陳貴州

(江蘇省宿遷經(jīng)貿(mào)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇宿遷，223600)

基于PLC的打磨機(jī)器人電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳貴州

(江蘇省宿遷經(jīng)貿(mào)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇宿遷，223600)

此次設(shè)計(jì)主要完成方形和圓形玻璃的打磨機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包括控制系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)、組態(tài)界面的編程與組態(tài)以及光電編碼器的選型與應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)一種基于PLC的玻璃打磨機(jī)器人控制系統(tǒng)。硬件方面：系統(tǒng)采用PLC為中心控制器，系統(tǒng)的操作控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和動(dòng)作過(guò)程的監(jiān)視、各種參數(shù)的顯示和設(shè)定，由掛接在PLC上的人機(jī)界面來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件方面：根據(jù)設(shè)計(jì)的思想進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的梯形圖的設(shè)計(jì)，并利用組態(tài)軟件編程軟件進(jìn)行編程，它可以方便地在Windows環(huán)境下對(duì)PLC進(jìn)行編程、調(diào)試、監(jiān)控，且編程方便、快捷。

PLC；組態(tài)人機(jī)界面；光電編碼器；高速計(jì)數(shù)器

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電氣控制技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。此次控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。硬件方面：系統(tǒng)采用PLC為中心控制器，系統(tǒng)的操作控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和動(dòng)作過(guò)程的監(jiān)視、各種參數(shù)的顯示和設(shè)定，由掛接在PLC上的人機(jī)界面來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件方面：根據(jù)設(shè)計(jì)的思想進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的梯形圖的設(shè)計(jì)，并利用組態(tài)編程軟件進(jìn)行編程，它可以方便地在Windows環(huán)境下對(duì)PLC進(jìn)行編程、調(diào)試、監(jiān)控，且編程方便、快捷。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)及流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制要求是實(shí)現(xiàn)方形和圓形玻璃的定尺寸打磨，即要求驅(qū)動(dòng)流水線橫向運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)M1在達(dá)到設(shè)置尺寸后停止運(yùn)動(dòng)，光電編碼器與橫向運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)M1同軸連接，電動(dòng)機(jī)的水平驅(qū)動(dòng)位移與光電編碼器的脈沖數(shù)輸出成比例關(guān)系，光電編碼器的輸出與S7-200 CPU的高速計(jì)數(shù)器輸入相連接，利用高速計(jì)數(shù)器實(shí)時(shí)計(jì)算光電編碼器輸出脈沖數(shù)，通過(guò)計(jì)算即可測(cè)量出橫向運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度。組態(tài)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度寬度尺寸的設(shè)置和顯示功能，人機(jī)界面將設(shè)置的相關(guān)參數(shù)傳遞給S7-200 CPU的寄存器，執(zhí)行用戶程序計(jì)算當(dāng)前橫向移動(dòng)距離和設(shè)置值的關(guān)系，打磨機(jī)構(gòu)根據(jù)限制尺寸實(shí)現(xiàn)打磨，待打磨完成后，電動(dòng)機(jī)M3驅(qū)動(dòng)打磨機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)縱向位移，光電編碼器測(cè)量縱向位移的尺寸，當(dāng)設(shè)置尺寸和測(cè)量尺寸相等時(shí)，垂直電動(dòng)機(jī)M2驅(qū)動(dòng)打磨機(jī)構(gòu)垂直位移，行程開關(guān)限制垂直電動(dòng)機(jī)行程位置，打磨機(jī)構(gòu)垂直運(yùn)動(dòng)達(dá)到設(shè)置行程后，完成一次完整的控制任務(wù)，控制系統(tǒng)再次驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行流水線橫向運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)以上控制任務(wù)，控制系統(tǒng)應(yīng)包括三大部分：主電路、控制部分和顯示部分。因此可以設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流程圖。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

根據(jù)控制要求和選型的器件，繪制系統(tǒng)主電路電路圖2所示。

1.2 系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的控制電路由PLC、光電編碼器、按鈕、接觸器和行程開關(guān)組成。按鈕包括啟動(dòng)按鈕和急停按鈕，用來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的啟動(dòng)和停止。光電編碼器和電機(jī)相連，光電編碼器的A相與PLC高速計(jì)數(shù)器輸入端相連接，利用高速計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)定長(zhǎng)定寬打磨。PLC的輸出部分為接觸器線圈，控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，控制電路中輸入部分包括：2個(gè)光電編碼器輸入、一個(gè)急停按鈕輸入和3個(gè)行程開關(guān)輸入。輸出部分包括：控制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)停止的5個(gè)接觸器和激光束開關(guān)的接觸器。

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，I/O點(diǎn)分配情況如表1所示。

表1 I/O分配表

控制系統(tǒng)的控制電路由PLC、組態(tài)、光電編碼器、按鈕、接觸器和行程開關(guān)組成。組態(tài)界面用來(lái)顯示當(dāng)前設(shè)定長(zhǎng)度和寬度數(shù)值，包括用戶界面和相關(guān)操作提示以及啟動(dòng)、停止、參數(shù)設(shè)置按鈕，可以滿足系統(tǒng)啟動(dòng)、停止，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度和寬度等參數(shù)的設(shè)置。按鈕包括急停按鈕，用來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的緊急停止。光電編碼器和電機(jī)同軸相連，光電編碼器的A相與PLC高速計(jì)數(shù)器輸入端相連接，利用高速計(jì)數(shù)器設(shè)置值和當(dāng)前值比較，相等時(shí)產(chǎn)生中斷，表示達(dá)到設(shè)定的長(zhǎng)度或?qū)挾?，啟?dòng)激光束打磨玻璃板材，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行定長(zhǎng)定寬打磨。PLC的輸出部分為接觸器線圈，控制橫向電動(dòng)機(jī)水平運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)玻璃板材長(zhǎng)度測(cè)量，驅(qū)動(dòng)縱向電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)定寬運(yùn)動(dòng)，垂直電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)打磨刀具向上和向下運(yùn)動(dòng)。PLC的硬件接線圖如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)主電路圖

圖3 PLC接線圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

針對(duì)本課題控制要求，設(shè)計(jì)的PLC控制系統(tǒng)，通過(guò)組態(tài)人機(jī)界面完成對(duì)玻璃長(zhǎng)、寬等參數(shù)的設(shè)置，利用S7-200系列PLC對(duì)臺(tái)車電機(jī)、升降電機(jī)、進(jìn)刀電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)主程序的流程圖如圖4所示。

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制要求，完成控制任務(wù)，系統(tǒng)需要加入定時(shí)安全報(bào)警程序，即每一個(gè)動(dòng)作啟動(dòng)時(shí)同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，根據(jù)每個(gè)動(dòng)作完成的時(shí)間設(shè)置定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，定時(shí)時(shí)間到而未完成相應(yīng)動(dòng)作，停止后續(xù)動(dòng)作，觸發(fā)報(bào)警動(dòng)作。

控制系統(tǒng)主要是為了完成玻璃定長(zhǎng)定寬的打磨，主程序是控制電動(dòng)機(jī)的設(shè)置長(zhǎng)度和設(shè)置寬度的定尺寸打磨運(yùn)動(dòng)，主要完成下降、定寬、橫向進(jìn)給、定長(zhǎng)打磨和上升運(yùn)動(dòng)。在常用的梯形圖設(shè)計(jì)方法中有經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法和順序功能圖設(shè)計(jì)方法，在此次主程序設(shè)計(jì)中采用順序功能圖設(shè)計(jì)方法，全部用寄存器位來(lái)代表步具有概念清楚、編程規(guī)范、梯形圖易于閱讀和查錯(cuò)的優(yōu)點(diǎn)。利用以轉(zhuǎn)換為中心的順序控制梯形圖設(shè)計(jì)方法，按照步及轉(zhuǎn)換條件設(shè)計(jì)出主程序的順序功能圖如圖5所示。

2.2 高速計(jì)數(shù)器初始化程序

高速計(jì)數(shù)器指令有兩條：高速計(jì)數(shù)器定義指令HDEF和高速計(jì)數(shù)器指令HSC。HDEF指令功能是為某個(gè)要使用的高速計(jì)數(shù)器選定一種工作模式。每個(gè)高速計(jì)數(shù)器在使用前，都要用HDEF指令來(lái)定義工作模式，并且只能用一次。它有兩個(gè)輸入端：HSC為要使用的高速計(jì)數(shù)器編號(hào)，數(shù)據(jù)類型為字節(jié)型，數(shù)據(jù)范圍為0~5的常數(shù)，分別對(duì)應(yīng)H~ H;MOCE為高速計(jì)數(shù)的工作模式，數(shù)據(jù)類型為字節(jié)型，數(shù)據(jù)范圍為0~11的常數(shù)，分別對(duì)應(yīng)12種工作模式。當(dāng)準(zhǔn)許輸入使能EN有效時(shí)，為指定的高速計(jì)數(shù)器HSC定義工作模式MODE。 由于高速計(jì)數(shù)器的HDEF指令在進(jìn)入RUN模式只能執(zhí)行1次，為了減少程序運(yùn)行時(shí)間優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，一般以子程序的形式進(jìn)行初始化。

圖4 控制系統(tǒng)主程序流程圖

2.3 中斷程序

控制系統(tǒng)要求對(duì)長(zhǎng)度、寬度的定尺寸打磨，通過(guò)組態(tài)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)尺寸設(shè)定功能。利用高速計(jì)數(shù)器的輸入端計(jì)數(shù)光電旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖，以此計(jì)算橫向電機(jī)和縱向電機(jī)的進(jìn)給尺寸，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)高速計(jì)數(shù)器產(chǎn)生中斷，驅(qū)動(dòng)橫向電動(dòng)機(jī)和縱向電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)定長(zhǎng)定寬打磨，復(fù)位高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值，設(shè)置高速計(jì)數(shù)器的控制字節(jié)，啟動(dòng)高速計(jì)數(shù)器。在控制系統(tǒng)中用到兩個(gè)高速計(jì)數(shù)器，因此需要對(duì)兩個(gè)高速計(jì)數(shù)器分別編寫中斷程序，HSC3中斷程序INT-0，HSC5中斷程序INT-1。

圖5 控制系統(tǒng)主程序順序功能圖

3 組態(tài)界面設(shè)計(jì)

組態(tài)設(shè)備與S7-200系列PLC通過(guò)TD/CPU（RS485接口）電纜建立通信，默認(rèn)TD設(shè)備的通信地址為1，S7-200的地址為2。同時(shí)S7-200通過(guò)電纜為TD設(shè)備提供直流24V電源。組態(tài)、組態(tài)C和TD400C還可以由獨(dú)立的24V直流電源供電。根據(jù)控制要求，本著在滿足控制功能的前提下降低成本的原則，選擇S7-200 組態(tài)作為控制系統(tǒng)的人機(jī)界面。

圖6 組態(tài)界面控制面板

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)性地認(rèn)識(shí)和全面地掌握了PLC編程和調(diào)試技術(shù)，對(duì)梯形圖、指令表、外部接線圖及PLC設(shè)計(jì)原理有了更深的了解。通過(guò)對(duì)西門子PLC和高速計(jì)數(shù)器的編程，更加熟練的使用STEP 7 Micro/WIN編程軟件，同時(shí)提高了利用順序功能圖和功能塊圖編程的能力，實(shí)現(xiàn)了完整的基于PLC的打磨機(jī)器人電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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[2]徐鐵.電氣控制與PLC實(shí)訓(xùn)[M].北京：中國(guó)電力出版社,2011.12.

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Design of electric system for grinding robot based on PLC

Chen Guizhou
（Suqian Economic Vocational And Technical College,Suqian Jiangsu,223600）

The design of robot control system design mainly completes the grinding of square and circular glass, including the main circuit design, control circuit design, control programming and configuration control system program design, configuration interface and photoelectric encoder selection and application of control system. The design of a glass grinding robot control system based on PLC. The hardware system uses PLC as the central controller, system operation control, various parameters of the real-time data acquisition and process monitoring, display and setting, by hanging on the PLC human-machine interface to achieve. Software: according to the design ideas for the design of ladder diagram to realize the function of the system, and programmed by software configuration software, it can be easily in the Windows environment for PLC programming, debugging, monitoring and programming, convenient and quick.

PLC; configuration man-machine interface; photoelectric encoder; high-speed counter