氣動(dòng)機(jī)械手的自動(dòng)控制和上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)

氣動(dòng)機(jī)械手的自動(dòng)控制和上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)張平洋,吳向前蓋曉華(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830008)[摘要]本設(shè)計(jì)采用松下FP1-C40型PLC為控制器，以組態(tài)王軟件為上位機(jī)開發(fā)平臺(tái)。通過(guò)分析控制動(dòng)作流程，完成PLC程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)機(jī)械手將不同顏色的物塊搬運(yùn)到指定位置。通過(guò)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)圖形界面，定義I/O設(shè)備，構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)，建立動(dòng)畫連接及聯(lián)機(jī)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控?？刂瓢踩煽?，監(jiān)控界面友好。[關(guān)鍵詞]氣動(dòng)機(jī)械手；FP1-C40；上位機(jī)；實(shí)時(shí)監(jiān)控TheDesignofAutomaticControlandSupervisionwiththeHostComputerforPneumaticManipulatorAbstract:ThedesignisbasedonPLCofPanasonicFP1-C40asthecontrollerandtheconfigurationsoftwareasthedevelopmentplatformofthehostcomputer.Wedesignthecontrollingflowchart,makethePLCcontrolprogram,andfulfilltoconveyobjectsofdiversecolorstodifferentplaceswithpneumaticmanipulator.Moreover,usingconfigurationsoftware,wedesignthegraphicalinterface,setthesystem’sI/Odevice,structurethedatabase，establishtheanimationconnection,debugonlineandfinallyachievereal-timemonitoringandcontrollingofthehostcomputer.Thecontrolissafety,stableandthecontrollinginterfaceisfriendly.Keywords:pneumaticmanipulator;FP1-C40;thehostcomputer;real-timemonitoringandcontrolling在現(xiàn)代工業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手是自動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)，并已成為現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分。本課題采用松下FP1—C40型PLC，根據(jù)控制要求對(duì)機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手系統(tǒng)將不同顏色的物塊搬運(yùn)到指定位置，并以組態(tài)王軟件為開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手分揀物料工況的上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控。此機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)可移植應(yīng)用于一些工業(yè)產(chǎn)品的分揀裝箱，可大大提高工作效率，并能使人體避免接觸一些對(duì)人體有害的化工產(chǎn)品，提高工廠的工作安全性。1機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)硬件總體方案設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手自動(dòng)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要設(shè)備有：計(jì)算機(jī)、松下FP1-C40型PLC和機(jī)械手工作臺(tái)，其中機(jī)械手工作臺(tái)主要包括以下部分：24V穩(wěn)壓電源、空氣壓縮機(jī)、電感式接近開關(guān)、色標(biāo)傳感器、電控?fù)Q向閥和氣缸。圖1氣動(dòng)機(jī)械手自動(dòng)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 松下FP1-C40是機(jī)械手系統(tǒng)的控制器，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手裝置的控制，以組態(tài)軟件為開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控。穩(wěn)壓電源為PLC、電控閥、電感式接近開關(guān)及色彩識(shí)別元件供電，空氣壓縮機(jī)為氣缸動(dòng)作提供動(dòng)力。通過(guò)電感式接近開關(guān)信號(hào)變化，借助電控?fù)Q向閥改變氣缸的運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手抓取和松開物塊，及機(jī)械大小臂前后、上下動(dòng)作，完成傳送物塊任務(wù)。色標(biāo)傳感器用來(lái)檢測(cè)物塊的顏色，使機(jī)械手裝置分揀不同顏色的物塊到指定位置。機(jī)械手控制系統(tǒng)I/O接線此機(jī)械手控制系統(tǒng)共有33個(gè)I/O點(diǎn)，其中22個(gè)輸入點(diǎn)，11個(gè)輸出點(diǎn)，根據(jù)I/O分配表，焊接電感式接近開關(guān)、色標(biāo)傳感器，以及電控?fù)Q向閥的電源線、信號(hào)線于輸入輸出端子排，其中PLC面板上的COM均與電源的正極相連，上面的輸入/輸出端子均與COM在PLC的內(nèi)部相連?，F(xiàn)場(chǎng)的接線面板上COM均與電源的負(fù)極相連，現(xiàn)場(chǎng)的輸入/輸出元件的負(fù)極均與COM在現(xiàn)場(chǎng)面板的內(nèi)部相連，從而構(gòu)成控制回路。機(jī)械手控制系統(tǒng)I/O接線如圖2所示，其中，實(shí)線表示正極引線，虛線表示負(fù)極引線。圖2機(jī)械手控制系統(tǒng)I/O接線圖2機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2.1機(jī)械手控制系統(tǒng)程序流程圖設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)械手控制系統(tǒng)的工作要求，即把三種不同顏色的物塊搬運(yùn)到指定位置，機(jī)械手控制系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。圖3機(jī)械手控制系統(tǒng)程序流程圖2.2機(jī)械手控制系統(tǒng)下位機(jī)程序設(shè)計(jì)FPWIN-GR軟件是松下電工為其FP類型可編程控制器提供的編程軟件。FPWINGR除有編寫、修改程序等基本功能外，該軟件也支持PLC在線狀態(tài)監(jiān)控等功能。此機(jī)械手控制系統(tǒng)的程序包括物料臺(tái)傳送物塊、機(jī)械手1取放物塊、中間傳送臺(tái)傳送物塊、色彩識(shí)別定位物塊存放位置和機(jī)械手2取放物塊五部分，這里只分析色彩識(shí)別定位物塊存放位置程序，程序如圖4所示。當(dāng)中間檢測(cè)開關(guān)檢測(cè)到的物塊是黑色的時(shí)，X14、X15均處于斷開狀態(tài)，10號(hào)和11號(hào)氣缸均不動(dòng)作，物塊放到1號(hào)槽；當(dāng)檢測(cè)到的物塊是粉紅色時(shí)，X14處于閉合狀態(tài)，X15處于斷開狀態(tài)，通過(guò)中間寄存器R4使10號(hào)氣缸動(dòng)作，物塊放到2號(hào)槽；當(dāng)檢測(cè)到的物塊是白色時(shí)，X14、X15均處于閉合狀態(tài)，，通過(guò)中間寄存器R5使10號(hào)和11號(hào)氣缸均動(dòng)作，物塊放到3號(hào)槽。另外，當(dāng)定時(shí)器T93延時(shí)到，10和11號(hào)氣缸均復(fù)位。圖4通過(guò)色彩識(shí)別定位物塊存放位置程序2.3下位機(jī)控制程序調(diào)試FPWINGR軟件與PLC的通信使用RS232串口通信，與編程計(jì)算機(jī)相連的是RS232C端，與PLC相連的是RS422端。FPWINGR編程軟件與PLC通信調(diào)試經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：當(dāng)PLC上載或者下載程序時(shí)，PLC必須處于PROG狀態(tài)，不能處于RUN狀態(tài)，而且PLC不能與上位機(jī)監(jiān)控軟件處于通信狀態(tài)，否則操作會(huì)失敗。FPWINGR編程軟件內(nèi)設(shè)定的COM口與PLC和計(jì)算機(jī)相連的COM口必須一致，而且通訊參數(shù)設(shè)置應(yīng)相同，否則通信會(huì)失敗。程序編譯后，若沒(méi)經(jīng)過(guò)FPWINGR軟件總體檢查，且程序編寫有錯(cuò)誤時(shí)，程序可以下載到PLC，但運(yùn)行時(shí)程序不會(huì)被執(zhí)行，故在下載程序到PLC時(shí)，應(yīng)先對(duì)程序進(jìn)行總體檢查。2.4機(jī)械手控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)組態(tài)軟件是在自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣的組態(tài)方式提供良好的人機(jī)界面，此設(shè)計(jì)使用的組態(tài)王軟件是我國(guó)自主研發(fā)的上位機(jī)監(jiān)控軟件，其功能完善，易學(xué)易用。設(shè)計(jì)組態(tài)王工程的一般過(guò)程是：圖形組態(tài)、I/O設(shè)備組態(tài)、I/O變量組態(tài)和動(dòng)畫連接。2.4.1圖形組態(tài)有效的利用菜單欄里的各種工具及圖庫(kù)模型是快速建立圖形畫面的有效方法。機(jī)械手裝置靜態(tài)畫面如圖5所示。圖5機(jī)械手裝置靜態(tài)畫面2.4.2I/O設(shè)備組態(tài)在工程瀏覽器的目錄區(qū)，用鼠標(biāo)左鍵單擊項(xiàng)目管理中設(shè)備下的COM1，從樹形設(shè)備列表區(qū)中選擇PLC子目錄下的松下FP系列的FP1C40型，單擊“下一步”按鈕，則彈出設(shè)備配置向?qū)А斑x擇串口號(hào)”對(duì)話框，為配置的串行設(shè)備指定與計(jì)算機(jī)相連的串口號(hào)，并進(jìn)一步為串口設(shè)備指定設(shè)備地址，最后設(shè)定通信參數(shù)，則完成了I/O設(shè)備組態(tài)。2.4.3I/O變量組態(tài)組態(tài)王工程中，不同的PLC定義I/O變量時(shí)，地址形式有所不同，對(duì)于松下FP1-C4O型PLC，離散I/O變量的地址是＊.0—＊.Ｆ，即按十六進(jìn)制的方式進(jìn)行設(shè)定。如果變量地址設(shè)計(jì)形式出錯(cuò)，組態(tài)王與PLC聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)，通信會(huì)失敗。2.4.4動(dòng)畫連接組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中的畫面都是靜態(tài)的，要想反映機(jī)械手的工作狀況，需要把I/O變量和靜態(tài)畫面中的圖形進(jìn)行“動(dòng)畫連接”，此設(shè)計(jì)的輸出動(dòng)畫均用輸入變量的與或運(yùn)算表達(dá)式，結(jié)合組態(tài)王的隱含功能實(shí)現(xiàn)。3聯(lián)機(jī)調(diào)試在運(yùn)行組態(tài)王工程之前，根據(jù)需要可在組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行配置。組態(tài)王軟件與PLC聯(lián)機(jī)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：1）在聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)，如果某一個(gè)I/O端子接觸不良，可能就會(huì)引起系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，故聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)不能盲目修改程序，還要確保硬件設(shè)計(jì)的可靠性。2）組態(tài)王工程設(shè)定的COM口與PLC和計(jì)算機(jī)相連的COM口必須一致，而且通訊參數(shù)設(shè)置應(yīng)相同，否則通信會(huì)失敗。3）當(dāng)PLC與FPWINGR編程軟件正在通信的條件下，聯(lián)機(jī)調(diào)試通信會(huì)失敗。故聯(lián)機(jī)調(diào)試前，應(yīng)先退出FPWINGR編程軟件。4）聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)，若機(jī)械手工作臺(tái)附近有較劇烈振動(dòng)時(shí)，色彩識(shí)別會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，可能所有物塊都會(huì)分揀到同一個(gè)物料槽內(nèi)，故在聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)，空氣壓縮機(jī)不能離機(jī)械手裝置太近。經(jīng)過(guò)多次聯(lián)機(jī)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的。通過(guò)上位機(jī)的啟動(dòng)按鈕與停止按鈕可以控制下位機(jī)PLC程序運(yùn)行與否，從而控制機(jī)械手的工作狀況，通過(guò)監(jiān)控界面能實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀況。聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)，機(jī)械手控制系統(tǒng)根據(jù)物塊顏色確定把物塊放進(jìn)哪一個(gè)物料槽，上位機(jī)通過(guò)采樣I/O狀態(tài)，上位機(jī)監(jiān)控畫面中的對(duì)應(yīng)部位會(huì)隨著機(jī)械手工作臺(tái)中相應(yīng)部位的動(dòng)作而有一定時(shí)間滯后的動(dòng)作。機(jī)械手控制系統(tǒng)物塊色彩識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)畫面與監(jiān)控畫面如圖6所示。圖6物塊色彩識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)畫面與監(jiān)控畫面4結(jié)束語(yǔ)此設(shè)計(jì)采用松下FP1-C40型PLC為控制器，以組態(tài)王軟件為上位機(jī)開發(fā)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，很好的實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手系統(tǒng)的自動(dòng)控制和上位機(jī)監(jiān)控，達(dá)到了控制目的和良好的監(jiān)控效果。對(duì)學(xué)習(xí)研究機(jī)械手控制系統(tǒng)的人員有一定參考價(jià)值。