【導讀】師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。同意學校保留并向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權大學可以將本學位。印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。文科類論文正文字數(shù)不少于萬字。合國家技術標準規(guī)范。20xx年達到2386萬噸超過美國成為世界上啤酒生產(chǎn)和消費量最大的國家。的工作原理和動作的設計實現(xiàn)過程。研究了基于PLC的機械臂控制，并以學校實驗室的三自由度機械。臂的實物為模型實現(xiàn)控制系統(tǒng)的設計。

　　

【正文】 圖 36 機械臂的動作示意圖 脈沖信號，步進電機一正轉(zhuǎn)，機械臂前伸，前伸到位時，碰到前限位開關，前伸停止。主機向驅(qū)動器二同時輸入脈沖信號和電平信號，步進電機二反轉(zhuǎn)，機械臂下降。降到底時碰到下限位開關，下降停止，同時夾緊電磁閥斷電，機械臂放松。放松后，主機向驅(qū)動器二只輸入脈沖信號，步進電機二正轉(zhuǎn)，機械臂上升。上升到頂時，碰到上限位開關，上升停止。上升到頂時，碰到上限位開關，上升停止。 PLC 向驅(qū)動器一同時輸入脈沖信號和電平信號，步進電機一反轉(zhuǎn)，橫軸后縮。機械臂后縮，當后縮到底時碰到后限位開關，然后主機向驅(qū)動器二同時輸入脈沖信號和電平信號，步 進電機二反轉(zhuǎn)，機械臂下降。下降到底時碰到下限位開關，下降停止，回到原點。至此，機械臂經(jīng)過八步動作完成一個循環(huán) [14]。 PLC 程序設計 I/O 點數(shù)的確定及 PLC 類型的選擇 本次設計使用的是啤酒生產(chǎn)線機械臂實物教學實驗裝置。本裝置需采用晶體管輸出型可編程控制器，可同時輸出兩路脈沖到步進電機驅(qū)動器，控制步進電機運行。由于機械臂系統(tǒng)的輸入 /輸出點少，要求電氣控制部分體積小，成本低，并能夠用計算機對 PLC 進行監(jiān)控和管理，該機械臂的控制為純開關量控制，且 I/O 點數(shù)不多，僅需 11 個輸入點和 9 個輸出點，考慮留有一定的裕量。故選用和利時 LM3106A 主機，該機輸入點為 14 個，輸出點為 10 個。 天津理工大學自動化學院本科畢業(yè)設計 PLC 的 I/O 分配 根據(jù)機械臂動作的要求及機械臂實物教學實驗裝置說明指導，輸入、輸出點分配如表35 所示。 表 35 PLC 的 I/O 分配表 編程指令的選擇 方案一：使用起保停電路的編程方式。用輔助繼電器代表步，僅僅使用與觸電和線圈有關的指令。編出程序規(guī)范，具有易于閱讀和容易查錯的優(yōu)點，但因為存在大量的自保持觸點，使程序代碼較長。 方案二：采用以轉(zhuǎn)換為中心的編程方式。這種編程方式與轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的基本規(guī)則之間有著嚴格的對應關系，用它編制復雜的順序功能圖的梯形圖時，會有很大幫助。 方案三：采用 STL 指令的編程方式。 STL 指令（步進梯形指令）是三菱廠家設計的專門用于順序控制的指令，使用該指令可以使編制順序控制程序更加方便，而且易于調(diào)試和維護，且代碼較短。 經(jīng)論證本次設計采用的編程方式選用方案三。 PLC 程序的設計 梯形圖見附錄 名稱 輸入 名稱 輸出 右限位 1 步進電機 PUL 右限位 2 步進電機 DIR 右限位 3 步進電機 ENA 左限位 伺服電機方向 下限位 伺服電機使能 上限位 伺服電機脈沖 步進限位 夾瓶氣動閥 啟動按鈕 直流電機 + 復位按鈕 直流電機 天津理工大學自動化學院本科畢業(yè)設計 PLC 程序的調(diào)試 由于 PLC 是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設計的控制裝置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。但環(huán)境過于惡劣、電磁干擾特別強烈，或安裝使用不當，都將不能保證 PLC 正常、安全、可靠的運行。因此，討論 PLC 設計調(diào)試就具有十分重要的意義。 PLC 控制的安裝與布線 輸入接線 （ 1）輸入接線一般不要超過 30m。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時，輸入接線可適當長些。 （ 2）輸入、輸出線不能用同一根電纜，輸入、輸出線要分開。 （ 3）利用普通二極管恰當?shù)拇釉?PLC 輸入回路中，防止信號干擾，使 PLC 輸入信號大大增強。 電源接線 電源是 PLC 引入干擾的主要途徑之一， PLC 應盡可能取用電壓波動較小、波形畸變較小的電源，這對提高 PLC 的可靠性有很大幫助。 PLC 的供電線路應與其他大功率用電設備或強干擾設備（如高頻爐、弧焊機等）分開。為了提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力，可編程序控制器供電回路一般可采用隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器、晶體管開關電源等。我們正是用了隔離變壓器和交流穩(wěn)壓器來抗干擾。隔離變壓器是初級和次級之間采用隔離屏蔽層，用漆包線或同等非導磁材料組成，電器回路上不允許短路，兩極各引出一個接地抽頭。初級與次級之 間的靜電屏蔽要聯(lián)結(jié)到零點位，接地抽頭配電容耦合最后引出到接地點。在選用交流穩(wěn)壓器時，一般可按照實際最大需求容量的 130%計算。這樣可以保證穩(wěn)壓特性又有助于穩(wěn)壓器工作可靠 [16]。 PLC 供電電源為 50Hz、 220V?10%的交流電。由于本設計使用的是 FX1N 系列可編程控制器，所以有直流 24V 輸出接線端。該接線端可為輸入及傳感器（如光電開關或接近開關）提供直流 24V 電源。 接地 正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是 PLC 控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重 要措施之一。系統(tǒng)接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對 PLC 控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應采用直接接地方式。良好的接地是保證 PLC 可靠工作的重要條件，可以避免偶天津理工大學自動化學院本科畢業(yè)設計 然發(fā)生的電壓沖擊危害。所以我們給可編程控制器接上了專用接地線。 機械臂控制系統(tǒng)的外部接線圖 PLC 外部電氣接線圖見附錄 5。 機械臂控制程序的調(diào)試 在程序調(diào)試過程中出現(xiàn)了一系列的問題，但最終都一一解決了。在使用梯形圖指令編程時，剛開始由于對梯形圖指令掌握的不是很好，所以犯了不少錯誤，加上機械臂模型裝置本身存在的一些問題，所以在調(diào)試程序時，機械臂動作不符合控制要求。經(jīng)過不斷查閱資料，研究、改進，最終程序調(diào)試成功。機械臂運行良好，動作正確、符合控制要求。 第四章 組態(tài)王在機械臂控制系統(tǒng)中的應用 組態(tài)王的概述 組態(tài)王的簡介 組態(tài)王開發(fā) 監(jiān)控系統(tǒng) 軟件 ，是新型的工業(yè) 自動控制系統(tǒng) ，它以標準的 工業(yè)計算機 軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。 組態(tài)王 是亞控科技根據(jù)當前的 自動化 技術的發(fā)展趨勢，面向低端自動化市場及應用，以實現(xiàn)企業(yè)一體化為目標開發(fā)的一套產(chǎn)品。該產(chǎn)品以搭建戰(zhàn)略性工業(yè)應用服務平臺為目標，集成了對亞控科技自主研發(fā)的工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫（ KingHistorian）的支持，天津理工大學自動化學院本科畢業(yè)設計 可以 為企業(yè)提供一個對整個生產(chǎn)流程進行數(shù)據(jù)匯總、分析及管理的有效平臺，使企業(yè)能夠及時有效地獲取信息，及時地做出反應，以獲得最優(yōu)化的結(jié)果。 組態(tài)王保持了其早期版本功能強大、運行穩(wěn)定且使用方便的特點，并根據(jù)國內(nèi)眾多用戶的反饋及意見，對一些功能進行了完善和擴充。組態(tài)王 提供了豐富的、簡捷易用的配置界面，提供了大量的圖形元素和圖庫精靈，同時也為用戶創(chuàng)建圖庫精靈提供了簡單易用的接口；該款產(chǎn)品的歷史 曲線 、報表及 web 發(fā)布功能進行了大幅提升與改進，軟件 的功能性和可用性有了很大的提高。 組態(tài)王在保留了原報表所有功能的基礎上新增了報表向?qū)Чδ?，能夠以組態(tài)王的歷史庫或 KingHistorian 為數(shù)據(jù)源，快速建立所需的班報表、日報表、周報表、月報表、季報表和年報表。此外，還可以實現(xiàn)值的行列統(tǒng)計功能。 組態(tài)王在 web 發(fā)布方面取得新的突破，全新版的 Web 發(fā)布可以實現(xiàn)畫面 發(fā)布，數(shù)據(jù)發(fā)布和 OCX 控件發(fā)布，同時保留了組態(tài)王 Web 的所有功能： IE 瀏覽客戶端可以獲得與組態(tài)王運行系統(tǒng)相同的監(jiān)控畫面， IE 客戶端與 Web 服務器保持高效的數(shù)據(jù)同步，通過網(wǎng)絡您可以在任何地方獲得與 Web 服務器上相同的畫面和數(shù)據(jù)顯示、報表顯示、報警顯示等，同時可以方便快捷的向工業(yè)現(xiàn)場發(fā)布控制命令，實現(xiàn)實時控制的功能。 組態(tài)王集成了對 KingHistorian的支持，且支持數(shù)據(jù)同時存儲到組態(tài)王歷史庫和工業(yè)庫，極大地提高了組態(tài)王的數(shù)據(jù)存儲能力，能夠更好地滿足大點數(shù)用戶對存儲容量和存儲速度的要求。 KingHistorian 是亞控新近推出的獨立開發(fā)的工業(yè)數(shù)據(jù)庫。具有單個服務器支持高達 100 萬點、 256 個并發(fā)客戶同時存儲和檢索數(shù)據(jù)、每秒檢索單個變量超過 20,000 條記錄的強大功能。能夠更好地滿足高端客戶對存儲速度和存儲容量的要求，完全滿足了客戶實時查看和檢索歷史運行數(shù)據(jù)的要求。 組態(tài)王的構(gòu)成 組態(tài)王系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個部分。 用戶的所有組態(tài)配置過程都在組態(tài)環(huán)境中進行，組態(tài)環(huán)境相當于一套完整的工具軟件，它幫助用戶設計和構(gòu)造自己的應用系統(tǒng)。用戶組態(tài)生成的結(jié)果是一個數(shù)據(jù)庫文件，稱為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫。 運行環(huán)境是一個獨立的運行系統(tǒng)，它按照組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫中用戶指定的方式進行各種處理，完成用戶組態(tài)設計的目標和功能。運行環(huán)境本身沒有任何意義，必須與數(shù)據(jù)庫一起作為一個整體，才能構(gòu)成用戶引用系統(tǒng)。組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫完成了組態(tài)王系統(tǒng)從組態(tài)環(huán)境向運行環(huán)境的過渡，它們之間的關系如圖 41 所示。 天津理工大學自動化學院本科畢業(yè)設計 圖 41 組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境關系圖 由組態(tài)王生成的用戶應用系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五個部分組成，如圖 42 所示。 圖 42 組態(tài)王 用戶應用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 組態(tài)王的主要特性和功能 (1)實驗全部用 軟件 來實現(xiàn) ,只需利用現(xiàn)有的計算機就可完成 自動控制系統(tǒng) 課程的實驗 ,從而大大減少購置儀器的經(jīng)費。 (2)該系統(tǒng)是中文界面 ,具有 人機界面 友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點。對用戶而言 ,操作簡單易學且編程簡單 ,參數(shù)輸入與修改靈活 ,具有多次或重復仿真運行的控制能力 ,可以實時地顯示參數(shù)變化前后系統(tǒng)的特性 曲線 ,能很直觀地顯示 控制系統(tǒng) 的實時趨勢曲 線 ,這些很強的交互能力使其在 自動控制系統(tǒng) 的實驗中可以發(fā)揮理想的效果。 在采用組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)編制 應用程序 過程中要考慮以下三個方面 : (1)圖形 ,是用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現(xiàn)場和相應的 工控 設備。 (2)數(shù)據(jù) ,就是創(chuàng)建一個具體的數(shù)據(jù)庫 ,并用此數(shù)據(jù)庫中的變量描述 工控 對象的各種屬性 ,比如水位、流量等。 (3)連接 ,就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現(xiàn)場設備的運行 ,以及怎樣讓操作者輸入控制設備的指令。 主控窗口 設備窗口 用戶窗口 實時數(shù)據(jù)庫 運行策略 姿態(tài)網(wǎng)工控組態(tài)軟件 菜單設計 設置工程屬性 設定存盤結(jié)構(gòu) 添加工程設備 連接設備變量 注冊設備驅(qū)動 創(chuàng)建動畫顯示 設置報警窗口 人機交互界面 定義數(shù)據(jù)變量 編寫控制流程 使用功能構(gòu)件 組態(tài)環(huán)境： 組態(tài)生成 應用系統(tǒng) 運行環(huán)境： 解釋執(zhí)行 組態(tài)結(jié)果 組態(tài)結(jié)果 數(shù)據(jù)庫 天津理工大學自動化學院本科畢業(yè)設計 組態(tài)王的編程語言 組態(tài)王組態(tài)軟件，采用 C++語言編制，核心為組態(tài)結(jié)構(gòu)。構(gòu)架合理、連接靈活，結(jié)構(gòu)層次清晰，方便用戶的定制開發(fā)。它是基于 WIN95/98/NT 視窗結(jié)構(gòu)，能夠快速構(gòu)造和生成數(shù)據(jù)管理、報警處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出等界面，輕松實現(xiàn)各種工程曲線、報表、數(shù)據(jù)瀏覽、遠程通訊、遠程采集、遠程診斷等功能的先進軟件。 組態(tài)王的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 組態(tài)王數(shù)據(jù)庫管理功能強大，分為數(shù)據(jù)前處理（可以對設備采集進來的數(shù)據(jù)進行多種數(shù)值處理）、數(shù)據(jù)后處理（可通過各種內(nèi)部函數(shù)、運算符、腳本程序?qū)崟r采集的數(shù)據(jù)進行處理）、實時數(shù)據(jù)處理（提供數(shù)據(jù)瀏覽，各種曲線、報 表等功能構(gòu)件，對存盤數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行查詢、排序、運算等操作），同時可以掛接外部數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn) ODBC 接口和 OLE實時調(diào)用，可以和 SOL、 Server、 Oracle、 Access 等數(shù)據(jù)庫相連，提供多種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式，每種方法都可以獨立使用或組合使用。 數(shù)據(jù)瀏覽構(gòu)件可同時以表格和曲線的形式顯示存盤數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，實時曲線可以動態(tài)顯示當前的數(shù)據(jù)，并可以設定上下限值和時間的長短，以便于用戶查詢，同時提供 EXCEL報表和姿態(tài)網(wǎng)自由報表。 組態(tài)王的作用 組態(tài)王全中文組態(tài)軟件是真正的 32 位程序，支持多任務、多線程， 提供近百種繪圖工具和基本圖符。使用 ActiveDLL 把設備驅(qū)動掛接在系統(tǒng)之中，支持數(shù)據(jù)采集板、智能模塊、智能儀表、 PLC、變頻器、網(wǎng)絡設備，它支持 ActiveX 控件，包括溫控曲線、實時曲線、計劃曲線、歷史曲線、 XY 曲線、實時報表、歷史報表、單行報表、配方管理、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)庫瀏覽統(tǒng)計、多媒體輸出等眾多構(gòu)件。 組態(tài)王全中文組態(tài)軟件可完整實現(xiàn) ODBC 接口，可與 SQLServer、 Oraver、 Oracle、Access 等主要數(shù)據(jù)庫相連，可實現(xiàn)各種復雜的報表，并以不同方式增加、刪除數(shù)據(jù)庫中的記錄，支持 CAN、 PROFIBUS、 HART、 LONWORKS 等多種現(xiàn)場總線。它還具有強大的網(wǎng)絡功能，支持 TCP/IP、 MODEM、 485/422/232 等多種網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸方案，提供 4 級安全保密機制。 工程組態(tài)軟件組態(tài)王能夠的最大優(yōu)點是組態(tài)方便，它融會了中外工控組態(tài)軟件的眾多長處，只要是稍具外語常識，即可以方便組態(tài) [18]。 天津理工大學自動化學