西门子6ES7216-2BD23-0XB8产品规格
0引言
搬运机械手以其具有一定的柔性、动作灵活等特点，用于零部件或成品在固定位置之间的移动，替代人工作业，加快生产节拍，极大地提高了制造企业的生产效率和产品质量。在自动化生产线上下料作业中，特别是在有毒的、易燃易爆等恶劣环境内，得到广泛应用?。随着机器人技术的不断发展，简单、可靠、易于操作已成为机器人研制的准则。由于气动器件具有结构简单，造价较低，易于控制，维护方便的特点，而交流伺服电机具有运动参量易于控制等优点，从机械手工作的稳定性，可靠性，易操作性以及各种控制元器件连接的灵活性和方便性角度出发，本文设计了由可编程序控制器和触摸屏联合控制，由交流伺服电机和气缸为动力源的U型板搬运机械手。
1U型板搬运机械手的结构与功能
U型板搬运机械手是整个冰箱生产线上自动化设备的一部分，其主要任务是将U型壳从折弯生产线搬运到另一条加工生产线上，转换U型壳姿态由竖直变为水平，整个工作循环小于15s。搬运机械手机械机构设计方案如图1所示，此图是利用PROE三维设计软件对整个机械手构建的模型图。该机械手主要由水平移动部分，竖直移动部分，开合横梁，大臂，小臂组成，水平方向上由交流伺服电机经行星齿轮，再通过齿轮齿条减速带动整个机械手在横梁上做水平直线运动;竖直方向上由交流伺服电机经滚珠丝杠减速带动关节做垂直直线运动;在末端由翻转气缸带动小臂绕轴线做旋转运动，夹爪由四个气缸驱动实现手爪的开合动作，真空吸盘利用真空吸附原理增加对U型板的夹持力，竖直方向的平衡气缸可以通过输出力平衡掉整个机械手的重力，还可以增加竖直方向的刚度。
2U型板搬运机械手的气动原理
该机械手的翻转，夹持与吸附是通过相应的电控制的，而电磁阀的控制信号则由PLC发出。由于U型板的宽度是多样的故开合气缸选择带有刻度和端锁的气缸，该气缸可以根据传感器在表面刻度尺上的位置，来确定起动和停止的位置。两开合气缸由两个三位五通的电磁阀来控制，两个内支撑气缸由两个两位五通阀控制。当2DT和4DT，7DT和8DT通电且5DT和6DT断电时，开合气缸带动大臂，小臂由外向里移动，内支撑气缸带动挡板由里向外移动完成夹持U型板的动作，移动完成后2DT和4DT，7DT和8DT断电后，开合气缸处于保压状态并且两气缸被端锁固定，此时手爪夹持动作结束;当1DT和3DT，7DT和8DT通电且5DT和6DT也通电时，手爪开始移动，移动结束后1DT和3DT，7DT和8DT断电，此时手爪松开动作结束。由于两手臂夹持同一个U型板，故两翻转气缸由一个两位五通阀控制，当9DT通电时两翻转气缸带动两小臂上旋，断电后小臂下旋。当11DT和13DT通电时，4个真空吸盘开始抽真空，配合手爪夹持动作，增加夹持力保证手爪带动U型板运动时的安全性;当1lDT和13DT断电且10DT和12DT通电时，真空吸盘排真空，配合手爪松开动作，将U型板放置到生产线上。平衡气缸由精密减压阀控制，使气缸下腔保持在设定压力值上抵消机械手的重力，保证竖直交流伺服电机上下运动时输出力矩相等。系统气动回路如图2所示。由于该机械手采用气压传动，在设计时考虑了系统调压、调速、缓冲以及安全问题。尤其在旋转限位上除了加入了挡铁还加入液压阻尼器，用于吸收小臂旋转的能量，减少整个系统的振动。
3U型板搬运机械手的PLC控制方案
3.1 PLC选择与I/O分配
本设计中采用CPlH.X40DT-D系列的PLC[21，此PLC为欧姆龙基本型，共有24个输入和16个输出。由于输出点数较多故外加具有16个输出端口的继电器输出式输出扩展模块。伺服电机由脉冲输出端口输出的PWM信号控制，有CW/CCW和脉冲+方向两种控制方式，本设计中采用CW/CCQ控制方式，I/O分配如图3所示。
3.2系统初始化
由于机械手操作结束时，两个伺服电机和各个气缸的位置均是随意的，在开机后，进入自动循环之前需要对各伺服电机和气缸进行初始化。具体操作如下：x轴电机归零，z轴电机归零，各气缸初始化。机械手的机械零位在工作空间的右上角处，两坐标轴归零均采用三次归零，采用一个零位信号。次归零为正向高速归零，第二次归零为反向低速归零，第三次为正向低速归零。此时的零位是机械零位即硬零，为了后期示教方便机械归零后利用INI命令将工作空间内的右下点规定为软零。开合气缸和内支撑气缸处于使手爪处于松开状态，旋转气缸缩回使大臂小臂在同一直线。
3.3 PLC程序设计流程
系统软零设定后，交流伺服电机可以通过码盘读数显示出两电机相对于软零的位置，机械手在运行过程中由于受实际工况要求和避障要求的限制需要沿折线行走，如图4所示。机械手归零后处于M点，通过PLC指令设定软零0点，自动程序开始运行后机械手沿短路径运行到起始点B，当前线工序结束后机械手接受指令进入循环。运行轨迹中的各节点坐标是通过对不同型号的U型板进行示教获得，而节点处是通过比较两伺服电机中的脉冲值与示教坐标值来实现动作转换的，机械手自动循环示意图如图5所示。
4U型板搬运机械手的触摸屏控制方案
为实现良好的人机交互性能，本设计中采用DOP.A系列触摸屏与欧姆龙PLC联合控制。该触摸屏拥有便利的运算与通讯巨集指令，良好的配方功能还具有线上模拟和离线模拟等功能。
4.1触摸屏的整体设计方案
根据设计和人机交互的要求，本机械手的触摸屏框图如图6所示。
4.2示教点参数设置
由于U型板的型号不等故在前生产线的夹持点C，后生产线的放置点H以及途中各避障点的坐标均要发生变化。宽度方向的调整根据标尺手动调节开合气缸上传感器的位置，而其他两个方向则要通过参数调整界面来调整。触摸屏调整界面如图7和8所示，通过调整界面1设置自动模式中运行轨迹的各段加减速、匀速值以及关键点坐标值。在调整界面2中，点击。运行至C点”按钮，机械手运行到前线点C，点击“参数设置开始”按钮，根据实际工况按“上下左右”按钮通过伺服电机jingque调节夹持点C的位置，左侧可以显示电机坐标值也可改变电机运行速度，调整完毕后点击“保存参数设置”按钮，后线放置点H的调节同前线点的设置。
5试验与调试
将PLC程序和触摸屏编辑界面通过PC机植入到可编程控制器中，通过示教界面将各U型板型号对应的节点数据找出并存储至J|PLC存储器中。由于整个循环时间有小于15s的时间限制，故需对各段运行速度和加速度进行设定，经试验可知速度脉冲为60000(0.754)，加速度为120(0.377)时循环周期为14s，并且整个系统振动较小，符合设计要求。
6结束语
本项目采用了PLC和触摸屏控制机械手实现所需各种型号的U型板的搬运过程，充分考虑了操作者的安全与方便，可使机械手稳定可靠的运行。由于PLC和触摸屏的强大的控制和操作功能，使得功能的扩展变得十分方便，为后续生产线的改造提供了方便。
随着大型PLC、DCS在工厂中的广泛应用，极大地提高了企业的现代化水平。但由于电气设备不断增多，传统的硬接线方式使得控制室的电缆大量增加，电气设备的干扰问题也较难解决，这给DCS（PLC）、电气设备的维护带来了很多问题。而随着现场总线技术的不断发展和完善，使得以上难题迎刃而解。PROFIBUS就是一种应用较为广泛的现场总线技术，它是国际化的开放式现场总线标准，是一种具有广泛应用范围的、开放的数字通信系统。
本文主要讨论了霍尼韦尔公司PKS系统通过PROFIBUS现场总线实现与ABB变频器、智能马达中心（M102-P）通讯、控制的方案。
1 ExperionPKS系统规划
ExperionPKS是霍尼韦尔推出的新的DCS控制系统，它采用基于bbbbbbs2000的服务器,利用高速动态缓存区采集实时数据，融合了新控制技术、现场总线、控制应用等。在现场总线方面支持FF、PROFIBUS、DeviceNET等多种流行的总线方式，具有较强的开放性，与第三方系统、仪表及设备的连接通讯较为方便。
在本套PKS系统中主要由三层网络组成：FTE冗错以太网、ControlNet（CNET）网络、PROFIBUS网络，如图1所示。FTE是Honeywell专利技术，使得商用的100Mbps以太网实现容错允许所有的单点故障，以及一些多点故障；切换速度可快达1秒，并可提供比普通以太网更多的通讯路径。ControlNet是一种令牌总线网络，也采用冗余，通讯速度保持在5Mbits/s（与距离无关）。
编制控制程序的软件为ControlBuilder，其组态全部采用图形化的工具，系统的控制程序是以CM（控制模块）为基本单位，可以单独从控制器中上装、下装，实现在线修改而不影响设备的正常运转。在CM中可以加入各种功能块（包括现场总线功能块），各功能块之间可以完成通讯、联锁功能。
Experion PKS至 PROFIBUS DP 的接口通过专用硬件接口卡提供了PROFIBUS网络至控制器之间的通信路径。PROFIBUS接口模块（PBIM） 是机架安装的模件，它允许在控制器和 PROFIBUS设备之间的直接连接。PBIM 是 PROFIBUS网络中的主设备，其它设备为从设备。PBIM 允许控制器直接访问 PROFIBUS DP网络中的设备。接口模件支持的设备包括电机驱动器（包括变频器）和编码器，以及可编程逻辑控制器。
在这套系统，一共采用了三个独立的PROFIBUS网段，其中两段通过M102控制普通电机，一段与变频器进行通讯控制。
图1 PKS系统网络图
2 PROFIBUSDP网络组态
为实现DCS与ABB变频器及M102的通讯及控制，步是在DCS中完成PROFIBUS的网络组态工作。主要从以下四个方面着手设计组态。
（1）网络设计：主要从通讯速率、从站数量、冗余安全几个方面考虑。由于变频器与M102的通讯速率不同，并且为了防止变频器的干扰，我们将变频器与M102放置在不同的网段；将工艺流程中互为备用的设备放置在不同的网段。
（2）硬件连接：将各变频器或M102根据设计连接到相应的PKS系统中的PROFIBUS接口模块上（主站模块）。主站模块通过FLASH－ROM存储网络组态，并且支持断电恢复后自动重新配置从站设备。
（3）安装GSD文件：每种PROFIBUS通讯设备都有厂商提供的GSD文件，组态前需要先安装相应的GSD文件。变频器及M102的GSD文件分别是ABB_0812.GSD、INTC08DD.gsd。
（4） 组态：将DCS中的主站及从站分别加入到网络中。设置主站、从站的网络地址，为各从站选择正确的模块，配置主要参数。
2.1 M102的组态设置
根据工艺流程需要将互为备用的电气设备连接到不同的两段PROFIBUS网络中（通过两块PBIM组成两个独立网络），通过SSTPROFIBUS组态工具完成。将M102的GSD文件加入后，在相应的从站库中可以看到M102_Motor_Control。
图2M102网络组态图
图2为智能马达中心M102的网络组态图，图中的SST_PFB_CLX_MASTER是PKS系统所带的PROFIBUS通讯卡，它作为网络的主站，站号为000。而M102作为从站，站号从001开始。M102支持多种数据结构，通过比较，我们选择了8字节输入/2字节输出的方式，这样既保证能读取较多的数据，又不影响网络速度。
在M102一端通过专用的软件设置相应的站号（必须与PKS中的相同），对电机的相应参数进行设置，对相应输入、输出字节进行规定（如指定运行、故障等信号对应的位）。而对于通讯速率则由主站来定，在M102断电重启后，可以自动获取。
2.2 变频器的组态
我们将变频器设备与单独的一块PBIM相连组成单独的网络，其通讯速率可达到1.5Mbps，保证了变频器控制的可靠、迅速。将变频器的GSD文件加入后，在相应的从站库中可以看到ABB_DRVICES_RPBA。
图3为变频器PROFIBUS_DP网络组态图，与M102类似这里的主站站号为0，变频器站号从001开始。网络组态中需要注意的是Modules及Ext.Prms。变频器共支持PPO1－PPO5五种PPOModule，在这里我们选择PPO4方式，这种方式能读取较多的模拟量数据，但不读取变频器相关的参数。在参数设置中，需要注意图中的Operationmode采用图中所用的Vendor Specific协议，而不能用其默认的Profidrive协议。
在变频器一端，需要加入RPBA模块（ABB专用的PROFIBUS通讯模块），其地址由硬跳线完成（必须与PKS中的相同），在变频器中对相应的通讯参数进行设置。与M102不同的是变频器需要进行初始化（以便完成变频控制功能），必须在DCS中完成，保证变频器断电重启后的通讯正常。
图3 变频器网络组态图
3 PKS系统中的组态过程
在PKS系统中通过CONTROL BUILD完成组态过程。对于PROFIBUS现场总线通讯、联锁控制一共分为四个步骤：
（1） 建立主通讯站，加入功能块PBIM BLOCK（参见图4的PBIM_SST）。即加入“物理”的通讯模块。
（2）加入虚拟的从站设备块（参见图4中的PBI_DEVICE、PROFIDRIVEDEV），与主通讯站构成一条PROFIBUS通讯网络。即加入“虚拟”的通讯模块。
（3） 加入输入输出功能块（参见图4中的PBI_INCHAN、PBI_OUTCHAN），对应从站的输入输出地址。
（4） 将PBI_INCHAN、PBI_OUTCHAN加入到相应的控制模块（CM）中，完成相应的联锁、控制等功能。
图4PKS组态流程图
具体实施步骤
3.1加入“物理”模块
即在CONTROLBUILD的工程项目中加入PBIM硬件设备（PBIM_SST）。与其它硬件相同，必须设定每块PBIM的名称、所在的CNET网络位置、所在的机架位置等。由于PBIM实际上是PROFIBUS的主站，这里必须配置它所在网络的各从站的地址、名称；配置各从站的虚拟模块、输入输出偏移等，如图5所示。
图5PBIM参数设置
3.2 加入“虚拟”模块
即在工程项目中加入各从站的输入、输出I/O模块。根据实际情况对每一块M102采用PBI_DEVICE功能块，建立AI、DI、DO三种类型的模块，如S_1_AI、S_1_DO。对于S_1_AI需要设置它所对应的PBIM名称、站号、模块号、输入数据格式、输入数据大小（字节）等。对于S_1_DO则需要设定输出数据格式、输出数据大小。对于变频器则采用PROFIDRIVEDEV功能块，建立一个PPO类型为PPO4的模块即可。
3.3 在CM中完成各种联锁控制
每一个CM中可以支持多种功能块，各功能块之间通过箭头线连接。CM之间也可以相互关联实现较为复杂的控制。CONTROLBUILD软件还允许用户定制自己的CM功能块（这样可以将大量相同的设备联锁进行封装）。
图6为一台变频器的CM联锁功能块。图中的PBIN、PBOUT分别是PROFIDRIVEIN、PROFIDRIVEOUT类型的功能块。PBIN为输入功能块，包括变频器的开关量、模拟量输入信号；PBOUT为输出功能块，包括开关量、模拟量输出信号以及实现对变频器的初始化命令（通过对引脚CWRAW赋值为1142）。功能块M4S_9ADC则是封装的一个CM块，在它内部完成对变频器的开、停联锁控制（本文不详细论述），它的各引脚SA、KM、MR、C分别对应变频的远程、运行、准备、命令等状态信号。通过各连线及颜色可以清晰的判断各种信号的状态以及各功能块之间对应关系，这些对于组态和调试都是非常方便。
图6 CM功能联锁图
4 结束语
在PKS系统中通过PROFIBUS现场总线完成电气设备的联锁控制，不仅使电缆数量大大减少，可以为操作人员提供更多稳定可靠的信号。相信在众多DCS和电气厂家的努力下，这种方式将在大、中型企业中广泛推广应用。