西门子模块6ES7313-6BG04-0AB0参数方式

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引 言

机械手是一种能模拟人的手臂动作，按照设定程序、轨迹和要求，代替人手进行抓取、搬运工件或操持工具的机电一体化自动装置。三自由度机械手又称3D机械人，能够实现三个自由度方向(水平、垂直和旋转)的抓取或放置物品，具有操作范围大，灵活性好，应用广泛的特点。

可编程控制器(PLC)是一种专门为工业应用而设计的进行数字运算操作的电子控制装置。由于其具有性高，功能强，编程简单，人机交互界面友好等特性而广泛用于工业控制系统。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环执行元件。在非载情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数目。这性关系的存在，加上步进电机只有周期性误差而无累计误差的特点，使其在速度、定位等控制领域应用得非常广泛。

机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式机械手。本文设计的三自由度机械手属于混合式机械手，它综合了电动式和气动式机械手的优点，既节省了行程开关和PLC的I/O端口，又达到了简便操作和定位的目的。

1 三自由度机械手的系统结构与运动方式

三自由度机械手为圆柱坐标型。图1为机械手结构示意图，机械手手臂的左右运动(水平方向)由伸缩步进电机控制，上下运动(垂直方向)由升降步进电机控制，逆时针和顺时针旋动则由底盘直流电机的正反转控制。机械手的夹紧装置采用关节结构，其夹紧与松开用气压驱动，并由电磁阀控制。

机械手可以根据设定程序的动作将工件从A处搬运到B处。SQ1，SQ2，SQ5，SQ6为水平和垂直方向上的限位开关，SQ3，SQ4为原点位置和终点位置的光接近开关。

2 三自由度机械手控制系统设计

三自由度机械手系统设置了手动工作方式和自动工作方式。自动方式又分为自动回原点、单步、单周期、连续四种工作方式。

2.1 硬件设计

主控制系统选用三菱FX2N系列晶体管输出型PLC，步进电机驱动器选用SH-20403型模块。机械手的外部接线图如图2所示。

机械手在上面、右边，底盘转至光接近开关X3处且夹紧装置松开时称系统处于原点状态。X10为手动控制按钮，按下该按钮后，可以进行按键开关X20～X27对应的手动操作。X11～X15分别为自动方式中的回原点、单步、单周期和连续工作方式按钮，按下其中的某一个按钮，再按起动按钮X0，该工作方式的动作就会自动执行。步进电机只有在有脉冲信号(Y0)和方向信号(Y2或Y3)输入时才会转动，Y6，Y7选择将脉冲信号Y0送至哪个步进电机。Y5控制送气电磁阀，实现夹紧装置的夹紧与松开。Y10，Y11控制底盘直流电机的正反转。

2.2 软件设计

在选择单步、单周期和连续工作方式前，系统应当处于原点状态。如果不满足这一条件，可以选择回原点工作方式，该工作方式依次执行以下操作：向上运动至上限位x1→向右运动至右限位X2→顺时针转动至光接近开关X3→夹紧装置松开。

机械手自动工作方式的顺序功能图如图3所示。机械手手臂的运动速度由输入步进电机的脉冲频率控制，机械手下降及左行的距离由脉冲数控制，脉冲频率和脉冲数可以根据工业现场的实际情况在程序中设定，具有可重复操作性。

本系统采用的是PLC梯形图顺序编程的方法。其中以PLSY脉冲输出指令输出脉冲，用MOV指令设定脉冲个数，脉冲输出完后，指令执行完成标志M8029置1。由于PLSY指令只能使用一次，而系统中两个步进电机均需要脉冲输入，设计中采用两个外部继电器解决了该问题。将Y0输出的脉冲同时接至两个继电器动触点，两继电器的常开触点分别与两块步进电机驱动器的脉冲输入端相连，Y6，Y7接到两继电器的控制端，这样就可以通过Y6，Y7来控制步进电机的脉冲输入。

3 系统的MCGS组态环境

MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善，操作简便，可视性好，可维护性强的特点。图4为三自由度机械手系统工作时的MCGS组态环境界面，它包括主界面、手动工作方式界面和自动工作方式界面。

4 结 语

经调试，步进电机的运转无抖动和失步现象发生，机械手系统处于良好的运行状态。三自由度机械手系统实现的只是三个自由度方向上的运动，根据工业生产的实际需要，可以对其进一步改进，在夹紧装置肘部添加腕回转控制装置，就能使之成为四自由度机械手控制系统。在条件允许的情况下，也可以采用触摸屏代替MCGS组态环境对机械手系统进行控制，这样占用空间小，人机交互界面直观，操作方便。

1、PLC 课程教学试验系统的发展

由于可编程逻辑控制器(PLC)应用广泛，目前从职业培训学院到工科大专院校都开设有PLC 课程。而PLC 是一门理论性、趣味性及实践性都很强的课程，需要精讲多练、开设与工业实际应用紧密结合的实验课程、搭建良好的实验平台。实验课程需要解决的关键在于PLC 的控制对象问题，目前存在不同形式的 PLC 教学实验系统，基本上可分为三大类：

1.1 全实物的 PLC 实验系统

完整的PLC控制系统是以实物PLC硬件及各种设备硬件(诸如继电器、电机驱动，电机、传感器)等按照工业实际连接方式进行组合，后通过上位PC机与PLC的通信完成上位组态的实物模拟。实现这种实验系统，学校或机构需要购置足够应用于实验各环节的设备，要求相当高的资金投入。

1.2 以上位PC 机软件与下位PLC 硬件结合构成的实验系统

将组态技术应用于虚拟PLC装置的开发，运用组态软件在PC机上全真模拟PLC的控制对象，以动画形式演示PLC控制对象的工作过程。具有、免维护、灵活多样、形象直观等优点，很好地解决了传统开设PLC实验方法遇到的各种困难。其实验系统构成只需上位监控PC机和下位的PLC硬件。但这种实验方法因其无法脱离PLC硬件 ，仍需要在实验室进行。

1.3 利用PLC软件，实现脱离PLC硬件的实验系统

此类初级实验仅仅是能进行编程后的，如三菱GX Developer提供的GX Simulator运行。为了能够如二类方式一样可以实现上位监控和下位PLC的运行，国内外学者已提出一些有效的全虚拟方法，诸如对于三菱PLC，采用基于GX Simulator与昆仑通态的组态软件MCGS通过虚拟串口进行连接，实现全虚拟的上下位控制，但这种方法存在上下位控制速度慢的问题;另外对于西门子PLC, Wi作为控制程序的运行引擎，VB语言编写上位监控界面程序，通过Wi提供的“Computing”部件，采用Active控件三方程序即可访问控制程序中的过程数据，但由于需要VB另外编程，很不方便，其实用、迁移性不强。

针对以上问题，本文提出借助于易控组态软件及MX Component，采用GX Developer作为编程平台，利用GX Simulator构建一种全虚拟PLC控制系统，实现一种贴近工业实际的、的、方便的PLC实验方法。以工业清洗机的控制系统为例，展现仅用一台PC机如何完整实现具有上下位控制的PLC清洗机控制实验。这种方法引入新的编程，只要掌握组态软件的设计方法和PLC的编程方法即可，其编程方法、监控模式、通道设置等与工业实际相同，使高水平PLC实验得以脱离PLC实验室而随处实现，尤其在的业余及函授形式中，给学生提供了一种脱离实验室全新的自学PLC控制系统的实验形式，解决了PLC实验的瓶颈问题，对PLC的普及教育具有良好的实际意义。并借助于易控组态软件提出了一种实现全虚拟PLC的新方法，且提出一种改进的PLC教学实验方法，该方法可使学生在学习PLC课程时好的理解和运用PLC。后通过对工业清洗机的应用，验证了该方法的性和实用性。

2、基于易控组态软件的全虚拟PLC 教学实验系统构成

2.1 基于易控组态软件三菱PLC的全虚拟实验系统实现步骤

基于易控组态软件三菱PLC的全虚拟实验系统如图1所示。

图1 全虚拟实验系统

(1)安装三菱的编程平台GX Developer和GX Simulator程序，安装MXComponent和易控组态软件(INSPEC)。(2) GX Developer是三菱的通用编程软件，可完成三菱全系列PLC的编程、监控、调试和维护工作，可支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB编程。

完成梯形图的编制后，启动梯形图逻辑测试工具(LLT) ，则梯形图程序写入虚拟PLC的CPU中，且虚拟PLC自动置RUN状态。(3) INSPEC是一种面向工业自动化的通用数据采集和监控的组态软件，它能够实现对自动化过程和装备的监视和控制。根据实际现场的需要，在易控组态软件平台上进行上位监控界面设计，依照易控组态软件的应用要求绘制并连接各个画面，建立基于易控组态软件的监控界面。(4)MX Component是三菱一款用于PC与PLC进行通信的软件，MX Component支持个人计算机与可编程控制器之间的所有通信路径，兼容多种语言诸如VisualC++ 、Visual Basic 和Access Excel 的VBA、 bbbbbbbb等，在易控组态软件中就是应用MX Component与GX Simulator进行通信的。打开MX Component软件，在MXComponent设置界面上将PC side I/F项后的下拉目录选择为GX Simulator项、将CPU type项后的下拉目录选择为FX2N(C)项。这种基于易控组态软件和应用MX Component与GXSimulator握手通信方法很简洁。经过简单设置后，可以通过MX Component运行界面上的Connection test项进行通道建立成功与否的检测，当通道建立成功并进行检测后可以看到虚拟通道连接成功的提示。

综上所述，GX Simulator和易控组态软件通过MX Component进行通信连接，建立基于易控组态软件的监控界面和GX Simulator的对应信息交互，终实现运行与上位监控的对应关系，在一台PC机上实PLC的运行和上位监控。

2.2 虚拟实验的应用方法

只需要有一台PC机，学生就可完一个具有上位监控和下位PLC运行的完整PLC实验系统设计。学生通过这种实验系统，既掌握了PLC的程序设计和调试方法，又学会了上位组态软件的监控设计。其设计可以分两种形式：

(1)由教师开发上位监控系统，并进行相应的通道连接，学生考虑所有设定与上位监控系统的连接。教师提供相应的连接给学生，学生按提供的编程，仅仅进行下位PLC的设计即可和上位监控界面接通。上位监控系统既可控制PLC，又可形象逼真地反应实际的控制过程和PLC程序运行效果，形象直观。(2)学生设计PLC程序，并进行GXSimulator的调试。根据程序的上位监控要求，进行上位监控组态窗口的设计，然后通过MX Component进行通信连接，完成一个完整PLC系统设计实验。虽然是全虚拟的设计，但其设计方法与实际工业应用开发一致，所以具有很好的实用性和迁移性。

3、工业清洗机全虚拟控制系统的实现

下面给出全虚拟PLC工业清洗机控制系统，采用易控组态软件进行上位监控设计，以该实例展现全虚拟PLC应用的方法和过程。

3.1 工业清洗机控制系统分析与PLC编程调试

工业清洗机工作流程如下： 

将欲清洗的工件置于挂篮中，将挂篮放置在挂杆上，按下启动按钮，挂杆向下运动将工件置于清洗液中，加热清洗液至沸腾，启动声波生器工作20分钟后，声波发生器停止工作，挂杆向上运动将工件置于蒸汽中5分钟，停止加热，启动喷淋5分钟，其后停止喷淋，取出工件于传送带上，按下清洗结束按钮，启动传送带工作。

按以上工作流程要求在GX Developer编写梯形图控制程序，将编写好的部分梯形图程序写入虚拟PLC(既启动LLT)，进入虚拟调试，完成工业清洗机的PLC控制系统的编程调试。

3.2 基于易控组态软件的上位监控界面设计

(1)组建系统工程：运行易控组态软件进入组态画面，分析工业清洗机控制系统工程项目结构，建立工程结构框架。本控制系统包含挂篮、启/停按钮、清洗罐、加热器、声波生器、冷凝器、抓手、传送带和几个传感器等。从组态软件的“对象元件库”选取并置于用户窗口的适当位置。控制界面如图2所示。(2)制作动画显示画面：将用户窗口中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的动画属性。(3)运行策略：

图2 上位机界面运行图

本设计为了生动地表现当启动按钮按下，挂杆向下运动、喷淋阀门打开(通过变色显示)以及传感器动作等复杂的动画显示及关联过程，采用了脚本程序在运行策略中的循环策略来其工作的过程。(4)设备窗口组态：打开易控组态软件后，分别在“IO通信”与“变量”

选项中添加控制量信息。然后进行相应的通信参数连接设置。

3.3 虚拟通道连接与上下位综合调试

(1)基于易控组态软件的上位监控界面与GX Simulator的连接：打开MX Component应用软件，设置其与GX Simulator虚拟通道的连接。(2)运行易控组态软件，按动图2所示控制面板上的启动按钮，则PLC开始运行，图2中的挂篮会依程序的运行自动下降，所示画面跟随PLC的运行动画显示，其指示灯变亮、加热器变色、喷淋阀打开时喷出冲洗液。这样，具有上下位控制的工业清洗机全虚拟PLC控制系统实验就形象、逼真的完成了。

通过以上实例的介绍，可以看到本文所提出的全虚拟PLC实验方法的简洁性，在安装有以上所需软件的PC机上便可完成实际现场PLC控制的全部模拟过程。

4总结

本文比较阐述了PLC各种实验室应用方法的不同及不足、研究了全虚拟PLC教学实验室的实现方法及其在工业清洗机中的应用。在与传统PLC教学实验方法对比后表明本文所构建的全虚拟系统摆脱了实验室，实现了只需要PC机和相关软件即可实现高水平PLC实验目的，搭建了一个随处可实现的PLC良好自学平台，其实验内容不受实验室仪器设备、实验材料的限制，即可以很方便的新、增加实验内容，解决了PLC实验的瓶颈问题，尤其是对中采用业余及函授形式的学生学习PLC具有特别重要的意义。该实验方法将PLC的高水平实验在时间和空间上进行了大限度的延伸，提供了高性价比的学习模式。具体教学应用表明，该方法是行之有效的、可行的，对提高学生的PLC应用水平起到积的作用。

1 引言

以往深沟球面内外套精磨床是采用继电器进行控制的，控制部分体积庞大，响应时间长，且性不高，经常出现故障，磨床磨削工件的功能单一，有的磨床只能进粗磨，有的磨床只能进行精磨。完成一个成品工件加工，先在粗磨磨床进行粗磨，然后再将其送到精磨磨机进行精磨。基于这种情况，我们采用可编程序控制器对其控制电路进行了技术改造，将两台磨床的功能集中到一台磨床上实现，即粗磨、精磨一次完成。这样不仅可以减小控制部分体积、增强系统的性，而且提高了系统的利用率，降低了成本，在实际应用中了很好的效果，对于工业企业实现相关机床的改造具有较高的应用与参考。

2 控制系统的设计思想

根据工件加工工艺的要求，控制系统设定了手动、自动、粗磨精磨定时等方案。

1. 手动/自动转换，当转换开关旋至手动状态时，自动不起作用，系统通过操作面板上不同的手动控制按钮来完成各道工序;类似的转换开关旋至自动状态时，按下启动信号，PLC则按预先设计的符合工艺要求的程序运行。

2. 粗磨阶段：油石的压力较大，主轴低速运转;精磨阶段：油石的压力较小，主轴高速运转。

3. 选用8421BCD码数据拨盘对粗磨精磨定时进行控制，工件加工时间可根据工艺要求选择不同的磨削时间，这样再设计数码输入显示电路，有效地节省了PLC的输入点，简化了硬件电路。

3 控制系统的硬件设计

控制系统采用日本三菱公司生产的F1-60MR可编程序控制器 。

由硬件框图可知，系统可完成如下功能：

(1) 主轴低高速自动转换。

(2) 工件架自动进退。

(3) 油石高低频振荡自动转换。

(4) 粗磨、精磨任意选时。

(5) 工件充退磁。

4 控制系统的软件设计

软件结构根据控制要求而设计，主要划分为四大模块：即手动模块，粗磨单循环模块，精磨单循环模块，循环启动(先粗磨后精磨)模块。

5 结束语

通过对球面轴承外滚道精机进行PLC控制技术改造，使得控制电路体积大大减小，了由中间继电器和时间继电器触点接触不良引起的系统故障。提高了生产效率，降低了工人的劳动强度，了显著的经济效益。

：PLC是以微处理器为的新型工业控制装置，本文利用可编程序控制器实现了其控制功能。设计了PLC下位端控制系统，编制了相应的上位端控制程序。经过近两年的现场投入应用表明，该PLC控制系统稳定，自动化程度高，大地提高了劳动生产率。

1 引言

城市雨污水通过地下管网分区排放到各自泵站，然后由各泵房把污水泵到污水处理厂经过处理终排入江河。据我了解虽然我国各城市较早的建立了排污系统，但管理也比较落后原始，每个泵站还由人工管理;随着城市的不断扩大，污水池不断相应增加，由于污水池零星分布在整个市区，若按原先管理模式，需要消耗大量资金，管理和控制也非常麻烦，效率低下，不能适应现代城市发展的需要。为了提高管理工作的信息化水平，提高城市污水的处理能力，减少企业人员不断增加带来的沉重负担，提高企业效益，从原来的人工管理改造为计算机远程自动化管理，建立网络管理体系是一个必然趋势。

2 系统设计思想

采用分级分布式计算机控制系统，对工艺过程进行集中管理、分散控制。其总体设计思想是：利用电信的虚拟网络作为整个系统的通讯网络，做到不管有多少个泵站和多少个水池，距离有多远，所有的控制和看管工作均由PLC和计算机远程自动完成。并且实现了客户端之间的无关性，可实现多客户端操作，使客户端机器协调工作，提高整个排污系统的工作效率。节省大量资金，减少人员编制，提高管理，具有很大的经济效益和社会效益。同时提供多级容错机制，保证系统能够顺畅地运行。

3 控制系统简介

本系统由计算机主机，可编程控制器(PLC)，液位传感器组成，电能统计电度表组成。系统嵌入进原先的控制系统中，既保留了原先的的控制功能又添加了新的远程自动控制功能和大量的数据存储和分析统计功能。系统可根据操作人员在计算机中设定的参数，在不同水位下自动开停机，也可由操作人员在计算机上直接开停机。每台水泵及格栅机均可通过转换开关选择受计算机自动控制;如果计算机遇到故障还能由PLC里的控制系统完成自动控制各机器功能;或脱离计算机控制，改为原先的控制系统。在计算机自动控制时，系统每天自动转换工作水泵的开机顺序以平均各水泵的工作时间。系统的监控界面可供值班人员监控各台泵的工作情况，流量，水位等参数。系统提供数据储存和报表查询，打印功能。

     图2 系统方案示意图

4 具体设计与实现

根据工艺流程、控制点及现场设备的安装地理环境，我们采用的管理控制技术，系统分为控制层、监控层、管理层三层进行监测和控制。

(1)控制层用可编程控制器作为底层控制分别对排污设备、监测点进行控制、监测，信息，控制设备运行。

PLC(Programmable Logical Controller)全称为可编程逻辑控制器，简称可编程控制器。它以微型计算机为的工业控制装置，它集电控、电仪、电传三电于一体，是现代工业三大支柱之一。由于它的功能强、性高、适应性好以及模块化结构等优点，在工业控制中得到了广泛的应用。把个人计算机连入PLC网络可以向用户提供诸如工艺流程图显示、动态数据画面显示、报表编制、趋势图生成、窗口技术以及生产管理等多种功能，作为底层单元的PLC完成对现场开/关量、模拟输入/输出量的控制处理，而利用微型计算机良好的人机对话界面和数据处理功能，实现对一台或多台PLC进行监控，充分发挥PLC、灵活的控制性能和计算机在管理、监控等方面。

随着计算机技术的发展，PLC不仅能代替传统的继电器实现逻辑控制，而且已发展成为集各种控制、运算、通信为一体的功能强大的控制器。由于其编程简单、修改方便及工作，在工业生产中它的应用也越来越广泛。

(2)监控层在泵房内设控制室，带有视频，主要监控整个泵房内格栅机和每台泵的运行状态，各种机柜的电流电压度表与计算机显示是否一致，监控处理过程由PLC的模拟输入模块进行数据采集，并将有关水泵的运行状况及有关信息上传污水处理监控，污水处理监控则将指令下传至各PLC控制器，由PLC控制现场各仪器及仪表。

(3)管理层主要在污水处理厂远程监控完成，所有采集的数据通过虚拟局域网远程通信传输到监控层桌面个人计算机，而桌面个人计算机又通过RS232通信模块发送控制命令给PLC，完成水泵的启动和停止控制。总揽整个系统的运行情况。系统同时还充分考虑了在特殊情况下的现场手动控制以保证排水系统的流畅运行并有效地保护设备。对水泵耗电量用电流、电压、时间来计算。当出现停电情况时，PLC将记忆检测的数据，桌面个人计算机将记忆设置状态。当出现故障时，个人计算机进行报警，同时记忆相应的状态，使其在脱机状态下，整个系统立运转。在个人计算机端，软件具有状态设置、远程监控、数据存贮、报表打印功能。

实际上整个控制系统可以在任何地点控制如：控制室，办公室均可，整个系统可以非常强劲的工作，采用了很多错误处理。系统的扩展性很强，不管有多少个泵和多少个水池，距离有多远，所有的看管工作均由计算机远程自动完成。系统能记录设备的运行的原始数据，并做出信息处理，给出各种报表和运行曲线图，能实时了解全部系统的运行情况。

5 结论

本文所研究的城市污水进行集中控制系统，主体控制部分采用可编程序控制器、一些传感器和计算机，网络技术租用电信的; 该系统在桂林市经过近两年的现场投入应用表明，稳定，自动化程度高，为桂林市排水公司带来了很大的经济效益，正在往社会推广。