基于西门子plc的机械手控制的毕业设计

哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）学生毕业设计（论文）报告系 别 ： 电 子 与 电 气 工 程 学 院 专 业 ： 自 动 化 生 产 设 备 应 用 班 号 ：学 生 姓 名 ：学 生 学 号 ：设 计 （ 论 文 ） 题 目 ： 指 导 教 师 ：设 计 地 点 ：起 迄 日 期 ：哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）毕 业 设 计 （ 论 文 ） 任 务 书专业 自动化生产设备应用 班级 自动 091 姓名 雍淮阳 一、课题名称： 基于西门子 PLC 的机械手设计 二、主要技术指标：PLC 的技术指标：（1）扫描周期：反映 PLC 的执行速度，这个指标很重要；（2）程序容量：也就是 PLC 的内存大小，包括注释存储空间，程序存储空间。空间大，我们发挥的余地就越大；（3）扩展能力：可扩展的 IO 点数，以及可扩展的高性能特殊模块的能力。一般来说，低级的 PLC 不能扩展特殊模块单元，或者无扩展能力；（ 4）高速计数输入能力：用于累计输入口接受的信号数，常用于编码器的输入脉冲计数。反映 PLC 的输入响应速度；MCGS 的技术指标通讯方便：内置串行通讯功能、以太网通讯功能、GPRS 通讯功能、Web 浏览功能和 Modem 远程诊断功能，可以方便地实现与各种设备进行数据交换、远程采集和 Web 浏览；操作简便：MCGS 嵌入版采用的组态环境，继承了 MCGS 通用版与网络版简单易学的优点，组态操作既简单直观，又灵活多变； 三、工作内容和要求：工作内容：（1）机械结构和控制要求：通过 PLC 程序控制机械手一次动作完成要求（2）I/O 点地址分配：测量 I/O 点，且记录（ 3）设计动作步骤及其流程 工作要求：通过 PLC 编程是的机械手能够准确的完成预定动作 ，通过 MCGS 组态软件使在没有 PLC 的机械手的情况下模拟出它的机械动作 四、主要参考文献：S7-200 西门子 PLC 基础教程 .人民邮电出版社 现代电气控制及 PLC 应用技术（第三版）M .北京：北京航空航天大学出版社 电气工程及自动化专业英语M .北京：电子工业出版社 学 生（签名） 2011 年 月 日指 导 教师（签名） 2011 年 月 日教研室主任（签名） 2011 年 月 日系 主 任（签名） 2011 年 月 日哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 2 -毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目基于西门子 PLC 的机械手控制设计一、选题的背景和意义：在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75%是小批量生产，金属加工生产批量中有四分之三有 50 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。二、课题研究的主要内容：PLC 工作原理及其特点PLC 的应用领域现代工业运用 PLC 的效果和意义（以西门子 PLC 的机械手控制设计为例）三、主要研究（设计）方法论述：通过书籍英特网等手段收集各种资料；在搜集到的各种资料中进行删选，归类；与指导老师进行课题的讨论，实行；进行论文的撰写；与指导老师一起对论文进行审核和修改完善。四、设计（论文）进度安排：时间（迄止日期） 工 作 内 容2011.9.12011.9.10 搜集整理资料信息哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 3 -2011.9.112011.9.15 完成开题报告、任务书并交指导教师2011.9.162011.9.25 将开题报告、任务书进行修改、完善2011.9.262011.10.2 完成初稿并交指导老师2011.10.32011.11.3 将毕业设计报告进行修改、充实、完善2011.11.42011.11.17 交最终定稿2011.11.18 答辩五、指导教师意见：指导教师签名： 2011 年 月 日六、系部意见：系主任签名： 2011 年 月 日哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 4 -目录第 1 章 前言 .- 1 -第 2 章 PLC 及其应用 .- 2 -2.1 PLC 的概念 .- 2 -2.2 PLC 的组成 .- 2 -2.3 PLC 工作原理及其特点 .- 2 -第 3 章 PLC 的控制方案分析以及内容设计 .- 4 -3.1 机械结构和控制要求 .- 4 -3.2 对于 PLC 的选取 .- 6 -3.3 系统的整体设计分析 .- 7 -3.4 系统的硬件设计 .- 7 -3.5 系统的软件设计 .- 8 -第 4 章 MCGS 组 态 软 件 模 拟 机 械 手 .- 16 -4.1 使用设备 .- 16 -4.2 仿真过程 .- 16 -4.2.1 工程的建立 .- 16 -4.2.2 变量的分配 .- 17 -4.2.3 变量定义的步骤 .- 17 -4.2.4 设备与变量连接 .- 19 -4.3 工程画面的创建 .- 20 -4.3.1 封面窗口及监控画面的制作 .- 20 -4.3.2 运行策略的建立及脚本程序的编写 .- 21 -答谢辞 .- 26 -参考文献 .- 27 -哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）摘 要在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。自上世纪六十年代，PLC 设计的机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在不断发展，它可以在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。关键字：机械手 PLC 现代工业哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）AbstractIn modern industry, the production process of mechanization, automation has become a prominent theme. Continuity of the chemical production process of automation has been basically resolved. Dedicated high-volume production automated machine tools is an effective way; controlled machine tools. However, in addition to cutting its own, there are a lot of loading and unloading, transportation, assembly, and other operations to be further mechanized. According to the data, PLC robot was designed to achieve a product, it has been the development and application development, the most typical of this development are the producers of health products used in industry, in order to achieve the much-needed health inspection in a short period of time, a large number of sample data, but in the field of health as a result of the use of robot goods in a single sample-color reagent method, using filters and structural design, resulting in expensive reagents, restrictions The product market. With the advances in technology, the robot has actually broken the design of a single reagent, and heating the filter constraints. Keyword: robot PLC modern industrial哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第 1 章 前言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。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。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。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 2 -第 2 章 PLC 及其应用2.1 PLC 的概念可编程序控制器，英文称 Programmable Controller，简称 PC。但由于 PC容易和个人计算机（Personal Computer）混淆，故人们仍习惯地用 PLC 作为可编程序控制器的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。2.2 PLC 的组成1、CPU2、I/0 模块3、内存4、电源模块5、底板或机架6、PLC 系统的其他设备7、PLC 的通信联网图2.1：PLC 硬件结构图：2.3 PLC 工作原理及其特点 PLC 的工作原理：PLC 是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在 PLC 运行时，CPU 根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下输入模块 CPU模 块输出模块可 编 程 序 控 制 器编 程 装 置接 触 器电 磁 阀指 示 灯电 源 电 源 限 位 开 关选 择 开 关按 钮 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 3 -一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC 的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC 的特点：1. 抗干扰能力强、可靠性高。2. 控制系统结构简单，通用性强。3. 编程方便，易于使用。4. 功能强大，成本低。5. 设计、施工、调试的周期短。6. 维护方便。2.4 PLC 的应用 初期的 PLC 主要在以开关量居多的电气顺序控制系统中使用，但在 20 世纪90 年代后，PLC 也被广泛地在流程工业自动化系统中使用，一直到现在的现场总线控制系统，PLC 更是其中的主角，起应用面越来越广。PLC 的主要应用范围通常可分成以下几种： 1.中小型电气控制系统。2.制造业自动化。3.运动控制。 4.流程工业自动化。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 4 -第 3 章 PLC 的控制方案分析以及内容设计3.1 机械结构和控制要求设计 PLC 应用系统时，要根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和必备的条件，然后在进行 PLC 应用系统的功能分析，提出 PLC 控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。最后根据熊分析的结果，具体的确定 PLC 的机型和系统的具体配置。图3.1：工作流程图：如果机械手要求具有完全通用的程度，那么它的整机、本体、手臂和手指都得有三个直线运动和三个旋转运动，总共就要有 24 个自由度。这在实际上也是不必要的，这样会使机械手结构复杂，而通用机械手一般取四到五个自由度,本次试验选取亚龙 YL-335B 型装备。图 3.2：机械手：哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 5 -将工件由一处传送到另一处的机械手，上升/下降和左移/右移的执行用双线圈二位电磁阀推动气缸完成。当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，例如一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈再断电，仍保持现有的下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。另外，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电时执行放松动作。设备装有上、下限位和左、右限位开关。图 3.3：工作过程图：原位 下降 夹紧 上升 右移左移 上升 放松 下降根据此图可以判定我们的设计使用：上下、左右、抓握这三个自由度哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 6 -图 3.4：具体工件流程步骤图：3.2 对于 PLC 的选取西门子 PLC S7-200 系列是一类可编程逻辑控制器（ Micro PLC） 。这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，下图展示一台 S7-200 Micro PLC 的 CPU22*系列 PLC 的 CPU 外型图如图 2，具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得 S7-200 可以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外，丰富的 CPU 类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。S7-200 CPU 模块包括一个中央处理器单元（CPU） 、电源以及数字量 I/O 点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。图 3.5： S7-200 CPU 外型图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 7 -3.3 系统的整体设计分析整个系统由操控面板来完成整个机械手的的操作，工件通过光电开光进行检测。机械手的各个动作由汽缸驱动，而汽缸由相应的电磁阀控制。机械手的全部动作由 PLC 控制完成。（1）设计的基本原则1、最大限度地满足被控制对象和用户的控制要求；2、在满足要求的前提下，力求使控制系统简单，一次性投资小，使用时节约能源；3、保证控制系统安全、可靠，使用与维修方便；4、考虑到今后的发展和工艺的改进，在配置硬件设备时应留有一定的余量。（2）硬件的设计要求1、可编程控制器的选择主要考虑以下几个因素：1） 、PLC功能与控制要求相适应(高、中、低档机） ；2） 、PLC结构合理、机型统一（整体式模块式结构)；3） 、在线编程或离线编程；在线编程的PLC，主机和编程器共用一个CPU。离线编程的PLC ，主机和编程器各有一个CPU。4） 、存储容量；用户程序占用内存粗略估算方法：（1） 、PLC内存容量（指令条数）约等于I/O总点数的1015倍（2） 、指令条数约等于6（I/0）+2（T+C）5） 、I/O点数 必要时留有一定的裕量。（3） 、软件设计的要求其主要内容包括：1、对复杂的控制系统应绘制工艺流程图或控制功能图；2、编制梯形图；3、根据梯形图编写程序清单；对复杂的程序首先进行分段调试，然后进行总调试，并作必要的修改。3.4 系统的硬件设计系统的硬件一般只有 2 种：PLC 的接线图；I/O 点的地址分配1.PLC 的接线图图 3.6：PLC 接线图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 8 -2.I/O 点的地址分配表 3-4-1输入点： 输出点：启动按钮 SB1 I0.0 抓球电磁铁 YV2 Q0.1下限为开关 SQ1 I0.1 下行接触器 YV1 Q0.0上限位开关 SQ2 I0.2 上行接触器 YV3 Q0.2右限位开关 SQ3 I0.3 右行接触器 YV4 Q0.3左限位开关 SQ4 I0.4 左行接触器 YV5 Q0.4停止按钮 SB2 I0.5 原始位开关 HL Q0.53.5 系统的软件设计图 3.7：机械手运动流程图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 9 -图3.8：功能示意图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 10 -图3.9：程序框图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 11 -哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 12 -哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 13 -哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 14 -哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 15 -（1）在机械手上、下、左、右行走的控制中，使用了一个软件联锁触电，替代了 SM0.0。（2）M0.0是一个选择逻辑，其功能如上图中网络 1所示，它相当于一个开关，控制着系统是进行单周期操作还是循环操作。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 16 -第 4 章 MCGS 组 态 软 件 模 拟 机 械 手 4.1 使用设备MCGS 嵌入式组态软件组态的人机界面。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，在自动化领域有着广泛的应用。4.2 仿真过程运行MCGS 嵌入版组态环境软件，在出现的界面上，点击菜单中“文件”“新建工程” ，弹出图6-3所示界面。MCGS 嵌入版用“工作台”窗口来管理构成用户应用系统的五个部分，工作台上的五个标签：主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略，对应于五个不同的窗口页面，每一个页面负责管理用户应用系统的一个部分，用鼠标单击不同的标签可选取不同窗口页面，对应用系统的相应部分进行组态。4.2.1 工程的建立1) 首先双击桌面 MCGS 组态环境图标，进入组态环境，屏幕中间窗口为工作台。2) 单击文件菜单中“新建工程”选项，自动生成新建工程3) 选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。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。图 4.7：工程界面图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 17 -4.2.2 变量的分配在开始定义之前，我们先对系统进行分析，确定需要的变量。本系统至少需要 16 个变量，见表。表 4-2-1 机械手控制系统变量分配表变量名 类型 初值 注释启动按钮 开关型 0 机械手启动控制信号，X11 输入，1 有效复位按钮 开关型 0 机械手复位控制信号，X12 输入，1 有效夹紧 开关型 1 机械手动作控制夹紧，输出，0 有效放松 开关型 1 机械手动作控制放松，输出，0 有效上升 开关型 1 机械手动作控制上升，输出，0 有效下降 开关型 1 机械手动作控制下降，输出，0 有效左行 开关型 1 机械手动作控制左行，输出，0 有效右行 开关型 1 机械手动作控制右行，输出，0 有效X5 开关型 0 X 轴左限位，输入，1 有效，停止前伸X6 开关型 0 X 轴右限位，输入，1 有效，停止后缩X7 开关型 0 Y 轴上限位，输入，1 有效，停止上升X10 开关型 0 Y 轴下限位，输入，1 有效，停止下降工件夹紧标志 开关型 0 夹紧为 1初始位置 开关型 1 工件处于初始位置时为 1垂直移动量 数值型 0 动画参数水平移动量 数值型 0 动画参数哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 18 -机械手动作控制信号本身要求高电平，而开关量输出通道是反相输出，因此上升等几个变量需设计为低电平有效，即送“0”动作。4.2.3 变量定义的步骤1) 单击工作台中的“实时数据库”选项卡，进入“实时数据库”窗口页，如图所示。窗口中列出了系统已有变量“数据对象”的名称。其中一部分为系统内部建立的数据对象。现在要将表中定义的数据对象添加进去。2) 单击工作台右侧“新增对象” 按钮，在窗口的数据对象列表中，增加了一个新的数据对象，如图所示。3) 选中该数据对象，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。图 4.2： 实时数据库窗口图 4.3：实时数据库窗口哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 19 -图 4.4：数据对象属性设置窗口4) 将“对象名称”改为：启动按钮；“对象初值”改为：0；“对象类型”选择：开关型；在“对象内容注释输入框”内输入：机械手启动信号，X11 输入，1 有效。5) 单击“确定” 。如图所示。6) 按照步骤 25，根据上面列表，设置其他数据对象。7) 单击“保存”按钮。4.2.4 设备与变量连接1) 在工作台“设备窗口”中双击“设备窗口”图标进入。2) 点击工具条中的“工具箱” 图标，打开“设备工具箱” 。3) 单击“设备工具箱”中的“设备管理”按钮，弹出如图 4-7 所示窗口。4) 在可选设备列表中，双击“通用设备” 。图 4.5：设备管理窗口5) 双击“串口通讯父设备” ，在下方出现串口通讯父设备图标。6) 双击串口通讯父设备图标，将“串口通讯父设备”添加到右侧选定设备列表中。7) 双击“PLC 设备”,选择西门子_S7200PPI，单击“确认” ，并保存。8) 单击“通道连接”标签，进入通道连接设置。依次进入通道连接，直至通道全部连接完成。进入“设备调试”属性页，即可看到通道值中数据在变化。单击“保存”按钮。至此设备与变量（数据对象）的连接完成。图 4.7：哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 20 -4.3 工程画面的创建1) 在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立“窗口 0”、 “窗口 1”。如图所示。2) 选中“窗口 0”，单击“窗口属性” ，进入“用户窗口属性设置” 。4.3.1 封面窗口及监控画面的制作图 4.7：界面图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 21 -图 4.8：机械手监控画面4.3.2 运行策略的建立及脚本程序的编写1、运行策略的建立进入“运行策略”窗口中，双击进入“循环策略”窗口。图 4.9：循环策略画面右键单击点击工具条，选中 “新增策略行” ，增加一策略行。单击“策略工具箱”中的“脚本程序”将鼠标指针移到策略块图标上，单击鼠标左键，添加脚本程序构件。图 4.10：添加脚本程序示意图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 22 -哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 23 -2、机械手自动控制的脚本程序的编写。双击“脚本程序”工具条进入脚本程序编辑环境，编辑脚本程序。脚本程序如下：IF 下降=0 THEN垂直移动量 = 垂直移动量 + 1ENDIFIF 上升=0 THEN 垂直移动量 = 垂直移动量 - 1ENDIFIF 前伸=0 THEN水平移动量 = 水平移动量 + 1ENDIFIF 后缩=0 THEN水平移动量 = 水平移动量 - 1ENDIFIF 启动按钮=1 AND 复位按钮=0 THEN 定时器复位=0定时器启动=1ENDIFIF 启动按钮=0 THEN 定时器启动=0ENDIFIF 复位按钮=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=44 THEN后缩=1定时器复位=1EXIT ENDIFENDIFIF 定时器启动=0 THEN下降=1后缩=1上升=1前伸=1ENDIF通过这些编程即可实现用 MCGS 模拟 PLC 机械手运动，并且能够比较形象的体现出自己在论文中所要求的内容实现与否，并且实现修改从而模拟成功。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 26 -结束语通过这次机械手设计让我知道了现代企业在完成自动化控制中离不开 PLC 的控制，它可以使企业在生产的同时减少劳动力和生产成本。目前我国很多地区的企业整个生产设备还比较落后且大部分工序都是通过人工来完成的，而机械手成本比较低且操作简单很适合中小企业的发展要求。但随着科技不断进步我相信多功能复杂的机械手将会在不久的将来出现，所以在今后的学习和生活中我们还要不段的学习和创新，只有这样才能设计出更符合现代社会所需求的产品。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 27 -答谢辞毕业设计是我们毕业前夕最后也是最重要的一份作业，是对我们三年求学的一个总结，包含了我们三年中所学知识的积累，更是提升我们能力的一种方式。同时也是对我们学业的考核使我们的学业得以圆满结束。经过一段时间的设计，可编程控制器、机械手以及 MCGS 的设计完毕，机械手的模型已设计完毕，其功能基本达到要求。整个系统稳定性好，而且