【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 是 PLC 控制系統(tǒng)的核心部件。正確選擇 PLC 對(duì) 于保證整個(gè)控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)起著重要的作用。選擇 PLC，包括機(jī)型、容量的選擇以及 I/O 模塊、電源模塊等的選擇。 （ 3）分配 I/O 點(diǎn)，繪制 I/O 連接圖。 （ 4）控制程序設(shè)計(jì)。包括控制系統(tǒng)流程圖、梯形圖、語(yǔ)句表（即程序清單）等設(shè)計(jì)。 控制程序是控制整個(gè)系統(tǒng)工作的軟件，是保證系統(tǒng)工作正常、安全、可靠的關(guān)鍵。因此，設(shè)計(jì)的控制程序必須經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試、修改，直到滿(mǎn)足要求為止。 （ 5）必要時(shí)還需設(shè)計(jì)控制臺(tái)（柜）。 （ 6）編制控制系統(tǒng)的技術(shù)文件。包括說(shuō)明書(shū)、電氣圖及電氣元件明細(xì)表。 傳統(tǒng)的電氣圖，一般包括電氣原理圖 、電器布置圖及電氣安裝圖。在 PLC 控 11 制系統(tǒng)中，這一部分圖統(tǒng)稱(chēng)為“硬件圖”。它在傳統(tǒng)電氣圖的基礎(chǔ)上增加了 PLC部分，因此在電氣原理圖中應(yīng)增加 PLC 的 I/O 連接圖。 另外，在 PLC 控制系統(tǒng)中的電氣圖中還應(yīng)包括程序圖（梯形圖），通常稱(chēng)它為“軟件圖”。向用戶(hù)提供“軟件圖”，可便于用戶(hù)在生產(chǎn)發(fā)展或工藝改進(jìn)時(shí)修改程序，并有利于用戶(hù)在維修時(shí)分析和排除故障 [10]。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟 （ 1）根據(jù)生產(chǎn)的工藝過(guò)程分析控制要求，需要完成的動(dòng)作（工作順序、動(dòng)作條件、必須的保護(hù)和聯(lián)鎖等）、操作方式（手動(dòng)、自動(dòng) ；連續(xù)、單周期、單步等）。 （ 2）根據(jù)控制要求確定所需要的輸入、輸出設(shè)備。據(jù)此確定 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)。 （ 3）選擇 PLC 機(jī)型及容量。 （ 4）定義輸入、輸出點(diǎn)名稱(chēng)，分配 PLC 的 I/O 點(diǎn)。設(shè)計(jì) I/O 連接圖。 （ 5）根據(jù) PLC 所要完成的任務(wù)及應(yīng)具備的功能，進(jìn)行 PLC 程序設(shè)計(jì)，同時(shí)可進(jìn)行控制臺(tái)（柜）的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工。 （ 6）待控制臺(tái)（柜）設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工完成后，進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。如不滿(mǎn)足要求，再修改程序或檢查接線(xiàn)，直到滿(mǎn)足要求為止。 （ 7）編制技術(shù)文件。 （ 8）交付使用 PLC 程序設(shè)計(jì)的步驟與內(nèi)容 （ 1） 對(duì)于 較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，需繪制系統(tǒng)控制流程圖，用以清楚地表明動(dòng)作的順序和條件。對(duì)于簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，也可省去這一補(bǔ)。 （ 2） 設(shè)計(jì)梯形圖。這是程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步，也是比較困難的一步。要設(shè)計(jì)好梯形圖，首先要十分熟悉控制要求，同時(shí)還要有一定的電氣設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 （ 3） 根據(jù)梯形圖編制程序清單。 （ 4） 用計(jì)算機(jī)或編程器將程序鍵入到 PLC 的用戶(hù)存儲(chǔ)器中，并檢查鍵入的程序是否正確。 （ 5） 對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和修改，直到滿(mǎn)足要求為止。 PLC 機(jī)型的選擇 這是 PLC 應(yīng)用設(shè)計(jì)中很重要的一步，目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的 PLC 種類(lèi)很多，在選 用 PLC 時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面。 12 輸入、輸出點(diǎn)數(shù)以及軟件對(duì) PLC 功能及指令的要求是選擇 PLC 機(jī)型規(guī)模大小的重要依據(jù)。首先要確保有足夠的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)，并留有一定的余地（要有10%的備用量）。如果只有為了實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化，或機(jī)電一體化產(chǎn)品，可選用小型PLC。如果控制系統(tǒng)較大，輸入、輸出點(diǎn)數(shù)較多，被控設(shè)備較分散，可以選用中型或大型 PLC。 還應(yīng)確定用戶(hù)程序存儲(chǔ)器的容量。一般粗略的估計(jì)方法是：（輸入 +輸出）（ 10～ 12） =指令步數(shù)。特別要注意因控制較復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理量較大，可能出現(xiàn)存儲(chǔ)容量不夠的 問(wèn)題 [13]。 ，結(jié)構(gòu)要合理 對(duì)于以開(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制的系統(tǒng)，一般的低檔機(jī)就能滿(mǎn)足要求。 對(duì)于以開(kāi)關(guān)量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，應(yīng)選用帶 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換，加減運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的低檔機(jī)。 對(duì)于控制比較復(fù)雜，控制性能要求較高的系統(tǒng)，例如要求實(shí)現(xiàn) PID 運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等，可視控制規(guī)模及復(fù)雜的程度，選用中檔或高檔機(jī)。其中高檔機(jī)主要用于大規(guī)模過(guò)程控制、全 PLC 的分布式控制系統(tǒng)以及整個(gè)工廠(chǎng)的自動(dòng)化等。 對(duì)于工藝過(guò)程比較固定、環(huán)境條件較好（維修量較?。┑膱?chǎng)合，選用整體式結(jié)構(gòu) PLC。其他 情況則選用模塊式結(jié)構(gòu) PLC。 、輸出功能及負(fù)載能力的選擇 選擇哪一種功能的輸入、輸出形式或模塊，取決于控制系統(tǒng)中輸入和輸出信號(hào)的種類(lèi)、參數(shù)要求和技術(shù)要求，選用具有相應(yīng)功能的模塊。為了提高抗干擾能力，輸入、輸出均應(yīng)選用具有光電隔離的模塊。對(duì)于輸出形式，分為無(wú)觸點(diǎn)和有觸點(diǎn)兩種形式。無(wú)觸點(diǎn)輸出大多使用大功率三級(jí)管（直流輸出）或雙向可控硅（交流輸出）電路，其優(yōu)點(diǎn)是可靠性高、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)，缺點(diǎn)是價(jià)格高、過(guò)載能力差。有觸點(diǎn)輸出是使用繼電器觸點(diǎn)輸出，其優(yōu)點(diǎn)是適用電壓范圍寬、導(dǎo)通壓降損失小、價(jià)格便宜，缺 點(diǎn)是壽命短、響應(yīng)速度慢 。 在選擇 PLC 時(shí)，要考慮使用現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件是否符合它的規(guī)定。一般考慮的環(huán)境條件有：環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、電源允許波動(dòng)范圍和抗干擾等指標(biāo)。 13 小結(jié) 本章主要對(duì) PLC 的設(shè)計(jì)方法步驟進(jìn)行闡述，包括它的基本原則，基本內(nèi)容和一般步驟及 PLC 機(jī)型的選擇。這樣可以較為全面的了解 PLC 的設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)方案可以形成一個(gè)大概的框圖，從而使設(shè)計(jì)趨于簡(jiǎn)單。 14 第四章 PLC 的機(jī)械手設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)械手的簡(jiǎn) 介 工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支，它的特點(diǎn)是通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè) 任務(wù) ，在構(gòu)造和 性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性，機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景 [14]。 采用 PLC 控制技術(shù)，大大提高成產(chǎn)效率減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了系統(tǒng)的可靠性、安全性，對(duì)各種故障進(jìn)行報(bào)警顯示有效防止了人身意外的發(fā)生，這一先進(jìn)技術(shù)， 不但可提高工藝控制的準(zhǔn)確性、科學(xué)性，降低事故率而且對(duì)于提高 電氣控制系統(tǒng)的自動(dòng)化管理水品和發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)起到積極的推動(dòng)作用，使 PLC 在機(jī)械手自動(dòng)化系 統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。機(jī)械手是指能夠自動(dòng)抓取、操作的裝置。多用在自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)、自動(dòng)機(jī)的上下料、數(shù)控設(shè)備的自動(dòng)換刀裝置中。機(jī)械手一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)組成。主要完成移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、抓取等動(dòng)作。其氣壓技術(shù)是以壓縮空氣為介質(zhì) .以氣源為動(dòng)力的能源傳遞技術(shù) .其工作可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染 .所以在機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中常采用氣壓技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)是機(jī)械手的指揮系統(tǒng)。它通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，讓執(zhí)行器按照規(guī)定的要求進(jìn) 行工作?？删幊炭刂破?( PLC)是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。它將邏輯運(yùn)算、順序控制、時(shí)序、計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算等控制程序。用指令形式存放在存儲(chǔ)器中，通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。與繼電器控制線(xiàn)路相比， PLC 具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，編程簡(jiǎn)單，使用方便，設(shè)計(jì)、安裝容易，維護(hù)工作量少，功能完善、通用性強(qiáng)，體積小、能耗低等特點(diǎn)。因此 .機(jī)械手控制系統(tǒng)越來(lái)越多的由可編程控制器 (即 PLC)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 機(jī)械手的硬件設(shè)計(jì) 機(jī)械手的控制系統(tǒng)如圖 41所示。為平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手。其包括三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（分 別控制機(jī)械大臂和小臂旋轉(zhuǎn)以及手抓張合）和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)（控制手腕伸縮）。每個(gè)關(guān)節(jié)上都有電機(jī)的帶動(dòng)，來(lái)控制機(jī)械手的運(yùn)轉(zhuǎn)與張合。在機(jī)械大臂和小臂的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上還裝配有增量式光電編碼器，提供控制所需要的反饋信號(hào)。 15 圖 41 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手的系統(tǒng)組成圖 注釋?zhuān)?1— 機(jī)身； 2— 大臂電機(jī)； 3— 光電編碼器； 4— 大臂； 5— 小臂電機(jī) ； 6— 同步帶； 7— 光電編碼器； 8— 小臂； 9— 手腕升降電機(jī)； 10— 手抓電機(jī)； 11— 手抓 圖 42 機(jī)械手的動(dòng)作流程圖 按設(shè)計(jì)要求可知 .機(jī)械手有 3 個(gè)移動(dòng)自由度。其主要工作過(guò)程均由電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制。故對(duì)電機(jī)的選擇是很重要的 本設(shè)計(jì)中采用的電機(jī)是萊州市玉龍橡塑制品有限公司生產(chǎn)的 60KTY(J)系列單相可逆永磁同步電機(jī)，它是一種電機(jī)與減速箱可分合，能控制正反運(yùn)轉(zhuǎn)的永磁爪極式同步電機(jī)。該產(chǎn)品具有體積小、重量輕、功耗小、力矩大、安裝方便等特點(diǎn)。電機(jī)在 額定頻率下轉(zhuǎn)速不受電壓的影響，保持恒定不變。該產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用通電啟動(dòng) 大臂電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 光電編碼器檢測(cè)大臂位移 驅(qū)動(dòng)小臂電機(jī) 同步帶帶動(dòng)小臂 光電編碼器檢測(cè)小臂位移 驅(qū)動(dòng)手腕升降電機(jī) 手抓電機(jī)動(dòng)作 機(jī)械手開(kāi)始張合 16 于：電動(dòng)窗簾、電動(dòng)晾衣架、冷暖通閥門(mén)、電動(dòng)廣告、監(jiān)控設(shè)備、自動(dòng)化儀器儀表等。 60KTY（ J）的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表 41。 表 41 60KTY（ J）技術(shù)參數(shù) 額定電壓 AC/V 24， 220 電源頻率 Hz 50 適配電容 uf 15~25/450V ， ~起動(dòng)電壓 AC/V ≤ 18，≤ 150 額定功率 W 25 空載電流 mA ≤ 300，≤ 80 絕緣耐壓 ACV/1S ≥ 1500 額定轉(zhuǎn)速 5 8 15 20 30 50 額定轉(zhuǎn)距 ≥ 130 ≥ 70 ≥ 45 ≥ 25 ≥ 18 ≥ 12 ≥ 7 光電開(kāi)關(guān)（光電傳感器）是光電接近開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體有無(wú)的。物體不限于金屬，所有能反射光線(xiàn)的物體均可被檢測(cè)。光電開(kāi)關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線(xiàn)的強(qiáng)弱或有無(wú)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。工作原理如圖 43 所示。多數(shù)光電開(kāi)關(guān)選用的是波長(zhǎng)接近可見(jiàn)光的紅外線(xiàn)光波型。本設(shè)計(jì)選用對(duì)射式 光電開(kāi)關(guān)。它包含了在結(jié)構(gòu)上互相分離且光軸相對(duì)放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線(xiàn)直接進(jìn)入接收器，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線(xiàn)時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)物體為不透明時(shí)，對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)是最可靠的檢測(cè)裝置。本光電開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)工作系統(tǒng)的傳送帶上是否有物體到達(dá)，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)械手動(dòng)作。 圖 43 光電開(kāi)關(guān) 17 光電編碼器，是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器每轉(zhuǎn)輸出 600 個(gè)脈沖，五線(xiàn)制。其中兩根 為電源線(xiàn)，三根為脈沖線(xiàn) (A相、 B 相、 Z)。電源的工作電壓為 （ +5～ +24V）直流電源。光電編碼器是由光柵盤(pán)和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤(pán)是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤(pán)還可提供相位相差 90 的兩路脈沖信號(hào)。工作原理 :當(dāng)光電編碼器的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) A、 B兩根線(xiàn)都產(chǎn)生脈沖輸出 A、 B 兩相脈沖相差 90 度相位 角，由此可測(cè)出光電編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)方向與電機(jī)轉(zhuǎn)速。如果 A 相脈沖比 B 相脈沖超前則光電編碼器為正轉(zhuǎn)，否則為反轉(zhuǎn)。 Z 線(xiàn)為零脈沖線(xiàn) ,光電編碼器每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個(gè)脈沖 .主要用作計(jì)數(shù)。 A 線(xiàn)用來(lái)測(cè)量脈沖個(gè)數(shù) ,B 線(xiàn)與 A 線(xiàn)配合可測(cè)量出轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 同步帶傳動(dòng)是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應(yīng)吻合的帶輪所組成。它綜合了帶傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)各自的優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)帶齒與帶輪的齒槽相 合來(lái)傳遞動(dòng)力。同步帶傳動(dòng)具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，無(wú)滑差，可獲得恒定的速比，傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動(dòng)范圍大，一般可達(dá) 1： 10，允許線(xiàn)速度可達(dá) 50M/S，傳遞功率從幾瓦到百千瓦。傳動(dòng)效率高，一般可達(dá) 98%，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜多軸傳動(dòng)。本設(shè)計(jì)選用恒龍公司生產(chǎn)的，型號(hào)為 67L，節(jié)線(xiàn)長(zhǎng)（ MM），齒數(shù)為 18 的同步帶。 機(jī)械手的報(bào)警系統(tǒng)用于機(jī)械手運(yùn)作時(shí)，機(jī)械手是否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到位。若超過(guò)規(guī)定時(shí)間，則系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。報(bào)警系統(tǒng)用定時(shí)器加外設(shè)擴(kuò)音器組成。在規(guī)定時(shí)間沒(méi)有到達(dá)時(shí)，定時(shí)器驅(qū)動(dòng)報(bào)警。 機(jī)械手的控制系統(tǒng) 機(jī)械手的控制要通過(guò)控制面板來(lái)完成。按照設(shè)計(jì)的要求，機(jī)械手的 PLC 控制面板如圖 44所示： 機(jī)械手 具有手動(dòng)與自動(dòng)兩種工作方式。手動(dòng)方式時(shí)，有“各別操作”與“返回原位”兩種情況?！案鲃e操作”情況下，用各按鈕來(lái)接通或斷開(kāi)各負(fù)載：“返回 18 原位” 狀態(tài)時(shí)，按下“返回原位”按鈕，機(jī)械手自動(dòng)回到原位狀態(tài)。自動(dòng)方式時(shí)，有“單步步進(jìn)操作”、“單周期一次循環(huán)操作”和“連續(xù)循環(huán)操作”三種情況。單步步進(jìn)操作時(shí)，每按一次啟動(dòng)按鈕，向前執(zhí)行一步動(dòng)作：“單周期一次循環(huán)操作”時(shí)，機(jī)械手在原位，按下啟動(dòng)按鈕，自動(dòng)地執(zhí)行一個(gè)操作周期的操作，操作完成后停留在原位（如果在操作過(guò)程 中按下停 止按鈕，機(jī)械手停在該工序上， 圖 44 工件傳送機(jī) 構(gòu)操作面板 再按下啟動(dòng)按鈕， 則又從該工序繼續(xù)工作，最后停在原位）：“連續(xù)循環(huán)操作”時(shí)機(jī)械手在原位，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手就連續(xù)重復(fù)進(jìn)行 工作（如果按下停止按鈕，機(jī)械手運(yùn)行到原位后停止）。接通 /切斷負(fù)載電源的外部電路專(zhuān)用按鈕。 PLC 機(jī)械手的工藝過(guò)程和控制要求 由于機(jī)械手要應(yīng)用