基于PLC和WINCC的機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于PLC和WINCC的機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要當(dāng)今社會(huì)，科學(xué)技術(shù)飛速開展，人類活動(dòng)給世界帶來了巨大的改變。在科技進(jìn)步的同時(shí)，以各種控制器控制的不同類型的機(jī)械手以其突出的性能越來越多的被人們所應(yīng)用。機(jī)械手在不同的作業(yè)場合，尤其是在特殊的環(huán)境背景下，為人類活動(dòng)的順利快速進(jìn)行帶來了極大的方便和益處，尤為明顯的是在工業(yè)及軍事領(lǐng)域內(nèi)。工業(yè)中大量的生產(chǎn)活動(dòng)，存在著很多不便于人類操縱的環(huán)節(jié)，特別是在工作環(huán)境較危險(xiǎn)的情況下，如果使用具有遠(yuǎn)程控制功能的機(jī)械手，那么可以增加系統(tǒng)的平安性，大大的節(jié)約損耗，提高效率?？梢姡谧詣?dòng)化、工業(yè)化進(jìn)程中，在特殊背景環(huán)境中使用機(jī)械手已成為一種必然的趨勢。在本設(shè)計(jì)中介紹了國內(nèi)外機(jī)械手研究現(xiàn)狀及PLC的研究開展趨勢，描述了機(jī)械手控制系統(tǒng)的工作原理和動(dòng)作實(shí)現(xiàn)過程。研究了基于PLC的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還研究了WINCC在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。利用組態(tài)軟件WINCC設(shè)計(jì)了機(jī)械手模型控制系統(tǒng)監(jiān)控界面，提供了較為直觀、清晰、準(zhǔn)確的機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而為維修和故障診斷提供了多方面的可能性，充分提高了系統(tǒng)的工作效率。關(guān)鍵詞：機(jī)械手，PLC，WINCC目錄第一章緒論11.1課題背景11.2設(shè)計(jì)目的和意義1第二章系統(tǒng)方案論證32.1使用PLC控制32.2使用微機(jī)控制32.3使用繼電器控制32.4系統(tǒng)框圖3第三章設(shè)計(jì)硬件53.1PLC的結(jié)構(gòu)53.2PLC的選型53.3西門子PLC的選型63.4限位開關(guān)73.5機(jī)械手的分類及選型83.6I/0分配表103.7PLC外部接線圖113.8元器件清單11第四章軟件設(shè)計(jì)144.1程序流程圖144.2控制要求144.3程序設(shè)計(jì)154.4流程圖154.5梯形圖17第五章仿真軟件應(yīng)用195.1仿真軟件的設(shè)置195.2程序的仿真20第六章系統(tǒng)的組態(tài)236.1WinCC的介紹236.2軟件的通信與下載236.3創(chuàng)立WinCC的工程276.3.1建立OPC外部變量276.3.2尋找通訊伙伴286.4在WinCC中建立機(jī)械手監(jiān)控畫面29第七章系統(tǒng)的調(diào)試327.1硬件調(diào)試327.2系統(tǒng)調(diào)試32結(jié)論34參考文獻(xiàn)35致謝36附錄37第一章緒論1.1課題背景隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速開展，PLC〔即可編程邏輯編程器的簡稱〕已經(jīng)進(jìn)入日常生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面，PLC的應(yīng)用在各行各業(yè)已成為必不可少的內(nèi)容。PLC作為通用的工業(yè)計(jì)算機(jī)，其功能日益強(qiáng)大，已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備。PLC從誕生至今，僅有30年的歷史，但是得到了異常迅猛的開展，并與CAD/CAM、機(jī)器人技術(shù)一起被譽(yù)為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱。在現(xiàn)代工業(yè)中生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。隨著工業(yè)化的進(jìn)一步開展，自動(dòng)化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱，無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時(shí)，現(xiàn)在生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進(jìn)行操作。工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)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(dòng)化實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成局部。工業(yè)機(jī)械手是提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化、改善勞動(dòng)條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射和污染的場合，應(yīng)用更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快開展，并取得一定效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路部門的重視。1.2設(shè)計(jì)目的和意義機(jī)械手的迅速開展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)。其一，它能局部代替人工操作；其二，它能按照生產(chǎn)工藝要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。因此，它能大大地改善工人的勞動(dòng)條件，顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，并投入了大量的物力和財(cái)力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的開展，并取得一定的成果，受到各工業(yè)部門的重視。本工程要求設(shè)計(jì)的機(jī)械手模型可以歸為一類，即通用機(jī)械手。在現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)中，自動(dòng)化程度較高，大量應(yīng)用機(jī)械手。通過本次設(shè)計(jì)，可以增強(qiáng)對(duì)工業(yè)機(jī)械手的認(rèn)識(shí)，同時(shí)并熟悉掌握PLC技術(shù)、位置控制技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)等工業(yè)常用的技術(shù)。本次課題主要是應(yīng)用西門子公司S7-200系列PLC為例，對(duì)機(jī)械手的上下、左右以及抓取運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。該裝置機(jī)械局部有滾珠絲杠、滑軌、機(jī)械抓手等；電氣方面由交流電機(jī)、操作臺(tái)等部件組成。我們利用可編程技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的硬件裝置，控制機(jī)械手完成各種動(dòng)作。第二章系統(tǒng)方案論證2.1使用PLC控制機(jī)械手控制系統(tǒng)假設(shè)采用PLC控制，體積小、重量輕、控制方式靈活、可靠性高、操作簡單、維修容易。由于PLC所具有的靈活性、模塊化、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，可以根據(jù)現(xiàn)場要求實(shí)現(xiàn)機(jī)械手控制的不同工作要求。機(jī)械手控制采用PLC控制技術(shù)，可以大大提高該系統(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。2.2使用微機(jī)控制微機(jī)控制，本錢比PLC低,邏輯針對(duì)性高，所以要在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)非常了解的時(shí)候才會(huì)使用，智能化比PLC高，專業(yè)應(yīng)用的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)的功能要比PLC多，具有平安性可靠性最高的特點(diǎn)，輸入輸出信號(hào)還可以實(shí)現(xiàn)一體化隔離，通訊組態(tài)模式最多。開發(fā)周期最長，一旦要有變化修改比擬麻煩。2.3使用繼電器控制繼電器，動(dòng)作有壽命限制，一個(gè)元件故障可能造成整個(gè)系統(tǒng)崩潰，會(huì)將故障擴(kuò)大化，傳統(tǒng)繼電器觸點(diǎn)接觸不良容易出現(xiàn)故障，并且接線復(fù)雜抗干擾能力差，難以實(shí)現(xiàn)模塊化和智能化，性價(jià)比擬低。所以這種控制方式已經(jīng)逐漸被淘汰。綜上所述：PLC控制具有體積小、重量輕、控制方式靈活、可靠性高、操作簡單、維修容易等特點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)采用PLC來進(jìn)行控制。2.4系統(tǒng)框圖本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，通過監(jiān)控機(jī)械手不同的位置會(huì)產(chǎn)生不同的值，經(jīng)過限位開關(guān)傳感器將信號(hào)傳送給PLC，傳送的信號(hào)通過PLC處理后將處理的信號(hào)傳送給執(zhí)行器，執(zhí)行器根據(jù)傳送的數(shù)字量改變位置，從而控制了機(jī)械手，使機(jī)械手工作，控制過程可以通過組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控，系統(tǒng)框圖見圖2-1。圖2-1系統(tǒng)框圖第三章設(shè)計(jì)硬件3.1PLC的結(jié)構(gòu)PLC和一般的微型計(jì)算機(jī)根本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大局部組成的。PLC的硬件系統(tǒng)由微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器(EPROM，ROM)、輸入輸出(I/O)部件、電源部件、編程器、I/O擴(kuò)展單元和其他外圍設(shè)備組成。各局部通過總線(電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線)連接而成。其結(jié)構(gòu)簡圖如下：存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器EPROM微處理器運(yùn)算器控制器電源輸入部件I/O擴(kuò)展接口I/O擴(kuò)展單元受控元件輸入信號(hào)外部設(shè)備圖2-1PLC硬件結(jié)構(gòu)圖3.2PLC的選型〔1〕歐姆龍PLC是一種功能完善的緊湊型PLC，能為業(yè)界領(lǐng)先的輸送分散控制等提供高附加值機(jī)器控制；它還具有通過各種高級(jí)內(nèi)裝板進(jìn)行升級(jí)的能力，大程序容量和存儲(chǔ)器單元，以Windows環(huán)境下高效的軟件開發(fā)能力。歐姆龍PLC也能用于包裝系統(tǒng)，并支持HACCP〔寄生脈沖分析關(guān)鍵控制點(diǎn)〕過程處理標(biāo)準(zhǔn)。〔2〕三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相當(dāng)FX系列中最高檔次的超小程序裝置，除輸入出16～25點(diǎn)的獨(dú)立用途外，還可以適用于多個(gè)根本組件間的連接，模擬控制，定位控制等特殊用途，是一套可以滿足多樣化廣泛需要的PLC。〔3〕德國西門子〔SIEMENS〕公司生產(chǎn)的可編程序控制器在我國的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，在冶金、化工、印刷生產(chǎn)線等領(lǐng)域都有應(yīng)用。西門子〔SIEMENS〕公司的PLC產(chǎn)品包括LOGO，S7-200(CN)，S7-1200,S7-300，S7-400，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，HMI人機(jī)界面，工業(yè)軟件等。西門子S7系列PLC體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強(qiáng)，可靠性更高。S7系列PLC產(chǎn)品可分為微型PLC〔如S7-200〕，小規(guī)模性能要求的PLC〔如S7-300〕和中、高性能要求的PLC〔如S7-400〕等。因?yàn)榈聡鏖T子公司公司生產(chǎn)的PLC在工業(yè)化領(lǐng)域有很高的占有率，絕大多數(shù)廠商都使用的是西門子公司的PLC，西門子公司的PLC配套設(shè)施齊全從PLC到擴(kuò)展模塊以及本設(shè)計(jì)所需要的執(zhí)行器，配套設(shè)施的兼容性好，有非常好的技術(shù)支持，學(xué)習(xí)的資料較多，通訊效果非常好，抗干擾能力強(qiáng)，經(jīng)過性價(jià)比以及上述的原因，本次設(shè)計(jì)使用PLC為西門子公司所生產(chǎn)的PLC。3.3西門子PLC的選型〔1〕SIMATICS7-200S7-200PLC是超小型化的PLC，它適用于各行各業(yè)，各種場合中的自動(dòng)檢測、監(jiān)測及控制等。S7-200PLC的強(qiáng)大功能使其無論單機(jī)運(yùn)行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。S7-200PLC可提供4個(gè)不同的根本型號(hào)與8種CPU可供選擇使用〔2〕SIMATICS7-300S7-300是模塊化小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合構(gòu)成不同要求的系統(tǒng)。與S7-200PLC比擬，S7-300PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，具備高速〔0.6~0.1μs〕的指令運(yùn)算速度；用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算比擬有效地實(shí)現(xiàn)了更為復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算；〔3〕SIMATICS7-400S7-400PLC是用于中、高檔性能范圍的可編程序控制器。S7-400PLC采用模塊化無風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，可靠耐用，同時(shí)可以選用多種級(jí)別〔功能逐步升級(jí)〕的CPU，并配有多種通用功能的模板，這使用戶能根據(jù)需要組合成不同的專用系統(tǒng)。當(dāng)控制系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大或升級(jí)時(shí)，只要適當(dāng)?shù)卦黾右恍┠０?，便能使系統(tǒng)升級(jí)和充分滿足需要。機(jī)械手控制屬于小型控制系統(tǒng)不需要中大型控制器，所以從性價(jià)比上考慮，德國西門子S7-200PLC完全能夠勝任。S7-200是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動(dòng)化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能?！?〕PLCCPU的選型根據(jù)S7-200各CPU型號(hào)的性能見表3-1。表3-1CPU性能圖CPU型號(hào)輸入點(diǎn)輸出點(diǎn)訂貨號(hào)CPU-221646ES7211-0AA23-0XB0CPU-222866ES7212-1AB23-0XB8CPU-22414106ES7214-1AD23-0XB8CPU-22624166ES7216-2AD23-0XB8根據(jù)機(jī)械手控制需求，從I/O點(diǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)換模塊來看CPU-224能夠滿足本次設(shè)計(jì)需求。CPU224具體參數(shù)見附錄。3.4限位開關(guān)1、接近開關(guān)傳感器的概念在各類開關(guān)中，有一種對(duì)接近它物件有“感知〞能力的元件——位移傳感器。利用位移傳感器對(duì)接近物體的敏感特性到達(dá)控制開關(guān)通或斷的目的，這就是接近開關(guān)。當(dāng)有物體移向接近開關(guān)，并接近到一定距離時(shí)，位移傳感器才有“感知〞，開關(guān)才會(huì)動(dòng)作。通常把這個(gè)距離叫“檢出距離〞。不同的接近開關(guān)檢出距離也不同。2、接近傳感器的選型和檢測對(duì)于不同的材質(zhì)的檢測體和不同的檢測距離，應(yīng)選用不同類型的接近傳感器，以使其在系統(tǒng)中具有高的性能價(jià)格比，為此在選型中應(yīng)遵循以下原那么：〔1〕當(dāng)檢測體為金屬材料時(shí)，應(yīng)選用高頻振蕩型接近傳感器，該類型接近傳感器對(duì)鐵鎳、A3鋼類檢測體檢測最靈敏。對(duì)鋁、黃銅和不銹鋼類檢測體，其檢測靈敏度就低?！?〕當(dāng)檢測體為非金屬材料時(shí)，如；木材、紙張、塑料、玻璃和水等，應(yīng)選用電容型接近傳感器?！?〕金屬體和非金屬要進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測和控制時(shí)，應(yīng)選用光電型接近傳感器或超聲波型接近傳感器?！?〕對(duì)于檢測體為金屬時(shí)，假設(shè)檢測靈敏度要求不高時(shí)，可選用價(jià)格低廉的磁性接近式傳感器或霍爾式接近傳感器。從經(jīng)濟(jì)和性能來看，磁性接近式傳感器完全能夠到達(dá)對(duì)機(jī)械手的測量和信號(hào)傳送所以本次設(shè)計(jì)采用磁性接近式傳感器。3.5機(jī)械手的分類及選型工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。1、按用途分 機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種:〔1〕專用機(jī)械手它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī)械手?！?〕通用機(jī)械手它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關(guān)〞式控制定位，只能是點(diǎn)位控制:可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌控制；同時(shí)還可分為伺服型和一般型的機(jī)械手，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類型。專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡單等缺點(diǎn)，而通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。適合于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)，所以采用通用機(jī)械手。2、按驅(qū)動(dòng)方式分〔1〕液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以液壓的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。假設(shè)機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，本錢高。〔2〕氣壓傳動(dòng)機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，本錢低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作?！?〕機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。(4〕電力傳動(dòng)機(jī)械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有開展前途。綜上所述，氣壓傳動(dòng)由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，不宜采用。機(jī)械傳動(dòng)動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變，不宜采用。電力傳動(dòng)機(jī)械手需有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)等，也不宜采用。液壓傳動(dòng)能抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏，故采用液壓傳動(dòng)。(三)按控制方式分(1)點(diǎn)位控制它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過程中幾個(gè)點(diǎn)的位置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。假設(shè)欲控制的點(diǎn)數(shù)多，那么必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。(2)連續(xù)軌跡控制它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的，整個(gè)移動(dòng)過程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。綜上所述，連續(xù)軌跡類機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，故不宜采用，點(diǎn)位控制它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，符合本設(shè)計(jì)，所以采用點(diǎn)位控制。3.6I/0分配表輸入/輸出端子地址分配表3-2因?yàn)樗璧腜LC輸入觸點(diǎn)為17個(gè)，為了可以有充裕的輸入觸點(diǎn)，所以總共需要18個(gè)輸入觸點(diǎn)，所需的輸出觸點(diǎn)為6個(gè)。根據(jù)以上所以選擇的是S7-200CPU224型號(hào)的PLC機(jī)型和數(shù)字量擴(kuò)展模塊為EM223CNDC/RELAY?！?〕I/O分配表表3-2I/O地址分配表輸入信號(hào)輸出信號(hào)操作功能地址操作功能地址啟動(dòng)按鈕SB1I0.0下降電磁閥YV1Q0.0停止按鈕SB2I0.1加緊電磁閥YV2Q0.1手動(dòng)方式SA3-1I0.2上升電磁閥YV3Q0.2單步方式SA3-2I0.3右移電磁閥YV4Q0.3單周期方式SA5-1I0.4左移電磁閥YV5Q0.4連續(xù)周期方式SA5-2I0.5放松電磁閥YV6Q0.5手動(dòng)下降SB3I0.6放松指示燈HL0Q0.7手動(dòng)加緊SB4I0.7下降指示燈HL1Q1.0手動(dòng)上升SB5I1.0加緊指示燈HL2Q1.1手動(dòng)右移SB6I1.1上升指示燈HL3Q2.0手動(dòng)放松SB7I1.2右移指示燈HL4Q2.1手動(dòng)左移SB8I1.3左移指示燈HL5Q2.2光電開關(guān)SP1I1.4下限開關(guān)SQ1I2.0上限開關(guān)SQ2I2.1右限開關(guān)SQ3I2.2左限開關(guān)SQ4I2.33.7PLC外部接線圖S7-200外部接線電路圖3-1。圖3-1外部接線圖3.8元器件清單所需元器件見表3-3。表3-3原件清單表元件名稱符號(hào)型號(hào)規(guī)格數(shù)量功能隔離開關(guān)QSHZ15-63/3011線路主電源控制熔斷器FU1RL1-60/40〔熔座60A/熔體40A〕3主電路短路保護(hù)電磁閥YV1CJ40-16/03380V1下降電磁閥YV2CJ40-16/03380V1夾緊電磁閥YV3CJ40-9/03380V1上升電磁閥YV4CJ40-9/03380V1右移電磁閥YV5CJ40-9/03380V1左移電動(dòng)機(jī)M1J02-51-45.5kW1410r/min1上下電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)M2J02-22-41.5kW1410r/min1左右電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)M3J02-22-00.125kW2790r/min1夾緊放松電動(dòng)機(jī)可編控制器S7-200S7-CPU224CNAC/DC/RLY1系統(tǒng)控制可編控制器數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM223CNDC/RELAY1系統(tǒng)控制低壓斷路器QF1DZ5-20/230-3A1PLC電源開關(guān)隔離變壓器T1380/220V，功率500W1PLC供電電源按鈕SB1HBY5〔紅〕1啟動(dòng)按鈕SB2HBY5〔綠〕1停止按鈕SB3HBY5〔紅〕1手動(dòng)下降按鈕SB4HBY5〔綠〕1手動(dòng)夾緊按鈕SB5HBY5〔綠〕1手動(dòng)上升按鈕SB6HBY5〔綠〕1手動(dòng)右移按鈕SB7HBY5〔綠〕1手動(dòng)放松按鈕SB8HBY5〔綠〕1手動(dòng)左移光電開關(guān)SP11有無工件檢測組合開關(guān)SA3HZ1-10/3J10A500V1手動(dòng)/單步切換組合開關(guān)SA5HZ1-10/3J10A500V1單周期/循環(huán)切換行程開關(guān)SQ1LX1-11K1下限行程開關(guān)SQ2LX3-11K1上限行程開關(guān)SQ3LX2-13L1右移第四章軟件設(shè)計(jì)4.1程序流程圖系統(tǒng)流程圖是整個(gè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，整個(gè)設(shè)計(jì)都是按著系統(tǒng)流程圖來設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)流程圖見圖4-1。圖4-1程序順序流程圖4.2控制要求〔1〕完成把左工位的工件搬運(yùn)到右工位；〔2〕機(jī)械手有兩種控制方式：手動(dòng)方式和自動(dòng)方式；其中自動(dòng)方式設(shè)有單步、單周期、連續(xù)三種工作方式?！?〕手動(dòng)方式：用按鈕對(duì)機(jī)械手的每步進(jìn)行單獨(dú)控制，類似于點(diǎn)動(dòng)操作；當(dāng)按住右行按鈕時(shí)，機(jī)械手右行，松開或碰到右限位開關(guān)時(shí)，右行停止。此方式用于檢修。〔4〕單步操作：每按一下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手完成一步動(dòng)作后自動(dòng)停止。此方式用于系統(tǒng)的調(diào)試?！?〕單周期操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手自動(dòng)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后停止。在工作中假設(shè)按一下停止按鈕，那么機(jī)械手動(dòng)作停止。重新啟動(dòng)時(shí)需用手動(dòng)操作方式將機(jī)械手移回到原點(diǎn)，然后按一下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手又開始重新單周期操作?！?〕連續(xù)操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按一下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手將自動(dòng)地、連續(xù)地周期性循環(huán)。在工作中假設(shè)按下停止按鈕，那么機(jī)械手將繼續(xù)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后，回到原點(diǎn)自動(dòng)停止。4.3程序設(shè)計(jì)圖4-1順序功能圖是S7-200系列PLC重要的編程語言，主要用于設(shè)計(jì)具有明顯階段性工作順序的系統(tǒng)。假設(shè)將一個(gè)控制過程分為假設(shè)干工序〔或階段〕，在順序功能圖的設(shè)計(jì)方法中可將這些工序稱為狀態(tài)，那么狀態(tài)與狀態(tài)之間由轉(zhuǎn)換條件分隔，相鄰的狀態(tài)具有不同的動(dòng)作形式。在PLC中，每個(gè)狀態(tài)用狀態(tài)軟元件—狀態(tài)繼電器S表示。S7-200PLC的狀態(tài)繼電器編號(hào)從S0.0~S31.7。4.4流程圖該系統(tǒng)采用順序控制法，在順序功能圖中,在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換時(shí)使前級(jí)步的活動(dòng)結(jié)束而使后續(xù)步的活動(dòng)開始,步之間沒有重疊。這是系統(tǒng)中大量復(fù)雜的連鎖關(guān)系在步的轉(zhuǎn)換中得以解決。如圖4-2所示。圖4-2程序順序圖4.5梯形圖梯形圖的設(shè)計(jì)本著簡單、可靠的設(shè)計(jì)原那么，將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到設(shè)計(jì)任務(wù)當(dāng)中。啟動(dòng)信號(hào)，I0.0為啟動(dòng)按鈕，實(shí)現(xiàn)最簡單的起保停功能，如圖4-3所示。圖4-3起保停電路初始步開始，程序等待，看選擇的工作方式，如圖4-4所示。圖4-4選擇工作方式當(dāng)確定了工作方式后，機(jī)械手便開始執(zhí)行程序，下行抓緊工件，延時(shí)2S，延時(shí)時(shí)間到，機(jī)械手上行，如圖4-5所示。圖4-5順序執(zhí)行機(jī)械手手動(dòng)控制程序梯形圖如圖4-6所示。圖4-6手動(dòng)程序詳細(xì)梯形圖及語句表見附錄表第五章仿真軟件應(yīng)用5.1仿真軟件的設(shè)置翻開仿真軟件，如圖5-1輸入密碼6596，進(jìn)入仿真軟件。和所有基于Windows的軟件一樣，仿真軟件最上方是菜單，仿真軟件的所有功能都有對(duì)應(yīng)的菜單命令；在工件欄中列出了局部常用的命令。圖5-1翻開仿真軟件進(jìn)入軟件后在配置目錄中選擇正確的CPU，如圖5-2。圖5-2選擇CPU然后對(duì)程序進(jìn)行加載，如圖5-3。圖5-3加載程序5.2程序的仿真加載后的所寫梯形圖的語句表會(huì)出現(xiàn)在窗口之上，方便進(jìn)行核對(duì)如圖5-4。圖5-4載入后窗口機(jī)械手控制器啟動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出點(diǎn)見圖6-5。圖6-5仿真啟動(dòng)啟動(dòng)手動(dòng)方式，手動(dòng)上升如圖6-6圖6-6手動(dòng)上升由此可見，手動(dòng)程序能夠執(zhí)行，接下來仿真以單周期方式工作，按下啟動(dòng)按鈕，選擇單周期運(yùn)行方式，按下I0.4，那么開始運(yùn)行，如圖6-7所示。圖6-7單周期仿真運(yùn)行仿真是判斷程序是否正確的一個(gè)關(guān)鍵，我們運(yùn)行了手動(dòng)及單周期的工作方式，PLC仿真所對(duì)應(yīng)的輸出點(diǎn)都亮了，所以PLC仿真成功。也可以看出所寫梯形圖沒有錯(cuò)誤。第六章系統(tǒng)的組態(tài)6.1WinCC的介紹西門子公司的WinCC是WindowsControIConter(視窗控制中心)的簡稱。它集成了SCADA、組態(tài)、腳本(Script)語言和OPC等先進(jìn)技術(shù)，具有豐富的設(shè)置工程、可視窗口和菜單項(xiàng)選擇項(xiàng)，使用方式靈活，功能齊全。用戶在其友好的界面下進(jìn)行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，可形成所需的操作畫面、監(jiān)視畫面、控制畫面、報(bào)警畫面、實(shí)時(shí)趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報(bào)表等。它為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環(huán)境，不僅縮短了軟件設(shè)計(jì)周期，而且提高了工作效率。WinCC的另一個(gè)特點(diǎn)在于其整體開放性，它可以方便地與各種軟件和用戶程序組合在一起，建立友好的人機(jī)界面，滿足實(shí)際需要。用戶也可將WinCC作為系統(tǒng)擴(kuò)展的根底，通過開放式接口，開發(fā)其自身需要的應(yīng)用系統(tǒng)。6.2軟件的通信與下載第一步：將S7-200的PLC用數(shù)據(jù)線連接然后然后設(shè)置PG/PC的通訊口，如6-1圖所示。圖6-1設(shè)置PG/PC通訊口第二步：選擇屬性，在選擇本地連接，然后將本地連接中連接到選擇口選擇到COM1，如圖6-2所示。圖6-2選擇通訊口第三步：在查看中選擇通訊，出現(xiàn)通訊窗口，再窗口右側(cè)雙擊刷新地址，如圖6-3和圖6-4所示。圖6-3刷新圖6-4刷新開始第四步：點(diǎn)擊下載選項(xiàng)，彈出下載窗口點(diǎn)擊下載.如圖6-5所示。圖6-5下載這樣就完成了PLC與PC之間的通訊并將梯形圖下載到了PLC中。為Access創(chuàng)立變量翻開Access并選擇新建PLC，然后在新建工程，在工程屬性中設(shè)置個(gè)工程的屬性，如圖6-6所示。圖6-6設(shè)置屬性重復(fù)上述步驟，建立機(jī)械手啟動(dòng)到上下左右運(yùn)行的工程，如圖6-7所示。圖6-7建立工程6.3創(chuàng)立WinCC的工程點(diǎn)擊新建工程，彈出新建工程的窗口，填寫創(chuàng)立工程的名字與其他參數(shù)。見圖7-8所示。圖6-6新建工程6.3.1建立OPC外部變量因?yàn)閃inCC是與外部變量進(jìn)行監(jiān)控所以需要建立外部變量，點(diǎn)擊TagManagement右鍵選擇Addnewdriver在窗口中選擇OPC.chn見圖6-7所示。圖6-7建立外部變量6.3.2尋找通訊伙伴將外部變量建立好后，我們要將外部變量與PCAccess建立通信，找到已建好OPC點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵翻開，然后在翻開的內(nèi)容中容里點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵選擇尋找伙伴就會(huì)彈出窗口，翻開LOCAL選項(xiàng),選中S7-200.OPCServer再點(diǎn)擊BrowsServer。見圖6-8。圖6-8尋找通訊伙伴點(diǎn)擊BrowsServer后會(huì)彈出另一個(gè)窗口在，彈出的窗口中Next就會(huì)出現(xiàn)剛剛建立的變量，翻開變量，見圖6-9所示。圖6-9翻開變量6.4在WinCC中建立機(jī)械手監(jiān)控畫面沒有啟動(dòng)前的監(jiān)控畫面見圖6-10所示。圖6-10未啟動(dòng)啟動(dòng)開關(guān)后機(jī)械手下行并抓緊工件，見圖6-11所示。圖6-11下行并抓緊工件抓緊后，機(jī)械手上行，如圖6-12圖6-12抓緊并上行然后，機(jī)械手右行，如圖6-13圖6-13機(jī)械手右行最后，機(jī)械手下行并釋放工件，系統(tǒng)完成動(dòng)作并返回，如圖6-14圖6-14釋放工件從WinCC的監(jiān)控畫面可以看出，實(shí)現(xiàn)了基于PLC和WinCC的機(jī)械手監(jiān)控與控制。通過WinCC對(duì)機(jī)械手進(jìn)行監(jiān)控使控制變得更加方便，通過觸摸屏就可以對(duì)動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)控，減少了人力節(jié)約了資源。第七章系統(tǒng)的調(diào)試7.1硬件調(diào)試〔1〕硬件檢測調(diào)試從硬件方面檢查系統(tǒng)的各個(gè)方面，保證系統(tǒng)的硬件接線正確〔2〕機(jī)械手控制程序的調(diào)試程序的模擬調(diào)試將設(shè)計(jì)好的程序?qū)懭隤LC后，首先逐條仔細(xì)檢查，并改正寫入出現(xiàn)錯(cuò)誤。用戶程序一般先在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，實(shí)際的輸入信號(hào)可以用鈕子開關(guān)和按鈕來模擬，各輸出量的通/斷狀態(tài)用PLC上有關(guān)的法官二極管來顯示，一般不用接PLC實(shí)際的負(fù)載?？梢愿鶕?jù)功能表，在適合的時(shí)候用開關(guān)或按鈕來模擬實(shí)際的反應(yīng)信號(hào)，如限位開關(guān)觸點(diǎn)的接通和斷開。對(duì)于順序控制程序，調(diào)試程序的主要任務(wù)是檢查程序的運(yùn)行是否符合功能表圖的規(guī)定，即在某一轉(zhuǎn)換條件是現(xiàn)實(shí)時(shí)，是否發(fā)生的活動(dòng)狀態(tài)的正確變化，即該轉(zhuǎn)換所有的前級(jí)初步是否變?yōu)椴换顒?dòng)步，所有的后續(xù)步是否變?yōu)榛顒?dòng)步，以及各步被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載是否發(fā)生相應(yīng)的變化。在程序調(diào)試過程中出現(xiàn)了一系列的問題，但最終都一一解決了。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，加上機(jī)械手模型裝置本身存在的一些問題，所以在調(diào)試程序時(shí)，機(jī)械手動(dòng)作不符合控制要求。經(jīng)過不斷查閱資料，研究、改良，最終程序調(diào)試成功。機(jī)械手運(yùn)行良好，動(dòng)作正確、符合控制要求。7.2系統(tǒng)調(diào)試〔1〕機(jī)械手位于初始位置(壓合SQ2、SQ4)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕SB，下降電磁閥YV1得電，機(jī)械手下降直至壓合SQ1為止。〔2〕夾緊電磁閥YV2得電，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，2s后工件夾緊。〔3)上升電磁閥YV3得電，機(jī)械手抓起工件上升，直至壓合SQ2為止?！?)機(jī)械手右移電磁閥YV4得電，機(jī)械手右移直至壓合SQ3?！?)對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行檢查，確認(rèn)上面無工件才允許機(jī)械手下降，采用光電開關(guān)進(jìn)行無工件檢測?！?)YV1得電，機(jī)械手下降直至壓合SQ1?！?)夾緊電磁閥YV2失電，放工件到B臺(tái)，2s后認(rèn)定已放松。〔8)YV3得電，機(jī)械手上升，直至壓合SQ2。〔9)機(jī)械手向左電磁閥YV5得電，機(jī)械手左移，直至壓合SQ4，機(jī)械手回到原點(diǎn)，完成一個(gè)循環(huán)。結(jié)論在本次課題設(shè)計(jì)中，機(jī)械手模型控制系統(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。利用組態(tài)軟件WINCC對(duì)機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，可以以最少的人員配置來加強(qiáng)對(duì)機(jī)械手的管理，提供較為直觀、清晰、準(zhǔn)確的機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而為維修和故障診斷提供多方面的可能性，充分提高系統(tǒng)的工作效率。WINCC是一種比擬新穎的軟件，將WINCC應(yīng)用于機(jī)械手的自動(dòng)控制對(duì)我來說是一次新的體驗(yàn)。本文中介紹的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)對(duì)于教學(xué)有很好的輔助作用。機(jī)械手控制技術(shù)是一項(xiàng)綜合型的技術(shù)，機(jī)械手控制系統(tǒng)又是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)系統(tǒng)，本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)與真正的機(jī)械手控制系統(tǒng)之間還有很大的差距。由于對(duì)組態(tài)軟件WINCC掌握的不熟練，軟件的一些功能沒有能應(yīng)用到監(jiān)控系統(tǒng)中。另外，本文中的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)比擬簡單，還需要不斷改良和加強(qiáng)。參考文獻(xiàn)[1]趙金榮,葉真編.可編程序控制器原理及應(yīng)用,上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院,2003[2]董儒胥主編.電工電子選訓(xùn)教程，上海交通大學(xué)出版社，2006[3]王兆義主編.可編程序控制器教程，機(jī)械工業(yè)出版社，2003[4]鐘肇新，彭侃編.華南理工大學(xué)出版社，2001[5]王永華主編.現(xiàn)代電氣及可編程技術(shù)，北京航空航天大學(xué)出版社[6]湯以范主編.電氣與可編程序控制器技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2004[7]苗常初編.PLC編程及應(yīng)用，機(jī)械工