基于PLC和WinCC的機(jī)械手與傳送帶控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許 伍，郎 朗

（安徽工程大學(xué) 安徽省電氣傳動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000）

隨著經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)規(guī)模的高速發(fā)展，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈.目前，為了提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，許多工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛使用了傳送帶，而具有PLC控制的全自動(dòng)機(jī)械手與傳送帶系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域更是不斷擴(kuò)大.在工業(yè)自動(dòng)化控制中應(yīng)用機(jī)械手傳送帶控制系統(tǒng)，可以代替人在一些有害、高溫等惡劣環(huán)境中的工作，完成繁瑣、單調(diào)的勞動(dòng)，節(jié)約勞動(dòng)力的同時(shí)，提高了生產(chǎn)率.

本文利用可編程控制器（PLC）所具有的可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合WinCC組態(tài)軟件界面友好的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了機(jī)械手與傳送帶控制系統(tǒng).系統(tǒng)控制器選用西門(mén)子S7－300系列PLC，上位機(jī)監(jiān)控采用西門(mén)子WinCC組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證取得了較好效果.

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在機(jī)械手與傳送帶的控制系統(tǒng)中，PLC控制傳送帶電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制傳送帶的運(yùn)轉(zhuǎn)速度.PLC同時(shí)對(duì)機(jī)械手的運(yùn)行進(jìn)行控制，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)兩種方式.自動(dòng)工作方式是系統(tǒng)PLC根據(jù)傳感器的信號(hào)，自動(dòng)控制系統(tǒng)各部分工作，即決定傳送帶運(yùn)行速度、啟動(dòng)停止、機(jī)械手的抓取移動(dòng)等動(dòng)作.在系統(tǒng)需要時(shí)，可選用手動(dòng)工作方式，手動(dòng)控制整個(gè)系統(tǒng)各部動(dòng)作.

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

機(jī)械手與傳送帶控制系統(tǒng)主要包括PLC控制器、光電傳感器、霍爾傳感器、機(jī)械手電磁閥、上位機(jī)、傳送帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路等.系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

系統(tǒng)輸入設(shè)備：機(jī)械手傳送帶系統(tǒng)的輸入共有27個(gè)，包括動(dòng)作方案的選擇按鈕，啟動(dòng)、停止按鈕，機(jī)械手的限位傳感器的信號(hào)輸入，還有1號(hào)、2號(hào)傳送帶的正反轉(zhuǎn)的減速、停止傳感器的信號(hào)輸入以及手動(dòng)程序需要的選擇按鈕輸入.

系統(tǒng)輸出設(shè)備：系統(tǒng)的輸出共有13個(gè)，包括機(jī)械手運(yùn)作的上升電磁閥、下降電磁閥、手的夾緊/放松電磁閥、機(jī)械手的左行、右行電磁閥共5個(gè)，還有連接1號(hào)、2號(hào)變頻器的各4個(gè)輸出口，分別是正轉(zhuǎn)/停止，反轉(zhuǎn)/停止，高速、低速運(yùn)行，共8個(gè).

系統(tǒng)選用的PLC是西門(mén)子S7－300系列，系統(tǒng)共需要27點(diǎn)輸入量和13點(diǎn)輸出量，而S7－300系列PLC滿足要求.PLC的輸入和輸出地址分配如表1、表2所示.

2 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

WinCC是一套完備的組態(tài)開(kāi)發(fā)環(huán)境，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能強(qiáng)大、實(shí)用，可以與SIMATIC產(chǎn)品無(wú)縫連接，其界面友好，可以實(shí)現(xiàn)控制界面的設(shè)計(jì)、硬件組態(tài)、變量管理、標(biāo)簽歸檔、報(bào)警歸檔與打印歸檔等功能.上位機(jī)以組態(tài)軟件WinCC為開(kāi)發(fā)平臺(tái)模擬機(jī)械手與傳送帶的工作流程，實(shí)現(xiàn)以良好的人機(jī)交互界面對(duì)機(jī)械手動(dòng)作實(shí)時(shí)有效控制的目標(biāo)［2］.

表1 PLC輸入地址分配

表2 PLC輸出地址分配

在WinCC中組態(tài)機(jī)械手與傳送帶項(xiàng)目，為單用戶(hù)項(xiàng)目在項(xiàng)目建立后生成的項(xiàng)目文件夾中，文件和樣板數(shù)據(jù)庫(kù)用于項(xiàng)目的內(nèi)部，包括組態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、報(bào)警和信息、變量記錄檔案庫(kù)和用戶(hù)檔案庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)，這些檔案庫(kù)的樣板將存在組態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中，但實(shí)際存檔的數(shù)據(jù)將存在運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)中［3］.

2.1 組態(tài)系統(tǒng)與外部設(shè)備通信

機(jī)械手與傳送帶控制系統(tǒng)一般在控制現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)中的分布會(huì)比較分散，范圍會(huì)比較大.為了降低生產(chǎn)成本，減少電纜與管線的數(shù)量，系統(tǒng)采用分散的控制方式，PLC與上位機(jī)的通信是通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)的形式實(shí)現(xiàn).工業(yè)以太網(wǎng)是一種在工業(yè)環(huán)境中非常有效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它通常被應(yīng)用于管理層同現(xiàn)場(chǎng)層的通信，具有高可靠性、使用范圍廣且速度快、可擴(kuò)展和開(kāi)放型等優(yōu)勢(shì).

圖2 加入?yún)f(xié)議集

系統(tǒng)選取的更新周期為250ms，有助于提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性.在WinCC的“變量管理”中添加新驅(qū)動(dòng)器，系統(tǒng)將SIMATIC S7Protocol Suite（SIMATIC S7協(xié)議集）加入到項(xiàng)目中，如圖2所示.驅(qū)動(dòng)器加入成功后，在這套協(xié)議中會(huì)有多種協(xié)議與PLC相連接，系統(tǒng)將選擇TCP/IP協(xié)議并將其加入到項(xiàng)目中.

連接屬性通過(guò)“新驅(qū)動(dòng)程序的連接（N）…”進(jìn)行訪問(wèn)，建立機(jī)械手與傳送帶項(xiàng)目與PLC接口系統(tǒng)所需的邏輯連接參數(shù)，生成連接，成功連接的結(jié)果就是握手.產(chǎn)生新的變量標(biāo)簽和標(biāo)簽組，對(duì)內(nèi)部變量與過(guò)程變量（外部變量）進(jìn)行設(shè)置.上位機(jī)工程項(xiàng)目通過(guò)訪問(wèn)S7－300中的過(guò)程變量而獲取工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種所需的數(shù)據(jù)，同時(shí)發(fā)出的控制要求也是通過(guò)過(guò)程變量實(shí)現(xiàn)傳遞的.同時(shí)在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行連接狀態(tài)的檢查，確定工程與PLC之間建立有效的連接.

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)主界面的設(shè)計(jì)

SIMATIC WinCC可以提供良好的人機(jī)交互的控制界面，并且具有功能強(qiáng)大的圖形設(shè)計(jì)器［4］.監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行主控界面如圖3所示.機(jī)械手的動(dòng)作有3組：進(jìn)/退、升/降、開(kāi)/合，3組狀態(tài)按照排列組合共有8個(gè)狀態(tài).在畫(huà)面組態(tài)上，畫(huà)了兩組機(jī)械手，分別在前位和后位，當(dāng)機(jī)械手在前位時(shí)，后面的畫(huà)面不顯示；當(dāng)機(jī)械手在后位時(shí)，前面的畫(huà)面不顯示；機(jī)械手的張合也是通過(guò)兩個(gè)畫(huà)面分別顯示的方式實(shí)現(xiàn).機(jī)械手進(jìn)退變量設(shè)置如圖4所示.

圖3 系統(tǒng)的主控界面

2.3 過(guò)程值歸檔

過(guò)程值的歸檔是為了對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳送帶的傳送速度、傳送物件的種類(lèi)和數(shù)量等過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和歸檔.系統(tǒng)中，采集與處理機(jī)械手與傳送帶過(guò)程值并存儲(chǔ)在歸檔數(shù)據(jù)庫(kù)中，還可以以表格或趨勢(shì)的形式輸出當(dāng)前過(guò)程值或已歸檔過(guò)程值.在項(xiàng)目管理器的“變量記錄”中進(jìn)行“定時(shí)器”的設(shè)置，系統(tǒng)一般提供5個(gè)默認(rèn)定時(shí)器：500ms、1s、1min、1h、1d.創(chuàng)建機(jī)械手傳送帶項(xiàng)目歸檔，并在已組態(tài)的歸檔中添加系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需變量.創(chuàng)建輸出過(guò)程值歸檔，組態(tài)的圖形窗口如圖5所示.

2.4 系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警實(shí)現(xiàn)

報(bào)警記錄編輯器實(shí)現(xiàn)了組態(tài)系統(tǒng)的報(bào)警記錄功能.在機(jī)械手傳送帶系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行故障、傳送物件位置偏移等故障時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)報(bào)警.報(bào)警記錄要顯示、定義機(jī)械手與傳送帶系統(tǒng)的報(bào)警內(nèi)容、報(bào)警種類(lèi)和報(bào)警時(shí)間.使用報(bào)警記錄的組態(tài)系統(tǒng)可以對(duì)機(jī)械手與傳送帶報(bào)警消息進(jìn)行組態(tài)，使其以期望的形式在運(yùn)行中顯示.報(bào)警紀(jì)錄的運(yùn)行系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能是監(jiān)控項(xiàng)目過(guò)程值、報(bào)警確認(rèn)的管理及報(bào)警輸出的控制.

機(jī)械手與傳送帶組態(tài)報(bào)警的步驟在“報(bào)警記錄”中，通過(guò)報(bào)警向?qū)瓿蓹C(jī)械手與傳送帶系統(tǒng)的“帶有報(bào)警，故障和警告的類(lèi)別錯(cuò)誤”的報(bào)警設(shè)置.組態(tài)的報(bào)警消息以及消息文本、顏色設(shè)置如圖6所示.

WinCC Alarm Control即顯示消息事件的消息視圖.通過(guò)使用報(bào)警控件，在組態(tài)機(jī)械手傳送帶時(shí)就可獲得高度的靈活性.而項(xiàng)目要顯示的消息視圖、消息行和消息塊均可在圖形編輯器中進(jìn)行組態(tài).當(dāng)運(yùn)行系統(tǒng)時(shí)，機(jī)械手報(bào)警事件將以表格的形式顯示在畫(huà)面中.

圖4 機(jī)械手進(jìn)退變量設(shè)置圖

圖5 機(jī)械手歸檔變量

圖6 組態(tài)報(bào)警類(lèi)型設(shè)置

2.5 歸檔數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

機(jī)械手與傳送帶的歸檔包含過(guò)程值歸檔與消息歸檔.在 WinCC V6.0的集成數(shù)據(jù)庫(kù)中采用了MS SQL Server 2000建立歸檔數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)變量歸檔和系統(tǒng)報(bào)警歸檔.系統(tǒng)變量歸檔在運(yùn)行狀態(tài)下有兩種類(lèi)型：快速、慢速歸檔.系統(tǒng)的報(bào)警歸檔分為長(zhǎng)期、短期歸檔.長(zhǎng)期歸檔同變量歸檔一樣是把數(shù)據(jù)拆分為片段.短期歸檔是將其儲(chǔ)存在內(nèi)存中，同時(shí)也備份在硬盤(pán)上.如果電源突然斷電，在電源恢復(fù)之后，備份數(shù)據(jù)將會(huì)被重新加載在內(nèi)存中.為了使管理人員對(duì)機(jī)械手與傳送帶歸檔數(shù)據(jù)查閱方便，可以在打開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)管理器直接查閱機(jī)械手與傳送帶的歸檔數(shù)據(jù).

3 結(jié)束語(yǔ)

PLC和WinCC組成的系統(tǒng)具有高可靠、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn).本文利用WinCC設(shè)計(jì)上位機(jī)與以PLC為控制器的下位機(jī)設(shè)計(jì)的機(jī)械手與傳送帶控制系統(tǒng)具有可行性，且能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控和控制一體化.上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)PLC之間的通信采用工業(yè)以太網(wǎng)，具有可靠性高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，可充分滿足現(xiàn)場(chǎng)的通信要求.系統(tǒng)建立的過(guò)程值歸檔可降低風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)對(duì)錯(cuò)誤狀態(tài)進(jìn)行早期檢查，從而提高生產(chǎn)力水平和產(chǎn)品的質(zhì)量，優(yōu)化維護(hù)周期等.系統(tǒng)同時(shí)建立歸檔數(shù)據(jù)庫(kù)，方便管理人員對(duì)機(jī)械手與傳送帶系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱.

［1］ 楊光，唐世，孟慶斌.基于三菱PLC控制傳送帶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.控制工程，2009（16）：20－21，69.

［2］ 張曉杰，劉海昌.基于 WinCC的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2007（4）：53－55.

［3］ 劉華波，王雪，何文雪，等.組態(tài)軟件 WinCC及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［4］ 朱勇，葉華，劉成良.使用 WinCC在機(jī)電一體化系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)過(guò)程監(jiān)控［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2004（6）：19－20，25.

［5］ 安徽工程大學(xué).傳送帶控制裝置：中國(guó)，201320172727.9［P］.2013－03－28.

［6］ 西門(mén)子（中國(guó)）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán).深入淺出西門(mén)子S7－300PLC［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.