[摘要]在本设计中，我将介绍两种方式来实现对机械手系统的控制，并且在本文中将具体介绍关于组态王所能实现的控制方式，以及即时信息的反馈功能。
[关键词]机械手 组态王 监控系统
一、机械手控制要求分析
下面通过具体的设计来实现本监控系统的功能，现在，分析机械手控制系统的控制要求。机械手具有启动、停止、移动、抓、放等功能。机械手操作人员可以通过启动、停止按钮来控制机械手的启动和停止。移动和抓、放功能通过步进电机和直流电机来实现。底盘的旋转则直接由直流电机通过电机的正、反转来实现对其的控制。抓紧和放松电磁阀的控制当相应的电磁阀动作，则机械手会作出相应的机械动作。对机械手的操作可以有两种方式：第一种是由现场操作人员通过相应的按钮控制机械手的动作；第二种是根据实际的生产工艺要求，编制出控制程序，按照事先预定的顺序控制机械手的动作。
二、机械手监控系统简介
本文将实现对机械手控制系统进行信号采集、系统运行状况时实远程监控等多项功能，整个工程的组态工作包括定义环境的数据变量，动画制作，控制流程的脚本程序的编写，完成上位工控机与底层设备的通讯，信号的输出，安全机制等。
控制流程的编写是对系统运行流程实现有效控制的手段，运行策略本身是系统提供的一个框架，其里面放置有策略条件构件和策略构件组成的“策略行”，通过对运行策略的定义，使系统能够按照设定的顺序和条件操作实时数据库、控制用户窗口的打开、关闭并确定设备构件的工作状态等，从而实现对外部设备工作过程的精确控制，包括编写控制程序，选用各种功能构件，如数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。
通过工程浏览器，可以很清楚地看到真个系统工程涉及制作的画面，它将画面制作系统设计的图形画面、命令语言、设备管理、变量管理、网络配置、配方管理、系统配置（包括开发系统配置、运行系统配置、报警配置、历史数据记录、网络配置、打印和用户配置等）工程资源进行了集中的管理，在一个窗口进行了树型结构的排列，左边部分是“工程目录显示区”，右边部分为“目录内容显示区”。
三、配置设备
1. I/O接口
I/O接口是实现工控机输入/输出信号与外部设备之间进行连接的桥梁。这里采用一台西门子公司生产的型号为S7-224的PLC（可编程序逻辑控制器）作为工控机与机械手之间进行数据交换的设备。它具有14路数字量输入，10路数字量输出，用户程序空间为4096字，数据块空间为2560字，内部储存器位256位，高速记数器总数6个，定时器总数256个，计数器总数256个，布尔指令执行速度（33MHz下）为0.37us/指令，通讯口数1路（电器接口：RS-232，最大波特率：187.5kbps）。图1是S7-224的PLC面板图。
2.通讯协议
本工程能对西门子S7-224的PLC实行实时数据采集是利用串口数据线对PLC的地址进行实时读取数据。在本项工作上首先在组态王设备窗口中挂接通用串口父设备，它是提供串口通讯功能的父设备，下面可以挂接所有通过串口连接的设备。这是软件供应商提供的，我们需要做的工作是在其基本属性页中，设置了串口的基本属性，包括端口号，通讯波特率，数据位位数，停止位位数，数据校验方式，这些设置要按照设备的要求来设置。然后根据西门子S7-224 PLC提供的使用手册，在通用串口父设备挂接设备2（西门子S7-224），西门子S7-224设备必须挂接在串口父设备下。本设备构件用于组态王读写西门子S7-200系列中支持RS-232通信协议的PLC设备。串口父设备用来设置通信参数和通信端口，通信参数必须设置成与PLC的设置一样，否则就无法通信。组态王通过上位机中的串行口设备和PLC上的通讯单元（编程口）建立串行通讯连接，从而达到操作PLC设备的目的。
所以，本工程中的设置如下通讯波特率=9600，数据位位数=7位，停止位位数为1位，数据校验方式为偶校验，数据采集方式为同步采集。
S7-224型的PLC编程口通过一根专用电缆与RS-232串行通信口连接，达到数据交换的目的，可以用于程序的写入和调试以及上位机监视。
3. 数据库的建立
数据库是组态王软件的核心部分。建立在数据库中的各种变量负责和各种外部设备进行数据交换，以及相关数据的存储，与工程各个部分的数据交换与处理中心，它将组态的工程的各个部分连接成有机的整体，在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。本课题的动画模拟制作涉及许多的数据变量的定义，有开关型、数值型、整型等。
数据词典中的变量的是用来存放外部设备传送进来的控制信号以及要发送到机械手去的控制信号，这些变量需要同外部设备进行数据交换，故需要首先进行设备配置，再建立相应的变量。在这些量中也增加了程序所必需的中间变量。
4．组态监控系统的主界面
在本课题中，为了方便操作使用，便于管理，按照不同动作的实现方式，建立了封面、手动、自动、底盘旋转等主要画面通过组态王软件的监控系统来实现对其操作。为了防止其他人员对工程进行随意的修改，可以对开发的工程进行加密设置，下面是进入工程时的加密
保护如图2。封面窗口是系统工程的启动窗口，它用于显示系统简介以及课题名称等介绍，也是作为进入首页的前奏，而且增加系统整体的美观性。
5.首页（自动）窗口
在本窗口中，主要展现的是机械手控制系统在自动状态下的运作方式及流程：首先，通过启动的控制来实现对系统的启动，启动/停止状态灯将显示为绿色（表示该状态为启动，红色则表示停止），然后在自动状态下根据原来设定的程序执行的：机械手向X轴负方向运动，然后，向Y轴正方向运动。当X轴运动到最大运动极限即是X轴左到位，由于限位开关的作用，在X轴方向的运动将停止；同理，当Y轴运动到最大运动极限即是Y轴上到位，由于限位开关的作用，在Y轴方向的运动也将停止。此时，为了实现机械手的自动复位的功能，我们使用到了复位按钮来实现其复位动作，按下复位按钮机械手将自动回复到运动前的初始位置。
6.手动窗口
此窗口中的动作流程和自动窗口下完成的动作基本相同，主要展现的是机械手控制系统在手动状态下的运作方式及流程：首先，通过启动的控制来实现对系统的启动，启动/停止状态灯将显示为绿色（表示该状态为启动，红色则表示停止），然后，在手动状态下，当选择X轴移动，则机械手由初始位置向X轴负方向运动；当选择Y轴移动，然后向Y轴正方向运动。当X轴运动到最大运动极限即是X轴左到位，由于限位开关的作用，在X轴方向的运动将停止；同理，当Y轴运动到最大运动极限即是Y轴上到位，由于限位开关的作用，在Y轴方向的运动也将停止。此时，为了实现机械手的自动复位的功能，我们使用到了复位按钮来实现其复位动作，按下复位按钮机械手将自动回复到运动前的初始位置。
7.底盘移动窗口
为了使机械手拥有更大的活动范围，增强其实用性，故在其原有的X轴和Y轴的基础上增加了底盘旋转的功能，在本窗口中，主要展现了机械手通过启动按钮来使系统达到启动状态，然后通过底盘旋转按钮来完成此动作，同时抓手在运行过程中可以随时启动，完成抓放物体的功能。
8.信号管理窗口
本窗口的意义在于可以实时采集各个PLC绝对地址的输入、输出量的值，通过本窗口我们可以十分清晰的看出各个地址的值，对应PLC程序的顺序功能图，我们通过图3信号管理窗口就可以清楚地看到各个动作。上图3是信号管理窗口。 在此信号窗口中，主要反映的是对机械手的当前运动状态的一个实时状态的监控。当前状态为手动运行时，手动/自动按钮所对应的输入信号I0.0置1，绿色的信号灯表示运行，与此同时，可以从输出的自动状态灯上看到输出的信号Q1.1也置1，信号灯显示为绿。
X轴点动的输入信号I0.1置0，信号灯显示为红色，表示当前手动状态下X轴点动并没有实行此操作；Y轴点动的输入信号I0.2置1，信号灯显示为绿色，表示当前手动状态下Y轴点动实行此操作。底盘转动的输入信号I0.4置0，信号灯显示为红色，表示当前手动状态下底盘转动这个动作并没有实行；但是当前底盘的左到位输入信号I1.3由底盘的光电传感器来反馈给PLC，表示底盘已经到达左边的极限位置。驱动器分别由A、B两台步进电机来控制其方向和实现脉冲的输出。电磁阀是用来控制抓手的抓紧和放松两种状态其状态可以由信号Q1.0来显示，由图4-11可以知道当前状态为抓紧。
9.安全权限管理
采用用户组和用户的概念来进行操作权限的控制。在本工程中定义多个用户组，每个用户组中包含多个用户，同一个用户隶属于多个用户组。操作权限的分配是以用户组为单位来进行的，即某种功能的操作哪些用户组有权限，而某个用户能否对这个功能进行操作取决于该用户所在的用户组是否具备对应的操作权限。
系统按用户组来分配操作权限的机制，使用户能方便地建立各种多层次的安全机制。即划分为系统管理员、操作员。如图4用户选择登录所示。
操作员只能进行监视工作画面，对某些按钮进行操作；系统管理员则能拥有全部的权利包括对操作按钮进行动作控制和系统的修改。
四、总结
随着当今科技的发展，监控系统也越来越成为现代工业生产的必备系统。本设计中运用可编程控制器PLC结合组态王6．51作为开发平台，完成了PLC控制机器手人机交互系统设计中的监控系统部分的设计，具有一定研究意义。
参考文献：
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（作者单位：浙江理工大学机械与控制学院）
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