基于PLC的工業機械手控制設計與組態監控

王朝陽　　（長江大學機械工程學院,湖北　荊州434023）

基于PLC的工業機械手控制設計與組態監控

王朝陽
（長江大學機械工程學院,湖北荊州434023）

在工業機械化建設中，PLC的開發為實現工業機械手在工業生產中的廣泛應用、工業機械手的定位精準度提高創造了條件。可編程邏輯控制程序在實現自動化控制系統方面所表現出的可靠性、功能性以及編程操作簡單等多方面特性，受到現代工業生產的。本文對PLC做了簡單介紹，詳細論述了PLC控制系統在工業機械手操作控制中的設計和組態監控。

PLC；機械手；設計；組態監控

機械手是一種自動操作裝置，通過對預定程序要求的設定，模仿人手臂和手的某些系列動作，完成吸附、搬運或操作動作。在工業生產加工領域，機械手的使用有效地提高了工作效率，降低了人工勞動投入和成本投入，成為了工業化自動化領域的重要組成部分。所謂PLC，即可編程邏輯控制器的簡稱，是一種可編輯的存儲工具，運用電子控制程序進行數字運算操作、順序控制、邏輯運算等多項用戶指令的操作，完成對機械或生產過程的控制。

機械手的應用減少了人力勞動，避免了工人工業生產中難以完成的危險動作和任務，有效減少和避免生產事故的發生，保障了生產節奏，提高生產效率。國內外在對工業化機械手的研究開發上不遺余力，而為了保證機械手的工作原理利用最大化，在實現自動化技術建設中，工業領域目前實現機械手自動化的控制方式包括PLC(可編程邏輯控制器)、IPC（工業控制計算機）、DCS（集散控制系統）三種典型方式。本文主要對PLC進行機械手控制設計進行分析。

1　PLC對工業機械手控制操作原理和過程

PLC的基本工作原理是以周期為單位，分為三個階段進行，包括輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新，整個運作期間就是這三個階段的周期性掃描和命令執行。

1.1輸入采樣階段

在輸入采樣階段，可編程邏輯控制器通過掃描讀取所有輸入數據和狀態，進入I/O映象區進行信息的存儲和保留，為轉入下面階段做準備。

1.2用戶程序執行階段

在用戶程序執行階段，可編程邏輯控制器按照從上至下的順序進行用戶程序信息的掃描，在用戶程序梯形圖形態掃描中掃描方式采用先左后右、先上后下的順序，對各觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算結果，刷新邏輯線圈中存儲RAM中對應位的狀態，或者是輸出線圈在I/O映象區中對應為的狀態，再或者是確定是否執行某特定的功能指令。在此程序執行過程中，I/O映象區模塊的數據信息不會隨便唄更新，只有在程序直接進行I/O模塊取值才會導致存儲信息的更新，而不會因為立即輸入指令導致信息的丟失。

1.3輸出刷新階段

結束掃描用戶程序階段，可編程邏輯控制器開始對信息進行輸出，在此期間，CPU按照I/O映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設，實現可編程邏輯控制器的實際輸出。

2　工業機械手PLC控制系統的設計

了解了PLC的控制原理和過程，對于將PIC應用到工業機械手的控制和設計有著積極的促進作用。本次設計以在流水線、拋光機和裝箱機之間機械手的設置作為研究對象，實現完成工件在不同工作區間的位置轉換。結構如圖1所示。

2.1機械手的控制要求

該機械手設置的具體目標過程是：首先要確定機械手的感知區域，當工件通過流水線的傳送靠近機械手的感知區域A，機械手通過信號的接收獲得感知，發生移動，實現加工工件的吸附，再將它轉移到封口機B進行封口，待封口完成，機械手再將吸附工件放回流水線C。機械手再回歸到原來的位置進行其他工件的操作。這一過程中，實現了機械手橫軸、縱軸及豎軸以及工件吸附的一系列動作。

在機械手操作驅動控制中，其控制過程是在工件傳送到位置A時，觸碰開關SQ0，使電磁閥YV6通電之后按照程序要求下降，空氣進入氣缸使氣缸驅動豎軸下降；豎軸下降，利用空氣在下缸體的進入，執行機械手吸盤對工件的吸附，到達豎軸下限后，觸碰開關SQ 12通電使電磁閥YV7通電；在保持吸附狀態過程中，PLC控制器需要維持一定時間的待機，機械手吸附工件上升然后橫軸向左移動到B位置的過程中，首先觸碰到限位開關SQ11使接觸器KM 1通電，后保持電機開始運轉，然后閉合開關SQ5，使KM 3通電，同時KM 2電機開始運作，并拉動機械手縱軸向前運動；縱軸移動至觸碰開關SQ10，豎軸開始下降電磁閥YV6通電，直到再次觸碰SQ12開關，機械手不再維持工件吸附狀態，然后工件進行拋光作業，此過程需要能滿足拋光要求時間相應的待機時間，YV 7電磁閥斷電，豎軸再次上升至SQ 11。拋光工作完畢，豎軸下降，使YV7再次通電，繼續對工件進行吸附和轉移。與之前一樣，需要一定的待機時間方便機械手將工件從B轉移到C處，此轉移過程中，豎軸上升至SQ 11使KM 1通電，橫軸移動中到達SQ6，使電磁閥YV6通電，豎軸再次下降至開關SQ12導致YV7斷電，完成整個工件由A到B再到C的工藝流程。最后機械手準備回歸原來的初始位置，豎軸上升觸碰SQ11開關，橫軸向右移動使KM 2通電，并最終關閉開關SQ4。如上所述，是實現PLC操控機械手實現自動化操作的一個循環。

2.2機械手控制的設計要求

2.2.1硬件設計

在工業化生產上，機械化操作對于機械操作控制要求是相當嚴格的。為了適應機械手的操作需求，上下左右的移動，至少需要對機械手操作控制系統配置19個輸入點，具體的輸入點包括：自動開關和手動開關，工作到位開關和停止按鈕，橫軸的左限位、中限位、右限位三個開關，縱軸的前限位、中限位、后限位三個開關，豎軸的上限位和下限位開關；以及手動控制按鈕中的上升、下降、前進、后退、夾緊、松開指令六個按鈕。

設置了輸入點，就一定會有輸出點的設置需求。正常情況下，有需求的輸入點包括在工業化生產結束后的指示燈、操控機械手橫向左行和橫向右行指示燈、控制機械手縱向上升和下降的指示燈、控制機械手前性和后退的指示燈。這些輸出點信號的給與，對工業化生產中起到重要的提示和監督作用，避免了手動控制時，對機械手的盲目操控指揮，而發生不必要的失誤。

綜合這些操作情況的設置需求，在選擇使用的機械化操縱系統控制設備時，由于可編程邏輯控制器的分類種類多樣，規格有也很多樣，所以要嚴格遵從實際需求來進行合適控制器的選擇，以免造成不必要的資源浪費。譬如，三菱公司的FX2N-48MR型可編程邏輯控制器（PLC），性能比較穩定，也能滿足在此項技術設計中對于眾多輸出和輸入點設計的需求。

除了對適配性控制器的選擇，還要對操作控制面板和電路進行設計，才能保障工業化生產的順利進行。對機械手的操控要進行輸入點和輸出點的設置，是通過電腦系統進行完成的，但是在一些操作中，譬如機器設備的停機和啟動等手動操作，沒有控制面板，就無法完成相關有用按鈕和指示燈的設置，所以，控制面板是必須要隨機配備的。相應的，控制面板的控制電路設計要完備。

2.2.2軟件設計

在工業化生產中，機械手的不停運作需要自動化設計，以保證單位時間的工作效率最大，而對于生產中單步運行和回原位的實際需求來說，手動設計也是不可缺少的，所以在設計中，往往是同時采用手動和自動方式的結合。這就要求，在自動和手動開關的設置中進行使用條件的全面考量，保證兩種方式程序互補干擾，避免開關指令不不合理執行或停止。

3　工業機械手PLC控制系統的組態監控

在對機械手進行控制設計后，需要對控制系統實施監控，系統的監控界面采用一款名為組態王的組態軟件進行設計。其設計實現過程主要分為四個步驟：

（1）機械手虛擬控制系統是由多個機械電子元件組成，包括按鈕、指示燈、限位開關等基礎元件，這些元件構成機械手虛擬控制系統，方便組建系統工程。

（2）連接電源，保證操作設備與系統的正確連接，在組態王工程瀏覽器中，根據設備配置導向和數據詞典，對系統進行外部設備和數據庫的定義。

（3）根據工業生產的要求，進行組態界面的設置，將圖速通與實時數據庫相關變量通過動畫畫面進行其對應關系呈現，通過仿真搬運操作區間，設置實際參數來實現實時監控，保證工藝流程。

（4）將符合實際工業操作需求的應用程序寫入PLC中，確保PLC設置為有效運行狀態，并且換為監控狀態，同時對畫面監控與實際運行操作進行對比，保證監控畫面的真實有效，即為實現了控制系統的組態監控。

4　結束語

可編程邏輯控制器在社會發展中順應現代化工業建設需求，在多方面功能特性上不斷地完善和更新，在社會上引起廣泛關注并得到利用。工業機械化生產是社會工業化建設進步的巨大推動力，而工業機械手在其中又起到了相當關鍵性的作用，減少人工勞動，提高工業生產效率，為推動工業化發展作出了巨大貢獻。只有將工業機械手與可編程邏輯控制器相結合，用可編輯邏輯控制器控制設計機械手的操作并實施組態監控，才能充分發揮工業機械手的最大利用價值，也是實現工業化建設全面自動化的重要舉措。

[1]劉暾平,廖杰,宋冬.基于雙PLC的五軸機械手電氣控制系統設計[J].自動化技術與應用,2013,32(10).

[2]劉星.基于PLC的全自動發藥控制系統設計[D].2012.

[3]鄭長山.基于PLC和WinCC的機械手監控系統設計[J].重慶電力高等專科學校學報,2013,18(05).

[4]張平洋,吳向前.氣動機械手的自動控制和上位機監控設計[J].工業控制計算機,2010,23(10).