基于PLC的机械手控制系统及组态设计

PLC课程设计报告
题目：基于PLC的机械手控制系统及组态设计
二级学院：电气与电子工程学院
班级： 14电气实验班
姓名：李浩文
学号：
组员：
指导老师：
成绩：
日期： 2017年4月
基于PLC的机械手控制系统及组态设计
摘要
随着21世纪的发展，技术科技的不断完善，人们对于机械手的控制系统运用越来越成熟，机械自动化逐步代替了人工操作，这意味着将解放人类劳动力，一些简单重复的动作将会有机器代替运作，并且在某些场所，例如高温高压，有毒气体以及威胁到人类生命安全的环境。

为了适应社会需求的变化，人类不断实践和探索，机械手应运而生，相应的各种难题迎刃而解。

本设计主要介绍了国内外机械手研究现状及可编程控制器S7-200 PLC的研究发展趋势，基于PLC编程可知，组态王可以实现与S7-200编程器相结合，组建简单的仿真界面，通过仿真软件可以清晰的了解到机械手的操作，包括上移、下移、左移、右移。

实验表明，由S7-200 PLC和Kingview6.55构成的控制系统人机界面简单、易于操作、经济实用、可靠性高、稳定性高。

关键词：S7-200 PLC；组态王Kingview6.55；机械手
目录
1绪论 (1)
1.1研究该课题的重要性 (1)
1.2国内外机械手研究现状 (1)
1.3该课题研究的内容 (2)
2组态王Kingview 6.55和可编程控制器的介绍 (3)
2.1组态王Kingview 6.55的介绍 (3)
2.1.1组态王的历史 (3)
2.1.2组态王的结构 (3)
2.1.3组态王的基本配置 (5)
2.1.4组态王软件产生的背景 (8)
2.1.5组态软件的发展方向 (8)
2.2可编程控制器的介绍 (10)
2.2.1可编程控制器的概述 (10)
2.2.2可编程控制器的历史 (10)
2.2.3 PLC的基本结构 (11)
2.2.4 PLC的工作原理 (12)
2.2.5 PLC的基本配置 (12)
3机械手控制系统的设计 (15)
3.1机械手控制方式的选择 (15)
3.1.1机械手控制方式的分类 (15)
3.1.2 PLC与IPC和DCS的比较 (15)
3.2 PLC的控制电路程序设计 (16)
3.2.1 PLC的I/O分配表 (16)
3.2.2编程指令的选择 (17)
3.2.4 机械手的动作实现过程 (19)
3.2.5 PLC控制机械手的模拟工作图 (19)
3.2.6 PLC梯形图设计 (21)
3.3 PLC程序的调试 (30)
3.3.1 PLC控制的安装与布线 (30)
3.3.2机械手控制程序的调试 (31)
4组态王Kingview 6.55在机械手控制系统中的应用 (32)
4.1工程的建立与结构变量的定义 (32)
4.1.1工程的建立 (32)
4.1.2建立结构变量的步骤 (33)
4.1.3设备与组态王的连接 (35)
4.2动画的连接 (38)
4.2.1指示灯的动画连接 (38)
4.2.2机械手的动画连接 (39)
4.3组态运行调试 (45)
总结 (46)
参考文献 (47)
附录 PLC梯形图设计 (48)
基于PLC的机械手控制系统及组态设计
1绪论
1.1研究该课题的重要性
该课题主要是研究当代机械手的控制过程以及如何实现，随着科技的不断发展，机械手运用到各个领域和产业当中，而现在机械手面临的问题主要是位置的精准性，定位精准性的准确度决定了机械手在工业的运用场所，同时随着发展的需要，机械手上位机要准备的报出发生故障的所在位置，运行维护人员要第一时间赶往现场并排除故障原因。

现代的机器手己经应用于众多领域：在汽车组装线上对车身进行焊接和喷漆；用于医疗领域的微型手术方面已有许多进展。

因而，机械手控制技术的发展具有极其重大的意义。

主要的部分是通过控制电动机来操控机械手的手臂，手指部分的旋转或者移动来完成对物件的抓取和传送。

随着工业的自动化需要，解放人类劳动力，科学技术发展逐步代替了以往以人工为劳动力的流水线工作，同时一些不适宜人类施工的成所，甚至会对人类造成伤害的场所等等，对于该课题机械手的控制系统研究是非常具有重要的实际意义。

1.2国内外机械手研究现状
目前在国内的机械手主要是从事一些简单的操作工作，例如：简单的机床加工，锻造简单工程，一些热处理而已，要想实现更加自动化的操作，还需要投入大量的科学研究，对于我国来说，这是非常必要的一个研究，研究成熟之后将会对工业生产带来极大的便利，同时也意味着我国的技术更向前迈一步，这将会是革命性的变化。

而国外的机械手技术相对来说，比国内的技术要更成熟一些，能够实现更多自动化的操作，机械化的水平更是逐步完善，可以完成人类基本上的动作，包括位置的准确性、控制的速度、动作的灵敏性，这些国外的技术都是值得我们去学习和借鉴，当然国外目前也是存在缺陷的，一些触觉、视觉性能的机械手还没有完全研究成熟，这也是意味着我们研究该课题的重要性，而机械手的设计还要涉及到每一个系统细小的基本单元。

随着学科的相互渗透和大规模还有超大规模的集成电路等电子技术的发展，机械领域己经拓宽了许多，使得机械系统由简单到复杂，功能越来越强，精度越来越高，体现了生产力发展的进步和趋势。

我国在这一领域的应用研究距离国际水平还存在着一定的差距，特别是中小型企业由于资金和技术上的因素导致一些技术性的研究还是停留在原地，要想得到快速的发展
1
广东技术师范学院天河学院课程设计论文（设计）
需要国家政策的相关支持，鼓励中小型的企业能向更加层次发展与创新，不仅带动企业的发展，更是降低对环境的污染，对国家经济的推动。

然而现在PLC的技术到了一个非常成熟的境界，不仅控制功能得到质一样的飞跃，功耗和体积日益减小，成本下降，可靠性增强，编程能力得到提高以及检测故障的能力也得到提升，PLC决定了工业生产的方向，成为了自动化控制的支柱。

这无疑是对机械手未来发展前景带来了希望，特别是一些中小型企业的发展，降低投资的资金获得等价先进的生产水平能力。

在20世纪中期，我国就开始对机械手的研究与发展。

在1972年上海我国生产了第一台机械手，随着技术的完善和成熟，国家研究的投入使各省份开始大量的研制发展。

为了实现机械手的全面推广，国家把研究机械手这领域列入到五年计划当中，并投入了大量的资金发展，也成功的制造了一系列的机器人控制。

1.3该课题研究的内容
随着科学技术的进步与成熟，当今社会的发展趋势下，社会主义市场经济控制的国民经济，传统的工业流水线、复杂有害的成所、不适应人类工作的环境等这一系列情况，运用而生的机械手将逐步代替人类工作，这是社会发展的必然趋势，同时也是人类智慧的体现。

而传统的工业也无法满足社会经济的发展需求，也逐渐淘汰了，未来的发展将是推动社会进步的重要体现，也是研究机械手实现自动化存在的意义。

通过PLC编程控制机械手可以实现更加精准性，位置的准确度，速度的快慢，包括一些大件货物的搬运以及打包等等，这些都是可以在PLC控制下实现，自动化的过程也会得到大大的简化，减去繁琐的工程。

然而PLC与组态王的结合，更是实现了实时监测机械手在工作当中的运作，监测运作过程中会出现的故障问题，这样大大的减少了人类的工作，提高了工作的效率，出现故障问题我们都能在第一时间发现，并做出准确的判断，实现这样的一体化的自动系统，需要我们在不断实践中摸索，在未来我国现代化发展过程中也会起到巨大的作用。

2
基于PLC的机械手控制系统及组态设计
2组态王Kingview 6.55和可编程控制器的介绍
2.1组态王Kingview 6.55的介绍
2.1.1组态王的历史
随着集散型控制系统（DCS）的出现被熟知，在PC技术向工业领域渗透中占据特殊而重要的地位。

（1）20世纪60年代：计算机较少地用于工业过程控制中。

（2）20世纪70年代：随着计算机控制技术的成熟逐渐在DCS中得到运用，但是软件方面的技术仍然存在不足和封闭专用，导致其成本非常昂贵。

（3）80年代中后期：基于PC计算机的监控系统开始进入市场，并发展壮大。

美国wonderware公司推出第一个商业化组态软件intouch。

（4）80年代末国外组态软件进入中国（开始不是很接纳）
（5）90年代国内开始研究并开发，各个国组态公司开始成立。

（6）90年代后期国内组态产品开始成熟。

1、国外软件商提供的组态软件产品：
（1）德国Seimens公司的WinCC
（2）美国Wonderware公司的Intouch
（3）美国Intellution公司的iFix／Fix
（4）美国Rockwell公司的RSView
（5）美国NI的Labview
2、国内自行开发的产品的组态软件产品：
（1）北京亚控的组态王、三维力控科技的力控、
（2）昆仑通态的MCGS、易控、世纪星、紫金桥等
2.1.2组态王的结构
1、使用软件的工作阶段划分
根据组态系统环境划分，组态软件Kingview6.55主要是两大部分组成的：
（1）组态系统的开发环境：根据组态王的软件设计，自动化工程师为了能设计一
3
广东技术师范学院天河学院课程设计论文（设计）
个可靠的控制方案，同时能够在组态王软件支持下进行应用程序系统生成的一个工作环境。

建立用户所需要的数据库文件，生成图形目标应用系统，这些开发环境下的系统能够在组态运行环境中运行使用。

（2）组态系统的运行环境：该运行环境可以实现投入实时运行，简单的来说就是可以支持在线组态的设计技术，将目标应用程序可以在计算机内存中实时运行，简化繁琐的流程，操作易于方便，且灵活性高等特点。

同时组态运行环境在不退出的状态下，可以进入组态系统环境直接修改有问题的部分，而且修改的这部分在该组态运行环境下会直接生效运行，大大的提高了工作的效率也降低了成本价值。

2、按照成员构成划分
组态王Kingview6.55仿真软件中，每一个功能都具有其一定的独立性，而每个功能相对能实现较大的应用，每个独立的功能形式能组成一个集成软件平台，同时由若干个程序构件组成，其中必备的典型组件包括：
（1）工程管理器
工程管理器是给设计的工程师提供了一个方便的操作界面，包括程序的搜索、新建、删除、属性、备份、恢复、开发和运行等一系列功能管理工具。

但是在设计的过程当中往往会遇到很多问题，例如：组态数据需要经常备份、组态仿真界面需要借鉴别人成功的范例、同时还需要经常了解保存的工程项目。

这些繁琐的步骤也给设计工程师带来了额外的许多负担，而且效率低下又容易出错。

工程管理器的简单操作界面，使上述繁琐的事情得到简单化。

（2）图形界面开发程序
为了能使设计的方案得到合理的实施，设计工程师需要在一个开发环境中生成相关的图形系统，然后通过建立数据库文件的信息，生成最终需要的目标应用程序，同时供运行环境运行时使用。

（3）图形界面运行程序
组态系统软件运行的环境中，计算机内存设计的图形目标系统及其图形设计的运行程序，这些都能在计算机中实行实时运行状态。

（4）实时数据库系统组态程序
目前比较成熟的组态软件已经具备了独立的实时数据库系统件，这成熟的条件解决了很多问题，不仅提高了系统的实时性还增强了系统的处理能力，改变以往组态程序中只能简单的数据管理功能，给设计工程师带来了更有价值的创造，因为实时数据库系统4
基于PLC的机械手控制系统及组态设计
组态程序能定义数据库的结构、连接、来源、类型等等。

（5）实时数据库系统运行程序
实时数据库系统运行程序都是在组态系统运行环境中实现的，并且在计算机内存中实现各种的数据计算和处理等一些基本的任务。

实时数据库系统运行程序能够实现对历史数据的查询监测，故障报警处理等等。

（6） I/O驱动程序
该驱动程序主要是和I/O设备通讯并起到交换数据的作用，在组态系统软件中通用标准的I/O驱动程序主要是DDE和OPC Client两个。

DDE驱动程序相对来说比较成熟，整合到实时数据库系统中，然而OPC Client驱动程序大多数是单独存在的，这也是两者之间的区别与不同。

2.1.3组态王的基本配置
1、总体说明
（1）组态系统仿真过程当中，能够在设备Modem拨号进行数据的采集和分析，并且在监控的平台上查看相关的数据信息，这样大大的减少了现场的监控和维护，大大提高工作的效率。

但是简单的232串口通讯设备Modem拨号还是可以实现的，对于232C 链路和其他一些复杂的或者是特殊的串口设备可能不支持。

当设备为标准RS485/RS422时，需要先通过标准RS485/232转换模块先转换成232接口再接到modem上。

（2）只支持传输数据为10位的Modem。

（3）组态系统在拨号之前，需要进行初始化指令对初始化设置，达到Modem拨号的要求，这样就可以确保数据通讯的正常进行。

2、MODEM初始化设置
（1）主叫MODEM（插在PC上的MODEM）设置如下：
AT&F&W0&W1 //恢复出厂设置//
ATS0=1 //设置自动应答方式//
AT&D0 //MODEM忽略DTR信号//
ATS37=9 //设置波特率为9600//
AT&K0 //不使用流控
AT&Y1 //设置文件1为活动状态//
AT&W1 //保存当前设置到文件1中//
5
广东技术师范学院天河学院课程设计论文（设计）
6 （2）被叫MODEM（插在设备上的MODEM）设置如下：
AT&F&W0&W1 //恢复出厂设置//
ATS0=1 //设置自动应答方式//
AT&D0 //MODEM忽略DTR信号//
ATS37=9 //设置波特率为9600//
AT&K0 //不使用流控
ATQ1 //MODEM不返回结果码
AT&Y1 //设置文件1为活动状态//
AT&W1 //保存当前设置到文件1中//
简单的介绍了初始化指令设置，不同的Modem拨号一般指令的含义是不同的，具体
Modem的指令还是需要参考Modem的指令集。

3、组态王拨号设置步骤
（1）点击组态王Kingview6.55软件，弹出一个“工程管理器”的设置界面，新建一个工程，命名仿真的软件，点击设备设置COM1/COM2串口，会弹出设置串口的界面，如图2.1所示：
图2.1组态设置串口界面
在该设置串口界面可以清楚的看到，可以设置相关的参数，例如：波特率、奇偶校
验、通信超时等等，下面点击“使用Modem”即可，剩下的不用设置。

点击“确定”按钮即可返回。

在组态软件设备中出现“Modem_COM1”设备，如图2.2所示：
图2.2组态设备界面
(2)设备拨号使用
一、IPC：控制拨号通断积存器。

数据类型：INT型，只写
采集频率：0
数值标识：1-开始拨号； 99-挂断
二、IPS：拨通状态积存器。

数据类型：INT型，只读
数值标识：0-未拨通；1-拨通
三、IPN：用户所要拨的电话号码。

数据类型：字符串型，只写
采集频率：0
四、CommErr：可以表示控制设备通讯状态。

数据类型：Bit，离散型，可读写
数值标识：“0”表示通讯正常或者允许通讯；“1”表示通讯故障或者暂停设备通讯。

“IPCO”、“IPSO”、“IPNO”、“Cerro”这四个新建的变量分别对应以上的四个寄存器。

4、组态王运行时设置：
（1）组态王系统启动运行后，执行以下操作：
a)在IPNO对应的变量中输入电话号码；
b)将IPC0对应的变量置1；
（2）组态王软件进行拨号设置：当“IPSO”值为1时，此时拨号为拨通状态。

然而外部设置采集设备的寄存器值为0，即可恢复组态王软件与该设备的通讯，同时还能进行数据的采集与分析。

2.1.4组态王软件产生的背景
随着技术的成熟，集散型控制系统（Distributed Control System,简称DCS）在运用中得到广泛的关注同时也给自动化工程师熟练掌握，“组态”的概念也运用而生。

在工业控制技术的发展过程中，PC相比以往的系统具有明显的优势。

这些优势主要体现在：PC技术在多年经验积累下逐步成熟，构建的工控系统的成本也相对降低，无论软件和硬件等资源都十分丰富，软硬件之间可以互相操作，简化了操作的程序，实用性强。

由于PC技术渗透到工控的各个领域当中，组态软件起到非常重要的作用。

组态王软件的出现之前存在的问题，例如：工作效率低下、可靠性不高、开发应用时间长，往往得不到工业生产的需求，而且与外部设备数据处理能力较弱等，这些问题都得到很好的解决，自动化工程师还可以根据自己的需求利用组态软件构建属于自己的一套应用系统。

组态王还可以实现对数据的采集，实时进行监控过程，这些技术也得到不断的完善与改进，未来也将会赋予新的内容。

2.1.5组态软件的发展方向
现在市场上看见的组态软件都可以完成一些类似的功能和基本上的操作，由于组态王的实用性比较强，一般都可以运行在Windows32位的平台上并且可以在浏览器的窗口界面中打开，进行对组态的仿真进行设计，配置和编辑等基本功能，同时还能提供多种的脚本语言和数据驱动程序。

但是，不同的组态软件存在着差异，一些基本上的功能方法可能各不相同，正是有这些不同之处，随着工业PC技术的发展，我们可以看出组态软件在未来的发展。

（1）数据采集的方式
不同的组态软件能提供不同的数据采集程序，这是该组态本身上的设计，也能给用
户提供不同配置的方式。

但是，这些都是取决于开发商的设计编程，无论是驱动程序，还是组态软件接口的规范编写，这样的设计产品，对于用户来说必须要掌握更高的要求。

随着技术的发展和成熟，在微软技术方面下，提供了一整套比较全面的解决方案，主要是针对在分布式的系统下，组态软件组件可以相互交换同时数据可以实现共享，支持OPC 的系统，服务器作为数据的提供者，客户作为数据的请求者，服务器和客户之间可以通过DCOM接口通讯，可以不用知道对方内部实现的一些细节问题。

（2）脚本的功能
不同的组态软件可以提供不同的脚本语言功能，脚本语言功能可以实现的方法有三种；第一组态软件内部设置的类C/Basin语言；第二是采用微软软件VBA的编程语言；第三是实用性的范围比较小，个别的组态软件面向对象的脚本语言。

第一种方式可以完成一些高级的系统功能，但是它要求使用类似高级语言的语句来书写脚本，结合组态系统的函数调用来完成和实现，虽然说可以实现一些高级的系统功能，但还是存在一些不足之处，例如：这种方式多数是国内设计的组态，对一些脚本语言还是不能使用，没有具备完善的功能，很多脚本语句只能提供一些简单的IF、THEN、ELSE的语句结构，循环控制语句暂时还没有提供的，这样就给书写脚本语句带来了一定的困难。

第二种方式是微软开发的一种书写脚本语句的编程程序，该方式采用了一种比较方便的VBA组态技术，可以通过组态系统中的对象以组件的方式来实现同时也可以进行访问。

可是VBA程序在执行语句才能发展存在的语句错误，但这对编程来说没有造成太大的影响，系统中的对象可以通过其属性和方法进行访问，容易学习和掌握。

（3）组态环境的可扩展性
可扩展性为用户提供了在不改变原有系统的情况下，向系统内增加新功能的能力，这种增加的功能可能来自组态软件开发商、第三方软件提供商或用户自身。

增加功能最常用的手段是ActiveX组件的应用，目前还只有少数组态软件能提供完备的ActiveX组件引入功能及实现引入对象在脚本语音中的访问。

（4）组态软件的开放性
目前组态软件可以实现对数据的采集分析和实时监控的功能，随着计算机集成模块生产的普及，让组态软件往更高一个层次发展，不仅仅局限于采集和监控的过程，在工业生产过程中，还需要进一步对组态软件平台下的数据进行流程分析和过程的控制，同时对工业生产过程的流程化进行调整。

目前的组态软件对数据采集的信息只能以报表的形式提供，而且还需要导出外部数据才能在其他系统中使用。

在未来发展趋势，可以清
晰的看出组态软件与管理信息系统之间的紧密联系，很可能实现数据采集分析和决策功能模块在组态系统中得以实现和应用。

（5）组态软件的控制功能
组态的控制功能在多年经验的积累下逐渐成熟起来，在画面控制，实现的功能等等都得到大大的提高，优化了每个设置的界面操作，这使工程师要求相对来说也得到提高，在不断发展进步的过程中，过去的工业控制已经不能满足客户和生产的要求，现在的开发商更加注重于组态软件的实用性和操作性，控制功能也得到完善，例如：组态软件的PLC和先进过程的控制技术等等，这些的发展使组态在控制方式得到提高，方便性，实用性得到广大市场的普及和推广，同时也受到社会的关注。

2.2可编程控制器的介绍
2.2.1可编程控制器的概述
西门子S7系列可编程控制器分为S7-400、S7-300、S7-200三个系列，分别为S7系列的大、中、小型可编程控制器系统。

S7-200系列可编程控制器有CPU21X系列，CPU22X 系列，其中CPU22X型可编程控制器提供了4个不同的基本型号，常见的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四种基本型号。

2.2.2可编程控制器的历史
早期的时候还没有组态系统的应用，计算机技术的发展带来了全新的局面，但是由于技术条件的不成熟，仍然没有得到广泛的推广和使用，当时的生产工业中，还是以简单的继电-接触器组成的系统来控制，实现一些比较简单的操作。

在上个世纪60年代，为了寻求一种能适应工业生产的要求，同时为了减少繁琐的工作流程和成本资金，把计算机技术应用到工业发展过程中，美国的通用汽车制造公司（GM），开始研发设想把计算机的功能和继电-接触器控制系统功能想结合，研发出一种全新的系统，以满足工业发展的需求。

同时，计算机编程方法简单化，实现同样的功能，面向一种全新的“自然编程”进行编程，使操作计算机繁琐过程得到简化，也同样得到广发的推广使用。

针对上述设想，通用汽车公司提出了这种新型控制器所必须具备的十大条件：
（1）编程简单，可在现场修改程序；
（2）维护方便，最好是插件式；
（3）可靠性高于继电器控制柜；
（4）体积小于继电器控制柜；
（5）可将数据直接送入管理计算机；
（6）在成本上可与继电器控制柜竞争；
（7）输入可以是交流115V；
（8）输出可以是交流115V,2A以上，可直接驱动电磁阀；
（9）在扩展时，原有系统只要很小变更；
(10)用户程序存储器容量至少能扩展到4K字节；
美国投入大量的资金进行研发，在1969年，美国数字设备公司成功的制造了第一台可以编程的程序控制器，从此打开了自动控制的局面，使工业生产得到了一个全新的发展阶段。

2.2.3 PLC的基本结构
可编程控制器，简称为“PLC”，它主要通过梯形图编程来实现一系列功能，和一般的微型计算机具有相同的功能，由硬件系统和软件系统两部分组成，具体组成部分如图2.3所示：
编程器
其他外设外设接口
输入部件
接收现场信号
微处理器CPU
电源部件输
出
部
件
扩
展
接
口
I/O
扩
展
单
元
I/O
系统程序用户程序
存储器
驱动
受控元件A B
图2.3 PLC硬件结构图
基本单元。