基于PLC和WINCC的机械手监控系统设计

基于PLC和WINCC的机械手监控系统设计

摘要

当今社会，科学技术飞速发展，人类活动给世界带来了巨大的改变。在科技进步的同时，以各种控制器控制的不同类型的机械手以其突出的性能越来越多的被人们所应用。机械手在不同的作业场合，尤其是在特殊的环境背景下，为人类活动的顺利快速进行带来了极大的方便和益处，尤为明显的是在工业及军事领域内。工业中大量的生产活动，存在着很多不便于人类操纵的环节，特别是在工作环境较危险的情况下，如果使用具有远程控制功能的机械手，则可以增加系统的安全性，大大的节约损耗，提高效率。可见，在自动化、工业化进程中，在特殊背景环境中使用机械手已成为一种必然的趋势。

在本设计中介绍了国内外机械手研究现状及PLC的研究发展趋势，描述了机械手控制系统的工作原理和动作实现过程。研究了基于PLC的机械手模型控制系统的设计，还研究了WINCC在机械手控制系统中的应用。利用组态软件WINCC 设计了机械手模型控制系统监控界面，提供了较为直观、清晰、准确的机械手运行状态，进而为维修和故障诊断提供了多方面的可能性，充分提高了系统的工作效率。

关键词：机械手，PLC，WINCC

目录

第一章绪论 (1)

1.1课题背景 (1)

1.2设计目的和意义 (1)

第二章系统方案论证 (3)

2.1使用PLC控制 (3)

2.2使用微机控制 (3)

2.3使用继电器控制 (3)

2.4系统框图 (3)

第三章设计硬件 (5)

3.1PLC的结构 (5)

3.2PLC的选型 (5)

3.3西门子PLC的选型 (6)

3.4限位开关 (7)

3.5机械手的分类及选型 (8)

3.6I/0分配表 (10)

3.7PLC外部接线图 (11)

3.8元器件清单 (11)

第四章软件设计 (14)

4.1程序流程图 (14)

4.2控制要求 (14)

4.3程序设计 (15)

4.4流程图 (15)

4.5梯形图 (17)

第五章仿真软件应用 (19)

5.1仿真软件的设置 (19)

5.2程序的仿真 (20)

第六章系统的组态 (23)

6.1W IN CC的介绍 (23)

6.2软件的通信与下载 (23)

6.3创建W IN CC的项目 (27)

6.3.1 建立OPC外部变量 (27)

6.3.2 寻找通讯伙伴 (28)

6.4在W IN CC中建立机械手监控画面 (29)

第七章系统的调试 (32)

7.1硬件调试 (32)

7.2系统调试 (32)

结论 (34)

参考文献 (35)

致谢 (36)

附录 (37)

第一章绪论

1.1 课题背景

随着计算机技术的飞速发展，PLC（即可编程逻辑编程器的简称）已经进入日常生产、生活的各个方面，PLC的应用在各行各业已成为必不可少的内容。PLC 作为通用的工业计算机，其功能日益强大，已经成为工业控制领域的主流控制设备。PLC 从诞生至今，仅有30年的历史，但是得到了异常迅猛的发展，并与CAD/CAM、机器人技术一起被誉为当代工业自动化的三大支柱。

在现代工业中生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业化的进一步发展，自动化已经成为现代企业中的重要支柱，无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现在生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射和污染的场合，应用更为广泛。在我国，近几年来也有较快发展，并取得一定效果，受到机械工业和铁路部门的重视。

1.2设计目的和意义

机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识。其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生产工艺要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的物力和财力加以研究和应用。尤其在高温、高压、、粉尘、噪音以及带有放射性和污染场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。本项目要求设计的机械手模型可以归为一类，即通用机械手。在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用机械手。通过本次设

计，可以增强对工业机械手的认识，同时并熟悉掌握PLC技术、位置控制技术、气动技术等工业常用的技术。

本次课题主要是应用西门子公司S7-200系列PLC为例，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等；电气方面由交流电机、操作台等部件组成。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。

第二章系统方案论证

2.1 使用PLC控制

机械手控制系统若采用PLC控制，体积小、重量轻、控制方式灵活、可靠性高、操作简单、维修容易。由于PLC所具有的灵活性、模块化、易于扩展等特点，可以根据现场要求实现机械手控制的不同工作要求。机械手控制采用PLC 控制技术，可以大大提高该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线，提高了控制系统的可靠性。

2.2 使用微机控制

微机控制，成本比PLC低,逻辑针对性高，所以要在对整个系统非常了解的时候才会使用，智能化比PLC高，专业应用的时候，实现的功能要比PLC多，具有安全性可靠性最高的特点，输入输出信号还可以实现一体化隔离，通讯组态模式最多。开发周期最长，一旦要有变化修改比较麻烦。

2.3 使用继电器控制

继电器，动作有寿命限制，一个元件故障可能造成整个系统崩溃，会将故障扩大化，传统继电器触点接触不良容易出现故障，并且接线复杂抗干扰能力差，难以实现模块化和智能化，性价比较低。所以这种控制方式已经逐渐被淘汰。

综上所述：PLC控制具有体积小、重量轻、控制方式灵活、可靠性高、操作简单、维修容易等特点，所以本设计采用PLC来进行控制。

2.4 系统框图

本次设计的系统中，通过监控机械手不同的位置会产生不同的值，经过限位开关传感器将信号传送给PLC，传送的信号通过PLC处理后将处理的信号传送给执行器，执行器根据传送的数字量改变位置，从而控制了机械手，使机械手工作，控制过程可以通过组态软件进行监控，系统框图见图2-1。

图2-1 系统框图

第三章设计硬件

3.1 PLC的结构

PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。PLC的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM，ROM)、输入输出(I/O)部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成。其结构简图如下：

图2-1 PLC硬件结构图

3.2 PLC的选型

（1）欧姆龙PLC是一种功能完善的紧凑型PLC，能为业界领先的输送分散控制等提供高附加值机器控制；它还具有通过各种高级内装板进行升级的能力，大程序容量和存储器单元，以Windows环境下高效的软件开发能力。欧姆龙PLC 也能用于包装系统，并支持 HACCP（寄生脉冲分析关键控制点）过程处理标准。

（2）三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出16～25点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。

（3）德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相

当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200(CN)，S7-1200, S7-300，S7-400，工业网络，HMI 人机界面，工业软件等。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。

因为德国西门子公司公司生产的PLC在工业化领域有很高的占有率，绝大多数厂商都使用的是西门子公司的PLC，西门子公司的PLC配套设施齐全从PLC到扩展模块以及本设计所需要的执行器，配套设施的兼容性好，有非常好的技术支持，学习的资料较多，通讯效果非常好，抗干扰能力强，经过性价比以及上述的原因，本次设计使用PLC为西门子公司所生产的PLC。

3.3 西门子PLC的选型

（1）SIMATIC S7-200

S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用

（2）SIMATIC S7-300

S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC 采用模块化结构，具备高速（0.6~0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；

（3）SIMATIC S7-400

S7-400 PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。 S7-400 PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。

机械手控制属于小型控制系统不需要中大型控制器，所以从性价比上考虑，

德国西门子S7-200 PLC完全能够胜任。S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

（4）PLC CPU的选型

根据S7-200各CPU型号的性能见表3-1。

根据机械手控制需求，从I/O点数和转换模块来看CPU-224能够满足本次设计需求。CPU224具体参数见附录。

3.4 限位开关

1、接近开关传感器的概念在各类开关中，有一种对接近它物件有“感知”能力的元件——位移传感器。利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，这就是接近开关。

当有物体移向接近开关，并接近到一定距离时，位移传感器才有“感知”，开关才会动作。通常把这个距离叫“检出距离”。不同的接近开关检出距离也不同。

2、接近传感器的选型和检测对于不同的材质的检测体和不同的检测距离，应选用不同类型的接近传感器，以使其在系统中具有高的性能价格比，为此在选型中应遵循以下原则：

（1）当检测体为金属材料时，应选用高频振荡型接近传感器，该类型接近传感器对铁镍、A3钢类检测体检测最灵敏。对铝、黄铜和不锈钢类检测体，其检测灵敏度就低。

（2）当检测体为非金属材料时，如；木材、纸张、塑料、玻璃和水等，应选用电容型接近传感器。

（3）金属体和非金属要进行远距离检测和控制时，应选用光电型接近传

感器或超声波型接近传感器。

（4）对于检测体为金属时，若检测灵敏度要求不高时，可选用价格低廉的磁性接近式传感器或霍尔式接近传感器。

从经济和性能来看，磁性接近式传感器完全能够达到对机械手的测量和信号传送所以本次设计采用磁性接近式传感器。

3.5 机械手的分类及选型

工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。

1、按用途分

机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:

（1）专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手。

（2）通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:可以是点位的，也可以实现连续轨控制；同时还可分为伺服型和一般型的机械手，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。

专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单等缺点，而通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。适合于本设计系统，所以采用通用机械手。

2、按驱动方式分

（1）液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、

低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。

（2）气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

（3）机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。

(4）电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。

综上所述，气压传动由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，不宜采用。机械传动动作频率大，但结构较大，动作程序不可变，不宜采用。电力传动机械手需有特殊结构的感应电动机、直线电机等，也不宜采用。液压传动能抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏，故采用液压传动。

(三)按控制方式分

(1) 点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。

(2) 连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。

综上所述，连续轨迹类机械手一般采用小型计算机进行控制，故不宜采用，点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，符合本设计，所以采用点位控制。

3.6 I/0分配表

输入/输出端子地址分配表3-2

因为所需的PLC输入触点为17个，为了可以有富余的输入触点，所以总共需要18个输入触点，所需的输出触点为6个。根据以上所以选择的是S7-200 CPU224型号的PLC机型和数字量扩展模块为EM 223 CN DC/RELAY。

（2）I/O分配表

表3-2 I/O地址分配表

3.7 PLC外部接线图

S7-200外部接线电路图3-1。

图3-1 外部接线图

3.8 元器件清单

所需元器件见表3-3。

表3-3 原件清单表

第四章软件设计

4.1程序流程图

系统流程图是整个设计的重点，整个设计都是按着系统流程图来设计，本设计的系统流程图见图4-1。

图4-1程序顺序流程图

4.2 控制要求

（1）完成把左工位的工件搬运到右工位；

（2）机械手有两种控制方式：手动方式和自动方式；

其中自动方式设有单步、单周期、连续三种工作方式。

（3）手动方式：用按钮对机械手的每步进行单独控制，类似于点动操作；当按住右行按钮时，机械手右行，松开或碰到右限位开关时，右行停止。此方式用于检修。

（4）单步操作：每按一下启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。此方式用于系统的调试。

（5）单周期操作：机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后停止。在工作中若按一下停止按钮，则机械手动作停止。重新启动时需用手动操作方式将机械手移回到原点，然后按一下启动按钮，机械手又开始重新单周期操作。

（6）连续操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手将自动地、连续地周期性循环。在工作中若按下停止按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。

4.3 程序设计

图4-1顺序功能图是S7-200系列PLC重要的编程语言，主要用于设计具有明显阶段性工作顺序的系统。假如将一个控制过程分为若干工序（或阶段），在顺序功能图的设计方法中可将这些工序称为状态，则状态与状态之间由转换条件分隔，相邻的状态具有不同的动作形式。在PLC中，每个状态用状态软元件—状态继电器S表示。S7-200 PLC的状态继电器编号从S0.0~S31.7。

4.4 流程图

该系统采用顺序控制法，在顺序功能图中,在实现转换时使前级步的活动结束而使后续步的活动开始,步之间没有重叠。这是系统中大量复杂的连锁关系在步的转换中得以解决。如图4-2所示。

图4-2程序顺序图

4.5 梯形图

梯形图的设计本着简单、可靠的设计原则，将所学知识运用到设计任务当中。

启动信号，I0.0为启动按钮，实现最简单的起保停功能，如图4-3所示。

图4-3 起保停电路

初始步开始，程序等待，看选择的工作方式，如图4-4所示。

图4-4 选择工作方式

当确定了工作方式后，机械手便开始执行程序，下行抓紧工件，延时2S，延时时间到，机械手上行，如图4-5所示。