机械手的PLC控制系统设计k.docx
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机械手的PLC控制系统设计k
第1章前言
机械手是工业生产中常用的机械设备,是现代企业和建筑工地不可缺少的运输工具,它的动作由相应的控制系统控制，如采用传统的继电接触控制,由于机械触点多,接线复杂,因而控制装置体积很大,并且故障率高,可靠性差,动作精确度低。
而可编程控制器是以中央处理器为核心,综合了计算机和自动控制等先进技术,具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点，已成为目前在机械手控制系统中使用最多的控制方式。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
它的使用大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。
PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位非常重要！
本设计主要研究内容：
要求有两种工作方式：
点动和自动操作；点动操作时，用按钮单独操作机械上升或下降，右移或左移，夹紧或放松；自动操作时，按下起动按钮，机械从“原点”开始工作，自动完成一个工作循环过程，即将工件夹紧后，从A点移动到B点放下工件，然后返回“原点”等待下一次操作。
1.1设计的优点
用可编程控制器，具有投资省、见效快的特点。
因为使用PLC控制机床电气系统后，可去掉了机械手的中间继电器、时间继电器、顺序控制二极管及电阻，使线路简化。
同时，由于PLC的高可靠性，输入／输出部分还具有信号指示，这不仅使电气故障次数大大减少，而且还能给准确判断电器故障的发生部位提供了很大的方便。
论文从plc选型开始介绍，并按照设计的全过程逐次的介绍了系统资源配置、控制系统程序设计集调试的方法、自动操作系统流程图、总程序结构框图、源程序、程序清单、梯形图、电气原理图。
1.2设计的一般步骤
（1）先要全面的了解被控对象的机构、运行过程等，并明确动作逻辑关系；
根据系统的功能要求选择PLC的型号及各种附加的配置，并有规则，有目的分配输入输出点；
（2）根据控制及流程要求，对应输入输出开发相应的应用程序；同时连接PLC与外部设备的连线；
（3）将编制完成的程序写入PLC中，模拟工况运行，进行调试及修改；在模拟成功后，接入现场实际控制系统中进行再次调试，直至完全通过为止。
第2章机械手设计简介
每设计都要分析被控对象并提出控制要求：
1.详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。
确定输入／输出设备
2.根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：
按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：
接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。
2.1设备的控制要求
设备应具有“正常运转”和“强制停止”。
控制系统设有手动、单周期、单步和连续4种工作方式，机械手在最上面和左边且放松时，成为系统处于原点状态或初始状态。
机械手自动控制顺序功能图见图1，机械手的运动过程主要有八个动作即为：
原点→下降→夹紧→上升→右移
↑↓
左移←上升←放松←下降
图1机械手的自动控制顺序功能
手动操作时由按钮操作对机械手的每一种运动单独进行控制，在单步操作方式下，从初始步开始，按下启动按钮X0后，系统转换到下一步，完成该步的任务后，自动停止工作并在该步，再按一下启动按钮，又往前走一步。
如选择单周期工作方式，按下启动按钮后，从初始步开始，机械手按顺序功能图（见图2）的规定完成一个周期的工作后，返回并停留在初始步。
原点→下降→夹紧→上升→右移
↓
左移←上升←放松←下降
图2机械手的单周期控制顺序功能
选择连续工作方式时，在初始状态按下启动按钮后机械手从初始步开始一个周期一个周期地反复连续工作，按下停止按钮，并不马上停止工作，完成最后一个周期的工作后，系统才返回并停留在初始步。
在选择单周期、连续和单步工作方式之前，系统应处于原点状态。
如不满足这一条件，可选择原点工作方式，然后按回原点启动按钮，使系统自动返回原点状态。
在连续工作方式下设置两种停车状态：
正常停车：
在正常工作状态下的停车。
按下停车按钮，机械手完成最后一个周期的工作后，返回原点自动停车。
紧急停车：
在发生故障或紧急状态时的停车。
按下紧急停车按钮，机械手停止在当前执行状态。
当故障排除后，需手动回原点。
2.2装置简介
参照图1机械手结构图，机械手在连续工作方式下，机械手按下述顺序周而复始地搬物：
（如图3）
1）原位状态下（机械手在左、上限位置），按启动按钮，机械手开始下降。
2）下降到下限位行程开关动作，下降结束，机械手开始夹紧。
3）机械手夹紧工件，直到计时器计时时间到，上升运动开始。
4）上升到上限行程开关受压动作，上升运动结束，机械手开始右移。
5）右移到右限行程开关受压动作，右移运动结束，等待工件检测信号。
6）待无工件信号到来，机械手开始下降。
7）下降到下限行程开关受压动作，下降运动结束，机械手开始放松。
8）机械手放松工件，直到计时器计时时间到，上升运动开始。
9）上升到上限行程开关受压动作，上升运动结束，机械手开始左移。
左移到左限行程开关受压动作，左限运动结束，机械手回到原始状态，一个工作循环完毕。
图3机械手工作循环过程图
机械手的上升和下降、左行和右行由不同继电器来控制不同电机的正反转来实现，夹紧和放松由二位四通的电磁阀控制的。
气缸采用QGB—Q系列，属自保持式双电控阀气缸，工作压力为0.15~0.8Mpa，其电磁换向阀有记忆功能，当切断电信号时，阀位不变，气缸活塞位置保持不变，系统不受突然断电的干扰。
图4为机械手示意图，机械手的任务是将A工作台上的工件搬到B工作台。
图4机械手结构图
第3章PLC选型及资源配置
3.1PLC原理及应用
3.1.1可编程控制器
国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
3.1.2PLC的发展趋势
1.小型化方向发展
目前的小型PLC大都局限在开关量输入输出，而且CPU和I/O组装在一个箱体，今后的小型CPU也将增加模拟量处理功能。
而且将有灵活的组态特性，并且能与其的机型连用。
、
小型的PLC的基本特点是价格低廉，经济可靠，适用回路或设备简单的单机控制，便于“机电仪一体化”。
2.大型化发展方向
（1）功能不能加强，不仅具有逻辑运算，计数定时等基本功能，还具有数值运算。
模拟调节、监控、记录、显示等功能。
网络功能是PLC的发展一个重要特征。
各种个人计算机，图形工作站，小型机等都可作为PLC的控制主机或工作站，这些装置的结合能后给屏幕显示、数据采集。
记录保存、回路面版等功能提示。
大量的PLC联网及不同厂家生产的PLC兼容性强，使用较易的进行分散或集中控制管理。
（2）应用范围不断扩大：
不仅可进行一般的逻辑控制，还能进行中断控制，智能控制、过程控制及远程控制。
（3）性能不断的提高，采用高性能的微处理器提高处理速度，加快PLC的响应时间，为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存贮器或硬盘，采用多处理技术，以提高性能，提高PLC的可靠性。
（4）编程软件的多样化和高级化。
多种编程语言，有面向顺序控制的步进顺序语言和面向过程控制系统的流程图语言，后者为一种面向功能快的语言，如基本，C及汇编语言，另外还头专用的高级语言。
PC也将具有数据库，并可实现整个网络的数据共享，还将不断发展适用控制和专家系统。
（5）构成形式的分散和集中化，PLC与I/O接口分散，分散的每个I/O口输入输出点可少到十几点，分散的单元可以几十个或上百个。
PLC的本身也可分散，分散的PLC可以连接，这样可将集中控制中存在的“危险集中”化为“危险分散”。
分散的PLC与上位机结合构成集散系统，分散得进行控制，这就便于构成多层控制，以实现整个工厂或企业的自动化控制和管理。
3.1.3与单片机相比较PLC的特点
单片机具有结构简单，使用方便，价格比较便宜等特点，一般用于数字采集和工业控制，但由于单片机不是专门针对工业现场的自动化控制而设计的，与PLC相比有以下缺点：
（1）不如PLC容易掌握：
单片机一般要用机器指令或其助记符编程，这就要求设计人员具有一定的计算机硬件和软件知识，对于只熟悉机电控制的技术人员来说，需要相当一般时间的学习才能掌握。
PLC本身是微机系统，提供给用户使用是电控人员所熟悉的梯形图语言，使用的术语仍然是“继电器”一类的术语，大部分指令与继电器触点的串联、并联、串联与并联。
并串联等相对应，这就使熟悉机电控制的工程技术人员一目了然。
对于使用者来说，不必去关心文集的一些技术问题，而只要用较短的时间去熟悉PLC的指令系统及操作方法，就能应用到工业现场。
（2）不如PLC使用简单：
用单片机来使用自动控制，一般要在输入输出接口上大量的工作。
例如要考虑现场与单片机的连接，接口的扩展，输入输出信号的处理。
接口工作方式等问题，除要设计控制程序，还要在单片机的外围做很多软件和硬件方面的工作，调试也比较麻烦，而PLC的I/0口已经做好，输入接口可以输入信号直接连接，非常方便；输出接口具有一定的驱动能力，例如继电器输出，其输出触点容量可达2200V，2A。
且I/O口均有光电耦合环节，抗干扰能力强。
（3）不如PC可靠：
用单片机做工业控制，突出问题是抗干扰性能差，而PC是专门用于工程现场的自动控制装置，在系统硬件和软件上都采用了抗干扰措施。
当然PLC在数据采集、数据处理等方面不如单片机。
总之，PLC用于控制，稳定可靠，抗干扰能力强，使用方便，但单片机的通用性和适应性强。
3.1.4PLC的基本组成及工作原理
PLC的基本组成：
广义上来讲，PLC也算是计算机控制系统，只不过它比一般的计算机更强的与工业过程相连接的接口和更直接适应于控制要求的编程语言，所以PLC的基本组成也包含着中央处理器（CPU）存贮器输入输出（I/O）接口、电源等，如图5所示：
图5PLC的基本组成框图
由于PLC的中央处理器都是由微处理器，单片机或位片试计算机组，存贮器及I/O不见的形式也多种多样，因此，也可将PLC的组成以微型计算机控制系统常用的总线结构形似表示。
图6总线结构示意图
PLC的工作原理：
最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：
继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。
PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式—扫描技术。
这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。
PLC执行过程
1．扫描技术
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（1）输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
（2）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
（3）输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
2．PLC的I/O响应时间
为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。
为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。
以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。
所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变
所需的时间。
其最短的I/O响应时间与最长的I/O响应时间如图所示：
最短I/O响应时间：
最短响应时间
最长I/O响应时间：
最长响应时间
3.1.5PLC各组成部分的作用
1.输入部件
输入部件是PLC与工业生产现场被控对象之间的连接部件，是现场信号进号入PLC的桥梁。
该部件接受由主令元件，检测元件的信号。
主令元件是由用户在控制键盘（或控制台）上操作的一切功能键、如开机、开机、调试或紧急停车等按键。
主令元件给出的信号称为主令信号。
检测件的功能是检测一些物理量在设备工作进程中的状态，并通过输入部件送入PLC以控制工件程序的转换等。
常见的检测元件有行程开关、限位开关、光点检测开关、继电器触点及其它各类传感器等。
输入方式有两种，一种是数字量输入，另一种是模拟量输入。
后者要经过模拟/数字变换部件进入PLC，输入部件均带头交点耦合电路，其目的是PLC与外部电路隔离开关，以提高PLC部件上设有输入接线端子排。
为了滤除信号的噪声和便于PLC内部对信号的处理，输入部件上没有输入的滤波，电平转换。
信号锁存电路。
各PLC生产厂家都提供了多种形式的I/O部件或模块，供用户选用。
2.输出部件
它也是PLC与现场设备之间的连接部件，其功能是控制设备进行工作（如电机的启动、停、正转、反转、闸门的开和关。
设备的转动，移动、升降）。
对于PC，能直接驱动执行元件，如电磁闸、微电机、接触器、灯和音响等。
因此，输出部件中的继电器，无触点的交流开关（如双向可控硅）及直流开关（如晶体三极管）等。
与输入部件类似，输出部件上也存有输出状态锁存、显示。
电平转换和输出接线端子排。
输出的部件或模块也有多种类型存在供选用。
3.中央处理器（CPU）
与一般的计算机控制系统一样。
CPU是整个PLC系统的核心，他按PLC中系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作。
其主要任务有控制从编程器键入的用户程序和数据的接受与存贮，用扫描方式通过I/O部件接受现场的状态或数据。
并存入输入状态表或数据存贮器中，诊断电路、PLC内部电路的工作和编程中的语法错误等，PLC进入运算状态后，从存贮逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等，根据运算结果，更新有关的状态和输出寄存器表的内容，再经由输出部件实现输出控制、制表打印或数据通讯功能。
与能用微型机不同的，PLC具有面向电气技术人员的开发语言。
通常以虚拟的输入继电器输出继电器、中间辅助继电器、时间继电器、计数器等交给用户使用，这些虚拟的继电器也称“软经常性电器”或“软元件”，理论上具有无限的常开。
常闭触点在且只能在PLC上编程时使用，至于具体结构，对用户透明。
目前，小型PLC为单CPU单系统，而中型及大型PLC则为从CPU甚至多CPU系统。
对于双CPU来说，一般具有一个位处理器和一字处理器，字处理器CPU这个核心之核心，常由通用的8位、16位和32位微处理器担任，如Z80、8050、MCS—51等。
字处理器执行所有的编程器接口功能，监视内部定时位处理在有的系统中也称布尔处理机，位处理器采用半用户专用的芯片来实现，不仅使PLC增加了功能，提高了速度，也提高了PLC的保密功能。
PLC中位处理器的主要作用有两个，一个是直接处理一些指令，从而提高了位指令的处理速度，减少了位指令对字处理器的压力。
二是将PLC的面向工程技术人员的语言（梯形图，控制流程图等）转换机器语言。
4．存贮器及存贮器的扩展
与普通微机系统中的存贮器功能相似，用来存贮系统程序和用户的程序与数据。
系统程序存贮器是指用来存放系统管理。
用户指令解释及标准程序模块，系统调用等程序的存贮器常用EPROM构成。
用户存贮器用来存贮用户编制的梯形图程序或用户数据。
存贮用户程序的叫用户存贮器，常用EPROM构成。
存储用户数据的叫用户数据存贮器，为了防止掉电时信息的丢失，有后备电池作保护来维持。
由于PLC系统程序关系到PLC的性能，不能由用户直接存取，因同，PLC产品样本或使用中大部分所列的存贮器形式及其容量系指用户器而言。
PLC中已提供一定的容量的存贮器供用户使用，但对有些用户还不够用。
因此大部分PLC都提供了存贮器扩展功能，用户可以将新增加的存贮扩展模板直接插入CPU模板中，也有的插入中央基板中。
5.通讯接口
为了实现“人-机”或“机-人”之间的对话，PLC配有多种通讯接口，PLC通过这些通讯接口可以与监视器，打印机，其他的PLC或计算机相连接在一起。
与PLC与打印机相连接时，可将过程信息。
系统参数等输出打印机的打印，当与监视器（CRT）相连时，可将过程图象显示出来，当与其它的PLC现更大规模的控制。
当与计算机相连时，可以组成多级化控制系统，实现系统与管理结合的综合系统。
6.只能I/O接口
为了满足更多复杂的控制功能需要，PLC配有多种的只能I/O接口。
例如，满足位置调节需要的位置闲环控制摸板，对高速脉冲进行计数和处理的高速计数模板等等。
这类只能模板有其自身处理系统。
7．I/O扩展接口
一个PL中心单元的I/O点数不够用时要对系统进行扩展，扩展接口用于中心基本单元和扩展单元。
8．功能开关与指示灯
开关是用来控制PLC工作状态的，如变成，调试，监视，运行开关等。
指示灯有PLC工作状况指示，电源指示，电压过低指示。
9．编程器
它的作用是供用户进行系统的编制、编辑、调试和监视。
有时的编程器还可与打印机或磁带相连，以将用户程序和有关信息打印出来存放在磁带上，磁带上的信息可以重新装入到PLC。
10．其它部件
PLC还可以配有盒式磁带机，EPROM写入器等其它外部设备。
3.2控制系统构成图
3.2.1控制系统如图
图7机械手控制系统图
3.2.2输入/输出分析
分析系统信号输入/输出要求，系统I/O信号全部为开关量，其中：
（1）输入信号为十八个开关量信号，它们分别为：
启动、停止、紧急停车、手动/单步/单周期/连续、上限、下限、左限、右限、工作检测、上升、下降、左移、右移、夹紧和放松。
（2）输出信号为七个开关量控制信号，它们分别为：
上升、下降、左移、右移、夹紧和原点指示。
3.2.3用户程序容量估计
分析系统控制要求，一个工作循环分成10个工步，每一工步完成一些简单的工作。
因此，控制用的程序估计较短，约在两百步之内。
3.3PLC选型
3.3.1PLC机型选择
综合分析要求，考虑系统的经济性和技术指标，三菱公司微型PC，机型FX-48MR。
3.3.2FX2N系统的基本单元
FX2N系列是FX家族中最先进的PLC系列。
FX2N基本单位有16/32/48/65/80/128点，六个基本FX2N单元中的每一个单元都可以通过I/O扩展单元扩充256I/O点，其基本单元如表1所示。
表1FX2N系列的基本单元
型号
输入点数
输出点数
扩展模块可用点
继电器输出
可控硅输出
晶体管输出
FX2n-16MR-001
FX2n-16MS
FX2n-16MT
8
8
24~32
FX2n-32MR-001
FX2n-32MS
FX2n-32MT
16
16
24~32
FX2n-48MR-001
FX2n-48MS
FX2n-48MT
24
24
48~64
FX2n-64MR-001
FX2n-64MS
FX2n-64MT
32
32
48~64
FX2n-80MR-001
FX2n-80MS
FX2n-80MT
40
40
48~64
FX2n-128MR-001
FX2n-128MT
64
64
48~64
FX2N具有丰富的元件资源，有3072点辅助继电器。
提供了多种特殊功能模块，可实现过程控制位置控制。
有多种RS-232/RS-422/RS-465串行通信模块或功能扩展板支持网络通信。
FX2N具有较强的数学指令集，使用32位处理浮点数。
具有方根和三角几何指令满足数学功能要求很高数据处理。
3.3.3FX系列的部分特殊功能模块
1.模拟量输入输出模块
（1）模拟量输入模块FX2N-2AD，该模块为2路电压输入（0~10VDC，0~5VDC）或电流输入（4~20mADC）,12位高精度分辨率，转换的速度为2.5ms/通道。
这个模块占用8个I/0点，适用FXIN、FX2N、FX2NC子系列
（2）模拟量输出模块FX2N-2AD，该模块用于将12位的数字量转换成2点模拟输出。
输出的形式可为电压，也可为电流。
其选择取决于接线不同。
电压为输出时，两个模拟输出通道输出信号为0~10VDC，0~5VDC；电流输出时为4~20mADC。
分辨率为2.5mV（0~10VDC）和4μA（4~20mADC）。
数字到模拟的转换特性可进行调整。
转换速度为4ms/通道。
本模块需占用8个I/0点。
适用于FXIN、FX2N、FX2NC子系列。
2.PID过程控制模块
FX2N-2LC温度调节模块是用在温度控制系统中。
该模块配有2通道的温度输入和2通道晶体管输出，即一块能组成两个温度调节系统。
该模块提供了自调节的PID控制和PI控制，控制的运行周期为500ms，占用8个I/O点数。
可用于FX1N、FX2N、FX2NC子系列。
3.定位控制模块
在机械手工作运行过程中工作的速度与精度往往存在矛盾，为提高机械效率而提高速度时，停车控制上便出现了问题。
所以进行定位控制是十分必要的。
举一个简单的例子，电机带动的机械有启动位置返回原位，如以最快的速度返回。
由于高速停车惯性大，则在返回原位时偏差必然较大。
在位置控制系统中常会采用伺服
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