基于PLC和组态王的机械手控制系统设计

刘次乐 李小斌 吴宏岐 刘霞

摘要：在我国机械手的发展越来越受到社会的关注，机械手取代人力的趋势日渐明显，机械手控制系统的研究和教学被许多高校关注，然而受实验室设备和场地的限制，在校大学生很难获得更多的实验机会。因此，这里给出一种基于组态王和PLC的机械手控制系统设计方案，可有效解决实验条件不足的问题，帮助在校学生更好地理解学习机械手控制过程。实践表明，该方案可以取得很好的研究、学习效果。

关键词：机械手；PLC；组态王

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）05-0020-03

随着科技的发展和生产加工的高效、高精度需求，机器人的应用已经越来越受到国内生产企业的重视，在南方很多企业已经开始将机器人应用于工业生产，这也进一步推动了高等院校对机器人控制系统的研究和教学，目前在校大学生对机器人控制系统的学习兴趣也是空前高涨。然而，与之相对的是实验设备的紧缺和实验场地的严重不足。这里给出一种机械手虚拟控制系统设计方法，可借助计算机软件逼真地模拟机械手的控制过程，使学生和老师不要机械手就可以实现机械手控制系统的设计和工作过程研究。该方案只需要计算机和PLC，或者只有计算机，即可达到真实系统的仿真效果。

1 機械手主要结构及工作过程

1.1 机械手主要结构

如图1所示，机械手主要由A、B、C三个气缸组成，A气缸控制水平方向移动，B气缸控制垂直方向的移动，C气缸完成机械手夹紧、松开动作，三个气缸在程序控制下完成机械手对物料的搬运[1]。

1.2 机械手工作过程

当机械手处于原始位置，它的左上位开关处于闭合的状态，当用户按下启动开按钮时，机械手将开始向下运动，碰到下限位开关时，停止2秒后执行夹紧动作，夹起A点物体，随后机械手开始向上移动，碰到上限位开关时开始向右移动，碰到右限位开关就向下运动，直到遇到下限位开关，执行松开动作将物品放到b点。之后，机械手回到原位，这个流程即完成了一次物料的搬运的过程，整个工作过程如图2所示。

2 机械手控制系统设计

2.1 PLC外部电路设计

系统以西门子S7-200系列PLC的CPU226主机作为控制核心，其外围电路如图3所示。机械手控制方式分为：手动控制模式、单周期控制模式、自动控制模式，采用转换开关SA进行选择。当SA选择手动模式（I0.0输入）时，所有动作手动实现；当SA选择单周期控制模式（I0.1输入）时，按下启动按钮，机械手完成一次搬运过程然后回到初始位置停止；当SA选择自动控制模式（I0.2输入）时，按下启动按钮，机械手循环完成搬运过程，直到按下停止按钮后回到初始位置停止。

图2中，PLC输出量有6个，其中YV1～YV5（Q0.0～Q0.4输出）为电磁阀线圈，可通过其各自电磁阀分别控制机械手的气缸动作，实现机械手的上升、下降、左移、右移和夹紧，另一个输出（Q0.5）为运行状态指示。

2.2 PLC梯形图程序设计[2-4]

机械手控制程序采用STEP 7-Micro/WIN编程软件设计，主要程序段梯形图如图3所示。这里采用西门子PLC的SM0.1触点在系统上电的时候，对可能用到的存储空间进行清零，将M0.0到M0.7、M1.0到M1.7、M2.0到M2.7、Q0.0到Q0.7的地址的内容批量清零。

如果机械手位于原始位置，按下启动按钮时I0.3（组态王M1.3）触点闭合，机械手执行下降的动作，下降到位I1.4（组态王M2.4）触点闭合，将Q0.4置位，执行夹紧程序，保持2S后，夹紧货物后，将Q0.4保持置位状态，同时将Q0.0置位，让机械手执行上升动作，机械手上升到上限位后，进入到右移状态，将Q0.3置位，机械手右移到位后，执行下降动作，机械手下移到位后，将Q0.4复位，执行松开动作，此时将定时器T2开始计时1S，时间到后，机械手开始上升，执行回原点程序，回到原点停止。

3 上位机软件设计

系统上位机采用组态王Kingview软件设计，Kingview6.53是一款全中文的工业控制用组态软件，具有开放性好、适应性强、易于扩展、开发周期短等诸多优点，尤其是它在自动控制系统中能够发挥组态开发、上传下达的重要作用。组态王软件包由工程管理器、工程浏览器、画面运行系统、信息窗口这四个部分组成。其中工程浏览器、画面运行系统是两个独立的Windows应用程序，都可以单独使用[5]。

3.1 通讯设备参数设置

西门子S7-200型PLC支持多种通信协议，其中点到点（Point-to-Point）接口（PPI）方式是西门子专为S7-200系列PLC开发的一种通讯协议，通讯非常简单方便，只用NETR和NETW两条语句即可进行数据信号的传递，不需要额外再配置模块或软件[6]。S7-200系列CPU上集成的编程口同时就是PPI通讯联网接口，其物理特性为RS485。西门子公司提供的PC/PPI电缆带有RS232/RS485电平转换器，因此在不增加任何硬件的情况下，可以很方便地将PLC和PC机（插MPI卡）互联。PC与PLC之间的通信采用主从方式，PC始终处于主导地位。

打开STEP 7-Micro/WIN编程软件，然后点击左边通信， 在弹出窗口中点属性设置通信参数；在组态王工程浏览器工程目录显示区，通过“设备”大纲项目下的PLC与上位机所连串口对其进行参数设置。PLC的通信参数要和组态王、编程软件一致。这里设置为：波特率9600，数据位8，停止位1，偶校验。

3.2 组态软件设计

3.2.1 构造数据库

数据库是联系下位机和上位机的桥梁。选择工程浏览器左边“数据库＼数据词典”，在“变量属性”对话框里可以创建机械手控制系统的各个数据变量。根据机械手的控制要求和组态王画面中的控制要素，可设计组态王工程的变量。如图4所示。

这些变量与PLC内部的变量是一一对应的，PLC输入输出完全由组态王内部变量代替。这样，PLC的实际输入输出状态就会全部反映在组态王监控界面上了。

3.2.2 建立机械手画面及动画连接

设计机械手图形界面并建立动画连接，组态画面如图5所示。画面中的动画连接均采用隐含连接方式，也就是当画面中的各个图素隐含连接表达式为真时才将其显示出来，当表达式不成立时则会隐含。

4 仿真运行

在PLC編程软件和计算机完成通信后，将程序下载到设备中。打开组态王，点击机械手控制工程，切换到view状态，选择单周期模式，按下启动按钮，机械手纵轴开始伸出，向下移动，下降到位后，执行夹紧动作，当机械爪夹紧货物后，机械手纵轴开始收缩，垂直向上方行走，到上限位后，机械手横轴开始伸出，向右移动，机械手横轴一直伸出到右限位后停止，此时机械手纵轴开始伸出，将小球向垂直方向放下，机械手将货物放到2号皮带机上后，纵轴开始缩回，向上运动到最高限位，机械手水平向初始位置缩回，控制机械手回到原始位置停止。运行过程中，没个动作的状态都有相应指示灯指示。

5 结语

本文设计了气压驱动的机械手基本结构，采用S7-200型PLC实现了其控制系统，上位机用组态王开发了人机界面，上位机和下位机之间通过PPI协议实现通信。实践证明，在没有机械手实物的情况下，完全可以逼真模拟PLC对机械手的控制过程。如果采用PLC仿真软件，在没有PLC的情况下也可以模拟实际系统。

参考文献

[1]张凤珊.电气控制及可编程序控制器[M].北京：中国轻工业出版社，2013.

[2]王智勇，王延华.基于S7-300PLC和WinCC的锅炉控制系统[J].产业与科技论坛，2011（03）：161-162.

[3]王阿根.西门子S7-200PLC编程实例精解[M].北京：电子工业出版社，2017.

[4]王志兰.基于S7-400 PLC工业废水处理系统设计[J].科技创新导报，2011（08）：154.

[5]吴松，黄元，基于组态王和PLC的机械手及其控制系统的设计[J].机械工程师，2011，（8）：48-49.

[6]李卫平，原思聪.基于PLC和组态王的泵站监控系统设计[J].自动化技术与应用，2004，23（5）：28-30.