基于PLC气压基本回路设计（一）

毕业设计 基于PLC气压基本回路设计（一）102012212杨国强机械工程系学生姓名： 学号： 机械电子工程系 部： 王玉玲 专 业： 指导教师： 二一四 年 六 月诚信声明本人郑重声明：本设计及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成设计时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日基于PLC气压基本回路设计（一）摘要 ：本论文的重点放在气动回路的设计和PLC各硬件部分的设计和介绍、PLC梯形图的编写上。利用气压传动实现机械手的物料搬运，具体来说包括实现机械手的各种动作控制，像上升、下降、左行、右行、夹紧以及放松的控制，通过可编程序控制器(S7-200PLC）的程序设计控制机械手的动作，并在实验台上利用气压元件搭建的气动回路结合PLC模块来验证机械手臂和手抓的运动。另外该过程中还包括分析系统硬件要求，选择合适工作方式，选择合适的CUP以及合理分配I/O地址和完成PLC外部接线图，最后完成气动机械手的程序设计梯形图。关键字：机械手 实验台 气压传动，可编程序控制器(S7-200PLC） Based on the PLC basic circuit design pressure (a)Abstract ：This paper focuses on the design of the pneumatic circuit and the design of the PLC hardware parts and introduction, the writing of the PLC ladder diagram.Manipulator by using pneumatic transmission, material handling, specifically including the action of manipulator control, such as up, down, left, right, clamping and relaxation control, through the programmable controller (S7-200 PLC program design of the control action of the manipulator, and on the experiment using pneumatic components of pneumatic circuit combines PLC module to verify the movement of mechanical arm and hand grasp.The process also includes analysis of the system hardware requirements, choose the right way to work, to choose the appropriate distribute the CPU and I/O address and complete the PLC external wiring diagram, finally complete the program design of ladder diagram of pneumatic manipulator.Key Words: manipulator, experiment table, Pneumatic Transmission，Programmable controller (PLC S7-200)目 录1 前 言11.1 研究的目的及意义11.2 气动机械手简介11.2.1 气动技术11.2.2 气动机械手21.2.3 气动机械手的发展趋势41.3 PLC的简介41.3.1 可编程控制器的概念41.3.2 PLC的应用领域51.3.3 PLC的系统组成61.3.4 PLC的工作原理82 方案论证102.1 机械手的设计102.1.1 气动机械手的结构102.1.2 气动机械手的工作原理112.2 实验台气压元件简介112.2.1 气压系统112.2.2 气源装置122.2.3 气压缸132.2.4 气压控制阀152.3 气压传动工作原理图173 系统电路的设计193.1 实验所用的各模块简介193.2.辅助开关243.3 PLC的选型253.4 输入和输出信号263.5 程序设计273.6 PLC外部接线30结 论32参考文献33致 谢34太原工业学院毕业设计1 前 言机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.1 研究的目的及意义本课题试图借助开发PLC对物料分拣机械手的控制，和必要的精密传感器，使其能够对不同颜色的物料按预先设定的程序进行分拣，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产，广泛应用于柔性生产线。采用PLC控制，是一种预先设定的程序进行物料分拣的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，而对于位置改变时，只要重新编程，并能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。本设计主要完成机械手的硬件部分与软件部分设计。主要包括驱动系统和控制系统的设计。1.2 气动机械手简介1.2.1 气动技术气动技术这个被誉为工业自动化之“肌肉”的传动与控制技术，在加工制造业领域越来越受到人们的重视，并获得了广泛应用。目前，伴随着微电子技术、通信技术和自动化控制技术的迅猛发展，气动技术也不断创新，以工程实际应用为目标，得到了前所未有的发展。气动技术(Pneumatics)是以压缩空气为介质来传动和控制机械的一门专业技术。“Pneumatics”一词起源于希腊文的“Pneuma”，其原义为“呼吸”，后来才一演变成“气动技术”。气动技术因具有节能、无污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单，以及防火、防爆、抗电磁干扰、抗幅射等优点广泛应用于汽车制造、电子、工业机械、食品等工业产业中。随着新材料、新技术、新工艺的开发和应用，气动技术己经突破传统的设计、制造理念，正在IC/LCD、微电子、生物制药、医疗机械等高技术领域扮演着重要角色。随着生产自动化程度的不断提高，气动技术应用面迅速扩大，气动产品品种规格持续增多，性能、质量不断提高，市场销售产值稳步增长。在工业技术发达的欧美、日本等国家，气动元件产值已接近液压元件的产值，而且仍以较快的速度在发展。气动工业的高速增长，进一步刺激了气动技术的发展。气动技术正朝着精确化、高速化、小型化、复合化和集成化的方向发展。1.2.2 气动机械手工业机械手使用最多的一种驱动方式是电机驱动。驱动电机一般采用步进电机、直流伺服电机以及交流伺服电机。由于电机速度高，通常须采用减速机构(如谐波传动、RV摆线针轮传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等)。这类机械手的特点是控制精度高，驱动力较大，响应快，信号检测、传递、处理方便，并可以采用多种灵活的控制方案。但是由于这类机械手价格昂贵，限制了在一些场合的广泛应用。因此，人们开始寻求其它一些经济适用的机械手驱动方式。随着气动技术获得了快速发展，其利用成本性能比低廉及同时具有许多优点的气动设备，在满足社会生产实践需要的同时也越来越多的受到重视。气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要实用技术。气动机械手与其它控制方式的机械手相比，具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强等特点，表1.1给出了各种控制方式的比较。表1.1 各种控制方式的比较项目气压传动液压传动电气传动机械传动系统结构简单复杂复杂较复杂安装自由度大大中小输出力稍大大小不太大定位精度一般一般很高高动作速度大稍大大小响应速度慢快快中清洁度清洁可能污染清洁较清洁维护简单比气动复杂需要专门技术简单价格一般稍高高一般技术要求较低较高最高较低控制自由度大大中小危险性几乎没问题注意火一般无问题无特殊问题气动机械手是在己有的机械手基础上发展起来的。二者之间的区别在于气动机械手发展的起点颇高，它强调模块化的形式，把专用机械手和通用机械手结合起来。现代气动机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成。采集感知信号及控制信号均由智能阀岛来处理，气动伺服定位系统代替了伺服电机、步进马达或液压伺服系统；气缸、摆动马达完成原来由液压缸或机械所作的执行动作；主机部分采用了标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。人们根据应用情况的要求，选择相应功能和参数的模块，像积木一样随意的组合，这是一种先进的设计思想，代表气动机械手今后的发展方向，也将始终贯穿着气动机械手的发展及实用性。因此，气动机械手可以代替一些功能不理想的工业机械手的地位，在目前的工业自动线上有着及其广泛的应用前景。1.2.3 气动机械手的发展趋势尽管世界工业经济发展放缓，使得气动机械手的发展受到一定的影响，然而，作为新兴科学技术的产物，气动机械手的发展势不可挡。目前，气动机械手的发展呈现出了以下趋势：1、结构模块化2、控制智能化3、感觉功能变强4、系统应用与集成化5、可靠性越来越高6、易操作更灵活7、向微型化方向发展1.3 PLC的简介1.3.1 可编程控制器的概念可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称PLC。国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。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、计数和算术运算等操作的指令。并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”现代工业生产过程是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。PLC一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。PLC具有如下特点：1、编程方法简单易学。2、功能强，性能价格比高。3、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。4、可靠性高，抗干扰能力强。5、系统的设计、安装、调试工作量少。6、维修工作量小，维修方便。7、体积小，能耗低。1.3.2 PLC的应用领域PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。但最近十年来，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：一方面由于处理器芯片及有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增加，能解决复杂的计算和通信问题。目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、纺织、环保和娱乐等行业。PLC的应用范围通常分成以下5种类型：1、顺序控制这是PLC应用最广泛的领域，也是最适合PLC使用的领域，它用来取代传统的继电器顺序控制。PLC应用于单机控制、多机控制、生产自动线控制等。例如：注塑机械、印刷机械、订书机械、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制。2、运动控制PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数轴到目标位置，每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，保持运动平滑。相对来说，位置控制模块比CNC装置体积更小，价格更低，速度更快，操作更方便，3、过程控制PLC还能控制大量的过程参数，例如：温度、流量、压力、液位和速度等。PID模块提供了使PLC具有了闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。4、数据控制在机械加工中，PLC作为主要的控制和管理系统用于CNC和NC系统中，可以完成大量的数据控制。5、通信控制PLC的通信包括主机与远程I/O的通信、多台PLC之间的通信、PLC和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。1.3.3 PLC的系统组成PLC种类繁多，但其组成和工作原理基本相同。用PLC实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出变换，并将这个变换给以物理实现，应用于工业现场。PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。PLC的结构框图如图3.1所示。1、中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路连接。2、存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器包括用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三部分。第一部分为系统管理程序。第二部分为用户指令解释程序。第三部分为标准程序与系统调用。图1.1 PLC的结构框图用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。用户数据存储器可以用来存放（记忆）用户程序中所使用器件ON/OFF状态和数值、数据等。用户存储器的大小关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。PLC使用的存储器类型有三种。第一种是随机存取存储器（RAM）；第二种是只读存储器（ROM）；第三种是可电擦除可编程的只读存储器（EEPROM或EPROM）。3、输入/输出模块输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块。PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入/输出模块从广义上分包含两部分：一是与控制设备相连接的接口电路；另一部分是输入和输出的映像寄存器。输入模块用于处理输入信号，对输入信号进行滤波、隔离、电平转换等，把输入信号的逻辑值安全可靠地传递到PLC内部。输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC外部，输出模块具有隔离PLC内部电路和外部执行元件的作用，还具有功率放大的作用。4、电源模块PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V等直流电源，使PLC能正常工作。5、接口模块接口模块用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。6、通信接口为了实现“人机”或“机机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。7、编程器编程器的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转换为机器语言助记符（语句表）后，才能输入。智能型的编程器又称图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话8、其他部分有些PLC还可配有EPROM写入器、存储器等其他外部设备。1.3.4 PLC的工作原理PLC是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，但是 CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作，所以它属于串行工作方式。PLC工作的全过程可用图2.2所示的运行框图来表示。概括而言，PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。扫描周期是控制过程中一个比较重要的技术指标。一般来说，扫描周期越大，表明扫描所需要的时间就越长，要求输入信号的宽度就越大，控制周期就越长，控制速度就要降低。PLC的过程可分为三部分。第一部分为上电处理，第二部分是扫描过程，第三部分是出错处理。电源ON内部处理输入处理(输入传送远程I/O)通信服务(外设、CPU、总线服务)更新时钟、特殊寄存器执行程序执行自诊断存放自诊断错误结果CPU强制为STOPRUNSTOPYNNY输出处理致命错误PLC正常否CPU运行方式图1.22 方案论证本论文主要内容是以气动搬运机械手作为控制对象，用PLC作为控制器，最终实现对气动搬运机械手自动运行的控制过程。并在实验台上搭建运行。2.1 机械手的设计2.1.1 气动机械手的结构机械手的种类很多，但按手臂坐标类型来分主要有直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式、SCARA型。本论文所针对的机械手属于圆柱坐标式，如图2.1所示，机械手主要是由基座和手臂两部分组成。基座的主要任务是支撑和完成手臂回转。手臂装在基座上，作上下直线运动，手部可夹紧/放松。 图2.1 气动机械手示意图 本机械手的机座由伺服电机控制，机械手臂由气缸驱动。气缸由电磁阀控制。驱动部分有立柱升降气缸和手臂伸缩驱动气缸，和机械手抓。2.1.2 气动机械手的工作原理本机械手采用气压驱动，使用的是压力为0. 6 MPa，最高可达1 Mpa。这个机械手具有二个直线运动和一个旋转运动自由度，用于将原工作台上的物品搬到其左侧工作台上。机械手的动作由伺服电机和气缸驱动控制，气缸由电磁阀控制，整个机械手在工作中能实现上升/下降、左旋转/右旋转、夹紧/放松功能，是目前较为简单的、应用比较广泛的一种机械手。机械手的工作流程如图2.2所示。开始下降抓紧上升左旋下降放松上升右旋 结束原位图2.2 工作流程2.2 实验台气压元件简介 2.2.1 气压系统 气压传动以压缩气体为工作介质，靠气体的压力传递动力或信息的流体传动。传递动力的系统是将压缩气体经由管道和控制阀输送给气动执行元件，把压缩气体的压力能转换为机械能而作功；传递信息的系统是利用气动逻辑元件或射流元件以实现逻辑运算等功能，亦称气动控制系统。气压系统的组成主要有： 动力元件气源； 执行元件双作用气缸，单作用气缸 控制元件气压阀，单向节流阀， 辅助元件管件、气罐、三联件， 工作介质空气气压传动具有以下独特的优点： （1）以空气作为工作介质，取之不尽，处理方便，用过以后直接排入大气，不会污染环境，且可少设置或不必设置回气管道。 （2）空气的黏度很小，只有液压油的万分之一，流动阻力小，所以便于集中供气，中、远距离输送。 （3）气动控制动作迅速，反应快；维护简单，工作介质清洁，不存在介质变质和更换等问题。 （4）工作环境适应性好。无论是在易燃、易爆、多尘埃、辐射、强磁、振动、冲击等恶劣的环境中，气压传动系统工作安全可靠。 （5）气动元件结构简单，便于加工制造，使用寿命长，可靠性高。气压传动的缺点: （1）由于空气的可压缩性大，气压传动系统的速度稳定性差，给系统的速度和位置控制精度带来很大的影响。 （2）气压传动系统的噪声大，尤其是排气时，需要加消音器。2.2.2 气源装置 气源装置是用来产生具有足够压力和流量的压缩空气并将其净化、处理及储存的一套装置。图2.3所示为常见的气源装置。其主要由以下元件组成。 空气压缩机是将机械能转变为气体压力能的装置，是启动系统的动力源。一般有活塞式，膜片式、螺杆式等几种类型，其中气压系统最常使用的机型为活塞式压缩机。在选择空气压缩机时，其额定压力应等于或略高于所需的工作压力，其流量应等于系统设备最大耗气量并考虑管路泄露等因素空气压缩机是将机械能转变为气体压力能的装置，是启动系统的动力源。一般有活塞式，膜片式、螺杆式等几种类型，其中气压系统最常使用的机型为活塞式压缩机。在选择空气压缩机时，其额定压力应等于或略高于所需的工作压力，其流量应等于系统设备最大耗气量并考虑管路泄露等因素图2.3 气源装置2.2.3 气压缸 气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。气缸有作往复直线运动的和作往复摆动的两类。作往复直线运动的气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸 4种。气缸是由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件组成，其内部结构如图所示： 图2.4 双作用气缸 图2.5 单作用气缸 1 单作用气缸 单作用气缸只有一腔可输入压缩空气，实现一个方向运动。其活塞杆只能借助外力将其推回；通常借助于弹簧力，膜片张力，重力等。 机械手抓通过单作用气缸抓放，夹持力度通过气缸的弹簧来调整。 其原理及结构见下图 图2.6 单作用气缸原理图单作用气缸的特点是： 1）仅一端进（排）气，结构简单，耗气量小。 2）用弹簧力或膜片力等复位，压缩空气能量的一部分用于克服弹簧力或膜片张力，因而减小了活塞杆的输出力。 3）缸内安装弹簧、膜片等，一般行程较短；与相同体积的双作用气缸相比，有效行程小一些。气缸复位弹簧、膜片的张力均随变形大小变化，因而活塞杆的输出力在行进过程中是变化的。 由于以上特点，单作用活塞气缸多用于短行程。其推力及运动速度均要求不高场合，如气吊、定位和夹紧等装置上。单作用柱塞缸则不然，可用在长行程、高载荷的场合。 2双作用气缸双作用气缸指两腔可以分别输入压缩空气，实现双向运动的气缸。其结构可分为双活塞杆式、单活塞杆式、双活塞式、缓冲式和非缓冲式等。此类气缸使用最为广泛。1）双活塞杆双作用气缸双活塞杆气缸有缸体固定和活塞杆固定两种。 缸体固定时，其所带载荷（如工作台）与气缸两活塞杆连成一体，压缩空气依次进入气缸两腔（一腔进气另一腔排气），活塞杆带动工作台左右运动，工作台运动范围等于其有效行程s的3倍。安装所占空间大，一般用于小型设备上。 活塞杆固定时，为管路连接方便，活塞杆制成空心，缸体与载荷（工作台）连成一体，压缩空气从空心活塞杆的左端或右端进入气缸两腔，使缸体带动工作台向左或向左运动，工作台的运动范围为其有效行程s的2倍。适用于中、大型设备。 2.2.4 气压控制阀 气压控制阀是气压系统中用来控制气流方向、压力和流量的元件。借助于这些阀，便能对气压执行元件的启动和停止、运动方向和运动速度、动作顺序和克服负载的能力等进行调节与控制，使各类气压机械都能按要求协调地工作。 （1）单向节流阀 节流阀和单向节流阀是简易的流量控制阀，它们在定量泵液压系统中的主要作用是与溢流阀配合，组成三种节流调速系统：即进气节流调速系统、回气节流调速系统和旁路节流调速系统。对于执行元件要求往返节流调速的系统可使用两个单向节流阀。节流阀也在容积节流调速回路中使用。这种阀没有压力及温度补偿装置，不能自动补偿载荷及油液粘度变化时造成的速度不稳定，但其结构简单，制造和维护方便。所以在载荷变化不大或对速度稳定性要求不高的一般液压系统中得到广泛应用。图2.7 单向节流阀结构示意图图2.8 实物图 （1）电磁阀 电磁动换向阀简称电磁换向阀，是靠通电线圈对衔铁的吸引转化而来的推力操纵阀芯换位的换向阀。 电磁阀的工作原理：电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的气管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排气的孔，而进气孔是常开的，气就会进入不同的排气管，然后通过气的压力来推动气缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。 如图2.6二台肩结构的三位四通O型中位机能的电磁换向阀，阀体的两侧各有一个电磁铁和一个对中弹簧。图示为电磁铁断电状态，在弹簧力的作用下，阀芯处在常态位（中位）。当左侧的电磁铁通电吸合时，衔铁通过推杆将阀芯推至右端，则P、A和B、T分别导通，换向阀在图形符号的左位工作；反之，右端电磁铁通电时，换向阀就在右位工作。 电磁铁不仅有交流和直流之分，而且有干式和湿式之别。交流电磁铁结构简单、使用方便，启动力大，动作快，但换向冲击大，噪声大，换向频率不能太高（约 30次min），当阀芯被卡住或由于电压低等原因吸合不上时，线圈易烧坏。直流电磁铁需直流电源或整流装置，但换向冲击小，换向频率允许较高（最高可达240次min），而且有恒电流特性，电磁铁吸合不上时线圈也不会烧坏，故工作可靠性高。 图2.9 三位四通换向阀 二位三通电磁阀由阀体和电磁线圈两部分组成，是自带桥式整流电路，并带过电压、过电流安全保护的直动式结构 系统中工作状态一：电磁阀线圈不通电。此时，电磁阀铁芯在回复弹簧的作用下靠在双管端，关闭双管端出口，单管端出口处于开启状态，制冷剂从电磁阀单管端出口管流向冷藏室蒸发器、冷冻室蒸发器流回压缩机，实现制冷循环。 系统中工作状态二：电磁阀线圈通电。此时，电磁阀铁芯在电磁力的作用下克服回复弹簧作用力移到单管端，关闭单管端出口，双管端出口处于开启状态，制冷剂从电磁阀双管端出口管流向冷冻室蒸发器流回压缩机，实现制冷循环。电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动。电磁阀用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压钢控制，所以就会用到电磁阀。2.3 气压传动工作原理图其升降运动通过升降气缸A、垂直导柱、滑动导柱、垂直导轨及升降位置微动开关相互配合完成，转动是通过伺服电，转动工作行程为0180，神到指定位置的手臂是通过气缸B来完成，手部是通过单作用气缸控制机械手抓来夹持物品。图2.10 机械手气压传动系统工作原理图图2.11 连接实物图如下图：333 系统电路的设计3.1 实验所用的各模块简介 1 交流电源模块 DB-1 （1）功能简介：该模块为交流电源模块，背面连接为其它模块提供所需要的AC380V和AC220V电压。 （2）基本结构说明： 剩余电流动作保护器：设备总电源开关,起到对地漏电保护作用，对地漏电不大于0.03mA；如果漏电跳闸，请专业人员进行检修，查出问题并解决后将漏电指示按钮按下，开关才能推上去使断路器吸合（注：未解决跳闸问题之前严禁合起断路器，以免造成人身伤害）； 交流电压表：显示外接电网电压； 指示灯：提示三相电U、V、W的通断情况，灯亮表示相对应的电源导通，反之则断开；如果发现某一相指示灯熄灭，请检查是否对应熔断器烧坏，或者电网供电是否正常； AC380V电压输出：护套插座，连接设备专用护套插线给其他模块提供AC380V电压（注：无外接元件时严禁用手或导体去碰触插座）； 熔断器：对电路起过载保护作用，额定电流10A；如果红色指示灯亮，说明相对应的熔断器被烧坏，请及时更换； 交流电流表：显示设备总电流； 指示灯：提示AC220V的通断情况，灯亮表示相对应的电源是通的，反之则断开； AC220V电压输出：护套插座，连接配套的护套插线给其他模块提供AC 220V电压（注：无外接元件时严禁用手或导体去碰触插座）。 （3）使用注意事项：该电源模块提供负载能力最大为4KW，请注意外部负载不要超过4KW。 图3.1 实物图 图3.2 DB-1内部电路图 2. 直流电源模块DB-2 图3.3 DB-2实物图和内部电路图（1）功能简介： 该模块为直流电源模块，为其它模块和元器件提供所需要的DC 5V、DC 12V和DC 24V电压。（2）基本结构说明： 保险管：对电路起过载保护作用(通常用2A的保险管)； 指示灯：提示AC 220V的通断情况，灯亮表示模块供电已导通，反之则断开； AC 220V电压输入：护套插座，连接配套的护套插线接受DB-1模块供的AC 220V电压； 电源开关：控制该模块总电路的通断； DC 12V电压表：显示DC 12V电压输出的实际电压； DC 5V电压输出：大孔为护套插座，小孔为针式插线孔，相同颜色的三个孔是导通的；连接设备专用的插线给其他模块提供DC 5V电压； DC 12V电压输出：大孔为护套插座，小孔为针式插线孔，相同颜色的三个孔是导通的；连接设备专用的插线给其他模块提供DC 12V电压； DC 24V电压输出：大孔为护套插座，小孔为针式插线孔，相同颜色的三个孔是导通的；连接设备专用的插线给其他模块提供DC 24V电压； DC 5V电压表：显示DC 5V电压输出的实际电压； DC 24V电压表：显示DC 24V电压输出的实际电压。（3）使用注意事项： 使用本模块，必须先用带护套插导线从交流电源模块DB-1的AC220V OUT与本模块AC220V IN相连接，提供必要的供电电源； 该电源模块提供DC24V、DC12V、DC5V直流电源，最大负载电流4.5A，请注意外部负载必须在负载能力范围以内。3. 可编程控制模块 DB-8 图3.4 DB-8实物图 (1)功能简介:该模块为西门子S7-200 CPU224 CN可编程控制器模块，输入相对应的程序就可以实现自动控制。 (2)基本结构说明： I/O输入端公共端：与M端口相连接； AC 220V电压输入：护套插座，连接配套的护套插线接受DB-1模块供的AC 220V电压； 保险管：对电路起过载保护作用(通常用2A的保险管)； 电源开关：控制该模块总电路的通断； PLC模块：S7-200 CPU224 CN继电器输出, I/O输入点14个、输出点10个； 串行口：用配套的电缆线和电脑相连接用来下载程序程序； I/O输出公共端:与DC24V+相连接，每个公共端的额定电流最大为10A； I/O输出端：接负载，每点额定电流最大为2A； I/O输入端：接开关量与L+相连 M端口: PLC内部供电负极；L+端口：PLC内部供电正极。 (3) PLC控制器连接电路图 图3.5 S7-200 224 CN PLC输I/O点外部接线方法示意图（4）使用注意事项： 下载程序时要将PLC上的开关拨到stop位置，下载完程序运行时再将其拨到run位置； 4.按钮控制模块DB-9 (1)结构特点介绍： 1三位旋钮 2按钮 3常开触点 4常闭触点 5急停按钮 (2)使用说明：禁止带电连接导线，该模块控制电压为DC24V，请勿采用AC220V作为控制电压；使用该模块前，必须仔细检查电气控制线路是否准确无误，确认后再进行电气线路连接；各个端口全部开放，电气可根据自己实际需求在外部进行连接；在使用过程中，若发现外部控制有误动作、误操作等危险情况发生时，请及时切断电源停止控制或操作。 图 3.6 按钮控制模块3.2.辅助开关 接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号 接近开关的核心部分是“感辨头”，它对接近的物体有很高的感辨能力，是一种非接触测量。 接近开关与被测物不接触、不会产生机械磨损和疲劳损伤、工作寿命长、响应快、无触点、无火花、无噪声、防潮、防尘、防爆性能较好、输出信号负载能力强、体积小、安装、调整方便；但是 触点容量较小、输出短路时易烧毁。图3.7 行程开关3.3 PLC的选型目前，世界上有200多个厂家生产可编程控制器产品，比较著名的PLC生产厂家主要有美国的AB、通用（GE）、日本的三菱（MITSBISHI）、欧姆龙（OMRON）、德国的西门子（SIMENS）、法国的TE、韩国的三星（SUMSUNG）、LG等。本文选择的是德国的西门子公司生产的S7200PLC。S7200系列PLC是西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样，因此它一经推出，即受到了广泛的关注。特别是S7200CPU22*系列PLC，由于它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，其速度快，具有极强的通信能力，几乎可以完成任何功能的控制任务。CPU22*系列PLC它有如下五种不同结构的配置单元：1、CPU221，它具有6输入/4输出，I/O共计10点，无扩展能力；2、CPU222，它具有8输入/6输出，I/O共计14点，并可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展；3、CPU224，它具有14点输入/10点输出，I/O点数共计24点，它有七个扩展模块，有内置时钟；4、CPU226，它具有24输入/16输出，I/O共计40点，与CPU224相比，它增加了通信口的数量，通信能力大大增强；5、CPU226XM，这是西门子公司后推出的一种增强型主机，它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展，其他指标和CPU226相同。当CPU的I/O点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，就要进行I/O的扩展。I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。不同的CPU有不同的扩展规范，它主要受CPU的功能限制。典型的数字量输入/输出扩展模块有：输入扩展模块EM221有两种：8点DC输入、8点AC输入。输出扩展模块EM222有三种：8点DC晶体管输出、8点AC输出、8点继电器输出。输入/输出混合扩展模块EM223有六种：分别为4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）DC输出、4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）继电器输出。本次设计中共7个输入量，共4个输出量，共计11点，因此选用了S7200系列CPU224，CPU224具有14点输入/10点输出，I/O点数共计24点，它可以有七个扩展模块，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是使用最多的S7200产品。3.4 输入和输出信号本控制系统有7个输入开关量，分别为：系统启动按钮1个 负责整个系统的启动；系统停止按钮1个 负责整个系统的停止；下降限位开关1个 负责检测机械手到达最低位置；上升限位开关1个 负责检测机械手到达最高位置；伸出限位开关1个 负责检测机械手是否伸到位置；收缩限位开关1个 负责检测机械手是否收回；I/O表分配：对应开关 I/ 输入 O/ 输出SB1I0.0启动Q0.0电磁阀5 左得电SB2I0.1停止Q0.1电磁阀5 右得电限位开关3I0.2Q0.2电磁阀11左得电限位开关4I0.3Q0.3电磁阀11右得电限位开关9I0.4Q0.4电磁阀13得电限位开关10I0.53.5 程序设计 1 具体运动过程如下：接通电源，启动气源装置，