PLC和触摸屏在多自由度气动机械手系统中的应用*

王小娟，胡　兵

(新疆工程学院a.基础部；b.电气与信息工程系，乌鲁木齐　830011)



PLC和触摸屏在多自由度气动机械手系统中的应用*

王小娟a，胡兵b

(新疆工程学院a.基础部；b.电气与信息工程系，乌鲁木齐830011)

摘要：针对生产线中搬运站对搬运气动机械手的要求，提出触摸屏作为上位机，PLC作为控制器，电磁阀、气缸作为驱动设备的气动机械手控制方法。重点介绍了系统气动原理、硬件构成、软件编程和触摸屏的设计，经过调试试验和应用，系统满足控制要求，具有安全性高、可靠性和稳定性好的优点。

关键词：：PLC；机械手；触摸屏；多自由度

0引言

随着社会的进步、经济的发展和人们生活水平的提高，人们对生产自动化的要求越来越高，尤其在易燃、易爆、高温、高压、高强度等人不能接受的特殊场合，迫切需要生产自动化，机械手具有灵活的运动性，运行的平稳性和操作简单性，能够适应特殊场合的生产自动化，广泛应用于工业、农业、食品加工业等领域[1-2]。气动设备采用洁净空气作为传动介质，具有安全性好，成本低的特点，结合现代传感器技术、PLC技术、伺服驱动技术，能够实现控制灵活、定位精确、运动可调节的功能[3]。触摸屏具有实时监控、灵活修改参数及报警显示等等特点，与PLC结合控制机械手，能够使机械手操作方便，运行可视化。

目前，工业生产中气动机械手主要由PLC控制，实时监控和可视化效果欠缺，为此，本文综合气动机械手、PLC技术和触摸屏技术的特点，以生产线搬运站为载体，提出PLC和触摸屏控制多自由度机械手的方法，期望做到安全可靠，减小劳动强度和提高生产效率，为实际生产和教育教学提供参考。

1系统控制要求

生产线由加工站、搬运站和装配站组成，加工站完成对工件的加工后，发出完成信号，由搬运站气动机械手将工件从加工站搬运到装配站，由搬运站完成对工件的装配，并且由触摸屏监控程序运行状况，其中搬运机械手有左偏转、右偏转、伸出、缩回、上升、下降、夹紧、放松多个自由度[4]，分别由相应的气缸、电磁换向阀、磁性开关结合PLC完成控制任务，具体控制要求为：

(1)为了便于调试和检修，要求系统能够就地手动控制。

(2)触摸屏切换到主控画面窗口后， 搬运气动机械手首先检查系统是否处于初始状态，初始状态是指：①加工站是否完成加工，处于等待搬运状态，否则机械手上红色警示灯闪烁，系统不允许运行。②检查机械手气动执行元件是否处在最左端，缩回，最上端位置，手抓是否处在放松状态，若否，则机械手上的黄色警示灯闪烁，系统不允许自动运行，需要手动运行，使机械手处在最左端，缩回，最上端位置，手抓处于放松状态。若上述条件满足，机械手黄色警示灯常亮，表述机械手准备就绪。

(3)搬运站气动机械手初始状态就绪后，系统可以进行单周期运行和自动运行选择，在单周期运行或自动运行状态，按下触摸屏上启动按钮，系统启动，绿色灯常亮，表示系统正在运行，搬运站气动机械手需要完成左偏转-伸出-下降-夹紧-上升-缩回-右偏转-伸出-下降-放松-上升-缩回-左偏转整个工作过程，在触摸屏中能够监控此工作过程[5]。

2系统气动原理

搬运站气动机械手需要完成左偏转、右偏转、伸出、缩回、上升、下降、夹紧、放松多个自由度的工作，分别由旋转气缸，直线气缸和夹爪气缸驱动机械臂动作，在气缸的表面刻有端槽，用于安装磁性开关来对气缸限位，气动原理图如图1所示，其中旋转气缸用于左右偏转，转动角度为180°,其动作由一个三位五通电磁阀控制，且在左右偏转的极限位置安装有机械阻尼装置，以减小偏转时的冲击力，两个直线气缸用于上下运动和收缩控制，由两个两位五通电磁阀控制，夹爪气缸用于夹紧和放松，由一个两位五通阀控制，与气缸连接的气管上安装有节流阀，控制气缸运行的速度和平稳性[6]。

图1　机械手气动原理图

3气动机械手电控系统

3.1系统硬件构成

气动机械手电控系统由触摸屏、PLC、气缸、电磁阀和传感器构成，其结构原理图[7]如2所示。

图2　气动机械手结构原理图

通过对控制系统要求和气动控制原理的分析，系统均为开关量控制，共有8个输入和11个输出，从满足系统要求和简单经济的角度出发，选用西门子S7-200PLC CPU224作为控制器，该控制器本身带有14路的开关量输入和16路开关量输出，能够满足系统控制对I/O点数的要求，具备两个通信端口prot0和prot1，prot0通过PPI电缆与PC相连，完成程序的编制和下载，prot1通过RS485电缆与触摸屏相连[8]；上位机选用MCGS的TPC1162Hi触摸屏作为组态监控设备，该触摸屏为嵌入式一体化触摸屏，具有很强的数据处理、图像显示和传输反应能力，能够在线和离线组态，通过RS485电缆与PLC通信端口连接，完成参数设置、命令输入、运行监控、报警报表输出等任务；PLC的输入接8个控制按钮，控制设备就地手动运行，用于设备调试和检修，输出接8个电磁换向阀和3个指示灯用于系统控制和工作状态指示。

3.2系统PLC编程

在气动机械手控制系统中，PLC既是I/O接口，也是控制器，系统的控制任务由PLC来完成，由于该气动机械手有就地手动和触摸屏控制两种方式，就地控制需要有8个按钮手动控制，8个按钮直接控制输出的电磁换向阀，用于手动调试和检修，不占用PLC的输入端口，但4个气缸限位需要用到8个磁性开关，所有需要8个数字量输入端口，触摸屏控制方式下有单周期运行和自动运行选择，由于PLC的输入只能读取，不能写入，触摸屏与PLC控制时需要通过在触摸屏中设置软开关来实现控制，在触摸屏中点击软开关，对PLC辅助继电器M发布启停控制命令，即可控制PLC中输出线圈的变化，应用系统选用M10.1作为单周期运行和自动运行选择软开关对应的PLC地址，M10.2作为系统复位软开关对应的PLC地址，M10.3作为系统启动软开关对应的PLC地址，M10.0作为等待搬运状态对应的PLC地址，此信号由加工站通过网络通信控制，上述分析确定气动机械手系统的PLC I/O分配如表1所示。

表1　 机械手搬运系统PLC I/O点分配表

根据控制系统的要求，当气动机械手初始化完成，在单周期运行或自动运行条件下，按下启动按钮，机械手需要完成左偏转、右偏转、伸出、缩回、上升、下降、夹紧、放松多个自由度的工作，确定机械手搬运系统的功能流程图如图3所示。

图3　机械手搬运系统控制功能流程图

3.3系统触摸屏设计

系统选用MCGS的TPC1162Hi触摸屏作为组态监控设备，触摸屏中控制系统的组态需要在MCGS组态软件下组态，在MCGS组态界面要完成气动机械手系统界面的制作，变量的建立，属性的设置，且在设备窗口完成设备组态及MCGS与PLC之间的变量的连接，MCGS变量与PLC之间的连接如表2所示。

表2　气动机械手系统MCGS变量与PLC变量连接表(部分)

在MCGS的设备窗口，添加通用串口父设备，西门子_S7200PPI，设置参数，连接变量即可调试，具体调试方法参见文献[9]，调试成功后，将带扁平接口的USB线的扁平口端连触摸屏，USB端连接PC进行下载，选择“联机运行”，连接选择“USB通讯”，通讯成功点击“工程下载”即可将组态画面下载到触摸屏。

4调试与应用

4.1调试

系统调试前，仔细检查触摸屏、PLC、电磁换向阀的电源供电及接线状况，检查气泵的压力，若无问题即可进行就地手动调试，通过电磁阀上手控旋钮，调整气缸的行程距离，调节传感器的安装位置及机械阻尼装置的位置，通过气管上的调节阀调节气缸的运行速度和平稳性，以上条件均无问题即可进入初始状态调节阶段，初始状态正常可进行触摸屏、PLC、气动机械手联调阶段，重点检查通讯，通讯成功可进行单周期运行，运行中出现的硬件问题问题重新在手动调试中调整，编程问题需要在S7-200程序中完成，组态设置问题需要在组态软件中完成，完成后重新下载程序和组态，直至单周期调整完成，单周期运行完成后可以自动运行[10]。

4.2应用

系统调试成功后可以进行联机运行，联机运行效果图如图4所示，系统运行在自动运行状态，气动机械手正处于抓紧工件并将工件下放阶段，夹紧指示灯和下降指示灯指示机械手运行的动作，系统运行平稳、准确和实时监控，且机械手搬运工件的数量实时显示在触摸屏界面，历史报表可以查看机械手搬运工件的历史数据；手动界面可进行软件手动运行。应用系统的运行结果表明，PLC气动机械手能够很好完成搬运任务，满足系统的控制要求，触摸屏的应用增强了系统运行的可视性，二者的结合提高了搬运站的搬运效率，大大减轻了工人劳动强度，节省了生产成本。

图4　系统运行效果图

5结束语

本文以生产线搬运站机械手搬运为载体，介绍PLC和触摸屏在搬运气动机械手中的应用，给出了系统气动原理图，详细介绍了系统硬件构成、PLC的I/O分配、触摸屏与PLC的通讯及变量连接，设计了友好的人际界面。经过对气动机械手系统调试与应用，系统满足搬运站的控制要求，可靠性、稳定性好，为教学和实际生产提供一种参考。

[参考文献]

[1] 齐继阳, 吴倩, 何文灿. 基于PLC和触摸屏的气动机械手控制系统的设计[J]. 液压与气动, 2013 (4): 19-22.

[2] 王巍, 汪玉凤. 基于PLC的气动机械手研究[J]. 辽宁工程技术大学学报: 自然科学版, 2005 ,24(z1): 135-136.

[3] 李桂海.全气动多自由度关节型机器人的研制[D].南京:南京理工大学,2005.

[4] 何常辉.自动化生产线安装与调试[M].北京:机械工业出版社, 2011.

[5] 胡兵, 熊新荣, 袁勇, 等.基于Modbus总线的马铃薯储藏库温湿度采集[J]. 湖北农业科学, 2014, 23(53): 4969-4972.

[6] 刘丽华. 基于PLC控制的教学型旋盖气动机械手设计[J]. 液压与气动, 2010 (3): 51-53.

[7] 宣自洋, 陈书宏, 常凯. 基于PLC控制的变速器搬运机械手系统设计[J]. 制造业自动化, 2015,37(2):6-8.

[8] 于殿勇, 刘兴义. 基于PLC与触摸屏控制的搬运机械手的应用[J]. 制造业自动化, 2009 ,31(8): 121-123.

[9] 胡兵, 刘文, 王小娟. 基于MCGS的电动大门监控系统设计与实现[J]. 化工自动化及仪表, 2013, 40(1): 59-62.

[10] 丛明, 刘冬, 杜宇, 等. PLC伺服控制在太阳能电池组件搬运机械手中的应用[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2011 (9): 66-69.

(编辑李秀敏)

Application of PLC and Touch-screen in the Multi-DOF Pneumatic Manipulator

WANG Xiao-juana, HU Bingb

(a.Foundational Department;b.Department of Electrical and Information Engineering,Xinjiang Institute of Engineering，Urumqi 830011,China)

Abstract：According to the requirements of handling stations for pneumatic manipulator, this paper puts forward a method that PLC as the controller, touch-screen as the upper machine, electromagnetic valve and cylinder as drivers. the paper emphatically introduces pneumatic principle of manipulator and hardware structure and software programming and the design of Touch-screen, being tested and applied, the system meets the control require and has high security, reliability and stability.

Key words：PLC; manipulator; touch-screen; multi-DOF

中图分类号：TH138;TG659

文献标识码：A

作者简介：王小娟(1984 —)，女，湖北孝感人，新疆工程学院讲师，硕士，研究方向为运筹学与控制论方面的科研和教学工作，(E-mail)2003042121@163.com。

*基金项目：2013年度新疆工程学院教改基金项目(2013gcxyj17kg1407)

收稿日期：2015-04-14；修回日期：2015-05-15

文章编号：1001-2265(2016)03-0058-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.016