机械手模型的PLC控制系统设计.doc

第一章概述.11.1选题背景.11.2控制系统的选择.11.3可编程控制器（PLC）的历史与发展趋势.31.3.1可编程控制器(PLC)的历史.31.3.2可编程控制器的发展与趋势.41.4可编程控制器的基本功能和特点.41.4.1PLC的基本功能.51.4.2PLC的特点.51.4.3PLC的分类.61.5可编程控制器的组成和工作原理.61.5.1可编程控制器的硬件组成.61.5.2可编程控制的软件系统和程序.81.5.3可编程控制器的工作原理.8第二章机械手自动控制系统设计.92.1系统描述.92.2机械手分选装置及工作方式.122.3大小球分选系统示意图及操作面板.132.3.1机械手大小球分选设备的控制要求.142.3.2PLC的外部接线图.152.4PLC的工序图、梯形图、指令表.162.4.1IST指令与程序的组成.162.4.2.顺序功能（SFC）图.162.4.3机械手“梯形图”程序汇总.182.4.4指令运用与说明.242.4.5PLC编程元件明细表.272.5操作原理简要说明.28第三章调试.303.1上机调试.303.2软件与硬件的调试.313.2.1软件的调试.313.2.2硬件的调试.31结束语.32致谢.33参考文献.34Abstract.35机械手模型的PLC控制系统设计摘要：本设计是研制自动化程度高、工作可靠、稳定的机械手控制系统，使其完成分拣大小球的全自动的机械设计。本文阐述了应用三菱公司的具有高性能价格比的微型可编程控制器FX系列PLC的自动分拣大小球控制系统。该系统充分利用了学习中讲述的可编程控制器（PLC）的多方面的设计知识和方法，再加上步进电机两者巧妙的配合精确的实现了机械手从圆点的上升、伸臂、判断、下降、抓取、摆动、下降、释放还原等一系列的动作完成这一工序。这一控制系统的实现和应用，充分体现了PLC系统在工业现场的应用，以及根据设计和不同的需求改变数据和状况，还可以使其应用的范围更加广泛。由于设计者得知识范围及经验，设计中必有纰漏，给予批评改正。关键词：可编程控制器（PLC）机械手分拣大小球自动控制统步进电机2010届机械设计制造及其自动化毕业设计第1页共35页第一章概述1.1选题背景工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。随着工业自动化的发展,出现了数控加工中心,它在减轻工人的劳动强度的同时,大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序,通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率低；后者因设计复杂,需较多继电器,接线繁杂,易受车体振动干扰,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。可编程序控制器PLC控制的上下料机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力,保证了系统运行的可靠性,降低了维修率,提高了工作效率机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。在工资水平较低的中国，分拣行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交带来的挑战。随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、分拣流程越来越节约劳动力,可见机械手的大力开展有着很重要的意义。1.2控制系统的选择从满足机械手自动控制系统的安全性、扩展性、和可靠性、稳定性方面考虑，目前常见的机械自动控制系统，主要有单片机控制、PLC控制、工业控制计算机集中控制以及继电器控制等类型。随着集成芯片技术的不断提高，特别是高档8位、16位单片机的普及，单片机轧管系统由单片计算机及其外围芯片构成机械手自动控制系统系统。其特点是单片机本身小巧、功耗低，实时控制功能强，但是其软、硬件的开发必须借助于开发工具，系统调试困难，不具有自开发能力。工业控制计算机机械手分拣系统有较强的软、硬件支持。利用通用计算机的软、硬件资源来支持机械手自动控制系统系统进行工作，具有自开发能力，有较强的可视能力和数据处理能力，更适合于计算机集中控制系统应用。王波：机械手模型的PLC控制系统设计第2页共35页继电器控制装置是采用硬逻辑的方式，一个继电器线圈的通断将会同时影响该继电器的所有常开常闭触点动作，同触点在控制线路的位置无关。虽然继电器控制不需要很强的软、硬件支持。价格相对便宜，但是性能不稳定精度不高，不具备自动控制功能。PLC是一种新型的具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置。它以微处理器为核心，有机地将微型计算机技术、自动化控制技术及通信技术融为一体。其特点如下：(一)高可靠性1.所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离，防止外部高压的窜入。2.各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms，有效的抑制了高频抗干扰信号。3.在PLC电路中设置了“看门狗”电路，能把因干扰而飞走的程序拉回来。4.采用性能优良的开关电源。5.对采用的器件进行严格的筛选。6.良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。7.大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。(二)丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮行程开关接近开关传感器及变送器电磁线圈控制阀直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。(三)采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。2010届机械设计制造及其自动化第3页共35页(四)编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。(五)安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。使用方便。PLC的结构不仅具有先进的通讯和输入、输出能力，而且其模块化的系统结构、灵活的配置能力，使用户可以灵活组成各种规模和不同要求的控制系统。设计、施工、调试周期短。用PLC完成一项控制工程时，由于其硬、软件齐全，设计和施工可同时进行，缩短了周期。PLC的功能有：(一)逻辑控制(二)定时控制(三)计数控制(五)PID控制(六)数据控制PLC具有数据处理能力。(七)通信和联网(八)其它PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，CRT模块。易于实现机电一体化。PLC的结构紧凑，体积小，重量轻，可靠性高，抗振防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备内部，制造出机电一体化产品。鉴于PLC的诸多优势，结合机械手自动控制系统的需要，选择日本三菱公司的S7-200系列可编程序控制器。SIMATICS7-200系列PLC是西门子公司生产的具有高性能价格比的小型可编程控制器，由于它具有控制能力强、体积小、抗干扰能力强等优点而得到广泛的应用。1.3可编程控制器（PLC）的历史与发展趋势1.3.1可编程控制器(PLC)的历史可编程控制器（ProgremmableController,PC）是进几年迅速发展并得广泛应用的新一代工业自动化控制装置。早年的可编程控制器在功能上只能实现逻辑控制，因此被称为可编程顺序逻辑控制器（ProgrammableLogyController）.这时的PLC基本上是（硬）继电器控制装置的替代物，主要用于实现原先由继电器完成的顺序控制、定时、记数等功能。国际电工委员会（IEC）与1987年2月在颁布的可编程控制器标准草案中将其一步定义王波：机械手模型的PLC控制系统设计第4页共35页为：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。20世纪70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨变。美国、日本、德国等一些厂商先后开采用微处理器作为PLC的CPU，这样使PLC的功能大大的增强。20世纪80年代，由于超大规模集成电路技术的发展微处理器价格大幅下跌，使得各种类型的PLC所采用的CPU的档次谱偏提高，一般采用16位和32位的CPU。目前，世界上约有200家PLC生产厂家。其中，美国的（Rockwell）、(GE)，德国的西门子（Siemems）,法国的施耐德（Schmeider）,日本的三菱，欧姆龙（Omron）还有我国江苏嘉华，他们从只有几十个点（I/O总点数）的微型PLC到上万个点的巨型PLC。可以预见PLC将会是电气控制装置的主要控制元件。1.3.2可编程控制器的发展与趋势由于工业生产对自动控制系统的多样性，今后几年的PLC技术将围绕如下几个方面发展。（1）进一步加快CPU的处理速度。全面使用高速CPU芯片和24位、32位、64位RIST芯片；采用新型体系结构，工作方式使扫描和中断并存；各种模块自能化，部分系统程序用门阵列电路固化，这样可以使速度达到ns级。（2）变革操作控制方式。大量使用中断驱动方式，以增加对输入/输出（I/O）的快速反应能力。（3）发展自能化模块。自能化模块主要有：通信模块、位置控制模块、数据处理模块与控制模块、数/模（D/A）转换模块、PID控制模块及一些自能化I/O模块。（4）进一步提高可靠性。PLC将在硬件上采用多CPU的容错系统，软件上开发更加高级的诊断程序，以及发展软件的容错技术，增强PLC的自诊断和外部故障检测功能等。在PLC线路中采用隔离技术防止外部高压的窜入；采用滤波技术，可以有效抑制高频干扰信号；还设置了“看门狗”电路，能把因干扰而飞走的程序拉回来，从而起到自动恢复作用。可见PLC实质上是一种面向用户的工业控制专用计算机，它与通用计算机相比有其自身的特点。（1）提供更方便灵活的编程方法，PLC的使用更加的方便。最大特点是采用清晰直观的继电器控制线路演化过来的梯形图作为编程语言，梯形图是面向控制过程，面向操作人员的语言。因此梯形图程序简单易学，易修改，深受电器工作人员的欢迎。（2）PLC的结构和规模将更加两极化更强大和更小巧。更强大是指存储容量更大，I/O点数更多，执行速度更高，智能化程度更强，数据更安全；更小巧是指体积更小，价格更底，但性能更强的微型化PLC。（3）PLC产品更加规范化、标准化将有利于PLC的设计、生产、使用和维护。（4）加强PLC的联网功能。加强PLC与PLC之间，PLC与计算机的联网能力，为实现工厂自动化提供必要的条件。这样可以实现多个系统之间进行数据传送、交换和处理。1.4可编程控制器的基本功能和特点2010届机械设计制造及其自动化第5页共35页1.4.1PLC的基本功能（1)逻辑控制功能逻辑控制功能实际上就是位处理功能，是可编程控制器的最基本的功能之一。PLC设置有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，利用这些指令，根据外部现场（开关、按扭或其他传感器）的状态，按照制定的逻辑进行运算处理后，将结果输出到现场的被控对象（电磁阀、接触器、继电器、指示灯等）。因此PLC中一个逻辑位的状态可以无限次地使用，逻辑关系的修改变更也十分方便。（2）定时控制功能PLC中用户提供使用的定时器，定时器的设定值（定时时间）可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。（3）记数控制功能PLC为用户提供了很多计数器。计数器到某一定值时（设定值），产生一个状态信号，利用该信号实现对某个操作的记数控制。PLC将根据用户用计数器指令指定的计数器对某个控制信号的状态改变次数进行计数，以完成对某个工作过程的计数控制。（4）步进控制功能PLC为用户提供了若干个状态器，可以实现由时间、技术和其他指定逻辑信号为转移条件的步进控制，即在一道工序完成以后，在转移条件满足时，自动进行下一道工序。（5）数据处理功能大部分PLC都有数据处理功能，可实现算术运算、数据传送、数据比较、数据转换、译码等操作。（6）过程控制功能有些PLC具有A/D、D/A转换功能方便地对模拟量的控制调节。（7）通信联网功能有些PLC采用通信技术，可以多台PLC之间的同位链接、PLC与计算机之间的通信等。（8）监控功能PLC设置了较强的监控功能。操作人员利用编程器或监视器可对PLC的运行状态进行监控。利用编程器可以调整定时器、计数器的设定值和当前值，并根据需要改变PLC内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容为调试和维护提供极大的方便。（9）停电记忆功能PLC内部的部分存储器所使用的RAM设置了停电保持器件（如备用电池），以保证断电后这部分存储器中的信息不会丢失。（10）故障诊断功能PLC可对系统组成、某些硬件状态及指令的合法性等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误则自动终止运行。1.4.2PLC的特点PLC作为通用工业控制计算机，30年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域王波：机械手模型的PLC控制系统设计第6页共35页接线逻辑到存储逻辑的飞跃，其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步，其领域从小到大，实现了单体设备控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越，今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用，主要特点有：（1）可靠性高，抗干扰能力强，能适应工厂环境（2）编程简单、直观，可边学边用（3）适应性好，具有柔性（4）功能完善，接口多样（5）易于操作，维护方便（4）体积小、功能强大、用途广1.4.3PLC的分类PLC的种类很多，其实现的功能、内存容量、控制规模、外型等方面均存在较大的差异。因此，PLC的分类并没有一个统一的标准，而是按结构形式、控制规、实现的功能大致地分类。a.按结构形式分类PLC按硬件的结构形式可以分整体式和模块式。（1）整体式PLC整体式PLC的CPU、存储器、I/O安装在同一机体内（如三菱的FX系列）。这种结构的特点是：结构简单、体积小、价格低。适用于嵌入控制设备的内部，常用于单机控制。（2）模块式PLC组合式PLC为总线结构。其总线做成总线板，上面有若干个总线槽，每个总线槽上可安装一个PLC模块，不同的模块实现不同的功能。配置灵活、组装方便、扩展容易。b.按I/O点数和功能分类I/O的点数是衡量PLC控制规模的重要参数。因此，按控制规模可分为小型PLC、中型PLC和大型PLC.（1）微型PLCI/O点数小于64点（2）小型PLCI/O点数在64-256点之间。（3）中型PLCI/O点数在256点512点之间。（4）大型PLCI/O点数在5128192之间。（5）超大型PLC大于8192点c.按控制实现的功能分类按照PLC所能实现的功能不同，可以把PLC大致地分为低档PLC、中档PLC和高档PLC三类。1.5可编程控制器的组成和工作原理1.5.1可编程控制器的硬件组成PLC主要有中央处理器（CPU）、存储器（RAM、EPROM）、I/O、电源、扩展接口和2010届机械设计制造及其自动化第7页共35页编程器接口等几部分组成，其结构图如下图2-1所示图2-1（1）CPU模块在PLC系统中，CPU模块相当于人的大脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。（2）I/O模块输入（INPUT）模块和输出（OUTPUT）模块简称I/O模块，他们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用来接受和采集输入信号，数字量输入模块用来接受从按钮、选择开关、数字开关、限位开关、接近开关、光电开关、等数字信号，模拟输入模块用来接收电位器，测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。数字量输入模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警器装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。CPU模块的工作电压一般是DC5V，而PLC的输出/输出信号电压信号一般较高，如DC5V和AC220V，可防止从外部引入的尖峰电压和干扰信号可能损坏CPU模块中的元器件或影响PLC的正常工作。I/O模块中，用光电耦合器、小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载，I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。（3）编程装置编程装置用来生成用户程序，并对它进行编辑、检查和修改，手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用来现场调试和维修。使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同的编程语言的相互转换，程序被编译下载到PLC也可以实现远程编程和传送。可以用编程软件设置PLC内部的各种参数，通过通信，可以显示梯形图中的触点和线圈的通断情况，以及运行时PLC内部的各种参数，对于查找故障非常有用。（4）电源PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源，内部的开关电源为各模块提供各种直流输入板块输出板块CPU板块电源块(ACDC)RS422编程口3.6锂电池运RUN停STOP(CPU芯片+存贮器芯片)接触器电磁阀按钮测位开关【PLC内部】+24V+5V+12V方式选择开关关电动机采样运算算刷新新新新【现场开关】