基于PLC与组态王的机械手控制新版专业系统设计.doc

毕业论文

标 题：基于PLC和组态技术机械手控制系统
学生姓名： 陈勇乐 谭 鑫
系 部： 电子信息系
专 业： 电气自动化技术
班 级： 高电气1102班
指导老师： 罗麦丰老师

湖南汽车工程职业学院教务处制

目 录
摘 要 1
引 言 2
一、机械手控制系统工作要求 4
二、下位机PLC控制系统设计 6
2.1机械手控制PLC 输入输出端子分配 6
2.2机械手控制PLC次序功效图 7
2.3机械手控制PLC外围接线图 8
2.4机械手控制PLC梯形图 8
三、系统上位机组态设计及功效实现 9
3.1设备连接 10
3.2通讯设备参数设置 10
3.3结构数据库 11
3.4监控界面设计和动画连接 12
3.5系统运行 14
四、系统调试 16
4.1使用设备 16
4.2调试过程 16
五、设计过程碰到问题及处理方法 18
总 结 20
参考文件 21
致 谢 22
附录1 23
附录2 24

摘 要
本设计关键介绍了基于组态王和PLC实现对机械手控制系统设计，开发PLC控制系统和上位机监控界面。组态王经过设备驱动程序从现场硬件设备获取实时数据并处理，以动画方法在上位机屏幕上显示，同时根据组态要求和操作人员指令使机械手根据设定轨迹运行，而且将现场动画在监控界面中显示出来。该系统能够很好实现机械手自动控制和管理。

关键词：机械手； S7-200 PLC； 组态王

引 言
伴随科学技术快速发展，中国正在进行由手工操作到机械控制变革。机械手设计和控制对工业自动化发展是不可缺乏，它到来加速了企业变革，在工业自动化生产中，不管是单机床还是组合机床、和自动化生产流水线全部要用机械手完成工件取放甚至更复杂、更精密零件加工。
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来一个新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛利用于自动生产线，她是一门快速发展起来新兴技术。现在机械手即使还不如人手那样灵活，不过她含有能不停反复工作和劳动，不知疲惫，不怕危险，所以，机械手越来越广泛地得到应用。
在中国关键是逐步扩大应用范围，关键发展铸造、热处理方面机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手同时，对应发展通用机械手，有条件还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构和依据不一样类型加紧机构，设计成经典通用机构，所方便依据不一样作业要求选择不一样类型基加紧机构，即可组成不一样用途机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。
现代工业中，生产过程机械化，自动化已成为突出专题。化工等连续性生产过程自动化已基础得四处理。专用机床是大批量生产自动化有效措施；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地处理多品种小批量生产自动化关键措施。但除切削加工本身外，还有大量装卸、搬运、装配等作业，有待于深入实现机械化,工业机械手就是为实现这些工序自动化而生产。机械手是能够模拟人体上肢部分功效，能够对其进行自动控制使其根据预定要求输送制品或操持工具进行生产操作自动化生产设备。自上世纪六十年代，PLC设计机械手被实现为一个产品后，对它开发应用也在不停发展，它能够在减轻繁重体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提升生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业竞争力等方面起到及其关键作用。用西门子S7-200 PLC控制。
上位机监控系统采取组态王组态软件设计，组态王6.53是由亚控科技研制组态软件,是运行于Microsoft Windows\XP 汉字平台汉字界面人机界面软件,为用户提供了处理实际工程问题完整方案和开发平台,能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、步骤控制、动画显示、曲线和报表输出、企业监控网络系统等功效。经过对本监控系统分析，关键实现了以下两个功效，一、充足利用了组态王图形编辑功效，方便地组成监控画面，并以动画方法显示机械手运行状态 二、生成实时报表和历史报表并保留到指定文件夹下，还能够对指定变量进行查询。

一、机械手控制系统工作要求
机械手在日常生活和生产中应用很广泛一个自动控制设备，它广泛应用大大地减轻了操作工人劳动强度，是实现工业自动化不可缺乏智能化设备。
1、具体控制要求是：
总体要求：完成一个用PLC控制工业机械手控制系统，实现机械手从原点位置（A点）将物品抓放至终点位置（B点）控制。
控制要求：机械手在原点时（1SQ、3SQ受压），人工发出开启命令（按下按钮SB1），机械手下降（Q0.0得电）--下降至下限位置（4SQ受压）--夹击工件（Q0.1得电）--机械手上升（Q0.2得电）--上升至上限位置（3SQ受压）--机械手手臂右移（Q0.3得电）--右移至右限位置（2SQ受压）--机械手下降（Q0.0得电）-下降至下限位置（4SQ受压）--放开物体3秒（Q0.1失电）--机械手上升（Q0.2得电）—上升至上限位置（3SQ受压）—机械手臂左移（Q0.4得电）--机械手左移到原位以后进入下一周期循环，按下停止按钮后停止在原位。

二、下位机PLC控制系统设计
2.1 PLC 输入输出端子分配
该机械手控制为纯开关控制，且所需I/O点数不多，一共使用了6个输入量和6个输出量。同时，为了确保以后系统扩展，本系统采取性价比较高西门子S7-200CPU224CN模块，该模块是含有24个I/O 点，包含14个输入点和10个输出点。其I/O分配如表1所表示。

表1.PLCI/O地址分配表
输入
输出
元件
符号
功效
元件
符号
功效
SB1
I0.0
外部开启按钮
Q0
Q0.0
下降电磁阀
SQ1
I0.1
外部左限位开关
Q1
Q0.1
夹紧电磁阀
SQ2
I0.2
外部右限位开关
Q2
Q0.2
上升电磁阀
SQ3
I0.3
外部上限位开关
Q3
Q0.3
右移电磁阀
SQ4
I0.4
外部左限位开关
Q4
Q0.4
左移电磁阀
SB2
I0.5
外部停止按钮
Q5
Q0.5
放松电磁阀
SB1
M0.0
组态开启按钮

SQ1
M0.1
组态左限位开关

SQ2
M0.2
组态右限位开关

SQ3
M0.3
组态上限位开关

SQ4
M0.4
组态左限位开关

SB2
M0.5
组态停止按钮

2.2机械手控制系统PLC次序功效图设计
当机械手处于原位S0.0时，按开启M0.0接通，状态转移到S0.1，下降电磁阀Q0.0得电，当抵达下限位使行程开关M0.4接通，状态转移到S0.2，而S0.1自动复位，夹紧电磁阀Q0.1得电。延时3秒，以使电磁力达成最大夹紧力。当T37接通，状态转移到S0.3，驱动Q0.2上升，当上升抵达最高位，M0.3接通，状态转移到S0.4。S0.4驱动Q0.3右移。移到最右位，M0.2接通，状态转移到S0.5下降。下降到最低位，M0.4接通，状态转移到S0.6电磁阀Q0.5放松。为了使电磁力完全失掉，延时3秒。延时时间到，T38接通，状态转移到S0.7上升。上升到最高位，M0.3接通，状态转移到S1.0左移。左移到最左位，使M0.1接通，假如按下停止按钮M0.5，则返回初始状态S0.0，再开始第二次循环动作，不然返回状态S0.1，继续循环。

上升
S0.7
原始状态 S0.0

放松
S0.6

上升
S0.3
下降
S0.1

右移
S0.4

下降
S0.5
夹紧
S0.2

2.3机械手控制系统I/O 外围电路设计

图1 PLC外围接线图
2.4机械手控制系统PLC梯形图设计
当机械手处于原位S0.0时，按开启M0.0接通，状态转移到S0.1，下降电磁阀Q0.0得电，当抵达下限位使行程开关M0.4接通，状态转移到S0.2，而S0.1自动复位，夹紧电磁阀Q0.1得电。延时3秒，以使电磁力达成最大夹紧力。当T37接通，状态转移到S0.3，驱动Q0.2上升，当上升抵达最高位，M0.3接通，状态转移到S0.4。S0.4驱动Q0.3右移。移到最右位，M0.2接通，状态转移到S0.5下降。下降到最低位，M0.4接通，状态转移到S0.6电磁阀Q0.5放松。为了使电磁力完全失掉，延时3秒。延时时间到，T38接通，状态转移到S0.7上升。上升到最高位，M0.3接通，状态转移到S1.0左移。左移到最左位，使M0.1接通，假如按下停止按钮M0.5，则返回初始状态S0.0，再开始第二次循环动作，不然返回状态S0.1，继续循环。
依据次序功效图编辑梯形图时，要注意驱动输出同一个线圈只能在程序里面出现一次，假如驱动输出同一个线圈只能在程序里面出现几次，输出状态就根据最终一次输出状态决定。所以编程时要注意这方面。

机械手控制系统PLC梯形图

三、系统上位机组态设计及功效实现
下面介绍利用组态王kMngvMew6.53对机械手控制系统进行组态设计，其步骤以下：
3.1设备连接
打开组态王软件，进入工程管理器，新建一个工程，选择她存放路径并设定项目名称为“机械手系统设计”。进入工程浏览器后，首优异行设备连接。上位机COM4和PLC之间经过PC/PPM编程电缆连接，选择工程浏览器左侧纲领项“设备\COM4”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，相关配置图5所表示

图2设备配置向导
3.2通讯设备参数设置
在组态王工程浏览器工程目录显示区，点击“设备”纲领项下PLC 和上位计算机所连串口，进行参数设置。PLC 通信参数和组态王设置应一致，同时组态王系统COM4口设置要和PLC 一致。PLC 采取默认通信参数[1]以下：波特率为9600bps，通信协议为PPM。

图3 PLC 通信参数
3.3结构数据库
数据库是组态王软件关键部分。建立在数据库中多种变量负责和多种外部设备进行数据交换, 和相关数据存放, 它将组态工程各个部分连接成有机整体[2]。选择工程浏览器左侧纲领项“数据库\ 数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框，创建机械手控制系统各个变量数据。这些变量和PLC 内部变量一一对应，PLC输入输出完全由组态王内部变量替换。经过建立动画连接，这么PLC实际输入输出状态就以动画形式全部反应在组态监控界面上。变量定义图6所表示

图4 变量定义
3.4监控界面设计和动画连接
进入组态王开发系统，新建一个画面。在画面上创建机械手控制示意图，画中关键绘制了机械手，开始/复位按钮和机械手位置指示灯。除此之外，画面中还增加了实时报表和指定查询报表，在报表中插入要查询变量，方便用户方存放和查看。主画面图3 所表示

建立变量数据库中变量和组态画面中各个对象间联络，从而使画面能够依据实际数据改变产生动画效果。编写应用程序，用户定义类似C语言命令语言来驱动应用程序。下面是部分应用程序命令语言。
…
{
if(运行标志==1)
{ \\本站点\SB1=0;
if(次数>=0&&次数<50) /*下降*/
{ 下移阀=1;
机械手y=机械手y+2;
次数=次数+1;
}
if(次数>=50&&次数<70) /*夹紧*/
{ 夹紧阀=1;
下移阀=0;
次数=次数+1;
}
if(次数>=70&&次数<120) /*开始上升*/
{ 上移阀=1;
夹紧阀=0;
机械手y=机械手y-2;
工件y=工件y-2;
次数=次数+1;
}
if(次数>=120&&次数<220) /*开始右移*/
{ 上移阀=0;
右移阀=1;
机械手x=机械手x+1;
工件x=工件x+1;
次数=次数+1;
}
if(次数>=220&&次数<270) /*开始下降*/
{ 下移阀=1;
右移阀=0;
机械手y=机械手y+2;
工件y=工件y+2;
次数=次数+1;
}
if(次数>=270&&次数<290) /*开始放松*/
{ 下移阀=0;
放松阀=1;
次数=次数+1;
}
if(次数>=290&&次数<340) /*开始上升*/
{ 放松阀=0;
上移阀=1;
机械手y=机械手y-2;
次数=次数+1;
}
if(次数>=340&&次数<440) /*开始左移*/
{ 左移阀=1;
上移阀=0;
机械手x=机械手x-1;
次数=次数+1;
}…

3.5系统运行
根据要求将上位机，PLC和机械手连接好以后，开启组态王运行系统TOUCHVMEW,运行机械手控制系统。将PLC开关指向RUN状态，观察组态画面是否和机械手运行一致，不然，检验组态画面动画隐含连接正确是否，直至组态动画正常运行为止。

图5 机械手原位状态监控界面

图6 机械手运行状态监控界面
四、系统调试
4.1使用设备
在调试中使用是中国.开启新科教电子仪器企业所生产XK-TPLC C型可编程PLC控制仪。主机用CPU224，还用了EM223和EM235两个扩展模块。
4.2调试过程
首先用电脑在STEP-7-MMcro/WMN编程软件中将编辑梯形图写入软件中，然后点击运行并对其指犯错误进行修改，修改完最终运行无误后将其下载到可编程控制仪器中；其次根据设计要求接好线，确定无误后按下开启按钮。开启后发觉上行、下行、左行、右行灯均同时亮且一直亮着，这么就不符合设计中八个动作依次有序进行操作要求，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情况下，首先我们对设备进行了检测，发觉不曾在任何问题，在这种情况下我选择了再一次用先前步骤来完成整个过程以确定首次接线过程是否有误，结果发觉运行结果和先前一样出现灯均亮。这么方案一就以失败告终。
方案二：经过对程序再三检验后，发觉并未出现语法上错误。会不会是运行速度太快而出现一个周期接一个周期快速运行呢？在带着这个问题情况下把程序每个动作网络多加了一个stop指令加以验证，然后将程序写入STEP-7-MMcro/WMN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开启按钮，发觉指示灯会根据设计动作要求依次亮起而且程序也能根据设计要求完成指定单周期和多周期操作。这么利用方案二就完成了整个试验调试。

五、设计过程碰到问题及处理方法
组态监控过程中 PLC 和计算机之间是经过RS232 串行口进行通信[3]，试验室中PLC 和编程软件STEP-7之间也是经过RS232 串行口进行通信，同一时刻只能有一个设备使用RS232串行口，所以在PLC梯形图编辑完并下载到PLC上后，应断开编程软件STEP-7和PLC之间通信，不然组态监控软件是无法对PLC中各个寄存器状态进行采样监控。
在进行监控界面设计时，机械手左移和右移全部很轻易实现，但手臂伸缩和升降需要要考虑到距离改变，所以需要不停调试，取得符合情况距离，对在条件符合时，对应手臂伸缩和升降显现出来。

图8机械手伸缩调试后参数

图9 机械手升降调试后参数

图7 机械手运行状态监控界面
总 结
经过这次毕业设计,对我所学知识进行了总结,同时还学到了很多新知识,让我更深刻了解到理论知识在实际中应用。
在这次毕业设计中,关键是PLC控制系统应用,同时也要对机械手动作要求很熟悉。对机械手控制关键是位置识别、运动方向控制和判别物料是否存在；而对PLC要知道所需输入输出接口，明白输入接口是用来接收生产过程多种参数，而输出接口是用来送出PLC运算后得出控制信息，并经过机外实施机构，完成生产现场控制。
这次毕业设计综合了计算机和PLC 优点: 计算机作为上位机提供良好人机界面，进行全系统监控和管理，PLC 作为下位机实施可靠有效分散控制。监控系统不仅能够接收多个由PLC 发出控制信号，亦可向PLC 发出多种命令信号，还能够和PLC 之间进行多种状态数据传输。基于组态王搬运机械手PLC 控制系统设计正确，实现了搬运机械手自动控制，加强了远程监控能力，提升了控制系统正确性和稳定性。
在这次毕业设计中，我要感谢老师、系领导和学校关心和指导。尤其是罗老师一直给我精心教导，纠正了我设计过程中很多错误和不足。

参考文件
[1] 廖常初.S7-200PLC编程及应用[M] 机械工业出版社
[2] 北京亚控科技发展，组态王VersMon6.53用户手册[M]
[3] 霍俊仪 袁长明 世纪星组态软件在机械手控制中应用[J]
[4] 覃贵礼 基于组态王KMngvMew6.53 在仿真机械手控制系统中实现[J]
[5] 罗麦丰等 西门子S7-200系列plc在配料生产线上应用[J] 《微计算机应用》
[6] 罗麦丰等 转盘式钎焊机电气控制系统设计[J] 《自动化技术和应用》
[7] 罗麦丰等 三面铣组合机床PLC改造[J]《煤矿机械》，（8）
[8] 罗麦丰等 基于Neza PLC和变频技术直饮水恒压供水系统[J]《电气自动化》，（3）
[9] 三菱企业FX2N系列编程手册[M]
[10] 廖常初 ＰＬＣ编程及应用[M] 机械工业出版社 7月第二版
[11] 陈志文等 组态控制实用技术[M] 机械工业出版社 2月第一版
[12] 徐国林 PLC应用技术[M] 机械工业出版社 1月第一版
[13] 袁秀英，牛云陞，余群威 组态控制技术[M] 电子工业出版社 5月第一版
[14] 许志军 工业控制组态软件及应用[M] 机械工业出版社

致 谢
在本设计开题论证、课题研究、论文撰写和论文审校整个过程中，得到了罗老师精心指导，使得本设计得以顺利完成，其中饱含了罗麦丰老师汗水和心血。老师敏锐学术思想、严谨扎实治学态度、渊博学识、精益求精工作作风、诲人不倦育人精神，将永远铭记在学生心中，使学生终生受益。在此我们向罗麦丰老师表示衷心感谢和高尚敬意。
感谢学校给我们提供设计场地，和系领导关心和指导，在设计过程中，结合工作体会和经历，提出了很多建设性见解，为我完成设计给了极大帮助。
感谢电子信息系领导和老师对我关心和帮助。
再次感谢全部支持和帮助过我领导、老师、同学们。