機械手的PLC控制系統(tǒng)設計

機械手的PLC控制系統(tǒng)設計,機械手的PLC控制系統(tǒng)設計,機械手,plc,控制系統(tǒng),設計 分 類 號 密 級 設計 機械手的PLC控制 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 年 月 日 誠 信 承 諾 我謹在此承諾：本人所寫的《機械手的PLC控制》均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔。 承諾人（簽名）： 年 月 日 35 目 錄 目 錄 - 1 - 摘 要 - 2 - Abstract - 3 - 第一章 前言 - 4 - 1.1 研究的目的及意義 - 4 - 1.2 機械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 - 4 - 1.3 主要研究的內(nèi)容 - 5 - 1.4 解決的關鍵問題 - 6 - 第二章 可編程控制PLC - 6 - 2.1 PLC 簡介 - 6 - 2.2 PLC的基本組成及各部分作用 - 7 - 2.2.1中央處理單元(CPU) - 8 - 2.2.2存儲器 - 8 - 2.2.3 I/0單元 - 9 - 2.2.4電源部分 - 9 - 2.2.5擴展接口 - 9 - 2.2.6通信接口 - 10 - 2.2.7編程器 - 10 - 第三章 機械手PLC控制系統(tǒng)設計 - 16 - 3.1 機械手的工藝過程 - 16 - 3.2 PLC 控制系統(tǒng) 18 3.3．PLC 控制系統(tǒng)程序設計 19 總結(jié)與展望 24 參考文獻 25 致 謝 26 附 錄 27 附錄1 程序流程圖 27 附錄2 順序功能圖 30 附錄3 梯形圖 31 附錄4 指令表 33 摘 要 機械手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務執(zhí)行機構(gòu)，是機器人的關鍵部件之一。機械手的機械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、等機械器件組成；電氣方面有交流電機、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，位置控制技術、檢測技術等，是機電一體化的典型代表儀器之一。本文介紹的機械手是由PLC輸出三路脈沖，分別驅(qū)動橫軸、豎軸變頻器，控制機械手橫軸和豎軸的精確定位，微動開關將位置信號傳給PLC主機；位置信號由接近開關反饋給PLC主機，通過交流電機的正反轉(zhuǎn)來控制機械手手爪的張合，從而實現(xiàn)機械手精確運動的功能。本課題擬開發(fā)的物料搬運機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)進行作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關參數(shù)。 本文在縱觀了近年來機械手發(fā)展狀況的基礎上，結(jié)合機械手方面的設計，對機械手技術進行了系統(tǒng)的分析，提出了用驅(qū)動和PLC控制的設計方案。采用整體化的設計思想，充分考慮了軟、硬件各自的特點并進行互補優(yōu)化。對機械手的整體結(jié)構(gòu)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了分析和設計。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、機械手的移動、故障報警等功能。最后提出了一種簡單、易于實現(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)濟型、實用型、高可靠型機械手的設計方案，對其他經(jīng)濟型PLC控制系統(tǒng)的設計也有一定的借鑒價值。 關鍵詞: 機械手，交流電機,可編程控制器（PLC），自動化控制，。 Abstract 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, manipulator's 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. Key words: manipulator ；AC motor ； programmable logic controller (PLC)； automatic control；sorting material 第一章 前言 1.1 研究的目的及意義 工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新的技術，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。工業(yè)機械手是提高生產(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，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。 機械手作為前沿的產(chǎn)品應自動化設備更新時的需要，可以大量代替單調(diào)往復或高精度需求的工作，在先進制造領域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運貨物、分揀物品、代替人的繁重勞動。可以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在高溫、腐蝕及有毒氣體等環(huán)境下操作以保護人身安全，可以廣泛應用于機械制造、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，綜合了計算機和自動控制等先進技術，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，已成為目前在機械手控制系統(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。 適應工業(yè)需要，本課題試圖開發(fā)PLC對機械手的控制，并借助必要的精密傳感器，使其能夠?qū)Σ煌伾奈锪习搭A先設定的程序進行分揀，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)，廣泛應用于柔性生產(chǎn)線。采用PLC控制，是一種預先設定的程序進行的自動化裝置，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械手進行新的分配任務時，可以允許方便的改動或重新設計其新部件，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)換工作的費用。本設計主要完成機械手的硬件部分與軟件部分設計。主要包括執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設計。 1.2 機械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 機械手最早應用在汽車制造工業(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)重復勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應用于制造業(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)。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)，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，機械手的應用領域日益擴大。 目前，國際上的機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。 我國機械手起步于20世紀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年代的應用化期。在我國，機械手市場份額大部分被國外機械手企業(yè)占據(jù)著。在國際強手面前，國內(nèi)的機械手企業(yè)面臨著相當大的競爭壓力。如今我國正從一個“制造大國”向“制造強國”邁進，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，政府務必會加大對機器人的資金投入和政策支持，將會給機械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動力。 1.3 主要研究的內(nèi)容 隨著機械手技術的飛速發(fā)展和機械手應用領域的不斷深化，不僅要求其控制可靠性強、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)濟性強。本論文主要研究機械手以下幾個方面的內(nèi)容： 要求獨立完成工業(yè)機械手PLC控制系統(tǒng)設計與調(diào)試。 (1) 如圖所示，有兩部機械對工作物進行加工，加工位置分別是A點、B點，要求由機械手臂將加工物從A點送至B點。 (2) 手動操作，每個動作均能單獨操作，用于將機械手復歸至原點位置； (3) 連續(xù)運行，在原點位置按起動按鈕時，機械手按圖連續(xù)工作一個周期，一個周期的工作過程如下： 原點→下降→夾緊（T）→上升→右移→下降→放松（T）→上升→左移到原點。 任務要求： 1) PLC外部接線圖，以及其它相關設備的電氣圖；PLC編程元件明細表，應包含定時器、計數(shù)器等元件的設定值； 2) 完整的程序資料，應包括PLC工序圖、梯形圖、指令表等3種格式的程序及注解； 1.4 解決的關鍵問題 1 機械手的控制系統(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形式。 3 傳感器的類型選擇。 第二章 可編程控制PLC 2.1 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)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術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現(xiàn)邏輯控制。隨著技術的發(fā)展，這種采用微型計算機技術的 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（Personal Computer）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，功能強大。 世界上公認的第一臺PLC時1969年美國數(shù)字設備公司（DEC）研制的。限于當時的元件條件及計算機發(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增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，成為真正具有計算機特征的工業(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，并將參加運算及處理的計算機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技術和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。20世紀70年代中末期，可編程控制器進入了實用化發(fā)展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型的體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、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80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得了廣泛的應用。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，大量應用可編程控制器的工業(yè)廠家占美國重點工業(yè)行業(yè)廠家總數(shù)的82%，可編程控制器的應用數(shù)量已位于眾多的工業(yè)自控設備之首。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這標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世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現(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)展了大型機及超小型機；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)了各種人機界面單元，通訊單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應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。 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。另外還有獨立的1/0擴展單元與主機配合使用。主機中，CPU是PLC的核心，1/0單元是連接CPU與現(xiàn)場設備之間的接口電路，通信接口用于PLC與編程器和上位機等外部設備的連接。 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，其它稱為擴展底板。CPU底板與擴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: (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進入運行狀態(tài)后，根據(jù)存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進行解 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)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RAM，以免電源掉電時，丟失用戶程序。當用戶程序調(diào)試修改完畢，不希望被隨意改動時，可將用戶程序?qū)懭隕PROM.目前較先進的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。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)。這部分數(shù)據(jù)存儲在RAM中，以適應隨機存取的要求。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)，它的標準格式是每一個數(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)器的當前值和設定值。它還用來存放A/0轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字和數(shù)學運算的結(jié)果等。根據(jù)需要，部分數(shù)據(jù)在停電時用后備電池維持其當前值，在停電時可保持數(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備的各種控制信號，如限位開關、操作按鈕、選擇開關、行程開關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。運行時CPU從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進行處理，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對應的觸發(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)場需要的強電信號輸出，以驅(qū)動電磁閥、接觸器、指示燈被控設備的執(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，通常電源封裝到機殼內(nèi)部;對于模塊式PLC，有的采用單獨電源模塊，有的將電源與CPU封裝到一個模塊中。 2.2.5擴展接口 擴展接口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。 2.2.6通信接口 為了實現(xiàn)“人一機”或“機一機”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、打印機和其他的PLC或計算機相連。當PLC與打印機相連時，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印;當與監(jiān)視器相連時.可將過程圖像顯示出來;當與其他PLC相連時，可以組成多機系統(tǒng)或連成網(wǎng)路，實現(xiàn)更大規(guī)模的控制;當與計算機相連時，可以組成多級控制系統(tǒng)，實現(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)化為機器語言助記符后，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)機編程，也可以脫機編程，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。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡，還可以實現(xiàn)遠程編程和傳送?，F(xiàn)在很多PLC已不再提供編程器，而是提供微機編程軟件了，并且配有相應的通信連接電纜。 2.3 PLC的應用領域 PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時日常維護也變得容易起來，更重要的是使同一設備經(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)外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、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)開關量邏輯控制 取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于控制單臺設備，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、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用。 (3)運動控制 PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。一般使用專用的運動控制模塊，如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。 (4)數(shù)據(jù)處理 PLC具有數(shù)學運算(含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算)、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與其它智能設備間的通信。隨著工廠自動化網(wǎng)絡的發(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)應用，在實際應用時，其硬件需根據(jù)實際需要進行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進行設計編制。 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)，即運行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP） 狀態(tài)。在運行狀態(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現(xiàn)控制 功能。為了使可編程序控制器的輸出及時地響應隨時可能變化的輸入信號，用戶 程序不是只執(zhí)行一次，而是反復不斷地重復執(zhí)行，直至可編程序控制器停機或 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?？删幊绦蚩刂破鞯?這種周而復始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計算機執(zhí)行指令的速度極 高，從外部輸入-輸出關系來看，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)控定時器復位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。 在通信服務階段，可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應 編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。當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。可編程序控制起處于（RUN）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。 外接的輸入觸點電路接通時，對應的輸入映像寄存器為“1”狀態(tài)，梯形圖 中對應的輸入繼電器的常開觸點接通，常閉觸點斷開。外接的輸入觸點電路斷開， 對應的輸入映像寄存器為“0”狀態(tài)，梯形圖中對應的輸入繼電器的常開觸點斷 開，常閉觸點接通。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)行相應的邏輯運算，運算結(jié)寫入到對應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的硬件繼電器的 線圈通電，其常開觸點閉合，使外部負載通電工作。若梯形圖中輸出繼電器線圈斷電對應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的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點 斷開，外部負載斷電，停止工作。某一編程元件對應的映像寄存器為“1”狀態(tài) 時，稱該編程元件為 ON，映像寄存器為“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。并對控制線路進行邏輯運算，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：算術運算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達等。 （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)動響應的外設。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，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載接通時的滯后時間約為 1ms，負載 由導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到兩個多掃描周期?？删幊绦蚩?制器總的響應延遲時間一般只有幾十 ms，對于一般的系統(tǒng)是無關緊要的。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 機型的選擇方法 2.5.1．PLC 的類型 PLC 按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應用環(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。從應用角度出 發(fā)，通常可按控制功能或輸入輸出點數(shù)選型。整體型 PLC 的 I/O 點數(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 點數(shù)，功能擴展方便靈活，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考慮與應用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應考慮信 號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應用要求。對輸出模塊，應 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、響應時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關頻繁，電感性低功率 因數(shù)負荷場合，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，與應用要求應一致?？筛鶕?jù)應用要求，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用成本?？紤]是否需要擴展機架或遠程 I/O 機架等。 3.電源的選擇 PLC 的供電電源，除了引進設備時同時引進 PLC 應根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設計 和選用外，一般 PLC 的供電電源應設計選用 220VAC 電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。 重要的應用場合，應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，應核對提供的電流是否滿足應用要求，否則應設計外接供電電源。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 由于計算機集成芯片技術的發(fā)展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應用項目 的正常投運，一般要求 PLC 的存儲器容量，按 256 個 I/O 點至少選 8K 存儲器選 擇。需要復雜控制功能時，應選擇容量更大，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 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。 b． I/O 接口單元的冗余 （1）控制回路的多點 I/O 卡應冗余配置。 （2）重要檢測點的多點 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)濟性的考慮 選擇 PLC 時，應考慮性能價格比?？紤]經(jīng)濟性時，應同時考慮應用的可擴展 性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。 輸入輸出點數(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 用。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應的存儲器容量、機架、母板等也要相應增加， 估因此，點數(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 機械手 PLC選擇及參數(shù) 綜合上述原則機械手控制系統(tǒng)主機為三菱的 FX2N-48MR。 1. 主要技術數(shù)據(jù)如下： 2. 工作電源：24VDC 輸入點數(shù)：24 輸出點數(shù)：24 輸入信號類型：直流或開關量 輸入電流：24VDC 5mA 模擬輸入：-10V～10V（-20mA～+20mA） 輸出晶體管允許電流 0.3A/點（1.2A/COM） 輸出電壓規(guī)格：30VDC 最大負載：9W 輸出反應時間：Off→On 20μs On→Off 30μs 基本指令執(zhí)行時間：數(shù)個μs 程序語言：指令+梯形圖+SFC 程序容量：3792STEPS 基本順序指令：32 個（含步進梯形指令） 應用指令：100 種 初始步進點：S0～S9 一般步進點：118 點，S10～S127 輔助繼電器：一般用 512+232 點（M000～M511+M768～M999） 停電保持用 256 點（M512～M767） 特殊用 280 點（M1000～M1279） 定時器：100ms 時基 64 點（T0～T63） 10ms 時基 63 點（T64～T126，M1028 為 ON 時） 1ms 時基 1 點（T127） 計數(shù)器：一般用 112 點（C000～C111，16 位計數(shù)器） 停電保持用 16 點（C112～C127，16 位計數(shù)器） 高速用 13 點 1 相 5kHz，2 相 2kHz（C235～C254，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（D000～D407） 停電保持用 192 點（D408～D599） 特殊用 144 點（D1000～D1143） 指針/中斷：P64 點；I4 點（P0～P63/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 主機電源 220V AC 2.PLC 主機的組成 1、輸入單元 輸入單元由 8 個按扭、8 個開關和 16 個接插件組成，它們分別與 PLC 的 16 個輸入點相接。改變這些開關或按扭的通斷狀態(tài)，即可對主機輸入所需要的開關 量。16 個接插件可外接其它直流或開關量輸入信號。 2、輸出單元 輸出單元由 24 個二極管和 24 個接插件組成，它們分別與 PLC 的 24 個輸出點 相連。發(fā)光二極管是否發(fā)光，即可表示輸出點的狀態(tài)，使用者可得到主機的輸出 信息。24 個輸出接插件可外接其它需要控制的設備。輸出單元的 4 個地端，分 別引出到面板，其中只有 C4 與 3V 電源共地。 3、電源單元 PLC 主機左邊有外接 220V/AV 的電源插座，作為 PLC 的工作電源。內(nèi)裝變壓 器，輸出 3V 電源，供二極管使用。另外 PLC 的 24VDC 和 24GND 已引出到面板， 供外接輸入器件（如傳感器）的工作電源用 第3章 機械手PLC控制系統(tǒng)設計 3.1 機械手的工藝過程 機械手的工作均由電機 驅(qū)動，它的上升、下降、左移、右移都是有電機驅(qū)動螺紋絲桿旋轉(zhuǎn)來完成的。 分析工藝過程機械手的初始位置停在原點，按下啟動后按扭后，機械手將原點→下降→夾緊（T）→上升→右移→下降→放松（T）→上升→左移到原點,動作完成一個工作周期。機械手的下降、上升、右移、左移等動作轉(zhuǎn)換，是由相應的限位開關來控制的，而加緊、放松動作的轉(zhuǎn)換是有時間來控制的。 為了確保安全，機械手右移到位后，必須在右工作臺上無工件時才能下降， 若上次搬到右工作臺上的工件尚未移走，機械手應自動暫停，等待。為此設置了一個光電開關，以檢測“無工件”信號。 為了滿足生產(chǎn)要求，機械手設置了手動工作方式和自動工作方式，而自動工作方式又分為單步、單周期和連續(xù)工作方式。 1） 手動工作方式：利用按鈕對機械手每一步動作進行控制。例如，按下“下降” 按鈕，機械手下降；按下“上升”按鈕，機械手上升。手動操作可用于調(diào)整工作 位置和緊急停車后機械手返回原點。 2） 單步工作方式：從原點開始，按照自動工作循環(huán)的步序，每按一次啟動按鈕， 機械手完成一步動作后自動停止。 3） 單周期工作方式：按下啟動按鈕，機械手按工序自動自動完成一個周期的動 作，返回原點后停止。 4） 連續(xù)工作方式：按下按鈕，機械手從原點，按步序自動反復連續(xù)工作，在連 續(xù)工作方式下設置兩種停車狀態(tài)： 正常停車：在正常工作狀態(tài)下停車。按下復位按鈕，機械手在完成最后一個 周期的工作后，返回原點自動停機。 緊急停車：在發(fā)生事故或緊急狀態(tài)時停車。按下緊急停車按鈕，機械手停止 在當前狀態(tài)。當故障排除后，需手動回到原點。 3.2 PLC 控制系統(tǒng) 1．確定輸入/輸出點數(shù)并選擇 PLC 型號 1）輸入信號 位置檢測信號：下限、上限、右限、左限共 4 個行程開關，需要 4 個輸入端 子。 “無工件檢測”信號：用光電開關作檢測元件，需要 1 個端子。“工作方式”選擇開關：有手動、單步、單周期和連續(xù) 4 種工作方式，需要4 個輸如端子。 手動操作：需要有下降、上升、右移、左移、加緊、放松 6 個按鈕，也需要6 個輸入端子。 自動工作：尚需啟動、正常停車、緊急停車 3 個按鈕，也需要 3 個輸入端子。 以上共需要 18 個輸入信號。 2）輸出信號 PLC 的輸出用于控制機械手的下降、上升、右移、左移、加緊、放松以三個 電動機轉(zhuǎn)速的控制等，共需要 11 個輸出點。機械手從原點開始工作，需要一個 原點指示燈，也需要 1 個輸出點。所以，至少需要 6 個輸出點。 由于機械手的控制屬于開關量控制，在功能上未提出特殊要求。因此任何型 號的小型 PLC 均可滿足要求。根據(jù)所需的 I/O 總點數(shù)并留有一定的備用量，可選用 FX2N-48RM，其輸入和輸出各 24 點，繼電器輸出型。FX2N-48RM 的各項工作參數(shù)已在第二章介紹，在此不在做介紹。 2．分配 PLC 的輸入/輸出端子 PLC 的輸入輸出端子分配接線圖，如圖 5-2 所示。 圖 5-2 輸入/輸出分配接線圖 所需元器件明細表 3.3．PLC 控制系統(tǒng)程序設計 為了方便編程，可將手動和自動程序分別編出相對獨立的程序段，用跳轉(zhuǎn)指 令進行選擇，控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖，如圖 5-3 所示。選擇手動方式時，X3 接 同，跳過自動程序，執(zhí)行手動程序；選擇自動工作方式時，X3 斷開，執(zhí)行自動 程序。 （1）手動程序 手動操作不需要按工序順序進行動作，所以可按普通繼電器程 序來設計。手動操作的梯形圖，如圖 5-4 所示，手動按鈕 X20-X25 分別控制下 圖 5-3 總程序結(jié)構(gòu)框圖 圖 5-4 手動程序 降、上升、右移、左移、加緊和放松各個動作。為了保證系統(tǒng)的的安全與進行， 設置了一些必要的連鎖。其中在左、右移動的電路中加入 X11 作上限連鎖，這是 因為機械手只有處于上限位置時，才允許左、右移動。 （2） 自動程序 自動程序如圖 5-5 所示。 1）連續(xù)及單周期操作。當機械手在原點時，程序處于初始狀態(tài) S0，執(zhí)行下 降動作。當下降到下限位開關時，X10 接通，又接通下一個狀態(tài) S21，接著執(zhí)行 下一步動作。當執(zhí)行完最后一步動作，即左移到原點碰到左限位開關時，X13 接 通，如果是單周期操作，則 M0 斷開，回到初始狀態(tài)，如果連續(xù)操作，則 M0 接通， 狀態(tài)轉(zhuǎn)移至 S20，又開始下一個周期的循環(huán)。 在運行中，如按正常停車按鈕，則 X1 接通，M0 復位，機械手的動作繼續(xù)執(zhí) 行完一個周期后，回到初始狀態(tài)。如按緊急停車按鈕，則 X2 接通，狀態(tài) S0~S33 全部復位，機械手工作停止。重新啟動時，先用手動來將機械手移回原點，才能 再次進行自動操作。 2）單步操作。當自動操作程序采用步進指令設計時，單步操作程序用“禁止狀態(tài)轉(zhuǎn)移”標志器 M8040 來實現(xiàn)，如圖 5-6 所示。該繼電器線圈接通時，禁進狀態(tài)轉(zhuǎn)移，線圈斷電時，允許狀態(tài)轉(zhuǎn)移。 圖 5-5 自動程序 止步 在單步操作方式下，利用啟動按鈕 X0 作為單步操作信號，X4 接通。不按啟 動按鈕時，X0 斷開，其常閉接點閉合，M8040 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移被禁止。 圖 5-6 用“禁止狀態(tài)轉(zhuǎn)移”設計的單步操作梯形圖 當完成一步動作后，按下啟動按鈕，X0 接通，，其常閉接點將 M8040 斷開，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一步。 將如圖 5-6 所示的單步操作梯形圖連接在如圖 5-5 所示的自動程序上端，就 得到了包括單步、單周期、連續(xù)操作在內(nèi)的整個自動操作的梯形圖。 至此，機械手的控制程序分段設計完畢。根據(jù)圖 5-3 所示的總程序結(jié)構(gòu)框圖， 將手動操作程序梯形圖和自動程序梯形圖嵌入，就得到整個程序的梯形圖。 總結(jié)與展望 機械手的出現(xiàn)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)重復勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。 本論文的設計主要取得了以下成果： (1) 驅(qū)動系統(tǒng)是強的非線性系統(tǒng)，其根本原因是空氣具有可壓縮性，使得系統(tǒng)中存在流量飽和效應，非線性摩擦力等因素，實現(xiàn)氣缸的精度定位非常困難。因此在其應用中，要對各參數(shù)進行調(diào)定，以達到比較理想狀態(tài)。 (2) 機械手的控制系統(tǒng)采用了技術性、可靠性非常高的PLC進行控制。這使得機械設備更加靈活，動作準確，易于維護，勞動生產(chǎn)率大大得到了提高。各種操作方式自由切換，滿足了各種生產(chǎn)要求。 本課題在完成了機械結(jié)構(gòu)設計的基礎上，對機械手的驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了設計。由于時間的限制以及機械手的結(jié)構(gòu)比較復雜，有些問題需要進一步的研究： 在驅(qū)動系統(tǒng)方面存在一個固有的弱點，僅采用古典的反饋控制很難得到高精度位置和力等的控制。所以，在驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法上，廣泛地引入現(xiàn)代控制理論和智慧控制等方法是其特征之一。神經(jīng)網(wǎng)絡是一大規(guī)模并行分布處理非線性動力學系統(tǒng)，適用于強非線性的機械手的控制。 雖然還有很多尚未解決的問題有待于繼續(xù)研究，但相信PLC控制的機械手的研究是非常有新意、有意義的，有著廣泛的應用前景。 參考文獻 [1] 王承義．機械手及其應用．北京：機械工業(yè)出版社，1981，12-25 [2] 廖常初．可編程控制器的編程方法與工業(yè)應用．重慶：重慶大學出版社，2001，26-37 [3] 郭洪紅．工業(yè)機器人技術．西安：西安電子科技大學出版社，2006年，20-28 [4] 王承義．機械手及其應用．北京：機械工業(yè)出版社，1981，8-25 [5] 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