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的打磨機器人電氣系統(tǒng)設(shè)計

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)計主要完成方形和圓形玻璃的打磨機器人控制系統(tǒng)設(shè)計，主要包括控制系統(tǒng)的主電路設(shè)計、控制電路設(shè)計、控制系統(tǒng)控制程序設(shè)計、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)計一種基于PLC的玻璃打磨機器人控制系統(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、實時數(shù)據(jù)的采集和動作過程的監(jiān)視、各種參數(shù)的顯示和設(shè)定，由掛接在PLC上的人機界面來實現(xiàn)。軟件方面：根據(jù)設(shè)計的思想進行了實現(xiàn)系統(tǒng)功能的梯形圖的設(shè)計，并利用組態(tài)軟件編程軟件進行編程，它可以方便地在Windows環(huán)境下對PLC進行編程、調(diào)試、監(jiān)控，且編程方便、快捷。

PLC；組態(tài)人機界面；光電編碼器；高速計數(shù)器

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電氣控制技術(shù)在各個領(lǐng)域中的到了越來越廣泛的應(yīng)用。此次控制系統(tǒng)的設(shè)計主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面。硬件方面：系統(tǒng)采用PLC為中心控制器，系統(tǒng)的操作控制、實時數(shù)據(jù)的采集和動作過程的監(jiān)視、各種參數(shù)的顯示和設(shè)定，由掛接在PLC上的人機界面來實現(xiàn)。軟件方面：根據(jù)設(shè)計的思想進行了實現(xiàn)系統(tǒng)功能的梯形圖的設(shè)計，并利用組態(tài)編程軟件進行編程，它可以方便地在Windows環(huán)境下對PLC進行編程、調(diào)試、監(jiān)控，且編程方便、快捷。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)及流程設(shè)計

系統(tǒng)的控制要求是實現(xiàn)方形和圓形玻璃的定尺寸打磨，即要求驅(qū)動流水線橫向運動的電動機M1在達到設(shè)置尺寸后停止運動，光電編碼器與橫向運動電動機M1同軸連接，電動機的水平驅(qū)動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的高速計數(shù)器輸入相連接，利用高速計數(shù)器實時計算光電編碼器輸出脈沖數(shù)，通過計算即可測量出橫向運動的長度。組態(tài)實現(xiàn)長度寬度尺寸的設(shè)置和顯示功能，人機界面將設(shè)置的相關(guān)參數(shù)傳遞給S7-200 CPU的寄存器，執(zhí)行用戶程序計算當(dāng)前橫向移動距離和設(shè)置值的關(guān)系，打磨機構(gòu)根據(jù)限制尺寸實現(xiàn)打磨，待打磨完成后，電動機M3驅(qū)動打磨機構(gòu)實現(xiàn)縱向位移，光電編碼器測量縱向位移的尺寸，當(dāng)設(shè)置尺寸和測量尺寸相等時，垂直電動機M2驅(qū)動打磨機構(gòu)垂直位移，行程開關(guān)限制垂直電動機行程位置，打磨機構(gòu)垂直運動達到設(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)動電機進行流水線橫向運動。實現(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

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。按鈕包括啟動按鈕和急停按鈕，用來實現(xiàn)設(shè)備的啟動和停止。光電編碼器和電機相連，光電編碼器的A相與PLC高速計數(shù)器輸入端相連接，利用高速計數(shù)器實現(xiàn)定長定寬打磨。PLC的輸出部分為接觸器線圈，控制電動機正反轉(zhuǎn)運動。

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，控制電路中輸入部分包括：2個光電編碼器輸入、一個急停按鈕輸入和3個行程開關(guān)輸入。輸出部分包括：控制電動機啟動停止的5個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)界面用來顯示當(dāng)前設(shè)定長度和寬度數(shù)值，包括用戶界面和相關(guān)操作提示以及啟動、停止、參數(shù)設(shè)置按鈕，可以滿足系統(tǒng)啟動、停止，實現(xiàn)長度和寬度等參數(shù)的設(shè)置。按鈕包括急停按鈕，用來實現(xiàn)設(shè)備的緊急停止。光電編碼器和電機同軸相連，光電編碼器的A相與PLC高速計數(shù)器輸入端相連接，利用高速計數(shù)器設(shè)置值和當(dāng)前值比較，相等時產(chǎn)生中斷，表示達到設(shè)定的長度或?qū)挾?，啟動激光束打磨玻璃板材，?qū)動電動機進行定長定寬打磨。PLC的輸出部分為接觸器線圈，控制橫向電動機水平運動實現(xiàn)玻璃板材長度測量，驅(qū)動縱向電動機實現(xiàn)定寬運動，垂直電動機正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)打磨刀具向上和向下運動。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

2.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計

針對本課題控制要求，設(shè)計的PLC控制系統(tǒng)，通過組態(tài)人機界面完成對玻璃長、寬等參數(shù)的設(shè)置，利用S7-200系列PLC對臺車電機、升降電機、進刀電機的運動控制。設(shè)計控制系統(tǒng)主程序的流程圖如圖4所示。

為實現(xiàn)系統(tǒng)控制要求，完成控制任務(wù)，系統(tǒng)需要加入定時安全報警程序，即每一個動作啟動時同時啟動定時器，根據(jù)每個動作完成的時間設(shè)置定時器的定時時間，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，定時時間到而未完成相應(yīng)動作，停止后續(xù)動作，觸發(fā)報警動作。

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

2.2 高速計數(shù)器初始化程序

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

圖4 控制系統(tǒng)主程序流程圖

2.3 中斷程序

控制系統(tǒng)要求對長度、寬度的定尺寸打磨，通過組態(tài)人機界面實現(xiàn)尺寸設(shè)定功能。利用高速計數(shù)器的輸入端計數(shù)光電旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖，以此計算橫向電機和縱向電機的進給尺寸，當(dāng)達到設(shè)定值時高速計數(shù)器產(chǎn)生中斷，驅(qū)動橫向電動機和縱向電動機實現(xiàn)定長定寬打磨，復(fù)位高速計數(shù)器的當(dāng)前值，設(shè)置高速計數(shù)器的控制字節(jié)，啟動高速計數(shù)器。在控制系統(tǒng)中用到兩個高速計數(shù)器，因此需要對兩個高速計數(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

組態(tài)設(shè)備與S7-200系列PLC通過TD/CPU（RS485接口）電纜建立通信，默認TD設(shè)備的通信地址為1，S7-200的地址為2。同時S7-200通過電纜為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)的人機界面。

圖6 組態(tài)界面控制面板

4 結(jié)論

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

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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