【正文】 規(guī)劃已得到了比較廣泛和深入的研究，并初見成效，而產(chǎn)品開發(fā)初期方案的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的需要。為此，作者在閱讀了大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，概括總結(jié)了國內(nèi)外設(shè)計(jì)學(xué)者進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)采用的方法，并討論了各種方法之間的有機(jī)聯(lián)系和機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的的發(fā)展趨勢(shì)。 湖南工業(yè)大學(xué)?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 自主創(chuàng)新，重點(diǎn)跨越，支撐發(fā)展，引領(lǐng)未來。自主創(chuàng)新，就是從增強(qiáng)國家創(chuàng)新能力出發(fā)，加強(qiáng)原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng) 新。重點(diǎn)跨越，就是堅(jiān)持有所為、有所不為，選擇具有一定基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)、關(guān)系國際民生和國家安全的關(guān)鍵領(lǐng)域，集中力量、重點(diǎn)突破，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。支撐發(fā)展就是從現(xiàn)實(shí)的緊迫需求出發(fā)，著力突破重大關(guān)鍵、共性技術(shù)，支持經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。引領(lǐng)未來，就是著眼長遠(yuǎn)，超前部署前沿技術(shù)和基礎(chǔ)研究，創(chuàng)造新的市場需求，培育新興產(chǎn)業(yè)，引領(lǐng)未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。這一方針是我國半個(gè)世紀(jì)科技發(fā)展實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的概括總結(jié)，是面想未來，實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的重要抉擇。 科技人才是提高自主創(chuàng)新能力的關(guān)鍵所在。要把創(chuàng)造良好環(huán)境和條件，培養(yǎng)和凝聚各類 科技人才特別是優(yōu)秀拔尖人才，充分調(diào)動(dòng)廣大科技人員的積極性和創(chuàng)造性，作為科技工作的首要任務(wù)，努力開創(chuàng)人才輩出、人盡其才、才盡其用的良好局面，努力建設(shè)一支與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國防建設(shè)相適用的規(guī)模宏大、結(jié)構(gòu)合理的高素質(zhì)科技人才隊(duì)伍，為我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展提供充分的人才支撐和智力保證。 本文主要工作 第一章：緒論 介紹該課題背景，對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的和意義做簡單介紹 第二章：系統(tǒng)介紹可編程邏輯控制器 MCGS 組態(tài)軟件 和機(jī)械手 第三章：系統(tǒng)方案的分析 設(shè)計(jì) 及程序的設(shè)計(jì) 第四章：系統(tǒng)的調(diào)試 及設(shè)計(jì)總結(jié) 湖南工業(yè)大學(xué)專科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第 2 章 可 編程序邏輯控制器（ PLC）和機(jī)械手概述 可編程序邏輯控制器（ PLC） PLC 的結(jié)構(gòu) PLC 和一般的微型計(jì)算機(jī)基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。PLC 的硬件系統(tǒng)由微處理器 (CPU)、存儲(chǔ)器 (EPROM， ROM)、輸入輸出 (I/O)部件、電源部件、編程器、 I/O擴(kuò)展單元和其他外圍設(shè)備組成。各部分通過總線 (電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線 )連接而成 [9]。其結(jié)構(gòu)簡圖如下： 圖 21 PLC 硬件結(jié)構(gòu)圖 PLC 的軟件系統(tǒng)是指 PLC 所使用的各種程序 的集合，通常可分為系統(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。系統(tǒng)程序是每一個(gè) PLC 成品必須包括的部分，由 PLC 廠家提供，用于控制 PLC 本身的運(yùn)行，系統(tǒng)程序固化在 EPROM 中。用戶程序是由用戶根據(jù)控制需要而編寫的程序。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個(gè)完整的 PLC 系統(tǒng)，他們是相輔相成，缺一不可的 可編程序邏輯控制器（ Programmable Logic Controller），簡稱 PLC。它是一種以微機(jī)處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信控制技術(shù)等現(xiàn)代科技輸出部件 外設(shè)I/O接口 存儲(chǔ)器 EPROM 微處理器 運(yùn)算器 控制器 電源 輸入部件 I/O 擴(kuò)展接口 I/O 擴(kuò)展單元 受控元件 輸入信號(hào) 外部設(shè)備 湖南工業(yè)大學(xué)專科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置。（本次課題主要應(yīng)用三菱 FX2N 系列 PLC 進(jìn)行設(shè)計(jì)） PLC 的發(fā)展歷程 在可編程控制器出現(xiàn)前，在工業(yè)電氣控制領(lǐng)域中，繼電器控制占主導(dǎo)地位，應(yīng)用廣泛。但是電器控制系統(tǒng)存在體積大、可靠性低、查找和排除故障困難等缺點(diǎn)，特別是其接線復(fù)雜、不易更改，對(duì)生產(chǎn)工藝變化的適應(yīng)性差。 1968 年美國通用汽車公司（ ）為了適應(yīng)汽車型號(hào)的不斷更新，生產(chǎn)工藝不斷變化的需要，實(shí)現(xiàn)小批量、多品種生產(chǎn)，希望能有一種新型工業(yè)控制器，它能做到盡可能減少重新設(shè)計(jì)和更換電器控制系統(tǒng)及接線，以降低成本，縮短周期。于是就設(shè)想將計(jì)算機(jī)功能強(qiáng)大、靈活、通用性好 等優(yōu)點(diǎn)與電器控制系統(tǒng)簡單易懂、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，制成一種通用控制裝置，而且這種裝置采用面向控制過程、面向問題的“ 自然語言 ” 進(jìn)行編程，使不熟悉計(jì)算機(jī)的人也能很快掌握使用。 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）根據(jù)美國通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺(tái)可編程控制器，并在通用汽車公司的自動(dòng)裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項(xiàng)技術(shù)迅速發(fā)展起來。 早期的可編程控制器僅有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能，只是用來取代傳統(tǒng)的繼電器控制 ,通常稱為可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller ）。隨著 微電子 技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 20 世紀(jì) 70 年代中期微處理器技術(shù)應(yīng)用到 PLC中，使 PLC 不僅具有邏輯控制功能，還增加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)處理等功能。 20 世紀(jì) 80年代以后，隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，16 位和 32位微處理器應(yīng)用于 PLC 中，使 PLC 得到迅速發(fā)展。 PLC 不僅控制功能增強(qiáng)，同時(shí)可靠性提高，功耗、體積減小，成本降低，編程和故障檢測(cè)更加靈活 方便，而且具有通信和聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理和圖象顯示等功能，使 PLC 真正成為具有邏輯控制、過程控制、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等功能的名符其實(shí)的多功能控制器。 PLC 的發(fā)展過程大致可以分為如下幾個(gè)階段： 1970— 1980 年： PLC的結(jié)構(gòu)定型階段。在這一階段，由于 PLC 剛誕生，各種類型的順序控制器不斷出現(xiàn)（如邏輯電路型、 1位機(jī)型、通用計(jì)算機(jī)型、單板機(jī)型等），但迅速被淘汰。最終以微處理器為核心的現(xiàn)有 PLC 結(jié)構(gòu)形成，取得了市場的認(rèn)可，得以迅速發(fā)展 .推廣。 PLC 的原理、結(jié)構(gòu)、軟件、硬件趨向統(tǒng)一與成熟， PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域由最初的小范圍、有選擇使用、逐步向機(jī)床、生產(chǎn)線擴(kuò)展。 1980— 1990 年： PLC的普及階段。在這一階段， PLC 的生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大，價(jià)格湖南工業(yè)大學(xué)?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 不斷下降， PLC 被迅速普及。各 PLC 生產(chǎn)廠家產(chǎn)品的價(jià)格 .品種開始系列化，并且形成了固定 I/O點(diǎn)型、基本單元加擴(kuò)展塊型、模塊化結(jié)構(gòu)型這三種延續(xù)至今的基本結(jié)構(gòu)模型。 PLC 的應(yīng)用范圍開始向順序控制的全部領(lǐng)域擴(kuò)展。比如三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有 小型 PLC 系列產(chǎn)品 ,K/A 系列中、大型 PLC 產(chǎn)品等。 1990— 2021 年， PLC的高性能與小型化階段。在這一階段，隨著微電子技 術(shù)的進(jìn)步， PLC 的功能日益增強(qiáng)， PLC 的 CPU 運(yùn)算速度大幅度上升、位數(shù)不斷增加，使得適用于各種特殊控制的功能模塊不斷被開發(fā)， PLC 的應(yīng)用范圍由單一的順序控制向現(xiàn)場控制拓展。此外， PLC 的體積大幅度縮小，出現(xiàn)了各類微型化 PLC。三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有 FX 小型 PLC 系列產(chǎn)品， AIS/A2US/Q2A 系列中，大型 PLC 系列產(chǎn)品等。 2021 年至今： PLC 的高性能與網(wǎng)絡(luò)化階段。在本階段，為了適應(yīng)信息技術(shù)的發(fā)展與工廠自動(dòng)化的需要， PLC 的各種功能不斷進(jìn)步。一方面， PLC 在繼續(xù)提高 CPU 運(yùn)算速度，位數(shù)的同時(shí)，開發(fā)了 適用于過程控制，運(yùn)動(dòng)控制的特殊功能與模塊，使 PLC 的應(yīng)用范圍開始涉及工業(yè)自動(dòng)化的全部領(lǐng)域。與此同時(shí)， PLC 的網(wǎng)絡(luò)與通信功能得到迅速發(fā)展， PLC 不僅可以連接傳統(tǒng)的編程與通入 /輸出設(shè)備，還可以通過各種總線構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，為工廠自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有 FX 小型 PLC 系列產(chǎn)品（包括最新的 FX3u 系列產(chǎn)品）， Qn,QnPH 系列中，大型 PLC 系列產(chǎn)品等。 PLC 的硬件 一、 PLC 的物理結(jié)構(gòu) 根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)的不同，可以將 PLC 分為整體式、模塊式和混合式。 PLC 整體式又叫做單元式或機(jī)箱 式，它的體積小、價(jià)格低，對(duì)箱體式 PLC，有一塊 CPU板、 I/O 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，當(dāng)然按 CPU 性能分成若干型號(hào)，并按 I/O點(diǎn)數(shù)又有若干規(guī)格。對(duì)模塊式 PLC，有 CPU 模塊、 I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架。無任哪種結(jié)構(gòu)類型的 PLC，都屬于總線式開放型結(jié)構(gòu)，其 I/O 能力可按用戶需要進(jìn)行擴(kuò)展與組合。 PLC 大、中型 PLC 一般采用模塊式結(jié)構(gòu)，它由機(jī)架和模塊組成，模塊插在模塊插座上，后者焊接在機(jī)架中的總線連接板上，有不同槽數(shù)的機(jī)架供用戶選用，如果一個(gè)機(jī)架容納不下選用的模塊，可以增設(shè)一個(gè)或數(shù) 個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，各機(jī)架之間用接口模塊和電纜相連。 用戶可以選用不同檔次的 CPU 模塊、品種繁多的 I/O 模塊和特殊功能塊，對(duì)硬件湖南工業(yè)大學(xué)專科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 配置的選擇余地較大，維修時(shí)更換模塊也很方便。 模塊中的存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器，系統(tǒng)程序相當(dāng)于個(gè)人計(jì)算機(jī)中的操作系統(tǒng)，它使 PLC具有基本的智能，能完成 PLC 設(shè)計(jì)者的規(guī)定的各種工作。系統(tǒng)程序由 PLC 的生廠家設(shè)計(jì)并固定化在 ROM（只讀存儲(chǔ)器）中，用戶不能讀取。用戶程序由用戶設(shè)計(jì)，它使 PLC 能完成用戶要球的特定功能，用戶程序存儲(chǔ)器的容量以字節(jié)（ B）為單位。 （ 1） .隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（ RAM） 用戶可以用編程裝置讀出 RAM 中的內(nèi)容，也可以將用戶程序?qū)懭?RAM，因此 RAM又叫讀 /寫存儲(chǔ)器。 RAM 的工作速度高、價(jià)格便宜、改寫方便。 （ 2） .只讀存儲(chǔ)器（ ROM） ROM 的內(nèi)容只能讀出，不能寫入。 （ 3） .可以電檫出可編程的只讀存儲(chǔ)器（ EEPROM） S7200 用 EEPROM 來存儲(chǔ)用戶程序和長期保存的重要數(shù)據(jù)。 各 I/O點(diǎn)的通 /斷狀態(tài)用發(fā)光二極管（ LED）顯示， PLC 與外部接線的連接一般用接線端子，某些模塊使用可以拆卸的插座型端子板，不需斷開端子板上的連接線 ，就可以迅速的更換模塊。 輸入模塊： PLC 通過輸入模塊來接收和采集輸入信號(hào)，通過輸出模塊控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、調(diào)速裝置等執(zhí)行器， PLC 控制的另一類外部負(fù)載是指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等。輸入電路中設(shè)有 RC 濾波電路，以防止由于輸入觸點(diǎn)抖動(dòng)或外部干擾脈沖引起的錯(cuò)誤輸入信號(hào)。 輸出模塊：輸出模塊的率放大元件有大功率晶體管和場效應(yīng)管（驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載）、雙向可控硅（驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載）和小型繼電器，繼電器可以驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載或直流負(fù)載。輸出電流的典型值為 — 2A,負(fù)載電源由外部現(xiàn)場提供。 PLC 的主要 特點(diǎn) 一、抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高 PLC 專門為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)，具有很高的可靠性。它的主要模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路， I/O 系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)與信息調(diào)理電路；在機(jī)構(gòu)上對(duì)耐熱、防潮、防塵、抗震都有精確考慮；在硬件上采用隔離、屏蔽、濾波、接地等抗干擾措施；在軟件上采用數(shù)字濾波等干擾和故障診斷措施。所有這些使 PLC 具有較高的湖南工業(yè)大學(xué)專科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 抗干擾能力，因此穩(wěn)定、可靠，抗干擾能力強(qiáng)。與繼電器接觸裝置和通用計(jì)算機(jī)相比，PLC 更能試用工業(yè)現(xiàn)場較為惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。 二、控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng) PLC 及外圍模塊品種多，可由 各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。在 PLC 夠成的控制系統(tǒng)中，只需要在 PLC 的端子上接入相應(yīng)的輸入 /輸出信號(hào)線即可，不需要諸如繼電器之類的物理電子器件和大量且繁雜的硬接線線路。當(dāng)控制要求改變，需要變更控制系統(tǒng)的功能時(shí)，可以用編程器在線或離線修改程序，同一個(gè) PLC裝置用于不同的控制對(duì)象，只是輸入 /輸出組件和應(yīng)用軟件的不同。 PLC 的輸入 /輸出可以直接與交流 220V、直流 24V 等強(qiáng)電相連，并有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。 三、編程簡單，易于使用 PLC 是面向用戶的設(shè)備， PLC 的設(shè)計(jì)者充分考慮到現(xiàn)場工程技術(shù)人員的 技能和習(xí)慣，因此 PLC 程序的編制采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類似，這種編程語言形象直觀，容易掌握，不需要專門的計(jì)算機(jī)知識(shí)和語言，只要具有一定的電工和工藝知識(shí)就可在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)。 四、功能完善 現(xiàn)代 PLC 不僅有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、步進(jìn)控制功能，還能完成 A/D 轉(zhuǎn)換、 D/A轉(zhuǎn)換、模擬量處理、高速計(jì)算、聯(lián)網(wǎng)通信等功能，可以通過上位計(jì)算進(jìn)行顯示、報(bào)警、記錄，進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，使控制水平大為提高。因此， PLC 具有極強(qiáng)的適用性，能夠很好地滿足各類型控制的需要，是目前工廠中應(yīng)用最廣的自動(dòng)化設(shè) 備。 五、體積小、維護(hù)操作方便 PLC 體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。 PLC 的輸入 /輸出系統(tǒng)能夠直觀地反映現(xiàn)場信號(hào)的變化狀態(tài)，還能通過各種方式直觀地控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如內(nèi)部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、 I/O 點(diǎn)狀態(tài)、異常和電源狀態(tài)等，對(duì)此均有醒目的指示，非常有利于運(yùn)行和維護(hù)人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。 FX2N 系列 PLC 介紹 FX2N 型 PLC 的主要種類 FX2N 型 PLC 按品種可以分為基本單元、擴(kuò)展單元、擴(kuò)展模塊和特殊擴(kuò)展設(shè)備。 基本單元由內(nèi)部電源、內(nèi)部輸入輸出、內(nèi)部 CPU 和內(nèi)部存