课程设计 基于plc200机械手往复循环.docx

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课程设计基于plc200机械手往复循环

电子与电气工程学院

课程设计报告

课程名称单片机或PLC课程设计

设计题目基于S7-200PLC的机械手

往复循环动作系统设计

专业名称自动化

班级13

学号2013

学生姓名

指导教师

2016年6月28日

电气学院单片机或PLC课程设计

任务书

设计名称：

基于S7-200PLC的机械手往复循环动作系统设计

学生姓名：

指导教师：

起止时间：

自2016年6月15日起至2016年6月28日止

一、课程设计目的

通过对S7-200PLC的机械手往复循环动作控制系统的工作原理分析、系统设计、编程及上机调试工作的实践，了解了电器控制系统的一般设计思路，熟悉和掌握了外围电路系统和软件设计的方法。

二、课程设计任务和基本要求

设计任务：

1.设计出硬件系统的接线图、软件系统流程图等；

2.进行PLC控制程序设计，做出程序梯形图；

3.进行系统调试，实现机械抓手的控制要求。

基本要求：

1.能够实现设计任务的基本功能；

2.要求依据机械手往复循环动作控制系统的任务要求，通过工作原理分析、系统设计、编程及上机调试工作的实践、制定实验方案，并撰写课程设计论文要求符合模板的相关要求，字数要求3000字以上。

电气学院单片机或PLC课程设计

指导老师评价表

院（部）

电气学院

年级专业

自动化13

学生姓名

学生学号

题目

基于S7-200PLC的机械手往复循环动作系统设计

一、指导老师评语

二、成绩评定

指导老师签名：

年月日

课程设计报告

目录

摘要与关键字1

1引言2

2PLC及其应用4

2.1PLC的概念4

2.2PLC的组成4

2.3PLC工作原理及其特点6

2.4PLC的应用6

3PLC控制方案分析6

3.1对PLC的选取6

4设计内容8

4.1机械结构和控制要求8

4.2系统硬件设计9

4.3系统软件设计与结果图10

5系统调试12

5.1调试过程12

5.2实验结果图13

总结15

参考文献16

摘要与关键词

摘要：

在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。

化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。

专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。

但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。

机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。

自上世纪六十年代，PLC设计的机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在不断发展，它可以在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。

关键字：

机械手；PLC；现代工业

1引言

在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。

化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。

但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。

专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。

但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。

据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产，金属加工生产批量中有四分之三有50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。

从这里看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。

自上世纪六十年代，机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在不断发展，最典型的发展是生产者将此产品大量应用于卫生行业（全自动生化分析仪），从而实现了卫生检验中急需短时间、大量样品数据的要求，但在卫生领域的机械手因采用样品品单一酶试剂显色法，且采用滤光片结构设计，造成试剂价格昂贵，限制了产品市场的发展。

随着技术的进步，机械手的设计已经实破了单一试剂、加热及滤光片的束缚。

比如美国OI公司的产品，可针对单一项目，次序加4种试剂，加热温度也提高到50℃，检测器则采用二极管陈列技术，这些进步为新领域的应用提供了强大支持。

有专家估计未来10年，全自动流动分析仪的市场份额中，将有50％被全自动化学分析机械手取代。

通过了解上述两类产品的技术特点我们不难看出，机械手具有微升级试剂消耗，不受模板束缚，分析中不同检测项目可穿插完成，可完成研发性波长扫描优化检测条件，用户可自行设计新的检测项目，体积小，甚至可做现场快速分析等特点。

由此也不难看出，以前流动分析中不适合的用户群，如样品检测单一种类少而样品量多的情况，为机械手的应用提供了可能性。

对卫生行业的快速分析中，也因新型机械手的设计特点而使取代昂贵的试剂，降低分析成本成为可能。

机械手不能完全取代流动分析产品一个重要的理由是：

一些特殊样品处理技术不能在线实现，如萃取、高温蒸馏，需要离线进行，相信随着技术的进步，这些方面的技术也会提高。

正如一句广告语所讲的“没有最好，只有更好”。

且现代化的注塑机常常配置有机械手，以提高生产效率。

注塑机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。

注塑机械手是为注塑生产自动化专门配备的机械，它可以在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高注塑成型机的生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。

随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。

近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。

电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展，现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。

从各国的行业统计资料来看，近30多年来，气动行业发展很快。

20世纪70年代，液压与气动元件的产值比约为9:

1，而30多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本等国家，该比例已达到6:

4，甚至接近5:

5。

我国的气动行业起步较晚，但发展较快。

从20世纪80年代中期开始，气动元件产值的年递增率达20%以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。

随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。

由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作”’。

而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。

所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。

现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。

车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。

高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。

在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。

对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的SIN气缸。

气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。

如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等。

此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。

如：

气动自动调节病床，Robodoc机器人，daVinci外科手术机器人等。

2PLC及其应用

2.1PLC的概念

可编程序控制器，英文称ProgrammableController，简称PC。

但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。

它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。

用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。

2.2PLC的组成

PLC的构成：

PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。

PLC的硬件系统结构如图2-1所示：

图2-1PLC的硬件系统结构

PLC的各组成元素的构成及功能：

1、CPU的构成及功能------CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，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，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。

每套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，从用户程序存储器中逐条读取指令，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。

2、I/O模块------PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。

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、内存---------内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

不同机型的PLC期内存大小也不尽相同，除主机单元的已有的内存区外，大部分机型还可根据用户具体需要加以扩展。

4、电源模块-------PLC电源用于为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。

电源输入类型有：

交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。

5、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。

6、PLC系统的其它设备------编程设备：

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编写程序、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。

某些PLC也配有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

ii）人机界面：

最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面也非常普及。

iii）输入输出设备：

用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。

7、PLC的通信联网--------依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。

因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。

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。

多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。

PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。

对于一个自动化工程（特别是中大规模控制系统）来讲，选择网络非常重要的。

首先,网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议和机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。

2.3PLC工作原理及其特点

PLC的工作原理：

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。

即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。

然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。

在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

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。

2.4PLC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。

3PLC控制方案分析

3.1对PLC的选取

S7系列PLC分为S7-200小型机、S7-300中型机、S7-400大型机。

S7-200系列PLC是西门子公司20世纪90年代推出的整体式小型机，其结构紧凑、功能强，具有很高的性能价格比，在中小规模控制系统中应用广泛。

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3-1，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，同时在工业现场的应用较为广泛。

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。

PLC电源用于为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。

电源输入类型有：

交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。

图3-1S7-200CPU外型图

●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。

●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。

●电源向CPU及其所连接的任何模块提供电力。

●通过扩展模块可以增加CPU的I/O点数（CPU221不可以扩展）。

●通过扩展模块可以提供其通讯功能。

●一些CPU具有内置实时时钟，其他CPU需要实时时钟卡。

●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。

●通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间。

●图3-2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3-2S7-200MicroPLC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。

4设计内容

4.1机械结构和控制要求

图中为一个将工件由一处传送到另一处的机械手，上升/下降和左移/右移的执行用双线圈二位电磁阀推动气缸完成。

当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，例如一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈再断电，仍保持现有的下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。

另外，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电时执行放松动作。

设备装有上、下限位和左、右限位开关，它的工作过程如图所示，有八个动作且运行方式分为单步，单周期，连续三种模式。

即为：

原位下降夹紧上升右移

左移上升放松下降

4.2系统硬件设计

1.输入/输出点地址分配

输入点：

输出点：

启动按钮SB1I0.0原始位开关HLQ0.5

停止按钮SB2I0.5抓球电磁铁YV2Q0.1

下限为开关SQ1I0.1下行接触器YV1Q0.0

上限位开关SQ2I0.2上行接触器YV3Q0.2

右限位开关SQ3I0.3右行接触器YV4Q0.3

左限位开关SQ4I0.4左行接触器YV5Q0.4

2.PLC外围接线图如图4-1:

图4-1PLC外围接线图

YV1、YV2、YV3、YV4、YV5、HL分别接主机的输出点Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5；SB1、SB2分别接主机的输入点I0.0、I0.5；SQ1、SQ2、SQ3、SQ4分别接主机的输入点I0.1、I0.2、I0.3、I0.4。

4.3系统软件设计与结果图

1.功能图如图4-2所示:

图4-2功能图

2.梯形图工作过程分析：

当机械手处于原位时，上升限位开关I0.2、左限位开关I0.4均处于接通（“1”状态），移位寄存器数据输入端接通，使M10.0置“1”，Q0.5线圈接通，原位指示灯亮。

按下启动按钮，I0.0置“1”，产生移位信号，M10.0的“1”态移至M10.1，下降阀输出继电器Q0.0接通，执行下降动作，由于上升限位开关I0.2断开，M10.0置“0”，原位指示灯灭。

当下降到位时，下限位开关I0.1接通，产生移位信号，M10.0的“0”态移位到M10.1，下降阀Q0.0断开，机械手停止下降，M10.1的“1”态移到M10.2，M20.0线圈接通，M20.0动合触点闭合，夹紧电磁阀Q0.1接通，执行夹紧动作，同时启动定时器T37，延时1.7秒。

机械手夹紧工件后，T37动合触点接通，产生移位信号，使M10.3置“1”，“0”态移位至M10.2，上升电磁阀Q0.2接通，I0.1断开，执行上升动作。

由于使用S指令，M20.0线圈具有自保持功能，Q0.1保持接通，机械手继续夹紧工件。

当上升到位时，上限位开关I0.2接通，产生移位信号，“0”态移位至M10.3，Q0.2线圈断开，不再上升，同时移位信号使M10.4置“1”，I0.4断开，右移阀继电器Q0.3接通，执行右移动作。

待移至右限位开关动作位置，I0.3动合触点接通，产生移位信号，使M10.3的“0”态移位到M10.4，Q0.3线圈断开，停止右移，同时M10.4的“1”态已移到M10.5，Q0.0线圈再次接通，执行下降动作。

当下降到使I0.1动合触点接通位置，产生移位信号，“0”态移至M10.5，“1”态移至M10.6，Q0.0线圈断开，停止下降，R指令使M20.0复位，Q0.1线圈断开，机械手松开工件；同时T38启动延时1.5秒，T38动合触点接通，产生移位信号，使M10.6变为“0”态，M10.7为“1”态，Q0.2线圈再度接通，I0.1断开，机械手又上升，行至上限位置，I0.2触点接通，M10.7变为“0”态，M11.0为“1”态，Q0.2开，停止上升，Q0.4线圈接通，I0.3断开，左移。

到达左限位开关位置，I0.4触点接通，M11.0为“0”态，M11.1为1”态，移位寄存器全部复位，Q0.4线圈断开，机械手回到原位，由于I0.2、I0.4均接通，M10.0被置“1”，完成一个工作周期。

5系统调试

5.1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发现不曾在任何问题，在这种情况下我选择了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。

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。

5.2实验结果图

如图5-1所示，此时机械手处于原位状态：

图5-1机械手原位指示

如图5-2所示，此时YV2灯亮机械手在A点处于夹紧状态：

图5-2机械手夹紧指示

如图5-3所示，此时YV4灯亮机械