机械手PLC控制系统监控组态设计毕业论文.doc

机械手PLC控制系统监控组态设计毕业论文 目录摘要IAbstractII1 绪论11.1概述11.2课题研究背景及意义11.3 本课题在国内外研究现状及发展21.4 本课题研究主要内容22 机械手的简介32.1机械手的概述32.2机械手的组成32.3机械手的工作原理32.4机械手的驱动方式43 机械手的控制方案设计53.1机械手的工艺要求53.2机械手的控制方案53.3机械手的动作实现53.4机械手的工作方式73.5机械手的动作流程74 控制系统下位机设计94.1下位机设计概述94.1.1可编程控制器94.1.2PLC的组成104.1.3PLC 的应用现状104.2硬件设计114.2.1机械手各关节位置的驱动方式114.2.2控制系统主回路124.2.3执行机构各部件的选型114.2.4PLC的选型124.2.5PLC的I/O分配表134.2.6PLC的I/O接线图144.3软件设计154.3.1绘制顺控功能图154.3.2手动程序设计154.3.3自动程序设计175 控制系统上位机组态设计195.1组态软件结构195.2MCGS的特点205.2.1MCGS的主要功能205.3组态设计步骤225.3.1新建工程225.3.2实时数据库构造235.3.3用户窗口组态265.3.4动态连接275.3.5运行策略组态335.3.6设备与变量连接356 系统调节及设计总结366.1系统调试366.1.1下位机PLC调试366.1.2上位机组态软件MCGS调试376.1.3上、下位机联机调试397 结论40参考文献41致 谢42毕业设计（论文）知识产权声明43毕业设计（论文）独创性声明44附录A PLC梯形图45附录B PLC语句表5436西安工业大学毕业设计（论文）1 绪论1.1概述机械手是能够效仿人的手和手臂的一些动作功能，根据预先拟好的程序抓取、搬用货物的自动操作装置。在社会与科技日新月异的今天，机械手显然已经成为现代制造生产系统中的一个重要的组成部分。它可用来搬运工件，完成在各个不同的环境中的工作，广泛的应用于机械制造、冶金、电子和轻工等部门。机械手一般情况下用作机床或者其他机器的附加装置，例如在自动机床或者自动生产线上用来装卸以及传递工件的工作。机械手系统核心的部分是执行系统和控制系统，机械手依照驱动方式的不同可以分为液压、气动式、电动式和机械式机械手。在本课题中设计的机械手是一种混合式机械手，它结合了电动式和气动式机械手的不同优点，能够实现水平运动、垂直运动、旋转、抓取并移动到相应位置来放置物品的功能，拥有操作的范围大，灵活性好，应用领域广泛的特点1。可编程控制器（PLC）是一种专门为工业生产应用而设计的实现数字运算操作的电子控制装置。由于它具有可靠性高，功能强，编程过程简单、人机界面友好等显著优点，使之广泛应用于各大工业控制系统。1.2课题研究背景及意义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2。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。1.3 本课题在国内外研究现状及发展机械手是能够模仿人手和手臂的某些动作功能，按固定的程序抓取、搬用物件或操作工具的自动操作装置。其研究源于20世纪40年代末，最早由美国橡树岭国家实验室开始研究搬动核原料的遥控机械手，逐渐发展成为现代自动控制领域的新技术，涉及力学、机械学、电器液压技术、传感器技术和计算机技术等的综合，成为一门新兴学科3。在社会与科技日新月异的今天，机械手已经成为现代制造生产系统中的一个重要组成部分。由于机械手是提高工作速度，改善工作环境，降低工人的劳动强度和实现工业生产自动化的一个强有利的方法。因而，受到多个国家的青睐，我国也投入大量的物力和人力来开发并取得了较快的发展，具有一定的效果，受到机械工业的重视。 可编程逻辑控制器(PLC)是工业控制的核心部分。它采用一类可编程的存储器用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC具有通用性好、编程方法简单、硬件配套齐全、实用性强等优点，适应于当前工业企业对自动化的需要。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器4，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。MCGS 组态软件，用于快速构造和生成计算机监控系统，它的运行平台要求低，能够采集现场的数据信息、报警、显示动画、实时和历史数据处理、输出报表、趋势线图等功能。本设计通过 MCGS 组态软件对机械手进行监控，将机械手的动作过程进行了动画显示，使机械手的动作过程更加形象化。1.4 本课题研究主要内容本课题研究的主要内容为利用MCGS组态软件全真模拟PLC的控制对象（机械手），通过上位机与下位机的通信对各个监控点实现实时监控，不需实物而仅通过微机的显示器来检查验证所编程序的正确与否与执行结果。2 机械手的简介2.1机械手的概述工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点5，尤其体现了人的智能和适应性。机器手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在我国民经济领域有着广阔的发展前景。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动化控制技术、传感技术和计算机技术的科学领域，是一门跨学科综合性技术6。2.2机械手的组成现代工业机械手一般由控制器、驱动模块、执行机构、位置检测传感器等部分组成。其中控制器是机械手系统的核心,它对整个系统的运行起控制决策作用,其主要功能是按照程序要求控制各种驱动设备和执行机构,驱动工业机械手按照预定的动作要求完成相应的动作;驱动模块由动力源和辅助装置组成,作为执行机构的驱动源,为工业机械手的运动提供动力来源。目前较为普遍的驱动方式有电力方式驱动、液压方式驱动、气压方式驱动和机械方式驱动;执行机构完成机械手的执行动作,目前机械手较为常用的执行机构有手抓、夹钳和吸盘等;位置检测传感器主要用于检测机械手的位置,并将位置信息实时反馈给控制器,构成闭环控制系统,能实现较为精确的定位。如图2.1图2.1机械手系统组成图2.3机械手的工作原理机械手是一种能自动化定位控制并可重新汇编程序以变动的多功能机器。它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中的工作。工业机械手是近似自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代制造生产系统中的一个重要组成部分7。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓取工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，例如夹持型、托持型、吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制8。控制系统的核心通常是由单片机或DSP等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。本课题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9。2.4机械手的驱动方式（1）气压传动机械手气压传动是以压缩气体为工作介质,依靠气体的压力传递动力或信息的流体传动技术，气压传动机械手的工作原理是由空气压缩机压缩空气,经由管道和控制阁送给气动执行元件,一般为气缸,实现将压力能转换为机械能，主要特点是结构简单、动作迅速成本低且无污染,缺点是机械手的工作稳定性较差,抓取力较小,适合应用高速度和小负载的工作环境10。（2）电力传动机械手电力传动机械手是以电力作为驱动源来驱动执行机构的一类机械手，最为常用的驱动设备和执行机构为电机,如直流电机、交流电机等,该类型的机械手具有响应速度快、可靠性高、控制精度高、维护与使用方便等特点11。（3）机械传动机械手机械传动机械手是利用机械传动机构驱动执行机构的一类机械手，常用的机械传动机构有凸轮、连杆、齿轮和齿条等,该类型机械手的主要特点是控制精度高、运动可靠性好12。（4）液压传动机械手液压传动的工作原理是以液体为介质,利用其压力进行能量的传递和控制,基于流体力学的Pascal原理,通过静压传递动力的，液压传动的特点是输出功率较大,具有很大的力矩,并且启动制动方便迅速,惯性小,运动较为平稳;缺点是对装置的密封性要求很高,若在工作过程中工作液油泄露,会造成很大的传动误差和污染,不适宜在对高温或者低温的环境下工作13。3 机械手的控制方案设计3.1机械手的工艺要求本次课题是以物料运输现场为实际现场，采用机械手进行皮带轮间的物料传送工作，在传送带连续运动的状态下，将A传送带上的物料传递到B传送带上。在上述工作过程中有两个重要的工作环节：一是采用光电传感器对A传送带上的物料进行检测；二是当机械手收到传感器的信号时开始传递的动作流程，并且两者之间又是相互关联的。3.2机械手的控制方案在完成对系统的仔细分析、掌握控制要求之后，我们对机械手控制系统进行了全面、细致、合理的设计。如图3.1PLC控制单元操作信号横轴伸缩竖轴升降电动及气动传动系统底盘旋转手抓开合机 械 手检测信号上位机（MCGS组态软件）图3.1机械手控制系统的方案图3.3机械手的动作实现机械手的全部动作由三台异步电动机进行驱动控制。机械手的上升/下降、前伸/后缩、底座正转/反转通过分别控制三台异步电动机的正反转来实现。机械手的放松/夹紧由一个单线圈两位置电磁阀控制。当该线圈通电时，机械手夹紧；该线圈断电时，机械手松开。打开电源，按下起动按钮时，开机复位。机械手若不在原点则PLC控制横轴三相异步电动机的KM4线圈通电，使KM4接触器闭合，横轴电机反转，横轴后缩。当后缩到位时碰到后限位开关，然后PLC控制纵轴三相异步电动机的KM1线圈通电，使KM1接触器闭合，纵轴电机正转机，纵轴上升。上升到底时碰到上限位开关，上升停止，回到原点。复位成功后，PLC控制横轴三相异步电动机的KM3线圈通电，使KM3接触器闭合，横轴电机正转，机械手横轴前伸，当碰到前伸限位开关时，前伸停止；PLC控制纵轴三相异步电动机的KM2线圈通电，使KM2接触器闭合，纵轴电机反转，机械手纵轴下降，当碰到下降限位开关时，下降停止；电磁阀通电，机械手手抓夹紧。夹紧后，PLC控制纵轴三相异步电动机的KM1线圈通电，使KM1接触器闭合，纵轴电机正转机，纵轴上升，上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。PLC控制旋转三相异步电动机KM5通电，使KM5接触器闭合，旋转电动机正转，从而使底盘正传，当碰到正转限位开关时，停止正转；PLC控制纵轴三相异步电动机的KM2线圈通电，使KM2接触器闭合，纵轴电机反转，机械手纵轴下降，当碰到下降限位开关时，下降停止；电磁阀断电，机械手手抓放松。放松后，PLC控制纵轴三相异步电动机的KM1线圈通电，使KM1接触器闭合，纵轴电机正转机，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止；PLC控制横轴三相异步电动机的KM4线圈通电，使KM4接触器闭合，横轴电机反转，机械手横轴后缩，当碰到后缩限位开关时，后缩停止；PLC控制旋转三相异步电动机KM6通电，使KM6接触器闭合，旋转电动机反转，当碰到反转限位开关时，停止反转，回到原点，完成一个周期的动作。如图3.2图3.2机械手运动简图3.4机械手的工作方式（1）手动工作方式利用按钮对机械手每一动作单独进行控制。 如按 “下降” 按钮，机械手下降 ； 按 “上升” 按钮，机械手上升。用手动操作可以使机械手置于原点工作位（机械手横轴缩回和纵轴上升，且夹紧装置松开，旋转到A 工位)。（2） 自动工作方式按下启动按钮，机械手从原点开始按工序自动反复连续循环工作，直到按下停止按钮，机械手自动停机。3.5机械手的动作流程图如图3.3图3.3机械手动作流程图4 下位机设计机械手PLC控制系统4.1下位机设计概述通过可编程序控制器（PLC）控制电机的正转和反，从而控制机械手的横轴的前伸和后缩、纵轴的上升和下降以及底盘的正转和反转，控制电磁阀的通电和断电来实现手抓的夹紧和放松。而机械手的实际动作时间和运动范围是由安装在机械手上的限位开关来控制的。通过拨动限位开关从而停止机械手此刻进行的动作并指导它进行下一刻的动作。上述设计的优点是有很高的准确性，具有较强的抗干扰能力，不受电机转的影响。但也存在缺点，主要的缺点是必须通过调整限位开关的位置来调整机械手的工作范围，调整过程较为繁琐。4.1.1可编程控制器可编程序控制器是一种专用计算机，以 CPU 为核心的通用工业自动控制装置14。国内外现有的机械手系统，大多采用可编程序控制器作为其控制系统，尤其是在自动化要求程度高容量大的现代化工业机械手系统中应用更为普遍。其主要原因是因为PLC 具有以下优点： （1）灵活、通用继电器控制系统的组装，需要大量的人力、物力和时间，控制要求有变化而需要改变控制系统的话，原来的系统需要全部拆除，进行新的系统组装，造成大量的浪费，可编程控制器是通过保存在存储器中的程序来进行控制的，控制要求改变时，不需大量改变原来的线路组装，只需改变少量的接线，主要通过改变程序来达到要求，因此具有很大的灵活性、通用性15。 （2）可靠性高、抗干扰能力强对于搬运机械手的控制系统要求来说，系统的可靠性和抗干扰能力是设计时需要着重考虑需要满足的问题，研制每一种控制系统必须考虑的问题是在各种恶劣条件和环境下，系统如何能平稳可靠的工作，将发生故障的可能性降至最低，在 PLC 设计和制造过程中，为使其能在不好的工业环境中安全、有效的工作，通过在硬件、软件方面采取的抗干扰措施，可以适应不同的工业应用环境16。 （3）操作方便、维修容易PLC 使用梯形图和功能助记符编程，用户可以方便的读程序和编写、修改程序，工作人员经过短暂的学习就可以进行工作（4）强大的功能PLC 基本的功能包括条件控制、计数、计时和步进等控制功能，又拓展出能完成模拟/数字、数字/模拟的转换、数字运算和数据处理等。因此，它既可控制开关量，又可控制模拟量；既可控制一个机械手，又可控制一个机械手群；既可控制简单系统，又可控制复杂系统；既可现场控制，又可远程控制。（5）体积小、重量轻、易于实现机电一体化PLC 由于采用了半导体集成电路，因此具有体积更小、重量更轻、功耗低等特点。具备很强的可靠性和抗干扰能力，便于装入机械设备内部，是对实现机电一体化拥有明显优点的理想的控制设备。 可编程序控制器也有明显的缺点，继电器控制和单片机控制都比其在价格上要低；单片机的开发潜力要比它高；通用性不好，标准化程度低，不同厂家生产的可编程序控制器以及其附属单元都是固定专用，不具备互换性等17。4.1.2PLC的组成PLC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18。其结构简图4.1如下：微处理器电源输入部件输出部件外部I/O接口I/O扩展接口存储器运算器控制器EPRAMEPROM受控元件输入信号外部设备I/O扩展单元图4.1 PLC硬件结构图 4.1.3PLC 的应用现状现代PLC的发展主要有两个趋势：一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。（1）大型网络化主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。网络化和通信能力强是PLC发展的一个重要方面，向下可将多个PLC、I/O框架相连，向上与工业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。 （2）多功能随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。1968年美国通用汽车公司（G.M）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期19。20世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。4.2硬件设计4.2.1机械手各关节位置的驱动方式在进行系统的硬件设计时，首先应明确机械手各关节位置的驱动方式，本次设计中，机械手的横轴、纵轴、地盘旋转采用三相异步电动机驱动，手爪的夹紧与放松采用电磁阀驱动。4.2.2控制系统主回路设计出结构简单、层次分明的控制系统的主回路图如图4.2所示图4.2控制系统主回路图4.2.3执行机构各部件的选型（1）电机的选型Y2系列三相异步电动机具有结构新颖、造型美观、噪音低、振动小、绝缘等级高等特点，产品现已达到九十年代国际先进水平，是Y系列电机的更新产品。外壳防护等级IP54，它具有良好的起动性能和运行性能，结构简单，工作可靠，维修方便等特点，电机采用E级或B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为ICO141，额定频率为50Hz，额定电压为380V。机械手的纵轴驱动电机承载整个机械手的所有负载，需要功率较大，而机械手主要用于生产线夹持较轻便物体，综合考虑，竖轴选用Y2-90S-2，功率1.5KW，额定电流为3.4A，额定转速为2840r/min,可满足生产需要。机械手的横轴驱动电机实现的功能是拖动手臂的左右运动，承载重量较小，选用Y2-80M2-2，功率1.1KW，额定电流为2.6A，额定转速为2820r/min,即可满足生产需要。机械手的地盘旋转驱动电机实现的功能是拖动机械手的地盘旋转，此时，需要将机械手本身的自重和所夹持的工件的重量综合考虑，需要的功率较大，选用Y2-90L-2，功率2.2KW，额定电流为4.9A，额定转速为2840r/min,即可满足生产要求。（2）交流接触器、热继电器、熔断器、刀开关的选型在完成对电机的选型后，即在我们已知电机的额定电流和额定功率的情况下，则交流接触器的额定电流是电机额定电流的1.5至2.5倍；熔断器的额定电流是电机额定电流的1.5至2.5倍；热继电器的额定电流是电机的额定电流的1至1.2倍；刀开关的额定电压应等于或大于电源额定电压，额定电流应等于或大于电路工作电流，综合考虑，接触器选用CJ20-10,额定电流为10A；熔断器选用RC1A-10A，额定电流为10A；热继电器选用JR0-5，额定电流为5A；刀开关选用HK1-15。4.2.4PLC的选型根据控制要求选用S7-200CPU 226较合适。本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。由于是直流输入模块，所以采用直流电源作为检测各输入接点状态的电源（用户提供）。M、L+两个端子提供24VDC/400mA传感器电源，可以为传感器提供电源，也可以作为输入端的检测电源使用。对于继电器输出方式，既可带直流负载，也可带交流负载。负载的激励源由负载性质确定。输出端子排的右端N、L1端子是供电电源120/240VAC输入端。该电源电压允许范围为85264VAC。4.2.5PLC的I/O分配表如表4.1表4.1I/O分配表I/O分配表输入信号输出信号启动按钮SB1I0.0上升KM1Q0.0停止按钮SB2I0.1下降KM2Q0.1手动转换开关SA1I0.2前伸KM3Q0.2单周期SA2I0.3后缩KM4Q0.3单步SA3I0.4底盘正转KM5Q0.4全自动SA4I0.5底盘反转KM6Q0.5纵轴上升按钮SB3I0.6夹紧YV1Q0.6纵轴下降按钮SB4I0.7指示灯HLQ0.7横轴前进按钮SB5I1.0横轴后退按钮SB6I1.1底盘正转按钮SB7I1.2底盘反转按钮SB8I1.3机械手夹紧按钮SB9I1.4上升限位开关SQ1I1.5下降限位开关SQ2I1.6前进限位开关SQ3I1.7后退限位开关SQ4I2.0正转限位开关SQ5I2.1反转限位开关SQ6I2.2夹紧限位开关SQ7I2.3热继电器1FR1I2.4热继电器2FR2I2.5热继电器3FR3I2.64.2.6PLC的I/O接线图图4.2PLC的I/O连接图采用继电器输出方式时，PLC的输出电流可以达到2至4A，为了安全生产的需要，为了保护PLC的触点不易被烧坏，实现安全、长久、稳定的运行，我们常常需要在输出端添加中间继电器来进行隔离，直接将继电器的线圈接到输出端，继电器线圈得电，使得继电器的常开触点闭合，从而控制接触器线圈得电，以此实现对整个系统的控制。如图4.3图4.3系统控制回路4.3软件设计4.3.1绘制顺控功能图如图4.4M1.0M0.1M1.1I0.0:启动Q0.2伸出M1.2Q0.1I1.7:伸出限位下降M1.3Q0.6夹紧I1.6:下限位M1.4Q0.0上升T37M1.5Q0.4正转I1.5:上升限位M1.6Q0.1下降I2.1:正转限位M1.7Q0.1放松I1.6:下降限位T37T38M2.0Q0.0上升T38M2.1Q0.3缩回I1.5:上升限位M2.2Q0.5反转I2.0:缩回限位I2.2:反转限位I0.5:连续I0.3:单周期图4.4顺控功能图4.3.2手动程序设计（1）手动操作梯形图（1）手动操作语句表/手动开始LDN SA1:I0.2JMP 1/手动伸出LD SB_5:I1.0AN SQ3:I1.7AN KM4:Q0.3= KM3:Q0.2/手动缩回LD SB_6:I1.1AN SQ4:I2.0AN KM3:Q0.2= KM4:Q0.3/手动上升LD SB_3:I0.6AN SQ1:I1.5AN KM2:Q0.1= KM1:Q0.0/手动下降LD SB_4:I0.7AN SQ2:I1.6AN KM1:Q0.0= KM2:Q0.1/手动正转LD SB_7:I1.2AN SQ5:I2.1AN KM6:Q0.5= KM5:Q0.4/手动反转LD SB_8:I1.3AN SQ6:I2.2AN KM5:Q0.4= KM6:Q0.5/手动按钮计数LD SB_9:I1.4EULD C0CTU C0, 2/手动抓紧按钮按第一下，抓紧，按第二，下松开LD SB_9:I1.4LPSA C0S KM7:Q0.6, 1LPPAN C0S KM7:Q0.6, 14.3.3自动程序设计（1）初始化为了保证机械手的动作符合之前设计的动作实现过程，在编写程序是首先要做的是做好程序的初始化工作。将所有输出清零，将除M0.0和M0.1状态的其他所有状态都清零，实现可靠动作，避免相互干扰。（2）顺序控制指令自动部分使用顺序执行方法，可以使用顺序控制继电存储器S或者使用内部标志位存储器M，在此处为了使程序更加精简，采用了内部标志位存储器M进行顺序控制继电器，总共用到了M1.0M2.2。使用内部标志位存储器M作为中间转换的变量，通过控制存储器M来控制机械手的每个动作，这样做的好处是加强了程序的可靠性可灵活性。5 上位机设计机械手控制系统的组态5.1组态软件结构用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户组态生成的结果是一个数据库文件，称为组态结果数据库。运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义，必须与数据库一起作为一个整体，才能构成用户引用系统。组态结果数据库完成了MCGS系统从组态环境向运行环境的过渡，它们之间的关系如图5.1所示。组态环境：组态生成应用系统运行环境：解释执行组态结果组态结果数据库图5.1 组态环境和运行环境关系图由MCGS生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分组成，如图5.2所示。主控窗口设备窗口用户窗口实时数据库运行策略MCGS工控组态软件菜单设计设置工程属性设定存盘结构添加工程设备连接设备变量注册设备驱动创建动画显示设置报警窗口人机交互界面定义数据变量编写控制流程使用功能构件图5.2用户应用系统结构图5.2MCGS的特点5.2.1MCGS的主要功能（1）简单的可视化操作界面采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得的组态工作既简单直观，又灵活多变符合中国人的使用习惯和要求。用户可以使用系统的默认构架，也可以根据自己的需要自己组态配置图形界面，生成各种类型和风格的图形界面，包括风格和标准风格的图形界面并且带有动画效果的工具条和状态条等。（2）实时性强、良好的并行处理性能是真正的32位系统充分利用了32位操作台的多任务、按优先级分时操作的功能，以线程为单位对在工程作业中实时性强的关键任务和实时性不强的非关键任务进行分时并行处理，使机广泛应用于工程测控领域成为可能。（3）丰富、生动的多媒体画面以图像、图符报表和曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的状态、品质及异常报警等有关信息；通过对图形大小的变化、颜色的改变、明暗的闪烁、图形的移动反转等多种手段，增强画面的动态显示效果；在图元、图符对象上定义相应的状态属性，实现动画效果。还为客户提供了丰富的动画构件，每个动画构件都应一个特定的动画功能。还支持多媒体功能，能够开发出集图像、声音、动画为一体的漂亮、生动的工程画面。（4）开放式结构，广泛的数据获取和强大的数据处理功能MCGS采用开放式结构，系统可以与广泛的数据源交换数据，MCGS提供多种高性能的I/O驱动；支持Microsoft开放数据库互连（ODBC）接，有强大的数据库连接能力；全面支持OPC(OLE for Process Control)标准，即可作为OPL客户端，也可以作为OPC服务器，可以与更多的自动化设备相连接；MCGS通过DDE(Dynamic Data Exchange,动态数据交换)与其他应用程序交换数据，充分利用计算机丰富的软件资源；MCGS全面支持ActiveX控制20，提供极其灵活的面向对象的动态图形功能，并且包含丰富的图形库。（5）完善的安全机制MCGS提供了良好的安全机制，为多个不同级别的用户设定了不同的权限。此外MCGS还提供了工程密码，锁定软件狗、工程运行期限等功能，大大加强了保护组态开发者劳动成果的力度。（6）强大的网络功能MCGS支持TCP/IP、MODEN、RS-458/RS-422/RS-232等多种网络体系结构；使用MCGS网络版组态软件，可以在整个企业范围内，用IE浏览器方便的浏览到实时和历史的监控信息，实现设备管理和企业管理的集成。（7）多样化的报警功能提供多种不同的警报方式，具有丰富的警报类型和灵活多样的警报处理函数。不仅方便用户进行警报设置，并且实现了系统实时显示、打印警报信息的功能。警报信息的存储与应答功能，为工业现场安全可靠地生产运行提供了有力的保障。（8）实时数据库为用户分步组态提供极大方便MCGS由主窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，其中实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性构件的功用数据区，是整个系统的核心。各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制。在生成用户应用系统时，每个部分均可分别进行组态配置，独立创建，互不干扰；而在系统运行过程中，各个部分都通过实时数据库交换，形成互相关联的整体。（9）支持多种硬件设备，实现“设备无关”MCGS针对外部设备的特征，设备工具箱，定义多种设备构件，建立系统与外部设备的连接关系，赋予相关的属性，实现对外部设备的驱动和控制。用户在设备工具箱中可方便选择各种设备。不同的设备构件，所有的设备构件均通过实时数据库建立联系；而建立时又是相互独立的，即对某一构件的操作或改动，不影响其他构件和整个系统。（10）控制方便复杂的运行流程MCGS开辟了“运行策略窗”口，用户可以选用系统提供的各种条件和功能的策略构件，用图形化的方法和简单的类Basic语言21构造多分支的应用程序，按照设定的条件和顺序，操作外部设备，控制窗口的打开或关闭，与实时数据交换，实现自由，准确地控制运行流程，同时也可以由用户创建新的策略构件，扩展系统的功能。（11）良好的可维护性和可扩充性MCGS系统由五大功能模块组成，主要的模块以及构件的形式来构造，不同的构件有着不同的功能，且各自的独立。三种基本类型的构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成了MCGS系统三大部分（设备驱动、动画构件和流程控制）的所有工作。除此之外，MCGS还提供了一套开放的可扩充接口，用户可根据自己的用VB、VC等高等高级开发语言，编制特定的构件来扩充系统的功能。（12）用数据库来管理数据存储，系统可靠性高MCGS中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理。组态时，系统生成的组态结构是一个数据库；运行时，系统自动生成一个数据库，保存和处理数据对象和报警信息的数据。利用数据库来保存数据和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率；同时，也使其他应用软件系统能直接数据库中存盘数据。（13）设立对象元件库，组态工作简单方便对象元件库，实际上是分类储存的各种组态对象的图库。组态时，可把制作好的数据对象（包括图形对像、窗口对象、策略对象以至位图文件等）以元件的形式存入图库中，同样也可把元件库的各种对象取出，直接为当前的工程所用。随着工作的积累，对象元件库将日益扩大和丰富，这样解决了对象元件库的元件积累和元件重复利用问题。组态工作将会变得更加简单、方便。(14）实现对工控系统的分布式控制和管理MCGS充分运用现今发展的DCCW(Distributed Computer Cooperator Work，分布式计算机协通工作方式)技术，使分布在不同现场的采集设备和工作站之间实现协同工作，不同的工作站之间则通过MCGS实时交换数据，实现对工控系统的分布式控制管理。5.3组态设计步骤5.3.1新建工程双击桌面上的MCGS组态环境图标，进入组态环境，屏幕中出现工作台窗口，在菜单“文件”中选“新建工程”菜单项，由于MCGS安装在D盘根目录下，则会在“D:MCGSEWORK”下自动生成新的工程文件，默认的工程名为0.MCE,如图5.3所示。图5.3 MCGS工作台窗口选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口，在文件名一栏内输入“机械手控制系统”，点击“保存”按钮，工程创建完毕。如图5.4所示。图5.4 MCGS工作台窗口机械手控制系统5.3.2实时数据库构造在MCGS中，用数据对象来描述系统中的实时数据，用对象变量代替传统意义上的值变量，把用数据库技术管理的所有数据对象的集合称为实时数据库。在设置动画构件的属性之前要先定义好MCGS组态环境中数据对象，在组态工程中数据是连接每个环境的关键，数据对象都放在实时数据库中进行统一管理。实时数据库是MCGS嵌入版组态软件的数据交换和数据处理的中心。数据对象是实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也是定义数据对象的过程。数据对象有开关型、数值型、字符型、事件型和组对象这五种类型。不同类型的数据对象，其实际用途和属性各不相同。定义数据对象主要包括数据变量的名称、类型、初始值、初始范围、确定与数据变量存盘相关的参数、存盘是周期、存盘的实践范围和保存期限等，先分析和建立实例工程中与设备控制相关的数据对象，然后根据需要对数据对象进行设置。在MCGS中，数据不同于传统意义的数据或变量，以数据对象的形式来进行操作与处理。数据对象它不仅包含了数据变量的数据特征，还将与数据有关的其他属性（如数据的状态，报警限值等）以及对数据的操作方法（如存盘处理、报警处理等）封装在一起，作为一个整体，以对象的形式提供服务，这种把数值、属性和方法定义成一体的数据称为数据对象。在MCGS中，用数据对象表示数据，可以把数据对象认为是比较传统变量具有更多的功能的对象变量，像使用变量一样来使用数据对象，大多数情况下只需要使用数据对象的名称来直接操作数据对象。实时数据库是MCGS系统的核心，是应用系统的数据处理中心。系统各个部分均以实时数据库为公用区交换数据，实现各个部分协调工作。设备窗口通过设备构件驱动外部设备，采集的数据送入实时数据库：由用户窗口组成的图形对象建立连接关系，以动画形式实现数据的可视化；运行策略通过策略构件，对数据进行操作和处理。在开始定义之前，我们先对系统进行分析，确定需要的变量。本系统至少需要16个变量，见表5.1。表5.1 机械手控制系统变量分配表变量名类型初值注释启动开关型0机械手启动控制信号，I0.0输入1有效停止开关型0机械手停止控制信号，I0.7输入1有效夹紧开关型1机械手动作控制夹紧，输出，0有效放松开关型1机械手动作控制放松，输出，0有效上升开关型1机械手动作控制上升，输出，0有效下降开关型1机械手动作控制下降，输出，0有效前伸开关型1机械手动作控制左移，输出，0有效后缩开关型1机械手动作控制右移，输出，0有效上升限位开关型0上升限位，输入，1有效，停止上升下降限位开关型0下降限位，输入，1有效，停止下降顺时针限位开关型0顺时针限位，输入，1有效，停止顺旋逆时针限位开关型0逆时针限位，输入，1有效，停止逆旋工件夹紧标志开关型0夹紧为1初始位置开关型1工件处于初始位置时为1垂直移动量数值型0动画参数水平移动量数值型0动画参数顺时针旋转开关型0机械手动作控制左移，输出，0有效逆时针旋转开关型0机械手动作控制左移，输出，0有效左移限位开关型0上升限位，输入，1有效，停止左移右移限位开关型0上升限位，输入，1有效，停止右移对于新建工程，窗口中线上系统内建的四个字符型数据对象，分别是InputETime、InputSTime、InputUser1和InputUser2。当欲在对象列表的某一位置增加一个新的对象，可在该处选定数据对象，单击“新增对象”按钮，则在选中的对象之后增加对象的名称，以选中的对象名称为基准，按字符递增顺序确定。对于新建工程，首次定义的数据对象。缺省 为Data1。见图5.5。图5.5实时数据库单击工作台右侧“新增对象” 按钮，在窗口的数据对象列表中，增加了一个新的数据对象，选中该数据对象，按“对象属性”按钮，或双击选中对象，则打开“数据对象属性设置” 窗口，将“对象名称”改为：启动；“对象初值”改为：0；“对象类型”选择：开关型；在“对象内容注释输入框”内输入：启动按钮，点击“确定”按钮，如图5.6重复上述工作完成所有变量的输入。如图5.7图5.6数据对象属性设置图5.7机械手控制系统的实时数据库5.3.3用户窗口组态用户窗口本身是一个“容器”，用来放置各种图形对象（图元、图符和动画构件），不同的图形对象对应不同的功能。通过对用户窗口内多个图形对象的组态，生成漂亮的图形界面，为实现动画显示效果做准备。用户窗口组态基本操作步骤分为：建立组态工程画面，编辑组态工程画面，制作组态工程流程图。 （1）进入MCGS组态工作台后，新建“窗口0”。（2）选中“窗口0”单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”弹出框，将窗口名称改为“机械手控制系统”，窗口标题改为“机械手控制系统”，其他属性设置不变，单击“确定”，如图5.8图5.8用户窗口属性设置（3）选中“机械手控制系统”窗口图标，单击“动画组态”，进入动画组态编辑界面。单击图标打开绘图工具箱。（4）选择“工具箱”内的“标签”按钮，在窗口顶端输入文字“机械手控制系统”。依次选择、按钮，设置为没有填充颜色、没有边线颜色、宋体、粗体、二号、文字颜色为蓝色。（5）单击绘图工具箱中图标，在窗口中画出直线表示地平线，并设置直线粗细。（6）单击绘图工具箱中的图标，绘制底座、横轴、纵轴、手抓等（7）单击绘图工具箱中的图标，在“指示灯”中选择“指示灯2”和“指示灯3”。（8）使用工具箱中的图标，完成所有限位开关的名称注释以及传送带位置的注释。（9）单击工具箱中的标准按钮图标，设置各项动作按钮。（10）通过对窗口画面的设置，最后生成的整体画面如图5.9所示。并保存画面。图5.9机械手监控画面5.3.4动态连接画面编辑好以后，需要将画面与前面定义的数据对象即变量关联起来，以便运行时，画面上的内容能随变量变化。（1）指示灯的动画连接双击启动指示灯，弹出“单元属性设置”窗口如图5.10图5.10“单元属性设置”窗口打开“单元属性设置”窗口中的“动画连接”选项卡，选择“组合图形”则会出现图标，单击进入“动画组态属性设置窗口”，单击“？”图标，进行设置，设置好后单击“确定”按钮，完成变量的连接。如图5.11图5.11“动画组态属性设置”窗口重复上述动作，完成所有指示灯的动画设置。（2）按钮的动画连接双击“启动”按钮，弹出“标准按钮构件属性设置”窗口，如图5.12，选中“操作属性”选项卡，依照如图5.13完成设置5.12 “标准按钮构件属性设置”窗口5.13操作属性设置重复上述动作，完成所有按钮的动画设置。（3）垂直移动动画连接在“实时数据库”中增加一个新变量“垂直移动量”，初值：0，类型：数值型。单击“查看”菜单，选择“状态条”，在屏幕下方出现状态条。状态条左侧文字代表当前操作状态，右侧显示被选中对象的坐标和大小。估计总垂直移动距离：在上工件底边与下工件底边之间画一条直线，根据状态条大小指示可知直线长度即总垂直移动距离，垂直移动距离为132。在脚本程序的开始处增加“动画控制”语句：IF 下移=0 THEN垂直移动量=垂直移动量+1ENDIFIF 上升=0 THEN 垂直移动量=垂直移动量-