PLC在機械手中的應用

1、. . . . 摘 要隨著科學技術(shù)的發(fā)展，電器控制技術(shù)在各領(lǐng)域，特別是在自動控制領(lǐng)域取得了長足的發(fā)展，有了越來越多的應用?？删幊炭刂破?PLC)以其可靠性高、靈活性高、易于擴展、通用性強、使用方便等優(yōu)點，在工業(yè)企業(yè)的各個領(lǐng)域中得到十分廣泛的普與應用,是生產(chǎn)過程自動化必不可少的智能控制設(shè)備。掌握了PLC的組成原理與編程方法，熟悉PLC的應用技巧，是每一位機電專業(yè)技術(shù)人員必須具備的基本能力之一。機械手通常用作倉儲管理的輔助設(shè)備或其他機器的附加裝置，如在庫房中貨物的裝卸和傳遞工件，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

2、也常稱為機械手。本論文詳細介紹了PLC的產(chǎn)生、特點、工作方式、編程語言和怎樣利用PLC控制機械手。在設(shè)計過程中選用的是西門子S7-200軟件進行程序編制。根據(jù)I/O點數(shù)選用了CPU224的PLC。關(guān)鍵詞：PLC，梯形圖，機械手，S7-20019 / 19目 錄摘 要I1 PLC的概述 構(gòu)成與其工作原理11.1 PLC的產(chǎn)生和定義11.2PLC的特點11.3 PLC的組成11.3.1 PLC的硬件系統(tǒng)11.3.2.PLC的軟件系統(tǒng)21.4 PLC的基本工作原理31.4 PLC的發(fā)展趨勢42 西門子S7-200PLC53 PLC編程語言和基本指令63.1 PLC編程語言63.1.1梯形圖編程語言6

3、3.1.2 語句表73.1.3 功能塊圖73.2 PLC的基本指令83.2.1定時器指令83.2.2子程序調(diào)用與子程序標號、子程序返回指令84 PLC在機械手中的應用104.1 機械手的定義104.2 機械結(jié)構(gòu)104.2 工藝過程114.3 PLC 輸入/輸出分配表124.4 PLC的選型與I/O接線圖134.5 機械手程序設(shè)計134.5.1 手動控制程序144.5.2 自動控制程序155結(jié)論19參 考 文 獻20致 211 PLC的概述 構(gòu)成與其工作原理1.1 PLC的產(chǎn)生和定義可編程控制器是在繼電器控制技術(shù)和計算機控制技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，最初的可編程控制器主要用于順序控制，一般只能進行

4、邏輯控制，因此稱為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller），簡稱PLC。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展與微機處理器的應用，可編程控制器的功能不斷擴展和完善，遠遠超出邏輯控制的圍，具備了模擬量控制、過程控制、遠程通訊與計算等功能。1.2PLC的特點可編程控制器是從繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的。由于應用了微處理器、電子技術(shù)，使得PLC具有以下特點：（1）可靠性高，抗干擾能力強（2）配套齊全，功能完善，適用性強（3）易學易用，深受工程技術(shù)人員歡迎（4）系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造（5）體積小，重量輕，能耗低1.3 PLC的組成PLC是以微處理器為核心的計算機控

5、制系統(tǒng)，雖然各廠家產(chǎn)品種類繁多，功能和指令系統(tǒng)存在差異，但其組成基本小異。由于PLC的核心是微處理器，因此它的組成也就同計算機有些相似，由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。1.3.1 PLC的硬件系統(tǒng)PLC的硬件系統(tǒng)一般主要由中央處理器、存儲器、輸入/輸出接口、I/O擴展接口、編程器接口、編程器和電源等幾部分組成，如圖1.1所示。圖1.1 PLC的硬件系統(tǒng)1.3.2.PLC的軟件系統(tǒng)PLC由硬件系統(tǒng)組成，由軟件系統(tǒng)支持，硬件和軟件共同構(gòu)成了PLC系統(tǒng)。PLC的軟件系統(tǒng)可分為系統(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。(1) 系統(tǒng)程序 系統(tǒng)程序是用來控制和完成PLC各項功能的程序，這些程序是由PLC制造廠家用相應CPU的

6、指令系統(tǒng)編寫的，并固化到ROM中。它包括系統(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。(2) 用戶程序 用戶程序是用戶根據(jù)工程現(xiàn)場的生產(chǎn)過程和工藝要求、使用可編程控制器生產(chǎn)廠家提供的專門編程語言而自行編制的應用程序。它包括開關(guān)量邏輯控制程序、模擬量運算控制程序、閉環(huán)控制程序和工作站初始化程序等。1.4 PLC的基本工作原理PLC雖具有微機的許多特點但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采用等待命令的工作方式。如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式，有鍵按下或I/O動作著轉(zhuǎn)入相應的子程序，無鍵按下則繼續(xù)掃描。PLC則采用循環(huán)掃描工作方式，在PLC中，用戶程序按先后順序存放，如：C

7、PU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條。如此周而復始不斷循環(huán)。這種工作方式是在系統(tǒng)軟件控制下，順次掃描各輸入點的狀態(tài)，按用戶程序進行運算處理，然后順序向輸出點發(fā)出相應的控制信號。整個工作過程可分為5各階段：自診斷、通信處理、掃描輸入、執(zhí)行程序、刷新輸入，其工作過程示意圖如圖1.2所示。圖1.2 PLC的基本工作原理1.4 PLC的發(fā)展趨勢目前，在國外PLC以廣泛應用冶金、石油、化工、建材、機械制造、電力、汽車、輕工、環(huán)保與交通運輸?shù)雀餍懈鳂I(yè)，隨著PLC性能價格比的不斷提高，其應用領(lǐng)域不斷擴大。（1） 向高速度、大容量方向發(fā)展（2） 向超大型、超小型兩個方向發(fā)展（3） PLC

8、大力開發(fā)智能模塊，加強聯(lián)網(wǎng)通信能力（4） 增強外部故障的檢測與處理能力（5） 編程語言多樣化2 西門子S7-200PLC本設(shè)計采用的就是西門子S7-200PLC。在全球PLC制造商中，世界PLC領(lǐng)導廠家的五霸分別為Siemens(西門子)公司、Allen-Bradley（A-B）公司、Schneider(施耐得)公司、Mitsubishi(三菱)公司、Omron（歐姆龍）公司，他們的銷售額約占全球總銷售額的三分之二。S7-200是德國西門子公司的產(chǎn)品之一，1994年4月，S7系列誕生，它具有更國際化、更高性能等級、安裝空間更小、更良好的Windows用戶界面等優(yōu)勢，它包括小型PLC S7-20

9、0、中型PLC S7-300和大型PLC S7-400。2004年8月28日，西門子公司舉行了新一代S7-200產(chǎn)品發(fā)布會，推出了升級產(chǎn)品CPU224和CPU226,以與編程軟件STEP 7-Micro/WIN4.0。如圖2.1。圖2.1 西門子S7-200PLC的外部結(jié)構(gòu)3 PLC編程語言和基本指令3.1 PLC編程語言PLC是專為工業(yè)控制而開發(fā)的裝置，其主要使用者是工廠廣大電器技術(shù)人員，為了適應他們的傳統(tǒng)習慣和掌握能力，通常PLC采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”進行編程。S7-200系列PLC的編程語言非常豐富，有梯形圖、語句表、和功能塊圖等，用戶可選擇一種語言或混合使用多種語言。

10、3.1.1梯形圖編程語言梯形圖LAD（Ladder Programming）語言是在繼電器接觸器控制系統(tǒng)原理圖的基礎(chǔ)上演變而來的一種圖形語言，它和繼電器接觸器控制系統(tǒng)原理圖很相似，如圖3.1所示。梯形圖具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠電氣人員掌握特別適用于開關(guān)量邏輯控制，梯形圖的設(shè)計稱為編程。圖3.1 自鎖控制的電器原理圖和梯形圖3.1.2 語句表語句表STL（Statement List）又稱為助記符語言，它是通過指令符來完成控制要求的，類似于計算機匯編語言。用戶可以直觀地根據(jù)梯形圖，寫出語句表程序。如圖3.2所示。不同廠家的PLC所采用的指令集不同，所以對于同一個梯形圖，書寫的語句表也不盡

11、一樣。圖3.2 同一功能的梯形圖和語句表3.1.3 功能塊圖功能塊圖FBD（Function Block Diagram）又稱邏輯盒指令，它是一種類似于數(shù)學邏輯門電路的PLC圖形編程語言，用邏輯框圖來表示各種控制條件?？刂七壿嫵Ｓ谩芭c”、“或”、“非”3中邏輯功能進行表達，每種功能都有一個算法。運算功能由方框圖的符號確定，方框圖的左邊為邏輯運算的輸入變量，右邊為輸出變量，沒有像梯形圖那樣的母線、觸點和線圈，如圖3.3所示。圖3.3 同一功能的梯形圖和功能塊圖3.2 PLC的基本指令3.2.1定時器指令S7-200系列PLC的軟定時器有3種類型，它們分別是接通延時定時器TOM、斷開延時定時器TO

12、F和保持型接通延時定時器TONR,其定時時間等于分辨率與設(shè)定值的乘積。定時器的分辨率有1ms、10ms和100ms三種，取決于定時器，如表3.1所示。表3.1 定時器的類型工作方式時基（ms）最大定時圍（s）定時器號TONR132.767T0，T6410327.67T1-T4，T65-T681003276.7T5-T31，T69-T95TON/TOF132.767T32，T9610327.67T33-T36，T97-T1001003276.7T37-T63，T101-T2553.2.2子程序調(diào)用與子程序標號、子程序返回指令將具有特定功能，并且多次使用的程序段作為子程序。當主程序調(diào)用子程序并執(zhí)行

13、時，子程序執(zhí)行全部指令直至結(jié)束。然后返回到主程序的子程序調(diào)用處。子程序用于子程序的分段和分塊，使其成為較小的、更易于管理的塊，只有在需要時才調(diào)用，可以更加有效地使用PLC。說明：1）子程序調(diào)用指令編寫在主程序中,子程序返回指令編寫在子程序中；2）子程序標號n的圍是063；3）子程序可以不帶參數(shù)調(diào)用，也可以帶參數(shù)調(diào)用。帶參數(shù)調(diào)用的子程序必須事先在局部變量表里對參數(shù)進行定義，最多可以傳遞16個參數(shù)，參數(shù)的變量名最多為23個字符。傳遞的參數(shù)有IN、IN_OUT、OUT三類，IN（輸入）是傳入子程序的輸入?yún)?shù)；IN_OUT（輸入/輸出）將參數(shù)的初始值傳給子程序，并將子程序的執(zhí)行結(jié)果返回給同一地址；OU

14、T（輸出）是子程序的執(zhí)行結(jié)果，它被返回給調(diào)用它的程序。被傳遞參數(shù)的數(shù)據(jù)類型有BOOL、BYTE、WORD、INT、DWORD、DINT、REAL、STRINGL八種。4）在現(xiàn)行的編程軟件中，無條件子程序返回指令（RET）為自動默認，不需要在子程序結(jié)束時輸入任何代碼。執(zhí)行完子程序以后，控制程序回到子程序調(diào)用前的下一條指令。子程序可嵌套，嵌套深度最多為8層。表3.2 子程序調(diào)用與子程序標號、子程序返回指令的格式與功能梯形圖LAD語句表STL指令功能操作碼操作數(shù)SBR_nENCALLSBR_n子程序調(diào)用與標號指令（CALL）把程序的控制權(quán)交給子程序（SBR_n）（RET）CRET有條件子程序返回指令

15、（CRET）根據(jù)該指令前面的邏輯關(guān)系，決定是否終止子程序（SBR_n）無條件子程序返回指令（RET）立即終止子程序的執(zhí)行4 PLC在機械手中的應用4.1 機械手的定義機械手（Mechanical hand）,也被稱為自動手，(Auto hand)能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。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

16、為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。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)也越復雜。一般專用機械手有23個自由度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

17、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。4.2 機械結(jié)構(gòu)在圖4.1中,機械手的所有動作均采用電液控制、液壓驅(qū)動，它的上升/下降和左移/右移均采用雙線圈三位電磁閥推動液壓缸完成。當某個電磁閥線圈通電，就一直保持當前的機械動作,直到相反動作的線圈通電為止。例如當下將電磁閥線圈通電后，機械手下降，即使線圈在斷電，仍保持當前的下降動作狀態(tài)，直到上升電磁閥通電為止。機械手的夾緊/放松采用單線圈二位電磁閥推動液壓缸完成，線圈通電時執(zhí)行夾緊工作，線圈斷電時執(zhí)行放松動作。為了使動作準確，機械手上安裝

18、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，并給出了動作到位的信號。另外，還安裝了光電開關(guān)SP，負責監(jiān)測工作臺B上的工件是否已移走，從而產(chǎn)生工作信號，為下一個工件的下放做好準備。圖4.1 機械手工作示意圖4.2 工藝過程從圖4.1機械手工作示意圖中可知，機械手將工件從A點移到B點再回到原位的過程有8步動作，如圖4.2所示。原位下降夾緊上升右移左移上升放松下降圖4.2 機械手的工作流程4.3 PLC 輸入/輸出分配表根據(jù)控制要求與控制分析,該系統(tǒng)需要14各輸入點和5個輸出點,輸入/輸出分配表如表4.1所示。表4.1 PLC控制機械手的輸入/輸出分

19、配表輸 入輸 出功 能元 件PLC地址功 能元 件地址啟動控制按鈕SB1I0.0上升對應的電磁閥控制線圈KM1Q0.2上限位行程開關(guān)SQ2I0.2下降對應的電磁閥控制線圈KM2Q0.0下限位行程開關(guān)SQ1I0.1左行對應的電磁閥控制線圈KM3Q0.4左限位行程開關(guān)SQ4I0.4右行對應的電磁閥控制線圈KM4Q0.3右限位行程開關(guān)SQ3I0.3夾緊放松電磁閥控制線圈KM5Q0.1停止控制按鈕SB2I0.5原位指示信號燈HLQ0.5手動SB5I0.6自動SB6I0.7手動夾緊SB7I1.0手動放松SB8I1.1左移SB9I1.2右移SB10I1.3上升SB11I1.4下降SB12I1.54.4 P

20、LC的選型與I/O接線圖該系統(tǒng)需要輸入14點，輸出5點。可選S7-200系列的CPU 224即可滿足要求，其I/O接線圖如圖4.3所示。圖4.3 控制系統(tǒng)I/O接線圖4.5 機械手程序設(shè)計為了使程序結(jié)構(gòu)簡單明了，我把手動程序和自動程序分別編成相對獨立的子程序模塊，通過調(diào)用子程序進行選擇。當工作方式為手動方式時I0.6接通，執(zhí)行手動子程SBR0；當工作方式為自動方式時I0.7接通，執(zhí)行自動子程序SBR1。機械手控制程序梯形圖如圖4.4所示。圖4.4主程序梯形圖4.5.1 手動控制程序手動操作不需要按工作順序動作，可以按普通繼電器接觸器控制系統(tǒng)來設(shè)計。手動控制程序如圖4.5。手動按鈕分別控制下降、

21、上升、右移、左移、夾緊、放松各個動作。為了保持系統(tǒng)安全運行，設(shè)置了互鎖保護。圖4.5 手動控制程序4.5.2 自動控制程序機械手的工作順序如圖4.2(機械手的工作流程圖)所示共有9步。當轉(zhuǎn)換條件滿足時，便從上一步自動轉(zhuǎn)到下一步。對于機械手的夾緊和放松的控制，本題是采用定時器T37控制夾緊時間，T38控制放松時間。其工作過程如下：（1） 網(wǎng)絡1 機械手處于原位，當上限位和左限位開關(guān)閉合，I0.2、I0.4接通,Q0.5輸出原位顯示。（2） 網(wǎng)絡2 按下啟動按鈕，I0.0接通,Q0.5失電Q0.0得電機械手下降。（3） 網(wǎng)絡3 下降至下限位開關(guān)時，下限位開關(guān)閉合I0.1接通，Q0.0失電機械手停止下降Q0.1得電機械手夾緊。（4） 網(wǎng)絡4 Q0.1得電同時定時器T37得電延時2秒機械手夾緊2秒。（5） 網(wǎng)絡5 延時時間到T37輔助觸點閉合Q0.2得電機械手上升。（6） 網(wǎng)絡6 上升至上限位開關(guān)時，上限位開關(guān)閉合I0.2接通，Q0.2失電機械手停止上升Q0.3得電機械手右移。（7） 網(wǎng)絡7 右移至右限位開關(guān)時，右限位開關(guān)閉合I0.3接通，Q0.3失電機械手停止右移Q0.0得電機械手下降。（8） 網(wǎng)絡8 下降至下限位開關(guān)時，下限位開關(guān)閉合I0.1接通，Q0.0失電機械手停止下降Q0.1失電機械手放松