气动机械手的自动控制和上位机监控设计

1气动机械手的自动控制和上位机监控设计张平洋,吴向前盖晓华(新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830008)[摘要]本设计采用松下FP1-C40型PLC为控制器，以组态王软件为上位机开发平台。通过分析控制动作流程，完成PLC程序设计，实现了气动机械手将不同颜色的物块搬运到指定位置。通过组态软件设计系统图形界面，定义I/O设备，构造数据库，建立动画连接及联机调试，实现了上位机对系统的实时监控。控制安全可靠，监控界面友好。[关键词]气动机械手；FP1-C40；上位机；实时监控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在现代工业中，工业机械手是自动控制领域的一个广泛关注的焦点，并已成为现代自动化生产领域的一个重要组成部分。本课题采用松下FP1—C40型PLC，根据控制要求对机械手系统进行PLC程序设计，实现机械手系统将不同颜色的物块搬运到指定位置，并以组态王软件为开发平台，实现对机械手分拣物料工况的上位机实时监控。此机械手监控系统可移植应用于一些工业产品的分拣装箱，可大大提高工作效率，并能使人体避免接触一些对人体有害的化工产品，提高工厂的工作安全性。1机械手控制系统硬件设计1.1硬件总体方案设计气动机械手自动控制系统整体结构图如图1所示，主要设备有：计算机、松下FP1-C40型PLC和机械手工作台，其中机械手工作台主要包括以下部分：24V稳压电源、空气压缩机、电感式接近开关、色标传感器、电控换向阀和气缸。2松下FP1-C40型PLC电感式接近开关色标传感器电控换向阀机械手工作台RS232上位机图1气动机械手自动控制系统整体结构图松下FP1-C40是机械手系统的控制器，通过编程实现对机械手装置的控制，以组态软件为开发平台，实现上位机实时监控。稳压电源为PLC、电控阀、电感式接近开关及色彩识别元件供电，空气压缩机为气缸动作提供动力。通过电感式接近开关信号变化，借助电控换向阀改变气缸的运动方向，实现机械手抓取和松开物块，及机械大小臂前后、上下动作，完成传送物块任务。色标传感器用来检测物块的颜色，使机械手装置分拣不同颜色的物块到指定位置。1.2机械手控制系统I/O接线此机械手控制系统共有33个I/O点，其中22个输入点，11个输出点，根据I/O分配表，焊接电感式接近开关、色标传感器，以及电控换向阀的电源线、信号线于输入输出端子排，其中PLC面板上的COM均与电源的正极相连，上面的输入/输出端子均与COM在PLC的内部相连。现场的接线面板上COM均与电源的负极相连，现场的输入/输出元件的负极均与COM在现场面板的内部相连，从而构成控制回路。机械手控制系统I/O接线如图2所示，其中，实线表示正极引线，虚线表示负极引线。3AC220V+24V0PLC(FP1-C40)X21号臂前限位X31号臂后限位X65号气缸上限位X75号气缸下限位X86号气缸左限位X96号气缸右限位XA2号小臂上限位XB2号小臂下限位XC2号臂前限位XD2号臂后限位XE10号气缸左限位X11号气缸右限X10物料台接近开关X11传送台左接近开关X12传送台右接近开关X13中间检测开关X141号色标传感器X152号色标传感器X161号小臂上限位1号小臂下限位X17Y82号机械手Y92号臂YA10号阀YB11号阀Y41号机械手Y55号阀Y66号阀Y72号小臂Y11号阀Y21号臂Y31号小臂COMCOMCOMCOMCOMCOMCOMCOMCOMCOMCOMCOMCOMCOMCOMY1Y0Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8Y9YAYBYCYDYEYFY1Y0Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8Y9YAYBYCYDYEYFX1X0X2X3X4X5X6X7X8X9XAXBXCXDXEXFX10X11X12X13X14X15X16X17X0X2X4X6X1X3X5X7X9XBXDXFX8XAXCXEX11X13X15X17X10X12X14X16COM+24V0ONOFF图2机械手控制系统I/O接线图2机械手控制系统软件设计2.1机械手控制系统程序流程图设计根据机械手控制系统的工作要求，即把三种不同颜色的物块搬运到指定位置，机械手控制系统程序流程图如图3所示。物料台传送物料（工步1）机械手1取放物料系统上电机械手1大臂（汽缸2）机械手1小臂（汽缸3）机械手1（汽缸4）物料传送（汽缸1）中间传送台取料（汽缸5）中间传送台送料（汽缸6）机械手2（汽缸8）机械手2小臂（汽缸7）机械手2大臂（汽缸9）物料槽移动（汽缸10）颜色识别中间传送台右物料检测中间传送台左物料检测传送到位检测物料槽移动（汽缸11）工步1工步3工步2工步4工步5工步7工步9工步8工步11工步19工步10工步13工步14工步18工步20工步21工步23工步27工步24工步28中间传送台传送物料（工步11~12，15~18）颜色识别（工步13~14）机械手2取放物块(工步19~28)工步17工步16工步15工步12工步6工步22工步25工步26（工步2~10）图3机械手控制系统程序流程图42.2机械手控制系统下位机程序设计FPWIN-GR软件是松下电工为其FP类型可编程控制器提供的编程软件。FPWINGR除有编写、修改程序等基本功能外，该软件也支持PLC在线状态监控等功能。此机械手控制系统的程序包括物料台传送物块、机械手1取放物块、中间传送台传送物块、色彩识别定位物块存放位置和机械手2取放物块五部分，这里只分析色彩识别定位物块存放位置程序，程序如图4所示。当中间检测开关检测到的物块是黑色的时，X14、X15均处于断开状态，10号和11号气缸均不动作，物块放到1号槽；当检测到的物块是粉红色时，X14处于闭合状态，X15处于断开状态，通过中间寄存器R4使10号气缸动作，物块放到2号槽；当检测到的物块是白色时，X14、X15均处于闭合状态，，通过中间寄存器R5使10号和11号气缸均动作，物块放到3号槽。另外，当定时器T93延时到，10和11号气缸均复位。图4通过色彩识别定位物块存放位置程序2.3下位机控制程序调试FPWINGR软件与PLC的通信使用RS232串口通信，与编程计算机相连的是RS232C端，与PLC相连的是RS422端。FPWINGR编程软件与PLC通信调试经验总结如下：1)当PLC上载或者下载程序时，PLC必须处于PROG状态，不能处于RUN状态，而且PLC不能与上位机监控软件处于通信状态，否则操作会失败。2)FPWINGR编程软件内设定的COM口与PLC和计算机相连的COM口必须一致，而且通讯参数设置应相同，否则通信会失败。3)程序编译后，若没经过FPWINGR软件总体检查，且程序编写有错误时，程序可以下载到PLC，但运行时程序不会被执行，故在下载程序到PLC时，应先对程序进5行总体检查。2.4机械手控制系统上位机监控设计组态软件是在自动测控系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式提供良好的人机界面，此设计使用的组态王软件是我国自主研发的上位机监控软件，其功能完善，易学易用。设计组态王工程的一般过程是：图形组态、I/O设备组态、I/O变量组态和动画连接。2.4.1图形组态有效的利用菜单栏里的各种工具及图库模型是快速建立图形画面的有效方法。机械手装置静态画面如图5所示。图5机械手装置静态画面2.4.2I/O设备组态在工程浏览器的目录区，用鼠标左键单击项目管理中设备下的COM1，从树形设备列表区中选择PLC子目录下的松下FP系列的FP1C40型，单击“下一步”按钮，则弹出设备配置向导“选择串口号”对话框，为配置的串行设备指定与计算机相连的串口号，并进一步为串口设备指定设备地址，最后设定通信参数，则完成了I/O设备组态。2.4.3I/O变量组态组态王工程中，不同的PLC定义I/O变量时，地址形式有所不同，对于松下FP1-C4O型PLC，离散I/O变量的地址是＊.0—＊.Ｆ，即按十六进制的方式进行设定。如果变量地址设计形式出错，组态王与PLC联机调试时，通信会失败。2.4.4动画连接组态王开发系统中的画面都是静态的，要想反映机械手的工作状况，需要把I/O变量和静态画面中的图形进行“动画连接”，此设计的输出动画均用输入变量的与或运算表达式，结合组态王的隐含功能实现。63联机调试在运行组态王工程之前，根据需要可在组态王开发系统中对运行系统环境进行配置。组态王软件与PLC联机调试经验总结如下：1）在联机调试时，如果某一个I/O端子接触不良，可能就会引起系统不能正常运行，故联机调试时不能盲目修改程序，还要确保硬件设计的可靠性。2）组态王工程设定的COM口与PLC和计算机相连的COM口必须一致，而且通讯参数设置应相同，否则通信会失败。3）当PLC与FPWINGR编程软件正在通信的条件下，联机调试通信会失败。故联机调试前，应先退出FPWINGR编程软件。4）联机调试时，若机械手工作台附近有较剧烈振动时，色彩识别会出现错误，可能所有物块都会分拣到同一个物料槽内，故在联机调试时，空气压缩机不能离机械手装置太近。经过多次联机调试，实现了设计目的。通过上位机的启动按钮与停止按钮可以控制下位机PLC程序运行与否，从而控制机械手的工作状况，通过监控界面能实时监视系统运行状况。联机调试时，机械手控制系统根据物块颜色确定把物块放进哪一个物料槽，上位机通过采样I/O状态，上位机监控画面中的对应部位会随着机械手工作台中相应部位的动作而有一定时间滞后的动作。机械手控制系统物块色彩识别现场画面与监控画面如图6所示。图6物块色彩识别现场画面与监控画面4结束语此设计采用松下FP1-C40型PLC为控制器，以组态王软件为上位机开发平台，通过对系统硬件设计和软件设计，很好的实现了机械手系统的自动控制和上位机监控，达到了控制目的和良好的监控效果。对学习研究机械手控制系统的人员有一定参考价值。7参考文献：[1]常斗南．可编程控制器原理·应用·实验[M]．北京：机械工业出版社．1998．[2]严盈富．监控组态软件与PLC入门．北京：人民邮电出版社．2006．[3]樊尚春．传感器技术及应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社．2004．[4]闫坤，马英庆．气动传送与分拣生产线控制系统的研究．工业控制计算机．2005年第6期[5]北京亚控．组态王6.53软件使用手册．北京亚控发展科技有限公司．