基于plc及mcgs组态的机械手模型控制系统的设计

基于plc及mcgs组态的机械手模型控制系统的设计内容摘要：

................................................. 45 附录 5 PLC 外部电气接线图 ………………………………………………………… ...48 2 第一章 绪 论 课题研究目的及意义 机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。 近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。 机械手广泛地 应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。 特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。 总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。 国内外都十分重视它的应用和发展。 可编程序控制器 (PLC)是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。 随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展， PLC 在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步，已经 成为工厂自动化的标准配置之一 [1]。 由于自动化可以节省大量的人力、物力等，而 PLC 也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性，如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学，因此工业领域中广泛应用 PLC。 机械手在美国、加拿大等国家应用较多，如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。 我国自动化水平本身比较低，因此用 PLC 来控制的机械手还比较少。 本次课题设计的机械手就是通过 PLC 来实现自动化控制的。 通过此次设计可以更进一步学习 PLC 的相关知识，了解世界先进水平，尽可能多的应用于实践。 MCGS 是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于 Microsoft 的各种 32 位 Windows 平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域中有着广泛的应用 [2]。 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。 国内外机械手研究概况 机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过 40 多年的发展，现在已经成 3 为制造业生产自动化中重要的机电设备。 目前 ，正式投入使用的绝大部分机械手属于第一代机械手，即程序控制机械手。 这代机械手基本上采用点位控制系统，没有感觉外界环境信息的感觉器官，主要用于焊接、喷漆和上下料。 第二代机械手具有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正。 这代机械手通常采用接触传感器一类的简单传感装置和相应的适应性算法。 现在，第三代机械手正在第一、第二代机械手的基础上蓬勃发展起来，它是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为做出自主决策能力的智能化机械手。 它能识别景物，具有触觉、视觉、力觉 、听觉、味觉等多种感觉，能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作，具有专家知识、语音功能和自学能力等人工智能 [3]。 目前机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。 机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队 [4][5]。 国外方面：近几年国外 工业机械手领域有如下几个发展趋势。 机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。 国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。 从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础 [6]。 课题研究的内容 本课题主要研究的是基于 PLC 的机械手模型控制系统的设计，包括硬件的设计和软件的设计。 通过设计编制 PLC 程序实现机械手模型控制系统的自动控 4 制。 利用组态软件 MCGS 设计出人机界面，进行设备和数据对象的连接，实现动画连接，实现机械手的监控。 通过 MCGS 将机械手的动作过程进行动画演示，使机械手的动作形象化。 提供较为直 观、清晰、准确的机械手运行状态，为维修和故障诊断提供多方面的可能性，充分提高系统的工作效率。 第二章 机械手控制方式的选择和可编程序控制器简介 机械手控制方式的选择 控制方式的分类 传统的工业设备自动控制主要由继电器或分立的电子线路来实现，这种控制方式投资相对少一些，目前仅在一些旧式的、简单的工业设备中还有一定市场，但该控制方式却有以下致命缺陷：（ 1）仅适合于简单的逻辑控制；（ 2）仅适合特殊的工程项目，而没有通用性；（ 3）没有改动和优化的可能性。 伴随着工业自动化技术的迅速发展，我国工 业领域的自动化已经基本实现了从继电器控制到计算机控制的转变，计算机控制方式具有以下两个特点：（ 1）硬件上至少有一个微处理器；（ 2）通过软件实现控制思想。 目前，工业自动化领域比较典型的控制方式有：（ 1）可编程序逻辑控制器（ PLC）；（ 2）工业控制计算机（ IPC）；（ 3）集散控制系统（ DCS）。 PLC 与工业控制计算机（ IPC）和集散控制系统（ DCS）的比较 各自技术发展的起源 计算机是为了满足快速大量数据处理要求的设备。 硬件结构方面，总线标准化程度高， 兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂和计算工作量大的工业对象的控制占有优势。 集散系统从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统，所以其在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要用在连续过程控制，侧重回路调节功能。 PLC 是由继电器逻辑系统发展而来，主要应用在工序控制上，初期主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。 近年来随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的 5 发展， PLC 在技术和功能上发生了飞跃。 在初期 逻辑运算的基础上，增加了数值运算、闭环调节等功能，增加了模拟量和 PID 调节等功能模块；运算速度提高，CPU 的能力赶上了工业控制计算机；通信能力的提高发展了多种局部总线和网络 (LAN)，因而也可构成为一个集散系统。 特别是个人计算机也被吸收到 PLC 系统中。 PLC 在过程控制的发展将是一智能变送器和现场总线，暨向下拓展功能，开放总线。 相同点 在微电子技术发展的背景下，从硬件的角度来看， PLC、工业计算机、集散系统 (DCS)之间的差别正在缩小，都将由类似的一些微电子元件、微处理器、大容量半导体存储器和 I/O 模件 组成。 编程方面也有很多相同点。 不同点 由于 PLC 和计算机属于两类产品，经过几十年的发展都形成了自身的装置特点和软件工具，实际上它们的区别仍然存在。 PLC 用编程器或计算机编程，编程语言是梯形图、功能块图、顺序功能表图和指令表等。 集散系统自身或用计算机结构形成组态构成开发系统环境。 特别需要提出的是， PLC 与 STD 总线工控机的区别，无论从维修、安装和模件功能都很相似。 PLC 更适用于黑模式下运行，但在线运行时若要进行较大的程序修改，其能力略逊于 STD 工控机，但是从开关量控制而言， PLC 的性能优于 STD 工控 机。 总的来说，在选择控制器时，首先要从工程要求、现场环境和经济性等方面考虑。 没有哪种控制器是绝对完善的，也没有哪种产品绝对差，只能说根据不同的环境选择更适用的产品 [7]。 机械手控制方式的选定 PLC 实现的自动控制系统，其控制功能基本都是通过设计软件来实现的，这种软件是利用 PLC 厂商提供的指令系统，根据机械设备的工艺流程来设计。 PLC 自问世以来，经过 20 多年的发展，在美国、欧洲、日本等工业发达国家已成为重要产业，当前， PLC 在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用 PLC 设计自动控制系。