基于PLC的自动搬运气压控制系统研究 带仿真设计.docx
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基于PLC的自动搬运气压控制系统研究带仿真设计
基于PLC的自动搬运气压控制系统研究
摘要
为工业机械手研制一个技术性能优良的控制系统，对于提高工业机械手的整体技术性能来说具有十分重要的意义。
为了更好地将PLC技术和气动传动技术进行有机的结合，将其各自的特点充分的发挥和利用，设计出能够减轻劳动强度，减少人力劳动和危险的产品，特提出本课题，对基于PLC的自动搬运气压控制系统进行设计。
本论文的控制对象是一个气动搬运机械手，机械手完成八个基本动作。
机械手由气缸驱动，气缸受电磁阀控制，限位开关检测机械手是否到达固定位置。
可编程控制器（PLC）控制机械手的动作，实现机械手的自动运行。
本次论文采用德国的西门子公司生产的S7–200PLC。
机械手的开关量信号直接输入PLC，PLC通过中间继电器对电磁阀加以控制。
在Step7上，设计主程序和子程序，并实现主程序控制机械手群动作，子程序控制每个机械手动作。
本论文的重点应当放在PLC各硬件的了解和梯形图的设计上，通过实现基于PLC的气动控制来达到学习、巩固所学知识的目的。
关键词：
可编程控制器（PLC）；自动搬运；气压控制；梯形图
BasedonthePLCintheautomatichandlingpressurecontrolsystemresearch
Abstract
Developsatechnicalperformancefinecontrolsystemfortheindustrymanipulator,regardingenhancestheindustrymanipulator'soveralltechnicalperformancetohavetheextremelyvitalsignificance.InordertobetterorganiccombinationofPLCtechnologyandpneumaticdrivetechnology,thecharacteristicsofeachfullplayandusedesigntoreducelaborintensity,reducehumanlaboranddangerousproducts,especiallytheintroductionofthissubject,basedonPLCautomatichandlingpressurecontrolsystemdesign.
Thepresentpapercontrolledmemberisbythemanipulatorgroupwhichtransportsthemanipulatortobecomposed,eachmanipulatorcompleteseightelementaryactions.Themanipulatoractuatesbytheaircylinder,aircylindersolenoidvalvecontrol.Thelimitswitchexaminesthemanipulatorwhetherarrivesthestationaryposition.
Theprogrammablelogicalcontroller（PLC）controlseachmanipulator'smovement,realizesthemanipulatorgroupautomaticmovement.Presentpaperprogrammablelogicalcontroller（PLC）selectsSIEMENSCorporationS7–200.Manipulator'sswitchquantitysignaldirectinputPLC,PLCcontrolsthroughtheintermediaterelaytothesolenoidvalve.Onthesoftware,hasdesignedthemasterroutineandthesubroutine.Themasterroutinecontrolsthemanipulatorgroupmovement,thesubroutinecontrolseachmanipulatortoact.
ThepresentpaperkeypointplacesthePLCvarioushardwarepartthedesignandtheintroduction,inthePLCtrapezoidalchartcompilation.ByimplementingthepneumaticcontrolbasedonPLCtoachievethepurposeofstudy,consolidatetheknowledge.
Keyword:
ProgrammableLogicalController（PLC）;Automatichandling;PneumaticControl;TrapezoidalChart
1绪论
自动搬运生产线是由工件传送系统和控制系统，将一组自动机床和辅助设备按照工艺顺序联结起来，自动完成产品全部或部分制造过程的生产系统。
采用自动线进行生产的产品应有足够大的产量；产品设计和工艺应先进、稳定、可靠，并在较长时间内保持基本不变。
在大批、大量生产中采用自动线能提高劳动生产率，稳定和提高产品质量，改善劳动条件，缩减生产占地面积，降低生产成本，缩短生产周期，保证生产均衡性，有显著的经济效益。
本文研究的自动搬运系统主要是由作为传动系统的气动机械手和作为控制系统的西门子S7–200PLC两个方面组成，下面也将着重对这两个组成部分进行介绍。
1.1机械手的概念
机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置[1]。
它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门[2]。
机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。
机械手的执行机构分为手部、手臂、躯干[3]。
手部安装在手臂的前端，手臂的内孔中装有传动轴，可把运用传给手腕，以转动、伸曲手腕、开闭手指[3]。
机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节3种，手指的数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用的最多，可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和大小的夹头以适应操作的需要。
所谓没有手指的手部，一般都是指真空吸盘或磁性吸盘；手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需的位置上，为了使机械手能够正确地工作，手臂的3个自由度都要精确地定位；躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架[3]。
机械手所用的驱动机构主要有4种：
液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动，其中以液压驱动、气压驱动用得最多。
机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度、加减速度等[3]。
机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种。
控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制[3]。
1.2气动机械手简介
1.2.1气动技术
气动技术是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递或信号传递的工程技术，是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一[4]。
气动技术是实现工业自动化的重要手段，气压传动的介质来自于空气，环境污染小，工程实现容易，所以气压传动是一种易于推广普及的实现工业自动化的应用技术[5]。
气动技术在机械、化工、电子\电气、纺织、食品、包装、印刷、轻工、汽车等各个制造行业，尤其在各种自动化生产装备和生产线中得到了广泛的应用，极大地提高了制造业的生产效率和产品质量[5]。
1.2.2气动机械手
控制传动的形式是多种多样的，主要有：
气压传动、液压传动、机械传动和电气传动。
作为机械类学生，在校期间接触较多的为机械传动和液压传动，如表格1.1所示，在众多的各有特点的传动形式中，需要结合其特点选择，而本文则着重介绍气动传动。
项目
气压传动
液压传动
电气传动
机械传动
系统结构
简单
复杂
复杂
较复杂
安装自由度
大
大
中
小
输出力
稍大
大
小
不太大
定位精度
一般
一般
很高
高
动作速度
大
稍大
大
小
响应速度
慢
快
快
中
清洁度
清洁
可能污染
清洁
较清洁
维护
简单
比气动复杂
需要专门技术
简单
价格
一般
稍高
高
一般
技术要求
较低
较高
最高
较低
控制自由度
大
大
中
小
危险性
几乎没问题
注意火
一般无问题
无特殊问题
表1.1各类传动形式对比
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、精密仪器和军事上[4]。
气动机械手强调模块化的形式，现代传输技术的气动机械手在控制方面采用了先进的阀岛技术（可重复编程等），气动伺服系统（可实现任意位置上的精确定位），在执行机构上全部采用模块化的拼装结构[6]。
1.2.3气动机械手的发展前景及方向
气动机械手经过了漫长的发展过程，随着气动技术的日趋成熟，气动伺服技术也已经从实验室走入市场，气动技术和气动机械手迎来了崭新的春天。
现在气动机械手的发展方向主要是：
重复高精度、模块化、无给油化、机电气一体化。
目前在世界上形成了以日本、美国和欧盟气动技术、气动机械手三足鼎立的局面。
我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚，但随着投入力度和研发力度的加大，我国自主研制的许多气动机械手已经在汽车等行业为国家的发展进步发挥着重要作用。
随着微电子技术的迅速发展和机械加工工艺水平的提高及现代控制理论的应用，为研究高性能的气动机械手奠定了坚实的物质技术基础。
由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等诸多独特的优点，可以预见，在不久的将来，气动机械手将越来越广泛地进入工业、军事、航空、医疗、生活等领域[4]。
1.3PLC简介
1.3.1可编程控制器概念
可编程控制器（ProgrammableLogicalController）简称PLC。
国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了如下定义：
“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。
它采用可编程序的存储器，用来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的指令。
并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”
1.3.2PLC的特点
可编程序控制器（PLC）是以微处理器为基础,综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型、通用的自动控制装置,它具有结构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用和使用方便等一系列优点,近年来在工业生产过程的自动控制中得到了越来越广泛的应用[5]。
PLC有如下5种主要特点[8]：
1．高可靠性
PLC的高可靠性主要体现如下：
（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RC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立即采取有效措施，以防止故障扩大。
（7）大型PLC还可以采用双CPU构成冗余系统或采用三CPU构成表决式系统，使其可靠性进一步提高。
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，都有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备相连。
如按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接相连。
此外，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，它还有多种通信联网的接口模块，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的掌握。
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进行。
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。
1.3.3PLC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。
（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）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。
（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。
（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。
（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
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。
（6）通信及联网
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。
PLC的应用领域仍在扩展，在日本，PLC的应用范围已从传统的产业设备和机械的自动控制，扩展到以下应用领域：
中小型过程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统，以及与生活关连的机器、与环境关连的机器，而且均有急速的上升趋势。
值得注意的是，随着PLC、DCS相互渗透，二者的界线日趋模糊的时候，PLC从传统的应用于离散的制造业向应用到连续的流程工业扩展。
1.3.4PLC的系统组成
PLC主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。
其中，中央处理单元是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接受并存储从编程器输入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
可编程控制器配有两种存储器：
系统程序存储器和用户程序存储器，存放系统软件的存储器称为系统程序存储器，存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源，系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
利用编程器可将用户程序输入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序；利用编程器还可以监视PLC的工作状态。
编程器一般分为简易型和智能型。
1.3.5PLC的工作原理
PLC采用循环扫描方式工作，它对用户程序的执行主要分三个阶段进行，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。
（1）输入采样阶段。
在输入采样阶段，PLC按顺序将所有输入端的输入信号读入到输入映像寄存器中寄存起来，接着转入程序执行阶段。
在程序执行期间，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。
输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读入。
（2）程序执行阶段。
在程序执行阶段，PLC对用户以梯形图方式编写的程序按从上到下，从左到右的顺序进行扫描。
每扫描到一条指令时，所需要的输入状态或其他元素的状态分别由输入映像寄存器和元素映像寄存器读出，而执行结果写入到元素映像寄存器中。
对于每一个元素来说，元素映像寄存器中寄存的内容，会随程序执行的进程而变化。
（3）输出刷新阶段。
当程序执行完后，进入输出刷新阶段。
此时，PLC将元素映像寄存器中所用输出映像寄存器的状态向输出锁存器传送，成为可编程序控制器的实际输出。
PLC在程序执行阶段，输出锁存器的状态保持不变。
PLC重复地执行上述三个阶段，每重复一次的时间就是一个工作周期（或扫描周期）。
当然，严格说来，PLC的一个工作周期还包括系统自监测、与编程器交换信息、与数字处理器交换信息和网络通信四个过程[7]。
2机械手方案论证
2.1机械手的设计
2.1.1气动搬运机械手的结构设计
机械手种类有很多，不同的种类有不同的分类方式，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等，,按手臂坐标类型来分主要有直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式、SCARA型等。
本论文所针对的机械手属于气动式的圆柱坐标式机械手，如图2.1和2.2所示，机械手主要是由基座和手臂两个部分组成。
基座的主要任务是支撑和完成手臂回转。
手臂装在基座上，作上下直线运动，手部可夹紧和放松。
本机械手的驱动部分均是由气缸驱动，驱动部分根据机械手的动作分为升降气缸、摆动气缸和手部的驱动气缸，气缸均是由电磁阀控制。
图2.1机械手立体结构布置图[5]
图2.2机械手简化结构布置图
2.1.2气动搬运机械手的工作原理
本机械手采用气压式的气缸驱动，使用的是压力为0.6MPa，最高可达1Mpa。
这个机械手是由二个直线运动和一个旋转运动组成，用于将原工作台上的物品搬到其右侧的工作台上。
机械手的全部动作均由气缸驱动，气缸则由电磁阀控制，整个机械手在工作中能实现上升/下降、左旋转/右旋转、夹紧/放松的功能，是目前较为简单，但应用比较广泛的一种机械手。
本论文的机械手的升降运动通过升降气缸、垂直导柱、滑动导柱、垂直导轨及升降位置微动开关的相互配合完成，升降工作行程为0~150mm。
转动是通过摆动气缸、轴向止推轴承、摆动臂及摆动位置微动开关协调完成，转动工作行程为0~180°。
手部是通过气缸、弹簧的作用来夹持物品，夹持力主要是靠调节弹簧的预压缩量来调整。
2.2主要内容及目标
本论文主要内容是用PLC作控制器，以气动搬运机械手作为被控制对象，最终实现对气动搬运机械手群自动运行的控制。
本论文的控制对象是一个气动搬运机械手，要实现的主要目标是实现机械手的运动，使机械手完成八个基本动作，如图2.3所示，第1步当工作台上有物品时，机械手下降。
第2步是机械手在最低位抓紧物品。
第3步是机械手夹紧物品上升。
第4步是机械手夹紧物品右旋180度。
第5步是机械手夹紧物品下降。
第6步是在最低位时松开物品。
第7步机械手上升。
第8步是机械手左旋180度，回到原位。
机械手由气缸驱动，气缸受电磁阀控制。
限位开关检测机械手是否到达固定位置。
图2.3气动机械手工作流程
3控制系统方案论证
3.1输入/输出信号
本控制系统有16个输入开关量，分别为：
系统启动按钮1个负责整个系统的启动；
系统停止按钮1个负责整个系统的停止；
选择按钮1个负责机械手自动控制和检测的切换；
物品检测开关1个负责检测工作台上是否有物品；
下降限位开关1个负责检测机械手到达最低位置；
夹紧检测开关1个负责机械手夹紧物品的检测；
放松检测开关1个负责机械手放松物品的检测；
上升限位开关1个负责检测机械手到达最高位置；
右旋限位开关1个负责检测机械手是否右旋转180°；
左旋限位开关1个负责检测机械手是否左旋转180°；
手动下降开关1个负责机械手的手动下降；
手动夹紧开关1个负责机械手的手动夹紧；
手动放松开关1个负责机械手的手动放松；
手动上升开关1个负责机械手的手动上升；
手动右旋开关1个负责机械手的手动右旋180°；
手动左旋开关1个负责机械手的手动左旋180°；
建立输入信号名称与电气符号表3.1
序号
名称
电气符号
1
系统启动按钮
SB1
2
系统停止按钮
SB8
3
选择按钮
SB9
4
物品检测开关
SQ1
5
下降限位开关
SQ2
6
夹紧检测开关
SQ3
7
放松检测开关
SQ4
8
上升限位开关
SQ5
9
右旋限位开关
SQ6
10
左旋限位开关
SQ7
11
手动下降开关
SB2
12
手动夹紧开关
SB3
13
手动放松开关
SB4
14
手动上升开关
SB5
15
手动右旋开关
SB6
16
手动左旋开关
SB7
表3.1输入信号名称与电气符号表
本控制系统由6个输出电磁阀，分别为：
机械手下降电磁阀1个负责启动机械手的下降；
机械手夹紧电磁阀1个负责启动机械手夹紧物品；
机械手放松电磁阀1个负责启动机械手放松物品；
机械手上升电磁阀1个负责启动机械手的上升；
机械手右旋电磁阀1个负责启动机械手的右旋；
机械手左旋电磁阀1个负责启动机械手的左旋。
建立输出信号名称与电气符号表3.2。
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