摘 要：本文針對機械手的遠程控制問題，選用三菱FX2N系列PLC作為控制器，以計算機為主站，實現了機械手的可視化遠程控制。文中介紹了控制系統的組成，闡述了控制系統的設計方法。實踐表明，上位機界面友好、簡捷，數據傳輸正確、可靠，遠程控制安全、穩定。
關鍵詞：機械手 計算機 PLC 遠程控制
1.引言
當今社會，科學技術飛速發展，人類活動給世界帶來了巨大的改變。在科技進步的同時，以各種控制器控制的不同類型的機械手以其突出的性能越來越多的被人們所應用。機械手在不同的作業場合，尤其是在特殊的環境背景下，為人類活動的順利快速進行帶來了極大的方便和益處，尤為明顯的是在工業及軍事領域內。工業中大量的生產活動，存在著很多不便于人類操縱的環節，特別是在工作環境較危險的情況下[1]，如果使用具有遠程控制功能的機械手，則可以增加系統的安全性，大大的節約損耗，提高效率。可見，在自動化、工業化進程中，在特殊背景環境中使用機械手已成為一種必然的趨勢[2]。
2.控制系統組成
2.1 系統組成
本控制系統中選用三菱公司的FX2N系列PLC，控制結構采用主從式，以一臺上位計算機為主站，實現對遠程機械手工作過程的監控;以PLC為從站，作為前端控制器，實現對機械手的現場控制。將計算機的串口與FX-485PC-IF的RS232C的接口連接，FX-485PC-IF的RS422/485的接口與FX2N-485BD連接，完成RS232與RS485之間電平轉換。FX2N-485BD作為PLC的通信擴展模塊，實現PLC與上位機的串行通信。PLC將上位機發送過來的控制信息轉換成控制命令，驅動機械手動作;PLC再將機械手的工作狀態，通過串行通信傳遞給上位機，由上位機監視機械手的工作過程。上位機軟件以實時動畫的形式，向操作人員提供機械手的運動情況，實現操作過程的可視化。系統組成原理如圖1所示。
圖1 系統組成原理圖
2.2 控制方式
系統設有三種控制方式：遠程分步動作控制、遠程循環動作控制和現場手動控制，前兩種控制方式在上位機監控界面上進行操作控制，后一種控制方式在工業現場通過手動實現控制。
2.2.1 遠程分步動作控制
在上位機監控界面分步動作控制區，通過選擇“啟動”、“停止”、“上升”、“下降”、“左移”、“右移”、“松開”、“夾緊”、“制動”等命令按鈕，即可實現相應的動作。操作人員根據監控軟件的實時監視動畫，任意組合九種動作，實現對機械手的遠程分步動作控制。
2.2.2 遠程循環動作控制
在上位機監控界面循環動作控制區，選擇“啟動”按鈕，機械手從起始位置開始，按如圖2所示流程自動地、連續不斷地循環動作，直到按下“停止”按鈕。按下“停止”按鈕后，機械手完成一個周期的動作后，回到起始位置停止。
圖2 循環動作順序圖
2.2.3 現場手動控制
在工業現場，通過選擇機械手控制箱上的各種命令按鈕，可實現對機械手的控制。此項控制主要用于機械手的安裝調試，以及遠程通信線路出現故障時能夠在現場有效的控制機械手。
3.PLC控制系統設計
3.1 硬件設計
控制系統的PLC選用日本三菱公司的FX2N-48MR，該產品具有24點輸入，24點輸出，用于對機械手的控制，PLC外部I∕O地址分配如表1所示。
表1 機械手遠程控制系統I∕O地址分配表
輸入端有8個按鈕，用于現場手動控制;1個2檔選擇開關，用于遠程∕現場控制選擇;4個限位開關，用于控制機械手上、下、左、右的極限位置。
輸出端有6個電磁閥，控制機械手上升、下降、左移、右移、松開、夾緊。為避免斷開電流時電磁閥會在其兩端產生極高的感應電壓，在每個電磁閥線圈兩端并聯續流二極管。
3.2 軟件設計
按照機械手的動作先后順序，在遠程∕現場控制信號的作用下，根據內部狀態和時間順序，機械手內部各執行機構自動地、有序地進行動作。為簡化PLC程序、增強程序的可讀性，利用控制系統的順序功能圖設計梯形圖，系統軟件采用模塊化的結構，如圖3所示。
圖3 PLC控制系統軟件結構圖
3.2.1 遠程分步動作控制
在上位機分步動作控制區選擇“啟動”∕“停止”按鈕，上位機遠程控制PLC輔助觸點M1閉合∕斷開，決定遠程分步動作控制子程序是否執行。PLC根據接收到的不同控制命令，使輔助觸點M101～M106分別閉合∕斷開，從而控制輸出繼電器Y0～Y5通斷，實現機械手的遠程分步動作控制。
3.2.2 遠程循環動作控制
只要接收到上位機“循環動作啟動”命令（輔助觸點M0閉合），PLC就會根據機械手的動作順序，利用4個限位開關的輸入信號X12～X15和松開、夾緊定時器的觸點狀態依次控制輸出繼電器Y0～Y5通斷，實現機械手的遠程循環動作控制。
完成一個周期動作，機械手返回起始位置，開始第二個周期動作，直到上位機向PLC發送“循環動作停止”命令。在循環動作期間，收到“停止”命令，系統將完成一個完整循環動作后返回起始位置停止。
3.2.3現場手動控制
手動控制比較簡單，利用X0～X7對應的現場手動輸入信號，控制PLC的輸出繼電器Y0～Y5通斷。為保證系統安全運行，在手動控制程序中，設置了必要的互鎖，以防止功能相反的兩個輸出繼電器同時接通。
3.3 通信協議設計
要實現PLC與上位機之間的通信，首先要對PLC中D8120進行賦值來設定通信的格式[3]。需要注意，PLC中的通信協議要與上位機的通信協議保持一致。令D8120=H6381，梯形圖如圖4所示，通信格式如表2所示。
圖4 PLC通信格式設定
表2 PLC設定的通信格式
在FX系列中，PLC的站號是通過特殊數據寄存器D8121來設定的，其范圍是從00H到0FH。本系統中，PLC的站號設定為00H，如圖5所示。
圖5 PLC站號設定
4.上位機軟件設計
4.1 編程語言
Visual Basic 6.0已成為Windows系統開發的主要語言，以其具有良好的圖形用戶接口并支持面向對象的程序設計和具有結構化的事件驅動程序模式，使得編程效率提高，應用功能增強[4]。因此本文采用Visual Basic 6.0為上位機開發出具有個性的監控軟件，實現對PLC的遠程通信及監控。
圖6 MSComm通信控件
在Windows操作系統下，Visual Basic 6.0提供了一個名為MSComm.ocx通信控件，它具備基本的串行通信能力，如圖6所示。通過該控件可設置串行通信的數據發送和接收，對串行口狀態及串行通信的信息格式和協議進行設置。在通信過程中，可以觸發OnComm事件，用該事件可追蹤、處理通信和錯誤事件的發生。
4.2 遠程控制軟件設計
在PLC與計算機的鏈接通訊中，計算機是上位機，PLC是下位機，機械手是被控對象。上位機始終處于主動地位，下位機處于被動地位，當PLC接收到計算機發送的命令后，自動生成應答指令，不需要再對其編寫通訊程序。
根據控制功能的不同可將遠程控制軟件分為端口站號設置區、通信回路測試區、實時動畫區、分步動作控制區、循環動作控制區。其中，分步動作控制區用于發送遠程分步控制命令，循環動作控制區用于發送遠程循環控制命令，上位機主控界面如圖7所示。
圖7 主控界面
5.結束語
本文利用Visual Basic 6.0開發遠程監控軟件，應用三菱FX2N系列PLC控制機械手動作，實現了一種具有可視化功能，適用于工業現場的機械手遠程控制系統。該系統可以完成遠程手動控制、遠程循環控制和現場手動控制，便于擴展，現已成功應用于我院自動化中心實驗室。
6、本文創新點
1、 以計算機為主站，以PLC為控制器，實現了對機械手的遠程控制;
2、 上位機監控軟件以實時動畫的形式，向操作人員提供機械手的運動情況，實現了操作過程的可視化;
3、 設計了計算機與PLC遠程通信的協議，開發了通用的串行通信接口程序。
參考文獻：
[1] 邱會強等.深海水下作業型機械手仿形手柄控制技術研究[J].機電工程，2005，22（6）：40-43.
[2] 蔣少茵.PLC控制的機械手[J].微計算機信息，2002，18（2）：20-22.
[3] 三菱公司.FX通信用戶手冊[M].2001.
[4] 周軼峰等.Visual Basic 6.0實用編程技術[M].北京：中國水利水電出版社，1999.
