搬运机械手电气控制系统研究设计.doc

课 程 设 计课程名称电气控制与PLC 课题名称 搬运机械手电气控制系统设计专 业 班 级 学 号姓 名 指导教师 2012年 7月 1日湖 南 工 程 学 院课程设计任务书课程名称 电气控制与PLC 课题名称搬运机械手电气控制系统设计专业班级姓 名学 号指导教师审 批任务书下达日期2012年6月25日课程设计完成日期2012年7月6日设计内容与要求一.课程设计的性质与目的本课程设计是自动化专业教学计划中不可缺少的一个综合性教学环节，是实现理论与实践相结合的重要手段。它的主要目的是培养学生综合运用本课程所学知识和技能去分析和解决本课程范围内的一般工程技术问题，建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法。通过课程设计使学生得到工程知识和工程技能的综合训练，获得应用本课程的知识和技术去解决工程实际问题的能力。二. 课程设计的内容 1.根据控制对象的用途、基本结构、运动形式、工艺过程、工作环境和控制要求，确定控制方案。2.绘制搬运机械手控制系统的PLC I/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。 3.选择电器元件，列出电器元件明细表。 4.上机调试程序。5.编写设计说明书。 三. 课程设计的要求 1.所选控制方案应合理，所设计的控制系统应能够满足控制对象的工艺要求，并且技术先进，安全可靠，操作方便。 2.所绘制的设计图纸符合国家标准局颁布的GB472884电气图用图形符号、GB698887电气制图和GB715987电气技术中的文字符号制定通则的有关规定。 3.所编写的设计说明书应语句通顺，用词准确，层次清楚，条理分明，重点突出，篇幅不少于7000字。主要设计条件1.PLC实验设备若干。2.参考文献若干。设计说明书装订顺序1.课程设计说明书封面。2.课程设计任务书。3.说明书目录。4.正文（按设计内容逐项书写）。5.参考文献。6.附录。7.课程设计评分表。设计进度安排1. 第一周星期一上午：课题内容介绍。2. 第一周星期一下午：仔细阅读设计任务书，明确设计任务与要求，收集设计资料，准备设计工具。3. 第一周星期二第一周星期五：确定控制方案。绘制搬运机械手电气控制系统的电气原理图、控制系统的PLC I/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。选择电器元件，列出电器元件明细表。4. 第二周星期一：试验调试5. 第二周星期二第二周星期五：编写设计说明书,答辩。参考文献1廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用M.重庆：重庆大学出版社2万太福.可编程序控制器及其应用M. 重庆：重庆大学出版社3刘祖润.毕业设计指导.北京：机械工业出版社4谢桂林.电力拖动与控制. 北京：中国矿业大学出版社5工厂常用电气设备手册编写组.工厂常用电气设备手册. 北京：水利电力出版社目录第1章 概述11.1 PLC简介11.2 机械手概述11.3 机械手控制系统设计步骤2 第2章 控制方案论证3 2.1 搬运机械手的设计原理32.2 PLC的选取 4第3章 控制系统硬件电路设计73.1 传送带A,B主电路图及传送带B的控制电路图73.2 PLC控制面板及接口电路图8第4章 控制系统软件设计104.1 控制系统的软件设计原理104.2 梯形图12第5章 控制系统调试14 5.1 控制系统的调试过程14总结15参考文献16附录17第1章 概述1.1 PLC简介自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。1.2 机械手概述工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。1.3 机械手控制系统设计步骤根据工艺要求确定被控系统必须完成的动作,确定这些动作之间的关系及完成这些动作的顺序。(2)分配输入、输出设备,即确定哪些外围设备是送信号给PLC的,哪些外围设备是接收来自PLC的信号的,同时还要将PLC的输入、输出点与之一一对应,对I/O进行分配。在此基础上确定PLC的选型。(3)根据控制系统的控制要求和所选PLC的I/O点的情况及高功能模块的情况,设计PLC用户程序,此时可采用梯形田、助记符或流程图语言形式的用户程序。PLC的用户程序体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系,编程时可用编程器或计算机直接编程、修改,同时也可对PLC的工作状态、特殊功能进行设定。(4)对所设计的PLC程序进行调试和修改,直至PLC完全实现系统所要求的控制功能。(5)保存已完成的程序。第2章 控制方案论证2.1 搬运机械手的设计原理图3-1是搬运机械手工作示意图。该机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。为使动作准确，安装了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5。分别对机械手进行抓紧、左旋、右旋、上升、下降等行程的检测，并给出动作到位的检测信号。另外还安装了光电开关SP。负责检测传送带A上的物品是否到位。此外，还设置了起动按钮SB1和停止按钮SB2，分别用以启动和停止机械手的动作。图3-1 搬运机械手工作示意图传送带A、B由电动机M1、M2拖动，M1、M2分别由接触器KM1、KM2控制，机械手的上、下、左、右、抓、放等动作由液压系统驱动，并分别由6个电磁阀YV1YV6来控制。2.2PLC的选取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（Micro PLC）。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S7-200 Micro PLC的 CPU22*系列PLC的CPU外型图如图2，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。S7-200 CPU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。 图2-1 S7-200 CPU外型图1.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。2.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。3.电源向CPU及其所连接的任何模块提供电力。4.通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或一些设备连接起来。5.状态信号灯显示了CPU的工作模式（运行或停止），本机的I/O的当前状态，以及检查出来的系统错误。6.通过扩展模块可以增加CPU的I/O点数（CPU221不可以扩展）。7.通过扩展模块可以提供其通讯功能。8.一些CPU具有内置实时时钟，其他CPU需要实时时钟卡。9.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。10.通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间。图2-1展示了一个基本的S7-200 Micro PLC.它包括一个S7-200 CPU 模块,一台个人计算机(PC),STEP 7-Micro/win32(3.1版)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2-2 S7-200 Micro PLC 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。第3章 控制系统硬件电路设计3.1传送带A,B的主电路图及传送带B的控制电路图根据传送带A，B的运行要求设计其主电路图如下：图3-4 传送带A,B的主电路图根据传送带B的运行要求设计其控制电路入下图：图3-5 传送带B的控制电路图3.2 控制面板及接口电路图3-2 操作面板机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。根据机械手控制系统的要求设计出PLC的I/O接口图如下：图3-3 PLC外部接线图第4章 控制系统软件设计4.1 控制系统软件设计原理本控制系统是通过主程序控制，来实现机械手的上、下、左、右、抓、放等动作由液压系统驱动，而且启动时，机械手按照步序图的工步顺序动作；停止时，机械手停止在现行工步上。重新启动时机械手从停止前一瞬间的动作继续进行；PC断电时的要求与停止时的要求一致。图4-1 搬运机械手动作步序图图 4-2 程序顺序功能图4.2梯形图初始化程序左旋 抓紧，抓紧后一直要抓紧，所以用置位 延时2秒放开 停止后，再启动从停止前工作状态开始第5章 控制系统的调试5.1控制系统的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，首先我们对设备进行了检测，发现不曾在任何问题，在这种情况下我选择了再一次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。会不会是运行的速度太快而出现一个周期接一个周期的快速运行呢？在带着这个问题的情况下把程序的每个动作网络多家了一个stop指令加以验证，然后将程序写入STEP-7-Micro/WIN编程软件中运行，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。总结这次的课程设计我们大致完成了当初既定的任务。我们所设计的搬运机械手程序在硬件调试时能够较完整地完成整个工作流程。当相应的开关按下时，相应的控制灯能够及时点亮。对于保护方面，在程序设计时，就已经使机械手手抓抓紧后线上升再下降避免了碰撞。大致的设计流程在有了时序步骤的图之后还是清楚的，但是细节问题上就不是我们能够处理的了。就拿我们的课题机械手来说，要考虑许其他的方面，例如在工件未搬完前，如何实现停止，工件搬完后，如何回到初始，或者是继续下次的循环。这些都是在设计时我们需要自己斟酌的问题。搬运机械手的优点已经不言而喻。能够在机械帮助而不需要手动的情况下搬运一些工件，且在电机拖动下，能够时间定时、定量的搬运，不仅提高了工作的效率，也节省了不少时间，在这样模块化的工作下，其他相关的工序也能井然有序的完成。但是，在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。总之，通过这样的实践，我们从中学到了不少，也对我们今后的学习工作提供了经验，希望能有更多这样的学习机会。参考文献1廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用M.重庆：重庆大学出版社2万太福.可编程序控制器及其应用M. 重庆：重庆大学出版社3刘祖润.毕业设计指导.北京：机械工业出版社4谢桂林.电力拖动与控制. 北京：中国矿业大学出版社5工厂常用电气设备手册编写组.工厂常用电气设备手册. 北京：水利电力出版社附录元器件清单序号名称代号型号主要参数数量1按钮SB1SB10LA2额定电压500V 额定电流5A 1对常开触点 1对常闭触点102刀开关QSHD13B-200/3额定电流200A12行程开关SQ1SQ5JLXK1-111额定电压500V 额定电流5A 1对常开触点 1对常闭触点53断路器QFDZ10-100额定电流100A14电磁继电器YV1YV6JZ7-22额定电流500V 额定电流5A 2对常开触点 2对常闭触点65热继电器FR1FR2JR0-20/3额定电流20A26交流接触器KM1KM2CJ10-10额定电压500V 额定电流10A 常开触头3对 辅助触头2常开2常闭27熔断器FRRL1-60额定电流60A 断流容量（交流）5000A18三相鼠笼式电动机M1M2Y112M-2额定功率4KW29可编程控制器S7-200PLC CNCPU224XP CN数字量I/O口14入10出110数字量扩展模块EM223CNEM223 CN，4输入DC24V/4继电器输出数字量I/O口4输入4输出1程序清单电气信息学院课程设计评分表项 目评 价优良中及格差设计方案合理性与创造性（10%）硬件设计及调试*情况（20%）参数计算及设备选型情况*(10%)设计说明书质量(20%)答辩情况(10%)完成任务情况(10%)独立工作能力(10%)出勤情况(10%)综 合 评 分指导教师签名：_ 日 期：_ 注：表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。