摘要：介绍了西门子S7-200可编程控制器在机械手控制系统中的应用，并用MCGS组态软件开发了上位机监控系统。在MCGS和PLC通信的基础上，通过计算机控制PLC，实现了对机械手的控制，实践证明，系统具有界面友好，易于操作，运行可靠，能直观的检验机械手控制系统的运行情况等优点。
关键词：组态软件；机械手； PLC； MCGS
中图分类号：TP241文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)14-3473-03
The Design of Manipulator Controlling System Based on MCGS
ZHAO Yun-ting1, JIA Wen-min2
(1.Department of Energy Electrical, Tianjin Urban Construction Management Vocation Technology College, Tianjin 300134, China; 2.School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin Polytechnic University ，Tianjin300160，China)
Abstract: The application of the SIEMENS S7-200 PLC in manipulator controlling system is introduced，and the monitoring interface of computer is developed with configuration software.Through the computer control PLC, realized the control of the manipulator which based on MCGS and PLC communication.Practice proved that system has a friendly interface, easy operation,reliable running, and can obviously monitor the operation status of manipulator controllingsystem and so on.
Key words: configuration software; manipulator; PLC; MCGS
MCGS即“监视与控制通用系统”，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，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出等功能为一体，具有操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。是国内使用较多的国产通用组态软件[1]。
可编程控制器（PLC）是以微处理技术为基础，综合计算机技术和自动控制技术发展起来的一种新型工业控制器[2]。它在工业现场中对机械手能起到有效而灵活的控制。机械手是一种模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓取、搬运工件或工具进行操作的自动化装置[3]。文章利用PLC控制机械手用于抓取和搬运工件。上位机采用MCGS监控控制界面，方便直观的获取和存储机械手模型位置和状态信息。该机械手具有一定的通用性和开放性，即能用于实际生产，又能方便实验教学，因此，通过MCGS开发和研究机械手具有重要的实际意义。
1 机械手控制系统PLC设计
1.1 机械手控制系统的控制要求
机械手具有启停、移动和抓放功能。启动和停止功能由操作人员通过启停按钮进行控制，移动和抓放功能则由相应的电磁阀控制。对应的电磁阀有六个，分别是左移、右移、上移、下移、抓紧和放松阀。若要机械手动作只要控制相应的电磁阀动作即可。机械手的动作可由操作人员现场手动操作，也可根据工艺需要预先编好程序，启动后按照程序动作。
1.1.1 机械手的工作过程
机械手搬运工件，要求机械手按照工作过程完成上移、下移、夹紧、放松、左移、右移多种动作，按下启动按钮SB1后，机械手工作过程如图1所示。
1.1.2 机械手工作方式
该机械手控制系统设有手动、单周期、单步、连续和回原点5种工作方式。
1) 在手动工作方式下，六个按钮分别控制机械手的上移、下移、左移、右移、夹紧、放松。
2) 单周期工作方式下，按下启动按钮SB1，机械手完成一个周期工作后，返回并停留在原始位置。
3) 单步工作方式下，按一下启动按钮、系统转到下一步，完成该步任务后停止工作，再按启动按钮，再往前走一步，此方式常用于系统调试。
4) 连续工作方式下，机械手从原始位置开始，工作一个周期后，会自动连续循环。按下停止按钮SB2，机械手在完成最后一个周期后，回到原始位置，然后停止。
1.2 PLC输入输出端子分配
该机械手控制系统的控制为纯开关控制，共需要17个输入量，6个输出量。
系统选用性价比比较高的西门子S7-200 PLC，CPU226，其I/O点为24输入，16输出，完全可以满足系统要求。
机械手控制系统的PLC外部接线图如图2所示。
2 基于MCGS的机械手监控系统设计
2.1 MCGS组态软件
MCGS组态软件由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性[4]。五部分功能如图3所示。
MCGS能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、曲线和报表输出等功能，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的特点。
使用MCGS组件新工程一般按照以下步骤：1）工程项目系统分析；2）建立新工程；3）设计菜单基本体系；4）制作动画显示画面；5）编写控制流程程序；6）完善菜单按钮功能；7）编写程序调试工程；8）连接设备驱动程序；9）工程完工综合测试。
2.2 机械手监控系统建立
弄清系统的控制流程和所要监控的对象特征后，明确监控要求，分析工程中的输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，然后建立一个文件名为“机械手控制系统”的MCGS工程，如图4所示。
2.3 动画制作
利用绘图工具中的对象元件库，来完成机械手静态画面设计。绘图效果如图5所示。
2.4 定义数据变量
实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。数据对象是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程。本工程定义的数据对象见图6所示。
2.5 机械手监控系统动画连接
画面编辑好后，需要将画面与前面定义的数据对象即变量关联起来，以便运行时，画面上的内容能随变量变化，逼真的模拟机械手动作。需要进行按钮的动画连接、指示灯的动画连接。为实现机械手上下左右动作，静态画面中机械手、上工件、下滑竿等部分需要随动作进行水平移动，上工件要做垂直移动，左滑竿做水平缩放，下滑竿做垂直缩放。
2.6 连接西门子设备
在设备窗口中建立系统与外部硬件设备的连接关系，使系统能够从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对工业过程的实时监控。设备窗口以对象的形式与外部设备建立数据的传输通道连接。通过通道连接，向实时数据库提供从外部设备采集到的数据，从实时数据库查询控制参数，发送给系统其它部分，进行控制运算和流程调度，实现对设备工作状态的实时检测和过程的自动控制。
使用MCGS组态软件和PLC通讯之前，必须保证通讯连接正确，通讯电缆使用西门子标准PC\PPI电缆[5]。机械手控制系统设备连接如图所示。设置成功后在子设备的通道连接中通讯标志位为1，则说明连接成功，否则需要重新设置设备的属性[6]。设备管理如图7所示。
2.7 利用定时器和脚本程序实现机械手的定时控制
进行组态设计时，控制策略是必不可少的，在MCGS运行策略窗口中对循环策略进行了组态设置，该策略包含定时器构件与脚本程序构件。
根据机械手控制要求，机械手完成一个循环回到初始位置需44S，因此设置定时器的定时时间为44。具体设置如图8所示。
机械手程序分定时器控制、运行控制和停止控制三部分，定时器部分实现启动按钮和复位按钮对定时器的控制功能。
1）定时器部分相应的脚本程序：
IF 启动按钮=1 AND 复位按钮=0 THEN
定时器复位=0
定时器启动=1"如果启动按钮=1且复位按钮=0，则启动定时器工作
ENDIF
IF 启动按钮=0 THEN
定时器启动=0 "只要启动按钮=0，立刻停止定时器工作
ENDIF
IF 复位按钮=1 AND 计时时间>=44 THEN
定时器启动=0 "如果复位按钮=1
"只有当计时时间>=44s，即回到初始位置时，才停止定时器工作
ENDIF
2）停止控制部分对应的脚本程序：
IF 定时器启动=0 THEN
下移阀=1
上移阀=1
左移阀=1
右移阀=1
ENDIF
MCGS通过设备驱动程序从现场设备获取实时数据，一方面以图形的方式直观地显示在上位机上，另一方面按照组态要求和操作人员的指令将控制数据送给现场硬件设备，对执行机构实施控制或调整控制参数。
3 结论
根据PLC控制系统的要求，利用组态技术和PLC构成了简单可靠地机械手控制系统。通过MCGS实现了对机械手动作状态的实时监控，上位机具有便捷的计算、图形、控制、强大的数据管理能力，操作人员可以通过上位机画面直观方便的了解设备的运行情况，大大提高工作者的工作效率。下位机可编程控制器具有优良的控制驱动能力。系统工作可靠，控制方案还具有较强的通用性，本机械手控制系统的研制无论对改进PLC课程的教学和组态软件课程的教学还是传统机械手系统的改造，都具有很重要的现实意义
参考文献：
[1] 张文明,刘志军.组态软件控制技术[M].北京:清华大学出版社,2006
[2] 黄净.电器及PLC控制技术[M].北京:机械工业出版社,2002.
[3] Zein Ei Din.High Performance PLC Controlled Stepper Motor in Robot Manipulator[J].Industrial Electronics,1996:974-978
[4] 北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.MCGS参考手册[M].北京:北京昆仑通态自动化软件科技有限公司,2004.
[5] 廖常初.Siemens S7-200 PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社,2005.
[6] 袁秀英.组态控制技术[M].北京:电子工业出版社,2003.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
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