基于PLC和組態王的機械手控制系統設計

劉次樂 李小斌 吳宏岐 劉霞

摘要：在我國機械手的發展越來越受到社會的關注，機械手取代人力的趨勢日漸明顯，機械手控制系統的研究和教學被許多高校關注，然而受實驗室設備和場地的限制，在校大學生很難獲得更多的實驗機會。因此，這里給出一種基于組態王和PLC的機械手控制系統設計方案，可有效解決實驗條件不足的問題，幫助在校學生更好地理解學習機械手控制過程。實踐表明，該方案可以取得很好的研究、學習效果。

關鍵詞：機械手；PLC；組態王

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）05-0020-03

隨著科技的發展和生產加工的高效、高精度需求，機器人的應用已經越來越受到國內生產企業的重視，在南方很多企業已經開始將機器人應用于工業生產，這也進一步推動了高等院校對機器人控制系統的研究和教學，目前在校大學生對機器人控制系統的學習興趣也是空前高漲。然而，與之相對的是實驗設備的緊缺和實驗場地的嚴重不足。這里給出一種機械手虛擬控制系統設計方法，可借助計算機軟件逼真地模擬機械手的控制過程，使學生和老師不要機械手就可以實現機械手控制系統的設計和工作過程研究。該方案只需要計算機和PLC，或者只有計算機，即可達到真實系統的仿真效果。

1 機械手主要結構及工作過程

1.1 機械手主要結構

如圖1所示，機械手主要由A、B、C三個氣缸組成，A氣缸控制水平方向移動，B氣缸控制垂直方向的移動，C氣缸完成機械手夾緊、松開動作，三個氣缸在程序控制下完成機械手對物料的搬運[1]。

1.2 機械手工作過程

當機械手處于原始位置，它的左上位開關處于閉合的狀態，當用戶按下啟動開按鈕時，機械手將開始向下運動，碰到下限位開關時，停止2秒后執行夾緊動作，夾起A點物體，隨后機械手開始向上移動，碰到上限位開關時開始向右移動，碰到右限位開關就向下運動，直到遇到下限位開關，執行松開動作將物品放到b點。之后，機械手回到原位，這個流程即完成了一次物料的搬運的過程，整個工作過程如圖2所示。

2 機械手控制系統設計

2.1 PLC外部電路設計

系統以西門子S7-200系列PLC的CPU226主機作為控制核心，其外圍電路如圖3所示。機械手控制方式分為：手動控制模式、單周期控制模式、自動控制模式，采用轉換開關SA進行選擇。當SA選擇手動模式（I0.0輸入）時，所有動作手動實現；當SA選擇單周期控制模式（I0.1輸入）時，按下啟動按鈕，機械手完成一次搬運過程然后回到初始位置停止；當SA選擇自動控制模式（I0.2輸入）時，按下啟動按鈕，機械手循環完成搬運過程，直到按下停止按鈕后回到初始位置停止。

圖2中，PLC輸出量有6個，其中YV1～YV5（Q0.0～Q0.4輸出）為電磁閥線圈，可通過其各自電磁閥分別控制機械手的氣缸動作，實現機械手的上升、下降、左移、右移和夾緊，另一個輸出（Q0.5）為運行狀態指示。

2.2 PLC梯形圖程序設計[2-4]

機械手控制程序采用STEP 7-Micro/WIN編程軟件設計，主要程序段梯形圖如圖3所示。這里采用西門子PLC的SM0.1觸點在系統上電的時候，對可能用到的存儲空間進行清零，將M0.0到M0.7、M1.0到M1.7、M2.0到M2.7、Q0.0到Q0.7的地址的內容批量清零。

如果機械手位于原始位置，按下啟動按鈕時I0.3（組態王M1.3）觸點閉合，機械手執行下降的動作，下降到位I1.4（組態王M2.4）觸點閉合，將Q0.4置位，執行夾緊程序，保持2S后，夾緊貨物后，將Q0.4保持置位狀態，同時將Q0.0置位，讓機械手執行上升動作，機械手上升到上限位后，進入到右移狀態，將Q0.3置位，機械手右移到位后，執行下降動作，機械手下移到位后，將Q0.4復位，執行松開動作，此時將定時器T2開始計時1S，時間到后，機械手開始上升，執行回原點程序，回到原點停止。

3 上位機軟件設計

系統上位機采用組態王Kingview軟件設計，Kingview6.53是一款全中文的工業控制用組態軟件，具有開放性好、適應性強、易于擴展、開發周期短等諸多優點，尤其是它在自動控制系統中能夠發揮組態開發、上傳下達的重要作用。組態王軟件包由工程管理器、工程瀏覽器、畫面運行系統、信息窗口這四個部分組成。其中工程瀏覽器、畫面運行系統是兩個獨立的Windows應用程序，都可以單獨使用[5]。

3.1 通訊設備參數設置

西門子S7-200型PLC支持多種通信協議，其中點到點（Point-to-Point）接口（PPI）方式是西門子專為S7-200系列PLC開發的一種通訊協議，通訊非常簡單方便，只用NETR和NETW兩條語句即可進行數據信號的傳遞，不需要額外再配置模塊或軟件[6]。S7-200系列CPU上集成的編程口同時就是PPI通訊聯網接口，其物理特性為RS485。西門子公司提供的PC/PPI電纜帶有RS232/RS485電平轉換器，因此在不增加任何硬件的情況下，可以很方便地將PLC和PC機（插MPI卡）互聯。PC與PLC之間的通信采用主從方式，PC始終處于主導地位。

打開STEP 7-Micro/WIN編程軟件，然后點擊左邊通信， 在彈出窗口中點屬性設置通信參數；在組態王工程瀏覽器工程目錄顯示區，通過“設備”大綱項目下的PLC與上位機所連串口對其進行參數設置。PLC的通信參數要和組態王、編程軟件一致。這里設置為：波特率9600，數據位8，停止位1，偶校驗。

3.2 組態軟件設計

3.2.1 構造數據庫

數據庫是聯系下位機和上位機的橋梁。選擇工程瀏覽器左邊“數據庫＼數據詞典”，在“變量屬性”對話框里可以創建機械手控制系統的各個數據變量。根據機械手的控制要求和組態王畫面中的控制要素，可設計組態王工程的變量。如圖4所示。

這些變量與PLC內部的變量是一一對應的，PLC輸入輸出完全由組態王內部變量代替。這樣，PLC的實際輸入輸出狀態就會全部反映在組態王監控界面上了。

3.2.2 建立機械手畫面及動畫連接

設計機械手圖形界面并建立動畫連接，組態畫面如圖5所示。畫面中的動畫連接均采用隱含連接方式，也就是當畫面中的各個圖素隱含連接表達式為真時才將其顯示出來，當表達式不成立時則會隱含。

4 仿真運行

在PLC編程軟件和計算機完成通信后，將程序下載到設備中。打開組態王，點擊機械手控制工程，切換到view狀態，選擇單周期模式，按下啟動按鈕，機械手縱軸開始伸出，向下移動，下降到位后，執行夾緊動作，當機械爪夾緊貨物后，機械手縱軸開始收縮，垂直向上方行走，到上限位后，機械手橫軸開始伸出，向右移動，機械手橫軸一直伸出到右限位后停止，此時機械手縱軸開始伸出，將小球向垂直方向放下，機械手將貨物放到2號皮帶機上后，縱軸開始縮回，向上運動到最高限位，機械手水平向初始位置縮回，控制機械手回到原始位置停止。運行過程中，沒個動作的狀態都有相應指示燈指示。

5 結語

本文設計了氣壓驅動的機械手基本結構，采用S7-200型PLC實現了其控制系統，上位機用組態王開發了人機界面，上位機和下位機之間通過PPI協議實現通信。實踐證明，在沒有機械手實物的情況下，完全可以逼真模擬PLC對機械手的控制過程。如果采用PLC仿真軟件，在沒有PLC的情況下也可以模擬實際系統。

參考文獻

[1]張鳳珊.電氣控制及可編程序控制器[M].北京：中國輕工業出版社，2013.

[2]王智勇，王延華.基于S7-300PLC和WinCC的鍋爐控制系統[J].產業與科技論壇，2011（03）：161-162.

[3]王阿根.西門子S7-200PLC編程實例精解[M].北京：電子工業出版社，2017.

[4]王志蘭.基于S7-400 PLC工業廢水處理系統設計[J].科技創新導報，2011（08）：154.

[5]吳松，黃元，基于組態王和PLC的機械手及其控制系統的設計[J].機械工程師，2011，（8）：48-49.

[6]李衛平，原思聰.基于PLC和組態王的泵站監控系統設計[J].自動化技術與應用，2004，23（5）：28-30.