三层电梯控制系统及组态监控系统设计毕业论文.doc

湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）三层电梯控制系统及组态监控系统设计毕业论文第一章 绪论1.1 研究背景当今社会逐渐步入自动化时代，快节奏、高效率成为当今时代的主题。自动化技术的推广促进了工业生产的迅速发展，尤其是在石油、化工、冶金、轻工业等行业，由于采用了自动化仪表和集中控制装置，促进了连续生产过程自动化的发展，大大提高了劳动生产率。目前包装机械厂家普遍使用PLC动力负荷控制器，虽然PLC弹性很大，但仍未具有（含软件）所拥有的强大功能。未来包装机械必须具备多功能、调整操作简单等条件，基于电脑的智能型仪器将成为食品包装控制器的新趋势。目前，在自动化领域中，结构设计和运动控制等事关包装机械性能的优劣，可以通过马达、编码器及数字控制(NC)、动力负载控制(PLC)等高精密控制器来完成，并适度的做产品延伸，朝高科技产业的包装设备来研发。工商业产品已趋向精致化及多元化，在大环境变化下，多元化、弹性化且具有多种切换功能的机种方能适应市场需求。1.2 论文研究目的和意义EAPS100柔性加工PLC控制系统是我院和深圳科莱德公司共同开发的自动化、电机电器专业的综合实训设备。通过这次论文研究能系统的认识plc，组态，plc与组态相结合运用的知识。能有效的巩固自己所学的专业知识，并能起到一定的查漏补缺的作用。机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。国内外都十分重视它的应用和发展。 可编程序控制器(PLC)是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展，PLC在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步，已经成为工厂自动化的标准配置之一。1研究机械手，有着极其重要的意义。从根本上改变了我们毕业就业后对企业的生产过程一无所知的局限。所以通过研究此项目，能让我们熟悉企业实行自动化的生产过程，完成企业的高效率生产。1 由于自动化可以节省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性，如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学，因此工业领域中广泛应用PLC。机械手在美国、加拿大等国家应用较多，如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。我国自动化水平本身比较低，因此用PLC来控制的机械手还比较少。2 本设计通过MCGS组态软件对机械手进行监控，将机械手的动作过程进行了动画显示，使机械手的动作过程更加形象化。本次课题设计的机械手就是通过PLC来实现自动化控制的。通过此次设计可以更进一步学习PLC的相关知识，了解世界先进水平，尽可能多的应用于实践。 MCGS是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域中有着广泛的应用。1.3 国内外机械手研究概况 机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，正式投入使用的绝大部分机械手属于第一代机械手，即程序控制机械手。这代机械手基本上采用点位控制系统，没有感觉外界环境信息的感觉器官，主要用于焊接、喷漆和上下料。第二代机械手具有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正。这代机械手通常采用接触传感器一类的简单传感装置和相应的适应性算法。现在，第三代机械手正在第一、第二代机械手的基础上蓬勃发展起来，它是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为做出自主决策能力的智能化机械手。它能识别景物，具有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉，能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作，具有专家知识、语音功能和自学能力等人工智能。 目前机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。 国外方面：近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。 国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础。机械手实物教学模型的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、气缸、气夹等机械部件组成；电气方面有步进电机、直流电机、步进电机驱动器、传感器、开关电源、电磁阀等电子器件组成。该模型是PLC技术、位置控制技术、气动技术有机结合成一体的教学仪器。1.4 主题设计1.4.1 设计简述 EAPS100柔性加工PLC控制系统是我院和深圳科莱德公司共同开发的自动化、电机电器专业的综合实训设备，该柔性生产加工系统一般包括上料单元、冲压单元、清洗与烘干单元、组装单元、仓库存储、直线皮带线单元等等单元，这些单元都包括PLC、传感器、变频电机、步进电机、机械手、存储器、立体车库、触摸屏等等，在系统中安装了西门子PLC软件、触摸屏软件和组态软件。该课题要求完成机械手PLC的综合控制和组态控制系统的开发。通过设计编制PLC程序实现机械手模型控制系统的自动控制。利用组态软件MCGS设计出人机界面，进行设备和数据对象的连接，实现动画连接，实现机械手的监控。通过MCGS将机械手的动作过程进行动画演示，使机械手的动作形象化。提供较为直观、清晰、准确的机械手运行状态，为维修和故障诊断提供多方面的可能性，充分提高系统的工作效率。 设计步骤及主要内容：（1）机械手MCGS组态系统的开发 1）机械手MCGS组态界面的开发 2）机械手MCGS组态的运行控制（2）步进电机的PLC程序设计 1）硬件设计 2）软件设计（3）机械手MCGS组态与PLC综合控制设计 1）硬件设计 2）软件设计 3）MCGS与PLC控制系统的调试运行 本课题主要研究的是基于PLC的机械手模型控制系统的设计，包括硬件的设计和软件的设计。第一章绪论主要对本课题的研究和当今机械手的应用作了简单的介绍；第二章主要叙述了机械手MCGS组态控制系统的开发过程和细节制作；第三章对机械手的组成及各主要构件进行概述，特别是对可编程控制器和步进电机作了较为详细的介绍；第四章就机械手PLC的硬件设计和软件编写作了详尽的叙述，再对整个系统的调试细则进行概述；第五章对本课题作了总结并拟写了心得体会；最后感谢各位老师和同学、朋友怎么久以来的帮助。第二章 机械手MCGS 组态系统的开发 2.1机械手组态控制系统制作机械手简介： 机械手是能模仿人手和手臂的某些功能，用以抓取，搬运物品或操作工具，被广泛用于机械制造，冶金，电子，轻工业和核工业等部门。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。他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。机器手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力。在我国民经济领域有着广阔的发展前景。机器手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动化控制技术、传感技术和计算机技术的科学领域，是一门跨学科综合性技术。2.1.1建立工程按如下步骤建立样例工程：1 鼠标单击文件菜单中“新建工程”选项，建立样例工程2 选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。3 在文件名一栏内输入“机械手控制系统”，点击“保存”按钮，工程创建完毕。2.1.2工程分析 工程框架： 1、用户窗口：机械手控制系统 2、定时器构件的使用 3、运行策略：启动策略、退出策略、循环策略数据对象：图形制作：机械手控制系统窗口1 机械手及其台架及工件2 启动和复位按钮3 上移、下移、左移、右移、启动、复位指示灯流程控制：按启动按钮后，机械手下移5S夹紧2S上升5S右移10S下移5S放松2S上移5S左移10S（S为秒），最后回到原始位置，自动循环。松开启动按钮，机械手停在当前位置；按下复位按钮后，机械手在完成本次操作后，回到原始位置，然后停止。松开复位按钮，退出复位状态。安全机制：对工程进行加密。2.2 制作机械手工程界面 机械手控制系统界面1、建立画面1 在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立“窗口0”。2 选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”。3 将窗口名称改为：水位控制；窗口标题改为：机械手控制；窗口位置选中“最大化显示”，其它不变，单击“确认”。4 在“用户窗口”中，选中“机械手控制”，点击右键，选择下拉菜单中的“设置为启动窗口”选项，将该窗口设置为运行时自动加载的窗口。2、编辑画面选中“机械手控制”窗口图标，单击“动画组态”，进入动画组态窗口，开始编辑画面。 3、制作文字框图1 单击工具条中的“工具箱”按钮，打开绘图工具箱。2 选择“工具箱”内的“标签”按钮，鼠标的光标呈“十字”形，在窗口顶端中心位置拖拽鼠标，根据需要拉出一个一定大小的矩形。3 在光标闪烁位置输入文字“机械手控制系统”，按回车键或在窗口任意位置用鼠标点击一下，文字输入完毕。4 如果需要修改输入文字，则单击已输入的文字，然后敲回车键就可以进行编辑，也可以单击鼠标右键，弹出下拉菜单，选择“改字符”。1 选中文字框，作如下设置：1 点击（填充色）按钮，设定文字框的背景颜色为：没有填充；2 点击（线色）按钮，设置文字框的边线颜色为：没有边线。3 点击（字符字体）按钮，设置文字字体为：宋体；字型为：粗体；大小为：264 点击（字符颜色）按钮，将文字颜色设为：蓝色。2.2.1 图形的绘制1 画地平线：单击绘图工具箱中“画线”工具按钮，挪动鼠标光标，此时呈“十字”形，在窗口适当位置按住鼠标左键并拖曳出一条一定长度的直线。单击“线色”按钮选择：黑色。单击“线型”按钮，选择合适的线型。调整线的位置（按 键或按住鼠标拖动 ）。调整线的长短（按Shift和 键，或光标移到一个手柄处，待光标呈“十字”形，沿线长度方向拖动）。调整线的角度（按Shift和 键，或光标移到一个手柄处，待光标呈“十字”形，向需要的方向拖动）。线的删除与文字删除相同。单击“保存”按钮。2 画矩形：单击绘图工具箱中的“矩形”工具按钮，挪动鼠标光标，此时呈“十字”形。在窗口适当位置按住鼠标左键并拖曳出一个一定大小的矩形。单击窗口上方工具栏中的“填充色”按钮，选择：蓝色。单击“线色”按钮，选择：没有边线。调整位置（ 按键盘的 键，或按住鼠标左键拖曳）。调整大小（同时按键盘的 Shift键 和 键中的一个；或移动鼠标，待光标呈横向或纵向或纵向或斜向“双箭头”形，按住左键拖曳）。单击窗口其他任何一个空白地方，结束第1个矩形的编辑。依次画出机械手画面9个矩形部分（7个蓝色，2个红色）。单击“保存”按钮。2.2.2 构件的选取1 机械手的绘制：单击绘图工具箱中的（插入元件）图标，弹出对象元件管理对话框，如图： 机械手构件的选择 双击窗口左侧“对象元件列表”中的“其他”，展开该列表项，单击“机械手”，单击“确定”按钮。机械手控制画面窗口中出现机械手的图形。在机械手被选中的情况下，单击“排列”菜单，选择“旋转”“右旋90度”，使机械手旋转90度。调整位置和大小。在机械手上面输入文字标签“机械手”。单击“保存”按钮。2 画机械手左侧和下方的滑杆：利用“插入元件”工具，选择“管道”元件库中的“管道95”和“管道96”，如下图所示，分别画出两个滑杆，将大小和位置调整好。 管道构件的选择3 画指示灯：需要启动、复位、上、下、左、右、夹紧、放松8个指示灯显示机械手的工作状态。选用MCGS元件库中提供的指示灯，这里选择“指示灯2”如下图所示，如下： 指示灯构件的选择 画好后在每一个下面写上文字注释。调整位置，编辑文字。单击“保存”按钮。4 画按钮：单击画图工具箱的“标准按钮” 工具，在画图中画出一定大小的按钮。调整其大小和位置。2.3 定义数据对象前面我们已经讲过，实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。数据对象是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程。定义数据对象的内容主要包括：1)指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围2)确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。在开始定义之前，我们先对所有数据对象进行分析。在本样例工程中需要用到以下数据对象： 下面以数据对象“垂直移动量”为例，介绍一下定义数据对象的步骤：1 单击工作台中的“实时数据库”窗口标签，进入实时数据库窗口页。2 单击“新增对象” 按钮，在窗口的数据对象列表中，增加新的数据对象，系统缺省定义的名称为“Data1”、“Data2”、“Data3”等（多次点击该按钮，则可增加多个数据对象）。3 选中对象，按“对象属性”按钮，或双击选中对象，则打开“数据对象属性设置” 窗口。4 将对象名称改为：垂直移动量；对象类型选择：数值型；在对象内容注释输入框内输入：“控制构件上下运动的参量”，单击“确认”。 按照此步骤，根据上面列表，设置其他14个数据对象。 数据参量的设置2.4 动画连接由图形对象搭制而成的图形画面是静止不动的，需要对这些图形对象进行动画设计，真实地描述外界对象的状态变化，达到过程实时监控的目的。MCGS实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的动画属性。在系统运行过程中，图形对象的外观和状态特征，由数据对象的实时采集值驱动，从而实现了图形的动画效果。本样例中需要制作动画效果的部分包括：1、按钮的开停及指示灯的变化。 2、机械手的动画效果。2.4.1 构件移动动画连接1 垂直移动动画连接。单击“查看”菜单，选择“状态条”，在屏幕下方出现状态条，状态条左侧文字代表当前操作状态，右侧显示被选中对象的位置坐标和大小。在上工件底边与下工件底边之间画出一条直线，根据状态条大小指示可知直线总长度，假设为72个像素。在机械手监控画面中选中并双击上工件，弹出“属性设置”窗口。在“位置动画连接”一栏中选中“垂直移动”。单击“垂直移动”选项卡，进入该页，如图所示，在“表达式”一栏填入：垂直移动量。在垂直移动连接栏填入各项参数，意思是：当垂直移动量=0时，向下移动距离=0；当垂直移动量=25时，向下移动距离=72。单击“确认”按钮，存盘。（垂直移动量的最大值=循环次数*变化率=25*1=25；循环次数=下移时间（上升时间）/循环策略执行间隔=5s/200ms=25次。变化率为每执行一次脚本程序垂直移动量的变化，本例中加1或减1。） 下杆垂直运动量的设置 2 垂直缩放动画连接。选中下滑杆，测量其长度。在下滑杆顶边与下工件顶边之间画直线，观察长度。垂直缩放比例=直线长度/下滑杠长度，本例假设为200。选中并双击下滑杆，弹出属性设置窗口，单击“大小变化”选项卡，进入该页，如图所示设定。变化方向选择向下。变化方式为缩放。输入参数的意义：当垂直移动量=0时，长度=初值的100%；当垂直移动量=25时，长度=200%。 下杆垂直缩放的设置3 水平移动动画连接。在工件初始位置和移动目的地之间画一条直线，记下状态条大小指示，此参数即为总水平移动距离，假设移动距离为180。脚本程序执行次数=左移时间（右移时间）/循环策略执行间隔=10s/200ms=50次。水平移动量的最大值=循环次数*变化率=50*1=50，当水平移动量=50时，水平移动距离为180。按图对右滑杆、机械手、上工件分别进行水平移动动画连接。参数设置的意思是：当水平移动量=0时，向右移动距离为0；当水平移动量=50时，向右移动距离为180。 左杆水平移动的设置4 水平缩放动画连接。估计或画线计算左滑杆水平缩放比例，假设为300。按图所示设定参数。填入各个参数，并注意变化方向和变化方式选择。当水平移动参数=0时，长度为初值的100%；当水平移动参数=50时，长度为300%。单击“确认”按钮，存盘。 左杆缩放设置5 工件移动动画的实现。选中下工件，在“属性设置”页中选择可见度。进入“可见度”页，在表达式一栏填入：工件夹紧标志；当表达式非零时，选择：对应图符不可见。意思是：当工件夹紧标志=1时，下工件不可见；工件夹紧标志=0时，下工件可见。选中并双击上工件，将其可见度属性设置为与下工件相反，即当工件夹紧标志非零时，对应图符可见。存盘调试。2.4.2 组态脚本控制程序的编写1 定时器的使用。单击屏幕左上角的工作台图标，弹出“工作台”窗口。单击“运行策略”选项卡，进入“运行策略”页，如图所示。选中“循环策略”，单击右侧“策略属性”按钮，弹出“策略属性设置”窗口，如图所示。在“定时循序执行，循环时间ms”一栏，填入200。单击“确认”按钮。选中“循环策略”，单击右侧“策略组态”按钮，弹出“策略组态：循环策略”窗口。单击“工具箱”按钮，弹出“策略工具箱”，如图所示。在工具栏找到“新增策略行”按钮，单击，在循环策略窗口出现了一个新策略，如图所示。在“策略工具箱”选中“定时器”，光标变为小手形状。单击新增策略行末端的方块，定时器被加到该策略，如图所示。定时器的功能分为，启停功能：在需要的时候被启动，在需要的时候被停止。计时功能：启动后进行计时。计时时间设定功能，即可以根据需要设定时计时。状态报告功能：即是否到设定时间。复位功能，即在需要的时候重新开始记时。对定时器属性设置。双击新增策略行末端的定时器方块，出现定时器属性设置。如图所示。 计时器值的设定 在“设定值”栏填入：12，代表设定时间为12s。在“当前值”栏，填入：计时时间。或单击对应“？”按钮，在弹出的变量列表中双击“计时时间”。至此，“计时时间”变量值将代表定时器计时时间的当前值。在“计时条件”一栏，直接或操作“？”按钮填入：时间到。则计时时间超过设定时间时，“时间到”变量将为1，定时器开始计时；为0时，停止计时。在“复位条件”一栏，填入：定时器复位。代表该变量为1时，定时器复位。在“计时状态”一栏，直接或操作“？”按钮填入：时间到。则计时时间超过设定时间时，“时间到”变量将为1，否则为0。在“内容注释”一栏，填入：定时器。单击“确认”按钮，退出定时器属性设置，保存。2.5 用定时器和脚本程序实现机械手的定时控制1 脚本程序基本语句,共有四种。赋值语句的形式为：数据对象=表达式。赋值语句用赋值号（“=”）来表示，它具体的含义是：把“=”右边表达式的运算值赋给左边的数据对象。赋值号左边必须是能够读写的数据对象，如：开关型数据、数值型数据、事件型数据以及能进行写操作的内部数据对象。而组对象、事件型数据、只读的内部数据对象、系统内部函数以及常量，均不能出现在赋值号的左边，因为不能对这些对象进行写操作。条件语句：条件语句有如下三种形式：If 表达式 Then 赋值语句或退出语句If 表达式 Then 语句EndIfIf 表达式Then 语句Else 语句EndIf条件语句中的四个关键字“If”、“Then”、“Else”、“Endif”不分大小写。如拼写不正确，检查程序会提示出错信息。条件语句允许多级嵌套，即条件语句中可以包含新的条件语句，MCGS脚本程序的条件语句最多可以有8级嵌套，为编制多分支流程的控制程序提供了可能。“IF”语句的表达式一般为逻辑表达式，也可以是值为数值型的表达式，当表达式的值为非0时，条件成立，执行“Then”后的语句，否则，条件不成立，将不执行该条件块中包含的语句，开始执行该条件块后面的语句。值为字符型的表达式不能作为“IF”语句中的表达式。退出语句：退出语句为“Exit”，用于中断脚本程序的运行，停止执行其后面的语句。一般在条件语句中使用退出语句，以便在某种条件下，停止并退出脚本程序的执行。2 回到组态环境,进入循环策略组态窗口,如图所示。 单击工具栏“新增策略行”按钮，在定时器下增加一行新策略。选中策略工具箱的“脚本程序”，光标变为手形。单击新增策略行末端的小方块，脚本程序被加到该策略。双击“脚本程序”策略行末端的方块。出现脚本程序编辑窗口。输入如下的程序清单。 程序策略的组态组态控制程序如下：IF 下移=0 THEN垂直移动量=垂直移动量+1ENDIFIF 上移=0 THEN垂直移动量=垂直移动量-1ENDIFIF 右移=0 THEN水平移动量=水平移动量+1ENDIFIF 左移=0 THEN水平移动量=水平移动量-1ENDIFIF 启动=1 AND 复位=0 then 定时器复位=0定时器启动=1ENDIFIF 启动=0 THEN 定时器启动=0ENDIFif 复位=1 and 计时时间44 then定时器启动=0endifif 定时器启动=1 thenif 计时时间5 then下移=0exitendifif 计时时间=7 then夹紧=0下移=1exitendifif 计时时间=12 then上移=0工件夹紧标志=1exitendifif 计时时间=22 then右移=0上移=1exitendifif 计时时间=27 then下移=0右移=1EXITENDIFIF 计时时间=29 THEN放松=0下移=1EXITENDIFIF 计时时间=34 THEN上移=0放松=1工件夹紧标志=0EXITENDIFIF 计时时间44 THEN左移=1定时器复位=1垂直移动量=0水平移动量=0EXITENDIFENDIFIF 定时器启动=0 THEN下移=1上移=1左移=1右移=1ENDIF。2.6 整体画面 最后生成的画面 机械手MCGS控制和运行界面第三章 机械手主要构件3.1 可编程序控制器 可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC或PC，是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适应复杂的控制任务 。 3.1.1 PLC的结构 PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。PLC的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM，ROM)、输入输出(I/O)部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成。PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行，系统程序固化在EPROM中。用户程序是由用户根据控制需要而编写的硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可。3.1.2 PLC的特点 可编程序控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。国内外现有的机械手系统，它们的控制形式大都采用可编程序控制器控制，特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业机械手系统中应用更为普遍。其主要原因是因为PLC具有以下优点： 1、灵活、通用 在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电器控制图，由人工布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。如果因为工艺上的稍许变化，需要改变电器控制系统的话，那么原先的整个电器控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，浪费了大量的人力、物力和时间。而可编程控制器是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。而且，同一台可编程控制器还可以用于不同的控制对象，只要改变软件就可以实现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性、通用性。 2、可靠性高、抗干扰能力强 对于机械手系统来说，可靠性、抗干扰能力是非常重要的指标，如何能在各种工作环境和条件(如电磁干扰、低温潮湿、灰尘超高温等)下，平稳可靠的工作，将故障率降至最低，是研制每一种控制系统必须考虑的问题。现代PLC采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠性程度是使用机械触点的继电器所无法比拟的。为了保证PLC能在恶劣的工业环境可靠的工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施，使其可以适应恶劣的工业应用环境。 3、操作方便、维修容易 PLC采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程，使用户十分方便的读懂程序和编写、修改程序。对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的学习就可以使用。 4、功能强 现代PLC不仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且还能完成A/D、D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等。因此，它既可控制开关量，又可控制模拟量；既可控制一个机械手，又可控制一个机械手群；既可控制简单系统，又可控制复杂系统；既可现场控制，又可远程控制。 5、体积小、重量轻和易于实现机电一体化 由于PLC采用了半导体集成电路。因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点。且PLC是为工业控制设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用、体积小巧，并由于具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现机电一体化十分理想的控制设备。 同样，可编程序控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于继电器控制和单片机控制，其开发潜力要差于单片机，并且通用性不好，不同厂家的可编程序控制器以及其附属单元都是固定专用等等。3.1.3 PLC的主要功能 PLC是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(FA)和计算机集成制造系统(CIMS)内占重要地位。 PLC系统主要有以下功能： 1) 多种控制功能；2) 数据采集、存储与处理功能； 3) 通信联网功能；4) 输入、输出接口调理功能；5) 人机界面功能； 6) 编程、调试功能。 PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。PLC产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需求。3.2 传感器 本装置中使用的传感器有接近开关和行程开关。基座和气夹的正反转限位采用接近开关（金属传感器），通过调整基座和气夹上的金属块的位置，可以在一定范围内改变基座和气夹的旋转角度。机械手的伸缩、升降均采用行程开关来限位，并通过改变行程开关的位置来调节横轴和竖轴的运动范围。 1、接近开关：接近开关有三根连接线（棕、兰、黑）棕色接电源的正极、蓝色接电源的负极、黑色为输出信号，当与档块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。与PLC之间的接线图如下，当传感器动作时，输出端对地接通。PLC内部光耦与传感器电源构成回路，PLC信号输入有效，工作原理如下图所示。 2、行程开关：当档块碰到开关时，常开点闭合。 传感器工作原理图3.3 直流驱动电机 本装置中直流电机驱动模块是由两个继电器的吸合与断开来控制电机的转动方向的，从而实现基座和气夹的正反转。本模型所用输入、输出均为低电平有效。其中IN端接PLC的输出端口，OUT端接模型的信号输入端。COM端接PLC的传感器电源负端。电平转换板原理图。如图所示 电平转换板原理图3.4 步进电机硬件设计步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机不是直接通过plc驱动，而是用专业的步进驱动器驱动，plc只要给步进驱动器提供脉冲信号和方向信号就可以了。 步进电机电气接线图 步进电机驱动器接线示意图 PLC与步进驱动器的连接图步进电机软件程序I/O分配表：输入信号输出信号功能编号SB1（复位）I0.0电机脉冲Q0.0SB2（定位）I0.1电机方向Q0.1SB3(步进电机方向)I0.2复位指示灯Q1.7机械手前限位SQ1I0.3定位指示灯Q2.0机械手后限位SQ2I0.4步进电机的输入输出信号及其地址编号3.5 步进电机的软件设计步进电机驱动程序第四章 机械手 PLC 综合设计4.1 硬件设计 4.1.1机械手的动作实现过程机械手的全部动作由步进电机和直流电机进行驱动控制。步进电机的运动需要驱动器，有脉冲输入时步进电机才会动作，且每当脉冲由低变高时步进电机走一步；改变电机转向时，需要加方向信号。机械手的上升/下降、前伸/后缩动作就是通过控制这两个步进电机的正反转来实现的。基座正转/反转和气夹正转/反转是通过两个继电器的吸合与断开来控制直流电机的转动方向来实现的。机械手的放松/夹紧由一个单线圈两位置电磁阀控制。当该线圈通电时，机械手放松；该线圈断电时，机械手夹紧。打开电源，按下起动按钮时，开机复位。机械手的动作示意图如下图所示，机械手若不在原点则PLC向驱动器一同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机一反转，横轴后缩。当后缩到位时碰到后限位开关，然后主机向驱动器二输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。上升到底时碰到上限位开关，上升停止，回到原点。主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。降到底时碰到下限位开关，下降停止，气夹电磁阀断电，机械手夹紧。夹紧后，主机向驱动器二只输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。PLC向驱动器一只输入脉冲信号，步进电机一正转，机械手前伸，前伸到位时，碰到前限位开关，前伸停止。主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。降到底时碰到下限位开关，下降停止，同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。放松后，主机向驱动器二只输入脉冲信号，步进电机二正转，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。PLC向驱动器一同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机一反转，横轴后缩。机械手后缩，当后缩到底时碰到后限位开关，然后主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号，步进电机二反转，机械手下降。下降到底时碰到下限位开关，下降停止，回到原点。至此，机械手经过八步动作完成一个循环。 机械手的动作示意图 4.2 软件设计 4.2.1 机械手 PLC 的软件程序编写PLC输入输出I/O分配表 输入信号 输出信号 中间状态 功 能编 号 功 能编 号 功 能编 号 启 动 I0.0 步进脉冲 Q0.0 复位状态 V0.0 停 止 I0.1步进方向（置0时机械手复位） Q0.1复位完成标志V0.1 传动臂前限位 I0.3升降气缸（置1时下降） Q0.2 启动标志 V0.2 传动臂后限位 I0.4 上料一气缸 Q0.3 一上料完成 V0.3 机械手上限位 I0.5 机械手（置1时夹紧） Q0.4 二上料开始 V0.4 机械手下限位 I0.6 上料二前气缸 Q0.5 二上料完成 V0.5 传感器一 I1.1 上料二后气缸 Q0.6抓紧工件开始 V0.6 传感器二 I1.2 小车定位气缸 Q0.7转移工件开始 V0.7小车检测传感器 I1.3 定位气缸 Q1.0 循环开始 V1.0 皮带线启动 Q1.1 转移完成 V1.1 机械手程序上料单元机械手PLC主程序：上料单元机械手PLC子程序及中断程序： 4.3 西门子S7200PLC在线调试我们以西门子S7200PLC为例，让您知道硬件设备与MCGS组态软件是如何连接的。具体操作如下：在MCGS组态软件开发平台上，单击“设备窗口”，再单击“设备组态”按钮进入设备组态。从“工具条”中单击“工具箱”，弹出“设备工具箱”对话框。单击“设备管理”按钮，弹出“设备管理”对话框。从“可选设备”中双击“通用设备”，找到“串口通讯父设备”双击，选中其下的“串口通讯父设备”双击或单击“增加”按钮，加到右面已选设备。再双击“PLC设备”，找到“西门子”双击，再双击“S7200PPI”，选中“西门子S7200PPI” 双击或单击“增加”按钮，加到右面已选设备。如下图： 单击“确认”按钮，回到“设备工具箱”如图：双击“设备工具箱”中的“串口通讯父设备”，再双击“西门子S7-200PPI”，如图：双击“设备1串口通讯父设备”，弹出“设备属性设置”对话框，如图按实际情况进行设置，西门子默认参数设置为：波特率9600，8位数据位，1位停止位，偶校验。参数设置完毕，单击“确认”按钮保留。如果是首次使用，请单击“帮助”按钮或选中“查看设备在线帮助”，单击图标，打开“MCGS帮助系统”，请详细阅读。计算机串行口是计算机和其它设备通讯时最常用的一种通讯接口，一个串行口可以挂接多个通讯设备（如一个RS485总线上可挂接255个ADAM通讯模块，但它们共用一个串口父设备），为适应计算机串行口的多种操作方式，MCGS组态软件采用在串口通讯父设备下挂接多个通讯子设备的一种通讯设备处理机制，各个子设备继承一些父设备的公有属性，同时又具有自己的私有属性。在实际操作时，MCGS提供一个串口通讯父设备构件和多个通讯子设备构件，串口通讯父设备构件完成对串口的基本操作和参数设置，通讯子设备构件则为串行口实际挂接设备的驱动程序。S7-200PPI构件用于MCGS操作和读写西门子S7_21X、S7_22X 系列PLC设备的各种寄存器的数据或状态。本构件使用西门子PPI通讯协议，采用西门子标准的PCPPI通讯电缆或通用的 RS232/485转换器，能够方便、快速地与PLC通讯。双击西门子S7-200PPI，弹出“设备属性设置”对话框，如图，在属性设置之前，建议您先仔细阅读“MCGS帮助系统”，了解在MCGS组态软件中如何操作西门子S7-200PPI。选中“基本属性”中的“设置设备内部属性”，出现图标，单击图标，弹出“西门子S7200PLC通道属性设置”对话框。如图：单击“增加通道”，弹出“增加通道”对话框，如图，设置好后按“确认”按钮。西门子S7_200 PLC设备构件把PLC的通道分为只读，只写，读写三种情况，只读用于把PLC中的数据读入到MCGS的实时数据库中，只写用于把MCGS实时数据库中的数据写入到PLC中，读写则可以从PLC中读数据，也可以往PLC中写数据。当第一次启动设备工作时，把PLC中的数据读回来，以后若MCGS不改变寄存器的值则把PLC中的值读回来。若MCGS要改变当前值则把值写到PLC中，这种操作的目的是，防止用户PLC程序中有些通道的数据在计算机第一次启动，或计算机中途死机时不能复位，另外可以节省变量的个数。“通道连接”如图设置： 在“设备调试”中就可以在线调试“西门子S7-200PPI”，如图：如果“通讯状态标志”为0则表示通讯正常，否则MCGS组态软件与西门子S7_200 PLC设备通讯失败。如通讯失败，则按以下方法排除：1、检查PLC是否上电。2、检查PPI电缆是否正常 。3、确认PLC的实际地址是否和设备构件基本属性页的地址一致，若不知道PLC的实际地址，则用编程软件的搜索工具检查，若有则会显示PLC的地址。4、检查对某一寄存器的操作是否超出范围。其它设备如板卡、模块、仪表、PLC等，在用MCGS组态软件调试前，请详细阅读硬件使用说明与MCGS在线帮助系统。4.4 数据处理在实际应用中，经常需要对从设备中采集到的数据或输出到设备的数据进行处理，以得到实际需要的工程物理量，如从AD通道采集进来的数据一般都为电压mV值，需要进行量程转换或查表、计算等处理才能得到所需的工程物理量。MCGS系统对设备采集通道的数据可以进行八种形式的数据处理，包括：多项式计算、倒数计算、开方计算、滤波处理、工程转换计算、函数调用、标准查表计算、自定义查表计算，各种处理可单独进行也可组合进行。MCGS的数据前处理与设备是紧密相关的，在MCGS设备窗口下，打开设备构件，设置其数据处理属性页即可进行MCGS的数据前处理组态。如图：按“设置”按钮则打开“通道处理设置”，进行数据前处理组态，如图：在MCGS通道处理设置窗口中，进行数据前处理的组态设置。如：对设备通道3的输入信号10005000mV（采集信号）工程转换成0100RH（传感器量程）的湿度，则选择第5项工程转换，设置如图：MCGS在运行环境中则根据输入信号的大小采用线性插值方法转换成工程物理量（0100RH）范围。MCGS数据前处理八种方式说