WINCC在机械手控制系统的应用

    现代工业生产是复杂多样的, 工业机械手往往安装在生产流水线上并分别完成不同的工序, 这涉及到各个机械手之间的信息交换问题。作为控制网络, PROFIBUS 在为工业现场设备提供可靠的底层实时通信的同时, 也沟通了控制和管理等各个层面, 为企业实现管控一体化奠定了基础。而运行于Windows平台的WinCC组态软件系统, 结合了西门子和微软公司技术, 以交互形式进行各类画面的调用与切换, 提供各种实时的过程信息, 使工业生产过程可视化。

1 系统简介

    本系统以PROFIBUS 为基础, 用SIEMENS 的S7 系列PLC 和WinCC组态软件组成分布式监控网络。

    1.1 机械手工作原理

    搬运机械手主要结构由3 个机械手、1 个机械手旋转连接部件、1 个工件转盘和1 个支撑框架所构成, 如图1 所示。

    机械手实现对工件的抓取动作, 旋转手架实现机械手的旋转换位动作, 转盘用于把工件从安全位置转到机械手垂直位置, 以便机械手的抓取。通过调节气压的大小, 可以调节机械手移动的速度, 转动速度, 转盘的转速以及抓取工件的力度。机械手上下左右四个方位都安装有限位开关, 当机械手滑行到位时, 对应的限位开关输出信号。

    1.2 系统网络结构

    系统的网络结构如图2 所示。本系统具有两层网络结构,即现场设备层和车间监控层, 其中, 现场设备层通过西门子S7-200 PLC 连接各站点的现场设备, 包括各个机械手的传感器、驱动器、执行机构、开关设备等,完成现场设备控制及设备间连锁控制。同时各S7- 200 PLC 利用EM277 模块的DP 端口与S7- 300 相连, 作为控制网络中的节点( 即DP 从站) , 且各个节点的运行状态并不影响网络及其它节点的运行。在车间监控层中, S7- 300 PLC 作为一类主站,通过DP 通信端口与现场的各个节点连接, 从现场设备中获取数据。工程师站( 上位机) 则作为二类主站, 通过CP5613 通信卡与一类主站S7- 300 PLC 进行实时的数据交换, 利用工程师站中的SIMATIC WinCC组态软件, 以动画方式显示个机械手的运行状态, 并生成报表、历史数据库、报警、趋势分析等, 从而方便地实现对车间生产设备实时监控。

图1 搬运机械手示意图

图2 系统网络结构

    1.3 系统工艺流程

    以搬运机械手为例, 工艺过程如图3 所示。系统启动之前, 机械手在原始位置。当转盘检测无工件的时候,转盘自动转到另一边,当检测有工件, 机械手才开始动作。

2 系统设计

图3 搬运机械手工艺流程

    控制系统的构成除了要进行正确的物理连接之外, 还要对整个系统进行组态, 也就是对网络进行逻辑上的连接, 这种逻辑上的组态要与实际的物理连接相同。系统的组态分为硬件组态和网络组态, 硬件组态主要是根据实际的硬件结构确定各个网络接点的模块配置。网络组态主要是确定各个接点的地址, 确定网络的通讯速率等。

    2.1 主站组态

    在STEP7 中新建一个项目, 插入一个S7- 300 的站点, 根据现场实际设备在HW Config 中为SIMATIC300 总线站组态硬件, 包括机架、电源、CPU 以及其他功能模块等。组态时要注意各个模块在机架上的位置。在插入CPU 时同时会弹出组态PROFIBUS 的对话框设置DP 通信的属性, 包括PROFIBUS 站地址、通信速率、行规等。

    2.2 从站组态

    CPU224 要通过EM277 模块才能与S7- 300 进行DP 通信, 因此需要添加从站的描述文件, 该文件通常以* .GSD 或* .GSE 文件名出现。将GSD 文件加入组态软件中后就可以组态从站的通信接口。组态完网络之后, 在PROFIBUS 网络上添加EM277 从站设备模块, 并设置从站地址、通行方式和数据交换区等属性。

    2.3 网络组态

    首先, 在控制面板中, 打开“Set PG /PC Interface ”设置端口属性: 选中“S7 nLine ( STEP7) ”—“5613_5614 ( profibus ) ”, 进入端口属性对话框设置属性, 接着进入STEP7 中的主站硬件设置HW Config , 通过“Properties PROFIBUSNode DP Mas ter”设定集成在CPU 上的DP 主站接口参数, 并选择要连接到DP 主站接口的PROFIBUS 子网络。

图4 硬件配置

    正确组态并且成功下载到网络的各个结点中后, 整个网络就建立起来了。

3 WinCC监控组态

    3.1 监控画面组态

    本系统上位机上安装了WinCC组态软件, 它提供适用于工业应用的图形显示、消息、归档以及报表等功能模板, 能很方便地生成全图形化人机操作界面, 建立完整的过程监控解决方案,各系统集成商还可以WinCC作为其系统的扩展基础, 通过开放接口开发自己的应用软件。

    图2 中的上位机中装有PLC 的编程软件,WinCC监控软件以及配套的通讯卡P5613, 采用PROFIBUS 现场总线来实现上位机与PLC 的通讯连接, 将WinCC与PLC 的编程软件进行集成, 使上位机既能完成PLC 对现场的监控, 又能利用WinCC开发的计算机图形显示界面上直观地显示。

    组态之前, 先实现WinCC和STEP7 的动态连接。WinCC和PLC 之间的通信主要利用S7 协议中的SIMATIC S7 PROTOCOLSUITE 协议通道来实现。在SIMATIC S7 ProtocolSuite ”中选择“PROFIBUS”, 并设置相应的连接属性(如站名称、以太网地址、机架号、槽号), 分别与PLC 建立连接。

    为了弥补PLC 典型监控界面专业性强、显示不直观的缺陷, WinCC主要通过绘制现场元件、分配PLC 变量、对元件属性进行动态连接、调试等步骤来实现对故障的监控。

    1) 绘制现场元件。在WinCC的图形编辑器中利用WINCC内部的图形库或外部可兼容的绘图软件, 绘制出工业现场的主要元件, 如电磁阀、气缸、限位开关、传送带以及机械手等。绘制时尽量使上述元件的相对位置与现场设备保持一致, 以防止对元件产生错误识别。

    2) 分配PLC 变量。为各主要元件分配PLC 变量, 以便采集PLC 中对应的数据。必须注意的是, WinCC中选择的PLC 变量, 必须与PLC 中的用户程序一一对应。

    3) 动态连接。对主要元件的颜色、几何、样式、闪烁、填充等属性进行动态连接, 从而实现对被监控系统工作状态的监视, 并且直观地显示。

    4) 调试。对完成动态连接的计算机图形显示界面进行调试,主要调试屏幕上的仿真元件与现场的实际元件同步动作的时间周期, 以确保两者的同步性。

图5 搬运机械手监控画面

    3.2 报警组态

    在工业现场安全是极其重要的, 应该利用一切手段减少故障的发生。在故障发生的时候, 应该在第一时间通知操作人员,因此报警消息系统对于整个系统的正常运行有着重要意义, 它是HMI 应用系统的一个重要组成部分。

    1) 组态报警画面: 报警画面是运行系统报警产生消息时的画面, 在组态报警画面中添加对象选项板的WinCCAlarmControl 报警控件, 打开该报警控件的属性对话框, 可选择报警消息显示的窗口类型、大小、是否显示状态栏和工具栏等。当产生一个消息报警时, 以数据的形式显示在报警画面中, 操作员可直接观察并采取相应措施。

图6 报警消息图

    2) 报警对象与相应的过程变量的连接: 在报警视图画面中,将图形对象连接到相应的过程变量, 包括离散量的状态报警和模拟量的超限报警。对于离散变量的状态报警, 如气缸故障、机械手运动不到位、网络中断等, 可通过WinCC的报警编辑器(Alarm Logging ) 来实现, 根据报警信息自动切换到相应的监控画面, 所有的报警信息均被记录在报警数据库中, 便于以后的事故分析使用。模拟量超限的报警包括气缸压力、机械手运动速度等, 对模拟量进行监控时, 必须先激活模拟量报警组件(AnalogyAlarm) , 设定一个或多个限制值。需要注意的是, 在模拟量报警的组态中没有内部的关联变量。本系统中的报警消息图如图6所示。

4 结束语

    本系统成功地开发了一套基于WINCC的机械手控制系统。现场执行设备和PLC通过总线通信，PLC的各种逻辑控制准确迅速，WinCC组态的监控系统实现实时监控，历史数据维护管理效果良好，系统具有良好的运行特性，网络速度快、可靠性高、开放性好、抗干扰能力强，提高了生产效率和管理水平。并能根据实际要求进行扩展。