6ES7321-1FF01-0AA0支持验货

6ES7321-1FF01-0AA0支持验货

 1引言

机械手能模人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身，被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工等工业。气动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。气动动作，结构简单，。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。气源来自于压缩空气，可以存储于储气罐中，因此，发生突然断电的情况时，机器及工艺流程不致突然中断。PLC具有较强的稳定性，被广泛应用于工业控制中，采用PLC实现气动机械手控制是一种、稳定、方便的控制方案。针对目前存在的机械手控制中对机械手运行状态难于监控的问题，采用组态软件对机械手的运行位置进行监控，同时也可实现机械手的远程控制。

2机械手动作流程

在工厂中，机械手要做顺序系列的动作。现在以一串动作为例，比如工件在某一高度的A位置。

机械手动作顺序：原位→右行→上升→夹紧→下降→左行→上升→放松。

机械手的控制方式分为：手动和自动。在手动运行方式下机械手分为单步动作；在自动运行方式下，机械手的动作分为单周期和循环。

手动单步运行时，用各自的按钮控制各个负载单接通或断开的方式。按下按钮则机械手开始一个动作，松开按钮则机械手停止动作。 

单周期工作方式时，按下启动开关，机械手从原点开始右行，右行到右限位开关时，机械手开始上升，上升到上限位开关时，机械手开始夹紧，夹紧到夹紧限位时，机械手开始下降，下降到下限位开关时，机械手开始左行，左行到左限位开关时，机械手开始放松，放松到放松限位开关时，回到原点。

循环工作方式时，在原点位置按启动按钮，开始连续的反复运行。若途中按停止按钮，动作将继续执行当机械手运行到到原点才机械手停在原位。

3控制系统的硬件设计

（1）PLC选择

可编程控制器（PLC）由于其具有高的性，编程方便，便于使用和修改，易于扩展和维护，环境要求低，体积小，安装测试方便等性能在工业控制中有着广泛的应用。

本系统的输入量为8，输出量为3个，加上一定量的冗余，选择西门子公司所生产的CPU224来控制机械手的运行。它以紧凑的结构、良好的延展性、强大的指令功能、低廉的价格，是小型控制工程的理想控制器。S7-200 PLC包含了一个单的S7-200 CPU和各种可选择的扩展模块，可以十分方便地组成不同规模的控制器。S7-200的编程软件STEP7-Micro/WIN可以方便地在bbbbbbs环境下对PLC编程、调试、监控，使得PLC的编程加方便、快捷。在我们的设计中选用的是CPU224，CPU224集成了14点输入／10点输出，共有24个数字量I/O，符合系统的控制要求。

（2）执行元件选择

实现机械手动过的汽缸由电磁阀来实现，阀门的位置决定汽缸的运动方向。电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器件，电磁阀用于控制液压、气体等流动方向，电磁阀的工作原理：电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。本系统采用的是两位三通的电磁阀。

4系统的I/O分配 

系统的输入量为启动、停止、及PLC个限位开关，输出要控制电磁阀实现机械手的动作，为此机械手的I/O分配如表1所示。

    5PLC系统程序

系统程序分为手动和自动程序，自动程序分为单周期、循环。软件采用主程序、子程序结构。机械手控制系统主程序由手动控制子程序、自动控制单周期子程序、自动控制连续控制子程序组成。

手动/自动程序切换由上位机软元件控制，用PLC辅助继电器实现。手动程序中的单步动作由单步按钮实现，系统采用PLC辅助继电器实现。

单周期和连续控制开关都由PLC辅助继电器完成，辅助继电器与上位机中的组态软件的软元件通信实现。

手动操作子程序中通过操作方式开关拨到手动方式，进入手动操作控制子程序，通过6个按钮，即右行、上升、夹紧、下降、左行、上升、放松，来完成对机械手的手动操作控制。

6监控画面设计

组态软件是数据与过程控制的软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界面，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O产品，与工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软件硬件的全部接口，进行系统集成。

在进行分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程时，弄清系统的控制流程和监控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些设备是软件内部用来传递数据及动画显示的。 

动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。部分类似于“画画”，用户通过MCGS组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内“组合”成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的链接关系，作为动画图形的驱动源。

在运行策略窗口内，从策略箱中，选择所需功能策略构件，构成各种功能模块（称为策略块）,由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS还为用户提供了编程用的功能构件，称之为（脚本程序）功能构件，使用简单的编程语言，编写工程控制程序

【摘 　 要】： 本文从硬件和软件两个方面介绍了PLC（可编程序控制器）在扭转试验机电控制系统改造中的应用。

    扭转试验机机转速自动控制系统采用的是转速负反馈和电流截止负反馈晶闸管双闭环直流转速自动系统。由主电路、触发、放大、励磁、测速和换向回路等部分组成。

    新系统使用PLC对该系统的控制部分进行改造，系统的性大大提高，且控制线路得以简化，对类似系统的改造具有一定参考。

    1.       PLC在扭转试验机

    系统设计原理

    为保留原系统的技术性能，直流电动机乃采用Z2系统，功率为1.1KW，电压为110V，电流为13.4，励磁电压为110V，励磁电流为0.713A，转速为1500rpm

    PLC采用实验室现有的SR—21型，其存储器容量为700字（CMOS）、扫描速度12ms（1.0K），数模转换时间为2ms，具有较强的逻辑和数值运算功能，框架为E—50B型。

    触发脉冲生成器的作用是将PLC运算后的输出量转换成晶闸管的触发双脉冲，经隔离后驱动晶闸管电路，将交流电整流成直流电。

    励磁电路中包括弱磁信号的电路，该电路既将PLC运算后的输出量转换成所需的励磁直流量，又可进行弱磁保护。

    PLC共需使用4个A/D输入模块，故应占用四个输入通道，四个通道分配为：转速给定值、转速测量值、电机电流测量值、电机电压测量值。使用两个D/A输出模块，占用两个输出通道分别设置为电枢电压调节量和励磁电流调节量。

    为满足系统对调速的要求，控制环节采用带PI调节器和给定积分等辅助环节的方式进行控制。设U为调节器的输出，△V为转速测量值与转速给定值的差，t为PI调节器积分部分的时间常数。则

    U=KP（△V+1/t）………….…………………（1）

    其中，KP是比例系数。

    设tC为为采样周期，UN为N 次采样输出，△VN为N次采样偏差。则积分式变为

    UN=KP（△VN +tC/t）………………………………（2）

    为便于PLC运算，将式（2）变为增量形式

    △U=KP（△VN—△VN-1）+KP‘ △VN …….………………（3）

    其中：KP‘=KPtC/t    2.      PLC在扭转试验机

    控制系统的软件设计

    该软件应用能完成式（3）的计算。式中有两个变量，即速度给定值Ug和反馈环节的测量值Uf。在程

    序中它们分别存入R400和R402。R415设为输出值寄存器，R435设为中间运算寄存器。取常数

    C1=1/KP、C2=1/KP，调节运算周期为K×0.1S。图二给出程序主体部分的流程图。程序中，先将R400与R402的数据进行比较，结果存入772、773和774。为满足调速性能的要求，用计数器C600设定速度调节周期为K×0.1S，即每隔K×0.1S进行一次调节运算。根据测量数据R402与给定数据R400之差，判断是否进行△VN的增加运算或减少运算。增加运算时与“225”比较，“225”为增加运算的溢出范围  。

    减少运算时与“0”比较，“0”为小运算调节量。如输出值小于“0”，则以“0”输出，如不小于“0”，以正常值输出，即作上下限处理。

    3.结论：扭转试验机的电气控制系统采用PLC进行改造，系统的性得以提高，工作加稳定，实时性强，计算度高。但系统中的触发脉冲生成器须进行一定的修改，应使其输入端与PLC的D/A输出模块输出量相匹配，以便将该输出量转变成能控制晶闸管整流电路的脉冲信号。SR—21还具有较强的逻辑控制功能，扭转试验机的启动、停止、可逆运行、测力机构、显示机构等均可由PLC参与控制。限于篇幅，本文从略。

    (1)来自空间的辐射干扰 

    空间的辐射电磁场(EMI)主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布为复杂。若PLC系统置于所射频场内，就回收到辐射干扰，其影响主要通过两条路径；一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；而是对PLC通信内网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小，特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。 

    (2)来自系统外引线的干扰 

    主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较严重。 

    (3)来自电源的干扰实践证明，因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多，笔者在某工程调试中遇到过，后换隔离性能高的PLC电源，问题才得到解决。PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。尤其是电网内部的变化，开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流转动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路到电源边。PLC电源通常采用隔离电源，但其机构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，隔离是不可能的。 

    (4)来自信号线引入的干扰与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信号之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽略；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。 

    (5)来自接地系统混乱时的干扰接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态加雷击时，地线电流将大。此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内有会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存储，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。 

    (6)来自PLC系统内部的干扰主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于PLC制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门是无法改变，可不多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。

一．M8029的定义与作用

在三菱FX系列PLC中数据寄存器D8000与辅助继电器M8000之后属于特殊的寄存器或是继电器。这些特殊寄存器和继电器都有特定的含义，如对于特殊继电器，常用的有M8000，M8002。

M8029也是一个常用的特殊继电器，它是指令执行完成标志。既在指令执行完成后，输出这个M8029信号。因为M8029是指令执行完成标志，那在编程时就可以用这个标志做以下一些工作。判断指令是否执行完成，通过判断M8029是否接通，可以判断指令是否完成。可以用这个标志启动下一个执行指令，在程序中有时会有多个执行指令，一个指令需要在个指令执行完成后再去执行，那就可以用上一个指令的完成标志去启动下一个指令。

二．M8029使用注意事项

1）M8029虽是指令执行完成标志，但不是所有的指令执行完都会输出这个标志，是部分指令，如手册中提到的DSW（数值开关）RAMP（斜坡信号），以及在控制伺服、步进电机时用到的定位指令或是脉冲指令。

2）M8029要是在指令正常完成后才会输出，如果是指令在执行过程中，指令的条件不成立，造成指令没有执行完就停止执行，则这个标志不会输出。

3） M8029指令完成信号，只是一个脉冲信号，它只是在对应的指令完成后的一个扫描周期时成立，在其后的扫描周期会断开。这样如果是监控程序时肉眼去观察这个信号有没有接通是很难看到的，如果是编程时需要瞬时信号，那就可以直接用M8029信号，如果需要连续的信号，那可以用M8029置位一个信号。

4） M8029作为指令执行完成标志，而一个正常的工程程序中可能有多个不同指令，即使是一个指令也可能是用到几次，此时要注意这些指令执行完成的标志都是同一个标志M8029，要避免一个指令的完成标志对另一个指令完成标志的影响，所以要在程序中要注意M8029要在各自的指令后面编写。

三．M8029在定位指令中的应用

在PLC中定位指令结束后，会输出完成标志M8029,可以用这个标志判断定位完成，然后进行下一步动作。

定位指令中还有一个标志M8147(Y0脉冲输出中监控），对于FX3U/G是M8348。当有脉冲输出时有信号输出。

M8029对应结束后的一个周期，而且是正常完成后的标志，所以用M8029作为标志严谨。

如果一步定位完成后，有例如电磁阀控制气缸等动作，可以用M8029控制Y这样的信号输出.

如果一步定位完成后，有其它的定位动作，可以用M8029再次启动定位指令.

如果一步定位完成后，有数据处理，那可以用M8029标志进行四则运算

四、举例说明M8029在往复运动中的编程应用

●有一工程，电线摇摆测试机，电线一段端接砝码作为负载，另一端接在步进或是伺服电机上，用电机来回摇摆，带动电线同时带动负载做往复运动，同时电线接入电路中，检测电路中电流，根据电流判断电线在摆动中有没有断开，断开后摇摆的次数就是它的寿命。

这个示例中要步进或是伺服电机往复运动，两个方向的定位用两条定位指令完成，启动一个定位后，要自动启动返回的定位，返回后再重新启动下一个循环定位。这里的每一个后面的定位，都用定位完成标志来启动。

编程举例，不考虑机器其它辅助的功能，编写利用两个定位指令实现循环往复运动的功能。

用到的主要指令

嵌入式PLC市场空间

根据《Control Design》杂志调查，2009年美国机械行业的PLC用户占三分之二，而PAC和制总共只占13%，嵌入式PLC仅占5%。在PLC技术发展及标准IEC6113-3研讨会上，PLCopen中国组织彭瑜表示，嵌入式PLC具有很大的发展空间。

ARC研究表明，各行各业对自动化产品领域的资本将继续保持强劲势头。PLC中国市场预期以12.4%的年复合增长率(CAGR)增长，2011年将达到13亿美元。

嵌入式PLC目前并没有确切的定义。英国敏思咨询公司在其嵌入式PLC市场报告中将其定义为：把交流变频调速器或HMI或其他设备内嵌PLC的功能归类于嵌入式PLC。

同时，国内外很多人把采用SOC嵌入式片上系统芯片和嵌入式实时操作系统实现PLC功能，并利用IEC61131-3的标准编程语言编程的，称之为嵌入式PLC。PLCopen中国组织采用的是二种概念。

嵌入式PLC呈多元发展趋势

彭瑜说：“嵌入式PLC的发展呈现多元化，在国内外均有很好的表现。”

在国外，德国赫优讯将现场总线技术和PLC技术相结合，推出了一款特色的netPLC,使得传统的PLC与软PLC的功能合二为一。据悉，该产品具有软硬件功能，板上配有netX模块，标准配置Profibus-DP主站卡，PLC运行/停机开关、小型USB诊断端口、4个LED指示灯，78个开关量I/O和6个AD通道等。其编程环境基于3S公司的CoDeSys V3.3,配有OPC Server标准软件接口程序、运行程序库、现场总线组态工具软件，PCI总线设备驱动程序等。

Rabbit公司推出的具有的嵌入式PLC开发套件，以其3000系列单片机为硬件基础，配以基于IEC6113-3的IsaGRAF V3.5编程环境，并支持5种PLC编程语言。传统的PLC程序员将能享受使用Rabbit套件附带的ISaGRAF软件来开发新方案。所有功能都整合在一块面积为100毫米X100毫米的集成板上，并能将其便捷地镶嵌在标准的100毫米DIN rail tray上。

在国内，华中科技大学在EASY CORE 1.00芯片组中加载了嵌入式PLC系统软件，作为硬件平台，开发了多模入通道的嵌入式PLC。

杭州电子科技大学计算机学院以开发PLC与人机界结合的硬软一体化为目标平台，充分利用CASE工具，结合各类嵌入式芯片的开发平台和各种输入输出通道的硬件电路库，专为机电设备开发客制化、具有OEM性质的PLC。

笔者认为，如今面对客户的需求在不断的变化，就需要PLC能够满足客户不断变化的需求。具有优势的嵌入式PLC，正好能够满足这一需求。在未来，传统工程机械PLC产品势必会被智能化的嵌入式PLC所取代。