基于PLC的機(jī)械手控制在MCGS中的實(shí)現(xiàn)

范小蘭，趙春鋒

FAN Xiao-lan, ZHAO Chun-feng

（上海工程技術(shù)大學(xué) 工程實(shí)訓(xùn)中心，上海 201620）

0 引言

在流水生產(chǎn)線中，采用由PLC控制的搬運(yùn)機(jī)械手，可以將工人從重復(fù)和繁重的勞動(dòng)中解放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，而且可以代替人工在惡劣環(huán)境下工作[1,2]。而利用工控組態(tài)軟件可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，從可視畫(huà)面中監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械手的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化過(guò)程控制。

1 控制要求

監(jiān)控系統(tǒng)要求通過(guò)畫(huà)面實(shí)時(shí)顯示機(jī)械手現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)。搬運(yùn)機(jī)械手現(xiàn)場(chǎng)的工作是不斷將工件由一處傳送到另一處。機(jī)械手有上升、下降、左移、右移和夾緊/放松幾個(gè)動(dòng)作，其中上升、下降、左移和右移由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。其具體工作過(guò)程如圖1所示。當(dāng)機(jī)械手在原位（最上和最左端）時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手下降，下降到底時(shí)，碰到下限位開(kāi)關(guān)，下降停止，同時(shí)機(jī)械手夾緊工件；夾緊后上升，碰到上限位開(kāi)關(guān)，上升停止，同時(shí)機(jī)械手右移；右移碰到右限位開(kāi)關(guān)，右移停止，同時(shí)機(jī)械手下降，下降到底時(shí)，碰到下限位開(kāi)關(guān)，下降停止，同時(shí)機(jī)械手放松工件；放下工件后上移，碰到上限位開(kāi)關(guān)，上升停止，同時(shí)機(jī)械手左移，左移碰到左限位開(kāi)關(guān)，則機(jī)械手回到原位，一個(gè)循環(huán)結(jié)束。

圖1 機(jī)械手工作過(guò)程示意圖

在監(jiān)控畫(huà)面中，要求各限位開(kāi)關(guān)的狀態(tài)、機(jī)械手上升、下降、左移、右移、夾緊/放松的動(dòng)作都應(yīng)在系統(tǒng)畫(huà)面中實(shí)時(shí)的得到體現(xiàn)。

2 組態(tài)軟件MCGS

MCGS工控組態(tài)軟件北京昆侖自動(dòng)化有限公司開(kāi)發(fā)的“監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)”。它具有簡(jiǎn)單靈活的可視化操作界面，良好的并行處理功能，豐富生動(dòng)的多媒體畫(huà)面，支持國(guó)內(nèi)外眾多數(shù)據(jù)采集與輸出設(shè)備。用戶只需要完成I/O設(shè)備的配置工作，就可以利用組態(tài)軟件提供的硬件驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)與PLC的通信功能。在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，由設(shè)備管理程序完成與I/O設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控畫(huà)面中的動(dòng)作控制。

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用組態(tài)軟件監(jiān)控機(jī)械手工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)PLC的通訊，主要分構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)計(jì)監(jiān)控畫(huà)面并建立動(dòng)畫(huà)連接、運(yùn)行策略設(shè)計(jì)、設(shè)備窗口組態(tài)設(shè)置四個(gè)步驟。

3.1 構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是MCGS的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心。當(dāng)MCGS運(yùn)行起來(lái)后，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)象被暴露出來(lái)，通過(guò)對(duì)象的鏈接和嵌入操作取到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象，從而做到直接操作MCGS的目的。在數(shù)據(jù)庫(kù)中增加數(shù)據(jù)變量，設(shè)置名稱(chēng)和類(lèi)型。因機(jī)械手實(shí)驗(yàn)臺(tái)有原位指示燈，有上升、下降、左移、右移和抓緊5個(gè)動(dòng)作，有啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、上限位、下限位、左限位和右限位4個(gè)行程開(kāi)關(guān)，還有腳本程序中用到的用來(lái)控制監(jiān)控畫(huà)面中機(jī)械手水平移動(dòng)、垂直移動(dòng)和抓緊動(dòng)作的4個(gè)數(shù)據(jù)量，所以一共定義了15個(gè)數(shù)值型變量。圖2為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)變量。

圖2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)變量

3.2 設(shè)計(jì)監(jiān)控畫(huà)面并建立動(dòng)畫(huà)連接

監(jiān)控畫(huà)面的設(shè)計(jì)總體上講就是創(chuàng)建友好逼真的人機(jī)界面，明確各圖像元素的含義，達(dá)到圖像元素的視覺(jué)效果。

在MCGS組態(tài)平臺(tái)上，進(jìn)入用戶窗口的“動(dòng)畫(huà)組態(tài)”，即進(jìn)入監(jiān)控界面制作窗口，根據(jù)工具箱提供的圖庫(kù)和形象繪制組態(tài)圖形。圖3為機(jī)械手的MCGS監(jiān)控畫(huà)面，畫(huà)面中有四個(gè)限位開(kāi)關(guān)與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)限位開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)，原位指示燈用來(lái)顯示機(jī)械手是否在初始位置，啟動(dòng)按鈕對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的的啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，另外還有機(jī)械手固定的支架和能夠運(yùn)動(dòng)的豎桿和手爪。機(jī)械手的豎桿和手爪要同時(shí)在垂直和水平方向移動(dòng)，手爪還有抓緊和放松動(dòng)作。

為保證機(jī)械手在運(yùn)行環(huán)境中的畫(huà)面顯示效果與實(shí)際工作狀態(tài)相符，需要對(duì)組成機(jī)械手的各構(gòu)件進(jìn)行動(dòng)畫(huà)連接，這一工作在構(gòu)件的動(dòng)畫(huà)組態(tài)屬性設(shè)置中完成。其中，機(jī)械手手爪的動(dòng)畫(huà)組態(tài)屬性設(shè)置最為復(fù)雜，動(dòng)畫(huà)組態(tài)屬性設(shè)置中有水平移動(dòng)、垂直移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫(huà)，分別與數(shù)據(jù)庫(kù)中的水平移動(dòng)、垂直移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)變量連接。圖4是機(jī)械手手爪右側(cè)部分的旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫(huà)連接，連接對(duì)象是數(shù)據(jù)庫(kù)中的“旋轉(zhuǎn)”數(shù)值型變量，旋轉(zhuǎn)角度的設(shè)置是為了在最小到最大角度變化時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)手爪的變化過(guò)程。

為保證機(jī)械手的豎桿和手爪在垂直和水平方向同時(shí)動(dòng)作，因此它們動(dòng)畫(huà)組態(tài)屬性設(shè)置中的水平移動(dòng)、垂直移動(dòng)分別受數(shù)據(jù)庫(kù)中同一數(shù)據(jù)變量控制，且最小和最大偏移量要一致。

圖3 機(jī)械手的MCGS監(jiān)控畫(huà)面

圖4 機(jī)械手手爪的旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫(huà)連接

3.3 運(yùn)行策略設(shè)計(jì)

在運(yùn)行策略中編寫(xiě)腳本程序的目的是建立與各個(gè)界面圖元之間的連接，控制監(jiān)控畫(huà)面中的各構(gòu)件動(dòng)作。用戶可以通過(guò)編寫(xiě)程序靈活地控制流程和各種操作，腳本程序的編程語(yǔ)法類(lèi)似于普通的Basic語(yǔ)言[3]。為了使畫(huà)面中的機(jī)械手動(dòng)作更加逼真，在腳本程序中使用了控制抓緊和放松動(dòng)作的旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)量。腳本程序如下：

'初始設(shè)置

IF 啟動(dòng) =1 AND 原位 =1 THEN

垂直移動(dòng)=0

水平移動(dòng)=0

旋轉(zhuǎn)=0

ENDIF

'原位燈控制

IF 左限位=1 AND 上限位=1 THEN 原位=1

'下降取物

IF 啟動(dòng)=1 AND 下降=1 AND 垂直移動(dòng)＞=-2 THEN 垂直移動(dòng)=垂直移動(dòng)-1

'到達(dá)下限抓緊物ok

IF 啟動(dòng) =1 AND 抓緊 =1 AND 旋轉(zhuǎn) ＜=0.5 THEN 旋轉(zhuǎn)=旋轉(zhuǎn)+0.5

'取物后上移

IF 啟動(dòng)=1 AND 上升=1 AND 垂直移動(dòng)＜=2 THEN 垂直移動(dòng)=垂直移動(dòng)+1

'取物后右移

IF 啟動(dòng)=1 AND 右移=1 AND 水平移動(dòng)＜=3 THEN 水平移動(dòng)=水平移動(dòng)+1

'放物后左移

IF 啟動(dòng)=1 AND 左移=1 AND 水平移動(dòng)＞=-3 THEN 水平移動(dòng)=水平移動(dòng)-1

'到達(dá)下限松物ok

IF 啟 動(dòng) =1 AND 抓 緊 =0 AND 旋 轉(zhuǎn) ＞=0 THEN 旋轉(zhuǎn)=旋轉(zhuǎn)-1

3.4 設(shè)備窗口組態(tài)

為使監(jiān)控畫(huà)面中的圖形對(duì)象反映實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)象的狀態(tài)變化，達(dá)到過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，需要連接PLC與MCGS，這一過(guò)程靠設(shè)備窗口組態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。依靠設(shè)備窗口建立系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備的連接，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[6]。

首先，在設(shè)備工具箱中添加設(shè)備，選擇通用串口父設(shè)備，并將三菱FX系列編程口添加在通用串口父設(shè)備下，與控制機(jī)械手的PLC型號(hào)對(duì)應(yīng)。然后，在通用串口父設(shè)備下進(jìn)行設(shè)備屬性編輯，選擇串口端口號(hào)、通訊波特率、數(shù)據(jù)位位數(shù)、停止位位數(shù)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式、數(shù)據(jù)采集方式，設(shè)置時(shí)注意與下位機(jī)PLC的通訊格式要保持一致。本系統(tǒng)采用的通訊格式如圖5所示。

然后，在三菱FX系列編程口下選定CPU類(lèi)型，在設(shè)置設(shè)備內(nèi)部屬性中增加設(shè)備通道。然后進(jìn)行通道連接，使組態(tài)畫(huà)面中的數(shù)據(jù)對(duì)象與現(xiàn)場(chǎng)的PLC的輸入和輸出實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)連接。圖6為機(jī)械手通道連接設(shè)置。

圖5 MCGS與PLC通訊設(shè)置

圖6 機(jī)械手通道連接設(shè)置

最后，利用PLC與計(jì)算機(jī)專(zhuān)用的F2—232CAB型RS232C電纜，將PLC通過(guò)編程口與上位計(jì)算機(jī)串口(COM口)連接，進(jìn)行串行通訊。

3.5 系統(tǒng)運(yùn)行效果

執(zhí)行完以上幾步工作后，進(jìn)入組態(tài)運(yùn)行環(huán)境，機(jī)械手監(jiān)控畫(huà)面中根據(jù)腳本程序逼真顯示了現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械手的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械手的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用組態(tài)軟件MCGS實(shí)現(xiàn)對(duì)基于PLC的機(jī)械手控制進(jìn)行監(jiān)控和管理，綜合利用了計(jì)算機(jī)和PLC的長(zhǎng)處，計(jì)算機(jī)提供了良好的人機(jī)界面，PLC執(zhí)行可靠的控制，對(duì)提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化有重大意義。

[1]李勝多. 基于PLC和組態(tài)王的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2010(11): 141-145.

[2]袁安富. 基于PLC的工業(yè)機(jī)械手控制設(shè)計(jì)與組態(tài)監(jiān)控[J].制造業(yè)自動(dòng)化, 2011, 33(9): 86-89.

[3]曹輝, 馬棟萍, 王喧, 等. 組態(tài)軟件技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北 京:電子工業(yè)出版社, 2002.

[4]MCGS參考手冊(cè). 北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司[DB/CD]. 2005.2.

[5]包建華. 基于MCGS組態(tài)軟件的機(jī)械手控制系統(tǒng)研制[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化, 2007. 36(5): 140-141.

[6]吳青萍. 基于MCGS軟件的機(jī)械手控制系統(tǒng)研制[J]. 液壓與氣動(dòng), 2010(10): 61-63.