PLC机械手课程设计基于PLC机械手控制系统设计.doc

专业方向设计

任务书

题目名称：基于PLC机械手控制系统设计

专业 自动化 班级 2

学校：青岛理工大学自动化学院

2010年12月22日

基于PLC的机械手控制设计
摘要：工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。当今的PLC吸收了微电子技术和计算机技术的最新成果,其应用已从单机自动化推广到整条生产线的自动化乃至整个工厂的生产自动化。目前,机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面,无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围,重点发展铸锻、热处理方面的机械手,PLC可以按照所需要求完成机械手的设计,使机械手的设计简单化,大大节省了时间,提高了工作效率，减轻了劳动强度,改善作业条件。
本课题拟开发物料搬运机械手，采用西门子系列S7-200PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等；电气方面由交流电机、变频器、操作台等部件组成。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。
关键词:机械手 S7-200 可编程技术

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
1.1可编程器的基本原理
PLC与普通微机在许多方面有相似之处,但其工作方式却与微机有很大的不同。微机一般采用等待命令的工作方式,如在常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式下,有键按下或I/O动作则转入相应的子程序;无键按下或I/O不动作则继续扫描键盘和I/O口。PLC则采用循环扫描动作方式在PLC中用户序按先后顺序存放,
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。
2.1机械手分类
机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
本项目要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用机械手。通过本次设计，可以增强对工业机械手的认识，同时并熟悉掌握PLC技术、位置控制技术、气动技术等工业控制常用的技术。
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。
3控制系统硬件设计
对于机械手的控制系统可以采用多种方式，如继电器控制、单片机控制、PLC控制等。但由于此明确指定采用PLC可编程控制器控制实现，所以，不用我们去考虑控制硬件方案，只是要对PLC进行比较选择。
3.1PLC的选型
对于PLC的选择，我们必须考虑多方面的因素。例如输入、输出的最多点数；扫描速度；内存容量；指令条数；功能模块等。同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。

3.1.1PLC的类型
PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。
3.1.2输入输出模块的选择
输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。
3.1.3电源的选择
PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。
3.1.4存储器的选择
由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。
3.1.5经济性的考虑
选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。
输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，估因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响，在算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。
机械手PLC选择及参数
综合上述原则机械手控制系统主机为西门子的S7-200。
SIMATIC S7-200系列PLC是德国西门子（Siemens）公司生产的具有很高性能价格比的微型可编程控制器。西门子是世界上最大的电气和电子公司之一。西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱，活跃在中国的信息与通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中，其核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案。 S7-200作为西门子SIMATIC PLC家族中的最小成员，以其超小体积，灵活的配置，强大的内置功能，多年来一直广泛服务于国内的各行各业。由于它具有结构小巧，运行速度快，价格低廉及多功能多用途等特点，因此在工业企业中得到了广泛的应用。
S7-200丰富的种类：
·CPU221：内置10个数字量I/O点，不可扩充；
·CPU222：内置14个数字量I/O点，可扩充到78路数字量I/O或10路模拟量I/O；
·CPU224：内置24个数字量I/O点，可扩充到168路数字量I/O或35路模拟量I/O；
·CPU226：内置40个数字量I/O点，可扩充到248路数字量I/O或35路模拟量I/O；
主机为S7-200中的CPU226，因为他能扩展七个模块。模块1-模块4为EM232，它是模拟量输出模块，每个模块有两个输出通道。电源为220V交流电。
项目分析：

图1机械手

据图1分析，机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，机械手将下降——加紧工件——上升——右移——再下降——放松工件——在上升——左移八个动作，完成一个工作周期。机械手的下降、上升、右移、左移等动作转换，是由相应的限位开关来控制的，而加紧、放松动作的转换是有时间来控制的。
为了确保安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降，若上次搬到右工作台上的工件尚未移走，机械手应自动暂停，等待。为此设置了一个光电开关，以检测“无工件”信号。
控制方面的要求为了满足生产要求，机械手设置了手动工作方式和自动工作方式，而自动工作方式又分为单步、单周期和连续工作方式。
手动工作方式：利用按钮对机械手每一步动作进行控制。例如，按下“下降”按钮，机械手下降；按下“上升”按钮，机械手上升。手动操作可用于调整工作位置和紧急停车后机械手返回原点。
单步工作方式：从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。
单周期工作方式：按下启动按钮，机械手按工序自动自动完成一个周期的动作，返回原点后停止。
连续工作方式：按下按钮，机械手从原点，按步序自动反复连续工作，在连续工作方式下设置两种停车状态：
正常停车：在正常工作状态下停车。按下复位按钮，机械手在完成最后一个周期的工作后，返回原点自动停机。
紧急停车：在发生事故或紧急状态时停车。按下紧急停车按钮，机械手停止在当前状态。当故障排除后，需手动回到原点。
1．确定输入/输出点数
1）输入信号
位置检测信号：下限、上限、右限、左限共4个行程开关，需要4个输入端子。
“无工件检测”信号：用光电开关作检测元件，需要1个端子。
“工作方式”选择开关：有手动、单步、单周期和连续4种工作方式，需要4个输如端子。
手动操作：需要有下降、上升、右移、左移、加紧、放松6个按钮，也需要6个输入端子。
自动工作：尚需启动、正常停车、紧急停车3个按钮，也需要3个输入端子。以上共需要18个输入信号。
2）输出信号
PLC的输出用于控制机械手的下降、上升、右移、左移、加紧、放松，共需要5个输出点。机械手从原点开始工作，需要一个原点指示灯，也需要1个输出点。所以，至少需要6个输出点。
输入和输出点分配表及原理接线图
名 称
代号
输入
名 称
代号
输入
名 称
代号
输出
启动
SB1
X0
夹紧
SB5
X10
电磁阀下降
YV1
Y0
下限行程
SQ1
X1
放松
SB6
X11
电磁阀夹紧
YV2
Y1
上限行程
SQ2
X2
单步上升
SB7
X12
电磁阀上升
YV3
Y2
右限行程
SQ3
X3
单步下降
SB8
X13
电磁阀右行
YV4
Y3
左限行程
SQ4
X4
单步左移
SB9
X14
电磁阀左行
YV5
Y4
急停
SB2
X5
单步右移
SB10
X15
原点指示
EL
Y5
手动操作
SB3
X6
回原点
SB11
X16

连续操作
SB4
X7
工件检测
SQ5
X17

正常停止
SB12
X8
单周期
SB12
X9

表1 机械手传送系统输入和输出点分配表
2．分配PLC的输入/输出端子
PLC的输入输出端子分配接线图，如图2所示

图2输入/输出分配接线图

图3操作盘示意图
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。
4、PLC程序设计
为了方便编程，可将手动和自动程序分别编出相对独立的程序段，用跳转指令进行选择，控制系统程序结构框图，如图4所示。选择手动方式时，X3接同，跳过自动程序，执行手动程序；选择自动工作方式时，X3断开，执行自动程序。

图4 总程序结构框图

4.2自动控制程序
分析知，在“自动”工作方式下，本机械手的运动是以开关量作为转移信号，按所设计的工艺流程一步一步地进行工作，其控制过程为顺序循环控制。当机械手完成一次物料的吸放任务后返回原位为下一个任务做好准备

图5自动操作控制的流程图
4.3手动控制程序框图

图6手动程序框图
5程序描述
5.1手动程序：手动操作不需要按工序顺序进行动作，所以可按普通继电器程序来设计。手动操作的梯形图，如图7所示，手动按钮X20-X25分别控制下降、上升、右移、左移、加紧和放松各个动作。为了保证系统的的安全与进行，
设置了一些必要的连锁。其中在左、右移动的电路中加入X11作上限连锁，这是因为机械手只有处于上限位置时，才允许左、右移动。

图7 手动程序

5.2自动程序
自动程序如图8所示。
1）连续及单周期操作。当机械手在原点时，程序处于初始状态S0，执行下降动作。当下降到下限位开关时，X10接通，又接通下一个状态S21，接着执行下一步动作。当执行完最后一步动作，即左移到原点碰到左限位开关时，X13接通，如果是单周期操作，则M0断开，回到初始状态，如果连续操作，则M0接通，状态转移至S20，又开始下一个周期的循环。
在运行中，如按正常停车按钮，则X1接通，M0复位，机械手的动作继续执行完一个周期后，回到初始状态。如按紧急停车按钮，则X2接通，状态S0~S33全部复位，机械手工作停止。重新启动时，先用手动来将机械手移回原点，才能再次进行自动操作。
2）单步操作。当自动操作程序采用步进指令设计时，单步操作程序用“禁止状态转移”标志器M8040来实现，如图8所示。该继电器线圈接通时，禁止步进状态转移，线圈断电时，允许状态转移。

图8自动程序

在单步操作方式下，利用启动按钮X0作为单步操作信号，X4接通。不按启动按钮时，X0断开，其常闭接点闭合，M8040接通，状态转移被禁止
当完成一步动作后，按下启动按钮，X0接通，，其常闭接点将M8040断开，状态转移到下一步。

图9 用“禁止状态转移”设计的单步操作梯形图
将如图9所示的单步操作梯形图连接在如图8所示的自动程序上端，就得到了包括单步、单周期、连续操作在内的整个自动操作的梯形图。
至此，机械手的控制程序分段设计完毕。根据图4所示的总程序结构框图，将手动操作程序梯形图和自动程序梯形图嵌入，就得到整个程序的梯形图。
六 组态示意图

图10原位状态

图11终点状态 （上行、下行灯绿色为有效）

图12 PLC与组态软件的连接。
组态软件与PLC的连接使用的是设备目录下的DDE，再从DDE中选PLC，PLC 为西门子系列中的S7-200系列中的PPI方式。
(4)运行程序

if (运行标志==1)
{
if (次数>=0&&次数<50)
{
下移信号=1;
机械手y=机械手y+2;
次数=次数+1;
}
if (次数>=50&&次数<70)
{
下移信号=0;
加紧信号=1;
左爪=左爪+1/21*5;
右爪=右爪-1/21*5;
次数=次数+1;
}
if (次数>=70&&次数<120)
{
加紧信号=0;
上移信号=1;
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)
{
上移信号=0;
右移信号=1;
机械手x=机械手x+1;
工件x=工件x+1;
左爪=左爪+20/21;
右爪=右爪+20/21;
次数=次数+1;
}
if (次数>=220&&次数<270)
{
右移信号=0;
下移信号=1;
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)

下移信号=0;
放松信号=1;
左爪=左爪-1/21*5;
右爪=右爪+1/21*5;
次数=次数+1;
}
if (次数>=290&&次数<340)
{
放松信号=0;
上移信号=1;
机械手y=机械手y-2;
次数=次数+1;
}
七、该执行机构解决的关键性技术问题主要有：
1)阀门柔性开关　柔性开关主要是为了当阀关闭或全开时，保证阀门不卡死与损伤。执行机构内部的微处理器根据测得的变频器输出电压和电流，通过精确计算，得出其输出力矩。一旦输出力矩达到或大于设定的力矩，自动降低速度，以避免阀门内部过度的撞击，从而达到最优关闭，实现过力矩保护。
2)阀位的极限位置判断　阀位的极限位置是指全开和全关位置。在传统执行机构中，该位置的检测是通过机械式限位开关获得的。机械式限位开关精度低，在运行中易松动，可靠性差。在文中，电动执行机构极限位置通过检测位置信号的增量获得。其原理是，处理器将本次检测的位置信号与上次检测的信号相比较，如果未发生变化或变化较小，即认为己达到极限位置，立即切断异步电机的供电电源，保证阀门的安全关闭或全开。省去了机械式限位开关，无需在调试时对其进行复杂的调整。
3)准确定位　传统的电动执行机构在异步电机通电后会很快达到其额定动作速度，当接近停止位置时，电机断电后，由于机械惯性，其阀门不可能立即停下来，会出现不同程度的超程，这一超程通常采用控制电机反向转动来校正。机电一体化的大流量电动执行机构根据当前位置与给定位置的差值以及运行速度的大小超前确定减速点的位置及减速段变化速率ki，使阀门在较低的速度下实现精确的微调和定位，从而将超程降到最低。
八、结束语
该执行机构集微机技术和执行器技术于一体，是一种新型的终端控制单元，其电机是通过内部集成的一体化变频器来控制，因此，同一台智能执行机构可以在一定范围内具有不同的运行速度和关断力矩。该智能执行机构采用了液晶显示技术，它利用内置的液晶显示板，不仅可以显示阀门的开、关状态和正常运行时阀门的开度，还可以通过菜单选择运行参数设定，当系统出现故障时，能显示出故障信息。总之，该执行机构集测量、决断、执行3种功能于一体，顺应了电动执行机构的发展趋势，它的研制成功给电动执行机构的研究开发提供了新的思路。

参考文献
程周主编 PLC技术与应用 福建科学技术出版社 2004
李中年主编 控制电气及应用 清华大学出版社 2006
张继和 张润敏 梁海峰主编 电机控制与供电基础 西南交通大学出版社 2000
邱士安主编 机电一体化技术 西安电子科技大学出版社 2005
田鸣主编 机械技术基础 机械工业出版社 2005