PLC機(jī)械手論文.doc

xxx 學(xué)院學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì)畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 題題 目：目： 工業(yè)機(jī)械手的工業(yè)機(jī)械手的 plcplc 控制控制 姓 名： 微小侯 單 位： xxx 學(xué)院 指導(dǎo)教師： 2012 年 7 月 3 日 設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)任務(wù)書 設(shè)計(jì)一個(gè)工業(yè)機(jī)械手的 plc 控制系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)械手工作示意圖如下圖所示，其任務(wù)是將傳 送帶 a 的物品搬到傳送帶 b 上。 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求 1、機(jī)械手的原位是在傳送帶 b 上，開始工作時(shí)（按啟動(dòng)按鈕） ，先是手臂上 升到上限位時(shí)，上升限位開關(guān) ls4 閉合，手臂左旋；左旋到位時(shí)，左旋限位 開關(guān) ls2 閉合，手臂下降；到下限位時(shí)，下降限位開關(guān) ls5 閉合，傳送帶 a 運(yùn) 行。當(dāng)光電開關(guān) psl 檢測到物品已進(jìn)入手指范圍時(shí)，傳送帶 a 停止。手指抓物 品。當(dāng)物品抓緊時(shí)，抓緊壓力開關(guān) ls1 動(dòng)作，手臂上升；到上限位時(shí)，上升限 位開關(guān) ls4 閉合，手臂右旋；右旋到位時(shí)，右旋限位開關(guān) ls3 閉合，手臂下降； 下降到下限位時(shí)，下降限位開關(guān) ls5 閉合。手指放松，物品被放到傳送帶 b 上。 延時(shí) 2s 后，一個(gè)循環(huán)結(jié)束，再自動(dòng)重復(fù)。按停車按鈕后完成當(dāng)前循環(huán)后停止運(yùn) 行。按緊急停車按鈕后立即在當(dāng)前位置停車。按啟動(dòng)按鈕后若機(jī)械手不在初始 位置，應(yīng)首先返回初始位置（ls3，ls5 閉合） 。 2、根據(jù)設(shè)計(jì)要求分析所要做的主要工作，應(yīng)采用的 plc 的基本要求。設(shè)計(jì) i/o 分配表，編制程序，畫出梯形圖。然后畫出電路接線圖、原理圖 3、詳細(xì)分析系統(tǒng)工作原理，說明梯形圖中每一個(gè)觸點(diǎn)和線圈的作用，以及整個(gè) 控制系統(tǒng)的工作原理。結(jié)束語（設(shè)計(jì)小結(jié)、存在問題、意見建議等） 。 4、論文使用 a4 紙打印。頁面設(shè)置為左邊距 2.5 厘米，其他三邊邊距均為 2 厘米，裝訂線 0 厘米。行距為多倍行距，設(shè)置值 1.25。采用三級(jí)標(biāo)題即：標(biāo)題 1 二號(hào)字，標(biāo)題 2 三號(hào)字，標(biāo)題 3 小四號(hào)字。文字部分中文用宋體，英文用 times new roman 字號(hào)均為小四。圖表全部居中，版式設(shè)置為上下型，并應(yīng)有 標(biāo)號(hào)和說明（如：圖 1-1 主電路電氣原理圖） 。 摘 要 隨著社會(huì)市場經(jīng)濟(jì)的不斷繁榮和發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化的進(jìn)程正在飛速發(fā)展。傳 統(tǒng)手工、半手工工藝加工，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了當(dāng)代社會(huì)發(fā)展。各企業(yè)為了提高 生產(chǎn)效益，賺的最大利潤，紛紛改造車間，裝配自動(dòng)化生產(chǎn)線，機(jī)械手作為工 業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，越來越多的被人民重視，利用機(jī)械手可以完成 某些人類無法完成的動(dòng)作，從而大大提高生產(chǎn)的安全性和可靠性的同時(shí)生產(chǎn)效 益也得到提高，本文就是介紹如何利用 plc 編程來實(shí)現(xiàn)這一目的。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手、控制、關(guān)鍵詞：機(jī)械手、控制、plc 目 錄 第一章 機(jī)械手的發(fā)展與分類2 1.1 概述.2 1.2 機(jī)械手的分類及工作原理.3 1.3 機(jī)械手的組成部件.5 第二章 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)方案9 2.1 機(jī)械手設(shè)計(jì)程序.9 2.2 機(jī)械手 plc 控制系統(tǒng)的組成.10 2.3 機(jī)械手的性能分析.12 第三章 可編程控制器的結(jié)構(gòu)與工作原理14 3.1 plc 的結(jié)構(gòu)14 3.2 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu).14 3.3 開關(guān)量 i/0 模塊.16 3.4 可編程控制器的工作原理.16 3.5 西門子 s7-200cn 系列特點(diǎn).17 第四章 plc 控制程序設(shè)計(jì).19 4.1i/o 分配.19 4.2 順序控制法.20 4.3 plc 設(shè)計(jì)梯形圖20 設(shè)計(jì)總結(jié)25 參考文獻(xiàn)29 致謝30 附錄一 . 1 第一章第一章 機(jī)械手的發(fā)展與分類機(jī)械手的發(fā)展與分類 1.1 概述概述 機(jī)械手的定義及其應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)械手的定義及其應(yīng)用領(lǐng)域 機(jī)械手是能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作 工具的自動(dòng)操作裝置。機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人， 它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身 安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 機(jī)械手的發(fā)展史機(jī)械手的發(fā)展史 它是在早期出現(xiàn)的古代機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，機(jī)械手研究始于 20 世紀(jì)中期，隨 著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，特別是 1946 年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問世以來，計(jì)算機(jī) 取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展。同時(shí)，大批量生產(chǎn)的迫切 需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展，又為機(jī)器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，核能技術(shù)的 研究要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國于 1947 年開發(fā) 了遙控機(jī)械手，1948 年又開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手。機(jī)械手首先是從美國開始研制的。 1954 年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請(qǐng)了專利。該專利的要點(diǎn)是借助 伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作示教，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記 錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人?，F(xiàn)有的機(jī)器人差不多都采用這種控制方式。 1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手鉚接機(jī)器人。作為機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用 機(jī)型（示教再現(xiàn)）是 1962 年美國 amf 公司推出的“verstran”和 unimation 公司推 出的“unimate”。 機(jī)械手的應(yīng)用優(yōu)勢機(jī)械手的應(yīng)用優(yōu)勢 這些工業(yè)機(jī)器人主要由類似人的手和臂組成它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化， 能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 2 1.2 機(jī)械手的分類及工作原理機(jī)械手的分類及工作原理 機(jī)械手的分類比較復(fù)雜，一般從不同的角度進(jìn)行分類機(jī)械手的分類比較復(fù)雜，一般從不同的角度進(jìn)行分類: a.按抓持物件的形狀、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。 b. 按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手； c. 按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種； d. 按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。 機(jī)械手的工作原理概述機(jī)械手的工作原理概述 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)） 、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變 被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)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(gè)自由度。自由度是機(jī)械手 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)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(jī)械手有 23 個(gè)自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制， 來完成特定動(dòng)作。同時(shí)接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心 通常是由單片機(jī)或 sp 等微控制芯片構(gòu)成，通過對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)所要功能。 1.2 機(jī)械手的組成部件機(jī)械手的組成部件 工業(yè)機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。 a.a. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu) （1）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié) 構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用 負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸 盤。 3 傳力機(jī)構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、 絲杠螺母式、彈簧式和重力式。 （2）腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的 動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、 上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求， 有些動(dòng)作較為簡單的專用機(jī)械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū) 動(dòng)手部搬運(yùn)工件。 目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但 回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?2700）,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因 此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。 （3）臂部 手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作 或夾具），并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位）， 則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求， 即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。 手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部 的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為 多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響 機(jī)械手的工作性能。 （4）行走機(jī)構(gòu) 有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)，我國的正處于仿真階段。 b.b. 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大 致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手,結(jié)構(gòu)簡單、尺 寸緊湊、重量輕、控制方便。 c.c. 控制系統(tǒng)分類控制系統(tǒng)分類 在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位控制， 也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄 程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。 4 第二章第二章 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)方案工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)方案 plc 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是 plc 工程設(shè)計(jì)選型。工藝流 程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。plc 及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標(biāo)準(zhǔn)的，按照 易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則選型所選用 plc 應(yīng)是在相關(guān) 工業(yè)領(lǐng)域有投運(yùn)業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng)，plc 的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模 和控制要求相適應(yīng)。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語言有利于縮短編程 時(shí)間，因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點(diǎn)、控制要求，明確控 制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存 儲(chǔ)器容量、確定 plc 的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的 plc 和設(shè) 計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 2.12.1 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)程序工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)程序 目前，工業(yè)機(jī)械手在我國迅速的發(fā)展，在一定程度上占有很大的市場。而在今天選擇 控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的設(shè)備已經(jīng)從傳統(tǒng)的繼電器接觸器轉(zhuǎn)變成可編程序控制器（plc） 。 可編程序控制器（plc）與其他計(jì)算機(jī)控制相比較： 個(gè)人計(jì)算機(jī)有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能和圖形顯示功能，有豐富的軟件支持，但是它們是 為辦公室自動(dòng)化和家庭設(shè)計(jì)的，對(duì)環(huán)境要求很高，抗干擾能力不強(qiáng)，一般不適合在工業(yè) 現(xiàn)場使用。 單片機(jī)只是一片集成電路，不能直接將它與外部i/o信號(hào)相連。要將它用于工業(yè)控制， 還要附加一些配套的集成電路和i/o接口電路，硬件設(shè)計(jì)、制作和程序設(shè)計(jì)的工作量相當(dāng) 大，要求設(shè)計(jì)者具有很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（簡稱工控機(jī)）也是為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的，目前比較流行的是pc總線工 控機(jī)，它與個(gè)人計(jì)算機(jī)兼容。工控機(jī)采用總線式結(jié)構(gòu)，各廠家產(chǎn)品的兼容性強(qiáng)。工控機(jī) 一般是在通用微機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，因此在要求快速、實(shí) 時(shí)性強(qiáng)、功能復(fù)雜的領(lǐng)域占有優(yōu)勢。工控機(jī)的價(jià)格較高，將它有與開關(guān)量控制以取代繼 電器系統(tǒng)有些大材小用。工控機(jī)的外部i/o接線一般都用多芯扁平電纜和插頭、插座，直 5 接從印刷電路板上引出，不如可編程序控制器的接線端子那樣方便可靠。 以上各種計(jì)算機(jī)用語控制的程序一般都是用匯編語言編寫的，不像可編程續(xù)控制器的 梯形圖語言那樣易于被工廠的電氣人員掌握。 可編程序控制器是專為工廠現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)的，結(jié)構(gòu)上采取整體密封或插件組合型， 對(duì)印刷電路板、電源、機(jī)架、插座的制造和安裝，均采用了嚴(yán)密的措施。可編程序控制 器由于具有前述的各種優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域具有不可比擬的競爭力。 當(dāng)然在機(jī)械手的控制領(lǐng)域也具有重要的地位，把可編程序控制器用于電梯運(yùn)動(dòng)的核心 部分是很合理的選擇，而且可編程序控制器現(xiàn)在在市場上也是一種成熟的產(chǎn)品。總之， 經(jīng)上述比較可得，我確定選用plc控制工業(yè)機(jī)械手的控制。 2.22.2 工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)的組成工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)的組成 a a . .電器控制系統(tǒng)電器控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)由操縱裝置、位置顯示裝置、控制屏等組成，它起著操縱和控制機(jī)械手運(yùn)行的作 用。操縱裝置包括電柜中按鈕操作或手柄開關(guān)、急停開關(guān)；位置顯示裝置是指機(jī)械手動(dòng) 作的實(shí)時(shí)位置；控制屏安裝在機(jī)械手操作附近，由各類電氣控制元件（或板）組成，是 機(jī)械手實(shí)行電氣控制的集中組件。 b.b. 安全保護(hù)系統(tǒng)安全保護(hù)系統(tǒng) 機(jī)械手上設(shè)有機(jī)械和電氣的各類保護(hù)系統(tǒng)，以保證機(jī)械手安全使用。機(jī)械方面的有限速 器和安全鉗，起超速保護(hù)作用；緩沖器，起沖頂和撞底保護(hù)作用；切斷總電源的極限保 護(hù)。 2.32.3 工業(yè)機(jī)械手穩(wěn)定性與安全性工業(yè)機(jī)械手穩(wěn)定性與安全性 可編程序控制器是由繼電器邏輯控制而來的，所以它在開關(guān)量處理、順序控制方面具 有一定的優(yōu)勢，發(fā)展初期主要側(cè)重于開關(guān)量順序控制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可編程 序控制器增加了數(shù)值運(yùn)算、pid閉環(huán)調(diào)節(jié)功能，并開始與個(gè)人計(jì)算機(jī)或小型計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)， 它本身也可以構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 可編程序控制器的應(yīng)用領(lǐng)域，在發(fā)達(dá)的工業(yè)國家，可編程序控制器已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在 6 所有的工業(yè)部門，隨著可編程序控制器的性能價(jià)格比的不斷提高，過去許多使用專用計(jì) 算機(jī)的場合也可以使用可編程序控制器。比如用在開關(guān)量的控制，這是可編程序控制器 最基本最廣泛的應(yīng)用，它的輸入和輸出信號(hào)都是只有通、斷狀態(tài)的開關(guān)量信號(hào)，這種控 制與繼電器控制最為接近，可以用價(jià)格較低，僅有開關(guān)量控制的功能的可編程序控制器 作為繼電器控制系統(tǒng)的替代物。開關(guān)量邏輯控制可以用于單臺(tái)設(shè)備，也可以用于自動(dòng)線 生產(chǎn)線，如機(jī)床控制、沖壓、鑄造機(jī)械、運(yùn)輸帶、包裝機(jī)械的控制，同樣也可以用于電 梯的控制。 通過上述的簡述，我希望在控制系統(tǒng)中能夠達(dá)到如下要求： 1). 系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及安全性系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及安全性 工業(yè)生產(chǎn)注重生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定性，有一個(gè)良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，才能達(dá)到效益的最優(yōu)； 文明生產(chǎn)安全第一，安全不僅僅是一句口號(hào)，更多的是銘刻在我們身邊時(shí)時(shí)刻刻。 第三章第三章 可編程控制器的結(jié)構(gòu)與工作原理可編程控制器的結(jié)構(gòu)與工作原理 plc 實(shí)質(zhì)上是一種被專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)和微機(jī)是基本一致 的。如下圖所示： 編程器 中央處理單元 （cpu） 輸入電路 輸出 電路 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)用戶程序存儲(chǔ)區(qū) 電源 3.13.1 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)可編程控制器的基本結(jié)構(gòu) 7 可編程序控制器簡稱為 plc（programmable logic controller）主要由 cpu 模塊、輸 入模塊、輸出模塊和編程器組成。 （如下圖所示） 可編程序控制器實(shí)際上是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，它的硬件結(jié)構(gòu)與一般微機(jī)控制系統(tǒng)相 似，甚至與之無異?？删幊绦蚩刂破髦饕?cpu（中央處理單元） 、存儲(chǔ)器（ram 和 eprom） 、輸入/輸出模塊（簡稱 i/o 模塊） 、編程器和電源五大部分組成。 (1) cpu 模塊模塊 cpu 模塊又叫中央處理單元或控制器，它主要由微機(jī)處理器（cpu）和存儲(chǔ)器組成。 cpu 的作用類似于人類的大腦和心臟。它采用掃描方式工作，每一次掃描要完成以下工作： 1） 輸入處理：將現(xiàn)場的開關(guān)量輸入信號(hào)和數(shù)據(jù)分別讀入輸入映像寄存器和數(shù)據(jù)寄存 器。 2） 程序執(zhí)行：逐條讀入和解釋用戶程序，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)去控制有關(guān)的電路， 完成數(shù)據(jù)的存取、傳送和處理工作，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果更新各有關(guān)寄存器的內(nèi)容。 3） 輸出處理：將輸出映像寄存器的內(nèi)容送給輸出模塊，去控制外部負(fù)載。 (2) i/o 模塊模塊 i/o 模塊是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場和 cpu 模塊的橋梁。輸入模塊用 來接收和采集輸入信號(hào)。輸入信號(hào)有兩類：一類是從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字開關(guān)、限位 開關(guān)、接收開關(guān)、關(guān)電開關(guān)、壓力繼電器等來的開關(guān)量輸入信號(hào)；另一類是由電位器、 熱電偶、測速發(fā)電機(jī)、各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量輸入信號(hào)。 可編程序控制器通過輸出模塊控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、調(diào)節(jié)閥、調(diào)速裝置等執(zhí) 行器，可編程序控制器控制的另一類外部負(fù)載是指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等。 cpu 模塊的工作電壓一般是 5v，而可編程序控制器的輸入/輸出信號(hào)電壓一般較高， 8 如直流 24v 和交流 220v。從外部引入的尖蜂電壓和干擾噪聲可能損壞 cpu 模塊中的元器 件，或使可編程序控制器不能正常工作，所以 cpu 模塊不能直接與外部輸入/輸出裝置相 連。i/o 模塊除了傳遞信號(hào)外，還有電平轉(zhuǎn)換與噪聲隔離的作用。 (3)(3) 編程器編程器 編程器除了用來輸入和編輯程序外，還可以用來監(jiān)視可編程序控制器運(yùn)行時(shí)梯形圖中 各種編程元件的工作狀態(tài)。 編程器可以永久地連續(xù)在可編程序控制器上，將它取下來后可編程序控制器也可以運(yùn) 行。一般只在程序輸入、調(diào)試階段和檢修時(shí)使用，一臺(tái)編程器可供多臺(tái)可編程序控制器 公用。 3.3 開光量的開光量的 i/o 模塊模塊 開關(guān)量模塊的輸入輸出信號(hào)僅有接通和斷開兩種狀態(tài)。電壓等級(jí)有直流 5v，12v，24v，48v 和交流 110v，220v 等。輸入輸出電壓的允許范圍很寬，如某交流 220v 輸入模塊的允許低電壓為 070v，高電壓為 70256v，頻率為 4763hz。 各 i/o 點(diǎn)的通/斷狀態(tài)用發(fā)光二極管或其它元件顯示在面板上，外部 i/o 接線一般接 在模塊的接線端子上，某些模塊使用可拆除的插座型端子板，在不拆去端子的外部連線 的情況下，可以迅速地更換模。開關(guān)量 i/o 模塊可能 4，8，16，32，64 點(diǎn)。 3.43.4 可編程控制器的工作原理可編程控制器的工作原理 可編程序控制器是從繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，它的梯形圖程序與繼電器系統(tǒng)電路 圖相似，梯形圖中的某些編程元件也沿用了繼電器這一名稱，如輸入、輸出繼電器等。 這種計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的“軟繼電器” ，與繼電器系統(tǒng)中的物理結(jié)構(gòu)在功能上某些相似之處。 可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運(yùn)行（run）狀態(tài)與停止（stop）狀態(tài)。 在運(yùn)行狀態(tài)，可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制功能。為了使 可編程序控制器的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)可能變化的輸入信號(hào)，用戶程序不是只執(zhí)行一次， 而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至可編程序控制器停機(jī)或切換到 stop 工作狀態(tài)。 除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中，可編程序控制器還要完成，內(nèi)部處理、 通信處理等工作，一次循環(huán)可分為 5 個(gè)階段?？删幊绦蚩刂破鞯倪@種周而復(fù)始的循環(huán)工 作方式稱為掃描工作方式。由于計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入-輸出關(guān)系來看， 處理過程似乎是同時(shí)完成的。 9 在內(nèi)部處理聯(lián)合階段?？删幊绦蚩刂破鳈z查 cpu 模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控定 時(shí)器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。 在通信服務(wù)階段，可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應(yīng)編程器鍵 入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。當(dāng)可編程序控制器處于停止（stop）狀態(tài)時(shí)，只執(zhí) 行以上的操作?？删幊绦蚩刂破魈幱冢╮un）狀態(tài)時(shí)，還要完成另外 3 個(gè)階段的操作。 10 3.53.5 西門子公司西門子公司 s7-200cns7-200cn 系列特點(diǎn)系列特點(diǎn) s7-200cn 系列可編程控制器（簡稱 plc）是西門子公司生產(chǎn)的最小型的 plc，除了其 出色的硬件特點(diǎn)，在性能、體積、重量、指令系統(tǒng)、運(yùn)行速度等方面，較過去的 plc 有 了全面的提高和充實(shí)。指令是指揮 plc 工作的命令，是構(gòu)成 plc 程序的基本要素。指令 的多少與功能強(qiáng)弱一方面反映編程的難易，另一方面也體現(xiàn)了 plc 的性能。 s7-200 的用戶程序中包含了位邏輯、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算以及與其他智能 模塊通訊等指令內(nèi)容，從而使他能夠監(jiān)視輸入狀態(tài)，改變輸出狀態(tài)以達(dá)到控制的目的。 緊湊的結(jié)構(gòu)、靈活的配置和強(qiáng)大的指令使 s7-200 成為各種控制應(yīng)用的理想解決方案。 s7-200 cpu 包括 cpu221、cpu222、cpu224、cpu224xp 和 cpu226 等型號(hào)。 11 第四章第四章 plcplc 控制程序設(shè)計(jì)控制程序設(shè)計(jì) 為此根據(jù)需要我們選擇西門子 s7-200 cpu226 ac/dc/ply 的機(jī)型,他的 i/o 接口分別 為 21,14 符合我們?cè)O(shè)計(jì)需要,該機(jī)型采用 ac220v 電源供電,內(nèi)部電源為 dc24v,采用繼電器 輸出。 4.14.1 工業(yè)機(jī)械手工業(yè)機(jī)械手 i/oi/o 分配信號(hào)表分配信號(hào)表 輸入信號(hào)輸入信號(hào)輸出信號(hào)輸出信號(hào) 序號(hào)plc 輸入點(diǎn)信號(hào)名稱序號(hào)plc 輸出點(diǎn)信號(hào)名稱 1i0.1 手臂上升限位 1q0.0 手臂左旋 2i0.2 手臂下降限位 2q0.1 手臂右旋 3i0.3 手臂旋轉(zhuǎn)左限位 3q0.2 手臂上升 4i0.4 手臂旋轉(zhuǎn)右限位 4q0.3 手臂下降 5i0.5 光電檢測開關(guān) 5q0.4 手指抓緊 6i0.6 抓緊限位 6q0.5 電動(dòng)機(jī) m1 7i1.0 啟動(dòng) 7q0.6 電動(dòng)機(jī) m2 8i1.1 停止 9i1.2 急停按鈕 4.24.2 順序控制法順序控制法 順序控制法就是一種針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程中的典型順序控制，使用順序功能圖來指 導(dǎo)編程的方法，他通用并且容易掌握。使用順序控制法時(shí)首先應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的工藝過程， 12 畫出順序功能圖，然后根據(jù)順序功能圖畫出梯形圖。 一、一、順序控制設(shè)計(jì)法順序控制設(shè)計(jì)法 （1） 順序控制設(shè)計(jì)方法的基本思路 所謂的順序控制，就是按照生產(chǎn)工藝預(yù)先規(guī)定的程序，在各個(gè)輸入信號(hào)的作 用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時(shí)間的順序，在生產(chǎn)過程中各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)、有序的進(jìn) 行操作。 順序控制設(shè)計(jì)法最基本的思路就是將系統(tǒng)的一個(gè)工作周期劃分為若干個(gè)順序 相連的階段，這些階段稱為步，并用編程元件來代表各步。步是根據(jù)輸出量的狀 態(tài)變化來劃分的，在任何一步之內(nèi)，各個(gè)輸出量的接通和斷開的狀態(tài)不變，但是 相鄰的兩步輸出量總的狀態(tài)是不同的。這樣的劃分方法使得代表各步的編程元件 的狀態(tài)和各輸出量的狀態(tài)之間有著極為簡單的邏輯關(guān)系。 （2） 步的劃分和步的轉(zhuǎn)換 根據(jù)系統(tǒng)的輸出量的狀態(tài)來劃分步，只要輸出量的狀態(tài)發(fā)生變化就在該處劃 出一步。系統(tǒng)不能總停留在一步之內(nèi)，從當(dāng)前步進(jìn)入下一步稱為步的轉(zhuǎn)換。使系 統(tǒng)由當(dāng)前步進(jìn)入下一步的信號(hào)稱為轉(zhuǎn)換條件，轉(zhuǎn)換條件可以是外部的輸入信號(hào)， 如按鈕、指令開關(guān)、限位開關(guān)的接通和斷開；也可以是 plc 內(nèi)部的信號(hào)，如定時(shí) 器、計(jì)數(shù)器常開觸點(diǎn)的接通等；轉(zhuǎn)換信號(hào)也可以是由若干個(gè)信號(hào)的與、或、非邏 輯組合。 二、二、順序功能圖順序功能圖 順序功能圖（sequential function chart，sfc）又叫做狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，它是描述控制系統(tǒng)的 控制過程、功能和特性的一種圖形，同時(shí)也是設(shè)計(jì) plc 順序控制程序的一種有力工具。 （1）順序功能圖的組成 步：步表示系統(tǒng)的某一工作狀態(tài)，用矩形方框表示。 初始步：與系統(tǒng)的初始狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的步稱為初始步，初始狀態(tài)一般是系統(tǒng)等待啟動(dòng) 命令的相對(duì)靜止的狀態(tài)。用雙線方框表示，每一個(gè)順序功能圖都有初始步。 步的動(dòng)作：可以將一個(gè)控制系統(tǒng)劃分為被控系統(tǒng)和施控系統(tǒng)。 有向鏈接：在順序功能圖中把每一步按照他們成為活動(dòng)步的先后順序用直線連接起 來。 轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換條件：轉(zhuǎn)換表示從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀