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2.3系统设计流程示意图6
2.4I/O分配表7
2.5I/O接线图7
3软件设计8
3.1设计梯形图8
3.2设计指令表10
4系统调试14
5结束语15
6参考文献16
1概述
1.1可编程控制器(PLC)概述
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,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
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,
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。
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“MechanicalHand”,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。
本次课程设计的机械手为物料搬运机械手(即把A点的物料移至B点),其模型可归为第一类,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。
通过本次课程设计,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。
2硬件设计
2.1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:
机械手动作的模拟实验面板图
2.2选择PLC型号
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。
2.2.1PLC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。
2.2.2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。
2.2.3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。
2.2.4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。
2.2.5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
2.2.6综合选择
综合上述原则机械手控制系统主机为西门子的S7-200。
SIMATICS7-200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SIMATICPLC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。
2.3系统设计流程示意图
系统流程示意图
2.4I/O分配表
功能
启动按钮
复位按钮
下行限位开关
上行限位开关
右行限位开关
左行限位开关
PLC
I0.0
I0.5
I0.1
I0.2
I0.3
I0.4
下行控制
夹紧
上行控制
右行控制
左行控制
原位指示
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.4
Q0.5
2.5I/O接线图
I/O接线图
3软件设计
3.1设计梯形图
3.2设计指令表
网络一
LDI0.2
AI0.4
ANM10.1
ANM10.2
ANM10.3
ANM10.4
ANM10.5
ANM10.6
ANM10.7
ANM11.0
ANM11.1
=M10.0
网络二
LDI0.4
AM11.1
OI0.5
RM10.1,9
网络三
LDM10.0
AI0.0
LDM10.1
AI0.1
OLD
LDM10.2
AT37
LDM10.3
AI0.2
LDM10.4
AI0.3
LDM10.5
LDM10.6
AT38
LDM10.7
LDM11.0
SHRBM10.0,M10.1,+9
网络四
=Q0.5
网络五
OM10.5
=Q0.0
网络六
SM20.0,1
TONT37,+17
网络七
LDM20.0
=Q0.1
网络八
OM10.7
=Q0.2
网络九
=Q0.3
网络十
=Q0.4
网络十一
RM20.0,1
TONT38,+15
4系统调试
1.利用实验设备,按照控制系统要求按下各个开关,机械手正常工作。
2.把源程序输入至与PLC连接的计算机中。
并实现计算机与PLC的通信。
然后把源程序下载至PLC当中。
3.工作过程分析:
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M10.1,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,T37动合触点接通,产生移位信号,使M10.3置“1”,“0”态移位至M10.2,上升电磁阀Q0.2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,M11.2为“1”态,I0.2线圈断开,停止上升,SQ2线圈接通,SQ3断开,左移。
到达左限位开关位置,SQ4触点接通,M11.2变为“0”态,M11.3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。
5结束语
PLC课程设计结束了,我们做的是机械手搬运单元控制。
机械手能模仿人手和臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。
手部是用来抓持工件(或工具)的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式,如夹持型、托持型和吸附型等。
我们涉及的是夹持型。
和学别的学科一样,在学完PLC理论课程后我们做了课程设计,此次设计以分组的方式进行,每组有一个题目。
由于平时大家都是学理论,没有过实际开发设计的经验,拿到的时候都不知道怎么做。
但通过各方面的查资料并学习。
我们基本学会了PLC设计的步聚和基本方法。
分组工作的方式给了我与同学合作的机会,提高了与人合作的意识与能力。
通过这次设计实践。
我学会了PLC的基本编程方法,对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。
在对理论的运用中,提高了我们的工程素质,在没有做实践设计以前,我们对知道的撑握都是思想上的,对一些细节不加重视,当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候,问题出现了,不是不能运行,就是运行的结果和要求的结果不相符合。
能过解决一个个在调试中出现的问题,我们对PLC的理解得到加强,看到了实践与理论的差距。
本次设计中我们用了分工与合作的方式,每个人负责一定的部分,同时在一定的阶段共同讨论,以解决分工中个人不能解决的问题,在交流中大家积极发言,和提出意见,同时我们还向别的同学请教。
在此过程中,每个人都想自己的方案得到实现,积极向组友说明自己的想法。
设计的成功是我们意识到学习资源的广泛性,学习的深度和团结交流的重要性,更要感谢指导老师的给我们的指导和学校提供的器材,使我们能够在实践中发现不足完善自己的专业素质。
6参考文献
1.《可编程序控制器原理及应用》吴中俊黄永红主编机械工业出版社
2.《可编程序控制器的选择设计与维护》殷洪义主编机械工业出版社
3.《SIMATICS7-200可编程序控制系统手册》西门子公司2002
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