西门子模块6GK7243-1EX01-0XE0技术支持
PLC及其网络发展到现在，已经能够实现NBS或ISO模型要求的大部分功能，至少可以实现4级以下NBS模型或ISO模型功能。 PLC要提供金字塔功能或者说要实现NBS或ISO模型要求的功能，采用单层子网显然是不行的。因为不同层所实现的功能不同，所承担的任务的性质不同，导致它们对通信的要求也就不一样。在上层所传送的主要是些生产管理信息，通信报文长，每次传输的信息量大，要求通信的范围也比较广，但对通信实时性的要求却不高。而在底层传送的主要是些过程数据及控制命令，报文不长，每次通信量不大，通信距离也比较近，但对实时性及可靠性的要求却比较高。中间层对通信的要求正好居于两者之间。 由于各层对通信的要求相差甚远，如果采用单级子网，只配置一种通信协议，势必顾此失彼，无法满足所有各层对通信的要求。只有采用多级通信子网，构成复合型拓扑结构，在不同级别的子网中配置不同的通信协议，才能满足各层对通信的不同要求。 PLC网络的分级与生产金字塔的分层不是—一对应的关系，相邻几层的功能，若对通信要求相近，则可合并，由一级子网去实现。采用多级复合结构不仅使通信具有适应性，具有良好的可扩展性，用户可以根据投资情况及生产的发展，从单台PLC到网络、从底层向高层逐步扩展。下面列举几个有代表性公司的PLC网络结构。 三菱公司的PLC网络 三菱公司PLC网络继承了传统使用的MELSEC网络，并使其在性能、功能、使用简便等方面更胜一筹。Q系列PLC提供层次清晰的三层网络，针对各种用途提供合适的网络产品，如图7-24所示。
图7-24 三菱公司的PLC网络 （1）信息层/Ethernet（以太网） 信息层为网络系统中高层，主要是在PLC、设备控制器以及生产管理用PC之间传输生产管理信息、质量管理信息及设备的运转情况等数据，信息层使用普遍的Ethernet。它不仅能够连接bbbbbbs系统的PC、UNIX系统的工作站等，还能连接各种FA设备。Q系列PLC系列的Ethernet模块具有了日益普及的因特网电子邮件收发功能，使用户无论在世界的任何地方都可以方便地收发生产信息邮件，构筑远程监视管理系统。利用因特网的FTP服务器功能及MELSEC专用协议可以很容易的实现程序的上传/下载和信息的传输。 （2）控制层/MELSECNET/10（H） 是整个网络系统的中间层，在是PLC、CNC等控制设备之间方便且高速地进行处理数据互传的控制网络。作为MELSEC控制网络的MELSECNET/10，以它良好的实时性、简单的网络设定、无程序的网络数据共享概念，以及冗余回路等特点获得了很高的市场评价，被采用的设备台数在日本达到高，在世界上也是屈指可数的。而MELSECNET/H不仅继承了MELSECNET/10的特点，还使网络的实时性更好，数据容量更大，适应市场的需要。但目前MELSECNET/H只有Q系列 PLC才可使用。 （3）设备层/现场总线CC-bbbb 设备层是把PLC等控制设备和传感器以及驱动设备连接起来的现场网络，为整个网络系统低层的网络。采用CC-bbbb现场总线连接，布线数量大大减少，提高了系统可维护性。不只是ON/OFF等开关量的数据，还可连接ID系统、条形码阅读器、变频器、人机界面等智能化设备，从完成各种数据的通信，到终端生产信息的管理均可实现，加上对机器动作状态的集中管理，使维修保养的工作效率也大有提高。在Q系列PLC中使用，CC-bbbb的功能更好，使用更简便。 在三菱的PLC网络中进行通信时，不会感觉到有网络种类的差别和间断，可进行跨网络间的数据通信和程序的远程监控、修改、调试等工作，而无需考虑网络的层次和类型。 MELSECNET/H和CC-bbbb使用循环通信的方式，周期性自动地收发信息，不需要专门的数据通信程序，只需简单的参数设定即可。MELSECNET/H和CC-bbbb是使用广播方式进行循环通信发送和接收的，这样就可做到网络上的数据共享。 对于Q系列PLC使用的Ethernet、MELSECNET/H、CC-bbbb网络，可以在GXDeveloper软件画面上设定网络参数以及各种功能，简单方便。 Q系列PLC除了拥有上面所提到的网络之外，还可支持 PROFIBUS、Modbus、DeviceNet、ASi等其它厂商的网络，还可进行 RS-232/RS-422/RS－485等串行通信，通过数据专线、电话线进行数据传送等多种通信方式。 |
S7-300的数据类型分以下三种：基本数据类型、复合数据类型和参数类型。
一、基本数据类型
1、位（bit)
常称为BOOL（布尔型），只有两个值：0或1。如：I0.0，Q0.1，M0.0，V0.1等。
2、字节（Byte）
一个字节（Byte）等于8位（Bit），其中0位为低位，7位为高位。如：IB0（包括I0.0～I0.7位），QB0（包括Q0.0～Q0.7位），MB0，VB0等。范围：00～FF（十进制的0～255）。
3、字（Word)
相邻的两字节（Byte）组成一个字（Word），来表示一个无符号数，字为16位。如：IW0是由IB0和IB1组成的，其中I是区域标识符，W表示字，0是字的起始字节。需要注意的是，字的起始字节（如上例中的“0”）都必须是偶数。字的范围为十六进制的0000～FFFF（即十进制的0～65536）。在编程时要注意，如果已经用了IW0，如再用IB0或IB1要特别加以小心。
4、双字（Double Word）
相邻的两个字（Word）组成一个双字，来表示一个无符号数。双字为32位。如：MD100是由MW100和MW102组成的，其中M是区域标识符，D表示双字，100是双字的起始字节。需要注意的是，双字的起始字节（如上例中的“100”）和字一样，必须是偶数。双字的范围为十六进制的0000～FFFFFFFF（即十进制的0～4294967295）。在编程时要注意，如果已经用了MD100，如再用MW100或MW102要特别加以小心。
以上的字节、字和双字数据类型均为无符号数，即只有正数，没有负数。
5、16位整数（INT，Integer）
整数为有符号数，高位为符号位，1表示负数，0表示正数。范围为－32768～32767。
6、32位整数（DINT，Double Integer）
32位整数和16位整数一样，为有符号数，高位为符号位，1表示负数，0表示正数。范围为－2147483648～2147483647。
7、浮点数（R，Real）
浮点数为32位，可以用来表示小数。浮点数可以为：1.m×2e，其存储结构如图所示：
8、常数的表示方法
常数可以是字节、字或双字，CPU以二进制方式存储，也可以用十进制，十六进制ASCII码或浮点数形式来表示。如下图所示：
说明：
（1）S5T＃格式为：S5T＃aD_bH_cM_dS_eMS,其中a，b，c，d，e分别是日，小时，分，秒和毫秒的数值，输入时可以省掉下划线，如表中所示。
（2）D＃取值范围为：D＃1990_1_1～D＃2168_12_31。
二、复合数据类型
用户通过复合基本数据类型而生成就是复合数据类型。
复合数据类型包括以下几种：
1、数组（ARRAY）
将一组同一类型的数据组合在一起组成一个单位就是数组。
2、结构（STRUCT）
将一组同不同类型的数据组合在一起组成一个单位就是结构。
3、字符串（bbbbbb）
字符串是由多254个字符组成的一维数组。
4、日期和时间（DATE-AND-TIME）
用于存储年、月、日、时、分、秒、毫秒和星期的数据。占用8个字节，BCD编码。星期天代码为1，星期一～星期六代码分别是2～7。
如：DT＃2004_07_15_12:30:15.200为2004年7月15日12时30分15.2秒。
5、用户定义的数据类型（UDT，User-Defined Data Types）
由用户将基本数据类型和复合数据类型组合在一起形成的数据类型。
可以在数据块DB和变量声明表中定义复合数据类型。
三、参数类型
是为在逻辑块之间传递参数的形参（bbbbal bbbbbeter，形式参数）定义的数据类型。
位置位、复位操作方法上，有好几种方法，可以直接采用置位、复位指令，也可以采用数据传送指令、表格填充指令，甚至可以采用移位循环指令。这几种方法在具体运用时，也要根据情况而定。下面用一个范例来讲解他们的不同之处。要求对Q0.0～0.7、Q1.0～1.7十六位输出进行置位、复位。
图几种置位、复位的方法在以上几种方法中，除移位循环指令外，其他指令比较好理解。移位循环指令的方法，置位是对16#FFFF十六位常数左循环16位，送入输出字QW0（由Q0.0～0.7、Q1.0～1.7组成），无论16#FFFF如何循环，还是16#FFFF，16位输出。复位采用对QW0一次扫描周期一次执行16位左移位指令，将QW0中的数据全部移出（如果是带符号位的字，连符号位也移出），输出复位。在上面的方法中，直接采用置位、复位的方法不仅可以对字节、字、双字中的位进行置位、复位操作，也可以对不成字节、字、双字的位进行操作。而数据传送指令、移位循环指令、填充指令只能对字节、字、双字中的位进行置位、复位操作，其中填充指令还只能对字操作。比如单单对Q0.0～0.6七个位输出进行置位、复位，采用数据传送指令、移位循环指令、填充指令是很难实现的，此时只有采用直接置位、复位指令的方法。
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。
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
4 结语
本项目研制的机械手系统稳定、使用方便、成本低，具有可编程、二次设计等开放式功能特点，对提高学生的创新能力和综合实践能力有显著效果。