基于MCGS和PLC的机械手控制系统设计机电一体化技术专业毕业设计毕业设计

1、（2011届）毕业设计（论文）基于MCGS和PLC的机械手控制系统设计学院（部）： 电气与信息工程学院 专 业： 机电一体化技术 学生姓名： 刘祖光 班 级： 机电0821 学 号：指导老师： 郭艳杰 职 称： 讲师 最终评定成绩： 2011年6月摘 要当今社会，科学技术飞速发展，人类活动给世界带来了巨大的改变。在科技进步的同时，以各种控制器控制的不同类型的机械手以其突出的性能越来越多的被人们所应用。机械手在不同的作业场合，尤其是在特殊的环境背景下，为人类活动的顺利快速进行带来了极大的方便和益处，尤为明显的是在工业及军事领域内。工业中大量的生产活动，存在着很多不便于人类操纵的环节，特别是在工作

2、环境较危险的情况下，如果使用具有远程控制功能的机械手，则可以增加系统的安全性，大大的节约损耗，提高效率。可见，在自动化、工业化进程中，在特殊背景环境中使用机械手已成为一种必然的趋势。在本设计中介绍了国内外机械手研究现状及PLC的研究发展趋势，描述了机械手控制系统的工作原理和动作实现过程。研究了基于PLC的机械手模型控制系统的设计，还研究了MCGS在机械手控制系统中的应用利用组态软件MCGS设计了机械手模型控制系统监控界面，提供了较为直观、清晰、准确的机械手运行状态，进而为维修和故障诊断提供了多方面的可能性，充分提高了系统的工作效率。关键词：机械手，PLC，MCGS ABSTRACTIn tod

3、ay's society, science and technology rapid development, human activities create world a huge change. In the meanwhile, technological progress in various controllers different types of manipulator with its outstanding performance more and more used by people. The homework in different occasions m

4、anipulator, especially in the special environment context for the human activity quickly smoothly caused great convenience and benefit, particularly obvious in the industrial and military field. Industrial large Numbers of production activity, there are many not it is easy for humans to manipulate t

5、he link, especially in a business environment is dangerous situation, if use has remote control functions may be increased manipulator, the security of the system, big save loss, improve efficiency. Visible, in automation, the process of industrialization, in special background environment using man

6、ipulator has become an inevitable trend. .Key words: 目 录第一章 绪 论11.1 课题背景11.2设计目的和意义11.3 本文主要工作2第2章可编程序逻辑控制器（PLC）和机械手概述32.1 可编程序逻辑控制器（PLC）32.1.1 PLC的结构32.1.2 PLC的发展历程42.1.3 PLC的硬件52.1.4 PLC的主要特点62.1.5 FX2N系列PLC介绍72.2 机械手92.2.1 机械手概述9机械手的工作原理9机械手的发展趋势10第三章 系统设计113.1 系统方案分析设计11控制要求113.1.2 方案设计113.2 硬件设

7、计133.2.1 输入/输出端子地址分配133.2.2 PLC接线图133.3 系统程序设计143.3.1 常用编程方法介绍14流程图16梯形图173.3.4 语句表203.4 MCGS组态软件213.4.1 MCGS 组态软件结构 功能特点223.4.2 工程的建立和变量的定义263.4.3 动画连接293.4.5 调试34第四章 系统的调试及设计总结354.1 系统调试35结 论36参考文献37致 谢38附 录1 FX2N基本指令39第一章 绪 论1.1 课题背景2.1 外设I/O接口 输出部件存储器 EPROM 微处理器 运算器 控制器电源 输入部件I/O扩展接口 I/O扩展单元 受控元

8、件输入信号外部设备图2-1 PLC硬件结构图图2-2（三菱FX2N系列PLC实物图）2.2 机械手3.1 系统方案分析设计3.2 硬件设计 输入/输出端子地址分配3.3 系统程序设计 规律工业 2 接触器-继电器法3 顺序控制法顺序控制法就是在生产控制过程中，按照生产工艺所要求的动作规律，在各个输入控制信号的作用下，根据所需要的状态和时间顺序，在生产过程中的各个输出执行机构自动地按照预先规定的顺序有步骤地进行操作。 顺序功能图法是首先根据系统的工艺流程设计顺序功能图,然后再依据顺序功能图设计顺序控制程序。在顺序功能图中,在实现转换时使前级步的活动结束而使后续步的活动开始,步之间没有重

9、叠。这是系统中大量复杂的连锁关系在步的转换中得以解决。而对于每一步的程序段,只需处理极其简单的逻辑关系。因而这种编程方法简单易学,性强。设计出的控制程序结构清晰、可读性好,程序的调试和运行也很方便,可以极大地提高工作效率。4 逻辑设计法工业电气控制线路中,有不少都是通过继电器等电气元件来实现,而继电器,交流接触器的触点都只有两种状态即吸合和断开,因此,用“0”和“1”两种取值的逻辑代数设计电气控制线路时完全可以的,PLC的早期应用就是替代继电器控制系统,因此用逻辑设计方法同样也适用于PLC应用程序的设计。当一个逻辑函数用逻辑变量的基本运算式表达出来后,实现这个逻辑函数的线路就确定了。当这种方法

10、使用熟练后,甚至梯形程序也可以省略,可以直接写出于逻辑函数和表达式对用的指令语句程序。 用逻辑设计法设计PLC应用程序的一般步骤如下: 第一步：列出执行元件动作节拍表 第二步：绘制电气控制系统的状态转移图; 第三步：进行系统的逻辑设计; 第四步：编写程序; 第五步：对程序检测、修改和完善。该系统采用顺序控制法，用三菱PLC的编程软件GX Developer编的梯形图3.3.4 语句表3.4 MCGS组态软件MCGS（Monitor and Control Generated System，通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监

11、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，在自动化领域有着广泛的应用。其主要特征和功能大体为：具有简单灵活的可视化操作界面、实时性强、有良好的并行处理性能、有丰富生动的多媒体画面、开放式结构、广泛的数据获取和强大的数据处理功能、完善的安全机制、强大的网络功能、多样化的报警功能、支持多种硬件设备、方便控制复杂的运行流程、良好的可维护性和可扩充性、设立对象元件库组态工作简单方便、能实现对工控系统的分布式控制和管理等等。MCGS软件系统包括组态环境

12、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，用来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，以用户的制定方式运行，并进行各种处理，完成用户组态用户设计的目标和功能。组态环境和运行环境的关系如下图所示：由MCGS生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分组成。如下图所示MCGS的五大组成部分MCGS组态软件建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，可以完成不同的工作，且具有不同的特性。（1）主控窗口1) 主控窗口确定了工业控制中工程作业的总体轮廓、运行流程、

13、菜单命令、特首先双击桌面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，默认的工程名为：“新建工程0.MCG”。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。4) 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。如图所3-3示。图3-3在MCGS中，变量也叫数据对象。实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。数据对象是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程。定义数据对象的内容主要包括：指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围确定与数据变量存盘相关的参

14、数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。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，见下表。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 X0输入1有效停止按钮开关型0机械手复位控制信号 X1输入1有效上限开关开关型0机械手动作控制 输入1有效下限开关开关型0机械手动作控制 输入1有效左限开关开关型0机械手动作控制 输入1有效右限开关开关型0机械手动作控制 输入1有效变量定义的步骤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3-4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

15、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3-5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3-4实时数据库窗口图3-5实时数据库窗口图3-6 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3-6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。1) 指示灯的动画连接

16、双击启动指示灯，弹出“单元属性设置”窗口。2) 单击“动画连接”选项卡，进入该页。图3-7 动画组态属性设置3) 单击“组合图符”，出现“？”、“>”按钮。4) 单击“>”按钮，弹出“动画组态属性设置”窗口。单击“属性设置”选项卡，进入该页，如图4-7所示。5) 选中“可见度”选项卡，其他项不选。6) 单击“可见度”选项卡进入该页，如图4-8所示。图3-8 动画组态属性设置7) 在“表达式”一栏，单击“？”按钮，弹出当前用户定义的所有数据对象列表，双击“启动按钮”。8) 在“当表达式非零时”一栏，选择“对应图符可见”。9) 单击“确认”按钮，退出“可见度”设置页。10) 单击“确认

17、”按钮，退出“单元属性设置”窗口，结束启动指示灯的动画连接。11) 单击“保存”按钮。12) 依次对其他指示灯进行设置，依照步骤1）11）。经过这样的连接，当按下机械手或画面上的启动按钮后，不但相应变量的值会改变，相应指示灯也会出现亮灭的改变。 机械手的动画连接1、垂直移动动画连接：1) 在“实时数据库”中增加一个新变量“垂直移动量”，初值：0，类型：数值型。2) 单击“查看”菜单，选择“状态条”，在屏幕下方出现状态条。状态条左侧文字代表当前操作状态，右侧显示被选中对象的坐标和大小。3) 估计总垂直移动距离：在上工件底边与下工件底边之间画一条直线，根据状态条大小指示可知直线长度即总垂直移动距离

18、，垂直移动距离为104。4) 在脚本程序的开始处增加“动画控制”语句：IF 下移=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-1ENDIF变化率=1个相素/每次，即每执行一次脚本程序，垂直移动量加1或减1，当然变化率也可以选大些或小些。5) 计算垂直移动一次脚本程序执行次数：次数=下移时间（上升时间）/循环策略执行间隔=5s/200ms=25次。6) 计算：垂直移动量的最大值=循环次数* 变化率=25*1=25。7) 在机械手监控画面中选中并双击上工件，弹出“属性设置”窗口。8) 在“位置动画连接”一栏中选中“垂直移动”，单击“

19、垂直移动”选项卡，进入该页。9) 按照图4-9所示在“表达式”一栏填入：垂直移动量。在垂直移动连接栏填入各项参数。单击“确认”按钮，存盘。10) 进入运行环境，单击“启动”按钮，观察动作。图3-9 动画组态属性设置2、水平移动动画连接：1) 水平移动总距离的测量：在工件初始位置和移动目的地之间画一条直线，记下状态条大小指示，此参数即为总水平移动距离。移动距离为180.2) 在数据库中增加一个变量：水平移动量，数值型，初值为0。图3-10 动画组态属性设置3) 脚本程序中增加以下代码：IF 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-1EN

20、DIF4) 脚本程序执行次数后缩时间（前伸时间）循环策略执行时间=10s/200s=50次。5) 计算：水平移动量的最大值=循环次数*变化率=50*1=50，即当水平移动量50时，水平移动距离为180。6) 如图4-21所示对右滑杆、机械手、上工件、气夹分别进行水平动画连接。参数设置的意思是：当水平移动量=0时，向右移动距离为0；当水平移动量50时，向右移动距离为180。7) 进入运行环境调试。3、工件移动动画的实现：1) 在实时数据库中填加一个变量：工件夹紧标志，初值：0，类型：开关。2) 在脚本程序中加入两条语句：IF 夹紧=1 THEN工件夹紧标志=1 处于夹紧状态ENDIFIF 放松=

21、1 THEN工件夹紧标志=10 处于放松状态ENDIF 图3-11 动画组态属性设置3) 选中下工件，在“属性设置”页中选择可见度。4) 进入“可见度”页，在表达式一栏填入：工件夹紧标志；当表达式非零时，选择：对应图符不可见。意思是：当工件夹紧标志1时，下工件不可见；当工件夹紧标志0时，下工件可见。如图4-21所示。5) 选中并双击上工件，将其可见度属性设置为与下工件相反，即当工件夹紧标志非零时，对应图符可见。如图4-22所示。图3-12 动画组态属性设置5）依照步骤3)5)对气夹进行设置。6）存盘，进入运行环境调试。7）删去画面中不需要的图符。保存所有组态设置，然后关闭组态监控程序。将PLC

22、程序下传到PLC装置中并让其运行，切换到离线状态，然后启动MCGS，进入组态工程运行界面。在运行中通过对按钮的操作可检测所编程序的正确与否。经过运行测试，该组态监控软件可对机械手控制系统的动作过程进行有效监控，PLC程序达到了控制要求。4.1 系统调试（1）硬件检测调试从硬件方面检查系统的各个方面，保证系统的硬件接线正确（2）机械手控制程序的调试程序的模拟调试将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入出现错误。用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通/断状态用PLC上有关的法官二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载。可以根据功能表，

23、在适合的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件是现实时，是否发生的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级初步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。在程序调试过程中出现了一系列的问题，但最终都一一解决了。在使用STL指令编程时，刚开始由于对STL指令掌握的不是很好，所以犯了不少错误，加上机械手模型装置本身存在的一些问题，所以在调试程序时，机械手动作不符合控制要求。经过不断查阅资料，研究、改进，最终程序调试成功。机械手运行良好，动作

24、正确、符合控制要求。结 论在本次课题设计中，机械手模型控制系统采用PLC进行控制，大大提高了该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线，提高了控制系统的可靠性。同时，使用PLC进行控制可方便更改生产流程，增强控制功能。通过本次设计，可以根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数，实现机械手控制系统的不同工作需求，机械手控制系统具有了很大的灵活性和可操作性。利用组态软件MCGS对机械手控制系统进行监控，可以以最少的人员配置来加强对机械手的管理，提供较为直观、清晰、准确的机械手运行状态，进而为维修和故障诊断提供多方面的可能性，充分提高系统的工作效率。MCGS是一种比较新颖的软件，将MCGS应用于机械手的自动控制对我来说是一次新的体验。本文中介绍的机械手模型控制系统对于教学有很好的辅助作用。机械手控制技术是一项综合型的技术，机械手控制系统又是一个复杂的随机系统，本次设计的机械手模型控制系统与真正的机械手控制系统之间还有很大的差距。由于对组态软件MCGS掌握的不熟练，软件的一些功能没有能应用到监控系统中。另外，本文中的机械手模型控制系统比较简单，还需要不断改进和加强。北京昆仑通态