机械手模型的plc控制系统设计

第一章概述111选题背景112控制系统的选择113可编程控制器（PLC）的历史与发展趋势3131可编程控制器PLC的历史3132可编程控制器的发展与趋势414可编程控制器的基本功能和特点4141PLC的基本功能5142PLC的特点5143PLC的分类615可编程控制器的组成和工作原理6151可编程控制器的硬件组成6152可编程控制的软件系统和程序8153可编程控制器的工作原理8第二章机械手自动控制系统设计921系统描述922机械手分选装置及工作方式1223大小球分选系统示意图及操作面板13231机械手大小球分选设备的控制要求14232PLC的外部接线图1524PLC的工序图、梯形图、指令表16241IST指令与程序的组成16242顺序功能（SFC）图16243机械手“梯形图”程序汇总18244指令运用与说明24245PLC编程元件明细表2725操作原理简要说明28第三章调试3031上机调试3032软件与硬件的调试31321软件的调试31322硬件的调试31结束语32致谢33参考文献34ABSTRACT35机械手模型的PLC控制系统设计摘要本设计是研制自动化程度高、工作可靠、稳定的机械手控制系统，使其完成分拣大小球的全自动的机械设计。本文阐述了应用三菱公司的具有高性能价格比的微型可编程控制器FX系列PLC的自动分拣大小球控制系统。该系统充分利用了学习中讲述的可编程控制器（PLC）的多方面的设计知识和方法，再加上步进电机两者巧妙的配合精确的实现了机械手从圆点的上升、伸臂、判断、下降、抓取、摆动、下降、释放还原等一系列的动作完成这一工序。这一控制系统的实现和应用，充分体现了PLC系统在工业现场的应用，以及根据设计和不同的需求改变数据和状况，还可以使其应用的范围更加广泛。由于设计者得知识范围及经验，设计中必有纰漏，给予批评改正。关键词可编程控制器（PLC）机械手分拣大小球自动控制统步进电机第一章概述11选题背景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。随着工业自动化的发展,出现了数控加工中心,它在减轻工人的劳动强度的同时,大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序,通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率低后者因设计复杂,需较多继电器,接线繁杂,易受车体振动干扰,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。可编程序控制器PLC控制的上下料机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力,保证了系统运行的可靠性,降低了维修率,提高了工作效率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、传感器技术计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。在工资水平较低的中国，分拣行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交带来的挑战。随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、分拣流程越来越节约劳动力,可见机械手的大力开展有着很重要的意义。12控制系统的选择从满足机械手自动控制系统的安全性、扩展性、和可靠性、稳定性方面考虑，目前常见的机械自动控制系统，主要有单片机控制、PLC控制、工业控制计算机集中控制以及继电器控制等类型。随着集成芯片技术的不断提高，特别是高档8位、16位单片机的普及，单片机轧管系统由单片计算机及其外围芯片构成机械手自动控制系统系统。其特点是单片机本身小巧、功耗低，实时控制功能强，但是其软、硬件的开发必须借助于开发工具，系统调试困难，不具有自开发能力。工业控制计算机机械手分拣系统有较强的软、硬件支持。利用通用计算机的软、硬件资源来支持机械手自动控制系统系统进行工作，具有自开发能力，有较强的可视能力和数据处理能力，更适合于计算机集中控制系统应用。继电器控制装置是采用硬逻辑的方式，一个继电器线圈的通断将会同时影响该继电器的所有常开常闭触点动作，同触点在控制线路的位置无关。虽然继电器控制不需要很强的软、硬件支持。价格相对便宜，但是性能不稳定精度不高，不具备自动控制功能。PLC是一种新型的具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置。它以微处理器为核心，有机地将微型计算机技术、自动化控制技术及通信技术融为一体。其特点如下一高可靠性1所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离，防止外部高压的窜入。2各输入端均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为1020MS，有效的抑制了高频抗干扰信号。3在PLC电路中设置了“看门狗”电路，能把因干扰而飞走的程序拉回来。4采用性能优良的开关电源。5对采用的器件进行严格的筛选。6良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。7大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。二丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如按钮行程开关接近开关传感器及变送器电磁线圈控制阀直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。三采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。四编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。五安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。使用方便。PLC的结构不仅具有先进的通讯和输入、输出能力，而且其模块化的系统结构、灵活的配置能力，使用户可以灵活组成各种规模和不同要求的控制系统。设计、施工、调试周期短。用PLC完成一项控制工程时，由于其硬、软件齐全，设计和施工可同时进行，缩短了周期。PLC的功能有一逻辑控制二定时控制三计数控制五PID控制六数据控制PLC具有数据处理能力。七通信和联网八其它PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如定位控制模块，CRT模块。易于实现机电一体化。PLC的结构紧凑，体积小，重量轻，可靠性高，抗振防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备内部，制造出机电一体化产品。鉴于PLC的诸多优势，结合机械手自动控制系统的需要，选择日本三菱公司的S7200系列可编程序控制器。SIMATICS7200系列PLC是西门子公司生产的具有高性能价格比的小型可编程控制器，由于它具有控制能力强、体积小、抗干扰能力强等优点而得到广泛的应用。13可编程控制器（PLC）的历史与发展趋势131可编程控制器PLC的历史可编程控制器（PROGREMMABLECONTROLLER,PC）是进几年迅速发展并得广泛应用的新一代工业自动化控制装置。早年的可编程控制器在功能上只能实现逻辑控制，因此被称为可编程顺序逻辑控制器（PROGRAMMABLELOGYCONTROLLER）这时的PLC基本上是（硬）继电器控制装置的替代物，主要用于实现原先由继电器完成的顺序控制、定时、记数等功能。国际电工委员会（IEC）与1987年2月在颁布的可编程控制器标准草案中将其一步定义为“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。20世纪70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨变。美国、日本、德国等一些厂商先后开采用微处理器作为PLC的CPU，这样使PLC的功能大大的增强。20世纪80年代，由于超大规模集成电路技术的发展微处理器价格大幅下跌，使得各种类型的PLC所采用的CPU的档次谱偏提高，一般采用16位和32位的CPU。目前，世界上约有200家PLC生产厂家。其中，美国的（ROCKWELL）、GE，德国的西门子（SIEMEMS）,法国的施耐德（SCHMEIDER）,日本的三菱，欧姆龙（OMRON）还有我国江苏嘉华，他们从只有几十个点（I/O总点数）的微型PLC到上万个点的巨型PLC。可以预见PLC将会是电气控制装置的主要控制元件。132可编程控制器的发展与趋势由于工业生产对自动控制系统的多样性，今后几年的PLC技术将围绕如下几个方面发展。（1）进一步加快CPU的处理速度。全面使用高速CPU芯片和24位、32位、64位RIST芯片；采用新型体系结构，工作方式使扫描和中断并存；各种模块自能化，部分系统程序用门阵列电路固化，这样可以使速度达到NS级。（2）变革操作控制方式。大量使用中断驱动方式，以增加对输入/输出（I/O）的快速反应能力。（3）发展自能化模块。自能化模块主要有通信模块、位置控制模块、数据处理模块与控制模块、数/模（D/A）转换模块、PID控制模块及一些自能化I/O模块。（4）进一步提高可靠性。PLC将在硬件上采用多CPU的容错系统，软件上开发更加高级的诊断程序，以及发展软件的容错技术，增强PLC的自诊断和外部故障检测功能等。在PLC线路中采用隔离技术防止外部高压的窜入；采用滤波技术，可以有效抑制高频干扰信号；还设置了“看门狗”电路，能把因干扰而飞走的程序拉回来，从而起到自动恢复作用。可见PLC实质上是一种面向用户的工业控制专用计算机，它与通用计算机相比有其自身的特点。（1）提供更方便灵活的编程方法，PLC的使用更加的方便。最大特点是采用清晰直观的继电器控制线路演化过来的梯形图作为编程语言，梯形图是面向控制过程，面向操作人员的语言。因此梯形图程序简单易学，易修改，深受电器工作人员的欢迎。（2）PLC的结构和规模将更加两极化更强大和更小巧。更强大是指存储容量更大，I/O点数更多，执行速度更高，智能化程度更强，数据更安全；更小巧是指体积更小，价格更底，但性能更强的微型化PLC。（3）PLC产品更加规范化、标准化将有利于PLC的设计、生产、使用和维护。（4）加强PLC的联网功能。加强PLC与PLC之间，PLC与计算机的联网能力，为实现工厂自动化提供必要的条件。这样可以实现多个系统之间进行数据传送、交换和处理。14可编程控制器的基本功能和特点141PLC的基本功能（1逻辑控制功能逻辑控制功能实际上就是位处理功能，是可编程控制器的最基本的功能之一。PLC设置有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，利用这些指令，根据外部现场（开关、按扭或其他传感器）的状态，按照制定的逻辑进行运算处理后，将结果输出到现场的被控对象（电磁阀、接触器、继电器、指示灯等）。因此PLC中一个逻辑位的状态可以无限次地使用，逻辑关系的修改变更也十分方便。（2）定时控制功能PLC中用户提供使用的定时器，定时器的设定值（定时时间）可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。（3）记数控制功能PLC为用户提供了很多计数器。计数器到某一定值时（设定值），产生一个状态信号，利用该信号实现对某个操作的记数控制。PLC将根据用户用计数器指令指定的计数器对某个控制信号的状态改变次数进行计数，以完成对某个工作过程的计数控制。（4）步进控制功能PLC为用户提供了若干个状态器，可以实现由时间、技术和其他指定逻辑信号为转移条件的步进控制，即在一道工序完成以后，在转移条件满足时，自动进行下一道工序。（5）数据处理功能大部分PLC都有数据处理功能，可实现算术运算、数据传送、数据比较、数据转换、译码等操作。（6）过程控制功能有些PLC具有A/D、D/A转换功能方便地对模拟量的控制调节。（7）通信联网功能有些PLC采用通信技术，可以多台PLC之间的同位链接、PLC与计算机之间的通信等。（8）监控功能PLC设置了较强的监控功能。操作人员利用编程器或监视器可对PLC的运行状态进行监控。利用编程器可以调整定时器、计数器的设定值和当前值，并根据需要改变PLC内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容为调试和维护提供极大的方便。（9）停电记忆功能PLC内部的部分存储器所使用的RAM设置了停电保持器件（如备用电池），以保证断电后这部分存储器中的信息不会丢失。（10）故障诊断功能PLC可对系统组成、某些硬件状态及指令的合法性等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误则自动终止运行。142PLC的特点PLC作为通用工业控制计算机，30年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步，其领域从小到大，实现了单体设备控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越，今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用，主要特点有（1）可靠性高，抗干扰能力强，能适应工厂环境（2）编程简单、直观，可边学边用（3）适应性好，具有柔性（4）功能完善，接口多样（5）易于操作，维护方便（4）体积小、功能强大、用途广143PLC的分类PLC的种类很多，其实现的功能、内存容量、控制规模、外型等方面均存在较大的差异。因此，PLC的分类并没有一个统一的标准，而是按结构形式、控制规、实现的功能大致地分类。A按结构形式分类PLC按硬件的结构形式可以分整体式和模块式。（1）整体式PLC整体式PLC的CPU、存储器、I/O安装在同一机体内（如三菱的FX系列）。这种结构的特点是结构简单、体积小、价格低。适用于嵌入控制设备的内部，常用于单机控制。（2）模块式PLC组合式PLC为总线结构。其总线做成总线板，上面有若干个总线槽，每个总线槽上可安装一个PLC模块，不同的模块实现不同的功能。配置灵活、组装方便、扩展容易。B按I/O点数和功能分类I/O的点数是衡量PLC控制规模的重要参数。因此，按控制规模可分为小型PLC、中型PLC和大型PLC（1）微型PLCI/O点数小于64点（2）小型PLCI/O点数在64256点之间。（3）中型PLCI/O点数在256点512点之间。（4）大型PLCI/O点数在5128192之间。（5）超大型PLC大于8192点C按控制实现的功能分类按照PLC所能实现的功能不同，可以把PLC大致地分为低档PLC、中档PLC和高档PLC三类。15可编程控制器的组成和工作原理151可编程控制器的硬件组成PLC主要有中央处理器（CPU）、存储器（RAM、EPROM）、I/O、电源、扩展接口和编程器接口等几部分组成，其结构图如下图21所示图21（1）CPU模块在PLC系统中，CPU模块相当于人的大脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。（2）I/O模块输入（INPUT）模块和输出（OUTPUT）模块简称I/O模块，他们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用来接受和采集输入信号，数字量输入模块用来接受从按钮、选择开关、数字开关、限位开关、接近开关、光电开关、等数字信号，模拟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。数字量输入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器装置等输出设备，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DC5V，而PLC的输出/输出信号电压信号一般较高，如DC5V和AC220V，可防止从外部引入的尖峰电压和干扰信号可能损坏CPU模块中的元器件或影响PLC的正常工作。I/O模块中，用光电耦合器、小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载，I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。（3）编程装置编程装置用来生成用户程序，并对它进行编辑、检查和修改，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。它体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用来现场调试和维修。使用编程软件可以在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，并可以实现不同的编程语言的相互转换，程序被编译下载到PLC也可以实现远程编程和传送。可以用编程软件设置PLC内部的各种参数，通过通信，可以显示梯形图中的触点和线圈的通断情况，以及运行时PLC内部的各种参数，对于查找故障非常有用。输入板块输出板块CPU板块电源块ACDCRS422编程口36锂电池运RUN停STOPCPU芯片存贮器芯片接触器电磁阀按钮测位开关【PLC内部】24V5V12V方式选择开关关电动机采样运算算刷新新新新【现场开关】（4）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各种直流电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。152可编程控制的软件系统和程序PLC是一种工业控制计算机，不仅有硬件，软件也是必不可少的。在PLC中软件分为两大部分，即系统程序和用户程序。A系统程序是PLC赖以工作的基础，采用汇编语言编写，在PLC出厂时就已固化于ROM型系统程序存储器中，不需要用户干扰。系统程序分为系统监控程序和解释程序。B用户程序又称为应用程序，是用户为完成某一特定任务而利用PLC的编程语言而编制的程序。用户程序通过编程器输入到PLC的用户存储器中，通过PLC的运行而完成这一特定的任务。153可编程控制器的工作原理PLC内部有许多具有不同功能的器件，实际上这些器件是由电子电路和存储器组成的。例如，输入继电器X由输入电路和映像输入触点的存储器组成；输出继电器Y由输出电路和映像输出点的存储器组成；定时器T、记数器C、辅助继电器M、状态器S、数据寄存器D、变址积存器V/Z等都有存储器组成。为了把它们与普通的硬件区分开，通常把上面的器件称为软器件。从工作过程看，只注重器件的功能和器件的名称。如，输入继电器X、输出继电器Y等，而且每个器件都有确定的地址编号，这对编程十分重要。PLC的工作原理可概括为在系统管理程监控下，对I/O集中采样、顺序执行用户程序并将运算结果集中输出的工作过程。与计算机不同的是，计算机一般采用查询等待命令的工序的执行并转到相应子程序。因此，当控制软件发生故障时，会一直等待键盘或I/O命令，可能发生死机现象。而PLC作为专用工业控制机，一般采用扫描用户程序工作方式，系统管理及应用程序的执行全部是以循环扫描方式完成。当软件发生故障时，可以定时执行下一轮扫描，避免了死机现象，因此可靠性更高。第二章机械手自动控制系统设计21系统描述机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工作或操纵工具的自动化装置。而可编程逻辑控制器PLC由于其具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改、易于扩展和维护、环境要求低、体积小巧、安装测试方便等性能在工业控制中有着广泛的应用。根据我们所设计的机械手的驱动部件为步进电机驱动器的特点，我们采用了日本三菱公司生产的FX2N系列控制基本单元模块，用来产生控制脉冲和电平，来控制机械手的运行。2四自由度机械手的结构及运动四自由度机械手为圆柱坐标型，可实现X轴伸缩、Z轴升降、底盘、腕回转功能。驱动全部采用步进电机控制，夹爪采用气动方式控制。机械手主要完成从存货区到指定位置之间的货物分拣传递。1四自由度机械手主要性能指标X轴最大移动距离420MMZ轴最大移动距离420MM底盘回转最小控制转角009，最大回转角小于等于300腕回转最小控制角09，最大回转角小于等于3003机械手的工作原理机械手的伸缩、升降、转盘、抓手的运动是由步进电机来完成的，。其步进电机驱动器的输入脉冲和电平信号是由PLC基本模块来提供的。其电路原理图如图1所示。图1机械手工作的电路原理图1步进电机驱动器本驱动器的输入信号共有3路，分别是步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE。它们在驱动器内部分别通过270的限流电阻接入负输入端，且电路形式完全相同。OPTO端为3路信号的公共正端3路光耦的正端输入，3路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以OPTO端须接外部系统的VCC，如果VCC是5V则可以直接接入如果VCC不是5V则需外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光耦提供815MA的驱动电流。A步进脉冲信号CP步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置和速度，也就是说,驱动器每接受一个CP脉冲就驱动步进电机旋转一个步距角，改变CP脉冲的频率,能改变步进电机的转速，控制CP脉冲的个数，则可以使步进电机精确定位。这样就可以很方便的达到步进电机调速和定位的目的，本驱动器的CP信号为低电平有效，要求CP信号的驱动电流为815MA，对CP的脉冲宽度也有一定的要求，一般不小于5。B方向信号DIR方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向。此信号为高电平时，电机正转为低电平时，电机反转。电机要转向，必须在电机停止以后进行，如图2所示。图2CP的脉冲宽度以及高低电平方式图2方向信号DIR2FX模块的工作原理FX是用于位置控制的智能单元。它可以为步进电机驱动器或伺服电机驱动器提供控制脉冲，以控制运动部件的位置和速度。A性能指标L每个单元可以控制一个轴L输出控制脉冲83886078388606L脉冲速率199990个/SL脉冲速率的变化控制系统可实现阶梯式自动加减速,加速度为每毫秒1999每秒脉冲L原点搜索可监测原点或原点信号也可进行原点补偿09999个脉冲也可高速或接近现有速度搜索原点L间隙补偿09999个脉冲L手动操作可高速点动，低速点动和微动L多点定位可一次定位20点，以15种速度变化B系统配置图5为FX的结构框图。位控单元有自己的微处理器和存储器，还有脉冲发生器和I/O接口。位控单元既可以被PC主CPU单元控制，也可以直接由控制台的外部输入信号控制。一方面它通过总路线及接口电路与PC相连，与主CPU频繁交换信息另一方面又通过I/O连接器接收外部开关量输入及输出脉冲。位控单元根据PC发出的控制指令和接收到的4机械手流程图及FX模块的数据区设置41启动后机械手的流程1首先进行机械手的伸缩、升降、转盘和抓手的重启动和原点搜索2机械手的伸缩臂向前，同时转盘顺时针旋转，一直分别运行到FX模块0中设置的输出脉冲个数时停止3机械手下降，一直到下降到FX模块0中设置的输出脉冲个数时停止4抓手电磁闸启动，抓手抓紧，抓起货物A5机械手的升降进行原点搜索6机械手的伸缩臂向后，同时转盘逆时针旋转，一直分别运行到FX模块1中设置的输出脉冲个数时停止7机械手下降，一直到下降到FX模块1中设置的输出脉冲个数时停止8抓手电磁闸再次启动，抓手放松，货物A放下9再次对机械手的升降进行原点搜索10机械手的伸缩臂、转盘进行原点搜索，全部复位。22机械手分选装置及工作方式机械手选选刚制大小球（见图31），控制面板如图33所示，图31是PLC的外部接线图。输出继电器Y4为ON时刚球被电磁铁吸住，为OFF时释放。PLCL火220VKMY升Y0PLCX1左限K1键X2大右限K2键X3小右限K3键X4上限K键4X5下限K键5X10手动X11回原X12单步X13单周X14多周选K0代自动PLCX15回启P1键X16启P2键X17预停P3键X20手吸P0代X21释X22手升X23降X24手右X25左手动按钮N零COM224VCOM124VKM降Y1KM左行Y3KM右行Y2YA吸持Y4图31工作方式的选择开关的5个位置分别位于5种工作方式之中，操作面板左下部的6个按钮是手动按钮，为了保证在紧急的情况下（包括PLC发生故障时）能可靠地切断PLC电源，设置交流接触器KM见图31，在PLC开始运行时按下负载电源按钮，是KM线圈得电并自锁，KM的主触点接通，给外部负载提供交流电源，出现紧急情况时用“紧急停车”按钮断开负载电源，对于电磁铁吸盘这一类执行机构，在“紧急停车”时如果断开它的电源，它吸住的铁磁物体会掉下来，在某些情况下可能造成事故，是不允许这样处理的。右行和左行是异步电动机控制的，在控制电动机的交流器KM1和KM2的线圈回路中，使用了由它们的常闭触点组成的硬件互锁电路。系统设有手动、单周期、单步、连续和回原点5种工作方式，机械手在最上面、最左边且电磁铁线圈断电时，称为系统处于原点状态（或称为初始状态）。在公用程序中，左线位开关X1、上限位X4的常开触点和表示电磁线圈断电的Y4的常闭点的串联电路接通时，原点条件辅助继电器M5变为ON。如果选择的是单周期工作方式，按下启动按钮X16后，从初始步MO，机械手按顺序功能图的规定完成一个周期的工作后，返回并停留在初始步。如果选择连续工作方式，在初始状态下按下启动按钮后机械手反复连续工作，按下停止按钮并不马上停止工作，完成最后一个周期的工作后，系统才返回并停留在初始步。在单步工作方式，从初始步开始，按下启动按钮，系统转换到下一步，完成该步的任务后，自动停止工作并停留在该步的位置，再按一下启动按钮，才往前走一步。单步工作方式常用于系统的调试。在单周期、连续和单步工作方式之前，系统应处于原点状态，如果不满足这一条件，可选择回原点工作方式，然后按回原点启动按钮X15，使系统自动返回原点状态。在原点状态，顺序功能、图中的初始步M0为ON，为进入单周期、连续和单步工作方式做好准备。23机械手大小球分选系统示意图及操作面板231机械手大小球分选设备的控制要求初始态要求机械手在原点位置（原点状态手臂位于左限位处右限位处手爪释放）各开关在关闭状态，M停转。按下启动按钮，机械手动作，升降杆下件下降并要求机械手此时停留两秒，在机械手吸球和释放球后停留一秒后动作。由SITP判断机械手的工作方（当S01时切换到手动方式、当S11时切换到回原点方式、当S21时切换到自动方式），在由SITL利用M8041来实现单周、多周的运行。当按下预停按钮后，一直要到一个周期完成才能停止，中途不能停止。（要有手动、回原点、单步、单周、多周等5种可选工作方式）。X1左限位Y2右行Y3左行X2大球右限X3小球右限X4上限位X5下限位Y0升Y1降吸头Y4大球小球吸抵小球时X5动作吸抵大球时X5不动作吸图322操作面板工作方式选择开关的5个位置分别位于5种方式，操作面板左下部的6个按钮是手动按钮。图33232PLC的外部接线图图34是PLC的外部接线图，输出继电器Y4为ON时刚球被磁铁吸住，为OFF时被释放，为了保证在紧急情况下（包括PLC发生故障时）能可靠的切断PLC的负载电源，设置了交流接触器KMPLCL火220VKMY升Y0PLCX1左限K1键X2大右限K2键X3小右限K3键X4上限K4键X5下限K5键X10手动X11回原X12单步X13单周X14多周选K0代自动PLCX15回启P1键X1左限K1键X3小右限K3键X3小右限K3键X16启P2键X17预停P3键X20手吸P0代X21释X22手升X23降X24手右X25左手动按钮N零COM224VCOM124VKM降Y1KM1右行Y2KM2左行Y3图34YA吸持Y424PLC的工序图、梯形图、指令表FX系列PLC的状态初始化指令表IST（INITIALSTAATE）的功能指令编号为FNC60，它与STL指令一起使用，专门用来设置具有多种工作方式的控制系统的初始状态和设置有关的特殊辅助继电器的状态，可以大大简化复杂的顺序控制程序的设计工作。IST指令只能使用一次，它应放在程序开始的地方，被它控制的STL电路应放在它的后面。241IST指令与程序的组成初始程序手动程序回原程序S01S11自动程序S215种方式选择X10X14回原完成M8043其它由IST判决S0手动S1回原S2自动图35242顺序功能（SFC）图自动程序待命S2M8044原点降2SS20T0M8041启续吸起1SS21T1升S22X4上限右行S23X2大右限吸起1SS24T1升S25X4上限右行S26X3小右限降S27X5下限释1SS28T2升S29X4上限左行S30X1左限由IST选入S2X5大球X5小球T0T1T1T2图36回原点程序RET步28步9ST2K10秒切S9步RY4释放步步30X4切30步升上限步步21切S2步Y右行右限S步7步X5切8步降下限待命S1X15回启RETY1返上限S10X4上限返左限S11X1左限返释态S12由IST选入S1Y0降升RSTY2右行左行RSTY4释放SETS2S2MMMMMMM8043回原点完成RSTS12S12Y3步10步11S10X4切SETS11步11RSTY1降Y0升步11步12S11X1切SETS12步12RSTY2右行Y3左行步120S12RSTY4释放SETS1M8043回原点完成RSTS12步12S1SETS10步10步1步10X15切RET图37手动程序初态S0SETY4Y0吸升X20手吸X21RSTY4释X22X23X24X25X4上限Y1互Y1降X5Y0互Y2右行X3Y3Y3左行X1Y2SETY4Y0吸升X20手吸X21RSTY4释X22X23X24X25X4上限Y1互Y1降X5Y0互Y2右行X3Y3Y3左行X1Y2S0RET图38243机械手“梯形图”程序汇总初始化程序M8044ISTX10S20S30运行态原点ISTS0S1S2Y4释X1左限X4上限M8000指定X10开始的8路输入为预定功能指定自动各步的起、止号图39IST指令中的S20和S30用来指定在自动操作中的最低和最高的继电器的元件号手动程序SETY4Y0吸升X20手吸X21RSTY4释X22X23X24X25X4上限Y1互Y1降X5Y0互Y2右行X3Y3Y3左行X1Y2S0RET310图手动程序如图310手动操作时用X20X25对应的6个按钮控制钢球的抓紧、放松，和升、降，左行和右行，手动程序用初始状态继电器S0控制，因为手动程序、自动程序（不包括回原点程序）和原点程序都用STL触点驱动，但这三个部分不回同时驱动。自动回原点程序步10步11S10X4切SETS11步11RSTY1降Y0升步11步12S11X1切SETS12步12RSTY2右行Y3左行步120S12RETY4释放SETS1M8043回原点完成RSTS12步12S1SETS10步10步1步10X15切RET图311自动返回原点程序如图311所示，当原点条件满足时，特殊继电器M8044为ON，自动返回原点程序结束手用SET指令将M8043置位为ON并用RST指令将回原点的最后一步S12复位返回到原点程序中S10S19自动程序M8044SETS20步20S2M8041步20步21步22步2步20S20X5下限Y1降T0K202秒T0SETS21步21X5是大T0SETS24步24X5是小步21步22S21T1K101秒T1切SETS22步22SETY4吸起步22步23X4切SETS23步23Y0升X4上限S22步23步24X2切SETS24步24Y2右行X2大右S23步24步25S24T1K101秒T1切SETS25步25SETY4吸起步25步26X4切SETS26步26Y0升X4上限S25步26步27X3切SETS27步27Y2右行X3小右S26RET步28步29S28T2K101秒T2切SETS29步29RSTY4释放步29步30X4切SETS30步30Y0升X4上限S29步30步2X1切SETS2步2Y3右行X1右限S30步27步28X5切SETS28步28Y1降X5下限S27END图312指令表0STLS21LDM80442LDM80413SETS204STLS205LDIX56OUTY17OUTT0K208LDTO9ANIX510SETS2111LDT012ANDX513SETS2414STLS2115SETY416OUTT1K1017LDT118SETS2219STLS2220LDIX421OUTY022LDX423SETS2324STLS2325LDIX226OUTY227LDX228SETS2429STLS2430SETY431OUTT0K1032LDTI33SETS2534STLS2535LDIX436OUTY037LDX438SETS2639STLS2640LDIX341OUTY242LDX343SETS2744STLS2745LDIX546OUTY147LDX548SETS2849RSTY450OUTT2K2051LDT252SETS2953STLS2954LDIX455OUTY056LDX457SETS3058STLS3059LDIX160OUTY361LDX162SETS263RET64END用STL指令设计的自动程序的顺序如图所示特殊辅助继电器M8041（转换启动）M8044（原点条件）是从自动程序的初始步S2转换到下一步S20的转换条件自动程序的梯形图见312使用STL指令后，系统的自动、手动、单周、单步、回原点、多周等几种工作方式的切换系统程序是系统自动完成的，安排IST指令中的控制工作方式用的是输入继电器X10X17的元件顺序，工作方式的切换是通过特殊辅助继电器M8040M8042实现的IST指令自动驱动M8042。244指令运用与说明指令编号指令符号编程元件名指令运用的说明0LDX001取常开X0011ANDX004串常开X0042ANIY004串线圈Y0043OUTM8044检出机械原点时动作5LDM8000取继电器（RUN监控）6ISTX10S20S30状态初始化13STLS0步进指令（切换条件满足时就从上一状态转移到下一状态，而上一状态自动复位）14LDX020取常开X02015SETY004置位（置1）16LDX021取常开X02117RSTY004复位（清0）18LDX022取常开X02219ANIX004串常闭X00420ANIY001串线圈Y00121OUTY001连线圈Y00122LDX023取常开X02323ANIX005串常闭X00524ANIY000串线圈Y00025OUTY001连线圈Y00126LDX024取常开X02427ANIX003串常闭X00328ANIY003串线圈Y00329OUTY002连线圈Y00230LDX025取常开X02531ANIX001串常闭X00132ANIY002串线圈Y00233OUTY003连线圈Y00334STLS1步进指令（同上STL作用相同）35LDX015取常开X01536SETS10置位指令（S10置位“1态”）37STLS10步进指令（同上STL作用相同）38RSTY001复位指令（Y001为“0态”）39OUTY000连线圈Y00040LDX004取常开X00441SETS11置位指令（S11置位“1态”）42STLS11步进指令（同上STL作用相同）43RSTY002复位指令（Y002为“0态”）44OUTY003连线圈Y003指令编号指令符号编程元件名指令运用的说明45LDX001取常开X00146SETS12置位指令（S12置位“1态”）47STLS12步进指令（同上STL作用相同）48RSTY004复位指令（Y004为“0态”）49SETM8034置位指令50RSTS12复位指令（S12为“0态”）51OUTRET连线圈（步母完）52STLS2步进指令（同上STL作用相同）53LDM8044取指令（检出机械原点时动作）54ANDM8041串辅助继电器（状态转移开始）55SETS20置位指令（S20置位“1态”）56STLS20步进指令（同上STL作用相同）57LDIX005取常闭点X00558OUTY001连线圈Y00159LDT0取时间继电器T060ANIX005步进指令（同上STL作用相同）61SETS21置位指令（S21置位“1态”）62LDT0取时间继电器T063ANDX005串常闭X00564SETS24置位指令（S24置为“1态”）65STLS21置位指令（S21置位“1态”）66SETY004置位指令（Y004置为“1态”）67OUTT1K10连时间继电器（T1定时为1）68LDT1取时间继电器T169SETS22置位指令（S22置位“1态”）70STLS22步进指令（同上STL作用相同）71LDIX004步进指令（同上STL作用相同）72OUTY000串线圈Y00073LDX002取常开点X00274SETS23置位指令（S23置位“1态”）75STLS23步进指令（同上STL作用相同）76LDIX002取常闭点X00277LDX002取常开点X00278SETS27置位指令（S27为“1态”）79STLS24步进指令（同上STL作用相同）80SETY004置位指令（Y004置为“1态”）81OUTT1K10连时间继电器（T1定时为1）82LDT1取时间继电器T183SETS25置位（S25置为“1态”）84STLS25步进指令（同上STL作用相同）85LDIX004取常闭X004指令编号指令符号编程元件名指令运用的说明86OUTY000串线圈Y00087LDX00488SETS26置位指令89STLS26步进指令（同上STL作用相同）90LDIX003取常闭点X00391OUTY002连线圈Y00292LDX003取常开点X00393SETS27置位指令94STLS27步进指令（同上STL作用相同）95LDIX005取常闭点96OUTY001连线圈97LDX005取常开点X00598SETS28置位指令（S28为“1态”）99STLS28步进指令（同上STL作用相同）100RSTY004复位指令（Y004为“0态”）101OUTT2K10连时间继电器（T2定时1秒）102LDT2取T2103SETS29置位指令104STLS29步进指令（同上STL作用相同）105LDIX004取常闭X004106OUTY000连线圈Y000107LDX004取常开X004108SETS30置位指令（S30置位为“1态”）109STLS30步进指令（同上STL作用相同）110LDIX001取常闭X001111OUTY003连线圈Y003112LDX001取常开X001113SETS2S2置位114RET步母完115END程序完245PLC编程元件明细表编程元件名称各编程元件的功能X1左限位X2大球右限位X3小球右限位X4上限位X5下限位X10手动工作方式X11按下此按钮机械手就自动回原点X1214自动加工方式、X12单步、X13单周、X14多周X15回启动按钮X16按下此按钮机械运行输入继电器XX17预停按钮Y0控制升降杆上升Y1KM控制升降杆下降输出继电器YY2KM1控制升降杆右行Y3KM2控制升降杆左行Y4吸头抓起吸起大小球M8000RUN监控常开触点M8040M8040置NO时禁止状态转移M8041状态转移开始M8043回原点完成辅助继电器（M）M8044检出机械原点时动作S0S09均为初始状态器状态器SS2030用于存放步的状态步2030T0T0定时K202秒T1T1定时K101秒定时器TT2T2定时K101秒注此编程元件表只限于此次课题设计所涉及的元件25操作原理简要说明机械手有手动、单周期、多周期和回原点五种工作方式，机械手在最上面、最左边且电磁铁线圈断电，称为系统处于原点状态（或称初始状态）。在用户程序中，左限位开关X1，上限位开关X4的常开触点和表示电磁铁线圈断电的Y4的常闭触点的串联电路接通时，“原点条件”辅助继电器S1变为NO。在通过初始化指令IST利用辅助继电器M8041/M8040来决定机械手的工作方式（当S01时，用户程序执行手动程序；当S11时，用户程序执行回原点程序；当S21时，用户程序执行自动程序）。在单周期工作方式下，按下启动按钮X16后，（初始化指令IST使M8040清0就是永久解禁0）从初始步S0开始机械手按顺序功能图的规定完成一个周期的工作后，返回并停留在初始步。在多周期工作方式下，在初始状态按下启动按钮后，机械手从初始步开始一个接一个周期地反复连续的工作。在按下停止按钮并不马上停止工作，完成最后一个周期的工作后，系统才返回并停留在初始步。在单步工作方式下，从初始步开始，按一下启动按钮系统转换到下一步完成该步的任务后，自动停止工作并停留在该步，再按一下启动按钮才转到下一步。单步工作方式常用于系统的调试。在选择单周期，多周期和单步工作方式之前，系统应处于原点状态，如果不满足这一条件，可选择回原点工作方式（让机械手在左限位X1，在做实验时用K1来代替，而机械手臂上限位X4由K4来代替，然后按下回原点启动按钮X15，使系统自动回原点状态，即使程序中的辅助继电器M8043变为1态。机械手的一个工作周期（动作顺序）为下降、吸球、上升、右行、下降、释放、上升、左行返回。当机械手在原点状态时，按下启动按钮，机械手下降到为达下限位X5时，X5处于断电状态，电磁铁头通电吸起大球，然后机械手上升，上升到上限位X4时，机械手臂右行。当右行到大球右限位X2时，机械手下降，下降到下限位X5时电磁铁断电，释放大球，大球被放入大球容器。然后回到原点。当机械手在原点时，按下启动按钮，机械手下降到为达下限位X5时，X5接通，电磁铁通电吸起小球，机械手上升，上升到上限位X4时，机械受臂右行，当右行到小球右限位X3时机械手下降，下降到下限位X5时，电磁铁断电释放小球到小球容器。然后回到原点位置，机械手分选大小球动作完成。第三章调试31上机调试（1）调试的目的首先熟悉和掌握“PLC大小球分选系统”的“5种工作方式”及实践步骤。其次熟悉PLC编程软件/及编程器的使用方法。最后学会PLC3型实验台的使用方法。（2）使用的实验器材PLC3型可编程控制器实验台PLC大型演示面板“计算机和PLC编程软件”/及FX20PE编程器编程电缆连接导线（3）调试步骤A预备阶段在接线时负载设备要处在断电状态设备线要接触良好将设计好的程序输入到计算机中打开PLC的电源将程序写到PLC将负载通上电B调试阶段按下K1、K4、P1等开关和按钮时，机械手是否回到原点位置。按下启动按钮X16时，机械手是否按照用户要求的工作方进行（手动、单周、单步、多周、回原点）等动作。在按下急停按钮时是否在完成最后一个周期的工作后，系统才返回并停留在初始步。32软件与硬件的调试321软件的调试调试顺序控制程序的主要任务是检查程序的运行是否符合顺序功能图的规定，即在某一转换实现时，是否发生的活动状态的正确的变化，该转换所有的前几步是否变为不活