基于PLC的工业机械手控制设计与组态监控

王朝阳　　（长江大学机械工程学院,湖北　荆州434023）

基于PLC的工业机械手控制设计与组态监控

王朝阳
（长江大学机械工程学院,湖北荆州434023）

在工业机械化建设中，PLC的开发为实现工业机械手在工业生产中的广泛应用、工业机械手的定位精准度提高创造了条件。可编程逻辑控制程序在实现自动化控制系统方面所表现出的可靠性、功能性以及编程操作简单等多方面特性，受到现代工业生产的。本文对PLC做了简单介绍，详细论述了PLC控制系统在工业机械手操作控制中的设计和组态监控。

PLC；机械手；设计；组态监控

机械手是一种自动操作装置，通过对预定程序要求的设定，模仿人手臂和手的某些系列动作，完成吸附、搬运或操作动作。在工业生产加工领域，机械手的使用有效地提高了工作效率，降低了人工劳动投入和成本投入，成为了工业化自动化领域的重要组成部分。所谓PLC，即可编程逻辑控制器的简称，是一种可编辑的存储工具，运用电子控制程序进行数字运算操作、顺序控制、逻辑运算等多项用户指令的操作，完成对机械或生产过程的控制。

机械手的应用减少了人力劳动，避免了工人工业生产中难以完成的危险动作和任务，有效减少和避免生产事故的发生，保障了生产节奏，提高生产效率。国内外在对工业化机械手的研究开发上不遗余力，而为了保证机械手的工作原理利用最大化，在实现自动化技术建设中，工业领域目前实现机械手自动化的控制方式包括PLC(可编程逻辑控制器)、IPC（工业控制计算机）、DCS（集散控制系统）三种典型方式。本文主要对PLC进行机械手控制设计进行分析。

1　PLC对工业机械手控制操作原理和过程

PLC的基本工作原理是以周期为单位，分为三个阶段进行，包括输入采样、用户程序执行和输出刷新，整个运作期间就是这三个阶段的周期性扫描和命令执行。

1.1输入采样阶段

在输入采样阶段，可编程逻辑控制器通过扫描读取所有输入数据和状态，进入I/O映象区进行信息的存储和保留，为转入下面阶段做准备。

1.2用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器按照从上至下的顺序进行用户程序信息的扫描，在用户程序梯形图形态扫描中扫描方式采用先左后右、先上后下的顺序，对各触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算结果，刷新逻辑线圈中存储RAM中对应位的状态，或者是输出线圈在I/O映象区中对应为的状态，再或者是确定是否执行某特定的功能指令。在此程序执行过程中，I/O映象区模块的数据信息不会随便呗更新，只有在程序直接进行I/O模块取值才会导致存储信息的更新，而不会因为立即输入指令导致信息的丢失。

1.3输出刷新阶段

结束扫描用户程序阶段，可编程逻辑控制器开始对信息进行输出，在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设，实现可编程逻辑控制器的实际输出。

2　工业机械手PLC控制系统的设计

了解了PLC的控制原理和过程，对于将PIC应用到工业机械手的控制和设计有着积极的促进作用。本次设计以在流水线、抛光机和装箱机之间机械手的设置作为研究对象，实现完成工件在不同工作区间的位置转换。结构如图1所示。

2.1机械手的控制要求

该机械手设置的具体目标过程是：首先要确定机械手的感知区域，当工件通过流水线的传送靠近机械手的感知区域A，机械手通过信号的接收获得感知，发生移动，实现加工工件的吸附，再将它转移到封口机B进行封口，待封口完成，机械手再将吸附工件放回流水线C。机械手再回归到原来的位置进行其他工件的操作。这一过程中，实现了机械手横轴、纵轴及竖轴以及工件吸附的一系列动作。

在机械手操作驱动控制中，其控制过程是在工件传送到位置A时，触碰开关SQ0，使电磁阀YV6通电之后按照程序要求下降，空气进入气缸使气缸驱动竖轴下降；竖轴下降，利用空气在下缸体的进入，执行机械手吸盘对工件的吸附，到达竖轴下限后，触碰开关SQ 12通电使电磁阀YV7通电；在保持吸附状态过程中，PLC控制器需要维持一定时间的待机，机械手吸附工件上升然后横轴向左移动到B位置的过程中，首先触碰到限位开关SQ11使接触器KM 1通电，后保持电机开始运转，然后闭合开关SQ5，使KM 3通电，同时KM 2电机开始运作，并拉动机械手纵轴向前运动；纵轴移动至触碰开关SQ10，竖轴开始下降电磁阀YV6通电，直到再次触碰SQ12开关，机械手不再维持工件吸附状态，然后工件进行抛光作业，此过程需要能满足抛光要求时间相应的待机时间，YV 7电磁阀断电，竖轴再次上升至SQ 11。抛光工作完毕，竖轴下降，使YV7再次通电，继续对工件进行吸附和转移。与之前一样，需要一定的待机时间方便机械手将工件从B转移到C处，此转移过程中，竖轴上升至SQ 11使KM 1通电，横轴移动中到达SQ6，使电磁阀YV6通电，竖轴再次下降至开关SQ12导致YV7断电，完成整个工件由A到B再到C的工艺流程。最后机械手准备回归原来的初始位置，竖轴上升触碰SQ11开关，横轴向右移动使KM 2通电，并最终关闭开关SQ4。如上所述，是实现PLC操控机械手实现自动化操作的一个循环。

2.2机械手控制的设计要求

2.2.1硬件设计

在工业化生产上，机械化操作对于机械操作控制要求是相当严格的。为了适应机械手的操作需求，上下左右的移动，至少需要对机械手操作控制系统配置19个输入点，具体的输入点包括：自动开关和手动开关，工作到位开关和停止按钮，横轴的左限位、中限位、右限位三个开关，纵轴的前限位、中限位、后限位三个开关，竖轴的上限位和下限位开关；以及手动控制按钮中的上升、下降、前进、后退、夹紧、松开指令六个按钮。

设置了输入点，就一定会有输出点的设置需求。正常情况下，有需求的输入点包括在工业化生产结束后的指示灯、操控机械手横向左行和横向右行指示灯、控制机械手纵向上升和下降的指示灯、控制机械手前性和后退的指示灯。这些输出点信号的给与，对工业化生产中起到重要的提示和监督作用，避免了手动控制时，对机械手的盲目操控指挥，而发生不必要的失误。

综合这些操作情况的设置需求，在选择使用的机械化操纵系统控制设备时，由于可编程逻辑控制器的分类种类多样，规格有也很多样，所以要严格遵从实际需求来进行合适控制器的选择，以免造成不必要的资源浪费。譬如，三菱公司的FX2N-48MR型可编程逻辑控制器（PLC），性能比较稳定，也能满足在此项技术设计中对于众多输出和输入点设计的需求。

除了对适配性控制器的选择，还要对操作控制面板和电路进行设计，才能保障工业化生产的顺利进行。对机械手的操控要进行输入点和输出点的设置，是通过电脑系统进行完成的，但是在一些操作中，譬如机器设备的停机和启动等手动操作，没有控制面板，就无法完成相关有用按钮和指示灯的设置，所以，控制面板是必须要随机配备的。相应的，控制面板的控制电路设计要完备。

2.2.2软件设计

在工业化生产中，机械手的不停运作需要自动化设计，以保证单位时间的工作效率最大，而对于生产中单步运行和回原位的实际需求来说，手动设计也是不可缺少的，所以在设计中，往往是同时采用手动和自动方式的结合。这就要求，在自动和手动开关的设置中进行使用条件的全面考量，保证两种方式程序互补干扰，避免开关指令不不合理执行或停止。

3　工业机械手PLC控制系统的组态监控

在对机械手进行控制设计后，需要对控制系统实施监控，系统的监控界面采用一款名为组态王的组态软件进行设计。其设计实现过程主要分为四个步骤：

（1）机械手虚拟控制系统是由多个机械电子元件组成，包括按钮、指示灯、限位开关等基础元件，这些元件构成机械手虚拟控制系统，方便组建系统工程。

（2）连接电源，保证操作设备与系统的正确连接，在组态王工程浏览器中，根据设备配置导向和数据词典，对系统进行外部设备和数据库的定义。

（3）根据工业生产的要求，进行组态界面的设置，将图速通与实时数据库相关变量通过动画画面进行其对应关系呈现，通过仿真搬运操作区间，设置实际参数来实现实时监控，保证工艺流程。

（4）将符合实际工业操作需求的应用程序写入PLC中，确保PLC设置为有效运行状态，并且换为监控状态，同时对画面监控与实际运行操作进行对比，保证监控画面的真实有效，即为实现了控制系统的组态监控。

4　结束语

可编程逻辑控制器在社会发展中顺应现代化工业建设需求，在多方面功能特性上不断地完善和更新，在社会上引起广泛关注并得到利用。工业机械化生产是社会工业化建设进步的巨大推动力，而工业机械手在其中又起到了相当关键性的作用，减少人工劳动，提高工业生产效率，为推动工业化发展作出了巨大贡献。只有将工业机械手与可编程逻辑控制器相结合，用可编辑逻辑控制器控制设计机械手的操作并实施组态监控，才能充分发挥工业机械手的最大利用价值，也是实现工业化建设全面自动化的重要举措。

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