(精品)PLC用三菱PLC设计控制气动机械手(2013年优秀毕业设计)

用三菱PLC设计控制气动机械手摘 要工业机械手是在生产过程中采用机电结合来模拟人手动作的机械设备，它可以代替人手搬运笨重物体或在高温、有毒、高粉尘，易燃易爆、单调和放射性等恶劣的环境下工作。传统的继电器控制，因机械触点多，接线复杂，因而控制装置体积较大，并且故障率高，可靠性差，动作精确度低；单片机控制系统由于所需驱动电流较大因而必须设计功率接口电路，还要进行抗干扰及其可靠性的设计。PLC作为一种新型的工业控制器，其通用性和扩展性能良好、运算指令丰富，并且它的体积小、安装灵活、价格低廉、可靠性高、抗干扰能力强易于实现机电一体化且非常适合在环境条件较恶劣下使用。本设计采用的是以PLC为核心，通过设计相应的硬件电路和软件编程实现对机械手的控制。能实现机械手在手动工作方式时，除松开、夹紧动作为按钮自锁控制外，其他动作均为按钮点动控制相应的动作；在回原位工作方式时，按下“回原位”按钮，则机械手自动返回原位；在单步工作方式时，每按下一次“启动自动”按钮，机械手向前执行一步；在单周期工作方式时，每按下一次“启动自动”按钮，机械手只运行一个周期；在连续工作方式时，机械手在原位，只要按下“启动自动”按钮，机械手就会连续循环工作，直到按下“停止自动”按钮；在出现紧急情况，按下“紧急停车”按钮时，机械手停止所有的操作。软硬件调试合格，具有一定的实用性。关键词：PLC，机械手，搬物、软件、控制系统目 录第一章 绪 论31.1 论文现状及意义.31.2 论文研究的内容.41.3 本论文的组织4第一章 绪论.11.1 论文现状及意义11.2 气动机械手的PLC控制系统简介.11.3 本论文的组织1第四节 主要元器件2第二章 控制系统设计简介.22.1 系统分析22.2 输入/输出信号（I/O）分析.4第三章 系统的主要元件介绍.4第四章 控制系统电路设计54.1 设计思路.54.2 系统原理图及接线图.6第五章 程序设计及调试85.1 程序设计思路.85.2 程序流程图.95.3 梯形图程序115.4 指令表程序155.5 程序调试及故障分析17结束语20参考文献21致谢21第一章 绪 论1.1 论文现状及意义作为通用工业控制计算机，30年来，PLC可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了从逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单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，因此，PLC的应用也就成为了一个热点问题。工业机械手是在生产过程中采用机电结合来模拟人手动作的机械设备，它可以代替人手搬运笨重物体或在高温、有毒、高粉尘，易燃易爆、单调和放射性等恶劣的环境下工作。传统的继电器控制，因机械触点多，接线复杂，因而控制装置体积较大，并且故障率高，可靠性差，动作精确度低；单片机控制系统由于所需驱动电流较大因而必须设计功率接口电路，还要进行抗干扰及其可靠性的设计。而PLC作为一种新型的工业控制器，其通用性和扩展性能良好、运算指令丰富，并且它的体积小、安装灵活、价格低廉、可靠性高、抗干扰能力强易于实现机电一体化且非常适合在环境条件较恶劣下使用。本设计采用三菱FX2N系列PLC为核心，通过设计相应的硬件电路和软件编程实现对夹持式气动机械手的控制，它主要由手部和运动机构组成。PLC控制系统通过PLC程序来控制手部和运动机构，以完成抓持工件（或工具）的部件，使机械手完成夹紧、松开、右移、左移运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势等动作。具有一定的实用性。 1.2 论文研究的内容一、控制系统的分析二、控制系统设计三、控制系统主要元器件介绍四、控制系统硬件电路设计五、控制系统程序设计及调试1.3 本论文的组织硬件电路的设计方案、系统原理图、接线图的绘制一一做了草稿，这让我熟悉了器件，也进一步掌握了硬件系统的设计；接下来的日子是弄程序框图、源程序的设计编制，程序调试以及故障分析，第一章说明了论文的背景、意义、论文研究的内容等；第二章通过对控制系统系统分析的控制分析、功能分析和输入/输出信号（I/O）分析，介绍了PLC控制系统的设计思想；第三章介绍了控制系统主要元器件FX2N-48MR PLC的功能及性能规格等资料；第四章说明了控制系统硬件电路的设计思想，画出了原理图和外部电器接线图；第五章介绍了程序设计思想及程序调试过程，画出了流程图、梯形图，给出了相应的指令表，并调试成功。最后在结束语中进行了论文总结。 第二章 控制系统设计简介2.1 系统分析一、控制要求分析气动机械手的动作示意图如图1所示，气动机械手的功能是将工件从A处移送到B处。机械手的控制要完成上升、下降、左行、右行、夹紧和放松等六个动作。图1 气动机械手原理示意图（1）机械手的上升、下降，左行、右行等分别使用了不同的双螺线管的电磁阀（在某方向的驱动线圈失电时能保持在原位置上，必须驱动反方向的线圈才能反方向运动），夹钳使用单螺线管电磁阀（只在有电时能夹紧）。（2）上升、下降的电磁阀线圈分别为YV2、YV1；右行、左行的电磁阀线圈为YV3、YV4；（3）机械手的夹钳由单线圈电磁阀YV5来实现，线圈通电时夹紧工件，线圈断电时松开工件；（4）机械手的夹钳的松开、夹紧动作均须延时1S；（5）机械手的下降、上升、右行、左行的限位由行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4来实现；机械手移动工件是以左上作原点，按下降、夹紧、上升、右行、下降、松开、上升、左行的次序依次运行。电磁阀的动作如表1所示：表1 电磁阀的动作序号工步电磁元件动作Y0（下降）Y1（夹紧/松开）Y2（上升）Y3（右行）Y4（左行）0起始位置（原点）1下降2夹紧3上升4右行5下降6松开7上升8左行二、功能要求分析机械手要求实现手动、回原位、单步、单周期和连续等五种工作方式。1、手动工作方式时，除松开、夹紧动作为按钮自锁控制外，其他动作均为按钮点动控制相应的动作；2、回原位工作方式时，按下“回原位”按钮，则机械手自动返回原位；3、单步工作方式时，每按下一次“启动自动”按钮，机械手向前执行一步；4、单周期工作方式时，每按下一次“启动自动”按钮，机械手只运行一个周期；5、连续工作方式时，机械手在原位，只要按下“启动自动”按钮，机械手就会连续循环工作，直到按下“停止自动”按钮；6、出现紧急情况，按下“紧急停车”按钮时，机械手停止所有的操作。注意：传送工件时，机械手必须升到最高点才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时碰到其他工件。2.2输入/输出信号（I/O）分析系统有限位开关、转换开关、输入信号、电磁伐输出信号；PLC有20个输入点，6个输出点，I/O点总数是26个；列出这些输入输出信号与PLC I/O地址的对应关系表格。I/O赋值（分配输入输出）列表如表2：表2 I/O赋值列表地址信号名称备注信号类别PLC I/O地址开关量输入信号X1机械手下限位机械手的现场检测开关（限位开关）X2机械手上限位X3机械手右限位X4机械手左限位X5手动机械手上升面板上的控制信号（按钮）X6手动机械手向左X7手动机械手松开X10手动机械手下降X11手动机械手向右X12手动机械手夹紧X20手动操作方式选择面板上的旋钮选择开关控制信号输入X21回原点操作方式选择X22单步操作方式选择X23单循环操作方式选择X24连续自动操作方式选择X25回原位分别为面板上的“回原位”、“启动自动”、“停止自动”按钮X26自动运行启动X27自动运行停止开关量输出信号Y0机械手向下电磁阀Y1机械手夹紧/松开电磁阀“1”夹紧；“0”松开。Y2机械手向上电磁阀Y3机械手向右电磁阀Y4机械手向左电磁阀Y5运行指示第三章 控制系统主要元器件介绍根据I/O点数、PLC的硬件功能、指令系统的功能、用户程序存储容量，确定PLC型号。选用FX2N-48MR PLC一台及驱动线圈、夹钳、发光二极管、接触器、电磁阀。一、FX2N系列简介FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。由于FX2N系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。为大量实际应用而开发的特殊功能开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要-模拟I/O，高速计数器。定位控制达到16轴，脉冲串输出或为J和K型热电偶或Pt传感器开发了温度模块。对每一个FX2n主单元可配置总计达8个特殊功能模块。二、其它功能内置式24V直流电源24V、400mA直流电源可用于外围设备，如传感器或其它元件。快速断开端子块因为采用了优良的可维护性快速断开端子块，即使接着电缆也可以更换单元。时钟功能和小时表功能在所有的FX2NPLC中都有实时时钟标准。时间设置和比较指令易于操作。小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。持续扫描：为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期。输入滤波器调节：可以用输入滤波器平整输入信号（在基本单元中x000到x017）。注解记录功能：元件注解可以记录在程序寄存器中。在线程序编辑功能：在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转。RUN/STOP：开关面板上运行/停止开关易于操作。远程维护：远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测、上载或卸载程序和数据 。密码保护：使用一个八位数字密码保护程序。三、交流电源220V输入类型性能规格FX2N-48MR-0014824漏型24继电器182*87*90。 图2 FX2N-48MR-0014824外形 运转控制方式通过储存的程序周期运转：I/O控制方法批次处理方法(当执行END指令时)I/O指令可以刷新。运转处理时间基本指令：0.8s/指令。应用指令：1.52至几百s/指令 。编程语言逻辑梯形图和指令清单使用步进梯形图能生成SFC类型程序，程式容量8000步内置使用附加寄存盒可扩展到16000步。指令数目基本顺序指令：27 。步进梯形指令：2 。应用指令：128最大可用298条应用指令 。I/O配置最大硬体I/O配置点256，依赖于用户的选择（最大软件可设定地址输入256、输出256）。辅助继电器（M线圈）：一般500点M0至M499 、锁定2572点M500至M3071、特殊256点M8000至M8255。状态继电器（S线圈）：一般490点S0至S499 、锁定400点S500至S899、初始10点S0至S9 、信号报警器100点S900至S999。定时器（T）：100毫秒范围0至3276.7秒200点T0至T199；10毫秒范围0至327.67秒46点T200至T245；1毫秒保持型范围0至32.767秒4点T246至T249；100毫秒范围0至3276.7秒6点T250至T255。计数器（C）：一般16位范围0至32767数200点C0至C199；类型16位上计数器，锁定16位100点（子系统）C100至C199；类型16位上计数器，一般32位15点C200至C219；类型16位上/下计数器，锁定32位15点C220至C234；类型16位上/下计数器。高速计数器（C）：单相范围 -2147483648至+2147483647数一般规则：选择组合计数频率不大于20KHz的计数器组合；注意所有的计数器锁定C235至C2406点；单相c/w起始；停止输入C241至C2455点；双相C246至C2505点；A/B相C251至C2555点。数据寄存器（D）：一般200点D0至D199类型32位元件的16位数据存储寄存器对，锁定7800点D200至D7999；类型32位元件的16位数据存储寄存器对，文件寄存器7000点D1000至 D7999通过14块500程式步的参数设置；类型16位数据存储寄存器，特殊256点从D8000至D8255；类型16位数据存储寄存器，变址16点V0至V7以及Z0至Z7；指标（P）：用于CALL128点P0至P127，用于中断6输入点、3定时器、6计数器100*至150*和16*至18*(上升触发*=1，下降触发*=0，*=时间(单位：毫秒) ；嵌套层次：用于MC和MRC时8点N0至N7常数十进位K16位-32768至+32768；32位-2147483648至+2147483647；十六进位H16位0000至FFFF；32位00000000至FFFFFFFF；浮点32位1.175*10-38，3.403*10-38（不能直接输入）。第四章 控制系统硬件电路设计4.1设计思路根据任务书的动作要求、控制要求、来确定I/O点数，然后根据I/O点数选PLC型号，画出外部接线图、SFC、程序流程图，然后进行电路设计。机械手电气控制系统，除了有多个工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等多种操作方式。在操作面板上设计旋转开关（选择开关），可以很方便地进行工作方式的选择。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。由于机械手移动工件是以左上作原点，PLC自动控制机械手按下降、夹紧、上升、右行、下降、松开、上升、左行的次序依次运行。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。这体现了本PLC控制系统的特点：（1）使用性强；（2）安全性高，可代替人做危险工作；（3）易实现抓取、搬运工件或操纵工具；（4）制造成本低。4.2控制系统原理图及电气接线图一、控制柜面板布置图 如图3为系统控制柜面板布置示意图。图3 系统控制柜面板布置示意图二、外部电气接线图外部电气接线图如图4所示：图4第五章 控制系统程序设计及调试5.1程序设计思路在本设计中，要求系统具有多种工作方式，即要包含有手动、手动、回原位、单步、单周期和连续等五种运行方式。设计的难点在于：如何将多种工作方式的控制功能融合到一个程序中。程序设计的基本思路：1、设计步骤先考虑主程序结构，建立起整个程序的框架，就好像是建大楼时先打好基础、建好大楼的框架一样。然后，再详细设计程序的各个部分，好比建大楼的各个楼层、各个房间一样。2、主程序结构设计的思路因为自动运行方式可包含连续、单周期、单步、自动返回初始状态等方式，所以我们在设计程序时，先划分手动、自动两种方式。在此基础上，设计主程序的结构。如图5所示：上述主程序的执行流程说明如下：（1）当X20为ON，执行公用程序、手动程序； （2）当X20为OFF，执行公用程序、自动程序。由于机械手移动工件是以左上作原点，按下降、夹紧、上升、右行、下降松开、上升、左行的次序依次运行。动作有着明显的状态特点，故用SFC (SequentialFunction Chart)语言编程。 图55.2程序流程图自动程序的流程图如图6所示：图6 自动程序的流程图自动程序的SFC如图7所示：图7 5.3 梯形图各部分的程序编写如下：一、公用程序二、手动程序三、自动程序单步：开关打到单步X22档位， 启动开关X26每按一次转换一步，从下降开始到下限位开关X1时，按下X26机械手夹紧工件，按下X26开始上升，到上限位开关X2时按下X26机械手右移，到达右限位开关X3时按下X26机械手下降，到达下限位X1时机械手松开工件，按下X26机械手上升到上限位开关X2，再按下X26左移到达左限位开关X4。单周期：开关打到单周期X23档位，按下启动开关X26程序从由下降开始下限位开关X1时机械手夹紧工件，定时1秒后开始上升，上限位开关X2时机械手右移，到达右限位开关X3是机械手下降，到达下限位X1是机械手松开工件，1秒后机械手上升到上限位开关X2，然后左移到左限位开关X4完成一个连续的周期后结束程序的执行。5.4完整的程序清单5.4指令表程序5.5 程序调试及故障分析做好硬件原理接线图的设计，编写好控制程序并检查无误后，再上机进行程序调试。一、调试准备1检查硬件接线图 对于硬件IO定义进行检查，确保实现设计要求所需要的信号不被遗漏。检查系统硬件接线图设计的正确性。2编写并检查控制程序 将程序输入编程软件之前，应先根据系统的控制要求设计好程序流程图。采用顺控法设计应画好状态流程图，检查顺控流程图的正确性。这样可帮助理清思路，有助于程序的正确编制、调试。 我采用三菱SWOPC-FXGP/WIN-C Version3.20编程工具软件（如图8），编写控制程序。将程序逐条输入后，保存程序文件。逐条仔细检查控制程序，并改正写入时出现的错误。图8二、调试方法、步骤 由于条件限制，不能制作控制柜，并作配线安装，所以我们在实验室三菱FX PLC系统平台上进行模拟调试。实际的输入信号采用用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，可不用接PLC实际的负载（如接触器、电磁阀等）。 步骤如下：1 下载控制程序到PLC在断电情况下，连接好编程计算机与三菱FX PLC系统。PLC系统上电，将PLC置于停机状态，将编写并检查正确的程序下载到PLC中。完成后，将PLC切换到运行状态。2 监控程序的运行进入程序监控模式，通过模拟外部信号的输入，观察程序各个状态位的变化是否符合系统功能。3 模拟外部输入信号。可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。以此来模拟实际外部信号的动作变化情况。根据调试的需要，还可以用元件监视功能来监视、改写或强制某些感兴趣的编程元件，来模拟状态元件的实际变化。 4检查程序的执行情况由于我们的机械手控制程序是采用顺控法编制的顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。 5修改梯形图和PLC中的程序在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。 根据调试的需要，还可以适当调整程序设定值参数。如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。三、调试过程中遇到的故障分析1输入手动控制信号后，操作手动上升、下降等按钮，系统无控制输出信号。 经检查故障原因为：手动操作控制信号X20未送入PLC，导致未进入手动控制状态。2输入回原点控制信号后，系统不动作。可能的故障原因有：（1） 回原点控制信号X21未送入PLC，导致未进入回原点控制状态。（2） X21状态元件未写入操作开始指令。3程序无法下载，显示“输入参数错数不对”的信息。经过分析，其障原因有：输入的PLC型号错误。4定时器不动作 经过分析检查，故障原因有：两个定时器的编号相同，而且它们的触发条件都不相同，这就导致定时器无法正常工作。5单步时，所有的线圈不能输出。分析的故障原因有：（1） 输出程序没有写在MCR N0这条指令后面；（2） M27输出的Y4写成Y3。 结 束 语本文所设计的是夹持式气动机械手，它主要由手部和运动机构组成。PLC控制系统通过PLC程序来控制手部和运动机构，以完成抓持工件（或工具）的部件，使机械手完成夹紧、松开、右移、左移运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势等