基于西門子PLC、觸摸屏的機械手的控制的設計

PAGE湖北民族學院理學院機械電子工程專業(yè)畢業(yè)論文(設計)題目基于西門子PLC、觸摸屏的機械手的控制的設計設計人（簽名）設計說明書頁附圖張附表張圖紙張教學基層組織名稱教學基層組織負責人（簽名）設計指導教師（簽名）（簽名）評閱人（簽名）20作者聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全了解有關保障、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向有關學位論文管理機構送交論文的復印件和電子版。同意省級優(yōu)秀學位論文評選機構將本學位論文通過影印、縮印、掃描等方式進行保存、摘編或匯編；同意本論文被編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索和查閱。本學位論文內(nèi)容不涉及國家機密。論文題目：基于西門子PLC、觸摸屏的機械手的控制的設計作者單位：湖北民族學院繼續(xù)電子工程作者簽名：年月日目錄摘要 -1-Abstract -2-第一章選題背景與設計分析 -3-1.1選題背景 -3-1.2設計要求的分析 -4-第二章PLC簡介及編程軟件 -7-2.1PLC的簡介及原理 -7-2.1.1PLC的簡介 -7-2.1.2PLC的原理 -7-2.2PLC的類型及特點 -9-2.2.1PLC的類型 -9-2.2.2PLC的特點 -9-2.3PLC的應用 -10-2.4關于人機界面 -10-2.4.1人機界面產(chǎn)品的組成及工作原理 -10-2.4．2人機界面產(chǎn)品的基本功能及選型指標 -12-2.5關于西門子編程軟件 -13-2.5．1STEP7-Micro/Win組成及功能 -13-2.5．2STEP7–Micro/Win編程 -16-第三章氣動原理圖的設計 -17-3.1氣壓傳動的基本介紹 -17-3.2氣動傳動分析與設計 -18-3.2．1氣動機械手的結構 -18-3.2．2氣動機械手的搬運原理 -18-3.2．3氣路圖的設計 -19-第四章PLC程序的設計與編譯 -20-4.1機械手的動作分析 -20-4.2I/O地址分配表 -20-4.3PLC控制原理圖及系統(tǒng)圖 -21-4.4程序截圖 -22-第五章實驗與總結 -29-5.1實驗 -29-5.2）總結 -34-致謝 -35-參考文獻 -3636-基于西門子PLC、觸摸屏的機械手的控制的設計作者：唐秋專業(yè)：機械電子工程學號：020941210指導老師：呂俊 摘要 本論文是在工業(yè)機械手自動化的趨勢下選題的，選擇了可編程控制器(PLC)作為工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)，同時應用到了觸摸屏，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。本論文的控制對象是一個機械手完成八個基本動作。機械手由氣缸驅(qū)動，氣缸受電磁閥控制。限位開關檢測機械手是否到達固定位置?？删幊炭刂破?PLC)控制機械手的每個動作，實現(xiàn)機械手的自動運行。本論文可編程控制器(PLC)選用西門子（SIEMENS）公司S7–200系列的CPU226，機械手的開關量信號直接輸入PLC，PLC通過中間繼電器對電磁閥加以控制。在軟件上，設計了主程序和子程序。主程序控制轉(zhuǎn)盤電機動作和調(diào)用子程序，子程序控制每個機械手動作。同時利用了人機界面進行調(diào)試、檢查。本論文在整體設計過程中按照“提出問題，分析問題，解決問題”的主導思想，對整個系統(tǒng)的設計工作做出了細致的闡述。關鍵詞：可編程控制器(PLC)，氣動機械手，梯形圖，CPU226，觸摸屏DesignofSiemensPLC,touchscreencontrolofmanipulatorbasedonpenster：TangQiuprofession：mechatronicengineeringnumber:020941410adviser:LvJunAbstractThispaperisintheindustrialrobotautomationtrendtopics,thechoiceofaprogrammablecontroller(PLC)forindustrialrobotcontrolsystem,simultaneouslyappliedtothetouchscreen,whichenhancetheindustrialrobot'soveralltechnicalperformancehasplayedagoodrole.

Controlobjectofthispaperisarobottocompleteeightbasicmoves.Robotdrivenbythecylinder,thecylinderbysolenoidvalve.Limitswitchesdetectwhethertherobotreachesafixedposition.

Programmablecontroller(PLC)controlstherobot'severymovement,toachievetherobotautomatically.Inthisthesis,theprogrammablecontroller(PLC)selectedSiemens(SIEMENS)CompanyS7-200seriesCPU226,robotswitchsignalinputdirectlyPLC,PLCviaanintermediaterelayforsolenoidvalvecontrol.Insoftware,thedesignofthemainprogramandsubprograms.Maincontroldialmotormovementsandcallthesubroutine,thesubroutinecontroleachrobotmovements.Whiletakingadvantageoftheman-machineinterfacefordebuggingandcheck.

Inthispaper,inaccordancewiththeoveralldesignprocess,"askquestions,analyzeandsolveproblems,"thedominantideology,thewholesystemisdesignedtoworktomakeadetailedexposition.Keywords:programmablelogiccontroller(PLC),pneumaticmanipulator,ladderdiagram,CPU226,touchscreen.第一章選題背景與設計分析1.1選題背景生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為在現(xiàn)代工業(yè)中突出的主題。具有連續(xù)性生產(chǎn)過程的特點的自動化已基本得到解決。但在不連續(xù)的生產(chǎn)過程中，如機械工業(yè)中，裝配、加工等。在機械工業(yè)中能有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法包括專用機床、數(shù)控機床、控制機床、加工中心等自動化機械。但是對于大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，其機械化程度還有待于大幅度提高。據(jù)統(tǒng)計，在美國，生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中金屬加工生產(chǎn)批量中有75%有50件以下，但是僅有零件生產(chǎn)時間的二十分之一是在機床上的加工時間。從這里看出，加載和卸載的緊迫性，處理過程的機械化，工業(yè)機械手是實現(xiàn)這些過程的自動化。[1]自上世紀六十年代以來，對機械手的開發(fā)應用也在不斷發(fā)展，最成功也是最典型的發(fā)展是生產(chǎn)者將此產(chǎn)品大量應用于衛(wèi)生行業(yè)，從而實現(xiàn)了衛(wèi)生檢驗中快速、高效率的要求，但在衛(wèi)生領域的機械手因采用樣品的方法和濾光片式的結構設計，導致試劑價格昂貴，不能使機械手得到廣闊的發(fā)展空間。經(jīng)過專家學者的共同努力，機械手的這一限制其市場推廣發(fā)展的難題已經(jīng)攻破。專家預測未來10年，全自動化學分析機械手將占據(jù)全自動流動分析儀的市場份額中的一半。上述兩類產(chǎn)品的技術特點告訴我們，機械手具有一下幾個特點：（1）微升級試劑消耗；（2）不受模板束縛，分析中不同檢測項目可穿插完成；（3）可完成研發(fā)性波長掃描優(yōu)化檢測條件，用戶可自行設計新的檢測項目；（4）體積小，甚至可做現(xiàn)場快速分析等。同時我們可以明白，以前流動分析中不適合的用戶群，為機械手的應用提供了可能性，如樣品檢測單一種類少而樣品量多的情況。在醫(yī)學衛(wèi)生行業(yè)的快速分析中，新型機械手的設計特點使取代昂貴的試劑，降低分析成本不再是奢望。但是一些特殊樣品處理技術不能在線實現(xiàn)是機械手不能完全取代流動分析產(chǎn)品的一個重要原因，如萃取、高溫蒸餾，需要離線進行。但是我們相信在不久的將來，隨著技術的進步，這些方面的技術也能實現(xiàn)突破。氣動機械手能夠廣泛應用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)是與工業(yè)機械化和自動化的發(fā)展以及其自身的一些優(yōu)點是分不開的。近幾十年來，隨著氣動技術與電氣可編程控制技術相結合的越來越成熟，使氣動技術在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛應用，也使整個系統(tǒng)性能更加可靠、控制方式更靈活、自動化程度更高。全世界都在大力開發(fā)研究氣動機械手。根據(jù)各國的行業(yè)統(tǒng)計資料，近30多年來，氣動行業(yè)發(fā)展很快。對氣動技術的要求也相應的越來越高。經(jīng)過30多年的發(fā)展，在工業(yè)技術發(fā)達的歐美、日本等國家，液壓與氣動元件的產(chǎn)值比從20世紀70年代的9:1達到了6:4，甚至接近5:5。這都是由于氣動脈寬調(diào)制技術具有結構簡單、抗污染能力強和成本低廉等優(yōu)勢。在我國，氣動行業(yè)的特點是起步較晚，發(fā)展較快。從20世紀80年代中期開始，氣動元件產(chǎn)值的年遞增率高于中國機械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率，達到20%以上。氣動技術以微電子技術、PLC技術、計算機技術、傳感技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展與應用為契機，已發(fā)展成為實現(xiàn)現(xiàn)代傳動與控制的關鍵技術之一。氣壓傳動系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：（a）使用安全、可靠，（b）可以在惡劣環(huán)境下工作，如高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射等。從而使氣動機械手更加如魚得水，被廣泛應用于各種各樣的不同產(chǎn)品的工業(yè)中等。在食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動計量包裝和煙草工業(yè)的自動卷煙和自動包裝等許多工序中，我們都可以看到氣動機械手的身影。譬如酒、油漆的灌裝、自動加蓋、安裝和擰緊，牛奶盒裝箱等都應用到了氣動機械手。關于氣動機械手相對于其他驅(qū)動的機械手的優(yōu)缺點在前文中已經(jīng)闡述，不再次說明。本次設計是基于PLC控制的機械手且是氣動，實現(xiàn)了機械手的自動化。[2]1.2設計要求的分析機械手的三維結構圖大致如圖1-1：該機構向各個工作單元輸送工件，由氣動手爪、單桿氣缸、雙桿氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸和定位開關等元件組成?？蓪⑽锪蠌囊粋€的搬運到另一點。通過控制電磁換向閥和節(jié)流閥對氣動回路中的順序、速度、方向等控制來控制整個機械手動作。每個氣缸都配置位置度檢測磁性開關。圖1-1氣動機械手部件圖[3]整個搬運機構能完成四個自由度動作：手臂旋轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手爪升降、手爪松緊。1）旋轉(zhuǎn)氣缸：雙作用氣缸由一個二位五通單向電控閥控制，用于控制機械手臂正反向90度旋轉(zhuǎn)，氣缸旋轉(zhuǎn)角度可以任意調(diào)節(jié)范圍0—180度，角度調(diào)節(jié)通過固定在兩側的油壓緩沖器進行調(diào)整，在旋轉(zhuǎn)氣缸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)過程中，起緩沖減速作用。待機械手臂正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)到位后，接近開關信號輸出；2）雙桿氣缸：雙作用氣缸由一個二位五通單向電控閥控制，用于控制機械手臂的伸出或縮回。而附帶在缸上兩端的磁性開關用于氣缸的位置檢測，檢測氣缸伸出和縮回是否到位，當檢測到氣缸準確到位后將給PLC發(fā)出一個信號；3）升降氣缸：雙作用氣缸由一個二位五通單向電控閥控制，用于控制機械手提升或下降。而附帶在缸上兩端的磁性開關用于氣缸的位置檢測，檢測氣缸升起和下降是否到位，當檢測到氣缸準確到位后將給PLC發(fā)出一個信號；4）氣動手爪：雙作用氣爪由一個二位五通單向電控閥控制，帶狀態(tài)保持功能用于各個工作站抓取物料。[3]工作過程如下（見圖1-2）：當圓形物料隨著物料導槽到達光電檢測開關設置的位置時，并接收到機械手裝置抓取物料發(fā)出的信號后，氣動機械手雙桿氣缸快速向前伸出到位，單作用氣缸向下伸出、將氣爪放到與物料同一軸向位置時，T秒后氣爪夾住物料向上縮回，雙出桿氣缸開始慢速縮回，旋轉(zhuǎn)氣缸帶動整個手爪以逆時針方向轉(zhuǎn)動到旋轉(zhuǎn)氣缸右位設定位置，然后雙桿氣缸再次伸出，單作用氣缸下降將物料放到下一個功能模塊接料臺上松開氣爪并快速縮回，旋轉(zhuǎn)氣缸將以順時針方向快速的回轉(zhuǎn)到原始位置，等待下次物料搬運。停機報警停機報警觸摸屏可控制編程器送料機構無料持續(xù)20S無料出料口檢測有料驅(qū)動搬運機械手放料圖1-2工作過程本次設計主要是設計包括氣缸驅(qū)動的氣動原理圖，機械手動作控制的PLC程序，觸摸屏控制的基本操作。本次設計的最終目的是實現(xiàn)試驗臺的無錯誤動作，加深對工業(yè)自動化的理解與感受，使自己能夠達到單獨完成一些簡單程序、動作控制的設計。第二章PLC簡介及編程軟件2.1PLC的簡介及原理2.1.1PLC的簡介PLC是一種源于繼電器控制技術，但基于電子計算機的，用于工業(yè)現(xiàn)場的電控制器。，它把經(jīng)輸入電路的物理過程得到的輸入信息，通過運行存儲在其內(nèi)存中的程序，變換為所要求的輸出信息，并通過輸出電路的物理過程去實現(xiàn)控制。PLC雖然基于電子計算機，但與普通計算機并不等價。后者在進行入出信息變換時，大部分是只考慮信息本身，而忽略了信息入出的物理過程。對于PLC則要兼顧信息入出的可靠性、實時性和信息本身的實際使用。特別要考慮如何結合實際情況以適用于工業(yè)環(huán)境。PLC不僅能處理信息，進行入、出信息變換，以及通過輸入、輸出電路與它的控制對象交換信息；而且還能存儲信息、顯示信息，以及通過其外設或通信口與外界交換信息。這些都與其兼具微處理器，入出電路，內(nèi)存及外設。對比繼電器控制裝置，其功能要多得多，強得多。相對于計算機，PLC體積要小得多，工作可靠得多，使用也方便得多。2.1.2PLC的原理PLC組成：1.CPU運算和控制中心

由控制器、運算器和寄存器等電路集成在一個芯片上組成了CPU。而CPU與I/O接口電路相連接是通過地址總線、數(shù)據(jù)總線來實現(xiàn)的。主要用于控制外部驅(qū)動。如圖2-1所示。圖2-1CPU運算和控制中心

2．存儲器主要是用來存儲用戶程序，系統(tǒng)程序，數(shù)據(jù)。分為RAM、ROM、PROM、EPROM和EEPROM等?；窘Y構如下。

圖2-2存儲器3．輸入/輸出接口主要是用于傳遞傳輸信息，達到控制的目的。如圖2-3。

圖2-3

4．編程器

編程器分為兩種。一種是我們實驗室使用的，操作方便的手持編程器。另一種是通過敲擊鍵盤，利用NSTP-GR軟件（或WINDOWS下軟件），然后通過PLC的RS232口，與計算機相連，向PLC內(nèi)部輸入程序。PLC的基本工作原理工作方式：“順序掃描，不斷循環(huán)”1．輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新共同構成一個掃描周期。2．每次掃描過程，集中采集輸入信號，對輸出信號進行集中刷新。

3．輸入刷新過程，是每個掃描周期進行完畢才能進入下一個周期。

4．程序的執(zhí)行變化將導致元件映象寄存器的內(nèi)容的變化。

5．掃描周期的長短由CPU執(zhí)行指令的速度，指令本身占有的時間，指令條數(shù)三條決定。

6．由于采用集中采樣，集中輸出的方式，存在輸入/輸出滯后的現(xiàn)象，即輸入/輸出響應延遲。[4]2.2PLC的類型及特點2.2.1PLC的類型（1）按控制規(guī)模分：控制規(guī)模主要是指可控制的邏輯量入出點數(shù)及模擬量的入出路數(shù)。但主要以邏輯量計。模擬量路數(shù)有的可以折算成邏輯量的點，大致一路相當于816點。根據(jù)這個點數(shù)，PLC大致可以分為微型機（控制的僅幾點、是幾點、幾十點），小型機（控制點可達100多點甚至更多），中型機（控制點數(shù)可達500點，以至于以千點計），大型機（控制點數(shù)一般在1000點以上），超大型機（控制點數(shù)可達10000點，甚至幾萬點、幾十萬點）。按結構特點分：PLC可分為箱體式與模塊式。（1）箱體式的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，就可以實現(xiàn)控制。微型、小型機多為箱體式。（2）模塊式的PLC它具有不同功能的模塊組成。其主要模塊有CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊、通信模塊、機架等。大、中型機都是模塊式的。PLC還有很多的不同分類方法，其類型也很多，在此就不一一列舉了。而且隨著新產(chǎn)品的出現(xiàn)，還將有更多的分類。在此對PLC作以上的分類分析，目的是使大家對PLC有一個大致的、比較全面的了解。2.2.2PLC的特點1.使用靈活、通用性強——PLC的硬件是標準化的，加之PLC的產(chǎn)品已系列化，功能模塊品種多，可以靈活組成各種不同大小和不同功能的控制系統(tǒng)。2.可靠性高、抗干擾能力強——相對于通用微機，PLC采用了微電子技術，大量的開關動作由無觸點的電子存儲器件來完成，大部分繼電器和繁雜連線被軟件程序所取代，而且采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施。讓其能夠更好的適應工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾，電源波動，機械振動，溫度和濕度的變化等環(huán)境，且壽命長，可靠性大大提高。從實際使用情況和數(shù)據(jù)資料來看，PLC控制系統(tǒng)的平均無故障時間一般可達4～5萬小時。

3.接口簡單、維護方便——根據(jù)工業(yè)控制的設計要求，PLC的接口有較強的帶負載能力，而且一般為模塊式接口電路，便于維修更換。4.體積小、功耗小、性價比高是其第四大優(yōu)勢5.編程簡單、容易掌握。PLC用戶組確定設計者充分考慮工程技術人員的技能與習慣領域。編程語言的視覺形象，較少的指示，語法簡單易懂等特點，不需要專門的計算機知識和語言，只要某電氣技術知識工作者就能夠在短時間內(nèi)掌握。這是因為大多數(shù)的PLC編程可作為工業(yè)控制的梯形簡單的命令模式的一種常用方法。使用專用的編程器，方便查看，編輯，修改用戶程序。6.設計、施工、調(diào)試周期短——由于PLC控制軟件，硬件電路是非常簡單和直接的，其結構是模塊化的構建塊，并已商品化，所以只需按性能，容量（輸入和輸出點，內(nèi)存大?。┻x擇組件，然后進行程序的編制；也可以對PLC到來之前編制出程序，使設計和施工可同時進行，從而大大減少了設計周期。在施工過程中，由于軟件編程硬件控制功能所取代，在很大程度上減少重安裝布線工作，從而縮短施工周期。由于PLC的程序來完成任務的控制，使用一個用戶友好的編程語言??工業(yè)，已經(jīng)迫使和仿真功能的程序設計，修改和調(diào)試帶來了很大的方便，可以大大減少設計和投產(chǎn)周期。[5]2.3PLC的應用基于PLC的固有特點和強大的功能，PLC已得到廣泛應用。目前，在順序控制、過程控制、運動控制、信息控制、遠程控制5大控制中，PLC的身影隨處可見。前3個的目的是使不同的系統(tǒng)均能實現(xiàn)自動化。信息控制是為了實現(xiàn)信息化，其作用是使自動化能建立在信息化的基礎上，達到管理與控制結合的目的，從而做到供、產(chǎn)、銷無縫鏈接，以確保自動化效益。遠程控制不僅可實現(xiàn)各個角落信息匯總，保證信息完整，為信息的全面使用提供方便；而且為自動化的擴展，使從局部的設備級，發(fā)展到全程的生產(chǎn)線級，車間級，乃至于工廠級、地域級，建立自動化工廠、數(shù)字化城市成為可能。一句話即：使在信息化基礎上的自動化能遠程化。顯而易見，大規(guī)模、大范圍的自動化、信息化，將具有更大威力和更大的效益。然而，隨著自動化、信息化及遠程化的推進，系統(tǒng)將越來越復雜。為此，還必須實現(xiàn)對這些控制進行控制。否則，一旦情況發(fā)生變化，或出現(xiàn)故障，而又不能及時應對，所有這些控制的效益將化為烏有。而PLC，就具有這個能力。充分利用PLC靠處理信息實施控制和具有很多自診斷功能的兩個優(yōu)勢，使PLC在實施上述控制時，具有一定的自適應、自診斷的能力，也為實現(xiàn)自動化、信息化及遠程化之后，再實現(xiàn)智能化提供了可能。而且這也是必然趨勢。[6]2.4關于人機界面2.4.1人機界面產(chǎn)品的組成及工作原理人機界面產(chǎn)品與“觸摸屏”常常被大家混淆，但是從嚴格意義上來說，兩者是有本質(zhì)上的區(qū)別的。這是因為前者是一種包含硬件和軟件的人機交互設備，而后者僅僅是前者可能用到的硬件部分，是一種替代鼠標和鍵盤部分功能，安裝在顯示屏前端的輸入的設備。為了解決PLC的人機交互問題，產(chǎn)生了一種人機界面產(chǎn)品。隨著計算機技術和數(shù)字電路技術的發(fā)展，在很多工業(yè)控制設備都具備了串行通信的能力，而只要有串行通信能力的工業(yè)控制設備，如變頻器，直流調(diào)速器，溫度控制儀表，數(shù)采模塊，可以連接的人機界面產(chǎn)品，為了實現(xiàn)人機交互的功能。HMI的硬件和相應的私人屏幕組態(tài)軟件產(chǎn)品包括人機界面（觸摸屏），在正常情況下，每個廠家的HMI畫面組態(tài)軟件的硬件均使用不同類型的設備連接到PLC。HMI產(chǎn)品也可以通過一個通用組態(tài)軟件（WinCC，組態(tài)王）作為硬件平臺在PC的Windows操作系統(tǒng)上運行，常用工具軟件產(chǎn)品。通用組態(tài)軟件的支持，如各種發(fā)光板，儀表，PLC，變頻器，模塊和其他設備，由于計算機硬件平臺的強大性能和通用組態(tài)軟件的功能也很強，所以經(jīng)常用在大型的監(jiān)控系統(tǒng)。人機界面產(chǎn)品的組成原理：人機界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成。其中硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通信接口、數(shù)據(jù)存儲單元等，如下圖（圖2-1）所示。HMI產(chǎn)品的性能高低由HMI的核心單元——處理器的性能決定。根據(jù)處理器的選用不同：8位、16位、32位，把HMI的產(chǎn)品分為不同的等級。如圖所示（圖2-2），HMI軟件一般分為運行于HMI硬件中的系統(tǒng)軟件和運行于PC機Windows操作系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟件兩部分。而HMI的畫面組態(tài)軟件制作“工程文件”是用戶都必須使用，編制好的“工程文件”是通過PC機和HMI產(chǎn)品的串行通信口下載到HMI的處理器中運行。任何人機界面產(chǎn)品都有系統(tǒng)軟件部分（如圖2-2），系統(tǒng)軟件運行在HMI具有小型的操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)軟件的運行的處理器中，支持多任務處理功能。，=一般諸如WindowsCE、Linux等通用的嵌入式操作系統(tǒng)使用于基于平板計算機的高性能人機界面產(chǎn)品中。處理器單元處理器單元顯示單元通信接口存儲單元輸入單元圖2-4人機界面硬件組成界面組態(tài)軟件（運行于PC機）界面組態(tài)軟件（運行于PC機）設備驅(qū)動處理器系統(tǒng)內(nèi)核軟件（運行于HMI硬件）圖2-5人機界面軟件構成觸摸屏的工作原理：“觸摸屏”只是HMI產(chǎn)品可用于替代鼠標和鍵盤的功能，硬件部分是安裝在顯示器的輸入裝置的前面。依靠各種觸摸屏技術的傳感器工作或觸摸屏本身就是一套傳感器。觸摸屏響應速度快，可靠性，穩(wěn)定性和壽命都是各自的定位原理和相應的傳感器用于決策。觸摸檢測部件和觸摸屏控制器，觸摸屏。前者是安裝在顯示器屏幕前，用戶角色是檢測觸摸位置，觸摸屏控制器接收疏散；后者主要用于觸摸點檢測裝置接收信息，然后將其轉(zhuǎn)換成觸點坐標，給CPU，但它可以接收發(fā)送到CPU的指令和執(zhí)行。如果按照工作原理和傳輸信息的介質(zhì)的觸摸屏，可分為電阻式觸摸屏，電容式傳感器，紅外式和表面聲波四。只要我們了解每種類型的觸摸屏技術的工作原理和特點，每種類型的觸摸屏了解自己的長處和弱點，我們可以觸摸屏的應用將是方便的。[6]2.4．2人機界面產(chǎn)品的基本功能及選型指標基本功能：用于諸如指示燈、按鈕、文字、圖形、曲線等設備工作狀態(tài)顯示；用于對數(shù)據(jù)、文字輸入操作和打印輸出；用于存儲生產(chǎn)配方以及設備生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄；進行簡單的邏輯運算、數(shù)值運算；可連接不止一種的工業(yè)控制設備組網(wǎng)。選型指標：顯示屏的尺寸及色彩和分辨率；HMI的處理器的性能好壞；選擇觸摸屏或薄膜鍵盤的輸入方式；注意畫面存貯容量，看清廠商標注的容量單位，因為有字節(jié)（byte）、與位（bit）兩種不同的容量單位；通訊口種類及數(shù)量，是否支持打印功能。人機界面產(chǎn)品分類：根據(jù)顯示器的尺寸是一個鍵盤輸入的人機界面，顯示的大小是小于5.7’，如流行的人機界面，畫面組態(tài)軟件是免費的，是主要的產(chǎn)品，一個小的人機界面觸摸屏輸入的人機界面，并顯示屏幕大小為5.7～12.1，畫面組態(tài)軟件是免費的，是一種中間產(chǎn)品，如果一個基于平面的PC機，具有多種通信端口，是一種高性能的人機界面，顯示的大小是大于10.4，畫面組態(tài)軟件的費用，是高端產(chǎn)品人機界面的使用方法。第一步、根據(jù)監(jiān)控任務要求選擇適合的HMI產(chǎn)品；第二步、“工程文件”可在PC機上用畫面組態(tài)軟件編輯；第三步、測試并保存已編輯好的“工程文件”；第四步、PC機連接HMI硬件，下載“工程文件”到HMI中，連接HMI和工業(yè)控制器（如PLC、儀表等），實現(xiàn)人機交互。[百度百科]2.5關于西門子編程軟件2.5．1STEP7-Micro/Win組成及功能STEP7-Micro/Win的主界面如下圖（圖2-3）：主界面包括菜單欄、工具欄、瀏覽條、指令樹、程序區(qū)、工作區(qū)和狀態(tài)條等幾個部分。除菜單欄外，通過查看菜單和窗口菜單可以更改其他窗口的樣式和對窗口進行取舍。圖2-6主界面圖菜單欄：包含文件、編輯、查看、PLC、調(diào)試、工具、窗口、幫助8個選項。圖如下。各個菜單項的功能如下（圖2-4）：圖2-7菜單欄文件：提供了對程序文件的各種基本操作，包括新建、打開、關閉、保存、另存、導入、導出、上載、下載、頁面設置、打印、預覽、最近使用文件和退出。編輯：提供程序的撤銷、剪切、復制、粘貼、全選、插入、刪除、查找、替換、轉(zhuǎn)至等各種編輯工具。查看：可選擇不同的程序編輯器：LAD、STL、FBD；進行數(shù)據(jù)塊、符號表、狀態(tài)圖表、系統(tǒng)塊、交叉引用、通信參數(shù)的設置；選擇注解、網(wǎng)絡注解顯示與否等；在其工具欄區(qū)可以選擇瀏覽條、指令樹及輸出視窗的顯示與否；對程序塊的屬性進行設置。PLC：用于與PLC聯(lián)機時的操作。調(diào)試：用于聯(lián)機時的動態(tài)調(diào)試，首次掃描、多次掃描、程序狀態(tài)、觸發(fā)暫停以及用程序狀態(tài)模擬運行條件等。工具：提供復雜指令向?qū)Ш臀谋撅@示器TD200設置向?qū)В黄涠ㄖ谱硬藛慰梢愿墓ぞ邫诘耐庥^或內(nèi)容，及在“工具”菜單增加常用工具；選項子菜單可以設置3種編譯器的風格。窗口：可以設置窗口的排放形式，如層疊、水平、垂直等。幫助：提供S7—200的指令系統(tǒng)及編程軟件的所有信息，并提供在線幫助、網(wǎng)上查詢、訪問等功能。工具欄：將最常用的的操作以按鈕的形式設定到主窗口，提供給用戶最便利的鼠標訪問。主要有一下幾部分：標準工具欄：調(diào)試工具欄：公用工具欄：LAD指令工具欄：瀏覽條：為編程提供按鈕控制，可以實現(xiàn)窗口的快速切換，即對編程工具執(zhí)行直接按鈕存取，包括程序塊、符號表、數(shù)據(jù)塊、狀態(tài)圖表、系統(tǒng)塊、交叉引用和通信。單擊上述任意按鈕，則主窗口切換成與按鈕對應的窗口。如果要打開或關閉瀏覽條，可以選擇“查看”“幀”“瀏覽條”；使用菜單命令“工具”“選項”，選擇“瀏覽條”標簽，可在瀏覽條中編輯字體。瀏覽條中所有操作都可在“指令樹”窗口中完成。指令樹：以樹形結構提供編程時用到的所有快捷操作命令和PLC指令。可分為用于組織程序項目的項目分支和用于輸入程序，打開指令文件夾并選擇指令的指令分支。程序區(qū)：在程序區(qū)中，程序塊、符號表、數(shù)據(jù)塊、狀態(tài)圖表、系統(tǒng)塊、交叉引用、局部變量表可以同時或分別打開。工作區(qū)：用來顯示程序編譯的結果。如圖（圖2-5）：圖2-8工作區(qū)狀態(tài)條：提供STEP7–Micro/Win中的操作信息。2.5．2STEP7–Micro/Win編程編程前的準備：新建或打開一個項目選擇PLC型號選擇編程模式和指令語句表集設置PLC參數(shù)用戶程序的輸入與編輯：在三種程序編輯中，以LAD編輯器使用的比較廣泛，本設計業(yè)是用LAD編程，大致步驟如下：程序輸入與編輯數(shù)據(jù)塊編輯符號表的編輯程序的編譯程序的傳送。[7]第三章氣動原理圖的設計3.1氣壓傳動的基本介紹1）簡介氣壓傳動的特點是:工作壓力低,一般為0.3～0.8兆帕，氣體粘度小，管道阻力損失小，便于集中供氣和中距離輸送，使用安全，無爆炸和電擊危險，有過載保護能力；但氣壓傳動速度低，需要氣源。2）歷史創(chuàng)建用于氣動傳動的發(fā)展條件是由于出現(xiàn)在1829個多級空氣壓縮機。選擇開始挖掘42年后。美國人發(fā)明了G.威斯汀豪斯氣制動裝置，首次在1872發(fā)明后的鐵路車輛制動四年。后來，隨著各種工業(yè)的發(fā)展，氣動機械和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。1930氣動壓力調(diào)節(jié)器。氣動伺服壓力在20世紀50年代開發(fā)的導彈舵控制。飛機氣動邏輯元件在20世紀60年代發(fā)明的，使壓力傳輸?shù)玫搅撕艽蟮陌l(fā)展。3）組成氣源、氣動執(zhí)行元件、氣動控制閥和氣動輔件組成了氣壓傳動。一般由Linktitle壓縮機提供氣源。氣動執(zhí)行器的主要壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，和用于驅(qū)動空氣馬達包括缸內(nèi)工作部件。氣流方向，壓力和流量主要通過氣動控制閥的控制，氣動控制閥分為方向控制閥，壓力控制閥和流量控制閥。空氣凈化空氣濾清器的分水嶺，改善空氣的油霧潤滑性能，消除噪聲的消聲器，管接頭，氣動配件等。也有用于氣動傳輸?shù)母惺芎蛡鬟f信息的氣動傳感器。4）特點氣壓傳動的優(yōu)點：（1）以取之不盡，處理方便的空氣作為工作介質(zhì)，不會污染環(huán)境，清潔環(huán)保，從而可以少設置或不必設置回氣管道。（2）由于空氣的黏度相對液壓油很小，只有后者的萬分之一，流動阻力小，便于集中供氣，中、遠距離輸送。（3）動作迅速，反應快；維護簡單，工作介質(zhì)清潔，不存在介質(zhì)變質(zhì)和更換等問題是氣動控制的又一大特點。（4）無論是在易燃、易爆、多塵埃、輻射、強磁、振動、沖擊等惡劣的環(huán)境中，氣壓傳動系統(tǒng)工作安全可靠，即工作環(huán)境適應性好。（5）氣動元件結構簡單，便于加工制造，使用壽命長，可靠性高。氣壓傳動的缺點:（1）由于空氣的可壓縮性大，氣壓傳動系統(tǒng)的速度穩(wěn)定性差，給系統(tǒng)的速度和位置控制精度帶來很大的影響。（2）氣壓傳動系統(tǒng)的噪聲大，尤其是排氣時，需要加消音器。[百度百科][8]3.2氣動傳動分析與設計3.2．1氣動機械手的結構機械手的種類很多，但按手臂坐標類型來分主要有直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式、關節(jié)坐標式、SCARA型。本論文所針對的機械手屬于圓柱坐標式，如圖所示（圖3-1），機械手主要是由基座和手臂兩部分組成?；闹饕蝿帐侵魏屯瓿墒直刍剞D(zhuǎn)。手臂裝在基座上，作上下直線運動，手部可夾緊/放松。機械手手部機械手手部機械手橫臂機械手立柱機械手基座圖3-1[1]圓柱坐標式機械手本機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、伸縮氣缸和手部驅(qū)動氣缸。3.2．2氣動機械手的搬運原理本機械手采用氣壓驅(qū)動。這個機械手具有三個直線運動和一個旋轉(zhuǎn)運動自由度，用于將原工作臺上的物品搬到其右側工作臺上。機械手的所有動作都由氣缸驅(qū)動，氣缸由電磁閥控制，整個機械手在工作中能實現(xiàn)上升/下降、左旋轉(zhuǎn)/右旋轉(zhuǎn)、橫臂的伸縮、夾緊/放松功能，是目前較為簡單的、應用比較廣泛的一種機械手。機械手的工作流程如圖所示（圖3-2）。圖3-2[9]工作流程圖對于每個動作的限位使用的是傳感器限位。其升降運動通過升降氣缸、垂直導柱、滑動導柱、垂直導軌及升降位置微動開關相互配合完成，升降工作行程為0~1500mm。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協(xié)調(diào)完成，轉(zhuǎn)動工作行程為0~180°。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)彈簧的預壓縮量來調(diào)整。3.2．3氣路圖的設計根據(jù)前幾節(jié)的分析，結合試驗臺的實際，得到氣動原理圖如下：圖3-3氣動原理圖本設計采用的是單線圈二位四通閥控制，整個原理圖中用到了溢流閥、節(jié)流閥和調(diào)速閥等。保證了氣缸驅(qū)動過程中的平穩(wěn)運行，機械手動作的有效完成。第四章PLC程序的設計與編譯4.1機械手的動作分析1.初始狀態(tài)通電后，紅色警示燈閃亮，提示工件分揀設備送電。此時，設備的相關部件應為初始狀態(tài)。相關部件的初始狀態(tài)為：⑴供料盤的撥桿停止轉(zhuǎn)動。⑵機械手停止在左限止位置，氣爪松開，手臂氣缸和懸臂氣缸活塞桿縮回。2．啟動 在設備相關部件為初始狀態(tài)的情況下，才能按下啟動按鈕SB1使設備進入運行，紅色警示燈滅，綠色警示燈閃亮。3.送料按下啟動按鈕后，若物料盤上的出口傳感器檢測無物料，則送料電動機開啟，驅(qū)動物料盤旋轉(zhuǎn)送料，當出料口傳感器檢測到物料后停止送料；如果送料電動機運行20秒后，出料口傳感器仍沒檢測到物料，則停止送料，紅色警示燈閃亮，報警器報警，直到按下復位按鈕才停止報警，并重新開始。4.機械手搬送工件當出料口傳感器檢測到物料且機械手和各氣缸活塞桿的位置正確時，按下啟動按鈕，機械手開始搬物加工。機械手懸臂伸出——下降——夾緊物料，夾緊1秒后——上升——縮回——右轉(zhuǎn)——伸出——下降——放物，延時1秒后——上升——縮回——左轉(zhuǎn)至左側極限位置停止，等待傳送帶上的工件分揀完成后再進行下一次搬物。5.設備的停止需要停止工作，按下停止按鈕SB0。按下停止按鈕時，所有正在工作的部件，應完成當前工件分揀成功后，設備才能停止運行，綠色警示燈滅，紅色警示燈閃亮。再次啟動時，設備繼續(xù)運行。[9]4.2I/O地址分配表表4-1（I/O地址分配表）輸入地址輸出地址序號地址備注序號地址備注1I0.0啟動1Q0.0驅(qū)動轉(zhuǎn)盤電機2I0.1停止2Q0.1驅(qū)動手爪放松3I0.2氣動手爪傳感器3Q0.2驅(qū)動手爪夾緊4I0.3旋轉(zhuǎn)左限位傳感器4Q0.3驅(qū)動手臂左轉(zhuǎn)5I0.4旋轉(zhuǎn)右限位傳感器5Q0.4驅(qū)動手臂右轉(zhuǎn)6I0.5氣動手臂伸出傳感器6Q0.5驅(qū)動手臂伸出7I0.6氣動手臂縮回傳感器7Q0.6驅(qū)動手臂縮回8I0.7手爪提升限位傳感器8Q0.7驅(qū)動手抓上升9I1.0手爪下降限位傳感器9Q1.0驅(qū)動手抓下降10I1.1物料檢測傳感器10Q1.1驅(qū)動綠色指示燈11Q1.2驅(qū)動紅色指示燈4.3PLC控制原理圖及系統(tǒng)圖圖4-1西門子PLC控制原理圖[9]圖4-2模塊圖[3]4.4程序截圖第五章實驗與總結5.1實驗整個實驗臺如下圖所示（圖5-1）：圖5-1[3]實驗臺實驗臺各個部分簡介：圖5-2模塊接線示意圖裝置電氣部分主要有電源模塊、按鈕模塊、可編程控制器（PLC）模塊、變頻器模塊、接線端子排等組成。所有的電氣元件均連接到接線端子排上，通過接線端子排連接到安全插孔，由安全接插孔連接到各個模塊，提高實訓考核裝置安全性。裝置結構為開放拆裝式，各個模塊均為通用模塊，可以互換，能完成不同的實訓項目，擴展性較強。圖5-3桌面開放端口桌面開放端口起到一個集成轉(zhuǎn)接作用，在站點上的每一個模塊所有需連接元件的連接線必須經(jīng)過此處進行轉(zhuǎn)換成可與控制面板連接的端口。面板中所有端口都有與它對應的接線端子，這樣大大減少了在實訓過成中多而復雜的線路，使得每一個電氣元件的連接線都以開放形式陳列在外。與控制面板連接時只需通過專用連接線進行對號連接即可。圖5-4模塊圖電源模塊：三相電源總開關（帶漏電和短路保護）、熔斷器。單相電源插座用于模塊電源連接和給外部設備提供電源，模塊之間電源連接采用安全導線方式連接。PLC模塊：采用西門子S7-226CNAC/DC/RLY繼電器輸出，所有接口采用安全插連接。按鈕模塊：提供了6組常開/常閉功能按鈕（DC24V），以及急停按鈕、轉(zhuǎn)換開關。所有接口采用安全插連接。圖5-5連接