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FESTO操作手单元结构及控制设计二一一年六月毕 业 设 计(论文)院 系机械工程系专业班级机械工程及自动化学生姓名指导教师题 目 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）FESTO操作手单元结构及控制设计摘要随着现代化工业生产的发展，自动化控制技术的集成应用正起着越来越重要的作用。FESTO MPS模块化生产加工系统，作为自动化控制系统，很具有典型性。本文设计的主要内容为FESTO操作手单元模拟工业自动化生产过程，设计中利用了PLC、传感器、位置控制、电气传动和气压传动等技术，可以实现操作手单元对工件的搬运和存储操作。该装置采用架式结构，配有控制器（PLC）、电气接口、传感器、电动机、导轨、气缸、电磁阀、直流电源和滑道等，是典型的机电一体化装置。本文基于Pro/E对操作手单元的结构进行设计，绘制了主要零件图和总体装配图，根据结构和功能设定了程序动作，对动作进行了运动的模拟仿真，并基于西门子S7-300PLC实现对FESTO操作手单元系统的控制，利用西门子S7-300系列PLC实现了FESTO操作手单元各传感器的监控和顺序动作的控制，利用STEP 7 组态编程软件进行了西门子S7-300系列PLC程序的编写和调试。经过Pro/E系统运动方针和计算机调试，表明本装置具有良好的稳定性和功能性，达到了预期设计的目的。关键词：机电一体化；操作手；FESTO；PLCSTRUCTURE AND CONTROL SYSTEM DESIGN OF FESTO HANDlING STATIONAbstractAlong with the development of modern industrial production, the integrated applications of automation control technology are playing a more and more important role. In this paper the main content of the design for the FESTO Handling station can stand the simulated industrial automation production process, the use of PLC, sensors, the position control, electric and pneumatic transmission technology, such as of the manipulator can be realized in the handling and storage operation. This device adopts frame structure, with the controller (PLC), electrical interface, sensors, motor, guide, cylinder, solenoid valve, dc power and slide and so on, it is the typical electromechanical integration device. Based on performance characteristics of the system, this paper based on the Pro/E to the Handling station, main parts unit, general assembly drawings and movement of the simulation to carry on the design and realizes automatically the sensors monitoring , the order of the action control making use of the control model combining of Siemens S7-300 series PLC and use STEP 7 configuration programming software in Siemens s7-300 PLC program of writing, and testing The system was confirmed to achieve stability and real-time performance, and requirement of supervisory control system was met through the real-time supervisory control elevators performance.Keywords: Electromechanical integration; Handling station; FESTO; PLC ; II华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）目 录摘要IAbstractII目 录11前言12机电一体化技术22.1 机电一体化的基本概念22.2 机电一体化技术的主要技术特征32.3 机电一体化系统组成32.4 FESTO以及FESTO MPS自动控制系统的介绍43 FESTO操作手单元总体结构设计53.1 FESTO操作手单元的构成与工作原理53.1.1 支架模块63.1.2 传感器模块63.1.3 PicAlfa模块83.1.4 滑槽模块93.1.5 CP阀组93.1.6 底板104 FESTO操作手单元的控制系统设计114.1 可编程控制器概述114.1.1 PLC的基本原理与构成114.1.2 PLC软件系统及常用编程语言124.2 西门子系列PLC及其编程语言134.2.1 SIEMENS系列PLC134.2.2 PLC编程软件STEP 7144.3 FESTO操作手单元的PLC控制系统设计154.3.1 PLC控制系统总体规划154.3.2 系统硬件设计184.3.3 PLC控制系统设置及程序编写184.3.3 PLC程序设计流程图21结论22参考文献23附录 PLC程序24致谢2727华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）1前言操作手用于传送和储存工件，操作手单元根据工件的不同特性，对其传送或临时储存。其主要功能为：检查工件特性；从支架上取走工件；在“金属/红色”滑槽或“黑色”滑槽上存储工件；将工件传送到下一工作站，操作手单元配置了柔性 2-自由度提取装置，光电式传感器对放置在支架上的工件进行检测，同时进行相的操作。该系统应用西门子STEP-7软件编程，利用Profibus现场总线技术交换数据。Profibus是目前国际上通用的现场总线标准之一，随着生产自动化和过程自动化中分散化结构的迅速增长，Profibus现场总线系统的应用日益普遍2。本课题设计FESTO MPS自动化技术教学培训系统操作手单元，在进行具体设计时主要包含以下几方面的内容：1) FESTO MPS自动化技术教学培训系统操作手单元的总体方案设计。2) 依据总体设计方案，设计FESTO MPS自动化技术教学培训系统的主要模块：支架模块；PicAlfa 模块；滑槽模块，并基于PRO/E绘制主要零件图和总体装配图。3) 对FESTO MPS自动化技术教学培训系统操作手单元进行了控制设计。按照所要求的动作设计了其流程图，并采用了Siemens的S7-300系列PLC对它们进行运行控制，并用Siemens STEP 7 Version编写程序实现对该实验装置整个运行过程的控制。本论文共分为4章，第1章为前言；第2章简要地介绍了机电一体化技术的基本概念以及FESTO MPS自动化技术教学培训系统的一些基本情况；第3章详细地介绍了FESTO MPS自动化技术教学培训系统操作手单元的总体基本构成、工作原理、各模块的工作过程及工作顺序，并对该装置进行了详细的结构设计；第4章围绕着FESTO MPS自动化技术教学培训系统操作手单元的控制系统设计，介绍了可编程控制器（PLC）的相关知识，以及该装置所采用的西门子（SIEMENS）公司的SIMATIC S7-300型号PLC和SIMATIC STEP 7 编程语言，根据实际需要编写了该装置的控制程序，并进行了调试。 2机电一体化技术2.1 机电一体化的基本概念“机电一体化技术”的概念最早由日本企业界在1970年左右提出的，当时他们取名为“Mechatronics”，它取了“Mechanics（机械学）”的前五个字母和“Electronics（电子学）”的后七个字母组合而成，其含义是机械与电子的集成技术。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展，并且应用范围也愈来愈广3。机电一体化技术具体包括以下内容：1）机械技术 机械技术作为机电一体化的基础，机械技术的注重如何使其与机电一体化技术相适应，并同时利用其它高、新技术来更新技术概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。在机电一体化系统制造过程中，借助于计算机辅助技术能够实现经典的机械理论与工艺，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。2）计算机与信息技术其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。3）系统技术系统技术即从整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。4）自动控制技术其范围很广，在控制理论指导下进行系统设计，以及设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如速度控制、高精度定位控制、自诊断校正、自适应控制、再现、补偿、检索等。5）传感检测技术 传感检测技术作为一个自动化系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的主要环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器不仅能够快速、精确地获取信息，而且能够经受住严酷环境的考验，传感检测技术的先进与否往往决定了整个自动化系统能够达到的高度。 6）伺服传动技术包括气动、液压、电动等各种类型的传动装置，伺服系统对于实现对系统的动态性能、控制质量和功能、电信号到机械动作的转换装置与部件有决定性的影响。机电一体化技术是随着现代科学技术的发展而逐步形成的。20世纪80年代初以来，发展日益迅速。它的需求背景是工厂自动化、办公自动化、家庭自动化以及社会服务自动化。近年来，机电一体化的产品正以惊人的速度不断涌向市场，其中有些是老产品的更新换代。机电一体化技术现已成为一门综合计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等交叉的系统技术4。2.2 机电一体化技术的主要技术特征机电一体化技术的主要特征有：1）机械技术、电子技术和信息技术的彼此功能交互，大多以机械系统的高级微机控制的形式出现。2）在一个具体的物理单元中，在不同子系统控制上的集成。3）机电一体化系统的控制功能的智能化。越来越先进的控制功能取代了许多操作人员的推理和判断。4）柔性化使得机电一体化产品能够灵活地 满足各种要求，适应各种环境。5）采用微处理控制的系统，易于增加或改变功能，而无须增加硬件成本。6）控制功能采用电子技术、微电子技术、微机控制技术来实现，因此，对用户来说，机电一体化系统的内部机制是隐蔽的。7）在机电一体化技术中，设计思想方法与制造技术紧密联系在一起，它们是并行发展的。2.3 机电一体化系统组成1）机械本体。机械本体包括机架、机械传动、机械连接等，它是机电一体化的基础，起着传递运动和动力、支撑系统中其他功能单元的作用。与纯粹的机械产品相比，机电一体化系统的技术性能得到提高、功能得到增强，这就要求机械本体在机械结构、加工工艺性、材料以及几何尺寸等方面能够与之相适应，具有多功能、高效、可靠和节能、轻量、小型、美观的特点。2）检测传感部分。检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是检测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检查到的信息向执行器发出相应的控制。3）电子控制单元。电子控制单元又称ECU（Electrical Control Unit ），是机电一体化系统的核心，负责将来自各传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，根据信息处理结果，按照一定的程度和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地进行。4）执行器。执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。执行器是运动部件，通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。5）动力源。动力源是机电一体化产品能量供应部分，其作用是按照系统控制要求向机械系统提供能量和动力使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气能和液压能，以电能为主。2.4 FESTO以及FESTO MPS自动控制系统的介绍 1）FESTO是世界上最著名的气动元件、组件和系统的生产厂商, 是世界气动自动化领域的领导者。其主要专注控制技术（如PLC、IPC、触摸屏）和FESTO电气相关产品的电子控制部分；气动产品、电驱动产品和教学培训。主要产品：驱动器（气缸和电驱动器）、阀（电磁阀、气控阀、手控阀和机控阀等）、阀岛和连接系统、机械手和装配技术、气源处理装置、气管和接头、真空技术、定位和质量检测系统、传感器和控制器、教学和培训产品。 2）FESTOMPS(Modula reproductions System)模块化生产加工教学培训系统，是当今职业培训领域中被广泛使用的设备。它以模块化的结构，将气动、液压、电气及电子、PLC、网络及计算机技术综合于一体，构成典型的加工单元，再由多个单元组合在一起，形成一个模拟的生产加工系统。它是自动化控制技术教学中，各单科知识的学习与实际生产设备之间的桥梁 。通过学校FESTO的综合实验, 针对某一个加工单元，将已掌握的单科知识在这里进行综合运用的训练。可以是从一个个工作元件开始，按照所给出的系统要求，完成气路、电路或控制回路的构成及运行调试练习；或根据工作要求对PLC控制程序进行修改或编写；也可以对人为设定的故障(机械、电气及PLC故障)进行故障诊断及排除练习。FESTO MPS自动化控制系统为实验教学提供了良好的现场模拟环境，使得对于机电传动、单片机、PLC、液压与气动传动、自动控制技术等的理论在结合实际的前提下得到深化。3 FESTO操作手单元总体结构设计3.1 FESTO操作手单元的构成与工作原理本次设计的FESTO 自动化技术教学培训系统的操作手单元广泛应用于高校的实验教学，其基本结构包括：支架模块、PicAlfa 模块、滑槽模块、传感器模块、气源处理组件、I/O接线端口、CP阀组、继电器、底板、底车、控制面板、PLC板等5。本章主要介绍该加工教学装置的总体结构和工作原理，以及结构设计，本章不涉及控制系统，PLC控制系统设计将在第三章中进行详细地介绍，本文设计的加工教学装置的总体结构图如图2-1所示。1底板 2支架模块 3机械抓手 4垂直气缸 5立柱 6水平气缸 7 限位器 8气泵 9滑道模块 图2-1 FESTO 自动化技术教学培训系统的操作手单元总体结构图其主要的工作顺序如下：1 如果支架上有工件并按下START按钮，提升气缸伸出。 2 气抓检测支架上的工件是“黑色工件”或“非黑色工件”后关闭。 3 提升气缸缩回。 黑色工件，存放在内滑槽中 4 无杆缸移动到“滑槽1”的位置。 5 提升气缸伸出。 6 气抓打开，将工件放入滑槽中。 7 提升气缸缩回。 8 无杆缸移动到左限位位置。 红色/金属工件，存放在外滑槽中 9 无杆缸移动到“滑槽2”的位置。 10. 提升气缸伸出。 11. 气抓打开，将工件放入滑槽中。 12. 提升气缸缩回。13. 无杆缸移动到左限位位置。以下将详细介绍本次设计的操作手单元各个模块构成及其工作原理：3.1.1 支架模块支架模块主要功能是接受上一工作站的工件，该模块将工件放入其中，在支架上有一个光电式传感器检测工件的颜色，从而通过检测颜色来判定下一步模块的工作程序。 图2-2 支架模块3.1.2 传感器模块传感器是可以将非电量转换为电量的一种器件,在通信技术中信息的捕获方面起着非常重要的作用6, 加工教学装置用到的传感器主要为电容式传感器、电感式传感器和反射式光电接近开关三种，如图2-3所示。 （1）电容式传感器 （2）电感式传感器 （3）反射式光电接近开关 （4）电磁接近式传感器图2-3 传感器1）电容式传感器电容式传感器是利用电容器原理，将非电量转化为电容量，进而转化为便于测量和传输的电压或电流量的器件。电容传感器与其他类型的传感器相比，具有测量范围大、精度高、动态响应时间短、适应性强等优点，在位移、压力、厚度、振幅、液位、成分分析等的测量方面得到了非常广泛的应用，电容式传感器有着许多优点,是一种具有良好发展前景的传感器。本装置用电容式传感器来检测工件。安装在传送带的起始端。其工作原理是利用工件可以改变电容式传感器的电容的原理来检测工件的位置，因为是靠电容来判断的，所以无论颜色和材料，电容式传感器都可以检测到工件，这样保证了可以准确无误地判断支架模块位置有无工件。 另外在气抓手处还装有一个漫射式传感器，它是电容式传感器的另一种形式。它发出红色可见光，传感器件检测被反射回来的光线，工件的表面颜色不同，被反射的光线亮度也不同。当工件为红色或金属时，信号为1；当工件为黑色时，信号为零。这样可有效地区分工件的颜色。2）电感传感器根据电磁感应原理可知，当金属物体处于一个交变的磁场中时，在金属物体内部会产生交变的电涡流，该电涡流又反作用于产生它的磁场。如果这交变的磁场是由一个电感线圈产生的，则这个电感线圈中的电流就会发生变化，用于平衡涡流产生的磁场。利用这一原理，通过研究电感线圈中的电流的变化情况，就可以得志是否有金属物体处于电感线圈的磁场中。电感式传感器是利用这一电涡流效应制造的传感器，它只能检测金属材料。本装置用到1个电感式传感器，也位于气抓手上和漫射式传感器配合使用。该传感器用于区分材料。信号为1，表示工件为金属；否则为非金属。通过和漫射式传感器的配合使用，可有效地区分工件的颜色与材料，并将信号输入PLC为下一步的分拣做准备。3）反射式光电接近开关在该单元中还安装了一个反射式光电接近开关，它是光电传感器的另一种结构形式，在这里用于检测是否有工件进入到滑槽中，或者用于判断滑槽中存放的工件是否已满槽。 该传感器同前面介绍的对射式光电传感器的区别是：接收光线的方式不同。对射式光电接近开关是以光纤作为光路，将光源发出的光线通过一根光纤导出到测量场所，再通过另一根光纤将接收到的由光源发出的光线传回到传感器，这样，可以使传感器的安装位置与测量的场所不在同一个地点；反射式光电接近开光则是通过一个专用的反光镜将由传感器光源发出的光线直接反射回来，由传感器直接接受，这种传感器需要直接安装在测量现场。其工作时采用的逻辑是：当传感器接收到了反射光线时，传感器输出信号为0；当在传感器主体与反光镜之间有不透明的物体存在时，光路被阻断，传感器不能接收到反射光线，则传感器输出信号为1。 4）接近式传感器 SME-8 接近式传感器 SME-8安装在气缸的末端位置，它对安装在气缸活塞上的磁铁产生感应，从而控制气缸运动的末端位置，如：水平气缸的中间位置、垂直气缸的最下端位置。3.1.3 PicAlfa模块 PicAlfa模块的总体结构图2-41-缓冲限位器 2-立柱 3-无杆缸 4-气动夹手 5-提升气缸图2-4 PicAlfa模块总体结构图PicAlfa模块使用工业提取元件。气动无杆缸具有柔性可调节缓冲装置，从而确保了末端位置及中间位置的快速定位。 在提取装置上的装有气抓手，气抓手上还有一个光电式传感器可以检测工件。 PicAlfa模块具有高度的灵活性：行程短，末端位置传感器的安装位置可任意调节。上述特点保证了该单元在不增加其它元件的情况下完成一系列不同的工作任务，适合于更深层次的培训。PicAlfa模块由立柱、水平无杆气压缸、垂直气压缸、机械抓手、限位器、传感器组成，为整个装置的主体部分，其功能为搬运物体并将其传送到之后的滑槽模块之中储存。其主要动作为：提升气缸下降气抓抓紧工件，提升气缸上升，水平气缸向右移动，到达预订的滑槽上方，提升气缸下降，气抓张开，放下工件，提升和水平缸回到初始位置。，3.1.4 滑槽模块滑槽模块用于传送和储存工件，可以存储5个工件。由于该模块的倾斜度和高度可以调节，所以应用范围很广。在成品分装单元中使用两组滑槽模块。工件在传送带上传送并存放在滑槽模块上。反射式光电接近开关检测滑槽模块的填充高度。滑槽模块如图2-5所示：图2-5 滑槽模块3.1.5 CP阀组 本单元的CP阀组由3个电磁气控阀组成，分别用于控制水平缸的左右移动和垂直缸的上下移动，在结构上，它们都是带手控装置的单控电磁阀，如图2-6所示。图2-6 CP阀组3.1.6 底板所有的机构都是通过紧固螺钉安装在实验台底板上，根据实际要求底板材料为铝合金，长度为700mm，宽度设计为350mm，高度为30mm, 本文设计的底板如图2-7所示。在底板上平行分布着一系列凹槽，凹槽间距为50mm，紧固螺钉就是利用这一系列凹槽将个部件固定在底板上的，本文设计的底板截面上的凹槽尺寸如图2-8所示。图2-6 底板 图2-8 底板截面图4 FESTO操作手单元的控制系统设计4.1 可编程控制器概述4.1.1 PLC的基本原理与构成PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。1969年，美国数字公司研制出了第一代可编程序控制器。上世纪80年代至90年代中期， PLC逐渐进入过程控制领域。1987年国际电工委员会对PLC做了如下定义：“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，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能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都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”从结构上分，PLC可以分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。1）CPU：CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。2） I/O模块：PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。3）电源模块：PLC的电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。4）底板或机架：大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上实现了各模块间的连接，使各模块构成一个整体。5）编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器。6)人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。7) PLC的通信联网：依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。 PLC具有可靠性高，抗干扰能力强，配套齐全，功能完善，适用性强，易学易用，系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，体积小，重量轻，能耗低等诸多优点。PLC在国内外已广泛应用于钢铁、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，使用情况大致可归纳为开关量的逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信及联网等。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。4.1.2 PLC软件系统及常用编程语言PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制。STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，也就是用户程序，我们就是使用STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序执行结果的在线监视。尽管国内外厂家采用的编程语言不尽相同，但程序的表达方式通常采用梯形图、语句表、逻辑功能图等几种形式：1）梯形图在形式上类似于继电器控制的电气原理图，仍沿用继电器的线圈、触点、串联与并联等术语和图形符号。梯形图简单、直观、易读，对不熟悉继电器表达方式的人来说，容易接受，而不需要学习更多的计算机知识。2）指令语句表类似计算机的汇编语言，用助记符缩写符号进行编程。语句表比计算机汇编语言简单的多，每条指令由三部分构成：地址、指令名称和数据。每条指令分别让PLC执行某一动作。各种PLC可以使用梯形图编程，也可以使用指令语句表编程，并且梯形图和指令语句表可以相互转化。3）逻辑功能表基本沿用了半导体逻辑电路的逻辑方块图来表达。一个控制系统的整体功能可分解成许多相对独立的功能块。每一种功能使用一个运算方块，其运算功能由方块内的符号决定，常用“与”、“或”、“非”三种逻辑关系表达控制逻辑，块与块之间可以顺序执行，也可以根据条件分别执行或者循环转移执行。4）顺序功能图(Sequential Function Chart)也称状态转移图，它是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，是设计PLC控制程序的有利工具。它沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能左边画输入、右边画输出，并不涉及所描述的控制功能的具体技术，而是一种通用的技术语言，可供进一步设计和不同专业人员之间进行技术交流。它是位于其它编程语言之上的图形语言，用来编程顺序控制的程序（如：机械手控制程序）。编写时，工艺过程被划分为若干个顺序出现的步，每步中包括控制输出的动作，从一步到另一步的转换由转换条件来控制，特别适合于生产制造过程。本系统中使用的西门子PLC编程语言S7-Graph就属于这种7。4.2 西门子系列PLC及其编程语言4.2.1 SIEMENS系列PLCSIMATIC S7系列PLC是德国西门子（SIEMENS）公司90年代末的产品，西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括SIMATIC S7-200、S7-300、S7-400等，SIMATIC是西门子公司发明的一个对自己的自动化产品的一个称呼，是西门子和自动化的合成，即：SIemens + autoMATIC = SIMATIC，在系列PLC中， S7-200是微型到小型的PLC，S7-300是小型到中型的PLC，S7-400是大型的PLC。德国西门子公司生产的PLC在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等行业都有应用8。SIEMENS系统的可编程序控制器SIMATIC MANAGER是西门子用于进行PLC程序编制，进行机床状态控制的组件，它主要组成包括电源模块、CPU模块、输入输出模块，其接口有，RS232接口，PROFIBUS接口，MPI电缆接口等。通过X122、MPI插口，使电脑与NCU相连PLC。 STEP 7主要包括以下组件：(1)SIMATIC管理器：用于集中管理所有工具以及自动化项目数据；(2)程序编辑器：用于以LAD，FBD和STL语言生成用户程序；(3)符号编辑器：用于管理全局变量；(4)硬件组态：用于组态和参数化硬件；(5)硬件诊断：用于诊断自动化系统的状态；(6)NetPro：用于组态MPI和PROFIBUS等网络连接。考虑到操作手单元的实际要求，本次设计的操作手单元站采用的是S7-300系列的PLC， S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少9。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统10。4.2.2 PLC编程软件STEP 7STEP 7 是用于SIMATIC可编程控制器的组态和编程的标准软件包，编程软件用于西门子系列工控产品包括SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC,是供它们编程、监控和参数设置的标准工具，是SIMATIC工业软件的重要组成部分。STEP 7中集成了SIMATIC编程语言和语言表达方式符合EN61131-3或IEC1131-3标准。STEP 7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。STEP 7的所有功能均有大量的在线帮助，用鼠标打开或选中某一对象，按F1可以得到该对象的在线帮助。在STEP 7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP 7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATIC S7、M7、C7和WinAC的数据。实现STEP 7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP 7中。PC/MPI适配器用于连接安装了STEP 7的计算机的RS-232C接口和PLC的MPI接口。计算机一侧的通信速率为19.2kbit/s或38.4kbit/s，PLC一侧的通信速率为19.2kbit/s1.5Mbit/s。除了PC适配器，还需要一根标准的RS-232C通信电缆。STEP 7标准软件包的主要功能有：建立和管理项目；对硬件和通信做组态和参数赋值；创建程序；向PLC下载程序或从PLC上载程序；测试系统；诊断设备故障等。STEP 7 给用户提供了梯形逻辑（LAD）、语句表（STL）、功能块图（FBD）3种编程语言。其他编程语言是作为可选软件包提供的，如顺序控制（GROPH）语言11 。SIMATIC S7工业软件 西门子的工业软件分为三个不同的种类： （1）编程和工程工具 编程和工程工具包括所有基于PLC或PC用于编程、组态、模拟和维护等控制所需的工具。STEP 7标准软件包SIMATIC S7是用于S7-300/400，C7 PLC和SIMATIC WinAC基于PC控制产品的组态编程和维护的项目管理工具，STEP 7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的S7-200系列PLC的编程、在线仿真软件。 （2）基于PC的控制软件 基于PC的控制系统WinAC允许使用个人计算机作为可编程序控制器（PLC）运行用户的程序，运行在安装了Windows NT4.0操作系统的SIMATIC工控机或其它任何商用机。WinAC提供两种PLC，一种是软件PLC，在用户计算机上作为视窗任务运行。另一种是插槽PLC（在用户计算机上安装一个PC卡），它具有硬件PLC的全部功能。WinAC与SIMATIC S7系列处理器完全兼容，其编程采用统一的SIMATIC编程工具（如STEP 7），编制的程序既可运行在WinAC上，也可运行在S7系列处理器上。 （3）人机界面软件 人机界面软件为用户自动化项目提供人机界面（HMI）或SCADA系统，支持大范围的平台。人机界面软件有两种，一种是应用于机器级的ProTool，另一种是应用于监控级的WinCC。 ProTool适用于大部分HMI硬件的组态，从操作员面板到标准PC都可以用集成在STEP 7中的ProTool有效地完成组态。ProTool/lite用于文本显示的组态，如：OP3，OP7，OP17，TD17等。ProTool/Pro用于组态标准PC和所有西门子HMI产品，ProTool/Pro不只是组态软件，其运行版也用于Windows平台的监控系统。 WinCC是一个真正开放的，面向监控与数据采集的SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）软件，可在任何标准PC上运行。WinCC操作简单，系统可靠性高，与STEP 7功能集成，可直接进入PLC的硬件故障系统，节省项目开发时间。它的设计适合于广泛的应用，可以连接到已存在的自动化环境中，有大量的通信接口和全面的过程信息和数据处理能力，其最新的WinCC5.0支持在办公室通过IE浏览器动态监控生产过程。4.3 FESTO操作手单元的PLC控制系统设计4.3.1 PLC控制系统总体规划气压泵操作手汽缸SIMATIC S7-300PLC CPU313C-2DP控制器手/自动信号传感器信号图3-1 控制系统总体框图PLC控制系统的设计基本原则：1）最大限度的满足被控对象的控制要求； 充分发挥PLC功能，最大限度的满足被控对象的控制要求，是设计中的最重要的一条原则。设计之前应进行调查研究，收集资料。2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便； 设计的目的在于实用性，所以在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断扩大工程的效益，另一方面也要注意不断得降低工程的成本，不盲目的追求自动化和高指标。3）保证控制系统安全可靠；4）考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。一台PLC控制的机电一体化的自动化设备，PLC的主要作用是用以实现输入设备与输出设备之间的逻辑关系，而这一逻辑关系又是通过存储在PLC中的用户程序建立起来的。如果从PLC的角度来说，就是将PLC上的各个输入信号与输出信号之间建立一定的逻辑关系，复杂的设备，输入信号与输出信号相对多一些，逻辑关系也复杂一些。从生产设备的控制功能来看，一台生产设备大致可以具有以下控制功能：自动连续控制；手动但循环控制；手动单步控制；停止控制；急停控制；复位控制12。自动连续控制功能：用于实现生产设备的自动连续生产。在设备满足正常启动条件的情况下，只需按一下启动按钮，设备就按照预先设定好的程序运行，实现产品的批量生产。手动单循环控制：用来实现产品的单件生产或试生产。手动单步控制：用于设备调试。在对设备进行调试时，通常需要让设备的各个执行机构单步动作，以便于调试设备，并且每一步动作都必须要受操作者的控制。手动单步控制功能就是针对此目的而设计的。停止控制：用于实现生产设备在正常运行状态下，需要停止生产的情况。一般地，使用该控制功能停止设备时，指令发出后，已经进入加工程序的工件应当继续被加工，直到加工完完毕，设备才真正停止运行。急停控制：是一种安全保护控制功能。当设备在运行过程中出现了某种危险情况，危及到人身安全设备安全或生产安全的时候，应当能够通过人为的敢于使设备立即停止运行。这种控制功能应该是随时可以实现的。它不同于“停止”的控制功能，在“急停”指令发出后，所有的执行机构无论其运行状态、运行位置如何，都要立即停止运行，并保持不动。复位控制：当生产设备的执行机构由于某种原因不满足运行初始条件时，就需要有这样一个控制功能：通过简单的操作（如按下“复位”按钮）就能使设备抚慰到能够满足运行的初始状态。在自动操作模式下，在各执行机构处于初始状态，即水平缸处于最左端位置；垂直汽缸处于最上端位置；气抓手打开。在这样的情况下，按下启动按钮（START），加工装置进入待工作状态。当有工件被放到物体支架是，该加工装置进入工作状态，机械手单元开始搬运工件，并根据检测得到的工件的颜色，对工件进行分类搬运和储存。该加工教学装置的PLC的I/O地址分配情况如表3-1所示。表3-1 PLC的I/O分配情况序号地址设备序号设备名称设备用途信号特征1I0.0B1漫射式传感器1检测是否有工件进入信号为1，表示有工件进入信号为0，表示无工件进入2I0.1B2接近式传感器检测水平缸是否在左位信号为1，表示水平缸在左位3I0.2B3接近式传感器检测水平缸是否在右位信号为1，表示水平缸在右位4I0.3B4接近式传感器检测水平缸是否在右位信号为1，表示水平缸在中间位置5I0.4B5接近式传感器检测垂直缸下降到位信号为1，表示垂直缸到达最下位置6I0.5B6接近式传感器检测垂直缸上升到位信号为1，表示垂直缸到达最上位置7I0.6B7漫射式传感器2判断工件的颜色信号为1，表示为红色或金属信号为0，表示为黑色8Q0.0G1水平气压缸气压缸向左移动信号为1，表示气压泵充压信号为0，表示气压泵放压9Q0.1G1水平气压缸气压缸向右移动信号为1，表示气压泵充压信号为0，表示气压泵放压10Q0.2G2垂直气压缸垂直气压缸动作信号为1，表示气压缸下降信号为0，表示气压缸上升11Q0.3qizhua气抓抓紧或松开工件信号为1，表示气抓张开信号为0，表示气抓抓紧12I1.3C1复位按钮控制装置复位信号为1，表示装置复位13Q1.1D1复位灯显示复位灯亮信号为1，表示复位灯亮信号为0，表示复位灯灭14I1.0C2开始按钮控制装置开始信号为1，表示装置开始15Q1.0D2开始灯显示开始灯亮信号为1，表示装置未开始信号为0，表示装置开始16I1.1C3停止按钮使装置停止信号为1，表示装置停止当按下停止按钮（STOP）后，加工装置不再接受新的工件，但是要将已经进去到工位的工件加工完，直到工作台上没有了工件，加工装置才停止运行，停止运行后，各执行装置会到初始状态。4.3.2 系统硬件设计根据系统的操作与控制要求，利用西门子的S7-300，设计系统的硬件连线图，如图3-2所示：I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I1.0I1.1I1.2I1.3Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q1.0Q1.1 输入/输出SIMATICS7-300CPU 313C-2DP漫散射式传感器1接近式传感器接近式传感器接近式传感器接近式传感器接近式传感器漫散射式传感器2开始按钮停止按钮复位按钮水平气压缸左移水平气压缸右移垂直气压缸气抓开始灯