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機電控制 課程 課程設計說明書 課程名稱： 機電控制PLC設計 設計題目： 氣動機械手控制系統(tǒng)設計 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 設計時間： 2010 12 10 內容摘要 機械手是工業(yè)自動控制領域中經(jīng)常用到的一種能夠自動抓取、操作的裝置，多用于自動生產(chǎn)線、自動機的上下料、數(shù)控設備的自動換刀裝置中。由于氣動技術是以壓縮空氣為介質，以氣源為動力的能源傳遞技術，其工作可靠性高、使用壽命長、對環(huán)境沒有污染，所以在機械手的驅動系統(tǒng)中常采用氣動技術。氣動機械手作為機械手的一種，它具有結構簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應用。因此，對氣動機械手的研究具有重要的實際價值。 關鍵詞：機械手 PLC 自動控制 氣動技術 目錄 第一章 引言 …………………………………………………3 第二章 PLC的發(fā)展 2.1 PLC的由來和發(fā)展 ………………………………………………3 2.2 可編程控制器的概念 ……………………………………4 2.3 PLC基本結構和工作原理 ………………………………………5 第三章 氣動機械手控制系統(tǒng)設計 3.1 I/o地址分配表 ………………………………………………………7 3.2 PLC系統(tǒng)選擇 …………………………………………………………7 3.3 PLC的輸入輸出設備接線圖 …………………………………7 3.4系統(tǒng)控制方案流程圖 ……………………………………9 3.5程序設計和梯形圖 ……………………………………………10 第四章 總結 總結 ………………………………………………19 致謝 …………………………………………………………20 參考文獻 ………………………………………………………21 第一章 引言 引言 PLC技術代表了當今電氣程序控制的世界先進水平。它與數(shù)控技術，工業(yè)機器人技術已成為機械工業(yè)自動化和CIM的三大支柱。據(jù)預測，在90年代，美、日、德等發(fā)達國家的控制屏將完全由PLC所占據(jù)。由于PLC吸收了微電子技術和計算機技術的最新成果，發(fā)展十分迅速，使它已遠遠超出單純取代繼電器的應用領域，遠遠超出邏輯控制的范疇，在從單機自動化到整條生產(chǎn)線自動化，乃至整個工廠的生產(chǎn)自動化；從FMS、工業(yè)機器人到大型分散型控制系統(tǒng)中都擔當著重要角色。 第二章 PLC的發(fā)展 2.1 PLC的由來和發(fā)展 1968年美國最大的汽車制造商通用汽車公司（GM），為了適應汽車型號不斷更新的要求，以在激烈的競爭的汽車工業(yè)中占有優(yōu)勢，提出要研制一種新型的工業(yè)控制裝置來取代繼電器控制裝置，為此，特擬定了十項公開招標的技術要求，即： 1） 編程簡單方便，可在現(xiàn)場修改程序； 2） 硬件維護方便，最好是插件式結構； 3） 可靠性要高于繼電器控制裝置； 4） 體積小于繼電器控制裝置； 5） 可將數(shù)據(jù)直接送入管理計算機； 6） 成本上可與繼電器柜競爭； 7） 輸入可以是交流115V； 8） 輸出為交流115V，2A以上，能直接驅動電磁閥； 9） 擴展時，原有系統(tǒng)只需做很小的改動； 10） 用戶程序存儲器容量至少可以擴展到4KB。 根據(jù)招標要求，1969年美國數(shù)字設備公司（DEC）研制出世界上第一臺PLC（PDP—14型 ），并在通用汽車公司自動裝配線上試用，獲得了成功，從而開創(chuàng)了工業(yè)控制新時期。 PLC問世以來，其發(fā)展極為迅速。由最初的1位機發(fā)展為8位機，現(xiàn)在的大型PLC已采用了32位微處理器，可同時進行多任務操作，其技術已經(jīng)相當成熟。 目前，世界上有PLC生產(chǎn)廠200多家，比較著名的有美國的A-B公司、通用電氣公司，日本的三菱、松下電工、歐姆龍，德國的西門子，法國的施耐德等。生產(chǎn)的PLC品種繁多，產(chǎn)品的更新?lián)Q代也極快，著名的生產(chǎn)公司幾乎每1~2年即可推出一種新產(chǎn)品。PLC的結構不斷改進，功能日益增強，性能價格比越來越高。展望未來，PLC在規(guī)模和功能上正朝著兩個方向發(fā)展。一方面，大型PLC不斷向大容量、高速度、多功能的方向發(fā)展，能取代工業(yè)控制微機對大規(guī)模復雜系統(tǒng)進行綜合性的自動控制。另一方面，小型PLC向超小型、簡易、廉價方向發(fā)展，能真正完全取代最小的繼電接觸器系統(tǒng)，適應單機、數(shù)控機床和工業(yè)機器人等領域的控制要求。另外，不斷增強PLC的聯(lián)網(wǎng)通信功能，便于分散控制與集中控制的實現(xiàn)；大力開發(fā)智能I/O模塊，極大地增強PLC的過程控制能力，提高它的適應性和可靠性；不斷使PLC的編程語言與編程工具向標準化和高級化方向發(fā)展 2.2可編程控制器概述 (1)可編程控制器是當今工業(yè)控制領域占主導地位的一種新型自動控制裝置，微電子技術和計算機技術的發(fā)展是PLC出現(xiàn)的技術基礎和物質基礎，GM10是促使其問世的直接原因。目前，PLC正向著標準化、小型化、大容量、高速度、多功能等方面發(fā)展。 (2) PLC專為工業(yè)環(huán)境而設計，具有抗干擾能力強、可靠性高、通用性好、功能強、編程簡單、使用維護方便等特點，主要應用于開關量控制、模擬量控制、數(shù)字控制及通信聯(lián)網(wǎng)等到領域。 (3) PLC按結構形式分為整體式和模塊式兩類；按功能和I/O點數(shù)可分為低檔機（小型、超小型）、中檔機（中型）、高檔機（大型、超大型）三類。衡量PLC性能的指標主要有：I/O總點數(shù)、用戶程序存儲容量、指令總數(shù)、掃描速度、內部寄存器配置及特殊功能模塊等。 (4) PLC常用的編程語言有梯形圖、語句表、流程圖及高級語言等，其中梯形圖、語句表最常用。 (5) PLC主要由CPU、存儲器、I/O模塊、電源模塊、I/O擴展模塊、外設接口及編程器等部分組成；軟件部分包括系統(tǒng)軟件和用戶軟件兩大部分。 (6) PLC的工作方式是采用循環(huán)掃描工作方式，每一循環(huán)包含了自診斷、與編程器等的通信、輸入采樣、執(zhí)行用戶程序、輸出刷新五個階段。小型PLC使用集中輸入、集中輸出工作方式，這大大提高了PLC工作的可靠性和抗干擾能力。 (7) 掃描周期的大小與掃描速度、用戶程序長短、I/O點數(shù)及其刷新速度、連接外設的多少等因素有關。 (8) 繼電接觸器控制采用硬邏輯“并行”運行的方式，而可編程序控制器采用循環(huán)掃描的工作方式，其邏輯關系是用程序實現(xiàn)而不是實際電路。 2.3 PCL的基本結構和工作原理 2.3.1 PLC的工作方式 PLC對用戶程序的執(zhí)行采用循環(huán)掃描的工作方式。 PLC開始運行時，CPU對用戶程序作周期性循環(huán)掃描，在無跳轉指令或中斷的情況下，CPU從第一條指令開始順序逐條地執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結束，然后又返回第一條指令開始新的一輪掃描，并周而復始地重復。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采集和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。 2.3.2 PLC的工作原理 PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，這是有別于微型計算機、繼電接觸器控制的重要特點。 微機一般采用等待命令的工作方式。 繼電接觸器控制系統(tǒng)采用硬邏輯“并行”運行的方式。 PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，在工作過程中，如果某個軟繼電器的線圈接通，該線圈的所有常開和常閉觸點并不一定會立即動作，只有CPU掃描到該接點時才會動作：其常閉觸點斷開，常開觸點閉合。也就是說，PLC在任一時刻只能執(zhí)行一條指令，是以“串行”方式工作，這樣便避免了繼電接觸器控制的觸點競爭和時序失配問題。 2.3.3 PLC的工作過程 PLC整個工作過程包含五個階段：自診斷、與編程器等進行通信、輸入采樣、執(zhí)行用戶程序、輸出刷新。PLC的工作過程框圖 輸入和輸出映像寄存器是在PLC的RAM工作區(qū)中將一特定區(qū)域的存儲單元作為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器的存儲區(qū)。 輸入映像寄存器中存儲著對應位輸入“繼電器”的通/斷狀態(tài)。高電平“1”為通，低電平“0”為斷。此處“繼電器”是指由系統(tǒng)軟件程序賊予的具有繼電器功能的“軟繼電器”。每位輸入映像寄存器也對應著PLC每個實際輸入端的通/斷狀態(tài)。輸入映像寄存器的內容只能被PLC中的CPU讀出，而不能被改寫。 輸出映像寄存器單元存儲著對應位輸出寄存器的狀態(tài)。在執(zhí)行用戶程序時，輸出映像寄存器既可被PLC的CPU讀出，又可被CPU改寫。 （1）輸入映像寄存器的狀態(tài)取決于各輸入端子在上一個刷新期間的狀態(tài)； （2）程序執(zhí)行階段所需的輸入、輸出狀態(tài)，由輸入映像寄存器和輸出映像寄存器讀出； （3）輸出映像寄存器的內容由程序中輸出指令的執(zhí)行結果決定； （4）輸出鎖存器中的內容由上一次輸出刷新時輸出映像寄存器的狀態(tài)決定； （5）各輸出端子的通斷狀態(tài)由輸出鎖存器的內容來決定。 第三章 氣動機械手控制系統(tǒng)設計 3.1 I/o地址分配表 輸入信號分配 信號名稱 元件名稱 元件符號 地址編碼 下降停止 下限位開關 SQ1 I0.1 上升停止 上限為開關 SQ2 I0.2 右行停止 右限位開關 SQ3 I0.3 左行停止 左限位開關 SQ4 I0.4 上升 上升按鈕 SB4 I0.5 左行 左行按鈕 SB6 I0.6 松開 松開按鈕 SB8 I0.7 下降 下降按鈕 SB3 I1.0 右行 右行按鈕 SB5 I1.1 夾緊 夾緊按鈕 SB7 I1.2 手動操作 手動開關 　 I2.0 回原點操作 回原點開關 　 I2.1 單步操作 單步開關 　 I2.2 單周期操作 單周期開關 　 I2.3 連續(xù)操作 連續(xù)開關 　 I2.4 啟動 啟動按鈕 SB1 I2.6 停止 停止按鈕 SB2 I2.7 輸出信號 信號名稱 元件名稱 元件符號 地址編碼 下降 下降電磁閥 YV1 Q0.0 夾松 夾松電磁閥 YV5 Q0.1 上升 上升電磁閥 YV2 Q0.2 右行 右行電磁閥 YV3 Q0.3 左行 左行電磁閥 YV4 Q0.4 3.2 PLC系統(tǒng)選擇 根據(jù)I/O選分配查閱手冊選擇S7-200 CPU226基本單元（24入/16出）1臺 3.3 PLC的輸入輸出設備接線圖(見下頁) 3.4系統(tǒng)控制方案流程圖 原理：接通電源是系統(tǒng)啟動開始掃描，掃描手動式判斷手動按鈕的是執(zhí)行手動操作，掃描回原點開關，是執(zhí)行回原點操作，掃描單步開關，是執(zhí)行單步操作，掃描單周期開關，是檢測是否在原點，是執(zhí)行單周期操作，掃描連續(xù)操作，是檢測是否在原點，是執(zhí)行連續(xù)操作。除了連續(xù)操作以外，其他操作執(zhí)行完以后自動重新掃描。 回原點 手動 開始 N 手動程序 y 單步 N 回原點程序 y y N 是否在原點 y y 單步程序 等待檢查 N N 是否在原點 單周期 y y 單周期程序 等待檢查 是否在原點 連續(xù) N N y 停止 連續(xù)程序 等待檢查 y N N y 3.5程序設計和梯形圖 3.5.1系統(tǒng)的硬件結構與工作方式 機械手用來將工件從A點搬運到B點，輸出Q0.1為1時工件被夾緊，為0時背松開。工作方式選擇開關的5個位置分別對應于5種工作方式，操作面板左下部的6個按鈕式手動按鈕。為了保證在緊急情況下（包括PLC發(fā)生故障時）能可靠地切斷負載電源，設置了交流接觸器KM。PLC開始運行時按下“負載電源”按鈕，使KM線圈得電并自鎖，KM的主觸點接通，給外部負載提供交流電源，出現(xiàn)緊急情況時用“緊急停車”按鈕斷開負載電源。 系統(tǒng)設有手動、單周期、連續(xù)、單步和回原點五種工作方式。 在手動工作方式下，用I0.5—I1.2對應的6個按鈕分別獨立控制機械手的升、降、左右行和夾緊松開。 在單周期的工作方式下，按下啟動按鈕I2.6后，從初始步M0.0開始，機械手按順序功能圖的規(guī)定完成一個周期的工作后，返回并停留在初始步。 在單步工作方式下，從初始步開始，按一下啟動按鈕，系統(tǒng)轉換到下一步，完成該步的任務后，自動停止工作并停留在該步，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)的調試。 3.5.2程序的總體結構（見下圖） 下圖是主程序機構圖，SM0.0的常開觸點一直閉合，公用程序是無條件執(zhí)行的。在手動工作方式下，I2.0為ON，執(zhí)行手動子程序。在自動回原點方式下，I2.1為ON，執(zhí)行回原點子程序，在其他3種工作方式下執(zhí)行自動子程序。 公用 EN SM0.0 手動 EN I0.2 I2.1 回原點 EN I2.4 自動 EN I2.3 I2.2 主程序結構 3.5.3梯形圖 (1)公用程序 公用程序見下圖用于處理各種工作方式都要執(zhí)行的任務，以及處理不同工作方式之間的轉換。左限位開關I0.4、上限位開關I0.2的常開觸點和表示機械手松開的M4.5的常閉觸點的串聯(lián)電路接通時，原點條件M0.5變?yōu)镺N。當機械手處于原點位置狀態(tài)，在開始執(zhí)行用戶程序、系統(tǒng)處于手動或者自動回原點狀態(tài)，初始步對應的M0.0將被置位，進入單步、單周期和連續(xù)工作方式做好準備。當初始位M0.0為OFF時，也就是說初始位不在原點，無論如何按啟動按鈕都不會執(zhí)行自動操作。 (2) 手動程序 為了保證安全運行，在手動程序中設置了一些必要的連鎖： 設置上升與下降之間,左行與右行之間的互鎖,以防止功能相反的兩個輸出同時為ON.有限位開關限制機械手移動的范圍。 （3）自動程序 單周期、連續(xù)和單步操作這3種工作方式主要是用連續(xù)標志M0.7和轉換允許標志M0.6來區(qū)分的。在單步運行過程中按一下氣動按鈕M0.6瞬間帶電，執(zhí)行一步操作程序形成自鎖，再按下啟動按鈕進行下一步操作。在連續(xù)操作時，機械手在原位，按下啟動按鈕，順序進行下降，夾緊，上升，右行，下降，松開，上升，左行，下降進行連續(xù)操作。在單周期操作時，回到左位后，機械手不再下降，完成一個周期。 （4）回原點程序 在自動回原點工作方式下，I2.1為ON。按下啟動按鈕I2.6，M1.0變?yōu)镺N,機械手上升，上升到上限位開關時I0.2為ON，機械手左行，到左限位開關時，I0.4變?yōu)镺N，將步M1.1復位，同時將M4.2復位，機械手松開。 （5）說明程序 由于S7-200PLC的順控指令不支持直接輸出的雙線圈操作，所以要用中間繼電器邏輯過度一下，如本題的機械手下降，上行，夾緊、松開、左行、右行等都需要用中間繼電器過渡。 第四章 總 結 總 結 通過本次設計，讓我很好的鍛煉了理論聯(lián)系實際，與具體項目、課題相結合開發(fā)、設計產(chǎn)品的能力。既讓我們懂得了怎樣把理論應用于實際，又讓我們懂得了在實踐中遇到的問題怎樣用理論去解決。 在本次設計中，我們還需要大量的以前沒有學到過的知識，于是圖書館成了我很好的助手。在查閱資料的過程中，我們要判斷優(yōu)劣、取舍相關知識，不知不覺中我們查閱資料的能力也得到了很好的鍛煉。我們學習的知識是有限的，在以后的工作中我們肯定會遇到許多未知的領域，這方面的能力便會使我們受益非淺。 在設計過程中，總是遇到這樣或那樣的問題。有時發(fā)現(xiàn)一個問題的時候，需要做大量的工作，花大量的時間才能解決。自然而然，我的耐心便在其中建立起來了。為以后的工作積累了經(jīng)驗，增強了信心。 由于設計水平有限和時間的倉促，本文中難免有錯誤和不妥之處，請給予批評指正。 致 謝 首先，我感謝薛老師。本設計文是在薛老師精心指導和大力支持下完成的。他平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，從確定命題查閱資料，設計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細設計，論文寫作等整個過程中都給予了我悉心的指導。我對薛老師的感激之情是無法用言語表達的。 本課題在選題及研究過程中老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。老師一絲不茍的作風，嚴謹求實的態(tài)度，踏踏實實的精神，不僅授我以文，而且教我做人，給以終生受益無窮之道。 老師以其嚴謹求實的治學態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風和大膽創(chuàng)新的進取精神對我產(chǎn)生重要影響。他淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。在他的引導下，我認識了有了設計的思路，極大的開拓了我的學術視野，也為本篇設計打下了理論基礎。 在這次設計中老師又給我提出了許多寶貴的意見。雖然我遇到了許多困難，但是我及時的和老師討論這些問題，最終問題都迎刃而解了。減少了我在這次設計中的困惑和完成時間。在論文撰寫方面更是給予了方向性的指導和建設性的意見和建議。 最后感謝在大學三年半期間，傳授我知識的老師們，感謝在學習和生活上給予我?guī)椭耐瑢W們，沒有他們的幫助就沒有我今天的成績。經(jīng)過兩周的學習，本次課程設計已經(jīng)接近尾聲，作為一個在校學生，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，畢竟這次設計是我第一次進行電氣全面和系統(tǒng)的設計，疏漏和不足之處在所難免，可能存在許多細節(jié)未做到及時處理，請老師指正，以幫助我不斷提高，不斷進步。我相信通過這次全面系統(tǒng)的設計以及在這個過程中各位老師的不斷點撥，在今后的工作中我一定會做到更好。 參考文獻 [1]張萬忠，劉明芹.電氣與plc控制技術.北京:化學工業(yè)出版社，2003 [2]程子華，PLC原理與實例分析.北京:國防工業(yè)出版社，2006 [3]廖常初，PLC編程及應用.北京: 機械工業(yè)出版社，2005 [4]高欽和，可編程控制器應用技術及其設計實例.北京:高等教育出版社，2004 [5]李緩，PLC原理與應用.北京：北京郵電大學出版社，2005 [6] 林明星，電氣控制及可編程序控制器[M ].北京：機械工業(yè)出版社，2004 [7] 周淑珍、高鴻斌, PLC分析與設計應用.北京：電子工業(yè)出版社，2004 [8] 王玉中, 電氣控制及PLC應用技術.河南：河南科學技術出版社，2006 [9] 孫平, 可編程序控制器原理及應用，北京：高等教育出版社，2003 [10] 張新軍,電氣控制與PLC技術及應用.濟源：濟源職業(yè)技術學院出版社，2006