基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

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吉林建筑大學城建學院電氣信息工程學院課程設(shè)計 目 錄 摘要 …………………………………………………………………………………………Ⅰ ABSTRACT ……………………………………………………………………………………Ⅱ 第1章 緒論 1 1.1課題背景 1 1.2研究目的及意義 2 1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 第2章 方案設(shè)計 4 2.1 PLC的分類 4 2.2 PLC的結(jié)構(gòu)及基本配置 7 2.3 PLC的選擇 8 2.4 機械手的分類和選擇 9 第3章 硬件設(shè)計 10 3.1 PLC控制機械手設(shè)計步驟 10 3.2 系統(tǒng)控制示意圖 10 3.3 確定輸入輸出 11 3.4 輸入和輸出點分配表 11 3.5 PLC控制機械手接線圖 12 第4章 軟件設(shè)計 13 4.1 PLC概述 13 4.2 軟件系統(tǒng) 13 4.3 PLC的編程語言的基本指令系統(tǒng)和編程方法 14 4.4 歐姆龍CX-Programmer編程軟件 14 4.5 PLC控制機械手的流程圖 15 結(jié) 論 16 致 謝 17 參考文獻 18 附錄 第1章 緒論 隨著社會生產(chǎn)不斷進步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對生產(chǎn)效率也不斷提出新要求。由于微電子技術(shù)和計算軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善，更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化地結(jié)合。機械手一般由耐高溫，抗腐蝕的材料制成，以適應(yīng)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。機械手的廣泛使用，不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。 1.1課題背景 可編程控制器（簡稱PLC）是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 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(yīng)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(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)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(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。通用PLC應(yīng)用于專用設(shè)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具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。可以預(yù)料：在工業(yè)控制領(lǐng)域中，PLC控制技術(shù)的應(yīng)用必將形成世界潮流。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 PLC在二十世紀八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的PLC控制器年增長率保持為20%～30%。隨著工廠自動化程度的不斷提高和PLC控制器市場容量基數(shù)的不斷擴大，近年來PLC在工業(yè)發(fā)達國家的增長速度放緩。但是，在中國等發(fā)展中國家PLC的增長十分迅速。綜合相關(guān)資料，2004年全球PLC的銷售收入為100億美元左右，在自動化領(lǐng)域占據(jù)著十分重要的位置。近10年來，隨著PLC控制器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(shè)備開始采用PLC控制器進行控制，PLC控制器在我國的應(yīng)用增長十分迅速。隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展和基礎(chǔ)自動化水平的不斷提高，今后一段時期內(nèi)PLC控制器在我國仍將保持高速增長勢頭。 1.2研究目的及意義 二十一世紀，PLC控制器會有更大的發(fā)展。從技術(shù)上看，計算機技術(shù)的新成果會更多地應(yīng)用于可編程控制器的設(shè)計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設(shè)備會更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場合的需求. PLC控制器是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC控制器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，它具有高可靠性、抗干擾能力強、功能強大、靈活，易學易用、體積小，重量輕，價格便宜的特點。 隨著工業(yè)的高速發(fā)展，機械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動化設(shè)備更新時的需要，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。它可以搬運貨物、分揀物品、用以代替人的繁重及單調(diào)勞動，實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化；并能在高溫、腐蝕及有毒氣體等有害環(huán)境下操作以保護人身安全，被廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門。適應(yīng)工業(yè)需要，本課題試圖開發(fā)PLC對物料分揀機械手的控制，并借助必要的精密傳感器，使其能夠?qū)Σ煌伾奈锪习搭A(yù)先設(shè)定的程序進行分揀，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(yīng)用于柔性生產(chǎn)線。采用PLC控制，是一種預(yù)先設(shè)定的程序進行物料分揀的自動化裝置，可部分代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行單調(diào)持久的作業(yè)，并且在產(chǎn)品變化或臨時需要對機械手進行新的分配任務(wù)時，可以允許方便的改動或重新設(shè)計其新部件，而對于位置改變時，只要重新編程，并能很快地投產(chǎn)，降低安裝和轉(zhuǎn)換工作的費用。 1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的發(fā)展，PLC已由最初一位機發(fā)展到現(xiàn)在的以16位和32位微處理器構(gòu)成的微機化PC，而且實現(xiàn)了多處理器的多通道處理。如今，PLC技術(shù)已非常成熟，不僅控制功能增強，功耗和體積減小，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測更為靈活方便，而且隨著遠程I/O和通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理以及圖象顯示的發(fā)展，使PLC向用于連續(xù)生產(chǎn)過程控制的方向發(fā)展，成為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一大支柱。 現(xiàn)在，世界上有200多家PLC生產(chǎn)廠家，400多品種的PLC產(chǎn)品，按地域可分成美國、歐洲、和日本等三個流派產(chǎn)品，各流派PLC產(chǎn)品都各具特色。其中，美國是PLC生產(chǎn)大國，有100多家PLC廠商，著名的有A-B公司、通用電氣（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司。歐洲PLC產(chǎn)品主要制造商有德國的西門子（SIEMENS）公司、AEG公司、法國的TE公司。日本有許多PLC制造商，如三菱、歐姆龍、松下、富士等，韓國的三星（SAMSUNG）、LG等，這些生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品占有80%以上的PLC市場份額。 經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)PLC生產(chǎn)廠家約有三十家，國內(nèi)PLC應(yīng)用市場仍然以國外產(chǎn)品為主。國內(nèi)公司在開展PLC業(yè)務(wù)時有較大的競爭優(yōu)勢，如：需求優(yōu)勢、產(chǎn)品定制優(yōu)勢、成本優(yōu)勢、服務(wù)優(yōu)勢、響應(yīng)速度優(yōu)勢。 二十世紀四十年代后期，美國在原子能實驗中，首先采用機械手搬運放射性材料，人在安全間操縱機械手進行各種操作和實驗。50年代以后，機械手逐步推廣到工業(yè)生產(chǎn)部門，用于在高溫、污染嚴重的地方取放工件和裝卸材料，也作為機床的輔助裝置在自動機床、自動生產(chǎn)線和加工中心中應(yīng)用，完成上下料或從刀庫中取放刀具并按固定程序更換刀具等操作。機械手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(fù)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，稱為機械手的自由度。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(shè)計的關(guān)鍵參數(shù) 。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有2～3個自由度。機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。 機械手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機械手。 第2章 方案設(shè)計 對于機械手的控制系統(tǒng)可以采用多種方式，如繼電器控制、單片機控制、PLC控制等。PLC具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。可以預(yù)料：在工業(yè)控制領(lǐng)域中，PLC控制技術(shù)的應(yīng)用必將形成世界潮流。由于此明確指定采用PLC可編程控制器控制實現(xiàn)，所以，不用我們?nèi)タ紤]控制硬件方案，只是要對PLC進行比較選擇。 2.1 PLC的分類 1、按控制規(guī)模分 控制規(guī)模主要指控制開關(guān)量的入、出點數(shù)及控制模擬量的模入、模出，或兩者兼而有之（閉路系統(tǒng)）的路數(shù)。但主要以開關(guān)量計。模擬量的路數(shù)可折算成開關(guān)量的點，大致一路相當于8～16點。 依這個點數(shù)，PLC大致可分為微型機、小型機、中型機及大型機、超大型機。 微型機控制點僅幾十點，如德維森公司的V80系列PLC本體從16點到40點，OMRON公司的CPM1A系列PLC，西門子的Logo僅10點。 小型機控制點可達100多點。如如德維森公司的V80系列PLC可擴展到256點，OMRON公司的C60P可達148點，CQM1達256點。德國西門子公司的S7-200機可達64點。 中型機控制點數(shù)可達近500點，以至于千點。如德維森公司的PPC11系列可擴展到1024點，OMRON公司C200H機普通配置最多可達700多點，C200Ha機則可達1000多點。德國西門子公司的S7300機最多可達512點。 大型機：控制點數(shù)一般在1000點以上。如如德維森公司的PPC22系列可擴展到2048點，OMRON公司的C1000H、CV1000，當?shù)嘏渲每蛇_1024點。C2000H、CV2000當?shù)嘏渲每蛇_2048點。 超大型機：控制點數(shù)可達萬點，以至于幾萬點。如美國GE公司的90－70機，其點數(shù)可達24000點，另外還可有8000路的模擬量。再如美國莫迪康公司的PC－E984--785機，其開關(guān)量具總數(shù)為32k（32768），模擬量有2048路。西門子的SS－115U－CPU945，其開關(guān)量總點數(shù)可達8k，另外還可有512路模擬量。等等。 以上這種劃分是不嚴格的，只是大致的，目的是便于系統(tǒng)的配置及使用。 一般講，根據(jù)實際的I/O點數(shù)，凡落在上述不同范圍者，選用相應(yīng)的機型，性能價格比必然要高；相反，肯定要差些。 自然，也有特殊情況。如控制點數(shù)不是非常之多，不是非用大型機不可，但因大型機的特殊控制單元多，可進行熱備配置，因而采用了大型機。 2、按結(jié)構(gòu)劃分 PLC可分為箱體式及模塊式兩大類。微型機、小型機多為箱體式的，但從發(fā)展趨勢看，小型機也逐漸發(fā)展成模塊式的了。如OMRON公司，原來小型機都是箱體式，現(xiàn)在的CQM1則為模塊式的。 箱體的PLC把電源、CPU、內(nèi)存、I/O系統(tǒng)都集成在一個小箱體內(nèi)。一個主機箱體就是一臺完整的PLC，就可用以實現(xiàn)控制?？刂泣c數(shù)不符需要，可再接擴展箱體，由主箱體及若干擴展箱體組成較大的系統(tǒng)，以實現(xiàn)對較多點數(shù)的控制。 模塊式的PLC是按功能分成若干模塊，如CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊等等。大型機的模塊功能更單一一些，因而模塊的種類也相對多些。這也可說是趨勢。目前一些中型機，其模塊的功能也趨于單一，種類也在增鄉(xiāng)。如同樣OMRON公司C20系列PLC，H機的CPU單元就含有電源，而Ha機則把電源分出，有單獨的電源模塊。 模塊功能更單一、品種更多，可便于系統(tǒng)配置，使PLC更能物盡其用，達到更高的使用效益。 由模塊聯(lián)結(jié)成系統(tǒng)有三種方法： ①無底板，靠模塊間接口直接相聯(lián)，然后再固定到相應(yīng)導軌上。德維森公司的V80系列PLC就是這種結(jié)構(gòu)，比較緊湊。 ②有底板，所有模塊都固定在底板上。如德維森公司的PPC11、PPC22和PPC31系列PLC，OMRON公司的C200Ha機，CV2000等中、大型機就是這種結(jié)構(gòu)。它比較牢固，但底板的槽數(shù)是固定的，如3、5、8、10槽等等。槽數(shù)與實際的模塊數(shù)不一定相等，配置時難免有空槽。這既浪費，又多占空間，還得占空單元把多余的槽作填補。 ③用機架代替底板，所有模塊都固定在機架上。這種結(jié)構(gòu)比底板式的復(fù)雜，但更牢靠。一些特大型的PLC用的多為這種結(jié)構(gòu)。 我的手機10:44:14 3、按生產(chǎn)廠家分 目前生產(chǎn)PLC的廠家較多。但能配套生產(chǎn)，大、中、小、微型均能生產(chǎn)的不算太多。較有影響的，在中國市場占有較大份額的公司有： 德國西門子公司：它有S5系列的產(chǎn)品。有S5－95U、100U、115U、135U及155U。135U、155U為大型機，控制點數(shù)可達6000多點，模擬量可達300多路。最近還推出S7系列機，有S7-200（小型）、S7-300（中型）及S7-400機（大型）。性能比S5大有提高。 日本OMRON公司：它有CPM1A型機，P型機，H型機，CQM1、CVM、CV型機，Ha型、F型機等，大、中、小、微均有，特別在中、小、微方面更具特長，在中國及世界市場，都占有相當?shù)姆蓊~。 日本三菱公司的PLC也是較早推到我國來的。其小型機F1前期在國內(nèi)用得很多，后又推出FX2機，性能有很大提高。它的中、大型機為A系列。AIS、AZC、A3A等。 日本日立公司也生產(chǎn)PLC，其E系列為箱體式的?；鞠潴w有E-20、E-28、E－40、E－64。其I/O點數(shù)分別為12/8、16/12、24/16及40/24。另外，還有擴展箱體，規(guī)格與主箱體相同其EM系列為模塊式的，可在16～160之間組合。 日本東芝公司也生產(chǎn)PLC，其EX小型機及EX－PLUS小型機在國內(nèi)也用得很多。它的編程語言是梯形圖，其專用的編程器用梯形圖語言編程。另外，還有EX100系列模塊式PLC，點數(shù)較多，也是用梯形圖語言編程。 日本松下公司也生產(chǎn)PLC。FP1系列為小型機，結(jié)構(gòu)也是箱體式的，尺寸緊湊。FP3為模塊式的，控制規(guī)模也較大，工作速度也很快，執(zhí)行基本指令僅0?l微秒。 日本富士公司也有PLC。其NB系列為箱體式的，小型機。NS系列為模塊式。 美國GE公司、日本FANAC合資的GE－FANAC的90－70機也是很吸引人的。據(jù)介紹。它具有25個特點。諸如，用軟設(shè)定代硬設(shè)定，結(jié)構(gòu)化編程，多種編程語言，等等。它有914、781／782、771／772、731／732等多種型號。另外，還有中型機90－30系列，其型號有344、331、323、321多種；還有90－20系列小型機，型號為211。 美國施奈德公司(莫迪康)的984機也是很有名的。其中E984－785可安31個遠程站點，總控制規(guī)?？蛇_63535點。小的為緊湊型的，如984-120，控制點數(shù)為256點，在最大與最小之間，共20多個型號。最近又推出Twido系列PLC，有10、16、20、24、40點幾種規(guī)格。 美國AB（Alien－Bradley）公司創(chuàng)建于1903年，在世界各地有20多個附屬機構(gòu)，10多個生產(chǎn)基地?？删幊炭刂破饕彩撬闹匾a(chǎn)品。它的PLC－5系列是很有名的，其下有PLC－5/10，PLC－5/11，……PLC－5/250多種型號。另外，它也有微型PLC，有ControLgix系列和SLC－500系列。有三種配置，20、30及40I/O配置選擇，I/O點數(shù)分別為12/8、18/12及24/16三種。 美國IPM公司的IP1612系列機，由于自帶模擬量控制功能，自帶通訊口，集成度又非常之高，雖點數(shù)不多，僅16入，12出，但性價比還是高的，很適合于系統(tǒng)不大，但又有模擬量需控制的場合。新出的lP3416機，I/O點數(shù)擴大到34入、12出，而且還自帶一個簡易小編程器，性能又有改進。 國內(nèi)PLC廠家近年來發(fā)展較快，目前有幾家國產(chǎn)PLC廠商則是齊頭并進，但大多規(guī)模不大。比較有影響的有：深圳德維森、深圳艾默生、無錫光洋、無錫信捷、北京和利時、北京凱迪恩、北京安控、黃石科威、洛陽易達、浙大中控、浙大中自、南京冠德、蘭州全志等。如，德維森公司自主研發(fā)生產(chǎn)了多種型號與規(guī)格的PLC，有V80、PPC11、PPC22和PPC31等幾個系列，產(chǎn)品種類齊全，性能穩(wěn)定可靠，在性價比上有較大的優(yōu)勢。和利時公司的FOPLC系列和自主研發(fā)的G3系列，憑借公司在工程領(lǐng)域的實力，已逐步向工控中多個領(lǐng)域邁進。國產(chǎn)PLC從技術(shù)方面來講，差距已逐步縮小，市場方面則要一點一點去爭，相信國產(chǎn)PLC憑借其自身的技術(shù)實力和本地化的技術(shù)服務(wù)能力以一個合格的挑戰(zhàn)者身份與國際品牌同場競技。 此外，韓國和臺灣地區(qū)的一些公司目前在國內(nèi)也占據(jù)不可忽視的市場份額，比如韓國LS（LG）公司的K80S、K120S、K200S、K300S和K1000S系列PLC，臺灣永宏的FBS系列PLC，臺達的DVP系列，盟立的SC500系列，豐煒的VB和VH系列和臺安的TP02系列PLC等。 2.2 PLC的結(jié)構(gòu)及基本配置 圖2-1 PLC基本結(jié)構(gòu)圖 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：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。與通用計算機一樣，主要由運算器、控制器、存儲器及實現(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(guān)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。 存儲器：可編程序控制器的存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。 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。 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。 PLC 的外部設(shè)備：外部設(shè)備是PLC系統(tǒng)不可分割的一部分，它有四大類 1.、編程設(shè)備 2、監(jiān)控設(shè)備 3、存儲設(shè)備. 4、輸入輸出設(shè)備. 2.3 PLC的選擇 1、PLC的選型 對于PLC的選擇，我們必須考慮多方面的因素。例如輸入、輸出的最多點數(shù)；掃描速度；內(nèi)存容量；指令條數(shù)；功能模塊等。同時還要考慮其經(jīng)濟實用性以及工作環(huán)境對其的影響。 2、PLC的類型 PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應(yīng)用角度出發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c數(shù)選型。整體型PLC的I/O點數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點數(shù)，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。 3、輸入輸出模塊的選擇 輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應(yīng)考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應(yīng)用要求。對輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應(yīng)用要求應(yīng)一致。可根據(jù)應(yīng)用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應(yīng)用成本?？紤]是否需要擴展機架或遠程I/O機架等。 4、電源的選擇 PLC的供電電源，除了引進設(shè)備時同時引進PLC應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè)計和選用外，一般PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計選用220VAC電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應(yīng)用場合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果PLC本身帶有可使用電源時，應(yīng)核對提供的電流是否滿足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。 5、存儲器的選擇 由于計算機集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應(yīng)用項目的正常投運，一般要求PLC的存儲器容量，按256個I/O點至少選8K存儲器選擇。需要復(fù)雜控制功能時，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲器。 6、經(jīng)濟性的考慮 選擇PLC時，應(yīng)考慮性能價格比?？紤]經(jīng)濟性時，應(yīng)同時考慮應(yīng)用的可擴展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。 輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費用。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲器容量、機架、母板等也要相應(yīng)增加，估因此，點數(shù)的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響，在算和選用時應(yīng)充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有比較合理的性價比。 7、PLC的選擇 PLC是存儲控制的一種裝置，其控制功能是通過存放在存儲其內(nèi)的程序來實現(xiàn)的，若需要對控制要求做修改的話，只需改變內(nèi)部的程序便可，使硬件軟件化，因此它在工業(yè)控制中的地位越來越高，它具有以下特點： 可靠性高，編程簡單易學，通用性強，使用方便，系統(tǒng)設(shè)計周期短，對生產(chǎn)改變適應(yīng)性強，安裝簡單，調(diào)試方便，適應(yīng)工業(yè)環(huán)境。 分析機械手的工作過程和控制要求，該工作過程可以方程若干個工作步，且各步個所需完成的功能和轉(zhuǎn)換條件都非常的清晰明確，因此我們可以利用PLC步進順序控制的方法來完成編程，且要完成斷電保持的功能可以用KEEP指令來實現(xiàn)，即使在停電時也可以存儲之前的狀態(tài)，把WR區(qū)域做為中間繼電器使用。 因此可以用PLC來實現(xiàn)機械手的控制。 基于機械手的控制要求，繼電器型是不能實現(xiàn)的，由于設(shè)計要求不高，控制系統(tǒng)比較簡單，對輸入與輸出的端子要求不用那么多，且考慮到學校的提供的設(shè)備，因此使用歐姆龍CPM2A系列PLC即可實現(xiàn)，即經(jīng)濟右可以合理利用學校提供的設(shè)備。 2.4 機械手的分類和選擇 機械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機械手，它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定工作。它的特點是除具備普通機械的物理性能外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電信號操作機械手來進行探測月球、火星等。第三類是專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用于解決機床上下料和工件傳送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務(wù)的，由主機驅(qū)動，除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 本項目要求設(shè)計的機械手模型可歸為第一類，即通用機械手。在現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)中，自動化程度較高，大量應(yīng)用機械手。通過本次設(shè)計，可以增強對工業(yè)機械手的認識，同時并熟悉掌握PLC技術(shù)。 第3章 硬件設(shè)計 3.1 PLC控制機械手設(shè)計步驟 1、根據(jù)工藝要求確定被控系統(tǒng)必須完成的動作,確定這些動作之間的關(guān)系及完成這些動作的順序。 2、分配輸入、輸出設(shè)備,即確定哪些外圍設(shè)備是送信號給PLC的,哪些外圍設(shè)備接收來自PLC的信號的,同時還要將PLC的輸入、輸出點與之一一對應(yīng),對I/O進行分配。在此基礎(chǔ)上確定PLC的選型。 3、根據(jù)控制系統(tǒng)的控制要求和所選PLC的I/O點的情況及高功能模塊的情況,設(shè)計PLC用戶程序,此時可采用梯形田、助記符或流程圖語言形式的用戶程序。PLC的用戶程序體現(xiàn)了按照正確的順序所要求的全部功能及其相互關(guān)系,編程時可用編程器或計算機直接編程、修改,同時也可對PLC的工作狀態(tài)、特殊功能進行設(shè)定。 4、對所設(shè)計的PLC程序進行調(diào)試和修改,直至PLC完全實現(xiàn)系統(tǒng)所要求的控制功能。 5、保存已完成的程序。 3.2 系統(tǒng)控制示意圖 圖3-1機械臂傳送工件系統(tǒng)示意圖 圖3-2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 據(jù)圖3-1和3-2分析，機械手的初始位置停在原點，按下啟動后按扭后，機械手將下降——加緊工件——上升——右移——再下降——放松工件——在上升——左移八個動作，完成一個工作周期。機械手的下降、上升、右移、左移等動作轉(zhuǎn)換，是由相應(yīng)的限位開關(guān)來控制的，而加緊、放松動作的轉(zhuǎn)換是有時間來控制的。為了使動作準確，機械手上安裝了限位開關(guān)SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，分別對機械手進行下降、上升、右行、左行等動作的限位。 3.3 確定輸入輸出 1)輸入信號 位置檢測信號：下限SQ1、上限SQ2、右限SQ3、左限SQ4，共4個行程開關(guān)，總啟動SD、總停止ST，需要4個輸入端子。 啟動和停止：總啟動SD、總停止ST，需要2個輸入端子。 所以，共需要6個輸入信號。 2）輸出信號 PLC的輸出用于控制機械手的下降YV1、上升YV3、右移YV4、左移YV5、加緊YV2、放松YV2，共需要5個輸出點。機械手從原點開始工作，需要一個原點指示燈，也需要1個輸出點原位HT。 所以，至少需要6個輸出信號。 3.4 輸入和輸出點分配表 表3-1 輸入輸出點分配表 名 稱 代號 輸入 名 稱 代號 輸出 啟 動 SD 0.00 原 位 HL 10.05 下限行程 SQ1 0.01 電磁閥下降 YV1 10.00 上限行程 SQ2 0.02 電磁閥上升 YV3 10.02 右限行程 SQ3 0.03 電磁閥右行 YV4 10.03 左限行程 SQ4 0.04 電磁閥左行 YV5 10.04 停 止 ST 0.05 電磁閥夾緊 YV2 10.01 3.5 PLC控制機械手接線圖 圖3-3 接線圖 第4章 軟件設(shè)計 4.1 PLC概述 PLC（ProgrammableLogicController），是可編程邏輯控制器。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種采用微型計算機技術(shù)的工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程序控制器簡稱PLC,plc自1969年美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司（DEC）研制出現(xiàn)，現(xiàn)行美國，日本，德國的可編程序控制器質(zhì)量優(yōu)良，功能強大。 4.2 軟件系統(tǒng) 1、 系統(tǒng)程序： 它由PLC的制造企業(yè)編制，固化在PROM或EPROM中，按裝在PLC上，隨產(chǎn)品提供給用戶。系統(tǒng)程序包括系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序和供系統(tǒng)調(diào)用的標準程序模塊等。 系統(tǒng)管理程序的主要功能 1）時間分配的運行管理，即實現(xiàn)PL C輸入、輸出運算，自檢及提供通信時序 2）存儲空間的額分配管理，即生成用戶環(huán)境，規(guī)定各種參數(shù)、程序的存放地址，將用戶使用的數(shù)據(jù)參數(shù)存儲地址轉(zhuǎn)化為實際的數(shù)據(jù)格式及物理存儲地址 3）系統(tǒng)的自檢程序，即對系統(tǒng)進行出錯檢驗、用戶程序語法檢驗、句法檢驗、警戒時鐘運行等。在系統(tǒng)管理程序的控制下，整個PLC能正確、有效地工作。 用戶指令解釋程序。它可將用戶用各種編程語言（梯形圖、語句表等）編制的應(yīng)用程序翻譯成CPU能執(zhí)行的機器指令 供系統(tǒng)調(diào)用的標準程序模塊。它由許多獨立的程序組成，各自完成包括輸入、輸出、特殊運算等不同的功能。PLC的各種具體工作都由這部分來完成。 2、 用戶程序: 它是根據(jù)生產(chǎn)過程控制的要求由用戶使用制造企業(yè)提供的編程語言自行編制的應(yīng)用程序。用戶程序包括開關(guān)量邏輯控制程序、模擬量運算程序、閉環(huán)控制程序和操作站系統(tǒng)應(yīng)用程序等。 開關(guān)量邏輯控制程序。它是PLC用戶程序中最重要的一部分，一般采用梯形圖、助記符或功能塊圖等編程語言編制，不同的PLC制造企業(yè)提供的編程語言有不同的形式，至今沒有一種能全部兼容的編程語言。 模擬量運算程序及閉環(huán)控制程序。通常，它是在大中型PLC上實施的程序，由用戶根據(jù)需要按PLC提供的軟件和硬件功能進行編制。編程語言一般采用高級語言或匯編語言。一些制造企業(yè)為了方便用戶編程，也提供相應(yīng)編程軟件供用戶編制模擬量和PID控制等的程序。 操作站系統(tǒng)程。它是大型PLC系統(tǒng)經(jīng)過通信聯(lián)網(wǎng)后，由用戶進行信息交換和管理而編制的程序。它包括各類畫面的操作顯示程序。一般采用高級語言實現(xiàn)。一些制造企業(yè)也提供了人機界面的有關(guān)軟件，用戶可以根據(jù)制造企業(yè)提供的外交使用說明進行操作站的系統(tǒng)畫面組態(tài)和編制相應(yīng)的應(yīng)用程序。 4.3 PLC的編程語言的基本指令系統(tǒng)和編程方法 1、編程語言的形式 最常用的兩種編程語言，一是梯形圖，二是助記符語言表。采用梯形圖編程，因為它直觀易懂，但需要一臺個人計算機及相應(yīng)的編程軟件；采用助記符形式便于實驗，因為它只需要一臺簡易編程器，而不必用昂貴的圖形編程器或計算機來編程。 雖然一些高檔的PLC還具有與計算機兼容的C語言、BASIC語言、專用的高級語言，還有用布爾邏輯語言、通用計算機兼容的匯編語言等。不管怎么樣，各廠家的編程語言都只能適用于本廠的產(chǎn)品。 2、編程指令：指令是PLC被告知要做什么，以及怎樣去做的代碼或符號。從本質(zhì)上講，指令只是一些二進制代碼，這點PLC與普通的計算機是完全相同的。同時PLC也有編譯系統(tǒng)，它可以把一些文字符號或圖形符號編譯成機器碼，所以用戶看到的PLC指令一般不是機器碼而是文字代碼，或圖形符號。常用的助記符語句用英文文字（可用多國文字）的縮寫及數(shù)字代表各相應(yīng)指令。常用的圖形符號即梯形圖，它類似于電氣原理圖是符號，易為電氣工作人員所接受。 4.4 歐姆龍CX-Programmer編程軟件 歐姆龍plc編程軟件CX-Programmer是目前工作中最優(yōu)秀的可編程序控制器軟件，該軟件提供了一個基于CPS（Component and Network Profile Sheet）集成開發(fā)環(huán)境，能夠支持cs/cj、cv、c、fqm、cp1h/cp1l、cp1e等多個系列指令，支持omron全系列的PLC，支持離線仿真，可適用于已具有電氣系統(tǒng)知識的工作人員使用。 具有以下特點： 1、可以在IO表內(nèi)設(shè)定CPUBus單元和特殊單元，不需要手動設(shè)定和區(qū)分地址； 2、cx-one軟件的CPUBus單元和特殊單元設(shè)定可以在線和實際PLC的CPUBus 單元和特殊單元設(shè)定進行比較，將不符和的標出； 3、可以以圖形方式顯示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)； 4、多語言支持，可以安裝中文版本； 5、CP,CJ,CS系列的CPU可以支持離線仿真，在ns系列的觸摸屏里也支持在線離線仿真，也就是可以把觸摸屏和PLC放在一起離線仿真。 4.5 PLC控制機械手的流程圖 圖4-1 PLC控制機械手主流程圖 圖4-2 子流程圖 結(jié) 論 隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，電子技術(shù)的應(yīng)用越來越普及，自動控制技術(shù)的發(fā)展在改變?nèi)藗兗夹g(shù)視野的同時，也在改變著我們的生活本身和我們的思路。自動化控制技術(shù)已經(jīng)并且必將繼續(xù)深入人類的每一個領(lǐng)域，并將我們帶人更新的生活空間。 在本次設(shè)計中，機械手模型控制系統(tǒng)采用PLC進行控制，大大提高了該系統(tǒng)的自動化程度，減少了大量的中間繼電器、時間繼電器和硬件接線，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時，使用PLC進行控制可方便更改生產(chǎn)流程，增強控制功能。通過本次設(shè)計，可以根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)機械手控制系統(tǒng)的不同工作需求，機械手控制系統(tǒng)具有了很大的靈活性和可操作性。機械手的初始位置在原位，按下啟動按鈕后，機械手依次完成：下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移八個動作，實現(xiàn)機械手一個周期的動作。機械手的下降、上升、左移、右移的動作轉(zhuǎn)換靠限位開關(guān)來控制，而夾緊、放松動作的轉(zhuǎn)換是由時間繼電器來控制的。 通過此次設(shè)計過程，鞏固了專業(yè)基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)了我綜合應(yīng)用PLC課程及其他課程的理論知識和應(yīng)用生產(chǎn)實際知識解決工程實際問題的能力，在設(shè)計的過程中還培養(yǎng)出了我們的團隊精神，為今后的學習和工作過程打下基礎(chǔ)。 致 謝 在孟老師的大力支持以及同學們的幫助下，我準時完成了本次設(shè)計的報告。在此，我對那些曾經(jīng)或正在幫助我、支持我的老師、家人、同學和朋友表示衷心的感謝! 首先我衷心地感謝我的指導老師們。正是老師們認真負責的工作態(tài)度、平易近人的風格，不厭其煩地為我進行講解，才使得我能夠順利完成本次設(shè)計。本次設(shè)計的產(chǎn)出過程自始至終都得到了老師們的悉心指導，從設(shè)計的選題到實驗的完成，從報告的整理到詳細審稿、最后定稿無不傾注了老師們的辛勤汗水。 另外，感謝我的同學們、朋友們在我查找資料期間，無時無刻不在精神上鼓勵著我，在實質(zhì)上為我提供幫助，從而使我的報告能夠得以順利完成!感謝我的同窗好友們在學習及生活上給予的熱心幫助和鼓勵，大家勤奮好學和樂于助人的精神為我樹立了榜樣，時刻激勵著我不斷奮斗!感謝學校培養(yǎng)我，教導我知識，給予我榮譽，鑄造我人格，指引我道路。 這次報告的設(shè)計，讓我們熟悉了PLC基本編程技巧，順利完成PLC程序調(diào)試，同時我們也掌握了科研報告的格式，非常感謝老師。 最后還要感謝所有關(guān)心我、幫助我、支持我，但這里還沒有提及的人們，感謝大家!所有的這些都將會使我在今后的人生道路上更加信心百倍地挑戰(zhàn)自我、挑戰(zhàn)人生、追求卓越、創(chuàng)造輝煌!謝謝! 參考文獻 [1]張鳳珊．電氣控制及可編程序控制器．第二版[M].北京:中國輕工業(yè)出版社，2003． [2]高萬林．電氣控制技術(shù)與歐姆龍PLC.[M].北京:中國電力出版社，2010:127-136 [3]馬志溪．電氣工程設(shè)計[M].北京: 機械工業(yè)出版社，2002． [4]陳志新，宗學軍編.電器與PLC控制技術(shù)[M].中國林業(yè)出版社，2006:93-94 [5]齊占慶，王振臣．電氣控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2002． [6]史國生．電氣控制與可編程控制器技術(shù)[M].北京:化學工業(yè)出版社，2003. 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