《PLC技术与工程应用》课程设计-机械手电气控制系统设计.doc

河南机电高等专科学校课程设计报告书课程名称： plc技术与工程应用 课题名称： 机械手电气控制系统设计 系部名称： 自动控制系 专业班级： 计控102 姓 名： 学 号： 2012年 06月20日目 录目 录i1、plc和机械手简介11.1 plc发展11.2 基本结构plc11.3 plc的工作原理51.4 plc的特点61.5 机械手的发展71.6 机械手的概述81.7 输入输出接口电路介绍92 、硬件电路设计122.1 有关机械臂的电气原理图122.2 有关机械手的i/o分配表及其他必要分配123、 软件设计143.1 总流程图144、 程序调试154.1 调试设备154.2 遇到的问题与解决方法155、心得体会16附录1 参考文献17附录2 程序清单18plc技术与工程应用课程设计1、plc和机械手简介1.1 plc发展可编程控制器（简称plc）：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。20世纪60年代末期，美国汽车制造工业竞争激烈，为了适应生产工艺不断更新的需要，在1968年美国通用汽车公司（gm）首先公开招标，对控制系统提出的具体要求基本为：a。 它的继电控制系统设计周期短，更改容易，接线简单成本低。b。它能把计算机的功能和继电器控制系统结合起来。但编程要比计算机简单易学、操作方便。c。系统通用性强。1969年美国数字设备公司（dec）根据上述要求，研制出世界上第一台plc，并在gm公司汽车生产线上首次试用成功，实现了生产的自动化。其后日本、德国等相继引入，可编程序控制器迅速发展起来，但是主要应用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称plc。其定义：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系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。1.2 基本结构plc可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换与以物理实现。输入输出变换、物理实现可以说是plc实施控制的两个基本点，同时物理实现也是plc与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所以plc采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器（cpu）、存储器（ram/rom）、输入输出接口（i/o）电路、通信接口及电源组成。plc的基本结构如下图所示：1.2.1 中央处理单元(cpu) 中央处理单元 (cpu)是plc的控制核心。它按照plc系统程序赋予的功能：a. 接收并存储从用户程序和数据；b.检查电源、存储器、i/o以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当plc投入运行时，首先它以扫描的方式采集现场各输入装置的状态和数据，并分别存入i/o映象寄存区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算并将结果送入i/o映象寄存区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将i/o映象寄存区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环直到停止运行。 为了进一步提高plc的可靠性，近年来对大型plc还采用双cpu构成冗余系统，或采用三cpu的表决式系统。这样，即使某个cpu出现故障，整个系统仍能正常运行。 1.2.2 存储器 可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。存放系统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序）的存储器称为系统程序存储器；存放用户程序（用户程序存和数据）的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。 plc常用的存储器类型 ：（1）ram （random assess memory） 这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。（2）eprom（erasable programmable read only memory）这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。（3）eeprom(electrical erasable programmable read only memory)这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。 plc存储空间的分配 ：虽然各种 plc的cpu的最大寻址空间各不相同，但是根据plc的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域： （1）系统程序存储区（2）系统ram存储区（包括i/o映象寄存区和系统软设备等）。（3）用户程序存储区 系统程序存储区：在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在 eprom中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该plc的性能。 系统ram存储区：系统ram存储区包括i/o映象寄存区以及各类软元件，如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等存储器。 （1）i/o映象寄存区：由于plc投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要一定数量的存储单元(ram)以存放i/o的状态和数据，这些单元称作i/o映象寄存区。一个开关量i/o占用存储单元中的一个位，一个模拟量i/o占用存储单元中的一个字。因此整个i/o映象寄存区可看作两个部分组成：开关量i/o映象寄存区；模拟量i/o映象寄存区。 （2）系统软元件存储区 ：除了i/o映象寄存区区以外，系统ram存储区还包括plc内部各类软元件（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和失电不保持的存储区域，前者在plc断电时，由内部的锂电池供电，数据不会丢失；后者当plc断电时，数据被清零。 （3）用户程序存储区 ： 用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同类型的 plc，其存储容量各不相同。 1.2.3 输入接口电路 输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实习室涉及到的信号当中，开关量最普遍，也是实验条件所限，在次我们主要介绍开关量接口电路。可编程序控制器优点之一是抗干扰能力强。这也是其i/o设计的优点之处，经过了电气隔离后，信号才送入cpu执行的,防止现场的强电干扰进入。如下图就是采用光电耦合器(一般采用反光二极管和光电三极管组成)的开关量输入接口电路：1.2.4 i/o模块 i/o系统构成了现场设备与控制器连接的接口，作用就是从使现场接收到的信号或送到现场的信号达到处理器的要求。输入(1nput)模块和输出(output)模块简称为io模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和cpu模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等过来的开关量输入信号；模拟量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。开关量输出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5v，而plc的输入输出信号电压一般较高，如直流24v和交流220v。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏cpu模块中的元器件，或使plc不能正常工作。在io模块中，用光耦合器、光电晶闸管、小型继电器等器件来隔离plc的内部电路和外部的io电路，io模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。1.2.5 编程器设备 （或称编程终端） 编程设备用来向存储器中写入程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。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。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型plc编程，或者用于现场调试和维护。个人计算机（pc）是最常用的编程设备。使用编程软件可以在计算机的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，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到plc，也可以将plc中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。1.2.6 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dc 5v，12v，24v等直流电源。小型plc一般都可以为输入电路和外部的电子传感器(如接近开关)提供24v直流电源，驱动plc负载的直流电源一般由用户提供。1.3 plc的工作原理当plc投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，plc的cpu以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (一) 输入采样阶段 在输入采样阶段，plc以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入i/o映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，i/o映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证任何情况下，该输入均能被读入。 (二) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，plc总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统ram存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在i/o映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 (三) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，plc就进入输出刷新阶段。在此期间，cpu按照i/o映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是plc的真正输出。1.4 plc的特点从讨论plc的工作原理知，plc的输入与输出在物理上是彼此隔开的，其间的联系主要不是靠物理过程，不是用线路，而主要靠变换信息的程序实现。输入输出主要为软联系，而不是硬联系。它的工作基础是信息流，而不是物流、能量流。信息不同于物质与能量，有自身的规律。信息便于处理，便于传递，便于存储；信息可反复重用，重用后自身还不消失，等等。正是由于信息的这些特点，决定了plc的基本特点。归纳起来，除了功能丰富，plc还有以下特点：工作可靠:用plc实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为plc在硬件与软件两个方面都采取了很多非常有效的根本性措施：在硬件方面：对输入信号多作了滤波。而且，输入输出电路与内部cpu是电隔离。其信息靠光耦器件或电磁器件传递。同时，cpu板还有抗电磁干扰的屏蔽措施，可确保plc程序的运行不受外界的电与磁干扰。有很多这样的实例，原来是用计算机的采集卡采集数据，因干扰大而无法正常工作，而改换用plc后，则顿即可正常工作。plc使用的元器件多为无触点的，而且为高度集成的，数量并不太多，也为其可靠工作提供了物质基础。而且，所用的元、器件都经严格监测、老化与筛选，质量是有可靠保证的。其输出用的继电器虽为接点的，但它的接点是在密封的真空条件下，故其寿命也可达几十万次。在机械结构设计与制造工艺上，为使plc能安全可靠地工作，也采取了很多措施，可确保plc耐振动、耐冲击。使用环境温度可高达摄氏50多度，有的plc可高达100。有的在低温，低到零下40、50度，还可正常工作。有的plc的模块可热备，一个模块工作，另一个模块也运转，但不参与控制，仅作备份。一旦工作模块出现故障，热备份的可自动接替其工作。还有更进一步冗余的，采用三取一的设计，cpu、i/o模块、电源模块都冗余或其中的部分冗余。三套同时工作，最终输出取决于三者中的多数决定的结果。这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。当然，这样的系统成本是很高的，只用于特别重要的场合，如铁路车站的道叉控制系统。在软件方面：plc的工作方式一般为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，其控制总是确定的；而且又能应急处理急于处理的控制，保证了plc对应急情况的及时响应，使plc能可靠地工作。为监控plc运行程序是否正常，plc系统都设置了“看门狗”（watching dog）监控程序。运行用户程序开始时，先清“看门狗”定时器，并开始计时。当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。若超时（可设定，一般不超过100ms），则报警。严重超时，还可使plc停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。若定时器的计时值不超时，则重复起始的过程，plc将正常工作。显然，有了这个“看门狗”监控程序，可保证plc用户程序的正常运行，避免出现“死循环”而影响其工作的可靠性。plc还有很多防止及检测故障的指令，以产生各重要模块工作正常与否的提示信号。可通过编制相应的用户程序，对plc的工作状况，以及plc所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。plc每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。这是系统程序（操作系统）配置了的，用户可不干预。出现故障时有相应的出错信号提示。正是plc在软、硬件诸方面有强有力的可靠性措施，才确保了plc具有可靠工作的特点。它的平均无故障时间可达几万小时以上；出了故障平均修复时间也很短，几小时以至于几分钟即可。曾有人做过为什么要使用plc的问卷调查。在回答中，多数用户把plc工作可靠作为选用它的主要原因，即把plc能可靠工作，作为它的首选指标。多年使用plc的经验也说明，plc工作是非常可靠的。正使用的plc往往不是由于用坏而被淘汰，而往往是由于plc技术发展太快，由于技术落后而被淘汰。1.5 机械手的发展工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声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，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。当今的plc吸收了微电子技术和计算机技术的最新成果,其应用已从单机自动化推广到整条生产线的自动化乃至整个工厂的生产自动化。目前,机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面,无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围,重点发展铸锻、热处理方面的机械手,plc可以按照所需要求完成机械手的设计,使机械手的设计简单化,大大节省了时间,提高了工作效率，减轻了劳动强度,改善作业条件。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。本课题拟开发物料搬运机械手，采用西门子系列s7-200plc，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等；电气方面由交流电机、变频器、操作台等部件组成。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。1.6 机械手的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。机械手是工业生产过程中常见的自动化设备，它具有工件的自动取拿、移动和输送功能。机械手机构控制涉及了plc、传感器、电机驱动等技术。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机械手实验设备如图1所示。该设备可以实现手臂的左右摆动、伸出与退回、上下移动、机械手指的夹紧与张开等四自由度动作。图1. 机械手实验设备1.6.1 输出驱动单元该设备四自由度动作由四台直流电动机驱动，每台电动机可进行正反转运行。左右摆动由齿轮组啮合实现减速传动；伸出与退回、上下移动由直流减速电机驱动丝杠-螺母结构完成；机械手指的夹紧与张开由直流减速电机驱动连杆结构实现。该设备共有8个动作，由控制器输出信号驱动。1.6.2 输入检测单元每个自由度运行极限位置设置了两个行程开关，用于判断当前动作是否到位。该设备共有8个行程开关作为控制器的输入信号。1.7 输入输出接口电路介绍机械手实验设备既是所谓控制对象，对于一般工业控制，其控制核心使用可编程控制器(plc)。设计输入输出接口电路 (如图2所示) 的目的是为解决机械手设备输出驱动单元、输入检测单元与plc之间的信号接口问题。图中上层电路板是驱动电路板，下层电路板左侧是输入接口电路板，右侧是输出接口电路板。图2. 输入输出接口电路板1.7.1 输入接口电路板输入接口电路板原理图如图3所示，其功能是将设备上行程开关的开关状态转换为统一的电平信号(逻辑1：24v dc ；逻辑0：0v dc)。板上设有光电隔离电路，将内外电源隔离，以保护设备安全。 图3. 输入接口电路板电气原理图本设备8个输入信号，对应输入接口电路板的8根输入信号线。1.7.2 驱动电路板和输出接口电路板输出接口(如图4所示)由两块电路板构成：驱动电路板和输出接口电路板。它们的功能是将plc输出的控制信号用于驱动继电器动作，从而控制电动机正向或反向运行。输出接口电路板上也设有光电隔离电路，可将内外电源隔离。左图为驱动电路板电气原理图，继电器a吸合、b释放，对应的电机正转；继电器a释放、b吸合，对应的电机反转；继电器a、b同时释放，电机停止运行；不允许二者都吸合。右图为输出接口电路板电气原理图，当plc输出的某路控制信号有效时，对应的输出信号有效，从而可以使得对应的继电器吸合。 图4. 输出接口电路电气原理图(左图为驱动电路板，右图为输出接口电路板)本设备有8个输出控制信号，对应输出接口电路板的8根输出信号线。各输出信号线对应的电动机动作关系如表2所示。表2. 输出信号线与电动机动作对应关系表输出信号线序号（自左到右）对应电动机备注1摆动电机左转2摆动电机右转3水平电机伸出4水平电机退回5垂直电机上移6垂直电机下移7手指电机张开8手指电机夹紧- 17 -2 、硬件电路设计2.1 有关机械臂的电气原理图 2.2 有关机械手的i/o分配表及其他必要分配名称输入点编号说明左限位i0.0左转到位开关右限位i0.1右转到位开关退回i0.2退回到位开关伸出i0.3伸出到位开关上行i0.4上行到位开关下行i0.5下行到位开关张开i0.6张开到位开关抓紧i0.7手指抓紧到位电机左转q0.0电机左转电机右转q0.1电机右转电机伸出q0.2电机伸出电机退回q0.3电机退回电机上移q0.4电机上移电机下移q0.5电机下移手指电机张开q0.6手指电机张开手指电机抓紧q0.7手指电机抓紧逻辑右转m0.1逻辑右转逻辑上行点2m0.2逻辑上行点2逻辑退回3m0.3逻辑退回3逻辑手指张开4m0.4逻辑手指张开4逻辑手指伸出5m0.5逻辑手指伸出5逻辑下移6m0.6逻辑下移6逻辑手指抓紧7m0.7逻辑手指抓紧7逻辑上行10m1.0逻辑上行10逻辑左转11m1.1逻辑左转11逻辑下移12m1.2逻辑下移12逻辑手指张开13m1.3逻辑手指张开13逻辑上行14m1.4逻辑上行14逻辑退回15m1.5逻辑退回15逻辑左转16m1.6逻辑左转16单步开关i1.0单步开关连续开关i1.1连续开关复位按钮i1.2复位停止按钮i1.3停止单步按钮i1.5单步按钮常开sm0.0常开连续辅助点m2.0连续辅助点故障停止按钮m1.7故障停止按钮定时器33t33定时60秒定时器35t35定时60秒定时器37t37定时60秒定时器38t38定时60秒故障灯q1.0故障灯计数器c0计数3、 软件设计3.1 总流程图4、 程序调试4.1 调试设备 首先在电脑的step-7-micro/win编程软件中将编辑的梯形图写入软件中，然后点击运行并对其指出的错误进行修改，修改完最终运行无误后将其下载到可编程控制仪器中；其次按照设计的要求接好线，确定无误后按下启动按钮。启动后发现程序并不能按照实验要求的步骤进行运行，甚至没有可运行的迹象，这样起初设计的单步程序和连续运行程序就失败了，也就不符合设计中的要求动作依次有序进行操作的要求，所以务必要对其进行修正。这种情况下我采取了以下方案：方案一：在没有确定设备是否存在问题的情况下，首先我们对设备进行了检测，发现不存在任何问题，在这种情况下我选择了再一次用先前的步骤来完成整个过程以确定初次的接线过程是否有误，结果发现和以前的运行结果一样。这样方案一就以失败而告终。方案二：经过老师的指点我才明白是最初的程序均是单独的互不连接的，未经子程序进行调用，因此就更不用提程序能连续运行了。于是我这次选择了利用顺序功能图进行编程，摒弃了之前的程序，经过对程序的一改再改之后，又一次对程序进行了调试并下载到可编程控制器中进行模拟检测，结果仍然取得了不尽如人意的结果。于是就再去请教指导老师，经过一番指导终于小有成果，可以使机械手进行预定步骤的动作的演示，所以此方案成功了。4.2 遇到的问题与解决方法1、问题：“怎样使机械手的工作状态清晰而简单呈现出来？”法案：“采用功能图进行程序的编写与调试。”2、问题：“如何解决机械手的动作单步运行？”法案：“采用上升沿脉冲触发并使用计数器、比较指令，以拨动开关产生上升沿脉冲触发数目来判定机械手那步动作的执行。”3、问题：“如何解决对工件数目的计数？法案：“进行标志位设置，使用传送指令、加数指令、上沿触发指令，以循环动作的最后一步限位开关闭合作为触发进行加数，把所得加数和送给vb0.”5、心得体会