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机械手动作的模拟实验论文

机械手动作的模拟实验论文

机电综合实验

实验名称：

机械手动作的模拟

班级：

机自12-11班

小组成员：

XXXXXXXXXXXXXXXXX

中国矿业大学

机械手动作的模拟

【摘要】

根据机械手的工作过程和控制要求，将西门子S7-200PLC和组态王Kingview6.53应用于机械手的控制系统。

通过建立PLC和Kingview6.53之间的通讯，利用组态软件模拟机械手的工作过程。

实验表明，由S7-200PLC和Kingview6.53构成的控制系统人机界面简单、易于操作、经济实用、可靠性高。

Accordingtotheworkingprocessandcontrolrequirementsofthemanipulator,bothSiemensS7-200PLCandKingview6.53appliedtothemanipulatorcontrolsystem.ThentheconfigurationsoftwareisusedtosimulatetheworkingprocessofthemanipulatorbybuildingthecommunicationbetweentheS7-200PLCandtheKingview6.53.ExperimentalresultsshowthatthecontrolsystemconstitutedbyS7-200PLCandKingview6.53iseasytooperate,man-machineinterfacesimple,economicalandhighreliability.

【关键词】

关键词：

机械手；PLC控制；组态王.

Keywords：

manipulator;PLCcontrol;Kingview6.53

1.引言

1.1引论

机械手能够模仿人手部的部分动作，按照设定的程序、轨迹和要求，代替人手对工件进行搬运等操作。

这不仅可以使人手避免可能出现的危险情况，保障生产安全，还能促进工作线的流水化，提高工作效率。

PLC=ProgrammablelogicController，可编程逻辑控制器，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，是工业控制的核心部分PLC=ProgrammableLogicController，可编程控制器。

另外PLC还有以下几个名称：

PLC=PowerLineCommunication，电力线通信，即我们俗称的“电力线上网”。

可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC,plc自1966年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大。

鉴于PLC顺序控制的自身特点，应用PLC控制机械手实现各种规定的动作工序，可以简化控制线路，提高可靠性，在保证劳动生产率的条件下节约成本。

同时，上位机监控系统可以采用组态王Kingview组态软件设计，能够实现实时显示数据、动画显示、流程控制等功能。

1.2实验目的和具体要求

1、实验目的

用数据移位指令来实现机械手动作的模拟。

学会使用组态软件（推荐选用组态王软件）和PLC（推荐选用SIMEINSS7-200）控制系统连接，采用下位机执行，上位机监视控制的方法，构建完成机械手动作模拟控制系统。

2、实验装置与附件

（1）TKPLC-1型实验装置一台

（2）安装了STEP7-Micro/WIN32编程软件和组态软件的计算机一台。

（3）PC/PPI编程电缆一根。

（4）连接导线若干。

3、机械结构和控制要求

图中为一个将工件由A处传送到B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，即为：

原位→下降→夹紧→上升→右移

↑↓

左移←上升←放松←下降

4、机械手动作的模拟实验面板图：

机械手动作的模拟控制面板

上图下框中的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。

上图中的启动、停止用动断按钮来实现，限位开关用钮子开关来模拟，电磁阀的原位指示灯用发光二极管来模拟。

PLC作为下位机控制，计算机作为上位机，利用组态软件进行监视和控制，计算机能够控制下位机PLC的运行和停止，和运行工况的组态画面监视。

2PLC控制系统和组态王软件和介绍

2.1PLC控制系统

a基本介绍

PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

它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。

PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。

bPLC的功能

（1）逻辑控制

（2）定时控制

　　（3）计数控制

　　（4）步进（顺序）控制

　　（5）PID控制

　　（6）数据控制：

PLC具有数据处理能力。

　　（7）通信和联网

　　（8）其它：

PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：

定位控制模块，CRT模块。

cPLC的特点

（1）可靠性高，抗干扰能力强

　　高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。

一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。

从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。

这样，整个系统具有极高的可靠性。

（2）配套齐全，功能完善，适用性强

　　PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎

　　PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

　　PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

（5）体积小，重量轻，能耗低

　　以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。

由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

dPLC控制系统的设计基本原则

（1）最大限度的满足被控对象的控制要求。

（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。

　（3）保证控制系统安全可靠。

　（4）考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。

2.2组态王软件

A基本介绍

组态王组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。

通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。

其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。

尤其考虑三方面问题：

画面、数据、动画。

通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。

组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。

而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。

它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

B具体功能

（2）可以播放声音文件

（3）播放动画

（4）支持视频采集设备

D组态王控制过程要考虑以下三个方面

（1）图形,是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。

（2）数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。

（3）连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。

3正文

3.1PLC程序（STL语句）

LDI0.2；上限为开关

AI0.4；左限位开关

ANM10.1

ANM10.2

ANM10.3

ANM10.4

ANM10.5

ANM10.6

ANM10.7

ANM11.0

ANM11.1

=M10.0；原位启动，M10.0接通，移位寄存器开始移位

LDI0.4

AM11.1

OI0.5；停止按钮

=M10.0

=M11.1

LDM10.0

AI0.0；启动，机械手下移

LDM10.1

AI0.1；下限位开关接通，移位寄存器移位，机械手夹紧

OLD

LDM10.2

AT37；机械手夹紧，移位寄存器移位，机械手上移

OLD

LDM10.3

AI0.2；上限位开关接通，移位寄存器移位，机械手右移

OLD

LDM10.4

AI0.3；右限位开关接通，移位寄存器移位，机械手下移

OLD

LDM10.5

AI0.1；下限位开关接通，移位寄存器移位，机械手夹紧

OLD

LDM10.6

AT38；等待机械手松开，移位寄存器移位，机械手上移

OLD

LDM10.7

AI0.2；上限位开关接通，移位寄存器移位，机械手左移

OLD

LDM11.0

AI0.4；左限位开关接通，移位寄存器移位，机械手回到原位

OLD

SHRBM10.0,M10.1,+9

LDM10.0

=Q0.5；指示机械手是否在原位

LDM10.1

OM10.5

=Q0.0；机械手下降

LDM10.2

SM20.0,1

TONT37,+17；设置机械手夹紧的时间

LDM20.0

=Q0.1；机械手夹紧

LDM10.3

OM10.7

=Q0.2；机械手上移

LDM10.4

=Q0.3；机械手右移

LDM11.0

=Q0.4；机械手左移

LDM10.6

RM20.0,1

TONT38,+15；设置机械手放松的时间

3.2程序梯形图

3.3组态王监控程序

1.组态王监控画面

2.定义组态王中的变量与PLC的连接

3.组态王与设备PLC的连接

当按下启动按钮，机械手依次完成原位→下降→夹紧→上升→右移→下降→放松→上升→左移→原位的动作，同时界面上相应的指示灯被点亮，从而实现监控机械手动作的目的。

4结束语

以PLC实现机械手自动控制系统设计，不仅使系统适应工业生产条件，而且PLC自身具备控制灵活性和可扩展性等优点，使基于PLC的系统具有很高的性价比，提高了生产率。

本设计实现了设计要求，通过组态王软件来实现机械手的运作。

在本次的设计的过程中，通过定义数据词典以及机械手的动画连接，完整地实现了机械手正常运行的目的。

在这次实训中，我们完成了机械手动作模拟。

经过对这个程序的编制和调试等使我对PLC的控制系统设计有了深刻的认识。

并总结了PLC控制系统设计的一些方法。

在对PLC控制系统进行设计时应遵循以下的步骤：

第一、熟悉控制对象，对控制任务作深入的调查和研究。

这步是系统设计的基础。

首先应该详细了解工艺过程和被控对象拟实现的全部功能，以及他对控制系统的要求。

在这一阶段还要选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号指示灯等执行元件），以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。

此外还应确定哪些信号需要输入给PLC，哪些负载由PLC驱动，并分类统计出各输入量与输出量的性质，是开关量还是模拟量，是直流量还是交流量，以及电压大小等级，为PLC硬件配置提供依据和保障。

第二、确定系统总体设计方案。

这是最为重要的一步，要在全面深入了解控制要求的基础上确定控制方案。

第三、PLC硬件配置。

总体方案确定以后，需要进一步研究系统的硬件构成，正确选择PLC对保证整个控制系统的技术与经济性能指标起着重要作用。

根据被控对象对控制系统的要求，及对PLC的输入量、输出量的类型和点数，确定出PLC的硬件配置。

第四、确定PLC的I/O分配，设计外部接线图。

PLC的硬件配置确定以后，应对I/O点进行分配，确定外部输入输出元件与PLC的I/O点的连接关系，完成I/O点的地址定义表。

分配好与各输入量和输出量相对应的元件后，设计出PLC的外部接线图、其他部分的电路原理图、接线图和安装所需的图纸，以便进行硬件装配。

第五、设计应用程序。

在硬件设计的基础上，通过控制程序的设计完成系统的各项控制功能。

对于较简单的系统控制程序，可以是经验法直接设计出梯形图。

对于比较复杂的系统，一般首先画出系统的工艺流程图，然后在设计出PLC的梯形图。

程序设计的质量将直接关系到系统运行的稳定性和可靠性。

第六、程序调试。

程序是控制整个系统工作的软件，是保障系统工作正常、安全、可靠的关键。

因此控制系统的设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。

第七、编制技术文件。

系统调试好后，应根据调试的最终结果，整理出完整的技术文件，如硬件接线图、功能表图、元件明细表、带注释的梯形图以及必要的文字说明等。

5参考文献

[1]马国华 《监控组态软件及其应用——清华大学出版社》.2001 

[2]莫晓齐、王耀南 《组态软件用户图形界面的设计与开发》.2006

[3]吴中俊、黄永红《可编程控制器原理及应用》第2版

[4] 王永华《现代电气及可编程序控制器技术》.2003

[5] 许志军《工业控制组态软件及应用》.2005