基于PLC的机械手控制的设计Word格式.docx
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全文分为五章节。
第一章介绍机械手的应用范围和功能意义。
第二章主要讲述PLC的一些相关概念。
第三章讲述了PLC控制系统设计的基本原则、主要内容、一般步骤等。
第四章主要讲述机械手的控制系统，设计的核心部分PLC的程序设计，当中有输入输出点所指的内容介绍，梯形图（SFC图）和指令表。
第五章是演示动画模拟软件——组态王6.5的简介及机械手的动画演示。
关键词机械手控制系统PLC控制程序设计梯形（SFC）图
第一章引言
机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。
机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。
应用PLC控制机械手实现各种规定的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。
在市场经济的刺激下，许多商家为了取得更大的利益，不断要求要提高生产效率，所以需要把PLC机械手设计得更加完善、更加有效率、更加安全和耐用。
本设计为平面关节型机械手系统设计，共分为五章：
第一章引言部分，简单介绍现在我国机械手的状况。
第二章PLC的一些相关概念，内容包括PLC的定义，主要特点，以及其应用范围和发展趋势。
第三章介绍PLC的系统设计，内容包括PLC设计的基本原则，主要内容及一般步骤，PLC机型的选择。
第四章PLC机械手的设计内容。
第五章介绍系统组态王演示，主要是仿真软件--组态王6.5的简介及机械手动作动画的演示。
在设计时充分考虑到PLC机械手的特点和要求，充分注意到了在生产过程中遇到突发性事件时，系统应作出的动作，各个环节都可以独立出来运行进行调试，做到安全生产，把生产中有可能遇到的危险减到最低。
本设计在设计和写论文时得到了指导老师张老师的指导，他耐心地，详尽地讲述了PLC机械手系统的每一个环节，和现代PLC机械手系统的要求，使机械手系统设计和论文得以顺利完成。
由于我们的水平有限，设计和论文中难免存在不当之处，恳请各位老师批评指正。
第二章PLC相关概念
2.1PLC的简介与定义
可编程控制器（ProgrammableController）是在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的一种工业控制器。
其早期称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicCotroller），简称PLC[1]。
世界上第一台可编程控制器是1969年由美国数字设备公司（DEC）为美国通用汽车自动装配线而研制的，主要用于替代传统的继电器逻辑控制。
随着微电子技术的迅猛发展，PLC的功能不断增强，从最初的逻辑运算发展到能实现过程控制、智能控制及网络通讯等的多功能控制器，因此普遍改称为可编程控制器。
但为避免与个人计算机PC相混淆，所以仍简称为PLC。
1987年国际电工委员会（IEC1131-1）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，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、定时、计数与算术运算等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关的外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”PLC具有通用灵活、抗干扰能力强、可靠性高、易于编程、使用方便、安装简单、便于维修、体积小等特点，它的采用，大大缩短了系统的设计和调试周期。
2.2PLC的基本构成
PLC以微机技术为基础，其构成基本与微型计算机相同，如图2-1所示。
由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM,ROM）、输入/输出部件（I/O接口）、编程工具和外围设备等组成。
2.2.1中央处理单元CPU是PLC系统的核心
它按生产厂家预先编好的系统程序（操作系统）指定的功能，接收并存储用户程序和数据:
诊断电源、PLC内部各电路的状态和用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入vo映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释器后按指令的规定执行逻辑或算术运算任务，并将逻辑或算术运算的结果送入vo映象区或数据寄存区内。
在所有的用户程序执行完毕之后，最后将vo映象区的各输出状态或输出寄存器的数据传送到相应的输出装置，实现输出控制、打印或数据通讯等外部功能。
图2-1PLC的结构示意图
2.2.2存储器存储器分系统程序存储器和用户程序存储器两部分
PLC中常用的存储器类型有：
（1）读/写存储器（随机存储器RAM）读写方便，存取速度快，但需后备电池支持。
（2）紫外线可擦除的只读存储器（EPROM）断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。
一般用以存放系统程序以及需永久保持的用户程序。
（3）电可擦除的只读存储器（EEPROM）兼有RAM和EPROM的优点，不足之处主要有两点:
必须先擦除该存储单元的内容后才能写入:
执行读/写操作的次数有限，约10000次。
（4）按块擦除存储器（FLASHMemory）在功能上类似于EEPROM不同之处在于:
它是按块擦除的，其优点是读出的速度高，集成度高。
一般常用EPROM等存储芯片固化系统程序，用户不能够直接读取。
用户程序或数据通常存放在RAM,EEPROM或FLASHMemory中，便于维修。
2.2.3输入/输出部件
（1）基本I/O接口。
I/O是工业现场的各种设备与CPU之间传输信息的接口。
输入部件是现场信号进入PLC的桥梁。
该部件接收来自主令元件、检测元件的信号，主令元件是指操作台（屏）上的功能键，如启动、停止等按键。
检测元件有行程开关、限位开关、传感器等。
输入有两种方式，一种是数字输入（也称开关量的输入或接点输入），另一种是模拟量的输入（也称电平输入），模拟量的输入要经过A/D转换才能进入PLC。
为了提高PLC的抗干扰能力，输入部件的内部有光电祸合、滤波等电路。
输出部件是PLC与现场设备之间的连接部件，用以驱动执行元件，如电磁阀、微电机、接触器、指示灯等。
输出的形式通常有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出等。
（2）特殊功能模块为了满足复杂控制功需要，PLC配有多种智能模块，如PID调节模块、通讯模块、步进模块以及伺服模块等。
2.2.4编程工具
编程工具用以将用户程序写入PLC的用户程序存储器中，它即可编制、调试程序，又可用于在线监控及故障查询。
编程工具有以下两种:
（1）便携式编程器带有几行液晶显示，体积小，重量轻，一般用于小型PLC的程序编制以及PLC的现场调试和监控。
（2）带显示器的编程工具带显示器的编程工具由于它可以直接用梯形图、指令表或其它语言编制和监控用户程序，而且具有很强的文件管理功能，因此，目前己使用得越来越多。
一般说来，带显示器的编程工具分成两类:
一类是带显示器的专用编程器。
另一类是由PC机加编程软件组成的编程工具。
目前世界上各主要的PLC生产厂商都开发了适于本公司PLC的编程软件，例如西门子公司的STEP7-Micro/WIN32编程软件适用于SIMATICS7-200系列可编程控制器用户程序的编制及监控;
FESTO公司开发的FST编程软件适用于该公司所有PLC的用户程序编制和监控[9]。
2.3PLC的特点
1、高可靠性
（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.
（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
（4）采用性能优良的开关电源。
（5）对采用的器件进行严格的筛选。
（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。
（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
2、丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：
交流或直流；
开关量或模拟量；
电压或电流；
脉冲或电位；
强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：
按钮；
行程开关；
接近开关；
传感器及变送器；
电磁线圈；
控制阀等直接连接。
另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;
为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。
3、采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4、编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5、安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行[4]。
2.4PLC的功能
1、逻辑控制
2、定时控制
3、计数控制
4、步进（顺序）控制
5、PID控制
6、数据控制：
PLC具有数据处理能力。
7、通信和联网
8、其它：
PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：
定位控制模块，CRT模块。
2.5PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
2.5.1开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2.5.2模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
2.5.3运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
2.5.4过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
2.5.5数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；
也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
2.5.6通讯及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
2.6PLC的发展过程及趋势
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。
限于但是的元件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器，人们很快将其依然可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。
为了方便熟悉继电接触控制系统的电气工程技术人员使用，可编程控制器采用了和继电接触器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算的计算机存储元件都以继电器命名。
因而人们称可编程控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物[12]。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能以及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得了广泛的应用。
例如，在世界上第一抬可编程控制器的诞生地美国，权威情报机构1982年的统计数字显示，大量应用可编程控制器的工业厂家占美国重点工业行业厂家总数的82%，可编程控制器的应用数量已位于众多的工业自控设备之首。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升，许多可编程控制器的生产厂家已闻名于全世界。
如美国Rockwell自动化公司所属的A-B（Allen-Bradley）公司，CE-Fanuc公司，日本的三菱公司合乎立石公司，德国的西门子（Siemens）公司等[15]。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机及超小型机；
从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各种控制场合；
从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元，通讯单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
中国是20世纪80年代初引进、应用、研制、生产可编程控制器的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
后来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，中国已能够生产中小型可编程控制器。
上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模，并在工业产品中获得了应用。
此外无锡华光公司、上海香岛公司等中外合资企业也是中国比较著名的可编程控制器生产厂家[11]。
预计21世纪可编程控制器将会有更大的发展。
从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计及制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能水平更高的品种出现。
从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型两个方向发展。
从产品的配套性能上看，产品的品种会更丰富、规格会更齐备。
完美的人机界面、完备的通讯设备会更好地适应各种工业控制场合的需求。
从市场上看，各国生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言。
这将市有利于可编程技术的发展及可编程产品普及的。
从网络的发展状况来看，可编程控制器和其他工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展的方向。
目前的集散控制系统（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。
伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络或国际通用网络的重要组成部分，将在众多领域发挥越来越大的作用。
随着大规模、超大规模集成电路技术和数字通讯技术的进步和发展，PLC的功能己远远超出其定义所指的范围，其概念也日趋模糊，现代PLC的发展趋势将主要围绕以下几个方面进行：
（1）用高性能器件，尽量缩小与工业控制计算机之间的差距。
例如，德国FESTO公司的IPC（IndustrialPC）由一系列符合工业标准的模块组成，它与微机兼容且具有PLC的功能。
（2）用表面安装技术，进一步减小体积，改进系统性能。
（3）丰富I/O模块，使PLC在实时性、精度、分辨率、人机对话等性能方面进一步得到改善和提高。
（4）进一步强化网络功能，以实现信息管理自动化。
例如IPC型控制器具备多种现场总线接口，如FESTO总线、Profibus,AS-I,CAN等，以及各种网络连接模块，如Novell等，从而使PLC与PLC,PLC与PC,PLC与现场设备之间建立通讯联网。
（5）多种编程语言并存，互补不足。
2.7小结
本章主要介绍PLC的定义，结构组成，功能特点，以及其应用领域和发展趋势。
这样从多方面来介绍PLC，可以使人更加明白可编程控制器的基本知识，可以从不同的角度来认识可编程控制器。
第三章PLC的系统设计
3.1PLC控制系统设计的基本原则
设计任何一个PLC控制系统，如同设计任何一种电气控制系统一样，其目的都是通过控制被控对象（生产设备或生产过程）来实现工艺要求，提高生产效率和产品质量。
因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则。
（1）PLC控制系统控制被控对象最大限度地满足工艺要求。
设计前，应深入现场进行调查研究，搜索资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟订控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。
（2）在满足工艺要求的前提下，力求使PLC控制系统简单、经济、使用及维修方便。
（3）保证控制系统的安全、可靠。
（4）考虑到生产的发展和工艺的改进，在配置PLC硬件设备时应适当留有一定的裕量。
3.2PLC控制系统设计的基本内容和一般步骤
3.2.1PLC控制系统设计的基本内容
PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的。
因此，PLC控制系统设计的基本内容应包括以下内容。
（1）选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。
（2）PLC的选择。
PLC是PLC控制系统的核心部件。
正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。
选择PLC，包括机型、容量的选择以及I/O模块、电源模块等的选择。
（3）分配I/O点，绘制I/O连接图。
（4）控制程序设计。
包括控制系统流程图、梯形图、语句表（即程序清单）等设计。
控制程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作正常、安全、可靠的关键。
因此，设计的控制程序必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。
（5）必要时还需设计控制台（柜）。
（6）编制控制系统的技术文件。
包括说明书、电气图及电气元件明细表。
传统的电气图，一般包括电气原理图、电器布置图及电气安装图。
在PLC控制系统中，这一部分图统称为“硬件图”。
它在传统电气图的基础上增加了PLC部分，因此在电气原理图中应增加PLC的I/O连接图。
另外，在PLC控制系统中的电气图中还应包括程序图（梯形图），通常称它为“软件图”。
向用户提供“软件图”，可便于用户在生产发展或工艺改进时修改程序，并有利于用户在维修时分析和排除故障[10]。
3.2.2PLC控制系统设计的一般步骤
（1）根据生产的工艺过程分析控制要求，需要完成的动作（工作顺序、动作条件、必须的保护和联锁等）、操作方式（手动、自动；
连续、单周期、单步等）。
（2）根据控制要求确定所需要的输入、输出设备。
据此确定PLC的I/O点数。
（3）选择PLC机型及容量。
（4）定义输入、输出点名称，分配PLC的I/O点。
设计I/O连接图。
（5）根据PLC所要完成的任务及应具备的功能，进行PLC程序设计，同时可进行控制台（柜）的设计和现场施工。
（6）待控制台（柜）设计及现场施工完成后，进行联机调试。
如不满足要求，再修改程序或检查接线，直到满足要求为止。
（7）编制技术文件。
（8）交付使用
3.2.3PLC程序设计的步骤与内容
（1）对于较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。
对于简单的控制系统，也可省去这一补。
（2）设计梯形图。
这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。
要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。
（3）根据梯形图编制程序清单。
（4）用计算机或编程器将程序键入到PLC的用户存储器中，并检查键入的程序是否正确。
（5）对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。
3.3PLC机型的选择
这是PLC应用设计中很重要的一步，目前，国内外生产的PLC种类很多，在选用PLC时应考虑以下几个方面。
3.3.1规模要适当
输入、输出点数以及软件对PLC功能及指令的要求是选择PLC机型规模大小的重要依据。
首先要确保有足够的输入、输出点数，并留有一定的余地（要有10%的备用量）。
如果只有为了实现单机自动化，或机电一体化产品，可选用小型PLC。
如果控制系统较大，输入、输出点数较多，被控设备较分散，可以选用中型或大型PLC。
还应确定用户程序存储器的容量。
一般粗略的估计方法是：
（输入+输出）×
（10～12）=指令步数。
特别要注意因控制较复杂，数据处理量较大，可能出现存储容量不够的问题[13]。
3.3.2功能要相当，结构要合理
对于以开关量进行控制的系统，一般的低档机就能满足要求。
对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，应选用带A/D、D/A转换，加减运算、数据传送功能的低档机。
对于控制比较复杂，控制性能要求较高的系统，例如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等，可视控制规模及复杂的程度，选用中档或高档机。
其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。
对于工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，选用整体式结构PLC。
其他情况则选用模块式结构PLC。
3.3.3输入、输出功能及负载能力的选择
选择哪一种功能的输入、输出形式或模块，取决于控制系统中输入和输出信号的种类、参数要求和技术要求，选用具有相应功能的模块。
为了提高抗干扰能力，输入、输出均应选用具有光电隔离的模块。
对于输出形式，分为无触点和有触点两种形式。
无触点输出大多使用大功率三级管（直流输出）或双向可控硅（交流输出）电路，其优点是可靠性高、响应速度快、寿命长，缺点是价格高、过载能力差。
有触点输出是使用继电器触点输出，其优点是适用电压范围宽、导通压降损失小、价格便宜，缺点是寿命短、响应速度慢。
3.3.4使用环境条件
在选择PLC时，要考虑使用现场的环境条件是否符合它的规定。
一般考虑的环境条件有：
环境温度、相对湿度、电源允许波动范围和抗干扰等指标。
3.4小结
本章主要对PLC的设计方法步骤进行阐述，包括它的基本原
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