基于組態王的機械手監控系統設計

[摘要]在本設計中，我將介紹兩種方式來實現對機械手系統的控制，并且在本文中將具體介紹關于組態王所能實現的控制方式，以及即時信息的反饋功能。

[關鍵詞]機械手 組態王 監控系統

一、機械手控制要求分析

下面通過具體的設計來實現本監控系統的功能，現在，分析機械手控制系統的控制要求。機械手具有啟動、停止、移動、抓、放等功能。機械手操作人員可以通過啟動、停止按鈕來控制機械手的啟動和停止。移動和抓、放功能通過步進電機和直流電機來實現。底盤的旋轉則直接由直流電機通過電機的正、反轉來實現對其的控制。抓緊和放松電磁閥的控制當相應的電磁閥動作，則機械手會作出相應的機械動作。對機械手的操作可以有兩種方式：第一種是由現場操作人員通過相應的按鈕控制機械手的動作；第二種是根據實際的生產工藝要求，編制出控制程序，按照事先預定的順序控制機械手的動作。

二、機械手監控系統簡介

本文將實現對機械手控制系統進行信號采集、系統運行狀況時實遠程監控等多項功能，整個工程的組態工作包括定義環境的數據變量，動畫制作，控制流程的腳本程序的編寫，完成上位工控機與底層設備的通訊，信號的輸出，安全機制等。

控制流程的編寫是對系統運行流程實現有效控制的手段，運行策略本身是系統提供的一個框架，其里面放置有策略條件構件和策略構件組成的“策略行”，通過對運行策略的定義，使系統能夠按照設定的順序和條件操作實時數據庫、控制用戶窗口的打開、關閉并確定設備構件的工作狀態等，從而實現對外部設備工作過程的精確控制，包括編寫控制程序，選用各種功能構件，如數據提取、歷史曲線、定時器、配方操作、多媒體輸出等。

通過工程瀏覽器，可以很清楚地看到真個系統工程涉及制作的畫面，它將畫面制作系統設計的圖形畫面、命令語言、設備管理、變量管理、網絡配置、配方管理、系統配置（包括開發系統配置、運行系統配置、報警配置、歷史數據記錄、網絡配置、打印和用戶配置等）工程資源進行了集中的管理，在一個窗口進行了樹型結構的排列，左邊部分是“工程目錄顯示區”，右邊部分為“目錄內容顯示區”。

三、配置設備

1. I/O接口

I/O接口是實現工控機輸入/輸出信號與外部設備之間進行連接的橋梁。這里采用一臺西門子公司生產的型號為S7-224的PLC（可編程序邏輯控制器）作為工控機與機械手之間進行數據交換的設備。它具有14路數字量輸入，10路數字量輸出，用戶程序空間為4096字，數據塊空間為2560字，內部儲存器位256位，高速記數器總數6個，定時器總數256個，計數器總數256個，布爾指令執行速度（33MHz下）為0.37us/指令，通訊口數1路（電器接口：RS-232，最大波特率：187.5kbps）。圖1是S7-224的PLC面板圖。

2.通訊協議

本工程能對西門子S7-224的PLC實行實時數據采集是利用串口數據線對PLC的地址進行實時讀取數據。在本項工作上首先在組態王設備窗口中掛接通用串口父設備，它是提供串口通訊功能的父設備，下面可以掛接所有通過串口連接的設備。這是軟件供應商提供的，我們需要做的工作是在其基本屬性頁中，設置了串口的基本屬性，包括端口號，通訊波特率，數據位位數，停止位位數，數據校驗方式，這些設置要按照設備的要求來設置。然后根據西門子S7-224 PLC提供的使用手冊，在通用串口父設備掛接設備2（西門子S7-224），西門子S7-224設備必須掛接在串口父設備下。本設備構件用于組態王讀寫西門子S7-200系列中支持RS-232通信協議的PLC設備。串口父設備用來設置通信參數和通信端口，通信參數必須設置成與PLC的設置一樣，否則就無法通信。組態王通過上位機中的串行口設備和PLC上的通訊單元（編程口）建立串行通訊連接，從而達到操作PLC設備的目的。

所以，本工程中的設置如下通訊波特率=9600，數據位位數=7位，停止位位數為1位，數據校驗方式為偶校驗，數據采集方式為同步采集。

S7-224型的PLC編程口通過一根專用電纜與RS-232串行通信口連接，達到數據交換的目的，可以用于程序的寫入和調試以及上位機監視。

3. 數據庫的建立

數據庫是組態王軟件的核心部分。建立在數據庫中的各種變量負責和各種外部設備進行數據交換，以及相關數據的存儲，與工程各個部分的數據交換與處理中心，它將組態的工程的各個部分連接成有機的整體，在本窗口內定義不同類型和名稱的變量，作為數據采集、處理、輸出控制、動畫連接及設備驅動的對象。本課題的動畫模擬制作涉及許多的數據變量的定義，有開關型、數值型、整型等。

數據詞典中的變量的是用來存放外部設備傳送進來的控制信號以及要發送到機械手去的控制信號，這些變量需要同外部設備進行數據交換，故需要首先進行設備配置，再建立相應的變量。在這些量中也增加了程序所必需的中間變量。

4．組態監控系統的主界面

在本課題中，為了方便操作使用，便于管理，按照不同動作的實現方式，建立了封面、手動、自動、底盤旋轉等主要畫面通過組態王軟件的監控系統來實現對其操作。為了防止其他人員對工程進行隨意的修改，可以對開發的工程進行加密設置，下面是進入工程時的加密

保護如圖2。封面窗口是系統工程的啟動窗口，它用于顯示系統簡介以及課題名稱等介紹，也是作為進入首頁的前奏，而且增加系統整體的美觀性。

5.首頁（自動）窗口

在本窗口中，主要展現的是機械手控制系統在自動狀態下的運作方式及流程：首先，通過啟動的控制來實現對系統的啟動，啟動/停止狀態燈將顯示為綠色（表示該狀態為啟動，紅色則表示停止），然后在自動狀態下根據原來設定的程序執行的：機械手向X軸負方向運動，然后，向Y軸正方向運動。當X軸運動到最大運動極限即是X軸左到位，由于限位開關的作用，在X軸方向的運動將停止；同理，當Y軸運動到最大運動極限即是Y軸上到位，由于限位開關的作用，在Y軸方向的運動也將停止。此時，為了實現機械手的自動復位的功能，我們使用到了復位按鈕來實現其復位動作，按下復位按鈕機械手將自動回復到運動前的初始位置。

6.手動窗口

此窗口中的動作流程和自動窗口下完成的動作基本相同，主要展現的是機械手控制系統在手動狀態下的運作方式及流程：首先，通過啟動的控制來實現對系統的啟動，啟動/停止狀態燈將顯示為綠色（表示該狀態為啟動，紅色則表示停止），然后，在手動狀態下，當選擇X軸移動，則機械手由初始位置向X軸負方向運動；當選擇Y軸移動，然后向Y軸正方向運動。當X軸運動到最大運動極限即是X軸左到位，由于限位開關的作用，在X軸方向的運動將停止；同理，當Y軸運動到最大運動極限即是Y軸上到位，由于限位開關的作用，在Y軸方向的運動也將停止。此時，為了實現機械手的自動復位的功能，我們使用到了復位按鈕來實現其復位動作，按下復位按鈕機械手將自動回復到運動前的初始位置。

7.底盤移動窗口

為了使機械手擁有更大的活動范圍，增強其實用性，故在其原有的X軸和Y軸的基礎上增加了底盤旋轉的功能，在本窗口中，主要展現了機械手通過啟動按鈕來使系統達到啟動狀態，然后通過底盤旋轉按鈕來完成此動作，同時抓手在運行過程中可以隨時啟動，完成抓放物體的功能。

8.信號管理窗口

本窗口的意義在于可以實時采集各個PLC絕對地址的輸入、輸出量的值，通過本窗口我們可以十分清晰的看出各個地址的值，對應PLC程序的順序功能圖，我們通過圖3信號管理窗口就可以清楚地看到各個動作。上圖3是信號管理窗口。 在此信號窗口中，主要反映的是對機械手的當前運動狀態的一個實時狀態的監控。當前狀態為手動運行時，手動/自動按鈕所對應的輸入信號I0.0置1，綠色的信號燈表示運行，與此同時，可以從輸出的自動狀態燈上看到輸出的信號Q1.1也置1，信號燈顯示為綠。

X軸點動的輸入信號I0.1置0，信號燈顯示為紅色，表示當前手動狀態下X軸點動并沒有實行此操作；Y軸點動的輸入信號I0.2置1，信號燈顯示為綠色，表示當前手動狀態下Y軸點動實行此操作。底盤轉動的輸入信號I0.4置0，信號燈顯示為紅色，表示當前手動狀態下底盤轉動這個動作并沒有實行；但是當前底盤的左到位輸入信號I1.3由底盤的光電傳感器來反饋給PLC，表示底盤已經到達左邊的極限位置。驅動器分別由A、B兩臺步進電機來控制其方向和實現脈沖的輸出。電磁閥是用來控制抓手的抓緊和放松兩種狀態其狀態可以由信號Q1.0來顯示，由圖4-11可以知道當前狀態為抓緊。

9.安全權限管理

采用用戶組和用戶的概念來進行操作權限的控制。在本工程中定義多個用戶組，每個用戶組中包含多個用戶，同一個用戶隸屬于多個用戶組。操作權限的分配是以用戶組為單位來進行的，即某種功能的操作哪些用戶組有權限，而某個用戶能否對這個功能進行操作取決于該用戶所在的用戶組是否具備對應的操作權限。

系統按用戶組來分配操作權限的機制，使用戶能方便地建立各種多層次的安全機制。即劃分為系統管理員、操作員。如圖4用戶選擇登錄所示。

操作員只能進行監視工作畫面，對某些按鈕進行操作；系統管理員則能擁有全部的權利包括對操作按鈕進行動作控制和系統的修改。

四、總結

隨著當今科技的發展，監控系統也越來越成為現代工業生產的必備系統。本設計中運用可編程控制器PLC結合組態王6．51作為開發平臺，完成了PLC控制機器手人機交互系統設計中的監控系統部分的設計，具有一定研究意義。

參考文獻：

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（作者單位：浙江理工大學機械與控制學院）