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毕业设计(论文)

基于PLC的机械手控制系统的设计

PLC robot control system design

黑体小三，居中

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基于PLC的机械手控制系统的设计
摘 要
自工业革命以来，工业生产领域得到了长足的发展，但高温、腐蚀及有毒气体给工作中的人们带来的危害是难以估量的，自从机械手问世以来，这些危害也得到了妥善的解决。
在本设计中首先阐述了课题的研究意义，介绍了国内外机械手研究现状及PLC的研究发展趋势，描述了机械手控制系统的工作原理和动作实现过程，进一步研究了基于PLC的机械手控制系统的设计，利用组态软件MCGS设计了机械手模型控制系统监控界面，提供了较为直观、清晰、准确的机械手运行状态，进而为维修和故障诊断提供了多方面的可能性，充分提高了系统的工作效率。
关键词：机械手；PLC；MCGS

Design of Manipulator Model Control System based on PLC
Abstract
Since the industrial revolution, the industrial production has been developed by leaps and bounds, but the high temperature, corrosive and toxic gases people to work the harm is incalculable, since the advent of robot, these hazards have also been properly resolved.
In this design, first elaborated the research significance, introduced the domestic and foreign mechanical hand research status quo and the PLC research development trends, description of the robot control system working principle and action implementation process, further study of the mechanical hand based on the PLC control system design use configuration software MCGS design model of robot control system monitoring interface, more intuitive, clear, accurate robot running state, and thus provides a wide range of possibilities for the maintenance and troubleshooting, to fully enhance the work efficiency of the system.
Key words: manipulator; PLC; MCGS

目 录
摘 要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
第一章 绪 论 2
1.1 课题研究目的及意义 2
1.2 国内外机械手研究概况 2
第二章 机械手控制方式的选择和可编程序控制器简介 2
2.1 机械手控制方式的选择 2
2.1.1 控制方式的分类 2
2.1.2 PLC与工业控制计算机（IPC）和集散控制系统（DCS）的比较 2
2.1.3 机械手控制方式的选定 2
2.2 可编程序控制器简介 2
2.2.1 PLC的结构……………………………………………………………………..…5
2.2.2 PLC的特点 2
2.2.3 PLC的主要功能 2
2.2.4 PLC的经济分析 2
2.2.5 PLC发展状况及趋势 2
第三章 机械手模型控制系统的设计 2
3.1 机械手控制系统构件概述 2
3.1.1 步进电机 2
3.1.2 步进电机驱动器 2
3.1.3 传感器 2
3.1.4 直流电机驱动单元 2
3.2 机械手的动作实现过程 2
3.3 PLC程序设计 2
3.3.1 I/O点数的确定及PLC类型的选择 2
3.3.2 PLC的I/O分配 2
3.3.3 编程指令的选择 2
3.3.4 PLC程序的设计 2
3.4 PLC程序的调试 2

3.4.1 PLC控制的安装与布线 2
3.4.2 机械手控制系统的外部接线图 2
3.4.3 机械手控制程序的调试 2
第四章 MCGS在机械手控制系统中的应用 2
4.1 MCGS的概述 2
4.1.1 MCGS的简介 2
4.1.2 MCGS的构成 2
4.1.3 MCGS的主要特性和功能 2
4.1.4 MCGS的编程语言 2
4.1.5 MCGS的数据结构 2
4.1.6 MCGS的作用 2
4.2 工程的建立与变量的定义 2
4.2.1 工程的建立 2
4.2.2 变量的分配 2
4.2.3 变量定义的步骤 2
4.2.4 设备与变量连接 2
4.3 工程画面的创建 2
4.3.1 封面窗口及监控画面的制作 2
4.3.2 运行策略的建立及脚本程序的编写 2
4.4 动画的连接 2
4.4.1 指示灯的动画连接 2
4.4.2 机械手的动画连接 2
4.5 组态运行 35
第五章 结 论 … 2
参考文献 2
致 谢 2
附 录 2
附录1 程序流程图 2
附录2 梯形图 43
附录3 指令表 45
附录4PLC外部电气接线图…………………………………………………………...48

第一章 绪 论
1.1 课题研究目的及意义
机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。国内外都十分重视它的应用和发展。
由于自动化可以节省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性，如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学，因此工业领域中广泛应用PLC。机械手在美国、加拿大等国家应用较多，如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。我国自动化水平本身比较低，因此用PLC来控制的机械手还比较少。本次课题设计的机械手就是通过PLC来实现自动化控制的。通过此次设计可以更进一步学习PLC的相关知识，了解世界先进水平，尽可能多的应用于实践。
1.2 国内外机械手研究概况
目前机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队[4][5]。
国外方面：近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。
国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础[6]。
第二章 机械手控制方式的选择和可编程序控制器简介
2.1 机械手控制方式的选择
2.1.1 控制方式的分类
传统的工业设备自动控制主要由继电器或分立的电子线路来实现，这种控制方式投资相对少一些，目前仅在一些旧式的、简单的工业设备中还有一定市场，但该控制方式却有以下致命缺陷：（1）仅适合于简单的逻辑控制；（2）仅适合特殊的工程项目，而没有通用性；（3）没有改动和优化的可能性。
伴随着工业自动化技术的迅速发展，我国工业领域的自动化已经基本实现了从继电器控制到计算机控制的转变，计算机控制方式具有以下两个特点：（1）硬件上至少有一个微处理器；（2）通过软件实现控制思想。
目前，工业自动化领域比较典型的控制方式有：（1）可编程序逻辑控制器（PLC）；（2）工业控制计算机（IPC）；（3）集散控制系统（DCS）。
2.1.2 PLC与工业控制计算机（IPC）和集散控制系统（DCS）的比较
1、各自技术发展的起源
计算机是为了满足快速大量数据处理要求的设备。硬件结构方面，总线标准化程度高，兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂和计算工作量大的工业对象的控制占有优势。
集散系统从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统，所以其在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要用在连续过程控制，侧重回路调节功能。PLC是由继电器逻辑系统发展而来，主要应用在工序控制上，初期主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。
2、相同点
在微电子技术发展的背景下，从硬件的角度来看，PLC、工业计算机、集散系统(DCS)之间的差别正在缩小，都将由类似的一些微电子元件、微处理器、大容量半导体存储器和I/O模件组成。编程方面也有很多相同点。
3、不同点
由于PLC和计算机属于两类产品，经过几十年的发展都形成了自身的装置特点和软件工具，实际上它们的区别仍然存在。
总的来说，在选择控制器时，首先要从工程要求、现场环境和经济性等方面考虑。没有哪种控制器是绝对完善的，也没有哪种产品绝对差，只能说根据不同的环境选择更适用的产品[7]。
2.1.3 机械手控制方式的选定
PLC实现的自动控制系统，其控制功能基本都是通过设计软件来实现的，这种软件是利用PLC厂商提供的指令系统，根据机械设备的工艺流程来设计。
PLC自问世以来，经过20多年的发展，在美国、欧洲、日本等工业发达国家已成为重要产业，当前，PLC在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用PLC设计自动控制系统已成为世界潮流。
PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、强抗各种干扰的能力。编程安装使用简便、低价格长寿命。比之单片机，它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。PLC的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程，用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。
2.2 可编程序控制器简介
可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC或PC，是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适应复杂的控制任务 。
2.2.1 PLC的结构
PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。PLC的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM，ROM)、输入输出(I/O)部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成[9]。其结构简图如下：
外设I/O接口
输出部件
存储器
EPROM
微处理器
运算器
控制器
电源
输入部件
I/O
扩展接口
I/O
扩展单元
受控元件
输入信号
外部设备

图2-1 PLC硬件结构图
2.2.2 PLC的特点
可编程序控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。国内外现有的机械手系统，它们的控制形式大都采用可编程序控制器控制，特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业机械手系统中应用更为普遍。其主要原因是因为PLC具有以下优点：
1、灵活、通用
在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电器控制图，由人工布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。如果因为工艺上的稍许变化，需要改变电器控制系统的话，那么原先的整个电器控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，浪费了大量的人力、物力和时间。而可编程控制器是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。
2、可靠性高、抗干扰能力强
对于机械手系统来说，可靠性、抗干扰能力是非常重要的指标，如何能在各种工作环境和条件(如电磁干扰、低温潮湿、灰尘超高温等)下，平稳可靠的工作，将故障率降至最低，是研制每一种控制系统必须考虑的问题。现代PLC采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠性程度是使用机械触点的继电器所无法比拟的。为了保证PLC能在恶劣的工业环境可靠的工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施，使其可以适应恶劣的工业应用环境。
3、操作方便、维修容易
PLC采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程，使用户十分方便的读懂程序和编写、修改程序。对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的学习就可以使用。
2.2.3 PLC的主要功能
PLC是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(FA)和计算机集成制造系统(CIMS)内占重要地位。
PLC系统主要有以下功能：
1) 多种控制功能；
2) 数据采集、存储与处理功能；
3) 通信联网功能；
4) 输入、输出接口调理功能；
5) 人机界面功能；
6) 编程、调试功能。
PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。PLC产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需求[11]。
2.2.4 PLC的经济分析
综上所述，在各种环境中，使用PLC控制机构设备，生产流水线和生产过程的自动化控制将越来越广泛。
对PLC的经济分析，应从以下几方面考虑：
1、从影响成本的各个因素综合考虑
对目前生产设备控制装置来说，有三种类型：① 继电器控制；② 半导体器件控制；③ PLC控制。价格仅是选择PLC品牌的一个因素，而可靠性是选择控制装置时需要考虑的又一个重要因素。
2、从设计、生产周期长短考虑
不论是对旧设备进行改造，还是设计新的生产机械设备。毫无疑问，生产、设计周期越短越好，甚至希望边设计、边安装、边调试和边生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造，不需改动现有生产设备及其外部接线，就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。这无疑给企业增加了活力，提高了经济效益。如果把这些要求得以实现，继电器或半导体都不能满足，而PLC则完全可以实现。这是因为使用PLC不必改动外部设备接线，只要对软件进行一些改变就可以了。也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可。这既经济又简捷，可以达到事半功倍的效果。
2.2.5 PLC发展状况及趋势
现代PLC的发展主要有两个趋势：一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展[12]。
1、大型网络化
主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。网络化和通信能力强是PLC发展的一个重要方面，向下可将多个PLC、I/O框架相连，向上与工业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。
2、多功能
随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。
第三章 机械手模型控制系统的设计
3.1 机械手控制系统构件概述
本课题设计使用的是西门子S7-200型机械手实物教学实验装置。机械手实物教学模型的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、气缸、气夹等机械部件组成；电气方面有步进电机、直流电机、步进电机驱动器、传感器、开关电源、电磁阀等电子器件组成。该模型是PLC技术、位置控制技术、气动技术有机结合成一体的教学仪器。
3.1.1 步进电机
采用二相八拍混合式步进电机来控制机械手的动作，相比直流电机有更好的制动效果，又加上滚珠丝杆和滑杆配合，使机械手的运动更加稳定。主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。本模型中采用串联型接法，其电气接线图如图3-1所示：

图3-1 步进电机电气接线图
3.1.2 步进电机驱动器
步进电机驱动器主要有电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。驱动器参数如下表3-1、表3-2、表3-3、表3-4所示。PLC控制器与步进电机驱动器连接及工作原理，如图3-2所示。步进电机驱动器有电源输入部分、信号输入部分、信号输出部分等，利用驱动器可以很方便的对步进电机的转速、方向进行控制。驱动器电源由面板上电源模块提供，驱动器信号端采用+24V供电，需加1.5K限流电阻（见图3-2中1.5K电阻）。驱动器输入端为低电平有效。PLC通过控制其输出点来控制驱动器光耦的开合，当PLC输出线圈得电
表3-1 电气规格
说明
最小值
典型值
最大值
单位
供电电压
18
24
40
V
均值输出电流
0.21
1
1.50
A
逻辑输入电流
6
15
30
mA
步进脉冲响应频率
—
—
100
kHz
脉冲低电平时间
5
—
1
μs
表3-2 电流设定
电流值
SW1
SW2
SW3
0.21A
OFF
ON
ON
0.42A
ON
OFF
ON
0.63A
OFF
OFF
ON
0.84A
ON
ON
OFF
1.05A
0FF
ON
OFF
1.26A
ON
OFF
OFF
1.50A
OFF
OFF
OFF
表3-3 细分设定
细分倍数
步数/圈（1.8Ｏ整步）
SW4
SW5
SW6
1
200
ON
ON
ON
2
400
OFF
ON
ON
4
800
ON
OFF
ON
8
1600
OFF
OFF
ON
16
3200
ON
ON
OFF
32
6400
OFF
ON
OFF
64
12800
OFF
ON
OFF
由外部确定
动态改细分/禁止工作
OFF
OFF
OFF
表3-4 接线信号描述
信 号
功 能
PUL
脉冲信号：上升沿有效，每当脉冲由低变高时电机走一步
DIR
方向信号：用于改变电机转向，TTL平驱动
OPTO
光耦驱动电源
ENA
使能信号：禁止或允许驱动器工作，低电平禁止
GND
直流电源地
+V
直流电源正极，典型值+24V
A+
电机A相
A-
电机A相
B+
电机B相
B-
电机B相
时，晶体管导通，相应的触电输出低电平，使驱动器光耦导通，当PLC输出线圈失电时，
晶体管关断，使驱动器光耦截止。另外若不采用驱动器，而采用PLC输出触点直接驱动步进电机，会占用很多的输出触点，同时给编程带来不便。

图3-2 PLC控制器与步进电机驱动器连接及工作原理
3.1.3 传感器
本装置中使用的传感器有接近开关和行程开关。基座和气夹的正反转限位采用接近开关（金属传感器），通过调整基座和气夹上的金属块的位置，可以在一定范围内改变基座
图3-3 传感器工作原理图
和气夹的旋转角度。机械手的伸缩、升降均采用行程开关来限位，并通过改变行程开关的位置来调节横轴和竖轴的运动范围。
1、接近开关：接近开关有三根连接线（棕、兰、黑）棕色接电源的正极、蓝色接电源的负极、黑色为输出信号，当与档块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。与PLC之间的接线图如下，当传感器动作时，输出端对地接通。PLC内部光耦与传感器电源构成回路，PLC信号输入有效，工作原理如图3-3所示。
2、行程开关：当档块碰到开关时，常开点闭合。
3.1.4 直流电机驱动单元
本装置中直流电机驱动模块是由两个继电器的吸合与断开来控制电机的转动方向的，从而实现基座和气夹的正反转。本模型所用输入、输出均为低电平有效。其中IN端接PLC的输出端口，OUT端接模型的信号输入端。COM端接PLC的传感器电源负端。电平转换板原理图如图3-4所示。
图3-4 电平转换板原理图
3.2 机械手的动作实现过程
机械手的全部动作由步进电机和直流电机进行驱动控制。机械手结构示意图如图3-5所示。步进电机的运动需要驱动器，有脉冲输入时步进电机才会动作，且每当脉冲由低变高时步进电机走一步；改变电机转向时，需要加方向信号。机械手的上升/下降、前伸/后缩动作就是通过控制这两个步进电机的正反转来实现的。基座正转/反转和气夹正转/反转是通过两个继电器的吸合与断开来控制直流电机的转动方向来实现的。机械手的放松/夹紧由一个单线圈两位置电磁阀控制。当该线圈通电时，机械手放松；该线圈断电时，机械手夹紧[13]。
打开电源，按下起动按钮时，开机复位。机械手的动作示意图如图3-6所示机械手若不在原点则PLC向驱动器一同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机一反转，横轴后缩。当后缩到位时碰到后限位开关，然后主机向驱动器二输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。上升到底时碰到上限位开关，上升停止，回到原点。主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。降到底时碰到下限位开关，下降停止，气夹电磁阀断电，机械手夹紧。夹紧后，主机向驱动器二只输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。PLC向驱动器一只输入

图3-5 机械手结构示意图

图3-6 机械手的动作示意图
脉冲信号，步进电机一正转，机械手前伸，前伸到位时，碰到前限位开关，前伸停止。主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。降到底时碰到下限位开关，下降停止，同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。放松后，主机向驱动器二只输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。PLC向驱动器一同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机一反转，横轴后缩。机械手后缩，当后缩到底时碰到后限位开关，然后主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。下降到底时碰到下限位开关，下降停止，回到原点。至此，机械手经过八步动作完成一个循环[14]。
3.3 PLC程序设计
3.3.1 I/O点数的确定及PLC类型的选择
本次设计使用的是西门子S7-200型机械手实物教学实验装置。本装置需采用晶体管输出型可编程控制器，可同时输出两路脉冲到步进电机驱动器，控制步进电机运行。由于机械手系统的输入/输出点少，要求电气控制部分体积小，成本低，并能够用计算机对PLC进行监控和管理，该机械手的控制为纯开关量控制，且I/O点数不多，仅需11个输入点和9个输出点，考虑留有一定的裕量。故选用日本三菱公司生产的多功能小型FX1N-24MT-D主机，该机输入点为14个，输出点为10个[15]。
3.3.2 PLC的I/O分配
根据机械手动作的要求及机械手实物教学实验装置说明指导，输入、输出点分配如表3-5所示。
表3-5 PLC的I/O分配表
名称
输入
名称
输出
气夹正转限位
X0
驱动器一 PUL
Y0
气夹反转限位
X1
驱动器二 PUL
Y1
基座正转限位
X2
驱动器一 DIR
Y2
基座反转限位
X3
驱动器二 DIR
Y3
旋转脉冲
X4
气夹正转 ML
Y4
X轴前限位
X5
气夹反转 MR
Y5
X轴后限位
X6
基座反转 MR
Y6
Y轴上限位
X7
基座正转 ML
Y7
Y轴上限位
X10
气夹电磁阀 YV+
Y10
启动按钮
X11

复位按钮
X12

3.3.3 编程指令的选择
方案一：使用起保停电路的编程方式。用辅助继电器代表步，仅仅使用与触电和线圈有关的指令。编出程序规范，具有易于阅读和容易查错的优点，但因为存在大量的自保持触点，使程序代码较长。
方案二：采用以转换为中心的编程方式。这种编程方式与转换实现的基本规则之间有着严格的对应关系，用它编制复杂的顺序功能图的梯形图时，会有很大帮助。
方案三：采用STL指令的编程方式。STL指令（步进梯形指令）是三菱厂家设计的专门用于顺序控制的指令，使用该指令可以使编制顺序控制程序更加方便，而且易于调试和维护，且代码较短。
经论证本次设计采用的编程方式选用方案三。
3.3.4 PLC程序的设计
程序流程图见附录1、顺序功能图见附录2、梯形图见附录3、指令表见附录4。
3.4 PLC程序的调试
由于PLC是专门为工业生产环境设计的控制装置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工业环境中使用。但环境过于恶劣、电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都将不能保证PLC正常、安全、可靠的运行。因此，讨论PLC设计调试就具有十分重要的意义。
3.4.1 PLC控制的安装与布线
1、 输入接线
（1）输入接线一般不要超过30m。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。
（2）输入、输出线不能用同一根电缆，输入、输出线要分开。
（3）利用普通二极管恰当的串接在PLC输入回路中，防止信号干扰，使PLC输入信号大大增强。
2、电源接线
电源是PLC引入干扰的主要途径之一，PLC应尽可能取用电压波动较小、波形畸变较小的电源，这对提高PLC的可靠性有很大帮助。PLC的供电线路应与其他大功率用电设备或强干扰设备（如高频炉、弧焊机等）分开。为了提高整个系统的抗干扰能力，可编程序控制器供电回路一般可采用隔离变压器、交流稳压器、晶体管开关电源等。我们正是用了隔离变压器和交流稳压器来抗干扰。隔离变压器是初级和次级之间采用隔离屏蔽层，用漆包线或同等非导磁材料组成，电器回路上不允许短路，两极各引出一个接地抽头。初级与次级之间的静电屏蔽要联结到零点位，接地抽头配电容耦合最后引出到接地点。在选用交流稳压器时，一般可按照实际最大需求容量的130%计算。这样可以保证稳压特性又有助于稳压器工作可靠[16]。
3、接地
正确选择接地点，完善接地系统接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。所以我们给可编程控制器接上了专用接地线。
3.4.2 机械手控制系统的外部接线图
PLC外部电气接线图见附录4。
3.4.3 机械手控制程序的调试
在程序调试过程中出现了一系列的问题，但最终都一一解决了。在使用STL指令编程时，刚开始由于对STL指令掌握的不是很好，所以犯了不少错误，加上机械手模型装置本身存在的一些问题，所以在调试程序时，机械手动作不符合控制要求。经过不断查阅资料，研究、改进，最终程序调试成功。机械手运行良好，动作正确、符合控制要求。
第四章 MCGS在机械手控制系统中的应用
4.1 MCGS的概述
4.1.1 MCGS的简介
MCGS（Monitor and Control Generated System，通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件。它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。其主要特征和功能大体为：具有简单灵活的可视化操作界面、实时性强、有良好的并行处理性能、有丰富生动的多媒体画面、开放式结构、广泛的数据获取和强大的数据处理功能、完善的安全机制、强大的网络功能、多样化的报警功能、支持多种硬件设备、方便控制复杂的运行流程、良好的可维护性和可扩充性、设立对象元件库组态工作简单方便、能实现对工控系统的分布式控制和管理等等[17]。
4.1.2 MCGS的构成
MCGS系统包括组态环境和运行环境两个部分。
用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户组态生成的结果是一个数据库文件，称为组态结果数据库。
运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义，必须与数据库一起作为一个整体，才能构成用户引用系统。组态结果数据库完成了MCGS系统从组态环境向运行环境的过渡，它们之间的关系如图4-1所示。

组态环境：
组态生成
应用系统
运行环境：
解释执行
组态结果

组态结果
数据库

图4-1 组态环境和运行环境关系图
4.1.3 MCGS的主要特性和功能
（1）简单灵活的可视化操作界面。
（2）实时性强、良好的并行处理性能。
（3）丰富、生动的多媒体画面。
（4）开放式结构，广泛的数据获取和强大的数据处理功能。
4.1.4 MCGS的编程语言
MCGS全中文组态软件，采用C++语言编制，核心为组态结构。构架合理、连接灵活，结构层次清晰，方便用户的定制开发。它是基于WIN95/98/NT视窗结构，能够快速构造和生成数据管理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等界面，轻松实现各种工程曲线、报表、数据浏览、远程通讯、远程采集、远程诊断等功能的先进软件。
4.1.5 MCGS的数据结构
MCGS数据库管理功能强大，分为数据前处理（可以对设备采集进来的数据进行多种数值处理）、数据后处理（可通过各种内部函数、运算符、脚本程序对实时采集的数据进行处理）、实时数据处理（提供数据浏览，各种曲线、报表等功能构件，对存盘数据库的数据进行查询、排序、运算等操作），同时可以挂接外部数据库，实现ODBC接口和OLE实时调用，可以和SOL、Server、Oracle、Access等数据库相连，提供多种数据转换方式，每种方法都可以独立使用或组合使用。
4.1.6 MCGS的作用
MCGS全中文组态软件是真正的32位程序，支持多任务、多线程，提供近百种绘图工具和基本图符。使用ActiveDLL把设备驱动挂接在系统之中，支持数据采集板、智能模块、智能仪表、PLC、变频器、网络设备，它支持ActiveX控件，包括温控曲线、实时曲线、计划曲线、历史曲线、XY曲线、实时报表、历史报表、单行报表、配方管理、数据库管理、数据库浏览统计、多媒体输出等众多构件。
工程组态软件MCGS的最大优点是组态方便，它融会了中外工控组态软件的众多长处，只要是稍具外语常识，即可以方便组态[18]。
4.2 工程的建立与变量的定义
4.2.1 工程的建立
1) 首先双击桌面MCGS组态环境图标，进入组态环境，屏幕中间窗口为工作台。
2) 单击文件菜单中“新建工程”选项，自动生成新建工程，默认的工程名为：“新建工程0.MCG”。
3) 选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。
4) 在文件名一栏内输入“机械手控制系统”，点击“保存”按钮，工程创建完毕。如图4-3所示。

图4-3 MCGS工作台窗口
4.2.2 变量的分配
在开始定义之前，我们先对系统进行分析，确定需要的变量。本系统至少需要16个变量，见表4-1。

表4-1 机械手控制系统变量分配表
变量名
类型
初值
注释
启动按钮
开关型
0
机械手启动控制信号，X11输入，1有效
复位按钮
开关型
0
机械手复位控制信号，X12输入，1有效
夹紧
开关型
1
机械手动作控制——夹紧，输出，0有效
放松
开关型
1
机械手动作控制——放松，输出，0有效
上升
开关型
1
机械手动作控制——上升，输出，0有效
下降
开关型
1
机械手动作控制——下降，输出，0有效
前伸
开关型
1
机械手动作控制——前伸，输出，0有效
后缩
开关型
1
机械手动作控制——后缩，输出，0有效
X5
开关型
0
X轴前限位，输入，1有效，停止前伸
X6
开关型
0
X轴后限位，输入，1有效，停止后缩
X7
开关型
0
Y轴上限位，输入，1有效，停止上升
X10
开关型
0
Y轴下限位，输入，1有效，停止下降
工件夹紧标志
开关型
0
夹紧为1
初始位置
开关型
1
工件处于初始位置时为1
垂直移动量
数值型
0
动画参数
水平移动量
数值型
0
动画参数

机械手动作控制信号本身要求高电平，而开关量输出通道是反相输出，因此上升等几个变量需设计为低电平有效，即送“0”动作。
4.2.3 变量定义的步骤
1) 单击工作台中的“实时数据库”选项卡，进入“实时数据库”窗口页，如图4-4所示。窗口中列出了系统已有变量“数据对象”的名称。其中一部分为系统内部建立的数据对象。现在要将表中定义的数据对象添加进去。
2) 单击工作台右侧“新增对象” 按钮，在窗口的数据对象列表中，增加了一个新的数据对象，如图4-5所示。
3) 选中该数据对象，按“对象属性”按钮，或双击选中对象，则打开“数据对象属性设置” 窗口。

图4-4 实时数据库窗口

图4-5 实时数据库窗口

图4-6 数据对象属性设置窗口

4) 将“对象名称”改为：启动按钮；“对象初值”改为：0；“对象类型”选择：开关型；在“对象内容注释输入框”内输入：机械手启动信号，X11输入，1有效。
5) 单击“确定”。如图4-6所示。
6) 按照步骤2~5，根据上面列表，设置其他数据对象。
7) 单击“保存”按钮。
4.2.4 设备与变量连接
1) 在工作台“设备窗口”中双击“设备窗口”图标进入。
2)