西门子模块6ES7223-1BH22-0XA8产品信息
目前世界高端工业机械手均有高精化、高速化、多轴化、轻量化的发展趋势。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。国内机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，以减轻劳动强度，改善作业条件。随着社会生产不断进步和人们生活节奏的不断加快，机械手在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能得到广泛的运用。可编程序控制器（PLC）是工业控制中应用广泛可靠的控制器。本项目通过对机械手的组装和 PLC系统的编程，实现多轴机械手可靠稳定的搬运工件。通过本项目的研制，研制人员提高了自主动手能力，掌握机电一体化综合设计技能，学习和掌握PLC 语言的编写，且借此可以了解学习国内外机械手的发展水平。
1 总体部分
如图 1 所示，本项目研制的机械手教学实训设备的总体结构由机械部分和电气部分组成。
图 1 PLC 多轴机械手总体结构图
1.1 机械部分
机械手的机械部分总体结构由夹持部分、传动机构和旋转机构所组成。（1）夹持部分使用机械夹手与真空吸盘相结合的结构夹持工件，可根据被夹持工件的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头和真空吸盘，以适应操作。真空吸盘一般用橡胶制造，主要作用是将工件吸合便于搬运，大限度的保护工件的外观，还具有易使用、零污染等优点；（2）传动机构由 XY轴滚珠丝杠副组成，滚珠丝杠副传递力矩，完成工件在 XY轴方向上的往复运动，其利用滚珠运动的原理可以具有较高的重复精度，实现运动的微进给，从而保证更准确的将运送工件至指定地点；（3）旋转机构Z 轴由底座和机械手所组成，旋转机构扩大了机械手的动作范围，提高了机械手在搬运过程中的灵活性。
1.2 电气部分
PLC 控制多轴机械手电气部分主要由变压器，步进电机驱动器，直流电机驱动器，PLC主机模块，控制面板等部分组成。 （1）变压器作用是把 220V 的交流电压转换为电机与 PLC 工作的 24V 直流电压；（2）X 轴Y 轴直线运动由步进电机实现，步进电机能够达到比较高的重复定位精度。步进电机驱动器将输入的电信号（或者脉冲信号）通过模数处理，转变为电机的步进运动与增量位移，控制机械运动；（3）机械手有两个旋转动作，分别是抓手轴的正反旋转和旋转底盘Z 轴的正反旋转，其动作由直流无刷电机带动，可回旋 360°，无刷直流电机的驱动器采用 24V直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护等特点；（4）控制面板开关主要分为自动和手动两种模式。 自动模式下，根据 PLC的编程顺序进行各种动作并循环；手动模式主要是实现点动。 且控制面板上采用复合开关按钮，节约 PLC 输入点位；（5）PLC采用了逐步通电、同步断电的步进式控制设计，受控对象之间形成互锁，动作的是否执行取决于前一步动作是否完成，若前一步未完成，则后一步无法执行。具有编程简单、维修方便、柔性化强等特点，可在现场修改和调试程序，可根据生产要求随时改变。
2 控制要求
图 2 机械手动作示意图
图 2 为本机械手教学实训模型的动作示意图，其工作路径是将工件从 A 点搬运至 B 点。机械手运行时，机械手要返回至设定的原点位置，之后通过 XY轴的滚珠丝杠、底座和腕部的旋转运动至工件所在位置并夹持工件回到原点，将工件准确的运送至指定位置。
3 控制部分设计
基于控制要求，合理地分配 PLC 输入、输出点位。 如表 1 所示为 PLC 的输入输出各点位的分配。
表 1 I/O 分配表
先将机械手进行复位操作。 当机械手未到原位，此时 PLC 输入电平信号跟脉冲信号 CP-1给步进电机横轴驱动器，连接横轴的步进电机反转，横轴往后缩，后缩到位后会碰到后限位开关 SQ3，SQ3启动之后，主机就输入电平信号跟脉冲信号 CP-2 给竖轴驱动器，竖轴步进电机控制竖轴上升，上升到位后会触碰到竖轴反限位开关SQ4，SQ4 启动之后，主机输入旋转脉冲信号 SB-0 给直流电机驱动器 3，4，完成机械手的复位动作即 YU21 和 YU22的动作。 复位操作结束后，主机输入脉冲信号 CP-1 给横轴驱动器，步进电机开始正转，横轴实现进给操作YV2，横轴进给到位时碰到正限位开关 SQ1，进给完成。 机械手收到主机发送电压信号，旋转至已定的角度，完成动作YV20，这时气动电磁阀断电，机械手张开。主机再输入电平信号跟脉冲信号 CP-2给竖轴驱动器使步进电机开始反转，竖轴下降。当竖轴下降至碰到限位开关时 SQ4，下降停止，电磁阀得电机械手夹紧。夹紧后，主机只输入脉冲信号 CP-2 给竖轴步进电机驱动器，步进电机得电正转竖轴上升，碰到限位开关 SQ2后，上升停止，启动横轴步进电机驱动器脉冲 CP-1，步进电机得电开始反转，横轴缩回。 碰到限位开关 SQ3 后，PLC发送旋转脉冲信号 SB0给底盘，底盘正旋转到位。此时主机输入脉冲信号 CP-1 给横轴驱动器，横轴第二次向前伸出，碰到限位开关SQ1 后停止。 停止后主机输入电平和脉冲信号 CP-2 给竖轴驱动器 2 使得竖轴电机 2反转使竖轴下降，下降到位碰到竖轴正限位开关 SQ2停止，此时电磁阀断电，卡爪和真空吸盘放松，释放工件，完成整套的工件运送工作。本机械手实训装置采用的 PLC 具有高速运算能力和 PID调节功能，可以输出两路脉冲控制两台电机的优点。 图 3为控制输出两路脉冲梯形图，可以控制两个方向的电机运动，节省搬运时间。
图 3 输出两路脉冲梯形图
本文介绍了通过OPC技术实现上位机IFIX组态软件和下位机西门子S7-200系列PLC的通信原理及过程。
1 引言
随着工业生产的不断发展,工业控制软件取得了长足的进步。由于生产规模的扩大和过程复杂程度的提高,工业控制软件设计面临着巨大的挑战,那就是要集成数量和种类不断增多的现场信息。传统的方式是通过开发设备专有驱动程序来实现对数据的访问。这就带来诸多问题,如耗费大量重复性的劳动,不同设备供应商的驱动程序之间的不一致,硬件性能不能得到广泛支持,驱动程序不能适应升级后的硬件以及发生存取冲突等。解决上述问题的关键在于一个统一的接口标准。正是基于这种需要产生了OPC标准。
iFIX是基于bbbbbbsNT/2000平台和多种工业标准之上的功能强大的组态软件,有极大的易用性和可扩展性,方便系统集成,广泛应用于工业现场。iFIX集成了COM/DCOM、OPC等先进的现代软件技术。
S7-200系列小型可编程序控制器PLC适用于各行各业中小机器设备的控制,适合各种场合中的检测、监测及控制的自动化,具有极高的性能价格比,用途广泛。PCACCESS是西门子推出的专用于S7-200 PLC的OPCServer(服务器)软件,它向OPC客户端提供数据信息,可以与任何标准的OPC Client(客户端)通讯。
2 OPC技术概述
2.1 OPC定义
OPC(OLE for Process Control)是一套以微软COM, DOOM(DistributedCOM)技术为基础,基于bbbbbbs操作平台,为工业应用程序之间提供高效的信息集成和交互功能的组件对象模型接口标准。OPC实际上是提供了一种规范,通过这种规范,系统能够以服务器/客户端标准方式从服务器获取数据并将其传递给任何客户应用程序。这样,只要生产商开发一套遵循OPC规范的服务器与数据进行通信,其他任何客户应用程序便能通过服务器访问设备。
2.2 OPC基本结构
OPC技术的实现由两部分组成,OPC服务器部分 及OPC客户应用部分。其应用模式如图1所示。OPC服务器是一个典型的现场数据源程序,它收集现场设备数据信息,通过标准的OPC接口传送给OPC客户端应用。OPC客户应用是一个典型的数据接收程序,如人机界面软件(HMI)、数据采集与处理软件(SCADA)等。OPC客户应用通过OPC标准接口与OPC服务器通信,获取OPC服务器的各种信息。符合OPC标准的客户应用可以访问来自任何生产厂商的OPC服务器程序。
图1 OPC技术的应用模式
2.3 OPC对象
OPC数据存取规范规定的基本对象有三类:服务器(server)、组(group)和数据项(item)。服务器对象包含服务器的所有信息,也是组对象的容器,一个服务器对应于一个OPCserver,即一种设备的驱动程序。组对象除了包含它自身信息外,还负责管理数据项。每一个数据项代表到数据源的一个连接,但它没有提供外部接口,客户端程序无法对数据项直接进行操作,应用程序必须依靠数据项的容器组对象来对它进行操作。
3 IFIX与S7-200PLC的通信原理
实现IFIX与PLC的通信的过程即OPC服务器收集现场设备PLC的数据信息,并通过标准的OPC接口传送给OPC客户端IFIX应用。IFIX作为OPC客户应用是一个典型的数据接收程序,OPC客户应用通过OPC标准接口(OPCI/O驱动)与OPC服务器通信,获取OPC服务器的各种信息。
软件需求为S7-200 PC ACCESS V1.0 SP2、组态软件IFIX、OPC I/O驱动、编程软件STEP 7MicroWIN V4.0 SP4(或者软件的更高版本)。IFIX的OPC客户端工具OPCPowerTool需要在IFIX安装完成后另行安装。
具体过程为PC ACCESS作为OPC服务器根据设计要求采集S7-200PLC内的数据信息;IFIX的OPC客户端工具OPCPowerTool根据设计要求采集PC ACCESS内的数据,IFIX数据库PDB读取OPC OPCPowerTool采集上来的数据,IFIX完成了与S7-200PLC的通讯。系统结构见图2。
图2 系统结构
4 IFIX与S7-200PLC的通信实现
具体通讯实现分两步:
图3 PC ACCESS设置
4.1 OPC服务器PC ACCESS和S7-200通信的实现
在PC ACCESS中引入所需要的PLC地址并进行命名。可以通过文件->输入符号导入整个STEP 7 MicroWINV4.0中设计的符号表,也可以通过添加新PLC、添加新项目逐条添加。在单独添加新项目时符号名可以单独定义,但为方便使用尽量与PLC中定义符号
一致。可以设置数据的可读写性。设置地址及相匹配的数据类型。图3。所需要的数据添加完毕后可以通过在客户机中增加项目来检测数据通讯是否正常,若正常测试客户机中数据会根据PLC中程序运行进行自动刷新。
4.2 IFIX与OPC服务器的数据交换实现
4.2.1 OPC PowerTool
启动客户端OPCPowerTool,添加服务器(server)、组(group)和数据项(item)。为方便使用,服务器、组和数据项名称尽量简单。添加服务器时选择S7200.OPCServer类型服务器。添加数据项时,选择BrowseServer按钮,即出现在PC ACCESS中所设计的各符号,选择需要的逐条添加为各数据项,实现IFIX的OPC客户端工具OPCPowerTool对PC ACCESS的数据通讯。如图4。
服务器、组、项目的Enable必须选择,否则不起作用,数据不采集。
图4 IFIX客户端设置
4.2.2 IFIX数据库PDB
通过OPCPowerTool完成数据采集后,IFIX即可应用所采集的数据。在IFIX数据库管理器中设置各数据,选择合适的数据类型,O/I配置使用OPCClientv7.30。I/O地址配置格式为:服务器名(PowerTool命名):组名:项目符号,以图5为例:Ser:Gp:MicroWin.RedGrenlamp.USER1.ew_green
图5 PDB数据库设置
5 结束语
本文介绍了采用OPC方式作为第三方协议实现组态软件与现场设备PLC之间的通信原理及实现方法。不仅IFIX,其它如WINCC、INTOUCH等组态软件,都可以通过OPC技术与PLC实现通讯。工厂中主体设备中使用组态软件较为广泛,S7-200小型PLC作为单体设备灵活而分散,利用OPC技术可以很好的将两者集中融合,便于单体设备的监控,具有较高的实用价值。经试验,基于OPC技术的组态软件与PLC通信正常,运行良好。