氣動機(jī)械手的PLC設(shè)計實(shí)現(xiàn)

1、畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)題 目:氣動機(jī)械手的PLC設(shè)計實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)者： 評閱者： 年 月為工業(yè)機(jī)械手研制一個技術(shù)性能優(yōu)良的控制系統(tǒng)，對于提高工業(yè)機(jī)械手的整體技術(shù)性能來說具有十分重要的意義。本論文正是針對這一課題，選擇了可編程控制器(PLC)作為工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)，這對提升工業(yè)機(jī)械手的整體技術(shù)性能起到了良好的作用。本論文的控制對象是由三個搬運(yùn)機(jī)械手組成的機(jī)械手群，每個機(jī)械手完成八個基本動作，三個機(jī)械手互相配合動作。機(jī)械手由氣缸驅(qū)動，氣缸受電磁閥控制。限位開關(guān)檢測機(jī)械手是否到達(dá)固定位置?？删幊炭刂破?PLC)控制每個機(jī)械手的動作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手群的自動運(yùn)行。本論文可編程控制器(PLC)選用西門子（SIEM

2、ENS）公司S7200系列的CPU224，并擴(kuò)展了EM221數(shù)字量輸入模塊和EM222繼電器輸出模塊。機(jī)械手的開關(guān)量信號直接輸入PLC，PLC通過中間繼電器對電磁閥加以控制。在軟件上，設(shè)計了主程序和子程序。主程序控制機(jī)械手群動作，子程序控制每個機(jī)械手動作。本論文的重點(diǎn)放在PLC各硬件部分的設(shè)計和介紹、PLC梯形圖的編寫上。在整體設(shè)計過程中按照“提出問題，分析問題，解決問題”的主導(dǎo)思想，對整個系統(tǒng)的設(shè)計工作做出了細(xì)致的闡述。關(guān)鍵詞：可編程控制器(PLC)；氣動機(jī)械手；梯形圖；CPU224；畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要Title Pneumatic manipula

3、tor design and implementation of PLC AbstractDevelops a technical performance fine control system for the industry manipulator, regarding enhances the industry manipulator's overall technical performance to have the extremely vital significance. The present paper is precisely in view of this top

4、ic, chose programmable logical controller (PLC) to take the industry manipulator's control system, this to promoted the industry manipulator's overall technical performance to play the good role. The present paper controlled member is by three the manipulator group which transports the manip

5、ulator to be composed, each manipulator completes eight elementary actions, three manipulators coordinate the movement mutually. The manipulator actuates by the air cylinder, air cylinder solenoid valve control. The limit switch examines the manipulator whether arrives the stationary position. The p

6、rogrammable logical controller (PLC) controls each manipulator's movement, realizes the manipulator group automatic movement. Present paper programmable logical controller (PLC) selects SIEMENS Corporation S7200 series CPU224, and expanded the EM221 numeral quantity load module and the EM222 rel

7、ay output module. Manipulator's switch quantity signal direct input PLC, PLC controls through the intermediate relay to the solenoid valve. On the software, has designed the master routine and the subroutine. The master routine controls the manipulator group movement, the subroutine controls eac

8、h manipulator to act. The present paper key point places the PLC various hardware part the design and the introduction, in the PLC trapezoidal chart compilation. Defers to in the overall design process “asks the question, the analysis question, solves the problem” the guiding ideology, has made the

9、careful elaboration to the overall system design workKey words： PLC ；Air Operated Manipulator；Trapezoidal Chart；CPU224；目 次第1章 緒 論11.1 機(jī)械手背景11.2 機(jī)械手方案，設(shè)計相關(guān)知識21.3 畢業(yè)設(shè)計目標(biāo)和任務(wù)31.4 技術(shù)指標(biāo)運(yùn)用范圍4第2章 方案論證62.1 機(jī)械手總體設(shè)計62.2 氣動搬運(yùn)機(jī)械手群72.3 本論文的主要內(nèi)容及達(dá)到的目標(biāo)82.4 本系統(tǒng)的控制方案9第3章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計103.1 PLC的簡介103.2輸入/輸出信號153.3PLC的選型17

10、3.4電氣控制原理19第4章 軟件設(shè)計214.1 機(jī)械手1控制程序214.2 機(jī)械手2控制程序24第5章 整體的系統(tǒng)特性25第6章 結(jié)論26致 謝27參考文獻(xiàn)28附 錄29 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）第34頁 共 33 頁第1章 緒 論1.1 機(jī)械手背景機(jī)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。它的特點(diǎn)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(jī)器的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。我國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T1264390)對機(jī)械手的定義：“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體，或

11、進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置?！睓C(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩大類。專用機(jī)械手：它作為整機(jī)的附屬部分，動作簡單，工作對象單一，具有固定(有時可調(diào))程序，使用大批量的自動生產(chǎn)。如自動生產(chǎn)線上的上料機(jī)械手，自動換刀機(jī)械手，裝配焊接機(jī)械手等裝置。通用機(jī)械手：它是一種具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈活多樣的機(jī)械手。它適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化生產(chǎn)。它的工作范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于柔性自動線。 機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。機(jī)械手?jǐn)U大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)的重復(fù)

12、勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動搬運(yùn)小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(FMS )和計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS )，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化。1.2 機(jī)械手方案，設(shè)計相關(guān)知識1.2.1 氣動技術(shù)氣動技術(shù)這個被譽(yù)為工業(yè)自動化之“肌肉”的傳動與控制技術(shù)，在加工制造業(yè)領(lǐng)域越來越受到人們的重視，并獲得了廣泛應(yīng)用。目前，伴隨著微電子技術(shù)、通信技術(shù)和自動化控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，氣動技術(shù)也不斷創(chuàng)新，以工程實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，得到了前所未有的發(fā)展。氣動技術(shù)(Pneumatics)是以壓縮空氣為介質(zhì)來傳動

13、和控制機(jī)械的一門專業(yè)技術(shù)?！癙neumatics”一詞起源于希臘文的“Pneuma”，其原義為“呼吸”，后來才一演變成“氣動技術(shù)”。隨著生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，氣動技術(shù)應(yīng)用面迅速擴(kuò)大，氣動產(chǎn)品品種規(guī)格持續(xù)增多，性能、質(zhì)量不斷提高，市場銷售產(chǎn)值穩(wěn)步增長。在工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的歐美、日本等國家，氣動元件產(chǎn)值已接近液壓元件的產(chǎn)值，而且仍以較快的速度在發(fā)展。氣動工業(yè)的高速增長，進(jìn)一步刺激了氣動技術(shù)的發(fā)展。氣動技術(shù)正朝著精確化、高速化、小型化、復(fù)合化和集成化的方向發(fā)展。1.2.2 氣動機(jī)械手工業(yè)機(jī)械手使用最多的一種驅(qū)動方式是電機(jī)驅(qū)動。驅(qū)動電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)以及交流伺服電機(jī)。由于電機(jī)速度高，通

14、常須采用減速機(jī)構(gòu)(如諧波傳動、RV擺線針輪傳動、齒輪傳動、螺旋傳動和多桿機(jī)構(gòu)等)。這類機(jī)械手的特點(diǎn)是控制精度高，驅(qū)動力較大，響應(yīng)快，信號檢測、傳遞、處理方便，并可以采用多種靈活的控制方案。但是由于這類機(jī)械手價格昂貴，限制了在一些場合的廣泛應(yīng)用。因此，人們開始尋求其它一些經(jīng)濟(jì)適用的機(jī)械手驅(qū)動方式。隨著氣動技術(shù)獲得了快速發(fā)展，其利用成本性能比低廉及同時具有許多優(yōu)點(diǎn)的氣動設(shè)備，在滿足社會生產(chǎn)實(shí)踐需要的同時也越來越多的受到重視。氣動機(jī)械手技術(shù)已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐要求的一種重要實(shí)用技術(shù)。氣動機(jī)械手與其它控制方式的機(jī)械手相比，具有價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，表1

15、.1給出了各種控制方式的比較。表1.1 各種控制方式的比較項(xiàng)目氣壓傳動液壓傳動電氣傳動機(jī)械傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單復(fù)雜復(fù)雜較復(fù)雜安裝自由度大大中小輸出力稍大大小不太大定位精度一般一般很高高續(xù)表 1.1動作速度大稍大大小響應(yīng)速度慢快快中清潔度清潔可能污染清潔較清潔維護(hù)簡單比氣動復(fù)雜需要專門技術(shù)簡單價格一般稍高高一般技術(shù)要求較低較高最高較低控制自由度大大中小危險性幾乎沒問題注意火一般無問題無特殊問題1.3 畢業(yè)設(shè)計目標(biāo)和任務(wù)1.3.1 氣動技術(shù)氣動技術(shù)這個被譽(yù)為工業(yè)自動化之“肌肉”的傳動與控制技術(shù)，在加工制造業(yè)領(lǐng)域越來越受到人們的重視，并獲得了廣泛應(yīng)用。目前，伴隨著微電子技術(shù)、通信技術(shù)和自動化控制技術(shù)的迅

16、猛發(fā)展，氣動技術(shù)也不斷創(chuàng)新，以工程實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，得到了前所未有的發(fā)展。氣動技術(shù)(Pneumatics)是以壓縮空氣為介質(zhì)來傳動和控制機(jī)械的一門專業(yè)技術(shù)?！癙neumatics”一詞起源于希臘文的“Pneuma”，其原義為“呼吸”，后來才一演變成“氣動技術(shù)”。氣動技術(shù)因具有節(jié)能、無污染、高效、低成本、安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單，以及防火、防爆、抗電磁干擾、抗幅射等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于汽車制造、電子、工業(yè)機(jī)械、食品等工業(yè)產(chǎn)業(yè)中。隨著新材料、新技術(shù)、新工藝的開發(fā)和應(yīng)用，氣動技術(shù)己經(jīng)突破傳統(tǒng)的設(shè)計、制造理念，正在IC/LCD、微電子、生物制藥、醫(yī)療機(jī)械等高技術(shù)領(lǐng)域扮演著重要角色。隨著生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，氣動

17、技術(shù)應(yīng)用面迅速擴(kuò)大，氣動產(chǎn)品品種規(guī)格持續(xù)增多，性能、質(zhì)量不斷提高，市場銷售產(chǎn)值穩(wěn)步增長。在工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的歐美、日本等國家，氣動元件產(chǎn)值已接近液壓元件的產(chǎn)值，而且仍以較快的速度在發(fā)展。氣動工業(yè)的高速增長，進(jìn)一步刺激了氣動技術(shù)的發(fā)展。氣動技術(shù)正朝著精確化、高速化、小型化、復(fù)合化和集成化的方向發(fā)展。1.3.2 氣動機(jī)械手氣動機(jī)械手是在己有的機(jī)械手基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。二者之間的區(qū)別在于氣動機(jī)械手發(fā)展的起點(diǎn)頗高，它強(qiáng)調(diào)模塊化的形式，把專用機(jī)械手和通用機(jī)械手結(jié)合起來?，F(xiàn)代氣動機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)由感知部分、控制部分、主機(jī)部分和執(zhí)行部分四個方面組成。采集感知信號及控制信號均由智能閥島來處理，氣動伺服定位系統(tǒng)代替了

18、伺服電機(jī)、步進(jìn)馬達(dá)或液壓伺服系統(tǒng)；氣缸、擺動馬達(dá)完成原來由液壓缸或機(jī)械所作的執(zhí)行動作；主機(jī)部分采用了標(biāo)準(zhǔn)型材輔以模塊化的裝配形式，使得氣動機(jī)械手能拓展成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。人們根據(jù)應(yīng)用情況的要求，選擇相應(yīng)功能和參數(shù)的模塊，像積木一樣隨意的組合，這是一種先進(jìn)的設(shè)計思想，代表氣動機(jī)械手今后的發(fā)展方向，也將始終貫穿著氣動機(jī)械手的發(fā)展及實(shí)用性。因此，氣動機(jī)械手可以代替一些功能不理想的工業(yè)機(jī)械手的地位，在目前的工業(yè)自動線上有著及其廣泛的應(yīng)用前景。1.4 技術(shù)指標(biāo)運(yùn)用范圍盡管世界工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展放緩，使得氣動機(jī)械手的發(fā)展受到一定的影響，然而，作為新興科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物，氣動機(jī)械手的發(fā)展勢不可擋。目前，氣動機(jī)械手

19、的發(fā)展呈現(xiàn)出了以下趨勢：1、結(jié)構(gòu)模塊化2、控制智能化3、感覺功能變強(qiáng)4、系統(tǒng)應(yīng)用與集成化5、可靠性越來越高6、易操作更靈活7、向微型化方向發(fā)展在不久的將來機(jī)械手將越來越廣泛地進(jìn)入工業(yè)，軍事，航空，醫(yī)療，生活等領(lǐng)域。第2章 方案論證2.1 機(jī)械手總體設(shè)計2.1.1 氣動搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)機(jī)械手的種類很多，但按手臂坐標(biāo)類型來分主要有直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式、SCARA型。本論文所針對的機(jī)械手屬于圓柱坐標(biāo)式，如圖2.1所示，機(jī)械手主要是由基座和手臂兩部分組成。基座的主要任務(wù)是支撐和完成手臂回轉(zhuǎn)。手臂裝在基座上，作上下直線運(yùn)動，手部可夾緊/放松。機(jī)械手手部機(jī)械手橫臂機(jī)械手立柱機(jī)械手基

20、座圖2.1 機(jī)械手原理圖本機(jī)械手的全部動作由氣缸驅(qū)動。氣缸由電磁閥控制。驅(qū)動部分有升降氣缸、擺動氣缸和手部驅(qū)動氣缸。2.1.2 氣動搬運(yùn)機(jī)械手的工作原理本機(jī)械手采用氣壓驅(qū)動，使用的是壓力為0. 6 MPa，最高可達(dá)1 Mpa。這個機(jī)械手具有二個直線運(yùn)動和一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動自由度，用于將原工作臺上的物品搬到其左側(cè)工作臺上。機(jī)械手的全部動作由氣缸驅(qū)動，氣缸由電磁閥控制，整個機(jī)械手在工作中能實(shí)現(xiàn)上升/下降、左旋轉(zhuǎn)/右旋轉(zhuǎn)、夾緊/放松功能，是目前較為簡單的、應(yīng)用比較廣泛的一種機(jī)械手。機(jī)械手的工作流程如圖2.2所示。開始下降抓緊上升左旋下降放松上升右旋 結(jié)束原位圖2.2工作流程其升降運(yùn)動通過升降氣缸、垂直導(dǎo)柱

21、、滑動導(dǎo)柱、垂直導(dǎo)軌及升降位置微動開關(guān)相互配合完成，升降工作行程為01500mm。轉(zhuǎn)動是通過擺動氣缸、軸向止推軸承、擺動臂及擺動位置微動開關(guān)協(xié)調(diào)完成，轉(zhuǎn)動工作行程為0180°。手部是通過氣缸、彈簧的作用來夾持物品，夾持力是靠調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓縮量來調(diào)整。2.2 氣動搬運(yùn)機(jī)械手群2.2.1 氣動搬運(yùn)機(jī)械手群結(jié)構(gòu)本論文的控制對象是由三個機(jī)械手組成的機(jī)械手群。其結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。機(jī)械手1機(jī)械手2機(jī)械手3工作臺A工作臺B工作臺C紅外檢測紅外檢測紅外檢測圖2.3機(jī)械手群結(jié)構(gòu)三個機(jī)械手、三個工作臺和三個紅外檢測器固定在一個大型的基座上。每個機(jī)械手的手部正下方都有工作臺，用于放置物品。在每個機(jī)械手的

22、基座和工作臺之間都有一個紅外檢測器，用于檢測工作臺上是否有物品。機(jī)械手把物品從右面的工作臺上移到左面的工作臺上。2.2.2 氣動搬運(yùn)機(jī)械手群工作原理當(dāng)系統(tǒng)工作開始時，工作臺A上有物品時，機(jī)械手1首先工作，完成8個基本操作后（即一個循環(huán)），把物品放在工作臺B上，機(jī)械手2便啟動工作，同樣完成一個循環(huán)后，把物品放在工作臺C上，機(jī)械手3啟動工作，這樣3個機(jī)械手不斷的循環(huán)工作；當(dāng)系統(tǒng)工作結(jié)束時，機(jī)械手1首先完成一個循環(huán)后停止，然后機(jī)械手2、機(jī)械手3也順序依次停止工作。2.3 本論文的主要內(nèi)容及達(dá)到的目標(biāo)本論文主要內(nèi)容是以氣動搬運(yùn)機(jī)械手作為控制對象，用PLC作為控制器，最終實(shí)現(xiàn)對氣動搬運(yùn)機(jī)械手群自動運(yùn)行的

23、控制。本論文要達(dá)到的目標(biāo)是，當(dāng)系統(tǒng)工作開始時，機(jī)械手1首先工作，完成8個基本操作后（即一個循環(huán)），機(jī)械手2便啟動工作，同樣完成一個循環(huán)后，機(jī)械手3啟動工作，這樣3個機(jī)械手不斷的循環(huán)工作；當(dāng)系統(tǒng)工作結(jié)束時，機(jī)械手1首先完成一個循環(huán)后停止，然后機(jī)械手2、機(jī)械手3也順序依次停止工作。每個機(jī)械手的完成8個基本操作，第1步當(dāng)工作臺上有物品時，機(jī)械手下降。第2步是機(jī)械手在最低位抓緊物品。第3步是機(jī)械手夾緊物品上升。第4步是機(jī)械手夾緊物品右旋180度。第5步是機(jī)械手夾緊物品下降。第6步是在最低位時松開物品。第7步機(jī)械手上升。第8步是機(jī)械手左旋180度，回到原位。2.4 本系統(tǒng)的控制方案為了實(shí)現(xiàn)對氣動搬運(yùn)機(jī)械

24、手群的自動控制，本系統(tǒng)采用PLC做控制器。本系統(tǒng)的輸入開關(guān)量為數(shù)字信號，直接連接PLC，PLC通過中間繼電器對電磁閥加以控制。第3章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計3.1 PLC的簡介3.1.1 可編程控制器的概念可編程控制器(Programmable Logical Controller)簡稱PLC。國際電工委員會（IEC）在1985年的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案第3稿中，對PLC作了如下定義：“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。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令。并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或

25、生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(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。”現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程是復(fù)雜多樣的，它們對控制的要求也各不相同。PLC一經(jīng)出現(xiàn)就受到了廣大工程技術(shù)人員的歡迎。PLC具有如下特點(diǎn)：1、編程方法簡單易學(xué)。2、功能強(qiáng)，性能價格比高。3、硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)。4、可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。5、系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少。6、維修工作量小，維修方便。7、體積小，能耗低。3.1.2 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域PLC的初期由于其價格高于繼電器控制裝置，使得其應(yīng)用受到限制。但最近十年來，PLC的應(yīng)用面越來越廣，其主要原因是：一方面由于處理器芯片及有關(guān)元件

26、的價格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增加，能解決復(fù)雜的計算和通信問題。目前PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、采礦、石油、化工、電力、機(jī)械制造、汽車、裝卸、紡織、環(huán)保和娛樂等行業(yè)。PLC的應(yīng)用范圍通常分成以下5種類型：1、順序控制這是PLC應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，也是最適合PLC使用的領(lǐng)域，它用來取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制。PLC應(yīng)用于單機(jī)控制、多機(jī)控制、生產(chǎn)自動線控制等。例如：注塑機(jī)械、印刷機(jī)械、訂書機(jī)械、包裝機(jī)械、切紙機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制。2、運(yùn)動控制PLC制造商目前已提供了拖動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊，在多數(shù)情況下，PLC

27、把描述目標(biāo)位置的數(shù)據(jù)送給模塊，其輸出移動一軸或數(shù)軸到目標(biāo)位置，每個軸移動時，位置控制模塊保持適當(dāng)?shù)乃俣群图铀俣?，保持運(yùn)動平滑。相對來說，位置控制模塊比CNC裝置體積更小，價格更低，速度更快，操作更方便，3、過程控制PLC還能控制大量的過程參數(shù)，例如：溫度、流量、壓力、液位和速度等。PID模塊提供了使PLC具有了閉環(huán)控制的功能，即一個具有PID控制能力的PLC可用于過程控制。當(dāng)過程控制中某個變量出現(xiàn)偏差時，PID控制算法會計算出正確的輸出，把變量保持在設(shè)定值上。4、數(shù)據(jù)控制在機(jī)械加工中，PLC作為主要的控制和管理系統(tǒng)用于CNC和NC系統(tǒng)中，可以完成大量的數(shù)據(jù)控制。5、通信控制PLC的通信包括主機(jī)

28、與遠(yuǎn)程I/O的通信、多臺PLC之間的通信、PLC和其他智能控制設(shè)備（如計算機(jī)、變頻器、數(shù)控裝置）之間的通信。PLC與其他智能控制設(shè)備一起，可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。3.1.3 PLC的系統(tǒng)組成PLC種類繁多，但其組成和工作原理基本相同。用PLC實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)是按一定算法進(jìn)行輸入/輸出變換，并將這個變換給以物理實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。PLC專為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計，采用了典型的計算機(jī)結(jié)構(gòu)，它主要是由CPU、電源、存儲器和專門設(shè)計的輸入/輸出接口電路等組成。PLC的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。1、中央處理單元（CPU）中央處理單元（CPU）一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路

29、都集成在一個芯片內(nèi)。CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入/輸出接口電路連接。2、存儲器PLC的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩部分。系統(tǒng)存儲器包括用來存放由PLC生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在ROM內(nèi)，用戶不能直接更改。它使PLC具有基本的功能，能夠完成PLC設(shè)計者規(guī)定的各項(xiàng)工作。系統(tǒng)程序質(zhì)量的好壞，很大程度上決定了PLC的性能，其內(nèi)容主要包括三部分。第一部分為系統(tǒng)管理程序。第二部分為用戶指令解釋程序。第三部分為標(biāo)準(zhǔn)程序與系統(tǒng)調(diào)用。用戶存儲器包括用戶程序存儲器（程序區(qū)）和數(shù)據(jù)存儲器（數(shù)據(jù)區(qū)）兩部分。用戶程序存儲器用來存放用戶針對具體控制任務(wù)用規(guī)定的PLC編程語言編寫的各種

30、用戶程序。用戶數(shù)據(jù)存儲器可以用來存放（記憶）用戶程序中所使用器件ON/OFF狀態(tài)和數(shù)值、數(shù)據(jù)等。用戶存儲器的大小關(guān)系到用戶程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指標(biāo)之一。PLC使用的存儲器類型有三種。第一種是隨機(jī)存取存儲器（RAM）；第二種是只讀存儲器（ROM）；第三種是可電擦除可編程的只讀存儲器（EEPROM或EPROM）。3、輸入/輸出模塊輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊簡稱為I/O模塊。PLC的輸入和輸出信號類型可以是開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量。輸入/輸出模塊從廣義上分包含兩部分：一是與控制設(shè)備相連接的接口電路；另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。輸入模塊用于處理輸入信號，對輸

31、入信號進(jìn)行濾波、隔離、電平轉(zhuǎn)換等，把輸入信號的邏輯值安全可靠地傳遞到PLC內(nèi)部。輸出模塊用于把用戶程序的邏輯運(yùn)算結(jié)果輸出到PLC外部，輸出模塊具有隔離PLC內(nèi)部電路和外部執(zhí)行元件的作用，還具有功率放大的作用。4、電源模塊PLC一般使用220V的交流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為PLC的中央處理器、存儲器等電路提供5V、±12V、24V等直流電源，使PLC能正常工作。5、接口模塊接口模塊用于將擴(kuò)展單元以及功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。6、通信接口為了實(shí)現(xiàn)“人機(jī)”或“機(jī)機(jī)”之間的對話，PLC配有多種通信接口。PLC通過接口可以與監(jiān)視器、打印機(jī)和其他的PL

32、C或計算機(jī)相連。7、編程器編程器的作用是供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型的編程器只能聯(lián)機(jī)編程，且往往需要將梯形圖轉(zhuǎn)換為機(jī)器語言助記符（語句表）后，才能輸入。智能型的編程器又稱圖形編程器，它可以聯(lián)機(jī)編程，也可以脫機(jī)編程，具有LCD或CRT圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過屏幕對話8、其他部分有些PLC還可配有EPROM寫入器、存儲器等其他外部設(shè)備。3.1.4 PLC的工作原理PLC是一種工業(yè)控制計算機(jī)，故它的工作原理是建立在計算機(jī)工作原理之上，即通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)的，但是 CPU是以分時操作方式來處理各項(xiàng)任務(wù)的，計算機(jī)在每一瞬間只能

33、做一件事，所以程序的執(zhí)行是按程序順序依次完成相應(yīng)各電器的動作，所以它屬于串行工作方式。PLC工作的全過程可用圖3.1所示的運(yùn)行框圖來表示。電源ON內(nèi)部處理輸入處理(輸入傳送遠(yuǎn)程I/O)通信服務(wù)(外設(shè)、CPU、總線服務(wù))更新時鐘、特殊寄存器執(zhí)行程序執(zhí)行自診斷存放自診斷錯誤結(jié)果CPU強(qiáng)制為STOPRUNSTOPYNNY輸出處理致命錯誤PLC正常否CPU運(yùn)行方式圖3.1 PLC運(yùn)行框圖3.2輸入/輸出信號本控制系統(tǒng)有27個輸入開關(guān)量，分別為：系統(tǒng)啟動按鈕1個 負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的啟動；系統(tǒng)停止按鈕1個 負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的停止；選擇按鈕1個 負(fù)責(zé)機(jī)械手自動控制和檢測的切換；機(jī)械手的啟動按鈕3個 負(fù)責(zé)檢測時每個機(jī)

34、械手的啟動；機(jī)械手的停止按鈕3個 負(fù)責(zé)檢測時每個機(jī)械手的停止；物品檢測開關(guān)3個 負(fù)責(zé)檢測工作臺上是否有物品；下降限位開關(guān)3個 負(fù)責(zé)檢測機(jī)械手到達(dá)最低位置；夾放檢測開關(guān)3個 負(fù)責(zé)機(jī)械手夾放物品的檢測；上升限位開關(guān)3個 負(fù)責(zé)檢測機(jī)械手到達(dá)最高位置；右旋限位開關(guān)3個 負(fù)責(zé)檢測機(jī)械手是否右旋轉(zhuǎn)180°；左旋限位開關(guān)3個 負(fù)責(zé)檢測機(jī)械手是否左旋轉(zhuǎn)180°；建立輸入信號名稱與電氣符號表3.1。表3.1 輸入信號名稱與電氣符號表序號名稱電氣符號1總啟動按鈕SB12總停止按鈕SB23自動/手動選擇按鈕SB34機(jī)械手1啟動按鈕SB45機(jī)械手1停止按鈕SB56機(jī)械手2啟動按鈕SB67機(jī)械手2停

35、止按鈕SB78機(jī)械手3啟動按鈕SB89機(jī)械手3停止按鈕SB910工作臺A物品檢測開關(guān)SQ111工作臺B物品檢測開關(guān)SQ212工作臺C物品檢測開關(guān)SQ3續(xù)表3.113機(jī)械手1下降限位開關(guān)SQ414機(jī)械手1夾緊檢測開關(guān)SQ515機(jī)械手1上升限位開關(guān)SQ616機(jī)械手1左旋限位開關(guān)SQ717機(jī)械手1右旋限位開關(guān)SQ818機(jī)械手2下降限位開關(guān)SQ919機(jī)械手2夾緊檢測開關(guān)SQ1020機(jī)械手2上升限位開關(guān)SQ1121機(jī)械手2左旋限位開關(guān)SQ1222機(jī)械手2右旋限位開關(guān)SQ1323機(jī)械手3下降限位開關(guān)SQ1424機(jī)械手3夾緊檢測開關(guān)SQ1525機(jī)械手3上升限位開關(guān)SQ1626機(jī)械手3左旋限位開關(guān)SQ1727

36、機(jī)械手3右旋限位開關(guān)SQ18本控制系統(tǒng)由15個輸出電磁閥，分別為：機(jī)械手下降電磁閥3個 負(fù)責(zé)啟動機(jī)械手的下降；機(jī)械手夾放電磁閥3個 負(fù)責(zé)啟動機(jī)械手夾放物品；機(jī)械手上升電磁閥3個 負(fù)責(zé)啟動機(jī)械手的上升；機(jī)械手右旋電磁閥3個 負(fù)責(zé)啟動機(jī)械手的右旋；機(jī)械手左旋電磁閥3個 負(fù)責(zé)啟動機(jī)械手的左旋。建立輸出信號名稱與電氣符號表3.2。表3.2 輸出信號名稱與電氣符號表序號名稱電氣符號12機(jī)械手1下降電磁閥YV12機(jī)械手1夾放電磁閥YV 23機(jī)械手1上升電磁閥YV 3續(xù)表3.24機(jī)械手1左旋電磁閥YV 45機(jī)械手1右旋電磁閥YV 56機(jī)械手2下降電磁閥YV 67機(jī)械手2夾放電磁閥YV 788機(jī)械手2上升電磁

37、閥YV 89機(jī)械手2左旋電磁閥YV 910機(jī)械手2右旋電磁閥YV 1011機(jī)械手3下降電磁閥YV 1112機(jī)械手3夾放電磁閥YV 1213機(jī)械手3上升電磁閥YV 1314機(jī)械手3左旋電磁閥YV 1415機(jī)械手3右旋電磁閥YV 153.3PLC的選型目前，世界上有200多個廠家生產(chǎn)可編程控制器產(chǎn)品，比較著名的PLC生產(chǎn)廠家主要有美國的AB、通用（GE）、日本的三菱（MITSBISHI）、歐姆龍（OMRON）、德國的西門子（SIMENS）、法國的TE、韓國的三星（SUMSUNG）、LG等。本文選擇的是德國的西門子公司生產(chǎn)的S7200PLC。S7200系列PLC是西門子公司生產(chǎn)的一種小型PLC，其許

38、多功能達(dá)到大、中型PLC的水平，而價格卻和小型PLC的一樣，因此它一經(jīng)推出，即受到了廣泛的關(guān)注。特別是S7200CPU22*系列PLC，由于它具有多種功能模塊和人機(jī)界面（HMI）可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成PLC網(wǎng)絡(luò)。同時它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制系統(tǒng)的設(shè)計時更加簡單，其速度快，具有極強(qiáng)的通信能力，幾乎可以完成任何功能的控制任務(wù)。CPU22*系列PLC它有如下五種不同結(jié)構(gòu)的配置單元：1、CPU221，它具有6輸入/4輸出，I/O共計10點(diǎn)，無擴(kuò)展能力；2、CPU222，它具有8輸入/6輸出，I/O共計14點(diǎn)，并可以進(jìn)行一定的模擬量控制和2個

39、模塊的擴(kuò)展；3、CPU224，它具有14點(diǎn)輸入/10點(diǎn)輸出，I/O點(diǎn)數(shù)共計24點(diǎn)，它有七個擴(kuò)展模塊，有內(nèi)置時鐘；4、CPU226，它具有24輸入/16輸出，I/O共計40點(diǎn)，與CPU224相比，它增加了通信口的數(shù)量，通信能力大大增強(qiáng)；5、CPU226XM，這是西門子公司后推出的一種增強(qiáng)型主機(jī)，它在用戶程序存儲容量和數(shù)據(jù)存儲容量上進(jìn)行了擴(kuò)展，其他指標(biāo)和CPU226相同。當(dāng)CPU的I/O點(diǎn)數(shù)不夠用或需要進(jìn)行特殊功能的控制時，就要進(jìn)行I/O的擴(kuò)展。I/O擴(kuò)展包括I/O點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展和功能模塊的擴(kuò)展。不同的CPU有不同的擴(kuò)展規(guī)范，它主要受CPU的功能限制。典型的數(shù)字量輸入/輸出擴(kuò)展模塊有：輸入擴(kuò)展模塊EM

40、221有兩種：8點(diǎn)DC輸入、8點(diǎn)AC輸入。輸出擴(kuò)展模塊EM222有三種：8點(diǎn)DC晶體管輸出、8點(diǎn)AC輸出、8點(diǎn)繼電器輸出。輸入/輸出混合擴(kuò)展模塊EM223有六種：分別為4點(diǎn)（8點(diǎn)、16點(diǎn)）DC輸入/4點(diǎn)（8點(diǎn)、16點(diǎn)）DC輸出、4點(diǎn)（8點(diǎn)、16點(diǎn)）DC輸入/4點(diǎn)（8點(diǎn)、16點(diǎn)）繼電器輸出。本次設(shè)計中共27個輸入量，共15個輸出量，共計32點(diǎn)，因此選用了S7200系列CPU224，CPU224具有14點(diǎn)輸入/10點(diǎn)輸出，I/O點(diǎn)數(shù)共計24點(diǎn)，它可以有七個擴(kuò)展模塊，有內(nèi)置時鐘，它有更強(qiáng)的模擬量和高速計數(shù)的處理能力，是使用最多的S7200產(chǎn)品。由于本系統(tǒng)的具有27點(diǎn)輸入/15點(diǎn)輸出，CPU224不能

41、滿足本系統(tǒng)的要求，所以擴(kuò)展8點(diǎn)DC輸入EM221兩個，用于數(shù)字開關(guān)量的輸入，擴(kuò)展8點(diǎn)繼電器輸出EM222一個，用于繼電器的輸出。由CPU224、兩個EM221和一個EM222組成了PLC控制系統(tǒng)框圖如圖3.2所示。CPU2 2 4EM221（1）EM221（2）EM222圖3.2 控制系統(tǒng)框圖3.4電氣控制原理機(jī)械手1下降電磁閥連接KA1；機(jī)械手1夾放電磁閥連接KA2；機(jī)械手1上升電磁閥連接KA3；機(jī)械手1左旋電磁閥連接KA4；機(jī)械手1右旋電磁閥連接KA5；機(jī)械手2下降電磁閥連接KA 6；機(jī)械手2夾放電磁閥連接KA7；機(jī)械手2上升電磁閥連接KA8；機(jī)械手2左旋電磁閥連接KA9；機(jī)械手2右旋電磁

42、閥連接KA10；機(jī)械手3下降電磁閥連接KA 11；機(jī)械手3夾放電磁閥連接KA12；機(jī)械手3上升電磁閥連接KA13；機(jī)械手3左旋電磁閥連接KA14；機(jī)械手3右旋電磁閥連接KA15；電氣連接圖如圖3.7所示。圖3.7 電氣連接圖第4章 軟件設(shè)計4.1 機(jī)械手1控制程序當(dāng)I2.2=1（上升限位開關(guān)閉合）；且I2.4=1（右旋限位開關(guān)閉合）；且Q0.2=0（上升電磁閥斷開）：且Q0.3=0（左旋電磁閥斷開），則Q0.0=1（下降電磁閥閉合）；并且M0.2=1（輔助繼電器）。梯形圖如圖4.1所示。圖4.1 梯形圖當(dāng)Q0.0=1（下降電磁閥閉合）；且I2.4=1（右旋限位開關(guān)閉合）；且I2.0=1（下降限

43、位開關(guān)閉合），則Q0.0=0（下降電磁閥斷開）并且Q0.1=1（夾放電磁閥閉合）。梯形圖如圖4.2所示。圖4.2 梯形圖當(dāng)Q0.1=1（夾放電磁閥閉合）；且I2.4=1（右旋限位開關(guān)閉合）；且I2.0=1（下降限位開關(guān)閉合）；Q0.2=0（上升電磁閥斷開），則定時器T53啟動定時。當(dāng)53=1（定時時間到）；且I2.4=1（右旋限位開關(guān)閉合）；且I2.0=1（下降限位開關(guān)閉合）；Q0.0=0（下降電磁閥斷開），則Q0.2=1（上升電磁閥閉合）。梯形。當(dāng)Q0.2=1（上升電磁閥閉合）；且I2.4=1（右旋限位開關(guān)閉合）；I2.2=1（上升限位開關(guān)閉合），則Q0.2=0（上升電磁閥斷開），并且Q0.

44、4=0（右旋電磁閥斷開），則Q0.3=1（左旋電磁閥閉合）。梯形圖如圖4.4所示。圖4.4 梯形圖當(dāng)Q0.3=1（左旋電磁閥閉合）；且I2.2=1（上升限位開關(guān)閉合）；且I2.3=1（左旋限位開關(guān)閉合），則Q0.3=0（左旋電磁閥斷開）并且Q0.2=0（上升電磁閥斷開）則Q0.0=1（下降電磁閥閉合）。梯形圖如圖4.5所示。圖4.5 梯形圖當(dāng)Q0.0=1（下降電磁閥閉合）；且I2.3=1（左旋限位開關(guān)閉合）；且I2.0=1（下降限位開關(guān)閉合），則Q0.0=0（下降電磁閥斷開）并且Q0.1=0（夾放電磁閥斷開）。梯形圖如圖4.6所示。圖4.6 梯形圖當(dāng)Q0.1=0（夾放電磁閥斷開）；且I2.3=

45、1（左旋限位開關(guān)閉合）；且I2.0=1（下降限位開關(guān)閉合）；Q0.2=0（上升電磁閥斷開），則定時器T54啟動定時。當(dāng)T54=1（定時時間到）；且I2.3=1（左旋限位開關(guān)閉合）；且I2.0=1（下降限位開關(guān)閉合）；Q0.0=0（下降電磁閥斷開），則Q0.2=1（上升電磁閥閉合）。梯形圖如圖4.7所示。圖4.7 梯形圖當(dāng)Q0.2=1（上升電磁閥閉合）；且I2.3=1（左旋限位開關(guān)閉合）；I2.2=1（上升限位開關(guān)閉合），則Q0.2=0（上升電磁閥斷開），并且Q0.3=0（左旋電磁閥斷開），則Q0.4=1（右旋電磁閥閉合）。梯形圖如圖4.8所示。圖4.8梯形圖當(dāng)Q0.4=1（右旋電磁閥閉合）；且

46、I2.2=1（上升限位開關(guān)閉合）；且I2.4=1（右旋限位開關(guān)閉合），則Q0.4=0（右旋電磁閥斷開）并且M0.2=0（輔助繼電器）。梯形圖如圖4.9所示。圖4.9梯形圖4.2 機(jī)械手2控制程序當(dāng)I2.7=1（上升限位開關(guān)閉合）；且I3.1=1（右旋限位開關(guān)閉合）；且Q0.7=0（上升電磁閥斷開）：且Q1.0=0（左旋電磁閥斷開），則Q0.5=1（下降電磁閥閉合）；并且M0.3=1（輔助繼電器）。梯形圖如圖4.10所示。圖4.10梯形圖當(dāng)Q0.5=1（下降電磁閥閉合）；且I3.1=1（右旋限位開關(guān)閉合）；且I2.5=1（下降限位開關(guān)閉合），則Q0.5=0（下降電磁閥斷開）并且Q0.6=1（夾放電磁閥閉合）。梯形圖如圖4.11所示。圖4.11梯形圖第5章 整體的系統(tǒng)特性氣動技術(shù)因具有節(jié)能、無污染、高效、低成本、安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單，以及防火、防爆、抗電磁干擾、抗幅射等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于汽車制造、電子、工業(yè)機(jī)械、食品等工業(yè)產(chǎn)業(yè)中。隨著新材料、新技術(shù)、新工藝的開發(fā)