基于組態(tài)監(jiān)控的多種工作方式機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)

劉星平，李 宇，胡維娜，劉 昱，張智慧

（湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭411101）

0 引 言

為了滿足生產(chǎn)的需要，很多設(shè)備要求設(shè)置多種工作方式，如手動(dòng)方式和自動(dòng)方式，后者包括連續(xù)、單周期、單步、自動(dòng)返回初始狀態(tài)幾種工作方式.手動(dòng)程序比較簡單，一般用經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)，復(fù)雜的自動(dòng)程序一般根據(jù)系統(tǒng)的順序功能圖用順序控制法設(shè)計(jì).

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用PC機(jī)的對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)的調(diào)試及監(jiān)控也將成為一種常用的方法，在本系統(tǒng)中，我們采用了S7－200CNPLC實(shí)現(xiàn)對(duì)多種工作方式機(jī)械手的控制，利用組態(tài)王監(jiān)控軟件在PC（或筆記本電腦）上實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種工作方式機(jī)械手的調(diào)試及監(jiān)控.

1 機(jī)械手控系統(tǒng)及控制要求

如圖1所示，某機(jī)械手用來將工件從A點(diǎn)到B點(diǎn)，它的工作過程如圖所示，有八個(gè)動(dòng)作，即：下降、夾緊、上升、右移、下降、放松、上升、左移.升／下降和左移／右移的執(zhí)行用雙線圈二位電磁閥推動(dòng)氣缸完成.夾緊／放松由單線圈二位電磁閥推動(dòng)氣缸完成，線圈通電執(zhí)行夾緊動(dòng)作，線圈斷電時(shí)執(zhí)行放松動(dòng)作.如輸出Q0.1為“1”時(shí)，工件被夾緊（由電磁閥YV1驅(qū)動(dòng)執(zhí)行），為“0”時(shí)工件被松開.考慮到系統(tǒng)停電或其它故障原因造成的誤動(dòng)作.控制系統(tǒng)除了自動(dòng)連續(xù)的工作方式外，還要增加手動(dòng)控制、單步、單周期等控制方式.

圖1 機(jī)械手示意圖

2 PLC控制系統(tǒng)的組成

控制面板如圖2所示，工作方式選擇開關(guān)的4個(gè)位置分別對(duì)應(yīng)于4種工作方式，操作面板左上部的方式選擇開關(guān)為手動(dòng)調(diào)整開關(guān).為了保證在緊急情況下（包括PLC發(fā)生故障時(shí)）能可靠地切斷PLC的負(fù)載電源，設(shè)置了交流接觸器KM（見圖3）.在PLC開始運(yùn)行時(shí)按下“負(fù)載電源”按鈕，使KM線圈得電并自鎖，KM的主觸點(diǎn)接通，給外部負(fù)載提供交流電源，出現(xiàn)緊急情況時(shí)用“緊急停車”按鈕斷開負(fù)載電源.

系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)、單周期、單步、連續(xù)4種工作方式，機(jī)械手在最上面和最左邊且松開時(shí)稱為系統(tǒng)處于原點(diǎn)狀態(tài)（或稱為初始狀態(tài)）.在公用程序中，左限位開關(guān)I0.4、上限位開關(guān)I0.2的常開觸點(diǎn)和表示機(jī)械手松開的Q0.1的常閉觸點(diǎn)的串聯(lián)電路接通時(shí)，“原點(diǎn)條件”存儲(chǔ)器位M0.5變?yōu)镺N.

如果選擇的是單周期工作方式，按下起動(dòng)按鈕I0.0后，從初始步M0.0開始，機(jī)械手按順序功能圖的規(guī)定完成一個(gè)周期的工作后，返回并停留在初始步.如果選擇連續(xù)工作方式，在初始狀態(tài)按下起動(dòng)按鈕，并不馬上停止工作，完成最后一個(gè)周期的工作后，系統(tǒng)才返回并停留在初始步.在單步工作方式，從初始步開始，按一下起動(dòng)按鈕，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到下一步，完成該步的任務(wù)后，自動(dòng)停止工作并停在該步，再按一下起動(dòng)按鈕，又往前走一步.單步工作方式常用于系統(tǒng)的調(diào)試.

進(jìn)入單周期、連續(xù)和單步工作方式之前，系統(tǒng)應(yīng)處于原點(diǎn)狀態(tài)，在原點(diǎn)狀態(tài)，順序功能圖中的初始步M0.0為ON，為進(jìn)入單周期、連續(xù)和單步工作方式做好了準(zhǔn)備.

輸入輸出如表1所示.

表1 符號(hào)表

3 PLC控制系統(tǒng)的編程設(shè)計(jì)

3.1 程序的總體結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的主程序結(jié)構(gòu)如圖4所示，用跳轉(zhuǎn)指令JMP來實(shí)現(xiàn)各種工作方式的切換.由外部接線圖3可知，工作方式選擇開關(guān)是單刀4擲開關(guān)，同時(shí)只能選擇一種工作方式.例如選擇開關(guān)位于手動(dòng)方式時(shí)，I1.0為“1”，執(zhí)行手動(dòng)控制程序.在手動(dòng)方式時(shí)由切換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)上下、左右、松緊的手動(dòng)調(diào)整和控制.

圖4 程序結(jié)構(gòu)

3.2 公用程序

機(jī)械手處于最上面和最左邊的位置、夾緊裝置松開時(shí)，系統(tǒng)處于規(guī)定的初始條件，稱為“原點(diǎn)條件”，此時(shí)左限位開關(guān)I 0.4、上限位開關(guān)I0.2的常開觸點(diǎn)和表示夾緊裝置松開的Q0.1的常閉觸點(diǎn)組成的串聯(lián)電路接通，存儲(chǔ)器位M0.5為1狀態(tài).

圖5中的公用程序用于自動(dòng)程序和手動(dòng)程序相互切換的處理.當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)工作方式，I1.0為1狀態(tài)，如果此時(shí)滿足原點(diǎn)條件，順序功能圖中的初始步對(duì)應(yīng)的M0.0被置位，反之則被復(fù)位.

在CPU剛進(jìn)入RUN模式的第一個(gè)掃描周期執(zhí)行圖5中的程序時(shí)，如果原點(diǎn)條件滿足，M0.5為1狀態(tài)，順序功能圖中的初始步對(duì)應(yīng)的M0.0由初始化脈沖信號(hào)SM0.1置位，為進(jìn)入單步、單周期和連續(xù)工作方式作好準(zhǔn)備.

圖5 公用程序

當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)工作方式時(shí)，I1.0的常開觸點(diǎn)閉合，用MOVE指令將順序功能圖中除初始步以外的各步對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器位（M2.0～M2.7）復(fù)位，否則當(dāng)系統(tǒng)從自動(dòng)工作方式切換到手動(dòng)工作方式，然后又返回自動(dòng)工作方式時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)同時(shí)有兩個(gè)活動(dòng)步的異常情況，引起錯(cuò)誤的動(dòng)作.在非連續(xù)方式，將表示連續(xù)工作狀態(tài)的標(biāo)志M0.7復(fù)位.

圖6 手動(dòng)程序

3.3 手動(dòng)程序

圖6是手動(dòng)程序，手動(dòng)操作時(shí)用I0.5～I(xiàn)0.7對(duì)應(yīng)的3個(gè)開關(guān)控制機(jī)械手的升、降、左行、右行和夾緊、松開.為了保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，在手動(dòng)程序中設(shè)置了一些必要的聯(lián)鎖，例如上升與下降之間、左行與右行之間的互鎖用來防止功能相反的兩個(gè)輸出同時(shí)為ON.上限位開關(guān)I0.2的常開觸點(diǎn)與控制左、右行的Q0.4和Q0.3的線圈串聯(lián)，機(jī)械手升到最高位置才能左右移動(dòng)，以防止機(jī)械手在較低的位置運(yùn)行時(shí)與別的物體發(fā)生碰撞.

3.4 單周期、連續(xù)和單步程序

圖7是處理單周期、連續(xù)和單步工作方式的順序功能圖和梯形圖程序.

M0.0和M2.0～M2.7用典型的起保停電路來控制.

單周期、連續(xù)和單步這3種工作方式主要是用“連續(xù)”標(biāo)志 M0.7和“轉(zhuǎn)換允許”標(biāo)志 M0.6來區(qū)分的.

（1）單步與非單步的區(qū)分

M0.6的常開觸點(diǎn)接在每一個(gè)控制代表步的存儲(chǔ)器位的起動(dòng)電路中，它們斷開時(shí)禁止步的活動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換.

系統(tǒng)工作在連續(xù)、單周期（非單步）工作方式時(shí)，I1.1的常閉觸點(diǎn)接通，使 M0.6為“1”狀態(tài)，串聯(lián)在各起保停電路的起動(dòng)電路中的M0.6的常開觸點(diǎn)接通，允許步與步之間的正常轉(zhuǎn)換.

（2）單周期與連續(xù)的區(qū)分

在連續(xù)工作方式，I1.3為1狀態(tài).在初始狀態(tài)按下起動(dòng)按鈕I0.0，M2.0變?yōu)?狀態(tài)，機(jī)械手下降.與此同時(shí)，控制連續(xù)工作的M0.7的線圈“通電”并自保持.

（3）單周期工作過程

在單周期工作方式，I1.1（單步）的常閉觸點(diǎn)閉合，M0.6的線圈“通電”，允許轉(zhuǎn)換.系統(tǒng)將按順序一步一步地工作下去，直到步M2.7，機(jī)械手左行返回原點(diǎn)位置，左限位開關(guān)I0.4變?yōu)?狀態(tài)，因?yàn)檫B續(xù)工作標(biāo)志M0.7為0狀態(tài)，將返回初始步 M0.0，機(jī)械手停止運(yùn)動(dòng).

圖7轉(zhuǎn)換控制M0.0的起保停電路如果放在控制M2.0的保停電路之前，在單步工作方式步M2.7為活動(dòng)步時(shí)按起動(dòng)按鈕I0.0，返回步 M0.0后，M2.0的起動(dòng)條件滿足，將馬上進(jìn)入步 M2.0.在單步工作方式，這樣連續(xù)跳兩步是不允許的.將控制M2.0的起保停電路放在控制M0.0的起保停電路之前和M0.6的線圈之后可以解決這一問題.在圖7中，控制 M0.6（轉(zhuǎn)換允許）的是起動(dòng)按鈕I0.0的上升沿檢測(cè)信號(hào)，在步 M2.7按起動(dòng)按鈕，M0.6僅ON一個(gè)掃描周期，它使M0.0的線圈通電后，下一掃描周期處理控制 M2.0的起保停電路時(shí)，M0.6已變?yōu)?狀態(tài)，所以不會(huì)使M2.0變?yōu)?狀態(tài)，要等到下一次按起動(dòng)按鈕時(shí)，M2.0才會(huì)變?yōu)?狀態(tài).

圖7 順序功能圖與梯形圖程序

4 PC機(jī)組態(tài)開發(fā)及監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

組態(tài)王組態(tài)軟件的具有開發(fā)了靈活多樣的組態(tài)方式，提供良好的用戶界面和簡捷使用方法.可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)的各項(xiàng)控制功能.它是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立起來的種上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)內(nèi)各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)采集、加工處理、存儲(chǔ)、傳送，并能及時(shí)向信息管理系統(tǒng)提供有用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).

利用上位機(jī)安裝的組態(tài)王監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)多種工作方式機(jī)械手控制的組態(tài)開發(fā)畫面如圖8所示.監(jiān)控組態(tài)軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種工作方式機(jī)械手的的模擬調(diào)試.或者實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手控制系統(tǒng)的監(jiān)控.如圖9所示.

圖8 組態(tài)監(jiān)控畫面的開發(fā)設(shè)計(jì)

圖9 機(jī)械手控制系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控

5 結(jié)束語

本文就機(jī)械手的多種工作方式控制問題進(jìn)行了分析和探討，提出了一種輸入點(diǎn)數(shù)最省的控制方法，利用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的調(diào)試并在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手動(dòng)作的監(jiān)控，PC機(jī)上的操作方法簡單、容易，對(duì)象的步序動(dòng)作直觀、清析.

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