(PLC课程设计)

1、常州工学院 PLC课程设计 设计说明书 CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGYPLC课程设计说明书题目：PLC控制机械手动作系统二级学院（直属学部）： 延陵学院 专业： 机械设计与制造及其自动化 班级： 08机Y2 学生姓名： 汪海飞 学号： 08120227 指导教师姓名： 史建平 职称： 副教授 2010年 7 月5日PLC课程设计任务书延陵学院 专业：机械设计与制造及其自动化 班级：08机Y2学生姓名汪海飞指导老师史建平职称副教授课题名称课题：PLC控制机械手动作系统指标及要求达到设计课题的控制要求，上机调试PLC控制程序，打印PLC程序，计算机绘图。课题工作

2、内容工作内容：1、熟悉课题工作原理。2、设计方案论证，系统建立，电气原理控制设计。3、元器件选择，梯形图设计（控制分析）。4、完成设计图纸，完成设计任务书。5、设计测评。进程安排第一天：下达任务，收集资料，设计准备，方案确定。第二天：电气原理控制设计，元器件选择。第三四天：梯形图设计（控制分析），上机调试。第五天：完成设计图纸，完成设计任务书，设计测评。主要参考文献可编程控制原理与应用北京理工大学出版社 范次猛可编程控制应用技术实训指导化学工业出版社 李俊秀电气控制与PLC应用北京机械工业出版社 余雷生 方宗达电气控制与可编程控制器技术化学工业出版社 史国生地点秋白楼402教室起止日期2011

3、.06.302011.07.5指导教师：史建平2010年7月5日目录第一章 绪论11、设计的目的和意义 课程设计是学生完成本专业教学计划的最后一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练。这对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定意义。其主要目的： (1)、 培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。、 (2)、培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。 (3)、培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准

4、等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。 (4)、培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。 在发达国家，机械手已广泛地应用于工业、国防、科技、生活等各个领域。产业部门应用最多的当推汽车工业和电子工业，在金属加工、塑料成型、机械制造等行业也有普遍应用，并逐渐向纤维加工业、食品工业、家用产品制造等行业发展。在工业生产和其它应用领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温，腐蚀，有毒气体以及人的有限体能等种种劣势的限制，工作效率很低。自从机械手问世以来，相应的各种难题应刃而解。机械手由耐高温，防腐蚀的材料制成，工作

5、效率极高，而且不受体能的限制，非常方便。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、搬运工件或操纵工具的自动化装置；而可编程控制器(P L c)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，安装调试方便，在工业控制中有着广泛的应用。12、设计项目发展情况 我国机械手的研究和应用起步较晚，但是随着国内外机械手的快速发展、社会需求的增大和技术的进步，装配机械手得到了迅速的发展，多品种、少批量生产方式和为提高产品质量及生产效率的生产工艺需求，是推动装配机械手发展的直接动力。PLc是可编程序控制器的简称，于60年代末期在美国首先

6、出现，目的是用来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性程序控制系统。经过近几十年的发展，PLc己十分成熟与完善。当前的中国，随着生产力的迅猛发展，工业发展的步伐越来越快在各行业各领域，对自动化程度的要求也愈来愈高了更好地适应这种情况，科学技术必须被广泛地应用在实际生产中，而PLc以其自身的优势，在自动化领域内扮演着重要的角色，不容忽视!PLc它也是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计它采用可编程续的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程PLc技术近年来发展很快，并逐渐取代继电器。跨i

7、具有通用性强，使用方便，适应面广，可靠性高，抗干扰能力强，编程简单等特点，弛t：在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位。总之，为了准确地掌握PLc的基本知识和基本应用，在毕业设计中，我选择了该题目。13、设计原理 机械手主要由执行机构驱动机构和控制系统构成。机械手的执行机构又包括手部、手臂和躯干。手部安装在最前端，任务是来准确的抓取工件，当然一说到手一定是与人的相似，所以必须具备手指，而且应具有与人手相似的动作或能代替人完成一系列的动作，以此来达到目的。手臂的作用是用来辅助手部准确的抓住工件并能够转移到所需要的位置，机械手的运动有两种：一个是上下直线运动，另一个是左右直线运动。因此其必须安装有

8、液压缸、电液脉冲马达、电磁阀等作为其执行机构的动力部分或辅助系统。驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其主要以电气和气压驱动为主，只有少量的运用液压和机械驱动。 液压驱动主要是驱动大体积的重型工业设备如：锅炉等。它的优点是压力高、体积小、力量大动作平稳。缺点是结构繁琐成本高而且需要配备压力源。气压驱动的元件是气压缸、气压马达等。一般采用46个大气压也有一些更大的具体要根据实际情况来定，虽然它的力量比较小、体积比较重，但是出于廉价，而且不影响动作。所以我们的手部采用此种驱动。 电气驱动时，直线运动可以采用电动机带动丝杠、螺母机构。我们通用的机械手则考虑到用步进电动机、直或

9、交流司服电机、和变速箱等电气驱动有动力源简单、维护和使用比较方便。驱动机构采用一种形式的动力，力量比较大。所以本设计用该种驱动形式。蕞且是电磁阀驱动气压缸的形式。 机械手的控制要素主要包括工作的顺序、能提起多大的重量、运动的时间、到达的位置等。具体还要加上点控和连续控制。控制系统可根据动作的要求设计数字顺序。它首先要编制程序加以存储，然后在根据规定的程序，控制机械手的运动工作。为了使其程序简单、修改容易等优点，本设计采用PLC控制系统来完成操作。1.4、课题介绍 可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）是指以计算机技术为基 础 的新型工业控制装置。

10、在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对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。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说

11、，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。第二章 根据要求确定被控系统必须完成的动作2.1 控制要求分析1）控制要求图中为一个将工件由A处传送到B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

12、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，它的工作过程如图所示，有八个动作，即为：图2.1-1工作过程图2）机械结构图2-2是某机械手的工作示意图，该机械手的任务是将工件从传送带A搬往传送带B。为了使机械手动作准确，机械手上安装了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，分别对机械手进行下降、上升、右行、左行等动作的限位，并给出了动作到位的信号。另外，还安装了光电开关SP1和SP2负责SP1检测传送带A上的工件是否到位，如果有光电开关SP1监测到有工件出现，传送带A就停止运动。SP2检测传送带B

13、上的工件是否移走，从而产生无工件信号，为下一个工件的下放做好准备。3）工艺过程 机械手的动作顺序、检测元件和执行元件的布置如图2-2所示。机械手的初始位置在原位，按下启动按钮后，机械手依次完成：下降夹紧上升右移下降放松上升左移传送带A运动（检测到有工件停）九个动作，实现机械手一个周期的动作。机械手的下降、上升、左移、右移的动作转换靠限位开关来控制，而夹紧、放松动作的转换是由时间继电器来控制的。4）机械手动作的模拟实验面板图：图2.1-4机械手动作的模拟实验面板图第三章控制系统设置3.1控制系统硬件设计机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择

14、可以很方便地在操作面板上表示出来，在手动方式时可以通过手动按钮来实现，其控制面板如下图3-1。当旋钮打向回原点时，系统自动回到右上角位置待命。当旋钮打向连续时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都按下该工步按钮才能实现。3.2 硬件选择在确定硬件之前，首先必须确定方案，下面对方案进行可行性分析 1）方案选择方案一：其中一台主泵（2KW），两台附属泵，平时工作时，压力要求为0.32Mpa左右，通常情况下开一台工频泵，开一台变频泵，就能满足压力要求。原该所根据用水量的多少，由工作人员调节递止阀的开度和水泵的台数及大小，用以维持压力恒定，这样不但耗能，而且增加了工人劳动强

15、度，增大了噪音。这个方案显然不是很好，所以我们又想到了第二种方案。方案二：考虑用一台ABB公司的ASC 400变频器控制一台2KW电机变频运行，还有两台2KW的电机工频运行。工频泵通过变频泵的的高频到达和低频到达来控制工频泵运行的台数。 方案一中为了保持管网压力恒定平均需开机台数为二台。方案二中平均开机为一台工频运行，一台3040Hz左右变频运行。 现对两方案进行节能分析：A、方案一每年所用电费 （1） 方案一功率： P1=2KW×2=4KW （2） 方案一平均每年所耗电能： W1=P1×T=4×335×24=32160（千瓦时）（一年平均工作11个月）

16、 （3）方案一每年所用电费： M1=W1×P单价=32160×0.5=16080（元）（平均电价每千瓦时0.5元） B、方案二每年所用电费 （1）方案二功率： P2=2KW+2×（35/100）=2700W （2）方案二平均每年所耗电能： W2=P2×T=2700W×335天×24时/天=21708(KW.h) （3）方案二每年所用电费： M2=W1×P单价=21708度×0.5元/度=10854元（0.5元/千瓦时） C、一年所节约电费： M=M2-M1=16080-10854=5226(元)可见这方案二比较节能

17、。经过系统的可行性分析，我们最后选择方案二。方案确定后，就是选择元件了，2）变频器和PID调节器的选择：由于在此次设计中选择的三台电机的额定功率都是2KW。变频器的容量=2KW×3=6KW，再考虑25%的安全裕量，所以选择的变频器的容量为7.5KW；在确定的ABB公司的ASC400系列中的7.5KW变频器。 压力变送器的压力信号首先传给PID调节器根据压力设定，输出420mA给变频器以调节电机的转速。PID的压力范围根据管网的上限压力和下限压力和正常管网压力（0.32MPa）设定即可。 二极管整流电路会产生5、7、13次的高次谐波。将造成电流增大、功率因数下降等，这在小功率情况下不会

18、对电路造成太大影响，一般不用采取特殊措施。当电机功率较大时可装上AC或DC电抗容，通过电抗容来消除谐波对电路的影响（3%压降左右）。保护器件的选择（在这里就简要得说明如下）：3）热继电器的选择根据实际电机运行时的温升，和过载要求可自行进行选择。无特殊要求。熔断器的选择同理，在此不再赘述。电机运行时的温升可有铭牌参数确定，过载倍数由额定电流的1.5倍来确定3.3 PLC控制系统的软件设计 1）PLC选型 在进行硬件设计的同时可以着手软件的设计工作。软件设计的主要任务是根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图，这是PLC应用的最关键的问题，程序的编写是软件设计的具体表现。在控制工程的应用中，良好的软件

19、设计思想是关键，优秀的软件设计便于工 程技术人员理解掌握、调试系统与日常系统维护FX系列PLC的基本单元内有CPU、I/O接口电路、存储器及标准电源。扩展单元用于扩展I/O点数，其内部设有标准电源可供扩展模块使用。扩展模块也是用于增加I/O点数及改变I/O特性，其电源从基本单元或扩展单元上取得。FX系列有各种点数及各种输出类型的基本单元、扩展单元和扩展模块，他们可以自由混合配置，使系统配置灵活方便，其内部有一个16位的CPU和一个专用逻辑处理器，执行、响应速度很快和高速计数器，像FX2N的PLC给用户提供了298条功能指令。由此可见，FX2N系列的PLC为单元式结构，但其功能强大、组合灵活，可

20、与模块式PLC媲美。通过分析，根据要求可以得到I/O总点数约为18点。所以我选择FX2N-32MR-001主机。它规格说明:交流电源、24V直流输入类型,输出类型继电器输出, 详细:交流电源、24V直流输入类型 输入类型：漏型,输出类型：继电器输出 ,I/O总数：32点；输入：16点；输出：16点,外形尺寸： 130x 87x 90mm。而且，其基本功能为运转控制方法：通过储存的程序周期运转，I/O控制方法：批次处理方法（当执行END指令时），I/O指令可以刷新，运转处理时间：基本指令：0.08s，编程语言：逻辑梯形图和指令语句，使用步进梯形图能生成SFC类型程序，程式容量：8000步内置并使

21、用附加寄存器盒可扩展到16000步等优点在这次设计中选择的为三菱的FX-2n系列，该款的电源电压为交流100V240V的电源,频率为50赫兹/60赫兹，交流耐压1500V（1min）.满足这次设计要求。电机的选择 ：这次设计的机械手动作，所以在选择电机时，根据重物的要求，在这里选择2KW的电机已可以满足机械手的要求。有时很小的电压不平衡会引起很严重的电流不平衡，甚至产生缺相。可造成整流桥损坏，电解电容损坏（由于脉动电流增大）。如果某一相的电流超过变频器的额定输出电流时，必须带有缺相保护功能。在轻载时出现电流不平衡，不会损坏机器。2）PLC控制系统的程序设计思想由于生产过程控制要求的复杂程度不同

22、，可将程序按结构形式分为基本程序和模块化程序。 基本程序：既可以作为独立程序控制简单的生产工艺过程，也可以作为组合模块结构中的单元程序：依据计算机程序的设计思想，基本程序的结构方式只有三种：顺序结构、条件分支结构和循环结构。 模块化程序：把一个总的控制目标程序分成多个具有明确子任务的程序模块，分别编写和调试，最后组合成一个完成总任务的完整程序。这种方法叫做模块化程序设计。我们经常采用这种程序设计思想，因为各模块具有相对独立性，相互连接 关系简单，程序易于调试修改。特别是用于复杂控制要求的生产过程。 3）流程图开始初始化程序手动/自动程序手动各种程序下降是否下降到位夹紧加紧到位上升上升到位左移左

23、移到位下降公共处理程序下降到位放松延迟2S到上升上升到位右移右移到位故障END第四章系统软件编程4.1、PLC的I/O端口分配输入接线 SB1 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SB2 X0X1X2X3X4X5输出接线YV1YV2YV3YV4YV5HLY0Y1Y2Y3Y4Y54.2各段程序当机械手处于原位时，上升限位开关X002、左限位开关X004均处于接通（“1”状态），移位寄存器数据输入端接通，使M100置“1”，Y005线圈接通，原位指示灯亮。按下启动按钮，X000置“1”，产生移位信号，M100的“1”态移至M101，下降阀输出继电器Y000接通，执行下降动作，由于上升限位开关X002断

24、开，M100置“0”，原位指示灯灭。当下降到位时，下限位开关X001接通，产生移位信号，M100的“0”态移位到M101，下降阀Y000断开，机械手停止下降，M101的“1”态移到M102，M200线圈接通，M200动合触点闭合，夹紧电磁阀Y001接通，执行夹紧动作，同时启动定时器T0，延时1.7秒。机械手夹紧工件后，T0动合触点接通，产生移位信号，使M103置“1”，“0”态移位至M102，上升电磁阀Y002接通，X001断开，执行上升动作。由于使用S指令，M200线圈具有自保持功能，Y001保持接通，机械手继续夹紧工件。当上升到位时，上限位开关X002接通，产生移位信号，“0”态移位至M1

25、03，Y002线圈断开，不再上升，同时移位信号使M104置“1”，X004断开，右移阀继电器Y003接通，执行右移动作。待移至右限位开关动作位置，X003动合触点接通，产生移位信号，使M103的“0”态移位到M104，Y003线圈断开，停止右移，同时M104的“1”态已移到M105，Y000线圈再次接通，执行下降动作。当下降到使X001动合触点接通位置，产生移位信号，“0”态移至M105，“1”态移至M106，Y000线圈断开，停止下降，R指令使M200复位，Y001线圈断开，机械手松开工件；同时T1启动延时1.5秒，T1动合触点接通，产生移位信号，使M106变为“0”态，M107为“1”态，

26、Y002线圈再度接通，X001断开，机械手又上升，行至上限位置，X002触点接通，M107变为“0”态，M110为“1”态，Y002线圈断开，停止上升，Y004线圈接通，X003断开，左移。到达左限位开关位置，X004触点接通，M110变为“0”态，M111为“1”态，移位寄存器全部复位，Y004线圈断开，机械手回到原位，由于X002、X004均接通，M100又被置“1”，完成一个工作周期。4.3机械手动作顺序表步序输入转步输 出 状 杰条件YVlYV2YV3YV4YV5HL(下降)(夹持)(上升)(右移)(左移)(灯)0(原位)S04(S02)+1(下降)SBl+2(夹持)SQl+3(上升)KTl(3秒)+4(右移)S02+5(下降)S03上+6(松开)SQl7(上升)K02(2秒)上8(左移)S02+0复位S04(S02)+第五章调试 当机械手处于原位时，上升限位开关X002、左限位开关X004均处于接通移位寄存器数据输入端接通，使M100置“1”，Y005线圈接通，原位指示灯亮。按下启动按钮，X000置“1”，产生移位信号，M100的“1”态移至M101，下降阀输出继电器Y000接通，执行下降动作，