plc課程設計 機械手 電氣控制 plc.doc

課程設計報告書課程名稱：PLC技術與工程應用 課題名稱：機械手電氣控制系統(tǒng)設計 系部名稱： 專業(yè)班級： 姓 名： 學 號： 2012年 06月20日 PLC技術與工程應用課程設計報告書目錄1 引言- 1 -2 系統(tǒng)總體方案設計- 2 - 2.1 系統(tǒng)硬件配置及組成原理- 2 - 2.2 系統(tǒng)變量定義及分配表- 5 - 2.3 系統(tǒng)接線圖設計- 6 -3 控制系統(tǒng)設計- 7 - 3.1 程序流程圖- 7 - 3.2 控制程序設計思路- 8 -4 程序調(diào)試- 9 - 4.1 調(diào)試設備- 9 - 4.2 遇到的問題與解決方法- 9 -5 上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計- 10 -6 心得體會- 11 -參考文獻- 12 -附錄 程序清單- 13 - 23 -機械手電氣控制系統(tǒng)設計1 引言機械手是工業(yè)控制和加工中經(jīng)常用到的執(zhí)行部件，具有能適應惡劣工作環(huán)境、效率高、安全穩(wěn)定和可進行高強度工作的優(yōu)點，在自動化生產(chǎn)線上有廣泛的應用。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效的辦法；控制機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化,工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而生產(chǎn)的。機械手是能夠模仿人體上肢的部分功能，可以對其進行自動控制使其按照預定要求輸送制品或操持工具進行生產(chǎn)操作的自動化生產(chǎn)設備。為工業(yè)機械手設計一個技術性能優(yōu)良的控制系統(tǒng)，對于提高工業(yè)機械手的整體技術性能來說具有十分重要的意義。本設計正是針對這一課題，選擇了可編程控制器(PLC)作為工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)，這對提升工業(yè)機械手的整體技術性能起到了良好的作用。 本設計的電動組合機械手分別由四個不同功能的驅(qū)動電機及相應的機械傳動裝置構成；它們是：旋轉(zhuǎn)電機、水平（X軸）伸縮運行電機、垂直（Y軸）升降運行電機、手爪驅(qū)動電機，是一個三軸多位置的機械裝置?？梢酝瓿闪憬M件的組裝、移送等任務。限位開關檢測機械手是否到達固定位置?？删幊炭刂破?PLC)控制機械手的動作，實現(xiàn)機械手的單步和連續(xù)運行。本設計可編程控制器(PLC)選用西門子（SIEMENS）公司S7-200系列的CPU224XP。機械手的開關量信號直接輸入PLC，PLC輸出的控制信號用于驅(qū)動繼電器動作，從而控制電動機正向或反向運行。2 系統(tǒng)總體方案設計2.1 系統(tǒng)硬件配置及組成原理2.1.1 機械手的相關介紹機械手實驗設備如圖1所示。該設備可以實現(xiàn)手臂的左右擺動、伸出與退回、上下移動、機械手指的夾緊與張開等四自由度動作。圖1. 機械手實驗設備該設備四自由度動作由四臺直流電動機驅(qū)動，每臺電動機可進行正反轉(zhuǎn)運行。左右擺動由齒輪組嚙合實現(xiàn)減速傳動；伸出與退回、上下移動由直流減速電機驅(qū)動絲杠-螺母結(jié)構完成；機械手指的夾緊與張開由直流減速電機驅(qū)動連桿結(jié)構實現(xiàn)。該設備共有8個動作，由控制器輸出信號驅(qū)動。每個自由度運行極限位置設置了兩個行程開關，用于判斷當前動作是否到位。該設備共有8個行程開關作為控制器的輸入信號。設計輸入輸出接口電路 (如圖2所示) 的目的是為解決機械手設備輸出驅(qū)動單元、輸入檢測單元與PLC之間的信號接口問題。圖中上層電路板是驅(qū)動電路板，下層電路板左側(cè)是輸入接口電路板，右側(cè)是輸出接口電路板。圖2. 輸入輸出接口電路板輸入接口電路板原理圖如圖3所示，其功能是將設備上行程開關的開關狀態(tài)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電平信號(邏輯1：24V DC ；邏輯0：0V DC)。板上設有光電隔離電路，將內(nèi)外電源隔離，以保護設備安全。圖3. 輸入接口電路板電氣原理圖本設備8個輸入信號，對應輸入接口電路板的8根輸入信號線。各信號線對應的行程開關如表1所示。表1. 輸入信號線與行程開關對應關系表輸入信號線序號(自左到右)對應行程開關備 注1左轉(zhuǎn)到位2右轉(zhuǎn)到位3退回到位4伸出到位5上移到位6下移到位7手指張開到位8手指夾緊到位輸出接口(如圖4所示)由兩塊電路板構成：驅(qū)動電路板和輸出接口電路板。它們的功能是將PLC輸出的控制信號用于驅(qū)動繼電器動作，從而控制電動機正向或反向運行。輸出接口電路板上也設有光電隔離電路，可將內(nèi)外電源隔離。左圖為驅(qū)動電路板電氣原理圖，繼電器A吸合、B釋放，對應的電機正轉(zhuǎn)；繼電器A釋放、B吸合，對應的電機反轉(zhuǎn)；繼電器A、B同時釋放，電機停止運行；不允許二者都吸合。右圖為輸出接口電路板電氣原理圖，當PLC輸出的某路控制信號有效時，對應的輸出信號有效，從而可以使得對應的繼電器吸合。圖4. 輸出接口電路電氣原理圖(左圖為驅(qū)動電路板，右圖為輸出接口電路板)本設備有8個輸出控制信號，對應輸出接口電路板的8根輸出信號線。各輸出信號線對應的電動機動作關系如表2所示。表2. 輸出信號線與電動機動作對應關系表輸出信號線序號(自左到右)對應電動機備 注1擺動電機左轉(zhuǎn)2擺動電機右轉(zhuǎn)3水平電機伸出4水平電機退回5垂直電機上移6垂直電機下移7手指電機張開8手指電機夾緊2.1.2 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成圖5如下：圖5. 機械手PLC控制系統(tǒng)組成由上圖5可知，該機械手PLC控制系統(tǒng)除機械手設備外，還由安裝有編程軟件V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6的計算機，西門子（SIEMENS）公司S7-200系列的CPU224XP，PPI通信電纜等組成。2.2 系統(tǒng)變量定義及分配表該系統(tǒng)有12個輸入點，對應的分配表如下表（表3）所示。表3. 輸入點地址分配表名稱地址單步啟動按鈕I0.0連續(xù)啟動按鈕I1.0停止按鈕I1.4復位按鈕I1.1左轉(zhuǎn)到位開關I0.1右轉(zhuǎn)到位開關I0.2退回到位開關I0.3伸出到位開關I0.4上移到位開關I0.5下移到位開關I0.6手指張開到位開關I1.2手指夾緊到位開關I1.3該系統(tǒng)有8個輸入點，對應的分配表如表4所示。表4. 輸出點地址分配表名稱地址擺動電機左轉(zhuǎn)Q0.1擺動電機右轉(zhuǎn)Q0.2水平電機伸出Q0.3名稱地址水平電機退回Q0.4垂直電機上移Q0.5垂直電機下移Q0.6手指電機張開Q0.7手指電機夾緊Q1.02.3 系統(tǒng)接線圖設計該系統(tǒng)的接線圖如下圖6所示。圖6. 機械手PLC控制系統(tǒng)接線圖3 控制系統(tǒng)設計3.1 程序流程圖該系統(tǒng)程序流程圖如下圖7所示。圖6. 機械手PLC控制系統(tǒng)程序流程圖程序流程圖說明：1、機械手處于原位，右限位、上限位、退回到位和手指張開到位行程開關均被壓下。如不在原位可按下復位按鈕使其回到原位；2、按下單步模式下，機械手由原位開始動作，同時進行伸出和下行，后進行手指夾緊地址，之后同時進行上行和左轉(zhuǎn)，然后進行下行動作，再進行手指張開動作，最后同時進行上行和退回動作；3、按下連續(xù)啟動按鈕，上述動作依次發(fā)生，但回到初始位置之后，繼續(xù)下一個工件的傳輸過程，按下停止按鈕，待本次工件傳輸工作結(jié)束后，停止運行。3.2 控制程序設計思路此次機械手PLC控制系統(tǒng)采用順序功能圖來編程，順序功能流程圖程序設計的特點是：1、以功能為主線，條理清楚，便于對程序操作的理解和溝通； 2、對大型的程序，可分工設計，采用較為靈活的程序結(jié)構，可節(jié)省程序設計時間和調(diào)試時間；3、常用于系統(tǒng)的規(guī)模校大，程序關系較復雜的場合； 4、只有在活動步的命令和操作被執(zhí)行后，才對活動步后的轉(zhuǎn)換進行掃描，因此，整個程序的掃描時間要大大縮短。機械臂在上、下、左、右、伸出、退回、手指抓緊和松開的控制中使用了S作為狀態(tài)條件。由于機械手運行過程中有幾步可以同時動作，于是采用順序控制的并行分支來完成，以節(jié)省運行的時間，提高效率。其中可同時進行的步驟執(zhí)行后等待完成后再進行下一步。在機械手的上、下、左、右、伸出、退回、手指抓緊和松開的控制中，使用軟件聯(lián)鎖觸點，替代了SM0.0。對于出現(xiàn)的重復使用左行、上行和下行動作輸出驅(qū)動，在SCR段先用中間繼電器表示其分段的輸出邏輯，在出現(xiàn)的最后在進行合并輸出處理。4 程序調(diào)試4.1 調(diào)試設備根據(jù)控制系統(tǒng)的硬件及軟件的設計最后對本控制系進行整體性的操作控制調(diào)試：首先用電腦在STEP-7-Micro/WIN編程軟件中將編輯的梯形圖寫入軟件中，然后點擊運行并對其指出的錯誤進行修改，修改完最終運行無誤后將其下載到可編程控制儀器中；其次按照設計的要求接好線，確定無誤后按下啟動按鈕。啟動后發(fā)現(xiàn)上行、下行、左行、右行燈均同時亮且一直亮著，這樣就不符合設計中每個動作依次有序進行操作的要求，務必對其進行修正。在這種情況下我采取了以下操作：一：在沒有確定設備是否曾在問題的情況下，首先我們對設備進行了檢測，發(fā)現(xiàn)不曾在任何問題，在這種情況下我選擇了再一次用先前的步驟來完成整個過程以確定初次的接線過程是否有誤，結(jié)果發(fā)現(xiàn)運行的結(jié)果和先前一樣出現(xiàn)燈均亮。這樣方案一就以失敗告終。 二：通過對程序的再三檢查后，發(fā)現(xiàn)并未出現(xiàn)語法上的錯誤。會不會是運行的速度太快而出現(xiàn)一個周期接一個周期的快速運行呢？在帶著這個問題的情況下把程序的每個動作網(wǎng)絡多家了一個stop指令加以驗證，然后將程序?qū)懭隨TEP-7-Micro/WIN編程軟件中運行，運行結(jié)果顯示沒有錯誤；再下載到可編程控制儀后接好線按下啟動按鈕，發(fā)現(xiàn)指示燈會按照設計動作的要求依次亮起而且程序也能按照設計的要求完成指定的單周期和多周期操作。這樣利用方案二就完成了整個實驗的調(diào)試。4.2 遇到的問題與解決方法1、對于出現(xiàn)的重復使用左行、上行和下行動作如何避免沖突？在SCR段先用中間繼電器表示其分段的輸出邏輯，在出現(xiàn)的最后在進行合并輸出處理。2、怎樣使機械手的工作狀態(tài)清晰而簡單呈現(xiàn)出來？ 采用功能圖進行程序的編寫與調(diào)試。3、在調(diào)試過程中如何發(fā)現(xiàn)錯誤？ 通過監(jiān)視、查看符號表來查看狀態(tài)和數(shù)據(jù)。5 上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計本實驗所采用上位監(jiān)控系統(tǒng)是基于計算機的上STEP 7Micro WIN軟件，而進行對程序和設備的系統(tǒng)內(nèi)部的監(jiān)控，主要的過程如下：熟悉STEP 7Micro WIN軟件的編程環(huán)境、編程方法和用STEP 7Micro WIN軟件編寫上位機監(jiān)控系統(tǒng)的程序。根據(jù)課目設計要求，編寫程序。對系統(tǒng)進行調(diào)試和I/O地址的分配、標釋。運行機械手設備，打開上位機上的監(jiān)控系統(tǒng)，觀察課目設計程序，并監(jiān)控機械手設備是否正常情況下工作。對設備工作中的不足進行修改，重新進行觀察本軟件對程序?qū)嵤┝吮O(jiān)控，監(jiān)控部分剪影如圖7所示：圖7. 程序的上位機監(jiān)控圖另外本上位機監(jiān)控系統(tǒng)還對數(shù)據(jù)的變化進行了監(jiān)控，如圖8所示：圖8、符號表的監(jiān)控圖6 心得體會學完PLC理論課程后我們做了課程設計，此次設計以分組的方式進行，每組有一個題目。我們做的是機械手的PLC控制系統(tǒng)。由于平時大家都是學的大多數(shù)是理論知識，沒有過實際開發(fā)設計的經(jīng)驗，拿到的時候都不知道怎么做。但通過各方面的查資料并向老師和同學請教。我們基本學會了PLC設計的步聚和基本方法。分組工作的方式給了我與同學合作的機會，提高了與人合作的意識與能力。通過這次設計實踐。我學會了PLC的基本編程方法，對PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在對理論的運用中，提高了我們的工程素質(zhì)，在沒有做實踐設計以前，我們對知道的掌握都是思想上的，對一些細節(jié)不加重視，當我們把自己想出來的程序與到PLC中的時候，問題出現(xiàn)了，不是不能運行，就是運行的結(jié)果和要求的結(jié)果不相符合。通過解決一個個在調(diào)試中出現(xiàn)的問題，我們對PLC 的理解得到加強，看到了實踐與理論的差距。通過合作，我們的合作意識得到加強。合作能力得到提高。上大學后，很多同學都沒有過深入的交流，在設計的過程中，我們用了分工與合作的方式，每個人負責一定的部分，同時在一定的階段共同討論，以解決分工中個人不能解決的問題，在交流中大家積極發(fā)言，和提出意見，同時我們還向別的同學請教。在此過程中，每個人都想自己的方案得到實現(xiàn)，積極向同學說明自己的想法。通過比較選出最好的方案。 鑒于本人所學知識有限，經(jīng)驗不足，又是初次研究