基于PLC和WinCC 的机械手监控系统设计

郑长山

(扬州工业职业技术学院，江苏扬州225127)

0 引言

PLC技术在工程上应用十分广泛，尤其针对机械手，它能部分代替人工操作，能按照生产工艺要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸。机械手的应用可以大幅度减少人工重复操作，降低生产过程中的危险系数，极大地提高生产效率与工作精度。此外，机械手还能在无人区或对人有害的环境中正常工作［1］。

本文研究了基于PLC的机械手控制系统的设计，还研究了组态软件WinCC在机械手控制系统中的应用，利用WinCC设计了机械手模型控制系统监控界面，提供了较为直观、清晰、准确的机械手运行状态，为故障诊断提供了多方面的可能性，充分提高了系统的工作效率。

1 系统功能设计

机械手有三种运行方式:自动运行、单周期运行和手动运行。见图 1［2］。

图1 机械手工作示意图

1.1 自动运行方式

当机械手在原点时，按下启动按钮，传送带运转。当光电开关PS检测到工件后，传送带停止运行。自动启动机械手下降，碰到下降极限开关，机械手停止下降，同时接通夹紧/放松电磁阀线圈。

当夹紧到位时，压力继电器动合触电闭合，接通上升电磁阀线圈。

上升到位时，碰到上升极限开关，机械手停止上升，同时接通右旋转电磁阀线圈。

右旋转到位时，碰到右旋转到位开关，停止右旋转，同时接通下降电磁阀线圈，机械手下降，碰到下降极限开关，停止下降，同时断开夹紧/放松电磁阀线圈，放松时间为4秒。

4秒后自动启动机械手上升，上升到位，碰到上升极限开关，机械手停止上升，同时接通左旋转电磁阀线圈。

左旋转到位，碰到左旋转极限开关，停止左转，回到原点，再次自动启动传送带，当光电开关PS检测到工件后，又开始新的工作循环周期。工作流程如下:

1.2 机械手单周期运行

机械手单周运行是指按下启动按钮后，机械手从原点开始下降，完成上述动作后停止运行。若要求机械手继续工作，要再次按下单周期启动按钮。

1.3 机械手手动运行

机械手手动运行是指机械手的上升、下降、左旋转、右旋转、夹紧/放松等操作通过对应的手动操作按钮来控制，与操作顺序无关。

2 系统硬件设计

采用上述三种工作方式设计控制系统。

(1)根据任务进行输入和输出分析，最后确定16个数字量输入，6个数字量输出。

(2)根据输入/输出的个数，本着够用的原则，选择适合的硬件组态，保存和编译。硬件组态过程如下:

如果选择了电源模板PS307，必须安装在1#槽位上;CPU模板的安装位置紧挨着电源模板，安装在2#槽位上;用于连接扩展机架的接口模板IM，安装在3#槽位上;各种信号模板SM，安装在4～11#槽位上。从4#槽位开始，CPU为信号模板分配I/O地址，且根据信号模板的类型递增I/O地址［2］。

PLC硬件组成如图2所示。

图2 PLC硬件组成

3 编程及仿真调试

3.1 地址及变量分配

输入/输出地址分配如表1所示。在WinCC中输入操作变量和输出显示变量。

3.2 编程

根据任务、地址分配及WinCC变量编写机械手程序。

双击SIMATIC Manager，打开OB1，将程序键入。

程序中有现场控制的输入和输出，还有通过WinCC画面控制的输入操作变量和输出显示变量。

机械手部分程序如图3所示。

图3 机械手部分程序

3.3 仿真调试

用STEP-7编程软件编好的程序，在SIMATIC管理器下，单击选中SIMATIC300站点，S7-PLCSIM模拟软件在STOP状态下下载，然后选择RUN，根据任务调试程序，现场输入和输出调试，WinCC中输入操作变量和输出显示变量调试。S7-PLCSIM模拟软件如图4所示。

图4 S7-PLCSIM仿真软件

自动运行方式:自动启动按钮按下再松开，用鼠标在I0.0打“√”，再去掉“√”来模拟;传送带启动运行;输出Q4.0打“√”来模拟传送带启动运行。当光电开关PS检测到工件后，用鼠标在I1.1打“√”来模拟;传送带停止运行，输出Q4.0的“√”自动消失模拟传送带停止。机械手自动下降，输出Q4.5自动打“√”来模拟传送带下降;机械手碰到下降极限开关，用鼠标在I1.5打“√”来模拟;碰到下降极限开关，机械手停止下降，输出Q4.5的“√”自动消失模拟机械手停止下降。

单周期运行方式和手动运行方式跟自动运行方式在方法上类似。

根据表1在WinCC中输入操作变量和输出显示变量。WinCC的输入变量M打勾，观看输出Q显示勾变化。

4 WinCC组态及监控设计

WinCC组态及监控过程如下:

(1)双击Windows桌面SIMATIC WinCC Explorer。

(2)鼠标左键单击新建WinCC项目，选择单用户项目，起名字为“机械手PLC控制及WinCC监控”，单击“确定”按扭。

(3)右击WinCC资源管理器左边中的“变量管理器”。单击“添加新的驱动程序”选项，在“添加新的驱动程序”对话框中，选中“SIMATIC S7 Protocol Suite.chn”打开。

(4)右击通道单元MPI，在弹出的菜单中，单击“新驱动程序连接“选项。

单击属性按钮，选择2#插槽。单击“确定按钮”。

(5)右键NewConnection，选择新建变量，名称输入自动启动按钮SB1，数据选择位内存，M20.0;右键NewConnection，选择新建变量，名称输入正常停止按钮SB3，数据选择位内存，M20.3;右键NewConnection，选择新建变量，名称输入上升极限开关，数据选择位内存，M20.4。用此法，按照上面的表1，建立输入显示变量。

右键NewConnection，选择新建变量，名称传送带接触器，数据选择输出，地址Q4.0。同理用此方法，按照表1建立其他输出变量。如图5所示。

(6)编辑过程画面

①在 WinCC资源管理器中，右击“画面编辑器”。

②在弹出菜单中，单击“新建画面”选项。

③在WinCC资源管理器右边的子窗口中，双击“Newpdl.pdl”，打开画面编辑器。

④在打开的图形编辑器中编辑自己想编辑的画面。如图6所示。

图5 输入操作变量和输出显示变量

图6 WinCC画面图形

(7)连接输入的操作变量，鼠标光标放在画面的自动启动按钮上，按钮按下为“1”，设置过程:右键→属性→事件→按钮→鼠标→按左键→右键C动作→删除大括号内容→在大括号内英文状态下键入{SetTagBit(“”，1);}→引号内容到窗口编辑动作中的变量选择→{SetTagBit(“自动启动按钮”，1);}→确定。

按钮松开为“0”，设置过程:右键→属性→事件→按钮→鼠标→释放左键→右键C动作→删除大括号内容→在大括号内英文状态下键入{SetTagBit(“”，0);}→引号内容到窗口编辑动作中的变量选择→{SetTagBit(“自动启动按钮”，0);}→确定。如图7所示。

图7 自动启动按钮连接过程

单周期启动按钮、正常停止按钮连接方法与自动按钮类似。

其他各种开关，还有紧急停止按钮都是按左键是1，按右键是0。

(8)连接输出的显示变量，鼠标在画面上的传送带上，设置过程:右键→属性→属性→颜色→背景颜色→右键→动态对话框→鼠标点击表达式/公式右边按钮→选择变量→找传送带接触器变量Q4.0→确定→数据类型布尔型→真，绿色→假，灰色→事件名称→触发器→250ms→应用。如图8所示。

图8 连接输出的显示变量

其他输出显示变量连接方法类似传送带接触器。

(9)保存激活项目，做这一步之前要将程序下载到PLCSIM中，然后在所做的画面中，鼠标左键点击“保存”按钮，然后点击“运行系统”按钮。

经过一段时间装载后，将出现“WinCC运行系统”画面。通过鼠标按下自动启动按钮，传送带运行。然后用鼠标在画面点击操作，将信号“1”或“0”送到程序中输入变量，程序作用后，通过输出显示变量看到根据任务而进行的颜色变化，形象的看到运行过程。

5 系统联机调试

5.1 联机调试

断电，根据地址分配将真正PLC与实物模型接线，对接好的线检查，然后通电。双击 SIMATIC Manager→新建项目→取名字→插入对象→SIMATIC 300站点→硬件组态→编写程序→下载到真正的PLC中(不要打开 PLCSIM仿真器)→进行联机调试。

5.2 两地控制调试

两地控制调试过程:现场是一个地点，输入信号通过模型按钮和开关给出，经过PLC程序的作用，看到模型指示灯显示亮或者灭(灯亮表示工作，灯灭表示不工作)，同时，在WinCC画面上看到颜色的变化。另一个地点，在WinCC画面中，用鼠标模拟开关和按钮操作，经过PLC程序的作用，看到画面输出的颜色变化，同时看到模型动作指示灯显示亮或者灭。

6 结论

通过采用PLC的机械手控制系统设计，提高了系统自动化程度，增强了系统可靠性，控制精度也大大增强。通过采用WinCC组态控制系统，提供较为清晰、直观、准确的机械手运行状态，进而为维修和故障诊断提供多方面的可能性，系统监控的应用能力和运行效率得到了大大增强。

［1］ 王亮，李虹.PLC对机械手的定位控制［J］.机械工程与自动化，2012，(4).

［2］ 胡学林.可编程控制器原理及应用(第二版)［M］.北京:电子工业出版社，2012.

［3］ 胡学林.可编程控制器教程(提高篇)［M］.北京:电子工业出版社，2005.

［4］ 许志军.工业控制组态软件及应用［M］.北京:机械工业出版社，2011.