工控技術(shù)在機械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用與分析

賈繼鵬，趙芳琴

（西寧城市職業(yè)技術(shù)學院，青海西寧 810016）

0 引言

目前，隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，自動化技術(shù)的不斷普及，PLC 控制技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、觸摸屏技術(shù)，包括步進電機、伺服電機等在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛[1]。尤其在工廠生產(chǎn)過程的自動化領(lǐng)域，各大生產(chǎn)企業(yè)通過不斷開展技術(shù)升級改造，提高工廠自動化程度，提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率，通過技術(shù)改進和科技創(chuàng)新提升公司的核心競爭力，從而擴大公司產(chǎn)品在市場的占有率。因此，工控技術(shù)的大力發(fā)展而帶來的技術(shù)進步一定會極大地促進自動化領(lǐng)域的快速發(fā)展，帶來社會經(jīng)濟效益的提升[2]。

1 工程項目實例

某企業(yè)在采用自動化設(shè)備開展產(chǎn)品生產(chǎn)，在其自動化生產(chǎn)線中，其中基礎(chǔ)環(huán)節(jié)為搬運環(huán)節(jié)，機械手需要將工件從A 處搬運到B 處，然后通過傳送帶將工件運輸出去。工業(yè)機械手的全部動作由氣缸驅(qū)動，氣缸由對應(yīng)的電磁閥來控制。其中，上升/下降、伸出/收縮和放松/加緊由一個線圈兩個位置的電磁閥來控制。原點為左上方能到達的極限位置，原點處機械手屬于放松態(tài)。工作過程：按下啟動按鈕→機械手下降到A 處→抓緊工件→上升頂端→伸出到右端→下降到B 處→釋放工件→機械手上升到頂端→橫向縮回原點，依次循環(huán)（圖1）。中途如果按下急停按鈕，則當次循環(huán)完成后返回原點后停止。本文將以步進順控指令為例，對機械手的控制開展設(shè)計思路和調(diào)試的介紹。

圖1 工業(yè)機械手工作原理

2 控制電路硬件設(shè)計

在采用PLC 對設(shè)備進行控制時，通常具有一套相對固定的工作過程：①應(yīng)該對控制項目開展功能和要求的分析，厘清項目工作思路；②應(yīng)該根據(jù)項目的功能和要求，以表格的形式列出項目需要用到的PLC 輸入、輸出元器件及I/O地址分配表；③設(shè)計主電路和控制電路，完成對項目的硬件電路的準確搭建；④根據(jù)項目控制要求和功能，構(gòu)思程序編制的思路，在GX 軟件中編寫PLC 程序，并調(diào)試無誤；⑤將實現(xiàn)完整功能要求的程序下載到PLC 控制器中，并按照安全規(guī)范實施設(shè)備的單機調(diào)試和聯(lián)合調(diào)試。

2.1 PLC 的I/O 地址分配

在本控制系統(tǒng)中，采用了三菱FX3U48MR 型的PLC 控制器，共計接入8 個輸入信號6 個輸出信號，其中有2 個開關(guān)按鈕（SB1～SB2）和6 個限位檢測開關(guān)（SQ1～SQ6），見表1。作為PLC的控制對象，輸出控制元件主要為氣缸，如升降氣缸、伸出/縮回氣缸、抓緊/釋放氣缸等，分別為Y1～Y6。

表1 機械手控制系統(tǒng)I/O 地址分配

2.2 機械手硬件電路接線設(shè)計（圖2、圖3）

圖2 機械手控制系統(tǒng)硬件接線

3 步進順控與軟件程序設(shè)計

3.1 步進順控指令介紹

在PLC 技術(shù)中，通?？梢杂貌竭M順序控制指令來對設(shè)備進行控制，可以將復雜的問題簡單化、流程化，從而方便快捷的實現(xiàn)控制要求。順序控制就是按照預(yù)先規(guī)定的順序，對設(shè)備進行有序的操作。它將系統(tǒng)的一個工作過程分為若干個順序相連的階段，每個階段稱為步或工步（狀態(tài)）。

步進順控主要有步進開始指令STL 和步進結(jié)束指令RET。STL 表示激活某個狀態(tài)，RET 則是表示流程結(jié)束，返回左母線。二者的操作對象為S0～S899 的狀態(tài)繼電器，一般地，步進程序由初始狀態(tài)（S0）、普通狀態(tài)（S20 等）和狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件組成，當狀態(tài)轉(zhuǎn)移的條件滿足時，程序?qū)霎斍敖Y(jié)果，執(zhí)行下一狀態(tài)程序[3]。具體應(yīng)用如下列SFC 編制和程序設(shè)計敘述。

3.2 程序編寫思路

在程序的編寫之前，首先要開展狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（SFC）的編寫，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖其實就是對項目具體工作過程的圖形化表示，它以一定的規(guī)律將項目的功能和要求完整清晰地表示出來。根據(jù)機械手工程實例的運行流程，分析出基于每一工步的狀態(tài)結(jié)果，構(gòu)建好機械手控制系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（圖3），隨后將步進SFC 轉(zhuǎn)化為步進梯形圖，最后轉(zhuǎn)化為梯形圖，可以得到基于步進順控指令的機械手控制程序，關(guān)鍵程序段如下：

圖3 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（SFC）

（1）起始程序設(shè)計：機械手左上方，當升降氣缸上限位檢測開關(guān)SQ1（X2）接通、伸縮氣缸左限位檢測開關(guān)SQ4（X4）接通時，可以確定氣缸就在原始位置，可以讓其在掃描周期內(nèi)接通并進入S0 初始狀態(tài)，程序編制如圖4 所示。

圖4 機械手啟動前的初始狀態(tài)程序設(shè)計

（2）中間過程程序設(shè)計：工步執(zhí)行的第一段程序，即按下啟動按鈕，程序進入S20 狀態(tài)，后激活S20，完成氣缸（機械手）的下降動作。隨后，當機械手到達下限位，碰觸到下限位開關(guān)X3，則會啟動S22 狀態(tài)，實現(xiàn)對工件的抓緊動作，程序編制如圖5 所示。

圖5 氣缸（機械手）下降

（3）結(jié)束程序處理：步進程序結(jié)束時，要用RET 作為步進程序執(zhí)行完畢的標志，在本程序設(shè)計時一方面要考慮在程序結(jié)束時不能立即停止機械手運行，應(yīng)該讓其完成正在執(zhí)行的過程，然后回到工作原點狀態(tài)（圖6）。

4 工程調(diào)試與結(jié)果分析

在GX Works2 軟件中寫入PLC 程序，然后開啟在線模擬監(jiān)視模式，若發(fā)現(xiàn)PLC 程序有錯誤，則退出監(jiān)視模式，在編輯模式下面完成程序修改，重新寫入并運行。

經(jīng)檢驗硬件電路沒有問題且無安全隱患之后，就可以給整個系統(tǒng)通電，測試并開展帶載單步調(diào)試，觀察系統(tǒng)在單步調(diào)試模式下能否符合控制要求。如果出現(xiàn)故障，應(yīng)獨立檢修；如果無故障，則可以開展機械手控制系統(tǒng)整體調(diào)試。

5 結(jié)束語

步進順控指令在機械手控制的工程案例的應(yīng)用中十分方便，編程思路簡單、清晰，能夠有效的為工程技術(shù)人員節(jié)約時間，實現(xiàn)對自動化設(shè)備的快速設(shè)計、快速檢修。在工廠生產(chǎn)實際，機械手控制系統(tǒng)還可配套采用觸摸屏技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)[4]，在人機對話和執(zhí)行效率上更加人性化、方便化，利于工業(yè)自動化系統(tǒng)的優(yōu)化和升級，在機械手控制的基礎(chǔ)上，利用先進技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)的互聯(lián)互通，實現(xiàn)云端工廠[5]。