2858 機(jī)械手PLC系統(tǒng)設(shè)計

2858 機(jī)械手PLC系統(tǒng)設(shè)計,機(jī)械手,plc,系統(tǒng),設(shè)計 分 類 號 密 級 XX 學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )機(jī)械手的 PLC 控制所 在 學(xué) 院專 業(yè)班 級姓 名學(xué) 號指 導(dǎo) 老 師年 月 日2誠 信 承 諾我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文機(jī)械手的 PLC 控制均系本人獨(dú)立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋，若有不實(shí)，后果由本人承擔(dān)。承諾人（簽名）： 年 月 3目 錄目 錄 .3摘 要 .5Abstract.6第一章 前言 .71.1 研究的目的及意義 .71.2 機(jī)械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 .81.3 主要研究的內(nèi)容 .81.4 解決的關(guān)鍵問題 .9第二章 可編程控制 PLC .92.1 PLC 簡介 .92.2 PLC 的基本組成及各部分作用 .112.2.1 中央處理單元(CPU) .112.2.2 存儲器 .122.2.3 I/0 單元 .122.2.4 電源部分 .132.2.5 擴(kuò)展接口 .132.2.6 通信接口 .132.2.7 編程器 .13第三章 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇 .203.1 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇 .203.2 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的控制設(shè)計 .213.3 元件選取及工作原理 .223.3.1 氣源裝置 .223.3.2 執(zhí)行元件 .233.3.3 控制元件 .243.3.4 輔助元件 .2543.3.5 真空發(fā)生器 .263.3.6 吸盤 .263.4 回路的工作原理 .26第四章 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計 .304.1 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) .304.2 控制系統(tǒng)的性能要求 .304.3 傳感器的選擇 .314.3.1 位置檢測裝置 .314.3.2 滑覺傳感器 .314.3.3 視覺傳感器 .324.4 控制系統(tǒng) PLC 的選型及控制原理 .334.4.1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 .334.4.2 PLC 種類及型號選擇 .384.4.3 I/O 點(diǎn)數(shù)分配 .384.4.4 PLC 外部接線圖 .394.4.5 機(jī)械手控制原理 .404.5 PLC 程序設(shè)計 .424.5.1 總體程序框圖 .424.5.2 初始化及報警程序 .444.5.3 手動控制程序 .454.5.4 自動控制程序 .47第五章 總結(jié)與展望 .50參考文獻(xiàn) .51致 謝 .52附 錄 .53附錄 1 程序流程圖 .53附錄 2 順序功能圖 .56附錄 3 梯形圖 .57附錄 4 指令表 .595摘 要機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、等機(jī)械器件組成；電氣方面有交流電機(jī)、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(jī)電一體化的典型代表儀器之一。本文介紹的機(jī)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(jī)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(jī)；位置信號由接近開關(guān)反饋給 PLC 主機(jī)，通過交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制機(jī)械手手爪的張合，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手精確運(yùn)動的功能。本課題擬開發(fā)的物料搬運(yùn)機(jī)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(jìn)行作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化及運(yùn)動流程的要求隨時更改相關(guān)參數(shù)。本文在縱觀了近年來機(jī)械手發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)械手方面的設(shè)計，對機(jī)械手技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，提出了用驅(qū)動和 PLC 控制的設(shè)計方案。采用整體化的設(shè)計思想，充分考慮了軟、硬件各自的特點(diǎn)并進(jìn)行互補(bǔ)優(yōu)化。對機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計。在其驅(qū)動系統(tǒng)中采用驅(qū)動，控制系統(tǒng)中選擇 PLC 的控制單元來完成系統(tǒng)功能的初始化、機(jī)械手的移動、故障報警等功能。最后提出了一種簡單、易于實(shí)現(xiàn)、理論意義明確的控制策略。通過以上部分的工作，得出了經(jīng)濟(jì)型、實(shí)用型、高可靠型機(jī)械手的設(shè)計方案，對其他經(jīng)濟(jì)型 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計也有一定的借鑒價值。關(guān)鍵詞: 機(jī)械手，交流電機(jī),可編程控制器（PLC） ，自動化控制， 。6Abstract Manipulator industrial robot systems traditional mandate, Robot is one of the key components. Manipulator using the mechanical structure of screw-ball, slider, and other mechanical devices composition; Electric have AC motor, inverter, sensor, and other electronic device components. The device covers a programmable control technology, position control technology, detection technology, Mechatronics is a typical representative of one of the machines. This paper presents a manipulator by three PLC output pulse, driving horizontal, the vertical axis transducer, control manipulator axis horizontal and vertical positioning precision, micro-switches position signal transmission will host PLC; location close to the switching signal from the feedback from the mainframe to the PLC, through the exchange of Motor reversion to control the manipulator gripper Zhang, thus achieving accurate manipulator movement functions. The topics to be developed by the Manipulator grasping be up in space objects, movements flexible, diverse, can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations, According to the workpiece can change the campaign process and the requirements of any changes to the relevant parameters. In this paper, by reviewing the developmental status of the manipulator in recent years, combining the design of manipulator and systematic analyzing technology of the manipulator, We proposed the design scheme that the manipulator was driven by the pneumatic and the system was controlled by PLC. Integrative idea was adopted in this design to fully consider the characteristics of the software and hardware and complementary optimization. We analyzed and designed the overall structure, the implementation of structural, driving system and control system of the manipulator. We used pneumatic-driven in the driving system, PLC control unit in the control system to complete initialization of the system, manipulators moving, failure alarm and so on. Finally we put forward a control strategy which is simple, easy to realize, and clear theoretical significance. Through the work above, a practical, economical, high-reliability sorting material manipulator was designed, which also had certain reference value for the other types of economical PLC control system design. 7Key words: manipulator ；AC motor ； programmable logic controller (PLC)； automatic control；sorting material8第一章 前言1.1 研究的目的及意義工業(yè)機(jī)械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。工業(yè)機(jī)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(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。機(jī)械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動化設(shè)備更新時的需要，可以大量代替單調(diào)往復(fù)或高精度需求的工作，在先進(jìn)制造領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運(yùn)貨物、分揀物品、代替人的繁重勞動?？梢詫?shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在高溫、腐蝕及有毒氣體等環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門?？删幊炭刂破?PLC)是以中央處理器為核心，綜合了計算機(jī)和自動控制等先進(jìn)技術(shù)，具有可靠性高、功能完善、組合靈活、編程簡單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前在機(jī)械手控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式。使用PLC的自動控制系統(tǒng)具有體積小，可靠高，故障率低，動作精度高等優(yōu)點(diǎn)。適應(yīng)工業(yè)需要，本課題試圖開發(fā)PLC對機(jī)械手的控制，并借助必要的精密傳感器，使其能夠?qū)Σ煌伾奈锪习搭A(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行分揀，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性生產(chǎn)線。采用PLC控制，是一種預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行的自動化裝置，可部分代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進(jìn)行單調(diào)持久的作業(yè)，并且在產(chǎn)品變化或臨時需要對機(jī)械手進(jìn)行新的分配任務(wù)時，可以允許方便的改動或重新設(shè)計其新部件，而對于位置改變時，只要重新編程，并能很快地投產(chǎn)，降低安裝和轉(zhuǎn)換工作的費(fèi)用。本設(shè)計主要完成機(jī)械手的硬件部分與軟件部分設(shè)計。主要包括執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計。1.2 機(jī)械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢機(jī)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(yùn)。機(jī)械手延9伸和擴(kuò)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(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動搬運(yùn)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(jī)集成制造系統(tǒng)，實(shí)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(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。目前，國際上的機(jī)械手公司主要分為日系和歐系。日系中主要有安川、oTC 、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的 C0毗U及奧地利的工GM公司。我國機(jī)械手起步于 20 世紀(jì) 70 年代初期，經(jīng)過 30 多年發(fā)展，大致經(jīng)歷了 3 個階段：70 年代萌芽期，80 年代的開發(fā)期和 90 年代的應(yīng)用化期。在我國，機(jī)械手市場份額大部分被國外機(jī)械手企業(yè)占據(jù)著。在國際強(qiáng)手面前，國內(nèi)的機(jī)械手企業(yè)面臨著相當(dāng)大的競爭壓力。如今我國正從一個“制造大國”向“制造強(qiáng)國”邁進(jìn)，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，對我國工業(yè)自動化的提高迫在眉睫，政府務(wù)必會加大對機(jī)器人的資金投入和政策支持，將會給機(jī)械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動力。1.3 主要研究的內(nèi)容隨著機(jī)械手技術(shù)的飛速發(fā)展和機(jī)械手應(yīng)用領(lǐng)域的不斷深化，不僅要求其控制可靠性強(qiáng)、使用靈活性高和操作靈活性好，還要其成本低、可開發(fā)經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。本論文主要研究機(jī)械手以下幾個方面的內(nèi)容：要求獨(dú)立完成工業(yè)機(jī)械手 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試。(1) 如圖所示，有兩部機(jī)械對工作物進(jìn)行加工，加工位置分別是 A 點(diǎn)、B 點(diǎn)，要求由機(jī)械手臂將加工物從 A 點(diǎn)送至 B 點(diǎn)。(2) 手動操作，每個動作均能單獨(dú)操作，用于將機(jī)械手復(fù)歸至原點(diǎn)位置；(3) 連續(xù)運(yùn)行，在原點(diǎn)位置按起動按鈕時，機(jī)械手按圖連續(xù)工作一個周期，一個周期的工作過程如下：原點(diǎn)下降夾緊（T）上升右移下降放松（ T）上升左移到原點(diǎn)。10任務(wù)要求：(1)PLC 外部接線圖，以及其它相關(guān)設(shè)備的電氣圖；PLC 編程元件明細(xì)表，應(yīng)包含定時器、計數(shù)器等元件的設(shè)定值；(2)完整的程序資料，應(yīng)包括 PLC 工序圖、梯形圖、指令表等 3 種格式的程序及注解；1.4 解決的關(guān)鍵問題1 機(jī)械手的控制系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)的電路和控制程序，并解決工件和控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問題。2 元件的匹配規(guī)則和知識的獲取及其表達(dá)形式。3 傳感器的類型選擇。第二章 可編程控制 PLC2.1 PLC 簡介PLC（Programmable Logic Controller） ，是可編程邏輯控制器。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。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller,PLC） ，它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種采用微型計算機(jī)技術(shù)的 工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱 PC。但是為了避免與個人計算機(jī)（Personal 11Computer）的簡稱混淆，所以將可編程序控制器簡稱 PLC,plc 自 1969 年美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司（DEC）研制出現(xiàn)，現(xiàn)行美國，日本，德國的可編程 序控制器質(zhì)量優(yōu)良，功能強(qiáng)大。世界上公認(rèn)的第一臺 PLC 時 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制的。限于當(dāng)時的元件條件及計算機(jī)發(fā)展水平，早期的 PLC 主要分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)等功能。20 世紀(jì) 70 年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使 PLC 增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，成為真正具有計算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運(yùn)算及處理的計算機(jī)存儲元件都以繼電器命名。因而人們稱可編程控制器為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。20 世紀(jì) 70 年代中末期，可編程控制器進(jìn)入了實(shí)用化發(fā)展階段，計算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型的體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運(yùn)算、PID 功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20 世紀(jì) 80 年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得了廣泛的應(yīng)用。例如，在世界第一臺可編程控制器的誕生地美國，1982 年的統(tǒng)計數(shù)字顯示，大量應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)廠家占美國重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)廠家總數(shù)的 82%，可編程控制器的應(yīng)用數(shù)量已位于眾多的工業(yè)自控設(shè)備之首。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。這個階段的另一個特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。許多可編程控制器的生產(chǎn)廠家已聞名于全世界。20 世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)控制的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機(jī)及超小型機(jī)；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元，通訊單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都的到了長足的發(fā)展。.2.2 PLC 的基本組成及各部分作用PLC 是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機(jī)系統(tǒng)基本相同。按結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC 可分為整體式和組合式兩類。12整體式 PLC 是將中央處理單元(CPU)、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機(jī)。另外還有獨(dú)立的 1/0 擴(kuò)展單元與主機(jī)配合使用。主機(jī)中，CPU 是 PLC 的核心，1/0 單元是連接 CPU 與現(xiàn)場設(shè)備之間的接口電路，通信接口用于 PLC 與編程器和上位機(jī)等外部設(shè)備的連接。組合式 PLC 將 CPU 單元、輸入單元、輸出單元、智能 1/0 單元、通信單元等分別做成相應(yīng)的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯(lián)系。裝有 CPU 單元的底板稱為 CPU 底板，其它稱為擴(kuò)展底板。CPU 底板與擴(kuò)展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過 10m.無論哪種結(jié)構(gòu)類型的 PLC，都可以根據(jù)需要進(jìn)行配置與組合。2.2.1 中央處理單元(CPU)CPU 在 PLC 中的作用類似于人體的神經(jīng)中樞，它是 PLC 的運(yùn)算、控制中心。它按照系統(tǒng)程序所賦予的功能，完成以下任務(wù):(1) 接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)；(2) 診斷電源、PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程的語法錯誤;(3) 用掃描的方式接收輸入信號，送入 PLC 的數(shù)據(jù)寄存器保存起來;(4) PLC 進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，根據(jù)存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進(jìn)行解 釋和執(zhí)行，完成用戶程序中規(guī)定的各種操作;(5) 將用戶程序的執(zhí)行結(jié)果送至輸出端。2.2.2 存儲器根據(jù)存儲器在系統(tǒng)中的作用，可以把它們分為以下 3 種:系統(tǒng)程序存儲器:和各種計算機(jī)一樣，PLC 也有其固定的監(jiān)控程序、解釋程序，它們決定了 PLC 的功能，稱為系統(tǒng)13程序，系統(tǒng)程序存儲器就是用來存放這部分程序的。系統(tǒng)程序是不能由用戶更改的，故所使用的存儲器為只讀存儲器 ROM 或 EPROM.用戶程序存儲器:用戶根據(jù)控制功能要求而編制的應(yīng)用程序稱為用戶程序，用戶程序存放在用戶程序存儲器中。由于用戶程序需要經(jīng)常改動、調(diào)試，故用戶程序存儲器多為可隨時讀寫的 RAM。由于 RAM 掉電會丟失數(shù)據(jù)，因此使用 RAM 作用戶程序存儲器的 PLC，都有后備電池(鏗電池)保護(hù) RAM，以免電源掉電時，丟失用戶程序。當(dāng)用戶程序調(diào)試修改完畢，不希望被隨意改動時，可將用戶程序?qū)懭?EPROM.目前較先進(jìn)的 PLC(如歐姆龍公司的 CPMIA 型 PLC)采用快閃存儲器作用戶程序存儲器，快閃存儲器可隨時讀寫，掉電時數(shù)據(jù)不會丟失，不需用后備電池保護(hù)。工作數(shù)據(jù)存儲器:工作數(shù)據(jù)是經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲在 RAM 中，以適應(yīng)隨機(jī)存取的要求。在 PLC 的工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)，開辟有元件映象寄存器和數(shù)據(jù)表。元件映象寄存器用來存儲 PLC 的開關(guān)量輸入/輸出和定時器、計數(shù)器、輔助繼電器等內(nèi)部繼電器的 ON/OFF 狀態(tài)。數(shù)據(jù)表用來存放各種數(shù)據(jù)，它的標(biāo)準(zhǔn)格式是每一個數(shù)據(jù)占一個字。它存儲用戶程序執(zhí)執(zhí)行時的某些可變參數(shù)值，如定時器和計數(shù)器的當(dāng)前值和設(shè)定值。它還用來存放 A/0 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字和數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果等。根據(jù)需要，部分?jǐn)?shù)據(jù)在停電時用后備電池維持其當(dāng)前值，在停電時可保持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲器區(qū)域稱為數(shù)據(jù)保持區(qū)。2.2.3 I/0 單元I/0 單元也稱為 I/0 模塊。PLC 通過 I/0 單元與工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場相聯(lián)系。輸入單元接收用戶設(shè)備的各種控制信號，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器的信號。通過接口電路將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處理器能能夠識別和處理的信號，并存到輸入映像寄存器。運(yùn)行時 CPU 從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進(jìn)行處理，將處理結(jié)果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點(diǎn)對應(yīng)的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強(qiáng)電信號輸出，以驅(qū)動電磁閥、接觸器、指示燈被控設(shè)備的執(zhí)行元件.2.2.4 電源部分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 的直流電源，使 PLC 能正常工作。電源部件的位置形式可有多種，對于整體式結(jié)構(gòu)的 CPU，通常電源封裝到機(jī)殼內(nèi)部;對于模塊式 PLC，有的采用單獨(dú)電源模塊，有的將電源與 CPU 封裝到一個模塊中。142.2.5 擴(kuò)展接口擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)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。2.2.6 通信接口為了實(shí)現(xiàn)“人一機(jī)”或“機(jī)一機(jī)”之間的對話，PLC 配有多種通信接口。PLC 通過這些通信接口可以與監(jiān)視器、打印機(jī)和其他的 PLC 或計算機(jī)相連。當(dāng) PLC 與打印機(jī)相連時，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印;當(dāng)與監(jiān)視器相連時 .可將過程圖像顯示出來;當(dāng)與其他 PLC 相連時，可以組成多機(jī)系統(tǒng)或連成網(wǎng)路，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的控制; 當(dāng)與計算機(jī)相連時，可以組成多級控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制與管理相結(jié)合的綜合性控制。2.2.7 編程器編程器的作用是提供用戶進(jìn)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(jī)編程，且往往需要將梯形圖轉(zhuǎn)化為機(jī)器語言助記符后，才能輸入。它一般由簡易鍵盤和發(fā)光二級管或其他顯示管件組成。智能型的編程器又稱為圖形編程器，它可以聯(lián)機(jī)編程，也可以脫機(jī)編程，具有 LCD 或 CRL圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過屏幕對話。還可以利用 PC 作為編程器，PLC 生產(chǎn)廠家配有相應(yīng)的編程軟件，使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、語句表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實(shí)現(xiàn)不同編程語言的互相轉(zhuǎn)換。程序被下載到 PLC，也可以將 PLC 中的程序上傳到計算機(jī)。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡(luò)，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送?，F(xiàn)在很多 PLC 已不再提供編程器，而是提供微機(jī)編程軟件了，并且配有相應(yīng)的通信連接電纜。2.3 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時日常維護(hù)也變得容易起來，更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序而改變生產(chǎn)過程成為可能。這特別適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。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(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況主要分為如下幾類:(1)開關(guān)量邏輯控制15取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于控制單臺設(shè)備，也可用于多機(jī)群控及自動化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。(2)工業(yè)過程控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，存在一些如溫度、壓力、流量、液位和速度等連續(xù)變化的量(即模擬量)，PLC 采用相應(yīng)的 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊及各種各樣的控制算法程序來處理模擬量，完成閉環(huán)控制。PID 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的一種調(diào)節(jié)方法。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。(3)運(yùn)動控制PLC 可以用于圓周運(yùn)動或直線運(yùn)動的控制。一般使用專用的運(yùn)動控制模塊，如可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場合。(4)數(shù)據(jù)處理PLC 具有數(shù)學(xué)運(yùn)算(含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)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。數(shù)據(jù)處理一般用于如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。(5)通信及聯(lián)網(wǎng)PLC 通信包括 PLC 間的通信及 PLC 與其它智能設(shè)備間的通信。隨著工廠自動化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，現(xiàn)在的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。但是，可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計編制。2.4 PLC 的工作原理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地響應(yīng)隨時可能變化的輸入信號，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，可如上圖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 個階段。可編程序控制器的 這種周而復(fù)16始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計算機(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完成的。在內(nèi)部處理聯(lián)合階段。可編程序控制器檢查 CPU 模塊內(nèi)部的硬件是否正常， 將監(jiān)控定時器復(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，只執(zhí)行以上的操作?？删幊绦蚩刂破鹛幱冢≧UN）狀態(tài)時，還要完成另 外 3 個階段的操作。在可編程序控制器的存儲器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信 號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器?？删幊绦蚩刂破魈?形圖中別的編程元件也有對應(yīng)的映像存儲區(qū)，它們統(tǒng)稱為元件映像寄存器。在輸 入處理階段，可編程序控制器把所有外部輸入電路的接通/斷開（ON/OFF）狀態(tài) 讀入輸入寄存器。外接的輸入觸點(diǎn)電路接通時，對應(yīng)的輸入映像寄存器為“1”狀態(tài)，梯形圖 中對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開。外接的輸入觸點(diǎn)電路斷開， 對應(yīng)的輸入映像寄存器為“0”狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點(diǎn)斷 開，常閉觸點(diǎn)接通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸 入映像寄存器的狀態(tài) 也不會隨之而變，輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個掃 描周期的輸入處理階段被讀入。可編程序控制器的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按步序號順 序排列。在沒有跳轉(zhuǎn)指令時，CPU 從第一條指令開始，逐條順序的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束之處。在執(zhí)行指令時，從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器中將有關(guān)編程元件的 0/1 狀態(tài)讀出來，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)寫入到對應(yīng)的元件映像寄存器中，因此，各編程元件的映像寄存器（輸入映像寄存器除外）的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。在輸出處理階段，CPU 將輸出映像寄存器的 0/1 狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。體 型圖某一輸出繼電器的線圈“通電”時，對應(yīng)的輸出映像寄存器為“1”狀態(tài)。 信號經(jīng)輸出模塊隔離 和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的 線圈通電，其常開觸點(diǎn)閉合，使外部負(fù)載通電工作。若梯形圖中輸出繼電器線圈斷電對應(yīng)的輸出映像寄存器為“0”狀態(tài)，在輸 出處理階段后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點(diǎn) 斷開，外部負(fù)載斷電，停止工作。某一編程元件對應(yīng)的映像寄存器為“1”狀態(tài) 時，稱該編程元件為 ON，映像寄存器為17“0”狀態(tài)時，稱該編程元件為 OFF。（1）輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC 以掃描方式依次讀入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)它們存入 I/O 映象區(qū)的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序行和輸出刷新 階段。在這兩個階段中，即使輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化 I/O 映象區(qū)的相應(yīng)單元的 數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會改變。所以輸入如果是脈沖信號，它的寬度必須大于一個掃描 周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。（2）用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC 的 CPU 總是由上而下，從左到右的順序依次的掃描梯形圖。并對控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并以此刷新該邏輯線圈或輸出線圈在系 統(tǒng) RAM 存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)?；蛘叽_定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能 指令。例如：算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達(dá)等。（3）輸出刷新階段在輸出刷新階段，CPU 按照 I/O 映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有的數(shù)據(jù) 鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動響應(yīng)的外設(shè)。這時才是 PLC 真正的輸出。(4)輸入/輸出滯后時間 輸入/輸出滯后時間又稱系統(tǒng)響應(yīng)時間，是指可編程序控制器的外部輸入信號,發(fā)生變化的時刻至它控制的有關(guān)外部輸出信號發(fā)生變化的時刻之間的時間間隔，它由輸入電路濾波時間、輸出電路的滯后時間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時間 三部分組成。輸入模塊的 CPU 濾波電路用來濾除由輸入端引入的干擾噪聲，消除因外接輸 入觸點(diǎn)動作是產(chǎn)生的抖動引起的不良影響，濾波電路的時間常數(shù)決定了輸入濾波 時間的長短，其典型值為 10ms 左右。輸出模塊的滯后時間與模塊的類型有關(guān)，繼電器型輸出電路的滯后時間一般 在 10ms 左右；雙向可空硅型輸出電路在負(fù)載接通時的滯后時間約為 1ms，負(fù)載 由導(dǎo)通到斷開時的最大滯后時間為 10ms；晶體管型輸出電路的滯后時間約為 1ms。由掃描工作方式引起的滯后時間最長可達(dá)到兩個多掃描周期?？删幊绦蚩?制器總的響應(yīng)延遲時間一般只有幾十 ms，對于一般的系統(tǒng)是無關(guān)緊要的。要求 輸入輸出信號之間的滯后時間盡量短的系統(tǒng)，可以選用掃描速度快的可編程序 控制器或采取其他措施。2.5 PLC 機(jī)型的選擇方法2.5.1 PLC的類型18PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類， 按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩 類 ；按 CPU 字 長 分 為 1 位 、 4 位 、 8 位 、 16 位 、 32 位 、 64 位 等 。 從 應(yīng) 用 角 度 出 發(fā)， 通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c(diǎn)數(shù)選型 。 整體型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)固定 ， 因此 用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)； 模塊型 PLC提供多種 I/O卡件或插卡 ， 因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)， 功能擴(kuò)展方便靈活， 一般 用于大中型控制系統(tǒng)。2輸入輸出模塊的選擇輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。 例如對輸入模塊， 應(yīng)考慮信 號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應(yīng)用要求。對輸出模塊， 應(yīng) 考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣 、 壽命短、 響應(yīng)時間較長等特點(diǎn) ； 可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁， 電感性低功率 因數(shù)負(fù)荷場合， 但價格較貴 ， 過載能力較差 。 輸出模塊還有直流輸出、 交流輸出 和模擬量輸出等， 與應(yīng)用要求應(yīng)一致。 可根據(jù)應(yīng)用要求， 合理選用智能型輸入輸 出模塊， 以便提高控制水平和降低應(yīng)用成本。 考慮是否需要擴(kuò)展機(jī)架或遠(yuǎn)程I/O 機(jī)架等。3.電源的選擇PLC的供電電源， 除了引進(jìn)設(shè)備時同時引進(jìn) PLC應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè)計 和選用外， 一般 PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計選用 220VAC電源， 與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致 。 重要的應(yīng)用場合， 應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。 如果 PLC本身帶有可使用 電源時， 應(yīng)核對提供的電流是否滿足應(yīng)用要求 ， 否則應(yīng)設(shè)計外接供電電源 。 為防 止外部高壓電源因誤操作而引入 PLC， 對輸入和輸出信號的隔離是必要的， 有時 也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。4.存儲器的選擇由于計算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展， 存儲器的價格已下降 ， 因此， 為保證應(yīng)用項(xiàng)目 的 正常投運(yùn)，一般要求 PLC的 存儲器容量，按 256 個 I/O 點(diǎn) 至少選 8K 存 儲器選 擇。需要復(fù)雜控制功能時，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲器。5.冗余功能的選擇a控制單元的冗余（1）重要的過程單元：CPU（包括存儲器）及電源均應(yīng)1B1冗余。（ 2） 在 需 要 時 也 可 選 用 PLC 硬 件 與 熱 備 軟 件 構(gòu) 成 的 熱 備 冗 余 系 統(tǒng) 、 2 重 化 或 3 重化冗余容錯系統(tǒng)等。19b I/O接口單元的冗余（1）控制回路的多點(diǎn)I/O卡應(yīng)冗余配置。（2）重要檢測點(diǎn)的多點(diǎn) I/O卡可冗余配置。3）根據(jù)需要對重要的 I/O信號， 可 選用 2重化或3重化的I/O接口單元。6.經(jīng)濟(jì)性的考慮選擇 PLC 時， 應(yīng)考慮性能價格比 。 考慮經(jīng)濟(jì)性時， 應(yīng)同時考慮應(yīng)用的可擴(kuò)展 性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進(jìn)行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品 。輸 入 輸 出 點(diǎn) 數(shù) 對 價 格 有 直 接 影 響 。 每 增 加 一 塊 輸 入 輸 出 卡 件 就 需 增 加 一 定 的 費(fèi) 用。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到某一數(shù)值后 ， 相應(yīng)的存儲器容量 、 機(jī)架、 母板等也要相應(yīng)增加 ， 估因此，點(diǎn)數(shù)的增加對 CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響 ， 在算和選用時應(yīng)充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。2.6 機(jī)械手 PLC選擇及參數(shù)綜合上述原則機(jī)械手控制系統(tǒng)主機(jī)為三菱的FX2N-48MR。1.主要技術(shù)數(shù)據(jù)如下： 2.工作電源：24VDC輸入點(diǎn)數(shù)：24輸出點(diǎn)數(shù)：24 輸入信號類型：直流或開關(guān)量 輸入電流：24VDC 5mA模擬輸入：-10V10V（-20mA+20mA） 輸出晶體管允許電流0.3A/點(diǎn)（1.2A/COM） 輸出電壓規(guī)格：30VDC最大負(fù)載：9W輸出反應(yīng)時間：OffOn 20s OnOff 30s 基本指令執(zhí)行時間：數(shù)個s 程序語言：指令+梯形圖+SFC程序容量：3792STEPS基本順序指令：32 個（含步進(jìn)梯形指令） 應(yīng)用指令：100種初始步進(jìn)點(diǎn)：S0S9 一般步進(jìn)點(diǎn)：20118點(diǎn)，S10S127輔助繼電器：一般用512+232點(diǎn)（M000M511+M768M999）停電保持用 256點(diǎn)（M512M767） 特殊用280點(diǎn)（M1000M1279）定時器：100ms時基64點(diǎn)（T0T63）10ms時基63點(diǎn)（T64T126，M1028為ON時）1ms時基1點(diǎn)（T127）計數(shù)器：一般用 112點(diǎn)（C000C111，16 位計數(shù)器） 停電保持用16點(diǎn)（C112C127，16位計數(shù)器）高速用13點(diǎn)1相5kHz， 2相2kHz （C235C254， 全部為停電保 持32位計數(shù)器）數(shù)據(jù)寄存器：一般用 408點(diǎn)（D000D407） 停電保持用 192 點(diǎn)（D408D599） 特殊用144點(diǎn)（D1000D1143）指針/中斷：P64 點(diǎn)；I4 點(diǎn)（P0P63/I001、I101、I201、I301） 串聯(lián)通信口：程序?qū)懭?讀出通訊口：RS232一般功能通訊口：RS485 主機(jī)電源220V AC2.PLC主機(jī)的組成1、輸入單元輸 入 單 元 由 8 個 按 扭 、 8 個 開 關(guān) 和 16 個 接 插 分 類 號 密 級 XX 學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )機(jī)械手的 PLC 控制所 在 學(xué) 院專 業(yè)班 級姓 名學(xué) 號指 導(dǎo) 老 師年 月 日2誠 信 承 諾我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文機(jī)械手的 PLC 控制均系本人獨(dú)立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋，若有不實(shí)，后果由本人承擔(dān)。承諾人（簽名）： 年 月 3目 錄目 錄 .3摘 要 .5Abstract.6第一章 前言 .71.1 研究的目的及意義 .71.2 機(jī)械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 .81.3 主要研究的內(nèi)容 .81.4 解決的關(guān)鍵問題 .9第二章 可編程控制 PLC .92.1 PLC 簡介 .92.2 PLC 的基本組成及各部分作用 .112.2.1 中央處理單元(CPU) .112.2.2 存儲器 .122.2.3 I/0 單元 .122.2.4 電源部分 .132.2.5 擴(kuò)展接口 .132.2.6 通信接口 .132.2.7 編程器 .13第三章 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇 .203.1 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇 .203.2 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的控制設(shè)計 .213.3 元件選取及工作原理 .223.3.1 氣源裝置 .223.3.2 執(zhí)行元件 .233.3.3 控制元件 .243.3.4 輔助元件 .2543.3.5 真空發(fā)生器 .263.3.6 吸盤 .263.4 回路的工作原理 .26第四章 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計 .304.1 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) .304.2 控制系統(tǒng)的性能要求 .304.3 傳感器的選擇 .314.3.1 位置檢測裝置 .314.3.2 滑覺傳感器 .314.3.3 視覺傳感器 .324.4 控制系統(tǒng) PLC 的選型及控制原理 .334.4.1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 .334.4.2 PLC 種類及型號選擇 .384.4.3 I/O 點(diǎn)數(shù)分配 .384.4.4 PLC 外部接線圖 .394.4.5 機(jī)械手控制原理 .404.5 PLC 程序設(shè)計 .424.5.1 總體程序框圖 .424.5.2 初始化及報警程序 .444.5.3 手動控制程序 .454.5.4 自動控制程序 .47第五章 總結(jié)與展望 .50參考文獻(xiàn) .51致 謝 .52附 錄 .53附錄 1 程序流程圖 .53附錄 2 順序功能圖 .56附錄 3 梯形圖 .57附錄 4 指令表 .595摘 要機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、等機(jī)械器件組成；電氣方面有交流電機(jī)、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(jī)電一體化的典型代表儀器之一。本文介紹的機(jī)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(jī)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(jī)；位置信號由接近開關(guān)反饋給 PLC 主機(jī)，通過交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制機(jī)械手手爪的張合，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手精確運(yùn)動的功能。本課題擬開發(fā)的物料搬運(yùn)機(jī)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(jìn)行作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化及運(yùn)動流程的要求隨時更改相關(guān)參數(shù)。本文在縱觀了近年來機(jī)械手發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)械手方面的設(shè)計，對機(jī)械手技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，提出了用驅(qū)動和 PLC 控制的設(shè)計方案。采用整體化的設(shè)計思想，充分考慮了軟、硬件各自的特點(diǎn)并進(jìn)行互補(bǔ)優(yōu)化。對機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計。在其驅(qū)動系統(tǒng)中采用驅(qū)動，控制系統(tǒng)中選擇 PLC 的控制單元來完成系統(tǒng)功能的初始化、機(jī)械手的移動、故障報警等功能。最后提出了一種簡單、易于實(shí)現(xiàn)、理論意義明確的控制策略。通過以上部分的工作，得出了經(jīng)濟(jì)型、實(shí)用型、高可靠型機(jī)械手的設(shè)計方案，對其他經(jīng)濟(jì)型 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計也有一定的借鑒價值。關(guān)鍵詞: 機(jī)械手，交流電機(jī),可編程控制器（PLC） ，自動化控制， 。6Abstract Manipulator industrial robot systems traditional mandate, Robot is one of the key components. Manipulator using the mechanical structure of screw-ball, slider, and other mechanical devices composition; Electric have AC motor, inverter, sensor, and other electronic device components. The device covers a programmable control technology, position control technology, detection technology, Mechatronics is a typical representative of one of the machines. This paper presents a manipulator by three PLC output pulse, driving horizontal, the vertical axis transducer, control manipulator axis horizontal and vertical positioning precision, micro-switches position signal transmission will host PLC; location close to the switching signal from the feedback from the mainframe to the PLC, through the exchange of Motor reversion to control the manipulator gripper Zhang, thus achieving accurate manipulator movement functions. The topics to be developed by the Manipulator grasping be up in space objects, movements flexible, diverse, can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations, According to the workpiece can change the campaign process and the requirements of any changes to the relevant parameters. In this paper, by reviewing the developmental status of the manipulator in recent years, combining the design of manipulator and systematic analyzing technology of the manipulator, We proposed the design scheme that the manipulator was driven by the pneumatic and the system was controlled by PLC. Integrative idea was adopted in this design to fully consider the characteristics of the software and hardware and complementary optimization. We analyzed and designed the overall structure, the implementation of structural, driving system and control system of the manipulator. We used pneumatic-driven in the driving system, PLC control unit in the control system to complete initialization of the system, manipulators moving, failure alarm and so on. Finally we put forward a control strategy which is simple, easy to realize, and clear theoretical significance. Through the work above, a practical, economical, high-reliability sorting material manipulator was designed, which also had certain reference value for the other types of economical PLC control system design. 7Key words: manipulator ；AC motor ； programmable logic controller (PLC)； automatic control；sorting material8第一章 前言1.1 研究的目的及意義工業(yè)機(jī)械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。工業(yè)機(jī)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(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。機(jī)械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動化設(shè)備更新時的需要，可以大量代替單調(diào)往復(fù)或高精度需求的工作，在先進(jìn)制造領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運(yùn)貨物、分揀物品、代替人的繁重勞動。可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在高溫、腐蝕及有毒氣體等環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門。可編程控制器(PLC)是以中央處理器為核心，綜合了計算機(jī)和自動控制等先進(jìn)技術(shù)，具有可靠性高、功能完善、組合靈活、編程簡單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前在機(jī)械手控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式。使用PLC的自動控制系統(tǒng)具有體積小，可靠高，故障率低，動作精度高等優(yōu)點(diǎn)。適應(yīng)工業(yè)需要，本課題試圖開發(fā)PLC對機(jī)械手的控制，并借助必要的精密傳感器，使其能夠?qū)Σ煌伾奈锪习搭A(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行分揀，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性生產(chǎn)線。采用PLC控制，是一種預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行的自動化裝置，可部分代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進(jìn)行單調(diào)持久的作業(yè)，并且在產(chǎn)品變化或臨時需要對機(jī)械手進(jìn)行新的分配任務(wù)時，可以允許方便的改動或重新設(shè)計其新部件，而對于位置改變時，只要重新編程，并能很快地投產(chǎn)，降低安裝和轉(zhuǎn)換工作的費(fèi)用。本設(shè)計主要完成機(jī)械手的硬件部分與軟件部分設(shè)計。主要包括執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計。1.2 機(jī)械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢機(jī)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(yùn)。機(jī)械手延9伸和擴(kuò)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(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動搬運(yùn)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(jī)集成制造系統(tǒng)，實(shí)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(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。目前，國際上的機(jī)械手公司主要分為日系和歐系。日系中主要有安川、oTC 、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的 C0毗U及奧地利的工GM公司。我國機(jī)械手起步于 20 世紀(jì) 70 年代初期，經(jīng)過 30 多年發(fā)展，大致經(jīng)歷了 3 個階段：70 年代萌芽期，80 年代的開發(fā)期和 90 年代的應(yīng)用化期。在我國，機(jī)械手市場份額大部分被國外機(jī)械手企業(yè)占據(jù)著。在國際強(qiáng)手面前，國內(nèi)的機(jī)械手企業(yè)面臨著相當(dāng)大的競爭壓力。如今我國正從一個“制造大國”向“制造強(qiáng)國”邁進(jìn)，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，對我國工業(yè)自動化的提高迫在眉睫，政府務(wù)必會加大對機(jī)器人的資金投入和政策支持，將會給機(jī)械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動力。1.3 主要研究的內(nèi)容隨著機(jī)械手技術(shù)的飛速發(fā)展和機(jī)械手應(yīng)用領(lǐng)域的不斷深化，不僅要求其控制可靠性強(qiáng)、使用靈活性高和操作靈活性好，還要其成本低、可開發(fā)經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。本論文主要研究機(jī)械手以下幾個方面的內(nèi)容：要求獨(dú)立完成工業(yè)機(jī)械手 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試。(1) 如圖所示，有兩部機(jī)械對工作物進(jìn)行加工，加工位置分別是 A 點(diǎn)、B 點(diǎn)，要求由機(jī)械手臂將加工物從 A 點(diǎn)送至 B 點(diǎn)。(2) 手動操作，每個動作均能單獨(dú)操作，用于將機(jī)械手復(fù)歸至原點(diǎn)位置；(3) 連續(xù)運(yùn)行，在原點(diǎn)位置按起動按鈕時，機(jī)械手按圖連續(xù)工作一個周期，一個周期的工作過程如下：原點(diǎn)下降夾緊（T）上升右移下降放松（ T）上升左移到原點(diǎn)。10任務(wù)要求：(1)PLC 外部接線圖，以及其它相關(guān)設(shè)備的電氣圖；PLC 編程元件明細(xì)表，應(yīng)包含定時器、計數(shù)器等元件的設(shè)定值；(2)完整的程序資料，應(yīng)包括 PLC 工序圖、梯形圖、指令表等 3 種格式的程序及注解；1.4 解決的關(guān)鍵問題1 機(jī)械手的控制系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)的電路和控制程序，并解決工件和控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問題。2 元件的匹配規(guī)則和知識的獲取及其表達(dá)形式。3 傳感器的類型選擇。第二章 可編程控制 PLC2.1 PLC 簡介PLC（Programmable Logic Controller） ，是可編程邏輯控制器。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。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller,PLC） ，它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種采用微型計算機(jī)技術(shù)的 工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱 PC。但是為了避免與個人計算機(jī)（Personal 11Computer）的簡稱混淆，所以將可編程序控制器簡稱 PLC,plc 自 1969 年美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司（DEC）研制出現(xiàn)，現(xiàn)行美國，日本，德國的可編程 序控制器質(zhì)量優(yōu)良，功能強(qiáng)大。世界上公認(rèn)的第一臺 PLC 時 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制的。限于當(dāng)時的元件條件及計算機(jī)發(fā)展水平，早期的 PLC 主要分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)等功能。20 世紀(jì) 70 年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使 PLC 增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，成為真正具有計算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運(yùn)算及處理的計算機(jī)存儲元件都以繼電器命名。因而人們稱可編程控制器為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。20 世紀(jì) 70 年代中末期，可編程控制器進(jìn)入了實(shí)用化發(fā)展階段，計算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型的體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運(yùn)算、PID 功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20 世紀(jì) 80 年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得了廣泛的應(yīng)用。例如，在世界第一臺可編程控制器的誕生地美國，1982 年的統(tǒng)計數(shù)字顯示，大量應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)廠家占美國重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)廠家總數(shù)的 82%，可編程控制器的應(yīng)用數(shù)量已位于眾多的工業(yè)自控設(shè)備之首。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。這個階段的另一個特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。許多可編程控制器的生產(chǎn)廠家已聞名于全世界。20 世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)控制的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機(jī)及超小型機(jī)；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元，通訊單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都的到了長足的發(fā)展。.2.2 PLC 的基本組成及各部分作用PLC 是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機(jī)系統(tǒng)基本相同。按結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC 可分為整體式和組合式兩類。12整體式 PLC 是將中央處理單元(CPU)、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機(jī)。另外還有獨(dú)立的 1/0 擴(kuò)展單元與主機(jī)配合使用。主機(jī)中，CPU 是 PLC 的核心，1/0 單元是連接 CPU 與現(xiàn)場設(shè)備之間的接口電路，通信接口用于 PLC 與編程器和上位機(jī)等外部設(shè)備的連接。組合式 PLC 將 CPU 單元、輸入單元、輸出單元、智能 1/0 單元、通信單元等分別做成相應(yīng)的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯(lián)系。裝有 CPU 單元的底板稱為 CPU 底板，其它稱為擴(kuò)展底板。CPU 底板與擴(kuò)展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過 10m.無論哪種結(jié)構(gòu)類型的 PLC，都可以根據(jù)需要進(jìn)行配置與組合。2.2.1 中央處理單元(CPU)CPU 在 PLC 中的作用類似于人體的神經(jīng)中樞，它是 PLC 的運(yùn)算、控制中心。它按照系統(tǒng)程序所賦予的功能，完成以下任務(wù):(1) 接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)；(2) 診斷電源、PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程的語法錯誤;(3) 用掃描的方式接收輸入信號，送入 PLC 的數(shù)據(jù)寄存器保存起來;(4) PLC 進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，根據(jù)存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進(jìn)行解 釋和執(zhí)行，完成用戶程序中規(guī)定的各種操作;(5) 將用戶程序的執(zhí)行結(jié)果送至輸出端。2.2.2 存儲器根據(jù)存儲器在系統(tǒng)中的作用，可以把它們分為以下 3 種:系統(tǒng)程序存儲器:和各種計算機(jī)一樣，PLC 也有其固定的監(jiān)控程序、解釋程序，它們決定了 PLC 的功能，稱為系統(tǒng)13程序，系統(tǒng)程序存儲器就是用來存放這部分程序的。系統(tǒng)程序是不能由用戶更改的，故所使用的存儲器為只讀存儲器 ROM 或 EPROM.用戶程序存儲器:用戶根據(jù)控制功能要求而編制的應(yīng)用程序稱為用戶程序，用戶程序存放在用戶程序存儲器中。由于用戶程序需要經(jīng)常改動、調(diào)試，故用戶程序存儲器多為可隨時讀寫的 RAM。由于 RAM 掉電會丟失數(shù)據(jù)，因此使用 RAM 作用戶程序存儲器的 PLC，都有后備電池(鏗電池)保護(hù) RAM，以免電源掉電時，丟失用戶程序。當(dāng)用戶程序調(diào)試修改完畢，不希望被隨意改動時，可將用戶程序?qū)懭?EPROM.目前較先進(jìn)的 PLC(如歐姆龍公司的 CPMIA 型 PLC)采用快閃存儲器作用戶程序存儲器，快閃存儲器可隨時讀寫，掉電時數(shù)據(jù)不會丟失，不需用后備電池保護(hù)。工作數(shù)據(jù)存儲器:工作數(shù)據(jù)是經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲在 RAM 中，以適應(yīng)隨機(jī)存取的要求。在 PLC 的工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)，開辟有元件映象寄存器和數(shù)據(jù)表。元件映象寄存器用來存儲 PLC 的開關(guān)量輸入/輸出和定時器、計數(shù)器、輔助繼電器等內(nèi)部繼電器的 ON/OFF 狀態(tài)。數(shù)據(jù)表用來存放各種數(shù)據(jù)，它的標(biāo)準(zhǔn)格式是每一個數(shù)據(jù)占一個字。它存儲用戶程序執(zhí)執(zhí)行時的某些可變參數(shù)值，如定時器和計數(shù)器的當(dāng)前值和設(shè)定值。它還用來存放 A/0 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字和數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果等。根據(jù)需要，部分?jǐn)?shù)據(jù)在停電時用后備電池維持其當(dāng)前值，在停電時可保持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲器區(qū)域稱為數(shù)據(jù)保持區(qū)。2.2.3 I/0 單元I/0 單元也稱為 I/0 模塊。PLC 通過 I/0 單元與工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場相聯(lián)系。輸入單元接收用戶設(shè)備的各種控制信號，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器的信號。通過接口電路將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處理器能能夠識別和處理的信號，并存到輸入映像寄存器。運(yùn)行時 CPU 從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進(jìn)行處理，將處理結(jié)果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點(diǎn)對應(yīng)的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強(qiáng)電信號輸出，以驅(qū)動電磁閥、接觸器、指示燈被控設(shè)備的執(zhí)行元件.2.2.4 電源部分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 的直流電源，使 PLC 能正常工作。電源部件的位置形式可有多種，對于整體式結(jié)構(gòu)的 CPU，通常電源封裝到機(jī)殼內(nèi)部;對于模塊式 PLC，有的采用單獨(dú)電源模塊，有的將電源與 CPU 封裝到一個模塊中。142.2.5 擴(kuò)展接口擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)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。2.2.6 通信接口為了實(shí)現(xiàn)“人一機(jī)”或“機(jī)一機(jī)”之間的對話，PLC 配有多種通信接口。PLC 通過這些通信接口可以與監(jiān)視器、打印機(jī)和其他的 PLC 或計算機(jī)相連。當(dāng) PLC 與打印機(jī)相連時，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印;當(dāng)與監(jiān)視器相連時 .可將過程圖像顯示出來;當(dāng)與其他 PLC 相連時，可以組成多機(jī)系統(tǒng)或連成網(wǎng)路，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的控制; 當(dāng)與計算機(jī)相連時，可以組成多級控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制與管理相結(jié)合的綜合性控制。2.2.7 編程器編程器的作用是提供用戶進(jìn)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(jī)編程，且往往需要將梯形圖轉(zhuǎn)化為機(jī)器語言助記符后，才能輸入。它一般由簡易鍵盤和發(fā)光二級管或其他顯示管件組成。智能型的編程器又稱為圖形編程器，它可以聯(lián)機(jī)編程，也可以脫機(jī)編程，具有 LCD 或 CRL圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過屏幕對話。還可以利用 PC 作為編程器，PLC 生產(chǎn)廠家配有相應(yīng)的編程軟件，使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、語句表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實(shí)現(xiàn)不同編程語言的互相轉(zhuǎn)換。程序被下載到 PLC，也可以將 PLC 中的程序上傳到計算機(jī)。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡(luò)，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送?，F(xiàn)在很多 PLC 已不再提供編程器，而是提供微機(jī)編程軟件了，并且配有相應(yīng)的通信連接電纜。2.3 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時日常維護(hù)也變得容易起來，更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序而改變生產(chǎn)過程成為可能。這特別適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。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(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況主要分為如下幾類:(1)開關(guān)量邏輯控制15取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于控制單臺設(shè)備，也可用于多機(jī)群控及自動化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。(2)工業(yè)過程控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，存在一些如溫度、壓力、流量、液位和速度等連續(xù)變化的量(即模擬量)，PLC 采用相應(yīng)的 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊及各種各樣的控制算法程序來處理模擬量，完成閉環(huán)控制。PID 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的一種調(diào)節(jié)方法。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。(3)運(yùn)動控制PLC 可以用于圓周運(yùn)動或直線運(yùn)動的控制。一般使用專用的運(yùn)動控制模塊，如可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場合。(4)數(shù)據(jù)處理PLC 具有數(shù)學(xué)運(yùn)算(含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)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。數(shù)據(jù)處理一般用于如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。(5)通信及聯(lián)網(wǎng)PLC 通信包括 PLC 間的通信及 PLC 與其它智能設(shè)備間的通信。隨著工廠自動化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，現(xiàn)在的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。但是，可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計編制。2.4 PLC 的工作原理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地響應(yīng)隨時可能變化的輸入信號，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，可如上圖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 個階段。可編程序控制器的 這種周而復(fù)16始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計算機(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完成的。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，只執(zhí)行以上的操作?？删幊绦蚩刂破鹛幱冢≧UN）狀態(tài)時，還要完成另 外 3 個階段的操作。在可編程序控制器的存儲器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信 號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器。可編程序控制器梯 形圖中別的編程元件也有對應(yīng)的映像存儲區(qū)，它們統(tǒng)稱為元件映像寄存器。在輸 入處理階段，可編程序控制器把所有外部輸入電路的接通/斷開（ON/OFF）狀態(tài) 讀入輸入寄存器。外接的輸入觸點(diǎn)電路接通時，對應(yīng)的輸入映像寄存器為“1”狀態(tài)，梯形圖 中對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開。外接的輸入觸點(diǎn)電路斷開， 對應(yīng)的輸入映像寄存器為“0”狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點(diǎn)斷 開，常閉觸點(diǎn)接通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸 入映像寄存器的狀態(tài) 也不會隨之而變，輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個掃 描周期的輸入處理階段被讀入?？删幊绦蚩刂破鞯挠脩舫绦蛴扇舾蓷l指令組成，指令在存儲器中按步序號順 序排列。在沒有跳轉(zhuǎn)指令時，CPU 從第一條指令開始，逐條順序的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束之處。在執(zhí)行指令時，從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器中將有關(guān)編程元件的 0/1 狀態(tài)讀出來，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)寫入到對應(yīng)的元件映像寄存器中，因此，各編程元件的映像寄存器（輸入映像寄存器除外）的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。在輸出處理階段，CPU 將輸出映像寄存器的 0/1 狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。體 型圖某一輸出繼電器的線圈“通電”時，對應(yīng)的輸出映像寄存器為“1”狀態(tài)。 信號經(jīng)輸出模塊隔離 和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的 線圈通電，其常開觸點(diǎn)閉合，使外部負(fù)載通電工作。若梯形圖中輸出繼電器線圈斷電對應(yīng)的輸出映像寄存器為“0”狀態(tài)，在輸 出處理階段后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點(diǎn) 斷開，外部負(fù)載斷電，停止工作。某一編程元件對應(yīng)的映像寄存器為“1”狀態(tài) 時，稱該編程元件為 ON，映像寄存器為17“0”狀態(tài)時，稱該編程元件為 OFF。（1）輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC 以掃描方式依次讀入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)它們存入 I/O 映象區(qū)的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序行和輸出刷新 階段。在這兩個階段中，即使輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化 I/O 映象區(qū)的相應(yīng)單元的 數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會改變。所以輸入如果是脈沖信號，它的寬度必須大于一個掃描 周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。（2）用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC 的 CPU 總是由上而下，從左到右的順序依次的掃描梯形圖。并對控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并以此刷新該邏輯線圈或輸出線圈在系 統(tǒng) RAM 存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)?；蛘叽_定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能 指令。例如：算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達(dá)等。（3）輸出刷新階段在輸出刷新階段，CPU 按照 I/O 映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有的數(shù)據(jù) 鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動響應(yīng)的外設(shè)。這時才是 PLC 真正的輸出。(4)輸入/輸出滯后時間 輸入/輸出滯后時間又稱系統(tǒng)響應(yīng)時間，是指可編程序控制器的外部輸入信號,發(fā)生變化的時刻至它控制的有關(guān)外部輸出信號發(fā)生變化的時刻之間的時間間隔，它由輸入電路濾波時間、輸出電路的滯后時間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時間 三部分組成。輸入模塊的 CPU 濾波電路用來濾除由輸入端引入的干擾噪聲，消除因外接輸 入觸點(diǎn)動作是產(chǎn)生的抖動引起的不良影響，濾波電路的時間常數(shù)決定了輸入濾波 時間的長短，其典型值為 10ms 左右。輸出模塊的滯后時間與模塊的類型有關(guān)，繼電器型輸出電路的滯后時間一般 在 10ms 左右；雙向可空硅型輸出電路在負(fù)載接通時的滯后時間約為 1ms，負(fù)載 由導(dǎo)通到斷開時的最大滯后時間為 10ms；晶體管型輸出電路的滯后時間約為 1ms。由掃描工作方式引起的滯后時間最長可達(dá)到兩個多掃描周期。可編程序控 制器總的響應(yīng)延遲時間一般只有幾十 ms，對于一般的系統(tǒng)是無關(guān)緊要的。要求 輸入輸出信號之間的滯后時間盡量短的系統(tǒng)，可以選用掃描速度快的可編程序 控制器或采取其他措施。2.5 PLC 機(jī)型的選擇方法2.5.1 PLC的類型18PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類， 按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩 類 ；按 CPU 字 長 分 為 1 位 、 4 位 、 8 位 、 16 位 、 32 位 、 64 位 等 。 從 應(yīng) 用 角 度 出 發(fā)， 通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c(diǎn)數(shù)選型 。 整體型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)固定 ， 因此 用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)； 模塊型 PLC提供多種 I/O卡件或插卡 ， 因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)， 功能擴(kuò)展方便靈活， 一般 用于大中型控制系統(tǒng)。2輸入輸出模塊的選擇輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。 例如對輸入模塊， 應(yīng)考慮信 號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應(yīng)用要求。對輸出模塊， 應(yīng) 考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣 、 壽命短、 響應(yīng)時間較長等特點(diǎn) ； 可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁， 電感性低功率 因數(shù)負(fù)荷場合， 但價格較貴 ， 過載能力較差 。 輸出模塊還有直流輸出、 交流輸出 和模擬量輸出等， 與應(yīng)用要求應(yīng)一致。 可根據(jù)應(yīng)用要求， 合理選用智能型輸入輸 出模塊， 以便提高控制水平和降低應(yīng)用成本。 考慮是否需要擴(kuò)展機(jī)架或遠(yuǎn)程I/O 機(jī)架等。3.電源的選擇PLC的供電電源， 除了引進(jìn)設(shè)備時同時引進(jìn) PLC應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè)計 和選用外， 一般 PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計選用 220VAC電源， 與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致 。 重要的應(yīng)用場合， 應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。 如果 PLC本身帶有可使用 電源時， 應(yīng)核對提供的電流是否滿足應(yīng)用要求 ， 否則應(yīng)設(shè)計外接供電電源 。 為防 止外部高壓電源因誤操作而引入 PLC， 對輸入和輸出信號的隔離是必要的， 有時 也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。4.存儲器的選擇由于計算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展， 存儲器的價格已下降 ， 因此， 為保證應(yīng)用項(xiàng)目 的 正常投運(yùn)，一般要求 PLC的 存儲器容量，按 256 個 I/O 點(diǎn) 至少選 8K 存 儲器選 擇。需要復(fù)雜控制功能時，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲器。5.冗余功能的選擇a控制單元的冗余（1）重要的過程單元：CPU（包括存儲器）及電源均應(yīng)1B1冗余。（ 2） 在 需 要 時 也 可 選 用 PLC 硬 件 與 熱 備 軟 件 構(gòu) 成 的 熱 備 冗 余 系 統(tǒng) 、 2 重 化 或 3 重化冗余容錯系統(tǒng)等。19b I/O接口單元的冗余（1）控制回路的多點(diǎn)I/O卡應(yīng)冗余配置。（2）重要檢測點(diǎn)的多點(diǎn) I/O卡可冗余配置。3）根據(jù)需要對重要的 I/O信號， 可 選用 2重化或3重化的I/O接口單元。6.經(jīng)濟(jì)性的考慮選擇 PLC 時， 應(yīng)考慮性能價格比 。 考慮經(jīng)濟(jì)性時， 應(yīng)同時考慮應(yīng)用的可擴(kuò)展 性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進(jìn)行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品 。輸 入 輸 出 點(diǎn) 數(shù) 對 價 格 有 直 接 影 響 。 每 增 加 一 塊 輸 入 輸 出 卡 件 就 需 增 加 一 定 的 費(fèi) 用。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到某一數(shù)值后 ， 相應(yīng)的存儲器容量 、 機(jī)架、 母板等也要相應(yīng)增加 ， 估因此，點(diǎn)數(shù)的增加對 CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響 ， 在算和選用時應(yīng)充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。2.6 機(jī)械手 PLC選擇及參數(shù)綜合上述原則機(jī)械手控制系統(tǒng)主機(jī)為三菱的FX2N-48MR。1.主要技術(shù)數(shù)據(jù)如下： 2.工作電源：24VDC輸入點(diǎn)數(shù)：24輸出點(diǎn)數(shù)：24 輸入信號類型：直流或開關(guān)量 輸入電流：24VDC 5mA模擬輸入：-10V10V（-20mA+20mA） 輸出晶體管允許電流0.3A/點(diǎn)（1.2A/COM） 輸出電壓規(guī)格：30VDC最大負(fù)載：9W輸出反應(yīng)時間：OffOn 20s OnOff 30s 基本指令執(zhí)行時間：數(shù)個s 程序語言：指令+梯形圖+SFC程序容量：3792STEPS基本順序指令：32 個（含步進(jìn)梯形指令） 應(yīng)用指令：100種初始步進(jìn)點(diǎn)：S0S9 一般步進(jìn)點(diǎn)：20118點(diǎn)，S10S127輔助繼電器：一般用512+232點(diǎn)（M000M511+M768M999）停電保持用 256點(diǎn)（M512M767） 特殊用280點(diǎn)（M1000M1279）定時器：100ms時基64點(diǎn)（T0T63）10ms時基63點(diǎn)（T64T126，M1028為ON時）1ms時基1點(diǎn)（T127）計數(shù)器：一般用 112點(diǎn)（C000C111，16 位計數(shù)器） 停電保持用16點(diǎn)（C112C127，16位計數(shù)器）高速用13點(diǎn)1相5kHz， 2相2kHz （C235C254， 全部為停電保 持32位計數(shù)器）數(shù)據(jù)寄存器：一般用 408點(diǎn)（D000D407） 停電保持用 192 點(diǎn)（D408D599） 特殊用144點(diǎn)（D1000D1143）指針/中斷：P64 點(diǎn)；I4 點(diǎn)（P0P63/I001、I101、I201、I301） 串聯(lián)通信口：程序?qū)懭?讀出通訊口：RS232一般功能通訊口：RS485 主機(jī)電源220V AC2.PLC主機(jī)的組成1、輸入單元輸 入 單 元 由 8 個 按 扭 、 8 個 開 關(guān) 和 16 個 接 插