基于PLC的机械手多功能控制及组态设计.docx
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基于PLC的机械手多功能控制及组态设计
摘要
机械手是在生产过程中采用机电结合来模拟人手动作的机械设备，它可以代替人手搬运笨重物体或在高温、有毒、高粉尘、易燃易爆、单调和放射性等恶劣的环境下工作。
传统的继电器控制，因机械触点多，接线复杂，因而控制装置体积较大，并且故障率高，可靠性差，动作精度低。
单片机系统由于所需驱动电流较大因而必须设计功率接口电路，还要进行抗干扰及其可靠性的设计。
PLC作为一种新型的工业控制器，其通用性和扩展性好、运用丰富，并且它的体积小、安装灵活、可靠性高、抗干扰能力强易于实现机电一体化且非常适合在环境条件较恶劣下使用。
本设计中采用PLC对机械手控制，从而实现机械手的动作。
利用组态软件MCGS设计机械手模型控制系统监控界面，提供了较为直观、清晰、准确的机械手运行状态。
关键词：
机械手PLC多功能组态监控
引言
在工业自动化生产工程中，机械手是工业控制下的常用设备，在机床或者自动化生产流水线上，常常需用机械手完成工件的取放。
对机械手的控制主要是位置的识别、方向控制、物料到位判断。
随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，PLC在工业控制领域内得到十分广泛地应用。
从单机自动化到整条生产线的自动化，乃至整个工厂的生产自动化；从柔性制造系统、工业机器人到分散式网络化控制系统，PLC都承担着及其重要的角色。
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可以编制程序的存储器，用来在其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的指令，并通过数字和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。
组态软件MCGS是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，它充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。
机械手按照控制程序动作，实现生产的机械化和自动化。
它的动作由PLC程序控制，用组态设计实现对机械手工作过程的全程监视，通过不同的工作方式使机械手完成工件的传送。
1机械手简介
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。
工业机械手是机器人的一个重要分支。
它的特点是通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和在各种恶劣环境中完成作业的能力，在自动化工业领域中有着广阔的发展前景。
由于它的积极作用正日益为人们所认识：
其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工业的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
在我国近几年，机械手有较快的发展，并取得一定的效果，受到工业自动化领域的欢迎。
1.1机械手的设计要求
在本次毕业设计中，为了对前面所学的知识进行复习与巩固，加强理论与实践相结合的理念，对机械手的设计提出了以下几点要求：
1、能设计机械手的PLC控制程序及相应的各种电路等。
2、利用GX-Developer软件设计PLC控制程序，并通过可编程控制器的实际运行调试来验证。
3、通过MCGS组态软件的运行来模拟实际的机械手动作。
4、MCGS组态界面在不同控制方式下均可完成动作。
5、机械手的PLC程序与组态界面应能够相互监控。
2可编程控制器简介
可编程控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收计算机技术使之功能不断增强，逐渐适应复杂的控制任务。
随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机的发展，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围也都采用中，大规模甚至超大规模集成电路，PLC不再是仅有逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。
2.1PLC的结构
PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。
PLC的硬件系统由微处理器（CPU）、存储器（EPROM,RAM）、输入输出（I/O）部件、电源部件、I/O扩展单元和其它外围设备组成。
其结构图如图2.1所示：
图2.1PLC的结构图
2.2PLC工作原理
PLC是一种工业控制计算机，所以它的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的，也就是说，PLC是在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务，实现控制目的。
但是通用计算机与PLC的工作方式有所不同，计算机一般是采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式。
当键盘有键按下或I/O口有信号输入时，则中断转入相应的子程序。
而PLC是采用循环扫描工作方式，即顺序地逐条地扫描用户程序的操作，根据程序运行的结果，一个输出的逻辑线圈应按通或断开，但该线圈的触点并不立即动作，而必须等用户程序全部扫描结束后，才同时将输出动作信息全部送出执行。
PLC系统工作任务管理应用程序执行都是循环扫描方式完成的。
PLC的扫描运行方式工作说明如图2.2所示：
图2.2PLC扫描运行方式
2.3PLC的特点
可编程控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实际是一种工业控制用的专用计算机。
其主要原因是因为PLC具有以下特点：
1、可靠性高、抗干扰能力强
2、丰富的I/O接口模块
3、编程简单
4、安装简单、维修方便
5、配套齐全、功能完善
6、体积小、重量轻、低能耗
7、系统设计、调试周期短
2.4PLC的主要功能
PLC是一种应用面很广、发展非常迅速地工业自动化装置，在工厂自动化和计算机集成制造系统内占重要地位。
PLC系统主要有以下功能：
1、数据采集、存储与处理功能
2、通信联网功能
3、多种控制工能
4、输入、输出接口调理功能
5、人机界面功能
6、编程、调试功能
2.5PLC的应用范围
经过30多来的工业运行，PLC越来越为广大工业控制界人士所认识和接受，使得PLC迅速渗透到工业控制的各个领域，从单机自动化到工厂自动化；从机器人、柔性制造系统到工业局部网络。
从PLC的功能应用来看，它的应用范围包括以下几个方面：
（1）开关量的逻辑控制
（2）模拟量控制
（3）运到控制
（4）过程控制
（5）数据处理
（6）通信和联网
3基于PLC的机械手程序设计
3.1机械手工作流程
机械手在生产线上的任务是将工件由A处传送到B处，上升/下降和左移/右移的执行用双线圈二位电磁阀推动气缸完成。
当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，例如一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈再断电，仍保持现有的下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。
另外，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电时执行放松动作。
机械手动作的变化由限位开关控制，机械手工作流程图如图3.1所示：
图3.1机械手工作流程图
3.2机械手的控制要求
机械手是运用在工业自动化领域当中，它要满足工业生产需求，因此，机械手不可能只是单纯的一种工作方式，它是多功能的运行设备。
正因为如此，机械手在自动化领域中被广泛的运用。
一般有五种控制方式：
手动控制、回原点控制、单步控制、单周期控制、全自动控制。
（1）实现手动控制：
用各自的按钮使各个动作单独产生。
（2）实现自动回原点控制：
该方式下，按回原点的按钮，机械手自动向原点归位。
（3）实现单步控制：
按一下启动按钮，前进一个工步。
（4）实现单周期控制：
在原点位置按启动按钮，自动运行一个周期后在原点处停止。
中途按下停止按钮就停止运行，再按启动按钮则从断点处开始执行，完成后回到原点自动停止。
（5）实现全自动控制：
在原点位置按启动按钮，自动开始连续反复的运行。
在中途按停止按钮，动作回到原点自动停止。
3.3机械手动作的模拟实验面板图
图3.2机械手模拟实验面板图
3.4机械手输入输出接线图
图3.3输入输出接线图
3.5机械手输入输出分配表及接线图
表3.1输入分配表
输入装置
元件号
输入端编号
下限开关
SQ1
X0
上限开关
SQ2
X1
右限开关
SQ3
X2
左限开关
SQ4
X3
手动控制
SA1
X4
单步控制
SA2
X5
单周期控制
SA3
X6
自动控制
SA4
X7
回原点控制
SA5
X10
下降按钮
SB1
X11
上升按钮
SB2
X12
右移按钮
SB3
X13
左移按钮
SB4
X14
夹紧按钮
SB5
X15
放松按钮
SB6
X16
启动按钮
SB7
X17
复位按钮
SB8
X20
停止按钮
SB9
X21
表3.2输出分配表
输出装置
元件
输出端号
下降控制
YV1
Y0
上升控制
YV3
Y2
右移控制
YV4
Y3
左移控制
YV5
Y4
放松/夹紧控制
YV2
Y1
原点指示灯
HL
Y5
3.6机械手PLC编程
在生产实践中，顺序控制是一种十分常见的控制方式，机械手就是一种顺序控制。
该控制方式应选用何种编程方法，如采用可编程控制器的辅助继电器、定时器、计数器可以实现顺序控制，但这需要经验设计法来设计控制电路，且设计出来的电路连锁关系复杂，可读性差。
现代的可编程控制器中都设有专门用于实现顺序控制的软元件—状态继电器，用状态继电器来实现顺序控制，能比较容易地设计出相应的控制电路，并且其结构层次清晰，可读性好。
状态编程的一般思想为：
将一个复杂的控制过程分解成若干小的“工作状态”，明确各状态的任务、状态转移条件和转移方向，再依据总的控制顺序要求，将这些状态组合形成状态转移图，最后依据一定的规则将状态转移图转绘成梯形图程序。
由以上的编程思想，对机械手控制程序的设计如下所示：
1、根据机械手的控制流程用步进指令进行编写程序。
2、根据状态编程思想，对机械手的工作过程分解成许多个状态，组合成状态转移图如图3.4所示：
3、程序的写入可选择手持式编程器写入或通过GX-Developer软件写入到PLC中。
4、用GX-Developer软件对程序进行模拟调试，如程序满足机械手的控制要求，将其写入到可编程序控制器中，在面板上进行实际的演示，从而准确地确认程序。
5、将状态转移图转化成梯形图如附录2所示:
图3.4机械手状态转移图
4MCGS的概述
4.1MCGS的简介
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，它充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。
其主要特征和功能大体为：
具有简单灵活的可视化操作界面、有良好的并行处理功能、完善的安全机制、强大的网络功能、多样化的报警功能、支持多种硬件设备、方便控制复杂的运行流程、良好的可维护性和可扩充性、能实现对工控系统的分布式控制和管理。
4.2MCGS的构成
MCGS系统包括组态环境和运行环境两部分。
用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。
用户组态生成的结果是一个数据库文件，称为组态结果数据库。
运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式运行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。
运行环境本身没有任何意义，必须与数据库一起作为一个整体，才能构成用户引用系统。
组态结果数据库完成了MCGS系统从组态环境向运行环境的过渡，它们之间的关系如图4.1所示：
图4.1MCGS的构成
由MCGS生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分组成，如图4.2所示：
图4.2用户应用系统
主控窗口：
确定了工业控制中工程作业的总体轮廓，以及运行流程、菜单命令、特性参数和启动特性等项内容，是应用系统的主框架。
设备窗口：
专门用来放置不同类型和功能的设备构件，实现对外部设备的操作和控制。
设备窗口通过设备构件把外部设备的数据采集进来，送入实时数据库，或把实时数据库的数据输出到外部设备。
一个应用系统只有一个设备窗口，运行时，系统自动打开设备窗口，管理和调度所有设备的正常工作，并在后台独立运行。
用户窗口：
在窗口中放置三种不同类型的图形对象：
图元、图符和动画构件。
图元和图符对象为用户提供了一套完善的设计制作图形画面和定义动画的方法。
动画构件对应不同的动画功能，通过在用户窗口内放置不同的图形对象，搭制多个用户窗口，用户可以构件各种复杂的图形界面。
实时数据库：
相当于一个数据处理中心，同时起到公用数据交换区的作用。
MCGS用实时数据库来管理所有实时数据。
从外部设备采集来的实时数据送入实时数据库，实时数据库将数据传送给系统其它部分。
运行策略:
是系统提供的一个框架，里面放置有策略条件和策略构件组成的“策略行”，通过对运行策略的定义，使系统能够按照设定的顺序和条件操作实时数据库，控制用户窗口的打开、关闭并确定设备构件的工作状态等，从而实现对外部设备工作过程的精确控制。
5建立并编辑画面
打开MCGS通用版组态环境，新建工程，在“用户窗口”中点击新建窗口，则产生“窗口0”、“窗口1”、“窗口2”、“窗口3”，选中“窗口0”，点击“窗口属性”按钮，进入窗口属性设置界面，将窗口名称和窗口标题选项中的内容改为“封面”，将“窗口1”的窗口名称和窗口标题选项中的内容改为“机械手”，将“窗口2”的窗口名称和窗口标题选项中的内容改为“功能介绍”，将“窗口3”的窗口名称和窗口标题选项中的内容改为“输入输出分配表”，“封面”、“机械手”、“功能介绍”、“输入输出分配表”均设置为最大化显示，将“封面”设置为启动窗口，如图5.1（a）、（b）所示：
（a）
（b）
图5.1窗口属性设置
5.1机械手组态画面设计
选中刚创建的“机械手”用户窗口，单击“动画组态”，进入动画制作窗口。
根据设计要求，画出机械手模型图如图5.2所示：
图5.2组态画面创建图
在组态画面创建图中进行图元、图符以及动画构件的添加，最终组态画面符合机械手的控制要求，组态效果图如图5.3所示：
图5.3机械手组态效果图
创建好画面后，接下来对各个图元、图符以及动画构件进行属性设置，从而能满足机械手的工作流程。
下面首先对机械手柄属性设计如图5.4所示：
图5.4机械手柄属性设计
机械手在工作过程当中，手的动作有两种状态分别是：
机械手夹紧状态和放松状态。
在组态时，勾画化出机械手的夹紧和放松两个状态，用可见度实现机械手的动作。
如图5.5所示：
图5.5机械手动作状态属性设计
机械手的主要功能是实现物体的传送，因此在组态时要对物体进行动画属性设置，从而能实现物体的传送。
如图5.6所示：
图5.6物体移动属性设置
机械手在运行过程中，要对机械手进行位置的控制，避免机械手无限制的向右或者向左等方向的运行。
为此，增加了限位开关的控制如图5.7所示：
图5.7限位开关属性设置
机械手在运行过程中，为了让人准确的知道机械手的运动方向，在组态画面中设计了指示灯和箭头方向来表示机械手运动方向。
分别如图5.8所示：
图5.8指示灯属性设置
图5.9箭头方向属性设置
在工业自动化中，机械手是一种常用的设备，它要满足工业生产需求。
因此，机械手的控制方式是多功能的。
在组态是设计了五种控制方式，如图5.10所示：
图5.10机械手五种控制方式属性设置
在运行过程中，为了更有效的对机械手控制，设计了一些手动按钮、启动按钮、停止按钮以及复位按钮。
如图5.11所示：
图5.11控制按钮属性设置
6建立实时数据库
实时数据库相当于一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性构件的公用数据区，是整个系统的核心。
在制作动画过程中，要进行数据变量的定义如图6.1所示：
图6.1实时数据库
7运行策略属性设置
运行策略是对系统运行流程进行有效控制的措施和方法。
双击运行策略，点击循环策略，进入策略组态，如图7.1所示：
图7.1运行策略图
图7.2策略组态图
在空白处右击鼠标，选择新建策略行，如图7.3所示：
图7.3新建策略行
图7.4策略运行图
在空白处右击鼠标，选择工具箱，如图7.5所示:
图7.5策略工具箱图
在策略工具箱中点中脚本程序拖到方框中，如图7.6所示：
图7.6脚本程序创建图
双击脚本程序就可以编写脚本程序了，脚本程序如附录1所示:
8设备窗口属性设置
在组态工作台界面中，用鼠标单击“设备窗口”选项，出现设备窗口图标并双击进入设备组态窗口；在此窗口中通过设备工具箱，完成设备组态，如图8.1所示：
图8.1设备组态窗口
设备组态完成后，双击“通用串口父设备0”，进入通用串口父设备属性编辑界面，根据设备通讯要求和连接情况，完成通用串口父设备属性编辑界面中相关的参数设置，按“确认”完成设置。
具体设置如图8.2所示：
图8.2通用串口父设备属性编辑窗口
返回设备组态窗口，双击“设备1-[三菱Fx-232]”进入设备属性设置窗口，在此窗口中有“基本属性”，“通道连接”，“设备调试”，“数据处理”选项卡。
其中“基本属性”，“通道连接”，“设备调试”三项设置分别如图8.3至图8.5所示：
在设备调试窗口中，如果“通讯状态标志”栏中，显示“0”
则表示通讯正常，若显示“1”则表示通讯不正常。
图8.3基本属性窗口
图8.4通道连接窗口
图8.5设备调试窗口
9主控窗口属性设置
在组态工作台界面中，用鼠标单击“主控窗口”选项，出现主控窗口图标并双击进入主控组态窗口；在此窗口中通过工具栏点击新增菜单项，完成菜单组态，如图9.1所示:
图9.1菜单组态窗口
分别对机械手、功能介绍、输入输出表、封面进行菜单属性设计，机械手菜单属性设计如下图9.2所示：
图9.2机械手菜单属性设置
10设置工程密码
进入MCGS工作台，选择工具菜单“工程安全管理”中的“工程密码设置”选项，如图10.1所示：
图10.1工程密码设置
工程密码设置此时将弹出修改工程密码对话框，如图10.2所示：
图10.2密码设置
在新密码、确认新密码输入框内输入123，单击“确认”，工程密码设置完毕。
11机械手组态画面的监控与PLC连接
毕业设计任务已基本完成，下面进行整体的调试。
把编写好的程序用GX-Developer软件写入到PLC中，把组态工程处在运行环境中，用一根RS-232通信线建立起联系。
机械手按照控制程序动作，实现生产的机械化和自动化。
组态实现对机械手工作过程的全程监视。
下面以单步动作方式为例如下图所示：
图11.2功能介绍效果图
图11.3输入输出分配表效果图
图11.4单步方式下机械手下降
图11.5机械手上升
图11.6机械手右移
总结
自十月份拿到毕业设计课题，我开始了我的毕业设计工作，至今已有两个多月了。
经过长时间的努力，到现在我设计好了作品，并且鉴定完成，毕业论文也基本完成。
我深受感到，论文的写作是一个长期的过程，需要不断地进行精心的修改，不断地去研究各方面的文献，认真总结。
经历了这么久的努力，终于完成了毕业论文。
在这过程当中，我觉得自己收获了很多。
在没有写论文之前，我总以为论文只是对这几年来所学知识的单纯的总结，通过这次我发现自己的认识有点片面。
写论文不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。
通过这次毕业设计使我明白了自己要学习的东西还很多，需要进一步的去学习。
同时我也明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质，注重理论与实践相结合。
在做毕业设计之前，我着手于对任务书的分析、查阅资料、对机械手控制流程的理解，然后结合控制要求，对硬件和软件进行设计。
在不懂的地方请教老师和同学再加上自己所掌握的知识，到今天可以完全实现控制要求，这期间我投入了大量的时间和精力，一步步的去完善自己的作品，严格要求自己，充分的利用自己的专业知识，这同时也巩固了自己所学过的知识。
在设计过程中，也遇到了一些问题，在最后一段时间学习组态技术和与找工作之间的冲突，我对组态软件没有熟练的运用，对组态的一些问题不能合理地解决，但是经过同学之间的讨论，老师的不断引导下，以及自己不断的学习下渐渐的对机械手的设计有了很多的想法，对MCGS组态软件也有了进一步的了解和运用，经过一段时间的努力，组态工程的设计完成了。
运用步进指令，在过去学习的基础上顺利完成了机械手PLC程序的设计，在调试的过程中也遇到了一些问题，在老师的指导下与同学的探讨中很快得到了解决。
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致谢
本论文是在导师将金周老师的精心指导下完成的。
导师渊博的知识、严谨的治学态度、孜孜不倦的钻研精神以及平易近人的作风为我树立了榜样，激励着我奋发向上，努力学习。
值此论文完成之际，谨向导师致以崇高的敬意和衷心的感谢！
在我做毕业设计的过程中，我觉得受益匪浅。
通过对自己在大学三年时间里所学的知识的回顾，并充分发挥对所学知识的理解和对毕业设计的思考及书面表达能力，最终完成了。
这为自己今后进一步深化学习，积累了一定宝贵的经验。
撰写论文的过程也是专业知识的学习过程，它使我运用已有的专业基础知识，对其进行设计，分析和解决一个理论问题或实际问题，把知识转化为能力的实际训练。
在同学及指导教师蒋老师的一些指点和引导下，真正培养了我运用所学知识解决实际问题的能力。
通过这次设计我发现，只有理论水平提高了；才能够将课本知识与实践相整合，理论知识服务于教学实践，以增强自己的动手能力。
这个设计在现实社会中也存在着一定的价值和意义，从中我获得很深刻的经验。
通过这次毕业设计，我知道了理论和实际的距离，也知道了理论和实际想结合的重要性，，也从中得知了很多书本上无法得知的知识。
我体会到学习不但要立足于书本，还要与实践相结合。
因为通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻。
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