工業(yè)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：工業(yè)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系 別 信息工程系專 業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí) ZB 電氣111學(xué)生姓名魏亞飛指導(dǎo)教師肖俊明提交日期 2012 年6月29日第1章概述01.1 工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域及PLC特點(diǎn)01.2 課題研究目的及意義 0第2章 工業(yè)機(jī)械手硬件設(shè)計(jì) 02.1 控制要求12.2 工作過程12.3 硬件的選擇12.3.1 PLC 的選擇12.3.2 熱繼電器的選擇12.3.3 熔斷器的選擇22.4 主電路的設(shè)計(jì)22.5 輸入輸出點(diǎn)的地址分配 2第3章軟件設(shè)計(jì)33.1 控制系統(tǒng)工作流程圖33.2 梯形圖4第4章運(yùn)行調(diào)試4第5章心得體會(huì)5附錄一6參考文獻(xiàn) 6第1

2、章概述1.1 工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域及 PLC特點(diǎn)機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。近年來(lái)隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展機(jī)械手逐漸成 為一門新興學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機(jī)械手廣泛地應(yīng)用與鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機(jī) 加、噴漆、熱處理等各個(gè)行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險(xiǎn)、放射性、多粉塵等惡劣的勞動(dòng) 環(huán)境中，機(jī)械手由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)而受到特別重視?？傊?，機(jī)械手是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條 件，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的一個(gè)重要手段。國(guó)內(nèi)外都十分重視它的應(yīng)用和發(fā) 展。可編程序控制器（PLC）是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)工業(yè)控制裝置。隨著微 電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)

3、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC在硬件配置、軟件編程、通訊聯(lián)網(wǎng)功能以及模擬量控制等方面均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，已經(jīng)成為工廠自動(dòng) 化的標(biāo)準(zhǔn)配置之一?？删幊炭刂破鞑捎昧说湫偷挠?jì)算機(jī)機(jī)構(gòu)，它主要是由CPU,電源，存儲(chǔ)器和專門設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成。可編程序控制器的主要特點(diǎn)如下：1. 抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。2. 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)。3. 編程方便，易于使用。4. 功能完善。5. 設(shè)計(jì)、施工和調(diào)試的周期短。6. 體積小，維護(hù)操作方便。1.2 課題研究目的及意義本課題主要研究的是基于工業(yè)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括以下四點(diǎn)：1 .根據(jù)工業(yè)機(jī)械手常規(guī)運(yùn)行的特點(diǎn)和要求畫出時(shí)序圖，根據(jù)畫出的時(shí)序圖

4、和考慮到特殊情況以 及系統(tǒng)故障綜合情況來(lái)選擇可編程控制的型號(hào)，進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)PLC的硬件系統(tǒng)級(jí)內(nèi)部資源并畫出工業(yè)機(jī)械手自動(dòng)控制裝置的硬件系統(tǒng)圖。并認(rèn)真檢查硬件系統(tǒng)是否符合要求。2 .根據(jù)工業(yè)機(jī)械手運(yùn)行的特點(diǎn)和要求利用所學(xué)的可編程控制器的基本指令進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。并認(rèn) 真檢查書寫的程序是否符合要求。3 .根據(jù)設(shè)計(jì)的PLC硬件系統(tǒng)圖進(jìn)行接線，利用 STEP-Micro/WIN32編程軟件將程序輸入到 PLC 進(jìn)行上機(jī)操作，直至調(diào)試正確。4 .通過編程及調(diào)試程序，掌握 S7-200PLC的硬件構(gòu)成及使用方法，摸索并積累編程的技巧及經(jīng) 驗(yàn)，在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)問題，綜合應(yīng)用理論知識(shí)分析問題，解決問題。

5、通過本課程設(shè)計(jì)，要達(dá)到以下要求：熟悉可編程控制器的主機(jī)模塊、擴(kuò)展模塊，能夠根據(jù)控制要求組建、安裝PLC控制系統(tǒng)，編寫 PLC的控制程序并調(diào)試系統(tǒng)。在知識(shí)、能力和素質(zhì)等方面達(dá)到較高的 水平，為今后參加工作能熟練進(jìn)行本專業(yè)的研究設(shè)計(jì)工作，為工作打下良好的基礎(chǔ)。第2章工業(yè)機(jī)械手硬件設(shè)計(jì)圖2-1機(jī)械手控制示意圖2.1 控制要求第一步是當(dāng)工作臺(tái) A上有工件出現(xiàn)時(shí)（可以由光藕合器 VLC檢測(cè)到，當(dāng)檢測(cè)到有工件時(shí)，VLC 11.5=1 ）, 機(jī)械手開始下降。當(dāng)機(jī)械手下降到位時(shí)（可以由限位開關(guān)檢測(cè)到，當(dāng)下降到位時(shí)，I0. 5=1 ）,機(jī)械手停止下降，第一步結(jié)束。第二步是機(jī)械手在最低位開始抓緊工件，約10s抓住

6、、抓緊，第二步結(jié)束。第三步是機(jī)械手夾緊工件上升。當(dāng)機(jī)械手上升到位時(shí)（可以由限位開關(guān)檢測(cè)到，當(dāng)上升到位時(shí)，I0. 4=1）,機(jī)械手停止上升，第三步結(jié)束。第四步是機(jī)械手夾緊工件右移。當(dāng)機(jī)械手右移到位時(shí)（可以由限位開關(guān)檢測(cè)到，當(dāng)右移到位時(shí)，I0. 7=1）,機(jī)械手停止右移，第四步結(jié)束。第五步是機(jī)械手在最右位開始下降。當(dāng)機(jī)械手下降到工作臺(tái)B到位時(shí)（可以由限位開關(guān)檢測(cè)到，當(dāng)下降到位時(shí)，I0. 5=1 ）,機(jī)械手停止下降，第五步結(jié)束。第六步是機(jī)械手開始放松工件，所需時(shí)間約為10s , 10s之后放開工件，第六步結(jié)束。第七步是機(jī)械手開始上升。機(jī)械手上升到位時(shí)（可以由限位開關(guān)檢測(cè)到，當(dāng)上升到位時(shí)，I0. 4=

7、1 ）,停止上升，第七步結(jié)束。第八步是機(jī)械手在高位開始左移，當(dāng)左移到位時(shí)（可以由限位開關(guān)檢到，左移到位時(shí)，I0. 6=1 ）,機(jī)械手停止左移，第八步結(jié)束。機(jī)械手工作一個(gè)周期完成。等待工件在工作臺(tái)A上出現(xiàn)轉(zhuǎn)到第一步。2.2 工作過程按照設(shè)計(jì)要求機(jī)械手的工作均由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，它的上升、下降、左移、右移都是有電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)完成 的。機(jī)械手的初始位置停在原點(diǎn)，按下啟動(dòng)后按扭后，機(jī)械手將下降-加緊工件-上升-右移-再下降-放松工件-在上升-左移總共八個(gè)動(dòng)作，也就是一個(gè)工作周期。機(jī)械手的下降、上升、右移、左移等動(dòng)作轉(zhuǎn)換，是由相應(yīng)的限位開關(guān)來(lái)控制的，而加緊、放松動(dòng)作的轉(zhuǎn)換是由時(shí)間來(lái)控制的。為了確保安全，機(jī)械手右移到

8、位后，必須在右工作臺(tái)上無(wú)工件時(shí)才能下降，若上次搬到右工作臺(tái)上 的工件尚未移走，機(jī)械手應(yīng)自動(dòng)暫停，直到工件移走為止，否則等待。為此設(shè)置了一個(gè)光電開關(guān)，以 檢測(cè)“無(wú)工件”信號(hào)。2.3 硬件的選擇2.3.1 PLC的選擇從控制方式選擇上需要3個(gè)啟動(dòng)按鈕，分別完成自動(dòng)方式I0.0、單動(dòng)方式I0.1和手動(dòng)方式I0.2的啟動(dòng)，還需要一個(gè)停止按鈕I0.3用來(lái)處理現(xiàn)在任何情況下的停止運(yùn)行。機(jī)械手運(yùn)行的限位開關(guān)有4個(gè)，高位限位開關(guān)I0.4、低位限位開關(guān)I0.5、左位限位開關(guān)I0.6和右位限位開關(guān)I0.7。手動(dòng)控制輸入信號(hào)由5個(gè)按鈕組成，下降按鈕I1.0、上升按鈕I1.1、夾緊按鈕I1.2、左移按鈕I1.3和右移

9、按鈕I1.4。工作臺(tái)A上有工件檢測(cè)光耦合器 VLC的輸入信號(hào)I1.5。共有14個(gè)輸入信號(hào)。輸出信號(hào)有機(jī)械手下驅(qū)動(dòng)信號(hào)Q0.0、上升驅(qū)動(dòng)信號(hào) Q0.1、右移驅(qū)動(dòng)信號(hào) Q0.2、左移驅(qū)動(dòng)信號(hào) Q0.3和機(jī)械手夾緊驅(qū)動(dòng)信號(hào)Q0.4,共有5個(gè)輸出信號(hào)。該系統(tǒng)需要輸入 14點(diǎn)，輸出5點(diǎn)?？蛇x擇S7-200系列的CPU224就可以滿足要求。2.3.2 熱繼電器的選擇1 .熱繼電器的型選擇：一般情況下，可選用兩相結(jié)構(gòu)的熱電器繼電器，但當(dāng)三相電壓的均衡性較差，工作環(huán)境惡劣或無(wú)人看 管的電動(dòng)機(jī)，宜選用三相結(jié)構(gòu)的熱繼電器。對(duì)于三角形接線的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)選用帶斷相保護(hù)裝置的熱繼 電器。2 .熱繼電器額定電流的選擇：當(dāng)電

10、動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流為其額定電流的6倍及啟動(dòng)時(shí)間不超過 6s時(shí)，就可按電動(dòng)機(jī)的額定電流選取熱繼電器；當(dāng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)、拖動(dòng)沖擊性負(fù)載或不答應(yīng)停車時(shí)，熱繼電器的額定電流調(diào)節(jié)到電動(dòng) 機(jī)額定電流的1.11.15倍。綜上所述，選擇 NR3-45 0.32-21A 熱繼電器、 NR2-25G/Z 0.1-10A 熱繼電器、 NR3-25 0.1-8.5A 熱繼電 奧wro2.3.3 熔斷器的選擇1 .熔斷器的類型選擇選擇熔斷器時(shí)類型時(shí)，主要依據(jù)負(fù)載的保護(hù)特性和短路電流的大小。對(duì)大容量的照明線路和電動(dòng)機(jī)， 除過載保護(hù)以外，還應(yīng)考慮短路時(shí)分?jǐn)嚯娐冯娐返哪芰?。若短路電流較小時(shí)，可采用熔體為錫質(zhì)的或 熔體為鋅質(zhì)的

11、熔斷器。用于車間低壓供電線路的保護(hù)熔斷器，一般是考慮短路時(shí)的分?jǐn)嗄芰Α? .熔斷器額定電流的選擇用于保護(hù)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的熔斷器，在出現(xiàn)尖峰電流時(shí)不應(yīng)熔斷。通常將其中容量最大的一臺(tái)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，而其余電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的電流作為其尖峰電流。為此熔體的額定電流應(yīng)滿足關(guān)系式I re(1.52.5)Ie,max +Z Ie, I re為熔體的額定電流，Ie為負(fù)責(zé)的額定電流。綜上所述，選擇 KS8/380690V /16A 熔斷器或者 KG8/380690V /16A。2.4 主電路的設(shè)計(jì)啟動(dòng)時(shí)首先要和上自動(dòng)開關(guān)QA0,主電路引入三相電源。本次設(shè)計(jì)中所用電動(dòng)機(jī)均為小容量的，故可直接啟動(dòng)，熔斷器FA完成主電路

12、的短路保護(hù)，熱繼電器BB完成過載保護(hù)，QA接觸器實(shí)現(xiàn)失壓保護(hù)。主電路如圖2-2所示。BE是交流互感器，將大電流按比例降到可以用儀表直接測(cè)量的數(shù)值，便于電流表A1、A2、A3直接測(cè)量，同時(shí)為繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置提供電源。圖2-2主電路圖2.5 輸入輸出點(diǎn)的地址分配輸入輸出點(diǎn)的地址分配見表2-1 o表2-1輸入輸出地址分配模塊號(hào)輸入端號(hào)輸出端子號(hào)地址號(hào)信號(hào)名稱說(shuō)明CPU2241I0.0自動(dòng)啟動(dòng)，"1有效按鈕2I0.1單動(dòng)啟動(dòng)，"1有效按鈕3I0.2手動(dòng)啟動(dòng)，“1有效按鈕4I0.3停止，“侑效按鈕5I0.4高位，“2t效限位開關(guān)6I0.5低位，“3效限位開關(guān)CPU2247I0.6左

13、位，“扉T效限位開關(guān)8I0.7右位，“箱效限位開關(guān)9I1.0手動(dòng)下降，“6有效按鈕10I1.1手動(dòng)上升，“由效按鈕11I1.2手動(dòng)夾緊，“噴效按鈕12I1.3手動(dòng)左移，“ 9W效按鈕13I1.4手動(dòng)右移，”1暗效按鈕14I1.5A臺(tái)有工件，“11有效管耦合器1Q0.0下降，“12W效電磁閥2Q0.1上升，“13W效電磁閥3Q0.2右移，“14有效電磁閥4Q0.3左移，“1箱效電磁閥5Q0.4夾緊，“1暗效電磁閥圖2-2控制系統(tǒng)的外部接線圖第3章軟件設(shè)計(jì)3.1 控制系統(tǒng)工作流程圖基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)的生產(chǎn)控制要求，程序流程圖見附錄表3-1內(nèi)存分配符號(hào)序號(hào)名稱地址注解1自動(dòng)啟動(dòng)I0.0按鈕2

14、單動(dòng)啟動(dòng)I0.1按鈕3手動(dòng)啟動(dòng)I0.2按鈕4停止I0.3按鈕5高位I0.4限位開關(guān)6低位I0.5限位開關(guān)7左位I0.6限位開關(guān)8右位I0.7限位開關(guān)9手動(dòng)下降I1.0按鈕10手動(dòng)上升I1.1按鈕11手動(dòng)夾緊I1.2按鈕12手動(dòng)左移I1.3按鈕13手動(dòng)右移I1.4按鈕14A臺(tái)后工作I1.5光耦合器15下降Q0.0電磁閥16上升Q0.1電磁閥17右移Q0.2電磁閥18左移Q0.3電磁閥19夾緊Q0.4電磁閥20夾緊定時(shí)器T101時(shí)基=100ms的TON定時(shí)器21放松定時(shí)器T102時(shí)基=100ms的TON定時(shí)器22自動(dòng)方式標(biāo)志M0.0Bool23單動(dòng)方式標(biāo)志M0.1Bool24手動(dòng)方式標(biāo)志M0.2B

15、ool25一周期結(jié)束標(biāo)志M0.3Bool3.2 梯形圖內(nèi)存分配符號(hào)表列出了I/O分配、內(nèi)存分配及他們的功能?？捎帽碇械拿Q替代實(shí)際地址去編寫程序，方便了編程。梯形圖中OB1的任務(wù)是根據(jù)啟動(dòng)信號(hào)分別調(diào)用自動(dòng)控制程序和單動(dòng)控制程序SBR0、手動(dòng)控制程序SBR1。圖3-1主程序圖3-2子程序SBR0圖3-3子程序SBR1第4章運(yùn)行調(diào)試由于PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計(jì)的控制裝置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接 在工業(yè)環(huán)境中使用。但環(huán)境過于惡劣、電磁干擾特別強(qiáng)烈，或安裝使用不當(dāng)，都將不能保證PLC正常、安全、可靠的運(yùn)行。因此，討論 PLC設(shè)計(jì)調(diào)試就具有十分重要的意義。 根據(jù)控制系統(tǒng)的硬件及

16、軟件的設(shè)計(jì)最后對(duì)本控制系進(jìn)行整體性的操作控制調(diào)試：首先用電腦在 STEP-7-Micro/WIN 編程軟件中將編輯的梯形圖寫入軟件中，然后點(diǎn)擊運(yùn)行并對(duì)其指出的錯(cuò)誤進(jìn)行修 改，修改完最終運(yùn)行無(wú)誤后，通過菜單項(xiàng)“文件/導(dǎo)出”命了，將文件導(dǎo)出成.awl格式的文件，在仿真軟彳S7_200漢化版下進(jìn)行仿真。仿真軟件窗口界面如圖4-1所示。圖4-1仿真軟件界面選擇CPU224 ,如圖4-2。圖4-2選擇CPU224裝在仿真程序，如圖4-3所示。圖4-3裝在仿真程序I0.2是手動(dòng)啟動(dòng)方式，I1.5是光耦器檢測(cè)是否有工件，機(jī)械手在高限位開關(guān)和左限位開關(guān)到位后，開 始下降，正如下圖 4-4所示。在程序調(diào)試過程中

17、基本上沒有出現(xiàn)太大的問題，最終都一一解決了。在使用STL指令編程時(shí)，剛開始由于對(duì)STL指令掌握的不是很好，所以犯了不少錯(cuò)誤，經(jīng)過不斷查閱資料，研究、改進(jìn)，最終程序調(diào)試成功。程序運(yùn)行良好，動(dòng)作正確、符合控制要求。第5章心得體會(huì)最終我選擇以電子檔打印出報(bào)告，因?yàn)橹潦贾两K我都把這次課程設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照畢業(yè)設(shè)計(jì)的步驟要求自己，最終完成電子檔。期間用到了AutoCAD軟件繪制了機(jī)械手控制示意圖、主電路圖和控制系統(tǒng)的外部接線圖，也又t CAD軟件有了進(jìn)一步的熟悉和掌握。也用到了天正電氣 CAD軟件繪制了主電路圖，這是第一次接觸電氣類 CAD軟件，我對(duì)其產(chǎn)生了很大的興趣，希望在以后的工作和學(xué)習(xí)中能夠多接 觸到這

18、方面的知識(shí)，希望能在學(xué)習(xí)中得到鍛煉。最后就是對(duì)電子檔進(jìn)行排版，我是嚴(yán)格按照專科學(xué)校 畢業(yè)論文的要求來(lái)做的，由于程序流程圖在論文中排版無(wú)法以較好的形式展現(xiàn)，最終以附錄的形式在 論文的最后。在本次課題設(shè)計(jì)中，機(jī)械手控制系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行控制，大大提高了該系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，減少了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器和硬件接線，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，使用PLC進(jìn)行控制可方便更改生產(chǎn)流程，增強(qiáng)控制功能。通過本次設(shè)計(jì)，可以根據(jù)工件的變化及運(yùn)動(dòng)流程的要求隨時(shí) 更改相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的不同工作需求，機(jī)械手控制系統(tǒng)具有了很大的靈活性和可操 作性。不過在程序一開始時(shí)，出現(xiàn)很多錯(cuò)誤，還好在同學(xué)們的幫助下，程