机械手PLC控制.doc

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目 录 一 机械手简介 2 1.1 机械手分类 2 1.2 机械手控制系统设计步骤 2 1.3 机械手工作过程： 3 二 PLC简介 5 三 I/O配置表 5 3.1 机械手传送系统输入和输出点分配表 6 3.2 选型 7 3.3 PLC的输入输出端子分配接线图 8 四 机械手的PLC控制 9 4.1 控制特点 9 4.2 系统控制示意图 9 4.3 原理接线图 10 4.4 操作系统 10 4.5 回原位程序 11 4.6 手动单步操作程序 11 4.7 自动操作程序 12 4.8 机械手传送系统梯形图 13 五 运行程序 15 5.1 编辑运行程序 15 六 操作面板 17 6.1 操作面板的演示 17 七 软件调试过程 18 7.1 PLC程序的模拟调试 18 五 总结 20 参考文献 21 附录 22 一 机械手简介 在现今的生活上,科技日新月益的进展之下,机械人手臂与有人类的手臂最大区别就在于灵活度与耐力度。也就是机械手的最大优势可以重复的做同一动作在机械正常情况下永远也不会觉得累！机械手臂的应用也将会越来越广泛,机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，作业的准确性和环境中完成作业的能力。工业机械手机器人的一个重要分支。特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，构造和性能上兼有人和机械手机器各自的优点. 1.1 机械手分类 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 1.2 机械手控制系统设计步骤 (1)根据工艺要求确定被控系统必须完成的动作,确定这些动作之间的关系及完成这些动作的顺序。 (2)分配输入、输出设备,即确定哪些外围设备是送信号给PLC的,哪些外围设备是接收来自PLC的信号的,同时还要将PLC的输入、输出点与之一一对应,对I/O进行分配。在此基础上确定PLC的选型。 (3)根据控制系统的控制要求和所选PLC的I/O点的情况及高功能模块的情况,设计PLC用户程序,此时可采用梯形田、助记符或流程图语言形式的用户程序。 （4）PLC的用户程序体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系,编程时可用编程器或计算机直接编程、修改,同时也可对PLC的工作状态、特殊功能进行设定。 (5)对所设计的PLC程序进行调试和修改,直至PLC完全实现系统所要求的控制功能。 (6)保存已完成的程序。 1.3 机械手工作过程： 机械手在生产线上的任务是将工件从A处传送到B处。根据外界情况，机械手在空间上主要进行以下动作：机械手下降，机械手抓紧工件，机械手与工件上升，机械手与工件有右移，机械手与工件下降，机械手放松工件，机械手上升，机械手左移。控制器检测上，下，左，右限位开关的通断，决定当前的动作，通过驱动系统输出，控制机械手的动作。同时，用两位数码管显示搬运工件的数量。 启动控制有2种，1个由启动开关安装在现场，1个由通过组态王软件控制。在控制面板上，安装一个档位开关，分手动和自动两大档位，手动挡包括调试和回原位两档，自动挡分单步、半自动和全自动三档，要求自动挡的操作必须在回原位的基础上才能进行。 原位 下降 夹紧 上升 　右移 左移 上移 放松 下降 图　１-３-１ 图　１-３-２ 二 PLC简介 PLC控制系统，Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。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。是工业控制的核心部分。 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。 三 I/O配置表 3.1 机械手传送系统输入和输出点分配表 表 3-1-1 名 称 代号 输入 名 称 代号 输入 名 称 代号 输出 启动 SB1 X0.1 自动操作 SB5 X1.0 电磁阀下降 YV1 Y0 下限行程 SQ1 X0.1 单步 SB6 X1.1 电磁阀夹紧 YV2 Y1 上限行程 SQ2 X0.2 调试 SB7 X1.2 电磁阀上升 YV3 Y2 右限行程 SQ3 X0.3 回复 SB8 X1.3 电磁阀右行 YV4 Y3 左限行程 SQ4 X0.4 电磁阀左行 YV5 Y4 停止 SB2 X0.5 上行灯指示 EL1 Y5 手动操作 SB3 X0.6 下行灯指示 EL2 Y6 半自动操作 SB4 X0.7 数字指示 EL3 Y7 3.2 选型 S7-200丰富的种类： （1）CPU221：内置10个数字量I/O点，不可扩充； （2）CPU222：内置14个数字量I/O点，可扩充到78路数字量I/O或10路模拟量I/O； (3）CPU224：内置24个数字量I/O点，可扩充到168路数字量I/O或35路模拟量I/O； (4) CPU226：内置40个数字量I/O点，可扩充到248路数字量I/O或35路模拟量I/O； 主机为S7-200中的CPU226，因为他能扩展七个模块。模块1-模块4为EM232，它是模拟量输出模块，每个模块有两个输出通道。电源为220V交流电。 主机为西门子S7-200中的CPU226，因为他能扩展七个模块。模块1-模块4为EM232，它是模拟量输出模块，每个模块有两个输出通道，能够满足需要。电源为220V交流电。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。 3.3 PLC的输入输出端子分配接线图 图 3-3-1 四 机械手的PLC控制 4.1 控制特点 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。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。 4.2 系统控制示意图 机械手传送工件系统示意图，如图4-2-1所示： 图　4-2-1 4.3 原理接线图 图4-3-1 4.4 操作系统 操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图4-4-1所示： 图4-4-1 其原理是：把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，Y5驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。之后，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。 4.5 回原位程序 回原位程序如图4所示。用S10~S12作回零操作元件。当用S10~S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。 回原位转移图如下： 图 4-5-1 4.6 手动单步操作程序　 如图4-6-1所示。图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。 4.7 自动操作程序 自动操作状态转移见图6所示。当机械手处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动下降Y0，当到达下限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动Y1置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。S23驱动Y3右移。 移到最右位，X3接通，状态转移到S24下降。下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S26上升。上升到最高位，X2接通，状态转移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。 在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。 图 4-7-1 4.8 机械手传送系统梯形图 如图4-8-1所示。图中从第0行到第27行为回原位状态程序。从第28行到第66行，为手动单步操作程序。从第67行到第129行为自动操作程序。这三部分程序（又称为模块）是图3的操作系统运行的。 回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行，都以RET结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回初始态S1。而自动操作程序能自动返回初态S2。 图 4-8-1 五 运行程序 5.1 编辑运行程序 if (运行标志==1) { if (次数>=0&&次数<50) { 下移信号=1; 机械手y=机械手y+2; 次数=次数+1; } if (次数>=50&&次数<70) { 下移信号=0; 加紧信号=1; 左爪=左爪+1/21*5; 右爪=右爪-1/21*5; 次数=次数+1; } if (次数>=70&&次数<120) { 加紧信号=0; 上移信号=1; 机械手y=机械手y-2; 工件y=工件y-2; 次数=次数+1; } if (次数>=120&&次数<220) { 上移信号=0; 右移信号=1; 机械手x=机械手x+1; 工件x=工件x+1; 左爪=左爪+20/21; 右爪=右爪+20/21; 次数=次数+1; } if (次数>=220&&次数<270) { 右移信号=0; 下移信号=1; 机械手y=机械手y+2; 工件y=工件y+2; 次数=次数+1; } if (次数>=270&&次数<290) { 下移信号=0; 放松信号=1; 左爪=左爪-1/21*5; 右爪=右爪+1/21*5; 次数=次数+1; } if (次数>=290&&次数<340) { 放松信号=0; 上移信号=1; 机械手y=机械手y-2; 次数=次数+1; } if (次数>=340&&次数<440) { 上移信号=0; 左移信号=1; 机械手x=机械手x-1; 左爪=左爪-20/21; 右爪=右爪-20/21; 次数=次数+1; } if (次数==440) { 左移信号=0; 次数=0; 工件x=0; 工件y=100; \\本站点\左爪=0; \\本站点\右爪=10/210*100; if (停止标志==1) { 停止标志=0; 运行标志=0; } } } 六 操作面板 6.1 操作面板的演示 上行 下行 调试 回复 单步 半自动 自动 手动 自动 （面板中有上行、下行指示灯，数字计算单位，档位开关，单步按钮。） 图 6-1-1 七 软件调试过程 7.1 PLC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，并改正写入时出现的错误。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上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载(如接触器、电磁阀等)。可以根据功能表图，在适当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，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级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。 在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。 如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。 PLC程序下载：程序编译完之后，STEP 7－Micro/WIN 32及PLC之间的通信关系也成功建立，此时可向PLC下载程序，然后收集状态监控或调试程序。STEP 7－Micro/WIN 32提供了一套工具来调试和监控程序。 1.选择工作模式 选择菜单栏中的“PLC” “运行”或者“PLC” “停止”可进入相对的PLC模式；单击工具栏中的“运行”按钮或“停止”按钮，也可进入相应模式；还可以手工改变位于PLC上的开关或在程序内插入停止指令。 当PLC处于停止模式时，可利用图状态或程序状态查看操作数的当前值，也可以利用图状态或程序状态强迫数值(此操作只在梯形图和功能块图程序状态中使用)，还可以利用图状态写入数值或写入和强迫输出，执行有限数目的扫描，通过状态图或程序状态查看影响。在停止模式下，虽然能报告操作数状态，但PLC无法执行用户程序，达不到预期的控制效果。如果想观察程序状态的连续更新，需将PLC转回运行模式。 2.打开程序状态 选择“排错”菜单中的“程序状态”，打开输出窗口；或单击调试工具条 中的“程序状态”按钮，短暂停顿后，程序编辑器窗口开始显示状态。如果 作数值等于1(位打开)，布尔指令(触点、线圈)将被显示成彩色块，非布尔 操作数则以通信速度允许的最快速度显示并更新。 3. 执行有限次扫描 （1)单次扫描：通过指定PLC运行的扫描次数，可以监控程序在改变进程变量时的情况。PLC不支持对运行模式执行循环次数。任何时候PLC从停止模式进入运行模式，该扫描的第一扫描位(SM0.1)将被激活。由于PLC执行的速度很快，从程序状态很难监控到此位的变化，因此可以使用“单次扫描”命令，它使PLC从停止模式转变成运行模式。执行单个扫描，然后再转回停止模式。由于PLC只执行一次扫描，与第一扫描逻辑相关的状态信息不会消失，因此可以查看此信息，进而监控程序。 可在程序编辑器窗口显示要监控的程序部分，确定打开程序状态，将PLC置于停止模式，使用“单次扫描”命令。 （2）多次扫描：单次扫描并不能完全收集系统连续执行时系统状态信息的变化，需要连续或间断地收集状态信息。可以指定PLC执行有限次的程序扫描(从1次扫描至65 355次扫描)。当PLC处于停止模式时，可利用多次扫描特征查看一次或多次扫描。确定PLC为停止模式后，选择菜单栏中的“排错”“多次扫描”，出现执行扫描对话矿，如图？所示。在执行扫描对话框中输入所要进行的扫描次数，单击“确认”按钮。 （3）程序保存：当然，要想使自己所编写保密，也可以对其进行保密设置。选择“文件”菜单中的“设置密码” ，打开用密码保护本窗口，在“密码”及“验证”框中输入相应的密码和验证码即可。当然，若不想对自己的程序进行保密设置，就在“密码”及“验证”框中不输入任何数值。选择“文件”菜单中的“保存”选项，之后选择“退出”选项，在出现的项目保存框中选择“是”即可。 八 总结 本次课程设计贴近工业现代自动化控制技术和计算机智能化技术。我们通过这次专业的学习和实际操作后，能掌握PLC的基础知识和基本技能。这对我们今后在毕业工作加工制造行业领域中从事相关领域。 很快我们就要步入社会，面临就业了，就业单位不会像老师那样点点滴滴细致入微地把要做的工作告诉我们，更多的是需要我们自己去观察、学习。不具备这项能力就难以胜任未来的挑战。 科学的迅猛发展，新技术的广泛应用，会有很多领域是我们未曾接触过的，只有敢于去尝试才能有所突破，有所创新。PLC课程设计带给我们的，不全是我们所接触到的那些操作技能，也不仅仅是通过几项工种所要求我们锻炼的几种能力，更多的则需要我们每个人在课程设计结束后根据自己的情况去感悟，去反思，勤时自勉，有所收获，使这次设计达到了的真正目的 参考文献 [1] 王庭有等编著.可编程控制器原理及应用.第二版[M].北京：国防工业出版社，30~36 [2] 范永生、王岷编.电气控制与PLC应用.第二版[M]。北京：中国电力出版社2007 92~94 [3] 周美兰、周封、王岳宇编著.PLC电气控制与组态设计[C].北京：科技出版社，2003 73~76 [4] 宋伯生编著.PLC编程使用指南[M].机械工业出版社，2007 85~87 [5] 陈志新、宗学军编.电器与PLC控制技术[M].中国林业出版社，2006 93~94 [6] 郝维来主编.可编程控制器原理与应用[M].哈尔滨工业大学出版社.2008 115~117 [7]《可编程控制器原理与应用》主编：周惠文电子工业出版社北京，2007.8 附录 PLC课程设计成绩评定表 指导教师评语： 成绩： 指导教师签字： 年 月 日