基于PLC和MCGS組態的機械手控制系統的設計

邢滿榮，張 鵬，王曉冬，張 潔，尹岳波

（河北建材職業技術學院，秦皇島 066004；北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

0 引言

在工業生產中，使用由PLC控制的搬運機械手，可以將工人從重復、繁重的勞動中解放出來，實現了生產的機械化和自動化，并且可以代替人工在惡劣、危險的環境下工作。而利用工控組態軟件可以實現實時監控、遠程控制，實現自動化過程控制。本設計采用PLC控制機械手運動，采用MCGS組態軟件實現系統的實時監控和遠程控制。

1 機械手的運動過程

本系統要求在生產流水線和裝箱機之間設置一個搬運機械手，用來完成產品在不同工作空間的位置轉換，具體如圖1所示。該機械手有三種工作方式，分別為自動、手動、回原點，其中自動方式分為連續和單周期兩種方式。下降/上升、左移/右移、夾緊/松開使用電磁閥控制。

圖1 機械手工作過程示意圖

1.1 自動方式

機械手在原點位置，即左限位開關閉合，上限位開關閉合，機械手松開。

連續方式：按下啟動按鈕，機械手按照下降→夾緊（延時1s）→上升→右移→下降→松開（延時1s）→上升→左移的順序依次從左向右轉送工件。依此循環。

按下停止按鈕，機械手完成當前工作過程，停在原點位置。

單周期方式：動作過程與連續方式時相同，只是不循環，一周期后立刻停止。

1.2 手動方式

按下上升按鈕，做上升動作，按下下降按鈕，做下降動作，按下左移按鈕，做左移動作，按下右移按鈕，做右移動作，按下夾緊按鈕，做夾緊動作，按下松開按鈕，做松開動作。

1.3 回原點方式

選擇回原點方式，按下啟動按鈕，機械手自動回到原點。

2 監控系統要求

監控系統不僅要求通過畫面實時顯示機械手現場工作狀態，而且還要求在上位機上可以進行機械手的操作，既可以通過組態進行機械手運行方式的選擇及啟動、停止等按鈕的操作。

3 硬件設計

3.1 I/O分配

按照系統的控制要求，系統需要16個輸入點，6個輸出點，具體分配如表1所示。其中輸入量中的啟動、停止、手動上升、手動夾緊、手動左移、手動右移、手動下降、手動夾緊、手動放松輸入點要接相應的按鈕，其他的輸入量，如方式選擇開關（自動、手動、回原點、連續/單周期）、限位開關（上限、下限、左限、右限）等輸入點接相應的開關。輸出量中原點指示燈輸出點接一盞燈，其他的輸出點接相應的電磁閥。

表1 I/O分配表

3.2 PLC選型

根據上述要求，決定選用德國西門子公司的S7-200PLC，CPU類型選用226型，輸出選用繼電器型的。該型號的PLC具有24個輸入點，16個輸出點，為了冗余的要求，增加一個擴展模塊，該型號的PLC性能穩定，價格適中，能夠滿足該控制系統的要求。

4 組態軟件的選擇

本系統選用MCGS工控組態軟件，該軟件由北京昆侖自動化有限公司開發。具有簡單靈活的可視化操作界面及豐富生動的多媒體畫面，支持國內外多數品牌的數據采集與輸出設備。用戶只需要完成簡單的配置工作，就可以利用組態軟件實現與PLC的通信功能。它通過對現場數據的采集處理，以動畫顯示、流程控制、報表輸出等多種方式進行系統的實時監控。

5 PLC程序設計

因為系統有自動、手動、回原點三種工作方式，故程序結構上采用了主程序和子程序。其中主程序僅實現調用功能，三個子程序分別實現手動、自動、回原點的功能。主程序如圖2所示。

圖2 PLC主程序

5.1 自動程序的設計

分析自動控制的控制要求可知，該程序適合采用順序控制設計法設計。首先根據控制過程畫出順序功能圖，具體如圖3所示，然后根據順序功能圖設計PLC梯形圖。M0.7的梯形圖如圖4所示。

圖3 自動程序順序功能圖

圖4 M0.7的梯形圖

5.2 回原點程序的設計

與自動程序類似，回原點的動作過程是按照一定的順序操作的，適合采用順序控制設計法。順序功能如圖5所示。

圖5 回原點順序功能圖

5.3 手動程序的設計

該程序比較簡單，僅僅要求按下相應的按鈕，就實現相應的動作，在此基礎上添加限位條件就可以了，因此適合采用經驗設計法。梯形圖如圖6所示。

圖6 手動程序

6 監控系統設計

利用組態軟件監控機械手工作狀態，實現上位機與PLC的通訊，主要分定義數據對象、設計用戶窗口并建立動畫連接、設計運行策略、組態設備窗口四個步驟。

6.1 定義數據對象

實時數據庫是MCGS的數據處理中心。MCGS各個部分都可以對數據對象進行操作，通過數據對象來交換信息和協調工作。根據控制要求一共定義了20個數據對象。具體如圖7所示。

6.2 設計用戶窗口的監控畫面并建立動畫連接

監控畫面的設計簡單講就是創建逼真的人機界面，達到圖像元素的視覺效果。在組態平臺上進入用戶窗口，就可以進行監控界面的制作。圖8為機械手的組態監控畫面。

圖7 實時數據庫中的數據變量

MCGS實現動畫效果的主要方法是將用戶窗口中圖形對象與實時數據庫中的數據對象建立動畫連接，并設置相應的動畫屬性。在系統運行過程中，圖形對象的狀態特征由數據對象的實時數值驅動，用以實現圖形的動畫效果。

圖8 機械手的MCGS監控畫面

6.3 設計運行策略

在運行策略中編寫腳本程序，由于機械手的主要控制功能在PLC中實現，因此在腳本程序中主要是控制垂直移動量和水平移動量，以實現機械手的連續動作。使監控畫面更加逼真。腳本程序如下：

IF 下移=0 THEN

垂直移動量=垂直移動量+1

ENDIF

IF 上移=0 THEN

垂直移動量=垂直移動量-1

ENDIF

IF 右移=0 THEN

水平移動量=水平移動量+1

ENDIF

IF 左移=0 THEN

水平移動量=水平移動量-1

ENDIF

6.4 組態設備窗口

組態軟件之所以能實時監控機械手的動作，是因為PLC與MCGS之間進行了通信，這一功能靠設備窗口組態來實現。本系統的設備組態如圖9所示。首先，在設備工具箱中選擇通用串口父設備并添加西門子S7-200PLC。然后，在通用串口父設備下進行設備屬性編輯，最后，在S7-200PPI下進行通道連接。

圖9 MCGS與PLC通訊設置

7 系統運行調試

首先將編寫好的梯形圖下載到PLC并運行，然后打開組態工程并運行，機械手監控畫面就可以實現實時監控了，機械手的運行不僅可以通過操作面板控制，而且可以通過組態工程中的開關控制，不僅實現了實時監控，而且實現了遠程控制。

8 結束語

機械手的控制程序采用了模塊化的編程思想，利用了子程序和跳轉指令，程序結構清晰，性能穩定。利用組態軟件MCGS實現對機械手的監控和管理，畫面逼真，形象直觀，有效地實現了實時監控和遠程控制。

[1]汪志鋒.工控組態軟件[M].北京:電子工業出版社,2007.

[2]袁安富,蔣浩.基于PLC的工業機械手控制設計與組態監控[J].2011,33(18):86-89.

[3]陶權,韋瑞錄.PLC控制系統設計、安裝與調試[M].北京:北京理工大學出版社,2009.

[4]MCGS參考手冊.北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司[M].2005.2.

[5]梁小布.可編程控制器[M].北京:中國水利水電出版社,2007.

[6]范小蘭,趙春鋒.基于PLC的機械手控制在MCGS中的實現[J].制造業自動化,2012,(18):6-8,25.