基于 Device Net 總線的機械手臂控制系統(tǒng)設計
2017-5-19 來源：西安航空學院電子工程學院 作者：喬社娟，高振江
摘要: 機械手臂是工業(yè)生產(chǎn)線實現(xiàn)自動化的重要裝置，針對機械手臂多動作運動的要求，提出了一種以 Device Net總線為通信方式、觸摸屏為人機接口、PLC 為控制單元、伺服電機控制機械手臂的控制方案，介紹了系統(tǒng)的總體設計，描述了硬件組態(tài)配置與軟件設計。此控制系統(tǒng)已在實際工業(yè)生產(chǎn)線中取得驗證，提高了生產(chǎn)線的自動化程度和可視度。
關鍵詞: Device Net 總線; 伺服控制; 機械手臂
0.引言
隨著自動化技術的快速發(fā)展，機械手臂以其操作靈活、易 于 控 制、穩(wěn) 定 等 特 點 被 廣 泛 應 用 于 工 業(yè) 生 產(chǎn) 線中［1－2］，尤其在一些重金屬、多粉塵、高溫、高強度等特殊環(huán)境中，迫切需要機械手臂進行取件、分揀等操作［3－4］。目前，工業(yè)生產(chǎn)線中主要通過 PLC 控制機械手臂，集中控制管理和可視化程度不高。Device Net 總線是在 CAN 總線基礎上推出的一種開放、低價、實時、可靠、標準的工業(yè)控制底層的現(xiàn)場總線通信技術，主要用于構建底層控制網(wǎng)絡［5］。Device Net 總線技術能將可編程控制器、機器人、變頻器等各類工控設備連接在網(wǎng)絡中，最多支持 64 個 點，通信速率只用了125kbps、250kbps、500kbps 三種，端與端的網(wǎng)絡距離最大可達 500m［6－7］。因此，Device Net 可將不同設備或者分散的設備集中控制管理，避免昂貴和繁瑣的硬件接線。本文設計了基于 Device Net 總線的機械手臂控制系統(tǒng)，利用 PLC 控制伺服電機精確控制機械手臂動作，通過觸摸屏實時監(jiān)控生產(chǎn)線運行狀態(tài)和報警情況，提高了生產(chǎn)線的自動化程度，增強了系統(tǒng)的安全性和可視度。
1.系統(tǒng)控制要求
本系統(tǒng)主要針對工藝要求繁多、難易程度一般的工業(yè)自動化生產(chǎn)線，需要滿足以下要求:( 1) 整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟實用;( 2) 兩組機械臂同時在不同位置進行不同操作，機械手臂位置參數(shù)可通過上位機手動設置，機械手臂能夠?qū)崿F(xiàn)多種動作，如: 左移、右移、上移、下移、內(nèi)移、外移、抓取、松開等 3) 整個系統(tǒng)的每個動作能夠?qū)崿F(xiàn)自動連續(xù)周期、自動單周期、手動單步控制;( 4) 系統(tǒng)中所有控制目標的設備狀態(tài)、控制命令、機械手臂動作與位置、異常情況及報警等信息都可通過網(wǎng)絡顯示在上位機，同時報警信息需要在不同機械部位以聲光形式顯示。
2.系統(tǒng)設計方案
2. 1 系統(tǒng)結構
基于 Device Net 總線的機械手臂控制系統(tǒng)采取主從站控制方式，包含上位機、主控制器、從控制器、電磁閥與開關、傳感器等 I/O 接口等，系統(tǒng)結構如圖 1 所示。
圖 1 系統(tǒng)結構圖根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性
經(jīng)濟實用性要求，本系統(tǒng)上位機選用觸摸屏，主站直接選用的 Device Net 模塊，從站采用經(jīng)濟型普通 PLC 可編程控制器，主從站通過工業(yè)總線轉(zhuǎn)換模塊進行通信。
2. 2 系統(tǒng)主從站設計
經(jīng)過綜合考察對比，本系統(tǒng)的主從站主要采用 Delta產(chǎn)品構成，選用進階薄型主機 DVP－12SA2 模塊作為主控制器，左側(cè)高速擴展總線 DEVICENET 專用模塊作為通信模塊，上位機選用 DOP－B10S411 觸摸屏。考慮到經(jīng)濟實用性和可靠性，本系統(tǒng)選用兩個最具經(jīng)濟效益的 DVP－32ES2 作為從控制器控分別單獨控制兩組機械臂，選用一個 DVP16XM211N 作為數(shù)字輸入擴展模塊，所有模塊通過DVP－PS01 導軌式工業(yè)電源供電。由于 DVP－32ES2 不具備 Device Net 通信功能［8］，主從站之間采用兩個 IFD9502 工業(yè)總線轉(zhuǎn)換模塊。IFD9502復合標準 Device Net 通信格式，可連接變頻器、可編程控制器、溫控器、伺服驅(qū)動器等所有 Delta 工業(yè)自動化產(chǎn)品，具有 ＲS232 和 ＲS485 兩種通信方式，通信速率與 Device Net總線匹配，通過旋轉(zhuǎn)開關和撥碼開關分別設置已連接下位設備的通信地址和設備類型，一個 Device Net 通信網(wǎng)內(nèi)所有下位設備具有唯一的通信地址，如圖 1 中的 Node 01、Node 02、Node 03。
觸摸屏和 PLC 之間通過 Device Net 進行通信。使用Device Net Builder 組態(tài)軟件和 DOPSoft 組態(tài)軟件對機械手臂控制系統(tǒng)進行軟件組態(tài)，使用 Delta WPLSoft 對機械臂動作和異常信息報警進行軟件程序設計。
本系統(tǒng)第一組機械臂 I/O 分配表如表 1 所示，第二組機械臂與第一組機械臂 I/O 分配表相類似。
表 1 第一組機械臂對應 I/O 分配表
2. 3 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)軟件包含 Device Net 組態(tài)配置軟件、觸摸屏組態(tài)軟件和 PLC 控制軟件三部分。
(1) Device Net 網(wǎng)絡配置: 通過 Device Net Builder 網(wǎng)絡工具對掃描在線的所有模塊進行“通信地址”、“通信速率”、“通信格式”等信息進行配置，最終將所有模塊組在一個網(wǎng)內(nèi);
(2) 觸摸屏組態(tài)軟件: 觸摸屏是人機連接的主要接口，負責完成機械臂參數(shù)設置的同時，主要顯示 I/O 接口的運行情況與報警時產(chǎn)生的異常信息，異常情況通過走馬燈形式顯示，操作者可根據(jù)機械中的聲光指示燈判斷出故障的大概位置，異常詳細情況即可通過觸摸屏顯示獲取，避免了普通 PLC 控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常需要逐級排線查找的繁瑣;
(3) PLC 控制軟件: PLC 控制程序采用具有嚴謹邏輯關系的順序控制設計法，實現(xiàn)的功能包含: 機械手臂左右、上下、內(nèi)外、抓取、松開等，工作方式切換，以及異常報警解析，異常情況只有在 PLC 控制軟件中正確解析后傳遞給觸摸屏進行顯示，從站 PLC 控制流程如圖 2 所示，異常解析作為一個獨立分支，從程序開始同步與機械臂動作進行，當發(fā)生異常時首先停止機械臂動作防止發(fā)生機械損壞，異常清除后機械手臂繼續(xù)完成當前動作，無需重新上電。
圖 2 從站 PLC 控制流程圖
3.結束語
機械手臂作為生產(chǎn)線重要的自動化機械裝置，在工業(yè)、醫(yī)療、軍事等各行業(yè)被廣泛應用［9］。本文結合 Devi-ce Net 總線技術、觸摸屏組態(tài)技術和 PLC 控制技術實現(xiàn)了兩組機械手臂單獨的多方位自由運動，異常情況及時報警并顯示詳細原因。本系統(tǒng)已在某自動化生產(chǎn)線投入使用，經(jīng)過驗證達到了系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、安全、經(jīng)濟實用的要求，提高了生產(chǎn)線自動化程度和可視度，同時，本系統(tǒng)硬件和軟
件設計適合多場合生產(chǎn)線機械手臂要求，可根據(jù)不同的工藝要求稍作調(diào)整。
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