基于PLC的机械手自动分拣装置系统的设计与实现.doc

毕业设计（论文）题 目：基于PLC的机械手自动分拣装置系统的设计与实现 姓 名： 胡 治 国 学 号： 0904010108 指 导 教 师： 王 丹 丹 (讲师) 专 业： 测 控 技 术 与 仪 器 班 级： 01 班 所 在 学 院： 电 气 信 息 学 院 2013 年 5 月目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题背景11.2 设计目的和意义11.3 研究的现状及发展趋势11.4 研究的主要内容2第二章 可编程控制器32.1 PLC的简介32.2 PLC的基本结构32.3 PLC 的工作原理52.4 PLC的选择方法6第三章 系统的PLC设计93.1系统的控制要求93.2 系统的总体方案103.3 PLC选型及I/O地址分配113.4 PLC控制系统的设计12第四章 系统的MCGS组态设计194.1 MCGS组态的概述194.2 系统的MCGS组态设计22第五章 MCGS与模拟设备的连接27结 论29致 谢31参考文献33附 录35摘 要机械手自动分拣装置是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置。该装置主要由物料的送料过程、机械手的自动控制过程和物料的传送和分拣过程组成。送料过程是将物料送到指定位置；机械手的自动控制过程是将物料从指定位置搬运到相应的位置；传送和分拣过程是根据物料性质的不同，通过电容传感器和电感传感器的检测分拣金属和非金属，并通过了推杆推到相应的地方。这三个过程均采用的是PLC控制，主要内容是完成对机械手控制过程的设计，能完成手动、单周期、单步和连续工作四种工作方式。同时，通过MCGS组态软件对机械手自动分拣系统完成人际界面的设计，能够在与模拟设备连接下运行，方便用户对系统进行监视和控制。此次设计主要实现了对机械手自动控制系统的组态设计。关键词：机械手；PLC；MCGSIAbstractManipulator automatic sorting device a kind of automatic device, which is used in the automatic production process with grabbing and moving the workpiece . The device is mainly composed of material feeding process, automatic control of the manipulator and the material delivery and sorting process. Feeding process will sent material to the specified location; Manipulator of the automatic control process is to move the materials from the specified location to the corresponding position; According to the properties of materials, delivery and sorting process will sort metallic and non-metallic by capacitance sensor and inductive sensor detection, and through the push rod to the appropriate place. These three process are all under PLC control. And the main content is to complete the design of manipulator control process, which can be done in four ways of working, namely manual operation, single cycle, single step and continuous work. At the same time, the MCGS configuration software can complete the human interface design for the manipulator automatic sorting system. And it can be connected to the analog devices, to monitor and control system by users. This design mainly realized the configuration design of the manipulator automatic control system.Keywords: manipulator；PLC；MCGSII武汉工程大学 毕业设计第一章 绪论1.1 课题背景 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。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。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。尤其在需要进行物料分拣的企业，以往一直采用人工分拣的方法，致使生产效率低，生产成本高，企业的竞争能力差，用工业机械手实现物料的自动分拣已成为企业的最佳选择1。1.2 设计目的和意义机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种装置，是机器人的一个重要分支。它的特点是可以通过编程来完成各种预期作业任务，在构造和性能上兼有人和机器的各种优点，尤其体现了人的智能性和适应性。在现代生产过程中，机械手广泛应用于各种场合。虽然相比于人类来说机械手的灵活性较差，但由于人工操作进行简单操作的劳动生产率较低，不仅生产成本较高，而且容易受其他各方面因素影响。而机械手可以解决这些方面的问题，通过对机械手的控制来进行简单的操作，不仅能提高劳动生产率，还能降低成本，生产情况也比较稳定且能保证产品的质量，更重要的是机械手能代替人们从事危险性较高的工作，通过对机械手进行远程控制来完成一些难以完成的工作，从而实现生产过程中抓取和移动工件的自动化和高效化。1.3 研究的现状及发展趋势随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。如位置稍有偏差时，即能更正，并自行检测。总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系的人工操作状态。1.4 研究的主要内容 本文在对机械手自动分拣装置系统进行分析的基础上，着重剖析PLC在该系统中的软件编程控制，这关系到整个系统的成败。并通过MCGS组态软件来完成对机械手的整个过程的设计。最后，将MCGS与PLC设备连接进行人机界面的监测和控制。主要的工作有以下几个方面的内容：（1）送料系统的设计，包括执行送料过程中的主要执行机构以及PLC控制程序。（2）传送和分拣系统的设计，包括传送和分拣过程中的主要执行机构以及PLC控制程序。（3）机械手控制系统的设计，包括机械手搬运过程中的主要执行机构以及PLC控制程序。控制系统是机械手的指挥系统，它按规定的要求和时序进行工作。本机械手采用可编程控制器，PLC对机械手进行控制，主要包括对PLC的型号选择、I/O口的选择、对控制系统原理图、自动程序梯形图的绘制等内容。（4）机械手控制系统的MCGS组态设计；主要是实现良好的人机界面，方便用户较好的监测和控制系统的正常运行。（5）MCGS与模拟设备的连接。- 44 -第二章 可编程控制器2.1 PLC的简介可编程序控制器（programmable controller），现在一般简称为PLC（programmable logic controller），它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置2。以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。PLC是由模仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。对于相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。 近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。2.2 PLC的基本结构PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一致的。如图2.1所示为PLC硬件的基本结构图 3。（1）中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）是PLC 的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能，接受并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能检查用户程序的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像区, 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术运算等任务，并将逻辑或算术运算等结果送入I/O映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕以后，最后将I/O映像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，如此循环运行，直到停止运行为止。编程器中央处理单元（CPU）输 入 电 路输 出 电 路路系统程序存储区用户程序存储区电源2.1 PLC硬件的基本结构图（2）存储器图PLC的软件分为两部分: 系统软件和应用软件。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。PLC存储空间的分配：虽然大、中、小型 PLC的CPU的最大可寻址存储空间各不相同，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：系统程序存储区，系统RAM存储区（包括I/O映像区和系统软设备等）和用户程序存储区。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。它包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能够直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的各项功能。系统RAM存储区包括I/O映像区以及各类软设备（例如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）存储区。（A）I/O映像区由于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，它需要有一定数量的存储单元（RAM）以供存放I/O的状态和数据，这些存储单元称作I/O映像区。一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit）, 一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个bit)。因此，整个I/O映像区可看作由开关量的I/O映像区和模拟量的I/O映像区两部分组成。（B）系统软设备存储区除了I/O映像区以外，系统 RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、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无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电子供电。使这部分存储单元内的数据得以保留；后者当PLC停止运行时，将这部分存储单元内的数据全部置“零”。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，一般来说，随着PLC机型增大其存储容量也相应增大。不过对于新型的PLC，其存储容量可根据用户的需要而改变。（3）常用的I/O常用的I/O分类有：开关量，按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离；模拟量，按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。（4）PLC电源PLC电源在整个系统中起着十分重要的作用。无论是小型的PLC，还是中、大型的PLC，其电源的性能都是一样的，均能对PLC内部的所有器件提供一个稳定可靠的直流电源。一般交流电压波动在正负10%（15%）之间，因此可以直接将PLC接入到交流电网上去。可编程序控制器一般使用的是220V交流电源。其内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供直流电压。某些可编程序控制器可以为输入电路和少量的外部电子检测装置（如接近开关）提供24V直流电源。驱动现场执行机构的电源一般由用户提供。可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。这种计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。2.3 PLC 的工作原理在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。可编程序控制器梯形图中别的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机，或切换到STOP工作状态。可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。扫描周期可编程序控制器在运行工作状态时，执行一次图2.2所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1100ms4。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。扫描周期还包括自诊断、通信等。每次扫描过程可分为三个主要阶段。第(N-1)个扫描周期输出刷新第(N+1)个扫描周期输入采样第N个扫描周期输入采样输出刷新用户程序执行图2.2 PLC的扫描运行方式（1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有的数据和状态它们存入I/O映像区的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入数据和状态发生变化I/O映像区的相应单元的数据和状态也不会改变。所以输入如果是脉冲信号，它的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC的CPU总是由上而下，从左到右的顺序依次的扫描梯形图。并对控制线路进行逻辑运算，并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统RAM存储区中对应位的状态。或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。例如：算术运算、数据处理、数据传达等。（3）输出刷新阶段在输出刷新阶段，CPU按照I/O映像区内对应的数据和状态刷新所有的数据锁存电路，再经输出电路驱动响应的外设。这时才是PLC真正的输出。2.4 PLC的选择方法1PLC机型的类型PLC按结构分为整体型和模块型两类，从应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。2输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。3.电源的选择PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。4.存储器的选择由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。5.经济性的考虑选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响，在算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。第三章 系统的PLC设计3.1系统的控制要求机械手自动分拣装置是一种高速自动化生产线上的金属与非金属自动分拣设备，其方法是物料盘负责输送物料，一旦有物料进入准备状态，则启动机械手搬运机构；然后机械手快速定位到物料的正上方，下降抓取物料、提升并释放至指定位置；待物料被释放后，传送装置联动，并根据金属与非金属的特点进行分拣；机械手则迅速返回，等待下一轮分拣抓取。整个系统的工作流程如图3.1所示，工艺流程如下所示。（1）按启动按扭后，启动送料电机驱动放料盘旋转，物料由送料槽滑到物料提升位置，物料检测光电传感器开始检测； （2）如果送料电机运行一定时间后，并且物料检测光电传感器仍未检测到物料，则说明送料机构已经无物料，这时要停机并报警； （3）当物料检测光电传感器检测到有物料，将发出信号，上料单向电磁阀驱动上料，机械手臂下降，手爪抓紧物体，然后手臂手爪上升到上限位，手臂向右旋转到右限位，手臂下降至下限位，手爪放松物体，将物料放到传送带上； （4）传送带输送物料，传感器则根据物料性质（金属和非金属），分别控制相应电磁阀使气缸动作，对物料进行分拣； （5）最后机械手返回原位重新开始下一个流程。图3.1 机械手自动分拣装置工作流程为了满足生产要求，机械手需要设置手动工作方式和自动工作方式，而自动工作方式又分为单步、单周期和连续工作方式。（1）手动工作方式利用按钮对机械手每一步动作进行控制。例如，按下“下降”按钮，机械手下降；按下“上升”按钮，机械手上升。手动操作可用于调整工作位置和紧急停车后机械手返回原点。（2）单步工作方式每按一次操作按钮，机械手就完成一个工作步。例如，按一次启动按钮机械手就开始下降，下到左工位压动下限位开关自停，欲使之运行下一个工作步，必须再按一次启动按钮等。（3）单周期工作方式 机械手在原位压左限位开关和上限位开关。按一次启动按钮机械手开始下降，下降到左工位压动下限位开关后自停；接着机械手夹紧物料后开始上升，上升到原位压动上限位开关后自停；接着机械手开始右行直至压动右限位开关后自停；接着机械手下降，下降到右工位压动下限位开关（两个工位用一个下限位开关）后自停；接着机械手放松物料后开始上升直至压动上限位开关后自停（两个工位用一个下限位开关）；接着机械手开始左行直至压动左限位开关后自停。至此一个周期的结束，再按一次启动按钮则开始下一个周期的运行。（4）连续工作方式启动后机械手反复运行单周期方式中的动作过程，即周期性连续运行。3.2 系统的总体方案 电机驱动线圈根据系统的控制要求，该PLC系统的硬件部分主要是输入接口端与输出接口端的信号地址选择。其输入接口端有运行方式选择开关信号、限位开关信号、检测信号和内指令信号，这些信号将通过输入接口电路在扫描周期存入映像寄存器，以供PLC内部的程序执行，执行后的输出信号存在另一映像寄存器，将通过输出接口输出，在输出接口端主要是电机驱动线圈、指示灯信号、推杆驱动线圈和电磁阀线圈。其基本结构图如图3.2所示。运行方式选择开关信号检测信号内指令信号限位开关信号输入接口PLC推杆驱动线圈指示灯信号电磁阀线圈输出接口图3.2 系统的基本结构图该系统可以采用不同的PLC型号，例如西门子，三菱，欧姆龙等，综合考虑价格以及系统规模因素，选用欧姆龙系列的PLC更加合理一些。根据系统的工作流程，可以将系统的软件部分采用顺序控制方式来实现，顺序控制方式既可以采用步控制指令，也可以采用移位寄存器来实现。如果采用步控制指令实现功能，程序清晰明了，分布明显，但程序较长；如果采用移位寄存器实现功能，程序较为复杂，但程序比较简明，而且系统的循环过程更好一些。综合上述两种情况，本次设计选择移位寄存器来实现顺序控制过程。3.3 PLC选型及I/O地址分配（1）输入信号启动按钮和停止按钮需要两个输入端子；物料盘和传送带物料检测信号：用光电开关作检测元件，需要两个输入端子；手指抓紧检测信号：同样用光电开关检测元件，需要一个输入端子；物料台限位开关：上升和下降，需要两个输入端子；机械手臂限位开关：上升，下降，左旋和右旋，需要四个输入端子；机械手工作方式选择开关：有手动、单步、单周期和连续四种工作方式，需要四个输入端子；机械手手动方式动作选择开关：有上升/下降，左旋/右旋，抓紧和放松三个，需要三个输入端子；金属和非金属检测信号：用电感传感器和电容传感器分别作检测元件，需要两个输入端子。以上共需要20个输入信号。（2）输出信号 PLC的输出用于控制机械手的下降、上升、右旋、左旋、抓/放，共需要5个输出点；物料盘驱动电机、上料单向电磁驱动和传送带驱动电机，共需要三个输出点；送料指示、机械手指抓紧和放松指示，共需要三个输出点；分拣金属和非金属的推杆驱动，需要两个输出点。以上共需要有13个输出点。由于该系统的控制属于开关量控制，在功能上未提出特殊要求，因此任何型号的小型PLC均可满足要求。根据所需的I/O总点数并留有一定的备用量，可选用欧姆龙系列的40点型CPM1A型，其输入有24点，输出有16点。PLC的输入输出端子分配表，如表3-1所示。其外部接线图见附录一。表3-1 PLC输入输出分配表输 入输 出启动按钮SB000000物料盘驱动电机接触器KM120000停止按钮SB100001上料单向电磁阀驱动线圈KM320002手指抓紧检测开关LS100002送料指示灯L20003手臂左旋限位开关LS200003手臂左旋电磁阀线圈YV101000手臂右旋限位开关LS300004手臂右旋电磁阀线圈YV201001手臂上升限位开关LS400005手臂上升电磁阀线圈YV301002手臂下降限位开关LS500006手臂下降电磁阀线圈YV401003物料盘光电开关PS100007手指抓/放电磁阀线圈YV501004传送带光电开关PS200008传送带驱动电机接触器KM220001物料台上升限位开关LS600100推杆1（金属）驱动线圈KM420004物料台下降限位开关LS700101推杆2（非金属）驱动线圈KM520005电感传感器LS800102夹紧指示灯01005电容传感器LS900103放松指示灯01006单步方式00104单周期方式00105连续方式00106手动方式00107上升/下降选择00009左旋/右旋选择00010抓紧/放松选择000113.4 PLC控制系统的设计3.4.1 送料机构PLC控制系统的设计机械手自动分拣装置的第一部分是送料机构，它是负责所有将所有的物料在放料转盘的转动下，逐个通过物料滑槽，等待提升气缸从提升台向上运送。送料机构主要由放料转盘，物料滑槽和提升台三部分组成。在物料下滑到指定位置处用光电漫反射型传感器进行物料检测，主要是为PLC提供一个输入信号。如果有物料在提升台上，就会驱动提升气缸提升物料；如果运行中，光电传感器没有检测到物料并保持一定的时间后，让系统停机然后报警。提升台采用的是上料气缸进行动作，而上料气缸使用的是单向电控气阀。当电控气阀得电，物料提升台上升，当电控气阀断电，则物料提升台下降。在进行程序设计之前，先画出送料的控制流程图，如图3.3所示。送料机构的简单程序梯形图见附录二。其功能分析如下。（1）按下启动按钮SB0，保持继电器保持信号，驱动电机线圈200.00通电，转盘旋转，开始送料；（2）当物料检测开关检测到有物料下滑到指定位置时，上料单向电磁阀驱动线圈200.02通电，气缸动作；（3）当物料检测开关没有检测到有物料下滑到指定位置15s后，转盘停止旋转，并将保持继电器复位，系统停止运行；（4）用一个送料指示灯来显示送料过程的运行，在正常运行时指示灯亮，正常停止时指示灯灭，故障运行时指示灯闪烁。图3.3 送料的控制流程图3.4.2 机械手PLC控制系统的设计机械手分拣装置的搬运机构能完成三个自由度动作，手臂上升下降、手臂左右旋转、手爪紧松。主要由两个双向电控气阀和一个单向电控气阀来控制手臂手指的动作。在进行程序设计之前，先画出机械手的控制流程图，如图3.4所示。在流程图中，能清楚地看到机械手每一步的动作内容及步间的转换关系。根据流程图，设计出应用程序的总体方案如图3.5所示。把整个程序分成两大块，即手动和自动两部分。当开关拨到手动方式时，输入点1.07位ON，其常开触点接通，开始执行手动程序；当选择开关拨到单步、单周期或连续方式时，输入点1.07断开，其常闭触点闭合，开始执行自动程序。至于执行自动方式的哪一种，则取决于方式选择开关是在单步、单周期还是连续的位置上。图3.4 机械手的自动运行控制流程图手动程序自动程序图3.5 程序的总体方案根据要求设计的手动控制程序的梯形图见附录三，此时工作方式选择开关是拨在手动位置上的，对其功能有如下分析。（1）上升/下降的控制（工作方式选择开关拨在手动位）手动控制机械手的升/降、左/右旋、物料的夹紧/放松操作，是通过方式开关、启动和停止按钮的配合来完成的。欲进行机械手上升/下降操作时，要把动作选择开关拨在升/降位。使0.09接通。下降操作：按下启动按钮时，输入点0.00接通，则10.03（下降电磁阀线圈）接通使机械手下将，松开按钮则机械手停。当按住启动按钮不放时，机械手下降到位压动下限位开关0.06时自停。上升操作：按下停止按钮时输入点0.01接通，则10.02（上升电磁阀线圈）接通使机械手上升，松开按钮时机械手停。当按住停止按钮不放时，机械手上升到位压动上限位开关0.05后自停。（2）夹紧/放松控制（工作方式选择开关拨在手动位）只有机械手停在左或右工作位且下限位开关0.06受压（其常开触点接通）时，夹紧/放松操作才能进行。要把动作选择开关拨在夹紧/放松位，使其输入点0.11接通。若机械手停在左工作位且此时有物料时，当按住启动按钮时有如下动作：其一，10.04被置位，机械手开始夹紧物料；其二，10.05位ON，夹紧动作指示灯亮，表示正在进行夹紧的动作；其三，TIM003开始夹紧定时。当定时时间到且夹紧动作指示灯灭时，方可松开按钮。此时10.04仍保持接通状态，TIM003被复位。若机械手停在右工作位且夹有物料时，当按住停止按钮时有如下动作：其一，10.04被复位，机械手开始放松物料；其二，10.06位ON使放松动作指示灯亮，表示正在进行放松的动作；其三，TIM004开始放松定时。当定时时间到且放松动作指示灯灭时，方可松开按钮。此时10.04仍保持断开状态，TIM004被复位。（3）左旋/右旋控制（工作方式选择开关拨在手动位）把动作选择开关拨到左旋/右旋位，使输入点0.10接通。右旋的操作：按住启动按钮0.00,10.01（右旋电磁阀线圈）得电使机械手右旋，松开按钮则机械手停。当按住启动按钮不动时，机械手右旋，右旋到位压动右限位开关0.04时自停。左旋的操作：按住停止按钮0.01,10.00（左旋电磁阀线圈）得电使机械手左旋，松开按钮则机械手停。当按住停止按钮不动时，机械手左旋，左旋到位压动左限位开关0.03时自停。根据要求设计的自动控制程序的梯形图见附录四，对其功能有如下分析。（1）连续运行方式的控制（工作方式选择开关拨到连续位上）连续运行方式的启动须从原位开始。如果机械手没在原位，要用手动操作让机械手返回原位才可以运行。 方式选择开关拨在连续位且输入点1.06接通，使KEEP2.00置位，且使SFT得移位脉冲输入端接通。移位寄存通道201是由停止按钮0.01进行复位的。由于机械手在原位，上限位开关和左限位开关受压，常开触点0.05和0.03都闭合，因此按一下启动按钮，则向移位寄存器发出第一个移位脉冲。第一次移位使201.00位“1”，当物料光电传感器检测到有物料时，即0.07变为ON，从而使10.03为ON，自此机械手开始下降，且0.05和0.03均变为OFF。当机械手下降至左工位并压动下限开关时，0.06的常开触点闭合，于是移位寄存器移位一次。由于机械手离开了原位，且串联在移位输入端的常开触点0.00、0.05和0.03都是断开的，所以这次移位使201.00变为“0”，而201.01变为“1”。201.01为“1”的作用是：使HR0.00置位，10.04为ON，物料夹紧动作开始；使加紧指示灯亮；使夹紧定时器TIM000开始定时。当定时时间到（即夹紧到位）时，加紧指示灯灭，而移位寄存器又移位一次，使201.01变为“0”。而201.02变为“1”。201.02为“1”使10.02为ON，自此机械手开始上升。当机械手上升到原位时压动上限位开关0.05，使10.02断电，上升动作停止，同时移位寄存器又移位一次，使201.02变为“0”，而201.03变为“1”。201.03为“1”使10.01为ON，自此机械手开始右旋。当机械手向右旋至压动右限位开关0.04时，使10.01断电，右旋停止，同时移位寄存器又移位一次，使201.03变为“0”，而201.04变为“1”。201.04为“1”时，若检测到右工位没有物料，且传送带上的光电开关常闭触点0.08接通时，使10.03再次为ON，自此机械手开始下降。当机械手下降到右工位压动下限位开关0.06时，10.03断电，下降动作停止，同时移位寄存器又移位一次，使201.04变为“0”，而201.05变为“1”。若检测到右工位有工件，使常闭触点0.08断开时，则机械手停在右上方不动。只有拿掉右工位的物料，机械手才开始下降。201.05为“1”的作用是：使HR0.00和10.04复位，物料放松动作开始；使放松动作指示灯亮；放松定时器TIM001开始定时。当定时时间到（即放松到位）时，放松指示灯灭，而移位寄存器又移位一次，使201.05变为“0”，201.06变为“1”。201.06为“1”使10.02再次为ON，自此机械手开始上升。当机械手上升至压动上限位开关0.05时，10.02断电，上升动作停止，同时移位寄存器又移位一次，使201.06变为“0”，而201.07变为“1”。201.07为“1”使10.00为ON，自此机械手开始左旋。当机械手左旋到位时，压动左限位开关0.03,10.00断电。左旋停止，移位寄存器又移位一次。由于201.07和KEEP2.00一直为ON，所以SFT的数据输入端为“1”。这样，本次移位使201.00又变为“1”，随之开始了下一个周期的运行。（2）单周期运行方式的控制（方式选择开关拨在单周期位）方式选择开关拨在单周期位时使1.05接通，其常开触点闭合使KEEP2.00被复位，所以当机械手运行到一个循环的最后一步结束，且201.07和左限位0.03为ON，因KEEP2.00已断开而使SFT得数据输入为“0”，不能使201.00再置位，因此只能在一个周期结束时停止运行，要想进入下一个周期的运行，必须再按一次启动按钮。（3）单步运行方式的控制（方式选择开关拨在单步位）单步方式时，SFT的移位输入端是常开触点0.00和1.04的串联，所以按一次启动按钮发出一个移位脉冲，机械手只完成一步的动作就停止。例如，当201.00接通机械手下降到位时，0.06被接通，但此时若不再按一下启动按钮，则移位信号不能送到SFT的移位输入端，因此机械手只能在一步结束时停止运行。方式选择开关拨在单步位，1.04接通，其常开触点闭合，使KEEP2.00被置位。当机械手运行到一个循环的最后一步结束（即201.07和0.03为ON）时，由于移位输入端的201.07和KEEP2.00接通，因此若再按一次启动按钮能使201.00再置位，即进入下一个周期的第一步。（4）自动方式下误操作的禁止连续、单周期、单步都属于自动方式的运行。为了防止误操作，本设计编写了相应的程序段，其原理是：在自动运行过程中，由于10.0010.06及0.08中总有一个为ON，使210.00总为ON。常开触点0.00和常闭触点210.00串联在移位寄存器的移位脉冲输入端，在自动方式第一次按启动按钮后，10.03即为ON，且使210.00为ON，其常开触点210.00即断开，此后再按启动按钮，移位脉冲也不会送达SFT的CP端。同理，其他各步也能保证210.00为ON，所以启动后，误按操作启动按钮不会造成误动作。在使用移位寄存器时，如果移位脉冲是通过启动按钮输入的，就要考虑误操作的问题。因为误按启动按钮是难免的，这个问题没处理好，容易发生失控现象。（5）手动和自动方式转换时的复位问题由于手动和自动的切换是由JMP/JME指令实现的，当JMP的执行条件由ON变为OFF时，JMP与JME之间的各输出状态保持不变。所以在手动方式与自动方式切换时，一般要进行复位操作，以避免出现错误动作。因为自动运行方式必须是机械手停在原位时才能启动，所以经过手动复位后，使10.0010.06都被复位。在自动运行过程中欲停机，应按一次停止按钮0.01对201通道进行复位，也间接地对10通道复位。在自动运行过程中，若未按停止按钮直接将方式开关拨到手动位201通道中的状态将保持。当手动操作完毕再转到自动状态时，201通道的原状态就会导致误动作。为了防止这种现象的出现，在手动控制程序中采取了复位措施。由于201通道被复位，因此切换时不会出现误动作。3.4.3 传送和分拣机构PLC控制系统的设计 在机械手分拣装置中，物料从送料机构、搬运机构之后，就进入了传送和分拣机构。其主要组成部分如下：传送带光电传感器、电感式传感器、电容式传感器和推杆组成。光电传感器用于检测是否有物料到传送带上，并给PLC一个输入信号；电感式传感器用于检测金属材料；电容式传感器：用于检测非金属材料；推杆则是将物料推入料槽，由双向电控气阀控制。在进行程序设计之前，先画出传动和分拣的控制流程图，如图3.6所示。对传送和分拣机构的简单程序梯形图编制见附录五。其功能分析如下。图3.6 传动和分拣的控制流程图当传送带上的光电传感器PS2检测到有物料后，即常开触点0.08为ON，使线圈200.01为“1”，则马上启动输送电动机，传送带运行；当物料经过推料1的位置，如果电感式传感器动作即常开触点1.02闭合，使线圈200.04为“1”，气缸动作将物料推入到金属料槽中，说明该物料为金属。当物料未被电感式传感器识别时，而被输送到推料2的位置，此时如果电容式传感器动作即常开触点1.03闭合，使线圈200.05为“1”，气缸动作将其推入到塑料料槽中，则说明必定为非金属物料。第四章 系统的MCGS组态设计4.1 MCGS组态的概述MCGS(Monitor and Generated System)是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000 等操作系统。MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。MCGS 具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。4.1.1 MCGS组态软件的系统组成（1）MCGS组态软件的整体结构如图4.1所示。 组态环境：组态生成应用系统 运行环境：解释执行组态结果组态结果数据库图4.1 MCGS的整体结构软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。如图4.2所示。MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序 McgsSet.exe支持，其存放于MCGS录的Program子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg 的工程文件 ， 又称为组态结果数据库 ， 其与MCGS运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为 “ 工程 ” 。MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境