179 關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)式機(jī)械手控制系統(tǒng)與MCGS仿真

179 關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)式機(jī)械手控制系統(tǒng)與MCGS仿真,關(guān)節(jié),旋轉(zhuǎn),機(jī)械手,控制系統(tǒng),mcgs,仿真 1組態(tài)技術(shù)和 P L C技術(shù)在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要:介紹了基于 MCGS組態(tài)軟件與西門子 S7——200系列可編程序控制器的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)的組態(tài)過(guò)程;給出了控制系統(tǒng)的硬件組成、軟件設(shè)計(jì),并制作出控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控畫面;在MCGS和 PLC串行通訊的基礎(chǔ)上,通過(guò)計(jì)算機(jī)控制 PLC,實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械手的控制。關(guān)鍵詞:MCGS 組態(tài)軟件 PLC機(jī)械手The Application about Configuration Technology and PLC Technology in the ControlAbstract:Design and configuration process about the control system of a mechanical arm are introduced based on MCGS configurationsoftware and Siemens S7-200 Series Programmable Logic Controller;There are hardware components and software design and dynamicmonitoring screen about control system in the paper;The 2mechanical arm is controlled by PLC controlled with a computer based onMCGS and PLC serial communication.Key words:MCGS configuration software;PLC;mechanical arm目前很多的自動(dòng)控制系統(tǒng)中,常常選用可編程序控制器(PLC)作為控制設(shè)備,用于數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)判別和輸出控制。而在 PLC與計(jì)算機(jī)通訊的基礎(chǔ)上,通過(guò)組態(tài)軟件可以對(duì) PLC的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行全方位的監(jiān)控,進(jìn)一步通過(guò)組態(tài)軟件可以對(duì)控制對(duì)象的工作過(guò)程進(jìn)行全程模擬,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。因其充分利用了計(jì)算機(jī)和 PLC的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)而得到廣泛應(yīng)用。設(shè)計(jì)利用計(jì)算機(jī)作為上位機(jī),利用 MCGS組態(tài)軟件作為程序開(kāi)發(fā)平臺(tái),下位機(jī)采用西門子 S7——200系列可編程序控制器,組成一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的機(jī)械手控制系統(tǒng),以解決工廠中簡(jiǎn)單重復(fù)、重體力或環(huán)境惡劣等工作問(wèn)題。1 MCGS組態(tài)軟件組態(tài)軟件是近幾年來(lái)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域興起的一種新型的軟件開(kāi)發(fā)工具,開(kāi)發(fā)人員通常不需要編制具體的指令和代碼只要利用組態(tài)軟件3包中的工具,通過(guò)硬件組態(tài)(硬件配置)、數(shù)據(jù)組態(tài)、圖形圖象組態(tài)等工作即可完成所需要應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)工作。它具有二次開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便、開(kāi)發(fā)周期短、通用性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。MCGS(Monitor and Control GeneratedSystem,通用監(jiān)控系統(tǒng))是一套用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件,它能夠在Windows平臺(tái)上運(yùn)行,為用戶建立測(cè)控系統(tǒng)提供一整套實(shí)際工程問(wèn)題的解決方案,它充分利用了 Windows圖形功能完備、界面一致性好、易學(xué)易用的特點(diǎn),比以往使用專用機(jī)開(kāi)發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)更具有通用性,在多種工程自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。MCGS組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和運(yùn)行策略 5部分構(gòu)成,每一部分分別進(jìn)行組態(tài),完成不同的工作。主控窗口是工程的主窗口或主框架。設(shè)備窗口用于連接和驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備。用戶窗口主要用于設(shè)置工程中人機(jī)交互的界面。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是工程各個(gè)部分的數(shù)據(jù)交換與處理中心,它將 MCGS工程的各個(gè)部分連接成有機(jī)整體。運(yùn)行策略主要完成工程運(yùn)行流程的控制。MCGS 能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫顯示、曲線和報(bào)表輸出等功能。具有功能完善、操作簡(jiǎn)便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)的突出特點(diǎn)。452傳送機(jī)械手控制系統(tǒng)的控制要求圖 1為某氣動(dòng)傳送機(jī)械手的工作示意圖,其任務(wù)是將工件從 A點(diǎn)向 B點(diǎn)移送。氣動(dòng)傳送機(jī)械手的上升/下降和左行/右行動(dòng)作分別由兩個(gè)具有雙線圈的兩位電磁閥驅(qū)動(dòng)汽缸來(lái)完成。其中上升與下降對(duì)應(yīng)的電磁閥的線圈分別為 YV1和 YV2;左行與右行對(duì)應(yīng)的電磁閥的線圈分別為 YV3和 YV4。若某個(gè)電磁閥線圈通電,就一直保持現(xiàn)有的機(jī)械動(dòng)作,直到相對(duì)應(yīng)的另一線圈通電為止。另外,氣動(dòng)傳送機(jī)械手的夾緊,松開(kāi)動(dòng)作由另一個(gè)線圈的兩位電磁閥驅(qū)動(dòng)的汽缸完成,線圈YV5通電時(shí)夾住工件,線圈 YV5斷電時(shí)松開(kāi)工件。機(jī)械手的工作臂都6設(shè)有上、下限位和左右限位的位置開(kāi)關(guān) SQ1、SQ2、SQ3、SQ4,夾緊裝置不帶限位開(kāi)關(guān),它是通過(guò)一定的延時(shí)來(lái)表示其夾緊動(dòng)作的完成。從圖 1機(jī)械手工作示意圖可知,機(jī)械手將工件從 A點(diǎn)移到 B點(diǎn)再回到原位的過(guò)程有 8步動(dòng)作,如圖 2所示。從原位開(kāi)始按下啟動(dòng)按鈕時(shí),下降電磁閥通電,機(jī)械手開(kāi)始下降。下降到底時(shí),碰到下限位開(kāi)關(guān),下降電磁閥斷電,下降停止;同時(shí)接通夾緊電磁閥,機(jī)械手夾緊,夾緊后,上升電磁閥開(kāi)始通電,機(jī)械手上升,上升到頂時(shí),碰到上限位開(kāi)關(guān),上升電磁閥斷電,上升停止;同時(shí)接通右移電磁閥,機(jī)械手右移,右移到位時(shí),碰到右移限位開(kāi)關(guān),右移電磁閥斷電,右移停止。此時(shí),右工作臺(tái)無(wú)工作,下降電磁閥接通,機(jī)械手下降。下降到底時(shí)碰到下限位開(kāi)關(guān),下降電磁閥斷電,下降停止;同時(shí)夾緊電磁閥斷電,機(jī)械手放松,放松后,上升電磁閥通電,機(jī)械手上升,上升碰到限位開(kāi)關(guān),上升電磁閥斷電,上升停止;同時(shí)接通左移電磁閥,機(jī)械手左移;左移到原位時(shí),碰到左限位開(kāi)關(guān),左移電磁閥斷電,左移停止。至此,機(jī)械手經(jīng)過(guò) 8步動(dòng)作完成一個(gè)循環(huán)。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件圖主要由西門子 PLC、計(jì)算機(jī)、上升與下降、左行與右行對(duì)應(yīng)的電磁閥,上、下限位和左右限位的位置開(kāi)關(guān)SQ1、SQ2、SQ3、SQ4 和機(jī)械手等構(gòu)成。其中 PLC選用西門子 S7——200系列可編程序控制器,其輸出端可以直接驅(qū)動(dòng)上升與下降對(duì)應(yīng)的電磁閥的線圈分別為 Y V 1和 YV2;左行與右行對(duì)應(yīng)的電磁閥的線圈7分別為 YV3和 YV4等負(fù)載。而其他硬件則在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬控制運(yùn)行,既在 MCG組態(tài)軟件下,由 PLC控制與機(jī)械手,構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)化的機(jī)械手控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)成功完成后,只需要安裝相應(yīng)的限位開(kāi)關(guān)就可以投入運(yùn)行,其中用 MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的人機(jī)界面則成為系統(tǒng)的監(jiān)控部分,具有較大的使用價(jià)值。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 PLC控制程序設(shè)計(jì)PLC程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言有很多種,它們是梯形圖語(yǔ)言 LAD(ladderDiagram)、語(yǔ)句表 STL(Statement L ist)、功能塊圖(FBD)、邏輯方程式等。其中,梯形圖語(yǔ)言是形象直觀、容易掌握,是 PLC中用得比較多的一種編程語(yǔ)言。按照系統(tǒng)的控制要求,該系統(tǒng)需要 6個(gè)輸入點(diǎn)和 6個(gè)輸出點(diǎn),輸入和輸出分配表如表 1所示。8該控制系統(tǒng)采用西門子公司的梯形圖編程軟件 S7——200系列編寫了系統(tǒng)的控制程序,給出機(jī)械手控制系統(tǒng)部分梯形圖控制程序,如圖 3所示。4.2 MCGS軟件設(shè)計(jì)(1)監(jiān)控界面。上位機(jī)監(jiān)控界面是給用戶最直觀的顯示,在本機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要直觀地看到機(jī)械手的上升、下降左移和右移動(dòng)作。界面有手動(dòng)和自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。當(dāng)該按鈕打在自動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí),按下移動(dòng)按鈕,機(jī)械手就自動(dòng)地按照?qǐng)D 2的工作流程進(jìn)行動(dòng)作;當(dāng)該按鈕打在自動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí),機(jī)械手就只能進(jìn)行手動(dòng),上移、下移、左移和右移開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。按鈕下面分別是與其相對(duì)應(yīng)的按鈕指燈,各按鈕動(dòng)作時(shí)相應(yīng)的指9示燈變綠燈。(2)系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)象。將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中定義的各種開(kāi)關(guān)型或數(shù)值型變量和監(jiān)控畫面中相對(duì)應(yīng)的按鈕、指示燈等相連接,以便能使動(dòng)畫按照要求動(dòng)起來(lái)。在本控制系統(tǒng)中需要用到以下數(shù)據(jù)對(duì)象(圖 4)。5 PLC與上位計(jì)算機(jī)間的通訊MCGS組態(tài)軟件中提供了相關(guān)設(shè)備的通訊驅(qū)動(dòng)程序。在使用西門子 S7——200系列 PLC時(shí),因 PLC帶有 RS232接口,可直接用電纜與計(jì)算機(jī)建立連接,通過(guò)串口(HostL ink協(xié)議 )和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。MCGS組態(tài)軟件通過(guò)串行口訪問(wèn) PLC相關(guān)的寄存器地址,以獲得 PLC所控制設(shè)備的狀態(tài)或修改相關(guān)寄存器的值。在實(shí)際編程過(guò)程不需要編寫讀寫 PLC寄存器的程序,組態(tài)軟件提供了一種數(shù)據(jù)定義方法,在定義了 I/O變量后即可直接使用變量名用于系統(tǒng)控制、操作顯示、數(shù)據(jù)記錄和報(bào)警顯示等。在 MCGS組態(tài)時(shí),為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控需要在 MCGS中進(jìn)行設(shè)備連接,使 PLC和上位計(jì)算機(jī)建立起正確的連接通道。在MCGS設(shè)備窗口中首先添加一個(gè)通用串口父設(shè)備,用來(lái)設(shè)置通信參數(shù)和通信端口等設(shè)備屬性。可采用西門子 PLC常用通信參數(shù)設(shè)置:串口端口號(hào)為COM1,波特率 9600,2位停止位,偶校驗(yàn),7 位數(shù)據(jù)位,數(shù)據(jù)采集方式為同步采集。在父設(shè)備下面創(chuàng)建一個(gè)與所用 PLC機(jī)型相符的西門子10PLC子窗口,設(shè)置子設(shè)備 PLC的屬性,主要進(jìn)行通道連接操作,將相應(yīng)通道與 MCGS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量相連,對(duì) PLC的內(nèi)部繼電器進(jìn)行讀、寫、控制 PLC的輸出和外部信號(hào)的輸入。使得 MCGS能從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設(shè)備的工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的具體方法是在設(shè)備窗口內(nèi)配置不同類型的設(shè)備構(gòu)件,并根據(jù)外部設(shè)備的類型和特征,設(shè)置相關(guān)的屬性。在 MCGS設(shè)備中一般都包含有一個(gè)或多個(gè)用來(lái)讀取或者輸出數(shù)據(jù)的物理通道,MCGS 把這樣的物理通道稱為設(shè)備通道。設(shè)備通道只是數(shù)據(jù)交換用的通路,而進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的對(duì)象,則必須由用戶指定和配置。所有的設(shè)備通道都必須與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)相連接。所謂通道連接,即是由用戶指定設(shè)備通道與數(shù)據(jù)對(duì)象之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,這是設(shè)備組態(tài)的一項(xiàng)重要工作。6結(jié)語(yǔ)根據(jù)機(jī)械手控制系統(tǒng)的要求,利用組態(tài)技術(shù)及 PLC構(gòu)成了簡(jiǎn)單可靠的機(jī)械手控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的軟件實(shí)現(xiàn)了下述功能:可在計(jì)算機(jī)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)控制;系統(tǒng)控制過(guò)程進(jìn)行動(dòng)畫顯示,在計(jì)算機(jī)屏幕上可直觀地觀察到機(jī)械手工作情況;系統(tǒng)可按設(shè)定的控制規(guī)律自動(dòng)運(yùn)行,也可手動(dòng)控制機(jī)械手控制。系統(tǒng)正常工作可靠,系統(tǒng)控制方案還具有較強(qiáng)的通用性,可在 PLC教學(xué)中推廣?；?PLC的控制系統(tǒng)在MCGS中得到實(shí)現(xiàn),能以仿真動(dòng)畫的形式直觀地看到被控對(duì)象的運(yùn)行情況及程序的執(zhí)行結(jié)果,其模擬效果逼真,人機(jī)界面生動(dòng)友好,可極大地增加11學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高編程技巧和動(dòng)手能力。參考文獻(xiàn)[1]孫海維.可編程控制器應(yīng)用[M].北京:中央廣播電視大學(xué)出版社,2006.[2]黃凈.電器及 PLC控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.[3]呂景泉,孫海維.可編程控制器及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.[4]陳志文.組態(tài)控制實(shí)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.[5]陳忠平,周少華,侯玉寶,等.PLC 自學(xué)手冊(cè)[M].北京:人民郵電出版社,2008,8.