基于PLC和WinCC的機械手與傳送帶控制系統設計

許 伍，郎 朗

（安徽工程大學 安徽省電氣傳動與控制重點實驗室，安徽 蕪湖 241000）

隨著經濟生產規模的高速發展，行業競爭越來越激烈.目前，為了提高生產效率、降低生產成本，許多工業生產系統已經廣泛使用了傳送帶，而具有PLC控制的全自動機械手與傳送帶系統的應用領域更是不斷擴大.在工業自動化控制中應用機械手傳送帶控制系統，可以代替人在一些有害、高溫等惡劣環境中的工作，完成繁瑣、單調的勞動，節約勞動力的同時，提高了生產率.

本文利用可編程控制器（PLC）所具有的可靠性高、抗干擾能力強、性價比高等優點，結合WinCC組態軟件界面友好的特點，設計了機械手與傳送帶控制系統.系統控制器選用西門子S7－300系列PLC，上位機監控采用西門子WinCC組態軟件進行設計，通過實驗驗證取得了較好效果.

1 系統硬件設計

在機械手與傳送帶的控制系統中，PLC控制傳送帶電動機的轉速，從而控制傳送帶的運轉速度.PLC同時對機械手的運行進行控制，系統可實現自動與手動兩種方式.自動工作方式是系統PLC根據傳感器的信號，自動控制系統各部分工作，即決定傳送帶運行速度、啟動停止、機械手的抓取移動等動作.在系統需要時，可選用手動工作方式，手動控制整個系統各部動作.

圖1 系統硬件結構圖

機械手與傳送帶控制系統主要包括PLC控制器、光電傳感器、霍爾傳感器、機械手電磁閥、上位機、傳送帶驅動電機及其驅動電路等.系統的硬件結構圖如圖1所示.

系統輸入設備：機械手傳送帶系統的輸入共有27個，包括動作方案的選擇按鈕，啟動、停止按鈕，機械手的限位傳感器的信號輸入，還有1號、2號傳送帶的正反轉的減速、停止傳感器的信號輸入以及手動程序需要的選擇按鈕輸入.

系統輸出設備：系統的輸出共有13個，包括機械手運作的上升電磁閥、下降電磁閥、手的夾緊/放松電磁閥、機械手的左行、右行電磁閥共5個，還有連接1號、2號變頻器的各4個輸出口，分別是正轉/停止，反轉/停止，高速、低速運行，共8個.

系統選用的PLC是西門子S7－300系列，系統共需要27點輸入量和13點輸出量，而S7－300系列PLC滿足要求.PLC的輸入和輸出地址分配如表1、表2所示.

2 上位機系統設計

WinCC是一套完備的組態開發環境，結構復雜、功能強大、實用，可以與SIMATIC產品無縫連接，其界面友好，可以實現控制界面的設計、硬件組態、變量管理、標簽歸檔、報警歸檔與打印歸檔等功能.上位機以組態軟件WinCC為開發平臺模擬機械手與傳送帶的工作流程，實現以良好的人機交互界面對機械手動作實時有效控制的目標［2］.

表1 PLC輸入地址分配

表2 PLC輸出地址分配

在WinCC中組態機械手與傳送帶項目，為單用戶項目在項目建立后生成的項目文件夾中，文件和樣板數據庫用于項目的內部，包括組態數據庫、報警和信息、變量記錄檔案庫和用戶檔案庫數據庫，這些檔案庫的樣板將存在組態數據庫中，但實際存檔的數據將存在運行數據庫中［3］.

2.1 組態系統與外部設備通信

機械手與傳送帶控制系統一般在控制現場系統中的分布會比較分散，范圍會比較大.為了降低生產成本，減少電纜與管線的數量，系統采用分散的控制方式，PLC與上位機的通信是通過工業以太網的形式實現.工業以太網是一種在工業環境中非常有效的網絡結構，它通常被應用于管理層同現場層的通信，具有高可靠性、使用范圍廣且速度快、可擴展和開放型等優勢.

圖2 加入協議集

系統選取的更新周期為250ms，有助于提高系統的實時性.在WinCC的“變量管理”中添加新驅動器，系統將SIMATIC S7Protocol Suite（SIMATIC S7協議集）加入到項目中，如圖2所示.驅動器加入成功后，在這套協議中會有多種協議與PLC相連接，系統將選擇TCP/IP協議并將其加入到項目中.

連接屬性通過“新驅動程序的連接（N）…”進行訪問，建立機械手與傳送帶項目與PLC接口系統所需的邏輯連接參數，生成連接，成功連接的結果就是握手.產生新的變量標簽和標簽組，對內部變量與過程變量（外部變量）進行設置.上位機工程項目通過訪問S7－300中的過程變量而獲取工業現場各種所需的數據，同時發出的控制要求也是通過過程變量實現傳遞的.同時在運行時進行連接狀態的檢查，確定工程與PLC之間建立有效的連接.

2.2 監控系統主界面的設計

SIMATIC WinCC可以提供良好的人機交互的控制界面，并且具有功能強大的圖形設計器［4］.監控系統的運行主控界面如圖3所示.機械手的動作有3組：進/退、升/降、開/合，3組狀態按照排列組合共有8個狀態.在畫面組態上，畫了兩組機械手，分別在前位和后位，當機械手在前位時，后面的畫面不顯示；當機械手在后位時，前面的畫面不顯示；機械手的張合也是通過兩個畫面分別顯示的方式實現.機械手進退變量設置如圖4所示.

圖3 系統的主控界面

2.3 過程值歸檔

過程值的歸檔是為了對工業現場傳送帶的傳送速度、傳送物件的種類和數量等過程數據進行采集、處理和歸檔.系統中，采集與處理機械手與傳送帶過程值并存儲在歸檔數據庫中，還可以以表格或趨勢的形式輸出當前過程值或已歸檔過程值.在項目管理器的“變量記錄”中進行“定時器”的設置，系統一般提供5個默認定時器：500ms、1s、1min、1h、1d.創建機械手傳送帶項目歸檔，并在已組態的歸檔中添加系統設計所需變量.創建輸出過程值歸檔，組態的圖形窗口如圖5所示.

2.4 系統自動報警實現

報警記錄編輯器實現了組態系統的報警記錄功能.在機械手傳送帶系統運行過程中出現電機運行故障、傳送物件位置偏移等故障時，系統可以自動報警.報警記錄要顯示、定義機械手與傳送帶系統的報警內容、報警種類和報警時間.使用報警記錄的組態系統可以對機械手與傳送帶報警消息進行組態，使其以期望的形式在運行中顯示.報警紀錄的運行系統主要實現的功能是監控項目過程值、報警確認的管理及報警輸出的控制.

機械手與傳送帶組態報警的步驟在“報警記錄”中，通過報警向導完成機械手與傳送帶系統的“帶有報警，故障和警告的類別錯誤”的報警設置.組態的報警消息以及消息文本、顏色設置如圖6所示.

WinCC Alarm Control即顯示消息事件的消息視圖.通過使用報警控件，在組態機械手傳送帶時就可獲得高度的靈活性.而項目要顯示的消息視圖、消息行和消息塊均可在圖形編輯器中進行組態.當運行系統時，機械手報警事件將以表格的形式顯示在畫面中.

圖4 機械手進退變量設置圖

圖5 機械手歸檔變量

圖6 組態報警類型設置

2.5 歸檔數據庫的建立

機械手與傳送帶的歸檔包含過程值歸檔與消息歸檔.在 WinCC V6.0的集成數據庫中采用了MS SQL Server 2000建立歸檔數據庫，實現系統變量歸檔和系統報警歸檔.系統變量歸檔在運行狀態下有兩種類型：快速、慢速歸檔.系統的報警歸檔分為長期、短期歸檔.長期歸檔同變量歸檔一樣是把數據拆分為片段.短期歸檔是將其儲存在內存中，同時也備份在硬盤上.如果電源突然斷電，在電源恢復之后，備份數據將會被重新加載在內存中.為了使管理人員對機械手與傳送帶歸檔數據查閱方便，可以在打開數據庫管理器直接查閱機械手與傳送帶的歸檔數據.

3 結束語

PLC和WinCC組成的系統具有高可靠、適應性強等特點.本文利用WinCC設計上位機與以PLC為控制器的下位機設計的機械手與傳送帶控制系統具有可行性，且能夠實現系統的監控和控制一體化.上位機與現場PLC之間的通信采用工業以太網，具有可靠性高、速度快等優點，可充分滿足現場的通信要求.系統建立的過程值歸檔可降低風險，及時對錯誤狀態進行早期檢查，從而提高生產力水平和產品的質量，優化維護周期等.系統同時建立歸檔數據庫，方便管理人員對機械手與傳送帶系統的歷史數據進行查閱.

［1］ 楊光，唐世，孟慶斌.基于三菱PLC控制傳送帶的系統設計［J］.控制工程，2009（16）：20－21，69.

［2］ 張曉杰，劉海昌.基于 WinCC的數據采集和監控系統設計［J］.工業儀表與自動化裝置，2007（4）：53－55.

［3］ 劉華波，王雪，何文雪，等.組態軟件 WinCC及其應用［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［4］ 朱勇，葉華，劉成良.使用 WinCC在機電一體化系統中實現過程監控［J］.儀表技術與傳感器，2004（6）：19－20，25.

［5］ 安徽工程大學.傳送帶控制裝置：中國，201320172727.9［P］.2013－03－28.

［6］ 西門子（中國）有限公司自動化與驅動集團.深入淺出西門子S7－300PLC［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.