【正文】 戶應用系統(tǒng)結構圖 組態(tài)王的主要特性和功能(1)實驗全部用軟件來實現(xiàn),只需利用現(xiàn)有的計算機就可完成自動控制系統(tǒng)課程的實驗,從而大大減少購置儀器的經(jīng)費。組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫完成了組態(tài)王系統(tǒng)從組態(tài)環(huán)境向運行環(huán)境的過渡，它們之間的關系如圖41所示。運行環(huán)境是一個獨立的運行系統(tǒng)，它按照組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫中用戶指定的方式進行各種處理，完成用戶組態(tài)設計的目標和功能。用戶的所有組態(tài)配置過程都在組態(tài)環(huán)境中進行，組態(tài)環(huán)境相當于一套完整的工具軟件，它幫助用戶設計和構造自己的應用系統(tǒng)。能夠更好地滿足高端客戶對存儲速度和存儲容量的要求，完全滿足了客戶實時查看和檢索歷史運行數(shù)據(jù)的要求。KingHistorian是亞控新近推出的獨立開發(fā)的工業(yè)數(shù)據(jù)庫。組態(tài)王在web發(fā)布方面取得新的突破，全新版的Web發(fā)布可以實現(xiàn)畫面發(fā)布，數(shù)據(jù)發(fā)布和OCX控件發(fā)布，同時保留了組態(tài)王Web的所有功能：IE瀏覽客戶端可以獲得與組態(tài)王運行系統(tǒng)相同的監(jiān)控畫面，IE客戶端與Web服務器保持高效的數(shù)據(jù)同步，通過網(wǎng)絡您可以在任何地方獲得與Web服務器上相同的畫面和數(shù)據(jù)顯示、報表顯示、報警顯示等，同時可以方便快捷的向工業(yè)現(xiàn)場發(fā)布控制命令，實現(xiàn)實時控制的功能。組態(tài)王在保留了原報表所有功能的基礎上新增了報表向導功能，能夠以組態(tài)王的歷史庫或KingHistorian為數(shù)據(jù)源，快速建立所需的班報表、日報表、周報表、月報表、季報表和年報表。組態(tài)王保持了其早期版本功能強大、運行穩(wěn)定且使用方便的特點，并根據(jù)國內(nèi)眾多用戶的反饋及意見，對一些功能進行了完善和擴充。，面向低端自動化市場及應用，以實現(xiàn)企業(yè)一體化為目標開發(fā)的一套產(chǎn)品。機械臂運行良好，動作正確、符合控制要求。在使用梯形圖指令編程時，剛開始由于對梯形圖指令掌握的不是很好，所以犯了不少錯誤，加上機械臂模型裝置本身存在的一些問題，所以在調(diào)試程序時，機械臂動作不符合控制要求。 機械臂控制系統(tǒng)的外部接線圖PLC外部電氣接線圖見附錄5。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。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。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。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。PLC供電電源為50Hz、220V177。在選用交流穩(wěn)壓器時，一般可按照實際最大需求容量的130%計算。隔離變壓器是初級和次級之間采用隔離屏蔽層，用漆包線或同等非導磁材料組成，電器回路上不允許短路，兩極各引出一個接地抽頭。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。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。（2）輸入、輸出線不能用同一根電纜，輸入、輸出線要分開。 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。經(jīng)論證本次設計采用的編程方式選用方案三。方案三：采用STL指令的編程方式。方案二：采用以轉換為中心的編程方式。用輔助繼電器代表步，僅僅使用與觸電和線圈有關的指令。 PLC的I/O分配根據(jù)機械臂動作的要求及機械臂實物教學實驗裝置說明指導，輸入、輸出點分配如表35所示。由于機械臂系統(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，該機械臂的控制為純開關量控制，且I/O點數(shù)不多，僅需11個輸入點和9個輸出點，考慮留有一定的裕量。 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啤酒生產(chǎn)線機械臂實物教學實驗裝置。下降到底時碰到下限位開關，下降停止，回到原點。PLC向驅動器一同時輸入脈沖信號和電平信號，步進電機一反轉，橫軸后縮。上升到頂時，碰到上限位開關，上升停止。降到底時碰到下限位開關，下降停止，同時夾緊電磁閥斷電，機械臂放松。PLC向驅動器一只輸入圖35機械臂結構示意圖圖36 機械臂的動作示意圖脈沖信號，步進電機一正轉，機械臂前伸，前伸到位時，碰到前限位開關，前伸停止。夾緊后，主機向驅動器二只輸入脈沖信號，步進電機二正轉，機械臂上升。主機向驅動器二同時輸入脈沖信號和電平信號，步進電機二反轉，機械臂下降。當后縮到位時碰到后限位開關，然后主機向驅動器二輸入脈沖信號，步進電機二正轉，機械臂上升。打開電源，按下起動按鈕時，開機復位。機械臂的放松/夾緊由一個單線圈兩位置電磁閥控制。機械臂的上升/下降、前伸/后縮動作就是通過控制這兩個步進電機的正反轉來實現(xiàn)的。機械臂結構示意圖如圖35所示。電平轉換板原理圖如圖34所示。其中IN端接PLC的輸出端口，OUT端接模型的信號輸入端。 直流電機驅動單元本裝置中直流電機驅動模塊是由兩個繼電器的吸合與斷開來控制電機的轉動方向的，從而實現(xiàn)基座和氣夾的正反轉。PLC內(nèi)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。接近開關：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。基座和氣夾的正反轉限位采用接近開關（金屬傳感器），通過調(diào)整基座和氣夾上的金屬塊的位置，可以在一定范圍內(nèi)改變基座圖33傳感器工作原理圖和氣夾的旋轉角度。電機應能承受頻繁啟、制動和反轉。一般直流伺服電機要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載4～6倍而不損壞。對電機的要求從最低速到最高速電機都能平穩(wěn)運轉，轉矩波動要小，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。低速大轉矩，過載能力強一般來說，在短時間內(nèi)可以過載4～6倍而不損壞。整流單元（ACDC）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅動三相永磁式同步交流伺服電機。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅動電路,IPM內(nèi)部集成了驅動電路,同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路,在主回路中還加入軟啟動電路,以減小啟動過程對驅動器的沖擊。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，目前是傳動技術的高端產(chǎn)品。 伺服放大器伺服放大器伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。）是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。圖32 PLC控制器與步進電機驅動器連接及工作原理 伺服電機伺服電機（servoPLC通過控制其輸出點來控制驅動器光耦的開合，當PLC輸出線圈得電表31電氣規(guī)格說明最小值典型值最大值單位供電電壓182440V均值輸出電流1A邏輯輸入電流61530mA步進脈沖響應頻率——100kHz脈沖低電平時間5—1μs表32電流設定電流值SW1SW2SW3OFFONONONOFFONOFFOFFONONONOFF0FFONOFFONOFFOFFOFFOFFOFF表33 細分設定細分倍數(shù)步數(shù)/圈（）SW4SW5SW61200ONONON2400OFFONON4800ONOFFON81600OFFOFFON163200ONONOFF326400OFFONOFF6412800OFFONOFF由外部確定動態(tài)改細分/禁止工作OFFOFFOFF表34 接線信號描述信 號功 能PUL脈沖信號：上升沿有效，每當脈沖由低變高時電機走一步DIR方向信號：用于改變電機轉向，TTL平驅動OPTO光耦驅動電源ENA使能信號：禁止或允許驅動器工作，低電平禁止GND直流電源地+V直流電源正極，典型值+24VA+電機A相A電機A相B+電機B相B電機B相時，晶體管導通，相應的觸電輸出低電平，使驅動器光耦導通，當PLC輸出線圈失電時，晶體管關斷，使驅動器光耦截止。驅動器電源由面板上電源模塊提供，驅動器信號端采用+24V供電，（）。PLC控制器與步進電機驅動器連接及工作原理，如圖32所示。本模型中采用串聯(lián)型接法，其電氣接線圖如圖31所示：圖31 步進電機電氣接線圖 步進電機驅動器步進電機驅動器主要有電源輸入部分、信號輸入部分、輸出部分等。 步進電機采用二相八拍混合式步進電機來控制機械臂的動作，相比直流電機有更好的制動效果，又加上滾珠絲桿和滑桿配合，使機械臂的運動更加穩(wěn)定。第三章 機械臂模型控制系統(tǒng)的設計 機械臂控制系統(tǒng)構件概述本課題設計使用的是校研究室啤酒生產(chǎn)線機械臂抓瓶裝箱環(huán)節(jié)的三自由度機械臂。網(wǎng)絡化程度高通信能力強是PLC的發(fā)展目標，向下可與多個PLC相連，向上可以接入計算機、以太網(wǎng)等來構成整個工廠生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。 PLC發(fā)展狀況及趨勢現(xiàn)代化PLC的發(fā)展主要面向兩個方向：一是向體積更小、速度更快、功能更強和價格更低的微小型方面發(fā)展；二是向大型網(wǎng)絡化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面發(fā)展[12]。而且這些功能都是在傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)中無法實現(xiàn)的。甚至希望設計、安裝、調(diào)試的同時就能夠進行生產(chǎn)，特別是產(chǎn)品更新?lián)Q代，生產(chǎn)工藝改造的時候，原有的生產(chǎn)流程不能停止，增加的流程也要在之前的基礎上施工，因為工業(yè)生產(chǎn)中時間就是金錢，使用PLC就能輕松實現(xiàn)這一點。價格相對于其他兩種控制系統(tǒng)來說不能作為選擇PLC品牌的一個因素，而可靠性和易用性則是選擇PLC無可挑剔的重要原因?？傊?，在各種環(huán)境中，PLC控制機械設備的使用在自動化生產(chǎn)線和生產(chǎn)過程的控制將更加廣泛。另外，工業(yè)生產(chǎn)中采用PLC還可以大大縮短設計施工周期，盡快投入生產(chǎn)。PLC系統(tǒng)主要有以下功能：1) 多種控制功能；2) 數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能；3) 通信聯(lián)網(wǎng)功能；4) 輸入、輸出接口調(diào)理功能；5) 人機界面功能；6) 編程、調(diào)試功能。但是，可編程序邏輯控制器控制也有其不足的地方，在價格上高于繼電器，在開發(fā)易用性上不如單片機，而且程序不通用，不同廠家的PLC程序不能通用，都需要各自的編程軟件和配套的功能模塊。PLC既可以對對象控制也能對整套生產(chǎn)線進行控制，還能實現(xiàn)本地設備遠程監(jiān)控等多種復雜的任務。功能強現(xiàn)代化的PLC不僅具有傳統(tǒng)條件控制、計時、計數(shù)和步進等控制功能，而且更加強大的是它能夠完成A/D、D/A轉換、數(shù)字運算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)過程監(jiān)控等任務。對于使用者來說，幾乎不需要在進行專門的計算機知識培訓便可完成簡單的編程控制。而且為了讓PLC在環(huán)境極為惡劣的工業(yè)現(xiàn)場穩(wěn)定工作，工程師們還在其設計和制造過程中對PLC的硬件層面和軟件層面采用了一系列可靠的抗干擾措施，讓其在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場也能游刃有余。可靠性高、抗干擾能力強對于工業(yè)現(xiàn)場中的機械臂來說，高可靠性、強抗干擾能力是非常重要的一項指標，這與生產(chǎn)安全和人員安全息息相關，如何讓控制器適應工業(yè)現(xiàn)場各種復雜惡劣的環(huán)境是研制每一種控制系統(tǒng)必須要考慮的問題?？删幊踢壿嬁刂破鞯某霈F(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀，它是將程序存儲在自身內(nèi)置的存儲芯片上，根據(jù)用戶存儲在芯片中的程序進行控制，如果遇到控制對象改變或者工藝流程改進的話，不需要將整個系統(tǒng)拆除，只需要將相應的線接好然后根據(jù)需要編寫控制程序即可。當今國內(nèi)國外普遍應用可編程邏輯控制器作為機械臂的控制器，在智能化要求高控制容量大的機械臂控制系統(tǒng)中更是離不開PLC。硬件系統(tǒng)和軟件程序合二為一組成了一個完整的PLC系統(tǒng)，他們相輔相成，缺了那一部分都不能正常工作。系統(tǒng)固化程序是PLC產(chǎn)品必須包括的部分，由PLC的制造商提供的，用來控制PLC的操作和運行，系統(tǒng)程序存儲在EPROM。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]。 PLC的結構PLC很像一般的微型計算機，都是有硬件軟件系統(tǒng)組成。綜上所述，機械臂的控制方式選擇PLC進行控制最高效可靠。機械臂采用PLC作為控制器，大大提高了系統(tǒng)的集成度，介紹呢過了空間，避免了繁雜的接線與工作量巨大的弊端，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。機械臂的控制器如果選用PLC，不僅能夠減小體積和重量，而且控制方式靈活、可靠性高、操作簡單、維修容易，更重要的是可以便于以后的擴展和改造。當人們想要對PLC驚醒應用是，不需要花大