河南工业大学PLC课程设计.docx
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河南工业大学PLC课程设计
目录
1系统描述及控制要求
1.1系统描述
1.2控制要求
2设计方案
2.1PLC的简介
2.2PLC的基本结构
2.3PLC的工作原理
2.4坐标式机械手的结构及控制示意图
3IO分配表
4外部接线图
5软件设计
5.1程序流程图
5.2梯形图
6系统调试
设计心得
参考文献
1系统描述及控制要求
1.1系统描述
该系统采用PLC对机械手进行控制，可通过修改PLC控制程序，改变对机械手模型的控制要求。
机械手横轴水平面内作前后方向运动，竖轴能在垂直面内作上下两方向运动。
机械手抓能够快速抓取物体，并快速运动的制定地点将物体搬运到另一个地方。
本系统还具有手动和自动两种工作模式。
该坐标式机械手控制系统灵活高效，能够替劳许多繁琐的工作。
1.2控制要求
将物体从位置A搬至位置B
（1）动作顺序：
机械手从原点位置起始下移到A处下限位→从A处夹紧物体后上升至上限位→右移至右限位→机械手下降至B处下限位→将物体放置在B处后→上升。
至上限位→左移至左限位（原点）为一个循环。
（2）上限、A、B下限、左限、右限分别由限位开关控制；机械手设立起动和停止开关。
（3）机械手夹紧或松开的工作状态以及到达每一个工位时，均应有状态显示。
（4）机械手的夹紧和放松动作均应有1s延时，然后上升；机械手每到达一个位置均有0.5s的停顿延时，然后进行下一个动作。
（5）若机械手停止时不在原点位置，可通过手动开关分别控制机械手的上升和左移，使之回到原点。
（6）要求循环工作1小时时，判断机械手是否夹有物体，若没有，则立即自动停止工作并警铃报警；若夹有物体，则继续工作至物体放置到B位后自动停止工作并警铃报警。
2设计方案
2.1PLC的简介
可编程控制器（简称PLC）：
是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
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,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
2.2PLC的基本结构
可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换与以物理实现。
输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入输出接口（I/O）电路、通信接口及电源组成。
PLC的基本结构如图2.1所示：
图2.1PLC基本结构图
中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制核心。
它按照PLC系统程序赋予的功能：
a.接收并存储从用户程序和数据；b.检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断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采集现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象寄存区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算并将结果送入I/O映象寄存区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象寄存区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
存储器可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。
输入接口电路输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实习室涉及到的信号当中，开关量最普遍，也是实验条件所限，在次我们主要介绍开关量接口电路。
可编程序控制器优点之一是抗干扰能力强。
这也是其I/O设计的优点之处，经过了电气隔离后，信号才送入CPU执行的,防止现场的强电干扰进入。
如下图就是采用光电耦合器（一般采用反光二极管和光电三极管组成）的开关量输入接口电路：
输出接口电路可编程序控制器的输出有：
继电器输出（M）、晶体输出（T）、晶闸管输出（SSR）三种输出形式。
电源一般小型PLC的电源输出分为两部分：
一部分供PLC内部电路工作；一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。
因此PLC对电源的基本要求：
①能有效地控制、消除电网电源带来的各种干扰；
②电源发生故障不会导致其它部分产生故障；
③允许较宽的电压范围；
④电源本身的功耗低，发热量小；
⑤内部电源与外部电源完全隔离；
⑥有较强的自保护功能。
2.3PLC的工作原理
由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。
微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方，若有键按下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。
PLC则是采用循环扫描的工作方式。
对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。
扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：
一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。
一个扫描周期主要可分为3个阶段。
输入刷新阶段在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。
完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。
在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。
程序执行阶段在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。
当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。
输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。
由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。
由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。
实际上，除了执行程序和I/O刷新外，PLC还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”，一般在程序执行之后进行。
综上述，PLC的扫描工作过程如图2.2所示。
图2.2PLC的扫描工作过程
总之，PLC采用扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一，我们在学习和使用PLC当中都应加强注意。
2.4坐标式机械手的结构及控制示意图
图2.3为坐标式机械手的结构组成及控制过程示意图。
机械手能够在上下左右移动，搬运物体。
图2.3为坐标式机械手的结构组成及控制过程示意图
3IO分配表
如表1所示为机械手输入输出点的分配表。
表1机械手系统输入和输出点分配表
输入点
对应信号
输出点
对应信号
X0
启动按钮
Y0
夹紧
X1
停车按钮
Y1
放松
X2
上限
Y2
上升
X3
左限
Y3
下降
X4
左下限
Y4
向右
X5
右上限
Y5
向左
X6
右下限
Y6
报警
X8
手动上升
Y11
上限指示
X10
手动左移
Y12
左下限指示
X7
右上限
Y13
左限指示
Y14
右限指示
Y7
夹紧指示
Y8
放松指示
Y9
右下限指示
Y10
原点指示
4外部接线图
5软件设计
5.1程序流程图
5.2梯形图
6系统调试
合上QF接通电源，按下启动按钮SB0（X0），Y3亮，机械手开始下降，下降（Y3）到左下限，SQ2（X4）闭合，左下限状态指示灯HL3亮，延时0.5秒后，机械手开始加紧（Y0）物体，指示灯HL6亮，再延时1s后机械手开始上升（Y2）。
SQ2（X4）断开，状态指示灯HL3熄灭。
机械手上升到上限时，SQ0（X2）闭合，上限指示灯HL2亮，同时机械手停止上升。
延时0.5秒后，机械手向右移（Y4）动，SQ0断开，指示灯HL2熄灭。
机械手右移到右限位（X5）时，右限位开关SQ3（X5）闭合，指示灯HL5亮，机械手停止右移，延时0.5秒后机械手开始向下（Y3）运动，SQ3断开，指示灯HL5熄灭。
机械手移动到又下限时，限位开关SQ4（X6）闭合，指示灯HL8亮，延时0.5秒后，机械手松开（Y1）物体，将物体放下，指示灯HL7亮，HL6熄灭，延时1s后。
机械手开始上升，右下限位开关SQ4断开，指示灯熄灭。
机械手上升到右上限位（X7）时，上限位开关SQ5,闭合指示灯HL2亮，延时0.5秒，机械手向开始左移动（Y5），SQ0断开，指示灯HL2熄灭，左移到左限（X3）为时，限位开关SQ1（X3）闭合，指示灯HL4亮。
至此完成了一个循环。
循环工作一小时后，指示灯HL1亮，报警。
设计心得
机械手的PLC控制课程设计是自动化课程当中一个重要环节通过了一周的课程设计使我对机械设计过程有进一步了解，对机电产品的有关的控制知识有了深刻的认识。
因为理论知识学的不牢固，在设计遇到了不少问题，如：
遗忘以前学过的专业基础知识。
通过理论与实际的结合，进一步提高观察、分析和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。
运用学习成果，把理论运用于实际，使理论得以提升，形成创新思想。
通过此次设计过程，巩固了专业基础知识，培养了我综合应用机械设计课程及其他课程的理论知识和应用生产实际知识解决工程实际问题的能力，在设计的过程中还培养出了我们的团队精神，为今后的学习和工作过程打下基础。
参考文献
【1】郁汉琪、郭建主编.可变程序控制器原理及应用.北京：
中国电力出版社，2005
【2】王炳实主编.单片机技术.第3版.北京：
机械工业出版社，2004
【3】易泓可主编.基于数字PID设计.北京：
机械工业出版社，2004
【4】邓星钟主编.机电传动控制。
武汉：
华中科技大学出版社，2001
【5】濮良贵，纪名刚.《机械设计》8版.高等教育出版社.2006
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