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1、 課程設計 題 目 名 稱 機電一體化系統(tǒng)設計課程設計 課 程 名 稱 機械臂的PLC控制 目 錄 目錄…………………… ……………………………… 4 前言……………… ………………… …………………5 　　1、PLC簡介…………… … ………………… … …… 6 　　1.1 PLC發(fā)展 ……………… … ……… …… … …… 6 　　1.2 PLC基本結構……………………………………… 8 　　1.3 PLC工作原理…………………………

2、… …… … 12 　 2、氣動機械臂的PLC控制……………… …………15 2.1 控制特點… ………………………… ……………15 2.2 系統(tǒng)控制示意圖… ………………… ……………16 2.3 輸入和輸出點分配表及原理接線圖… … ………16 2.4 操作系統(tǒng)… ……………………………… ………17 2.5 回原位程序… …………………………… ………18 2.6手動單步操作程序… …………………… … ……19 2.7自動操作程序… ………………………… … ……20 2.8機械臂傳送系統(tǒng)梯形圖… ……… …………… …20 2.9指令語句表… ……………………

3、…… …… ……22 8、設計小結 ……… …… …………… …… … ……23 　　參考文獻 …………………………………… ……… 24 前 言 可編程序控制器（Programmable Logic Controller），簡稱PLC，是在繼電順序控制基礎上發(fā)展起來的以微處理器為核心的通用的工業(yè)自動化控制裝置。隨著電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展，PLC的功能也越來越強大，更多地具有計算機的功能，所以又簡稱PC（PROGRAMMABLE CONTROLLER），但是為了不和PERSONAL COMPUTER混淆，仍習慣稱為PLC。目前PLC已經(jīng)在智能化、網(wǎng)絡化

4、方面取得了很好的發(fā)展，并且現(xiàn)今已出現(xiàn)SOFTPLC，更是PLC領域無限的發(fā)展前景。本文主要通過氣動機械臂的PLC控制來介紹PLC的具體應用，讓我們更熟悉PLC，為今后學習打下基礎。 1 PLC簡介 可編程控制器（簡稱PLC）：是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。 1.1 PLC發(fā)展歷史 20世紀60年代末期，美國汽車制造工業(yè)競

5、爭激烈，為了適應生產工藝不斷更新的需要，在1968年美國通用汽車公司（GM）首先公開招標，對控制系統(tǒng)提出的具體要求基本為：a。 它的繼電控制系統(tǒng)設計周期短，更改容易，接線簡單成本低。b。它能把計算機的功能和繼電器控制系統(tǒng)結合起來。但編程要比計算機簡單易學、操作方便。c。系統(tǒng)通用性強。1969年美國數(shù)字設備公司（DEC）根據(jù)上述要求，研制出世界上第一臺PLC，并在GM公司汽車生產線上首次試用成功，實現(xiàn)了生產的自動化。其后日本、德國等相繼引入，可編程序控制器迅速發(fā)展起來，但是主要應用于順序控制，只能進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC。其定義：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，

6、專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P外部設備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。 1.2 基本結構PLC 可編程序控制器實施控制，其實質就是按一定算法進行輸入輸出變換，并將這個變換與以物理實現(xiàn)。輸入輸出變換、物理實現(xiàn)可以說是PLC實施控制的兩個基本點，同時物理實現(xiàn)也是PLC與普通微機相區(qū)別之處，其需要考慮實際控制的需要，應能排除干擾信號適應于工業(yè)現(xiàn)場，輸出應放大到工業(yè)控制的水

7、平，能為實際控制系統(tǒng)方便使用，所以PLC采用了典型的計算機結構，主要是由微處理器（CPU）、存儲器（RAM/ROM）、輸入輸出接口（I/O）電路、通信接口及電源組成。PLC的基本結構如下圖所示： 1.2.1中央處理單元(CPU) 中央處理單元 (CPU)是PLC的控制核心。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能：a. 接收并存儲從用戶程序和數(shù)據(jù)；b.檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式采集現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象寄存區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏

8、輯或算數(shù)運算并將結果送入I/O映象寄存區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象寄存區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)直到停止運行。 為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 1.2.2存儲器 可編程序控制器的存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。存放系統(tǒng)軟件（包括監(jiān)控程序、模塊化應用功能子程序、命令解釋程序、故障診斷程序及其各種管理程序）的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器；存放用戶程序（用戶程序存和數(shù)據(jù)）的存儲器稱為用戶程

9、序存儲器，所以又分為用戶存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩部分。 PLC常用的存儲器類型 ： （1）RAM （Random Assess Memory） 這是一種讀/寫存儲器(隨機存儲器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。 （2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）這是一種可擦除的只讀存儲器。在斷電情況下，存儲器內的所有內容保持不變。(在紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲器內容)。 （3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)這是一種電可擦除的只讀存儲器。使用編程器就能很容易地對

10、其所存儲的內容進行修改。 PLC存儲空間的分配 ：雖然各種 PLC的CPU的最大尋址空間各不相同，但是根據(jù)PLC的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域： （1）系統(tǒng)程序存儲區(qū) （2）系統(tǒng)RAM存儲區(qū)（包括I/O映象寄存區(qū)和系統(tǒng)軟設備等）。 （3）用戶程序存儲區(qū) 系統(tǒng)程序存儲區(qū)：在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化在 EPROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該PLC的性能。 系統(tǒng)RAM存儲區(qū)：系統(tǒng)RAM存儲區(qū)包括I/O映象寄存區(qū)以及各類軟元件，如：邏輯線圈、

11、數(shù)據(jù)寄存器、計時器、計數(shù)器、變址寄存器、累加器等存儲器。 （1）I/O映象寄存區(qū)：由于PLC投入運行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應的外設。因此，它需要一定數(shù)量的存儲單元(RAM)以存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作I/O映象寄存區(qū)。一個開關量I/O占用存儲單元中的一個位，一個模擬量I/O占用存儲單元中的一個字。因此整個I/O映象寄存區(qū)可看作兩個部分組成：開關量I/O映象寄存區(qū)；模擬量I/O映象寄存區(qū)。 （2）系統(tǒng)軟元件存儲區(qū) ：除了I/O映象寄存區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng)RAM存儲區(qū)還包括PLC內部各類軟元件（邏輯線圈、計時器、計數(shù)器

12、、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等）的存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和失電不保持的存儲區(qū)域，前者在PLC斷電時，由內部的鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會丟失；后者當PLC斷電時，數(shù)據(jù)被清零。 （3）用戶程序存儲區(qū) ： 用戶程序存儲區(qū)存放用戶編制的用戶程序。不同類型的 PLC，其存儲容量各不相同。 1.2.3 輸入接口電路 輸入輸出信號有開關量、模擬量、數(shù)字量三種，在我們實習室涉及到的信號當中，開關量最普遍，也是實驗條件所限，在次我們主要介紹開關量接口電路。 可編程序控制器優(yōu)點之一是抗干擾能力強。這也是其I/O設計的優(yōu)點之處，經(jīng)過了電氣隔離后，信號才送入CPU執(zhí)行的,防止現(xiàn)場的強電干擾進入

13、。如下圖就是采用光電耦合器(一般采用反光二極管和光電三極管組成)的開關量輸入接口電路： 1.2.4 輸出接口電路 可編程序控制器的輸出有：繼電器輸出(M)、晶體管輸出(T)、晶閘管輸出(SSR)三種輸出形式。 (1) 輸出接口電路的隔離方式 (2) 輸出接口電路的主要技術參數(shù) a.響應時間 響應時間是指PLC從ON狀態(tài)轉變成OFF狀態(tài)或從OFF狀態(tài)轉變成ON狀態(tài)所需要的時間。繼電器輸出型響應時間平均約為10ms；晶閘管輸出型響應時間為1ms以下；晶體管輸出型在0.2ms以下為最快。 b.輸出電流 繼電器輸出型具有較

14、大的輸出電流，AC250V以下的電路電壓可驅動純電阻負載2A/1點、感性負載80VA以下（AC100V或AC200V）及燈負載100W以下（AC100V 或200V）的負載；Y0、Y1以外每輸出1點的輸出電流是0.5A，但是由于溫度上升的原因，每輸出4合計為0.8A的電流，輸出晶體管的ON電壓約為1.5V，因此驅動半導體元件時，請注意元件的輸入電壓特性。Y0、Y1每輸出1點的輸出電流是0.3A，但是對Y0、Y1使用定位指令時需要高速響應，因此使用10—100mA的輸出電流；晶閘管輸出電流也比較小，F(xiàn)X1S無晶閘管輸出型。 c.開路漏電流 開路漏電流是指輸出處于OFF狀態(tài)時，輸出回路中的電

15、流。繼電器輸出型輸出接點OFF是無漏電流；晶體管輸出型漏電流在0.1mA以下；晶閘管較大漏電流，主要由內部RC電路引起，需在設計系統(tǒng)時注意。 輸出公共端（COM） 公共端與輸出各組之間形成回路，從而驅動負載。FX1S有1點或4點一個公共端輸出型，因此各公共端單元可以驅動不同電源電壓系統(tǒng)的負載。 1.2.5電源 PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可靠得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。如FX1S額定電壓AC100V—

16、240V，而電壓允許范圍在AC85V—264V之間。允許瞬時停電在10ms以下，能繼續(xù)工作。 一般小型PLC的電源輸出分為兩部分：一部分供PLC內部電路工作；一部分向外提供給現(xiàn)場傳感器等的工作電源。因此PLC對電源的基本要求： ①能有效地控制、消除電網(wǎng)電源帶來的各種干擾； ②電源發(fā)生故障不會導致其它部分產生故障； ③允許較寬的電壓范圍； ④電源本身的功耗低，發(fā)熱量??； ⑤內部電源與外部電源完全隔離； ⑥有較強的自保護功能。 1.3 PLC的工作原理 由于PLC以微處理器為核心，故具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采用等待命令的工作方式，如常見的

17、鍵盤掃描方式或I/O掃描方，若有鍵按下或有I/O變化，則轉入相應的子程序，若無則繼續(xù)掃描等待。 PLC則是采用循環(huán)掃描的工作方式。對每個程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條執(zhí)行用戶程序，直至遇到結束符后又返回第一條指令，如此周而復始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。掃描周期的長短主要取決于以下幾個因素：一是CPU執(zhí)行指令的速度；二是執(zhí)行每條指令占用的時間；三是程序中指令條數(shù)的多少。一個掃描周期主要可分為3個階段。 1.3.1輸入刷新階段 在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成

18、輸入端刷新工作后，將關閉輸入端口，轉入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間即使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內容也不會改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。 1.3.2程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執(zhí)行，并將相應的邏輯運算結果存入對應的內部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。當最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉入輸入刷新階段。 1.3.3 輸出刷新階段 當所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內容，依次送到輸出鎖存電路（輸出映像寄存器），并通過一定輸出方式輸出，驅動外部相應執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實際輸出。 由此可見，輸入刷

19、新、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段構成PLC一個工作周期，由此循環(huán)往復，因此稱為循環(huán)掃描工作方式。由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進行的，所以亦將這兩個階段統(tǒng)稱為I/O刷新階段。實際上，除了執(zhí)行程序和I/O刷新外，PLC還要進行各種錯誤檢測（自診斷功能）并與編程工具通訊，這些操作統(tǒng)稱為“監(jiān)視服務”，一般在程序執(zhí)行之后進行。綜上述，PLC的掃描工作過程如圖1—4所示。 顯然掃描周期的長短主要取決于程序的長短。掃描周期越長，響應速度越慢。由于每個掃描周期只進行一次I/O刷新，即每一個掃描周期PLC只對輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，所以系統(tǒng)存在輸入輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響

20、應速度。但是由于其對I/O的變化每個周期只輸出刷新一次，并且只對有變化的進行刷新，這對一般的開關量控制系統(tǒng)來說是完全允許的，不但不會造成影響，還會提高抗干擾能力。這是因為輸入采樣階段僅在輸入刷新階段進行，PLC在一個工作周期的大部分時間是與外設隔離的，而工業(yè)現(xiàn)場的干擾常常是脈沖、短時間的，誤動作將大大減小。但是在快速響應系統(tǒng)中就會造成響應滯后現(xiàn)象，這個一般PLC都會采取高速模塊。 總之，PLC采用掃描的工作方式，是區(qū)別于其他設備的最大特點之一，我們在學習和使用PLC當中都應加強注意。 2 機械臂的PLC控制 2.1 控制特點 機械臂電氣控制系統(tǒng)，除了有多工步特點之外，

21、還要求有連續(xù)控制和手動控制等操作方式。工作方式的選擇可以很方便地在操作面板上表示出來。當旋鈕打向回原點時，系統(tǒng)自動地回到左上角位置待命。當旋鈕打向自動時，系統(tǒng)自動完成各工步操作，且循環(huán)動作。當旋鈕打向手動時，每一工步都要按下該工步按鈕才能實現(xiàn)。以下是設計該機械臂控制程序的步驟和方法。 2.2 系統(tǒng)控制示意圖 機械臂傳送工件系統(tǒng)示意圖，如圖1所示。 圖1 機械臂傳送示意及操作面板圖 2.3 輸入和輸出點分配表及原理接線圖 表1 機械臂傳送系統(tǒng)輸入和輸出點分配表 名 稱 代號 輸入 名 稱 代號 輸入 名 稱

22、 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

23、 SB11 X16 連續(xù)操作 SB4 X7 工件檢測 SQ5 X17 2.4 操作系統(tǒng) 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。 其原理是： 把旋鈕置于回原點，X16接通，系統(tǒng)自動回原點，Y5驅動指示燈亮。再把旋鈕置于手動，則X6接通，其常閉觸頭打開，程序不跳轉（CJ為一跳轉指令，如果CJ驅動，則跳到指針P所指P0處），執(zhí)行手動程序。之后，由于X7常閉觸點，當執(zhí)行CJ指令時，跳轉到P1所指的結束位置。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

24、動程序。 2.5 回原位程序 回原位程序如圖4所示。用S10~S12作回零操作元件。應注意，當用S10~S19作回零操作時，在最后狀態(tài)中在自我復位前應使特殊繼電器M8043置1。 2.6手動單步操作程序　 　如圖5所示。圖中上升/下降，左移/右移都有聯(lián)鎖和限位保護。 2.7自動操作程序 自動操作狀態(tài)轉移見圖6所示。當機械臂處于原位時，按啟動X0接通，狀態(tài)轉移到S20，驅動下降Y0，當?shù)竭_下限位使行程開關X1接通，狀態(tài)轉移到S21，而S20自動復位。S21驅動Y1置位，延時1秒，以使電磁力達到最大夾緊力。當T0接通，狀態(tài)轉移到S22，驅動Y2上升，當上

25、升到達最高位，X2接通，狀態(tài)轉移到S23。S23驅動Y3右移。 移到最右位，X3接通，狀態(tài)轉移到S24下降。下降到最低位，X1接通，電磁鐵放松。為了使電磁力完全失掉，延時1秒。延時時間到，T1接通，狀態(tài)轉移到S26上升。上升到最高位，X2接通，狀態(tài)轉移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始狀態(tài)，再開始第二次循環(huán)動作。 在編寫狀態(tài)轉移圖時注意各狀態(tài)元件只能使用一次，但它驅動的線圈，卻可以使用多次，但兩者不能出現(xiàn)在連續(xù)位置上。因此步進順控的編程，比起用基本指令編程較為容易，可讀性較強。 2.8機械臂傳送系統(tǒng)梯形圖 如圖7所示。圖中從第0行到第27行為回原位狀態(tài)程序。從第28行到第

26、66行，為手動單步操作程序。從第67行到第129行為自動操作程序。這三部分程序（又稱為模塊）是圖3的操作系統(tǒng)運行的。 回原位程序和自動操作程序。是用步進順控方式編程。在各步進順控末行，都以RET結束本步進順控程序塊。但兩者又有不同?；卦怀绦虿荒茏詣臃祷爻跏紤B(tài)S1。而自動操作程序能自動返回初態(tài)S2。 2.9指令語句表 總 結 機械臂的PLC控制課程設計是機電課程當中一個重要環(huán)節(jié)通過了3周的課程設計使我對機械設計過程有進一步了解，對機電產品的有關的控制知識有了深刻的認識。 因為理論知識學的不牢固，在設計遇到了不少問題，

27、如：遺忘以前學過的專業(yè)基礎知識。通過理論與實際的結合，進一步提高觀察、分析和解決問題的實際工作能力，以便培養(yǎng)成為能夠主動適應社會主義現(xiàn)代化建設需要的高素質的復合型人才。運用學習成果，把理論運用于實際，使理論得以提升，形成創(chuàng)新思想。通過此次設計過程，鞏固了專業(yè)基礎知識，培養(yǎng)了我綜合應用機械設計課程及其他課程的理論知識和應用生產實際知識解決工程實際問題的能力，在設計的過程中還培養(yǎng)出了我們的團隊精神，為今后的學習和工作過程打下基礎。 參考文獻： 【1】郁漢琪、郭建主編.可變程序控制器原理及應用.北京：中國電力出版社，2005 【2】王炳實主編.單片機技術.第3版.北京：機械工業(yè)出版社，2004 【3】易泓可主編.基于數(shù)字PID設計.北京：機械工業(yè)出版社，2004 【4】鄧星鐘主編.機電傳動控制。武漢：華中科技大學出版社，2001 【5】濮良貴 ，紀名剛.《機械設計》8版.高等教育出版社. 2006 21