基于MCGS組態(tài)軟件對(duì)機(jī)械手的控制

彭小平，凌雙明

(1.長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410124;2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

MCGS(Monitor and Control Generated System，通用監(jiān)控系統(tǒng))是一套能夠快速開發(fā)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，它基于Microsoft平臺(tái)運(yùn)行，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問(wèn)題的方案，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)開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)更具有通用性，組態(tài)技術(shù)在數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通訊和圖形界面等方面給監(jiān)控系統(tǒng)提供了有力的支持，在自動(dòng)化領(lǐng)域有著更廣泛的應(yīng)用［1］。機(jī)械手是一種模擬人手的部分動(dòng)作，按給定的程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)和操作的自動(dòng)化裝置。它可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率及自動(dòng)化水平，同時(shí)可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。本文對(duì)機(jī)械手控制系統(tǒng)的工作方式、設(shè)計(jì)要點(diǎn)及MCGS組態(tài)控制進(jìn)行了介紹。

1 控制要求

機(jī)械手的工作是將工件從A點(diǎn)移到B點(diǎn)，經(jīng)過(guò)上升、下降、左移、右移、夾緊及松開幾個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)，它具有手動(dòng)、自動(dòng)、單步、單周期、回原點(diǎn)五種工作方式，操作人員可以根據(jù)實(shí)際不同的需要來(lái)選擇不同的工作。

1.1 系統(tǒng)控制工作方式設(shè)計(jì)

機(jī)械手工作原點(diǎn)在左上方，工作過(guò)程按下降→夾緊→上升→右移→下降→松開→上升→左移→回原點(diǎn)，完成這個(gè)工作循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)把工件從A點(diǎn)移送到B點(diǎn)的目的。［2］本系統(tǒng)要求機(jī)械手具有手動(dòng)、回原點(diǎn)、自動(dòng)、單步運(yùn)行、單周期運(yùn)行五種工作方式。

(1)手動(dòng)方式:用各自的按鈕使各個(gè)負(fù)載單獨(dú)接通或斷開。

(2)回原點(diǎn):按下相應(yīng)的按鈕，機(jī)械手自動(dòng)回到原點(diǎn)。

(3)單步運(yùn)行:按動(dòng)一次啟動(dòng)按鈕，前進(jìn)一個(gè)工步。此種工作方式適用于系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試或調(diào)整過(guò)程中。

(4)單周期運(yùn)行:在原點(diǎn)位置按啟動(dòng)按鈕，自動(dòng)運(yùn)行一個(gè)工作周期后再在原點(diǎn)停止。若在中途按動(dòng)停止按鈕，則停止運(yùn)行;再按啟動(dòng)按鈕，從斷點(diǎn)處繼續(xù)運(yùn)行，回到原點(diǎn)處自動(dòng)停止。

(5)自動(dòng)方式(連續(xù)運(yùn)行):在原點(diǎn)位置按動(dòng)啟動(dòng)按鈕，連續(xù)反復(fù)運(yùn)行。若中途按動(dòng)停止按鈕，運(yùn)行到原點(diǎn)后停止［3］。

1.2 機(jī)械手動(dòng)作過(guò)程分析

機(jī)械手動(dòng)作示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程示意圖

其全部動(dòng)作由汽缸驅(qū)動(dòng)，而汽缸又由相應(yīng)的電磁閥和繼電器控制。其中從原點(diǎn)開始按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，下降繼電器線圈通電，機(jī)械手開始下降。下降到底時(shí)，碰到下限位開關(guān)，下降繼電器線圈斷電，下降停止;同時(shí)接通夾緊電磁閥，機(jī)械手夾緊，夾緊后，上升繼電器線圈開始通電，機(jī)械手上升;上升到頂時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升繼電器線圈斷電，上升停止;同時(shí)接通右移繼電器，機(jī)械手右移，右移到位時(shí)，碰到右移極限位開關(guān)，右移繼電器線圈斷電，右移停止。此時(shí)，右工作臺(tái)上無(wú)工作，則光電開關(guān)接通，下降繼電器線圈接通，機(jī)械手下降。下降到底時(shí)碰到下限位開關(guān)下降繼電器線圈斷電，下降停止;同時(shí)夾緊電磁閥斷電，機(jī)械手放松，放松后，上升繼電器線圈通電，機(jī)械手上升，上升到極限時(shí)碰到極限位開關(guān)，上升繼電器斷電，上升停止;同時(shí)接通左移繼電器，機(jī)械手左移;左移到原點(diǎn)時(shí)，碰到左極限開關(guān)，左移繼電器線圈斷電，左移停止。至此，機(jī)械手經(jīng)過(guò)八步動(dòng)作完成一個(gè)循環(huán)。

2 PLC選型及控制面板設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求PLC的I/O分配需要18個(gè)輸入和5個(gè)輸出［4］，輸入用于控制面板的控制信號(hào)的輸入如按鈕的輸入、機(jī)械手工作方式的選擇，輸入還用于機(jī)械手限位開關(guān)的信號(hào)的檢測(cè)。PLC輸出用于控制機(jī)械手的下降、上升、左移、右移、夾緊、松開(夾緊、松開用1個(gè)輸出)。為了保證一定的I/0余量以便控制系統(tǒng)以后的升級(jí)和維護(hù)，選用了三菱FX系列PLC中的FX2－48 MR作為控制器，根據(jù)控制要求控制面板示意圖如圖2所示。

圖2 機(jī)械手操作面板示意圖

3 MCGS組態(tài)設(shè)計(jì)

3.1 MCGS組態(tài)工程的建立

運(yùn)行組態(tài)環(huán)境，在菜單/文件中選擇/新建工程，選擇存放路徑，定義新工程名。在主控窗口中新建一個(gè)窗口，并設(shè)置好窗口屬性。

3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是MCGS的核心，是系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的中樞，系統(tǒng)其他部分都要調(diào)用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各個(gè)部分協(xié)調(diào)動(dòng)作。設(shè)備窗口通過(guò)設(shè)備構(gòu)件驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，將采集的數(shù)據(jù)輸入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù);由用戶窗口圖像組態(tài)也要與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)對(duì)象建立聯(lián)系，還可以動(dòng)畫形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視性;運(yùn)行策略對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和處理。建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的組態(tài)過(guò)程也就是定義數(shù)據(jù)變量的過(guò)程。定義數(shù)據(jù)變量的內(nèi)容主要包括:指定數(shù)據(jù)變量名稱、類型、初始值和數(shù)值范圍，確定與數(shù)據(jù)變量存盤相關(guān)的參數(shù)。數(shù)據(jù)對(duì)象有開關(guān)型、數(shù)值型、字符型、事件型和組對(duì)象等5種類型。針對(duì)本系統(tǒng)需求在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)窗口中建立所需的數(shù)據(jù)變量如圖3所示。定義數(shù)據(jù)變量類型并建立其與設(shè)備的連接。

圖3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)

3.3 設(shè)備組態(tài)

設(shè)備窗口也是MCGS系統(tǒng)的重要組成部分，其負(fù)責(zé)建立系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備的連接，使得MCGS系統(tǒng)能從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并控制機(jī)械手工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在本MCGS系統(tǒng)設(shè)備窗口中點(diǎn)擊設(shè)備組態(tài)，在設(shè)備工具箱中打開“通用設(shè)備”，選擇“串口通信父設(shè)備”進(jìn)入到設(shè)備組態(tài)窗口中，再打開“PLC設(shè)備”，選中三菱FX－232作為子設(shè)備，并對(duì)通信父設(shè)備屬性行設(shè)置，設(shè)置波特率為9600bps、數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度為7、停止位長(zhǎng)度為1、偶校驗(yàn)、通訊口為COM1，采樣周期為100ms。將組態(tài)軟件中的變量與外部PLC設(shè)備的端子進(jìn)行連接，PLC的輸入輸出繼電器狀態(tài)的變化直接反映到組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)變量的變化，從而監(jiān)控機(jī)械手的狀態(tài)。［5］

3.4 監(jiān)控畫面及動(dòng)畫連接

用戶窗口中可以放置三種不同類型的圖形對(duì)象:圖元、圖符和動(dòng)畫構(gòu)件。圖元和圖符對(duì)象為用戶提供了一套完善的設(shè)計(jì)制作圖形畫面和定義動(dòng)畫的方法，在用戶窗口中對(duì)機(jī)械手界面進(jìn)行設(shè)計(jì)及動(dòng)畫組態(tài)，將用戶窗口內(nèi)創(chuàng)建的圖形對(duì)象與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中定義的數(shù)據(jù)對(duì)象，建立起對(duì)應(yīng)的關(guān)系。最終在MCGS運(yùn)行環(huán)境中運(yùn)行的效果如圖4所示，機(jī)械手的畫面盡量美觀與實(shí)際的機(jī)械手貼近，監(jiān)控畫面快速準(zhǔn)確的反映機(jī)械手的工作狀況，對(duì)機(jī)械手運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的故障和異常情況能夠及時(shí)報(bào)警，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)械手實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)也可以通過(guò)上位機(jī)的監(jiān)控畫面對(duì)機(jī)械手進(jìn)行操作、編程控制機(jī)械手的工作方式及運(yùn)行狀態(tài)。

3.5 運(yùn)行策略腳本程序設(shè)計(jì)

MCGS組態(tài)軟件的循環(huán)策略是機(jī)械手MCGS控制系統(tǒng)的控制方式及工作過(guò)程的體現(xiàn)。通過(guò)編寫腳本程序，腳本程序的編程語(yǔ)法類似Basic編程語(yǔ)言，但使用更簡(jiǎn)單方便，使用腳本程序來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的多種工作方式的控制，大大提高機(jī)械手的工作效率，優(yōu)化控制過(guò)程，便于監(jiān)控和修改控制策略。MCGS腳本程序語(yǔ)法比較簡(jiǎn)單，語(yǔ)句基本上為:賦值語(yǔ)句、條件語(yǔ)句、退出語(yǔ)句和注釋語(yǔ)句，及循環(huán)語(yǔ)句。本系統(tǒng)中的三種工作方式:回原點(diǎn)、自動(dòng)模式、單周期的腳本程序如圖5所示，通過(guò)“IF”語(yǔ)句就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的動(dòng)畫監(jiān)控策略的組態(tài)?！癐F”語(yǔ)句的表達(dá)式一般為邏輯表達(dá)式，也可以是值為數(shù)值型的表達(dá)式，當(dāng)表達(dá)式的值為非0時(shí)，條件成立，AND語(yǔ)句為并且的意思，多個(gè)表達(dá)式都為真就執(zhí)行“Then”后的語(yǔ)句，否則，條件不為真，將不執(zhí)行該條件塊中包含的語(yǔ)句，開始執(zhí)行該條件塊后面的語(yǔ)句，其中的變量可以用中文語(yǔ)句，非工程人員都容易理解。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)在于用MCGS組態(tài)技術(shù)在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)揮了其配置靈活、開發(fā)周期短、通用性強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單易讀，系統(tǒng)更易升級(jí)改造等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)交互性好，對(duì)機(jī)械手運(yùn)行情況能進(jìn)行有效、實(shí)時(shí)、便捷的監(jiān)控，可以提高生產(chǎn)的安全性和高效性，對(duì)在工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控有一定的借鑒意義。

［1］北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司.MCGS組態(tài)軟件培訓(xùn)教程［Z］.北京:MCGS公司，2005.

［2］范小蘭，趙春鋒.基于PLC的機(jī)械手控制在MCGS中的實(shí)現(xiàn)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2012，(9).

［3］彭小平.電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［4］王蘭英.MCGS組態(tài)軟件在PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2012，(11).

［5］北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司.全中文工控組態(tài)軟件 MCGS用戶指南［Z］.北京:MCGS公司，2003.