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與步進驅動裝置的控制方法，本系統涉及的主要硬件是S7-200 PLC和SH-2H057步進驅動器。
(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負責執行程序和存儲數據，以便對工業自動化控制任務或過程進行控制;
l 輸入和輸出是系統的控制點:輸入部分從現場設備中采集信號，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，以及檢查出來的系統錯誤;
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(CPU 221不擴展);
l 一些CPU有內置的實時時鐘，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中的數據存儲時間;
l 最大I/O配置。
(2) SH-2H057驅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.他們在驅動器內部分別通過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，三路輸入信號在驅動器內部接成共陽方式，所以OPTO端需接外部系統的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，保證給驅動器內部光耦提供8-15mA的驅動電流。
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:驅動器每接受一個CP脈沖就驅動步進電機旋轉一個步角度，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，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速和定位的目的。本驅動器的CP信號為低電平有效，要求CP信號的驅動電流為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方向。此端為高電平時，電機為一個轉向;次端為低電平時，電機為另一個轉向。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脈沖結束后以及下一個方向的第一個CP脈沖前發出。
l 脫機電平信號FREE
當驅動器上電后，步進電機處于鎖定狀態(未施加CP脈沖時)或運行狀態(施加CP脈沖)，但用戶想手動調整電機而又不想關閉驅動器電源，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;當此信號為高電平或懸空不接時，取消脫機狀態。
l 步進電機簡介
SH-2H057型驅動器用于驅動二相或四相混合式步進電機(亦稱感應子式)，此驅動器一般驅動60號機座以下電機。電機的出線方式不同，與驅動器的連接也不同。本系統使用的電機為二相四根線電機，可以直接和驅動器相連。見圖1的機械手電機驅動模塊原理圖。
2 系統工作工程
本系統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動，可順逆時針旋轉;立桿由一個步進電機驅動，可上下移動;手臂由一個步進電機驅動，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,根據要求到相應出貨臺(1，2，3號貨臺),此時底盤轉動到要求位置，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,根據要求到相應出貨臺(左，或右出貨臺),此時底盤轉動到要求位置，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，根據位置檢測信號用PLC的輸出點切斷進給電機，實現步進電機的停車, 其程序流程圖如圖2所示。
在整個機械手運行控制過程中，采用限位開關以及面板操作開關以及系統邏輯開關作為輸入點，整個系統中底盤有5個限位開關，分別作為5個位置的定位輸入點，立柱有4個限位開關，分別為1個復位開關、一號位限位輸入量、上限位、下限位。手臂有3個限位開關:手臂復位限位數入點、手臂前限位、手臂后限位。抓手限位開關，為抓手復位輸入點。一共13個限位開關完成全部的控制輸入。各限位開關分布情況見圖1，
由于在整個控制過程中全部是通過控制步進電機驅動模塊再驅動步進電機執行。這里對用集成脈沖輸出觸發步進電機驅動器原理進行說明。S7-200 PLC(CPU 226)的Q0.0和Q0.1分別對升/降步進電機、前/后步進電機發送脈沖;CPU 226的Q0.2對轉盤步進電機發送脈沖。而步進電機的正/反轉則分別是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分別對轉盤步進電機正反、抓手氣泵開關實行控制。
機械手PLC程序的設計編寫采用了STEP 7-Micro/WIN32軟件的數據表(STL)的形式。程序設計修改方便，設計完成可聯機調試，沒有問題再把步進電機接上。
上位機監控軟件采用北京亞控的組態王軟件，通過變量映射實現組態軟件的變量與PLC的寄存器的動態連接，從而實現了上位機對PLC的監控。
4 結束語
本機械手控制系統結構緊湊，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與步進驅動裝置的控制方法，本系統涉及的主要硬件是S7-200 PLC和SH-2H057步進驅動器。
(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負責執行程序和存儲數據，以便對工業自動化控制任務或過程進行控制;
l 輸入和輸出是系統的控制點:輸入部分從現場設備中采集信號，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，以及檢查出來的系統錯誤;
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(CPU 221不擴展);
l 一些CPU有內置的實時時鐘，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中的數據存儲時間;
l 最大I/O配置。
(2) SH-2H057驅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.他們在驅動器內部分別通過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，三路輸入信號在驅動器內部接成共陽方式，所以OPTO端需接外部系統的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，保證給驅動器內部光耦提供8-15mA的驅動電流。
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:驅動器每接受一個CP脈沖就驅動步進電機旋轉一個步角度，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，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速和定位的目的。本驅動器的CP信號為低電平有效，要求CP信號的驅動電流為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方向。此端為高電平時，電機為一個轉向;次端為低電平時，電機為另一個轉向。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脈沖結束后以及下一個方向的第一個CP脈沖前發出。
l 脫機電平信號FREE
當驅動器上電后，步進電機處于鎖定狀態(未施加CP脈沖時)或運行狀態(施加CP脈沖)，但用戶想手動調整電機而又不想關閉驅動器電源，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;當此信號為高電平或懸空不接時，取消脫機狀態。
l 步進電機簡介
SH-2H057型驅動器用于驅動二相或四相混合式步進電機(亦稱感應子式)，此驅動器一般驅動60號機座以下電機。電機的出線方式不同，與驅動器的連接也不同。本系統使用的電機為二相四根線電機，可以直接和驅動器相連。見圖1的機械手電機驅動模塊原理圖。
2 系統工作工程
本系統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動，可順逆時針旋轉;立桿由一個步進電機驅動，可上下移動;手臂由一個步進電機驅動，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,根據要求到相應出貨臺(1，2，3號貨臺),此時底盤轉動到要求位置，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,根據要求到相應出貨臺(左，或右出貨臺),此時底盤轉動到要求位置，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，根據位置檢測信號用PLC的輸出點切斷進給電機，實現步進電機的停車, 其程序流程圖如圖2所示。
在整個機械手運行控制過程中，采用限位開關以及面板操作開關以及系統邏輯開關作為輸入點，整個系統中底盤有5個限位開關，分別作為5個位置的定位輸入點，立柱有4個限位開關，分別為1個復位開關、一號位限位輸入量、上限位、下限位。手臂有3個限位開關:手臂復位限位數入點、手臂前限位、手臂后限位。抓手限位開關，為抓手復位輸入點。一共13個限位開關完成全部的控制輸入。各限位開關分布情況見圖1，
由于在整個控制過程中全部是通過控制步進電機驅動模塊再驅動步進電機執行。這里對用集成脈沖輸出觸發步進電機驅動器原理進行說明。S7-200 PLC(CPU 226)的Q0.0和Q0.1分別對升/降步進電機、前/后步進電機發送脈沖;CPU 226的Q0.2對轉盤步進電機發送脈沖。而步進電機的正/反轉則分別是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分別對轉盤步進電機正反、抓手氣泵開關實行控制。
機械手PLC程序的設計編寫采用了STEP 7-Micro/WIN32軟件的數據表(STL)的形式。程序設計修改方便，設計完成可聯機調試，沒有問題再把步進電機接上。
上位機監控軟件采用北京亞控的組態王軟件，通過變量映射實現組態軟件的變量與PLC的寄存器的動態連接，從而實現了上位機對PLC的監控。
4 結束語
本機械手控制系統結構緊湊，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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