基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第第頁畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄摘要4前言5第一章可編程序邏輯控制器（PLC）和機(jī)械手概述61.1可編程序邏輯控制器（PLC）61.1.1PLC的結(jié)構(gòu)61.1.2PLC的發(fā)展歷程71.1.3PLC的硬件81.1.4PLC的主要特點(diǎn)91.1.5FX2N系列PLC介紹91.2機(jī)械手 111.2.1機(jī)械手概述111.2.2機(jī)械手的工作原理111.2.3機(jī)械手的發(fā)展趨勢11第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)122.1系統(tǒng)方案分析設(shè)計(jì)122.2硬件設(shè)計(jì)142.3系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)152.4MCGS組態(tài)軟件21第三章系統(tǒng)的調(diào)試及設(shè)計(jì)總結(jié)32致謝33附錄34參考文獻(xiàn)36基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：在本設(shè)計(jì)中介紹了國內(nèi)外機(jī)械手研究現(xiàn)狀及PLC的研究發(fā)展趨勢，描述了機(jī)械手控制系統(tǒng)的工作原理和動(dòng)作實(shí)現(xiàn)過程。研究了基于PLC的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還研究了MCGS在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。利用組態(tài)軟件MCGS設(shè)計(jì)了機(jī)械手模型控制系統(tǒng)監(jiān)控界面，提供了較為直觀、清晰、準(zhǔn)確的機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而為維修和故障診斷提供了多方面的可能性，充分提高了系統(tǒng)的工作效率。關(guān)鍵詞：機(jī)械手，PLC，MCGS前言當(dāng)今社會，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，人類活動(dòng)給世界帶來了巨大的改變。在科技進(jìn)步的同時(shí)，以各種控制器控制的不同類型的機(jī)械手以其突出的性能越來越多的被人們所應(yīng)用。機(jī)械手在不同的作業(yè)場合，尤其是在特殊的環(huán)境背景下，為人類活動(dòng)的順利快速進(jìn)行帶來了極大的方便和益處，尤為明顯的是在工業(yè)及軍事領(lǐng)域內(nèi)。工業(yè)中大量的生產(chǎn)活動(dòng)，存在著很多不便于人類操縱的環(huán)節(jié)，特別是在工作環(huán)境較危險(xiǎn)的情況下，如果使用具有遠(yuǎn)程控制功能的機(jī)械手，則可以增加系統(tǒng)的安全性，大大的節(jié)約損耗，提高效率。可見，在自動(dòng)化、工業(yè)化進(jìn)程中，在特殊背景環(huán)境中使用機(jī)械手已成為一種必然的趨勢。第一章可編程序邏輯控制器（PLC）和機(jī)械手概述1.1可編程序邏輯控制器（PLC）1.1.1PLC的結(jié)構(gòu)PLC和一般的微型計(jì)算機(jī)基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。PLC的硬件系統(tǒng)由微處理器(CPU)、存儲器(EPROM，ROM)、輸入輸出(I/O)部件、電源部件、編程器、I/O擴(kuò)展單元和其他外圍設(shè)備組成。各部分通過總線(電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線)連接而成[9]。其結(jié)構(gòu)簡圖如下：外設(shè)I/O接口外設(shè)I/O接口輸出部件存儲器EPROM微處理器運(yùn)算器控制器電源輸入部件I/O擴(kuò)展接口I/O擴(kuò)展單元受控元件輸入信號外部設(shè)備圖2-1PLC硬件結(jié)構(gòu)圖PLC的軟件系統(tǒng)是指PLC所使用的各種程序的集合，通常可分為系統(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。系統(tǒng)程序是每一個(gè)PLC成品必須包括的部分，由PLC廠家提供，用于控制PLC本身的運(yùn)行，系統(tǒng)程序固化在EPROM中。用戶程序是由用戶根據(jù)控制需要而編寫的程序。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個(gè)完整的PLC系統(tǒng)，他們是相輔相成，缺一不可的可編程序邏輯控制器（ProgrammableLogicController），簡稱PLC。它是一種以微機(jī)處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信控制技術(shù)等現(xiàn)代科技而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置。（本次課題主要應(yīng)用三菱FX2N系列PLC進(jìn)行設(shè)計(jì)）1.1.2PLC的發(fā)展歷程在可編程控制器出現(xiàn)前，在工業(yè)電氣控制領(lǐng)域中，繼電器控制占主導(dǎo)地位，應(yīng)用廣泛。但是電器控制系統(tǒng)存在體積大、可靠性低、查找和排除故障困難等缺點(diǎn)，特別是其接線復(fù)雜、不易更改，對生產(chǎn)工藝變化的適應(yīng)性差。1968年美國通用汽車公司（G.M）為了適應(yīng)汽車型號的不斷更新，生產(chǎn)工藝不斷變化的需要，實(shí)現(xiàn)小批量、多品種生產(chǎn)，希望能有一種新型工業(yè)控制器，它能做到盡可能減少重新設(shè)計(jì)和更換電器控制系統(tǒng)及接線，以降低成本，縮短周期。于是就設(shè)想將計(jì)算機(jī)功能強(qiáng)大、靈活、通用性好等優(yōu)點(diǎn)與電器控制系統(tǒng)簡單易懂、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，制成一種通用控制裝置，而且這種裝置采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”進(jìn)行編程，使不熟悉計(jì)算機(jī)的人也能很快掌握使用。1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)美國通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺可編程控制器，并在通用汽車公司的自動(dòng)裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項(xiàng)技術(shù)迅速發(fā)展起來。早期的可編程控制器僅有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能，只是用來取代傳統(tǒng)的繼電器控制,通常稱為可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController）。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)70年代中期微處理器技術(shù)應(yīng)用到PLC中，使PLC不僅具有邏輯控制功能，還增加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)處理等功能。20世紀(jì)80年代以后，隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，16位和32位微處理器應(yīng)用于PLC中，使PLC得到迅速發(fā)展。PLC不僅控制功能增強(qiáng)，同時(shí)可靠性提高，功耗、體積減小，成本降低，編程和故障檢測更加靈活方便，而且具有通信和聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理和圖象顯示等功能，使PLC真正成為具有邏輯控制、過程控制、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等功能的名符其實(shí)的多功能控制器。PLC的發(fā)展過程大致可以分為如下幾個(gè)階段：1970—1980年：PLC的結(jié)構(gòu)定型階段。在這一階段，由于PLC剛誕生，各種類型的順序控制器不斷出現(xiàn)（如邏輯電路型、1位機(jī)型、通用計(jì)算機(jī)型、單板機(jī)型等），但迅速被淘汰。最終以微處理器為核心的現(xiàn)有PLC結(jié)構(gòu)形成，取得了市場的認(rèn)可，得以迅速發(fā)展.推廣。PLC的原理、結(jié)構(gòu)、軟件、硬件趨向統(tǒng)一與成熟，PLC的應(yīng)用領(lǐng)域由最初的小范圍、有選擇使用、逐步向機(jī)床、生產(chǎn)線擴(kuò)展。1980—1990年：PLC的普及階段。在這一階段，PLC的生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大，價(jià)格不斷下降，PLC被迅速普及。各PLC生產(chǎn)廠家產(chǎn)品的價(jià)格.品種開始系列化，并且形成了固定I/O點(diǎn)型、基本單元加擴(kuò)展塊型、模塊化結(jié)構(gòu)型這三種延續(xù)至今的基本結(jié)構(gòu)模型。PLC的應(yīng)用范圍開始向順序控制的全部領(lǐng)域擴(kuò)展。比如三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有F.F1.F2小型PLC系列產(chǎn)品,K/A系列中、大型PLC產(chǎn)品等。1990—2000年，PLC的高性能與小型化階段。在這一階段，隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，PLC的功能日益增強(qiáng)，PLC的CPU運(yùn)算速度大幅度上升、位數(shù)不斷增加，使得適用于各種特殊控制的功能模塊不斷被開發(fā)，PLC的應(yīng)用范圍由單一的順序控制向現(xiàn)場控制拓展。此外，PLC的體積大幅度縮小，出現(xiàn)了各類微型化PLC。三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有FX小型PLC系列產(chǎn)品，AIS/A2US/Q2A系列中，大型PLC系列產(chǎn)品等。2000年至今：PLC的高性能與網(wǎng)絡(luò)化階段。在本階段，為了適應(yīng)信息技術(shù)的發(fā)展與工廠自動(dòng)化的需要，PLC的各種功能不斷進(jìn)步。一方面，PLC在繼續(xù)提高CPU運(yùn)算速度，位數(shù)的同時(shí)，開發(fā)了適用于過程控制，運(yùn)動(dòng)控制的特殊功能與模塊，使PLC的應(yīng)用范圍開始涉及工業(yè)自動(dòng)化的全部領(lǐng)域。與此同時(shí)，PLC的網(wǎng)絡(luò)與通信功能得到迅速發(fā)展，PLC不僅可以連接傳統(tǒng)的編程與通入/輸出設(shè)備，還可以通過各種總線構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，為工廠自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有FX小型PLC系列產(chǎn)品（包括最新的FX3u系列產(chǎn)品），Qn,QnPH系列中，大型PLC系列產(chǎn)品等。1.1.3PLC的硬件一、PLC的物理結(jié)構(gòu)根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)的不同，可以將PLC分為整體式、模塊式和混合式。1.整體式PLC整體式又叫做單元式或機(jī)箱式，它的體積小、價(jià)格低，對箱體式PLC，有一塊CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，當(dāng)然按CPU性能分成若干型號，并按I/O點(diǎn)數(shù)又有若干規(guī)格。對模塊式PLC，有CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架。無任哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都屬于總線式開放型結(jié)構(gòu)，其I/O能力可按用戶需要進(jìn)行擴(kuò)展與組合。2.模塊式PLC大、中型PLC一般采用模塊式結(jié)構(gòu)，它由機(jī)架和模塊組成，模塊插在模塊插座上，后者焊接在機(jī)架中的總線連接板上，有不同槽數(shù)的機(jī)架供用戶選用，如果一個(gè)機(jī)架容納不下選用的模塊，可以增設(shè)一個(gè)或數(shù)個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，各機(jī)架之間用接口模塊和電纜相連。用戶可以選用不同檔次的CPU模塊、品種繁多的I/O模塊和特殊功能塊，對硬件配置的選擇余地較大，維修時(shí)更換模塊也很方便。3.CPU模塊中的存儲器存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器，系統(tǒng)程序相當(dāng)于個(gè)人計(jì)算機(jī)中的操作系統(tǒng)，它使PLC具有基本的智能，能完成PLC設(shè)計(jì)者的規(guī)定的各種工作。系統(tǒng)程序由PLC的生廠家設(shè)計(jì)并固定化在ROM（只讀存儲器）中，用戶不能讀取。用戶程序由用戶設(shè)計(jì)，它使PLC能完成用戶要球的特定功能，用戶程序存儲器的容量以字節(jié)（B）為單位。（1）.隨機(jī)存取存儲器（RAM）用戶可以用編程裝置讀出RAM中的內(nèi)容，也可以將用戶程序?qū)懭隦AM，因此RAM又叫讀/寫存儲器。RAM的工作速度高、價(jià)格便宜、改寫方便。（2）.只讀存儲器（ROM）ROM的內(nèi)容只能讀出，不能寫入。（3）.可以電檫出可編程的只讀存儲器（EEPROM）S7-200用EEPROM來存儲用戶程序和長期保存的重要數(shù)據(jù)。4.I/O模塊各I/O點(diǎn)的通/斷狀態(tài)用發(fā)光二極管（LED）顯示，PLC與外部接線的連接一般用接線端子，某些模塊使用可以拆卸的插座型端子板，不需斷開端子板上的連接線，就可以迅速的更換模塊。輸入模塊：PLC通過輸入模塊來接收和采集輸入信號，通過輸出模塊控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、調(diào)速裝置等執(zhí)行器，PLC控制的另一類外部負(fù)載是指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等。輸入電路中設(shè)有RC濾波電路，以防止由于輸入觸點(diǎn)抖動(dòng)或外部干擾脈沖引起的錯(cuò)誤輸入信號。輸出模塊：輸出模塊的率放大元件有大功率晶體管和場效應(yīng)管（驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載）、雙向可控硅（驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載）和小型繼電器，繼電器可以驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載或直流負(fù)載。輸出電流的典型值為0.5—2A,負(fù)載電源由外部現(xiàn)場提供。1.1.4PLC的主要特點(diǎn)一、抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高PLC專門為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)，具有很高的可靠性。它的主要模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路，I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)與信息調(diào)理電路；在機(jī)構(gòu)上對耐熱、防潮、防塵、抗震都有精確考慮；在硬件上采用隔離、屏蔽、濾波、接地等抗干擾措施；在軟件上采用數(shù)字濾波等干擾和故障診斷措施。所有這些使PLC具有較高的抗干擾能力，因此穩(wěn)定、可靠，抗干擾能力強(qiáng)。與繼電器接觸裝置和通用計(jì)算機(jī)相比，PLC更能試用工業(yè)現(xiàn)場較為惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。二、控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)PLC及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。在PLC夠成的控制系統(tǒng)中，只需要在PLC的端子上接入相應(yīng)的輸入/輸出信號線即可，不需要諸如繼電器之類的物理電子器件和大量且繁雜的硬接線線路。當(dāng)控制要求改變，需要變更控制系統(tǒng)的功能時(shí)，可以用編程器在線或離線修改程序，同一個(gè)PLC裝置用于不同的控制對象，只是輸入/輸出組件和應(yīng)用軟件的不同。PLC的輸入/輸出可以直接與交流220V、直流24V等強(qiáng)電相連，并有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。三、編程簡單，易于使用PLC是面向用戶的設(shè)備，PLC的設(shè)計(jì)者充分考慮到現(xiàn)場工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣，因此PLC程序的編制采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類似，這種編程語言形象直觀，容易掌握，不需要專門的計(jì)算機(jī)知識和語言，只要具有一定的電工和工藝知識就可在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會。四、功能完善現(xiàn)代PLC不僅有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、步進(jìn)控制功能，還能完成A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、模擬量處理、高速計(jì)算、聯(lián)網(wǎng)通信等功能，可以通過上位計(jì)算進(jìn)行顯示、報(bào)警、記錄，進(jìn)行人機(jī)對話，使控制水平大為提高。因此，PLC具有極強(qiáng)的適用性，能夠很好地滿足各類型控制的需要，是目前工廠中應(yīng)用最廣的自動(dòng)化設(shè)備。五、體積小、維護(hù)操作方便PLC體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。PLC的輸入/輸出系統(tǒng)能夠直觀地反映現(xiàn)場信號的變化狀態(tài)，還能通過各種方式直觀地控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如內(nèi)部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、I/O點(diǎn)狀態(tài)、異常和電源狀態(tài)等，對此均有醒目的指示，非常有利于運(yùn)行和維護(hù)人員對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。1.1.5FX2N系列PLC介紹FX2N型PLC的主要種類FX2N型PLC按品種可以分為基本單元、擴(kuò)展單元、擴(kuò)展模塊和特殊擴(kuò)展設(shè)備?；締卧蓛?nèi)部電源、內(nèi)部輸入輸出、內(nèi)部CPU和內(nèi)部存儲器組成，只有基本單元可以單獨(dú)使用，當(dāng)輸入輸出點(diǎn)數(shù)不足時(shí)可以進(jìn)行擴(kuò)展。擴(kuò)展單元由內(nèi)部電源、內(nèi)部輸入輸出組成、需要和基本單元一起使用。擴(kuò)展模塊由內(nèi)部輸入輸出組成，，自身不帶電源，由基本單元、擴(kuò)展單元供電，需要和基本單元一起使用。特殊擴(kuò)展設(shè)備可以分為3類：特殊功能板、特殊模塊和特殊單元，是一些特殊用途的裝置。特殊功能板用于通信、連接和模擬量設(shè)定等，特殊模塊主要有模擬量輸入輸出、高速計(jì)數(shù)、脈沖輸出、接口等模塊，特殊單元用于定位脈沖輸出。FX2N型PLC的初步認(rèn)識如圖所示為FX2N型PLC基本單元外形，其主要是通過輸入端子和輸出端子與外部控制電器聯(lián)系的。輸入端子連接外部的輸入元件，如按鈕、控制開關(guān)、行程開關(guān)、接近開關(guān)、熱繼電器接點(diǎn)、壓力繼電器接點(diǎn)、數(shù)字開關(guān)等。輸出端子連接外部的輸出元件，如接觸器、繼電器線圈、信號燈、報(bào)警器、電磁鐵、電磁閥、電動(dòng)機(jī)等。圖2-2（三菱FX2N系列PLC實(shí)物圖）工作過程（1）輸入采樣階段PLC在輸入采樣階段，首先掃描所有輸入端子，并將各輸入狀態(tài)存入相對應(yīng)的輸入映像寄存器中。此時(shí)，輸入映像寄存器被刷新。接著，進(jìn)入程序執(zhí)行階段，在此階段和輸入刷新階段，輸入映像寄存器與外界隔離，無論輸入端信號如何變化，其內(nèi)容保持不變，直到下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段，才重新寫入輸入端的新內(nèi)容。（2）程序處理階段根據(jù)PLC梯形圖程序掃描原則，PLC按從左至右、從上到下的步驟順序執(zhí)行程序。當(dāng)指令中涉及輸入、輸出狀態(tài)時(shí)，PLC就從輸入映像寄存器中“讀入”對應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從元件映像寄存器“讀入”對應(yīng)元件（軟繼電器）的當(dāng)前狀態(tài)。然后進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再存入元件映像寄存器中。對元件映像寄存器來說，每個(gè)元件（軟繼電器）的狀態(tài)會隨著程序執(zhí)行過程而變化。（3）輸出刷新結(jié)果階段在所有指令執(zhí)行完畢后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)（接通/斷開）在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過一定方式輸出，最后經(jīng)過輸出端子驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。1.2機(jī)械手1.2.1機(jī)械手概述工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。他的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)器手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在我國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機(jī)器手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合性技術(shù)。1.2.2機(jī)械手的工作原理機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新匯編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器。它有多個(gè)自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中的工作。工業(yè)機(jī)械手是近似自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來完成特定動(dòng)作。同時(shí)接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機(jī)或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實(shí)現(xiàn)所要功能。機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識。其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生產(chǎn)工藝要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。因此，它能大大地改善工人的勞動(dòng)條件，顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，并投入了大量的物力和財(cái)力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的成果，受到各工業(yè)部門的重視。本項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)的機(jī)械手模型可以歸為一類，即通用機(jī)械手。在現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)中，自動(dòng)化程度較高，大量應(yīng)用機(jī)械手。通過本次設(shè)計(jì)，可以增強(qiáng)對工業(yè)機(jī)械手的認(rèn)識，同時(shí)并熟悉掌握PLC技術(shù)、位置控制技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)等工業(yè)常用的技術(shù)。1.2.3機(jī)械手的發(fā)展趨勢隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)越來越高，人工工作環(huán)境和工作內(nèi)容也要求理想化簡單化，對于一些往返的工作有機(jī)械手遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)完成顯得非常重要。這樣可以避免一些人不能接觸的東西對人體的傷害，如：冶金，化工，醫(yī)藥，航天等。代表當(dāng)代最先進(jìn)的技術(shù)在日本，他的自動(dòng)化。人性化讓人嘆為觀止，這些技術(shù)依賴于控制理論、新材料科學(xué)，它是融合現(xiàn)在尖端技術(shù)的現(xiàn)代機(jī)器。我國也在陸續(xù)在工業(yè)中有所應(yīng)用，對于自動(dòng)控制，柔性制造系統(tǒng)中應(yīng)用更為廣泛，但我國的自動(dòng)化技術(shù)有待提高發(fā)展趨勢是工作強(qiáng)多高靈活性強(qiáng)，準(zhǔn)確可靠，可以自動(dòng)檢測并下達(dá)動(dòng)作命令，融入先進(jìn)的人工智能使人只做平時(shí)的簡單維護(hù)，這也是現(xiàn)代工廠的發(fā)展趨勢。此外，還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)聯(lián)用，逐步成為機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)方案分析設(shè)計(jì)2.1.1控制要求利用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)一機(jī)械手組態(tài)控制系統(tǒng)，機(jī)械手可以上下、左右移動(dòng)；利用上下、左右限位開關(guān)控制機(jī)械手啟停；機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按以下動(dòng)作進(jìn)行：原點(diǎn)—啟動(dòng)—下行（到下限位停）—抓工件—上行（到上限位停）—右行（到右限位停）—下行（到下限位停）—放工具—上行（到上限位停）—左行（到左限位停）。在機(jī)械手運(yùn)行過程中，任何時(shí)候都可以利用急停按鈕，停止機(jī)械手動(dòng)作。（一）利用PLC編寫程序控制組態(tài)畫面中變量的變化（二）利用PLC的輸入信號控制組態(tài)畫面，也可利用組態(tài)中各軟按鈕控制PLC程序的運(yùn)行和組態(tài)運(yùn)行2.1.2方案設(shè)計(jì)利用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)一機(jī)械手組態(tài)控制系統(tǒng),利用機(jī)械手上下左右移動(dòng)碰到的限位開關(guān)作為系統(tǒng)的輸入信號。系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)啟動(dòng)按鈕和一個(gè)急停按鈕來控制系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止。系統(tǒng)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)成一個(gè)機(jī)械手畫面，通過動(dòng)畫連接和腳本程序。與PLC的聯(lián)合調(diào)試使系統(tǒng)達(dá)到可以在MCGS系統(tǒng)中監(jiān)控機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)可以利用PLC程序控制組態(tài)畫面的要求。圖2-1圖2-22.2硬件設(shè)計(jì)2.2.1輸入/輸出端子地址分配代號名稱輸入編號代號名稱輸出SB1啟動(dòng)按鈕X0KM1機(jī)械手上行Y002SB2停止按鈕X1KM2機(jī)械手下行Y003SQ1下限行程X2KM3機(jī)械手左行Y004SQ2上限行程X3KM4機(jī)械手右行Y005SQ3左限行程X4KM5抓工件Y006SQ4右限行程X5KM6放工件Y0072.2.2PLC接線圖2.3系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)GXDeveloper是三菱PLC的編程軟件。適用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可編程控制器。支持梯形圖、指令表、SFC、ST及FB、Label語言程序設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定，可進(jìn)行程序的線上更改、監(jiān)控及調(diào)試，具有異地讀寫PLC程序功能。GXDeveloper的特點(diǎn)1.軟件的共通化GXDeveloper能夠制作Q系列，QnA系列，A系列（包括運(yùn)動(dòng)控制（SCPU））,FX系列的數(shù)據(jù),能夠轉(zhuǎn)換成GPPQ,GPPA格式的文檔。此外，選擇FX系列的情況下，還能變換成FXGP(DOS),FXGP(WIN)格式的文檔。2.利用Windows的優(yōu)越性，使操作性飛躍上升能夠?qū)xcel,Word等作成的說明數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制，粘貼，并有效利用。3.程序的標(biāo)準(zhǔn)化(1)標(biāo)號編程用標(biāo)號編程制作可編程控制器程序的話，就不需要認(rèn)識軟元件的號碼而能夠根據(jù)標(biāo)示制作成標(biāo)準(zhǔn)程序。用標(biāo)號編程做成的程序能夠依據(jù)匯編從而作為實(shí)際的程序來使用。(2)功能塊（以下，略稱作FB）FB是以提高順序程序的開發(fā)效率為目的而開發(fā)的一種功能。把開發(fā)順序程序時(shí)反復(fù)使用的順序程序回路塊零件化，使得順序程序的開發(fā)變得容易。此外，零件化后，能夠防止將其運(yùn)用到別的順序程序時(shí)的順序輸入錯(cuò)誤。(3)宏只要在任意的回路模式上加上名字（宏定義名）登錄（宏登錄）到文檔，然后輸入簡單的命令就能夠讀出登錄過的回路模式，變更軟元件就能夠靈活利用了。4.能夠簡單設(shè)定和其他站點(diǎn)的鏈接由于連接對象的指定被圖形化而構(gòu)筑成復(fù)雜的系統(tǒng)的情況下也能夠簡單的設(shè)定。5.能夠用各種方法和可編程控制器CPU連接(1)經(jīng)由串行通訊口(2)經(jīng)由USB(3)經(jīng)由MELSECNET/10(H)計(jì)算機(jī)插板(4)經(jīng)由MELSECNET(Ⅱ)計(jì)算機(jī)插板(5)經(jīng)由CC-Link計(jì)算機(jī)插板(6)經(jīng)由Ethernet計(jì)算機(jī)插板(7)經(jīng)由CPU計(jì)算機(jī)插板(8)經(jīng)由AF計(jì)算機(jī)插板6.豐富的調(diào)試功能(1)由于運(yùn)用了梯形圖邏輯測試功能，能夠更加簡單的進(jìn)行調(diào)試作業(yè)。(a)沒有必要再和可編程控制器連接。(b)沒有必要制作條使用的順序程序。(2)在幫助中有CPU錯(cuò)誤，特殊繼電器/特殊寄存器的說明，所以對于在線中發(fā)生錯(cuò)誤，或者是程序制作中想知道特殊繼電器/特殊寄存器的內(nèi)容的情況下提供非常大的便利。。(3)數(shù)據(jù)制作中發(fā)生錯(cuò)誤況時(shí)，會顯示是什么原因或是顯示消息，所以數(shù)據(jù)制作的時(shí)間能夠大幅度縮短。2.3.1常用編程方法介紹1經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法

在一些典型的控制環(huán)節(jié)和電路的基礎(chǔ)上,根據(jù)被控制對象對控制系統(tǒng)的具體要求,憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇、組合。有時(shí)為了得到一個(gè)滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果,需要進(jìn)行多次反復(fù)地調(diào)試和修改,增加一些輔助觸點(diǎn)和中間編程元件。這種設(shè)計(jì)方法沒有一個(gè)普遍的規(guī)律可遵循,即具有一定的試探性和隨意性,最后得到的結(jié)果也不是唯一的,設(shè)計(jì)所用的時(shí)間、設(shè)計(jì)的質(zhì)量與設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)多少有關(guān)。

經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法對于一些比較簡單的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)比較有效的,可以收到快速、簡單的效果。但是,由于這種方法主要時(shí)依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì),所以對設(shè)計(jì)人員的要求也比較高,特別時(shí)要求設(shè)計(jì)者有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對工業(yè)控制系統(tǒng)和工業(yè)上常用的各種典型環(huán)節(jié)比較熟悉。對于比較復(fù)雜的系統(tǒng),經(jīng)驗(yàn)法一般設(shè)計(jì)周期長,不易掌握,系統(tǒng)交付使用后,維護(hù)困難。所以,經(jīng)驗(yàn)法一般只適合于比較簡單的或與某些典型系統(tǒng)相類似的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。2接觸器-繼電器法接觸器-繼電器法就是依據(jù)所控制電器的接觸器-繼電器控制線路原理圖，用PLC對應(yīng)的符號和功能相當(dāng)?shù)钠骷?，把原來的接觸器-繼電器系統(tǒng)的控制線路直接翻譯成梯形圖程序的設(shè)計(jì)方法。接觸器-繼電器法特別適合于初學(xué)者編程設(shè)計(jì)使用，也特別適合對原有舊設(shè)備的技術(shù)革新和技術(shù)改造。3順序控制法順序控制法就是在生產(chǎn)控制過程中，按照生產(chǎn)工藝所要求的動(dòng)作規(guī)律，在各個(gè)輸入控制信號的作用下，根據(jù)所需要的狀態(tài)和時(shí)間順序，在生產(chǎn)過程中的各個(gè)輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)地按照預(yù)先規(guī)定的順序有步驟地進(jìn)行操作。

順序功能圖法是首先根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計(jì)順序功能圖,然后再依據(jù)順序功能圖設(shè)計(jì)順序控制程序。在順序功能圖中,在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換時(shí)使前級步的活動(dòng)結(jié)束而使后續(xù)步的活動(dòng)開始,步之間沒有重疊。這是系統(tǒng)中大量復(fù)雜的連鎖關(guān)系在步的轉(zhuǎn)換中得以解決。而對于每一步的程序段,只需處理極其簡單的邏輯關(guān)系。因而這種編程方法簡單易學(xué),規(guī)律性強(qiáng)。設(shè)計(jì)出的控制程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性好,程序的調(diào)試和運(yùn)行也很方便,可以極大地提高工作效率。4邏輯設(shè)計(jì)法工業(yè)電氣控制線路中,有不少都是通過繼電器等電氣元件來實(shí)現(xiàn),而繼電器,交流接觸器的觸點(diǎn)都只有兩種狀態(tài)即吸合和斷開,因此,用“0”和“1”兩種取值的邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)電氣控制線路時(shí)完全可以的,PLC的早期應(yīng)用就是替代繼電器控制系統(tǒng),因此用邏輯設(shè)計(jì)方法同樣也適用于PLC應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。當(dāng)一個(gè)邏輯函數(shù)用邏輯變量的基本運(yùn)算式表達(dá)出來后,實(shí)現(xiàn)這個(gè)邏輯函數(shù)的線路就確定了。當(dāng)這種方法使用熟練后,甚至梯形程序也可以省略,可以直接寫出于邏輯函數(shù)和表達(dá)式對用的指令語句程序。

用邏輯設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)PLC應(yīng)用程序的一般步驟如下:

第一步：列出執(zhí)行元件動(dòng)作節(jié)拍表

第二步：繪制電氣控制系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖;

第三步：進(jìn)行系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì);

第四步：編寫程序;

第五步：對程序檢測、修改和完善。2.3.2流程圖該系統(tǒng)采用順序控制法，在順序功能圖中,在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換時(shí)使前級步的活動(dòng)結(jié)束而使后續(xù)步的活動(dòng)開始,步之間沒有重疊。這是系統(tǒng)中大量復(fù)雜的連鎖關(guān)系在步的轉(zhuǎn)換中得以解決。2.3.3梯形圖用三菱PLC的編程軟件GXDeveloper編的梯形圖2.3.4語句表2.4MCGS組態(tài)軟件MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用監(jiān)控系統(tǒng)）是一套用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。它能夠在基于Microsoft的各種32位Windows平臺上運(yùn)行，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案，在自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其主要特征和功能大體為：具有簡單靈活的可視化操作界面、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、有良好的并行處理性能、有豐富生動(dòng)的多媒體畫面、開放式結(jié)構(gòu)、廣泛的數(shù)據(jù)獲取和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能、完善的安全機(jī)制、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能、多樣化的報(bào)警功能、支持多種硬件設(shè)備、方便控制復(fù)雜的運(yùn)行流程、良好的可維護(hù)性和可擴(kuò)充性、設(shè)立對象元件庫組態(tài)工作簡單方便、能實(shí)現(xiàn)對工控系統(tǒng)的分布式控制和管理等等。2.4.1MCGS組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)MCGS軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩個(gè)部分。組態(tài)環(huán)境相當(dāng)于一套完整的工具軟件，用來幫助用戶設(shè)計(jì)和構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)。運(yùn)行環(huán)境則按照組態(tài)環(huán)境中構(gòu)造的組態(tài)工程，以用戶的制定方式運(yùn)行，并進(jìn)行各種處理，完成用戶組態(tài)用戶設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能。組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境的關(guān)系如下圖所示：運(yùn)行環(huán)境：運(yùn)行環(huán)境：解釋執(zhí)行狀態(tài)結(jié)果組態(tài)環(huán)境：組態(tài)生成應(yīng)用系統(tǒng)組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫由MCGS生成的用戶應(yīng)用系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略五部分組成。如下圖所示MCGSMCGS主控窗口設(shè)備窗口用戶窗口實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫運(yùn)行策略MCGS的五大組成部分MCGS組態(tài)軟件建立的工程由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略五部分構(gòu)成，每一部分分別進(jìn)行組態(tài)操作，可以完成不同的工作，且具有不同的特性。（1）主控窗口主控窗口確定了工業(yè)控制中工程作業(yè)的總體輪廓、運(yùn)行流程、菜單命令、特性參數(shù)和啟動(dòng)特性等內(nèi)容，是應(yīng)用系統(tǒng)的主框架。在主窗口中可以放置一個(gè)設(shè)備窗口和多個(gè)用戶窗口，主控窗口負(fù)責(zé)調(diào)度和管理這些窗口的打開或關(guān)閉。主要的組態(tài)操作包括：定義工程名稱，編制工程菜單，設(shè)計(jì)封面圖形，確定啟動(dòng)的窗口，設(shè)定動(dòng)畫刷新周期，指定數(shù)據(jù)庫存盤文件名稱及存盤時(shí)間等。（2）設(shè)備窗口設(shè)備窗口是連接和驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備的工作環(huán)境。設(shè)備窗口專門用來放置不同類型和功能的設(shè)備構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)對外部設(shè)備的操作和控制。設(shè)備窗口通過設(shè)備構(gòu)件吧外部設(shè)備的數(shù)據(jù)采集進(jìn)來，送人實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)輸出到外部設(shè)備。一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)只有一個(gè)設(shè)備窗口，運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)打開設(shè)備窗口來管理和調(diào)度所有設(shè)備構(gòu)件正常工作，并在后臺獨(dú)立運(yùn)行。（3）用戶窗口用戶窗口主要用于設(shè)置工程中人機(jī)交互的界面。其中可以放置三種不同類型的圖形對象：圖元、圖符和動(dòng)畫構(gòu)件。圖元和圖符對象為用戶提供了一套完善的設(shè)計(jì)制作圖形畫面和定義動(dòng)畫顯示與操作模塊，用戶可以直接使用。通過在用戶窗口內(nèi)放置不同的圖形對象來搭建多個(gè)窗口，用戶可以構(gòu)件各種復(fù)雜的圖形界面，以便用不同的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和流程的可視化。組態(tài)工程中的用戶窗口，最多可以定義512個(gè)。所以的用戶窗口均位于窗口內(nèi)，其打開時(shí)窗口可見，關(guān)閉時(shí)窗口不可見。允許多個(gè)用戶窗口同時(shí)處于打開狀態(tài)，其位置、大小和邊界等屬性可以隨意改變或設(shè)置。（4）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是工程各個(gè)部分的數(shù)據(jù)交換與處理中心，是MCGS系統(tǒng)的核心。它將MCGS工程各個(gè)部分連接成有機(jī)的整體。本窗口內(nèi)定義的不同類型和名稱的變量，將作為數(shù)據(jù)采集、處理、輸出控制、動(dòng)畫連接及設(shè)備驅(qū)動(dòng)的對象。MCGS用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來管理所有的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。從外部設(shè)備采集來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)送入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的報(bào)警處理和存盤處理。因此，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫所存儲的單元，不單單是變量的數(shù)值，還包括變量的特征參數(shù)（屬性）以及對該變量的操作方法（設(shè)置報(bào)警性、報(bào)警處理、存盤處理等）。這種將數(shù)值、屬性和方法封裝在一起的數(shù)據(jù)稱為數(shù)據(jù)對象。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，不僅僅為其他部分提供服務(wù)，還為系統(tǒng)各個(gè)功能部件提供數(shù)據(jù)共享。（5）運(yùn)行策略運(yùn)行策略是對系統(tǒng)運(yùn)行的流程實(shí)現(xiàn)有效控制的手段。本窗口主要完成對工程運(yùn)行流程的控制。包括編程控制程序（if……then腳本程序）和選用各種功能構(gòu)件，例如數(shù)據(jù)提取、定時(shí)器、配方操作和多媒體輸出等。運(yùn)行策略本身是系統(tǒng)提供的一個(gè)框架，里面放置有策略條件構(gòu)件和由策略構(gòu)件組成的策略的定義，使系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的順序和條件操作實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，控制用戶窗口的打開、關(guān)閉并確定設(shè)備構(gòu)件的工作狀態(tài)等，從而實(shí)現(xiàn)對外部設(shè)備工作過程的精確控制。一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)有三個(gè)固定的運(yùn)行策略：啟動(dòng)、循環(huán)策略、和退出策略，用戶也可以根據(jù)具體需要?jiǎng)?chuàng)建新的用戶策略、循環(huán)策略、報(bào)警策略、事件策略、熱鍵策略，并且用戶最多可創(chuàng)建521個(gè)用戶策略。啟動(dòng)策略在應(yīng)用系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)調(diào)用，退出策略在應(yīng)用系統(tǒng)退出運(yùn)行時(shí)調(diào)用，循環(huán)策略由系統(tǒng)在運(yùn)行過程中定時(shí)循環(huán)調(diào)用，用戶策略供系統(tǒng)中的其他部件調(diào)用。MCGS組態(tài)軟件功能及其特點(diǎn)MCGS的主要和基本功能如下：（1）簡單的可視化操作界面MCGS采用全中文、可視化、面向窗口的開發(fā)界面，以窗口為單位，構(gòu)造用戶運(yùn)行系統(tǒng)的圖形界面，使得MCGS的組態(tài)工作既簡單直觀，又靈活多變符合中國人的使用習(xí)慣和要求。用戶可以使用系統(tǒng)的默認(rèn)構(gòu)架，也可以根據(jù)自己的需要自己組態(tài)配置圖形界面，生成各種類型和風(fēng)格的圖形界面，包括DOS風(fēng)格和標(biāo)準(zhǔn)Windows風(fēng)格的圖形界面并且?guī)в袆?dòng)畫效果的工具條和狀態(tài)條等。（2）實(shí)時(shí)性強(qiáng)、良好的并行處理性能MCGS是真正的32位系統(tǒng)充分利用了32位Windows操作品臺的多任務(wù)、按優(yōu)先級分時(shí)操作的功能，以線程為單位對在工程作業(yè)中實(shí)時(shí)性強(qiáng)的關(guān)鍵任務(wù)和實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的非關(guān)鍵任務(wù)進(jìn)行分時(shí)并行處理，使PC機(jī)廣泛應(yīng)用于工程測控領(lǐng)域成為可能。（3）豐富、生動(dòng)的多媒體畫面MCGS以圖像、圖符報(bào)表和曲線等多種形式，為操作員及時(shí)提供系統(tǒng)運(yùn)行中的狀態(tài)、品質(zhì)及異常報(bào)警等有關(guān)信息；通過對圖形大小的變化、顏色的改變、明暗的閃爍、圖形的移動(dòng)反轉(zhuǎn)等多種手段，增強(qiáng)畫面的動(dòng)態(tài)顯示效果；在圖元、圖符對象上定義相應(yīng)的狀態(tài)屬性，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果。MCGS還為客戶提供了豐富的動(dòng)畫構(gòu)件，每個(gè)動(dòng)畫構(gòu)件都應(yīng)一個(gè)特定的動(dòng)畫功能。MCGS還支持多媒體功能，使能夠開發(fā)出集圖像、聲音、動(dòng)畫為一體的漂亮、生動(dòng)的工程畫面。（4）開放式結(jié)構(gòu)，廣泛的數(shù)據(jù)獲取和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能MCGS采用開放式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可以與廣泛的數(shù)據(jù)源交換數(shù)據(jù)，MCGS提供多種高性能的I/O驅(qū)動(dòng)；支持Microsoft開放數(shù)據(jù)庫互連（ODBC）接，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫連接能力；全面支持OPC(OLEforProcessControl)標(biāo)準(zhǔn)，即可作為OPL客戶端，也可以作為OPC服務(wù)器，可以與更多的自動(dòng)化設(shè)備相連接；MCGS通過DDE(DynamicDataExchange,動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換)與其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)，充分利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源；MCGS全面支持ActiveX控制，提供極其靈活的面向?qū)ο蟮膭?dòng)態(tài)圖形功能，并且包含豐富的圖形庫。（5）完善的安全機(jī)制MCGS提供了良好的安全機(jī)制，為多個(gè)不同級別的用戶設(shè)定了不同的權(quán)限。此外MCGS還提供了工程密碼，鎖定軟件狗、工程運(yùn)行期限等功能，大大加強(qiáng)了保護(hù)組態(tài)開發(fā)者勞動(dòng)成果的力度。（6）強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能MCGS支持TCP/IP、MODEN、RS-458/RS-422/RS-232等多種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)；使用MCGS網(wǎng)絡(luò)版組態(tài)軟件，可以在整個(gè)企業(yè)范圍內(nèi)，用IE瀏覽器方便的瀏覽到實(shí)時(shí)和歷史的監(jiān)控信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理和企業(yè)管理的集成。（7）多樣化的報(bào)警功能MCGS提供多種不同的警報(bào)方式，具有豐富的警報(bào)類型和靈活多樣的警報(bào)處理函數(shù)。不僅方便用戶進(jìn)行警報(bào)設(shè)置，并且實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示、打印警報(bào)信息的功能。警報(bào)信息的存儲與應(yīng)答功能，為工業(yè)現(xiàn)場安全可靠地生產(chǎn)運(yùn)行提供了有力的保障。（8）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為用戶分步組態(tài)提供極大方便MCGS由主窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略五個(gè)部分構(gòu)成，其中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心，是系統(tǒng)各個(gè)部分及其各種功能性構(gòu)件的功用數(shù)據(jù)區(qū)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。各個(gè)部件獨(dú)立地向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)庫輸入和輸出數(shù)據(jù)，并完成自己的差錯(cuò)控制。在生成用戶應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，每個(gè)部分均可分別進(jìn)行組態(tài)配置，獨(dú)立創(chuàng)建，互不干擾；而在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，各個(gè)部分都通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫交換，形成互相關(guān)連的整體。（9）支持多種硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)“設(shè)備無關(guān)”MCGS針對外部設(shè)備的特征，設(shè)備工具箱，定義多種設(shè)備構(gòu)件，建立系統(tǒng)與外部設(shè)備的連接關(guān)系，賦予相關(guān)的屬性，實(shí)現(xiàn)對外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)和控制。用戶在設(shè)備工具箱中可方便選擇各種設(shè)備。不同的設(shè)備構(gòu)件，所有的設(shè)備構(gòu)件均通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫建立聯(lián)系；而建立時(shí)又是相互獨(dú)立的，即對某一構(gòu)件的操作或改動(dòng)，不影響其他構(gòu)件和整個(gè)系統(tǒng)。（10）控制方便復(fù)雜的運(yùn)行流程MCGS開辟了“運(yùn)行策略窗”口，用戶可以選用系統(tǒng)提供的各種條件和功能的策略構(gòu)件，用圖形化的方法和簡單的類Basic語言構(gòu)造多分支的應(yīng)用程序，按照設(shè)定的條件和順序，操作外部設(shè)備，控制窗口的打開或關(guān)閉，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)自由，準(zhǔn)確地控制運(yùn)行流程，同時(shí)也可以由用戶創(chuàng)建新的策略構(gòu)件，擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。（11）良好的可維護(hù)性和可擴(kuò)充性MCGS系統(tǒng)由五大功能模塊組成，主要的模塊以及構(gòu)件的形式來構(gòu)造，不同的構(gòu)件有著不同的功能，且各自的獨(dú)立。三種基本類型的構(gòu)件（設(shè)備構(gòu)件、動(dòng)畫構(gòu)件、策略構(gòu)件）完成了MCGS系統(tǒng)三大部分（設(shè)備驅(qū)動(dòng)、動(dòng)畫構(gòu)件和流程控制）的所有工作。除此之外，MCGS還提供了一套開放的可擴(kuò)充接口，用戶可根據(jù)自己的用VB、VC等高等高級開發(fā)語言，編制特定的構(gòu)件來擴(kuò)充系統(tǒng)的功能。（12）用數(shù)據(jù)庫來管理數(shù)據(jù)存儲，系統(tǒng)可靠性高M(jìn)CGS中數(shù)據(jù)的存儲不再使用普通的文件，而是用數(shù)據(jù)庫來管理。組態(tài)時(shí)，系統(tǒng)生成的組態(tài)結(jié)構(gòu)是一個(gè)數(shù)據(jù)庫；運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)生成一個(gè)數(shù)據(jù)庫，保存和處理數(shù)據(jù)對象和報(bào)警信息的數(shù)據(jù)。利用數(shù)據(jù)庫來保存數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行效率；同時(shí)，也使其他應(yīng)用軟件系統(tǒng)能直接數(shù)據(jù)庫中存盤數(shù)據(jù)。（13）設(shè)立對象元件庫，組態(tài)工作簡單方便對象元件庫，實(shí)際上是分類儲存的各種組態(tài)對象的圖庫。組態(tài)時(shí)，可把制作好的數(shù)據(jù)對象（包括圖形對像、窗口對象、策略對象以至位圖文件等）以元件的形式存入圖庫中，同樣也可把元件庫的各種對象取出，直接為當(dāng)前的工程所用。隨著工作的積累，對象元件庫將日益擴(kuò)大和豐富，這樣解決了對象元件庫的元件積累和元件重復(fù)利用問題。組態(tài)工作將會變得更加簡單、方便。（14）實(shí)現(xiàn)對工控系統(tǒng)的分布式控制和管理考慮到工控系統(tǒng)今后的發(fā)展趨勢，MCGS充分運(yùn)用現(xiàn)今發(fā)展的DCCW(DistributedComputerCooperatorWork，分布式計(jì)算機(jī)協(xié)通工作方式)技術(shù)，使分布在不同現(xiàn)場的采集設(shè)備和工作站之間實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作，不同的工作站之間則通過MCGS實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對工控系統(tǒng)的分布式控制管理。2.4.2工程的建立和變量的定義1)首先雙擊桌面MCGS組態(tài)環(huán)境圖標(biāo)，進(jìn)入組態(tài)環(huán)境，屏幕中間窗口為工作臺。2)單擊文件菜單中“新建工程”選項(xiàng)，自動(dòng)生成新建工程，默認(rèn)的工程名為：“新建工程0.MCG”。3)選擇文件菜單中的“工程另存為”菜單項(xiàng)，彈出文件保存窗口。4)在文件名一欄內(nèi)輸入“機(jī)械手控制系統(tǒng)”，點(diǎn)擊“保存”按鈕，工程創(chuàng)建完畢。如圖所3-3示。圖2-3在MCGS中，變量也叫數(shù)據(jù)對象。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是MCGS工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)對象是構(gòu)成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的基本單元，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的過程也就是定義數(shù)據(jù)對象的過程。定義數(shù)據(jù)對象的內(nèi)容主要包括：指定數(shù)據(jù)變量的名稱、類型、初始值和數(shù)值范圍確定與數(shù)據(jù)變量存盤相關(guān)的參數(shù)，如存盤的周期、存盤的時(shí)間范圍和保存期限等。變量的分配在開始定義之前，我們先對系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定需要的變量。本系統(tǒng)至少需要16個(gè)變量，見下表。變量名類型初值注釋啟動(dòng)按鈕開關(guān)型0機(jī)械手啟動(dòng)控制信號X0輸入1有效停止按鈕開關(guān)型0機(jī)械手復(fù)位控制信號X1輸入1有效上限開關(guān)開關(guān)型0機(jī)械手動(dòng)作控制輸入1有效下限開關(guān)開關(guān)型0機(jī)械手動(dòng)作控制輸入1有效左限開關(guān)開關(guān)型0機(jī)械手動(dòng)作控制輸入1有效右限開關(guān)開關(guān)型0機(jī)械手動(dòng)作控制輸入1有效變量定義的步驟1)單擊工作臺中的“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫”選項(xiàng)卡，進(jìn)入“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫”窗口頁，如圖3-4所示。窗口中列出了系統(tǒng)已有變量“數(shù)據(jù)對象”的名稱。其中一部分為系統(tǒng)內(nèi)部建立的數(shù)據(jù)對象?，F(xiàn)在要將表中定義的數(shù)據(jù)對象添加進(jìn)去。2)單擊工作臺右側(cè)“新增對象”按鈕，在窗口的數(shù)據(jù)對象列表中，增加了一個(gè)新的數(shù)據(jù)對象，如圖3-5所示。3)選中該數(shù)據(jù)對象，按“對象屬性”按鈕，或雙擊選中對象，則打開“數(shù)據(jù)對象屬性設(shè)置”窗口。圖3-4實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫窗口圖3-5實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫窗口圖3-6數(shù)據(jù)對象屬性設(shè)置窗口4)將“對象名稱”改為：啟動(dòng)按鈕；“對象初值”改為：0；“對象類型”選擇：開關(guān)型；在“對象內(nèi)容注釋輸入框”內(nèi)輸入：機(jī)械手啟動(dòng)信號，X11輸入，1有效。5)單擊“確定”。如圖3-6所示。6)按照步驟2~5，根據(jù)上面列表，設(shè)置其他數(shù)據(jù)對象。7)單擊“保存”按鈕。2.4.3動(dòng)畫連接指示燈的動(dòng)畫連接1)雙擊啟動(dòng)指示燈，彈出“單元屬性設(shè)置”窗口。2)單擊“動(dòng)畫連接”選項(xiàng)卡，進(jìn)入該頁。圖3-7動(dòng)畫組態(tài)屬性設(shè)置3)單擊“組合圖符”，出現(xiàn)“？”、“>”按鈕。4)單擊“>”按鈕，彈出“動(dòng)畫組態(tài)屬性設(shè)置”窗口。單擊“屬性設(shè)置”選項(xiàng)卡，進(jìn)入該頁，如圖4-7所示。5)選中“可見度”選項(xiàng)卡，其他項(xiàng)不選。6)單擊“可見度”選項(xiàng)卡進(jìn)入該頁，如圖4-8所示。圖3-8動(dòng)畫組態(tài)屬性設(shè)置7)在“表達(dá)式”一欄，單擊“？”按鈕，彈出當(dāng)前用戶定義的所有數(shù)據(jù)對象列表，雙擊“啟動(dòng)按鈕”。8)在“當(dāng)表達(dá)式非零時(shí)”一欄，選擇“對應(yīng)圖符可見”。9)單擊“確認(rèn)”按鈕，退出“可見度”設(shè)置頁。10)單擊“確認(rèn)”按鈕，退出“單元屬性設(shè)置”窗口，結(jié)束啟動(dòng)指示燈的動(dòng)畫連接。11)單擊“保存”按鈕。12)依次對其他指示燈進(jìn)行設(shè)置，依照步驟1）~11）。經(jīng)過這樣的連接，當(dāng)按下機(jī)械手或畫面上的啟動(dòng)按鈕后，不但相應(yīng)變量的值會改變，相應(yīng)指示燈也會出現(xiàn)亮滅的改變。機(jī)械手的動(dòng)畫連接1、垂直移動(dòng)動(dòng)畫連接：1)在“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫”中增加一個(gè)新變量“垂直移動(dòng)量”，初值：0，類型：數(shù)值型。2)單擊“查看”菜單，選擇“狀態(tài)條”，在屏幕下方出現(xiàn)狀態(tài)條。狀態(tài)條左側(cè)文字代表當(dāng)前操作狀態(tài)，右側(cè)顯示被選中對象的坐標(biāo)和大小。3)估計(jì)總垂直移動(dòng)距離：在上工件底邊與下工件底邊之間畫一條直線，根據(jù)狀態(tài)條大小指示可知直線長度即總垂直移動(dòng)距離，垂直移動(dòng)距離為104。4)在腳本程序的開始處增加“動(dòng)畫控制”語句：IF下移=0THEN垂直移動(dòng)量=垂直移動(dòng)量+1ENDIFIF上升=0THEN垂直移動(dòng)量=垂直移動(dòng)量-1ENDIF變化率=1個(gè)相素/每次，即每執(zhí)行一次腳本程序，垂直移動(dòng)量加1或減1，當(dāng)然變化率也可以選大些或小些。5)計(jì)算垂直移動(dòng)一次腳本程序執(zhí)行次數(shù)：次數(shù)=下移時(shí)間（上升時(shí)間）/循環(huán)策略執(zhí)行間隔=5s/200ms=25次。6)計(jì)算：垂直移動(dòng)量的最大值=循環(huán)次數(shù)*

變化率=25*1=25。7)在機(jī)械手監(jiān)控畫面中選中并雙擊上工件，彈出“屬性設(shè)置”窗口。8)在“位置動(dòng)畫連接”一欄中選中“垂直移動(dòng)”，單擊“垂直移動(dòng)”選項(xiàng)卡，進(jìn)入該頁。9)按照圖4-9所示在“表達(dá)式”一欄填入：垂直移動(dòng)量。在垂直移動(dòng)連接欄填入各項(xiàng)參數(shù)。單擊“確認(rèn)”按鈕，存盤。10)進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境，單擊“啟動(dòng)”按鈕，觀察動(dòng)作。圖3-9動(dòng)畫組態(tài)屬性設(shè)置2、水平移動(dòng)動(dòng)畫連接：1)水平移動(dòng)總距離的測量：在工件初始位置和移動(dòng)目的地之間畫一條直線，記下狀態(tài)條大小指示，此參數(shù)即為總水平移動(dòng)距離。移動(dòng)距離為180.2)在數(shù)據(jù)庫中增加一個(gè)變量：水平移動(dòng)量，數(shù)值型，初值為0。圖3-10動(dòng)畫組態(tài)屬性設(shè)置3)腳本程序中增加以下代碼：IF前伸＝0THEN水平移動(dòng)量=水平移動(dòng)量+1ENDIFIF后縮＝0THEN水平移動(dòng)量=水平移動(dòng)量-1ENDIF4)腳本程序執(zhí)行次數(shù)＝后縮時(shí)間（前伸時(shí)間）／循環(huán)策略執(zhí)行時(shí)間=10s/200s=50次。5)計(jì)算：水平移動(dòng)量的最大值=循環(huán)次數(shù)*變化率=50*1=50，即當(dāng)水平移動(dòng)量＝50時(shí)，水平移動(dòng)距離為180。6)如圖4-21所示對右滑桿、機(jī)械手、上工件、氣夾分別進(jìn)行水平動(dòng)畫連接。參數(shù)設(shè)置的意思是：當(dāng)水平移動(dòng)量=0時(shí)，向右移動(dòng)距離為0；當(dāng)水平移動(dòng)量＝50時(shí)，向右移動(dòng)距離為180。7)進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境調(diào)試。3、工件移動(dòng)動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)：1)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中填加一個(gè)變量：工件夾緊標(biāo)志，初值：0，類型：開關(guān)。2)在腳本程序中加入兩條語句：IF夾緊=1THEN工件夾緊標(biāo)志=1‘處于夾緊狀態(tài)ENDIFIF放松=1THEN工件夾緊標(biāo)志=10‘處于放松狀態(tài)ENDIF圖3-11動(dòng)畫組態(tài)屬性設(shè)置3)選中下工件，在“屬性設(shè)置”頁中選擇可見度。4)進(jìn)入“可見度”頁，在表達(dá)式一欄填入：工件夾緊標(biāo)志；當(dāng)表達(dá)式非零時(shí)，選擇：對應(yīng)圖符不可見。意思是：當(dāng)工件夾緊標(biāo)志＝1時(shí)，下工件不可見；當(dāng)工件夾緊標(biāo)志＝0時(shí)，下工件可見。如圖4-21所示。5)選中并雙擊上工件，將其可見度屬性設(shè)置為與下工件相反，即當(dāng)工件夾緊標(biāo)志非零時(shí)，對應(yīng)圖符可見。如圖4-22所示。圖3-12動(dòng)畫組態(tài)屬性設(shè)置5）依照步驟3)~5)對氣夾進(jìn)行設(shè)置。6）存盤，進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境調(diào)試。7）刪去畫面中不需要的圖符。2.4.5調(diào)試保存所有組態(tài)設(shè)置，然后關(guān)閉組態(tài)監(jiān)控程序。將PLC程序下傳到PLC裝置中并讓其運(yùn)行，切換到離線狀態(tài)，然后啟動(dòng)MCGS，進(jìn)入組態(tài)工程運(yùn)行界面。在運(yùn)行中通過對按鈕的操作可檢測所編程序的正確與否。經(jīng)過運(yùn)行測試，該組態(tài)監(jiān)控軟件可對機(jī)械手控制系統(tǒng)的動(dòng)作過程進(jìn)行有效監(jiān)控，PLC程序達(dá)到了控制要求。系統(tǒng)的調(diào)試及設(shè)計(jì)總結(jié)3.1系統(tǒng)調(diào)試（1）硬件檢測調(diào)試從硬件方面檢查系統(tǒng)的各個(gè)方面，保證系統(tǒng)的硬件接線正確（2）機(jī)械手控制程序的調(diào)試程序的模擬調(diào)試將設(shè)計(jì)好的程序?qū)懭隤LC后，首先逐條仔細(xì)檢查，并改正寫入出現(xiàn)錯(cuò)誤。用戶程序一般先在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，實(shí)際的輸入信號可以用鈕子開關(guān)和按鈕來模擬，各輸出量的通/斷狀態(tài)用PLC上有關(guān)的法官二極管來顯示，一般不用接PLC實(shí)際的負(fù)載?？梢愿鶕?jù)功能表，在適合的時(shí)候用開關(guān)或按鈕來模擬實(shí)際的反饋信號，如限位開關(guān)觸點(diǎn)的接通和斷開。對于順序控制程序，調(diào)試程序的主要任務(wù)是檢查程序的運(yùn)行是否符合功能表圖的規(guī)定，即在某一轉(zhuǎn)換條件是現(xiàn)實(shí)時(shí)，是否發(fā)生的活動(dòng)狀態(tài)的正確變化，即該轉(zhuǎn)換所有的前級初步是否變?yōu)椴换顒?dòng)步，所有的后續(xù)步是否變?yōu)榛顒?dòng)步，以及各步被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載是否發(fā)生相應(yīng)的變化。在程序調(diào)試過程中出現(xiàn)了一系列的問題，但最終都一一解決了。在使用STL指令編程時(shí)，剛開始由于對STL指令掌握的不是很好，所以犯了不少錯(cuò)誤，加上機(jī)械手模型裝置本身存在的一些問題，所以在調(diào)試程序時(shí)，機(jī)械手動(dòng)作不符合控制要求。經(jīng)過不斷查閱資料，研究、改進(jìn)，最終程序調(diào)