PLC在機(jī)械手遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.引言

　　當(dāng)今社會(huì)，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，人類活動(dòng)給世界帶來(lái)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(lái)越多的被人們所應(yīng)用。機(jī)械手在不同的作業(yè)場(chǎng)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(lái)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[1]，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?？梢?，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(shì)[2]。

2.控制系統(tǒng)組成

　　2.1 系統(tǒng)組成

　　本控制系統(tǒng)中選用三菱公司的FX2N系列PLC，控制結(jié)構(gòu)采用主從式，以一臺(tái)上位計(jì)算機(jī)為主站，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程機(jī)械手工作過(guò)程的監(jiān)控;以PLC為從站，作為前端控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的現(xiàn)場(chǎng)控制。將計(jì)算機(jī)的串口與FX-485PC-IF的RS232C的接口連接，F(xiàn)X-485PC-IF的RS422/485的接口與FX2N-485BD連接，完成RS232與RS485之間電平轉(zhuǎn)換。FX2N-485BD作為PLC的通信擴(kuò)展模塊，實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)的串行通信。PLC將上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的控制信息轉(zhuǎn)換成控制命令，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手動(dòng)作;PLC再將機(jī)械手的工作狀態(tài)，通過(guò)串行通信傳遞給上位機(jī)，由上位機(jī)監(jiān)視機(jī)械手的工作過(guò)程。上位機(jī)軟件以實(shí)時(shí)動(dòng)畫的形式，向操作人員提供機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)操作過(guò)程的可視化。系統(tǒng)組成原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成原理圖

　　2.2 控制方式

　　系統(tǒng)設(shè)有三種控制方式：遠(yuǎn)程分步動(dòng)作控制、遠(yuǎn)程循環(huán)動(dòng)作控制和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制，前兩種控制方式在上位機(jī)監(jiān)控界面上進(jìn)行操作控制，后一種控制方式在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)手動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制。

　　2.2.1 遠(yuǎn)程分步動(dòng)作控制

　　在上位機(jī)監(jiān)控界面分步動(dòng)作控制區(qū)，通過(guò)選擇“啟動(dòng)”、“停止”、“上升”、“下降”、“左移”、“右移”、“松開”、“夾緊”、“制動(dòng)”等命令按鈕，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作。操作人員根據(jù)監(jiān)控軟件的實(shí)時(shí)監(jiān)視動(dòng)畫，任意組合九種動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的遠(yuǎn)程分步動(dòng)作控制。

　　2.2.2 遠(yuǎn)程循環(huán)動(dòng)作控制

　　在上位機(jī)監(jiān)控界面循環(huán)動(dòng)作控制區(qū)，選擇“啟動(dòng)”按鈕，機(jī)械手從起始位置開始，按如圖2所示流程自動(dòng)地、連續(xù)不斷地循環(huán)動(dòng)作，直到按下“停止”按鈕。按下“停止”按鈕后，機(jī)械手完成一個(gè)周期的動(dòng)作后，回到起始位置停止。

圖2 循環(huán)動(dòng)作順序圖

　　2.2.3 現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制

　　在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)選擇機(jī)械手控制箱上的各種命令按鈕，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的控制。此項(xiàng)控制主要用于機(jī)械手的安裝調(diào)試，以及遠(yuǎn)程通信線路出現(xiàn)故障時(shí)能夠在現(xiàn)場(chǎng)有效的控制機(jī)械手。

3.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 硬件設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)的PLC選用日本三菱公司的FX2N-48MR，該產(chǎn)品具有24點(diǎn)輸入，24點(diǎn)輸出，用于對(duì)機(jī)械手的控制，PLC外部I∕O地址分配如表1所示。

　　表1 機(jī)械手遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)I∕O地址分配表

　　輸入端有8個(gè)按鈕，用于現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制;1個(gè)2檔選擇開關(guān)，用于遠(yuǎn)程∕現(xiàn)場(chǎng)控制選擇;4個(gè)限位開關(guān)，用于控制機(jī)械手上、下、左、右的極限位置。

　　輸出端有6個(gè)電磁閥，控制機(jī)械手上升、下降、左移、右移、松開、夾緊。為避免斷開電流時(shí)電磁閥會(huì)在其兩端產(chǎn)生極高的感應(yīng)電壓，在每個(gè)電磁閥線圈兩端并聯(lián)續(xù)流二極管。

　　3.2 軟件設(shè)計(jì)

　　按照機(jī)械手的動(dòng)作先后順序，在遠(yuǎn)程∕現(xiàn)場(chǎng)控制信號(hào)的作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時(shí)間順序，機(jī)械手內(nèi)部各執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)地、有序地進(jìn)行動(dòng)作。為簡(jiǎn)化PLC程序、增強(qiáng)程序的可讀性，利用控制系統(tǒng)的順序功能圖設(shè)計(jì)梯形圖，系統(tǒng)軟件采用模塊化的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 PLC控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

　　3.2.1 遠(yuǎn)程分步動(dòng)作控制

　　在上位機(jī)分步動(dòng)作控制區(qū)選擇“啟動(dòng)”∕“停止”按鈕，上位機(jī)遠(yuǎn)程控制PLC輔助觸點(diǎn)M1閉合∕斷開，決定遠(yuǎn)程分步動(dòng)作控制子程序是否執(zhí)行。PLC根據(jù)接收到的不同控制命令，使輔助觸點(diǎn)M101～M106分別閉合∕斷開，從而控制輸出繼電器Y0～Y5通斷，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的遠(yuǎn)程分步動(dòng)作控制。

　　3.2.2 遠(yuǎn)程循環(huán)動(dòng)作控制

　　只要接收到上位機(jī)“循環(huán)動(dòng)作啟動(dòng)”命令（輔助觸點(diǎn)M0閉合），PLC就會(huì)根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作順序，利用4個(gè)限位開關(guān)的輸入信號(hào)X12～X15和松開、夾緊定時(shí)器的觸點(diǎn)狀態(tài)依次控制輸出繼電器Y0～Y5通斷，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的遠(yuǎn)程循環(huán)動(dòng)作控制。

　　完成一個(gè)周期動(dòng)作，機(jī)械手返回起始位置，開始第二個(gè)周期動(dòng)作，直到上位機(jī)向PLC發(fā)送“循環(huán)動(dòng)作停止”命令。在循環(huán)動(dòng)作期間，收到“停止”命令，系統(tǒng)將完成一個(gè)完整循環(huán)動(dòng)作后返回起始位置停止。

　　3.2.3現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制

　　手動(dòng)控制比較簡(jiǎn)單，利用X0～X7對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)輸入信號(hào)，控制PLC的輸出繼電器Y0～Y5通斷。為保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，在手動(dòng)控制程序中，設(shè)置了必要的互鎖，以防止功能相反的兩個(gè)輸出繼電器同時(shí)接通。

　　3.3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

　　要實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)之間的通信，首先要對(duì)PLC中D8120進(jìn)行賦值來(lái)設(shè)定通信的格式[3]。需要注意，PLC中的通信協(xié)議要與上位機(jī)的通信協(xié)議保持一致。令D8120=H6381，梯形圖如圖4所示，通信格式如表2所示。

圖4 PLC通信格式設(shè)定

　　表2 PLC設(shè)定的通信格式

　　在FX系列中，PLC的站號(hào)是通過(guò)特殊數(shù)據(jù)寄存器D8121來(lái)設(shè)定的，其范圍是從00H到0FH。本系統(tǒng)中，PLC的站號(hào)設(shè)定為00H，如圖5所示。

圖5 PLC站號(hào)設(shè)定

4.上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　4.1 編程語(yǔ)言

　　Visual Basic 6.0已成為Windows系統(tǒng)開發(fā)的主要語(yǔ)言，以其具有良好的圖形用戶接口并支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)和具有結(jié)構(gòu)化的事件驅(qū)動(dòng)程序模式，使得編程效率提高，應(yīng)用功能增強(qiáng)[4]。因此本文采用Visual Basic 6.0為上位機(jī)開發(fā)出具有個(gè)性的監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的遠(yuǎn)程通信及監(jiān)控。

圖6 MSComm通信控件

　　在Windows操作系統(tǒng)下，Visual Basic 6.0提供了一個(gè)名為MSComm.ocx通信控件，它具備基本的串行通信能力，如圖6所示。通過(guò)該控件可設(shè)置串行通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，對(duì)串行口狀態(tài)及串行通信的信息格式和協(xié)議進(jìn)行設(shè)置。在通信過(guò)程中，可以觸發(fā)OnComm事件，用該事件可追蹤、處理通信和錯(cuò)誤事件的發(fā)生。

　　4.2 遠(yuǎn)程控制軟件設(shè)計(jì)

　　在PLC與計(jì)算機(jī)的鏈接通訊中，計(jì)算機(jī)是上位機(jī)，PLC是下位機(jī)，機(jī)械手是被控對(duì)象。上位機(jī)始終處于主動(dòng)地位，下位機(jī)處于被動(dòng)地位，當(dāng)PLC接收到計(jì)算機(jī)發(fā)送的命令后，自動(dòng)生成應(yīng)答指令，不需要再對(duì)其編寫通訊程序。

　　根據(jù)控制功能的不同可將遠(yuǎn)程控制軟件分為端口站號(hào)設(shè)置區(qū)、通信回路測(cè)試區(qū)、實(shí)時(shí)動(dòng)畫區(qū)、分步動(dòng)作控制區(qū)、循環(huán)動(dòng)作控制區(qū)。其中，分步動(dòng)作控制區(qū)用于發(fā)送遠(yuǎn)程分步控制命令，循環(huán)動(dòng)作控制區(qū)用于發(fā)送遠(yuǎn)程循環(huán)控制命令，上位機(jī)主控界面如圖7所示。

圖7 主控界面

5.結(jié)束語(yǔ)

　　本文利用Visual Basic 6.0開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，應(yīng)用三菱FX2N系列PLC控制機(jī)械手動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了一種具有可視化功能，適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械手遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以完成遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程循環(huán)控制和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制，便于擴(kuò)展，現(xiàn)已成功應(yīng)用于我院自動(dòng)化中心實(shí)驗(yàn)室。

6、本文創(chuàng)新點(diǎn)

　　1、 以計(jì)算機(jī)為主站，以PLC為控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械手的遠(yuǎn)程控制;

　　2、 上位機(jī)監(jiān)控軟件以實(shí)時(shí)動(dòng)畫的形式，向操作人員提供機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)了操作過(guò)程的可視化;

　　3、 設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)與PLC遠(yuǎn)程通信的協(xié)議，開發(fā)了通用的串行通信接口程序。