【文章內容簡介】 映到輸出端，這對于一般工業(yè)控制是允許的。但有些設備的實時性要求較高，不允許有較大的滯后時間。例如，PLC的I/O點數(shù)在幾十到幾千點范圍內，這時用戶應用程序的長短對系統(tǒng)的響應速度會有較大的差別。滯后時間應控制在幾十毫秒之內，應小于普通繼電器的動作時間。3）PLC應用系統(tǒng)結構的要求 PLC的結構分為整體式、模塊式和疊裝式等三種。整體式結構把PLC的I/O和CPU放在一塊電路板上，省去插接環(huán)節(jié)，體積小，每一I/O點的平均價格比模塊式的便宜，適用于工藝過程比較穩(wěn)定、控制要求比較簡單的系統(tǒng)。模塊式PLC的功能擴展，I/O點數(shù)的增減，輸入與輸出點數(shù)的比例，都比整體式靈活。疊裝式將整體式和模塊式結合起來。在使用時，應按實際具體情況進行選擇。 結合以上幾點，在設計PLC機械手控制系統(tǒng)中用應選型為三菱公司FX系列型號的可編程控制器。 傳感器與行程開關的選擇 本設計在控制機械手運行的過程中，需要有行程開關來控制機械手的行程位置，進而來控制機械手的動作。同時，需要接近開關傳感器來感知機械手距離工件的位置。 行程開關又稱限位開關，可以安裝在相對靜止的物體(如固定架、門框等，簡稱靜物)上或者運動的物體(如行車、門等，簡稱動物)上。當動態(tài)物體接近靜態(tài)的物體時，開關的連桿驅動開關的接點引起閉合的接點分斷或者斷開的接點閉合。由開關接點開、合的不同狀態(tài)改變去控制電路和機構的動作。 行程開關主要用于將機械手的位移轉變成電信號，使電動機的運行狀態(tài)得以改變，從而控制機械動作或用作程序控制。 行程開關分為直動式、滾動式和微動式三種。直動式行程開關的優(yōu)點是結構簡單，成本低，但容易燒蝕觸頭；滾動式行程開關克服了直動式行程開關的缺點，但其結構復雜，價格也較高，所以選擇微動式行程開關體積小，動作靈敏，適用于小型機構中使用。本設計選用LX19K行程開關。LX19系列行程開關，適用于交流50Hz，電壓至380V，直流電壓至220V，約定發(fā)熱電流至5A的控制電路中，~ mm，作控制運動機構的行程和變換其運動方向或速度之用。 接近開關傳感器接近開關：利用位移傳感器對接近物體的敏感特性制作的開關。接近開關有三根連接線（棕、蘭、黑）棕色接電源的正極、藍色接電源的負極、黑色為輸出信號，當與檔塊接近時輸出電平為低電平，否則為高電平。與PLC之間的接線圖如下，當傳感器動作時，輸出端對地接通。PLC內部光耦與傳感器電源構成回路，PLC信號輸入有效，工作原理如圖33所示。圖33 接近開關傳感器與PLC連接的工作原理圖 PLC程序設計 I/O點數(shù)的確定及PLC類型的選擇本次設計使用的是普通機械手作為被控對象。本裝置需采用晶體管輸出型可編程控制器，可同時輸出兩路脈沖到機械手電磁閥，控制機械手運行。由于機械手系統(tǒng)的輸入/輸出點少，要求電氣控制部分體積小，成本低，并能夠用計算機對PLC進行監(jiān)控和管理，該機械手的控制為純開關量控制，且I/O點數(shù)不多，僅需6個輸入點和7個輸出點，考慮留有一定的裕量。故選用日本三菱公司生產(chǎn)的多功能小型FX1N24MTD主機，該機輸入點為14個，輸出點為10個。 PLC的I/O分配 根據(jù)機械手動作的要求及機械手實物教學實驗裝置說明指導，輸入、輸出點的分配如表35所示。表35 PLC的I/O分配表名稱輸入名稱輸出啟動X0夾緊工件Y0左限位X1下降Y1下限位X2上升Y2上限位X3右行Y3右限位X4左行Y4放松工件Y5復位X7原位Y7 編程指令的選擇方案一：使用起保停電路的編程方式。用輔助繼電器代表步，僅僅使用與觸電和線圈有關的指令。編出程序規(guī)范，具有易于閱讀和容易查錯的優(yōu)點，但因為存在大量的自保持觸點，使程序代碼較長。方案二：采用以轉換為中心的編程方式。這種編程方式與轉換實現(xiàn)的基本規(guī)則之間有著嚴格的對應關系，用它編制復雜的順序功能圖的梯形圖時，會有很大幫助。方案三：采用STL指令的編程方式。STL指令（步進梯形指令）是三菱廠家設計的專門用于順序控制的指令，使用該指令可以使編制順序控制程序更加方便，而且易于調試和維護，且代碼較短。經(jīng)論證本次設計采用的編程方式選用方案三。 機械手控制的流程設計按照機械手動作過程的實現(xiàn)，主要的控制過程的演示以及根據(jù)要求完成的動作，可以設計出機械控制的流程圖，如圖34所示。圖34 程序流程圖根據(jù)對機械手控制系統(tǒng)的設計和各種型號的選擇，同時基于機械手控制動作的流程圖，即可設計出出機械手動作的程序流程圖如圖35所示。三菱PLC的梯形圖見附錄A中的附圖1；相對應指令表見附錄A中的附圖2。圖35 程序流程圖 PLC程序的調試由于PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設計的控制裝置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。但環(huán)境過于惡劣、電磁干擾特別強烈，或安裝使用不當，都將不能保證PLC正常、安全、可靠的運行。因此，討論PLC設計調試就具有十分重要的意義。 PLC控制的安裝與布線 輸入接線（1）輸入接線一般不要超過30m。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時，輸入接線可適當長些。 （2）輸入、輸出線不能用同一根電纜，輸入、輸出線要分開。 （3）利用普通二極管恰當?shù)拇釉赑LC輸入回路中，防止信號干擾，使PLC輸入信號大大增強。電源接線電源是PLC引入干擾的主要途徑之一，PLC應盡可能取用電壓波動較小、波形畸變較小的電源，這對提高PLC的可靠性有很大幫助。PLC的供電線路應與其他大功率用電設備或強干擾設備（如高頻爐、弧焊機等）分開。為了提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力，可編程序控制器供電回路一般可采用隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器、晶體管開關電源等。我們正是用了隔離變壓器和交流穩(wěn)壓器來抗干擾。PLC供電電源為50Hz、220V177。10%的交流電。由于本設計使用的是FX1N系列可編程控制器，所以有直流24V輸出接線端。該接線端可為輸入及傳感器（如光電開關或接近開關）提供直流24V電源。接地正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。系統(tǒng)接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對PLC控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應采用直接接地方式。良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。所以我們給可編程控制器接上了專用接地線。 機械手控制系統(tǒng)的外部接線圖PLC外部電氣接線圖見附錄A中的附圖3。在程序調試過程中出現(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，剛開始由于對STL指令掌握的不是很好，所以犯了不少錯誤，加上機械手模型裝置本身存在的一些問題，所以在調試程序時，機械手動作不符合控制要求。經(jīng)過不斷查閱資料，研究、改進，最終程序調試成功。機械手運行良好，動作正確、符合控制要求。第4章 控制系統(tǒng)在MCGS中的軟件設計 MCGS的編程語言和數(shù)據(jù)結構MCGS全中文組態(tài)軟件，采用C++語言編制，核心為組態(tài)結構。它是基于WIN95/98/NT視窗結構，能夠快速構造和生成數(shù)據(jù)管理、報警處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出等界面，輕松實現(xiàn)各種工程曲線、報表、數(shù)據(jù)瀏覽、遠程通訊、遠程采集、遠程診斷等功能的先進軟件。MCGS組態(tài)軟件采用Basic的腳本語言編程，有強大的圖形化流程策略組態(tài)工具，使編程工作降到最少，因而獲得用戶的喜愛[7]。MCGS數(shù)據(jù)庫管理功能強大，分為數(shù)據(jù)前處理（可以對設備采集進來的數(shù)據(jù)進行多種數(shù)值處理）、數(shù)據(jù)后處理（可通過各種內部函數(shù)、運算符、腳本程序對實時采集的數(shù)據(jù)進行處理）、實時數(shù)據(jù)處理（提供數(shù)據(jù)瀏覽，各種曲線、報表等功能構件，對存盤數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行查詢、排序、運算等操作），同時可以掛接外部數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)ODBC接口和OLE實時調用，可以和SOL、Server、Oracle、Access等數(shù)據(jù)庫相連，提供多種數(shù)據(jù)轉換方式，每種方法都可以獨立使用或組合使用[7]。數(shù)據(jù)瀏覽構件可同時以表格和曲線的形式顯示存盤數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，實時曲線可以動態(tài)顯示當前的數(shù)據(jù)，并可以設定上下限值和時間的長短，以便于用戶查詢，同時提供EXCEL報表和MCGS自由報表。 工程的建立與變量的定義 工程的建立1) 首先雙擊桌面MCGS組態(tài)環(huán)境圖標，進入組態(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，自動生成新建工程，默認的工程名為：“”。3) 選擇文件菜單中的“工程另存為”菜單項，彈出文件保存窗口。4) 在文件名一欄內輸入“機械手控制系統(tǒng)6”，點擊“保存”按鈕，工程創(chuàng)建完畢。如圖41所示。圖41 MCGS工作臺窗口在MCGS中，變量也叫數(shù)據(jù)對象。實時數(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)對象是構成實時數(shù)據(jù)庫的基本單元，建立實時數(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)變量存盤相關的參數(shù)，如存盤的周期、存盤的時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)進行分析，確定需要的變量。本系統(tǒng)至少需要16個變量，見表41。表41 機械手控制系統(tǒng)變量分配表變量名類型初值注釋啟動按鈕開關型0機械手啟動控制信號，X11輸入，1有效復位按鈕開關型0機械手復位控制信號，X12輸入，1有效夾緊開關型1機械手動作控制——夾緊，輸出，0有效放松開關型1機械手動作控制——放松，輸出，0有效上升開關型1機械手動作控制——上升，輸出，0有效下降開關型1機械手動作控制——下降，輸出，0有效前伸開關型1機械手動作控制——前伸，輸出，0有效后縮開關型1機械手動作控制——后縮，輸出，0有效X5開關型0X軸前限位，輸入，1有效，停止前伸X6開關型0X軸后限位，輸入，1有效，停止后縮X7開關型0Y軸上限位，輸入，1有效，停止上升X10開關型0Y軸下限位，輸入，1有效，停止下降工件夾緊標志開關型0夾緊為1初始位置開關型1工件處于初始位置時為1垂直移動量數(shù)值型0動畫參數(shù)水平移動量數(shù)值型0動畫參數(shù)機械手動作控制信號本身要求高電平，而開關量輸出通道是反相輸出，因此上升等幾個變量需設計為低電平有效，即送“0”動作。 變量定義的步驟1) 單擊工作臺中的“實時數(shù)據(jù)庫”選項卡，進入“實時數(shù)據(jù)庫”窗口頁，如圖42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)對象添加進去。2) 單擊工作臺右側“新增對象” 按鈕，在窗口的數(shù)據(jù)對象列表中，增加了一個新的數(shù)據(jù)對象，如圖43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)對象屬性設置” 窗口。圖42 實時數(shù)據(jù)庫窗口圖43 實時數(shù)據(jù)庫窗口圖44 數(shù)據(jù)對象屬性設置窗口4) 將“對象名稱”改為：復位按鈕；“對象初值”改為：0；“對象類型”選擇：開關型；在“對象內容注釋輸入框”內輸入：機械手復位控制信號，X12輸入，1有效。5) 單擊“確定”。如圖44所示。6) 按照步驟2~5，根據(jù)上面列表，設置其他數(shù)據(jù)對象。7) 單擊“保存”按鈕。 設備與變量連接1) 在工作臺“設備窗口”中雙擊“設備窗口”圖標進入。2) 點擊工具條中的“工具箱”圖標，打開“設備工具箱”。3) 單擊“設備工具箱”中的“設備管理”按鈕，彈出如圖45所示窗口。4) 在可選設備列表中，雙擊“通用設備”。圖45 設備管理窗口5) 雙擊“串口通訊父設備”，在下方出現(xiàn)串口通訊父設備圖標。6) 雙擊串口通訊父設備圖標，將“串口通訊父設備”添加到右側選定設備列表中。7) 雙擊“PLC設備”，在下方出現(xiàn)“三菱”文件夾，雙擊“三菱”文件夾，出現(xiàn)“FX232”， 雙擊“FX232”圖標，將三菱“FX232” 添加到右側選定設備列表中。8) 單擊“確認”，并保存。9) 在工作臺“設備窗口”中雙擊“設備窗口”圖標進入。設備被添加到設備組態(tài)窗口中，如圖46所示。10) 雙擊“設備1[三菱FX232]”，進入模擬設備屬性設置窗口，如圖47所示。11) 單擊基本屬性頁中的“內部屬性”選項，該項右側會出現(xiàn)圖標，單擊此按鈕進入“內部屬性”設置。將：通道2的最大值分別設置為：12。圖46 設備組態(tài)窗口 圖47 設備屬性設置窗口12) 單擊“確認”，完成“內部屬性”設置。13) 單擊“通道連接”標簽，進入通道連接設置。依次進入通道連接，直至通道全部連接完成。進入“設備調試”屬性頁，即可看到通道值中數(shù)據(jù)在變化。單擊“保存”按鈕。至此設備與變量（數(shù)據(jù)對象）的連接完成。圖48 工作臺窗口 工程畫面的創(chuàng)建1) 在“用戶窗口”中單擊“新建窗口”按鈕，建立“窗口0”、“窗口1”。如圖48所示。2) 選中“窗口0”，單擊“窗口屬性”，進入“用戶窗口屬性設置”。圖49 用戶窗口屬性設置3) 將窗口名稱改為：封面窗口；窗口標題改為：封面窗口；窗口位置選中“最大化顯示”、“固定邊”，窗口背景色選為藍色，其他不變，單擊“確定”。這時“封面窗口”底色變?yōu)樗{色。如圖49所示。4) 選中“窗口1”，單擊“窗口屬性”，進入“用戶窗口屬性設置”。5) 將窗口名稱改為：機械手監(jiān)控畫面；窗口標題改為：機械手監(jiān)控畫面。窗口位置選中“最大化顯示”，其它不變，單擊“確認”。6) 在“用戶窗口”中，選中“封面窗口”，點擊右鍵，選擇下拉菜單中的“設置為啟動