基于组态王与PLC的机械手仿真系统设计

马继红 郭世璋 赵艳芳

(邯郸职业技术学院 机电工程系，河北 邯郸 056005)

引言

纵观国内外现状，机械手的应用范围越来越广泛，主要应用于机械制造、冶金、食品加工、电子等行业，它能够有效减轻劳动强度，在有毒有害环境下能保护人身安全。2021年7月4日我国空间站核心舱机械臂首次托举航天员到指定位置圆满完成出舱操作，这是机械手在高精领域应用的最好实例，进一步推动了高职院校对机械手控制系统的研究和教学，激发了学生的学习兴趣。然而，与之相对的是实训设备的紧缺和实训场地的严重不足，有限的资源不能满足大量的实训项目的要求。因此，需要研发出更多更灵活的实训项目，解决教学当中的困难。该设计选用组态王与S7-200 SMART PLC进行控制及仿真，经济便捷，编程高效，易于掌握。

1 硬件设计

工艺要求机械手系统主电路利用电磁阀完成升降、左右和松紧动作，自动执行以下过程：按下启动按钮，机械手下降→夹紧→上升→右移→下降→放松→上升→左移，回到原始位置，自动循环结束；按下停止按钮，机械手停在当前位置；按下复位按钮，机械手完成本次循环后停在原点。经过分析，选用S7-200 SMART PLC作为控制器，分配输入输出地址，设计机械手系统硬件原理图及梯形图。上位机监控系统采用组态王软件进行设计，创建机械手图形界面，配置S7-200 SMART PLC设备，构造数据库，建立动画连接，运行和调试。

1.1 输入/输出地址分配

PLC 控制器的输入主要是启动、停止和复位控制信号，输出信号主要控制电磁阀等，I/O端口地址分配如表1所示。

表1 I/O端口地址

停止按钮 SB3 I0.2 M0.2 右移电磁阀 YV3 Q0.2左限位 SQ1 I0.3 I0.3 左移电磁阀 YV4 Q0.3右限位 SQ2 I0.4 I0.4 抓紧电磁阀 YV5 Q0.4上限位 SQ3 I0.5 I0.5 放松电磁阀 YV6 Q0.5下限位 SQ4 I0.6 I0.6 —— —— ——

1.2 PLC外接电路

机械手仿真系统的PLC外接电路如图1所示。选用西门子S7-200 SMART PLC，CPU为SR40型。该模块具有数字量输入点24个，数字量输出点16个，完全满足控制要求。

图1 PLC外接电路

2 通信

设计中采用以太网接口通信，实现 PLC 与上位机的信息交互。利用组态王进行设备配置，采集数据，实现与 PLC的数据通信。组态王设备配置信息如图2所示

图2 组态王设备配置信息

3 软件设计

3.1 PLC程序设计

以STEP 7-Micro/WIN SMART编程软件为平台，根据控制任务、输入输出地址分配及组态控制变量编写机械手程序。PLC程序流程图如图3所示

图3 PLC程序流程图

3.2 上位机监控

组态王实现对现场的实时监控，在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。通过分析系统的要求及功能，采用组态王软件对系统进行监控，它能给试验者提供可视化监控画面，有利于试验者进行实时现场监控。它能方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态。

该设计需要在组态王中定义变量存放PLC传送进来的控制信号，来实现变量与PLC的数据交换。构建的数据词典如图4所示。

图4 组态王数据词典

然后，在组态王中进行动画连接命令语言的编写。机械手监控画面中“启动”按钮，在命令语言连接中“按下时”，编辑输入\本站点启动=1；；“弹起时”，编辑输入 \本站点启动=0；“停止”按钮和“复位”按钮与之相同。

4 系统运行

经过调试，进入组态王运行系统，显示机械手运行系统如图 5 所示。

图5 机械手运行系统

结束语

经过调试，所设计的基于组态王与S7-200 SMART PLC机械手仿真系统满足控制要求，可靠性好，提高了生产过程自动化控制水平，对于PLC实践教学具有一定指导意义。