基于PLC工業(yè)機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）摘 要為工業(yè)機械手研制一個技術(shù)性能優(yōu)良的控制系統(tǒng)，對于提高工業(yè)機械手的整體技術(shù)性能來說具有十分重要的意義。本論文正是針對這一課題，選擇了可編程控制器(PLC)作為工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)，這對提升工業(yè)機械手的整體技術(shù)性能起到了良好的作用。 本論文的控制對象是由三個搬運機械手組成的機械手群，每個機械手完成8個基本動作，三個機械手互相配合動作。機械手由氣缸驅(qū)動，氣缸受電磁閥控制。限位開關(guān)檢測機械手是否到達固定位置?？删幊炭刂破?PLC)控制每個機械手的動作，實現(xiàn)機械手群的自動運行。本論文可編程控制器(PLC)選用西門子（SIEMENS）公司S7-200系列的CPU224，并擴展了EM221模塊和EM222模塊。機械手的開關(guān)量信號直接輸入PLC，PLC通過中間繼電器對電磁閥加以控制。本論文的重點放在PLC各硬件部分的設(shè)計和介紹、PLC梯形圖的編寫上。在整體設(shè)計過程中按照“提出問題，分析問題，解決問題”的主導(dǎo)思想，對整個系統(tǒng)的設(shè)計工作做出了細(xì)致的闡述。關(guān)鍵詞：可編程控制器(PLC)；氣動機械手；梯形圖AbstractDevelops a technical performance fine control system for the industrymanipulator, regarding enhances the industry manipulators overalltechnical performance to say has the extremely vital significance. Thepresent paper is precisely in view of this topic, chose theprogrammable logical controller (PLC) to take the industry manipulatorscontrol system, this to promoted the industry manipulators overalltechnical performance to play the good role.The present paper controlled member is by three the manipulator group which transports the manipulator to be composed, each manipulator completes 8 elementary actions, three manipulators coordinate the movement mutually.The manipulator actuates by the air cylinder, air cylinder solenoid valve control.The limit switch examines the manipulator whether arrives the stationary position.The programmable logical controller (PLC) controls each manipulatorsmovement, realizes the manipulator group automatic movement. Thepresent paper programmable controller (PLC) selects SIEMENS company S7-200 series CPU224, and expanded the EM221 module and the EM222 module. Manipulators switch quantity signal direct input PLC,PLC performs through the intermediate relay to the solenoid valve tocontrol.The present paper puts with emphasis on the PLC various hardwarepartial designs and the introduction, in the PLC trapezoidal chartcompilation. Defers to in the overall design process "asks thequestion, the analysis question, solves the problem" the guidingideology, has made the careful elaboration to the overall systemdesign work.Key words：Programmable Logical Controller (PLC); Air operated manipulator;Trapezoidal chart目 錄第1章 緒 論11.1 機械手的概念11.2 氣動機械手的簡介11.2.1 氣動技術(shù)11.2.2 氣動機械手21.2.3 氣動機械手的發(fā)展趨勢3第2章 方案論證42.1 機械手的設(shè)計42.1.1 氣動搬運機械手的結(jié)構(gòu)42.1.2 氣動搬運機械手的工作原理42.2 氣動搬運機械手群52.2.1 氣動搬運機械手群結(jié)構(gòu)52.2.2 氣動搬運機械手群工作原理62.3 本論文的主要內(nèi)容及達到的目標(biāo)62.4 本系統(tǒng)的控制方案6第3章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計83.1 PLC的簡介83.1.1 可編程控制器的概念83.1.2 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域83.1.3 PLC的系統(tǒng)組成93.1.4 PLC的工作原理113.2 輸入/輸出信號133.3 PLC的選型153.3.1 PLC的選型153.3.2 PLC及擴展模塊的技術(shù)指標(biāo)163.4 I/O地址分配183.5 PLC外部接線21第4章 軟件設(shè)計224.1 機械手1控制程序224.2 機械手2控制程序244.3 機械手3控制程序264.4 機械手群主程序29第5章 結(jié)論32參考文獻33致 謝35附 錄36IV第1章 緒 論機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。1.1 機械手的概念我國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 12643-90)對機械手的定義:“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體，或進行其它操作的機械裝置。”機械手可分為專用機械手和通用機械手兩大類。專用機械手:它作為整機的附屬部分，動作簡單，工作對象單一，具有固定(有時可調(diào))程序，使用大批量的自動生產(chǎn)。如自動生產(chǎn)線上的上料機械手，自動換刀機械手，裝配焊接機械手等裝置。通用機械手:它是一種具有獨立的控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈活多樣的機械手。它適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化生產(chǎn)。它的工作范圍大，定位精度高，通用性強，廣泛應(yīng)用于柔性自動線。 機械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。機械手延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作;代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(FMS )和計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS )，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大。1.2 氣動機械手的簡介1.2.1 氣動技術(shù)氣動技術(shù)這個被譽為工業(yè)自動化之“肌肉”的傳動與控制技術(shù)，在加工制造業(yè)領(lǐng)域越來越受到人們的重視，并獲得了廣泛應(yīng)用。目前，伴隨著微電子技術(shù)、通信技術(shù)和自動化控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，氣動技術(shù)也不斷創(chuàng)新，以工程實際應(yīng)用為目標(biāo)，得到了前所未有的發(fā)展。氣動技術(shù)(Pneumatics)是以壓縮空氣為介質(zhì)來傳動和控制機械的一門專業(yè)技術(shù)。"Pneumatics”一詞起源于希臘文的“Pneuma "，其原義為“呼吸”，后來才一演變成“氣動技術(shù)”。氣動技術(shù)因具有節(jié)能、無污染、高效、低成本、安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單，以及防火、防爆、抗電磁干擾、抗幅射等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于汽車制造、電子、工作機械(紡織機械、印刷、包裝設(shè)備及機床等)、食品等工業(yè)產(chǎn)業(yè)中。隨著新材料、新技術(shù)、新工藝的開發(fā)和應(yīng)用，氣動技術(shù)己經(jīng)突破傳統(tǒng)的設(shè)計、制造理念，正在IC/LCD、微電子、生物制藥、醫(yī)療機械等高技術(shù)領(lǐng)域扮演著重要角色。隨著生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，氣動技術(shù)應(yīng)用面迅速擴大，氣動產(chǎn)品品種規(guī)格持續(xù)增多，性能、質(zhì)量不斷提高，市場銷售產(chǎn)值穩(wěn)步增長。在工業(yè)技術(shù)發(fā)達的歐美、日本等國家，氣動元件產(chǎn)值已接近液壓元件的產(chǎn)值，而且仍以較快的速度在發(fā)展。氣動工業(yè)的高速增長，進一步刺激了氣動技術(shù)的發(fā)展。氣動技術(shù)正朝著精確化、高速化、小型化、復(fù)合化和集成化的方向發(fā)展。1.2.2 氣動機械手工業(yè)機械手使用最多的一種驅(qū)動方式是電機驅(qū)動。驅(qū)動電機一般采用步進電機、直流伺服電機以及交流伺服電機。由于電機速度高，通常須采用減速機構(gòu)(如諧波傳動、RV擺線針輪傳動、齒輪傳動、螺旋傳動和多桿機構(gòu)等)。這類機械手的特點是控制精度高，驅(qū)動力較大，響應(yīng)快，信號檢測、傳遞、處理方便，并可以采用多種靈活的控制方案。但是由于這類機械手價格昂貴，限制了在一些場合的廣泛應(yīng)用。因此，人們開始尋求其它一些經(jīng)濟適用的機械手驅(qū)動方式。隨著氣動技術(shù)獲得了快速發(fā)展，其中利用成本性能比低廉及同時具有許多優(yōu)點的氣動機械手設(shè)備來滿足社會生產(chǎn)實踐需要也越來越多的受到重視，氣動機械手技術(shù)已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實踐要求的一種重要實用技術(shù)。氣動機械手與其它控制方式的機械手相比，具有價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強等特點，表1.1給出了各種控制方式的比較表1.1 各種控制方式的比較項目氣壓傳動液壓傳動電氣傳動機械傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單復(fù)雜復(fù)雜較復(fù)雜安裝自由度大大中小輸出力稍大大小不太大定位精度一般一般很高高續(xù)表 1.1動作速度大稍大大小響應(yīng)速度慢快快中清潔度清潔可能污染清潔較清潔維護簡單比氣動復(fù)雜需要專門技術(shù)簡單價格一般稍高高一般技術(shù)要求較低較高最高較低控制自由度大大中小危險性幾乎沒問題注意火一般無問題無特殊問題氣動機械手是在己有的機械手基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。二者之間的區(qū)別在于氣動機械手發(fā)展的起點頗高，它強調(diào)模塊化的形式，把專用機械手和通用機械手結(jié)合起來?，F(xiàn)代氣動機械手的基本結(jié)構(gòu)由感知部分、控制部分、主機部分和執(zhí)行部分四個方面組成。采集感知信號及控制信號均由智能閥島來處理，氣動伺服定位系統(tǒng)代替了伺服電機步進馬達或液壓伺服系統(tǒng);氣缸、擺動馬達完成原來由液壓缸或機械所作的執(zhí)行動作:主機部分采用了標(biāo)準(zhǔn)型材輔以模塊化的裝配形式，使得氣動機械手能拓展成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。人們根據(jù)應(yīng)用工況的要求，選擇相應(yīng)功能和參數(shù)的模塊，像積木一樣隨意的組合，這是一種先進的設(shè)計思想，代表氣動機械手今后的發(fā)展方向，也將始終貫穿著氣動機械手的發(fā)展及實用性。因此，氣動機械手可以代替一些功能不理想的工業(yè)機械手的地位，在目前的工業(yè)自動線上有著及其廣泛的應(yīng)用前景。1.2.3 氣動機械手的發(fā)展趨勢盡管世界工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展放緩，使得氣動機械手的發(fā)展受到一定的影響，然而，作為新興科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物，氣動機械手的發(fā)展勢不可擋。目前，氣動機械手的發(fā)展呈現(xiàn)出了以下趨勢:1結(jié)構(gòu)模塊化2控制智能化3感覺功能變強4系統(tǒng)應(yīng)用與集成化5可靠性越來越高6易操作更靈活7向微型化方向發(fā)展第2章 方案論證2.1 機械手的設(shè)計2.1.1 氣動搬運機械手的結(jié)構(gòu)機械手的種類很多，但按手臂坐標(biāo)類型來分主要有直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式、SCARA型。本文所針對的機械手屬于圓柱坐標(biāo)式，如圖2.1所示，機械手主要是由基座和手臂兩部分組成?；闹饕娜蝿?wù)是支撐和完成手臂回轉(zhuǎn)。手臂裝在基座上，作上下直線運動，手部可夾緊/放松。機械手手部機械手橫臂機械手立柱機械手基座圖2.1 機械手原理圖本機械手的全部動作由氣缸驅(qū)動。氣缸由電磁閥、氣動比例閥控制。驅(qū)動部分有升降氣缸、擺動氣缸和手部驅(qū)動氣缸。2.1.2 氣動搬運機械手的工作原理本機械手采用氣壓驅(qū)動，使用的是壓力為0. 6 MPa，最高可達1 MPa。 這個機械手具有二個直線運動和一個旋轉(zhuǎn)運動自由度，用于將源工作臺上的物品搬到其左側(cè)或右側(cè)目的工作臺上。機械手的全部動作由氣缸驅(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、左傳/右轉(zhuǎn)、夾緊/放松功能，是目前較為簡單的、應(yīng)用比較廣泛的一種機械手。機械手的工作流程如圖2.2所示。開始下降抓緊上升左旋下降放松上升右旋 結(jié)束原位圖2.2工作流程其升降運動通過升降氣缸、垂直導(dǎo)柱、滑動導(dǎo)柱、垂直導(dǎo)軌及升降位置微動開關(guān)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(guān)協(xié)調(diào)完成，擺動工作行程為01800mm;手爪是通過氣缸、彈簧的作用來夾持物品，夾持力是靠調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓縮量來調(diào)整。2.2 氣動搬運機械手群2.2.1 氣動搬運機械手群結(jié)構(gòu)本論文的控制對象是由三個機械手組成的機械手群。其結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。機械手1機械手2機械手3工作臺A工作臺B工作臺C紅外檢測紅外檢測紅外檢測圖2.3機械手群結(jié)構(gòu)三個機械手、三個工作臺和三個紅外檢測器固定在一個大型的基座上。每個機械手的手部正下方都有工作臺，用于放置物品。在每個機械手的基座和工作臺之間都有一個紅外檢測器，用于檢測物品臺上是否有物品。機械手把物品從右面的工作臺上移到左面的工作臺上。2.2.2 氣動搬運機械手群工作原理當(dāng)系統(tǒng)工作開始時，工作臺A上有物品時，機械手1首先工作，完成8個基本操作后（即一個循環(huán)），把物品放在工作臺B上，機械手2便啟動工作，同樣完成一個循環(huán)后，把物品放在工作臺C上，機械手3啟動工作，這樣3個機械手不斷的循環(huán)工作；當(dāng)系統(tǒng)工作結(jié)束時，機械手1首先完成一個循環(huán)后停止，然后機械手2、機械手3也順序依次停止工作。2.3 本論文的主要內(nèi)容及達到的目標(biāo)本論文主要內(nèi)容是以氣動搬運機械手作為控制對象，用PLC作為控制器，最終實現(xiàn)對氣動搬運機械手群自動運行的控制。本論文要達到的目標(biāo)是，當(dāng)系統(tǒng)工作開始時，機械手1首先工作，完成8個基本操作后（即一個循環(huán)），機械手2便啟動工作，同樣完成一個循環(huán)后，機械手3啟動工作，這樣3個機械手不斷的循環(huán)工作；當(dāng)系統(tǒng)工作結(jié)束時，機械手1首先完成一個循環(huán)后停止，然后機械手2、機械手3也順序依次停止工作。每個機械手的完成8個基本操作，第1步當(dāng)工作臺上有物品時，機械手下降。第2步是機械手在最低位抓緊物品。第3步是機械手夾緊物品上升。第4步是機械手夾緊物品右旋180度。第5步是機械手夾緊物品下降。第6步是在最低位時松開物品。第7步機械手上升。第8步是機械手左旋180度，回到原位。2.4 本系統(tǒng)的控制方案為了實現(xiàn)對氣動搬運機械手群的自動控制，本系統(tǒng)采用PLC做控制器。本系統(tǒng)的開關(guān)量輸入信號為數(shù)字信號，直接連接PLC，PLC通過中間繼電器對電磁閥加以控制。系統(tǒng)框圖如圖2.4所示。右旋限位開關(guān)停止按鈕啟動按鈕物品檢測開關(guān)下降限位開關(guān)夾放檢測開關(guān)上升限位開關(guān)左旋限位開關(guān)PLC上升電磁閥下降電磁閥夾放電磁閥右旋電磁閥左旋電磁閥選擇按鈕圖2.4系統(tǒng)框圖第3章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計3.1 PLC的簡介3.1.1 可編程控制器的概念可編程控制器(Programmable Logical Controller)簡稱PLC。國際電工委員會（IEC）在1985年的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案第3稿中，對PLC作了如下定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令。并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計?！爆F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程是復(fù)雜多樣的，它們對控制的要求也各不相同。PLC一經(jīng)出現(xiàn)就受到了廣大工程技術(shù)人員的歡迎。PLC具有如下特點：1、編程方法簡單易學(xué)。2、功能強，性能價格比高。3、硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強。4、可靠性高，抗干擾能力強。5、系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少。6、維修工作量小，維修方便。7、體積小，能耗低。3.1.2 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域PLC的初期由于其價格高于繼電器控制裝置，使得其應(yīng)用受到限制。但最近十年來，PLC的應(yīng)用面越來越廣，其主要原因是：一方面由于處理器芯片及有關(guān)元件的價格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增加，能解決復(fù)雜的計算和通信問題。目前PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、采礦、石油、化工、電力、機械制造、汽車、裝卸、紡織、環(huán)保和娛樂等行業(yè)。PLC的應(yīng)用范圍通常分成以下5種類型：1順序控制這是PLC應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，也是最適合PLC使用的領(lǐng)域，它用來取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制。PLC應(yīng)用于單機控制、多機控制、生產(chǎn)自動線控制等。例如：注塑機械、印刷機械、訂書機械、包裝機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制。2運動控制PLC制造商目前已提供了拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，在多數(shù)情況下，PLC把描述目標(biāo)位置的數(shù)據(jù)送給模塊，其輸出移動一軸或數(shù)軸到目標(biāo)位置，每個軸移動時，位置控制模塊保持適當(dāng)?shù)乃俣群图铀俣?，保持運動平滑。相對來說，位置控制模塊比CNC裝置體積更小，價格更低，速度更快，操作更方便，3過程控制PLC還能控制大量的過程參數(shù)，例如：溫度、流量、壓力、液位和速度等。PID模塊提供了使PLC具有了閉環(huán)控制的功能，即一個具有PID控制能力的PLC可用于過程控制。當(dāng)過程控制中某個變量出現(xiàn)偏差時，PID控制算法會計算出正確的輸出，把變量保持在設(shè)定值上。4數(shù)據(jù)控制在機械加工中，PLC作為主要的控制和管理系統(tǒng)用于CNC和NC系統(tǒng)中，可以完成大量的數(shù)據(jù)控制。5通信控制PLC的通信包括主機與遠(yuǎn)程I/O的通信、多臺PLC之間的通信、PLC和其他智能控制設(shè)備（如計算機、變頻器、數(shù)控裝置）之間的通信。PLC與其他智能控制設(shè)備一起，可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。3.1.3 PLC的系統(tǒng)組成PLC種類繁多，但其組成和工作原理基本相同。用PLC實施控制，其實質(zhì)是按一定算法進行輸入/輸出變換，并將這個變換給以物理實現(xiàn)，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計，采用了典型的計算機結(jié)構(gòu)，它主要是由CPU、電源、存儲器和專門設(shè)計的輸入/輸出接口電路等組成。PLC的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。1、中央處理單元（CPU）中央處理單元（CPU）一般由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片內(nèi)。CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入/輸出接口電路連接。2、存儲器PLC的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩部分。系統(tǒng)存儲器包括用來存放由PLC生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在ROM內(nèi)，用戶不能直接更改。它使PLC具有基本的功能，能夠完成PLC設(shè)計者規(guī)定的各項工作。系統(tǒng)程序質(zhì)量的好壞，很大程度上決定了PLC的性能，其內(nèi)容主要包括三部分。第一部分為系統(tǒng)管理程序。第二部分為用戶指令解釋程序。第三部分為標(biāo)準(zhǔn)程序與系統(tǒng)調(diào)用。圖3.1 PLC的結(jié)構(gòu)框圖用戶存儲器包括用戶程序存儲器（程序區(qū)）和數(shù)據(jù)存儲器（數(shù)據(jù)區(qū)）兩部分。用戶程序存儲器用來存放用戶針對具體控制任務(wù)用規(guī)定的PLC編程語言編寫的各種用戶程序。用戶數(shù)據(jù)存儲器可以用來存放（記憶）用戶程序中所使用器件ON/OFF狀態(tài)和數(shù)值、數(shù)據(jù)等。用戶存儲器的大小關(guān)系到用戶程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指標(biāo)之一。PLC使用的存儲器類型有三種。第一種是隨機存取存儲器（RAM）；第二種是只讀存儲器（ROM）；第三種是可電擦除可編程的只讀存儲器（EEPROM或EPROM）。3、輸入/輸出模塊輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊簡稱為I/O模塊。PLC的輸入和輸出信號類型可以是開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量。輸入/輸出模塊從廣義上分包含兩部分：一是與控制設(shè)備相連接的接口電路；另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。輸入模塊用于處理輸入信號，對輸入信號進行濾波、隔離、電平轉(zhuǎn)換等，把輸入信號的邏輯值安全可靠地傳遞到PLC內(nèi)部。輸出模塊用于把用戶程序的邏輯運算結(jié)果輸出到PLC外部，輸出模塊具有隔離PLC內(nèi)部電路和外部執(zhí)行元件的作用，還具有功率放大的作用。4、電源模塊PLC一般使用220V的交流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為PLC的中央處理器、存儲器等電路提供5V、12V、24V等直流電源，使PLC能正常工作。5、接口模塊接口模塊用于將擴展單元以及功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。6、通信接口為了實現(xiàn)“人機”或“機機”之間的對話，PLC配有多種通信接口。PLC通過接口可以與監(jiān)視器，打印機和其他的PLC或計算機相連。7、編程器編程器的作用是供用戶進行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型的編程器只能聯(lián)機編程，且往往需要將梯形圖轉(zhuǎn)換為機器語言助記符（語句表）后，才能輸入。智能型的編程器又稱圖形編程器，它可以聯(lián)機編程，也可以脫機編程，具有LCD或CRT圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過屏幕對話8、其他部分有些PLC還可配有EPROM寫入器、存儲器等其他外部設(shè)備。3.1.4 PLC的工作原理PLC是一種工業(yè)控制計算機，故它的工作原理是建立在計算機工作原理之上，即通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)的，但是 CPU是以分時操作方式來處理各項任務(wù)的，計算機在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執(zhí)行是按程序順序依次完成相應(yīng)各電器的動作，所以它屬于串行工作方式。PLC工作的全過程可用圖2.2所示的運行框圖來表示。概括而言，PLC是按集中輸入、集中輸出，周期性循環(huán)掃描的方式進行工作的。掃描周期在控制過程中一個比較重要的技術(shù)指標(biāo)。一般來說，掃描周期越大，表明掃描所需要的時間就越長，要求輸入信號的寬度接越大，控制周期接越長，控制速度就要降低。PLC的過程可分為三部分。第一部分為上電處理，第二部分是掃描過程，第三部分是出錯處理。電源ON內(nèi)部處理輸入處理(輸入傳送遠(yuǎn)程I/O)通信服務(wù)(外設(shè)、CPU、總線服務(wù))更新時鐘、特殊寄存器執(zhí)行程序執(zhí)行自診斷存放自診斷錯誤結(jié)果CPU強制為STOPRUNSTOPYNNY輸出處理致命錯誤PLC正常否CPU運行方式2.2 PLC運行框圖3.2 輸入/輸出信號本控制系統(tǒng)由27個輸入開關(guān)量，分別為系統(tǒng)啟動按鈕1個，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的啟動；系統(tǒng)停止按鈕1個，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的停止；選擇按鈕1個，負(fù)責(zé)機械手自動控制和檢測的切換；機械手的啟動按鈕3個，負(fù)責(zé)檢測時每個機械手的啟動；機械手的停止按鈕3個，負(fù)責(zé)檢測時每個機械手的停止；物品檢測開關(guān)3個，負(fù)責(zé)檢測工作臺上是否有物品；下降限位開關(guān)3個，負(fù)責(zé)機械手到最低位置時停止下降；夾放檢測開關(guān)3個，負(fù)責(zé)機械手夾放物品的檢測；上升限位開關(guān)3個，負(fù)責(zé)機械手到最高位置時停止上升；右旋限位開關(guān)3個，負(fù)責(zé)機械手右旋180度后停止；左旋限位開關(guān)3個，負(fù)責(zé)機械手左旋180度后停止。建立輸入信號名稱與電氣符號表3.1：表3.1 輸入信號名稱與電氣符號表序號名稱電氣符號1總啟動按鈕SB12總停止按鈕SB23自動/手動選擇按鈕SB34機械手1啟動按鈕SB45機械手1停止按鈕SB56機械手2啟動按鈕SB67機械手2停止按鈕SB78機械手3啟動按鈕SB89機械手3停止按鈕SB910工作臺A物品檢測開關(guān)SQ111工作臺B物品檢測開關(guān)SQ212工作臺C物品檢測開關(guān)SQ313機械手1下降限位開關(guān)SQ414機械手1夾緊檢測開關(guān)SQ515機械手1上升限位開關(guān)SQ6續(xù)表3.116機械手1左旋限位開關(guān)SQ717機械手1右旋限位開關(guān)SQ818機械手2下降限位開關(guān)SQ919機械手2夾緊檢測開關(guān)SQ1020機械手2上升限位開關(guān)SQ1121機械手2左旋限位開關(guān)SQ1222機械手2右旋限位開關(guān)SQ1323機械手3下降限位開關(guān)SQ1424機械手3夾緊檢測開關(guān)SQ1525機械手3上升限位開關(guān)SQ1626機械手3左旋限位開關(guān)SQ1727機械手3右旋限位開關(guān)SQ18本控制系統(tǒng)由15個輸出電磁閥，分別為機械手下降電磁閥3個，負(fù)責(zé)驅(qū)動機械手的下降；機械手夾放電磁閥3個，負(fù)責(zé)驅(qū)動機械手夾放物品；機械手上升電磁閥3個，負(fù)責(zé)驅(qū)動機械手的上升；機械手右旋電磁閥3個，負(fù)責(zé)驅(qū)動機械手的右旋；機械手左旋電磁閥3個，負(fù)責(zé)驅(qū)動機械手的左旋。建立輸入信號名稱與電氣符號表3.2：表3.1 輸出信號名稱與電氣符號表序號名稱電氣符號12機械手1下降電磁閥KA 12機械手1夾放電磁閥KA23機械手1上升電磁閥KA34機械手1左旋電磁閥KA45機械手1右旋電磁閥KA56機械手2下降電磁閥KA67機械手2夾放電磁閥KA7續(xù)表3.288機械手2上升電磁閥KA89機械手2左旋電磁閥KA910機械手2右旋電磁閥KA1011機械手3下降電磁閥KA1112機械手3夾放電磁閥KA1213機械手3上升電磁閥KA1314機械手3左旋電磁閥KA1415機械手3右旋電磁閥KA153.3 PLC的選型3.3.1 PLC的選型目前，世界上有200多個廠家生產(chǎn)可編程控制器產(chǎn)品，比較著名的PLC生產(chǎn)廠家主要有美國的AB、通用（GE）、日本的三菱（MITSBISHI）、歐姆龍（OMRON）、德國的西門子（SIMENS）、法國的TE、韓國的三星（SUMSUNG）、LG等。本文選擇的是德國的西門子公司生產(chǎn)的S7-200PLC。S7-200系列PLC是西門子公司生產(chǎn)的一種小型PLC，其許多功能達到大、中型PLC的水平，而價格卻和小型PLC的一樣，因此它一經(jīng)推出，即受到了廣泛的關(guān)注。特別是S7-200CPU22*系列PLC，由于它具有多種功能模塊和人機界面（HMI）可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成PLC網(wǎng)絡(luò)。同時它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制系統(tǒng)的設(shè)計時更加簡單，其速度快，具有極強的通信能力，幾乎可以完成任何功能的控制任務(wù)。CPU22*系列PLC它有如下五種不同結(jié)構(gòu)的配置單元：（1）CPU221，它具有6輸入/4輸出，I/O共計10點，無擴展能力；（2）CPU222，它具有8輸入/6輸出，I/O共計14點，并可以進行一定的模擬量控制和2個模塊的擴展；（3）CPU224，它具有14點輸入/10點輸出，I/O點數(shù)共計24點，它有七個擴展模塊，有內(nèi)置時鐘；（4）CPU226，它具有24輸入/16輸出，I/O共計40點，與CPU224相比，它增加了通信口的數(shù)量，通信能力大大增強；（5）CPU226XM，這是西門子公司后推出的一種增強型主機，它在用戶程序存儲容量和數(shù)據(jù)存儲容量上進行了擴展，其他指標(biāo)和CPU226相同。當(dāng)CPU的I/O點數(shù)不夠用或需要進行特殊功能的控制時，就要進行I/O的擴展。I/O擴展包括I/O點數(shù)的擴展和功能模塊的擴展。不同的CPU有不同的擴展規(guī)范，它主要受CPU的功能限制。典型的數(shù)字量輸入/輸出擴展模塊有：輸入擴展模塊EM221有兩種：8點DC輸入、8點AC輸入。輸出擴展模塊EM222有三種：8點DC晶體管輸出、8點AC輸出、8點繼電器輸出。輸入/輸出混合擴展模塊EM223有六種：分別為4點（8點、16點）DC輸入/4點（8點、16點）DC輸出、4點（8點、16點）DC輸入/4點（8點、16點）繼電器輸出。本次設(shè)計中共27個輸入量，共15個輸出量，共計32點，因此選用了S7-200系列CPU224，CPU224具有14點輸入/10點輸出，I/O點數(shù)共計24點，它可以有七個擴展模塊，有內(nèi)置時鐘，它有更強的模擬量和高速計數(shù)的處理能力，是使用最多的S7-200產(chǎn)品。由于本系統(tǒng)的具有27點輸入/15點輸出，CPU224不能滿足本系統(tǒng)的要求，所以擴展DC輸入EM221兩個，用于數(shù)字開關(guān)量的輸入，擴展繼電器輸出EM222一個，用于繼電器的輸出?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖3.3所示。CPU2 2 4EM221（1）EM221（2）EM222圖3.3 控制系統(tǒng)框圖3.3.2 PLC及擴展模塊的技術(shù)指標(biāo)1、CPU224的技術(shù)指標(biāo)（1）外形尺寸 120.5mm80mm62mm（2）存儲器 程序存儲器 4096字用戶數(shù)據(jù)存儲器 2560字存儲器類型 EEPROM存儲卡 EEPROM數(shù)據(jù)后備（超級電容） 190h程序語言 LAD、FBD和STL程序組織 一個組織塊（可以包含子程序和中斷程序）（3）系統(tǒng)I/O 本機I/O 14點輸入/10點輸出擴展模塊 7個模塊數(shù)字量I/O映像區(qū) 256點（128點輸入/128點輸出）數(shù)字量I/O物理區(qū) 168點（94點輸入/74點輸出）模擬量I/O映像區(qū) 32路輸入/32路輸出模擬量I/O物理區(qū) 35路（28路輸入/7路輸出）或14路輸出（4）附加功能 內(nèi)置高速計數(shù)器 6個（30kHz）內(nèi)置模擬電位器 2個（8位分辨率）脈沖輸出 2個高速輸出（20kHz）通信中斷 1個發(fā)送器/2個接收器定時中斷 2個（1-255ms）輸入中斷 4個實時時鐘 內(nèi)置時鐘口令保護 3級口令保護（5）為傳感器提供DC5V電流 660mA2、EM221數(shù)字量輸入模塊的技術(shù)指標(biāo)（1）總體特性外形尺寸 46mm80mm62mm功耗： 2W（2）輸出特性本機輸入點數(shù) 8點數(shù)字量輸入輸出電壓 最大DC30V，標(biāo)準(zhǔn)DC24V/4mA隔離 光隔離，AC550V，1min，4點/組輸入延時 最大4.5ms電纜長度 不屏蔽350m，屏蔽500m（3）耗電從CPU的DC5V（I/O總線）耗電30mA（4）接線端子1M、0.0、0.1、0.2、0.3為第一組，1M為第一組公共端2M、0.4、0.5、0.6、0.7為第二組，2M為第二組公共端3、EM222數(shù)字量（繼電器）輸出模塊的技術(shù)指標(biāo)（1）總體特性外形尺寸 46mm80mm62mm功耗 2W（2）輸出特性本機輸出點數(shù) 8點數(shù)字量輸出輸出電壓 DC0-30V，AC5-250V輸出電流 2.0A/組隔離 光隔離，AC500V，1min，4點/組輸入延時 最大10ms電纜長度 不屏蔽150m，屏蔽500m（3）耗電 從CPU的DC5V（I/O總線）耗電40mA（4）接線端子1L、0.0、0.1、0.2、0.3為第一組，1L為第一組公共端2L、0.4、0.5、0.6、0.7為第二組，2L為第二組公共端M為DC24V電源負(fù)極端，L+為DC24V正極端3.4 I/O地址分配根據(jù)機械手的輸入信號為27個，輸出信號為15個，建立I/O地址分配表。建立輸入信號地址分配表如表5.3所示：表3.3輸入信號地址分配表序號名稱地址1SB1I0.02SB2I0.13SB3I0.24SB4I0.3 續(xù)表3.35SB5I0.46SB6I0.57SB7I0.38SB8I1.09SB9I1.110SQ1I0.711SQ2I1.212SQ3I1.313SQ4I2.014SQ5I2.115SQ6I2.216SQ7I2.317SQ8I2.418SQ9I2.519SQ10I2.620SQ11I2.721SQ12I3.022SQ13I3.123SQ14I3.224SQ15I3.325SQ16I3.426SQ17I3.527SQ18I3.6建立輸出信號地址分配表如表3.4所示：表3.4 輸出信號地址分配表序號名稱地址1KA1Q0.02KA2Q0.13KA3Q0.24KA4Q0.35KA5Q0.46KA6Q0.57KA7Q0.68KA8Q0.79KA9Q1.010KA10Q1.111KA11Q2.012KA12Q2.113KA13Q2.214KA14Q2.315KA15Q2.4建立通用輔助繼電器地址分配表如表3.5所示：表3.5 通用輔助繼電器地址分配表序號名稱地址1自動方式M0.02手動方式M0.13機械手1動作中M0.24機械手2動作中M0.35機械手3動作中M0.46系統(tǒng)停止M0.53.5 PLC外部接線本系統(tǒng)的各模塊在I/O鏈中的位置排列方式如圖3.2所示。主機CPU224模塊1EM221 DI8DC24V模塊2EM221 DI8DC24V模塊2EM222 DO8DC24V圖3.2 各模塊鏈圖表3.6所列為其對應(yīng)的各模塊編址情況。表3.6 各模塊編址主機I/OCPU224模塊1I/OEM221模塊2I/OEM221模塊3I/OEM222I0.0Q0.0I2.0I3.0Q2.0I0.1Q0.1I2.1I3.1Q2.1I0.2Q0.2I2.2I3.2Q2.2I0.3Q0.3I2.3I3.3Q2.3I0.4Q0.4I2.4I3.4Q2.4I0.5Q0.5I2.5I3.5Q2.5I0.6Q0.6I2.6I3.6Q2.6I0.7Q0.7I2.7I3.7Q2.7I1.0Q1.0I1.1Q1.1I1.2I1.3I1.4I1.5第4章 軟件設(shè)計4.1 機械手1控制程序機械手1位于高位，I2.2=1；位于右位，I2.4=1；不在上升狀態(tài)，Q0.2=0；不在左旋狀態(tài)，Q0.3=0。啟動機械手1下降，Q0.0=0；并且使M0.2=1。機械手1處于下降狀態(tài)，Q0.0=1；位于右位，I2.4=1；位于低位，I2.0=1。機械手下降到位，使Q0.0=0；啟動機械手1夾緊物品，Q0.1=1。機械手1處于夾緊狀態(tài)，Q0.1=1；位于右位，I2.4=1；位于低位，I2.0=1；非上升狀態(tài)，Q0.2=0。啟動定時器T53，定時5秒。定時時間到，T53=1；位于右位，I2.4=1；位于低位，I2.0=1；非下降狀態(tài)，Q0.0=0；啟動機械手上升，Q0.2=1。機械手1處于上升狀態(tài)，Q0.2=1；位于右位，I2.4=1；位于高位，I2.2=1；停止機械手1上升，Q0.2=0。并且機械手1非右旋，Q0.4=0，啟動機械手1左旋，Q0.3=1。機械手1處于左旋狀態(tài)，Q0.3=1；位于高位，I2.2=1；位于左位，I2.3=1。停止機械手1左旋，Q0.3=0。并且機械手1非上升狀態(tài)，Q0.2=0。啟動機械手1下降，Q0.0=1。機械手1處于下降狀態(tài)，Q0.0=1；位于左位，I2.3=1；位于低位，I2.0=1。機械手下降到位，使Q0.0=0；啟動機械手1松開物品，Q0.1=0。機械手1處于松開物品狀態(tài)，Q0.1=0；位于左位，I2.3=1；位于低位，I2.0=1；非上升狀態(tài)，Q0.2=0。啟動定時器T54，定時5秒。定時時間到，T54=1；位于左位，I2.3=1；位于低位，I2.0=1；非下降狀態(tài)，Q0.0=0；啟動機械手上升，Q0.2=1。機械手1處于上升狀態(tài)，Q0.2=1；位于左位，I2.3=1；位于高位，I2.2=1；停止機械手1上升，Q0.2=0。并且機械手1非左旋，Q0.3=0，啟動機械手1右旋，Q0.4=1。機械手1處于右旋狀態(tài)，Q0.4=1；位于高位，I2.2=1；位于右位，I2.4=1。停止機械手1右旋，Q0.4=0，并使M0.2=0。4.2 機械手2控制程序機械手2位于高位，I2.7=1；位于右位，I3.1=1；不在上升狀態(tài)，Q0.7=0；不在左旋狀態(tài)，Q1.0=0。啟動機械手2下降，Q0.5=0；并且使M0.3=1。機械手2處于下降狀態(tài)，Q0.5=1；位于右位，I3.1=1；位于低位，I2.5=1。機械手2下降到位，使Q0.5=0；啟動機械手2夾緊物品，Q0.6=1。機械手2處于夾緊狀態(tài)，Q0.6=1；位于右位，I3.1=1；位于低位，I2.5=1；非上升狀態(tài)，Q0.7=0。啟動定時器T55，定時5秒。定時時間到，T55=1；位于右位，I3.1=1；位于低位，I2.5=1；非下降狀態(tài)，Q0.5=0；啟動機械手2上升，Q0.7=1。機械手2處于上升狀態(tài)，Q0.7=1；位于右位，I3.1=1；位于高位，I2.7=1；停止機械手2上升，Q0.7=0。并且機械手2非右旋，Q1.1=0，啟動機械手2左旋，Q1.0=1。機械手2處于左旋狀態(tài)，Q1.0=1；位于高位，I2.7=1；位于左位，I3.0=1。停止機械手2左旋，Q1.0=0。并且機械手2非上升狀態(tài)，Q0.7=0。啟動機械手2下降，Q0.5=1。機械手2處于下降狀態(tài)，Q0.5=1；位于左位，I3.0=1；位于低位，I2.5=1。機械手2下降到位，使Q0.5=0；啟動機械手1松開物品，Q0.6=0。機械手2處于松開物品狀態(tài)，Q0.6=0；位于左位，I3.0=1；位于低位，I2.5=1；非上升狀態(tài)，Q0.7=0。啟動定時器T56，定時5秒。定時時間到，T56=1；位于左位，I3.0=1；位于低位，I2.5=1；非下降狀態(tài)，Q0.5=0；啟動機械手上升，Q0.7=1。機械手2處于上升狀態(tài)，Q0.7=1；位于左位，I3.0=1；位于高位，I2.7=1；停止機械手2上升，Q0.7=0。并且機械手2非左旋，Q1.0=0，啟動機械手2右旋，Q1.1 =1。機械手2處于右旋狀態(tài)，Q1.1=1；位于高位，I2.7=1；位于右位，I3.1=1。停止機械手2右旋，Q1.1 =0，并使M0.3=0。4.3 機械手3控制程序機械手3位于高位，I3.4=1；位于右位，I3.6=1；不在上升狀態(tài)，Q2.2=0；不在左旋狀態(tài)，Q2.3=0。啟動機械手1下降，Q2.0=0；并且使M0.4=1。機械手3處于下降狀態(tài)，Q2.0 =1；位于右位，I3.6=1；位于低位，I3.2=1。機械手3下降到位，使Q2.0=0；啟動機械手3夾緊物品，Q2.1=1。機械手3處于夾緊狀態(tài)，Q2.1=1；位于右位，I3.6=1；位于低位，I3.2=1；非上升狀態(tài)，Q2.2=0。啟動定時器T57，定時5秒。定時時間到，T57=1；位于右位，I3.6=1；位于低位，I3.2=1；非下降狀態(tài)，Q2.0=0；啟動機械手3上升，Q2.2=1。機械手3處于上升狀態(tài)，Q2.2=1；位于右位，I3.6=1；位于高位，I3.4=1；停止機械手3上升，Q2.2=0。并且機械手3非右旋，Q2.4=0，啟動機械手3左旋，Q2.3=1。機械手3處于左旋狀態(tài)，Q2.3=1；位于高位，I3.4=1；位于左位，I3.5=1。停止機械手3左旋，Q2.3=0。并且機械手3非上升狀態(tài)，Q2.2=0。啟動機械手3下降，Q2.0=1。機械手3處于下降狀態(tài)，Q2.0=1；位于左位，I3.5=1；位于低位，I3.2=1。機械手3下降到位，使Q2.0=0；啟動機械手3松開物品，Q2.1=0。機械手3處于松開物品狀態(tài)，Q2.1=0；位于左位，I3.5=1；位于低位，I3.2=1；非上升狀態(tài)，Q2.2=0。啟動定時器T58，定時5秒。定時時間到，T58=1；位于左位，I3.5=1；位于低位，I3.2=1；非下降狀態(tài)，Q2.0=0；啟動機械手3上升，Q2.2=1。機械手3處于上升狀態(tài)，Q2.2=1；位于左位，I3.5=1；位于高位，I3.4=1；停止機械手1上升，Q2.2=0。并且機械手3非左旋，Q2.3=0，啟動機械手3右旋，Q2.4=1。機械手3處于右旋狀態(tài)，Q2.4=1；位于高位，I3.4=1；位于右位，I3.6=1。停止機械手3右旋，Q2.4=0，并使M0.4=0。4.4 機械手群主程序啟動按鈕按下，I0.0=1；手動/自動按鈕I0.2=1；系統(tǒng)停止輔助繼電器，M0.5=0。機械手群自動方式有效，M0.0=1。停止按鈕按下，I0.1=1；機械手1未動作，M0.2=0；機械手2未動作，M0.3=0；機械手3未動作，M0.4=0；工作臺B上無物品，I1.2=0；工作臺C上無物品，I1.3=0；機械手群系統(tǒng)停止，M0.5=1。機械手群自動方式有效，M0.0=1；機械手1未動作，M0.2=0；機械手2未動作，M0.3=0；機械手3未動作，M0.4=0；工作臺A上有物品，I0.7=1；工作臺B上無物品，I1.2=0；工作臺C上無物品，I1.3=0；啟動定時器T60，計時5秒。T60計時時間到，T60=1。調(diào)用機械手1控制程序。機械手群自動方式有效，M0.0=1；機械手1未動作，M0.2=0；機械手2未動作，M0.3=0；機械手3未動作，M0.4=0；工作臺B上有物品，I1.2=1；啟動定時器T61，計時5秒。T61計時時間到，T61=1。調(diào)用機械手2控制程序。機械手群自動方式有效，M0.0=1；機械手1未動作，M0.2=0；機械手2未動作，M0.3=0；機械手3未動作，M0.4=0；工作臺C上有物品，I1.3=1；啟動定時器T62，計時5秒。T62計時時間到，T62=1。調(diào)用機械手3控制程序。啟動按鈕按下，I0.0=1；手動/自動按鈕I0.2=0；系統(tǒng)停止輔助繼電器，M0.5=0。機械手群手動方式有效，M0.1=1。機械手群手動方式有效，M0.1=1；機械手1啟動按鈕I0.3=