基于西門子S7-200PLC的機械手控制器的設計

摘 要：文中對機械手控制器的總體設計方案進行了合理分析和科學論證，設計了以西門子PLC S7-200為核心器件，完成機械手的行動控制系統。文中對硬件系統和主要功能模塊進行了設計和規劃，其中系統硬件設計模塊主要包含PLC系統、保護系統、提示系統和控制系統等四個模塊。同時，采用V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9對系統進行軟件設計，并對主模塊進行了分析和講解。

關鍵詞：PLC;機械手;控制器;多模式

生產力的不斷進步推動了科技的進步與革新，建立了生產與科技更加合理的生產關系。隨著科技的發展，越來越多高危、高污染地區不適合人工操作，機械手應用技術在不斷地提升中，代替人工。機械手是工業自動化最突出的表現，它能自動執行工作，靠的就是自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。機械手還可以全天候不停進行重復、單調、簡易的工作，提高效率的同時還能減少成本，增強自身在同行間的競爭力。隨著自動化理論的提升和各行業需求，機械手技術迅速發展起來。

1 設計重點和思路

使用西門子PLC（S7-200）為主控結構，設計一款多功能機械手，實現對產品位置的檢測和轉移功能。本系統主要由電磁式傳感器、西門子PLC、電動機、可彈式按鈕開關和兩位三通電磁閥組成。

1.1功能要求

切換開關用來決定工作模式：手動和自動。

手動模式下可以任意方向操作，前進、后退、下降、上升、左移、右移。

自動模式下可以執行設定好的路徑，到達產品抓取位置抓取產品，并移動到指定放擺放區，回到原點。

1.2設計要求

（1）通過PLC控制電機運動距離;

（2）電磁閥控制氣缸動作;

（3）轉換開關控制模式切換;

2 系統總體方案設計

2.1總體設計方案

手臂動作設計方案有兩種：氣動和軸動。

2.1.1采用氣動方式控制機械手

采用氣動方式，機械臂左右移動和上下移動由氣缸來帶動，動作的距離根據氣缸本身長短來決定，并且只有最大值和最小值兩個固定點，自由度較為限制。但可以實現目標的移動，氣缸價格便宜。

2.1.2采用軸控制技術

軸動方式，即機械手的各個手臂各被一個電機控制，可以隨時停在手臂上的任意位置，加上編碼器，還可以實時反饋位置信息。

通過上述兩個方案的比較、綜合考慮后，選取（2）方案最為合理。軸動控制相對氣動控制更為靈活、移動更為穩定。

2.2機械手手爪設計方案論證

機械手手爪設計方案[1]主要有兩種：

方案一：同樣采用小伺服電機來控制手爪。

方案二：采用小氣缸來控制手爪。

通過對比以上兩種設計方案，方案二相對優先，氣缸式帶有一定的彈性，可減少對產品抓取時產生的損害;采用方案一電機式，要添加一個壓力檢測，防止盲目抓緊破壞產品，費用增加，且有一定威脅性，因此采用方案二。

3 模塊選用及功能闡述

3.1西門子PLC S7系列的介紹及構成說明

在西門子公司所有的PLC系列[2]中S7系列PLC是使用最多的，S7系列包括S7-200 PLC、S7-300 PLC和S7-400 PLC。S7-200PLC具有體積小、接口可拓展、價格便宜、強大的指令系統，在一般情況下都有可以滿足控制系統的要求。當選擇的主機沒有想要的控制功能時，需要對硬件部分加裝拓展模塊。擴展模塊包括：數字模塊、模擬模塊、通訊模塊和功能模塊四類。設計中可根據要求來選擇所需的擴展模塊，增強功能。

3.2S7-200 CPU存儲器的類型

輸入繼電器（I）、輸出繼電器（Q）、通用輔助繼電器（M）、特殊繼電器（SM）、順序控制繼電器（S）、定時器（T）、計數器（C）。

4 硬件設計與制作

4.1 硬件設計

4.1.1 PLC模塊介紹

PLC的特點完全可以勝任工廠需求：

①抗干擾能力強，可靠性極高;

②PLC可用梯形圖、語句表、功能模塊圖編程;

③有豐富的內部功能，定時、計數、自檢、模數，數模轉換等功能;

④具有通信功能;

⑤模塊拓展功能。

4.1.2材料清單

本文中使用到的所有硬件材料見表1。

4.1.3 輸入輸出信號地址分配表

輸入端管腳分配如表2所示，輸出端口與外部連接分配如表3所示。

根據I/O表觀察，需要的端口數量大于常規CPU端口，因此選擇添加一個數字模塊EM223來增多輸入輸出口。如圖1所示。

4.1.4 主機PLC管腳接線

主機PLC管腳接線如圖2所示。

4.2 整體接線

電能源從220V的生活用電接入，連接到空氣開關，空開連接交流接觸器和開關電源，交流接觸器連接交流繼電器最后接到熱繼電器，連接電機。開關電源變電壓為DC24V，接到PLC，PLC輸出端接各電機正反轉接觸器，以及各種指示燈;PLC輸入端接感應器和操作按鈕。如圖3所示。

4.3 ?硬件

傳感器、控制開關、開關電源、空氣開關、交流接觸器、減壓閥、氣控電磁閥。

5 系統軟件設計

5.1 系統主要模塊

程序主要分為三個模塊，控制模式選擇程序、動作指示燈程序、控制范圍控制程序。

在STEP7-micro/win軟件中，編好程序，編譯矯錯，最后編譯通過，點擊“菜單欄”中的“文件”，點擊導出，生成“.awl”文件。

系統軟件實現詳細步驟：

啟動程序，首先實現系統的通電，然后電源指示燈亮起。通過所有的傳感器來判斷是否在原點。選擇模式檔位，信號從遙控器傳至PLC，亮起對應的信號燈。經由開關按鈕控制，做出預期動作。

5.1.1 系統主程序流程

主程序流程圖，如圖4所示

5.1.2 控制模式選擇程序

在打開控制電源后，手動、自動、回原點模式之一會處于通電狀態，等待按下使能按鈕。按下后，進入相應模式。再運行期間可以切換模式。

5.1.3動作指示燈程序

按下相應按鈕后，會輸出2個信號，一個動作信號，一個指示燈信號，根據指示燈來判斷當前機器的運作情況。也可以指示燈判斷設備或程序是否故障。

5.1.4控制范圍控制程序

當機器運作或誤碰的情況下，可能出現失控狀態，接近開關裝在一個相對極限的位置，當機器出現在接近開關的位置時，判斷為失控狀態，切斷當前方向的供電，起到保護作用。

5.2 系統軟件主要程序分析

5.2.1 模式選擇

進入手動、自動和回原點模式如圖5所示。

電源上電：I0.0常開閉合（打開電源），I0.1（關閉電源）常閉閉合，Q2.2（電源得電指示燈）得電亮燈。

手動模式啟動：Q2.2得電后閉合I0.2（手動按鈕），Q0.7（手動模式指示燈）得電亮燈，如果切換模式：打到I0.3（自動模式檔位）或I0.4（回原點檔位），則Q0.7失電熄滅。退出手動檔。

自動模式啟動：Q2.2得電后閉合I0.3（自動檔位），再按下一次I0.5（使能按鈕），此時Q1.0（自動模式指示燈）亮燈，并自鎖使能按鈕。如果切換模式：打到I0.2（手動模式檔位）或I0.4（回原點檔位），則Q1.0失電熄滅。退出自動檔。

回原點模式啟動：同理，電源得電后，打到I0.4（手動檔位），再按住I0.5（使能按鈕），Q1.1得電（進入回原點模式）。各部位回原點（I1.7、I2.0和I2.2都斷開）、放開使能按鈕或切換檔位，退出回原點模式。如已在原點位置，則等待換模式。

5.2.2 手動模式

手動前進和后退動作如圖6和圖7所示。

手動前進：

手動模式下再按住使能按鈕，再按住前進按鈕（I0.6），M0.1線圈得電，M0.1常開開關閉合，Q0.1得電，給前后電機發出正轉信號，同時前進信號燈亮（Q1.2）。在遇到前進限位開關（I1.6）時，I2.6常閉斷開，阻斷電機正轉（Q0.1失電）。當電機故障時，前后熱繼電器（I2.6常閉）斷開，也可以阻斷電機供電。如圖5.4所示。

手動后退：

手動模式下再按住使能按鈕，再按住后退按鈕（I0.7），M0.2線圈得電，M0.2常開開關閉合，Q0.2得電，給前后電機發出反轉信號，同時后退信號燈亮（Q1.3）。在抵達后退極限區域時（I1.7得電），阻斷電機繼續反轉（Q0.2失電）。當電機故障時，前后熱繼電器（I2.6常閉）斷開，也可以阻斷電機供電。如圖5.5所示。

5.2.3 回原點模式

回原點模式后如圖8所示。

Q1.1常開閉合（回原點信號），使得M0.2得電（控制前進電機反轉后退）。一直退回到后退限位（I1.7常閉斷開）停止動作。

后退限位的常開閉合I1.7，M0.3得電（控制左右電機反轉左移）。直到觸碰到左限位（I2.0常閉斷開）。

為了保證回原點時是一步一步有序進行，所以要先判斷I1.7（在后極限位）和I2.0（在左極限位）是否已完成復歸動作（極限位常開閉合為已完成），條件都滿足后M0.5（上下電機反轉）得電，手臂開始上升。達到上限位停止。

現在，前后、左右和上下都在原點，I1.7、I2.0和I2.2常閉斷開，中斷回原點命令。

5.2.4 自動模式

自動模式下按使能鍵一次，即會自鎖自動模式狀態。如圖9所示。

在執行自動模式前，先判斷是否在原點位置，如果在則M2.0（自動模式---已到達原點）得電。否則，機械手各部先回原點。

各手臂依次回到原點后，M2.0線圈得電，M2.0的常閉全都斷開，防止繼續回原點，阻礙后續動作的執行。

之后，以M2.0的常開閉合為觸發點，激活第一個動作，每完成一個操作，都相應會發出一個信號，以該信號為下一個動作的觸發點，以此類推。

在運行到最后一個動作時，發出的信號會切斷M2.0的通電，回原點指令激活，繼而開始回原點。周而復始至切換模式或電機熱保護動作（M3.0常開斷開）。

6 結語

本設計是以PLC為主控器件的機械手，結構簡單，但滿足設計要求，運行效果也不錯，而且還具有較高的可行性和可塑性，甚至能在一些高危、高污染地區也可正常工作。PLC又具有可編程和拓展模塊的能力，本系統有較明顯的模塊劃分，也便于以后的設備升級，符合現代工廠的條件。

參考文獻：

[1] Yan-Jun X， Jing Z， Yu-Ming G， et al. The Research of Automatic Mold Manipulator Control System on PLC[C]. Wase International Conference on Information Engineering. IEEE Computer Society， 2010： 200-203.

[2] 王偉.可編程序控制器的使用和維護[M].化學工業出版社，2005.

作者簡介：

陳瑞兵（1978-），男，漢族，廣東高州人，本科，廣東東莞理工學校擔任機械講師，主要研究方向：數控加工，模具設計及制造。

（東莞理工學校，廣東 東莞 523470）