基于PLC的機(jī)械手控制在MCGS中的實(shí)現(xiàn)

范小蘭，趙春鋒

FAN Xiao-lan, ZHAO Chun-feng

（上海工程技術(shù)大學(xué) 工程實(shí)訓(xùn)中心，上海 201620）

0 引言

在流水生產(chǎn)線中，采用由PLC控制的搬運(yùn)機(jī)械手，可以將工人從重復(fù)和繁重的勞動中解放出來，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，而且可以代替人工在惡劣環(huán)境下工作[1,2]。而利用工控組態(tài)軟件可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，從可視畫面中監(jiān)控現(xiàn)場機(jī)械手的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動化過程控制。

1 控制要求

監(jiān)控系統(tǒng)要求通過畫面實(shí)時顯示機(jī)械手現(xiàn)場工作狀態(tài)。搬運(yùn)機(jī)械手現(xiàn)場的工作是不斷將工件由一處傳送到另一處。機(jī)械手有上升、下降、左移、右移和夾緊/放松幾個動作，其中上升、下降、左移和右移由雙線圈二位電磁閥推動氣缸完成，夾緊/放松由單線圈二位電磁閥推動氣缸完成，線圈通電執(zhí)行夾緊動作，線圈斷電時執(zhí)行放松動作。其具體工作過程如圖1所示。當(dāng)機(jī)械手在原位（最上和最左端）時，按下啟動按鈕，機(jī)械手下降，下降到底時，碰到下限位開關(guān)，下降停止，同時機(jī)械手夾緊工件；夾緊后上升，碰到上限位開關(guān)，上升停止，同時機(jī)械手右移；右移碰到右限位開關(guān)，右移停止，同時機(jī)械手下降，下降到底時，碰到下限位開關(guān)，下降停止，同時機(jī)械手放松工件；放下工件后上移，碰到上限位開關(guān)，上升停止，同時機(jī)械手左移，左移碰到左限位開關(guān)，則機(jī)械手回到原位，一個循環(huán)結(jié)束。

圖1 機(jī)械手工作過程示意圖

在監(jiān)控畫面中，要求各限位開關(guān)的狀態(tài)、機(jī)械手上升、下降、左移、右移、夾緊/放松的動作都應(yīng)在系統(tǒng)畫面中實(shí)時的得到體現(xiàn)。

2 組態(tài)軟件MCGS

MCGS工控組態(tài)軟件北京昆侖自動化有限公司開發(fā)的“監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)”。它具有簡單靈活的可視化操作界面，良好的并行處理功能，豐富生動的多媒體畫面，支持國內(nèi)外眾多數(shù)據(jù)采集與輸出設(shè)備。用戶只需要完成I/O設(shè)備的配置工作，就可以利用組態(tài)軟件提供的硬件驅(qū)動程序，實(shí)現(xiàn)與PLC的通信功能。在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，由設(shè)備管理程序完成與I/O設(shè)備的實(shí)時數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控畫面中的動作控制。

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

利用組態(tài)軟件監(jiān)控機(jī)械手工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)PLC的通訊，主要分構(gòu)造數(shù)據(jù)庫、設(shè)計監(jiān)控畫面并建立動畫連接、運(yùn)行策略設(shè)計、設(shè)備窗口組態(tài)設(shè)置四個步驟。

3.1 構(gòu)造數(shù)據(jù)庫

實(shí)時數(shù)據(jù)庫是實(shí)時數(shù)據(jù)庫是MCGS的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心。當(dāng)MCGS運(yùn)行起來后，實(shí)時數(shù)據(jù)庫的對象被暴露出來，通過對象的鏈接和嵌入操作取到實(shí)時數(shù)據(jù)庫對象，從而做到直接操作MCGS的目的。在數(shù)據(jù)庫中增加數(shù)據(jù)變量，設(shè)置名稱和類型。因機(jī)械手實(shí)驗臺有原位指示燈，有上升、下降、左移、右移和抓緊5個動作，有啟動開關(guān)、上限位、下限位、左限位和右限位4個行程開關(guān)，還有腳本程序中用到的用來控制監(jiān)控畫面中機(jī)械手水平移動、垂直移動和抓緊動作的4個數(shù)據(jù)量，所以一共定義了15個數(shù)值型變量。圖2為實(shí)時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)變量。

圖2 實(shí)時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)變量

3.2 設(shè)計監(jiān)控畫面并建立動畫連接

監(jiān)控畫面的設(shè)計總體上講就是創(chuàng)建友好逼真的人機(jī)界面，明確各圖像元素的含義，達(dá)到圖像元素的視覺效果。

在MCGS組態(tài)平臺上，進(jìn)入用戶窗口的“動畫組態(tài)”，即進(jìn)入監(jiān)控界面制作窗口，根據(jù)工具箱提供的圖庫和形象繪制組態(tài)圖形。圖3為機(jī)械手的MCGS監(jiān)控畫面，畫面中有四個限位開關(guān)與實(shí)際現(xiàn)場限位開關(guān)對應(yīng)，原位指示燈用來顯示機(jī)械手是否在初始位置，啟動按鈕對應(yīng)現(xiàn)場的的啟動開關(guān)，另外還有機(jī)械手固定的支架和能夠運(yùn)動的豎桿和手爪。機(jī)械手的豎桿和手爪要同時在垂直和水平方向移動，手爪還有抓緊和放松動作。

為保證機(jī)械手在運(yùn)行環(huán)境中的畫面顯示效果與實(shí)際工作狀態(tài)相符，需要對組成機(jī)械手的各構(gòu)件進(jìn)行動畫連接，這一工作在構(gòu)件的動畫組態(tài)屬性設(shè)置中完成。其中，機(jī)械手手爪的動畫組態(tài)屬性設(shè)置最為復(fù)雜，動畫組態(tài)屬性設(shè)置中有水平移動、垂直移動和旋轉(zhuǎn)動畫，分別與數(shù)據(jù)庫中的水平移動、垂直移動和旋轉(zhuǎn)變量連接。圖4是機(jī)械手手爪右側(cè)部分的旋轉(zhuǎn)動畫連接，連接對象是數(shù)據(jù)庫中的“旋轉(zhuǎn)”數(shù)值型變量，旋轉(zhuǎn)角度的設(shè)置是為了在最小到最大角度變化時能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場手爪的變化過程。

為保證機(jī)械手的豎桿和手爪在垂直和水平方向同時動作，因此它們動畫組態(tài)屬性設(shè)置中的水平移動、垂直移動分別受數(shù)據(jù)庫中同一數(shù)據(jù)變量控制，且最小和最大偏移量要一致。

圖3 機(jī)械手的MCGS監(jiān)控畫面

圖4 機(jī)械手手爪的旋轉(zhuǎn)動畫連接

3.3 運(yùn)行策略設(shè)計

在運(yùn)行策略中編寫腳本程序的目的是建立與各個界面圖元之間的連接，控制監(jiān)控畫面中的各構(gòu)件動作。用戶可以通過編寫程序靈活地控制流程和各種操作，腳本程序的編程語法類似于普通的Basic語言[3]。為了使畫面中的機(jī)械手動作更加逼真，在腳本程序中使用了控制抓緊和放松動作的旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)量。腳本程序如下：

'初始設(shè)置

IF 啟動 =1 AND 原位 =1 THEN

垂直移動=0

水平移動=0

旋轉(zhuǎn)=0

ENDIF

'原位燈控制

IF 左限位=1 AND 上限位=1 THEN 原位=1

'下降取物

IF 啟動=1 AND 下降=1 AND 垂直移動＞=-2 THEN 垂直移動=垂直移動-1

'到達(dá)下限抓緊物ok

IF 啟動 =1 AND 抓緊 =1 AND 旋轉(zhuǎn) ＜=0.5 THEN 旋轉(zhuǎn)=旋轉(zhuǎn)+0.5

'取物后上移

IF 啟動=1 AND 上升=1 AND 垂直移動＜=2 THEN 垂直移動=垂直移動+1

'取物后右移

IF 啟動=1 AND 右移=1 AND 水平移動＜=3 THEN 水平移動=水平移動+1

'放物后左移

IF 啟動=1 AND 左移=1 AND 水平移動＞=-3 THEN 水平移動=水平移動-1

'到達(dá)下限松物ok

IF 啟 動 =1 AND 抓 緊 =0 AND 旋 轉(zhuǎn) ＞=0 THEN 旋轉(zhuǎn)=旋轉(zhuǎn)-1

3.4 設(shè)備窗口組態(tài)

為使監(jiān)控畫面中的圖形對象反映實(shí)驗臺上對象的狀態(tài)變化，達(dá)到過程實(shí)時監(jiān)控的目的，需要連接PLC與MCGS，這一過程靠設(shè)備窗口組態(tài)來實(shí)現(xiàn)。依靠設(shè)備窗口建立系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備的連接，使得MCGS能從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)過程的實(shí)時監(jiān)控[6]。

首先，在設(shè)備工具箱中添加設(shè)備，選擇通用串口父設(shè)備，并將三菱FX系列編程口添加在通用串口父設(shè)備下，與控制機(jī)械手的PLC型號對應(yīng)。然后，在通用串口父設(shè)備下進(jìn)行設(shè)備屬性編輯，選擇串口端口號、通訊波特率、數(shù)據(jù)位位數(shù)、停止位位數(shù)、數(shù)據(jù)校驗方式、數(shù)據(jù)采集方式，設(shè)置時注意與下位機(jī)PLC的通訊格式要保持一致。本系統(tǒng)采用的通訊格式如圖5所示。

然后，在三菱FX系列編程口下選定CPU類型，在設(shè)置設(shè)備內(nèi)部屬性中增加設(shè)備通道。然后進(jìn)行通道連接，使組態(tài)畫面中的數(shù)據(jù)對象與現(xiàn)場的PLC的輸入和輸出實(shí)現(xiàn)了對應(yīng)連接。圖6為機(jī)械手通道連接設(shè)置。

圖5 MCGS與PLC通訊設(shè)置

圖6 機(jī)械手通道連接設(shè)置

最后，利用PLC與計算機(jī)專用的F2—232CAB型RS232C電纜，將PLC通過編程口與上位計算機(jī)串口(COM口)連接，進(jìn)行串行通訊。

3.5 系統(tǒng)運(yùn)行效果

執(zhí)行完以上幾步工作后，進(jìn)入組態(tài)運(yùn)行環(huán)境，機(jī)械手監(jiān)控畫面中根據(jù)腳本程序逼真顯示了現(xiàn)場機(jī)械手的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)械手的狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控。

4 結(jié)束語

利用組態(tài)軟件MCGS實(shí)現(xiàn)對基于PLC的機(jī)械手控制進(jìn)行監(jiān)控和管理，綜合利用了計算機(jī)和PLC的長處，計算機(jī)提供了良好的人機(jī)界面，PLC執(zhí)行可靠的控制，對提高生產(chǎn)過程的自動化有重大意義。

[1]李勝多. 基于PLC和組態(tài)王的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2010(11): 141-145.

[2]袁安富. 基于PLC的工業(yè)機(jī)械手控制設(shè)計與組態(tài)監(jiān)控[J].制造業(yè)自動化, 2011, 33(9): 86-89.

[3]曹輝, 馬棟萍, 王喧, 等. 組態(tài)軟件技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北 京:電子工業(yè)出版社, 2002.

[4]MCGS參考手冊. 北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司[DB/CD]. 2005.2.

[5]包建華. 基于MCGS組態(tài)軟件的機(jī)械手控制系統(tǒng)研制[J].機(jī)械制造與自動化, 2007. 36(5): 140-141.

[6]吳青萍. 基于MCGS軟件的機(jī)械手控制系統(tǒng)研制[J]. 液壓與氣動, 2010(10): 61-63.