觸摸屏在機械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用與設(shè)計
張金環(huán)
（天津職業(yè)大學機電工程與自動化學院， 天津300410）

摘要： 提出了將觸摸屏應(yīng)用于以機械手為被控對象的PLC 控制系統(tǒng)中， 給出以GE PLC 作為控制核心，以觸摸屏為操作界面實現(xiàn)機械手控制的設(shè)計方法。該設(shè)計方法通過在觸摸屏上組態(tài)機械手的畫面及相應(yīng)的軟件編程實現(xiàn)PLC 對機械手的控制， 達到在觸摸屏界面真實再現(xiàn)機械手的運動過程及運行結(jié)果。本實例證明， 觸摸屏的應(yīng)用可以豐富高校PLC 的實踐教學， 具有很好的實用價值。

關(guān)鍵詞： 可編程序控制器； 控制系統(tǒng)； 機械手； 觸摸屏

中圖分類號： TP39 文獻標識碼： A doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2011.05.057

0 引言

    隨著我國自動化技術(shù)的提高, 人機界面產(chǎn)品越來越受到人們的關(guān)注。作為新一代高科技人機界面產(chǎn)品的觸摸屏是適合在惡劣的工業(yè)環(huán)境中作為一種在操作人員和機器設(shè)備之間作雙向溝通的新型人機界面[1]， 是可編程序控制器PLC （Programmable Logical Controller） 的最佳搭檔[2]。將觸摸屏用于PLC 控制系統(tǒng)中已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展方向。伴隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展， PLC 也已經(jīng)成為工科院校機電類專業(yè)的主要課程。但學校教學中PLC 的被控工業(yè)對象往往會受到被控對象的種類、價格、體積和維護等多種條件的限制， 容易造成實踐項目種類局限和擴展性差等現(xiàn)象。隨著觸摸屏監(jiān)控功能越來越強大， 使得觸摸屏取代傳統(tǒng)教學中的控制面板和實物演示的功能成為可能。本文提出了將觸摸屏應(yīng)用于以機械手為被控對象的PLC 控制系統(tǒng)中， 此方法的使用一方面減少了PLC 所使用的I/O 點數(shù)， 另一方面觸摸屏具有的圖形化和交互式的組態(tài)工作界面更易于擴展系統(tǒng)的功能， 豐富PLC 的實踐教學。

1 機械手控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)的控制要求

圖1 機械手
 

    搬運機械手見圖1， 其任務(wù)為將左工位上加工好的工件送到右工位， 已知待搬運工件在機械手初始位置正下方， 對此機械手有如下控制要求：

    （1）機械手在初始位置， 按下啟動按鈕后， 機械手下移至工件處→夾緊工件→攜工件上升→右移至下一個工位上方→下移至指定位置→放下工件→上移→左移， 回到原始位置。此過程反復循環(huán)執(zhí)行。

    （2）機械手運動過程中， 如果按下停止按鈕， 機械手并不馬上停止， 也不主動復位， 而是繼續(xù)工作， 直到完成本周期操作， 回到原始位置， 之后停止， 不再循環(huán)。如果按下急停按鈕， 機械手停在當前位置，解除急停后， 按下復位按鈕， 機械手復位， 停在初始位置等待重新開始操作。

1.2 系統(tǒng)硬件配置

    （1） 控制系統(tǒng)的選型。目前,在國內(nèi)市場上有國外引進的和國內(nèi)組裝、開發(fā)的多種PLC。故PLC 系列標準不一， 功能參差不齊， 價格懸殊， 考慮到PLC 的性價比、適應(yīng)負載的能力和學校教學的適應(yīng)性等因素， 選用PACSystems RX3i 系列PLC 產(chǎn)品和QP Control 6″ TFT（IC754Cxx06Cxx） 觸摸屏。控制軟件采用GE 公司的集成開發(fā)環(huán)境Proficy Machine Edition 6.0， 該軟件在一個開發(fā)環(huán)境中集成Proficy View（觸摸屏）、Logic Developer-PLC（PLC/PAC 的編程）、Logic Developer-PC （基于PC 控制的編程與運行調(diào)試） 和Proficy Motion Developer （運動控制編程） 編程界面， 編程界面的切換只需點擊菜單欄Window 的下拉菜單中的Apply Themes 即可實現(xiàn)。Proficy ME 軟件平臺在多種硬件上具有很好的可移植性[3]。

    （2） PLC 系統(tǒng)硬件組成。PLC 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括： RX3i 可編程控制器CPU 模塊（IC695CPU310）、12 插槽底板（IC695CHS012）、直流24 伏單幅寬電源模塊（IC695PSD040）、以太網(wǎng)通信模塊（IC695ETM001）、32 點控制指令輸入模塊（IC694MDL655）、32 點控制指令輸出模塊（IC694MDL754）[4]。其硬件結(jié)構(gòu)組成見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
 

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    （1） 系統(tǒng)的地址分配。根據(jù)機械手的控制要求可知， 本控制系統(tǒng)共有4 個按鈕輸入信號， 分別執(zhí)行啟動、停止、急停和復位功能； 位置檢測傳感器需要4 個， 分別執(zhí)行左限位、上限位、下限位和右限位的功能； 輸出信號有5 個， 分別執(zhí)行機械手的下移、夾緊、上升、右移和左移的功能。系統(tǒng)的I ／ O 分配見表1。

表1 控制系統(tǒng)的I/O 分配表

    （2） 觸摸屏人機界面的設(shè)計由以下兩部分組成。第一部分：監(jiān)控界面設(shè)計。該系統(tǒng)的觸摸屏選用IC754VSL12CTD， 分辨率為800×600 像素。觸摸屏的操作系統(tǒng)是微軟Windows CE．NETFM， 它保存在16MB 閃存中， 在使用時被拷貝到動態(tài)內(nèi)存中， 上電或者重新啟動觸摸屏后， 操作系統(tǒng)自動開始運行。由于GE 公司將觸摸屏Quick panel View 編程軟件與Proficy MachineEdition 軟件相融合， 所有接口產(chǎn)品均可以采用同一個軟件包來進行軟件編制， 該軟件包括有組態(tài)、部件、繪圖和編制腳本程序等豐富的工具， 因此可以在較短時間內(nèi)完成復雜的監(jiān)控畫面開發(fā)。完成整體畫面制作和腳本程序的編制后， 通過觸摸屏上一個自適應(yīng)、半雙工或全雙工的網(wǎng)卡端口， 將在Proficy Machine Edition 中編好的軟件用網(wǎng)線通過PLC 的以太網(wǎng)通訊模塊下載到觸摸屏中，同時實現(xiàn)與PLC 通信和人機交互操作。本系統(tǒng)觸摸屏監(jiān)控畫面如圖3 所示。

圖3 機械手控制系統(tǒng)的觸摸屏監(jiān)控界面
 

    監(jiān)控畫面中畫出了機械手的簡單示意圖， 并設(shè)計了四個輸入按鈕、四個限位開關(guān)的指示燈、兩個夾緊和放松的指示燈， 機械手的上、下、左、右動作可以從畫面上直觀看到。畫面中還設(shè)計了兩個狀態(tài)指示燈， 代表機械手運行和停止運行的狀態(tài)， 當機械手處于運行和停止運行的狀態(tài)時， 它們將進行相應(yīng)的指示。第二部分： 變量的動畫連接。本控制系統(tǒng)中觸摸屏監(jiān)控畫面中相對應(yīng)的按鈕、指示燈和機械手的運動等與PLC 中的變量建立連接， 以便能使監(jiān)控畫面按照動作要求動起來。觸摸屏上的按鈕和限位開關(guān)的指示燈是通過中間繼電器與梯形圖程序建立連接， 機械手的上、下、左、右四個動作變量與輸出繼電器進行連接和相應(yīng)的腳本程序?qū)崿F(xiàn)動畫功能。按鈕的動畫連接(以啟動按鈕為例) 需進行Touch 和Color 配置； 指示燈的動畫連接需進行Color 顏色配置和腳本程序?qū)崿F(xiàn)； 機械手臂的移動需進行Size、Position 配置和腳本程序?qū)崿F(xiàn)。配置方法以啟動按鈕觸摸動態(tài)配置為例，

圖4 啟動按鈕觸摸動態(tài)配置
 

見圖4。

    機械手臂的移動動畫和位置傳感器指示燈的狀態(tài)變化的腳本程序（以機械手臂下移和下限位傳感器指示燈為例） 如下：
IF Targetl.Q00001>0
xiajiang:=xiajiang+10
ENDIF
IF xiajiang>50
Targetl.M00007:=1
ENDIF
IF Targetl.Q00003>0
Targetl.M00007:=0
ENDIF
    （3） PLC 軟件程序設(shè)計。控制系統(tǒng)軟件采用ProficyME 6.0 編程， Proficy ME 6.0 軟件是在Windows 操作系統(tǒng)下對GE PLC 編程的可視化開發(fā)工具， 利用Logic Developer—PLC 可以在個人計算機上進行控制程序的開發(fā)， 并且通過以太網(wǎng)或串行口下載到PLC 中。

2 控制系統(tǒng)的軟、硬件聯(lián)調(diào)

    通過Proficy Machine Edition 編程界面的連接(Online/Offline) 建立PC 機與PAC 的連接并下載， 并將CPU310 上的撥鈕開關(guān)打到RUN OUTPUT DISABLE 位置， 觀察程序輸出的運行結(jié)果是否正確， 如果軟件程序設(shè)計正確， 將撥鈕開關(guān)打到RUN I/O ENABLE。右擊觸摸屏目標對象， 按左鍵選擇下拉菜單中的下載并運行， 將觸摸屏運行畫面及腳本程序下載到觸摸屏中， 點擊畫面上的輸入按鈕， 修改程序及監(jiān)控畫面直到觸摸屏畫面中觀察機械手的運行過程滿足控制系統(tǒng)的控制要求為止。

3 結(jié)束語

    該設(shè)計提出將觸摸屏應(yīng)用到機械手的PLC 控制系統(tǒng)中。對整個控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計和系統(tǒng)的調(diào)試可以實現(xiàn)PLC 控制觸摸屏畫面的機械手， 真實展現(xiàn)機械手作為控制系統(tǒng)中被控對象的工作過程。實踐應(yīng)用證實， 該系統(tǒng)設(shè)計方案合理， 仿真效果逼真， 有助于提高學生在工業(yè)控制中PLC 編程能力和達到豐富學生工程實踐經(jīng)驗的目的， 可在高校教學中推廣， 具有很強的實用性。

參考文獻：

[1] 王整風. 基于PLC 與觸摸屏技術(shù)的原煤采樣系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[J].煤礦機械，2008，11.
[2] 蔣曉峰，施偉鋒，等.基于觸摸屏和PLC 的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電力自動化設(shè)備，2010，1.
[3] GE Fanuc PACSystems +Rx3isystem notebook. http：//wenku.baidu.com/view/acac3f126
[4] LI Tian-jian, The Design of Automatic Warehousing System Based on RX3iPACTechnology [J].ComputerKnowledge and Technology, 2010，6.
[5] Sang C,Park & Chang Mok Park & Gi -Nam Wang. A PLC programming environment based on a virtual plant [J]. Int J Adv Manuf Technol,2008，13.
[6] Kevin J. Developing a Hybrid Programmable Logic Controller Platform for a Flexible Manufacturing System [J]. The International  Journal of Flexible Manufacturing Systems，2009，17.