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，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，人類活動給世界帶來了巨大的改變。在科技進(jìn)步的同時，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，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?？梢姡谧詣踊?、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[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，以一臺上位計算機(jī)為主站，實現(xiàn)對遠(yuǎn)程機(jī)械手工作過程的監(jiān)控;以PLC為從站，作為前端控制器，實現(xiàn)對機(jī)械手的現(xiàn)場控制。將計算機(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，實現(xiàn)PLC與上位機(jī)的串行通信。PLC將上位機(jī)發(fā)送過來的控制信息轉(zhuǎn)換成控制命令，驅(qū)動機(jī)械手動作;PLC再將機(jī)械手的工作狀態(tài)，通過串行通信傳遞給上位機(jī)，由上位機(jī)監(jiān)視機(jī)械手的工作過程。上位機(jī)軟件以實時動畫的形式，向操作人員提供機(jī)械手的運動情況，實現(xiàn)操作過程的可視化。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)程分步動作控制、遠(yuǎn)程循環(huán)動作控制和現(xiàn)場手動控制，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)場通過手動實現(xiàn)控制。

　　2.2.1 遠(yuǎn)程分步動作控制

　　在上位機(jī)監(jiān)控界面分步動作控制區(qū)，通過選擇“啟動”、“停止”、“上升”、“下降”、“左移”、“右移”、“松開”、“夾緊”、“制動”等命令按鈕，即可實現(xiàn)相應(yīng)的動作。操作人員根據(jù)監(jiān)控軟件的實時監(jiān)視動畫，任意組合九種動作，實現(xiàn)對機(jī)械手的遠(yuǎn)程分步動作控制。

　　2.2.2 遠(yuǎn)程循環(huán)動作控制

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

圖2 循環(huán)動作順序圖

　　2.2.3 現(xiàn)場手動控制

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

3.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1 硬件設(shè)計

　　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點輸入，24點輸出，用于對機(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個按鈕，用于現(xiàn)場手動控制;1個2檔選擇開關(guān)，用于遠(yuǎn)程∕現(xiàn)場控制選擇;4個限位開關(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。為避免斷開電流時電磁閥會在其兩端產(chǎn)生極高的感應(yīng)電壓，在每個電磁閥線圈兩端并聯(lián)續(xù)流二極管。

　　3.2 軟件設(shè)計

　　按照機(jī)械手的動作先后順序，在遠(yuǎn)程∕現(xiàn)場控制信號的作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時間順序，機(jī)械手內(nèi)部各執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動地、有序地進(jìn)行動作。為簡化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)程分步動作控制

　　在上位機(jī)分步動作控制區(qū)選擇“啟動”∕“停止”按鈕，上位機(jī)遠(yuǎn)程控制PLC輔助觸點M1閉合∕斷開，決定遠(yuǎn)程分步動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M101～M106分別閉合∕斷開，從而控制輸出繼電器Y0～Y5通斷，實現(xiàn)機(jī)械手的遠(yuǎn)程分步動作控制。

　　3.2.2 遠(yuǎn)程循環(huán)動作控制

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

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

　　3.2.3現(xiàn)場手動控制

　　手動控制比較簡單，利用X0～X7對應(yīng)的現(xiàn)場手動輸入信號，控制PLC的輸出繼電器Y0～Y5通斷。為保證系統(tǒng)安全運行，在手動控制程序中，設(shè)置了必要的互鎖，以防止功能相反的兩個輸出繼電器同時接通。

　　3.3 通信協(xié)議設(shè)計

　　要實現(xiàn)PLC與上位機(jī)之間的通信，首先要對PLC中D8120進(jìn)行賦值來設(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的站號是通過特殊數(shù)據(jù)寄存器D8121來設(shè)定的，其范圍是從00H到0FH。本系統(tǒng)中，PLC的站號設(shè)定為00H，如圖5所示。

圖5 PLC站號設(shè)定

4.上位機(jī)軟件設(shè)計

　　4.1 編程語言

　　Visual Basic 6.0已成為Windows系統(tǒng)開發(fā)的主要語言，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)計和具有結(jié)構(gòu)化的事件驅(qū)動程序模式，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)出具有個性的監(jiān)控軟件，實現(xiàn)對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。通過該控件可設(shè)置串行通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，對串行口狀態(tài)及串行通信的信息格式和協(xié)議進(jìn)行設(shè)置。在通信過程中，可以觸發(fā)OnComm事件，用該事件可追蹤、處理通信和錯誤事件的發(fā)生。

　　4.2 遠(yuǎn)程控制軟件設(shè)計

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

　　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設(shè)置區(qū)、通信回路測試區(qū)、實時動畫區(qū)、分步動作控制區(qū)、循環(huán)動作控制區(qū)。其中，分步動作控制區(qū)用于發(fā)送遠(yuǎn)程分步控制命令，循環(huán)動作控制區(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

　　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)械手動作，實現(xiàn)了一種具有可視化功能，適用于工業(yè)現(xiàn)場的機(jī)械手遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以完成遠(yuǎn)程手動控制、遠(yuǎn)程循環(huán)控制和現(xiàn)場手動控制，便于擴(kuò)展，現(xiàn)已成功應(yīng)用于我院自動化中心實驗室。

6、本文創(chuàng)新點

　　1、 以計算機(jī)為主站，以PLC為控制器，實現(xiàn)了對機(jī)械手的遠(yuǎn)程控制;

　　2、 上位機(jī)監(jiān)控軟件以實時動畫的形式，向操作人員提供機(jī)械手的運動情況，實現(xiàn)了操作過程的可視化;

　　3、 設(shè)計了計算機(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。