2874 基于plc的机械手模型控制系统设计
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基于plc的机械手模型控制系统设计
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分 类 号 密 级 宁波大红鹰学院毕业设计(论文) 机械手的PLC控制所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文机械手的PLC控制均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月 日 36 宁波大红鹰学院本科毕业设计目 录目 录- 1 -摘 要- 2 -Abstract- 3 -第一章 前言- 4 -1.1 研究的目的及意义- 4 -1.2 机械手在国内外现状和发展趋势- 4 -1.3 主要研究的内容- 5 -1.4 解决的关键问题- 6 -第二章 可编程控制PLC- 6 -2.1 PLC 简介- 6 -2.2 PLC的基本组成及各部分作用- 7 -2.2.1中央处理单元(CPU)- 8 -2.2.2存储器- 8 -2.2.3 I/0单元- 9 -2.2.4电源部分- 9 -2.2.5扩展接口- 9 -2.2.6通信接口- 10 -2.2.7编程器- 10 -第三章 机械手PLC控制系统设计- 16 -3.1 机械手的工艺过程- 16 -3.2 PLC 控制系统183.3PLC 控制系统程序设计19总结与展望24参考文献25致 谢26附 录27附录1 程序流程图27附录2 顺序功能图30附录3 梯形图31附录4 指令表33 摘 要机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。本文介绍的机械手是由PLC输出三路脉冲，分别驱动横轴、竖轴变频器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给PLC主机；位置信号由接近开关反馈给PLC主机，通过交流电机的正反转来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。 本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用驱动和PLC控制的设计方案。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用驱动，控制系统中选择PLC的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。通过以上部分的工作，得出了经济型、实用型、高可靠型机械手的设计方案，对其他经济型PLC控制系统的设计也有一定的借鉴价值。关键词: 机械手，交流电机,可编程控制器（PLC），自动化控制，。Abstract Manipulator industrial robot systems traditional mandate, Robot is one of the key components. Manipulator using the mechanical structure of screw-ball, slider, and other mechanical devices composition; Electric have AC motor, inverter, sensor, and other electronic device components. The device covers a programmable control technology, position control technology, detection technology, Mechatronics is a typical representative of one of the machines. This paper presents a manipulator by three PLC output pulse, driving horizontal, the vertical axis transducer, control manipulator axis horizontal and vertical positioning precision, micro-switches position signal transmission will host PLC; location close to the switching signal from the feedback from the mainframe to the PLC, through the exchange of Motor reversion to control the manipulator gripper Zhang, thus achieving accurate manipulator movement functions. The topics to be developed by the Manipulator grasping be up in space objects, movements flexible, diverse, can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations, According to the workpiece can change the campaign process and the requirements of any changes to the relevant parameters. In this paper, by reviewing the developmental status of the manipulator in recent years, combining the design of manipulator and systematic analyzing technology of the manipulator, We proposed the design scheme that the manipulator was driven by the pneumatic and the system was controlled by PLC. Integrative idea was adopted in this design to fully consider the characteristics of the software and hardware and complementary optimization. We analyzed and designed the overall structure, the implementation of structural, driving system and control system of the manipulator. We used pneumatic-driven in the driving system, PLC control unit in the control system to complete initialization of the system, manipulators moving, failure alarm and so on. Finally we put forward a control strategy which is simple, easy to realize, and clear theoretical significance. Through the work above, a practical, economical, high-reliability sorting material manipulator was designed, which also had certain reference value for the other types of economical PLC control system design. Key words: manipulator ；AC motor ； programmable logic controller (PLC)； automatic control；sorting material第一章 前言1.1 研究的目的及意义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。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，可以大量代替单调往复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在高温、腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身安全，可以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。 可编程控制器(PLC)是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点，已成为目前在机械手控制系统中使用最多的控制方式。使用PLC的自动控制系统具有体积小，可靠高，故障率低，动作精度高等优点。适应工业需要，本课题试图开发PLC对机械手的控制，并借助必要的精密传感器，使其能够对不同颜色的物料按预先设定的程序进行分拣，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产，广泛应用于柔性生产线。采用PLC控制，是一种预先设定的程序进行的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，而对于位置改变时，只要重新编程，并能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。本设计主要完成机械手的硬件部分与软件部分设计。主要包括执行系统、驱动系统和控制系统的设计。1.2 机械手在国内外现状和发展趋势 机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统，实现生产自动化。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，国际上的机械手公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奥地利的工GM公司。我国机械手起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段：70年代萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用化期。在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。1.3 主要研究的内容随着机械手技术的飞速发展和机械手应用领域的不断深化，不仅要求其控制可靠性强、使用灵活性高和操作灵活性好，还要其成本低、可开发经济性强。本论文主要研究机械手以下几个方面的内容：要求独立完成工业机械手PLC控制系统设计与调试。(1) 如图所示，有两部机械对工作物进行加工，加工位置分别是A点、B点，要求由机械手臂将加工物从A点送至B点。(2) 手动操作，每个动作均能单独操作，用于将机械手复归至原点位置；(3) 连续运行，在原点位置按起动按钮时，机械手按图连续工作一个周期，一个周期的工作过程如下：原点下降夹紧（T）上升右移下降放松（T）上升左移到原点。任务要求：1) PLC外部接线图，以及其它相关设备的电气图；PLC编程元件明细表，应包含定时器、计数器等元件的设定值；2) 完整的程序资料，应包括PLC工序图、梯形图、指令表等3种格式的程序及注解；1.4 解决的关键问题1 机械手的控制系统，包括控制系统的电路和控制程序，并解决工件和控制系统的协调问题。2 元件的匹配规则和知识的获取及其表达形式。3 传感器的类型选择。第二章 可编程控制PLC2.1 PLC 简介PLC（Programmable Logic Controller），是可编程逻辑控制器。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的 工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC,plc自1969年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程 序控制器质量优良，功能强大。 世界上公认的第一台PLC时1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数等功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。因而人们称可编程控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得了广泛的应用。例如，在世界第一台可编程控制器的诞生地美国，1982年的统计数字显示，大量应用可编程控制器的工业厂家占美国重点工业行业厂家总数的82%，可编程控制器的应用数量已位于众多的工业自控设备之首。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。许多可编程控制器的生产厂家已闻名于全世界。 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控制的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机及超小型机；从控制能力上来说，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，通讯单元，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的到了长足的发展。. 2.2 PLC的基本组成及各部分作用 PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。 整体式PLC是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的1/0扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，1/0单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能1/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m.无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。 2.2.1中央处理单元(CPU) CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务:(1) 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；(2) 诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误;(3) 用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来;(4) PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解 释和执行，完成用户程序中规定的各种操作;(5) 将用户程序的执行结果送至输出端。2.2.2存储器 根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种:系统程序存储器:和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM.用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池(铿电池)保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM.目前较先进的PLC(如欧姆龙公司的CPMIA型PLC)采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。元件映象寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A/0转换得到的数字和数学运算的结果等。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可保持数据的存储器区域称为数据保持区。2.2.3 I/0单元 I/0单元也称为I/0模块。PLC通过I/0单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能 能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件.2.2.4电源部分 PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V, +12V, +24V的直流电源，使PLC能正常工作。 电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的CPU，通常电源封装到机壳内部;对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。2.2.5扩展接口 扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。2.2.6通信接口 为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印;当与监视器相连时.可将过程图像显示出来;当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的控制;当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合性控制。2.2.7编程器 编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRL图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。还可以利用PC作为编程器，PLC生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的互相转换。程序被下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。现在很多PLC已不再提供编程器，而是提供微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆。2.3 PLC的应用领域 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类:(1)开关量逻辑控制 取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于控制单台设备，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。(2)工业过程控制 在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量(即模拟量)，PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。(3)运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。(4)数据处理 PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。(5)通信及联网 PLC通信包括PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。但是，可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。2.4PLC 的工作原理 可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP） 状态。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制 功能。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。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可如上图编程序控制器还要完 成，内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为 5 个阶段。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。由于计算机执行指令的速度极 高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查 CPU 模块内部的硬件是否正常， 将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应 编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。当可编程序控制器处于停止（STOP） 状态时，只执行以上的操作。可编程序控制起处于（RUN）状态时，还要完成另 外 3 个阶段的操作。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。在输 入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态 读入输入寄存器。外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，梯形图 中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入触点电路断开， 对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断 开，常闭触点接通。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输 入映像寄存器的状态 也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫 描周期的输入处理阶段被读入。可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺 序排列。在没有跳转指令时，CPU 从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的 0/1 状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算结写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。在输出处理阶段，CPU 将输出映像寄存器的 0/1 状态传送到输出锁存器。体 型图某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态。 信号经输出模块隔离 和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的 线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为“0”状态，在输 出处理阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点 断开，外部负载断电，停止工作。某一编程元件对应的映像寄存器为“1”状态 时，称该编程元件为 ON，映像寄存器为“0”状态时，称该编程元件为 OFF。（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 映象区的相应单元内。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 映象区的相应单元的 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 映象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。(4)输入/输出滞后时间 输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指可编程序控制器的外部输入信号,发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间 三部分组成。输入模块的 CPU 滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输 入触点动作是产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波 时间的长短，其典型值为 10ms 左右。输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般 在 10ms 左右；双向可空硅型输出电路在负载接通时的滞后时间约为 1ms，负载 由导通到断开时的最大滞后时间为 10ms；晶体管型输出电路的滞后时间约为1ms。由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达到两个多扫描周期。可编程序控 制器总的响应延迟时间一般只有几十 ms，对于一般的系统是无关紧要的。要求 输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的可编程序 控制器或采取其他措施。2.5 PLC 机型的选择方法2.5.1PLC 的类型PLC 按结构分为整体型和模块型两类，按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.冗余功能的选择a控制单元的冗余（1）重要的过程单元：CPU（包括存储器）及电源均应 1B1 冗余。（2）在需要时也可选用 PLC 硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2 重化或 3 重化冗余容错系统等。b I/O 接口单元的冗余（1）控制回路的多点 I/O 卡应冗余配置。（2）重要检测点的多点 I/O 卡可冗余配置。3）根据需要对重要的 I/O 信号，可选用 2 重化或 3 重化的 I/O 接口单元。6.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， 估因此，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。2.6机械手 PLC选择及参数综合上述原则机械手控制系统主机为三菱的 FX2N-48MR。1. 主要技术数据如下： 2. 工作电源：24VDC输入点数：24输出点数：24 输入信号类型：直流或开关量 输入电流：24VDC5mA模拟输入：-10V10V（-20mA+20mA） 输出晶体管允许电流 0.3A/点（1.2A/COM） 输出电压规格：30VDC最大负载：9W输出反应时间：OffOn 20sOnOff30s 基本指令执行时间：数个s 程序语言：指令+梯形图+SFC程序容量：3792STEPS基本顺序指令：32 个（含步进梯形指令） 应用指令：100 种初始步进点：S0S9 一般步进点：118 点，S10S127辅助继电器：一般用 512+232 点（M000M511+M768M999）停电保持用 256 点（M512M767） 特殊用 280 点（M1000M1279）定时器：100ms 时基 64 点（T0T63）10ms 时基 63 点（T64T126，M1028 为 ON 时）1ms 时基 1 点（T127）计数器：一般用 112 点（C000C111，16 位计数器） 停电保持用 16 点（C112C127，16 位计数器）高速用 13 点 1 相 5kHz，2 相 2kHz（C235C254，全部为停电保持32 位计数器）数据寄存器：一般用 408 点（D000D407） 停电保持用 192 点（D408D599） 特殊用 144 点（D1000D1143）指针/中断：P64 点；I4 点（P0P63/I001、I101、I201、I301） 串联通信口：程序写入/读出通讯口：RS232一般功能通讯口：RS485 主机电源 220V AC2.PLC 主机的组成1、输入单元输入单元由 8 个按扭、8 个开关和 16 个接插件组成，它们分别与 PLC 的 16 个输入点相接。改变这些开关或按扭的通断状态，即可对主机输入所需要的开关 量。16 个接插件可外接其它直流或开关量输入信号。2、输出单元输出单元由 24 个二极管和 24 个接插件组成，它们分别与 PLC 的 24 个输出点 相连。发光二极管是否发光，即可表示输出点的状态，使用者可得到主机的输出 信息。24 个输出接插件可外接其它需要控制的设备。输出单元的 4 个地端，分 别引出到面板，其中只有 C4 与 3V 电源共地。3、电源单元PLC 主机左边有外接 220V/AV 的电源插座，作为 PLC 的工作电源。内装变压 器，输出 3V 电源，供二极管使用。另外 PLC 的 24VDC 和 24GND 已引出到面板，供外接输入器件（如传感器）的工作电源用第3章 机械手PLC控制系统设计3.1 机械手的工艺过程机械手的工作均由电机 驱动，它的上升、下降、左移、右移都是有电机驱动螺纹丝杆旋转来完成的。 分析工艺过程机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，机械手将原点下降夹紧（T）上升右移下降放松（T）上升左移到原点,动作完成一个工作周期。机械手的下降、上升、右移、左移等动作转换，是由相应的限位开关来控制的，而加紧、放松动作的转换是有时间来控制的。为了确保安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降， 若上次搬到右工作台上的工件尚未移走，机械手应自动暂停，等待。为此设置了一个光电开关，以检测“无工件”信号。 为了满足生产要求，机械手设置了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：从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。3） 单周期工作方式：按下启动按钮，机械手按工序自动自动完成一个周期的动作，返回原点后停止。4） 连续工作方式：按下按钮，机械手从原点，按步序自动反复连续工作，在连 续工作方式下设置两种停车状态：正常停车：在正常工作状态下停车。按下复位按钮，机械手在完成最后一个 周期的工作后，返回原点自动停机。紧急停车：在发生事故或紧急状态时停车。按下紧急停车按钮，机械手停止 在当前状态。当故障排除后，需手动回到原点。3.2 PLC 控制系统1确定输入/输出点数并选择 PLC 型号1）输入信号位置检测信号：下限、上限、右限、左限共 4 个行程开关，需要 4 个输入端 子。“无工件检测”信号：用光电开关作检测元件，需要 1 个端子。“工作方式”选择开关：有手动、单步、单周期和连续 4 种工作方式，需要4 个输如端子。手动操作：需要有下降、上升、右移、左移、加紧、放松 6 个按钮，也需要6 个输入端子。自动工作：尚需启动、正常停车、紧急停车 3 个按钮，也需要 3 个输入端子。 以上共需要 18 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、右移、左移、加紧、放松以三个 电动机转速的控制等，共需要 11 个输出点。机械手从原点开始工作，需要一个 原点指示灯，也需要 1 个输出点。所以，至少需要 6 个输出点。由于机械手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 FX2N-48RM，其输入和输出各 24 点，继电器输出型。FX2N-48RM 的各项工作参数已在第二章介绍，在此不在做介绍。2分配 PLC 的输入/输出端子PLC 的输入输出端子分配接线图，如图 5-2 所示。 图 5-2 输入/输出分配接线图所需元器件明细表3.3PLC 控制系统程序设计为了方便编程，可将手动和自动程序分别编出相对独立的程序段，用跳转指 令进行选择，控制系统程序结构框图，如图 5-3 所示。选择手动方式时，X3 接 同，跳过自动程序，执行手动程序；选择自动工作方式时，X3 断开，执行自动 程序。（1）手动程序手动操作不需要按工序顺序进行动作，所以可按普通继电器程 序来设计。手动操作的梯形图，如图 5-4 所示，手动按钮 X20-X25 分别控制下 图 5-3 总程序结构框图 图 5-4 手动程序 降、上升、右移、左移、加紧和放松各个动作。为了保证系统的的安全与进行， 设置了一些必要的连锁。其中在左、右移动的电路中加入 X11 作上限连锁，这是 因为机械手只有处于上限位置时，才允许左、右移动。（2） 自动程序自动程序如图 5-5 所示。1）连续及单周期操作。当机械手在原点时，程序处于初始状态 S0，执行下 降动作。当下降到下限位开关时，X10 接通，又接通下一个状态 S21，接着执行 下一步动作。当执行完最后一步动作，即左移到原点碰到左限位开关时，X13 接 通，如果是单周期操作，则 M0 断开，回到初始状态，如果连续操作，则 M0 接通， 状态转移至 S20，又开始下一个周期的循环。在运行中，如按正常停车按钮，则 X1 接通，M0 复位，机械手的动作继续执 行完一个周期后，回到初始状态。如按紧急停车按钮，则 X2 接通，状态 S0S33 全部复位，机械手工作停止。重新启动时，先用手动来将机械手移回原点，才能 再次进行自动操作。2）单步操作。当自动操作程序采用步进指令设计时，单步操作程序用“禁止状态转移”标志器 M8040 来实现，如图 5-6 所示。该继电器线圈接通时，禁进状态转移，线圈断电时，允许状态转移。图
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