PLC控制機(jī)械手設(shè)計機(jī)械臂的PLC控制

1、課程設(shè)計題 目 名 稱 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計 課 程 名 稱 機(jī)械臂的plc控制 目 錄 目錄 4 前言 5 1、plc簡介 61.1 plc發(fā)展 61.2 plc基本結(jié)構(gòu) 81.3 plc工作原理 12 2、氣動機(jī)械臂的plc控制 152.1 控制特點(diǎn) 152.2 系統(tǒng)控制示意圖 162.3 輸入和輸出點(diǎn)分配表及原理接線圖 162.4 操作系統(tǒng) 172.5 回原位程序 182.6手動單步操作程序 192.7自動操作程序 202.8機(jī)械臂傳送系統(tǒng)梯形圖 202.9指令語句表 22 8、設(shè)計小結(jié) 23參考文獻(xiàn) 24前 言可編程序控制器（programmable logic controll

2、er），簡稱plc，是在繼電順序控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的以微處理器為核心的通用的工業(yè)自動化控制裝置。隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，plc的功能也越來越強(qiáng)大，更多地具有計算機(jī)的功能，所以又簡稱pc（programmable controller），但是為了不和personal computer混淆，仍習(xí)慣稱為plc。目前plc已經(jīng)在智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面取得了很好的發(fā)展，并且現(xiàn)今已出現(xiàn)softplc，更是plc領(lǐng)域無限的發(fā)展前景。本文主要通過氣動機(jī)械臂的plc控制來介紹plc的具體應(yīng)用，讓我們更熟悉plc，為今后學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。1 plc簡介可編程控制器（簡稱plc）：是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，

3、專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。1.1 plc發(fā)展歷史20世紀(jì)60年代末期，美國汽車制造工業(yè)競爭激烈，為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，在1968年美國通用汽車公司（gm）首先公開招標(biāo)，對控制系統(tǒng)提出的具體要求基本為：a。 它的繼電控制系統(tǒng)設(shè)計周期短，更改容易，接線簡單成本低。b。它能把計算機(jī)的功能和繼電器控制系統(tǒng)結(jié)合起來。但編程要比計算機(jī)簡單易學(xué)、操作方便。c。系統(tǒng)通用性強(qiáng)。1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（dec）根據(jù)上述要求，研制出世界

4、上第一臺plc，并在gm公司汽車生產(chǎn)線上首次試用成功，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的自動化。其后日本、德國等相繼引入，可編程序控制器迅速發(fā)展起來，但是主要應(yīng)用于順序控制，只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱plc。其定義：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)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計。1.2 基本結(jié)構(gòu)plc可編程序控制器實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)就是按

5、一定算法進(jìn)行輸入輸出變換，并將這個變換與以物理實(shí)現(xiàn)。輸入輸出變換、物理實(shí)現(xiàn)可以說是plc實(shí)施控制的兩個基本點(diǎn)，同時物理實(shí)現(xiàn)也是plc與普通微機(jī)相區(qū)別之處，其需要考慮實(shí)際控制的需要，應(yīng)能排除干擾信號適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場，輸出應(yīng)放大到工業(yè)控制的水平，能為實(shí)際控制系統(tǒng)方便使用，所以plc采用了典型的計算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是由微處理器（cpu）、存儲器（ram/rom）、輸入輸出接口（i/o）電路、通信接口及電源組成。plc的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示： 1.2.1中央處理單元(cpu)  中央處理單元 (cpu)是plc的控制核心。它按照plc系統(tǒng)程序賦予的功能：a. 接收并存儲從用戶程序和數(shù)據(jù)；b

6、.檢查電源、存儲器、i/o以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng)plc投入運(yùn)行時，首先它以掃描的方式采集現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入i/o映象寄存區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算并將結(jié)果送入i/o映象寄存區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將i/o映象寄存區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)直到停止運(yùn)行。 為了進(jìn)一步提高plc的可靠性，近年來對大型plc還采用雙cpu構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三cpu的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個cpu出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。 1.2.

7、2存儲器 可編程序控制器的存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。存放系統(tǒng)軟件（包括監(jiān)控程序、模塊化應(yīng)用功能子程序、命令解釋程序、故障診斷程序及其各種管理程序）的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器；存放用戶程序（用戶程序存和數(shù)據(jù)）的存儲器稱為用戶程序存儲器，所以又分為用戶存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩部分。 plc常用的存儲器類型 ：（1）ram （random assess memory） 這是一種讀/寫存儲器(隨機(jī)存儲器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。（2）eprom（erasable programmable read only memory）這是一種可擦除的只讀存儲器。在斷電情況下，存儲器內(nèi)的所有內(nèi)容

8、保持不變。(在紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲器內(nèi)容)。（3）eeprom(electrical erasable programmable read only memory)這是一種電可擦除的只讀存儲器。使用編程器就能很容易地對其所存儲的內(nèi)容進(jìn)行修改。 plc存儲空間的分配 ： 雖然各種 plc的cpu的最大尋址空間各不相同，但是根據(jù)plc的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域： （1）系統(tǒng)程序存儲區(qū)（2）系統(tǒng)ram存儲區(qū)（包括i/o映象寄存區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）。（3）用戶程序存儲區(qū) 系統(tǒng)程序存儲區(qū)：在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當(dāng)于計算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解

9、釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化在 eprom中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該plc的性能。 系統(tǒng)ram存儲區(qū)：系統(tǒng)ram存儲區(qū)包括i/o映象寄存區(qū)以及各類軟元件，如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計時器、計數(shù)器、變址寄存器、累加器等存儲器。 （1）i/o映象寄存區(qū)：由于plc投入運(yùn)行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此，它需要一定數(shù)量的存儲單元(ram)以存放i/o的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作i/o映象寄存區(qū)。一個開關(guān)量i/o占用存儲單元中的一個位，一個模擬量i/o占用存儲單元中的一個字。因此整個i/

10、o映象寄存區(qū)可看作兩個部分組成：開關(guān)量i/o映象寄存區(qū)；模擬量i/o映象寄存區(qū)。 （2）系統(tǒng)軟元件存儲區(qū) ：除了i/o映象寄存區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng)ram存儲區(qū)還包括plc內(nèi)部各類軟元件（邏輯線圈、計時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等）的存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和失電不保持的存儲區(qū)域，前者在plc斷電時，由內(nèi)部的鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會丟失；后者當(dāng)plc斷電時，數(shù)據(jù)被清零。 （3）用戶程序存儲區(qū) ： 用戶程序存儲區(qū)存放用戶編制的用戶程序。不同類型的 plc，其存儲容量各不相同。 1.2.3 輸入接口電路 輸入輸出信號有開關(guān)量、模擬量、數(shù)字量三種，在我們實(shí)習(xí)室涉及到的信號當(dāng)中，開關(guān)量最普

11、遍，也是實(shí)驗(yàn)條件所限，在次我們主要介紹開關(guān)量接口電路?？删幊绦蚩刂破鲀?yōu)點(diǎn)之一是抗干擾能力強(qiáng)。這也是其i/o設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)之處，經(jīng)過了電氣隔離后，信號才送入cpu執(zhí)行的,防止現(xiàn)場的強(qiáng)電干擾進(jìn)入。如下圖就是采用光電耦合器(一般采用反光二極管和光電三極管組成)的開關(guān)量輸入接口電路：1.2.4 輸出接口電路可編程序控制器的輸出有：繼電器輸出(m)、晶體管輸出(t)、晶閘管輸出(ssr)三種輸出形式。(1) 輸出接口電路的隔離方式 (2) 輸出接口電路的主要技術(shù)參數(shù)a.響應(yīng)時間 響應(yīng)時間是指plc從on狀態(tài)轉(zhuǎn)變成off狀態(tài)或從off狀態(tài)轉(zhuǎn)變成on狀態(tài)所需要的時間。繼電器輸出型響應(yīng)時間平均約為10ms；晶閘管

12、輸出型響應(yīng)時間為1ms以下；晶體管輸出型在0.2ms以下為最快。b.輸出電流 繼電器輸出型具有較大的輸出電流，ac250v以下的電路電壓可驅(qū)動純電阻負(fù)載2a/1點(diǎn)、感性負(fù)載80va以下（ac100v或ac200v）及燈負(fù)載100w以下（ac100v 或200v）的負(fù)載；y0、y1以外每輸出1點(diǎn)的輸出電流是0.5a，但是由于溫度上升的原因，每輸出4合計為0.8a的電流，輸出晶體管的on電壓約為1.5v，因此驅(qū)動半導(dǎo)體元件時，請注意元件的輸入電壓特性。y0、y1每輸出1點(diǎn)的輸出電流是0.3a，但是對y0、y1使用定位指令時需要高速響應(yīng)，因此使用10100ma的輸出電流；晶閘管輸出電流也比較小，fx

13、1s無晶閘管輸出型。c.開路漏電流 開路漏電流是指輸出處于off狀態(tài)時，輸出回路中的電流。繼電器輸出型輸出接點(diǎn)off是無漏電流；晶體管輸出型漏電流在0.1ma以下；晶閘管較大漏電流，主要由內(nèi)部rc電路引起，需在設(shè)計系統(tǒng)時注意。輸出公共端（com） 公共端與輸出各組之間形成回路，從而驅(qū)動負(fù)載。fx1s有1點(diǎn)或4點(diǎn)一個公共端輸出型，因此各公共端單元可以驅(qū)動不同電源電壓系統(tǒng)的負(fù)載。1.2.5電源 plc的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可靠得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此plc的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措

14、施而將plc直接連接到交流電網(wǎng)上去。如fx1s額定電壓ac100v240v，而電壓允許范圍在ac85v264v之間。允許瞬時停電在10ms以下，能繼續(xù)工作。一般小型plc的電源輸出分為兩部分：一部分供plc內(nèi)部電路工作；一部分向外提供給現(xiàn)場傳感器等的工作電源。因此plc對電源的基本要求：能有效地控制、消除電網(wǎng)電源帶來的各種干擾；電源發(fā)生故障不會導(dǎo)致其它部分產(chǎn)生故障；允許較寬的電壓范圍；電源本身的功耗低，發(fā)熱量小；內(nèi)部電源與外部電源完全隔離；有較強(qiáng)的自保護(hù)功能。 1.3 plc的工作原理由于plc以微處理器為核心，故具有微機(jī)的許多特點(diǎn)，但它的工作方式卻與微機(jī)有很大不同。微機(jī)一般采用等待命令的工作

15、方式，如常見的鍵盤掃描方式或i/o掃描方，若有鍵按下或有i/o變化，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，若無則繼續(xù)掃描等待。plc則是采用循環(huán)掃描的工作方式。對每個程序，cpu從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。掃描周期的長短主要取決于以下幾個因素：一是cpu執(zhí)行指令的速度；二是執(zhí)行每條指令占用的時間；三是程序中指令條數(shù)的多少。一個掃描周期主要可分為3個階段。1.3.1輸入刷新階段在輸入刷新階段，cpu掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完

16、成輸入端刷新工作后，將關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間即使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。1.3.2程序執(zhí)行階段在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。當(dāng)最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入輸入刷新階段。1.3.3 輸出刷新階段當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路（輸出映像寄存器），并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成plc的實(shí)際輸出。由此可見，輸入刷新、程序執(zhí)行和輸出

17、刷新三個階段構(gòu)成plc一個工作周期，由此循環(huán)往復(fù)，因此稱為循環(huán)掃描工作方式。由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進(jìn)行的，所以亦將這兩個階段統(tǒng)稱為i/o刷新階段。實(shí)際上，除了執(zhí)行程序和i/o刷新外，plc還要進(jìn)行各種錯誤檢測（自診斷功能）并與編程工具通訊，這些操作統(tǒng)稱為“監(jiān)視服務(wù)”，一般在程序執(zhí)行之后進(jìn)行。綜上述，plc的掃描工作過程如圖14所示。顯然掃描周期的長短主要取決于程序的長短。掃描周期越長，響應(yīng)速度越慢。由于每個掃描周期只進(jìn)行一次i/o刷新，即每一個掃描周期plc只對輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，所以系統(tǒng)存在輸入輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但是由于其對i/o的

18、變化每個周期只輸出刷新一次，并且只對有變化的進(jìn)行刷新，這對一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)來說是完全允許的，不但不會造成影響，還會提高抗干擾能力。這是因?yàn)檩斎氩蓸与A段僅在輸入刷新階段進(jìn)行，plc在一個工作周期的大部分時間是與外設(shè)隔離的，而工業(yè)現(xiàn)場的干擾常常是脈沖、短時間的，誤動作將大大減小。但是在快速響應(yīng)系統(tǒng)中就會造成響應(yīng)滯后現(xiàn)象，這個一般plc都會采取高速模塊?？傊?，plc采用掃描的工作方式，是區(qū)別于其他設(shè)備的最大特點(diǎn)之一，我們在學(xué)習(xí)和使用plc當(dāng)中都應(yīng)加強(qiáng)注意。2 機(jī)械臂的plc控制2.1 控制特點(diǎn)機(jī)械臂電氣控制系統(tǒng)，除了有多工步特點(diǎn)之外，還要求有連續(xù)控制和手動控制等操作方式。工作方式的選擇可以很方便

19、地在操作面板上表示出來。當(dāng)旋鈕打向回原點(diǎn)時，系統(tǒng)自動地回到左上角位置待命。當(dāng)旋鈕打向自動時，系統(tǒng)自動完成各工步操作，且循環(huán)動作。當(dāng)旋鈕打向手動時，每一工步都要按下該工步按鈕才能實(shí)現(xiàn)。以下是設(shè)計該機(jī)械臂控制程序的步驟和方法。2.2 系統(tǒng)控制示意圖機(jī)械臂傳送工件系統(tǒng)示意圖，如圖1所示。 圖1 機(jī)械臂傳送示意及操作面板圖2.3 輸入和輸出點(diǎn)分配表及原理接線圖表1 機(jī)械臂傳送系統(tǒng)輸入和輸出點(diǎn)分配表名 稱代號輸入名 稱代號輸入名 稱代號輸出啟動sb1x0夾緊sb5x10電磁閥下降yv1y0下限行程sq1x1放松sb6x11電磁閥夾緊yv2y1上限行程sq2x2單步上升sb7x12電磁閥上升yv3y2右限

20、行程sq3x3單步下降sb8x13電磁閥右行yv4y3左限行程sq4x4單步左移sb9x14電磁閥左行yv5y4停止sb2x5單步右移sb10x15原點(diǎn)指示ely5手動操作sb3x6回原點(diǎn)sb11x16連續(xù)操作sb4x7工件檢測sq5x172.4 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)包括回原點(diǎn)程序，手動單步操作程序和自動連續(xù)操作程序，如圖3所示。其原理是：把旋鈕置于回原點(diǎn)，x16接通，系統(tǒng)自動回原點(diǎn)，y5驅(qū)動指示燈亮。再把旋鈕置于手動，則x6接通，其常閉觸頭打開，程序不跳轉(zhuǎn)（cj為一跳轉(zhuǎn)指令，如果cj驅(qū)動，則跳到指針p所指p0處），執(zhí)行手動程序。之后，由于x7常閉觸點(diǎn)，當(dāng)執(zhí)行cj指令時，跳轉(zhuǎn)到p1所指的結(jié)束位置

21、。如果旋鈕置于自動位置，（既x6常閉閉合、x7常閉打開）則程序執(zhí)行時跳過手動程序，直接執(zhí)行自動程序。2.5 回原位程序回原位程序如圖4所示。用s10s12作回零操作元件。應(yīng)注意，當(dāng)用s10s19作回零操作時，在最后狀態(tài)中在自我復(fù)位前應(yīng)使特殊繼電器m8043置1。2.6手動單步操作程序如圖5所示。圖中上升/下降，左移/右移都有聯(lián)鎖和限位保護(hù)。2.7自動操作程序自動操作狀態(tài)轉(zhuǎn)移見圖6所示。當(dāng)機(jī)械臂處于原位時，按啟動x0接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s20，驅(qū)動下降y0，當(dāng)?shù)竭_(dá)下限位使行程開關(guān)x1接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s21，而s20自動復(fù)位。s21驅(qū)動y1置位，延時1秒，以使電磁力達(dá)到最大夾緊力。當(dāng)t0接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s22，驅(qū)動y2上升，當(dāng)上升到達(dá)最高位，x2接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s23。s23驅(qū)動y3右移。移到最右位，x3接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s24下降。下降到最低位，x1接通，電磁鐵放松。為了使電磁力完全失掉，延時1秒。延時時間到，t1接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s26上升。上升到最高位，x2接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到s27左移。左移到最左位，使x4接通，返回初始狀態(tài)，再開始第二次循環(huán)動作。在編寫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖時注意各狀態(tài)元件只能使用一次，但它驅(qū)動的線圈，卻可以使用多次，但兩者不能出現(xiàn)在連續(xù)位置上。因此步