【正文】 大量的精力進(jìn) 行計(jì)算機(jī)編程，也能像繼電器那樣方便的使用。該公司于 1969 年研制出了第一臺(tái)符合招標(biāo)要求的工業(yè)控制器，命名為可編程邏輯控制器（ PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER），簡稱 PLC（有的稱為 PC),并在 GM 公司的汽車自動(dòng)裝配線上實(shí)驗(yàn)獲得了成功。隨著大規(guī)模集成電路和微處理器在 PLC 中的應(yīng)用，使 PLC 的功能不斷得到增強(qiáng)，產(chǎn)品得到飛速發(fā)展。用 PLC 進(jìn)行開關(guān)量控制的實(shí)例很多，在冶金、機(jī)械、紡織、輕工、化工、鐵路等行業(yè)幾乎都需要它，例如燈光照明、機(jī)床電控、食品加工、印刷機(jī)械、電梯、自動(dòng)化倉庫 、 機(jī)械手 系統(tǒng)、生產(chǎn)流水線等方面的邏輯控制，都廣泛應(yīng)用 PLC 來取代傳統(tǒng)的繼電器控制。 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書 2 第 1 章 機(jī)械手控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 方案設(shè)計(jì)原則 整個(gè)設(shè)計(jì)過程是按工藝流程設(shè)計(jì)，為設(shè)備安裝、運(yùn)行和保護(hù)檢修服務(wù)，設(shè)計(jì)的編號(hào)按照國家關(guān)于電氣自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)中的電氣設(shè)備常用基本圖形符號(hào) （ GB4728） 及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范編寫。因此，在設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則 : (1) 最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求 ； (2) 保證 PLC控制系統(tǒng)安全可靠 ； (3) 力求簡單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便 ； (4) 適應(yīng)發(fā)展的需要 對(duì)于本課題來說，機(jī)械手抓 動(dòng)作過程和抓取物件的控制與升級(jí) ， 控制裝置需要根據(jù)企業(yè)設(shè)備和工藝現(xiàn)況來構(gòu)成并需盡可能的利用舊系統(tǒng)中的元器件。 要實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要從怎樣實(shí)現(xiàn)多個(gè)電磁閥的開關(guān)以及電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的控制這個(gè)角度去考慮，現(xiàn)在就這個(gè)問題的如何實(shí)現(xiàn)以及選擇怎樣的方法來確定系統(tǒng)方案。 上升移動(dòng)過程： 機(jī)械手夾緊物體， 上升到位時(shí)，閉合上限位開關(guān) SQ2，機(jī)械手停止上升，并保持夾緊動(dòng)作。 下降放松過程：機(jī)械手持續(xù)夾緊物體，下降到位時(shí)閉合下限位開關(guān)，機(jī)械手停止下降。 回到原位過程：放下物體后 ，機(jī)械手回升，當(dāng)回升到位時(shí)，閉合上限位開關(guān)，機(jī)械手停止回升，并向左移動(dòng)，當(dāng)左移到位時(shí)，閉合左限位開關(guān)，機(jī)械手停止左移。 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 就目前的現(xiàn)狀有以下幾種控制方式滿足系統(tǒng)的要求 ：繼電器控制系統(tǒng)、單片機(jī)控制、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制、可編程控制器控制。 繼電器控制系統(tǒng) 控制功能是用硬件繼電器實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)復(fù)雜，在控制過程中，如果某個(gè)繼電器損壞，都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，查找和排除故障往往非常困難，雖然繼電器本身價(jià)格不太貴，但是控制柜的安裝接線工作量大，因此整個(gè)控制柜價(jià)格非常高，靈活性差，響應(yīng)速度慢。其低功耗、低電壓和很強(qiáng)的控制功能，成為功控領(lǐng)域、尖端武器、日常生活中最廣泛的計(jì)算機(jī)之一。要將它用于工業(yè)控制還要附加一些配套的集成電路和 I/O 接口電路，硬件設(shè)計(jì)、制作和程序設(shè)計(jì)的工作量相當(dāng)大。但工控機(jī)價(jià)格較高， 將它用于開關(guān)量控制有些大材小用。 可編程序控制器控制 可編程控制器配備各種硬件裝置供用戶選擇，用戶不用自己設(shè)計(jì)和制作硬件裝置，只須確定可編程序控制器的硬件配制和設(shè)計(jì)外部接線圖，同時(shí)采用梯形圖語言編程，用軟件取代繼電器電器系統(tǒng)中的觸點(diǎn)和接線，通過修改程序適應(yīng)工藝條件的變化。隨著 30 多年來微電子技術(shù)的不斷發(fā)展， PLC 也通過不斷的升級(jí)換代大大增強(qiáng)了其功能。由 PLC 為主構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有可靠性高、控制功能強(qiáng)大、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是目前工業(yè)自動(dòng)化的首選控制裝置。 運(yùn)動(dòng)控制 PLC可用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制，世界上各主要 PLC 廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動(dòng)控制功能。 作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。 隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各 PLC 廠商都十分重視 PLC 的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。根據(jù)本控制系統(tǒng)的控制 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書 5 要求應(yīng)該選擇可編程序控制器控制。故選擇 PLC來實(shí)施本次設(shè)計(jì)。具體應(yīng)考慮的因素如下所述： 1．結(jié)構(gòu)合理 對(duì)于工藝過程比較固定、環(huán)境條件較好、維修量較小的場合，選用整體式結(jié)構(gòu)的 PLC；否則，選用模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC，物料混合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用整體式結(jié)構(gòu)的 PLC 能夠達(dá)到要求。 3．機(jī)型統(tǒng)一 PLC 的結(jié)構(gòu)分為整體式和模塊式兩種。但由于整體式結(jié)構(gòu)的 PLC 功能有限，只適用于控制要求比較簡單的系統(tǒng)。一個(gè)大型企業(yè)選用 PLC 時(shí)，盡量要做到機(jī)型統(tǒng)一。若配備了上位計(jì)算機(jī)，可把各獨(dú)立系統(tǒng)的多 臺(tái) PLC 聯(lián)成一個(gè)多級(jí)分布式控制相互通信，集中協(xié)調(diào)管理。 4．是否在線編程 PLC 的特點(diǎn)之一是使用靈活。 PLC 的編程分為離線編程和在線編程兩種。 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書 6 5． PLC 的環(huán)境適應(yīng)性 由于 PLC 是直接用于工業(yè)控制的工業(yè)控制器，生產(chǎn)廠家都把它設(shè)計(jì)成能在惡劣的環(huán)境條件下可靠地工作。一般 PLC及其外部電路（ I/O 模塊、輔助電源等）都能在下列環(huán)境條件下可靠工作： 溫度：工作溫度 0～ 55℃，最高為 60℃ 儲(chǔ)存溫度： 40℃～＋ 85℃ 濕度：相對(duì)濕度 5%～ 95%(無凝結(jié)霜 ) 振動(dòng)和沖擊： 滿足國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn) 電源：交流 220V，允許變化范圍為 15%～＋ 15%，頻率為 47～ 53Hz 瞬間停電保持 l0ms 環(huán)境：周圍空氣不能混有可燃性、爆炸性和腐蝕性氣體 對(duì)于需要應(yīng)用在特殊環(huán)境下的 PLC，要根據(jù)具體的情況進(jìn)行合理的選擇。 PLC 容量的選擇除滿足控制要求外，還應(yīng)留有適當(dāng)?shù)脑Ａ?，以做備用。?duì)于開關(guān)量控制系統(tǒng)，存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)為開關(guān)量I/O 乘以 8；對(duì)于有模擬量控制功能的 PLC，所需存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)為模擬內(nèi)存單元數(shù)乘以 100。計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、移位及算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎噶钫加么鎯?chǔ)器兩個(gè)字。 I/O 點(diǎn)數(shù)也應(yīng)留有適當(dāng)裕量。根據(jù)被控對(duì)象的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的總點(diǎn)數(shù)，并考慮到今后的調(diào)整和擴(kuò)充，通常 I/O 點(diǎn)數(shù)按實(shí)際需要的 10%～ 15%考慮備用量。它與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過 I/O 接口模塊可以檢測(cè)被控生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，并以這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)作為控制 器對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行控制的依據(jù)。外部設(shè)備或生產(chǎn)過程中的信號(hào)電平各種各樣，各種機(jī)構(gòu)所需的信息電平 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書 7 也是各種各樣的，而 PLC 的 CPU 所處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以 I/O 接口模塊還需實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。為了確保這些信息的正確無誤， PLC 的 I/O 接口模塊都具有較好的抗干擾能力。 1．確定 I/O 點(diǎn)數(shù) I/O 點(diǎn)數(shù)的確定要充分的考慮到裕量，能方便地對(duì)功能進(jìn)行擴(kuò)展。 2．開關(guān)量 I/O 標(biāo)準(zhǔn)的 I/O 接口用于同傳感器和開關(guān)（如按鈕、限位開關(guān)等）及控制（開 /關(guān)）設(shè)備（如指示燈、報(bào)警器、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器等）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 3．選擇開關(guān)量輸入模塊主要從下面兩方面考慮：一是根據(jù)現(xiàn)場輸入信號(hào)與 PLC 輸入模塊距離的遠(yuǎn)近來選擇電平的高低。如12V 電壓模塊一般不超過 10m，距離較遠(yuǎn)的設(shè)備選用較高電壓模塊比較可靠。一般同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)不得超過總輸入點(diǎn)數(shù)的 60%。輸出模塊有三種輸出方式：繼電器輸出、晶閘管輸出、晶體管輸出。模塊的輸出電流必須大于負(fù)載電流的額定值，如果負(fù)載電流較大，輸出模塊不能直接驅(qū)動(dòng)時(shí)，應(yīng)增加中間放大環(huán)節(jié)。三是允許同時(shí)接通的輸出點(diǎn)數(shù)。 電源模塊的選擇 電源模塊的選擇一般只需考慮輸出電流。以下步驟為選擇電源的一般規(guī)則： 1．確定電源的輸入電壓； 2．將框架中每塊 I/O 模塊所需的總背板電流相加，計(jì)算出 I/O 模塊所需的總背板電流值； 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書 8 3． I/O 模塊所需的總背板電流值再加上以下各電流： 1） 框架中帶有處理器時(shí)，則加上處理器的最大電流值； 2） 當(dāng)框架中帶有遠(yuǎn)程適配器模塊或擴(kuò)展本地 I/O 適配器模塊時(shí)，應(yīng)加上其最大電流值。 5．在框架中是否有用于電源的空槽，否則將電源裝到框架的外面。 具體應(yīng)考隨著 PLC 技術(shù)的發(fā)展， PLC 產(chǎn)品的種類越來越多，而且功能也日益 完善。因此選擇合理的 PLC 對(duì)提高 PLC 控制系統(tǒng)技 術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)意義重大。 機(jī)械手 的基本構(gòu)造 及 PLC I/O 點(diǎn)分配 系統(tǒng)組成 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及 位置 檢測(cè)裝置等所組成， 各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖 21所示。機(jī)械手各部分組成列表21。 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 手部 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 動(dòng)力源 手腕 控制調(diào)節(jié)裝置 手臂 輔助裝置 立柱 控制系統(tǒng) 程序控制系統(tǒng) 行走機(jī)構(gòu) 定位控制系統(tǒng) 機(jī)座 位置檢測(cè)裝置 表 21 機(jī)械手各部分組成列表 圖 22 實(shí)物圖 圖 23 各部分結(jié)構(gòu)圖 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書 10 （ 1） 機(jī)座 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。機(jī)械手的立柱通常為固定不動(dòng)的，但因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱可移式立柱。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件（如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等）與驅(qū)動(dòng)源（如液壓、氣壓或電機(jī)等）相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng) 。手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運(yùn)動(dòng)。 （ 5） 手部 手部即與不加接觸的部件。夾持式手部由手指和 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所組成。 回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較為廣泛。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓去物件的表面形狀 、被抓部位和物件的重量及尺寸。滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。 、 機(jī)械手 PLC 的 模擬實(shí)驗(yàn)面板 圖中的啟動(dòng)、停止用動(dòng)斷按鈕來實(shí)現(xiàn)，限位開關(guān)用鈕子開關(guān)來模擬，電磁閥的原位指示燈用發(fā)光二極管來模擬。共計(jì) 13個(gè) ，具體如下表： 表 22 輸入 接線 SD SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 輸出 接線 YV1 YV2 YV3 YV4 YV5 HL LED 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書 13 主電路的設(shè)計(jì) 機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制要求 模擬實(shí)驗(yàn)面板圖中為一個(gè)將工件由 A 處傳送到 B處的機(jī)械手，上升 /下降和左移 /右移的執(zhí)行用雙線圈二位電磁閥推動(dòng)氣缸完成。另外，夾緊 /放松由單線圈二位電磁閥推動(dòng)氣缸完成，線圈通電執(zhí)行夾緊動(dòng)作，線圈斷電時(shí)執(zhí)行放松動(dòng)作。 本次主電路設(shè)計(jì)運(yùn)用雙線圈二位電磁閥推動(dòng)氣缸完成。 FU 為熔斷器實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)， BB 熱繼電器實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，欠壓和失壓保護(hù)依靠接觸器本身實(shí)現(xiàn)。 在掌握一些典型控制環(huán)節(jié)和電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)被控對(duì)象對(duì)控制系統(tǒng)的具體要求，憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇、組合。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的具體步驟如下： 1．確定輸入 /輸出電器； 2．確定輸入和輸出點(diǎn)的個(gè)數(shù)、選擇 PLC 機(jī)型、進(jìn)行 I/O 分配； 3．做出系統(tǒng)動(dòng)作工程流程圖； 4．選擇 PLC 指令并編寫程序； 5．編寫其它控制要求的程序； 將各個(gè)環(huán)節(jié)編寫的程序聯(lián)系起來，即得到一個(gè)滿足控制要求的程序。該方法是根據(jù)數(shù)字電子技術(shù)中的邏輯設(shè)計(jì)法進(jìn)行 PLC 程序的設(shè)計(jì)，它使用邏輯表達(dá)式描述問題。 順序設(shè)計(jì)法 對(duì)那些按動(dòng)作的先后順序進(jìn)行控制的系統(tǒng)，非常適合使用順序控制設(shè)計(jì)法進(jìn)行編程。在用順序控制設(shè)計(jì)法編程時(shí)，功能圖是很重要的工具。 綜上所述，本控制系統(tǒng)采用順序設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)。 2. 梯形圖中接點(diǎn)（觸點(diǎn)）只有常開和常閉，接點(diǎn)可以是 PLC 輸入點(diǎn)接的開關(guān)，也可以是 PLC 內(nèi)部繼電器的接點(diǎn)或內(nèi)部寄存器、計(jì)數(shù)器等的狀態(tài)。 4. 內(nèi)部繼電器、計(jì)數(shù)器、寄存器等均不能直接控制外部負(fù)載，只能做中間結(jié)果供CPU 內(nèi)部使用。 梯形圖的編制采用 STEP7— Micro/WIN32 軟件， STEP7— Micro/WIN32 軟件是西門子S7200PLC 的開發(fā)工具，主要用于開發(fā)程序，也可用于實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)，該軟件具有 Windows 應(yīng)用軟件的通用界面 ,易學(xué)易用。 T37的延時(shí)程序，延時(shí) 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書 19 當(dāng) =1時(shí)，原位只指示燈亮，并閃爍，此時(shí)處于待機(jī)狀態(tài)。 控制過程如下： （ 1） 按下啟動(dòng)按鈕， 置“ 1”，產(chǎn)生移位信號(hào)， 的“ 1”態(tài)移至 ，下降閥輸出繼電器 接通，執(zhí)行下降動(dòng)