毕业设计（论文）-PLC控制机械手设计.doc

前言可编程控制器是一种以微处理器为核心的工业控制装置。它采用了可编程序的存储器，可以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时器、计数器和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的设备或生产过程。可编程控制器结构简单、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长，在汽车、钢铁、航空航天、船舶、化工、纺织、食品、造纸、军工等工业领域获得了广泛的应用。机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象，机械手可以完成很多工作，如搬运物品、装配工件、切割、喷染等，应用plc控制机械手实现各种规定的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高生产效率。为了使动作操作更加准确，加入一些检测元件，更加完善的应用于各各领域。关键词： plc 机械手 cpu山东劳动职业技术学院电气及自动化系毕业设计（论文） 目 录1 plc概述21.1 plc简介21.1.1 plc的由来及发展21.1.2 plc的特点及用途31.1.3 plc的主要技术指52根据要求确定被控对象完成的动作72.1机械结构72.2工艺过程82.3控制要求103 plc部分设计133.1分配输入输出设备133.1.1 plc选型及i/o接线图133.1.2 继电器分配143.2确定plc的输入输出设备153.3 设计plc程序画出梯形图163.3.1整体设计163.3.2 手动控制程序与自动控制程序16参考文献21致 谢221 plc概述1.1 plc简介可编程控制器简称plc，它具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能，有近30年的历史，发展极为迅速。plc是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，它采用可以编制程序的存储器，在其内部执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，它以接入式cpu为核心，通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。plc及其有关的外围设备，是很容易与工业控制系统形成一个整体的。 可编程控制器是一种工业现场用计算机。它是为工业环境下应用而设计的，工业环境一般办公环境有较大的区别。由于plc的特殊构造，使它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。可编程控制器是一种通用的工业控制计算机。它的程序是可以控制不同的对象。具有更大的灵活性， 再加上体积小、工作可靠性高、抗干扰能力强、控制功能完善，适应性强，安装接线简单等众多优点，它可以方便地应用在各种场合。可编程控制器在短短的30年中获得了突飞猛进的发展，在工业控制领域获得了非常广泛的应用。1.1.1 plc的由来及发展世界上公认的第一台plc是1969年美国数字设备公司研制的。限于当时的元件条件及计算机发展水平，早期的plc主要分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数等功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使plc增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、pid功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得了广泛的应用。例如，在世界第一台可编程控制器的诞生地美国，1982年的统计数字显示，大量应用可编程控制器的工业厂家占美国重点工业行业厂家总数的82%，可编程控制器的应用数量已位于众多的工业自控设备之首。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机及超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元，通讯单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都的到了长足的发展。1.1.2 plc的特点及用途（1）plc的主要特点1）可靠性高、抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备非常关键的性能。plc由于采用大规模集成电路技术、严格的生产工艺，内部电路采取了输入输出信号的光电隔离、滤波、电源的屏蔽、稳压和保护、故障诊断等先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温暖变化剧烈的环境下正常工作。plc的平均无故障时间可高达510万小时以上。从plc的机外电路来说，plc构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障率也就大大降低。2）功能完善、应用领域广 到现在为止plc已经形成各种规模、系列化的产品。可以用于各种规模的工业控制场合，并能完成决大多数的工业控制任务。plc所具有的完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来plc的功能单元大量涌现，plc通讯能力的增强及人机界面技术的发展，使用plc组成各种控制系统变的非常容易。3）编程简单，易学易用plc采用和继电器电路图接近的梯形图语言，只用少量的开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。在工业现场，可以使用笔记本对plc进行编程。当plc联网后，可以在网络的任一位置对plc编程。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制提供了方便。 4）系统安装简单、体积小、价格低plc在存储逻辑代替接线逻辑、采用模块化的结构，大大地减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建设的周期大大缩短了。现代集成电路技术的广泛应用，功耗仅数瓦。由于plc体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。使得plc的重量越来越轻、功耗也越来越少。在集成电路技术和生产厂家越来越多的情况下，plc的价格也越来越低。（2）可编程控制器的应用领域plc在钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业的应用也越来越广泛。1）开关量的逻辑控制可编程控制器可实现逻辑控制、顺序控制，也可用于单台设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。2）模拟量控制在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量和数字量之间的a/d转换及d/a转换。3）运动控制plc可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用开关量i/o模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。4）过程控制过程控制是指对连续变化的量进行控制。如对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，plc能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合。5）数据处理现代plc具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能。可以完成数据的采集、监测、分析和处理。这些数据可以与参考值比较，完成一定的控制操作。也可以利用通讯功能传送到其他的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型过程控制系统，如冶金、造纸、食品工业中的一些大型控制系统。6）通信及联网plc通信含plc间的通信及plc与其他智能设备间的通信。随着现代社会计算机技术的提高，网络通讯技术的不断发展，它也将和其他的工业控制计算机组网构成大型的控制系统，在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。1.1.3 plc的主要技术指 （1）编程语言及指令功能 梯形图语言、助记符语言在plc中较为常见，梯形图语言一般在计算机屏幕上编辑，使用起来简单方便。助记符语言与计算机编程序相似，只要理解各个指令的含义，就可以像做计算机程序一样写plc的控制程序。如果两种语言都会使用更好，因为它们之间可以相互转换。plc实际上只认识助记符语言，梯形图语言是需要转换成助记符语言后，存入plc的存储器中。现在功能图语言的使用有上升趋势。编程语言中还有一个内容是指令功能。衡量指令功能强弱可看两个方面：一是指令条数多少；二是指令中有多少综合性指令。一条综合性指令一般就能完成一项专门操作。用户编制的程序完成的控制任务，取决于plc指令的多少，指令功能越多，编程越简单和方便，完成一定的控制任务越容易。（2）输入输出点数输入输出点数是plc可以接受的输入开关信号和输出开关信号的最大数量，值得注意的是输入点数往往的大于输出点数的，且二者不能相互替代。（3）扫描速度数是指plc扫描1k（1k=1024）字用户程序所需的时间，通常以ms/k字为单位，扫描速度越快越好。（4）存储容量存储容量是存放用户程序的存储器的容量。通常用k来表示。也有的plc直接用所能存放的程序量表示。在编制plc程序时，需要用到大量的寄存器来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。这些寄存器的多少，直接关系到程序的编制，该存储器的容量越大，就可以编制出更复杂的程序。（5）可扩展性在现代工业生产中plc的可扩展性也显的非常重要。主要包括：1）输入输出点数的扩展；2）存储容量的扩展；3）联网功能的扩展；4）可扩展的模块数；另外，可编程序控制器的可靠性、易操作性及经济性等功能指示也受用户的关注。23 2根据要求确定被控对象完成的动作2.1机械结构下图2-1是某机械手的工作示意图，该机械手的任务是将工件从传送带a搬往传送带b。在图2-1中，机械手的所有动作均采用电液控制、液压驱动，它的上升/下降和左移/右移均采用双线圈三位电磁阀推动液压缸完成。当某个电磁阀线圈通电，就一直保持当前的机械动作，直到相反动作的线圈通电为止。例如，当上升电磁阀线圈通电后，机械手上升，即使线圈再断电，仍保持当前的上升动作状态，直到下降电磁阀线圈通电为止。机械手的夹紧/放松采用单线圈二位电磁阀推动液压缸完成，线圈通电时执行夹紧工件，断电时执行放松动作。为了使动作准确，机械手上安装了限位开关sq1、sq2、sq3、sq4，分别对机械手进行下降、上升、右行、左行等动作的限位，并给出了动作到位的信号。另外，还安装了光电开关sp1和sp2负责sp1检测传送带a上的工件是否到位，如果有光电开关sp1监测到有工件出现，传送带a就停止运动。sp2检测传送带b上的工件是否移走，从而产生无工件信号，为下一个工件的下放做好准备。2.2工艺过程机械手的动作顺序、检测元件和执行元件的布置如图2-2所示。机械手的初始位置在原位，按下启动按钮后，机械手依次完成：下降夹紧上升右移下降放松上升左移传送带a运动（检测到有工件停）九个动作，实现机械手一个周期的动作。机械手的下降、上升、左移、右移的动作转换靠限位开关来控制，而夹紧、放松动作的转换是由时间继电器来控制的。为了保证安全和提高效率，机械手右移到位后，必须在传送b上无工件时才能下降。若上一次搬到传送带b上的工件尚未移走，则机械手应自动暂停等待。同时还检测了，b传送带的运动情况。在机械手回到原位后，传送带a运动，直到检测到工件为止。可以降低能耗和更加准确、更加智能。为此设置了两只光电开关，以检测“有无工件”信号。对于光电开关sp1和sp2的工作原理，首先这两个光电开关的发射光的元件均采用半导体激光发射器，因为半导体激光器是所有激光器中效率最高，体积最小的一种。而且采用激光发射器抗干扰，非接触式动态响应好。在信号接受方面两者各不相同，首先sp光电接收器，由于其任务是在检测到有工作时，传动带a才停止运动。机械手才下降。所以采用如图23。图2-3 sp1光电接收原理图图23工作原理：光照使rg电阻阻值下降，rg电阻下降三极管导通，线圈ka得电，触点动作。无光照时，使光敏电阻阻值上升，三极管截止，线圈ka失电，触点复位。当sp1接收器接收到光照时，说明没有工作，传送带a应得电运动，到sp1接收不到光照时，说明有工作，机械手下降。传送带a受sp1光电开关中ka线圈的常开触点控制，常闭则控制机械手下降。sp2光电开关的接收器应如图2-4所示：图2-4 sp2 光电接收原理图图2-4工作原理：光照光敏二极管导通，三极管发射极无电压，三极管截止，线圈ka失电。无光照，光敏二极管截止，三极管发射极得电压，三极管导通，线圈ka得电，触点动作。当sp2光电开关，检测到传送带b上的工件没有走时，机械手受sp2光电开关线圈ka的常开触点控制，不能下降。即无光照时（有工件），ka线圈动作，常闭触点断开，机械手暂停。2.3控制要求 传送带b上工件的传送不用plc控制，让传送带b由一台独立的电动机一直的带动。机械手要求按一定的顺序动作，先画出时序图，以便于了解流程图，其流程图如图2-5所示图2-5 控制流程图启动时，机械手从原点开始按顺序动作。停止时，机械手停止在现行工步上，重新启动时，机械手按停止前的动作继续进行。 为满足生产要求，机械手设置手动方式和自动方式，而自动方式又分为单步、单周和连续工作方式。手动工作方式：利用按钮对机械手每一步动作单独进行控制，例如，按“上升”按钮，机械手上升，按“下降”按钮，机械手下降。此种工作方式可使机械手置原位。单步工作方式：从原点开始，按自动工作循环的工序，每按一下启动按钮，机械手完成一步的动作后自动停止。单周期工作方式：按下启动按钮，从原点开始，机械手按工序自动完成一个周期的动作后，停在原位。连续工作方式：机构在原位时，按下启动按钮，机构自动连续地执行周期动作。当按下停止按钮时，机械手保持当前状态。重新恢复后机械手按停止前的动作继续进行.3 plc部分设计3.1分配输入输出设备3.1.1 plc选型及i/o接线图根据控制要求，plc控制系统选用西门子公司st-200系列cpu224和em223其i/o端子电气接线图如图3-1所示。图3-1控制系统外部i/o接线图3.1.2 继电器分配根据控制系统外部i/o地址，内部辅助继电器的分配表根据控制系统外部i/o接线图，plc i/o地址分配见表3-1所示。符号控制元件功能描述i0.0sb1启动i0.1sq1下限i0.2sq2上限i0.3sq3右限i0.4sq4左限i0.5sp1有工件检测（常开）i0.6sp2无工件检测i0.7sa1手动i1.0sa2单步i1.1sa3单周期i1.2sa4连续i1.3sb3传送带a运动i1.4sb4停止i1.5sb5下降i2.0sb6上升i2.1sb7右移i2.2sb10左移i2.3sb11夹紧i2.4sb12放松i2.5sb13复位q0.0yv1传动带a运转q0.1yv2下降q0.2yv3夹紧q0.3yv4上升q0.4yv5右移q0.5yv6左移q0.6hl原位显示表3-1外部i/o继电器分配3.2确定plc的输入输出设备cpu224集成14个输入和10个输出共24个数字量i/o点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量i/o或35路模拟i/o点，13kb字节程序和数据存储空间。s7-200系列的cpu224主机有i0.0i0.7、i1.0i1.5共计14个输入点和q0.0q0.7、q10q1.1共计10个输出点。cpu224输入电路采用了双向光电耦合器，24vdc极性可任意选择，系统设置1mb为i0.x字节输入端子的公共端，2mb为i1.x字节输入端子的公共端。在晶体管输出电路中采用了mosfet功率驱动器件，并将数字量输出分为两组，每组有一个独立公共端，共有1l、2l两个公共端，可接入不同的负载电源。cpu224plc有6个高速计数脉冲输入端（i0.0i0.5），最快的响应速度为30khz，用于捕捉经cpu扫描周期更快的脉冲信号。另外，还有2个高速脉冲输出端（q0.0、q0.1），输出脉冲频率可达20khz.用于pto（高速脉冲束）和pwmc（宽度可变脉冲输出）高速脉冲输出。扩展模块em223，输出16个点，输出16个点。足以满足工作要求。输入接口中有滤波电路及耦合隔离电路。滤波有抗干扰的作用，耦合有抗干扰及产生标准信号的作用。隔离有保护plc内部的作用。 此外，传送带a的运动也由plc控制，由于其工作特点就是向一个方向运动，plc控制的电动机就不需反转。如果，要传送带上负载大，就用三相电动机。3.3 设计plc程序画出梯形图3.3.1整体设计当工作方式选择手动工作方式时，i0.7接通，执行手动工作程序；当工作方式选择开关选择自动方式（单步、单周、连续）时，i1.0、i1.1、i11.2分别接通，执行自动控制程序，整体设计的梯形图（主程序）如图3-2所示:图3-2梯形图3.3.2 手动控制程序与自动控制程序1.手动控制程序手动操作不需要按工序顺序动作，可以按普通继电接触器控制系统来设计。手动控制的梯形图见图3-3所示子程序0，手动按钮i2.0、i2.1、i2.2、i2.3、i2.4、i2.5、分别控制下降、上升、右移、左移、夹紧、放松各个动作。为了保持系统的安全运行，设置了一些必要的联锁保护，基中在左右移动的控制环节中加入了i0.2作为上限连锁。因为机械手只有处于上限位置（i0.2=1）时，才允许左右移动。由于夹紧，放松动作选用单线圈双位电磁阀控制，因此在梯形图中用“置位”、“复位”指令来控制，该指令具有保持功能，并且也设了机械联锁。只有当机械手处于下限（i0.1=1）时，才能进行夹紧和放松动作。手动控制的程序如图3-3所示: 图3-3手动控制程序图2.自动操作程序机械手的自动操作流程图如图3-4所示。图中矩形方框表示其自动工作循环过程中的一个“工步”，方框中用文字表示该步的编号，方框的右边画出该步动作的执行元件，相邻两工步之间用有向线段连接，表明转换方向，有向线段上的小横线表示转换的条件，当转换条件得到满足时，便从上一工步转到下一工步。对于顺序控制可用多种方法进行编程，用移位寄存器也很容易实现这种控制功能，转换的条件有各行程开关，光电开关及定时器的状态来决定。为了保证运行的可靠性，在执行夹紧和放松动作时，分别用定时器t37和定时t38作为转换的条件，并采用具有保持功能的继电器为夹紧电磁阀线圈供电，其工作过程分析如下：机构处于原位，上限位和左限位行程开关闭合，i0.2、i0.4接通，移位寄存器首位m1.0置“1”，q0.6输出原位显示，机构当前处于原位。按下启动按钮，i0.0接通，产生位移信号，使移位寄存器右移一位，m1.1置“1”（同时m1.0恢复为0），m1.1得电，q0.1输出下降信号。下降至下限位，下限位开关受压，i0.1接通，移位寄存器右移一位，使m1.2置“1”（其余为0），q0.2接通，夹紧动作开始，同时t37接通，定时器开始计时。经过延时（与设定k值有关），t37触点接通，移位寄存器又右移一位，使m1.3置“1”（其系为0），q0.3接通，机构上升。由于m1.2为1，因此夹紧动作继续执行。上升至上限位，上限位开关受压，i0.2闭合，移位寄存器右移一位，m1.4置“1”（其系为0），q0.4接通，机构右行。右行至右限位，i0.3接通，将移位寄存器中“1”移到m1.5，q0.1得电，机构再次下降。下降至下限位，下限位开关受压，移位寄存器又右移一位，使m1.6置“1”（其系为0），q0.2复位，机构放松，放下搬运零件同时接通t38定时器，定时器开始计时。延时时间到，t38常开点闭合，移位寄存器移位，m1.7置“1”（其系为0），q0.3再次得电上升。上升至上限位，上限位开关受压，i0.2闭合，移位寄存器右移一位，m2.0置“1”（其系为0）传送带a运动，q0.5置“1”，机构左行。左行至原位后，左限位开关受压，i0.4接通，移位寄存器右移一位，m2.1置“1”（其系为0），传送带a运动。传送带a运动，直到sp，光电开关检测到有工件后，线圈得电，常开触上闭合，移位寄存器仍右移一位。一个自动循环结束。自动操作程序中包含了单周或连续运动，程序执行单周或连续取决于工作方式选择开关。当选择连续方式时i1.2使m0.0置“1”，当机构回到原位时，移位寄存器自动复侠，并使m1.0为“1”，同时i1.2闭合，又获得一个移位信号，机构按顺序反复执行；当选择单周期操作方式时，i1.1使m0.0为“0”；当机构回到原位时，按下启动按钮，机构自动动作一个运动周期后停止在原位。自动操作的梯形图程序如图3-4所示。单步动作时每按一次启动按钮，机构按动作顺序向前步进一步。控制逻辑与自动操作基本一致。所以只需在自动操作梯形图上添加步进控制逻辑。在图3-4中，移位寄存器的使用控制