氣動機械手的自動控制和上位機監(jiān)控設計

氣動機械手的自動控制和上位機監(jiān)控設計張平洋,吳向前蓋曉華(新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊830008)[摘要]本設計采用松下FP1-C40型PLC為控制器，以組態(tài)王軟件為上位機開發(fā)平臺。通過分析控制動作流程，完成PLC程序設計，實現了氣動機械手將不同顏色的物塊搬運到指定位置。通過組態(tài)軟件設計系統(tǒng)圖形界面，定義I/O設備，構造數據庫，建立動畫連接及聯機調試，實現了上位機對系統(tǒng)的實時監(jiān)控?？刂瓢踩煽?，監(jiān)控界面友好。[關鍵詞]氣動機械手；FP1-C40；上位機；實時監(jiān)控TheDesignofAutomaticControlandSupervisionwiththeHostComputerforPneumaticManipulatorAbstract:ThedesignisbasedonPLCofPanasonicFP1-C40asthecontrollerandtheconfigurationsoftwareasthedevelopmentplatformofthehostcomputer.Wedesignthecontrollingflowchart,makethePLCcontrolprogram,andfulfilltoconveyobjectsofdiversecolorstodifferentplaceswithpneumaticmanipulator.Moreover,usingconfigurationsoftware,wedesignthegraphicalinterface,setthesystem’sI/Odevice,structurethedatabase，establishtheanimationconnection,debugonlineandfinallyachievereal-timemonitoringandcontrollingofthehostcomputer.Thecontrolissafety,stableandthecontrollinginterfaceisfriendly.Keywords:pneumaticmanipulator;FP1-C40;thehostcomputer;real-timemonitoringandcontrolling在現代工業(yè)中，工業(yè)機械手是自動控制領域的一個廣泛關注的焦點，并已成為現代自動化生產領域的一個重要組成部分。本課題采用松下FP1—C40型PLC，根據控制要求對機械手系統(tǒng)進行PLC程序設計，實現機械手系統(tǒng)將不同顏色的物塊搬運到指定位置，并以組態(tài)王軟件為開發(fā)平臺，實現對機械手分揀物料工況的上位機實時監(jiān)控。此機械手監(jiān)控系統(tǒng)可移植應用于一些工業(yè)產品的分揀裝箱，可大大提高工作效率，并能使人體避免接觸一些對人體有害的化工產品，提高工廠的工作安全性。1機械手控制系統(tǒng)硬件設計硬件總體方案設計氣動機械手自動控制系統(tǒng)整體結構圖如圖1所示，主要設備有：計算機、松下FP1-C40型PLC和機械手工作臺，其中機械手工作臺主要包括以下部分：24V穩(wěn)壓電源、空氣壓縮機、電感式接近開關、色標傳感器、電控換向閥和氣缸。圖1氣動機械手自動控制系統(tǒng)整體結構圖 松下FP1-C40是機械手系統(tǒng)的控制器，通過編程實現對機械手裝置的控制，以組態(tài)軟件為開發(fā)平臺，實現上位機實時監(jiān)控。穩(wěn)壓電源為PLC、電控閥、電感式接近開關及色彩識別元件供電，空氣壓縮機為氣缸動作提供動力。通過電感式接近開關信號變化，借助電控換向閥改變氣缸的運動方向，實現機械手抓取和松開物塊，及機械大小臂前后、上下動作，完成傳送物塊任務。色標傳感器用來檢測物塊的顏色，使機械手裝置分揀不同顏色的物塊到指定位置。機械手控制系統(tǒng)I/O接線此機械手控制系統(tǒng)共有33個I/O點，其中22個輸入點，11個輸出點，根據I/O分配表，焊接電感式接近開關、色標傳感器，以及電控換向閥的電源線、信號線于輸入輸出端子排，其中PLC面板上的COM均與電源的正極相連，上面的輸入/輸出端子均與COM在PLC的內部相連?，F場的接線面板上COM均與電源的負極相連，現場的輸入/輸出元件的負極均與COM在現場面板的內部相連，從而構成控制回路。機械手控制系統(tǒng)I/O接線如圖2所示，其中，實線表示正極引線，虛線表示負極引線。圖2機械手控制系統(tǒng)I/O接線圖2機械手控制系統(tǒng)軟件設計2.1機械手控制系統(tǒng)程序流程圖設計根據機械手控制系統(tǒng)的工作要求，即把三種不同顏色的物塊搬運到指定位置，機械手控制系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。圖3機械手控制系統(tǒng)程序流程圖2.2機械手控制系統(tǒng)下位機程序設計FPWIN-GR軟件是松下電工為其FP類型可編程控制器提供的編程軟件。FPWINGR除有編寫、修改程序等基本功能外，該軟件也支持PLC在線狀態(tài)監(jiān)控等功能。此機械手控制系統(tǒng)的程序包括物料臺傳送物塊、機械手1取放物塊、中間傳送臺傳送物塊、色彩識別定位物塊存放位置和機械手2取放物塊五部分，這里只分析色彩識別定位物塊存放位置程序，程序如圖4所示。當中間檢測開關檢測到的物塊是黑色的時，X14、X15均處于斷開狀態(tài)，10號和11號氣缸均不動作，物塊放到1號槽；當檢測到的物塊是粉紅色時，X14處于閉合狀態(tài)，X15處于斷開狀態(tài)，通過中間寄存器R4使10號氣缸動作，物塊放到2號槽；當檢測到的物塊是白色時，X14、X15均處于閉合狀態(tài)，，通過中間寄存器R5使10號和11號氣缸均動作，物塊放到3號槽。另外，當定時器T93延時到，10和11號氣缸均復位。圖4通過色彩識別定位物塊存放位置程序2.3下位機控制程序調試FPWINGR軟件與PLC的通信使用RS232串口通信，與編程計算機相連的是RS232C端，與PLC相連的是RS422端。FPWINGR編程軟件與PLC通信調試經驗總結如下：當PLC上載或者下載程序時，PLC必須處于PROG狀態(tài)，不能處于RUN狀態(tài)，而且PLC不能與上位機監(jiān)控軟件處于通信狀態(tài)，否則操作會失敗。FPWINGR編程軟件內設定的COM口與PLC和計算機相連的COM口必須一致，而且通訊參數設置應相同，否則通信會失敗。程序編譯后，若沒經過FPWINGR軟件總體檢查，且程序編寫有錯誤時，程序可以下載到PLC，但運行時程序不會被執(zhí)行，故在下載程序到PLC時，應先對程序進行總體檢查。2.4機械手控制系統(tǒng)上位機監(jiān)控設計組態(tài)軟件是在自動測控系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣的組態(tài)方式提供良好的人機界面，此設計使用的組態(tài)王軟件是我國自主研發(fā)的上位機監(jiān)控軟件，其功能完善，易學易用。設計組態(tài)王工程的一般過程是：圖形組態(tài)、I/O設備組態(tài)、I/O變量組態(tài)和動畫連接。2.4.1圖形組態(tài)有效的利用菜單欄里的各種工具及圖庫模型是快速建立圖形畫面的有效方法。機械手裝置靜態(tài)畫面如圖5所示。圖5機械手裝置靜態(tài)畫面2.4.2I/O設備組態(tài)在工程瀏覽器的目錄區(qū)，用鼠標左鍵單擊項目管理中設備下的COM1，從樹形設備列表區(qū)中選擇PLC子目錄下的松下FP系列的FP1C40型，單擊“下一步”按鈕，則彈出設備配置向導“選擇串口號”對話框，為配置的串行設備指定與計算機相連的串口號，并進一步為串口設備指定設備地址，最后設定通信參數，則完成了I/O設備組態(tài)。2.4.3I/O變量組態(tài)組態(tài)王工程中，不同的PLC定義I/O變量時，地址形式有所不同，對于松下FP1-C4O型PLC，離散I/O變量的地址是＊.0—＊.Ｆ，即按十六進制的方式進行設定。如果變量地址設計形式出錯，組態(tài)王與PLC聯機調試時，通信會失敗。2.4.4動畫連接組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中的畫面都是靜態(tài)的，要想反映機械手的工作狀況，需要把I/O變量和靜態(tài)畫面中的圖形進行“動畫連接”，此設計的輸出動畫均用輸入變量的與或運算表達式，結合組態(tài)王的隱含功能實現。3聯機調試在運行組態(tài)王工程之前，根據需要可在組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中對運行系統(tǒng)環(huán)境進行配置。組態(tài)王軟件與PLC聯機調試經驗總結如下：1）在聯機調試時，如果某一個I/O端子接觸不良，可能就會引起系統(tǒng)不能正常運行，故聯機調試時不能盲目修改程序，還要確保硬件設計的可靠性。2）組態(tài)王工程設定的COM口與PLC和計算機相連的COM口必須一致，而且通訊參數設置應相同，否則通信會失敗。3）當PLC與FPWINGR編程軟件正在通信的條件下，聯機調試通信會失敗。故聯機調試前，應先退出FPWINGR編程軟件。4）聯機調試時，若機械手工作臺附近有較劇烈振動時，色彩識別會出現錯誤，可能所有物塊都會分揀到同一個物料槽內，故在聯機調試時，空氣壓縮機不能離機械手裝置太近。經過多次聯機調試，實現了設計目的。通過上位機的啟動按鈕與停止按鈕可以控制下位機PLC程序運行與否，從而控制機械手的工作狀況，通過監(jiān)控界面能實時監(jiān)視系統(tǒng)運行狀況。聯機調試時，機械手控制系統(tǒng)根據物塊顏色確定把物塊放進哪一個物料槽，上位機通過采樣I/O狀態(tài)，上位機監(jiān)控畫面中的對應部位會隨著機械手工作臺中相應部位的動作而有一定時間滯后的動作。機械手控制系統(tǒng)物塊色彩識別現場畫面與監(jiān)控畫面如圖6所示。圖6物塊色彩識別現場畫面與監(jiān)控畫面4結束語此設計采用松下FP1-C40型PLC為控制器，以組態(tài)王軟件為上位機開發(fā)平臺，通過對系統(tǒng)硬件設計和軟件設計，很好的實現了機械手系統(tǒng)的自動控制和上位機監(jiān)控，達到了控制目的和良好的監(jiān)控效果。對學習研究機械手控制系統(tǒng)的人員有一定參考價值。