机电综合实验机械手动作的模拟.docx
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机电综合实验机械手动作的模拟
目录
一、引言1
二、实验说明1
1、实验名称：
1
2、实验目的1
3、实验装置与附件1
4、机械结构和控制要求2
三、主要软硬件介绍2
1、PLC简介及选型2
2、软件介绍5
四、实验过程6
1、机械手动作的模拟实验面板图：
6
2、工作步骤6
3、I/O分配表7
4、调试程序（梯形图及注释）8
五、调试结果11
六、总结13
七、参考资料14
一、引言
可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。
它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术运算等操作的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入/输出控制各类型的机械设备或生产过程。
可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
随着PLC的发展，它不仅能完成逻辑运算控制，而且能实现模拟量、脉冲量的算术运算。
这次实验，我们通过组态王对机械手动作进行模拟来了解和熟悉PLC（S7—200）的使用。
二、实验说明
1、实验名称：
机械手动作的模拟
2、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。
3、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。
4、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
三、主要软硬件介绍
1、PLC简介及选型
S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
S7-200系列出色表现在以下几个方面：
极高的可靠性，极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
如：
冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。
CPU单元设计：
集成的24V负载电源：
可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU221，222具有180mA输出，CPU224，CPU224XP，CPU226分别输出280，400mA。
可用作负载电源。
CPU221~226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。
本机数字量输入/输出点CPU221具有6个输入点和4个输出点，CPU222具有8个输入点和6个输出点，CPU224具有14个输入点和10个输出点，CPU224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU226具有24个输入点和16个输出点。
本机模拟量输入/输出点，CPU224XP具有2个输入点，1个输出点。
中断输入，允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。
高速计数器，CPU221/222：
4个高速计数器（30KHz），可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为90°的A/B相增量编码器；CPU224/224XP/226：
6个高速计数器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能；CPU222/224/224XP/226：
可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。
可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。
脉冲输出：
2路高频率脉冲输出（最大20KHz），用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务。
实时时钟：
例如为信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制；EEPROM存储器模块（选件）；可作为修改与拷贝程序的快速工具（无需编程器），并可进行辅助软件归档工作。
电池模块：
用于长时间数据后备。
用户数据（如标志位状态，数据块，定时器，计数器）可通过内部的超级电容存贮大约5天。
选用电池模块能延长存贮时间到200天（10年寿命）。
电池模块插在存储器模块的卡槽中。
STEP7-Micro/WIN32V3.1编程软件可以对所有的CPU221/222/224/224XP/226功能进行编程。
同时也可以使用STEP7-Micro/WIN16V2.1软件包，但是它只支持对S7-21x同样具有的功能进行编程。
STEP7-Micro/DOS不能对CPU221/222/224/224XP/226编程。
如果使用PG/PC的串口编程，则需要使用PC/PPI电缆。
如果使用STEP7-Micro/WIN32V3.1编程软件，则也可以通过SIMATICCP5511或CP5611编程。
在这种情况下，通讯速率可高达187.5kbit/s。
可以利用PC/PPI电缆和自由口通讯功能把S7-200CPU连接到许多和RS-232标准兼容的设备。
有两种不同型号的PC/PPI电缆：
带有RS-232口的隔离型PC/PPI电缆，用5个DIP开关设置波特率和其它配置项（见下图）。
带有RS-232口的非隔离型PC/PPI电缆，用4个DIP开关设置波特率。
有关非隔离型PC/PPI电缆的技术规范，请参阅S7-200可编程控制器系统手册。
当数据从RS-232传送到RS-485口时，PC/PPI电缆是发送模式。
当数据从RS-485传送到RS-232口时，PC/PPI电缆是接收模式。
当检测到RS-232的发送线有字符时，电缆立即从接收模式转换到发送模式。
当RS-232发送线处于闲置的时间超过电缆切换时间时，电缆又切换到接收模式。
这个时间与电缆上的DIP开关设定的波特率选择有关。
各型号的优点：
CPU221：
本机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。
无I/O扩展能力。
6K字节程序和数据存储空间。
4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
非常适合于小点数控制的微型控制器。
CPU222：
本机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。
可连接2个扩展模块。
6K字节程序和数据存储空间。
4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
非常适合于小点数控制的微型控制器。
CPU224：
本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
是具有较强控制能力的控制器。
CPU224XP：
本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展值至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。
20K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHz），2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O,位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。
是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。
CPU226：
本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。
S7-200系列PLC是西门子公司的产品，另外，国内外还有一些厂家生产与其完全兼容的产品，例如德国VIPA公司，中国上海正航电子科技有限公司等。
在本系统中选用CPU224型PLC。
2、软件介绍
组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它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。
使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法有：
（1）图形界面的设计
（2）构造数据库
（3）建立动画连接
（4）运行和调试
使用组态王软件开发具有以下几个特点:
（1）实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。
（2）该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。
对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。
本次试验选用亚控科技的组态王6.53版本。
四、实验过程
1、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
2、工作步骤
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，SB1置“1”，产生移位信号，M10.0的“1”态移至M101，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SQ1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，T0动合触点接通，产生移位信号，使M10.3置“1”，“0”态移位至M102.，上升电磁阀YQ0.2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”，Q0.4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，T1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，I0.2线圈断开，停止上升，Y004线圈接通，X003断开，左移。
到达左限位开关位置，X004触点接通，M11.0变为“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又被置“1”，完成一个工作周期。
再次按下启动按钮，将重复上述动作。
3、I/O分配表
面板
SB1
SB2
SQ1
SQ2
SQ3
SQ4
PLC
I0.0
I0.5
I0.1
I0.2
I0.3
I0.4
面板
YV1
YV2
YV3
YV4
YV5
HL
PLC
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
0Q0.4
Q0.5
4、调试程序（梯形图及注释）
五、调试结果
通过在实验台上的调试，完成了机械手的规定的动作，并改善了程序，掌握了多种控制方式下的编程。
例如：
回初始模式、单周期、单步等等。
（具体的修改程序见上面的梯形图）。
组态王调试界面如下图所示。
六、总结
通过这次综合实训，使我对PLC的基本配置、指令系统和编程方法有了一定的了解，进一步加强了PLC的应用设计能力。
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。
例如，机械运动的驱动方式；机械、液压、气动、仪表、电气系统之间的关系；系统是否需要设置多种工作方式（如全自动、半自动、手动等），控制过程是周期性还是单周期运行，是否有手动调整要求；PLC与系统中其他装置的关系等。
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。
程序的调试可分为两步。
（1）模拟调试
用户程序一般先在实验室进行模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用按PLC实际的负载（如接触器、电磁阀等）。
实际反馈信号（如限位开关的接通等）可以相对椐流程图，在适当的时候用开关或按钮来模拟。
在高调试时应充分考虑各种可能的情况。
系统的各种不同的工作方式，有选择序列的流程图中的每条支路，各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏，发现问题后及时修改程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。
如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将他们大大减少，模拟调试结束后再写入它们的实际值。
（2）现场调试
现场调试要等到系统其他硬件安装和接线工作完成后才能进行。
在设计和模拟调试程序的同时就可以设计、制作控制台或控制柜，还有PLC之外的其他硬件安装、接线工作也可以同时进行，以缩短整个工程的周期。
完成以上工作后，将PLC安装到控制现场，进行联机总调试，并及时解决调试时发现的软件和硬件方面的问题。
另外，程序调试完毕必须经过一段时间运行实践的的充分考验，才能确认程序过到控制要求。
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。
这次试验进一步加深了我对PLC的认识，对西门子的工业应用有了更清晰地了解。
七、参考资料
1、可编程控制器（西门子）
2、S7-200编程手册
3、编程软件
4、组态王视频教程
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