基于PLC和触摸屏的气动机械手控制系统的设计

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随着制造业 自动化需求的日趋增加，机械手在工业生产中得到越来越广泛的应用 I2 J，这大大减轻了劳动者的劳动强度，提高了劳动生产率。

近 20年来，气动技术得到迅速的发展。电气可编程控制技术与气动技术相结合 ，使系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展；现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环 比例伺服控制，控制精度不断提高 J，气动技术的发展使其在工业生产中的应用进-步扩大。

随着气动技术的发展，气动机械手也得到迅速广泛的应用，它因具有结构简单、重量轻、动作迅速、工作可靠、节能和环保等优点而被广泛应用 。

气动机械手是由机械、气动、电气、PLC和触摸屏等元件构成的工业 自动化系统，是机械传动技术的-种重要形式，是控制与机械的重要结合点，广泛应用在生产线和各种 自动化设备中。

控制系统作为机械手的重要组成部分，其性能的好坏直接关系到机械手能否达到预期的设计要求，因此，探索机械手控制系统的设计方法具有重要的应用价值。

1 机械手控制功能需求分析该机械手的主要任务是将生产线上上-工位的工件根据工件合格与否搬运到不同分支的流水线上。完成-次作业任务，机械手的动作顺序为：伸出 -夹紧-上升 -顺时针旋转(合格品)/逆时针旋转(不合格品)-下降-放松 -缩回-逆时针旋转(合格品)/Jl质时针旋转(不合格品)。

为实现上述任务，该系统配置了 2只普通气缸、1只 3位摆台和 1只气动手爪。2只普通气缸均为单作用气缸，1只用于机械手的上升与下降，另外 1只用于机械手的伸出和缩 回，3位摆台用于实现机械手顺时针以及逆时针旋转运动，气动手爪用于工件的夹紧与松开(见图1)。

为确保机械手能够高效可靠地运行，机械手控制系统需要具备以下功能：① 单步运行，即机械手每次只完成-步动作；② 连续运行，即机械手连续完成多步动作，完成-次工件的搬运任务；③ 具备用户权限设置，限制未授权人员对机械手的操作，减少误操作事件的发生概率；④ 故障报警，当系统出现故障或发生误操作时，给用户及时的报警信息，提醒用户。

收稿 日期：2012-10-12基金项 目：江苏拾六大人才高峰”项 目(2011A031)；江苏省高校 自然科学研究面上项 目(12KJB430006)资助作者简介：齐继阳(1969- )，男，安徽舒城人，副教授，博士 ，主要研究计算机集成技术。

20 液压与气动 2013年第4期伸缩气缸图 1 气动 系统原理图2 系统设计2.1 控制方案设计整个流水线系统采用主站加从站的分布式控制模式，主站负责从站之间的数据通信，从站负责控制各自的控制单元，在每个从站上配置了触摸屏，实现对控制单元的控制和工作状态的实时显示。在监控中心配置了上位机，在上位机上基于 WinCC开发了整个流水线的监控系统(见图2)。

图 2 控制系统组成 图机械手单元的控制系统采用从站 PLC加触摸屏的模式，从站 PLC主要负责系统控制逻辑关系的实现，触摸屏主要用于人机交互。整个控制系统由 PLC、触摸屏、压力变送器、磁性开关、电磁阀、指示灯、报警蜂鸣器等元器件组成。

触摸屏采用多功能面板 MP277，配置 Windows CEV3.0操作系统，用 WinCC flexible组态，适用于高标准的复杂机器的可视化，可以使用 256色矢量图形显示功能、图形库和动画功能，拥有 RS.232、RS-422/485、USB和 RJ45接口，可以方便地与计算机、PLC进行通信，交换数据。该触摸屏可以承受剧烈振动或多尘等恶劣工业环境。

PLC选用 CPU 314C.2 DP，是-个用于分布式结构的紧凑型PLC，其内置数字量和模拟量 I/O可以连接到过程信号，PROFIBUS DP主站/从站接口可以连接到单独的 I/0单元。该 PLC具有丰富的指令集和强大的通信功能，被广泛应用在工业 自动化控制领域。

整个控制系统的输入信号有压力变送器的气体压力的模拟量信号、按钮和气缸的磁性开关的开关量信号以及测试单元的对零件测试结果信号。压力变送器产生的模拟量信号用以判断气体的压力是否满足要求；按钮的开关量信号用以反映操作者对气动机械手的动作指令，气缸的磁性开关的开关量反映气缸杆的位置。系统的输出信号有电磁阀信号、运行指示灯和报警蜂呜器信号。电磁阀信号用以驱动气缸的动作与否，运转指示灯显示系统的运行状况，当系统出现误操作，系统气体压力过高或过低，不能满足系统要求时，报警蜂鸣器将会呜叫报警，确保系统的运行安全。

2.2 PLC程序设计1)STEP 7软件的简介某公司为其 s7-300和$7-400系列 PLC开发了编程软件 STEP 7 Professional 2010，能够实现硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。在 STEP 7中，用项 目来管理- 个 自动化系统的硬件和软件。STEP 7用管理器对项目进行集中管理，可以方便地浏览 s7、M7、C7和WinAC的数据。PC/MPI适 配器用 于连接安装 了STEP 7的计算机的RS.232C接口和PLC的MPI接口。

运行 STEP 7编写 PLC程序，可以选择梯形 图(LAD)、功能块图(FBD)、指令表(STL)、顺控程序(S7.GRAPH)和结构化控制语言(SCL)五种编程语言以满足不同用户的编程习惯。另外，其 S7.PLCSIM仿真拈可以模拟真实的 PLC，检查 PLC程序的运行情况，及时发现程序的错误所在。因此运用 STEP 7大大降低了PLC程序开发的工作量，提高了系统开发的效率。

2)从站之间的数据通信在本项目中，机械手单元的从站需要获褥测单元对零件检测结果的信号，从而决定将零件送往哪个流水线分支。

在 Profibus-DP网络中，从站之间不能通信，因此，机械手单元的从站必须通过主站获褥测单元的信2013年第4期 液压与气动 2l号。首先主站与检测单元从站进行通信，获褥测单元从站的信号，然后，主站与机械手单元从站进行通信 ，这样机械手单元从站就获取了检测单元从站的信号 ，从而间接实现检测单元从站与机械手单元从站之间的数据通信。

3)程序开发过程(1)确定 l/O地址的分配 根据系统的输入输出的要求，分配 I/O地址，这里包括开关量地址和模拟量地址，输入信号除了来 自物理元气件外，还有来 自触摸屏的软元件。

(2)确定程序结构 程序采用拈化的设计方法，整个程序包括 OB1、OB100和 OB35三个对象块。

OB100负责初始化，OB1负责实现控制逻辑关系，OB35负责系统运行时触摸屏上的动态画面的画面切换。

(3)编写各个对象块程序 根据机械手动作要求 ，分析系统控制逻辑关系，编写控制程序。在程序中需要识别干扰信号，避免干扰信号引起机械手的误动作。机械手的动作可以分为多步，各步有严格的先后顺序，在此我们采用 S7-GRAPH编写函数块，该函数块含有 1个顺控器，该顺控器包含 11个步，其中包含2个选择结构以区别产品的合格与否。在每-步中，以该步动作完成后产生的对应传感器信号的常闭触点作为步的互锁条件，以该步动作完成后产生的对应传感器信号的唱触点以及下-步动作完成产生的对应传感器信号的常闭触点的串联作为转换条件。

(4)系统程序的验证 s7-PLCSIM仿真拈具有强大的仿真能力，可以很好地验证程序的正确性，程序编写完成后，可以通过该仿真拈进行验证，发现程序中不完善部分，加以改进。

2.3 监控 系统设计该公 司 为其人 机界 面设 备提供 了组态 软件WinCC flexible。WinCC flexible具有开放简易的扩展功能，带有 Visual Basic脚本功能，集成了 ActiveX控件 ，可以将人机界面集成到 TCP/IP网络，它带有丰富的图库，提供大量的图像对象供用户使用。它可以满足各种需要，从单用户、多用户到基于网络的工厂 自动化控制与监视 。

为实现人机交互设备与 PLC的通讯，必须在人机交互设备与 PLC两者之间建立连接。人机交互设备与PLC可以建立 MPI连接，建立 MPI连接后，WinCCflexible才可以通过变量和区域指针控制两者的通讯。

在 WinCC flexible中，变量分为内部变量和外部变量，其中外部变量是 PLC中所定义的存储位置的映像，人机交互设备和 PLC都可以对该存储位置进行读写访问从而实现两者之间的数据交换。区域指针是参数区域，用于交换特定用户数据区的数据，WinCC flexible运行系统可通过它们来获得控制器中数据区域的位置和大小的信息，在通讯过程中，控制器和人机交互设备交替访问这些数据区，相互读、写这些数据区中的信息 。

为实现机械手操作过程的可视化，在本系统中，采用了 10英寸的多功能面板 MP277，并用组态软件WinCC flexible开发了触摸屏的监控系统。

整个监控系统包括 4个功能拈，即单步模式、连续模式、故障报警和用户管理功能拈。

单步模式实现对机械手单步运行控制，完成-次搬运任务共有 8个单步动作，即伸缩气缸伸出、气动手爪夹紧工件、升降气缸上升、3位摆台的左旋或右旋摆动、升降气缸下降、气缸 自左向右旋转、气动手爪松开工件、伸缩气缸缩回和 3位摆台的右旋或左旋摆动(见图 3)。

气赫机械乎控制 爨缱肆 耐械 盘§ 目 丌 图 3 控制 系统手动模式运行 画面连续功能拈主要负责控制机械手完成-次作业所有动作的连续执行，并以动画形式实时显示机械手运行状态。

故障报警功能拈主要负责系统的故障显示，当系统出现故障时，如气压过高或过低，对机械手的错误操作等，发出提示消息，以便管理维护人员及时发现，及时维修。

用户管理功能拈主要负责用户权限的管理，根据用户的职责赋予用户各 自不同的权限，限制用户的非法操作，这样可以大大减少事故的发生概率。

3 结论气动搬运机械手广泛应用在工业 自动化领域，是- 个由机械、气动、电气、PLC和触摸屏等元件构成的复杂的机电-体化工业装备，机械动作复杂且具有严格的先后逻辑关系。本文在充分利用了 PLC控制的灵活性以及触摸屏在可视化方面的便捷性基础上，设22 液压与气动 2013年第4期基于液压伺服控制的静压轴承动态特性测试潘云忠，刘琳霞Dynamic Characteristics Test of Hydraulic Servo ControlledHydrostatic BearingPAN Yun-zhong，LIU Lin·xia(健雄职业技术学院，江苏 太仓 215411)摘 要：该文利用线性化方法建立了单 自由度液压伺服控制系统的数学模型，给出了模型的详细推导过程，并设计了系统硬件电路。对系统进行测试的结果表明，单 自由度液压伺服控制的静压轴承响应速度最快，且油膜刚度和承载能力最强，为新型节流器的开发提供了重要的设计参考。

关键词：液压伺服；单 自由度；响应速度；承载能力中图分类号：TP273 文献标志码：B 文章编号：10004858(2013)04-0022-03引言将液压伺服控制用于静压轴承，从而开发新型节流技术，是现代机械领域-个研究热点 -2]。为了发现节流器的设计规律，有必要研究液压伺服控制静压轴承的动态特性 J。本文主要研究基于液压伺服控制，给出静压轴承动态特性分析算法，同时设计相应的硬件电路，并对其进行测试。

1 单自由度液压伺服控制数学建模单自由度液压伺服控制静压轴承示意图如图 1所示。

1)轴承油腔压力模型的建立轴承上腔节流方式为毛细管节流，下腔节流方式为液压伺服阀节流，并且主轴刚开始时位于中心，在垂直作用力下向下偏移-定距离。Q Ctwxv√吾(ps-p-) /伺图 1 单自由度液压伺服控制静压轴承示意图收稿 日期：2012-10-24作者简介：潘云忠(1979-)，男，黑龙江绥棱人，讲师，硕士，主要研究方向：机电控制。

计了基于 PLC和触摸屏的气动机械手控制系统，用S7-300系列 PLC的编程软件 STEP 7编写了其功能软件，并用 WinCC flexible开发了其监控软件，既保证了机械手各种动作之间的严格先后逻辑关系，也实现了操作过程的可视化和系统的安全性。