PLC在工業(yè)機械手中的應(yīng)用

1、畢 業(yè) 論 文課題 ：plc在工業(yè)機械手中的應(yīng)用 專 業(yè) 機電一體化 班級 學生姓名 學生學號 指導教師 提交日期 成績 答辯日期 答辯成績 答辯教師 總評成績 內(nèi)容摘要機械手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機構(gòu)，是機器人的關(guān)鍵部件之一。機械手的機械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、等機械器件組成；電氣方面有交流電機、變頻器、傳感器、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術(shù)，位置控制技術(shù)、檢測技術(shù)等，是機電一體化的典型代表儀器之一。本文介紹的機械手是由plc輸出三路脈沖，分別驅(qū)動橫軸、豎軸變頻器，控制機械手橫軸和豎軸的精確定位，微動開關(guān)將位置信號傳給plc主機；位置信號由接近開關(guān)反饋給plc主機，通過

2、交流電機的正反轉(zhuǎn)來控制機械手手爪的張合，從而實現(xiàn)機械手精確運動的功能。本課題擬開發(fā)的物料搬運機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關(guān)參數(shù)。近年來，德國西門子公司的s7系列plc在我國已經(jīng)廣泛使用，并在各行各業(yè)的生產(chǎn)過程的自動控制擔任著重要角色。本課題以s7-200系列的cpu22x為例，講述了小型可編程控制器的的構(gòu)成、原理、指令系統(tǒng)、應(yīng)用以及系統(tǒng)的設(shè)置、調(diào)試方法。關(guān)鍵字：plc機械手指令系統(tǒng)目 錄引言第一章 可編程控制器的簡介1.1可編程控制器的產(chǎn)生1.2 可編程控制器的定義與特點1.3 可編程控制器的主要性能

3、指標1.4 可編程控制器的分類1.5 可編程控制器的發(fā)展趨勢第二章 可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理2.1 可編程控制器的組成與基本結(jié)構(gòu)2.2 可編程控制器的工作原理2.3 可編程控制器的編程語言2.4 可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域第三章 機械手的簡介3.1 概述3.2 機械手的組成3.3 機械手的分類3.4 機械手的應(yīng)用第四章 機械手的控制方案與選擇4.1 控制要求4.2 機械手的控制系統(tǒng)設(shè)計方案的比較第五章 可編程控制器對機械手的控制5.1可編程控制器的選型5.2 可編程控制器的梯形圖5.3 指令程序5.4 i/o 接線圖5.5 相關(guān)電氣設(shè)備選擇和校驗5.6 材料清單設(shè)計總結(jié)參考文獻致謝引 言在現(xiàn)代

4、工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進一步發(fā)展,自動化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進行操作。工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。工業(yè)機械手是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在

5、我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。本課題擬開發(fā)物料搬運機械手，采用日本三菱公司的fx2n系列plc，對機械手的上下、左右以及抓取運動進行控制。該裝置機械部分有滾珠絲杠、滑軌、機械抓手等；電氣方面由交流電機、變頻器、操作臺等部件組成。我們利用可編程技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的硬件裝置，控制機械手完成各種動作。由于時間倉促和個人水平限制，我的設(shè)計存在著許多還沒來得及解決的問題，希望廣大老師、同學能夠給予批評指正并予以解決。第一章 可編程控制器的簡介1.1可編程控制器的產(chǎn)生1968年美國通用汽車公司（gm）招標要求:軟連接代替硬接線;維護方便;可靠性高于繼電器控制

6、柜;體積小于繼電器控制柜;成本低于繼電器控制柜;有數(shù)據(jù)通訊功能;輸入115v;可在惡劣環(huán)境下工作;擴展時，原系統(tǒng)變更要少;用戶程序存儲容量可擴展到4k 。核心思想：用程序代替硬接線，輸入/輸出電平可與外部裝置直接相聯(lián)，結(jié)構(gòu)易于擴展 ，這是plc的雛形。 1969年美國dec公司研制出世界上第一臺plc（pdp-14），并在gm公司汽車生產(chǎn)線上應(yīng)用成功 。1.2 可編程控制器的定義與特點一、可編程控制器的定義美國電氣協(xié)會制造商協(xié)會nema和國際電工委員會iec對可編程控制器分別作了定義：可編程控制器是一種專門用于工業(yè)環(huán)境的、以開關(guān)量邏輯控制為主的自動控制裝置。它具有存儲控制程序的存儲器，能夠按照

7、控制程序，將輸入的開關(guān)量（或模擬量）進行邏輯運算、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等處理后，以開關(guān)量（或模擬量）的形式輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。早期的可編程控制器，主要用于開關(guān)量邏輯控制，所以稱為可編程邏輯控制器，簡稱plc，后來隨著計算機計術(shù)不斷發(fā)展，其功能已不僅限于開關(guān)邏輯控制，所以被稱之為可編程控制器pc，但這很容易和個人計算機pc相混淆，因此，一般仍把plc作為可編程控制器的簡稱。二、可編程控制器的特點可編程控制器之所以能夠得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，主要是由于它具有以下特點：（1） 可靠性高，抗干擾能力強 用軟件實現(xiàn)大量的開關(guān)量邏輯運算，克服了因繼電器觸點接觸不良而造成的故障；輸入采用直流

8、低電壓，更加可靠、安全；面向工業(yè)環(huán)境設(shè)計，采取了濾波、屏蔽、隔離等抗干擾措施，適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境，遠遠地超過了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)和一般的計算機控制系統(tǒng)。(2) 編程簡單，易于掌握 plc采用梯形圖方式編寫程序，與繼電器控制邏輯的設(shè)計相似，具有直觀、簡單、容易掌握等優(yōu)點。（3） 功能完善，靈活方便 隨著plc技術(shù)的不斷發(fā)展，其功能更加完善，不僅具有開關(guān)量邏輯控制功能和步進、計算功能，而且還具有模擬量處理、溫度控制、位置控制、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。既可以單機使用、也可聯(lián)網(wǎng)運行，既可集中控制、也可分布控制或者集散控制。而且在運行過程中，可隨時修改控制邏輯，增減系統(tǒng)的功能。（4） 體積小、質(zhì)量輕、功耗

9、低 由于采用了單片機等集成芯片，體積小、質(zhì)量輕、機構(gòu)經(jīng)湊、功耗低。1.3 可編程控制器的主要性能指標可編程控制器的性能指標有很多，主要有以下幾項指標。（1）輸入/輸出點數(shù)(i/o) i/o點數(shù)是指可編程控制器外部輸入、輸出端子數(shù)的總和。它標志著可以接多少個開關(guān)按鈕和可以控制多少個負載。（2）存儲容量 存儲容量是指可編程控制器內(nèi)部用于存放用戶程序的存儲容量。（3）掃描速度 一般以執(zhí)行1000步指令所需的時間來衡量，單位為ms/千步，也有以執(zhí)行一步指令所需來計算，單位us/步。（4）功能擴展能力 可編程控制器除了主模板塊之外，通常都可配備一些可擴展模塊，以適應(yīng)各種特殊功能應(yīng)用的需要。如a/d模塊、

10、d/a模塊、位置控制模塊等。（5）指令系統(tǒng) 指令系統(tǒng)是指一臺可編程控制器指令的總和，它是衡量可編程控制器功能強弱的主要指標。1.4 可編程控制器的分類目前plc的種類非常多，型號和規(guī)格也不統(tǒng)一，了解plc的分類有助于plc的選型和應(yīng)用。一、 按控制規(guī)模分類 為了適應(yīng)不同工業(yè)生產(chǎn)過程的應(yīng)用要求，可編程序控制器能夠處理的輸入/輸出信號數(shù)是不一樣的。一般將一路信號叫做一個點，將輸入點數(shù)和輸出點數(shù)的總和稱為機器的點數(shù)，簡稱i/o點數(shù)。一般講，點數(shù)多的plc，功能也越強。按控制規(guī)模的大小，可將plc分為超小(微)、小、中、大四種類型。 （1）超小型機：i/o點數(shù)為64點以內(nèi)，內(nèi)存容量為2561000字節(jié)

11、；（2）小型機：i/o點數(shù)為64256，內(nèi)存容量為13.6k字節(jié)；小型及超小型plc主要用于小型設(shè)備的開關(guān)量控制，具有邏輯運算、定時、計數(shù)、順序控制、通信等功能。（3）中型機：中型plc的開關(guān)量i/o點數(shù)通常在2562048點之間，用戶程序存儲器的容量為28kb，除具有小型機的功能外，還具有較強的模擬量i/o、數(shù)字計算、過程參數(shù)調(diào)節(jié)，如比例、積分、微分（pid）調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)傳送與比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、中斷控制、遠程i/o及通信聯(lián)網(wǎng)功能。（4）大型機：大型plc也稱為高檔plc，i/o點數(shù)在2048點以上，用戶程序存儲容量在8k以上，其中i/o點數(shù)大于8192點的又稱為超大型plc，除具有中型機的功能外

12、，還具有較強的數(shù)據(jù)處理、模擬調(diào)節(jié)、特殊功能函數(shù)運算、監(jiān)視、記錄、打印等功能，以及強大的通信聯(lián)網(wǎng)、中斷控制、智能控制和遠程控制等功能。二、按結(jié)構(gòu)形式分類 通常從plc硬件結(jié)構(gòu)形式上分整體式結(jié)構(gòu)和模塊式結(jié)構(gòu)。（1) 整體式結(jié)構(gòu)一般的小型及超小型plc多為整體式結(jié)構(gòu)，這種可編程序控制器是把cpu、ram、rom、i/o接口及與編程器或eprom寫入器相連的接口、輸入/輸出端子、電源、指示燈等都裝配在一起的整體裝置。它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，成本低，安裝方便，缺點是主機的i/o點數(shù)固定，使用不靈活。西門子公司的s7-200系列plc為整體式結(jié)構(gòu)。（2) 模塊式結(jié)構(gòu)機器上有一塊帶有插槽的母板，實質(zhì)上就

13、是計算機總線。把這些模塊按控制系統(tǒng)需要選取后，都插到母板上，就構(gòu)成了一個完整的plc。這種結(jié)構(gòu)的plc的特點是系統(tǒng)構(gòu)成非常靈活，安裝、擴展、維修都很方便，缺點是體積比較大。常見產(chǎn)品有omron公司的c200h、c1000h、c2000h，西門子公司的s5-115u、s7-300、s7-400系列等。 三、按生產(chǎn)廠家分類plc的生產(chǎn)產(chǎn)家很多，國內(nèi)國外都有，其點數(shù)、容量、功能各有差異，但都自成系列，比較有影響的廠家有： 日本立石（omron）公司的c系列可編程序控制器；日本三菱（mitsubishi）公司的f、f1、f2、fx2系列可編程序控制器；日本松下（panasonic）電工公司的fp1系列

14、可編程序控制器；美國通用電氣（ge）公司的ge系列可編程序控制器；德國西門子（siemens）公司的s5、s7系列可編程序控制器。1.5 可編程序控制器的發(fā)展趨勢 隨著plc技術(shù)的推廣、應(yīng)用，plc將向兩個方面發(fā)展：一方面向著大型化的方向發(fā)展，另一方面則向著小型化的方向發(fā)展。plc向大型化方向發(fā)展，主要表現(xiàn)在大中型plc高功能、大容量、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，使之能與計算機組成集成控制系統(tǒng)，對大規(guī)模、復雜系統(tǒng)進行綜合的自動控制。plc向小型化方向發(fā)展，主要表現(xiàn)在下列幾個方面：為了減小體積、降低成本，向高性能的整體型發(fā)展；在提高系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，產(chǎn)品的體積越來越小，功能越來越強；應(yīng)用的專業(yè)性，使得

15、控制質(zhì)量大大提高。另外，plc在軟件方面也將有較大的發(fā)展。系統(tǒng)的開放使第三方的軟件能方便地在符合開放系統(tǒng)標準的plc上得到移植。除了采用標準化的硬件外，采用標準化的軟件也能大大縮短系統(tǒng)開發(fā)周期；同時，標準化的軟件由于經(jīng)受了實際應(yīng)用的考驗，它的可靠性也明顯提高?？傊?，plc總的發(fā)展趨勢是：高功能、高速度、高集成度、容量大、體積小、成本低、通信聯(lián)網(wǎng)功能強。第二章 可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理2.1 可編程控制器的組成與基本結(jié)構(gòu)plc是微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，從廣義上講，plc也是一種計算機系統(tǒng)，只不過它比一般計算機具有更強的與工業(yè)過程相連接的輸入/輸出接口，具有更適用于控制要求的

16、編程語言，具有更適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境的抗干擾性能。因此，plc是一種工業(yè)控制用的專用計算機，它的實際組成與一般微型計算機系統(tǒng)基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。 一、可編程序控制器的硬件系統(tǒng)plc的硬件系統(tǒng)由主機系統(tǒng)、輸入/輸出擴展環(huán)節(jié)及外部設(shè)備組成。 1. 主機系統(tǒng) 圖2.1 plc結(jié)構(gòu)示意圖(1) 微處理器單元(central processing unit，cpu)。cpu是plc的核心部分，起神經(jīng)中樞的作用，它包括微處理器和控制接口電路。微處理器是plc的運算控制中心，plc中的cpu是plc的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺plc至少有一個cpu，它按plc的系統(tǒng)程序賦予的功能接收

17、并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和plc內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路，與通用計算機一樣，主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，還有外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。它確定了進行控制的規(guī)模、工作速度、內(nèi)存容量等。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是plc不可缺少的組成單元。cpu的控制器控制cpu工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。 cpu的運

18、算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。 cpu的寄存器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。(2) 存儲器。存儲器是plc存放系統(tǒng)程序、用戶程序和運行數(shù)據(jù)的單元。它包括只讀存儲器(rom)和隨機存取存儲器(ram)。只讀存儲器(rom)在使用過程中只能取出不能存儲，而隨機存取存儲器(ram)在使用過程中能隨時取出和存儲。(3) 輸入/輸出模塊單元。plc的對外功能主要是通過各類接口模塊的外接線，實現(xiàn)對工業(yè)設(shè)備和生產(chǎn)過程的檢測與控制。通過各種輸入/輸出接口模塊，plc既可檢測到所需的過程信息，又可將處理結(jié)果傳送給外部過程，驅(qū)動各種執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的控制。通

19、過輸入模塊單元，plc能夠得到生產(chǎn)過程的各種參數(shù)；通過輸出模塊單元，plc能夠把運算處理的結(jié)果送至工業(yè)過程現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)控制。為適應(yīng)工業(yè)過程現(xiàn)場對不同輸入/輸出信號的匹配要求，plc配置了各種類型的輸入/輸出模塊單元。(4) i/o擴展接口。i/o擴展接口是plc主機為了擴展輸入/輸出點數(shù)和類型的部件，輸入/輸出擴展單元、遠程輸入/輸出擴展單元、智能輸入/輸出單元等都通過它與主機相連。i/o擴展接口有并行接口、串行接口等多種形式。(5) 外設(shè)i/o接口。外設(shè)i/o接口是plc主機實現(xiàn)人機對話、機機對話的通道。通過它，plc可以和編程器、彩色圖形顯示器、打印機等外部設(shè)備相連，也可以與其他pl

20、c或上位計算機連接。外設(shè)i/o接口一般是rs232c或rs422a串行通信接口，該接口的功能是進行串行/并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，通信格式的識別，數(shù)據(jù)傳輸?shù)某鲥e檢驗，信號電平的轉(zhuǎn)換等。對于一些小型plc，外設(shè)i/o接口中還有與專用編程器連接的并行數(shù)據(jù)接口。(6) 電源。有些plc中的電源，是與cpu模塊合二為一的，有些是分開的，其主要用途是為plc各模塊的集成電路提供工作電源。它的作用是把外部供應(yīng)的電源變換成系統(tǒng)內(nèi)部各單元所需的電源，有的電源單元還向外提供直流電源，給與開關(guān)量輸入單元連接的現(xiàn)場電源開關(guān)使用。電源單元還包括掉電保護電路和后備電池電源，以保持ram在外部電源斷電后存儲的內(nèi)容不丟失。plc的電

21、源一般采用開關(guān)電源，其特點是輸入電壓范圍寬，體積小，質(zhì)量輕，效率高，抗干擾性能好。 2. 輸入/輸出擴展環(huán)節(jié) 輸入/輸出擴展環(huán)節(jié)是plc輸入輸出單元的擴展部件，當用戶所需的輸入/輸出點數(shù)或類型超出主機的輸入/輸出單元所允許的點數(shù)或類型時，可以通過加接輸入/輸出擴展環(huán)節(jié)來解決。輸入/輸出擴展環(huán)節(jié)與主機的輸入/輸出擴展接口相連，有兩種類型：簡單型和智能型。簡單型的輸入/輸出擴展環(huán)節(jié)本身不帶中央處理單元，對外部現(xiàn)場信號的輸入/輸出處理過程完全由主機的中央處理單元管理，依賴于主機的程序掃描過程。通常，它通過并行接口與主機通信，并安裝在主機旁邊，在小型plc的輸入/輸出擴展時常被采用。智能型的輸入/輸出

22、擴展環(huán)節(jié)本身帶有中央處理單元，它對生產(chǎn)過程現(xiàn)場信號的輸入/輸出處理由本身所帶的中央處理單元管理，而不依賴于主機的程序掃描過程。通常，它采用串行通信接口與主機通信，可以遠離主機安裝，多用于大中型plc的輸入/輸出擴展。3. 外部設(shè)備外部設(shè)備是plc系統(tǒng)不可分割的一部分，它有四大類(1) 編程設(shè)備：它是編制、調(diào)試plc用戶程序的外部設(shè)備，是人機交互的窗口。通過編程器可以把新的用戶程序輸入到plc的ram中，或者對ram中已有程序進行編輯。通過編程器還可以對plc的工作狀態(tài)進行監(jiān)視和跟蹤，這對調(diào)試和試運行用戶程序是非常有用的。除了上述專用的編程器外，還可以利用微機(如ibm-pc)，配上plc生產(chǎn)廠

23、家提供的相應(yīng)的軟件包來作為編程器，這種編程方式已成為plc發(fā)展的趨勢。現(xiàn)在，有些plc不再提供編程器，而只提供微機編程軟件，并且配有相應(yīng)的通信連接電纜。(2) 監(jiān)控設(shè)備：有數(shù)據(jù)監(jiān)視器和圖形監(jiān)視器。直接監(jiān)視數(shù)據(jù)或通過畫面監(jiān)視數(shù)據(jù)。(3) 存儲設(shè)備：有存儲卡、存儲磁帶、軟磁盤或只讀存儲器，用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，使用戶程序不丟失，如eprom、eeprom寫入器等。(4)輸入輸出設(shè)備：用于接收信號或輸出信號，一般有條碼讀人器，輸入模擬量的電位器，打印機等。二、可編程序控制器的軟件系統(tǒng)plc除了硬件系統(tǒng)外，還需要軟件系統(tǒng)的支持，它們相輔相成，缺一不可，共同構(gòu)成plc。plc的軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序(又

24、稱系統(tǒng)軟件)和用戶程序(又稱應(yīng)用軟件)兩大部分組成。1. 系統(tǒng)程序 系統(tǒng)程序由plc的制造企業(yè)編制，固化在prom或eprom中，安裝在plc上，隨產(chǎn)品提供給用戶。系統(tǒng)程序包括系統(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 用戶程序是根據(jù)生產(chǎn)過程控制的要求由用戶使用制造企業(yè)提供的編程語言自行編制的應(yīng)用程序。用戶程序包括開關(guān)量邏輯控制程序、模擬量運算程序、閉環(huán)控制程序和操作站系統(tǒng)應(yīng)用程序等。2.2 可編程控制器的工作原理可編程控制器在進入run狀態(tài)之后，采用循環(huán)掃描方式工作。從第一條指令開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按程序存儲的地址號遞增的循序逐條執(zhí)行程序，即按循

25、序逐條執(zhí)行程序直到程序結(jié)束。然后再從頭開始掃描，并周而復始地重復進行。第(n-1)個掃描周期輸出刷新第(n+1)個掃描周期輸入采樣第n個掃描周期輸入采樣輸出刷新用戶程序執(zhí)行可編程控制器工作的掃描過程包括五個階段：內(nèi)部處理、通信處理、輸入掃描、程序執(zhí)行、輸出處理。plc完成一次掃描過程所需的時間成為掃描周期。掃描周期的長短與用戶程序的長度和掃描速度有關(guān)。2.3 可編程控制器的編程語言plc的編程語言有梯形圖語言、助記符語言、順序功能圖語言等。其中前兩種語言用的較多，流程圖語言也在許多場合被采用。一、梯形圖語言1梯形圖從上至下編寫，每一行從左至右順序編寫。plc程序執(zhí)行順序與梯形圖的編寫順序一致。

26、2圖左、右邊垂直線稱為起始母線、終止母線。每一邏輯行必須從起始母線開始畫起，終止母線可以省略。3梯形圖中的觸點有兩種，即動合觸點和動斷觸點。4梯形圖的最右端必須連接輸出元素。5梯形圖中的觸點可以任意串、并聯(lián)，而輸出線圈只能并聯(lián)，不能串聯(lián)。二、助記符語言助記符語言是plc命令的語言表達式。用梯形圖編程雖然直觀、簡便，但要求plc配置較大的顯示器放可輸入圖形符號，這在有些小型機上常難以滿足，所以助記符語言也是一種較常用的一種編程方式。不同型號的plc，其助記符語言也不同，但其基本原理是相近的。編程時，一般先跟據(jù)要求編制梯形圖語言，然后再根據(jù)梯形圖轉(zhuǎn)換成助記符語言。三、 順序功能圖語言順序功能圖sf

27、c是一種描述順序控制系統(tǒng)功能的圖解表示法，主要由“步”、“轉(zhuǎn)移”及“有限線段”等元素組成，它將一個完整的控制工程分為若干個階段(狀態(tài))，各階段具有不同的動作，階段間有一定的轉(zhuǎn)換條件，條件滿足就實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移，上一狀態(tài)動作結(jié)束，下一動作開始。2.4 可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域目前，plc在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。 一、開關(guān)量的邏輯控制 這是plc最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、

28、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。 二、模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（analog）和數(shù)字量（digital）之間的a/d轉(zhuǎn)換及d/a轉(zhuǎn)換。plc廠家都生產(chǎn)配套的a/d和d/a轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 三、運動控制 plc可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量i/o模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要plc廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動

29、控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。 四、過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，plc能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。pid調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型plc都有pid模塊，目前許多小型plc也具有此功能模塊。pid處理一般是運行專用的pid子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。 五、數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代plc具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，

30、完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 六、通信及聯(lián)網(wǎng) plc通信含plc間的通信及plc與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各plc廠商都十分重視plc的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的plc都具有通信接口，通信非常方便。第三章 機械手的簡介3.1 概述機械手首先是由美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出了第一臺機械手。機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬

31、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(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。3.2 機械手的組成機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。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)

32、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。3.3 機械手的分類一、按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；二、按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；三、按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。3.4 機械手的應(yīng)用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。另外，機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用不僅能進一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，而且還

33、能改善熱、累等勞動條件。第四章 機械手的控制方案與選擇4.1 控制要求如下圖所示為某生產(chǎn)車間中自動化搬運機械手，用于將左工作臺上的工件搬運到右工作臺上。機械手的全部動作由液壓驅(qū)動。液壓泵由電磁閥控制，其上升/下降、左移/右移運動由雙線圈兩位電磁閥控制，即上升電磁閥得電時機械手上升，下降電磁閥得電時機械手下降。夾緊/放松運動由單線圈兩位電磁閥控制，線圈得電時機械手夾緊，斷電時機械手放松。圖4.1 機械手的動作示意圖為便于控制系統(tǒng)調(diào)試和維護，本控制系統(tǒng)應(yīng)有手動功能和顯示功能。當手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“手動”位置時，按下相應(yīng)的手動按鈕，就可實現(xiàn)上升、下降、左移、右移、夾緊、放松的手動控制。當機械手處

34、于原位時，將手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“自動”位置時，進入自動工作狀態(tài)，手動按鈕無效。4.2 機械手的控制系統(tǒng)設(shè)計方案的比較在工業(yè)自動化生產(chǎn)中常用的控制系統(tǒng)有：傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)、plc控制系統(tǒng)和微機控制系統(tǒng)這三種。但從使用性、經(jīng)濟性、可靠性出發(fā)，本設(shè)計選用了plc。因為從上述該機械手所需完成的控制動作分析來看，本機械手是用于各種傳感器在復雜的條件下工件的傳輸，主要動作是上升、下降、左移、右移、夾緊、放松和工序延時控制等，控制動作基本上是以簡單的順序邏輯動作為主。是屬典型的繼電邏輯順序動作控制系統(tǒng)，這是plc最擅長的功能，而且plc具有體積小、重量輕、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、易于

35、維護等特點，特別是替代繼電器控制系統(tǒng)，這更是它的優(yōu)勢。第五章 可編程控制器對機械手的控制5.1可編程控制器的選型一、i/o總點數(shù)的確定由i/o分配表知，輸入共18個點,輸出共6個點,i/o實際需24點。為留有今后工藝改進與功能擴充余地，在實際統(tǒng)計i/o點數(shù)基礎(chǔ)上，一般加10-20余量，再考慮plc產(chǎn)品本身規(guī)格，可取plc的i/o總點數(shù)為48點。二、i/o點信號性質(zhì)分析從機械手控制信號分析可知,機械手輸入是位置開關(guān)信號,上/下限位開關(guān)、左/右限位開關(guān)等它們都是開關(guān)量,而輸出主要是5個電磁閥線圈,以控制機械手的左移、右移、上移、下移、夾緊、放松的氣路的通斷。三、用戶存儲器容量的估算(1) i/o口

36、總點數(shù)為48點且均為開關(guān)量，以每個i/o點需1o個字節(jié)估算則所需存儲器字節(jié)數(shù)為：48*10=480b(2) 定時器有兩個:一個夾緊延時、一個放松延時，以每個定時器需2個字節(jié)估算則所需存儲器字節(jié)數(shù)為：定時器/計數(shù)器數(shù)量*2=2*2=4b共需存儲器字節(jié)數(shù)為：480+4=484b經(jīng)技術(shù)與經(jīng)濟成本方面因素綜合考慮，本設(shè)計選取日本三菱公司fx2n-48mr型plc產(chǎn)品。fx2n-48mr型產(chǎn)品主要技術(shù)指標如下：表5.1 fx2n-48mr型產(chǎn)品主要技術(shù)指標表最大i/o 48點定時/計數(shù)器 256個基本功能指令22條, 步進指令2條繼電器輸出最大負載 80va/24v執(zhí)行速度（us/步） 0.8us輸入輸

37、出響應(yīng)時間 10ms程序容量（步） 2kb輸入光電隔離數(shù)據(jù)寄存器 通用： 200點 鎖存用： 7800點 輸出繼電器接點隔離由上表可見，fx2n-48mr型plc產(chǎn)品能滿足設(shè)計要求。5.2 可編程控制器的梯形圖一、程序的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計本機械手系統(tǒng)的程序是采用基本指令、初始狀態(tài)指令和步進指令相配合的方法進行編寫的。程序可分四大塊，分別是初始化程序、手動程序、回原位程序和自動程序。二、初始化程序如圖5.2.2所示，為初始化程序。他保證了機械手必須在原位才能進入自動工作方式。圖5.2.2 初始化程序三、手動程序手動程序如圖5.2.3所示。x10x15對應(yīng)機械手的上下左右移動和夾緊的的按鈕。按下不同的按

38、鈕，機械手執(zhí)行相應(yīng)的動作。在左、右移動的程序中串聯(lián)上限位置開關(guān)的動合觸點是為了避免機械手在較低位置移動時碰撞到其他工件。為保證系統(tǒng)安全運行，程序之間還進行了必要的連鎖。圖5.2.3 手動程序四、回原位程序如圖5.2.4所示為回原位程序，在系統(tǒng)處于回原位工作狀態(tài)時，只需按下回原位按鈕機械手即可自動回到原位。圖中除初始狀態(tài)繼電器外，其他狀態(tài)繼電器應(yīng)使用回零狀態(tài)繼電器s10s19 。圖5.2.4 回原位程序五自動程序自動程序如圖5.2.5所示，其中m8041和m8044都是在初始化程序中設(shè)定的，在程序運行中不再更改。圖5.2.55.3 指令程序0 ld x2127 and x1753 stl s12

39、83 ld x181 ani x1728 ani x2154 set m804384 set s242 ani y429 ani y256 rst s1286 stl s243 out m804430 out y358 stl s287 out y05 ld m800031 ld x1259 ld m804188 ld x216 fnc 6032 and x1760 and m804489 set s25 x033 ani x2061 set s2091 stl s25 s2034 ani y363 stl s2092 rst y4s2735 out y264 out y093 out t11

40、3 stl s036 stl s165 ld x16 k1714 ld x1537 ld x566 set s2196 ld t115 rst y438 set s1068 stl s2197 set s2616 ld x1440 stl s1069 set y499 stl s2617 set y441 rst y470 out t0100 out y118 ld x1142 rst y0 k17101 ld x1719 ani x1743 out y173 ld t0102 set s2720 ani y044 ld x1774 set s22104 stl s2721 out y145

41、set s1176 stl s22105 out y322 ld x1047 stl s1177 out y1106 ld x2123 ani x1648 rst y178 ld x1107 out s224 ani y149 out y379 set s23109 ret25 out y050 ld x2181 stl s23110 end26 ld x1351 set s1282 out y25.4 i/o 接線圖機械手控制系統(tǒng)采用的plc型號或規(guī)格是fx2n-48mr，表4-4是輸入點及輸出點的分配表。表5-4 plc輸入點及輸出點的分配表輸 入 信 號名 稱代 號輸入點編號手動擋sax

42、0回原位檔sax1單步檔sax2單周期檔sax3連續(xù)檔sax4回原位按鈕sb9x5啟動按鈕sb1x6停止按鈕sb2x7下降按鈕sb3x10上升按鈕sb4x11右行按鈕sb5x12左行按鈕sb6x13夾緊按鈕sb7x14松開按鈕sb8x15下限位開關(guān)sq1x16上限位開關(guān)sq2x17右限位開關(guān)sq3x20左限位開關(guān)sq4x21輸 出 信 號名 稱代 號輸入點編號下降電磁閥線圈yv1y0上升電磁閥線圈yv2y1右行電磁閥線圈yv3y2左行電磁閥線圈yv4y3松緊電磁閥線圈yv5y4圖5.4 機械手控制系統(tǒng)plc的i/o接線圖5.5 相關(guān)電氣設(shè)備選擇和校驗一、系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試分模擬調(diào)試和聯(lián)機調(diào)試硬件

43、部分的模擬調(diào)試可在斷開主電路的情況下，主要試一試手動控制部分的可靠性。軟件部分的模擬調(diào)試可借助于模擬開關(guān)和plc輸出端的指示燈進行。需要模擬量信號i/o時，可用電位器和萬用表進行。調(diào)試時，可利用上述外部設(shè)備模擬各種現(xiàn)場開關(guān)和傳感器的狀態(tài)，然后觀察plc的輸出邏輯是否正確。如果有錯誤則修改程序后反復調(diào)試。現(xiàn)在plc的主流產(chǎn)品都可在pc上編程，并可在pc上進行模擬調(diào)試。連機調(diào)試時，可把編制好的程序下載到現(xiàn)場的plc中。有時plc也許只有一臺，這時就要把plc安裝到控制柜相應(yīng)的位置上。調(diào)試時一定要先將主電路斷開，只對控制電路進行連機調(diào)試。通過現(xiàn)場連機調(diào)試信號的接入常常會發(fā)現(xiàn)軟硬件中的問題，有時廠家對某些控制功能進行改造，反復調(diào)試后，控制系統(tǒng)才能交付使用。二、程序的運行與調(diào)試1將梯形圖程序輸入計算機。2對程序進行試運行。（1）將轉(zhuǎn)換開關(guān)sa旋至“手動”檔，按相應(yīng)的動作按鈕，觀察機械手動作情況。（2）將轉(zhuǎn)換開關(guān)sa旋至“回原位”檔，按回原位按鈕，觀察機械手是否回原位。（3）將轉(zhuǎn)換開關(guān)sa旋至“單步”檔，每按一次啟動按鈕，觀察機械手是否向前執(zhí)行下一個動作。（4）將轉(zhuǎn)換開關(guān)sa旋至“單周期”檔，每按一次啟動按鈕，觀察機械手是否運行一個周期就停下來。（5）將轉(zhuǎn)換開關(guān)sa旋至“連續(xù)”檔，