基于MCGS组态软件对机械手的控制

彭小平，凌双明

(1.长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124;2.湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082)

MCGS(Monitor and Control Generated System，通用监控系统)是一套能够快速开发计算机监控系统的组态软件，它基于Microsoft平台运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，它充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，组态技术在数据处理、网络通讯和图形界面等方面给监控系统提供了有力的支持，在自动化领域有着更广泛的应用［1］。机械手是一种模拟人手的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动化装置。它可以提高劳动生产效率及自动化水平，同时可以减轻劳动强度，实现安全生产。本文对机械手控制系统的工作方式、设计要点及MCGS组态控制进行了介绍。

1 控制要求

机械手的工作是将工件从A点移到B点，经过上升、下降、左移、右移、夹紧及松开几个步骤来实现，它具有手动、自动、单步、单周期、回原点五种工作方式，操作人员可以根据实际不同的需要来选择不同的工作。

1.1 系统控制工作方式设计

机械手工作原点在左上方，工作过程按下降→夹紧→上升→右移→下降→松开→上升→左移→回原点，完成这个工作循环，从而实现把工件从A点移送到B点的目的。［2］本系统要求机械手具有手动、回原点、自动、单步运行、单周期运行五种工作方式。

(1)手动方式:用各自的按钮使各个负载单独接通或断开。

(2)回原点:按下相应的按钮，机械手自动回到原点。

(3)单步运行:按动一次启动按钮，前进一个工步。此种工作方式适用于系统进行调试或调整过程中。

(4)单周期运行:在原点位置按启动按钮，自动运行一个工作周期后再在原点停止。若在中途按动停止按钮，则停止运行;再按启动按钮，从断点处继续运行，回到原点处自动停止。

(5)自动方式(连续运行):在原点位置按动启动按钮，连续反复运行。若中途按动停止按钮，运行到原点后停止［3］。

1.2 机械手动作过程分析

机械手动作示意图如图1所示。

图1 机械手的动作过程示意图

其全部动作由汽缸驱动，而汽缸又由相应的电磁阀和继电器控制。其中从原点开始按下启动按钮时，下降继电器线圈通电，机械手开始下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降继电器线圈断电，下降停止;同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧，夹紧后，上升继电器线圈开始通电，机械手上升;上升到顶时，碰到上限位开关，上升继电器线圈断电，上升停止;同时接通右移继电器，机械手右移，右移到位时，碰到右移极限位开关，右移继电器线圈断电，右移停止。此时，右工作台上无工作，则光电开关接通，下降继电器线圈接通，机械手下降。下降到底时碰到下限位开关下降继电器线圈断电，下降停止;同时夹紧电磁阀断电，机械手放松，放松后，上升继电器线圈通电，机械手上升，上升到极限时碰到极限位开关，上升继电器断电，上升停止;同时接通左移继电器，机械手左移;左移到原点时，碰到左极限开关，左移继电器线圈断电，左移停止。至此，机械手经过八步动作完成一个循环。

2 PLC选型及控制面板设计

根据控制要求PLC的I/O分配需要18个输入和5个输出［4］，输入用于控制面板的控制信号的输入如按钮的输入、机械手工作方式的选择，输入还用于机械手限位开关的信号的检测。PLC输出用于控制机械手的下降、上升、左移、右移、夹紧、松开(夹紧、松开用1个输出)。为了保证一定的I/0余量以便控制系统以后的升级和维护，选用了三菱FX系列PLC中的FX2－48 MR作为控制器，根据控制要求控制面板示意图如图2所示。

图2 机械手操作面板示意图

3 MCGS组态设计

3.1 MCGS组态工程的建立

运行组态环境，在菜单/文件中选择/新建工程，选择存放路径，定义新工程名。在主控窗口中新建一个窗口，并设置好窗口属性。

3.2 实时数据库组态

实时数据库是MCGS的核心，是系统处理数据的中枢，系统其他部分都要调用实时数据库中的数据，才能实现系统的各个部分协调动作。设备窗口通过设备构件驱动外部设备，将采集的数据输入实时数据库;由用户窗口图像组态也要与实时数据库中的数据对象建立联系，还可以动画形式实现数据的可视性;运行策略对数据进行操作和处理。建立实时数据库的组态过程也就是定义数据变量的过程。定义数据变量的内容主要包括:指定数据变量名称、类型、初始值和数值范围，确定与数据变量存盘相关的参数。数据对象有开关型、数值型、字符型、事件型和组对象等5种类型。针对本系统需求在实时数据库窗口中建立所需的数据变量如图3所示。定义数据变量类型并建立其与设备的连接。

图3 实时数据库组态

3.3 设备组态

设备窗口也是MCGS系统的重要组成部分，其负责建立系统与外部硬件设备的连接，使得MCGS系统能从外部设备读取数据并控制机械手工作状态，实现对机械手的实时监控。在本MCGS系统设备窗口中点击设备组态，在设备工具箱中打开“通用设备”，选择“串口通信父设备”进入到设备组态窗口中，再打开“PLC设备”，选中三菱FX－232作为子设备，并对通信父设备属性行设置，设置波特率为9600bps、数据位长度为7、停止位长度为1、偶校验、通讯口为COM1，采样周期为100ms。将组态软件中的变量与外部PLC设备的端子进行连接，PLC的输入输出继电器状态的变化直接反映到组态软件的数据库变量的变化，从而监控机械手的状态。［5］

3.4 监控画面及动画连接

用户窗口中可以放置三种不同类型的图形对象:图元、图符和动画构件。图元和图符对象为用户提供了一套完善的设计制作图形画面和定义动画的方法，在用户窗口中对机械手界面进行设计及动画组态，将用户窗口内创建的图形对象与实时数据库中定义的数据对象，建立起对应的关系。最终在MCGS运行环境中运行的效果如图4所示，机械手的画面尽量美观与实际的机械手贴近，监控画面快速准确的反映机械手的工作状况，对机械手运行时出现的故障和异常情况能够及时报警，能够实现对机械手实时监控，同时也可以通过上位机的监控画面对机械手进行操作、编程控制机械手的工作方式及运行状态。

3.5 运行策略脚本程序设计

MCGS组态软件的循环策略是机械手MCGS控制系统的控制方式及工作过程的体现。通过编写脚本程序，脚本程序的编程语法类似Basic编程语言，但使用更简单方便，使用脚本程序来实现机械手的多种工作方式的控制，大大提高机械手的工作效率，优化控制过程，便于监控和修改控制策略。MCGS脚本程序语法比较简单，语句基本上为:赋值语句、条件语句、退出语句和注释语句，及循环语句。本系统中的三种工作方式:回原点、自动模式、单周期的脚本程序如图5所示，通过“IF”语句就可以实现机械手的动画监控策略的组态。“IF”语句的表达式一般为逻辑表达式，也可以是值为数值型的表达式，当表达式的值为非0时，条件成立，AND语句为并且的意思，多个表达式都为真就执行“Then”后的语句，否则，条件不为真，将不执行该条件块中包含的语句，开始执行该条件块后面的语句，其中的变量可以用中文语句，非工程人员都容易理解。

4 结论

本系统创新点在于用MCGS组态技术在机械手控制系统中的应用发挥了其配置灵活、开发周期短、通用性强、编程简单易读，系统更易升级改造等优势，同时监控系统人机交互性好，对机械手运行情况能进行有效、实时、便捷的监控，可以提高生产的安全性和高效性，对在工业生产监控有一定的借鉴意义。

［1］北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.MCGS组态软件培训教程［Z］.北京:MCGS公司，2005.

［2］范小兰，赵春锋.基于PLC的机械手控制在MCGS中的实现［J］.制造业自动化，2012，(9).

［3］彭小平.电气控制及PLC应用技术［M］.北京:机械工业出版社，2011.

［4］王兰英.MCGS组态软件在PLC实验教学中的应用［J］.物理实验，2012，(11).

［5］北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.全中文工控组态软件 MCGS用户指南［Z］.北京:MCGS公司，2003.