【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。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。 （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。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)旋鈕打向手動時，每一工步都要按下該工步按鈕才能實現(xiàn)。 機械手傳送工件系統(tǒng)示意圖，如圖所示。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。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。 （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。 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。 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。可編程序控制器及其有關(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。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。 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載。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。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。 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。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。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。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。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，使外部負載通電工作。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。在網(wǎng)絡(luò)安全上， PLC 沒有很好的保護措施。 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 。 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。 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。所以 DCS 系統(tǒng)要比其安全可靠性上高一個等級。 系統(tǒng)各種控制軟件與算法可以將工藝要求控制對象控制精度提高。在控制精度上相差甚遠。 7. 模塊： DCS 系統(tǒng)所有 I/O 模塊都帶有 CPU，可以實現(xiàn)對采集及輸出信號品質(zhì)判斷與標量變換，故障帶電插拔，隨機更換。 PLC 與 DCS 的功能已經(jīng)差不多， DCS 對網(wǎng)絡(luò)和分布式數(shù)據(jù)庫還要定時掃描有較強的功能，同時對運算和模擬量的處量比較拿手?，F(xiàn)在兩個技術(shù)平臺都差不多，只是重點不一樣。E輸入輸出混合擴展單元及擴展模塊 。 EY輸出專用擴展模塊 . 輸出形式 (其中輸入專用無記號 ): R繼電器輸出 。S晶閘管輸出 特殊物品的區(qū)別 D:DC電源 ,DC輸入 A1:AC電源 ,AC輸入 (AC100120V)或 AC輸入模塊 H:大電流輸出擴展模塊 V:立式端子排的擴展模式 C:接插口輸入輸出方式 F:輸入濾波器 1ms 的擴展模塊 L:TTL 輸入型模塊 S:獨立端子 (無公共端 )擴展模塊 電動機的功率選定為 1KW 根據(jù)設(shè)備及工藝要求，包裝輸送系統(tǒng)采用上位機和下位機組成，上位機使用兩臺 PLC 機：一臺作為操作站實現(xiàn)整個系統(tǒng)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)檢測；另一臺作為組態(tài)軟件的設(shè)計與開發(fā)， PLC 程序的開發(fā)以及將軟件通過總線傳送到 PLC 的 CPU 單元。其具體組成如下： 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 9 頁 共 30 頁 中央控制單元 中央控制單元選用 CPU 3152DP3作為 PLC 的核心部件，進行邏輯和數(shù)字運算，協(xié)調(diào)整個控制系統(tǒng)各部件的工作。自帶的 PS307/5A 直流電源對 CPU 和部分卡件進行供電。設(shè)計前，應(yīng)深入現(xiàn)場進行調(diào)查研究，搜索資料，并與機械部分的設(shè)計人員和實際操作人員密切配合，共同擬定電氣控制方案，協(xié)同解決設(shè)計中出現(xiàn)的各種問題。 （ 3）保證控制系統(tǒng)的安全可靠。 在該系統(tǒng)中，輸入點數(shù)為 15，輸出點數(shù)為 8，為繼電器輸出，則我可以選擇001402 ?? MRFX N 機型，由于此設(shè)計的系統(tǒng)要求不復(fù)雜，則可以選用小型控制系統(tǒng)中采用整體式 PLC。 (二 ) 開關(guān)量輸出模塊的選擇 該系統(tǒng)中開關(guān)輸出模塊的輸出方式為繼電器輸出。 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 10 頁 共 30 頁 電動機的最大容量為 1KW，則三臺電動機的最大容量為 3KW，則三級組合開關(guān)的額定電流為 10A，型號為 HZ1010。 （九） 繼電器的選擇 采用具有掉電保持功能的繼電器，防止因電源故障造成數(shù)據(jù)的丟失。 熱繼電器的選擇（ FR） 一臺電動機的額定電流為 ，由于是 3 臺電動機總額定電流為 ，可以用電流調(diào)節(jié)范圍為 — 16A,則熱繼電器的型號為 JR1620/3，此額定電流為 20A。 式中： NP —— 電動機的額定功率 K —— 經(jīng)驗系數(shù)，一般取 1— NU —— 電動機的額定電壓 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 11 頁 共 30 頁 四、 PLC 外部分配 （一） I/O 地址表 名 稱 代號 輸入 名 稱 代號 輸入 名 稱 代號 輸出 啟動 SB1 X0 夾緊 SB5 X10 電磁閥下降 YV1 Y0 下限行程 SQ1 X1 放松 SB6 X11 電磁閥夾緊 YV2 Y1 上限行程 SQ2 X2 單步上升 SB7 X12 電磁閥上升 YV3 Y2 右限行程 SQ3 X3 單步下降 SB8 X13 電磁閥右行 YV4 Y3 左限行程 SQ4 X4 單步左移 SB9 X14 電磁閥左行 YV5 Y4 停止 SB2 X5 單步右移 SB10 X15 原點指示 EL Y5 手動操作 SB3 X6 回原點 SB11 X16 連續(xù)操作 SB4 X7 工件檢測 SQ5 X17 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 12 頁 共 30 頁 （二） PLC 外部接線圖 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 13 頁 共 30 頁 （三） 機械動作過程實現(xiàn) 操作系統(tǒng)包括回原點程序，手動單步操作程序和自動連續(xù)操作程序，如圖 3 所示。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。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。用 S10~S12 作回零操作元件。 （五） 手動單步操作程序 如圖 5 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 15 頁 共 30 頁 （六） 自動操作程序 自動操作狀態(tài)轉(zhuǎn)移見圖 6 所示。 S21 驅(qū)動 Y1 置位，延時 1 秒，以使電磁力達到最大夾緊力。 S23驅(qū)動 Y3 右移。下降到最低位， X1 接通，電磁鐵放松。延時時間到， T1 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 S26 上升。左移到最左位，使 X4 接通，返回初無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 12級電氣自動化 專業(yè)畢業(yè)論文 第 16 頁 共 30 頁 始狀態(tài)，再開始第二次循環(huán)動作。該程序可在串行系統(tǒng)中可與可編程控制器進行通訊 ,文件傳送 ,操作監(jiān)控以及各種測試功能。 在 PLC 與 PC 之間必須有接口單元及纜線。 （二） 用 GPP 編寫梯形圖 GPP 軟件使用起來靈活、簡單、方便，我們把它安裝在程序中，使用時只要進入程序，選中 MELSEC Applications → 在 WINDOWS 下運行的 GPP ,打開工程，選中新建，出現(xiàn)如下圖 41 畫面，先在 PLC 系列中選出你所使用的程控器的 CPU 系列，如在我們的實驗中，選用的是 FX 系列，所以選 FXCPU， PLC 類型是指選機器的型號，我們實驗用 FX2N系列，所以選中 FX2N（ C），確定后出現(xiàn)如圖 42 畫面，在畫面上我們清楚地看到，最左邊是根母線，蘭色框表示現(xiàn)在可寫入?yún)^(qū)域，上方有菜單，你只要任意點擊其中的元件，就可得到你所要的線圈、觸點等。 如要輸入一個定時器 ,先選中線圈，再輸入一些數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的輸入標準在第三章中已提過，圖 44 顯示了其操作過程。 圖 45 注意，在圖 45 中的箭頭所示部分，它選中的是應(yīng)用指令，而不是線圈。圖 47 是一個簡單的計數(shù)器顯示形式。在圖 46 的上方還有其它的一些功能菜單 ,如果你把光標指向菜單上的某處，在屏幕的左下角就會顯示其功能，或者打開菜單上的“幫助”，你可找到一些快捷鍵列表、特殊繼電器 /寄存器等信息，同學(xué)們可自己邊學(xué)習(xí)邊練習(xí)。 圖 48 在程序的轉(zhuǎn)換過程中，如果程序有錯，它會顯示，也可通過菜單“工具”，查詢程序的正確性。 寫完梯形圖后，在菜單上還是選擇“在線”，選中“寫入 PLC（ W）”，就出現(xiàn)如圖 49 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 21 頁 共 30 頁 圖 49 從圖上可看出，在執(zhí)行讀取及寫入前必須先選中 MAIN、 PLC 參數(shù)，否則，不能執(zhí)行對程序的讀取、寫入，然后點擊“開始執(zhí)行”即可。若操作成功后，把 PLC 置于停止狀態(tài)，關(guān)閉監(jiān)控，再拔 PLC 電源。 S21 驅(qū)動 Y1 置位，延時 1 秒 ，以使電磁力達到最大夾緊力。 S23 驅(qū)動 Y3 右移。下降到最低位， X1 接通，電磁鐵放松。延時時間到，