【《PLC抓药机器人的硬件和软件设计案例》12000字（论文）】

PLC抓药机器人的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u31675PLC抓药机器人的硬件和软件设计案例 127802第1章PLC抓药机器人硬件电路设计 1102491.1机电控制系统的整体结构设计 1156201.2PLC及扩展模块的供电电路设计 251031.3PLC对伺服电机的控制 3190851.2.1脉冲输出原理 3158091.2.2伺服控制系统硬件接线电路的设计 38761.2.3编码器的工作原理 5264441.4PLC对交流和直流电机的控制 694631.5PLC对限位开关的控制 7225931.6PLC对光电计数器的控制 8166251.7PLC对电磁铁的控制 926852第2章PLC抓药机器人下位机软件程序设计 11199522.1PLC程序的开发环境及流程 11162102.1.1计算机与PLC之间的通信 1292322.1.2欧姆龙CP1H型PLC的I/O存储区 14153212.2PLC程序的编写 1541972.1.1PLC出药程序的设计 15136262.1.2PLC检测模块梯形图程序程序的设计 18155522.1.3手动上药梯形图程序的设计 20275972.1.4自动上药PLC程序的设计 21222052.1.5原点模式原理 2448222.3下位机操作系统的开发 26第1章PLC抓药机器人硬件电路设计1.1机电控制系统的整体结构设计数字药房下位机控制系统总体结构图如1.1所示，分为自动上药系统（机械手）、药品存储系统和药品发送系统，欧姆龙CP1H型PLC作为机电控制系统的核心。自动上药系统的作用是由伺服电机M1、M2和M3驱动机械手定位，电磁挡板发药，光电对射装置检测配合完成上药动作。储药系统是储药道的电磁挡板实现药品的定位和发送，并配合光电对射装置记录发药数量。出药系统则是通过交流电机M5驱动传送带，交流电机M4驱动提升机，配合行程开关实现提升机的定位，同时直流推杆电机M6推动提升机挡板实现药品的发送。其中，伺服电机的控制是很重要的部分。图1.1下位机控制系统总体结构图1.2PLC及扩展模块的供电电路设计下位机控制系统核心由欧姆龙CP1H型PLC主模块、CP1W—40EDR扩展模块1和3，以及CP1W—8EDR扩展模块2组成，经由电缆连接构成一体[6]。所有的控制单元的电源均是24V直流输入，所以选用24V直流转换电源供电。开关电源，将家用交流220V电压转化成直流24V电压，其输出电流是0.5~4.0A，最大功率为144W，通过端子给PLC主模块及其扩展模块供电，能够满足控制系统的需求。按照“左零右火”的规则进行布线，将220V交流电通过空气开关QF引入开关电源，由开关电源向PLC主模块和扩展模块供电，接线如图2.2所示。图1.2PLC和扩展模块的供电图1.3PLC对伺服电机的控制1.2.1脉冲输出原理PLC通过发送脉冲来控制伺服电机工作，发送脉冲的数量决定电机转过的角度，即决定机械手运动的距离。发送脉冲的频率，决定电机转速，即机械手运动速度。欧姆龙CP1HX型PLC主模块，通过PULS输出端口发送脉冲，通过SIGN端口发出方向信号。当在“脉冲/方向”的输出模式下，PLC的方向输出晶体管是ON时，脉冲为顺时针（CW）输出；当方向晶体管输出为OFF，输出逆时针（CCW）脉冲为通过改变脉冲的输出方向，实现对伺服电机转向的控制，工作原理如图2.3所示。图1.3脉冲输出方向原理图1.2.2伺服控制系统硬件接线电路的设计欧姆龙CPIHX型PLC主模块通过扩展口采用光缆与扩展模块CP1W-40EDR连接，对伺服电机进行控制。文中涉及到3个伺服电机，所以需要3个驱动器对其进行驱动，硬件接线图如图2.4所示。图1.4PLC与驱动器的接线图主模块通过输出端口Q100.01、Q100.03和Q100.05能够向伺服驱动器发射3路脉冲，通过端口Q100.00、Q100.02和Q100.04发送脉冲正反转信号。对1号伺服驱动器来说，SRDY引脚与PLC输入点I1.00连接，对伺服控制系统的正常运行进行反馈；ZSPD引脚与PLC输入点I1.01连接，对伺服电机零速时进行反馈。SON引脚与PLC输入点I2.02连接，是对伺服驱动器启动正常反馈。TPOS引脚与PLC输入点I1.03连接，检测驱动器运行到指定位置。ALRM引脚与PLC输入点I1.04连接，作用是驱动器报警伺服驱动器的接口L1C、L2C直接分别与220V交流电相线、零线连接，如图1.5所示。R、S端口则是通过常开继电器与相线、零线连接，通过继电器的通断，实现驱动器的得电与失电。驱动器的U、V和W端分别与伺服电机的3相线相接，是电机工作的动力线。端口CN1是PLC与驱动器连接的接口，作用是将PLC输出的控制信号接入到伺服驱动器中。端口CN2是伺服电机编码器与伺服驱动器的硬件接口，编码器通过该硬件接口反馈信号。图1.5伺服驱动器与电机的连接图1.2.3编码器的工作原理伺服电机编码器是一种传感器，安装在伺服电机的尾部，起到检测伺服电机转角和转速的作用，从而实现伺服电机的闭环控制。伺服电机编码器有数字式和模拟量式，文中选用增量型数字式编码器，能够输出A、A反、B、B反、Z、Z反6种信号，编码器输出工作原理如图2.6所示。图1.6编码器的差动动输出原理图伺服电机为同步电机，所以在启动的时候得先通过编码器来检测电机转子所在的位置。编码器输出的信号中，A相和B相2相信号的相位差是90度，将A相相位和B相相位进行比较，若A相位超前90度，编码器正转，反之则编码器反转；采用零位脉冲，能够得到编码器的零位参考位。伺服驱动器将编码器信号进行分频处理，并采用差动的方式输出，这样能够提高系统的抗干扰能力。1.4PLC对交流和直流电机的控制数字药房在工作时其传送带和提升机的需要交流电机来驱动，此外需要直流推杆电机为提升机出药提供动力。传送带电机M4选择广州德马克公司生产的51K60RGU-CF型号AC220V电机，调速范围在90-1400r/min，额定转矩和启动转矩分别是490mN·m和265mN·m。提升机电机M5选用5RK120GU—HFM型号电机，额定转矩和启动转矩分别是750mN·m和720mN·m。直流电动推杆M6选择上海达铁机电科技有限公司生产的IMD3直流电动推杆，该推杆采用直流12V电压驱动，能够产生120N的推力，满载速度45mm/s。对交流电机和直流电机的控制，均通过扩展模块2（CP1W-8EDR）实现。PLC对交流电机的控制原理如图2.7所示。PLC的扩展模块的输出点104.00和104.01，控制继电器的通断，实现电机M4的正反转。当104.00输出时，继电器KM1闭合电机M4正转，当104.01输出时继电器KM2闭合电机M4反转，输出点均布闭合时，交流电机停止工作。此外，为保证电机的工作过程处于安全状态，电机均需要接地。图1.7交流电机接线电路图交流电机M5、直流电机M6的控制原理与电机M4的控制方式相类似，其具体的输出功能点分配如下表1.1所示。表1.1扩展模块2输出功能分配表1.5PLC对限位开关的控制限位开关（行程开关）即一种限制机械设备运动极限位置的电气开关，占用PLC输入通道。文中一共用了9个限位开关。与提升机配合的出药口的位置安装限位开关SQ1、SQ2和SQ3，分别用实现提升机在出药口上、中和下3个出药口位置的定位。上药机械手的横向下端直线模组两端的极限位置安装限位开关SQ4和SQ6，此外在靠近SQ6处的左边安装SQ5，当机械手向横向原点运行碰触到SQ5时，机械手开始减速，到达SQ6时，机械手复位至原点出停止运动。同样的原理在纵向线性模组上也安装3个限位开关SQ7、SQ8和SQ9。限位开关工作原理图如2.8所示。图1.8限位开关工作原理图限位开关由外部交流电提供工作电源。一端和PLC输入通道端子连接，另一端与COM端连接。当限位开关被触发时，由常开变成闭合，此时会接通与PLC连接的回路，产生输入电压，光电耦合作用下的发光二极管导通，光敏晶体管饱和并导通，信号输入到PLC内部电路处理，同时发光二极管导通，面板上的指示灯变亮。限位开关恢复常态，与PLC输入端形成的回路断开，发光二极管就会熄灭，光敏晶体管截止。限位开关的输入地址分配见表2.2。表1.2限位开关I/O点分配表1.6PLC对光电计数器的控制文中2个地方应用光电计数器（光电对射装置），一是在储药柜药道的出药口，用来记录所出药品的数量，二是在机械手发药道的出药口用来检测上药是否完毕。PNP常闭光电计数器的工作原理如图2.9所示。光电计数器由2部分组成，分别是发射器和接收器，都分别由24V直流电源供电。接收器接受发射器发出的红外线光束，此时（常态）光电计数器的输出端为低电平。当有药品经过发射器和接收器之间时，红外光束被遮挡，接收器的信号输出端激发高电平，通过光电耦合作用，将信号反馈给PLC，当药品滑落后，光电计数器恢复常态[9]。图1.9光电计数器工作原理图数字药房每个储药层均有13个储药道，所以需要13对光电计数器。将光电计数器接收器的信号输出线集中于一条总线，通过一条总线输入到PLC，地址分配为I0.9，这样就为PLC节省了12个输入点，如图2.10所示。同理机械手发药道中的2对光电计数器，只需一个输入点I1.0。图1.10光电计数器反馈电路图1.7PLC对电磁铁的控制文中通过控制电磁铁的得电与失电，控制挡药板的伸缩，实现药品在储药柜中的定位和发送。数字药房的储药道（156道）与机械手（4个发药道）共计需要160个电磁铁。如果对电磁铁采用一对一的控制方式，一共需要160个控制点，对于控制器的硬件需要过于苛刻，导致控制资源的浪费，提高了硬件的经济成本，为解决此问题采用矩阵输出控制的方式。所谓的矩阵控制输出方式就是电磁铁电源线所在的行与列对应的输出继电器同时闭合，电流形成回路，电磁铁就会得电。PLC对储药道电磁铁的矩阵控制原理如图2.11所示[18]。图1.11PLC矩阵输出原理图将储药道中的156个电磁铁分为12组（共12层），每组13个（13列），将控制层电磁铁电源负极线接入Q106和Q107通道的输出端子，将电磁铁电源正极线接入Q108和Q109通道的输出端子，这样就需要25个控制点就能实现对储药道156个电磁铁的控制。编程时采用SET指令使得任意一个控制层和一个控制列的继电器同时闭合，对应的电磁铁就会得电动作。例如控制输出点Q106.00与108.00同时闭合，数字药房储药层中的一层一列（11）位置的电磁铁就会得电。然后使用RESET指令将2个输出点复位，对应的电磁铁失电。同时在电磁铁末端都串装有二极管，二极管具有单向导通的性能，能够避免局部电流反向流动，在线路中形成回路，从而对控制系统造成干扰，保证数字药房的稳定运行。上药机械手的4个电磁铁也采用矩阵控制，输出通道分配表1.3所示[10]。表1.3机械手电磁铁矩阵控制输出分配表第2章PLC抓药机器人下位机软件程序设计2.1PLC程序的开发环境及流程CX-programmer系列软件包是与欧姆龙CP1H型PLC相配套的软件开发环境，如图2.1所示。PLC的梯形图编程、变量参数设置等操作，均以该软件为平台实现的。如图所示工程工作区是通过选择按钮来激活和关闭该工作区的视图，并定义工程中需要的变量。梯形图工作区是用来显示梯形图程序，能够对程序进行生成、编辑和监视的操作。自动错误检测工作区对梯形图程序进行检测，并对错误的程序进行提示显示，此外还有监视窗口、输出窗口、地址引用工具等[11]。图2.1程序开发流程图基于PLC下位机控制系统的开发流程，主要包括软件参数的设置和定义、程序编写和软件开发3个部分。软件参数的设置和定义是通过设置通信参数实现上位机与下位机之间的对话，并对程序中出现的一些变量提前进行定义。系统编程是根据硬件的动作要求设计程序的逻辑结构，最后以梯形图为工具编写程序。软件的开发是设计机电操作系统的控制界面。2.1.1计算机与PLC之间的通信PLC采用HostLink协议在串口平台上与上位机通信，计算机主动向PLC发送指令，PLC处理上位机指令并应答[19]。计算机能够通过发送程序来监控和控制PLC的的工作情况，并且能够读取PLC的程序。在通信时采用奇偶校验和祯校验的双重校验方式，大大的提高通信的正确率。上位机与PLC通信时，以电缆为介质，通过RS232C串口进行连接，并将PLC通信参数设置为标准形式（9600：1，7，2，E），如图2.2所示。图2.2通信参数的设置PLC与工控机触摸屏之间的通信是以“帧”为单位进行的。PLC接收到上位机发出的指令后开始FCS校验，结果是将得到的8位数据转换成长度为2个字符的ASCII码，并同时对附加在帧后的FCS进行对照，当数据正确后再由PLC向上位机发送响应。上位机与PLC之间的通信命令与响应的格式如图2.3所示[16]。图2.3通信命令和响应格式计算机的命令祯格式与PLC的响应祯格式很形似。@作为命令开始字符，节点号采用2位BCD码，选取范围在00~31之间，上下位机之间的节点号必须设置一致。命令码则采用2个大写英文字母。数据地址采用BCD码，数据的数值需采用十六进制码。采用*和回车符（CR）作为祯的结束字符。PLC响应祯格式中多了一个2个字符的异常码，当来自上位机的指令执行正确时，返回码是00，当错误时，会根据不同的执行情况PLC返回不同的代码，通信程序流程如图2.4所示。图2.4通信程序流程图上位机通信程序由串口初始化、FCS校验、发送数据、反馈数据等步骤组成。程序设计方法主要有通信程序访问法和事件驱动方法，当通信成功时都会有提示。事件驱动方法编程时程序代码更加简便。文中采用NETFramework1.0类库中的SerialOrthodox通信控件，其主要包括以下功能。含通信口（CommonPort）：用来指定计算机使用的串口。参数设置（Settings）：用来指定串口的波特率、奇偶校验和停止位等。打开（PortOpen）设置：当其是“真”则串口打开，否则处于关闭状态。读取数据类型（InputMode）：用来确定输入数据的格式。读取（Input）：功能是将缓冲区中的内容读到指定的字符变量中。输出（Output）：作用是把输出的指令发送至缓冲区。2.1.2欧姆龙CP1H型PLC的I/O存储区欧姆龙CP1H型PLC的存储区由用户程序存储区、I/O继电器存储区、参数区域等组成。I/O存储区域能够通过指令进入该区域，其主要包括如下部分。1）I/O继电器区（CIO）I/O继电器区不但能够作为控制I/O点的数据，还能够作为PLC内部存储和处理数据的工作位，按照位或者字存取，字的寻址范围是CIO0000~CIO6443。在文中用到的最多的是输入输出继电器区，是PLC与药房硬件设备交流的通道。文中PLC的输入量主要是来自光电开关反馈信号、限位开关的反馈信号和伺服电机编码器反馈的脉冲信号，其都是数字量输入。对电磁铁、交流电机和直流电磁推杆的控制也均是数字量输出。2）数据存储器区D在数据存储区中，所存储的数据均只能以字为单位进行存储，因此在编程时不能使用位操作指令。数据存储器区字能够通过BIN和BCD的形式进行访问，其寻址范围是D00000~D32767。在文中脉冲输出的频率、数量等的参数都会存储到该区域。3）定时器区T通过设定PLC的定时器区，来控制执行器延时执行动作。文中在控制药房和机械手的电磁铁、交流电机、直流推杆等时需要用到定时器，来实现其执行动作的延时，保证设备顺利的出药。4）计数器区C计数器区的作用是主要用来记录输入和输出脉冲的数量。本型号的PLC提供4096个计数器，编号是C0000~C4095。机械手在定位时，需要来通过记录发送和反馈脉冲的数量来判断机械手是否到达指定位置。2.2PLC程序的编写2.1.1PLC出药程序的设计编程前需对程序中涉及的变量进行设置。变量分为全局变量和局部变量，全局变量不是被某个单独函数占用，整个源程序文件都可以调用，其作用域是整个程序，但局部变量则与之相反。在CX-programmer软件工程工作区中单击“设置”后进入其工作目录下定义编程所需的变量[12]，部分全局变量定义如图2.5所示。图2.5部分变量的定义过程数字药房储药柜中的药品是通过人工选取，然后执行出药动作，所以PLC下位机出药动作应该采用顺序控制方式。在编写出药下位机程序的过程中除了用到上述的定时器（TIM）和计数器（CNT）外，还会经常用到SET、RSET、KEEP等指令[13]，下位机出药流程如图2.6所示。图2.6下位机出药程序流程图数字药房中共有156个储药道，按照数字药房的工作方式应该对每一道的电磁铁均进行相应的编程，在程序中除了控制不同电磁铁的得电失电的输出点不同外，传送带、提升机和推杆电机的工作程序都是一样的[14]。2.1.2PLC检测模块梯形图程序程序的设计PLC检测模块用来检测伺服控制系统的工作状况，启动开机按钮，程序会自动检测伺服驱动器、伺服电机和机械手的工作和位置状态，在机械手上工作过程中对下位机控制系统进行实时监控，保证上药过程安全、高效的进行。输入点I200.03（只写）采用上微分指令的形式，当触电由OFF变为ON的上升沿时执行指令，并持续一个周期，KEEP保持指令被激活，常开触点300.00闭合，定时器T0006开始计时，同时输出点Q101.00、Q102.01和Q103.00工作，此时3个伺服驱动器启动，等待接受驱动伺服电机的脉冲指令。输入点I2.02、I2.07和I3.00对应伺服驱动器的伺服ON输出信号，当启动伺服控制系统时，伺服驱动器的回路可以顺利运行时，对应的只读输出Q200.05、Q200.08和Q200.11会显示提示，反之就是出现问题。输入点I2.00、I2.05和I2.10对应3个伺服驱动器的输出SRDY信号，当控制系统通电后，驱动器和伺服电机的电源回路正常时，3个串联的常开触电会闭合，此时输出点Q200.04（只读）工作，触摸品显示准备工作就绪。输入点I2.04、I2.09和I3.02对应3个伺服驱动器的输出ALAEM信号，除了正反向限位、紧急停止、低电压、风扇异常和通信异常外，所有的警报都是通过ALAEM输出。当伺服驱动器出现问题时，其常闭触电闭合，对应的只读输出点Q200.07、Q200.10和Q200.13会发出警报提示，此时3个并联输出点会使KEEP指令复位，停止启动伺服系统。输入点I0.03、I0.05、I0.06和I0.08分别对应左右上下4个方向的极限位置限位开关，当机械手到达该位置时，只读输出点Q200.14、Q201.00、Q201.01和Q201.12激活。常开输入点I200.05对应停止按钮，当其闭合时，通过配合3个动作模式控制指令INI，使得3个伺服电机停止工作。INI指令操作数区域一共有3个，端口设定值C1，程序中设定为0000H（#0）、0001H（#1）和0002H（#2），对应PLC的Q100.01、Q100.03和Q100.05是3个脉冲输出口；控制数据C2设置为0003H（#3），表示停止脉冲输出。保存改变数据首通道S，在程序中设置为0，即不启用该功能。梯形图程序如图3.7所示[20]。图2.7检测模块程序2.1.3手动上药梯形图程序的设计手动上药模块是通过触摸动作按钮，步进的实现机械手上药动作，主要应用机械手的前期调试和后期的维修工作。程序如图3-8所示，启动手动模式，通过上行、下行、右行等按钮实现机械手的十字定位和旋转，当常开触点闭合处于上升沿时，执行动作[17]。采用SET和RSET指令实现发药槽电磁铁的控制，程序中以电磁铁D1和D2为例，使用脉冲频率设定功能指令（SPEED）控制伺服电机。端口指定参数C1设置为#0、#1和#2，分别指定PLC的3个脉冲输出口。输出模式参数C2设置为#00或者#10，低位0代表脉冲为连续输出模式，高位1代表脉冲逆时针输出，高位0代表脉冲顺时针输出。脉冲频率值（双字）存储在D2中。图2.8手动出药梯程序2.1.4自动上药PLC程序的设计下位机的自动上药模块即通过选择所需上药的槽道，由机械手自动按照指令实现上药的动作，最后并复位的过程。上药机械手从起始位置到达目标点的轨迹若是一条直线，这样就能够缩短上药的时间，提高上药的效率。取机械手上药过程的任意一点抽象为数学模型，直线插补法数学模型如图3.9所示。图2.9直线插补法的数学模型图机械手的上药定位过程是一个“加速—匀速—减速”的过程，如上图所示，Ps为机械手的动作原点，Pa为伺服电机的加速结束点，Pb为伺服电机的减速开始点，Pe为机械手的定位目标点。初始点Ps和目标点Pe的坐标均已知，其倾斜角可以表示为如下：（3-1）（3-2）欧姆龙CP1H型PLC不具有梯形脉冲指令，所以采用时间分割的方法实现直线插补算法，其具体算法如下。1）已知插补周期T和加减速时间t，求出加减速步数N。（3-3）2）当插补点Pi在加速和减速区时，根据已知初始频率、工作频率fe，求出插补频率f。（3-4）式中i是减速和减速的步数，在加速区时每插补一次i=i+1，在减速区时每插补一次i=i-1。当点Pi在均速区时，插补频率（3-5）机械手在定位过程中，横轴和纵轴的插补频率分量可以表示为如下：（3-6）（3-7）3）进给步长当时，插补点的坐标点为：（3-8）（3-9）当时，插补点Pi+1的坐标点为：（3-10）（3-11）上述两种情况下，插补点的计算，一个是通过步长计算坐标点，另一个是通过直线斜率计算坐标点，这样能够保证不产生累计误差，保证插补的精确度。4）插补点到目标点的距离Le（3-12）当距离Le小于进给步长ΔL时，目标点Pe就是最后一个插补点，此时PLC停止发送脉冲，机械手定位工作完成。欧姆龙CP1H型PLC具有浮点和三角函数运算的功能，所以能够实现机械手定位时的直线插补运算。在机械手定位完毕后，由发药槽电磁铁配合电动转台，完成对数字药房储药槽的上药，根据上述公式设计的梯形图程序流程如图3-10所示。数字药房储药柜每一储药槽道都对应唯一的上药程序，在编写梯形图程序时需要给出一些初始数据（起始点和终点的坐标值），然后执行程序时会在插补区域中根据已知信息自动选择相应的脉冲频率计算公式，接着求下一插补点的横纵坐标值，并判断是否为目标点，最后横轴和纵轴同时启动脉冲输出指令。梯形图程序中需要通过使用计数器指令来判断脉冲输出的个数，PLC每输出一个脉冲，计数器的计数设定值N就会减一，当N=0的时候不再脉冲输出，上药机械手定位完毕。每一储药道对应的初始坐标、终点坐标、倾斜角、脉冲频率和脉冲输出个数等参数，都需要根据数字药房储药柜中储药道所在位置的的实际尺寸进行设置。图2.10机械手自动上药程序流程图2.1.5原点模式原理原点模式就是上药机械手在执行完上药动作后，由PLC通过输出脉冲信号驱动伺服电机，使得机械手返回上药的初始位置，为下一次上药做准备。欧姆龙CP1H型PLC通过调用ORG指令，有原点搜索和原点复位2种方式实现上药机械手的复位。在使用ORG指令，需要设定2个参数C1和C2，具体参数设置如图3.11所示。图2.11ORG指令参数设置参数C1（0000~0003H）用来指定脉冲输出端口0~3，参数C2用来设定脉冲的输出模式。文中上药机械手的复位采用原点搜索的方式即ORG指令参数的最高位设置为0H。上药机械手复位时需要脉冲输出口1和2控制伺服电机M1和M2