MPS系统机械手站单元的设计方案与PLC控制.docx

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MPS系统机械手站单元的设计方案与PLC控制

设计题目：

MPS系统机械手站单元的设计与PLC控制

设计条件：

要求采用西门子S7－226PLC作为控制器，以气动元件作为执行元件，设计MPS系统机械手站单元，并实现其动作控制要求。

设计任务：

1．气动机构设计和气动元件的选型；

2．利用气动仿真软件设计气动回路并进行仿真调试；

3．机械手站的电气接线设计和通信接口设计；

4．PLC的I/O分配设计和编程设计；

5．完成对机械手站的硬件和软件的安装、连接、调试、运行；

6．毕业设计（论文）内容包括：

1）课题的来源和意义，系统设计方案的确定及说明。

2）系统硬件结构及功能说明。

3）系统软件编程及功能实现。

MPS系统机械手站单元的设计与PLC控制

摘要

MPS（modularproductionsystem模块化生产加工培训系统）是模拟实际生产加工操作过程的开放式教案系统，主要是针对学生不能经常在实际生产线上进行培训而设计的，该系统是工业自动化生产线的缩微模型，可以提供一个实际自动化制造，加工生产线的模拟教案环境，可根据I/O分配编写程序达到系统的控制，提高实际操作的能力，本文涉及的系统为上海英集斯公司生产的MPS模块化生产加工培训系统,它采用西门子公司生产的小型可编程序控制器S7-200对MPS各个工作站的运行过程进行实时控制。

本次设计是以MPS系统中机械手站单元为研究，采用德国西门子公司生产的S7-226系列可编程控制器对机械手进行运动控制，根据机械手的运动规律进行编程，使用传感器进行位置控制，并使用FluidSIM-P软件设计制作气动控制和仿真模拟，完成机械手站的控制任务。

关键词：

MPS；机械手站单元；PLC；传感器

1绪论

1.1MPS模块化加工系统简介

模块化加工系统（MPS,ModularProductionSystem）体现了机电一体化的技术实际应用。

MPS设备是一套开放式的设备，用户可根据身产需要选择设备组成单元的数量、类型，最少时一个单元亦可自成一个独立的控制系统，而由多个单元组成的生产系统可以体现自动生产线的控制特点。

在由多个MPS工作单元组成的系统中，综合应用了多种技术知识，如气动控制技术、机械技术（机械传动、机械连接等）、电工电子技术、传感应用技术、PLC控制技术、组态控制技术、信息技术等。

利用该系统可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程，使学员在一个非常接近于实际的教案设备环境，使学员在学习过程中很自然地就将理论应用到了实际中，实现了理论与实践的完美结合，从而缩短了理论教案与实际应用之间的距离。

1.2MPS的基本组成

多个单元组成的MPS系统可以较为真实地模拟出一个自动生产加工流水线的工作过程。

其中，每个工作单元都可以自成一个独立系统，同时也都是一个机电一体化的系统。

各个单元的执行机构主要是气动执行机构和电机驱动机构，这些执行机构的运动位置都可以通过安装在其上面的传感器的信号来判断。

在MPS设备上应用多种类型的传感器，分别用于判断物体的运动位置、物体的通过状态、物体的颜色、物体的材质、物体的高度等。

传感器技术是机电一体化技术中的关键技术之一，是现代工作实现高度自动化的前提之一。

在控制方面，MPS设备采用PLC进行控制，用户可根据需要原则不同厂家的PLC（例如三菱公司的FX2N系列PLC、西门子公司的S7-200系列PLC和S7-300系列PLC）。

MPS设备的硬件结构是相对固定的，但学员可以根据自己对设备的理解、对生产加工工艺的理解，编写一定的生产工艺过程，然后再通过编写PLC控制程序实现该工艺过程，从而实现对MPS设备的控制。

1.3MPS的基本功能

MPS设备给学员提供了一个开放式的学习环境，虽然各个组成单元的结构已经固定，但是，设备的各个执行机构按照什么样的动作顺序执行、各个单元之间如何配合、最终使MPS模拟一个什么样的生产加工控制过程、MPS作为一条自动生产流水线具有怎么样的操作运行模式等，学员都可根据自己的理解，运用所学理论知识，设计出PLC控制程序，使MPS设备实现一个最符合实际的自动控制过程。

MPS系统中每个单元都具有最基本的功能，学员可在这些基本功能的基础上进行流程编排设计和发挥。

1）、MPS系统的基本组成单元：

上料件检测单元

操作手单元

加工单元

安装单元

安装搬运单元

立体存储单元

机械手单元（如图1.2所示）

2）、机械手站单元功能简介：

该单元是一个六个关节的机械手，它可以用来完成抓取动作，可以进行工件的组装，产生一个完整的产品。

图1.2机械手单元

手臂本体：

日本莫托曼HP3、三菱等

扩展模块：

控制器、变压器。

组成模块：

手臂本体、手臂控制器、气爪。

图1.3机械手单元在MPS中的应用

1.4设计条件及设计任务

1、设计条件：

要求采用西门子S7-226PLC作为控制器，以气动元件作为执行元件，设计MPS系统机械手战单元，并实现其动作控制要求。

2、设计任务：

（1）气动机构设计和气动元件的选型；

（2）利用气动仿真软件设计气动回路并进行仿真调试；

（3）机械手站的电气接线设计和通信接口设计；

（4）PLC的I/O分配设计和编程设计；

（5）完成对机械手站的硬件和软件的安装、连线、调试、运行；

3、毕业设计（论文）内容包括：

（1）课题的来源和意义，系统设计方案的确定及说明；

（2）系统硬件结构及功能说明；

（3）系统软件编程及功能实现。

2机械手站单元的控制硬件

2.1可编程控制器（PLC）

2.1.1PLC的简况及特点

可编程序控制器（PLC）是现代工业自动化领域中的一门先进控制技术，它已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，其应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。

PLC具有可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、远程通信联网、易于与计算机接口、模拟量控制、高速计数及位控等一系列优异性能。

1）PLC的分类

可编程序控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。

可编程序控制器发展到今天，已经有多种形式，而且功能也不尽相同。

按不同的原则可有不同的分类。

a、根据结构分类

（1）整体式（箱体式）

整体式PLC的基本组成框图如图2.1所示。

图2.1整体式PLC的基本组成框图

（2）组合式（机架模块式）

组合式PLC的基本组成框图如图2.2所示。

图2.2组合式PLC的基本组成框图

b、按控制规模分类

一般而言，处理的I/O点数愈多，则控制关系愈复杂，用户要求的程序存储器容量愈加大、PLC指令及其他功能也愈加多、指令执行的速度也愈加快。

按PLC的I/O点数可将PLC分为以下三类：

小型PLC、中型PLC、大型PLC。

2）PLC的特点：

抗干扰能力强，可靠性高；编程方便；使用方便；维护方便；设计、施工调试周期短；易于实现机电一体化。

2.1.2PLC结构及基本配置

一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。

但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。

对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。

1）CPU的构成

PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。

它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。

内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。

但工作节奏由震荡信号控制。

CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。

CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器。

CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。

一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。

箱体式PLC的主箱体也有这些显示。

它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。

CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。

2）I/O模块

PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

3）电源模块

有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源以其输入类型有：

交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。

4）底板或机架

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：

电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体

5）PLC的外部设备

外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类

a、编程设备：

有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。

b、监控设备：

有数据监视器和图形监视器。

直接监视数据或通过画面监视数据。

c、存储设备：

有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。

d、输入输出设备：

用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。

6）PLC的通信联网

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。

现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。

当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。

2.1.3PLC的应用领域

最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。

随着PLC技术的进步，它的应用领域不断扩大，主要用于开关量控制；用于模拟量控制；用于数字量控制；用于数据采集；用于进行监控；用于联网、通讯。

事实上，PLC已广泛应用于工业生产的各个领域。

从行业看，冶金、机械、化工、轻工、食品、建材等等，几乎没有不用到它的。

不仅工业生产用它，一些非工业过程，如楼宇自动化、电梯控制也用到它。

农业的大棚环境参数调控，水利灌溉也用到它。

PLC能有上述几个范围广泛的应用，是PLC自身特点决定的，也是PLC技术不断完善的结果