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基于PLC罗卿
摘要
伴随着机电一体化在各个领域的应用,机械设备的自动控制成分显得越来越重要,由于工作的需要,人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害,增加了工人的劳动强度,甚至于危机生命。
因此机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构,是机器人的关键部件之一。
其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识:
它能部分地代替人工操作;能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸;能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件,显著地提高劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
机械手广泛应用于各种场所,尤其是在严重危害人体健康的恶劣环境中的应用,极大地提高了工作效率,解放了劳动力;PLC一直处于工业自动化控制领域主战场,为各种设备提供非常可靠的控制方案:
MCGS全中文工业自动化控制组态软件的应用,使得用PLC控制的机械手界面更友好,可操作性更强。
本文概述了机械手的设计。
关键词:
机械手,工业自动化控制,MCGS,PLC
ABSTRACT
Withelectromechanicalintegrationinvariousfieldsofapplications,mechanicalequipmentautomaticcontrolcomponentisbecomingmoreandmoreimportant,duetotheneedsofwork,peopleoftenunderhightemperature,corrosionandtoxicgasesharm,factorssuchasincreasedworker'sLabourintensity,evenlife-threatening.Thuswasborninthismanipulator,theindustrialrobotmanipulatoristhetaskoftraditionalsystem,isoneofthekeycomponentsofrobot.Oneoftheindustrialrobotismodernautomaticcontrolinthefieldofanewtechnologyanditsdevelopmentisduetoitspositiveroleforpeopleincreasinglyknown:
itcanpartiallyreplacedmanualoperation,Accordingtotheproductionrequirements,followacertainprocedure,timeandlocationtocompletethetransferofworkpieceloadingandunloading,Tomakethenecessarytoolsforweldingandassemblingthusgreatlyimprovethelaborconditions,significantlyimprovelaborproductivity,accelerateindustrialproductionmechanizationandautomation.Manipulatoriswidelyusedinvariousplaces,especiallyintheseriousharmtohumanhealthandenvironmentintheapplicationofbadgreatlyimprovestheworkefficiency,liberatetheworkforce,PLCinindustrialautomationcontrolfieldforallkindsofequipments,iggeveryreliablecontrolscheme:
theChineseindustrialautomationcontrolMCGSconfigurationsoftwareapplication,makeuseofPLCcontrol,morefriendlyinterfaceofthemanipulatoroperationalstronger.Thispapersummarizesthedesignandapplicationofthemanipulator.
Keywords:
manipulator,industrialautomationcontrol,MCGS,PLC
目录
摘要1
ABSTRACT2
第一章绪论4
1.1课题背景与现实意义4
1.2PLC简介及其特点5
1.2.1PLC的特点5
1.2.2PLC的应用领域6
1.3MCGS简介及其特点7
1.3.1MCGS简介7
1.3.2MCGS的构成8
1.4本文主要工作9
第二章方案论证与选择10
2.1题目与要求10
2.2方案选择与论证11
2.2.1利用单片机实现对机械手的控制11
2.2.2利用传统继电器实现对机械手的控制11
2.2.3实现对机械手的控制11
2.2.4机械手动作的模拟11
2.3系统流程图13
第三章系统的硬件设计14
3.1功能按钮概述14
3.2机械手传送系统输入和输出点分配表14
3.3输入和输出点分配表15
3.4输入和输出点原理接线图15
第四章系统的软件17
4.1系统PLC软件设计17
4.1.1机械手操作系统程序图及原理17
4.1.2原位程序17
4.1.3动单步操作程序18
4.1.4自动操作程序19
4.1.5机械手传送系统梯形图20
4.1.6系统调试21
4.2系统MCGS软件设计22
4.2.1MCGS的变量定义22
4.2.2新建窗口23
4.2.3画面编辑23
4.2.4动画连接24
4.2.5定时器的使用25
4.2.6用脚本和定时器程序实现机械手的控制26
4.2.7MCGS的监控画面28
第五章:
总结与展望31
5.1总结31
5.2展望31
致谢32
参考文献33
第一章绪论
1.1课题背景与现实意义
所谓搬运机械手,就是将机械手安装在移动平台之上。
这种结构使机械手拥有几乎很大的操作空间和高度的运动冗余性,并同时具有移动和操作功能,这使它优于传统的机械手,因此在危险作业、制造业、服务业等行业具有广阔的应用前景。
但由于结构复杂、强耦合、非线性、非完整性等问题的存在,都使得对搬运机械手的研究具有相当的挑战性。
近年来,对搬运机械手的控制策略、运动规划等方面的研究已越来越受到国内外的重视,并已经取得了一些很有价值的研究成果。
我国在这方面起步较晚,研究多集中在理论方面。
因此,设计制造一个实际的搬运机械手平台,无论在理论上还是实践上都是非常有意义的。
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。
机械手主要由手部和运动机构组成。
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。
运动机构,使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式,称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体,需有6个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
自由度越多,机械手的灵活性越大,通用性越广,其结构也越复杂。
一般专用机械手有2~3个自由度。
机械手的种类,按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手;按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种;按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置,如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件,在加工中心中更换刀具等,一般没有独立的控制装置。
有些操作装置需要由人直接操纵,如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。
1.2PLC简介及其特点
PLC即可编程控制器(ProgrammablelogicController,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会(InternationalElectricalCommittee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器,定义是:
一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体易于扩展其功能的原则而设计。
1.2.1PLC的特点
1可靠性高,抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。
此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
2配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
5体积小,重量轻,能耗低
以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
1.2.2PLC的应用领域
目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类。
1开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2模拟量控制
在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制。
3运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5数据处理
现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
6通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展,工厂自动化网络发展得很快,各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能,纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口,通信非常方便。
1.3MCGS简介及其特点
1.3.1MCGS简介
MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem,通用监控系统)是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件,它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行,通过对现场数据的采集处理,以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案,在工业控制领域有着广泛的应用。
(1)MCGS的主要特性和功能如下:
1.1简单灵活的可视化操作界面。
1.2实时性强、良好的并行处理性能。
1.3丰富、生动的多媒体画面。
1.4开放式结构,广泛的数据获取和强大的数据处理功能。
1.5完善的安全机制。
1.6强大的网络功能。
1.7多样化的报警功能。
1.8实时数据库为用户分部组态提供极大方便。
1.9支持多种硬件设备,实现“设备无关”。
1.10方便控制复杂的运行流程。
1.11良好的可维护性和可扩充性。
1.12用数据库来管理数据存储,系统可靠性高。
1.13设立对象元件库,组态工作简单方便。
1.14实现对工控系统的分布式控制和管理。
总之,MCGS组态软件功能强大,操作简单,易学易用,普通工程人员经过短时间的培训就能迅速掌握多数工程项目的设计和运行操作。
同时使用MCGS组态软件能够避开复杂的计算机软、硬件问题,集中精力去解决工程问题本身,根据工程作业的需要和特点,组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化的工业控制监控系统。
1.3.2MCGS的构成
1.MCGS系统包括组态环境和运行环境两个部分。
用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行,它相当于一套完整的工具软件,帮助用户设计和构造自己的应用系统。
用户组态生成的结果是一个数据库文件,称为组态结果数据库。
运行环境是一个独立的运行系统,它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理,完成用户组态设计的目标和功能。
运行环境本身没有任何意义,必须与组态结果数据库一起作为一个整体,才能构成用户应用系统。
一旦组态工作完成,运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算机上。
2.上位机软件(THPLC-D网络型可编程控制器实验系统)的介绍及使用
THPLC-D网络型可编程控制器实验系统是利用PLC网络通讯的概念开发的一套软件,具有网络通讯和实验演示的功能。
其主要功能如下:
(一)系统管理
用户只能凭密码登录后才能操作软件,拒绝非法登录。
用户可以修改密码,登录用户分管理员、教师和学生。
管理员具有管理其它用户的权利,能使用软件的全部功能;教师能使用软件的大部分功能(除了管理用户);学生能使用软件的部分功能,无权使用通讯功能。
(二)站点的选择
管理员和教师被授权有此功能。
在通讯监控台上通过选择站点按钮,可以和该站点建立通讯连接(前提是站点必须被赋予合法通讯格式和站点号,且正在运行)。
(三)状态显示
分为站点连接显示,设备状态显示,登录用户显示,当前时间显示,累计运行时间显示等。
(四)实验演示
软件内部为每个实验都建立了实验模型,能逼真、客观、动态演示PLC的程序。
如果PLC程序正确,软件演示的结果就正确;如果PLC程序有错,软件演示的将是错误的结果。
从演示效果可以看出PLC程序的对错。
(五)输入输出显示
能实时显示X00-X27,Y00-Y27共48点的状态。
(针对于FX2N-48MR主机)
(六)帮助菜单
针对初次使用的用户有简明的使用帮助。
1.4本文主要工作
本文主要工作是应用PLC(可编程控制器)实际设计一个工业机械手,能实现工业机械手的基本功能,用MCGS监控。
工作内容:
(1)阐述机械手在工业应用中的作用和意义
(2)设计机械手的方案选择与实现
(3)机械手的硬件设计原理,包括可编程控制器型号的选定,PLC的电气连线图,I/O地址分配表等
(4)机械手的软件设计原理,包括流程图,程序清单。
(5)最后是系统调试和参考文献的列举
第二章方案论证与选择
2.1题目与要求
采用电气控制的搬运机械手,其任务是把左工位的工件搬运到右工位,机械手的工作方式分为手动和连续两种。
工作方式如下:
机械手在原位压左限位开关和上限位开关,按启动按钮机械手开始下降,下降到左工位压动下限位开关后自停;接着机械手夹紧工件后开始上升,上升到原位压动上限位开关后自停;接着机械手开始右行直到压动右限位开关后自停;接着机械手开始下降,下降到右工位压动下限位开关(两个工位用一个下限位开关)后自停;接着机械手放松工件后开始上升直到压动上限位开关后自停(两个工位用一个下限位开关);接着机械手开始左行直到压动左限位开关后自停。
至此一个周期的动作结束,开始下一个周期的运行。
在手动方式下按下按钮则机械手开始一个动作,松开按钮则停止该动作。
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。
2.2方案选择与论证
2.2.1利用单片机实现对机械手的控制
由单片机设计的系统都有一个共性就是抗干扰性差,因为机械手一般都用在干扰源比较多、情况比较复杂的工业现场,所以由单片机设计的系统很难保证长期稳定的工作。
所以不宜选用此方案。
2.2.2利用传统继电器实现对机械手的控制
此控制系统可利用四个传统继电器作为限位开关,并加上辅助电路以实现机械手的功能。
但是由于传统继电器触点接触不良容易出现故障,并且接线复杂抗干扰能力差,难以实现模块化和智能化,性价比较低。
所以这种控制方式已经逐渐被淘汰,显然此控制系统不能选用此方案。
2.2.3实现对机械手的控制
此控制系统利用PLC就可以非常容易的实现。
基于PLC的优点在绪论中已经阐述,对于复杂的控制系统,使用PLC后,可以减少大量的中间继电器和时间继电器,小型PLC的体积相当于几个继电器大小,因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。
PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多,故可以省下大量的配线和附件,减少大量的安装接线工时,可以减少大量费用。
系统输入信号有3个启动按钮,4个限位开关,5个手动输入信号,1个有工件检测信号,共计14个数字量输入信号;输出信号有机械手上升/下降驱动信号﹑左移/右移驱动信号和机械手夹紧驱动信号,共有5个数字量输出信号。
不需模拟量模块,选择三菱系列的FX2N-40MR,加上数字量输入模块MR321及输出模块MR322就可以满足要求,而且还有一定的裕量。
所以选用PLC实现对机械手的控制为最佳方案,本次设计就选用此方案进行设计。
2.2.4机械手动作的模拟
在MF24模拟实验挂箱中机械手动作的模拟实验区完成本实验。
一、实验目的
用数据移位指令来实现机械手动作的模拟。
二、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:
图2-1
三、机械手动作的模拟实验面板图:
图2-2
此面板中的启动、停止用动断按钮来实现,限位开关用钮子开关来模拟,电磁阀和原位指示灯用发光二极管来模拟。
四、输入/输出接线列表
输入
接线
SB1
SQ1
SQ2
SQ3
SQ4
SB2
X0
X1
X2
X3
X4
X5
输出
接线
YV1
YV2
YV3
YV4
YV5
HL
Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
五、工作过程分析:
当机械手处于原位时,上升限位开关X002、左限位开关X004均处于接通(“1”状态),移位寄存器数据输入端接通,使M100置“1”,Y005线圈接通,原位指示灯亮。
按下启动按钮,X000置“1”,产生移位信号,M100的“1”态移至M101,下降阀输出继电器Y000接通,执行下降动作,由于上升限位开关X002断开,M100置“0”,原位指示灯灭。
当下降到位时,下限位开关X001接通,产生移位信号,M100的“0”态移位到M101,下降阀Y000断开,机械手停止下降,M101的“1”态移到M102,M200线圈接通,M200动合触点闭合,夹紧电磁阀Y001接通,执行夹紧动作,同时启动定时器T0,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
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