基于WinCC機(jī)械手工作站系統(tǒng)設(shè)計*

王 京，李金義

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，北京 100176）

基于WinCC機(jī)械手工作站系統(tǒng)設(shè)計*

王 京，李金義

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，北京 100176）

文章介紹了基于WinCC機(jī)械手工作站系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計和實驗研究。該系統(tǒng)包括WinCC監(jiān)控、PLC和機(jī)械手三部分。在上位機(jī)的總控下，實現(xiàn)了PLC對直線氣缸、導(dǎo)向氣缸、扁平氣缸、氣抓手等組成的機(jī)械手的運動控制，開發(fā)了WinCC中對大批變量的快速組態(tài)方法，挖掘了少授權(quán)的以機(jī)械手工作站為核心的22個動作的WinCC監(jiān)控和交互經(jīng)驗。系統(tǒng)提高了生產(chǎn)線自動化的程度，提高了生產(chǎn)效率，為無人化生產(chǎn)線做出了探索。

WinCC；機(jī)械手；系統(tǒng)

0 引言

無人化是現(xiàn)代自動生產(chǎn)線的發(fā)展趨勢之一。WinCC系統(tǒng)可以監(jiān)控現(xiàn)場眾多設(shè)備的運行狀況，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、參數(shù)調(diào)節(jié)和各種信號的報警。機(jī)械手是自動化生產(chǎn)線上不可或缺的自動操作裝置，它能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具?；赪inCC機(jī)械手工作站為自動化生產(chǎn)線管理的自動化、迅速化、精準(zhǔn)化、高效化提供了可能［1-4］。

1 工作原理

WinCC機(jī)械手工作站系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)由WinCC監(jiān)控、PLC和機(jī)械手三部分組成。導(dǎo)向氣缸、直線氣缸、扁平氣缸、氣抓手組成能沿Y軸、X軸和Z軸移動的三自由度機(jī)械手，如圖2所示。機(jī)械手的運動由西門子S7-300（cpu314）PLC程序通過閥島控制。機(jī)械手的運動狀態(tài)由WinCC監(jiān)控。PLC通過PROFIBUS-DP向閥島傳遞指令，WinCC和PLC之間采用MPI方式通信［5-7］。

圖1 機(jī)械手工作站系統(tǒng)

圖2 機(jī)械手

機(jī)械手工作站的工作流程如圖3所示，包括上料、工位1、工位2和工位3。初始時，各氣缸處于初始位置，工位上均無工件，工件在上料托盤中處于被提取狀態(tài)。按下啟動按鈕后，擺動氣缸左擺，從上料平臺中吸取工件，右擺至工位1后放下工件，無桿氣缸右移將工件送至工位2，加工完成后，機(jī)械手順序完成動作7至動作22，將工件從工位搬運至工位3，并完成機(jī)械手的復(fù)位。

圖3 機(jī)械手工作站工作流程

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)元件選擇

本系統(tǒng)采用WinCC V7.0版本，該版本能最大限度地滿足操作簡便性，具有強(qiáng)大而靈活的過程可視化功能，能控制2048個外部變量，集成了SIMATIC LOGON等功能［8］。

系統(tǒng)氣動部分的最大允許壓力為6bar，電壓為24V DC、4.5A。選擇Festo公司的現(xiàn)場總線型閥島作為氣動控制元件。其結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝靈活、性能良好，使用一根四股屏蔽電纜就可以實現(xiàn)元件的連接，抗干擾能力請，數(shù)據(jù)傳輸可靠。氣缸型號及對應(yīng)的閥片如表1所示。

PROFIBUS-DP協(xié)議是為自動化制造工廠中分散的I/O設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備所需要的高速數(shù)據(jù)通信而設(shè)計的。DP的配置為主從結(jié)構(gòu)，DP主站與DP從站間的通信基于主-從原理，實現(xiàn)總線型閥島、輸入設(shè)備和上位機(jī)自由交換信息。

表1 氣缸型號及對應(yīng)的閥片

2.2 變量組態(tài)

在自動生產(chǎn)線上，機(jī)械手工作站只是3個工位、22個動作組成的單元，但WinCC系統(tǒng)中需要32個變量才能實現(xiàn)與現(xiàn)場的交互。這些變量逐一在變量管理器中定義，是需要花費大量人力和物力的，對于整個自動生產(chǎn)線來說變量的建立工作繁重程度就可想而知。

機(jī)械手的32個變量中有24個是PLC程序中的變量。在程序編寫中都會建立變量表、DB塊等，用于保存采集的過程值。利用西門子TIA（全集成自動化）理念，在WinCC項目中直接調(diào)用PLC S7中已經(jīng)建立的變量，從而大大提高工作效率。

（1）組態(tài)條件

WinCC項目直接調(diào)用S7變量的前提是將WinCC項目集成在STEP 7項目中。要實現(xiàn)集成功能，必須具備以下前提條件：計算機(jī)在安裝WinCC前就安裝了STEP 7；STEP 7與WinCC的版本必須兼容，避免因軟件的兼容性問題而導(dǎo)致WinCC運行不正常；安裝WinCC時，必須安裝與集成功能相關(guān)的組件（AS-OS Engineering）。

（2）集成項目

在STEP 7的SIMATIC管理器中，右擊項目名稱，選擇Insert New Object，新建OS（操作站），此時系統(tǒng)會在STEP 7項目文件夾里建立一個名為OS（*）的WinCC項目文件夾，右擊該文件夾進(jìn)行重命名，右擊項目名選擇Open Object，彈出WinCC項目管理器就可看到新建的WinCC項目。

（3）選擇變量

WinCC項目集成到STEP 7項目后，可以將STEP 7項目的符號表變量和DB塊變量一次性地傳送到集成的WinCC項目中，該WinCC項目可以直接調(diào)用這些符號表變量和DB塊變量。只有基本數(shù)據(jù)類型的變量才能被傳送，而字符串、數(shù)組、Date and Time等復(fù)雜數(shù)據(jù)類型的變量不能被傳送。

在STEP 7的SIMATIC管理器的左側(cè)窗口中單擊S7 Program（*），在右側(cè)窗口中雙擊Symbols，打開符號表窗口，右擊需要傳送的變量選擇Special Object Properties，選擇Operator Control and Monitoring…，選中Operator Control and Monitoring項，單擊OK按鈕，此時該變量前將顯示綠色小旗標(biāo)記。

使用＜Shift＞+鼠標(biāo)左鍵可以對符號表中成批變量進(jìn)行標(biāo)記操作，使用＜Ctrl＞+鼠標(biāo)左鍵可以選擇多個變量。變量標(biāo)記的去除，只能逐一進(jìn)行。符號表中有綠色小旗標(biāo)記的變量將在后續(xù)操作中被傳送到WinCC項目中。

（4）傳送變量

在STEP 7的SIMATIC管理器中右擊創(chuàng)建的WinCC項目，選擇Compile，打開Wizard：Compile OS窗口，確認(rèn)要編譯的項目后，按窗口導(dǎo)向選中Compression項，選中Overwrite parameter assignment of existing archive tags進(jìn)行相關(guān)編譯。編譯成功后，傳送的變量將自動出現(xiàn)在WinCC項目相應(yīng)的邏輯連接中，如圖4所示。

圖4 變量的邏輯連接

為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，傳送后的變量不能在WinCC項目中直接修改或刪除，必須在STEP 7項目中進(jìn)行修改并再次傳送。

（5）調(diào)用變量

在WinCC項目中調(diào)用STEP 7變量和WinCC項目中創(chuàng)建的變量的方法相同。在變量選擇窗口中選中對話框右上角的STEP 7 Symbol Server項。此時窗口中顯示可以選擇的變量。

2.3 動作監(jiān)控

在WinCC中可以通過指示燈來監(jiān)控生產(chǎn)線上的運行狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)流程執(zhí)行到達(dá)某個位置時，相應(yīng)的指示燈變色。能實時掌握生產(chǎn)線工作狀態(tài)，也便于故障的查找和快速清除。

如果采用變量來控制圖形對象顏色的方法，則每個指示燈要對應(yīng)一個二進(jìn)制變量，占一個WinCC Power Tags授權(quán)。采用“動態(tài)對話框”中的“位”數(shù)據(jù)功能，一個字節(jié)只占用WinCC Power Tags一個授權(quán)的前提下，代替8個二進(jìn)制的變量，從而控制8個指示燈的顯示。

在通訊連接中創(chuàng)建Unsigned 32-bit value的變量step，地址為MD5，在動作指示燈屬性設(shè)置中制定對應(yīng)位，如圖5所示。

圖5 指示燈對應(yīng)位設(shè)置

22個動作指示燈的對應(yīng)位如表2所示。

在每個動作的程序中添加燈的置位和復(fù)位語句，如圖6所示，實現(xiàn)動作執(zhí)行的同時，動作狀態(tài)顯示在WinCC中。

圖6 動作程序

運行WinCC畫面、PLC程序及PLCSIM，實現(xiàn)仿真運行，如圖7所示。通過仿真后即可和系統(tǒng)連接，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

圖7 機(jī)械手工作站仿真系統(tǒng)

表2 指示燈對應(yīng)位

3 結(jié)束語

采用WinCC監(jiān)控的機(jī)械手工作站性能穩(wěn)定，運行良好。采用直接調(diào)用STEP 7變量的方法使得系統(tǒng)建立的時間成本大大降低，為大型生產(chǎn)線自動的自動監(jiān)控系統(tǒng)的創(chuàng)建提供了案例。機(jī)械手動作狀態(tài)顯示明顯、實時效果好，大大提高了發(fā)現(xiàn)故障、解決故障的效率，增強(qiáng)了自動化生產(chǎn)線的產(chǎn)能，降低了成本，收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］呂世霞，王京.閥島技術(shù)在生產(chǎn)線自動供料系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動化，2010（9）：170-175.

［2］李永剛，馬春燕.基于S7-300 PLC和WinCC帶式輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計［J］.煤礦機(jī)械，2012（2）：214-215.

［3］王宏文，蔣君杰，吳玲玲，等.WinCC監(jiān)控系統(tǒng)在燒結(jié)過程中的應(yīng)用［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，40（1）：1-4.

［4］陳瑞陽.工業(yè)自動化技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［5］蔣少茵.PLC控制的機(jī)械手［J］.微機(jī)算計，2012（2）：20-22.

［6］趙美寧，王佳.自動供料機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.液壓與氣動，2007（9）：57-60.

［7］宋佐時，易建強(qiáng)，趙冬斌.移動機(jī)械手控制研究進(jìn)展［J］.機(jī)器人，2003（9）：465-469.

［8］李軍.WinCC組態(tài)技巧與技術(shù)問答［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

（編輯 李秀敏）

Design of ManiPulator Workstation System Based on WinCC

WANG Jing，LI Jin-yi
（College of Automotive Engineering，Beijing Polytechnic，Beijing 100176，China）

The manipulator workstation system based on WinCC consisted of WinCC monitor，PLC and Manipulator.By the control of the main processor，it has realized the control of movement for Linear Cylinder，Guiding Cylinder，F(xiàn)lat Cylinder and Pneumatic Manipulator，it has developed the method of quick configuration for multitudinous variables in WinCC，and it has explored the 22 movements WinCC monitoring and interactive experiences centering on manipulator workstation system with a little of authorization.The system will raise the automatic level of the production line and improve the production efficiency，contributing positive exploration in unmanned production line.

WinCC；manipulator；system

TH166；TG506

A

1001-2265（2015）03-0090-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.03.024

2014-10-18；

2014-11-25

2014年北京市職業(yè)院校教師素質(zhì)提高工程職教名師培養(yǎng)計劃（PXM2014_014306_000054）；2014年度北京高等學(xué)校教育教學(xué)改革立項項目（探索翻轉(zhuǎn)學(xué)期式教學(xué)，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，校企共育高端汽車技術(shù)技能帶頭人）

王京（1975—），女，北京人，北京電子科技職業(yè)學(xué)院副教授，碩士，研究方向為汽車制造，（E-mail）15910542311@126.com。