基于PLC的机械手动作监控系统设计

1、基于PLC的机械手动作监控系统设计摘 要工业生产随着科学技术的发展而发展，工业生产上机电一体化的应用越来越多，机械设备中的自动控制成分越来越重要。由于有些工人在工作的时候经常受到高温、低温或有害气体的危害，甚至危及生命。这些工作不得不用机器代替，因此机械手就诞生了。机械手是机器人的关键部件，在自动化车间中可以运送物料和工艺的操作。机械手通过可编程控制器的编程，按照控制要求完成各种规定的动作,可以提高加工精度、提高生产效率、降低成本。本文根据PLC的工业控制和计算机监控的相关理论，按照工业机械手动作的控制要求，完成了其运动控制的设计以及组态监控系统的设计，对控制系统的各个流程即总体结构、控制流程

2、以及构成系统模块进行了研究。本次设计采用的可编程控制器为：S7-200系列。关键词：机械手，PLC，监控 Design of manipulatormotioncontrol system based on PLCABSTRACTIndustrial production develops with the development of science and technology. As a result, the application of mechanotronics can be found more and more easily in industrial production.

3、 Besides, the automatic control components also become increasingly important. It is a fact that some workers are always suffered from the high temperatures, low temperatures and even some harmful gases. These factors may even do great harm to their lives. This kind of work must be done by machines

4、so that the machine hand is produced. The machine hand is the key component of the robot. It can deliver the material and operate the machine during the industrial production. The machine hand is controlled by programmable controller and does the actions according the orders which it has accepted. I

5、t can improve the accuracy, increase the productivity and reduce the costs.Based on the theory of industrial control and computer monitoring of the PLC and the control requirements of industrial robot movement, the design and configuration of the monitoring system design of its motion control, proce

6、ss control systems for the individual are completed. The overall structure of the control process and constitute system modules were studied at the same time. The programmable controller which the design uses is: S7-200.KEY WORDS: Manipulator, PLC, Monitor目录前言1第1章 绪论31.1 机械手的概述31.2 国内外机械手的发展31.2.1机械

7、手发展31.2.2机械手的分类41.3 可编程控制器（PLC）61.3.1可编程逻辑控制器介绍61.3.2可编程逻辑控制器的发展过程61.3.3 PLC硬件系统组成61.3.4 PLC工作原理71.4 课题研究的意义7第2章 系统的硬件设计92.1控制要求92.2主电路设计92.3硬件的选型102.3.1 PLC的选型102.3.2限位开关122.3.3开关按钮122.3.4电气元件明细表122.4 I/O分配表及其端子接线图132.4.1 I/O分配表132.4.2 PLC的外部接线图13第3章 系统软件设计143.1 工作流程图143.2 顺序功能图143.3 梯形图173.4 编程软件2

8、13.4.1 STEP7Micro/WIN32简介213.4.2 STEP7Micro/WIN32使用23第4章 组态254.1组态的介绍254.1.1 组态概述254.1.2 组态发展、功能和特点254.2组态画面设计264.2.1组态的画面264.2.2设备和变量的定义304.2.3动画连接324.3组态程序33第5章 硬软件调试345.1程序调试345.2组态演示35结论39谢 辞40参考文献41外文资料翻译43前言机械手动作监控系统是由美国最先开始研究的。美国戴沃尔在1954年第一个提出工业机器人的概念的科研者，并且申请了机器人专利1。工业机器人概念的提出促使了世界各地研究机构对机械手

9、监控系统进行研究。其中欧美、日本、中国最为突出。欧美和日本是发展最早，技术和设备相对比较完善。中国机械手监控系统开始主要是购买国外，在他们的基础上进行研究发展，但近些由于在研究方面投入比较多，我们在机械手的开发研究上可以说是有了很大的突破。现在我们自己开发的机械手监控系统已相对成熟，在价格方面也比较经济。机械手期初是采用继电器逻辑线路控制的，由此造成了机械控制柜体型较大，结构相对复杂，机械手的运动带动了继电器运动从而造成了继电器工作控制不稳定，机械手容易出现不易控制。单片机的发展与引入到机械手的控制中，使机械手在运动控制中相对稳定，但是单片机控制机械手对工作人员要求比较高，并且周期较长，投入高

10、，在一些比较繁琐的控制系统中抗干扰能力也不够高。现在，工业自动化控制方式主要采用三种实用性比较好的控制方式：（1）可编程序逻辑控制器（PLC）；（2）集散控制系统（DCS）；（3）工业控制计算机（IPC）；可编程逻辑控制器（PLC）主要应用于工业生产中的控制，它由继电器逻辑系统演变而来，在工业顺序控制上替代继电器控制系统。计算机系统能够快速、精确的处理数据。由于计算机系统硬件结构具有很强的兼容性、很高的标准化程度、内部软件丰富和具有可以实时操作的系统等特点，所以工业控制计算机主要广泛应用在对工作量大、速度要求高、复杂的模型结构的工业对象的控制。集散控制系统（DCS）在工业自动化仪表控制系统基础

11、上发展为以工业计算机为中心的集散系统。集散控制系统在模拟数据处理，回路调节功能方面有很大的优势2。所以应用比较广泛。随着科学技术的研究与发展，计算机技术、微电子技术、集成电路和通信技术被引用到PLC系统中，使得PLC在控制系统中占有很大的优势。工厂自动化应用PLC使其硬件配置、软件编程都得到了很大的发展，加快了工业自动化的进程3。PLC智能化让我们跟上了时间的进步，现实的工厂的数字化控制和监控。减少了人力、物力只需要在计算机控制监控界面就能很直观的观察设备的运行，并且我们可以根据实际的控制需要修改控制程序，达到我们所需要的控制要求。第1章 绪论1.1 机械手的概述工业机械手模仿人来进行一些动作

12、，它主要包括操作装置、控制装置、伺服驱动系统和位置检测传感装置。目前在工业生产线中应用较多，可以实现代替工人做一些人为不易或者操作环境不安全的工业场景中。机械手被广泛应用不仅仅是其操作性，更重要的是其控制程序可以人为的修改，根据控制的需要，可以随意的修改控制程序，达到工业生产线的需要。虽然机械手动作操作没有人手那么灵活多变，但是它能够在不间断的、连续的重复操作一个动作而没有疲劳的感觉，在提取重物的力量比人力要大很多。因此，机械手在被引入到工业初期就受到了很多部门和工厂的重视，并且更多的科研人员和企业加入到了对机械手的研究和制造。它将会在未来工业生产和非工业界中得到很广泛的应用并扮演着很重要的角

13、色，也将会成为未来先进制造技术领域的领头者，在现现代工业自动化中，机械手主要执行一些高难度的操作，既提高了工业生产效率和产品的质量，也减少了工人的工作量、降低了劳动强度。现代生产工艺较复杂，产品质量要求较高，在一些恶劣的成产条件下如气压、温度、气体对工业生产者没有安全性保证的环境下机械手成了最好的使用工具，它能代替工人，使生产线中的工作正常运行4。1.2 国内外机械手的发展1.2.1机械手发展上世纪50年代初，美国首先研制工业机械手。1958年世界上第一台机械手问世，它是由美国联合控制公司科研部和机械生产部联合组装而成。机构也比较简单：在机械体上安装一条可以转动的长臂，在长臂的端部安装了一个可

14、以抓取物体的类似钳子的机构，最初的控制系统也比较简单，采用的是示教型的控制系统。1962年，美国机械铸造公司在第一代机械手的基础之上试制出一台数控示教再现型机械手。在1978年美国Unimate公司联合斯坦福大学、麻省理工学院研制出一种装有小型电子计算机的Unimate-Vic-arm型工业机械手。自机械手面世之后，它在全世界得到了广泛发展。这些年来机械手的发展大致可以分为三代。目前，第一代机械手应用比较广泛，它主要依靠人工进行控制；在运行过程中精确度不高，稳定性也不能达到工业生产的需要，并且制造价格相对比较昂贵。第二代机械手在机械手内部装有微型计算机控制系统。它能够感应部分外界的变化，可以对

15、自身的控制系统进行检测和修正。第三代机械手的设计更具有人性化，它独立的完成使用者对其的控制要求，而且还能对一些复杂的检测信息进行精确的处理，可以说是有类似于人部分能力的智能化机械手5。国内目前在一些机械手方面研究和使用还不算广泛，我国知识基本掌握了一些简单机械手的设计和制造，只能控制机械手进行一些简单的动作操作。工业上很多高端的机械手设备都是引进国外的先进技术。随着科技的进步和工业生产的需要我国的机械手发展肯定会走向一个新的台阶，能够独立的生产和控制一些高端的机械手用于自动化工业的生产和制造。在机械手方面有我们独立的一片天地。1.2.2机械手的分类机械手主要组成单位有执行机构、驱动系统、控制系

16、统以及位置检测装置。各单位相互之间的关系如方框图1-1所示6。图1-1机械手组成1. 执行机构（1）手部：既直接与工件接触的部分，分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的电磁吸盘和空气吸盘。（2）腕部：连接机械手抓手和臂部的部件，类似于人的手腕一样，可以使机械手抓手灵活的移动和转动抓取物件。在机械手设计上是控制机械手灵活运动最主要的部件，在实际操作中具有很强的使用性。（3）臂部：模仿人的手臂、手腕和手功能的机械装置，它可以根据程序的设计带动工件的灵活移动。2. 驱动机构根据设计要求的不同和现实生产中的实际需要，机械手的驱动机构分为四大类：液压、气压、电气和机械驱动。在工业使用中液压和气

17、压使用较多，如表1-1所示。表1-1 驱动机构分类液压驱动结构紧凑、动作稳定、抓举能力强 易造成环境污染气压驱动布局简单、动作敏捷、抓举能力较低电气驱动电源方便、反应迅速、操作灵活、精确机械驱动动作可靠、成本低、作业效率高、不易调整3. 控制系统机械手的控制方式分为点动控制和连续控制，在控制过程采用的是可编程控制器控制或计算机控制，点位控制主要采用插销板控制坐标位置，并且控制其加速的特性，程序的记录主要采用的方式有凸轮、穿孔卡和磁带。4. 位置检测装置机械手的位置检测单元主要为了保证机械手运行的稳定性，保证机械手能长时间、重复性的工作。具体操作是：机械手内部检测结构对机械手运动的位置进行检测分

18、析反馈给控制系统，在控制系统中检测值与实际设定值进行比较，通过控制系统调节对机械手的动作进行修改控制从而达到精确移动。1.3 可编程控制器（PLC）1.3.1可编程逻辑控制器介绍可编程逻辑控制器（PLC）是一种可执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作指令的具有计算机功能的电子装置。通过数字式或模拟式的输入和输出，能够对工业自动化生产过程进行稳定的控制7。PLC具有大规模、高速度、高性能、高可靠性、抗干扰能力强、编程简单直观、控制功能强、易于安装和维护等优点，从而使PLC快速步入产品系列化。PLC已广泛用于工业生产的各个行业，成为当代电控装置的主导。由于其价格越来越低、功能越来越强，

19、使其应用越来越广泛，其功能强大不仅能够对开关量进行逻辑控制，还能够实现运动过程的控制，在数据处理与通信连接方面也比较方便。1.3.2可编程逻辑控制器的发展过程可编程逻辑控制器是在继电器控制基础上，根据自动化控制工业发展 的需要发展而来的。可编程控制器发展，如表1-2所示8。表1-2 可编程控制器的发展过程代次器件功能特点应用范围第一代196919721位微处理器逻辑运算、定时、计数替代传统的继电控制第二代197319758位微处理器及存储器传送数据、比较数据、模拟量运算同时完成逻辑、模拟控制第三代19761983高性能8位微处理器处理速度高、功能强大、联网通信发展控制系统及联网通信第四代198

20、3至今16位、32位微处理器逻辑、运动、数据处理、联网功能分级网络控制1.3.3 PLC硬件系统组成 PLC硬件系统由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O接口）、电源4部分组成，其硬件系统组成，如图1-2所示9。图1-2 PLC硬件组成1.3.4 PLC工作原理PLC可以说是一种工业控制计算机，它的工作原理是建立在计算机的工作原理之上的，但是它的抗干扰能力很强，防范的适应能力和应用范围。这成为了它优异于微机控制系统的一个重要特点。PLC采用的是循环扫描的工作方式，CPU从第一个指令开始运行，按照程序顺序逐步的运行，然后返回第一条指令开始下周期的扫描10。具体地

21、讲，PLC工作的全过程分为3个部分5个阶段。如图1-3所示。1.4 课题研究的意义近几年，计算机技术和可编程逻辑控制器（PLC）的发展带动自动化工业生产的发展。机械手结合了控制系统和智能化系统能够很实用的应用到工业生产中，它在工业生产中所表现出来的优势正在逐渐的被人们看重。在一些生产环境恶劣人为不容易去操作的生产线上，机械手就扮演了很重要的角色。第一，它能够代替劳动者参与工业生产线的生产与加工。第二，它能够全天不间断的工作提高生产效率和保证产品的质量。 工业机械手的广泛应用带动了控制系统的发展。可编程控制器利用计算机技术、自动控制技术和通信技术保证了生产线的可靠性和生产设备的全自动化。随着工业

22、机械化和自动化的发展，工业机械手的应用也越来越广泛，可编程控制技术和机械手的相结合，使整个工业生产线的自动化程度，性能更加可靠。目前我国的工业机器人技术跟国外还有一定的差距，应用规模小，而且机械手的发展好坏直接影响我国自动化生产水平。因此，对机械手的研发是非常必要的。 图1-3 工作原理第2章 系统的硬件设计2.1控制要求本课题关于机械手的控制要求：将一个工件经机械手抓取转移到另一位置即机械手在原位显示，紧接着机械要向下移动指令触碰到到下限位开关停止移动执行加紧工件指令，然后执行向上移动指令到触碰到上限位开关停止上升，执行下一步动作向右移动指令触碰到到右限位开关停止右移，此时下降电磁阀线圈通电

23、机械手执行下降指令，下移触碰到下限位开关机械手停止下降执行放松指令放下工件，机械手执行向上移动指令触碰到上限位开关停止移动，执行下一步向左移动指令左移动到原位，机械手完成一个工作转移程序。机械手上升、下降、左移和右移的执行用双线圈二位电磁阀完成。夹紧/放松是由单线圈二位电磁阀完成，线圈在通电是执行夹紧指令，线圈在断电时执行放松指令。在工业设备上组装有上、下限位和左、右限位开关，机械手转运工件的工作过程如图2-1所示。 原位 下降 加紧 上升 右移 左移 上升 放松 下降图2-1 机械手工作过程2.2主电路设计在本系统的设计中，根据机械手的动作的要求，只需用两台电机分别控制机械手的上升、下降和左

24、行、右行。主电路如图2-2所示。图中，接触器KM1控制电动机M1的正转，KM2控制电动机M1的反转，电机M1的正反转控制机械手手臂的上升和下降，接触器KM3控制电机M2的正转，KM4控制电动机M2的反转，电机M2的正反转实现机械手手臂的左移和右移。图2-2 主电路2.3硬件的选型2.3.1 PLC的选型在众多PLC产品中，西门子S7-200系列PLC性价比高，功能强大，以及更强大的指令系统，使其可独立运行，也可连成网络实现复杂控制，在中国市场上占有较大应用份额11。S7-200PLC系统的硬件由系统的CPU模块和大量的扩展模块组成。同时，熟练地掌握PLC与S7-200系列PLC的相关知识是自动

25、化专业所必不可少的。在以后的学习和工作中对我们会有很大的帮助。S7-200系列PLC具有设计紧凑、控制性良好、价格低廉、丰富的功能模块等特点，在小规模的控制系统中应用比较广泛，适用于不同场合的检测与自动控制系统中，在集散控制系统中能充分发挥其强大的优势。S7-200系列PLC系统硬件由主机系统、扩展系统、特殊功能模块、相关设备等组成。S7-200系列PLC中包含4种不同的基本型号的8种CPU可以选择使用，其输入输出点的分配如表2-1所示12。表2-1 S7-200 系列PLC中CPU22X的基本单元型号输入点输出点可带扩展模块数S7-200CPU221642个扩展模块128路数字量I/O点或1

26、6路模拟量I/O点S7-200CPU222867个扩展模块128路数字量I/O点或32路模拟量I/O点S7-200CPU22414107个扩展模块128路数字量I/O点或32路模拟量I/O点S7-200CPU22624167个扩展模块128路数字量I/O点或32路模拟量I/O点S7-200CPU226XM24167个扩展模块128路数字量I/O点或32路模拟量I/O点根据分析可知道本控制系统有5路输入信号，包括启动开关和4个限位开关（左限位、下限位、上限位、右限位）。有6路输出信号，包括一个指示灯和4个接触器（控制机械手上升下降的电动机的正、反转接触器，控制机械手左行右行的电动机的正、反转接触

27、器）1个机械手抓紧和放松电磁阀。所以此次设计的控制系统选用S7-200 CPU224，集成14输入/10输出，共24个数字量I/O点，满足工业控制的要求。S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数的分配如表2-2所示13。 表2-2 S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数类型型号输入点输出点数字量扩展模块EM2218无EM222无8EM2234/8/164/8/16模拟量扩展模块EM2313无EM232无2EM235312.3.2限位开关在机械手控制系统中，分析控制要求设计出控制方案在此次设计总共用了4个限位开关：上升限位开关、下降限位开关、左移限位开关、右移限位开关。限位开关

28、安装在我们需要机械手停止的位置，机械手在运动过程中触碰到限位开关将会终止运动。行程开关可以分为三大类：直动式行程开关、滚动式行程开关、微动式行程开关。它们都是顺动型的，其工作原理是：当运动部件上的物件移动触碰到限位开关的限位按钮使限位开关的触头动作，当运动部件离开限位开关的限位按钮后，在弹簧弹力的作用下，限位开关触头自动复位14。2.3.3开关按钮开关按钮自动控制系统中是最常用的主令电器，它是一种能够靠手动操作并且可以自动复位的控制开关。其组成结构简单、实用性强在控制系统中应用广泛。在机械手的设备中，所采用的开关按钮是SB-4011型号。2.3.4电气元件明细表此次设计所用到的电气元件明细表如

29、表2-3所示。表2-3 电气元件明细表序号名称代号数量规格型号1电动机M1、M22JK39H262热继电器FR1、FR22T163电磁阀YV154V210-084断路开关QS1HZ1010/35按钮SB1-SB22SB-40116可编程控制器PLC1CPU2247接触器KM1-KM55CJ20258限位开关LS1-LS44LS-D29断路器QF1DW162.4 I/O分配表及其端子接线图2.4.1 I/O分配表根据控制要求本次设计所用的的I/O端口的分配，如表2-4所示。表2-4 I/O分配表序号输入序号输出1I0.0启动按钮7Q0.0KM13I0.1左限位开关8Q0.1YV14I0.2下限位

30、开关9Q0.2KM25I0.3上限位开关10Q03KM36I0.4右限位开关11Q0.4KM412Q0.5原位显示2.4.2 PLC的外部接线图机械手PLC控制系统的外部接线图如图2-3所示。 图2-3 机械手PLC控制系统的外围接线图第3章 系统软件设计3.1 工作流程图根据机械手动作的控制要求，结合实际工作需要，机械手工作流程图设计如图3-1所示。图3-1 机械手工作流程图3.2 顺序功能图顺序功能图也被称为功能表图，是根据生产工艺的要求编写动作的控制程序，生成顺序功能图。将一个控制系统分成若干个顺序相接的阶段，称为“步”。相邻步的输出状态是不相同的，单每步总的输出状态是保持不变的。相邻步

31、之间状态的转换是靠外边输入信号控制的，输入信号可是简单的开关量，也可以是复杂的组合程序，即称为子步。S7-200 CPU含有256个顺序控制继电器用于顺序控制，可以对一个复杂的工程进行程序逻辑的分块。从而可以十分方便的编制一个复杂的工程的控制程序。步进顺控指令的助记符、编程元件见表3-1所示。表3-1 步进顺控指令西门子S7-200系列指令助记符LSCR：装载SCR指令，顺控区开始SCRT：置位下一个顺控继电器，当前顺控继电器复位SCRE：当前顺控区结束CSCRE：条件退出指令，不执行顺控区中末尾的指令编程元件S0.0S31.7触点顺控继电器S7-200的顺序控制包括3个指令。其一是顺序开始指

32、令（SCR）,其二是顺控转换指令（SCRT）,其三是顺控结束指令（SCRE）。SCR是顺控程序段的开始指令，SCRE是顺控程序段的结束指令15。1.顺控开始指令顺控开始指令的表示：顺控开始指令由顺控开始指令助记符(SCR)和顺控继电器Sn组成，其中n为顺控继电器的位号。顺控开始指令的操作：SCR n段的顺控程序启动的条件是使顺控继电器Sn=1，顺控程序从标记的SCR n开始，到SCRE指令终止。在执行到SCR n之前一定要使Sn置位才能进到SCR n段顺控程序段。顺控程序段一定要从SCR n开始。数据范围：n=0.031.7。2.顺控转换指令顺控转换指令的表示：顺控转换指令由顺控转换指令助记符

33、（SCRT）和顺控继电器Sn组成，其中n为顺控继电器的位号。顺控转换指令的操作：在未执行到SCRE的时候，顺序控制转换（SCRT）指令确定就需要启动的下一个SCR位。事实上在执行SCRT指令，就终结了前一个SCR程序段，而启动下一SCR程序段。只等执行到SCRE指令时就过渡到下一个顺控程序段。数据范围：n=0.031.73.顺控结束指令顺控结束指令的表示：顺控结束指令由顺控结束指令助记符（SCRE）构成。顺控结束指令的操作：当程序执行到SCRE指令时候就会结束这一段SCR程序段。根据系统所要求做出的设计机械手动作PLC控制系统的顺序功能图如图3-2所示。图3-2 机械手动作PLC控制系统的顺序

34、功能图3.3 梯形图根据总体要求和控制系统的具体情况设计出PLC控制机械手动作的梯形图程序如图3-3所示。图3-3 程序梯形图3.4 编程软件3.4.1 STEP7Micro/WIN32简介STEP7Micro/WIN32是一款基于Windows的应用软件，它是西门子公司为S7-200系列的可编程控制器用于PLC程序的编写而研发、设计的。它简单易学、功能强大、界面友好、可以为用户开发控制程序，在程序模拟运行时候还可以对用户程序的执行状态进行实时监控，在工业控制中被广泛应用16。STEP7Micro/WIN32窗口由菜单栏、工具栏、指令树、符号表及多种不同功能结构模块组成。STEP7Micro/

35、WIN32的操作界面如图3-4所示。图3-4 STEP7Micro/WIN32软件主界面（1）浏览窗格：用于显示编程特性的控制按钮包括检视、工具和注释。检视：包含程序块、符号表、状态图、数据块、系统块、交引用等控制按钮。工具：显示指令向导、位置控制向导、控制面板和解调器扩充按钮。注释：在浏览窗格的对象出现因窗口大小而无法显示时候，可以使用户移动到其他对象，而不影响操作。（2）数据块：数据块允许设置、修改变量存储、显示和编辑各种型的数据，也可以对数据进行加注说明。（3）指令树：提供在进行程序编写时用到的所有命令和PLC指令。（4）符号表：使用者可以和编辑全局符号，增加程序的可读性，还可以建立自定

36、义符号，并且可以加注注释，方面我们解读程序。（5）程序编辑器：可用梯形图、语句表或功能图表编写用户程序，PLC编程软件支持在联机状态下直接从PLC上读程序或者修改程序。（6）输出窗口：用来显示程序编译的结果，在编译程序是出现错误会在输出窗口显示出来，点击错误信息就会直接显示错误的网络，可以方便用户的使用。3.4.2 STEP7Micro/WIN32使用1.新建工程点击“文件(File)”菜单中的“新建（New）”将会在主窗口中显示我们新建的文件主程序。我们根据实际程序的需要设置需要用的主机的型号，在菜单栏中选择“类型”命令，在显示的对话框中设置PLC型号，本设计采用的是西门子S7-200系列的

37、CPU224。如图3-5所示。图3-5 新建程序的结构2.程序录入在指令树窗口中有很多指令类别，在程序编写时找到我们所需要的指令添加到网络中。如图3-6所示。在指令工具栏中有用于输入的连接线按钮用于连接指令。如图3-7所示。图3-6 编程示例图3-7 编程按钮第4章 组态 4.1组态的介绍4.1.1 组态概述组态是在工业控制技术的快速发展和应用中伴随着集散控制系统出现成为自动化技术人员所熟知的工控软件。在工业控制软件中，组态可以说是每一个参加工控工作者必须会运用的软件。简单地说，组态就是在组态软件用运用软件提供的工具和图库在画板上还原出设备运行现场图，对画面属性进行设置连接达到我们想要的对现场

38、的运行模拟。组态软件通过数据采集和画面的设置，为用户提供和构建出工业自动控制系统监控画面，方便了对工业设备运行的监控17。4.1.2 组态发展、功能和特点1.组态的发展组态软件最早出现在20世纪80年代初期，我国最初引入并应用使在20世纪80年代末，但是组态在进入我国的初期并没有被大量使用。分析原因有三点：（1）人们对组态软件的认识不清，在项目中并没有对组态进行预算。（2）组态软件价格不能被工业用户接受。（3）当时我国的自动化和信息技术水平还比较低18。工业自动化生产的需要推动了组态软件的发展。组态的引入使得工业控制节省了系统的投资，大大降低了工业生产的成品，用户可以做到“花更少的钱，办更多的

39、事”。社会信息化和工业自动化的发展将会为组态软件带来更大的市场。2.组态的特点 组态软件在编程方便简单易学、人机界面良好、参数的输入和修改灵活可以很直观的显示控制系统的状态。在组态中还能显示控制系统的实时趋势曲线，在工业控制中可以很直观的监控工业设备生产线的状态。应用组态王开发系统编写应用程序过程中要注意一下三个方面。(1)图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。 (2)数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、温度、流量等。 (3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及如何让操作者输入控制设备的指令。4.

40、2组态画面设计4.2.1组态的画面组态画面设计就是把现实生产运行的设备以图片的形式在组态软件中显现出来，各部分之间有相应的画面连接。通过对画面属性的设置和编写的组态控制程序对画面的控制达到能够很形象的反应现实工业生产设备运行的状态。组态画面的设计过程是双击电脑屏幕上的组态王图标，会弹出组态王的工程管理器，这时候已经运行了组态环境，可以建立组态工程，如图4-1所示。图4-1 工程管理器选择文件/新建工程，将会弹出“新建工程向导”的对话框，如图4-2所示。图4-2 新建工程向导单击下一步按钮，弹出“新建工程向导二”在空白栏中输入“机械手”，如图4-3所示。图4-3 工程途径单击“下一步”按钮，在工

41、程名称下中输入“机械手”，在工程描述栏中输入“PLC控制机械手动作的监控系统”，然后点击“完成”按钮，完成工程的建立，如图4-4所示。图4-4工程名打开工程管理器中的“机械手”工程，点击左侧“画面”按钮，在右侧编辑框中会显示“新建”按钮，双击“新建”按钮弹出新建画面对话框，在“画面名称”一栏中输入“机械手”，如图4-5所示。图4-5画面属性打开新建好的“机械手”画面，在打开的同时在右侧会弹出一个“工具箱”，它为我们构建画面提供所需要的各种绘画工具，在“工具箱”旁边还有个“调色板”，它用于对画面颜色进行修改，如图4-6所示。图4-6 工具箱在工具箱中有个“图库”按钮，单击弹出图库，在图库管理器中

42、有我们画图所需的各种图模块，如图4-7所示。图4-7 图库管理器根据设计需要绘制出模拟现场的机械手动作图，如图4-8所示。图4-8 机械手动作画面4.2.2设备和变量的定义1.设备的选取在工程浏览器中双击“COM1”弹出串口设置画面，通信方式选择“RS485”如图4-9所示。图4-9 串口设置 设置完成后点击“确定”。打开右侧“新建”按钮，弹出“设备配置向导”完成设备的选择，如图4-10所示。 图4-10 设备的选择2.数据变量的定义在数据库下拉菜单中有一个“数据词典”单击会显示数据变量。此次设计的数据变量有：左限位、下限位、上限位、右限位、下降显示、上升显示、右移显示、左移显示、水平移动、左

43、右移动、上下移动、垂直移动、原位显示、物件、启动开关、抓紧。变量设计如图4-11所示。图4-11 变量设计4.2.3动画连接在完成对基本变量的设置之后就可以对画面就行画面连接，使画面具有动态效果，能够比较真实的模拟显示对象在实际中的状态变化，达到组态能够实时监控的目的。将画面中的图形和数据词典中的变量进行依次连接设置，并设置画面属性。机械手的变量设置如图4-12所示。物体的动画连接如图4-13所示。图4-12 机械手动画连接图4-13 物体的动画连接4.3组态程序if(本站点中M0=1)本站点机械手=本站点机械手+5;if(本站点中M1=1)本站点机械手=本站点机械手-5;本站点物体1=本站点

44、物体1-5;if(本站点右移显示=1)本站点机械手1=本站点机械手1+5;本站点物体2=本站点物体2+5;if(本站点中M2=1)本站点机械手=本站点机械手+5;本站点物体1=本站点物体1+5;if(本站点中M3=1)本站点机械手=本站点机械手-5;if(本站点物体1=1)本站点机械手1=本站点机械手1-5;第5章 硬软件调试5.1程序调试1.程序编译程序编写结束后，点击菜单栏中的“编译”按钮，可以对我们编写的程序进行编译。编辑完成后在屏幕的下方会出现编译的结果，有没有错误，错误在那些网络都会在输出窗口显示出来，方便了我们的修改。点击输出窗口中显示错误提示双击一下就能直接回到错误程序所在的网络

45、中，我们可以方便的对程序进行修改。如果编辑之后没有错误，程序就可以下载到PLC 中，否则无法进行程序的下载。如果忘记了编译程序，在下载之前编程软件将会自动地对程序进行编译，并在输出窗口显示编译结果。如图5-1所示程序编译没有错误。图5-1 程序的编译2.程序下载单击工具栏中的“下载”按钮，开始可以将我们录入的程序下载带PLC中。下载必须在STOP模式进行，如果没有在STOP模式，下载时候会将CPU自动切换到STOP模式，下载结束后可以单击运行按钮切换到RUN模式。可以用多选框选择下载成功后是否自动关闭对话框，以及下载之前从“RUN”切换到“STOP”模式，或下载后从“STOP”模式切换到“RU

46、N”模式是否需要提示。3.调试过程下载程序后，可以手动将PLC模式扳倒“RUN”工作模式，也可以点击运行按钮切换到工作RUN模式。当切换到“RUN”模式的时候，对应的“RUN”LDE指示灯将会变亮，此时用户程序开始运行。在“RUN”模式下我们可以根据程序的步骤扳动接在端子I0.0-I0.4上的小开关来当作信号，通过观察Q0.0和Q0.5对应的LED的状态变化检验我们的程序是否满足控制要求。4.运行监控程序编译完成没有错误，正确下载到PLC中运行，我们可以点击菜单栏中的“调试”按钮，在子菜单中有个“开始程序状态监控”点击一下。我们就能在程序编写界面观看程序的运行。在PLC运行时候，我们还可以强制

47、修改一些程序控制变量，在S7-200系列中是允许执行的。5.2组态演示所以画面属性设置完成之后就可以连接PLC进行画面演示，具体的演示结果如下：（1） 启动原位指示灯亮如图5-2所示。图5-2原位指示灯亮（2） 机械手下移动抓取物体如图5-3所示。图5-3 机械手下移动抓取物体（3） 机械手上移如图5-4所示。图5-4 机械手上移（4） 机械手带物体右移如图5-5所示。图5-5 机械手带物体右移（5） 机械手带物体下移如图5-6所示。图5-6机械手带物体下移 （6）机械手放物体上移如图5-7所示。图5-7机械手放物体上移（7）机械手左移回初始位置如图5-8所示。 图5-8机械手左移回初始位置结

48、论毕业设计总结了我大学四年所学的所有知识，让我更加深刻的了解了这几年我所学会的知识，是对我四年求学的一个总结，更是提升我能力的一种方式。通过不断的学习设计所需要的材料和软件的使用方法，按照毕业设计的要求，可编程控制器和机械手的设计基本完毕，机械手动作监控的模型已经设计完成，其功能基本达到要求。而且可以通过调节程序来控制整个机械手的动作，控制的柔性很好。通过系统的分析与设计也是对学习的总结过程，更是进一步学习与实践的过程。在整个过程中对机械手的工作原理有了进一步的掌握，对利用可编程控制器PLC进行控制系统的设计与开发有了更深刻的认识，在学习实践过程中增长了知识、丰富了经验。虽然在自己探索完成设计

49、的过程中遇到了很多困难，但是我迎难而上，积极与老师同学沟通，克服解决了一个又一个的问题。通过这次毕业设计，使理论与实际相结合，巩固了我所学的知识。由于查阅了很多资料，不仅丰富了我知识，更锻炼了自己自学的能力，为以后的生活和工作奠定了一个好基础。毕业设计不仅是一种学习的过程，更是对我们能力的一种锻炼，通过这次毕业设计，我相信在以后的学习和工作过程中，一定可以更好的独立解决问题。在这竞争激烈的社会中能够有一席立足之地。谢 辞毕业设计是在我尊敬的韩英老师和段春霞老师悉心指导下完成的。老师给我们制定了详细的毕业设计进程表，让我们能够有很清晰的思路对毕业设计论文进行规划。老师朴实无华、平易近人的人格魅力

50、，严谨的治学态度和精益求精的工作作风对我影响深远使我受益匪浅。我在此向韩英老和段春霞老师表示诚挚的感谢!我还应该感谢我的同学和室友，可以说他们是我的“左膀右臂”。他们在我做毕业设计期间帮我查找资料、分析程序、调试组态有什么问题我相互讨论给了我很大的帮助和鼓励。我还要感谢我的家人，虽然他们不能陪在我身边给我悉心的指导，但是他们经常联系我、鼓励我帮助我减轻心里压力和负担。在不断完善和修改论文的过程中，也让我更加懂得“一分耕耘才有一分收获”的道理。在课题的研究和设计过程中，得到了老师、同学和家人的大力支持和帮助，在此向他们表示衷心的感谢。参考文献1 马浩源. 浅谈工业机械手. 商情, 2011, 1

51、2: 1004-92072 彭云. 基于集散控制理论的嵌入式分层过程控制方法学位论文. 西安建筑科技大学, 2006, P75-P753 赵玉芝. 工业电气自动化的发展. 科技创新与应用, 2013, 35, P101-1014 张浩, 马玉敏, 孙威, 朱志浩. 计算机辅助工程, 2005, 3, P43-P465 李晓旭. 热压成型机械手的结构优化设计学位论文. 西安工业大学, 2010, P686 http:/3/bp-01f14af5f61fb7360b4c6533-1.html, 2010-107 戴明宏, 张君霞. 电气控制与PLC应用. 北京: 北京航空航天

52、大学出版社, 20078 王海飞. 通用控制系统平台研究与实现学位论文. 同济大学, 20089 周亚军, 张卫. 电气控制与PLC原理及应用, 西安: 西安电子科技大学出版社, 201110 S. Brian Morriss. Programmable Logic Controllers. IEEE CS Press, June 1999, pp. 1-1011 王永华, 梁洪方. S7-200中顺控指令的系统程序缺陷及解决方法. 机械工人（冷加工）, 2003, 2, P8-P912 /p-.html, 2011-313 胡晓林.电气控制与PLC应用技

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54、tinuouscontrolofmotionwithcompressedair-LM.TransofASME, 1956.23324120 QiuYangzhen,LinYimeng.ResearchandApplicationsofHighPrecisionPneumaticManipulator.HydraulicPressureandPneumaticJ.2006,28(4):5556 外文资料翻译Automating Manufacturing Systems with PLC Control engineering has evolved over time. In the past humans were the main method for controlling a system. More recently electricity has been used for control and early electrical control was based on relays. These relays allow power to be switched on and off without a mechanical switch. I