觸摸屏在機械手控制系統中的應用與設計
張金環
（天津職業大學機電工程與自動化學院， 天津300410）

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

關鍵詞： 可編程序控制器； 控制系統； 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的提高, 人機界面產品越來越受到人們的關注。作為新一代高科技人機界面產品的觸摸屏是適合在惡劣的工業環境中作為一種在操作人員和機器設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 控制系統中已經成為工業控制領域的發展方向。伴隨著工業技術的發展， PLC 也已經成為工科院校機電類專業的主要課程。但學校教學中PLC 的被控工業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象。隨著觸摸屏監控功能越來越強大， 使得觸摸屏取代傳統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用于以機械手為被控對象的PLC 控制系統中， 此方法的使用一方面減少了PLC 所使用的I/O 點數， 另一方面觸摸屏具有的圖形化和交互式的組態工作界面更易于擴展系統的功能， 豐富PLC 的實踐教學。

1 機械手控制系統

1.1 系統的控制要求

 

圖1 機械手
 

    搬運機械手見圖1， 其任務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。此過程反復循環執行。

    （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。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 系統硬件配置

    （1） 控制系統的選型。目前,在國內市場上有國外引進的和國內組裝、開發的多種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、適應負載的能力和學校教學的適應性等因素， 選用PACSystems RX3i 系列PLC 產品和QP Control 6″ TFT（IC754Cxx06Cxx） 觸摸屏。控制軟件采用GE 公司的集成開發環境Proficy Machine Edition 6.0， 該軟件在一個開發環境中集成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。Proficy ME 軟件平臺在多種硬件上具有很好的可移植性[3]。

    （2） PLC 系統硬件組成。PLC 系統的硬件結構主要包括： 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]。其硬件結構組成見圖2。

 

圖2 控制系統硬件結構圖
 

1.3 系統軟件設計

    （1） 系統的地址分配。根據機械手的控制要求可知， 本控制系統共有4 個按鈕輸入信號， 分別執行啟動、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， 分別執行機械手的下移、夾緊、上升、右移和左移的功能。系統的I ／ O 分配見表1。

表1 控制系統的I/O 分配表

 

    （2） 觸摸屏人機界面的設計由以下兩部分組成。第一部分：監控界面設計。該系統的觸摸屏選用IC754VSL12CTD， 分辨率為800×600 像素。觸摸屏的操作系統是微軟Windows CE．NETFM， 它保存在16MB 閃存中， 在使用時被拷貝到動態內存中， 上電或者重新啟動觸摸屏后， 操作系統自動開始運行。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、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完成復雜的監控畫面開發。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、半雙工或全雙工的網卡端口， 將在Proficy Machine Edition 中編好的軟件用網線通過PLC 的以太網通訊模塊下載到觸摸屏中，同時實現與PLC 通信和人機交互操作。本系統觸摸屏監控畫面如圖3 所示。

 

圖3 機械手控制系統的觸摸屏監控界面
 

    監控畫面中畫出了機械手的簡單示意圖， 并設計了四個輸入按鈕、四個限位開關的指示燈、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。畫面中還設計了兩個狀態指示燈， 代表機械手運行和停止運行的狀態， 當機械手處于運行和停止運行的狀態時， 它們將進行相應的指示。第二部分： 變量的動畫連接。本控制系統中觸摸屏監控畫面中相對應的按鈕、指示燈和機械手的運動等與PLC 中的變量建立連接， 以便能使監控畫面按照動作要求動起來。觸摸屏上的按鈕和限位開關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的腳本程序實現動畫功能。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實現； 機械手臂的移動需進行Size、Position 配置和腳本程序實現。配置方法以啟動按鈕觸摸動態配置為例，

圖4 啟動按鈕觸摸動態配置
 

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 軟件程序設計。控制系統軟件采用ProficyME 6.0 編程， Proficy ME 6.0 軟件是在Windows 操作系統下對GE PLC 編程的可視化開發工具， 利用Logic Developer—PLC 可以在個人計算機上進行控制程序的開發， 并且通過以太網或串行口下載到PLC 中。

2 控制系統的軟、硬件聯調

    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 上的撥鈕開關打到RUN OUTPUT DISABLE 位置， 觀察程序輸出的運行結果是否正確， 如果軟件程序設計正確， 將撥鈕開關打到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的控制要求為止。

3 結束語

    該設計提出將觸摸屏應用到機械手的PLC 控制系統中。對整個控制系統的軟、硬件設計和系統的調試可以實現PLC 控制觸摸屏畫面的機械手， 真實展現機械手作為控制系統中被控對象的工作過程。實踐應用證實， 該系統設計方案合理， 仿真效果逼真， 有助于提高學生在工業控制中PLC 編程能力和達到豐富學生工程實踐經驗的目的， 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 與觸摸屏技術的原煤采樣系統的設計與開發[J].煤礦機械，2008，11.
[2] 蔣曉峰，施偉鋒，等.基于觸摸屏和PLC 的船舶電站監控系統設計[J].電力自動化設備，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.