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分 類 號 密 級 寧寧波大紅鷹學院 畢業(yè)設計(論文) 基于PLC的自動化車間物料 搬運裝置的控制設計 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 婁斌 學 號 指導老師 年 月 日 誠 信 承 諾 我謹在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《基于PLC的自動化車間物料搬運裝置的控制設計》均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔。 承諾人（簽名）： 年 月 日 摘 要 在工業(yè)生產(chǎn)和其他領域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危及生命。自從自動化控制裝置問世以來，相應的各種難題迎刃而解。自動化控制裝置可在空間抓、放、搬運物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應用于柔性自動線。自動化控制裝置一般由耐高溫，抗腐蝕的材料制成，以適應現(xiàn)場惡劣的環(huán)境，大大降低了工人的勞動強度，提高了工作效率。自動化控制裝置是工業(yè)機器人的重要組成部分，在很多情況下它就可以稱為工業(yè)機器人。工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備?？删幊炭刂破魇抢^電器控制和計算機控制出上開發(fā)的產(chǎn)品，逐漸發(fā)展成以微器處理為核心把自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)自動控制裝置。本文應用三菱公司生產(chǎn)的可編程控制器FX系列PLC，實現(xiàn)自動化控制裝置搬運控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了可編程控制器（PLC）控制功能。使該系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，時期功能范圍得到廣泛應用。 關鍵詞：物料搬運，可編程控制器，自動化，限位開關 Abstract In the industrial production and other fields, as a result of the need, people are often subjected to high temperature, corrosive and toxic gases and other factors, an increase of labor intensity, and even life-threatening. Since the mechanical hand inception, corresponding to the various problems be smoothly done or easily solved. In space manipulator can be caught, put, carry objects, flexible, applicable to the production varieties can be switched, in small batch production, widely used in flexible automatic production line. Mechanical hands by high temperature resistant, corrosion resistant material, in order to adapt to the harsh environment, greatly reducing the labor intensity of workers, improves the work efficiency. The manipulator is an important component of industrial robots, in many cases it can be called industrial robot. Industrial robot is set machinery, electronics, control, computers, sensors, artificial intelligence and other advanced technologies in the integration of multidisciplinary important modern manufacturing equipment. The programmable controller is a relay control and computer control on development of products, and gradually developed into a microfluidic device processing as the core of the automation technology, computer technology, communication technology com. New industrial automatic control device. In this paper the application of Mitsubishi company production of programmable controller FX series PLC, realize the manipulator transportation control system, the system makes full use of the programmable logic controller ( PLC ) control function. So that the system is reliable and stable, time functional scope obtains the widespread application. Key Words: Material handling, programmable controller, automation, limit switch 目 錄 摘 要 III Abstract IV 目 錄 V 第1章 緒論 1 1.1 課題的背景和意義 1 1.2 課題國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2 第二章 總體方案確定 3 2.1 總體方案論證 3 2.1.1 自動化控制裝置手臂結(jié)構(gòu)方案設計 4 2.1.2 自動化控制裝置驅(qū)動方案設計 4 2.1.3 自動化控制裝置控制方案設計 4 2.2 PLC 慨況 5 2.2.1 PLC的結(jié)構(gòu)及基本配置 6 2.2.2 PLC的選型 9 2.2.3 PLC的工作過程 9 2.3自動化控制裝置 12 2.3.1自動化控制裝置簡介 12 第3章 氣動部分設計 14 第4章 PLC控制部分設計 15 4.1 電磁鐵動作順序 15 4.2 I/O分配 16 4.3 PLC控制梯形圖 17 4.3 PLC控制程序指令 18 總 結(jié) 23 參考文獻 24 致 謝 25 寧波大紅鷹學院本科畢業(yè)設計 第1章 緒論 1.1 課題的背景和意義 自從自動化控制裝置問世以來，相應的各種難題迎刃而解。能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。通用自動化控制裝置因具有獨立的控制系統(tǒng)、程序可變、可在空間抓、放、搬運物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應用于柔性自動線。近年來隨著氣動技術(shù)的迅速發(fā)展，氣動元件及氣動自動化技術(shù)已越來越多地應用于自動化控制裝置中，構(gòu)成氣動自動化控制裝置。 氣動自動化控制裝置的全部動作由電磁閥控制的氣缸驅(qū)動。其中,上升、下降和左移、右移分別由雙線圈兩位電磁閥控制,自動化控制裝置的放松、夾緊也由雙線圈兩位電磁閥(夾緊電磁閥)控制。自動化控制裝置一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)組成,主要完成移動、轉(zhuǎn)動、抓取等動作。 本課題用氣動驅(qū)動，PLC控制。包括總體設計，各執(zhí)行機構(gòu)設計，氣動系統(tǒng)設計、計算，控制系統(tǒng)設計。技術(shù)要求有以下幾點： a.裝卸、調(diào)整方便； b.結(jié)構(gòu)簡單，工作安全可靠； c.設計合理，盡量使用標準件，以降低制造成本； d.用PLC對自動化控制裝置進行控制。 總體設計思路： a.確定總體結(jié)構(gòu)的組成、框架及各部分的功能與工作目標。 b.根據(jù)設計任務書的要求，初步計算各工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。 c.設計機體分級部分的結(jié)構(gòu)及主要零件結(jié)構(gòu)。 d.主要分級結(jié)構(gòu)部分的主要零件強度和剛度，檢查其加工工藝性和裝配工藝性。 e.保證與其它部分的接口合理。 f.根據(jù)設計結(jié)果，修正設計參數(shù)。 1.2 課題國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢: a.工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。 b.機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 c.工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 d.機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 e.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 f.當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 g.機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術(shù)的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。 第二章 總體方案確定 2.1 總體方案論證 自動化控制裝置主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。 對氣動自動化控制裝置的基本要求是能快速、準確地拾一放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計氣動自動化控制裝置的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對自動化控制裝置結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的標準件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設計的自動化控制裝置是通用氣動自動化控制裝置，是一種適合于小批生產(chǎn)的、可以變動作程序的自動搬運或操作設備生產(chǎn)場合。 2.1.1 自動化控制裝置手臂結(jié)構(gòu)方案設計 按照抓取工件的要求，本自動化控制裝置的手臂有四個自由度，即手臂的夾緊、左右回轉(zhuǎn)、左右伸縮和升降運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的手臂的左右伸縮，手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn) 2.1.2 自動化控制裝置驅(qū)動方案設計 氣壓傳動的優(yōu)點： 1.對于傳動形式而言，氣缸作為線性驅(qū)動器可在空間的任意位置組建它所需的運動軌跡，安裝維護簡單； 2．工作介質(zhì)是取之不盡、用之不竭的空氣，空氣本身不花錢。排氣處理簡單，不污染環(huán)境，成本低。壓力等級低，使用安全； 3.氣缸動作速度一般為50～500mm/s，比液壓和電氣方式的動作速度快，其間，通過單向節(jié)流閥，可使氣缸速度無級調(diào)節(jié)； 4.可靠性高，使用壽命長。電器元件的有效動作數(shù)約為數(shù)百萬次，而進口的一般電磁閥的壽命大于3000萬次，小型閥超過一億次； 5．利用空氣的可壓縮性，可儲存能量，實現(xiàn)集中供氣； 6.全氣動控制具有防火、防爆、耐潮的能力。與液壓方式相比，氣動方式可在高溫場合使用； 7.由于空氣損失小，壓縮空氣可集中供應，遠距離輸送。 根據(jù)以上優(yōu)點可知道氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本自動化控制裝置采用氣壓傳動方式。 2.1.3 自動化控制裝置控制方案設計 綜合分析自動化控制裝置的動作要求，PLC在自動化控制裝置中需要完成的控制功能較多，控制精度較高，運算速度較快且具有數(shù)據(jù)處理能力，并考慮整個系統(tǒng)的經(jīng)濟和技術(shù)指標，由于PLC的輸出電流較小，需要用功率模塊來控制比例液壓閥，選用西門子公司的S7-200系CPU226型PLC，其I／O功能和指令系統(tǒng)都能滿足對該自動化控制裝置的控制要求?？刂瓢粹o、各處的行程開關及壓力繼電器等開關量信號直接與PLC的輸入端子相連，PLC的開關量輸出端子直接與各個電磁閥相連，用PLC上所帶的24V電源或外接24V電源驅(qū)動，采用編程軟件(STEP 7-Micro／WIN V4．4版)進行編程和運行監(jiān)控。 2.2 PLC 慨況 可編程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，簡稱PC）。與個人計算機的PC相區(qū)別，用PLC表示。 自二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應用。同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關量處理的基礎上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領域也發(fā)揮著十分重要的作用。 PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀七十年代的PLC只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和運算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內(nèi)有指示程序步存儲地址的程序計數(shù)器，在程序運行過程中，每執(zhí)行一步該計數(shù)器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點，在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結(jié)果送給PLC的控制器。 相同I/O點數(shù)的系統(tǒng)，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大約能省40%左右）。PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護成本比DCS要低很多。一個PLC的控制器，可以接收幾千個I/O點（最多可達8000多個I/O）。如果被控對象主要是設備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設計企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。 近10年來，隨著PLC價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴大，越來越多的中小設備開始采用PLC進行控制，PLC在我國的應用增長十分迅速。隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展和基礎自動化水平的不斷提高，今后一段時期內(nèi)PLC在我國仍將保持高速增長勢頭。 通用PLC應用于專用設備時可以認為它就是一個嵌入式控制器，但PLC相對一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的穩(wěn)定性。實際工作中碰到的一些用戶原來采用嵌入式控制器，現(xiàn)在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器 PLC是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎上引入了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。國際電工委員會（IEC）頒布了對PLC的規(guī)定：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。 PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點?？梢灶A料：在工業(yè)控制領域中，PLC控制技術(shù)的應用必將形成世界潮流 PLC程序既有生產(chǎn)廠家的系統(tǒng)程序，又有用戶自己開發(fā)的應用程序，系統(tǒng)程序提供運行平臺，同時，還為PLC程序可靠運行及信息與信息轉(zhuǎn)換進行必要的公共處理。用戶程序由用戶按控制要求設計。 2.2.1 PLC的結(jié)構(gòu)及基本配置 和繼電器控制系統(tǒng)類似，PLC控制系統(tǒng)也是由輸入部分、邏輯部分和輸出部分組成。 一般講，PLC分為箱體式和模塊式兩種。但它們的組成是相同的，對箱體式PLC，有一塊CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，當然按CPU性能分成若干型號，并按I/O點數(shù)又有若干規(guī)格。對模塊式PLC，有CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架。無任哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都屬于總線式開放型結(jié)構(gòu)，其I/O能力可按用戶需要進行擴展與組合。 CPU的構(gòu)成：PLC中的CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。 CPU功能： （1） 用掃描方式（后面介紹）接收現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映象寄存器或數(shù)據(jù)寄存器； （2）接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)； （3）診斷電源和PC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編程過程中的語法錯誤； （4）在PC進入運行狀態(tài)后： a） 執(zhí)行用戶程序——產(chǎn)生相應的控制信號（從用戶程序存儲器中逐條讀取指令，經(jīng)命令解釋后，按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去啟閉有關的控制電路） b） 進行數(shù)據(jù)處理——分時、分渠道地執(zhí)行數(shù)據(jù)存取、傳送、組合、比較、變換等動作，完成用戶程序中規(guī)定的邏輯或算術(shù)運算任務 c） 更新輸出狀態(tài)——輸出實施控制（根據(jù)運算結(jié)果，更新有關標志位的狀態(tài)和輸出映象寄存器的內(nèi)容，再由輸入映象寄存器或數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容，實現(xiàn)輸出控制、制表、打印、數(shù)據(jù)通訊等） 存儲器 系統(tǒng)程序存儲器——存放系統(tǒng)工作程序（監(jiān)控程序）、模塊化應用功能子程序、命令 解釋、功能子程序的調(diào)用管理程序和系統(tǒng)參數(shù) *不能由用戶直接存取 用戶存儲器 用戶程序存儲器——存放用戶程序。即用戶通過編程器輸入的用戶程序。 功能存儲器（數(shù)據(jù)區(qū)）——存放用戶數(shù)據(jù) PC的用戶存儲器通常以字（16位/字）為單位來表示存儲容量。 注意：系統(tǒng)程序直接關系到PC的性能，不能由用戶直接存取，所以，通常PC產(chǎn)品資料中所指的存儲器形式或存儲方式及容量，是指用戶程序存儲器而言。 與通用計算機一樣，主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，還有外圍芯片、總線接口及有關電路。它確定了進行控制的規(guī)模、工作速度、內(nèi)存容量等。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。 CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。 CPU的運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。 CPU的寄存器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。 CPU雖然劃分為以上幾個部分，但PLC中的CPU芯片實際上就是微處理器，由于電路的高度集成，對CPU內(nèi)部的詳細分析已無必要，我們只要弄清它在PLC中的功能與性能，能正確地使用它就夠了。 CPU模塊的外部表現(xiàn)就是它的工作狀態(tài)的種種顯示、種種接口及設定或控制開關。一般講，CPU模塊總要有相應的狀態(tài)指示燈，如電源顯示、運行顯示、故障顯示等。箱體式PLC的主箱體也有這些顯示。它的總線接口，用于接I/O模板或底板，有內(nèi)存接口，用于安裝內(nèi)存，有外設口，用于接外部設備，有的還有通訊口，用于進行通訊。CPU模塊上還有許多設定開關，用以對PLC作設定，如設定起始工作方式、內(nèi)存區(qū)等。 I/O模塊：PLC的對外功能，主要是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。 電源模塊：有些PLC中的電源，是與CPU模塊合二為一的，有些是分開的，其主要用途是為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源以其輸入類型有：交流電源，加的為交流220VAC或110VAC，直流電源，加的為直流電壓，常用的為24V。 底板或機架：大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。 PLC 的外部設備：外部設備是PLC系統(tǒng)不可分割的一部分，它有四大類 1. 編程設備：有簡易編程器和智能圖形編程器，用于編程、對系統(tǒng)作一些設定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程器是PLC開發(fā)應用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。 2. 監(jiān)控設備：有數(shù)據(jù)監(jiān)視器和圖形監(jiān)視器。直接監(jiān)視數(shù)據(jù)或通過畫面監(jiān)視數(shù)據(jù)。 3. 存儲設備：有存儲卡、存儲磁帶、軟磁盤或只讀存儲器，用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，使用戶程序不丟失，如EPROM、EEPROM寫入器等。 4. 輸入輸出設備：用于接收信號或輸出信號，一般有條碼讀人器，輸入模擬量的電位器，打印機等。PLC的通信聯(lián)網(wǎng)：PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計算機以及其他智能設備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制。現(xiàn)在幾乎所有的PLC新產(chǎn)品都有通信聯(lián)網(wǎng)功能，它和計算機一樣具有RS-232接口，通過雙絞線、同軸電纜或光纜，可以在幾公里甚至幾十公里的范圍內(nèi)交換信息。 當然，PLC之間的通訊網(wǎng)絡是各廠家專用的，PLC與計算機之間的通訊，一些生產(chǎn)廠家采用工業(yè)標準總線，并向標準通訊協(xié)議靠攏，這將使不同機型的PLC之間、PLC與計算機之間可以方便地進行通訊與聯(lián)網(wǎng)。 了解了PLC的基本結(jié)構(gòu)，我們在購買程控器時就有了一個基本配置的概念，做到既經(jīng)濟又合理，盡可能發(fā)揮PLC所提供的最佳功能。 2.2.2 PLC的選型 考慮到自動化控制裝置工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元器件連接的靈活性和方便性，采用PLC作為核心控制器，各控制對象都必須在PLC的統(tǒng)一控制下協(xié)同工作，所以PLC采用日本三菱公司的FX2N-32MR型PLC(16點輸入、16點輸出)。三菱FX2N系列可編程控制器是小型化，高速度，高性能的產(chǎn)品，是FX系列中最高檔次的超小型程序裝置。性能規(guī)格：FX2N性能規(guī)格運轉(zhuǎn)控制方法 通過儲存的程序周期運轉(zhuǎn)I/O控制方法 批次處理方法（當執(zhí)行END指令時） I/O指令可以刷新運轉(zhuǎn)處理時間 基本指令：0.08μs應用指令：1.52至幾百微秒 ，指令編程語言 邏輯梯形圖和指令清單 使用步進梯形圖能生成SFC類型程序程式容量 8000步內(nèi)置 。 2.2.3 PLC的工作過程 1. 初始操作（上電處理） PLC未進入正式運行前，首先應確定自身的完好性。這就是接通電源后的初始操作（見圖）。通電后，消除各元件的隨機狀態(tài)，進行清零或復位處理，檢查I/O單元的連接是否正確（I/O總線）。再做一道題，使它涉及各種指令和內(nèi)存單元，若解題時間在to以內(nèi)，則自身完好（否則，系統(tǒng)關閉），解題結(jié)束，將監(jiān)控定時器to復位，才開始正式運行。 運行 ·PLC的工作方式——（順序）周期循環(huán)掃描 掃描——按分時操作的原理，每一時刻執(zhí)行一個操作，順序進行，這種分時操作的過程稱“CPU對程序的掃描” ·工作特點——集中輸入，集中輸出（小型PLC） 二、PLC運行過程 1. 四大類操作 （1）公共操作——故障診斷及處理（自檢），一般故障，只報警，不停機 （2）I/O操作——聯(lián)系現(xiàn)場的數(shù)據(jù)輸入及控制信號的輸出 （3）執(zhí)行用戶程序——順序循環(huán)掃描 （4）服務外設 2. I/O處理過程——（教材P63 Fig3-6） 輸入采樣 三個階段 執(zhí)行用戶程序 輸出刷新 ·工作過程框圖： ·I/O處理過程： （1）數(shù)據(jù)輸入/輸出——I/O狀態(tài)刷新 采樣輸入信號 送出處理結(jié)果 a. 輸入映像存儲器及其刷新——對應于輸入端子狀態(tài)的數(shù)據(jù)區(qū) PLC中的CPU是不能直接從與外部接線端子打交道的。在輸入采樣階段，首先掃描所有輸入端子，經(jīng)過輸入調(diào)理電路（光電隔離、電平轉(zhuǎn)換、濾波處理等）后進入輸入緩沖器等待采樣。沒有CPU的采樣“允許” ，外界的輸入信號是不能進入內(nèi)存的。 當CPU采樣時，輸入信號便進入輸入映像存儲器——刷新。接著進入程序的執(zhí)行階段，直至信號的輸出。在此期間，輸入映像存儲器將現(xiàn)場與CPU隔離，無論輸入信號如何變化，輸入映像存儲器中的內(nèi)容保持到下一個掃描周期的輸入采樣階段，才重新采樣新的信號，即：輸入映像存儲器每周期刷新一次。 這樣，是否會影響對現(xiàn)場信息的反應速度？由于，PLC掃描周期一般僅幾十mS，兩次采樣之間的間隔時間很短，對一般的開關量而言，可以認為采樣是連續(xù)的。 b. 輸出映像存儲器及其刷新——CPU數(shù)據(jù)處理的中間結(jié)果和最終結(jié)果的存放區(qū)域 同理，CPU不能直接驅(qū)動負載，處理的結(jié)果存放在輸出映像存儲器中，直至所有程序執(zhí)行完畢，才將輸出映像區(qū)的內(nèi)容經(jīng)輸出鎖存器（稱為輸出狀態(tài)刷新）送到輸出端子上驅(qū)動外部負載。即：輸出映像存儲器——隨時刷新 輸出鎖存器——每周期刷新一次（刷新后的輸出狀態(tài)一直保持到下一次刷新） 同樣，兩次刷新的間隔僅幾十mS，即使考慮電路的電氣慣性（延遲）時間，仍可認為輸出是及時的。 c. 輸入/輸出狀態(tài)表——狀態(tài)RAM表 I/O映像存儲器的內(nèi)容，在CPU中構(gòu)成I/O狀態(tài)表，其內(nèi)容是CPU處理用戶程序及數(shù)據(jù)的依據(jù)。 注意：輸入狀態(tài)表——采樣時刷新 輸出狀態(tài)表——隨時刷新（中間值和最終結(jié)果） 輸出端子的接通或開斷——輸出鎖存器決定 （2） 執(zhí)行用戶程序 執(zhí)行 監(jiān)視 a. 監(jiān)控定時器WDT（WATCH DOG TIMER）——即監(jiān)控定時器t1 ·正常：執(zhí)行完用戶程序所需的時間應不超過t1。執(zhí)行程序前，復位t1，執(zhí)行程序開始t1計時，完畢后立即復位t1，表示程序執(zhí)行正常。 ·異常：因某些原因，程序進入死循環(huán)，執(zhí)行程序時間超出t1值，WDT發(fā)出警告，程序重新開始執(zhí)行，同時復位t1。若因偶然因素，則重新執(zhí)行程序?qū)⒄?，否則，系統(tǒng)自動停止執(zhí)行用戶程序，切斷外部負載，并發(fā)出故障信號等待處理。 b. 執(zhí)行用戶程序 （3） 執(zhí)行外設命令 每次執(zhí)行完用戶程序，輸出后，就進入服務外設命令的操作，如沒有外設命令，自動循環(huán)掃描。 2.3自動化控制裝置 2.3.1自動化控制裝置簡介 自動化控制裝置主要由手部和運動機構(gòu)組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為自動化控制裝置的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設計的關 鍵參數(shù)。自由 度越多，自動化控制裝置的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復雜。一般專用自動化控制裝置有2～3個自由度。 自動化控制裝置的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式自動化控制裝置；按適用范圍可分為專用自動化控制裝置和通用自動化控制裝置兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制自動化控制裝置等。 自動化控制裝置通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為自動化控制裝置。 自動化控制裝置是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進了自動化控制裝置的發(fā)展，使得自動化控制裝置能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。 自動化控制裝置雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，自動化控制裝置已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用，例如： (1)機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。 (2)在裝配作業(yè)中應用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機械行業(yè)中 它可以用來組裝零部件。 (3)可在勞動條件差，單調(diào)重復易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動。 (4)可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等。 (5）宇宙及海洋的開發(fā)。 (6)軍事工程及生物醫(yī)學方面的研究和試驗。 自動化控制裝置簡述:自動化控制裝置的形式是多種多樣的，有的較為簡單，有的較為復雜，但基本的組成形式是相同的，一般由執(zhí)行機構(gòu)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。 1．執(zhí)行機構(gòu) 自動化控制裝置的執(zhí)行機構(gòu)，由手、手腕、手臂、支柱組成。手是抓取機構(gòu)，用來夾緊和松開工件，與人的手指相仿，能完成人手的類似動作。手腕是連接手指與手臂的元件，可以進行上下、左右和回轉(zhuǎn)動作。簡單的自動化控制裝置可以沒有手腕。支柱用來支撐手臂，也可以根據(jù)需要做成移動。 2．傳動系統(tǒng) 執(zhí)行機構(gòu)的動作要由傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)。常用自動化控制裝置傳動系統(tǒng)分機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電力傳動等幾種形式。 3.控制系統(tǒng) 自動化控制裝置控制系統(tǒng)的主要作用是控制自動化控制裝置按一定的程序、方向、位置、速度進行動作，簡單的自動化控制裝置一般不設置專用的控制系統(tǒng)，只采用行程開關、繼電器、控制閥及電路便可實現(xiàn)動傳動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行機構(gòu)按要求進行動作．動作復雜的自動化控制裝置則要采用可編程控制器、微型計算機進行控制。 第3章 氣動部分設計 由設計要求可知,自動搬運裝置有四個移動自由度,其工作程序為:機構(gòu)下降→夾具夾緊→機構(gòu)上升→手臂右擺→手臂右移→機構(gòu)下降→夾具松開→機構(gòu)上升→手臂左移→手臂左擺退至原位。 氣動原理圖如圖3-1所示。整個氣動系統(tǒng)就是要對擺動氣缸、夾緊氣缸、伸縮氣缸和升降氣缸的動作進行控制。 圖3-1 氣動原理圖 氣路元件表如圖3-1所示： 圖3-1 氣路元件表 序號 型號規(guī)格 名稱 數(shù)量 1 L1-25 單向節(jié)流閥 6 2 24DH-10-S 三位四通電磁滑閥 3 3 QF-44 手動截止閥 1 4 QSL-26SQTY-20-S 壓力組件 1 5 YJ-1 壓力繼電器 1 6 Q24DH-10-S 兩位三通電磁滑閥 1 各執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)速，凡是能采用排氣口節(jié)流方式的，都在電磁閥的排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘進行調(diào)速，這種方法的特點是結(jié)構(gòu)簡單，效果尚好。如手臂伸縮氣缸在接近氣缸處安裝兩個快速排氣閥，可加快起動速度，也可調(diào)節(jié)全程上的速度。升降氣缸采用進氣節(jié)流的單向節(jié)流閥以調(diào)節(jié)手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降，其度調(diào)節(jié)仍采用在電磁閥排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘來完成。氣液傳送器氣缸側(cè)的排氣節(jié)流，可用來調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小。為簡化氣路，減少電磁閥的數(shù)量，各工作氣缸的緩沖均采用液壓緩沖器，這樣可以省去電磁閥和切換節(jié)流閥或行程節(jié)流閥的氣路阻尼元件。電磁閥的通徑，是根據(jù)各工作氣缸的尺寸、行程、速度計算出所需壓縮空氣流量，與所選用電磁閥在壓力狀態(tài)下的公稱使用流量相適應來確定的。 第4章 PLC控制部分設計 4.1 電磁鐵動作順序 由圖4-1可知,自動搬運裝置的上升、下降分別由電磁鐵1YA、2YA控制,自動搬運裝置的夾緊和松開由電磁鐵3YA、4YA控制,自動搬運裝置的左擺、右擺由電磁鐵5YA、6YA控制，自動搬運裝置的左伸、右伸由電磁鐵7YA、8YA控制。當工件已搬到工作臺B返回時,為安全起見,用光電開關發(fā)出有無工件信號，電磁鐵動作順序如表4-1。 表4-1 電磁鐵動作順序 工位號 動作 名稱 電磁鐵 1YA 2YA 3YA 4YA 5YA 6YA 7YA 8YA 0 原位 - - - + - - - - 1 下降 - + - + - - - - 2 夾緊 - - + - - - - - 3 上升 + - + - - - - - 4 右擺動 - - + - + - - - 5 右伸 - - + - - - + - 6 下降 - + + - - - - - 7 放松 - - - + - - - - 8 上升 + - - + - - - - 9 左伸 - - - + - - - + 1 左擺動 - - - + - + - - 該系統(tǒng)除了開關量的輸入、輸出外,沒有其他方面的要求。確定輸入點數(shù)為22個,其中行程開關6個,光電開關1個,操作按鈕11個,工作方式選擇開關2個;輸出點數(shù)為12,其中電磁鐵8個,指示燈4個。 4.2 I/O分配 根據(jù)以上分析，要選擇輸人點的個數(shù)大于14、輸出點個數(shù)大于10的PLC。對PLC的掃描速度及其它方面無特殊要求。選用S7- 200(CPU226)型號的PLC。它共有24個輸人、16個輸出點、隨機存儲器為8KB、計數(shù)器256個、定時器256個；有2個高速脈沖輸出端和2個RS-485通信口；具有PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由口協(xié)議的通信能力；運行速度快、功能強，適用于要求較高的中小型控制系統(tǒng)。PLC與器件的邏輯接線電路圖，見圖4-1： 圖5-1 PLC與器件的邏輯接線電路圖 4.3 PLC控制梯形圖 由以上I/O分配和電磁鐵的動作順序采指令編寫梯形圖程序，見圖4-2 圖4-2 梯形圖 4.3 PLC控制程序指令 地址 指令 數(shù)據(jù) 0000 LD I1.0 0001 A I0.7 0002 O Q1.0 0003 = Q1.0 0004 LD SM0.0 0005 A I1.1 0006 A I0.6 0007 = Q1.1 0008 R Q0.0,8 0009 LD I2.2 0010 A I2.4 0011 AN Q1.3 0012 = M0.3 0013 = Q1.2 0014 LD I2.3 0015 AN Q1.2 0016 = Q1.3 0017 LD M0.3 0018 A Q1.1 0019 O Q0.6 0020 AN Q0.7 0021 O Q1.3 0022 A I2.1 0023 = Q0.6 0024 LD I2.0 0025 A I0.2 0026 A I0.4 0027 A Q0.6 0028 O Q0.3 0029 AN Q0.2 0030 AN Q0.7 0031 O Q1.3 0032 A I1.3 0033 = Q0.3 0034 LD Q0.3 0035 A I0.2 0036 A I0.4 0037 A I0.1 0038 O Q0.7 0039 AN T37 0040 O Q1.3 0041 A I2.0 0042 = Q0.7 0043 LD Q0.7 0044 AN Q0.3 0045 AN Q0.0 0046 O Q1.3 0047 A I1.2 0048 = Q0.2 0049 LD Q0.2 0050 A I0.0 0051 A I0.2 0052 A I0.4 0053 O Q0.0 0054 AN Q0.0 0055 AN Q0.5 0056 O Q1.3 0057 A I1.7 0058 = Q0.0 0059 LD Q0.0 0060 A I0.0 0061 A I0.3 0062 A I0.4 0063 O Q0.5 0064 AN Q0.4 0065 AN Q0.3 0066 O Q1.3 0067 A I1.5 0068 = Q0.5 0069 LD Q0.5 0070 A I0.0 0071 A I0.3 0072 A I0.5 0073 O Q0.3 0074 AN Q0.2 0075 AN Q0.6 0076 O Q1.3 0077 A I1.3 0078 = Q0.3 0079 TON T37,+100 0080 LD Q0.3 0081 A I0.1 0082 A I0.3 0083 A I0.5 0084 O Q0.6 0085 A T37 0086 AN Q0.7 0087 O Q1.3 0088 A I2.1 0089 = Q0.6 0090 LD Q0.6 0091 AN Q0.3 0092 AN Q0.1 0093 O Q1.3 0094 A I2.1 0095 = Q0.2 0096 LD Q0.2 0097 A I0.0 0098 A I0.3 0099 A I0.5 0100 O