【正文】 無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 12級電氣自動化 專業(yè)畢業(yè)論文 第 1 頁 共 30 頁 基于 PLC 機械手控制設(shè)計 一、 設(shè)計任務(wù)書 （一） 機械手的控制要求 機械手的動作示意圖如圖 1 所示，機械手的功能是將工件從 A 處移送到 B 處?？刂埔鬄椋? 機械手的升降和左右移行分別由不同的雙線圈電磁閥來實現(xiàn)，電磁閥線圈失電時能保持原來的狀態(tài)，必須驅(qū)動反向的線圈才能反向運動； 上升、下降的電磁閥線圈分別為 YV YV1；右行、左行的電磁閥線圈為 YVYV4； 機械手的夾鉗由單線圈電磁閥 YV5 來實現(xiàn)，線圈通電時夾緊工件，線圈斷電時松開工件； 機械手的夾鉗的松開、夾緊通過延時 實現(xiàn)； 機械手的下降、上升、右行、左行的限位由行程開關(guān) SQ SQ SQ SQ4 來實現(xiàn)； （二） 機械手的的操作功能 機械手的操作面板如圖 2 所示。機械手能實現(xiàn)手動、回原位、單步、單周期和連續(xù)等五種工作方式。 手動工作方式時，用各按鈕的點動實現(xiàn)相應(yīng)的動作； 無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 12級電氣自動化 專業(yè)畢業(yè)論文 第 2 頁 共 30 頁 回原位工作方式時，按下“回原位”按鈕，則機械手自動返回原位； 單步工作方式時，每按下一次啟動安鈕，機械手向前執(zhí)行一步； 單周期工作方式時，每按下一次啟動安鈕，機械手只運行一個周期； 連續(xù)工作方式時，機械手在原位，只要按 下啟動安鈕，機械手就會連續(xù)循環(huán)工作，直到按下停止安鈕； 傳送工件時，機械手必須升到最高點才能左右移動，以防止機械手在較低位置運行時碰到其他工件； 出現(xiàn)緊急情況，按下緊急停車按鈕時，機械手停止所有的操作。 （三） 設(shè)計要求 輸入輸出點分配； 畫出 PLC 的輸入輸出設(shè)備的接線圖； 完成梯形圖、指令表的程序設(shè)計； 完成設(shè)計論文 無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 12級電氣自動化 專業(yè)畢業(yè)論文 第 3 頁 共 30 頁 二、 控制要求 （一） 控制對象介紹 機械手電氣控制系統(tǒng)，除了有多工步特點之外，還要求有連續(xù)控制和手動控制等操作方式。工作方式的選擇可以很方便地在操作面板上表示出來。當(dāng)旋鈕打向回原點時，系統(tǒng)自動地回到左上角位置待命。當(dāng)旋鈕打向自動時，系統(tǒng)自動完成各工步操作，且循環(huán)動作。當(dāng)旋鈕打向手動時，每一工步都要按下該工步按鈕才能實現(xiàn)。以下是設(shè)計該機械手控制程序的步驟和方法。 機械手傳送工件系統(tǒng)示意圖，如圖所示。 無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 12級電氣自動化 專業(yè)畢業(yè)論文 第 4 頁 共 30 頁 （二） 控制原理 其原理是： 把旋鈕置于回原點， X16 接通，系統(tǒng)自動回原點， Y5 驅(qū)動指示燈亮。再把旋鈕置于手動，則 X6 接通，其常閉觸頭打開，程序不跳轉(zhuǎn)（ CJ 為一跳轉(zhuǎn)指令，如果 CJ 驅(qū)動，則跳到指針 P 所指 P0 處），執(zhí)行手動程序。之后，由于 X7 常閉觸點，當(dāng)執(zhí)行 CJ 指令時，跳轉(zhuǎn)到 P1 所指的結(jié)束位置。如果旋鈕置于自動位置，（既 X6 常閉閉合、 X7 常閉打開）則程序執(zhí)行時跳過手動程序，直接執(zhí)行自動程序。 （三） 機械手系統(tǒng)過程示意圖 該圖中從上到下是啟動順序，從下到上是停止順序。 （四） 控制要求 控制方式： 手動操 作：將機械手復(fù)歸至原點位置。 連續(xù)運行：在原點時，按啟動按鈕，按工作循環(huán)圖邊疆工作一個周期。 一個工作周期工藝過程： 原點 下降 夾緊（ T） 上升 右移 下降 放松（ T） 上升 左移至原點。 無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 12級電氣自動化 專業(yè)畢業(yè)論文 第 5 頁 共 30 頁 三 、整體設(shè)計 可編程控制器（ Programmable Controller）是以微處理器為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置，是將計算機技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的嶄新產(chǎn)品。 1985 年國際電工委員會（ IEC）對可編程控制器做了如下定義：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。 可編程控制器采用易為 工廠電氣人員掌握的梯形圖編程語言，能夠?qū)崿F(xiàn)對開關(guān)量的邏輯控制，還具有數(shù)學(xué)運算、數(shù)據(jù)處理、運動控制、模擬量 PID 控制，聯(lián)網(wǎng)通信等功能。尤其是微處理器應(yīng)用與可編程控制器后，因其體積小、功能強、價格便宜，使可編程控制器的功能增強、工作速度加快、體積減小、可靠性提高、成本下降。 （一） PLC 的特點 （ 1） 可靠性高，抗干擾能力強 ./ （ 2） 編程方法簡單易學(xué)，使用方便 （ 3） 功能完善，應(yīng)用靈活 （ 4） 環(huán)境要求低，適應(yīng)性強， （ 5） 體積小，重量輕，能耗低 （ 6） 維修工作量小，維修方便 （ 7） 系統(tǒng)的設(shè)計，安裝，調(diào)試工作量少 （二） PLC 的結(jié)構(gòu)和工作原理 3 可編程控制器主要由 CPU 模塊、輸入模塊、輸出模塊、編程器、電源組成。 CPU 模塊又叫中央處理單元或者控制器，它主要由微處理器（ CPU）和存儲器組成。 輸入輸出模塊（ I/0）模塊是聯(lián)系外部現(xiàn)場和 CPU 模塊的橋梁。輸入模塊用來接收和采集輸入信號，可編程控制器通過輸出模塊控制接觸器、電磁閥，電磁鐵等執(zhí)行器和其他的外部負(fù)載。 可編程控制器有運行（ RUN）和停止（ STOP）兩種基本的工作狀態(tài)。在運行狀態(tài)，無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 12級電氣自動化 專業(yè)畢業(yè)論文 第 6 頁 共 30 頁 可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序 來實現(xiàn)控制功能。為了使可編程控制器的輸出及時地響應(yīng)隨時變化的輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至可編程控制器停機或者切換到 STOP 工作狀態(tài)。除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中，可編程控制器還要完成內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為 5 個階段，可編程控制器的這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計算機執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入輸出關(guān)系來看，處理過程幾乎是同時完成的。 在內(nèi)部處理階段，可編程控制器檢查 CPU模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部 工作。在通信服務(wù)階段，可編程控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。當(dāng)可編程控制器處于停止（ STOP）狀態(tài)時，只執(zhí)行以上的操作。處于運行狀態(tài)時，還要執(zhí)行輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理等階段。在可編程控制器的存儲器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像積存器。可編程控制器梯形圖中別的編程元件也有對應(yīng)的映像存儲區(qū)，它們統(tǒng)稱為元件映像寄存器。在輸入處理階段，可編程控制器把所有外部輸入電路的接通 /斷開（ ON/OFF）狀態(tài)讀入輸 入映像寄存器。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入映像寄存器的狀態(tài)也不會隨之而變，輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個掃描周期的輸入處理階段被讀入。在輸出處理階段， CPU 將輸出映像寄存器的 0/1 狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。梯形圖中某一輸出繼電器的線圈“通電”時，對應(yīng)的輸出映像寄存器為“ 1”狀態(tài)。信號經(jīng)輸出模塊隔離和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點閉合，使外部負(fù)載通電工作。 （三） PLC 與其他工業(yè)控制的比較 1. DCS 是一種“分散式控制系統(tǒng)”，而 PLC (可編 程控制器 ) 只是一種控制“裝置”，兩者是“系統(tǒng)”與“裝置”的區(qū)別。系統(tǒng)可以實現(xiàn)任何裝置的功能與協(xié)調(diào) ,PLC 裝置只實現(xiàn)本單元所具備的功能。 2. 在網(wǎng)絡(luò)方面 ,DCS 網(wǎng)絡(luò)是整個系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，它是安全可靠雙冗余的高速通訊網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的拓展性與開放性更好 .而 PLC 因為基本上都為個體工作，其在與別的 PLC或上位機進(jìn)行通訊時，所采用的網(wǎng)絡(luò)形式基本都是單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也經(jīng)常與國際標(biāo)準(zhǔn)不符。在網(wǎng)絡(luò)安全上， PLC 沒有很好的保護(hù)措施。我們采用電源 ,CPU,網(wǎng)絡(luò)雙冗余。 無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 12級電氣自動化 專業(yè)畢業(yè)論文 第 7 頁 共 30 頁 3. DCS 整體考慮方案 ,操作員站都具備工程師站功能 ,站與站之間在運行方案程序下裝后是一種緊密聯(lián)合的關(guān)系，任何站、任何功能、任何被控裝置間都是相互連鎖控制 , 協(xié)調(diào)控制 。而單用 PLC 互相連接構(gòu)成的系統(tǒng)，其站與站（ PLC 與 PLC）之間的聯(lián)系則是一種松散連接方式，是做不出協(xié)調(diào)控制的功能。 4. DCS 在整個設(shè)計上就留有大量的可擴展性接口，外接系統(tǒng)或擴展系統(tǒng)都十分方便，PLC 所搭接的整個系統(tǒng)完成后，想隨意的增加或減少操作員站都是很難實現(xiàn)的。 5. DCS 安全性：為保證 DCS 控制的設(shè)備的安全可靠， DCS 采用了雙冗余 的控制單元，當(dāng)重要控制單元出現(xiàn)故障時，都會有相關(guān)的冗余單元實時無擾的切換為工作單元，保證整個系統(tǒng)的安全可靠。 PLC 所搭接的系統(tǒng)基本沒有冗余的概念，就更談不上冗余控制策略。特別是當(dāng)其某個 PLC 單元發(fā)生故障時，不得不將整個系統(tǒng)停下來，才能進(jìn)行更換維護(hù)并需重新編程。所以 DCS 系統(tǒng)要比其安全可靠性上高一個等級。 6. 系統(tǒng)軟件，對各種工藝控制方案更新是 DCS 的一項最基本的功能，當(dāng)某個方案發(fā)生變化后，工程師只需要在工程師站上將更改過的方案編譯后，執(zhí)行下裝命令就