湖工09自动化机械手控制系统PLC课程设计.docx
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湖工09自动化机械手控制系统PLC课程设计
湖南工程学院
课程设计
课程名称电气控制与PLC
课题名称搬运机械手电气控制系统设计
专业班级自动化0904班
姓名欧阳俊文
学号************
指导教师赖指南、刘星平、唐勇奇、谭梅
2012年6月15日
湖南工程学院
课程设计任务书
课程名称电气控制与PLC
课题名称搬运机械手电气控制系统设计
专业班级自动化0904班
姓名欧阳俊文
学号************
指导教师赖指南、刘星平、唐勇奇、谭梅
审批黄峰、汪超、刘星平
任务书下达日期2012年6月4日
课程设计完成日期2012年6月15日
设计内容与要求
一.课程设计的性质与目的
本课程设计是自动化专业教学计划中不可缺少的一个综合性教学环节，是实现理论与实践相结合的重要手段。
它的主要目的是培养学生综合运用本课程所学知识和技能去分析和解决本课程范围内的一般工程技术问题，建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法。
通过课程设计使学生得到工程知识和工程技能的综合训练，获得应用本课程的知识和技术去解决工程实际问题的能力。
二.课程设计的内容
1.根据控制对象的用途、基本结构、运动形式、工艺过程、工作环境和控制要求，确定控制方案。
2.绘制搬运机械手控制系统的PLCI/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。
3.选择电器元件，列出电器元件明细表。
4.上机调试程序。
5.编写设计说明书。
三.课程设计的要求
1.所选控制方案应合理，所设计的控制系统应能够满足控制对象的工艺要求，并且技术先进，安全可靠，操作方便。
2.所绘制的设计图纸符合国家标准局颁布的GB4728－84《电气图用图形符号》、GB6988－87《电气制图》和GB7159－87《电气技术中的文字符号制定通则》的有关规定。
3.所编写的设计说明书应语句通顺，用词准确，层次清楚，条理分明，重点突出，篇幅不少于7000字。
主要设计条件
1.PLC实验设备若干。
2.参考文献若干。
设计说明书装订顺序
1.课程设计说明书封面。
2.课程设计任务书。
3.说明书目录。
4.正文（按设计内容逐项书写）。
5.参考文献。
6.附录。
7.课程设计评分表。
设计进度安排
第1周：
1.星期一上午：
课题内容介绍。
2.星期一下午：
仔细阅读设计任务书，明确设计任务与要求，收集设计资料，准备设计工具。
3.星期二～星期五：
确定控制方案。
绘制搬运机械手电气控制系统的PLCI/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。
设计控制系统的工艺图纸。
选择电器元件，列出电器元件明细表。
第2周：
4.星期一：
上机调试程序。
5.星期二～星期五：
编写设计说明书,答辩。
前言
PLC是应用最广的以计算机技术为核心的自动控制装置。
本设计以西门子公司的S7-200PLC为基础，设计出一个简易的搬运机械手控制系统。
设计的第1章主要是对PLC和机械手作了一个简要的介绍和对机械手控制系统进行了一个概要设计。
第2章的内容就是对两种最常用的自动控制器件（单片机和PLC）作了简单的对比，进而讲叙了PLC的主要特点及应用领域。
第3章主要本系统的硬件电路的设计，包括：
PLC外部电路设计，传送带Ａ，Ｂ的主电路设计，以及传送带Ｂ的控制电路设计。
第4章是机械手控制系统的软件设计，主要是根据硬件电路和搬运机械手的工作原理先设计出顺序功能图，进而设计出系统的梯形图。
第5章讲的是程序调试过程，主要是程序调试过程中所遇到的问题，以及解决方案。
在本设计编写过程中，得到了懒指南老师的悉心指导，以及各位同学的一些帮忙，谨在此表示衷心的感谢。
因为设计者本人水平有限，设计过程中难免会有些错漏之处，恳请读者批评指正。
自动化0904欧阳俊文
2012年6月15日
第1章概述…………………………………………………………………1
1.1PLC简介………………………………………………………………1
1.2机械手概述…………………………………………………………1
1.3机械手控制系统设计步骤…………………………………………2
第2章控制方案论证………………………………………………………2
2.1PLC的特点及应用领域………………………………………………2
2.2PLC的选取…………………………………………………………3
第3章控制系统硬件电路设计……………………………………………6
3.1搬运机械手的设计原理……………………………………………6
3.2PLC控制面板及接口电路图………………………………………7
3.3传送带A,B主电路图及传送带B的控制电路图…………………10
第4章控制系统软件设计…………………………………………………11
4.1控制系统的软件设计原理………………………………………11
4.2控制系统的工作循环图和顺序功能图…………………………13
4.3控制系统的梯形图程序…………………………………………14
第5章控制系统调试………………………………………………………15
5.1控制系统的调试过程………………………………………………15
结束语………………………………………………………………………16
致谢…………………………………………………………………………16
参考文献……………………………………………………………………17
附录…………………………………………………………………………18
第1章概述
1.1PLC简介
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。
同时，PLC的功能也不断完善。
随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。
今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。
通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。
实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。
1.2机械手概述
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。
工业机械手是工业机器人的一个重要分支。
它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
1.3机械手控制系统设计步骤
根据工艺要求确定被控系统必须完成的动作,确定这些动作之间的关系及完成这些动作的顺序。
（2）分配输入、输出设备,即确定哪些外围设备是送信号给PLC的,哪些外围设备是接收来自PLC的信号的,同时还要将PLC的输入、输出点与之一一对应,对I/O进行分配。
在此基础上确定PLC的选型。
（3）根据控制系统的控制要求和所选PLC的I/O点的情况及高功能模块的情况,设计PLC用户程序,此时可采用梯形田、助记符或流程图语言形式的用户程序。
PLC的用户程序体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系,编程时可用编程器或计算机直接编程、修改,同时也可对PLC的工作状态、特殊功能进行设定。
（4）对所设计的PLC程序进行调试和修改,直至PLC完全实现系统所要求的控制功能。
（5）保存已完成的程序。
第2章控制方案论证
2.1PLC的特点及应用领域
目前市场上最常见的控制器件主要就是PLC和单片机。
单片机是一种微型计算机，顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。
因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。
它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。
现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
由此可见单片机主要是应用在一些集成度高的，精细的电子设备当中，而对于一些大型的工业设备的控制，大部分的还是用PLC进行控制。
PLC的特点：
1.抗干扰能力强、可靠性高。
2.控制系统结构简单，通用性强。
3.编程方便，易于使用。
4.功能强大，成本低。
5.设计、施工、调试的周期短。
6.维护方便。
PLC的应用：
初期的PLC主要在以开关量居多的电气顺序控制系统中使用，但在20世纪90年代后，PLC也被广泛地在流程工业自动化系统中使用，一直到现在的现场总线控制系统，PLC更是其中的主角，起应用面越来越广.目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车、粮食加工、化学/制药、金属/矿山、纸浆/造纸等行业。
PLC的主要应用范围通常可分成以下几种：
1．中小型电气控制系统。
2．制造业自动化。
3．运动控制。
4．流程工业自动化。
2.3PLC的选取
由于市场的需求和西门子PLC的广泛应用所以我选取的是S7-200.我们对其进行简要说明：
S7-200系列是一类可编程逻辑控制器（MicroPLC）。
这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，下图展示一台S7-200MicroPLC的CPU22*系列PLC的CPU外型图如图2，具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。
此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。
S7-200CPU模块包括一个中央处理器单元（CPU）、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。
图2-1S7-200CPU外型图
1.CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。
2.输入和输出是系统的控制点：
输入部分从现场设备（例如传感器或开关）中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及工业过程中的其他设备。
3.电源向CPU及其所连接的任何模块提供电力。
4.通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或一些设备连接起来。
5.状态信号灯显示了CPU的工作模式（运行或停止），本机的I/O的当前状态，以及检查出来的系统错误。
6.通过扩展模块可以增加CPU的I/O点数（CPU221不可以扩展）。
7.通过扩展模块可以提供其通讯功能。
8.一些CPU具有内置实时时钟，其他CPU需要实时时钟卡。
9.EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序传送到另一个CPU中。
10.通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间。
图2-1展示了一个基本的S7-200MicroPLC.它包括一个S7-200CPU模块,一台个人计算机（PC）,STEP7-Micro/win32（3.1版）编程软件,以及一条通讯电缆.为了使用个人计算机（PC）,你必须以下一种设备:
一条PC/PPI电缆；一个通讯处理器（PC）和多点接口（MPI）电缆；一块MPI卡,随MPI卡提供一根通讯电缆。
图2-2S7-200MicroPLC系统的组成
PLC模块的选择：
采用CPU224的主机和输出扩展模块EM222简要介绍对扩展模块的选取。
S7-200PLC的I/O扩展模块有：
1.输入扩展模块EM221:
共有3种产品，即8点和16点DC、8点AC。
2.输出扩展模块EM222：
共有5种产品，即8点DC和4点DC、8点AC、8点继电器和4点继电器。
3.输入/输出混合模块EM223：
共有6种产品。
其中DC输入/DC输出的有3种，DC输入/继电器输出的有三种，它们对应的输入/输出点数分别为4点、8点和16点。
4.模拟量输入扩展模块EM231。
5.模拟量输出扩展模块EM232。
6.模拟量输入/输出扩展模块EM235。
第3章控制系统硬件电路设计
3.1搬运机械手的设计原理
图3-1是搬运机械手工作示意图。
该机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。
为使动作准确，安装了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5。
分别对机械手进行抓紧、左旋、右旋、上升、下降等行程的检测，并给出动作到位的检测信号。
另外还安装了光电开关SP。
负责检测传送带A上的物品是否到位。
此外，还设置了起动按钮SB1和停止按钮SB2，分别用以启动和停止机械手的动作。
图3-1搬运机械手工作示意图
传送带A、B由电动机M1、M2拖动，M1、M2分别由接触器KM1、KM2控制，机械手的上、下、左、右、抓、放等动作由液压系统驱动，并分别由6个电磁阀YV1—YV6来控制。
3.2控制面板及接口电路
图3-2操作面板
机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。
工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。
当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。
当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。
当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。
根据机械手控制系统的要求设计出PLC的I/O接口图如下：
图3-3PLC外部接线图
3.3传送带A,B的主电路图及传送带B的控制电路图
根据传送带A，B的运行要求设计其主电路图如下：
图3-4传送带A,B的主电路图
根据传送带B的运行要求设计其控制电路入下图：
图3-5传送带B的控制电路图
第4章控制系统软件设计
4.1控制系统软件设计原理
本控制系统是通过主程序（OB1）调用3个子程序：
公用子程序（SBR0），手动子程序（SBR1）和单周-连续子程序（SBR2）。
公用程序是用于处理各种工作方式都要执行的任务，以及不同的工作方式之间的相互的处理。
手动程序主要是用于系统设计或维修时进行单个步骤的调试，而单周-连续程序是机械手正常工作情况下的控制程序。
此外系统的预停，急停程序也是集成在单周-连续子程序中。
最后，通过搬运机械手的动作步序图设计出系统的工作流程图及顺序功能图，进而设计出系统的梯形图程序。
图4-1搬运机械手动作步序图
4.2控制系统的工作循环图及顺序功能图
图4-2控制系统工作循环图
图4-3控制系统的顺序功能图
4.3控制系统的梯形图程序（见附录）
第5章控制系统的调试
5.1控制系统的调试过程
首先用电脑在STEP-7-Micro/WIN编程软件中将编辑的梯形图写入软件中，然后点击运行并对其指出的错误进行修改，修改完最终运行无误后将其下载到可编程控制仪器中；其次按照设计的要求接好线，确定无误后按下启动按钮。
启动后发现上行、下行、左行、右行灯均同时亮且一直亮着，这样就不符合设计中八个动作依次有序进行操作的要求，务必对其进行修正。
在这种情况下我采取了以下方案：
方案一：
在没有确定设备是否曾在问题的情况下，首先我们对设备进行了检测，发现不曾在任何问题，在这种情况下我选择了再一次用先前的步骤来完成整个过程以确定初次的接线过程是否有误，结果发现运行的结果和先前一样出现灯均亮。
这样方案一就以失败告终。
方案二：
通过对程序的再三检查后，发现并未出现语法上的错误。
会不会是运行的速度太快而出现一个周期接一个周期的快速运行呢？
在带着这个问题的情况下把程序的每个动作网络多家了一个stop指令加以验证，然后将程序写入STEP-7-Micro/WIN编程软件中运行，运行结果显示没有错误；再下载到可编程控制仪后接好线按下启动按钮，发现指示灯会按照设计动作的要求依次亮起而且程序也能按照设计的要求完成指定的单周期和多周期操作。
这样利用方案二就完成了整个实验的调试。
结束语
通过这次机械手设计让我知道了现代企业在完成自动化控制中离不开PLC的控制，它可以使企业在生产的同时减少劳动力和生产成本。
目前我国很多地区的企业整个生产设备还比较落后且大部分工序都是通过人工来完成的，而机械手成本比较低且操作简单很适合中小企业的发展要求。
但随着科技不断进步我相信多功能复杂的机械手将会在不久的将来出现，所以在今后的学习和生活中我们还要不段的学习和创新，只有这样
能设计出更符合现代社会所需求的产品。
参考文献
[1]廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用[M].重庆：
重庆大学出版社
[2]万太福.可编程序控制器及其应用[M].重庆：
重庆大学出版社
[3]刘祖润.毕业设计指导.北京：
机械工业出版社
[4]谢桂林.电力拖动与控制.北京：
中国矿业大学出版社
[5]工厂常用电气设备手册编写组.工厂常用电气设备手册.北京：
水利电
力出版社
致谢
紧张充实的课程设计就要结束了，大学三年的生活也到了尾声。
回想起以往的美好时光，此时感慨万千，首先感谢指导教师赖老师在课程设计中对我的帮助，鼓励和精心指导，赖老师治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄廓，关键是指导有方严格我们要求，为我营造了一种良好的精神氛围。
置身赖老师的指导过程中，不仅我的思想观念焕然一新，也改善了我的思考方式，而且还明白了许多待人接物与为人处世的道理。
其严以律己，宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力，令我如沐春风，倍感温馨。
一股暖意细水长流，源自内心而又沐润全身，微言寸语岂能祥诉感激之情，只好铭记心中，唯有虔诚的祝福老师合家欢乐，一生平安。
同时，也将祝福送给每一位帮助我的师长。
同时感谢我的同学在我的课程设计过程其中对我莫大的鼓励。
谢谢你们，我所有的老师与同学。
最后衷心的祝愿你们工作顺利、家庭幸福、身体健康！
附录
梯形图程序
主程序OB1：
公用子程序SBR0：
手动子程序SBR1：
自动子程序SB2：
语句表程序
主程序OB1
LDSM0.0
CALLSBR0
Network2
LDI0.0
CALLSBR1
Network3
LDI0.1
OI0.2
CALLSBR2
公用子程序SBR0
LDI0.7
AI1.1
ANI0.6
=M2.0
Network2
LDSM0.1
OI0.0
LPS
AM2.0
SM0.0,1
LPP
ANM2.0
RM0.0,1
Network3
LDI0.0
RM0.1,10
手动子程序SBR1
LDI1.5
ANQ0.0
ANQ0.2
ANQ0.3
ANQ0.4
ANQ0.5
ANQ0.6
ANI1.2
=Q0.1
LDI2.4
ANQ0.0
ANQ0.1
ANQ0.2
ANQ0.3
ANQ0.4
ANQ0.5
ANI1.3
=Q0.6
LDI2.2
ANQ0.0
ANQ0.2
ANQ0.3
ANQ0.5
ANQ0.6
ANQ0.1
ANI0.6
SQ0.4,1
LDI1.4
ANQ0.1
ANQ0.2
ANQ0.3
ANQ0.4
ANQ0.5
ANQ0.6
ANI1.1
=Q0.0
LDI2.1
ANQ0.0
ANQ0.1
ANQ0.2
ANQ0.4
ANQ0.5
ANQ0.6
ANI1.0
=Q0.3
LDI2.3
ANQ0.0
ANQ0.1
ANQ0.2
ANQ0.3
ANQ0.4
ANQ0.6
RQ0.5,1
LDI2.0
ANQ0.0
ANQ0.1
ANQ0.3
ANQ0.4
ANQ0.5
ANQ0.6
ANI0.7
=Q0.2
自动子程序SB2
LDI0.4
OM2.1
ANI0.3
ANM0.0
=M2.1
LDI0.5
OM2.2
ANI0.3
=M2.2
SM0.0,1
RM0.1,10
LDSM0.1
OI0.0
AM2.0
LDM1.2
ANC0
LDI0.7
AI0.2
AM2.1
ANC0
AM1.1
OLD
OM0.0
OLD
ANM0.1
=M0.0
LDM0.0
AI0.3
LDI0.7
AI0.2
ANM2.1
ANC0
AM1.1
OLD
OM0.1
ANM0.2
=M0.1
LDM0.1
AI1.2
OM0.2
ANM0.3
=M0.2
=Q0.6
LDM0.2
AI1.3
OM0.3
ANM0.4
=M0.3
=Q0.4
LDM0.3
AI0.6
OM0.4
ANM0.5
=M0.4
LDM0.4
AI1.1
OM0.5
ANM0.6
=M0.5
=Q0.3
LDM0.5
AI1.0
OM0.6
ANM0.7
=M0.6
LDM0.6
AI1.2
OM0.7
ANM1.0
=M0.7
TONT37,10
=Q0.5
LDM0.7
AT37
OM1.0
ANM1.1
=M1.0
LDM1.0
AI1.1
OM1.1
ANM0.0
ANM1.2
=M1.1
=Q0.2
LDM1.1
LDM1.0
CTUC0,2
LDI0.1
OC0
AI0.7
AM1.1
OM1.2
ANM0.0
=M1.2
LDM0.1
OM0.6
=Q0.1
LDM1.0
OM0.4
=Q0.0
元器件清单
序号
名称
代号
型号
主要参数
数量
1
按钮
SB1~SB10
LA2
额定电压500V额定电流5A1对常开触点1对常闭触点
10
2
刀开关
QS
HD13B-200/3
额定电流200A
1
2
行程开关
SQ1~SQ5
JLXK1-111
额定电压500V额定电流5A1对常开触点1对常闭触点
5
3
断路器
QF
DZ10-100
额定电流100A
1
4
电磁继电器
YV1~YV6
JZ7-22
额定电流500V额定电流5A2对常开触点2对常闭触点
6
5
热继电器
FR1~FR2
JR0-20/3
额定电流20A
2
6
交流接触器
KM1~KM2
CJ10-10
额定电压500V额定电流10A常开触头3对辅助触头2常开2常闭
2
7
熔断器
FR
RL1-60
额定电流60A断流容量（交流）5000A
1
8
三相鼠笼式电动机
M1~M2
Y112M-2
额定功率4KW
2
9
可编程控制器
S7-200PLCCN
CPU224XPCN
数字量I/O口14入10出
1
10
数字量扩展模块
EM223CN
EM223CN，4输入DC24V
/4继电器输出
数字量I/O口4输入4输出
1
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