工业机械手模型——基于PLC的控制系统软硬件设计.doc

ii 工业机械手模型工业机械手模型 基于基于 plcplc 的控制系统软硬件设计的控制系统软硬件设计 学生姓名： 学生学号： 院 （系）： 年级专业： 指导教师： iii 摘 要 在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有 毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。工业机械手就 这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键 部件之一。电气方面有电机、开关电源、电磁阀、等电子器件组成。该装置涵盖 了可编程控制技术，位置控制技术、气动技术等，是机电一体化的典型代表仪器 之一。本文介绍的机械手是由 plc 输出四路来分别驱动横轴、竖轴、底盘转动、 手转动电机，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给 plc 主机；电机拖动手爪和底盘旋转；电磁阀控制气阀的开关来控制机械手手爪的张 合，从而实现机械手精确运动的功能。本课题拟开发的工业机械手模型可在空间 抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根 据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。 关键字关键字：可编程控制器 plc,机械手,电机,任意位置 ii abstract in industrial production and other domains, because works need, the people frequently receive factor the and so on high temperature,corrosion and virulent gas harm, increased workers labor intensity,even endangers life. the industry manipulator like this was born, the manipulator is in theindustry robot assembly system the traditional duty implementingagency, is one of robot key components. the electrical aspect has theelectrical machinery, the switching power supply, the solenoid valve,and so on the electronic device composition. this equipment has covered the programmable control technology, theposition control technology, the air operated technology and so on, isthe integration of machinery model represents one of instruments. thisarticle introduced the manipulator is outputs four groups by plcseparately to actuate the abscissa axis, the z-axis, the chassisrotation, hand turns an electric motor, controls the manipulatorabscissa axis and the z-axis pintpointing, the microswitch bequeathsthe position signal the plc main engine; the electrical machinerydrives the hand fingernail and the chassis revolves; the solenoidvalve controls the air valve the switch to control the manipulatorhand fingernail to gather, thus realizes the manipulator proper motionfunction. this topic plans the industry manipulator model which develops to bepossible in the space to grasp puts the object nimbly, the movement isdiverse, may replace artificially carries on the work in hightemperature and the dangerous operation area, and may changes therelated parameter as necessary according to the work piece change and the movement flow request. key words: programmable controller plc, manipulator,electrical machinery, freeposition. 1 目录目录 摘摘 要要.i abstract.ii 1 绪论绪论1 1.1 课题背景课题背景1 1.1.1 设计的目的和意义.2 1.2 设计要求设计要求.3 1.2.1 控制要求.3 1.3 plc 的发展概况的发展概况4 1.3.1 可编程控制器的产生.4 1.3.2 plc 的定义.4 1.3.3 plc 的特点.5 2 机械手概述机械手概述.6 2.1 机械手的定义与分类机械手的定义与分类6 2.2 机械手发展情况机械手发展情况7 2.3 机械手的发展趋势机械手的发展趋势.8 3 控制系统硬件设计控制系统硬件设计.9 3.1 plc 的选型的选型9 3.1.1 常用 plc 介绍.9 3.1.2 确定型号 fx1n60mr.13 3.1.3 fx1n 所具有优越性能13 3.1.4 fx 系列 plc 型号的说明16 3.2 三菱三菱 fx 系列的结构功能系列的结构功能.16 3.2.1 plc 内部功能.17 3.2.2 plc 输入输出接口的安全保护.18 3.3 手持编程器手持编程器 fx20pe 的使用的使用18 3.3.1 hpp 的组成与操作面板.19 3.3.2 hpp 的操作过程.21 2 4 各功能实现形式与控制方式各功能实现形式与控制方式25 4.1 本机械手模型的机能和特性本机械手模型的机能和特性25 4.2 夹紧机构夹紧机构25 4.3 躯干躯干.25 4.4 旋转编码盘旋转编码盘.26 5 软件设计软件设计27 5.1 编程软件的使用编程软件的使用27 5.2 fx1n plc 梯形图中的编程元件梯形图中的编程元件.28 5.3 程序的总体结构程序的总体结构29 5.3.1 各部分程序如下30 5.4 plc 程序的上载和下载程序的上载和下载40 5.4.1 plc 程序的上载.40 5.4.2 plc 程序的下载.40 设计小结设计小结41 参参 考考 文文 献献.42 附录附录.43 附录附录 a:plc 接线图接线图 43 附录附录 b:指令表指令表44 致致 谢谢.46 攀枝花学院本科毕业设计攀枝花学院本科毕业设计(论文论文) 1 绪论绪论 1 1 绪论 1.1 课题背景 随着我国社会经济的迅猛发展，人民物质文化生活水平日益提高，随着工业自 动化的普及和发展,控制器的需求量逐年增大。为了改变落后的生产状态,缓解日趋 紧张的供求关系,我们研究就得开发多工步搬运机械手。 新中国成立特别是改革开放以来，我国社会主义现代化建设取得了举世瞩目的 伟大成就。同时，必须清醒地看到，我国正处于并将长期处于社会主义初级阶段。 全面建设小康社会，既面临难得的历史机遇，又面临一系列严峻的挑战。经济增长 过度依赖能源资源消耗，环境污染严重；经济结构不合理，农业基础薄弱，高技术 产业和现代服务业发展滞后；自主创新能力较弱，企业核心竞争力不强，经济效益 有待提高。在扩大劳动就业、理顺分配关系、提供健康保障和确保国家安全等方面， 有诸多困难和问题亟待解决。从国际上看，我国也将长期面临发达国家在经济、科 技等方面占有优势的巨大压力。为了抓住机遇、迎接挑战，我们需要进行多方面的 努力，包括统筹全局发展，深化体制改革，健全民主法制，加强社会管理等。与此 同时，我们比以往任何时候都更加需要紧紧依靠科技进步和创新，带动生产力质的 飞跃，推动经济社会的全面、协调、可持续发展。 进入 21 世纪，我国作为一个发展中大国，加快科学技术发展、缩小与发达国 家的差距，还需要较长时期的艰苦努力，同时也有着诸多有利条件。中华民族拥有 5000 年的文明史，中华文化博大精深、兼容并蓄，更有利于形成独特的创新文化。 只要我们增强民族自信心，贯彻落实科学发展观，深入实施科教兴国战略和人才强 国战略，奋起直追、迎头赶上，经过 15 年乃至更长时间坚韧不拔的艰苦奋斗，就 一定能够创造出无愧于时代的辉煌科技成就。 科技工作的指导方针是：自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。自主创 新，就是从增强国家创新能力出发，加强原始创新、集成创新和引进消化吸收再创 新。重点跨越，就是坚持有所为、有所不为，选择具有一定基础和优势、关系国计 民生和国家安全的关键领域，集中力量、重点突破，实现跨越式发展。支撑发展， 就是从现实的紧迫需求出发，着力突破重大关键、共性技术，支撑经济社会的持续 协调发展。引领未来，就是着眼长远，超前部署前沿技术和基础研究，创造新的市 场需求，培育新兴产业，引领未来经济社会的发展。这一方针是我国半个多世纪科 技发展实践经验的概括总结，是面向未来、实现中华民族伟大复兴的重要抉择。 要把提高自主创新能力摆在全部科技工作的突出位置。在对外开放条件下推进 攀枝花学院本科毕业设计攀枝花学院本科毕业设计(论文论文) 1 绪论绪论 2 社会主义现代化建设，必须认真学习和充分借鉴人类一切优秀文明成果。改革开放 20 多年来，我国引进了大量技术和装备，对提高产业技术水平、促进经济发展起到 了重要作用。但是，必须清醒地看到，只引进而不注重技术的消化吸收和再创新， 势必削弱自主研究开发的能力，拉大与世界先进水平的差距。总之，必须把提高自 主创新能力作为国家战略，贯彻到现代化建设的各个方面，贯彻到各个产业、行业 和地区，大幅度提高国家竞争力。 我国科学技术发展的总体目标是：自主创新能力显著增强，科技促进经济社会 发展和保障国家安全的能力显著增强，为全面建设小康社会提供强有力的支撑；基 础科学和前沿技术研究综合实力显著增强，取得一批在世界具有重大影响的科学技 术成果，进入创新型国家行列，为在本世纪中叶成为世界科技强国奠定基础，形成 比较完善的中国特色国家创新体系。 1.1.1 设计的目的和意义 科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期缩短， 更新换代速度加快。然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段，则显得 力不从心，跟不上时代发展的需要。目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、 加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品开发初 期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。为此，作者在阅读了大量文 献的基础上，概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采用的方法，并讨论了各 种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的 发展趋势。 自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。自主创新，就是从增强国家创新 能力出发，加强原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新。重点跨越，就是坚持 有所为、有所不为，选择具有一定基础和优势、关系国计民生和国家安全的关键领 域，集中力量、重点突破，实现跨越式发展。支撑发展，就是从现实的紧迫需求出 发，着力突破重大关键、共性技术，支撑经济社会的持续协调发展。引领未来，就 是着眼长远，超前部署前沿技术和基础研究，创造新的市场需求，培育新兴产业， 引领未来经济社会的发展。这一方针是我国半个多世纪科技发展实践经验的概括总 结，是面向未来、实现中华民族伟大复兴的重要抉择。 科技人才是提高自主创新能力的关键所在。要把创造良好环境和条件，培养和 凝聚各类科技人才特别是优秀拔尖人才，充分调动广大科技人员的积极性和创造性， 作为科技工作的首要任务，努力开创人才辈出、人尽其才、才尽其用的良好局面， 努力建设一支与经济社会发展和国防建设相适应的规模宏大、结构合理的高素质科 技人才队伍，为我国科学技术发展提供充分的人才支撑和智力保证。 攀枝花学院本科毕业设计攀枝花学院本科毕业设计(论文论文) 1 绪论绪论 3 1.2 设计要求 采用 plc 构成机械手的自动控制系统，可通过修改 plc 控制程序，改变对机 械手模型的控制要求。机械手横轴水平面内作前后方向运动，竖轴能在垂直面内作 上下两方向运动，底座能作正反两方向旋转，手能正反两方向旋转，并且底座能在 任意位置停止的功能。机械手抓取：最多 1.5kg 的重物；机械手前后最大行程 500mm；上下最大行程 800mm。模型如图 1.1； 图 1.1 模型图 1.2.1 控制要求 1、接通电源后，机械机构自动复位； 2、横轴前伸； 3、机械手旋转到位； 4、电磁阀动作，机械手张开； 5、竖轴下降； 6、电磁阀复位，机械手夹紧重物； 7、竖轴上升； 8、横轴缩回； 9、底盘旋转到位； 10、横轴前伸； 11、机械手旋转； 12、竖轴下降； 13、电磁阀动作，机械手张开，放下货物； 14、竖轴上升复位。 攀枝花学院本科毕业设计攀枝花学院本科毕业设计(论文论文) 1 绪论绪论 4 1.3 plc 的发展概况 可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发 起来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写的程 序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出 来控制机械设备或生产过程。 1.3.1 可编程控制器的产生 plc 是在激烈的市场竞争中产生的，20 世纪 60 年代末，美国汽车制造业竞争 激烈。为适应生产工艺不断更新的需要，美国通用汽车公司（gm）对控制系统提出 要求为：（1）能替代各种继电器、定时器、接触器及其主令电器等按一定的逻辑 关系用导线连接起来的控制系统，既传统的继电接触器控制，它简单易懂，价格 低廉，能够满足生产工艺改动频繁的需要；（2）编程简单；（3）模块式结构；输 入、输出电压是交流 115v（美国标准） ，输出能直接驱动继电器和电磁阀；（5）抗 电磁干扰强；（6）具有数据通信功能。就是把继电接触器控制的优点与计算机 的功能齐全、灵活性、通用性强的特点结合起来，用计算机的编程软件逻辑易于修 改来代替继电接触器控制的硬接线逻辑不易修改。美国数字设备公司（dec）在 1969 年根据上述要求，研制出世界上首台可编程控制器，并在美国通用汽车公司的 汽车装配线上应用成功，实现装配线的自动控制。 1.3.2 plc 的定义 plc 问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美 国电气制造商协会 nema（national electrical manufactory association）经过 四年的调查工作，于 1984 年首先将其正式命名为 pc（programmable controller） ， 并给 pc 作了如下定义： “pc 是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执 行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模 块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行 pc 之功能着， 亦被视为 pc，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。 ” 以后国际电工委员会(iec)又先后颁布了 plc 标准的草案第一稿，第二稿,并在 1987 年 2 月通过了对它的定义： “可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计 的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制， 定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/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外部设备，都按易于与工业控制 攀枝花学院本科毕业设计攀枝花学院本科毕业设计(论文论文) 1 绪论绪论 5 系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 ” 总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算 机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产 品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配 置，其软件需根据控制要求进行设计编制。 1.3.3 plc 的特点 高可靠性【4】 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。 2）各输入端均采用 r-c 滤波器，其滤波时间常数一般为 1020ms。 3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 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。 丰富的 i/o 接口模块【4】 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；控制阀等直接连接。 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。 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。 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。 攀枝花学院本科毕业设计攀枝花学院本科毕业设计(论文论文) 2 机械手概述机械手概述 6 2 机械手概述 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。 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 和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 2.1 机械手的定义与分类 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。 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代制造生产 系统中的一个重要组成部分。 机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分 代替人工操作；其二，它能按照生产工艺要求，遵循一定的程序、时间和位置来完 成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。因此，它能大 大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自 动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的物力和财力加以 研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用 得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业 部门的重视。 机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立 的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工 作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元 机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通 过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、 火星等。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上 下料和工件传送。这种机械手在国外称为“mechanical hand” ，它是为主机服务的， 由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 本项目要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。在现代生产企业 攀枝花学院本科毕业设计攀枝花学院本科毕业设计(论文论文) 2 机械手概述机械手概述 7 中，自动化程度较高，大量应用机械手。通过本次设计，可以增强对工业机械手的 认识，同时并熟悉掌握 plc 技术、位置控制技术、气动技术等工业控制常用的技术。 2.2 机械手发展情况 目前工业机械手主要用于流水线传送、焊接、装配、机床加工、铸造、热处理 等方面，无论数量、品种和性能方面都能满足工业生产发展的需要。 在国内主要是发展各方面的机械手，逐步扩大应用范围，以减轻劳动强度，改 善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，用条件还要研制 示教机械手、组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、 俯仰等机构，以及用于 不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据 不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成不同用途的机械手，即便于设计 制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定 位，以更好地发挥机械手的作用。 在机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模 锻压力机的上下料以及焊、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定 的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。如果机械手发生某些偏 离时，会引起零部件甚至机械本身的损坏，但若有了传感反馈自动，机械手就可以 根据反馈自行调整。 机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统构成。 执行机构包括手部、手臂和躯干。手部装在手臂前端，可以转动、开闭手指。 机械手手部的构造系统模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手 指的数量又可以分为二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根据夾持对象 的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。本设计采用二指的 构造。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使 机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要精确地定位。总之，机械手的运 动离不开直线移动和转动二种，因此它采用的执行机构主要是直线液压缸、摆动液 压缸、电液脉冲马达、伺服液压马达、交流伺服电动机、直流伺服电动机和步进电 动机等。躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的机架。 驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以电 气、气动用得最多，占 90以上，液压、机械驱动用得较少。 液压驱动主要是通过液压缸、阀、油箱等实现传动。它利用液压缸、液压马达 加齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动液压马达、液压缸与齿条、齿轮与链条、链 攀枝花学院本科毕业设计攀枝花学院本科毕业设计(论文论文) 2 机械手概述机械手概述 8 轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小，出力大，动作平缓，可无 级变速，自锁方便，并能在中间位置。缺点是需配备压力源，系统复杂，成本较高。 气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。一般采用 46 个大气压， 个别达到 810 个大气压。它的优点是气源方便，维护方便，成本低。缺点是出力 小，体积大，由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置停止，只能用于点位控制， 而且润滑性较差，气压系统容易生锈。本设计的手爪部分采用气压驱动。 电气驱动时，直线运动可以采用电动机带动丝杠、螺母机构。通用机械手则考 虑采用步进电动机、直流或交流的伺服电动机、变速箱等。电气驱动的优点是动力 源简单，维护、使用方便。驱动机构和控制系统可以采用同一形式的动力，出力比 较大。本设计采用步进电动机驱动手臂运动，直流电动机驱动手爪和机械手的底盘 旋转运动。 机械驱动只适用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它 的优点是动作确实可靠，工作速度高，成本低；缺点是不易调整。 机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度 等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种，目前以点位控制为主，占 90以上。 控制系统可以根据动作的要求，设计采用数字顺序控制，它首先要编制程序加 以储存，然后再根据规定的程序，控制机械手工作。对动作复杂的机械手则采用数 字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。 本设计的控制系统采用小型可编程控制器实现，具有编程简单、修改容易、可 靠性高等。 2.3 机械手的发展趋势 随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，工人工作环境和工作内 容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非 常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医 药、航空航天等。代表当今最先进的技术在日本，他的自动化，人性化令人叹为观 止，这些技术依赖于控制理论、新材料科学，它是融合各种尖端技术的现代机器。 我国也陆续在工业中有所应用，对于自动控制，柔性制造系统中应用更为广泛，但 我国的自动化水平有待提高。随着工业现代化的发展，机械手技术也随之提高，发 展的趋势是工作强度高，灵活性强，准确可靠，可以自动检测并下达动作命令，融 入先进的人工智能，使人只作平时的简单的维护，这也是现代工厂的发展趋势。 攀枝花学院本科毕业设计攀枝花学院本科毕业设计(论文论文) 2 机械手概述机械手概述 9 此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手， 并考虑与计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 3 控制系统硬件设计 对于机械手的控制系统可以采用多种方式，如继电器控制、单片机控制、plc 控制等。但由于此明确指定采用 plc 可编程控制器控制实现，所以，不用我们去考 虑控制硬件方案，只是要对 plc 进行比较选择。 3.1 plc 的选型 对于 plc 的选择，我们必须考虑多方面的因素。例如输入、输出的最多点数； 扫描速度；内存容量；指令条数；功能模块等。同时还要考虑其经济实用性以及工 作环境对其的影响。 3.1.1 常用 plc 介绍 plc 发展这么多年，技术成熟，各种型号的也很多，各个厂家生产的也有一定 区别，各个重点发展方向也不同，所以我们必须根据自己设计需要，考虑如何选择。 西门子 s7-200 系列可编程控制器介绍： simatic s7-200 系列 plc 是德国西门子（siemens）公司生产的具有很高性能 价格比的微型可编程控制器。西门子是世界上最大的电气和电子公司之一。西门子 的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱，活跃在中国的信息与通讯、自动化与控 制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中，其核心业务领域是基础 设施建设和工业解决方案。 s7-200 作为西门子 simatic plc 家族中的最小成员， 以其超小体积，灵活的配置，强大的内置功能，多年来一直广泛服务于国内的各行 各业。由于它具有结构小巧，运行速度快，价格低廉及多功能多用途等特点，因此 在工业企业中得到了广泛的应用。 它适用于各行各业，各种场合的检测、监测及控制的自动化。强大功能使其无 论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。在以下几方面均有出色的 表现：极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成 功能；实时特性；强劲的通讯能力；丰富的扩展模块。应用领域极为广泛，覆盖所 有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设 施、民用设施、环境保护设备等等 s7-200 系列 plc 在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖 攀枝花学院本科毕业设计攀枝花学院本科毕业设计(论文论文) 3 控制系统硬件设计控制系统硬件设计 10 从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。s7-200 产品凭借其先进性、成熟 性和广泛的适用性在自动化产品中受到广泛的重视，相信此次发布的新产品一定能 够满足部分用户的需求，同时在自动化领域中获得更广泛的应用。 突出的特点： 可靠性高、操作简便； 丰富的内置集成功能； 强劲通讯能力； 丰富的扩展模块； 简单、易用的 micro/win 编程软件。 s7-200 丰富的种类【4】： cpu221：内置 10 个数字量 i/o 点，不可扩充； cpu222：内置 14 个数字量 i/o 点，可扩充到 78 路数字量 i/o 或 10 路模拟 量 i/o； cpu224：内置 24 个数字量 i/o 点，可扩充到 168 路数字量 i/o 或 35 路模拟 量 i/o； cpu226：内置 40 个数字量 i/o 点，可扩充到 248 路数字量 i/o 或 35 路模拟 量 i/o； 16 种扩展模块：数字量扩展模块，模拟量扩展模块、profibus-dp 扩展模块、 as-i 接口模块。 强大的通讯能力： 点到点通讯方式（ppi） ； 多点接口通讯方式（mpi） ； 自由通讯口方式（freeport） ； profibus-dp 网络通讯方式。 omron c200h 可编程控制器介绍： 图 3.1 欧姆龙 plc 欧姆龙株式会社是全球知名的自动化控制及电子设备制造厂商，掌握着世界领 攀枝花学院本科毕业设计攀枝花学院本科毕业设计(论文论文) 3 控制系统硬件设计控制系统硬件设计 11 先的传感与控制核心技术。自 1933 年创业至今的七十余年中，通过不断创造新的 社会需求，公司全球业务遍及 35 个国家和地区，拥有超过 27，000 名员工；产品 品种达几十万种，涉及工业自动化控制系统、电子元器件、社会公共系统以及健康 医疗设备等广泛领域，在业内建立了响亮的品牌，占据着不可替代的地位。 欧姆龙与中国的渊源可以追溯到 30 年前。公司创始人立石一真先生曾担任国 贸促京都总局副会长，七十年代初作为经济界代表开始了与中国各界的交流与合作。 公司从 1980 年继电器的委托加工贸易开始不断发展，1991 年在大连设立了第一家 生产健康医疗设备的工厂欧姆龙（大连）有限公司；1994 年，作为第一家日本 电子制造企业，被国家有关部门批准成立投资性公司欧姆龙（中国）有限公司； 经过 30 年的不懈努力，欧姆龙以高质量的产品和优质的服务，赢得了中国用 户的信赖与好评。 先进的、小型化的可编程序控制器.omron 的可编程序控制器更加小型化。 sysmac cpm1a 的大小仅相当于一个 pc 卡(对于 10 点的机型来说)，从而使安装体积 大幅度减小，同时也进一步节省了控制柜的空间。它不仅具备了以往小型 plc 所具 备的功能，而且还可连接可编程序终端，为生产现场创造了新的环境。 可连接可编程终端，选用通讯适配器以相应的上位 link 或高速 nt link 与 pt 之间进行高速通讯。 有 10 点至 40 点多种 cpu 单元。cpu 单元与扩展 i/o 并用，可完成 10 点到 100 点的输入输出要求。并有 ac 和 dc 两种电源型号可选择。 汇集了各种先进的功能，如高速响应功能、高速计数功能、中断功能，还备有 2 个模拟量设定。 充足的程序容量，具有 2048 字的用户程序存储器和 1024 字的数据存储器。 编程环境与 cqm1 及 sysmac a 等机种相同。由于原有 sysmac 支持软件及编程 器都可继续使用，故而系统的扩展及维护都可简单进行。 松下可编程控制器介绍【9】： 包括 fpo，fp1，fp2，fp3，fpe，fp-x 等系列 攀枝花学院本科毕业设计攀枝花学院本科毕业设计(论文论文) 3 控制系统硬件设计控制系统硬件设计 12 图 3.2 松下 plc fp-x 特点：超高速处理，浮点数 pid 运算只有 32s，基本指令只需 0.32s， 可快速扫描充裕的程序容量达到 32k 步，注释区域也可以保证；i/o 最多 300 点； 通过 8 位密码和禁止上传功能，有效保护程序：配备 usb 端口，可与计算机实现简 单连接。 fpe（晶体管输出，继电器输出）特点：面板式安装型控制器，电源电压 24vdc， 程序容量 2.7k 步，运算速度 0.9s。 fp2、fp3、fp10sh 系列（输出类型同上）：最多可控制 2048 点（使用远程 i/o） ，程序容量大 16k，30k 步，可扩展到 120k 步，cup 运行世界最快（1ms/20 步， 快速起运 0.1ms 以下） 。 fpo 系列（输出同上）：世界产品体积最小，扫描周期 1ms，选择点从 10 到 128 点。 三菱 fx 系列可编程控制器介绍【10】： fx 系列可编程控制器是当今国内外最新，最具特色、最具代表性的微型 plc。日本三菱电机公司研发的。在 fx 中，除基本的指令表编程方式外，还可以采 用梯形土编程及对应机械动作流程进行顺序设计的 sfc 顺序功能图编程，而且这些 程序可互相转换。在 fx 系列 plc 中设置了高数计数器，对来自特定的输入继电器 的高频脉冲进行中断处理，扩大了 plc 的应用领域。其 fx2n plc 还可以采用作为 扩展设备的硬件计数器，可获取最高 50khz 的高速脉冲。 攀枝花学院本科毕业设计攀枝花学院本科毕业设计(论文论文) 3 控制系统硬件设计控制系统硬件设计 13 fx 系列 plc 基于“基本功能、高速处理、便于使用”的研发理念，使其具有数 据传送与比较，四则运算与逻辑运算、数据循环与移动等应用指令系统。除此之外， 还具有输入输出刷新、中断、高速计数器比较指令、高速脉冲输出等告诉处理指令， 以及在 sfs 控制方面，将机械控制的标准动作封装化的状态初始化指令等，使功能 大大增加。 fx 系列 plc 在特殊控制方面不但具备模拟量输入输出控制，而且具有定位控制 几 pid 系统控制。在通信方面，能够方便地与 pc 计算机链接实现数据交换与管理。 3.1.2 确定型号 fx1n60mr 综上，对于被控对象，采用 plc 系统与采用其它形式的控制系统相比较，力 求具有较好的性价比，使用和维修方便；选用的 plc 主机和配置、控制功能等必须 能满足被控对象的各种控制要求；选用的 plc 主机及配置必须是功能较强的新一代 plc 机型，一般最好不要选用旧机型（若采用三菱公司的 plc，则选 fx 系列，不 选 f1 系列） 。同时还应当考虑将来工艺的变化和扩展，在满足确定的要求外，留有 一定的余量；确保整个控制系统可靠。还要考虑大家对产品的熟悉程度，以及编程 指令的易懂性。在此，我选用三菱 fx1n来做控制核心。fx 系列 plc 是由三菱公司 近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原 f、f1、f2 系列 plc 产品。其中 fx2 是近年推出的产 品，fx0 是在 fx2 之后推出的超小型 plc，近几年来又连续推出了将众多功 能凝集在超小型机壳内的 fx0s、fx1s、fx0n、fx1n、fx2n、 fx2nc 等系列 plc，具有较高的性能 价格比，应用广泛。它们采用整体式和 模块式相结合的叠装式结构，如图 3.4。 3.1.3 fx1n 所具有优越性能 【基本性能】 【3】 cpu 处理速度达到了 0.065us/基本指令。内置了高达 64k 步的大容量 ram 存 储器。大幅增加了内部软元件的数量。强化了指令的功能，提供了多达 209 条应用 fx2n plc 图图 3.3 plc 三菱 fx 系 列 图 3.4 plc 三菱 fx1n 攀枝花学院本科毕业设计攀枝花学院本科毕业设计(论文论文) 3 控制系统硬件设计控制系统硬件设计 14 指令，包括像与三菱变频器通讯的指令，crc 计算指令，产生随机数指令等等。 【集成业界领先的功能】 【3】 晶体管输出型的基本单元内置了 3 轴独立最高 100khz 的定位功能，并且增加 了新的定位指令：带 dog 搜索的原点回归（dszr） ，中断单速定位（dvit）和表 格设定定位（tbl） ，从而使得定位控制功能更加强大，使用更为方便。内置 6 点同 时 100khz 的高速计数功能，双相计数时可以进行 4 倍频计数。 【强大的扩展性】 【3】 增强了通信的功能，其内置的编程口可以达到 115.2kbps 的高速通信，而且最 多可以同时使用 3 个通信口（包括编程口在内） 。新增了高速输入输出适配器，模 拟量输入输出适配器和温度输入适配器，这些适配器不占用系统点数，使用方便， 在 fx3u 的左侧最多可以连接 10 台特殊适配器其中通过使用高速输入适配器可以 实现最多 8 路、最高 200khz 的高速计数。通过使用高速输出适配器可以实现最多 4 轴、最高 200khz 的定位控制，继电器输出型的基本单元上也可以通过连接该适配 器进行定位控制。通过 cc-link 网络的扩展可以实现最多达 384 点（包括远程 i/o 在内）的控制。可以选装高性能的显示模块（fx3u-7dm）可以显示用户自定义的 英文、数字和日文汉字信息，最多能够显示：半角 16 个字符(全角 8 个字符) 4 行。 在该模块上可以进行软元件的监控、测试，时钟的设定，存储器卡盒与内置 ram 间程序的传送、比较等操作。另外，还可以将该显示模块安装在控制柜的面板上。 表 3.1 fx1n 性能规格【3】 fx1n 性能规格 项目规格备注 运转控制方法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：0.55 至 0.7s 应用指令：3.7 至几百 s 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 程式容量内置 8k 步 eeprom存储盒（fx1neeprom8l）可选 指令数目 基本顺序指令：27 步进梯形指令：2 应用指令：85 最大可用 177 条应用指令，包括所 有的变化 i/o 配置 最大硬体 i/o 配置 128，依赖于用户的选择（最大软件可设定地址 输入 128、输出 128） 辅助继电器一般384 点m0 到 m383 攀枝花学院本科毕业设计攀枝花学院本科毕业设计(论文论文) 3 控制系统硬件设计控制系统硬件设计 15 锁定1152 点（子系统）m384 至 m1535（m 线圈） 特殊256 点m8000 至 8255 一般1000 点s0 至 s999 状态继电器 （s 线圈） 初始10 点（子系统）s0 至 s9 100 毫秒范围：0 至 3276.7 秒 200t0 至 t199 10 毫秒范围：0 至 3276.7 秒 46 点t200 至 t245 1 毫秒 范围：0.001 至 32.767 秒 4 点 t246 至 t249定时器（t） 100 毫秒积 算 范围：0 至 3276.7 秒 6 点t250 至 t255 一般范围：0 至 32767 数 16 点 c0 至 c15 类型：16 位上计数器 锁定184 点（子系统） c16 至 c199 类型：16 位上计数器 一般范围：1 至 32767 数 20 点 c200 至 c219 类型：32 位双向计数器 计数器（c） 锁定15 点（子系统） c220 至 c234 类型：32 位双向计数器 单相c235 至 c238 4 点 单相 c/w 起 始，停止输 入 c241、c242 和 c244 3 点 双相c246、c247 和 c249 3 点 高速计数器（c） a/b 相 范围：- 2147483648+2147483648 数； 选择多达 4 个单相计数器， 组合计数频率不；大于 5khz.或选择一个比相或 a/b 相计数器,组合；计数频率不 大于 2khz.注意所有的计数 器都锁定。 c251、c252 和 c254 3 点 一般128 点 d0 至 d127 类型：32 位元件的 16 位数据存储 寄存器 锁定7872 点 d128 至 d7999 类型：32 位元件的 16 位数据存储 寄存器 文件7000 点 d100 至 d7999 通过 3 块 500 程式 步的参数设置 类型：16 位数据寄存器 数据寄存器（d） 外部调节范围：0 至 255 2 点 数据从外部设置电位器移到寄存器； d8030 和 d8031 攀枝花学院本科毕业设计攀枝花学院本科毕业设计(论文论文) 3 控制系统硬件设计控制系统硬件设计 16 特殊 256 点（包含 d8013、d8030t 和 d8031） 从 d8000 至 d8255 类型：16 位数据存储寄存器 变址16 点 v 和 z 类型：16 位数据寄存器 用于 call128 点n0 至 p127 指标（p） 用于中断6 点 100*至 130* （上升触发*1，下降触发*0） 嵌套层次用于 mc 和 mrc 时 8 点n0 至 n7 十进位 k 16 位：-32768 至 32768 32 位：-2147483648 至+2147483647 常数 十六进位 h 16 位：0000 至 ffff 32 位：00000000 至 ffffffff 3.1.4 fx 系列 plc 型号的说明 fx 系列 plc 型号的含义如下【4】： 其中系列名称：如 0、2、0s、1s、on、1n、2n、2nc 等 单元类型：m基本单元 e输入输出混合扩展单元 ex扩展输入模块 ey扩展输出模块 输出方式：r继电