PLC在機械手控制中的應用
1 引言
本文以某物流控制中的機械手控制為例，分析了PLC與步進驅(qū)動裝置的控制方法，本系統(tǒng)涉及的主要硬件是S7-200 PLC和SH-2H057步進驅(qū)動器。
(1) S7-200 PLC系列是西門子公司的可編程控制器,這一系列產(chǎn)品可以滿足多種多樣的自動化控制要求，由于具有緊湊的設計、良好的擴展性、低廉的價格以及強大的指令，使得S7-200 PLC可以滿足小規(guī)模的控制要求。此外，豐富的CPU類型和電壓等級使其在解決用戶的工業(yè)自動化問題時，具有很強的是適用性。
1臺S7-200 PLC包括一個單獨的S7-200 CPU，或者帶有各種各樣的可選擴展模塊。S7-200 CPU模塊包括一個中央處理單元(CPU)、電源以及數(shù)字量I/O點，這些都被集成在一個緊湊、獨立的設備中。
l CPU負責執(zhí)行程序和存儲數(shù)據(jù)，以便對工業(yè)自動化控制任務或過程進行控制;
l 輸入和輸出是系統(tǒng)的控制點:輸入部分從現(xiàn)場設備中采集信號，輸出部分則控制泵、電機、以及控也過程中的其他設備;
l 電源向CPU 及其所連接的任何設備提供電力;
l 通訊端口允許將S7-200 CPU同編程器或其他一些設備連起來;
l 狀態(tài)信號燈顯示了CPU 的工作模式(運行或停止)，本機I/O的當前狀態(tài)，以及檢查出來的系統(tǒng)錯誤;
l 通過擴展模塊可提供其通訊性能;
l 通過擴展模塊可增加CPU的I/O點數(shù)(CPU 221不擴展);
l 一些CPU有內(nèi)置的實時時鐘，或添加實時時鐘卡;
l EEPROM卡可以存儲CPU程序，也可以將一個CPU中的程序送到另一個CPU中;
l 通過可選的插入式電池盒可延長RAM中的數(shù)據(jù)存儲時間;
l 最大I/O配置。
(2) SH-2H057驅(qū)動器輸入信號共有三路，他們是:步進脈沖信號CP、方向電平信號DIR、脫機電平信號FREE.他們在驅(qū)動器內(nèi)部分別通過270Ω的限流電阻接入光耦的負輸入端，且電路形式完全相同，三路光耦的正輸入端為OPTO端，三路輸入信號在驅(qū)動器內(nèi)部接成共陽方式，所以OPTO端需接外部系統(tǒng)的VCC端，如果VCC是+5伏，可直接接入;否則需在外部另加限流電阻，保證給驅(qū)動器內(nèi)部光耦提供8-15mA的驅(qū)動電流。
l 步進脈沖信號CP
步進脈沖信號CP用于控制步進電機的位置和速度，也就是說:驅(qū)動器每接受一個CP脈沖就驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一個步角度，CP脈沖的頻率改變則同時是步進電機的速率改變，控制CP脈沖的個數(shù)，則可以使步進電機精確定位。這樣就可以很方便的達到步進電機調(diào)速和定位的目的。本驅(qū)動器的CP信號為低電平有效，要求CP信號的驅(qū)動電流為8-15mA，對CP脈沖寬度也有一定要求，一般不小于5μs。
l 方向電平信號DIR
方向電平信號DIR用于控制步進電機的旋轉(zhuǎn)方向。此端為高電平時，電機為一個轉(zhuǎn)向;次端為低電平時，電機為另一個轉(zhuǎn)向。電機換向必須在電機停止后再進行，并且換向信號一定要在前一個方向的最后一個CP脈沖結(jié)束后以及下一個方向的第一個CP脈沖前發(fā)出。
l 脫機電平信號FREE
當驅(qū)動器上電后，步進電機處于鎖定狀態(tài)(未施加CP脈沖時)或運行狀態(tài)(施加CP脈沖)，但用戶想手動調(diào)整電機而又不想關(guān)閉驅(qū)動器電源，這時可以用到此信號，此信號低電平有效，電機處于自由無力矩狀態(tài);當此信號為高電平或懸空不接時，取消脫機狀態(tài)。
l 步進電機簡介
SH-2H057型驅(qū)動器用于驅(qū)動二相或四相混合式步進電機(亦稱感應子式)，此驅(qū)動器一般驅(qū)動60號機座以下電機。電機的出線方式不同，與驅(qū)動器的連接也不同。本系統(tǒng)使用的電機為二相四根線電機，可以直接和驅(qū)動器相連。見圖1的機械手電機驅(qū)動模塊原理圖。
2 系統(tǒng)工作工程
本系統(tǒng)的機械手部分由底盤、立桿、手臂、手組成，其中底盤由一個步進電機驅(qū)動，可順逆時針旋轉(zhuǎn);立桿由一個步進電機驅(qū)動，可上下移動;手臂由一個步進電機驅(qū)動，可前后伸縮;手由氣泵控制，可抓緊和放松。在相應位置都有位置檢測信號用于定位。參見圖1。
(1) 出貨過程
從復位位置啟動,根據(jù)要求到相應出貨臺(1，2，3號貨臺),此時底盤轉(zhuǎn)動到要求位置，立柱下降,手臂伸出,定位后手抓貨物,立柱上升,同時手臂回收(以免運行中與其它設備相撞),然后到相應出貨臺(左,或右出貨臺),立柱下降,手臂伸出,手打開,把貨物放在相應出貨臺上。
(2) 進貨過程
從復位位置啟動,根據(jù)要求到相應出貨臺(左，或右出貨臺),此時底盤轉(zhuǎn)動到要求位置，立柱下降,手臂伸出,定位后手抓貨物,立柱上升,同時手臂回收(以免運行中與其它設備相撞),然后到相應出貨臺(1，2，3號貨臺),立柱下降,手臂伸出,手打開,把貨物放在相應出貨臺上。
3 系統(tǒng)設計思想
步進控制電路設計思想，PLC繼電器式輸出模塊工作速度較低，故采用高頻脈沖方波發(fā)生器，給出步進脈沖，其振蕩頻率按步進電機速度設置，步進量的控制采用位置檢測，根據(jù)位置檢測信號用PLC的輸出點切斷進給電機，實現(xiàn)步進電機的停車, 其程序流程圖如圖2所示。
在整個機械手運行控制過程中，采用限位開關(guān)以及面板操作開關(guān)以及系統(tǒng)邏輯開關(guān)作為輸入點，整個系統(tǒng)中底盤有5個限位開關(guān)，分別作為5個位置的定位輸入點，立柱有4個限位開關(guān)，分別為1個復位開關(guān)、一號位限位輸入量、上限位、下限位。手臂有3個限位開關(guān):手臂復位限位數(shù)入點、手臂前限位、手臂后限位。抓手限位開關(guān)，為抓手復位輸入點。一共13個限位開關(guān)完成全部的控制輸入。各限位開關(guān)分布情況見圖1，
由于在整個控制過程中全部是通過控制步進電機驅(qū)動模塊再驅(qū)動步進電機執(zhí)行。這里對用集成脈沖輸出觸發(fā)步進電機驅(qū)動器原理進行說明。S7-200 PLC(CPU 226)的Q0.0和Q0.1分別對升/降步進電機、前/后步進電機發(fā)送脈沖;CPU 226的Q0.2對轉(zhuǎn)盤步進電機發(fā)送脈沖。而步進電機的正/反轉(zhuǎn)則分別是CPU 226的Q0.4和Q0.5分別對升/降步進電機、前/后步進電機實行控制;CPU 226 的Q0.6和Q0.7分別對轉(zhuǎn)盤步進電機正反、抓手氣泵開關(guān)實行控制。
機械手PLC程序的設計編寫采用了STEP 7-Micro/WIN32軟件的數(shù)據(jù)表(STL)的形式。程序設計修改方便，設計完成可聯(lián)機調(diào)試，沒有問題再把步進電機接上。
上位機監(jiān)控軟件采用北京亞控的組態(tài)王軟件，通過變量映射實現(xiàn)組態(tài)軟件的變量與PLC的寄存器的動態(tài)連接，從而實現(xiàn)了上位機對PLC的監(jiān)控。
4 結(jié)束語
本機械手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，動作可靠，使用方便，已較好地應用于我校的科研教學中.
本文以某物流控制中的機械手控制為例，分析了PLC與步進驅(qū)動裝置的控制方法，本系統(tǒng)涉及的主要硬件是S7-200 PLC和SH-2H057步進驅(qū)動器。
(1) S7-200 PLC系列是西門子公司的可編程控制器,這一系列產(chǎn)品可以滿足多種多樣的自動化控制要求，由于具有緊湊的設計、良好的擴展性、低廉的價格以及強大的指令，使得S7-200 PLC可以滿足小規(guī)模的控制要求。此外，豐富的CPU類型和電壓等級使其在解決用戶的工業(yè)自動化問題時，具有很強的是適用性。
1臺S7-200 PLC包括一個單獨的S7-200 CPU，或者帶有各種各樣的可選擴展模塊。S7-200 CPU模塊包括一個中央處理單元(CPU)、電源以及數(shù)字量I/O點，這些都被集成在一個緊湊、獨立的設備中。
l CPU負責執(zhí)行程序和存儲數(shù)據(jù)，以便對工業(yè)自動化控制任務或過程進行控制;
l 輸入和輸出是系統(tǒng)的控制點:輸入部分從現(xiàn)場設備中采集信號，輸出部分則控制泵、電機、以及控也過程中的其他設備;
l 電源向CPU 及其所連接的任何設備提供電力;
l 通訊端口允許將S7-200 CPU同編程器或其他一些設備連起來;
l 狀態(tài)信號燈顯示了CPU 的工作模式(運行或停止)，本機I/O的當前狀態(tài)，以及檢查出來的系統(tǒng)錯誤;
l 通過擴展模塊可提供其通訊性能;
l 通過擴展模塊可增加CPU的I/O點數(shù)(CPU 221不擴展);
l 一些CPU有內(nèi)置的實時時鐘，或添加實時時鐘卡;
l EEPROM卡可以存儲CPU程序，也可以將一個CPU中的程序送到另一個CPU中;
l 通過可選的插入式電池盒可延長RAM中的數(shù)據(jù)存儲時間;
l 最大I/O配置。
(2) SH-2H057驅(qū)動器輸入信號共有三路，他們是:步進脈沖信號CP、方向電平信號DIR、脫機電平信號FREE.他們在驅(qū)動器內(nèi)部分別通過270Ω的限流電阻接入光耦的負輸入端，且電路形式完全相同，三路光耦的正輸入端為OPTO端，三路輸入信號在驅(qū)動器內(nèi)部接成共陽方式，所以OPTO端需接外部系統(tǒng)的VCC端，如果VCC是+5伏，可直接接入;否則需在外部另加限流電阻，保證給驅(qū)動器內(nèi)部光耦提供8-15mA的驅(qū)動電流。
l 步進脈沖信號CP
步進脈沖信號CP用于控制步進電機的位置和速度，也就是說:驅(qū)動器每接受一個CP脈沖就驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一個步角度，CP脈沖的頻率改變則同時是步進電機的速率改變，控制CP脈沖的個數(shù)，則可以使步進電機精確定位。這樣就可以很方便的達到步進電機調(diào)速和定位的目的。本驅(qū)動器的CP信號為低電平有效，要求CP信號的驅(qū)動電流為8-15mA，對CP脈沖寬度也有一定要求，一般不小于5μs。
l 方向電平信號DIR
方向電平信號DIR用于控制步進電機的旋轉(zhuǎn)方向。此端為高電平時，電機為一個轉(zhuǎn)向;次端為低電平時，電機為另一個轉(zhuǎn)向。電機換向必須在電機停止后再進行，并且換向信號一定要在前一個方向的最后一個CP脈沖結(jié)束后以及下一個方向的第一個CP脈沖前發(fā)出。
l 脫機電平信號FREE
當驅(qū)動器上電后，步進電機處于鎖定狀態(tài)(未施加CP脈沖時)或運行狀態(tài)(施加CP脈沖)，但用戶想手動調(diào)整電機而又不想關(guān)閉驅(qū)動器電源，這時可以用到此信號，此信號低電平有效，電機處于自由無力矩狀態(tài);當此信號為高電平或懸空不接時，取消脫機狀態(tài)。
l 步進電機簡介
SH-2H057型驅(qū)動器用于驅(qū)動二相或四相混合式步進電機(亦稱感應子式)，此驅(qū)動器一般驅(qū)動60號機座以下電機。電機的出線方式不同，與驅(qū)動器的連接也不同。本系統(tǒng)使用的電機為二相四根線電機，可以直接和驅(qū)動器相連。見圖1的機械手電機驅(qū)動模塊原理圖。
2 系統(tǒng)工作工程
本系統(tǒng)的機械手部分由底盤、立桿、手臂、手組成，其中底盤由一個步進電機驅(qū)動，可順逆時針旋轉(zhuǎn);立桿由一個步進電機驅(qū)動，可上下移動;手臂由一個步進電機驅(qū)動，可前后伸縮;手由氣泵控制，可抓緊和放松。在相應位置都有位置檢測信號用于定位。參見圖1。
(1) 出貨過程
從復位位置啟動,根據(jù)要求到相應出貨臺(1，2，3號貨臺),此時底盤轉(zhuǎn)動到要求位置，立柱下降,手臂伸出,定位后手抓貨物,立柱上升,同時手臂回收(以免運行中與其它設備相撞),然后到相應出貨臺(左,或右出貨臺),立柱下降,手臂伸出,手打開,把貨物放在相應出貨臺上。
(2) 進貨過程
從復位位置啟動,根據(jù)要求到相應出貨臺(左，或右出貨臺),此時底盤轉(zhuǎn)動到要求位置，立柱下降,手臂伸出,定位后手抓貨物,立柱上升,同時手臂回收(以免運行中與其它設備相撞),然后到相應出貨臺(1，2，3號貨臺),立柱下降,手臂伸出,手打開,把貨物放在相應出貨臺上。
3 系統(tǒng)設計思想
步進控制電路設計思想，PLC繼電器式輸出模塊工作速度較低，故采用高頻脈沖方波發(fā)生器，給出步進脈沖，其振蕩頻率按步進電機速度設置，步進量的控制采用位置檢測，根據(jù)位置檢測信號用PLC的輸出點切斷進給電機，實現(xiàn)步進電機的停車, 其程序流程圖如圖2所示。
在整個機械手運行控制過程中，采用限位開關(guān)以及面板操作開關(guān)以及系統(tǒng)邏輯開關(guān)作為輸入點，整個系統(tǒng)中底盤有5個限位開關(guān)，分別作為5個位置的定位輸入點，立柱有4個限位開關(guān)，分別為1個復位開關(guān)、一號位限位輸入量、上限位、下限位。手臂有3個限位開關(guān):手臂復位限位數(shù)入點、手臂前限位、手臂后限位。抓手限位開關(guān)，為抓手復位輸入點。一共13個限位開關(guān)完成全部的控制輸入。各限位開關(guān)分布情況見圖1，
由于在整個控制過程中全部是通過控制步進電機驅(qū)動模塊再驅(qū)動步進電機執(zhí)行。這里對用集成脈沖輸出觸發(fā)步進電機驅(qū)動器原理進行說明。S7-200 PLC(CPU 226)的Q0.0和Q0.1分別對升/降步進電機、前/后步進電機發(fā)送脈沖;CPU 226的Q0.2對轉(zhuǎn)盤步進電機發(fā)送脈沖。而步進電機的正/反轉(zhuǎn)則分別是CPU 226的Q0.4和Q0.5分別對升/降步進電機、前/后步進電機實行控制;CPU 226 的Q0.6和Q0.7分別對轉(zhuǎn)盤步進電機正反、抓手氣泵開關(guān)實行控制。
機械手PLC程序的設計編寫采用了STEP 7-Micro/WIN32軟件的數(shù)據(jù)表(STL)的形式。程序設計修改方便，設計完成可聯(lián)機調(diào)試，沒有問題再把步進電機接上。
上位機監(jiān)控軟件采用北京亞控的組態(tài)王軟件，通過變量映射實現(xiàn)組態(tài)軟件的變量與PLC的寄存器的動態(tài)連接，從而實現(xiàn)了上位機對PLC的監(jiān)控。
4 結(jié)束語
本機械手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，動作可靠，使用方便，已較好地應用于我校的科研教學中.
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