驗室設(shè)備和場地的限制，在校大學(xué)生很難獲得更多的實驗機會。因此，這里給出一種基于組態(tài)王和PLC的機械手控制系統(tǒng)設(shè)計方案，可有效解決實驗條件不足的問題，幫助在校學(xué)生更好地理解學(xué)習(xí)機械手控制過程。實踐表明，該方案可以取得很好的研究、學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞：機械手；PLC；組態(tài)王

中圖分類號：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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，機器人的應(yīng)用已經(jīng)越來越受到國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)的重視，在南方很多企業(yè)已經(jīng)開始將機器人應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，這也進(jìn)一步推動了高等院校對機器人控制系統(tǒng)的研究和教學(xué)，目前在校大學(xué)生對機器人控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)興趣也是空前高漲。然而，與之相對的是實驗設(shè)備的緊缺和實驗場地的嚴(yán)重不足。這里給出一種機械手虛擬控制系統(tǒng)設(shè)計方法，可借助計算機軟件逼真地模擬機械手的控制過程，使學(xué)生和老師不要機械手就可以實現(xiàn)機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計和工作過程研究。該方案只需要計算機和PLC，或者只有計算機，即可達(dá)到真實系統(tǒng)的仿真效果。

1 機械手主要結(jié)構(gòu)及工作過程

1.1 機械手主要結(jié)構(gòu)

如圖1所示，機械手主要由A、B、C三個氣缸組成，A氣缸控制水平方向移動，B氣缸控制垂直方向的移動，C氣缸完成機械手夾緊、松開動作，三個氣缸在程序控制下完成機械手對物料的搬運[1]。

1.2 機械手工作過程

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

2 機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 PLC外部電路設(shè)計

系統(tǒng)以西門子S7-200系列PLC的CPU226主機作為控制核心，其外圍電路如圖3所示。機械手控制方式分為：手動控制模式、單周期控制模式、自動控制模式，采用轉(zhuǎn)換開關(guān)SA進(jìn)行選擇。當(dāng)SA選擇手動模式（I0.0輸入）時，所有動作手動實現(xiàn)；當(dāng)SA選擇單周期控制模式（I0.1輸入）時，按下啟動按鈕，機械手完成一次搬運過程然后回到初始位置停止；當(dāng)SA選擇自動控制模式（I0.2輸入）時，按下啟動按鈕，機械手循環(huán)完成搬運過程，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，其中YV1～YV5（Q0.0～Q0.4輸出）為電磁閥線圈，可通過其各自電磁閥分別控制機械手的氣缸動作，實現(xiàn)機械手的上升、下降、左移、右移和夾緊，另一個輸出（Q0.5）為運行狀態(tài)指示。

2.2 PLC梯形圖程序設(shè)計[2-4]

機械手控制程序采用STEP 7-Micro/WIN編程軟件設(shè)計，主要程序段梯形圖如圖3所示。這里采用西門子PLC的SM0.1觸點在系統(tǒng)上電的時候，對可能用到的存儲空間進(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。

如果機械手位于原始位置，按下啟動按鈕時I0.3（組態(tài)王M1.3）觸點閉合，機械手執(zhí)行下降的動作，下降到位I1.4（組態(tài)王M2.4）觸點閉合，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)，同時將Q0.0置位，讓機械手執(zhí)行上升動作，機械手上升到上限位后，進(jìn)入到右移狀態(tài)，將Q0.3置位，機械手右移到位后，執(zhí)行下降動作，機械手下移到位后，將Q0.4復(fù)位，執(zhí)行松開動作，此時將定時器T2開始計時1S，時間到后，機械手開始上升，執(zhí)行回原點程序，回到原點停止。

3 上位機軟件設(shè)計

系統(tǒng)上位機采用組態(tài)王Kingview軟件設(shè)計，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、易于擴展、開發(fā)周期短等諸多優(yōu)點，尤其是它在自動控制系統(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、畫面運行系統(tǒng)、信息窗口這四個部分組成。其中工程瀏覽器、畫面運行系統(tǒng)是兩個獨立的Windows應(yīng)用程序，都可以單獨使用[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，其中點到點（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，通訊非常簡單方便，只用NETR和NETW兩條語句即可進(jìn)行數(shù)據(jù)信號的傳遞，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（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，然后點擊左邊通信， 在彈出窗口中點屬性設(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“設(shè)備”大綱項目下的PLC與上位機所連串口對其進(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。

3.2 組態(tài)軟件設(shè)計

3.2.1 構(gòu)造數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系下位機和上位機的橋梁。選擇工程瀏覽器左邊“數(shù)據(jù)庫＼數(shù)據(jù)詞典”，在“變量屬性”對話框里可以創(chuàng)建機械手控制系統(tǒng)的各個數(shù)據(jù)變量。根據(jù)機械手的控制要求和組態(tài)王畫面中的控制要素，可設(shè)計組態(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的實際輸入輸出狀態(tài)就會全部反映在組態(tài)王監(jiān)控界面上了。

3.2.2 建立機械手畫面及動畫連接

設(shè)計機械手圖形界面并建立動畫連接，組態(tài)畫面如圖5所示。畫面中的動畫連接均采用隱含連接方式，也就是當(dāng)畫面中的各個圖素隱含連接表達(dá)式為真時才將其顯示出來，當(dāng)表達(dá)式不成立時則會隱含。

4 仿真運行

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

5 結(jié)語

本文設(shè)計了氣壓驅(qū)動的機械手基本結(jié)構(gòu)，采用S7-200型PLC實現(xiàn)了其控制系統(tǒng)，上位機用組態(tài)王開發(fā)了人機界面，上位機和下位機之間通過PPI協(xié)議實現(xiàn)通信。實踐證明，在沒有機械手實物的情況下，完全可以逼真模擬PLC對機械手的控制過程。如果采用PLC仿真軟件，在沒有PLC的情況下也可以模擬實際系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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