基于WinCC机械手工作站系统设计*

王 京，李金义

（北京电子科技职业学院汽车工程学院，北京 100176）

基于WinCC机械手工作站系统设计*

王 京，李金义

（北京电子科技职业学院汽车工程学院，北京 100176）

文章介绍了基于WinCC机械手工作站系统的硬件、软件设计和实验研究。该系统包括WinCC监控、PLC和机械手三部分。在上位机的总控下，实现了PLC对直线气缸、导向气缸、扁平气缸、气抓手等组成的机械手的运动控制，开发了WinCC中对大批变量的快速组态方法，挖掘了少授权的以机械手工作站为核心的22个动作的WinCC监控和交互经验。系统提高了生产线自动化的程度，提高了生产效率，为无人化生产线做出了探索。

WinCC；机械手；系统

0 引言

无人化是现代自动生产线的发展趋势之一。WinCC系统可以监控现场众多设备的运行状况，实现现场数据采集、参数调节和各种信号的报警。机械手是自动化生产线上不可或缺的自动操作装置，它能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具。基于WinCC机械手工作站为自动化生产线管理的自动化、迅速化、精准化、高效化提供了可能［1-4］。

1 工作原理

WinCC机械手工作站系统如图1所示。系统由WinCC监控、PLC和机械手三部分组成。导向气缸、直线气缸、扁平气缸、气抓手组成能沿Y轴、X轴和Z轴移动的三自由度机械手，如图2所示。机械手的运动由西门子S7-300（cpu314）PLC程序通过阀岛控制。机械手的运动状态由WinCC监控。PLC通过PROFIBUS-DP向阀岛传递指令，WinCC和PLC之间采用MPI方式通信［5-7］。

图1 机械手工作站系统

图2 机械手

机械手工作站的工作流程如图3所示，包括上料、工位1、工位2和工位3。初始时，各气缸处于初始位置，工位上均无工件，工件在上料托盘中处于被提取状态。按下启动按钮后，摆动气缸左摆，从上料平台中吸取工件，右摆至工位1后放下工件，无杆气缸右移将工件送至工位2，加工完成后，机械手顺序完成动作7至动作22，将工件从工位搬运至工位3，并完成机械手的复位。

图3 机械手工作站工作流程

2 系统设计

2.1 系统元件选择

本系统采用WinCC V7.0版本，该版本能最大限度地满足操作简便性，具有强大而灵活的过程可视化功能，能控制2048个外部变量，集成了SIMATIC LOGON等功能［8］。

系统气动部分的最大允许压力为6bar，电压为24V DC、4.5A。选择Festo公司的现场总线型阀岛作为气动控制元件。其结构紧凑、拆装灵活、性能良好，使用一根四股屏蔽电缆就可以实现元件的连接，抗干扰能力请，数据传输可靠。气缸型号及对应的阀片如表1所示。

PROFIBUS-DP协议是为自动化制造工厂中分散的I/O设备和现场设备所需要的高速数据通信而设计的。DP的配置为主从结构，DP主站与DP从站间的通信基于主-从原理，实现总线型阀岛、输入设备和上位机自由交换信息。

表1 气缸型号及对应的阀片

2.2 变量组态

在自动生产线上，机械手工作站只是3个工位、22个动作组成的单元，但WinCC系统中需要32个变量才能实现与现场的交互。这些变量逐一在变量管理器中定义，是需要花费大量人力和物力的，对于整个自动生产线来说变量的建立工作繁重程度就可想而知。

机械手的32个变量中有24个是PLC程序中的变量。在程序编写中都会建立变量表、DB块等，用于保存采集的过程值。利用西门子TIA（全集成自动化）理念，在WinCC项目中直接调用PLC S7中已经建立的变量，从而大大提高工作效率。

（1）组态条件

WinCC项目直接调用S7变量的前提是将WinCC项目集成在STEP 7项目中。要实现集成功能，必须具备以下前提条件：计算机在安装WinCC前就安装了STEP 7；STEP 7与WinCC的版本必须兼容，避免因软件的兼容性问题而导致WinCC运行不正常；安装WinCC时，必须安装与集成功能相关的组件（AS-OS Engineering）。

（2）集成项目

在STEP 7的SIMATIC管理器中，右击项目名称，选择Insert New Object，新建OS（操作站），此时系统会在STEP 7项目文件夹里建立一个名为OS（*）的WinCC项目文件夹，右击该文件夹进行重命名，右击项目名选择Open Object，弹出WinCC项目管理器就可看到新建的WinCC项目。

（3）选择变量

WinCC项目集成到STEP 7项目后，可以将STEP 7项目的符号表变量和DB块变量一次性地传送到集成的WinCC项目中，该WinCC项目可以直接调用这些符号表变量和DB块变量。只有基本数据类型的变量才能被传送，而字符串、数组、Date and Time等复杂数据类型的变量不能被传送。

在STEP 7的SIMATIC管理器的左侧窗口中单击S7 Program（*），在右侧窗口中双击Symbols，打开符号表窗口，右击需要传送的变量选择Special Object Properties，选择Operator Control and Monitoring…，选中Operator Control and Monitoring项，单击OK按钮，此时该变量前将显示绿色小旗标记。

使用＜Shift＞+鼠标左键可以对符号表中成批变量进行标记操作，使用＜Ctrl＞+鼠标左键可以选择多个变量。变量标记的去除，只能逐一进行。符号表中有绿色小旗标记的变量将在后续操作中被传送到WinCC项目中。

（4）传送变量

在STEP 7的SIMATIC管理器中右击创建的WinCC项目，选择Compile，打开Wizard：Compile OS窗口，确认要编译的项目后，按窗口导向选中Compression项，选中Overwrite parameter assignment of existing archive tags进行相关编译。编译成功后，传送的变量将自动出现在WinCC项目相应的逻辑连接中，如图4所示。

图4 变量的逻辑连接

为了保持数据的一致性，传送后的变量不能在WinCC项目中直接修改或删除，必须在STEP 7项目中进行修改并再次传送。

（5）调用变量

在WinCC项目中调用STEP 7变量和WinCC项目中创建的变量的方法相同。在变量选择窗口中选中对话框右上角的STEP 7 Symbol Server项。此时窗口中显示可以选择的变量。

2.3 动作监控

在WinCC中可以通过指示灯来监控生产线上的运行状态。当系统流程执行到达某个位置时，相应的指示灯变色。能实时掌握生产线工作状态，也便于故障的查找和快速清除。

如果采用变量来控制图形对象颜色的方法，则每个指示灯要对应一个二进制变量，占一个WinCC Power Tags授权。采用“动态对话框”中的“位”数据功能，一个字节只占用WinCC Power Tags一个授权的前提下，代替8个二进制的变量，从而控制8个指示灯的显示。

在通讯连接中创建Unsigned 32-bit value的变量step，地址为MD5，在动作指示灯属性设置中制定对应位，如图5所示。

图5 指示灯对应位设置

22个动作指示灯的对应位如表2所示。

在每个动作的程序中添加灯的置位和复位语句，如图6所示，实现动作执行的同时，动作状态显示在WinCC中。

图6 动作程序

运行WinCC画面、PLC程序及PLCSIM，实现仿真运行，如图7所示。通过仿真后即可和系统连接，实现系统功能。

图7 机械手工作站仿真系统

表2 指示灯对应位

3 结束语

采用WinCC监控的机械手工作站性能稳定，运行良好。采用直接调用STEP 7变量的方法使得系统建立的时间成本大大降低，为大型生产线自动的自动监控系统的创建提供了案例。机械手动作状态显示明显、实时效果好，大大提高了发现故障、解决故障的效率，增强了自动化生产线的产能，降低了成本，收到了良好的经济效益。

［1］吕世霞，王京.阀岛技术在生产线自动供料系统中的应用［J］.制造业自动化，2010（9）：170-175.

［2］李永刚，马春燕.基于S7-300 PLC和WinCC带式输送机系统设计［J］.煤矿机械，2012（2）：214-215.

［3］王宏文，蒋君杰，吴玲玲，等.WinCC监控系统在烧结过程中的应用［J］.河北工业大学学报，2011，40（1）：1-4.

［4］陈瑞阳.工业自动化技术［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［5］蒋少茵.PLC控制的机械手［J］.微机算计，2012（2）：20-22.

［6］赵美宁，王佳.自动供料机械手的PLC控制系统设计［J］.液压与气动，2007（9）：57-60.

［7］宋佐时，易建强，赵冬斌.移动机械手控制研究进展［J］.机器人，2003（9）：465-469.

［8］李军.WinCC组态技巧与技术问答［M］.北京：机械工业出版社，2013.

（编辑 李秀敏）

Design of ManiPulator Workstation System Based on WinCC

WANG Jing，LI Jin-yi
（College of Automotive Engineering，Beijing Polytechnic，Beijing 100176，China）

The manipulator workstation system based on WinCC consisted of WinCC monitor，PLC and Manipulator.By the control of the main processor，it has realized the control of movement for Linear Cylinder，Guiding Cylinder，Flat Cylinder and Pneumatic Manipulator，it has developed the method of quick configuration for multitudinous variables in WinCC，and it has explored the 22 movements WinCC monitoring and interactive experiences centering on manipulator workstation system with a little of authorization.The system will raise the automatic level of the production line and improve the production efficiency，contributing positive exploration in unmanned production line.

WinCC；manipulator；system

TH166；TG506

A

1001-2265（2015）03-0090-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.03.024

2014-10-18；

2014-11-25

2014年北京市职业院校教师素质提高工程职教名师培养计划（PXM2014_014306_000054）；2014年度北京高等学校教育教学改革立项项目（探索翻转学期式教学，创新人才培养模式，校企共育高端汽车技术技能带头人）

王京（1975—），女，北京人，北京电子科技职业学院副教授，硕士，研究方向为汽车制造，（E-mail）15910542311@126.com。