機(jī)械手-機(jī)械手控制裝置論文和說明書,機(jī)械手,控制,節(jié)制,裝置,論文,以及,說明書,仿單 畢業(yè)設(shè)計(jì) - 1 - 目錄 第一章 概要 .............……………………………………………....................2 1.1 本課題的意義 …………………………………………….……………...2 1.2 本文的主要工作 ………………………………………………………...2 1.3 選擇設(shè)計(jì)方案.………………………………………………………….....3 第二章 PLC 的概述…………………………………………………….........4 2.1 PLC 的基本知識 ……………………………………….………………...4 2.2 西門子 S7-200 的編程語言…………..………………………………7 2.3 PLC 的應(yīng)用與前景 ………………………………………..……………. 8 第三章 PLC 控制程序的設(shè)計(jì)………………………..…………………...11 3.1 各電器設(shè)備的制方式及控制要求…………………………..………11 3.2 電器元件設(shè)備的選擇 ……………………………………………………12 3.3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) ………………………………... …………………15 3.4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) ………………………………... …………………18 第四章 設(shè)計(jì)小結(jié) …………………………………………………………...29 第五章 謝辭 ………………………………………...…………..…………..30 參考文獻(xiàn) ……………………………………………………....…..………...31 畢業(yè)設(shè)計(jì) - 2 - 第一章 概要 1.1 本課題的意義 機(jī)械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代科技的一個重要 組成部分。汽車業(yè)的快速發(fā)展，車外型愈求美觀流線，并由于汽車外板件要求完美無 塵的沖壓生產(chǎn)線也向高速化、高品質(zhì)、自動化、柔性化方向發(fā)展。傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)過程 中的手工操作、人工送料的生產(chǎn)方式已無法滿足該行業(yè)的需要。 機(jī)械手的積極作用 正日益為人們所認(rèn)識，其一，它能部分地代替人的勞動并能達(dá)到生產(chǎn)工藝的要求，遵 循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送。因此，它能大大地改善工人的勞動條 件，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。因此，受到各先進(jìn)單位的重視并投入 了大量的人力物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲的場合，應(yīng)用得 更為廣泛。在我國，近代幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的成果，受到各工業(yè)部 門的重視。 1.2 本文主要做的工作 1.問題提出 在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)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(qiáng)度，甚至于危機(jī)生命。機(jī)械手就在這樣誕生了。 機(jī)械手的設(shè)計(jì)與操作也顯得日益重要。 2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 （ 1 ）擬定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)條件。技術(shù)條件一般以設(shè)計(jì)任務(wù)書的形式來確定，它 是整個設(shè)計(jì)的依據(jù)； （ 2 ）選擇電氣傳動形式和電動機(jī)、電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)； （ 3 ）選定 PLC 的型號； （ 4 ）編制 PLC 的輸入 / 輸出分配表或繪制輸入 / 輸出端子接線圖； （ 5 ）根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求編寫軟件規(guī)格說明書，然后再用相應(yīng)的編程語言（常用梯 形圖）進(jìn)行程序設(shè)計(jì)； 3.課題分析 機(jī)械手是一種能模擬人的手臂的部分動作，按預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實(shí) 現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操縱工具的自動化裝置； 本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)。各動作由氣壓驅(qū)動，并由電磁閥控制。動作 順序及各動作時間的間隔采用按時間原則。機(jī)械手需要將工件從工作臺甲移送至工作 臺乙上，其動作過程為下降，上升，右移，再下降，再上升，左移。這些動作均由電 磁閥控制液壓系統(tǒng)來驅(qū)動完成此外，機(jī)械手在夾送工件右行到位后，如果工作臺乙上 的工件尚未移走，機(jī)械手則停止運(yùn)動，待工作臺乙上的工件被運(yùn)走后，機(jī)械手才能下 降。限為位開關(guān) SQ0.0,SQ0.1,SQ0.2,SQ0.3 分別對機(jī)械手的上升,下降,左轉(zhuǎn),右轉(zhuǎn)進(jìn)行限 位,并給出了動作到位的信號。而夾緊,放松動作的轉(zhuǎn)換則由時間繼電器控制。另外還有 光電開關(guān) ST5 來檢測工件是否移走.為下一個工作準(zhǔn)備。 1.3 選擇設(shè)計(jì)方案 畢業(yè)設(shè)計(jì) - 3 - 目前機(jī)械手的控制有兩種方式，一單片機(jī)，二 PLC.在機(jī)械手設(shè)計(jì)中相對 PLC 有以 下優(yōu)點(diǎn)：可編程控制器（ＰＬＣ）由于其具有的高可靠性、編程方便、易于使用和修 改，易于擴(kuò)展和維護(hù)，環(huán)境要求低、體積小巧，安裝調(diào)試方便，在工業(yè)控制中有著廣 泛的應(yīng)用。 SIMATIC S7-200 系列 PLC 是西門子公司生產(chǎn)的具有高性價比的小型可編程序控制 器，由于它具有結(jié)構(gòu)小巧、可靠性高、運(yùn)行速度快等特點(diǎn)，在許多行業(yè)中得到了廣泛 的應(yīng)用。 S7-200 已有兩代產(chǎn)品：第一代 CPU 模塊為 CPU21X，配有 4 種類型主機(jī)，它 們的 CPU 是 CPU212、214、215、216；第二代 CPU 模塊為 CPU22X，也有 4 種類型主機(jī)， 它們的 CPU 是 CPU221、222、224、226,不同類型的 CPU 具有不同的技術(shù)特征。S7-200 PLC 的最大優(yōu)點(diǎn)在于其靈活性及多功能性。靈活性是指其結(jié)構(gòu)配置靈活，可根據(jù)控制 任務(wù)配置大小、功能不同的擴(kuò)展系統(tǒng)，使其使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制 到更復(fù)雜的中小控制系統(tǒng)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛；多功能性一方面指它使用 STEP7 Micro/Win32，提供不同的編程語言和豐富的指令集，可以充分利用這些指令編寫解決 復(fù)雜任務(wù)的程序，另一方面它具有豐富的通信功能，使用戶很容易地進(jìn)行組網(wǎng)，其通 信和實(shí)時性方面的優(yōu)點(diǎn)，使它成為解決復(fù)雜自動化方案的理想控制設(shè)備。 也可選擇基于 PIC16F877 單片機(jī)的機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 主要實(shí)現(xiàn)的是機(jī)械手控 制系統(tǒng)在 PIC 單片機(jī)中的實(shí)現(xiàn)問題.并從機(jī)械部分的工作原理,硬件接口的設(shè)計(jì)以及軟 件部分方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)的構(gòu)想。 但在機(jī)械手的設(shè)計(jì)中單片機(jī)有一些缺點(diǎn) 1.電路設(shè)計(jì)中，由于單片機(jī)系統(tǒng)的自保護(hù)能力差，因而需要配置較多的保護(hù)電路， 以避免系統(tǒng)的崩潰。 2.機(jī)技術(shù)的發(fā)展，雖然可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的在線編程，但是這遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了機(jī)械手 殊的系統(tǒng)對程序的增減、修改及運(yùn)行中的監(jiān)視等靈活性的要求。這些不靈活方便的話， 會導(dǎo)致現(xiàn)場調(diào)試與維護(hù)變得很麻煩。 3.體技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，使得單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力得到了很大的提高， 但是還是很難滿足一些特殊場合，尤其是惡劣的環(huán)境下的抗干擾要求。 4.PLC技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用 PLC就能很好的解決單片機(jī)系統(tǒng)摧折的問題。基于PLC的 控制系統(tǒng)安全、可靠、使用與維護(hù)方便。 綜上所述本設(shè)計(jì)中采用PLC設(shè)計(jì)。 第二章 PLC 的概述 2.1 PLC 基本知識 畢業(yè)設(shè)計(jì) - 4 - 在自動化控制領(lǐng)域，PLC 是一種重要的控制設(shè)備。目前，世界上有 200 多廠家生 產(chǎn) 300 多品種 PLC 產(chǎn)品，應(yīng)用在汽車（23%） 、糧食加工（16.4%） 、化學(xué)/制藥（14.6% ） 、 金屬/ 礦山（11.5%） 、紙漿/造紙（11.3%）等行業(yè)。為了使各位初學(xué)者更方便地了解 PLC，本文對 PLC 的發(fā)展、基本結(jié)構(gòu)、配置、應(yīng)用等基本知識作一簡介，以期對各位 網(wǎng)友有所幫助。 一、PLC 的發(fā)展歷程 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并 按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功 能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。1968 年美國 GM（通用汽車）公司提出取代 繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的 控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器， 稱 Programmable Controller（PC） 。 個人計(jì)算機(jī)（簡稱 PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能 特點(diǎn)，可編程序控制器定名為 Programmable Logic Controller（PLC） ，現(xiàn)在，仍常常將 PLC 簡稱 PC。 PLC 的定義有許多種。國際電工委員會（IEC ）對 PLC 的定義是：可編程控制器 是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。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(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)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(jī)械或生產(chǎn)過程?？删?程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功 能的原則設(shè)計(jì)。 PLC 于 60 年代末期在美國首先出現(xiàn)，目的是用來取代繼電器，執(zhí)行邏輯、計(jì)時、 計(jì)數(shù)等順序控制功能，建立柔性程序控制系統(tǒng)。1976 年正式命名，并給予定義：PLC 是一種數(shù)字控制專用電子計(jì)算機(jī)，它使用了可編程序存儲器儲存指令，執(zhí)行諸如邏輯、 順序、計(jì)時、計(jì)數(shù)與演算等功能，并通過模擬和數(shù)字輸入、輸出等組件，控制各種機(jī) 械或工作程序。經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，PLC 已十分成熟與完善，并開發(fā)了模擬量閉環(huán) 控制功能。PLC 在 FCS 系統(tǒng)中的地位似乎已被確定并無多少爭論。PLC 作為一個站掛 在高速總線上。充分發(fā)揮 PLC 在處理開關(guān)量方面的優(yōu)勢。另外，火力發(fā)電廠輔助車間， 例如補(bǔ)給水處理車間、循環(huán)水車間、除灰除渣車間、輸煤車間等，在這些車間的工藝 過程多以順序控制為主。PLC 對于順序控制有其獨(dú)特的優(yōu)勢。編者以為，輔助車間的 控制系統(tǒng)應(yīng)以遵循現(xiàn)場總線通訊協(xié)議的 PLC 或能與 FCS 進(jìn)行通訊交換信息的 PLC 為 優(yōu)選對象 上世紀(jì) 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為 30~40%。在這時期，PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能 力得到大幅度提高，PLC 逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng) 域處于統(tǒng)治地位的 DCS 系統(tǒng)。 PLC 具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單 等特點(diǎn)。PLC 在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法 取代的。 二、PLC 的構(gòu)成 從結(jié)構(gòu)上分，PLC 分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式 PLC 包括 CPU 板、I/O 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模 塊式 PLC 包括 CPU 模塊、 I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按 畢業(yè)設(shè)計(jì) - 5 - 照一定規(guī)則組合配置。 三、CPU 的構(gòu)成 CPU 是 PLC 的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套 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(jìn)入運(yùn)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(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。 CPU 主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)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，CPU 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。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。 在使用者看來，不必要詳細(xì)分析 CPU 的內(nèi)部電路，但對各部分的工作機(jī)制還是應(yīng) 有足夠的理解。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。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。 寄存器參與運(yùn)算，并存儲運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。 CPU 速度和內(nèi)存容量是 PLC 的重要參數(shù)，它們決定著 PLC 的工作速度，IO 數(shù)量 及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 四、I/O 模塊 PLC 與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。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(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸 入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進(jìn)入 PLC 系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O 分為開關(guān)量輸入 （DI ） ，開關(guān)量輸出（DO） ，模擬量輸入（AI） ，模擬量輸出（AO）等模塊。 開關(guān)量是指只有開和關(guān)（或 1 和 0）兩種狀態(tài)的信號，模擬量是指連續(xù)變化的量。 常用的 I/O 分類如下： 開關(guān)量：按電壓水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼 電器隔離和晶體管隔離。 模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA） 、電壓型（0-10V,0-5V,-10- 10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 I/O 外，還有特殊 I/O 模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。 按 I/O 點(diǎn)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(jī)架槽數(shù)限制。 按 I/O 點(diǎn)數(shù)分類 根據(jù) PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)的多少，可將 PLC 分為小型，中型和大型三類 （1）.型 PLC——I/O 點(diǎn)數(shù)2048 點(diǎn)，多 CPU，16 位、32 位處理器，用戶存儲器容 量 8-16K S7-400 德國西門子公司 GE-IV GE 公司 C-2000 立石公司 K3 三菱公司 五、電源模塊 PLC 電源用于為 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。電源輸入類型有：交流電源（ 220VAC 或 110VAC） ，直流電源 （常用的為 24VAC） 。 六、底板或機(jī)架 大多數(shù)模塊式 PLC 使用底板或機(jī)架，其作用是：電氣上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系， 使 CPU 能訪問底板上的所有模塊，機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個 整體。 七、PLC 系統(tǒng)的其它設(shè)備 1、編程設(shè)備：編程器是 PLC 開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測運(yùn)行、檢查維護(hù)不可缺少的器件， 用于編程、對系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控 PLC 及 PLC 所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不 直接參與現(xiàn)場控制運(yùn)行。小編程器 PLC 一般有手持型編程器，目前一般由計(jì)算機(jī)（運(yùn) 行編程軟件）充當(dāng)編程器。 2、人機(jī)界面：最簡單的人機(jī)界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的 一體式操作員終端應(yīng)用越來越廣泛，由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行組態(tài)軟件）充當(dāng)人機(jī)界面非常普 及。 3、輸入輸出設(shè)備：用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，如 EPROM、EEPROM 寫入器、 條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機(jī)等。 八、PLC 的通信聯(lián)網(wǎng) 依靠先進(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此，網(wǎng) 絡(luò)在自動化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出"網(wǎng)絡(luò)就是控制器" 的 觀點(diǎn)說法。 PLC 具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使 PLC 與 PLC 之間、PLC 與上位計(jì)算機(jī)以及其他 智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散集中控制。多數(shù) PLC 具 有 RS-232 接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。 PLC 的通信，還未實(shí)現(xiàn)互操作性，IEC 規(guī)定了多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，PLC 各廠家均 有采用。 對于一個自動化工程(特別是中大規(guī)?？刂葡到y(tǒng))來講，選擇網(wǎng)絡(luò)非常重要的。首 先，網(wǎng)絡(luò)必須是開放的，以方便不同設(shè)備的集成及未來系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展；其次，針對 不同網(wǎng)絡(luò)層次的傳輸性能要求，選擇網(wǎng)絡(luò)的形式，這必須在較深入地了解該網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) 的協(xié)議、機(jī)制的前提下進(jìn)行；再次，綜合考慮系統(tǒng)成本、設(shè)備兼容性、現(xiàn)場環(huán)境適用 性等具體問題，確定不同層次所使用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) 2.2 西門子 S7-200 的編程語言 畢業(yè)設(shè)計(jì) - 7 - 可編程控制器的編程語言按 IEC61131-3 國際標(biāo)準(zhǔn)來分主要包括圖形化編程語言文 本化編程語言。圖形化編程語言包括:梯形圖(LD-Ladder Diagram)、功能塊圖(FBD- Function Block Diagram)、順序功能圖(SFC-Sequential Function Chart)。文本化編程語 言包括:指令表(IL-Instruction List)和結(jié)構(gòu)化文本(ST-Structured Text)。這些語言是基于 WINDOWS 操作系統(tǒng)的編程語言.而 SFC 編程語言則在兩類編程語言中均可使用。下 面分別來介紹 這幾種編程語言。 不同的商家的 PLC 有不同的編程語言，但就某個商家而言，PLC 的編程語言也就 那么幾種。下面，以西門子 PLC 的編程語言為例，說明一下，各種編程語言的異同。 1、順序功能圖（SFC－Seauential Fuction Chart） 這是位于其它編程語言之上的圖形語言，用來編程順序控制的程序（如：機(jī)械手控 制程序） 。編寫時，工藝過程被劃分為若干個順序出現(xiàn)的步，每步中包括控制輸出的動 作，從一步到另一步的轉(zhuǎn)換由轉(zhuǎn)換條件來控制，特別適合于生產(chǎn)制造過程。 西門子 STEP7 中的該編程語言是 S7 Graph 。 2、梯形圖編程語言（LAD－LAdder Diagram） 梯形圖來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述，是 PLC 編程中被最廣泛使用的一種圖 形化語言，由于梯形圖類似于繼電器控制的電氣接線圖，便于理解,因此許多編程人員 和維護(hù)人員都選擇了這一編程方式。而且其圖形結(jié)構(gòu)類似于登高用的梯子，故名梯形 圖。梯形圖程序的左右兩側(cè)有兩垂直的電力軌線，左側(cè)的電力軌線名義上為功率流從 左向右沿著水平梯級通過各個觸點(diǎn)、功能、功能塊、線圈等提供能量，功率流的終點(diǎn) 是右側(cè)的電力軌線。每一個觸點(diǎn)代表了一個布爾變量的狀態(tài)，每一個線圈代表了一個 實(shí)際設(shè)備的狀態(tài). 這是使用使用最多的 PLC 編程語言。因與繼電器電路很相似，具有直觀易懂的特 點(diǎn)，很容易被熟悉繼電器控制的電氣人員所掌握，特別適合于數(shù)字量邏輯控制。 梯形圖由觸點(diǎn)、線圈和用方框表示的指令構(gòu)成。觸點(diǎn)代表邏輯輸入條件，線圈 代表邏輯運(yùn)算結(jié)果，常用來控制的指示燈，開關(guān)和內(nèi)部的標(biāo)志位等。指令框用來表示 定時器、計(jì)數(shù)器或數(shù)學(xué)運(yùn)算等附加指令。 在程序中，最左邊是主信號流，信號流總是從左向右流動的。 不適合于編寫大型控制程序。一個簡單的梯形圖程序如圖 3.1 所示 : 圖 3.1 梯形圖表示的 PLC 程序?qū)嵗?梯形圖的每個梯級表示一個因果關(guān)系,事件發(fā)生的條件表示在梯形的左面,事件發(fā)生的 結(jié)果表示在梯級的右面。 梯形圖編程語言具有如下特點(diǎn): (1) 與電氣操作原理圖相對應(yīng)，具有直觀性和對應(yīng)性; (2) 與原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，易于掌握和學(xué)習(xí); (3) 對于復(fù)雜控制系統(tǒng)描述,仍不夠清晰; (4) 可讀性仍不夠好。 畢業(yè)設(shè)計(jì) - 8 - 幾乎所有 PLC 廠商提供的 PLC 都支持梯形圖編程語言,而且都比較容易理解，只是 在梯形圖結(jié)構(gòu)上可能稍有變化。比如西門子的 S7 系列梯形圖就沒有右邊的電力軌線。 有時在有此參考書中右邊的電力軌線也常常被省略。 3、功能塊圖（FBD－Function Block Diagram ） 功能塊圖編程語言采用功能模塊表示所具有的功能，不同的功能模塊具有不同的 功能。功能模塊用矩形來表示，每一個功能模塊的左側(cè)有不少于一個的輸入端，右側(cè) 有不少于一個的輸出端。功能模塊的類型名稱通常寫在塊內(nèi)，其輸入輸出名稱寫在塊 內(nèi)的輸入輸出點(diǎn)對應(yīng)的地方。 功能模塊基本上分為兩類:基本功能模塊和特殊功能模塊?；竟δ苣K如 AND，OR XOR 等等.特殊功能模塊如 ON 延時，脈沖輸出，計(jì)數(shù)器等等。 功能塊編程語言具有以下特點(diǎn): (1) 以功能模塊為單位,從控制功能入手，使控制方案的分析和理解變的容易; (2) 功能模塊用圖形化的方式描述功能，較直觀易掌握，方便組態(tài)，易操作。是有發(fā) 展前途的一種編程語言; (3) 對較復(fù)雜系統(tǒng)，由于控制功能關(guān)系能夠比較清晰的描述，因此縮短了編程和調(diào)試 時間; (4) 因?yàn)槊恳粋€功能模塊要占用一定程序存儲空間，對功能塊的執(zhí)行需要一定的執(zhí)行 時間，因此，這種語言在大中型可編程控制器和分散控制系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛 功能塊圖使用類似于布爾代數(shù)的圖形邏輯符號來表示控制邏輯，一些復(fù)雜的功能 用指令框表示，適合于有數(shù)字電路基礎(chǔ)的編程人員使用。功能塊圖用類似于與門、或 門的框圖來表示邏輯運(yùn)算關(guān)系，方框的左側(cè)為邏輯運(yùn)算的輸入變量，右側(cè)為輸出變量， 輸入、輸出端的小圓圈表示“非”運(yùn)算，方框用“導(dǎo)線”連在一起，信號自左向右。 圖 3.3-4 用功能圖表示的 PLC 程序?qū)嵗?4 語句表（STL－STatement List） 是一種類似于微機(jī)匯編語言的一種文本編程語言，由多條語句組成一個程序段。 語言表適合于經(jīng)驗(yàn)豐富的程序員使用，可以實(shí)現(xiàn)某些梯形圖不能實(shí)現(xiàn)的功能。 如表 3.3-3 所示 LD I0.1 O Q0.0 AN I0.0 = Q0.0 表 3.3-3 用語句表表示的 PLC 程序?qū)嵗?2.3 PLC 的應(yīng)用與前景 目前，在國內(nèi)外 PLC 已廣泛應(yīng)用冶金，石油，化工，剪彩，機(jī)械制造，電力，汽 車，輕工，環(huán)保及文化娛樂等各行各業(yè)，隨著 PLC 性能價格 的不斷提高，器應(yīng)用領(lǐng) 域不斷擴(kuò)大，從應(yīng)用類型看大致可歸納為以下幾個方面： 2.3.1、強(qiáng)量邏輯運(yùn)算 利用 PLC 最基本的邏輯運(yùn)算，定時，計(jì)收等功能實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，科取代傳統(tǒng)的繼 電器控制用于單片機(jī)控制，多機(jī)群控制，生產(chǎn)自動線控制等。例：機(jī)床，注塑機(jī)印刷 畢業(yè)設(shè)計(jì) - 9 - 機(jī)械，裝配生產(chǎn)線，電鍍流水線及電梯的控制等。這是 PLC 最基本的應(yīng)用，也是 PLC 最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。 2、運(yùn)動控制 大多數(shù) PLC 都有拖動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊，這一功能 廣泛用于各種機(jī)械設(shè)備。例如：各種機(jī)床，裝配機(jī)械。機(jī)器人等進(jìn)行運(yùn)動控制。 3、過程控制 大，中型 PLC 都具有多路模擬量 I/O 模塊和 PID 控制功能。有的小型 PLC 也具 有模擬量輸入輸出，所以 PLC 可實(shí)現(xiàn)模擬量控制而且具有 PID 控制功能的 PLC 可構(gòu) 成閉環(huán)控制，用于過程控制。這一功能已廣泛用于鋁爐，反應(yīng)堆，水處理，釀酒及閉 環(huán)位置控制和速度控制等方面。 4、數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代的 PLC 都具有數(shù)學(xué)運(yùn)算數(shù)據(jù)傳遞，轉(zhuǎn)換，排序和查表等功能，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的 采集，分析和處理，同時的通過通信接口將這些數(shù)據(jù)傳送給其電智能裝置。例如： CNC 設(shè)備進(jìn)行處理。 5、通信聯(lián)網(wǎng) PLC 的通信包括 PLC 與 PLC，PLC 與計(jì)算機(jī)，PLC 與其它智能設(shè)備之間的通信， PLC 系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)可直接或通過通信處理單元，通信轉(zhuǎn)換單元相連構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，已 實(shí)現(xiàn)信息的交換和構(gòu)成。集中管理分散控制的多級分布式控制系統(tǒng)。滿足工廠自動化 （FA）系統(tǒng)發(fā)展的需要。 2.3.2 國外 PLC 發(fā)展概況 PLC 在問世以來，經(jīng)過 40 多年的發(fā)展。在美、德國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家已成為重要 的產(chǎn)業(yè)之一，世界總銷售額不斷上升，生產(chǎn)廠家不斷涌現(xiàn)，品種不斷翻新，產(chǎn)量產(chǎn)值 大幅度上升而價格則不斷下降。目前，世界上有 200 多個廠家生產(chǎn) PLC。較多的有美 國：AB 通用電氣、莫迪康公司；日本：松下、三菱、富士、歐姆龍等；德國：西門 子公司；法國：TE 施耐德公司。韓國：三星、LG 公司等 PLC 的發(fā)展前景 （1）產(chǎn)品規(guī)模向大小兩個方向發(fā)展 大：I/O 點(diǎn)數(shù)達(dá) 14336 點(diǎn)，32 位微處理器，多 CPU 并行工作 ，大容量存儲器， 掃描速度快高速； ?。赫w結(jié)構(gòu)向小型模塊化結(jié)構(gòu)發(fā)展，增加了配置的靈活性，降低了成本； （2）PLC 在閉環(huán)過程中應(yīng)用日益廣泛； （3）不斷加強(qiáng)通訊功能； （4）新器件和模塊不斷推出 目前，plc 在國內(nèi)外都已得到了廣泛的應(yīng)用。利用 plc 最基本的邏輯運(yùn)算.定時。 計(jì)數(shù)等動能進(jìn)行邏輯控制。可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，廣泛用于機(jī)床，印刷機(jī)。 裝配生產(chǎn)線，電動流水線及電梯等的控制。 較高檔次的 plc 具有位置控制模塊，得別適用于機(jī)床控制。大。中型 plc 具有多路 模擬量輸出和 plc 控制，可構(gòu)成模擬量輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)，用于過程控制。 隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，國外近幾年興起自動化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，plc 與 plc 之間， plc 與上位機(jī)之間連成網(wǎng)絡(luò)，通過光纜傳送信息，構(gòu)成大型的多級分布式控制系統(tǒng)(集 散控制系統(tǒng)) 我國使用較多的 plc 產(chǎn)品德國西門子的 S7 系列，日本 OMRON 公司的 C 系列， 三菱公司的 FX 系列，美國 GE 公司的 GE 系列等。各大公司生產(chǎn)的的可編程序控制器 都形成由小型到大型的系列產(chǎn)品，而且隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，產(chǎn)品更新?lián)Q代很快。通過 畢業(yè)設(shè)計(jì) - 10 - 技術(shù)引進(jìn)，合資生產(chǎn)，近年來，我國的 plc 產(chǎn)品有了一定的發(fā)展，生產(chǎn)廠家也達(dá) 30 多 家，為可編程序控制器國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。 從可便程序控制器的發(fā)展來看，有小型化和大型化兩個趨勢。小型 plc 有兩個發(fā) 展方向，即?。ㄎⅲ┬突蛯I(yè)化。隨著數(shù)字電路集成度的提高，元器件體積減小。 質(zhì)量提高，可編程序控制器結(jié)構(gòu)更加緊湊，設(shè)計(jì)制造水平的功能在不斷進(jìn)步。微型化 的 plc 不僅體積小，功能也大有提高。過去一些大中型 plc 才有的的功能，如模擬量的 處理，通信，PID 調(diào)節(jié)運(yùn)算等，均可以被移植到小型機(jī)上，同時 plc 的價格不斷下降， 將真正成為繼電- 接觸器控制系統(tǒng)的替代產(chǎn)品。 大型化指的是大型 plc 向著大容量，智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，使之能與計(jì)算機(jī)組成 集成控制，對大規(guī)模，復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行綜合性的自動控制。 第三章 PLC 控制程序的設(shè)計(jì) 3.1 各電器設(shè)備的控制方式及控制要求 畢業(yè)設(shè)計(jì) - 11 - 1 機(jī)械手的技能和特性 根據(jù)力學(xué)觀點(diǎn)，物體在三維空間的靜止位置是由三個坐標(biāo)和繞三軸旋轉(zhuǎn)的角度來 決定的。因此，抓握物體的位置和方向（即關(guān)節(jié)間的角度）能從理論上求得。據(jù)資料 介紹，如果采用的機(jī)械手，其機(jī)能要接近人的上肢，則需要具有 27 個自由度，而每一 個自由度至少要有一根“人造肌肉” 。這樣就需要安裝 27 根重量輕、小型和高輸出力 的“人造肌肉” 。就目前的技術(shù)狀況而言，上述功能還很難辦到。而且把機(jī)械手的功能 搞得那么復(fù)雜，動作彼此嚴(yán)重重疊也是完全不必要的。退一步，如果機(jī)械手要求具有 完全通用的程度，那么它的整機(jī)、本體、手臂和手指都得有三個直線運(yùn)動和三個旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動，總共就要有 24 個自由度。這在實(shí)際上也是不必要的，這樣會使機(jī)械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 費(fèi)用增多。因此，不應(yīng)盲目模仿人手的動作，增加過渡的自由度，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要 的動作，設(shè)計(jì)出最少的自由度就能完成作業(yè)所要求的動作。所以一般專用的機(jī)械手 （不包括握緊動作）通常具有二到三個自由度。而通用機(jī)械手一般取四到五個自由度。 本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的機(jī)械手，它共有五個自由度。即：手臂伸縮、手臂上下擺動、手 臂左右擺動、手腕回轉(zhuǎn)、手指抓握。 2 軀干和傳動系統(tǒng) 機(jī)械手的傳動分為液壓、氣壓、電氣和機(jī)械四種，本設(shè)計(jì)采用綜合傳動方式，即 手臂采用電氣傳動，而手爪則采用氣壓傳動。 (1) 夾緊機(jī)構(gòu) 機(jī)械手手爪使用來抓取工件的部件。手爪抓取工件是要滿足迅速、靈活、準(zhǔn)確和 可靠的要求。設(shè)計(jì)制造夾緊機(jī)構(gòu)——手爪時，首先要從機(jī)械手的坐標(biāo)形式、運(yùn)行速度 和加速度的情況來考慮。其加緊力的大小則根據(jù)夾持物體的重量、慣性和沖擊力的大 小來計(jì)算。同時考慮有足夠的開口尺寸，以適應(yīng)被抓物體的尺寸變化，為擴(kuò)大機(jī)械手 的應(yīng)用范圍，還需備有多種抓取機(jī)構(gòu)，以根據(jù)需要來更換手爪。為防止損壞被夾的物 體，夾緊力應(yīng)限制一定的范圍內(nèi)，并鑲有軟質(zhì)墊片、彈性襯墊或自動定心結(jié)構(gòu)。為防 止突然停電被抓物體落下，還可以有自鎖結(jié)構(gòu)。夾緊機(jī)構(gòu)本身則應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、 重量輕、動作靈活和動作可靠。 夾緊機(jī)構(gòu)形式多樣，有機(jī)械式、吸盤式和電磁式等。有的夾緊機(jī)構(gòu)還帶有傳感裝 置和攜帶工具進(jìn)行操作的裝置。本設(shè)計(jì)采用機(jī)械式的夾緊機(jī)構(gòu)。 機(jī)械式夾緊機(jī)構(gòu)是最基本的一種，應(yīng)用廣泛，種類繁多。如按手指運(yùn)動的方式和 模仿人手的動作，可分為回轉(zhuǎn)型、直進(jìn)型；按夾持方式可分為內(nèi)撐式、外撐式和自鎖 式；按手指數(shù)目可分為二指式、三指式、四指式；按動力來源可分為彈簧式、氣動式、 液壓式等。本設(shè)計(jì)采用二指式氣動手爪。由可編程控制器控制電磁閥動作，從而控制 手爪的張閉。手爪的回轉(zhuǎn)則用一個直流電動機(jī)完成，同時通過兩個限位磁頭完成回轉(zhuǎn) 角度的限位，一般可設(shè)置在 180 度。 (2) 軀干 軀干由底盤和手臂兩大部分組成。 底盤是支撐機(jī)械手全部重量并能帶動手臂旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。底盤采用一個直流電動機(jī) 驅(qū)動，底盤旋轉(zhuǎn)時帶動一個旋轉(zhuǎn)碼盤旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手每旋轉(zhuǎn) 3 度發(fā)出一個脈沖，由傳感 器檢測并送入可編程控制器，從而計(jì)算底盤旋轉(zhuǎn)的角度。同時，在底盤上裝有限位磁 頭，最大旋轉(zhuǎn)角度可達(dá) 270 度。 手臂是機(jī)械手的主要部分，它是支撐手爪、工件并使它們運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中 手臂由橫軸和豎軸組成，可完成伸縮、升降的運(yùn)動。手臂采用氣動電磁閥帶動絲杠、 畢業(yè)設(shè)計(jì) - 12 - 螺母來實(shí)現(xiàn)伸縮和升降運(yùn)動。由可編程控制器發(fā)出脈沖信號，帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，完 成手臂的運(yùn)動。改變發(fā)出脈沖的個數(shù)，可控制手臂的兩個軸運(yùn)動的距離。同時在兩軸 的兩端分別加限位開關(guān)限位。采用絲杠、螺母結(jié)構(gòu)傳動的特點(diǎn)是易于自鎖，位置精度 較高，傳動效率較高。 3.2 電氣元件、設(shè)備的選擇 1、輸入/輸出的點(diǎn)數(shù)： I/O 點(diǎn)數(shù)可以衡量 PLC 規(guī)模的大小。準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)被控對象的輸入信號和輸出信號的 總點(diǎn)數(shù)并考慮今后系統(tǒng)的調(diào)整和擴(kuò)充，在實(shí)際統(tǒng)計(jì) I/O 點(diǎn)數(shù)基礎(chǔ)上，一般應(yīng)加上 10%- 20%的備用點(diǎn)數(shù)。多數(shù)小型 PLC 為整體式，具有體積小、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，適于工藝 過程比較穩(wěn)定，控制要求比較簡單的系統(tǒng)。模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC 采用主機(jī)模塊與輸入模 塊、功能模式塊組合使用的方法，比整體式方便靈活，維修更換模塊、判斷與處理故 障快速方便，適用于工藝變化較多、控制要求復(fù)雜的系統(tǒng)。 (1) 輸入設(shè)備 --------用以生產(chǎn)輸入控制信號。 本設(shè)計(jì)中應(yīng)包括：操作方式轉(zhuǎn)換開關(guān)：該開關(guān)應(yīng)有手動、單步、單周期、連續(xù)等四 個位置可供選擇。手動時運(yùn)動選擇開關(guān)：該開關(guān)應(yīng)有上/下，左/ 右，夾緊/放松等三個 位置可供選擇。起動、停止及復(fù)位按鈕。 開關(guān)及按鈕在操作屏上的布置所示。 位置檢測元件：機(jī)械手的運(yùn)動是按行進(jìn)程原則進(jìn)行控制的。其上限、下限、左限、 右限的位置分別用限位開關(guān)來檢測。 無工件檢測元件：右工作臺上無工件用光電開關(guān)來檢測。 (2) 輸出設(shè)備 —由 PLC 的輸出信號驅(qū)動的執(zhí)行元件。 本設(shè)計(jì)中應(yīng)包括下降電磁閥、上升電磁閥、右移電磁閥、左移電磁閥、夾緊電磁 閥。 為了對機(jī)械手處于原點(diǎn)進(jìn)行指示，還可以配置一個原點(diǎn)的指示燈。 各輸出設(shè)備的配置如圖 3.3 所示。 根據(jù)所確定的用戶輸入設(shè)備及輸出設(shè)備，可畫出 PLC 的 I/O 連接圖，由圖可見， PLC 共需要 19 點(diǎn)輸入，6 點(diǎn)輸出。 此外，還應(yīng)考慮用戶儲存器的容量、PLC 的處理速度是否能滿足實(shí)時控制的要求、 編程器與外圍設(shè)備的選擇等。 本設(shè)備控制的對象是一個開關(guān)量控制的系統(tǒng)，同時利用脈沖控制步進(jìn)店動機(jī)的運(yùn) 轉(zhuǎn)，故應(yīng)采用晶體管形式的輸出。 S7-200 系列具有性價比高、功能完善、指令豐富 等優(yōu)點(diǎn)，能滿足本對象各項(xiàng)控制性能要求，因此，本系統(tǒng)采用 S7-200 系列—— CPU224 作為基本模塊，能輸出兩路脈沖信號進(jìn)行步進(jìn)電動機(jī)的控制。由于輸入輸出 點(diǎn)不夠，擴(kuò)展一個 FPO——EM221 模塊。 由機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)可知 1）輸入為 19 關(guān)量信號。由限位開關(guān)，按紐，光電開關(guān)組成。 2）輸出為 6 個開關(guān)量信號。右 24V 電液控制，液壓驅(qū)動線圈和指示燈組成。 2、PLC 機(jī)型的選擇 根據(jù)被控對象對 PLC 控制系統(tǒng)的功能要求，可進(jìn)行 PLC 型號的選定。 PLC 機(jī)型選擇的基本原則是，在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護(hù)使用 最方便以及性能價格比的最優(yōu)化機(jī)型。 在工藝過程比較固定、環(huán)境條件較好（維修量較?。┑膱龊?，建議選用整體式結(jié) 構(gòu)的 PLC；其它情況則最好選用模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC。 畢業(yè)設(shè)計(jì) - 13 - 而在控制比較復(fù)雜，控制功能要求比較高的工程項(xiàng)目中（如要實(shí)現(xiàn) PID 運(yùn)算、閉 環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等） ，可視控制規(guī)模及復(fù)雜程度來選用中檔或高檔機(jī)。其中高檔機(jī)主 要用于大規(guī)模過程控制、全 PLC 的分布式控制系統(tǒng)以及整個工廠的自動化等。根據(jù)不 同的應(yīng)用對象，對于一個大型企業(yè)系統(tǒng)，應(yīng)盡量做到機(jī)型統(tǒng)一。這樣，同一機(jī)型的 PLC 模塊可互為備用，便于備品備件的采購和管理；同時，其統(tǒng)一的功能及編程方法 也有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)、技術(shù)水平的提高和功能的開發(fā)；此外，由于其外部設(shè)備通 用，資源可以共享，因此，配以上位計(jì)算機(jī)后即可把控制各獨(dú)立系統(tǒng)的多臺 PLC 聯(lián)成 一個多級分布式控制系統(tǒng)，這樣便于相互通信，集中管理。 進(jìn)行 PLC 選型時，基本原則是滿足控制系統(tǒng)的功能需要，同時要兼顧維修、備件 的通用性。對開關(guān)量控制的系統(tǒng)，當(dāng)控制速度要求不高時，一般的 PLC 都可以滿足要 求，如對小型泵的順序控制、單臺機(jī)械的自動控制等。當(dāng)控制速度要求較高、輸出有 高速脈沖信號等情況時，要考慮輸入/輸出點(diǎn)的形式，最好采用晶體管形式輸出。對帶 有部分模擬量控制的裝置等。該機(jī)械手的控制為純開關(guān)量控制，且所要的 I/O 點(diǎn)數(shù)不 多，因此選擇一般小型抵擋機(jī)即可。 在設(shè)計(jì)中 PLC 有三種選擇模塊即 CPU 222，CPU224 ，CPU 226 CPU 222 本機(jī)集成 8 輸入/6 輸出共 14 個數(shù)字量 I/O 點(diǎn)?？蛇B接 2 個擴(kuò)展模塊。 6K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。4 個獨(dú)立的 30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的 20kHz 高速脈 沖輸出。1 個 RS485 通訊 /編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、 MPI 通訊協(xié)議和自由方式通 訊能力。非常適合于小點(diǎn)數(shù)控制的微型控制器。 CPU224，本機(jī)集成 14 輸入/10 輸出共 24 個數(shù)字量 I/O 點(diǎn)?？蛇B接 7 個擴(kuò)展模塊， 最大擴(kuò)展至 168 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35 路模擬量 I/O 點(diǎn)。13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。 6 個獨(dú)立的 30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。 1 個 RS485 通訊/編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。 I/O 端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。 CPU 226 本機(jī)集成 24 輸入/16 輸出共 40 個數(shù)字量 I/O 點(diǎn)?？蛇B接 7 個擴(kuò)展模塊， 最大擴(kuò)展至 248 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35 路模擬量 I/O 點(diǎn)。13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空 間。6 個獨(dú)立的 30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制 器。2 個 RS485 通訊/編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、 MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能 力。I/O 端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/ 輸 出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能。可完 全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。 由于所要的 I/O 點(diǎn)數(shù)為 19/6 點(diǎn)，考慮到機(jī)械手操作的工藝固定， PLC 的 I/O 點(diǎn)基 本上可不留裕量。根據(jù)資料的機(jī)型，根據(jù)控制要求，PLC 控制系統(tǒng)選用 SIEMENS 公 司 S7-200 系列 CPU224， 因?yàn)榇舜卧O(shè)計(jì) I/O 為 19/6.因?yàn)?I/O 點(diǎn)數(shù)不夠，另外選擇擴(kuò)展 模塊 EM221 EM221I/O 規(guī)格 D1DC24V 8 路數(shù)字量 DC24 輸入 3、電源模塊的選擇： 采用 Dm150 系列開關(guān)電源。其特點(diǎn)是輸出功率大，體積小，重量輕，可靠性高， 適應(yīng)寬范圍的輸入電壓波動，具有完備的過電壓、過電流保護(hù)功能。 主要參數(shù)： 輸入交流電壓：110~220V/50Hz 、60Hz 輸出直流電壓：24V/6.5A 畢業(yè)設(shè)計(jì) - 14 - 最大功率：156W 工作環(huán)境：-10~40 度 4、電氣元件的選擇 選擇用戶輸入設(shè)備(按鈕、操作開關(guān)、限位開關(guān)、傳感器等)、輸出設(shè)備(繼電器、 接觸器、信號燈等執(zhí)行元件)以及由輸出設(shè)備驅(qū)動的控制對象(電動機(jī)、電磁閥等)。這 些設(shè)備屬于一般的電氣元件。 （1）在設(shè)計(jì)中用到了行程開關(guān)，行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，用于控制機(jī)械設(shè)備的行 程及限位保護(hù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，將行程開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機(jī)械 運(yùn)動部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時，行程開關(guān)的觸點(diǎn)動作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。因此， 行程開關(guān)是一種根據(jù)運(yùn)動部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類 似。行程開關(guān)廣泛用于各類機(jī)床和起重機(jī)械，用以控制其行程、進(jìn)行終端限位保護(hù)。 在電梯的控制電路中，還利用行程開關(guān)來控制開關(guān)轎門的速度、自動開關(guān)門的限位， 轎廂的上、下限位保護(hù)。 行程開關(guān)按其結(jié)構(gòu)可分為直動式、滾輪式、微動式和組合式。 在本次設(shè)計(jì)中采用直動式行程開關(guān) 直動式行程開關(guān) 其動作原理與按鈕開關(guān)相同，但其觸點(diǎn)的分合速度取決于生產(chǎn)機(jī)械的 運(yùn)行速度，不宜用于速度低于 0．4m／min 的場所。 直動式行程開關(guān)包擴(kuò) 1 推桿 2-彈簧 3-動斷觸點(diǎn) 4-動合觸點(diǎn)。 在設(shè)計(jì)中為限制機(jī)械手的上行限制位置，采用上限行程開關(guān)。限制機(jī)械手的下行 限制位置，采用下限行程開關(guān)。同樣的也選擇了左限，右限行程開關(guān)。 （2）電磁閥里有密閉的腔，在的不同位置開有通孔，每個孔都通向不同的油管， 腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過 控制閥體的移動來檔住或漏出不同的排油的孔，而進(jìn)油孔是常開的，液壓油就會進(jìn)入 不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油剛的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞竿帶 動機(jī)械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機(jī)械運(yùn)動。電磁閥是用來控制流 體的自動化基礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行器；并不限于液壓，氣動。 電磁閥分為 直動式電磁閥,分布直動式電磁閥,先導(dǎo)式電磁閥 在設(shè)計(jì)中采用直動式電 磁閥 直動式電磁閥原理：通電時，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門打開； 斷電時，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門關(guān)閉。 特點(diǎn)：在真空、負(fù)壓、 零壓時能正常工作，但通徑一般不超過 25mm。 ( 3) 傳感器能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置， 通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息， 并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出， 以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動檢測和自 動控制的首要環(huán)節(jié)?？梢杂貌煌挠^點(diǎn)對傳感器進(jìn)行分類：它們的轉(zhuǎn)換原理(傳感器工 作的基本物理或化學(xué)效應(yīng))；它們的用途；它們的輸出信號類型以及制作它們的材料和 工藝等。 根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類 ： 傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮 現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電 信號。 根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類 ：在設(shè)計(jì)中采用紅 外傳感器利用紅外線的物理性質(zhì)來進(jìn)行測量的傳感器。紅外系統(tǒng)的組成、主要光學(xué)系 畢業(yè)設(shè)計(jì) - 15 - 統(tǒng)和輔助光學(xué)系統(tǒng)紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。 任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對零度） ，都能輻射紅外線。紅外線傳 感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu) 點(diǎn)。 紅外線傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測元件和轉(zhuǎn)換電路。光學(xué)系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同可分為 透射式和反射式兩類。檢測元件按工作原理可分為熱敏檢測元件和光電檢測元件。熱 敏元件應(yīng)用最多的是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時溫度升高，電阻發(fā)生變化， 通過轉(zhuǎn)換電路變成電信號輸出。光電檢測元件常用的是光敏元件，通常由硫化鉛、硒 化鉛、砷化銦、砷化銻、碲鎘汞三元合金、鍺及硅摻雜等材料制成。 紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類 1、輻射計(jì)，用于輻射和光譜測量； 2、搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對它的運(yùn)動進(jìn) 行跟蹤； 3、熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標(biāo)紅外輻射的分布圖像； 4、紅外測距和通信系統(tǒng)； 5、混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。 （4）在自動控制系統(tǒng)中，有時需要繼電器得到信號后不立即工作，而是延順一段 時間后再動作并輸出控制信號，以達(dá)到按時間順序進(jìn)行控制的目的。時間繼電器就可 以滿足這種要求。 間繼電器是一種利用電磁原理或機(jī)械原理實(shí)現(xiàn)延時控制的控制電器。它的種類很多， 有空氣阻尼型、電動型和電子型等。 時間繼電器原理 在交流電路中常采用空氣阻尼型時間繼電器 ,它是利用空氣通過小孔節(jié)流的原理 來獲得延時動作的。它由電磁系統(tǒng)、延時機(jī)構(gòu)和觸點(diǎn)三部分組成。 時間繼電器類型 時間繼電器可分為通電延時型和斷電延時型兩種類型。 時間繼電器：當(dāng)加上或除去輸入信號時，輸出部分需延時或限時到規(guī)定的時間才 閉合或斷開其被控線路的繼電器。 a,電磁時間繼電器：當(dāng)線圈加上信號后，通過減緩電磁鐵的磁場變化而后的延時 的時間繼電器。 b,電子時間繼電器：由分立元件組成的電子延時線路所構(gòu)成的時間繼電器，或由 固體延時線路構(gòu) 成的時間繼電器。 c,混合式時間繼電器：由電子或固體延時線路和電磁繼電器組合構(gòu)成的時間繼電 器。 3.3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 1. 控制要求 機(jī)械手移動工作動作示意圖 3.1 所示。機(jī)械手需要將工件從工作臺 A 移送至工作臺 B 上，其動作過程為下降，上升，右移，再下降，再上升，左移。這些動作均由電磁 閥控制液壓系統(tǒng)來驅(qū)動完成。 畢業(yè)設(shè)計(jì) - 16 - 圖 3.1 機(jī)械手移動工作動作示意圖 工業(yè)傳動機(jī)械手 PLC 控制面板如圖 3.2 所示 圖 3.2 控制面板 此外，機(jī)械手在夾送工件右行到位后，如果工作臺 B 上的工件尚未移走，機(jī)械手 則停止運(yùn)動，待工作臺 B 上的工件被運(yùn)走后，機(jī)械手才能下降。 2 系統(tǒng)的硬件程序設(shè)計(jì) 機(jī)械手的動作有汽缸驅(qū)動，而汽缸又由相應(yīng)的電磁閥控制。其中，上升/下降和左 移/右移分別由雙線圈兩位電磁閥控制。例如當(dāng)下降電磁閥通電時，機(jī)械手下降；當(dāng)下 降電磁閥斷電時，機(jī)械手下降停止。只有當(dāng)上升電磁閥通電時，機(jī)械手才上升；當(dāng)上 升電磁閥端電時，機(jī)械手上升停止。同樣，左移/右移分別由左移電磁閥和右移電磁閥 控制。機(jī)械的放松/加緊由一個單線圈兩位置電磁閥（稱為加緊電磁閥）控制。當(dāng)該線 圈通電時，機(jī)械手加緊，該線圈斷電時，機(jī)械手放松。 當(dāng)機(jī)械手處于原點(diǎn)時（即左限位開關(guān)和上限位開關(guān)合上） ，啟動以后，機(jī)械手移向 畢業(yè)設(shè)計(jì) - 17 - 甲點(diǎn)，加緊工件，然后回到原位，移向乙點(diǎn)，放下工件，再回到原位完成一次動作。 當(dāng)機(jī)械手右移到位并準(zhǔn)備下降時，為了確保安全，必須在右工作臺上無工作時才 允許機(jī)械手下降。也就是說，若上一次搬運(yùn)到右工作臺上的工件尚未搬走時，機(jī)械手 應(yīng)自動停止下降。 機(jī)械手的動作過程如圖所示。從原點(diǎn)開始，按下啟動按鈕時，下降電磁閥通電， 機(jī)械手下降。下降到底時，碰到下限位開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止；同時接通 夾緊電磁閥，機(jī)械手夾緊。夾緊后，上升電磁閥通電，機(jī)械手上升。上升到頂時，碰 到上位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；同時接通右移電磁閥，機(jī)械手右移。右移 到位時，碰到右限位開關(guān)，右移電磁閥斷電，右移停止。若此時右工作臺上無工作， 則光電開關(guān)接通，下降電磁閥通電，機(jī)械手下降。下降到底時，碰到下限位開關(guān)，下 降電磁閥斷電，下降停止；同時夾緊電磁閥斷電，機(jī)械手放松。放松后，上升電磁閥 通電，機(jī)械手上升。上升到頂時，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；同 時接通左移電磁閥，機(jī)械手左移。左移到原點(diǎn)時，碰到左限位開關(guān)，左移電磁閥斷電， 左移停止。至此，機(jī)械手經(jīng)過八步動作完成一個周期。 （1） 列出工件傳送手 PLC 的輸入/輸出點(diǎn)分配表，見表 3.3 輸入信號 輸出信號 名稱 代號 符號 名稱 代號 符號 上限位行程開關(guān) ST1 I0.0 上升電磁閥 YV1 Q0.0 下限位行程開關(guān) ST2 I0.1 下降電磁閥 YV2 Q0.1 左限位行程開關(guān) ST3 I0.2 右轉(zhuǎn)電磁閥 YV3 Q0.2 右限位行程開關(guān) ST4 I0.3 左轉(zhuǎn)電磁閥 YV4 Q0.3 下降點(diǎn)動按鈕 SB1 I0.4 夾緊電磁閥 YV5 Q0.4 上升點(diǎn)動按鈕 SB2 I0.5 原點(diǎn)知識燈 HL Q0.5 左轉(zhuǎn)點(diǎn)動按鈕 SB3 I0.6 右轉(zhuǎn)點(diǎn)動按鈕 SB4 I0.7 手動操作方式選擇開關(guān) SA1-1 I1.0 回原點(diǎn)操作操作方式選擇開關(guān) SA1-2 I1.1 單步(點(diǎn)動）操作方式選擇開 關(guān) SA1-3 I1.2 單周期操作方式選擇開關(guān) AS1-4 I1.3 自動循環(huán)操作方式 SA1-5 I1.4 回原點(diǎn)啟動按鈕 SB5 I1.5 全自動啟動按鈕 SB6 I2.3 回原點(diǎn)停止按鈕 SB7 I2.4 工件檢測光電開關(guān) ST5 I2.0 夾緊工件點(diǎn)動按鈕 SB8 I2.1 放松工件點(diǎn)動按鈕 SB9 I2.2 表 3.3 輸入/輸出點(diǎn)分配表 畢業(yè)設(shè)計(jì) - 18 - （2） 工件傳送機(jī)械手 PLC 控制接線圖 3.4 所示 圖 3.4 件傳送機(jī)械手 PLC 控制接線圖 3.4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。 工件傳送機(jī)械手 PLC 自動控制狀態(tài)流程圖如圖 3.5 所示。工件傳送機(jī) PLC 控制 總梯形圖及指令語句表如圖 所示 畢業(yè)設(shè)計(jì) - 19 - 圖 3.5 工件傳送機(jī)械手 PLC 自動控制狀態(tài)流程圖 程序設(shè)計(jì)說明?？刂葡到y(tǒng)設(shè)有手動，單周期，單步，連續(xù)和回原點(diǎn) 5 種工作方式， 機(jī)械手在最上面和最左面且松開時，稱為系統(tǒng)處于原點(diǎn)狀態(tài)（或稱初始狀態(tài)） 。左限位 開關(guān) I0.2，上限位開關(guān) I0.0 的長開觸點(diǎn)和表示機(jī)械手松開的 Q0.1 的長閉觸點(diǎn)的串聯(lián)電 路接通時， “原點(diǎn)條件”存儲器位 M0.5 接通變?yōu)?ON，并接通 Q0.5 原點(diǎn)指示燈亮。 如果選擇的是單周期工作方式，饑餓下啟動按鈕 I1.6 后，從初始步 M0.0 開始， 機(jī)械手按狀態(tài)流程圖的規(guī)定完成一個周期的工作后，返回并停留在初始步。 如果選擇連續(xù)工作方式，在初始狀態(tài)按下啟動按鈕 I1.6 后，機(jī)械手從原點(diǎn)開始， 按一下起動按鈕，機(jī)械手的動作將自動的、連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。 在工作中若按一下停止按鈕，則機(jī)械手動作停止。重新起動時，須用手動操作方 式將機(jī)械手移回原點(diǎn)，然后按一下起動按鈕，機(jī)械手又重新開始連續(xù)操作。 在工作中若按一下復(fù)位按鈕，則機(jī)械手將繼續(xù)完成一個周期的動作后，回到原點(diǎn) 畢業(yè)設(shè)計(jì) - 20 - 自動停止。 當(dāng)按下停止按鈕 I1.7 時，系統(tǒng)并不馬上停止工作，而是完成最后一個周期的工作 后，系統(tǒng)才返回并停留在初始步。 如果選擇的是單步工作方式，從初步開始，按一下啟動按鈕，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到下一步， 完成該步的任務(wù)后，自動停止工作并停留在初始步，單步操作：每按一次起動按鈕， 機(jī)械手完成一步動作后自動停止，再按一下啟動按鈕，又往前走一步單步工作方式常 用于系統(tǒng)的調(diào)試。 在選擇單周期，連續(xù)和單步工作方式之前，系統(tǒng)應(yīng)處于原點(diǎn)狀態(tài)。如果不滿足這 一條件，則可選擇回原點(diǎn)工作方式，然后按回原點(diǎn)按鈕 I1.5，使系統(tǒng)自動返回原點(diǎn)狀 態(tài)。在原點(diǎn)狀態(tài)，流程圖中的初始步 M0.0 為 ON，為進(jìn)入單周期，連續(xù)和單步工作方 式做好的準(zhǔn)備。 1 手動程序與自動程序的切換。在圖 3.6 中，第 1 行邏輯行至第 3 行邏輯手動程序 與自動程序的切換程序。 圖 3.6 手動程序與自動程序梯形 接通可編程控制器的電源時，若機(jī)械手處于原點(diǎn)狀態(tài)，M0.5 接通時，SM0.1 接通 一格掃描周期，M0.0 被置位，為進(jìn)入單步，但周期和連續(xù)工作方式作好了準(zhǔn)備。此時， 系統(tǒng)進(jìn)入自動工作方式。 若在圖 3.6 中，如果第 1 邏輯行中的 M0.0 未被置位，也就是說，機(jī)械手未處于 原點(diǎn)狀態(tài)，此時系統(tǒng)不能在單步，但周期和連續(xù)工作方式下工作，系統(tǒng)為手動工作方