【文章內容簡介】 最普遍的保護器件之一。 熔斷器是一種過電流保護器。熔斷器主要由熔體和熔管以及外加填料等部分組成。使用時，將熔斷器串聯(lián)于被保護電路中，當被保護電路的電流超過規(guī)定值，并經(jīng)過一定時間后，由熔體自身產(chǎn)生的熱量熔斷熔體，使電路斷開，從而起到保護的作用。以金屬導體作為熔體而分斷電路的電器，串聯(lián)于電路中，當過載或短路電流通過熔體時，熔體自身 將發(fā)熱而熔斷，從而對電力系統(tǒng)、 各種電工設備以及家用電器都起到了一定的保護作用。具有反時延特性 ， 當過載電流小時，熔斷時間長；過載電流大時，熔斷時間短。因此，在一定過載電流范圍內至電流恢復正常，熔斷器不會熔斷，可以繼續(xù)使用。熔斷器主要由熔體、外殼和支座 三 部分組成，其中熔體是控制熔斷特性的關鍵元件。 本設計中采用的熔斷器的型號為 HRW710，額定電壓為 220V。 熱繼電器 的選擇 熱 繼電器 是由流入熱元件的 電流 產(chǎn)生熱量，使有不同膨脹系數(shù)的雙金屬片發(fā)生形變，當形變達到一定距離時，就推動連桿動作，使控制 電路 斷開，從而使接觸器失電， 主電路 斷開，實現(xiàn) 電動機 的過載保護。繼電器作為電動機的過載保護元件，以其體積小，結構簡單、成本低等優(yōu)點在生產(chǎn)中得到了廣泛應用。 基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)設計 9 熱繼電器的作用是：主要用來對異步電動機進行過載保護，他的工作原理是過載電流通過熱元件后，使雙金屬片加熱彎曲去推動動作機構來帶動觸點動作，從而將 電動機控制電路 斷開實現(xiàn)電動機斷電停車，起到過載保護的作用。鑒于雙金屬片受熱彎曲過程中，熱量的傳遞需要較長的時間，因此，熱繼電器不能用作短路保護，而只 能作過載保護。 由于本設計中的電機的工作狀態(tài)是反復短時工作制，熱繼電器僅有一定范圍的適應性，因此， 選用帶速飽和 電流互感器 的熱繼電器 ，其額定電壓為 220V。 接觸器的選擇 接觸器 (Contactor)是指工業(yè)電中利用線圈流過電流產(chǎn)生磁場，使觸頭閉合，以達到控制負載的電器。接觸器由電磁系統(tǒng)（鐵心，靜鐵心，電磁線圈）觸頭系統(tǒng)（常開觸頭和常閉觸頭）和滅弧裝置組成。其原理是當接觸器的電磁線圈通電后，會產(chǎn)生很強的磁場，使靜鐵心產(chǎn)生電磁吸力吸引銜鐵，并帶動觸頭動作：常閉觸頭斷開；常開觸頭閉合，兩者是聯(lián)動的。當線圈斷電時，電磁吸力消失，銜鐵在釋放彈簧的作用下釋放，使觸頭復原：常閉觸頭閉合；常開觸頭斷開。 在電工學上，因為可快速切斷交流與直流主回路和可頻繁地接通與大電流控 制(某些型別可達 800 安培 )電路的裝置，所以經(jīng)常運用于電動機做為控制對象﹐也可用作控制工廠設備﹑電熱器﹑工作母機和各樣電力機組等電力負載，接觸器不僅能接通和切斷電路，而且還具有低電壓釋放保護作用。接觸器控制容量大，適用于頻繁操作和遠距離控制。是自動控制系統(tǒng)中的重要元件之一。 本設計采用額定電壓為 220V的交流接觸器，驅動方式為電磁式驅動，動作方式為直動式。 交流接觸器利用主接點來開閉電路，用輔助接點來導通控制回路。 主接點一般是常開接點，而輔助接點常有兩對常開接點和常閉接點，小型的接觸器也經(jīng)常作為 中間繼電器 配合主電路使用。 交流接觸器的接點，由銀鎢合金制成，具有良好的導電性和耐高溫燒蝕性 。 系統(tǒng)主電路圖 基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)設計 10 本系統(tǒng)采用三相交流電為系統(tǒng)進行供電，三相空氣開關 QS 控制整個系統(tǒng)的電源通斷，既可完成主電路的短路保護又可方便日常的維護。 FU1至 FU4四 個熔斷器起過流保護作用，防止各回路發(fā)生短路現(xiàn)象； FR FR FR3 三個熱繼電器對負載電機 M M M3 起過載保護作用， 消除了主要的安全隱患。三個電流接觸器 KM0/KM2/KM4 分別控制三個電機的正轉， KM1/KM3/KM5 分別控制三個電機的反轉。具體電路設計如圖 所示： 圖 系統(tǒng)主電路圖 傳感器設計 傳感器的選型 本裝置中使用的傳感器有接近開關和行程開關。機械手的夾緊與放松限位采用接近開關（金屬傳感器），通過調整金屬塊的位置，可以在一定范圍內改變氣夾的張合角度。 接近開關的選型 對于不同的材質的檢測體和不同的檢測距離， 應選用不同類型的接近開關， 以使其在系統(tǒng)中 具有高的性能價格比， 為此在選型中應 遵循以下原則： 1）當檢測體為金屬材料時，應選用高頻振蕩型接近開關，該類型接近開關對鐵鎳、 A3 鋼類檢測體檢測最靈敏。對鋁、黃銅和不銹鋼類檢測體，其檢測靈敏度就低。 2）當檢測體為非金基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)設計 11 屬材料時，如；木材、紙張、塑料、玻璃和水等，應選用電容型接近開關。 3）金屬體和非金屬要進行遠距離檢測和控制時，應選用光電型接近開關或超聲波型接近開關。 4）對于檢測體為金屬時，若檢測靈敏度要求不高時，可選用價格低廉的磁性接近開關或霍爾式接近開關。 本設計選用的是光電型接近開關。 傳感器的工作原理 利用光電效應做成的 開關叫 光電開關 。將發(fā)光器件與光電器件按一定方向裝在同一個檢測頭內。當有反光面（被檢測物體）接近時，光電器件接收到反射光后便在 信號 輸出，由此便可 “ 感知 ” 有物體接近。 傳感器工作原理圖如下： 圖 接近開關：接近開關有三根連接線（ 棕、蘭、黑）棕色接電源的正極、藍色接電源的負極、黑色為輸出信號，當與檔塊接近時輸出電平為低電平，否則為高電平。與 PLC 之間的接線圖如上，當傳感器動作時，輸出端對地接通。 PLC 內部光耦與傳感器電源構成回路， PLC 信號輸入有效，工作原理如圖 所示。 行程開關的設計 行程開關的選型 機械手的伸縮、升降均采用行程開關來限位，并通過改變行程開關的位置來調節(jié)橫軸和豎軸的運動范圍。行程開關按其結構可分為直動式、滾動式、微動式和組合式，本設計基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)設計 12 選用直動式行程開關。其結構原理如圖 所示： 圖 直動式行程開關 1頂桿 2彈簧 3常閉觸頭 4觸頭彈簧 5 常開觸頭 行程開關的工作原理 行程開關又稱限位開關，用于控制機械設備的行程及限位保護。在實際生產(chǎn)中，將行程開關安裝在預先安排的位置，當裝于生產(chǎn)機械運動部件上的模塊撞擊行程開關時，行程開關的觸點動作，實現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。行程開關廣泛用于各類機床和起重機械，用以控制其行程、進行終端限位保護。在電梯的控制電路中，還利用行程開關來控制開關轎門的速度、自 動開關門的限位，轎廂的上、下限位保護 。 PLC 控制電路設計 PLC 的基本結構 PLC 和一般的微型計算機基本相同，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)、存儲器 (EPROM， ROM)、輸入輸出 (I/O)部件、電源部件、編程器、 I/O 擴展單元和其他外圍設備組成。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]。其結構簡圖如 圖 所示： 基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)設計 13 圖 PLC硬件結構圖 PLC 的軟件系統(tǒng)是指 PLC 所使用的各 種程序的集合，通?？煞譃橄到y(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。系統(tǒng)程序是每一個 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)組成了一個完整的 PLC 系統(tǒng)，他們是相輔相成，缺一不可的 。 PLC 的工作原理 可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運行（ RUN）狀態(tài)與停止（ STOP）狀態(tài)。在運行狀態(tài)，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。為了使可編程序控制器的輸出及時地響應隨時可能變 化的輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復不斷地重復執(zhí)行，直至可編程序控制器停機或切換到 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，可編程序控制器還要完成，內部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為 5 個階段?？删幊绦蚩刂破鞯倪@種周而復始的循環(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 輸出關系來看，處理過程似乎是同時完成的。 PLC 的 掃描運行方式 PLC 一般采用循環(huán)掃描方式工作。當 PLC 加電后，首先進行初始化處理，包括清除 I/O及內部輔助繼電器、復位所有 定時器、檢查 I/O 單元的連接等。開始運行之后，串行地執(zhí)口 輸出部件 外設I/O接存儲器 EPROM 微處理器 運算器 控制器 電源 輸入部件 I/O 擴展接口 I/O 擴展單元 受控元件 輸入信號 外部設備 基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)設計 14 行存貯器中的程序，這個過程可以分為如下四個階段。 （ 1）輸入采樣階段 在輸入采樣階段， PLC 以掃描方式依次讀入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)它們存入 I/O 映象區(qū)的相應單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化 I/O 映象區(qū)的相應單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會改變。所以輸入如果是脈沖信號，它的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 （ 2）用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段， PLC 的 CPU 總是由上而 下，從左到右的順序依次的掃描梯形圖。并對控制線路進行邏輯運算，并以此刷新該邏輯線圈或輸出線圈在系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)。或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。例如：算術運算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達等。 （ 3）輸出刷新階段 在輸出刷新階段， CPU按照 I/O映象區(qū)內對應的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有的數(shù)據(jù)鎖存電路， 再經(jīng)輸出電路驅動響應的外設。這時才是 PLC 真正的輸出。 （ 4）輸入 /輸出滯后時間 輸入 /輸出滯后時間又稱系統(tǒng)響應時間，是指可編程序控制器的外部輸入信號發(fā)生變化的時刻至它控制的有關外部輸出信號發(fā)生變 化的時刻之間的時間間隔，它由輸入電路濾波時間、輸出電路的滯后時間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時間三部分組成。 輸入模塊的 CPU 濾波電路用來濾除由輸入端引入的干擾噪聲，消除因外接輸入觸點動作是產(chǎn)生的抖動引起的不良影響，濾波電路的時間常數(shù)決定了輸入濾波時間的長短，其典型值為 10ms 左右。 輸出模塊的滯后時間與模塊的類型有關，繼電器型輸出電路的滯后時間一般在 10ms左右；雙向可空硅型輸出電路在負載接通時的滯后時間約為 1ms，負載由導通到斷開時的最大滯后時間為 10ms；晶體管型輸出電路的滯后時間約為 1ms。由掃描工作 方式引起的滯后時間最長可達到兩個多掃描周期?？删幊绦蚩刂破骺偟捻憫舆t時間一般只有幾十 ms，對于一般的系統(tǒng)是無關緊要的。要求輸入 — 輸出信號之間的滯后時間盡量短的系統(tǒng)，可以選用掃描速度快的可編程序控制器或采取其他措施。 PLC 的特點 基于 PLC 的機械手控制系統(tǒng)設計 15