基于PLC与组态王的机械手控制系统方案.docx
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基于PLC与组态王的机械手控制系统方案
毕业论文
标题：
基于PLC与组态技术机械手的控制系统
学生姓名：
陈勇乐谭鑫
系部：
电子信息系
专业：
电气自动化技术
班级：
高电气1102班
指导教师：
罗麦丰老师
湖南汽车工程职业学院教务处制
摘要
本设计主要介绍了基于组态王与PLC实现对机械手控制系统设计，开发PLC控制系统与上位机监控界面。
组态王通过设备驱动程序从现场硬件设备获取实时数据并处理，以动画的方式在上位机屏幕上显示，同时按照组态要求和操作人员的指令使机械手按照设定的轨迹运行，并且将现场动画在监控界面中显示出来。
该系统可以很好的实现机械手的自动控制和管理。
关键词：
机械手；S7-200PLC；组态王
引言
随着科学技术的迅速发展，我国正在进行由手工操作到机械控制的变革。
机械手的设计与控制对工业自动化的发展是不可缺少的，它的到来加速了企业变革，在工业自动化的生产中，无论是单机床还是组合机床、以及自动化生产流水线都要用机械手完成工件的取放甚至更复杂、更精密的零件加工。
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线，他是一门迅速发展起来的新兴技术。
目前机械手虽然还不如人手那样灵活，但是他具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，因此，机械手越来越广泛地得到应用。
在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。
将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。
既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。
现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。
化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。
专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。
但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。
机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。
自上世纪六十年代，PLC设计的机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在不断发展，它可以在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。
用西门子S7-200PLC控制。
上位机监控系统采用组态王组态软件设计，组态王6.53是由亚控科技有限公司研制的组态软件,是运行于MicrosoftWindows2000\XP中文平台的中文界面的人机界面软件,为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台,能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、曲线和报表输出、企业监控网络系统等功能。
通过对本监控系统的分析，主要实现了以下两个功能，一、充分利用了组态王的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示机械手的运行的状态二、生成实时报表和历史报表并保存到指定的文件夹下，还可以对指定的变量进行查询。
一、机械手控制系统的工作要求
机械手在日常生活和生产中应用非常广泛的一种自动控制设备，它的广泛应用大大地减轻了操作工人的劳动强度，是实现工业自动化不可缺少的智能化设备。
1、具体的控制要求是：
总体要求：
完成一个用PLC控制的工业机械手控制系统，实现机械手从原点位置（A点）将物品抓放至终点位置（B点）的控制。
控制要求：
机械手在原点时（1SQ、3SQ受压），人工发出启动命令（按下按钮SB1），机械手下降（Q0.0得电）--下降至下限位置（4SQ受压）--夹击工件（Q0.1得电）--机械手上升（Q0.2得电）--上升至上限位置（3SQ受压）--机械手手臂右移（Q0.3得电）--右移至右限位置（2SQ受压）--机械手下降（Q0.0得电）-下降至下限位置（4SQ受压）--放开物体3秒（Q0.1失电）--机械手上升（Q0.2得电）—上升至上限位置（3SQ受压）—机械手臂左移（Q0.4得电）--机械手左移到原位以后进入下一周期循环，按下停止按钮后停止在原位。
二、下位机PLC控制系统设计
2.1PLC输入输出端子分配
该机械手的控制为纯开关控制，且所需I/O点数不多，一共使用了6个输入量和6个输出量。
同时，为了确保今后系统的扩展，本系统采用性价比较高的西门子S7-200的CPU224CN模块，该模块是具有24个I/O点，包括14个输入点和10个输出点。
其I/O分配如表1所示。
表1.PLC的I/O地址分配表
输入
输出
元件
符号
功能
元件
符号
功能
SB1
I0.0
外部启动按钮
Q0
Q0.0
下降电磁阀
SQ1
I0.1
外部左限位开关
Q1
Q0.1
夹紧电磁阀
SQ2
I0.2
外部右限位开关
Q2
Q0.2
上升电磁阀
SQ3
I0.3
外部上限位开关
Q3
Q0.3
右移电磁阀
SQ4
I0.4
外部左限位开关
Q4
Q0.4
左移电磁阀
SB2
I0.5
外部停止按钮
Q5
Q0.5
放松电磁阀
SB1
M0.0
组态启动按钮
SQ1
M0.1
组态左限位开关
SQ2
M0.2
组态右限位开关
SQ3
M0.3
组态上限位开关
SQ4
M0.4
组态左限位开关
SB2
M0.5
组态停止按钮
2.2机械手控制系统PLC顺序功能图设计
当机械手处于原位S0.0时，按启动M0.0接通，状态转移到S0.1，下降电磁阀Q0.0得电，当到达下限位使行程开关M0.4接通，状态转移到S0.2，而S0.1自动复位，夹紧电磁阀Q0.1得电。
延时3秒，以使电磁力达到最大夹紧力。
当T37接通，状态转移到S0.3，驱动Q0.2上升，当上升到达最高位，M0.3接通，状态转移到S0.4。
S0.4驱动Q0.3右移。
移到最右位，M0.2接通，状态转移到S0.5下降。
下降到最低位，M0.4接通，状态转移到S0.6电磁阀Q0.5放松。
为了使电磁力完全失掉，延时3秒。
延时时间到，T38接通，状态转移到S0.7上升。
上升到最高位，M0.3接通，状态转移到S1.0左移。
左移到最左位，使M0.1接通，如果按下停止按钮M0.5，则返回初始状态S0.0，再开始第二次循环动作，否则返回状态S0.1，继续循环。
2.3机械手控制系统I/O外围电路设计
图1PLC外围接线图
2.4机械手控制系统PLC梯形图设计
当机械手处于原位S0.0时，按启动M0.0接通，状态转移到S0.1，下降电磁阀Q0.0得电，当到达下限位使行程开关M0.4接通，状态转移到S0.2，而S0.1自动复位，夹紧电磁阀Q0.1得电。
延时3秒，以使电磁力达到最大夹紧力。
当T37接通，状态转移到S0.3，驱动Q0.2上升，当上升到达最高位，M0.3接通，状态转移到S0.4。
S0.4驱动Q0.3右移。
移到最右位，M0.2接通，状态转移到S0.5下降。
下降到最低位，M0.4接通，状态转移到S0.6电磁阀Q0.5放松。
为了使电磁力完全失掉，延时3秒。
延时时间到，T38接通，状态转移到S0.7上升。
上升到最高位，M0.3接通，状态转移到S1.0左移。
左移到最左位，使M0.1接通，如果按下停止按钮M0.5，则返回初始状态S0.0，再开始第二次循环动作，否则返回状态S0.1，继续循环。
根据顺序功能图编辑梯形图时，要注意驱动输出同一个线圈只能在程序里面出现一次，如果驱动输出同一个线圈只能在程序里面出现几次，输出状态就按照最后一次输出状态决定。
因此编程时要注意这方面。
机械手控制系统PLC梯形图
三、系统上位机组态设计及功能实现
下面介绍利用组态王kMngvMew6.53对机械手控制系统进行组态的设计，其步骤如下：
3.1设备连接
打开组态王软件，进入工程管理器，新建一个工程，选择他的存储路径并设定项目名称为“机械手系统设计”。
进入工程浏览器后，首先进行设备的连接。
上位机COM4与PLC之间通过PC/PPM编程电缆连接，选择工程浏览器左侧大纲项“设备\COM4”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，相关配置如图5所示
图2设备配置向导
3.2通讯设备参数设置
在组态王工程浏览器的工程目录显示区，点击“设备”大纲项下PLC与上位计算机所连串口，进行参数设置。
PLC的通信参数与组态王设置应一致，同时组态王系统的COM4口设置要与PLC一致。
PLC采用默认的通信参数[1]如下：
波特率为9600bps，通信协议为PPM。
图3PLC的通信参数
3.3构造数据库
数据库是组态王软件的核心部分。
建立在数据库中的各种变量负责和各种外部设备进行数据交换,以及相关数据的存储,它将组态的工程的各个部分连接成有机的整体[2]。
选择工程浏览器左侧大纲项“数据库\数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框，创建机械手控制系统各个变量数据。
这些变量与PLC内部变量一一对应，PLC的输入输出完全由组态王内部变量代替。
通过建立动画连接，这样PLC的实际输入输出状态就以动画的形式都反映在组态监控界面上。
变量的定义如图6所示
图4变量定义
3.4监控界面的设计和动画连接
进入组态王的开发系统，新建一个画面。
在画面上创建机械手控制示意图，画中主要绘制了机械手，开始/复位按钮和机械手位置指示灯。
除此之外，画面中还增加了实时报表和指定查询报表，在报表中插入要查询的变量，以便用户方存储和查看。
主画面如图3所示
建立变量数据库中的变量与组态画面中各个对象间的联系，从而使画面能够根据实际数据的变化产生动画效果。
编写应用程序，用户定义类似C语言的命令语言来驱动应用程序。
下面是部分应用程序命令语言。
…
{
if（运行标志==1）
{\\本站点\SB1=0;
if（次数>=0&&次数<50）/*下降*/
{下移阀=1;
机械手y=机械手y+2;
次数=次数+1;
}
if（次数>=50&&次数<70）/*夹紧*/
{夹紧阀=1;
下移阀=0;
次数=次数+1;
}
if（次数>=70&&次数<120）/*开始上升*/
{上移阀=1;
夹紧阀=0;
机械手y=机械手y-2;
工件y=工件y-2;
次数=次数+1;
}
if（次数>=120&&次数<220）/*开始右移*/
{上移阀=0;
右移阀=1;
机械手x=机械手x+1;
工件x=工件x+1;
次数=次数+1;
}
if（次数>=220&&次数<270）/*开始下降*/
{下移阀=1;
右移阀=0;
机械手y=机械手y+2;
工件y=工件y+2;
次数=次数+1;
}
if（次数>=270&&次数<290）/*开始放松*/
{下移阀=0;
放松阀=1;
次数=次数+1;
}
if（次数>=290&&次数<340）/*开始上升*/
{放松阀=0;
上移阀=1;
机械手y=机械手y-2;
次数=次数+1;
}
if（次数>=340&&次数<440）/*开始左移*/
{左移阀=1;
上移阀=0;
机械手x=机械手x-1;
次数=次数+1;
}…
3.5系统运行
按照要求将上位机，PLC和机械手连接好以后，启动组态王运行系统TOUCHVMEW,运行机械手控制系统。
将PLC开关指向RUN状态，观察组态画面是否与机械手运行一致，否则，检查组态画面动画隐含连接正确与否，直至组态动画正常运行为止。
图5机械手原位状态监控界面
图6机械手运行状态监控界面
四、系统调试
4.1使用设备
在调试中使用的是中国.启动新科教电子仪器公司所生产的XK-TPLCC型可编程PLC控制仪。
主机用的CPU224，还用了EM223和EM235两个扩展模块。
4.2调试过程
首先用电脑在STEP-7-MMcro/WMN编程软件中将编辑的梯形图写入软件中，然后点击运行并对其指出的错误进行修改，修改完最终运行无误后将其下载到可编程控制仪器中；其次按照设计的要求接好线，确定无误后按下启动按钮。
启动后发现上行、下行、左行、右行灯均同时亮且一直亮着，这样就不符合设计中八个动作依次有序进行操作的要求，务必对其进行修正。
在这种情况下我采取了以下方案：
方案一：
在没有确定设备是否曾在问题的情况下，首先我们对设备进行了检测，发现不曾在任何问题，在这种情况下我选择了再一次用先前的步骤来完成整个过程以确定初次的接线过程是否有误，结果发现运行的结果和先前一样出现灯均亮。
这样方案一就以失败告终。
方案二：
通过对程序的再三检查后，发现并未出现语法上的错误。
会不会是运行的速度太快而出现一个周期接一个周期的快速运行呢？
在带着这个问题的情况下把程序的每个动作网络多加了一个stop指令加以验证，然后将程序写入STEP-7-MMcro/WMN编程软件中运行，运行结果显示没有错误；再下载到可编程控制仪后接好线按下启动按钮，发现指示灯会按照设计动作的要求依次亮起而且程序也能按照设计的要求完成指定的单周期和多周期操作。
这样利用方案二就完成了整个实验的调试。
五、设计过程遇到的问题及解决方法
组态监控过程中PLC和计算机之间是通过RS232串行口进行通信[3]的，实验室中的PLC和编程软件STEP-7之间也是通过RS232串行口进行通信的，同一时刻只能有一个设备使用RS232串行口，所以在PLC梯形图编辑完并下载到PLC上后，应断开编程软件STEP-7和PLC之间的通信，否则组态监控软件是无法对PLC中各个寄存器的状态进行采样监控的。
在进行监控界面的设计时，机械手的左移和右移都很容易实现，但手臂的伸缩和升降需要要考虑到距离的变化，因此需要不断调试，获得符合情况的距离，对在条件符合时，对应手臂的伸缩和升降显现出来。
图8机械手伸缩调试后参数
图9机械手升降调试后参数
图7机械手运行状态监控界面
总结
通过这次毕业设计,对我所学的知识进行了总结,同时还学到了许多新知识,让我更深刻的了解到理论知识在实际中的应用。
在这次毕业设计中,主要是PLC控制系统的应用,同时也要对机械手的动作要求非常熟悉。
对机械手的控制主要是位置的识别、运动方向控制和判别物料是否存在；而对PLC要知道所需的输入输出接口，明白输入接口是用来接受生产过程的各种参数，而输出接口是用来送出PLC运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构，完成生产现场的控制。
这次毕业设计综合了计算机和PLC的长处:
计算机作为上位机提供良好的人机界面，进行全系统的监控和管理，PLC作为下位机执行可靠有效的分散控制。
监控系统不仅可以接受多种由PLC发出的控制信号，亦可向PLC发出各种命令信号，还可以与PLC之间进行各种状态数据的传输。
基于组态王的搬运机械手的PLC控制系统的设计正确，实现了搬运机械手的自动控制，加强了远程监控的能力，提高了控制系统的准确性和稳定性。
在这次毕业设计中，我要感谢老师、系领导和学校的关心和指导。
特别是罗老师一直给予我精心的辅导，纠正了我设计过程中的许多错误与不足。
参考文献
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[2]北京亚控科技发展有限公司，组态王VersMon6.53用户手册[M]2007
[3]霍俊仪袁长明世纪星组态软件在机械手控制中的应用[J]2005
[4]覃贵礼基于组态王KMngvMew6.53在仿真机械手控制系统中的实现[J]
[5]罗麦丰等西门子S7-200系列plc在配料生产线上的应用[J]《微计算机应用》
[6]罗麦丰等转盘式钎焊机电气控制系统的设计[J]《自动化技术与应用》2007
[7]罗麦丰等三面铣组合机床的PLC改造[J]《煤矿机械》2009，（8）
[8]罗麦丰等基于NezaPLC与变频技术的直饮水恒压供水系统[J]《电气自动化》2009，（3）
[9]三菱公司FX2N系列编程手册[M]
[10]廖常初ＰＬＣ编程及应用[M]机械工业出版社2005年7月第二版
[11]陈志文等组态控制实用技术[M]机械工业出版社2009年2月第一版
[12]徐国林PLC应用技术[M]机械工业出版社2009年1月第一版
[13]袁秀英，牛云陞，余群威组态控制技术[M]电子工业出版社2008年5月第一版
[14]许志军工业控制组态软件及应用[M]机械工业出版社
致谢
在本设计的开题论证、课题研究、论文撰写和论文审校整个过程中，得到了罗老师的精心指导，使得本设计得以顺利完成，其中饱含了罗麦丰老师的汗水和心血。
老师敏锐的学术思想、严谨踏实的治学态度、渊博的学识、精益求精的工作作风、诲人不倦的育人精神，将永远铭记在学生心中，使学生终生受益。
在此我们向罗麦丰老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。
感谢学校给我们提供设计场地，和系领导的关心和指导，在设计过程中，结合工作体会和经历，提出了许多建设性的观点，为我完成设计给予了极大的帮助。
感谢电子信息系的领导和老师对我的关心和帮助。
再次感谢所有支持和帮助过我的领导、老师、同学们。
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