課程設計機械臂的plc控制

1、課程設計 題 目 名 稱 機電一體化系統(tǒng)設計課程設計 課 程 名 稱 機械臂的PLC控制 邵陽學院課程設計（論文）任務書年級專業(yè)題目名稱機械臂的PLC控制設計時間15周17周課程名稱機電一體化課程設計課程編號設計地點A806一、課程設計（論文）目的（1）培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的設計思想，訓練學生綜合應用所學的基礎知識進行分析和解決工程實際問題的能力；（2）使學生掌握一般機械設計的程序和方法，樹立正確的設計思想，培養(yǎng)獨立、全面、科學的設計能力；（3）培養(yǎng)學生查閱和使用標準、規(guī)范、手冊、圖冊、及相關技術資料的能力及計算、繪圖、數據處理等方面的能力。二、任務和要求1、 收集、研究與本課題有關的資料2、

2、 全面研究、熟悉掌握與本課題有關的基礎知識如機電控制原理、機電拖動基礎、電子技術、單片機基礎，網上、圖書館查閱國內外有關直流電機控制、信息處理的技術前言和動態(tài)。3、 制定整體方案，畫出電路原理圖并寫出相關程序撰寫格式、內容符合規(guī)范要求、不少于7000字的設計說明書一份。三、參考資料和現(xiàn)有基礎條件（包括實驗室、主要儀器設備等）電氣實驗室、校辦工廠的設備、單片機基礎教科書、電機與拖動教科書、網絡資料四、課程設計進度安排2009年11月6日到2009年11月10日：查閱資料為課程設計做準備。2009年11日到2009年11月15日：查閱資料進行方案論證。2009年11月16日到2009年11月20日

3、：進行方案設計。2009年11月21日到2009年11月24日：設計制作及課程寫作。2009年11月25到2009年11月28日：完成全部課程設計。六、教研室審批意見教研室主任（簽字）： 年 月 日七、主管教學主任意見 主管主任（簽字）： 年 月 日八、備注指導教師（簽字）： 學生（簽字）：注：1此表由指導教師填寫，經系、教研室審批，指導教師、學生簽字后生效；2此表1式3份，學生、指導教師、教研室各1份。目 錄 設計任務書 1 目錄 4 前言 5 1、PLC簡介 61.1 PLC發(fā)展 61.2 PLC基本結構 81.3 PLC工作原理 12 2、氣動機械臂的PLC控制 152.1 控制特點 1

4、52.2 系統(tǒng)控制示意圖 162.3 輸入和輸出點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機械臂傳送系統(tǒng)梯形圖 202.9指令語句表 22 8、設計小結 23參考文獻 24前 言可編程序控制器（Programmable Logic Controller），簡稱PLC，是在繼電順序控制基礎上發(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。隨著電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展，PLC的功能也越來越強大，更多地具有計算機的功能，所以又簡稱PC（PROGRAMMABLE CONTROLLER），但是為了不和PE

5、RSONAL COMPUTER混淆，仍習慣稱為PLC。目前PLC已經在智能化、網絡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領域無限的發(fā)展前景。本文主要通過氣動機械臂的PLC控制來介紹PLC的具體應用，讓我們更熟悉PLC，為今后學習打下基礎。1 PLC簡介可編程控制器（簡稱PLC）：是一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。1.1 PLC發(fā)展歷史20世紀60年代末期，美國汽車制造工業(yè)競爭激烈，

6、為了適應生產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，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)設計周期短，更改容易，接線簡單成本低。b。它能把計算機的功能和繼電器控制系統(tǒng)結合起來。但編程要比計算機簡單易學、操作方便。c。系統(tǒng)通用性強。1969年美國數字設備公司（DEC）根據上述要求，研制出世界上第一臺PLC，并在GM公司汽車生產線上首次試用成功，實現(xiàn)了生產的自動化。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，但是主要應用于順序控制，只能進行邏輯運算，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字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工

7、業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關外部設備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。1.2 基本結構PLC可編程序控制器實施控制，其實質就是按一定算法進行輸入輸出變換，并將這個變換與以物理實現(xiàn)。輸入輸出變換、物理實現(xiàn)可以說是PLC實施控制的兩個基本點，同時物理實現(xiàn)也是PLC與普通微機相區(qū)別之處，其需要考慮實際控制的需要，應能排除干擾信號適應于工業(yè)現(xiàn)場，輸出應放大到工業(yè)控制的水平，能為實際控制系統(tǒng)方便使用

8、，所以PLC采用了典型的計算機結構，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的基本結構如下圖所示： 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據；b.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PLC投入運行時，首先它以掃描的方式采集現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數據，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，經過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數運算并將結果送入I

9、/O映象寄存區(qū)或數據寄存器內。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)或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)直到停止運行。 為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統(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)仍能正常運行。 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（用戶程序存和數據）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據存儲器兩

10、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，存儲器內的所有內容保持不變。(在紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲器內容)。（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容進行修改。 PLC存儲空間的分配 ： 

11、;雖然各種 PLC的CPU的最大尋址空間各不相同，但是根據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)中存放著相當于計算機操作系統(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、數據寄存器、計時器、計數器、變址寄存器、累加器等存儲器。 （1）I/O映

12、象寄存區(qū)：由于PLC投入運行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數據，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數據送至相應的外設。因此，它需要一定數量的存儲單元(RAM)以存放I/O的狀態(tài)和數據，這些單元稱作I/O映象寄存區(qū)。一個開關量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/O映象寄存區(qū)可看作兩個部分組成：開關量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內部各類軟元件（邏輯線圈、計時器、計數器、數據寄存器和累加器等）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

13、持的存儲區(qū)域，前者在PLC斷電時，由內部的鋰電池供電，數據不會丟失；后者當PLC斷電時，數據被清零。 （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。 輸入接口電路 輸入輸出信號有開關量、模擬量、數字量三種，在我們實習室涉及到的信號當中，開關量最普遍，也是實驗條件所限，在次我們主要介紹開關量接口電路?？删幊绦蚩刂破鲀?yōu)點之一是抗干擾能力強。這也是其I/O設計的優(yōu)點之處，經過了電氣隔離后，信號才送入CPU執(zhí)行的,防止現(xiàn)場的強電干擾進入。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)的開關量輸入接口電路： 輸出接口電路可編程序控

14、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參數a.響應時間 響應時間是指PLC從ON狀態(tài)轉變成OFF狀態(tài)或從OFF狀態(tài)轉變成ON狀態(tài)所需要的時間。繼電器輸出型響應時間平均約為10ms；晶閘管輸出型響應時間為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動純電阻負載2A/1點、感性負載80VA以下（AC100V或AC200V）及燈負載100W以下（AC100V 或200V）的負載；Y0、Y1以外每輸出1點的輸出電流是

15、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，因此驅動半導體元件時，請注意元件的輸入電壓特性。Y0、Y1每輸出1點的輸出電流是0.3A，但是對Y0、Y1使用定位指令時需要高速響應，因此使用10100mA的輸出電流；晶閘管輸出電流也比較小，F(xiàn)X1S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，主要由內部RC電路引起，需在設計系統(tǒng)時注意。輸出公共端（COM） 公共端與輸出各組之間形成回路，從而驅動負載。FX1S有1點

16、或4點一個公共端輸出型，因此各公共端單元可以驅動不同電源電壓系統(tǒng)的負載。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計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網上去。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、消除電網電源帶

17、來的各種干擾；電源發(fā)生故障不會導致其它部分產生故障；允許較寬的電壓范圍；電源本身的功耗低，發(fā)熱量??；內部電源與外部電源完全隔離；有較強的自保護功能。 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，若有鍵按下或有I/O變化，則轉入相應的子程序，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，直至遇到結束符后又返回第一條指令，如此周而復始

18、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的多少。一個掃描周期主要可分為3個階段。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。完成輸入端刷新工作后，將關閉輸入端口，轉入程序執(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。程序執(zhí)行階段在程序執(zhí)行階段，根據用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執(zhí)行，并將相應的邏輯運算結果存入對應的內部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。當最后一

19、條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉入輸入刷新階段。 輸出刷新階段當所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內容，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，驅動外部相應執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實際輸出。由此可見，輸入刷新、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段構成PLC一個工作周期，由此循環(huán)往復，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行的，所以亦將這兩個階段統(tǒng)稱為I/O刷新階段。實際上，除了執(zhí)行程序和I/O刷新外，PLC還要進行各種錯誤檢測（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”，一般在程序執(zhí)行之后進行。綜上述，PLC的掃描工作過程如圖14

20、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，響應速度越慢。由于每個掃描周期只進行一次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)的響應速度。但是由于其對I/O的變化每個周期只輸出刷新一次，并且只對有變化的進行刷新，這對一般的開關量控制系統(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。這是因為輸入采樣階段僅在輸入刷新階段進行，PLC在一個工作周期的大部分時間是與外設隔離的，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。但是在快速響應系統(tǒng)中就會造成響應滯后現(xiàn)象，這個一般PLC都會采取高

21、速模塊?？傊?，PLC采用掃描的工作方式，是區(qū)別于其他設備的最大特點之一，我們在學習和使用PLC當中都應加強注意。2 機械臂的PLC控制2.1 控制特點機械臂電氣控制系統(tǒng)，除了有多工步特點之外，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地在操作面板上表示出來。當旋鈕打向回原點時，系統(tǒng)自動地回到左上角位置待命。當旋鈕打向自動時，系統(tǒng)自動完成各工步操作，且循環(huán)動作。當旋鈕打向手動時，每一工步都要按下該工步按鈕才能實現(xiàn)。以下是設計該機械臂控制程序的步驟和方法。2.2 系統(tǒng)控制示意圖機械臂傳送工件系統(tǒng)示意圖，如圖1所示。 圖1 機械臂傳送示意及操作面板圖2.3 輸入和輸出點分配表及原

22、理接線圖表1 機械臂傳送系統(tǒng)輸入和輸出點分配表名 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原點指示ELY5手動操作SB3X6回原點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

23、置于回原點，X16接通，系統(tǒng)自動回原點，Y5驅動指示燈亮。再把旋鈕置于手動，則X6接通，其常閉觸頭打開，程序不跳轉（CJ為一跳轉指令，如果CJ驅動，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，當執(zhí)行CJ指令時，跳轉到P1所指的結束位置。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。應注意，當用S10S19作回零操作時，在最后狀態(tài)中在自我復位前應使特殊繼電器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。2.7自動操作程序自動操作狀態(tài)轉移見圖6所示。當機械臂處于原位時，按啟動X0接通，狀態(tài)轉移到S20，驅動下降Y0，當到達下限位使行程開關X1接通，狀態(tài)轉移到S21，而S20自動復位。S21驅動Y1置位，延時1秒，以使電磁力達到最大夾緊力。當T0接通，狀態(tài)轉移到S22，驅動Y2上升，當上升到達最高位，X2接通，狀態(tài)轉移到S23。S23驅動Y3右移。移到最右位，X3接通，狀態(tài)轉移到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)轉移到S26上升。上升到最高位，X2接通，狀態(tài)轉移到S27左移。左移到最左位，使X4接通