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機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，甚至于危及生命。自從機(jī)械手問世以來，相應(yīng)的各種難題迎刃而解。 本次設(shè)計(jì)根據(jù)課題的控制要求,確定了搬運(yùn)機(jī)械手的控制方案,設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的電氣原理圖，對控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件選型,完成PLC（可編程控制器）用戶程序的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中使用了德國西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列的CPU 226。該系列PLC具有功能強(qiáng)大，編程方便，故障率低，性價(jià)比高等多種優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械手的開關(guān)量信號直接輸入PLC，使用CPU 226來完成全部的控制功能，包括：手動(dòng)/自動(dòng)控制切換，循環(huán)次數(shù)設(shè)定，狀態(tài)指示，手動(dòng)完全操控等功能。機(jī)械手完成下降、伸出、加緊工件、上升、右旋、再下降、放松工件、縮回、放松、左旋十個(gè)動(dòng)作。通過模擬調(diào)試，有序的控制物料從生產(chǎn)流水線上安全搬離，提高搬運(yùn)工作的準(zhǔn)確性、安全性，實(shí)現(xiàn)一套完整的柔性生產(chǎn)線，使制造過程變的更有效率。 通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，對PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建立基本的思想：能提出自己的應(yīng)用心得；可鞏固、深化前續(xù)所學(xué)的大部分基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，進(jìn)一步培養(yǎng)和訓(xùn)練分析問題和解決問題的能力，進(jìn)一步提高自己的設(shè)計(jì)、繪圖、查閱手冊、應(yīng)用軟件以及實(shí)際操作的能力，從而最終得到相關(guān)崗位和崗位群中關(guān)鍵能力和基本能力的訓(xùn)練。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手；PLC（可編程控制器）；CPU；梯形圖 The Design of Manipulator Control System ABSTRACT In industrial manufacturing and other fields, due to the demand of work, many workers are compelled to expose in harmful circumstance like high temperature, corrosion, toxic gases harm and so on, that increased labor intensity, even imperial their lives. However, since the manipulator came out, many knotty problems are smoothly solved. The design requirements under the control of the subject to determine the handling robot control program, designed control system electrical schematic diagram, the control system hardware and software selection, complete the design of the user program in the PLC (programmable controller). Design used in the German company Siemens S7-200 series CPU 226. The series PLC with powerful, easy programming and low failure rate, and cost advantages. Robot switch signal input to the PLC, the CPU 226 to complete all the control functions, including: manual / automatic control switch, set the number of cycles, status indicator, manual complete control and other functions. the production line on the safe move out, so that the manufacturing process becomes more efficient. The graduation project, the design of PLC control system to establish the basic idea: to make their own application experience; can strengthen and deepen the most of the former continued the basic theory and professional knowledge, further training and training to analyze and solve problems the ability to further improve their design, drafting, inspection manuals, application software, as well as the actual ability to operate, and ultimately related jobs and job base in key skills and basic skills training. Key Words: Manipulator;PLC;CPU;Ladder-diagram 目 錄 第1章 緒論 1 1.1 機(jī)械手的背景與現(xiàn)實(shí)意義 1 1.2 國內(nèi)外機(jī)械手研究概況 1 1.3 機(jī)械手控制存在的問題及最新發(fā)展 3 1.3.1 利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的控制 3 1.3.2 利用傳統(tǒng)繼電器實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的控制 3 1.3.3 PLC實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的控制 3 1.4 本文主要工作 5 第2章 機(jī)械手控制系統(tǒng)工藝流程與總體方案設(shè)計(jì) 6 2.1 機(jī)械手控制系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì) 6 2.2 機(jī)械手的工藝過程 6 2.3 機(jī)械手總體控制方案的設(shè)計(jì)思路 7 第3章 機(jī)械手硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 3.1電氣原理設(shè)計(jì) 9 3.1.1 機(jī)械手電源電路設(shè)計(jì) 9 3.1.2 機(jī)械手控制電路 9 3.1.3工作狀態(tài)指示燈電路 11 3.1.4 LED段碼指示電路 11 3.2 PLC的選型及參數(shù) 12 3.3電器元器件的選型 13 3.3.1 接觸器 13 3.3.2 行程開關(guān) 14 3.3.3 熔斷器 14 3.3.4 低壓斷路器 14 3.3.5 控制按鈕 14 3.3.6 直流減速電機(jī) 14 第4章 機(jī)械手軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 4.1設(shè)計(jì)任務(wù)和控制要求 15 4.2高級指令說明 15 4.2.1 定時(shí)器指令 15 4.2.2 順控繼電器(SCR)指令 17 4.2.3 傳送指令 17 4.2.4 計(jì)數(shù)器指令 18 4.2.5 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換指令 20 4.2.6 段碼指令 20 4.3 PLC的I/O接口功能設(shè)計(jì)與分配 20 4.3.1 PCL的I/O接口功能設(shè)計(jì) 20 4.3.2 I/O接線圖 23 4.4設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作流程 24 第5章 機(jī)械手控制系統(tǒng)調(diào)試 25 5.1 西門子S7-200系列PLC編程軟件 25 5.2 程序說明 26 5.3 故障及其解決方案 31 第6章 總結(jié) 33 參考文獻(xiàn) 34 謝辭 35 附錄 程序清單 36 1 緒論 1.1 機(jī)械手的背景與現(xiàn)實(shí)意義 機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。近年來隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，機(jī)械手逐漸成為一門新興學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機(jī)械手是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的一個(gè)重要手段，國內(nèi)外都十分重視它的應(yīng)用和發(fā)展。 機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作;代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動(dòng)搬運(yùn)小車與自動(dòng)檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(FMS )和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS )，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化[1]。 由于自動(dòng)化可以節(jié)省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊優(yōu)越性，如通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程方法簡單易學(xué)，因此工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用PLC，如用果實(shí)采摘機(jī)械手來摘果實(shí)、裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用智能機(jī)器人等。綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。 1.2 國內(nèi)外機(jī)械手研究概況 機(jī)械手自二十世紀(jì)六十年代初問世以來，經(jīng)過40多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為制造業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中重要的機(jī)電設(shè)備。目前，正式投入使用的絕大部分機(jī)械手屬于第一代機(jī)械手，即程序控制機(jī)械手。這代機(jī)械手基本上采用點(diǎn)位控制系統(tǒng)，沒有感覺外界環(huán)境信息的感覺器官，主要用于焊接、噴漆和上下料。第二代機(jī)械手具有感覺器官，仍然以程序控制為基礎(chǔ)，但可以根據(jù)外界環(huán)境信息對控制程序進(jìn)行校正。這代機(jī)械手通常采用接觸傳感器一類的簡單傳感裝置和相應(yīng)的適應(yīng)性算法。現(xiàn)在，第三代機(jī)械手正在第一、第二代機(jī)械手的基礎(chǔ)上蓬勃發(fā)展起來，它是能感知外界環(huán)境與對象物，并具有對復(fù)雜信息進(jìn)行準(zhǔn)確處理，對自己行為做出自主決策能力的智能化機(jī)械手。它能識別景物，具有觸覺、視覺、力覺、聽覺、味覺等多種感覺，能實(shí)現(xiàn)搜索、追蹤、辨色識圖等多種仿生動(dòng)作，具有專家知識、語音功能和自學(xué)能力等人工智能[2]。 目前機(jī)械手技術(shù)有了新的發(fā)展：出現(xiàn)了仿人型機(jī)械手、微型機(jī)械手和微操作系統(tǒng)(如細(xì)小工業(yè)管道機(jī)械手移動(dòng)探測系統(tǒng)、微型飛行器等)、機(jī)械手化機(jī)器、智能機(jī)械手(不僅可以進(jìn)行事先設(shè)定的動(dòng)作，還可按照工作狀況相應(yīng)地進(jìn)行動(dòng)作，如回避障礙物的移動(dòng)，作業(yè)順序的規(guī)劃，有效的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)等)。機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域正在向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)方向擴(kuò)展，并且蓬勃發(fā)展的軍用機(jī)械手也將越來越多地裝備部隊(duì)。 國外方面：近幾年國外工業(yè)機(jī)械手領(lǐng)域有如下幾個(gè)發(fā)展趨勢。機(jī)械手性能不斷提高，而單機(jī)價(jià)格不斷下降；機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展；控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展；傳感器作用日益重要；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制。 國內(nèi)方面：目前在一些機(jī)種方面，如噴涂機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手、搬運(yùn)機(jī)械手、裝配機(jī)械手、特種機(jī)械手(水下、爬壁、管道、遙控等機(jī)械手)基本掌握了機(jī)械手操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，解決了控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置，軟件的設(shè)計(jì)和編制等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了自動(dòng)化噴漆線、弧焊自動(dòng)線及其周邊配套設(shè)備的全套自動(dòng)通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)；在基礎(chǔ)元件方面，諧波減速器、機(jī)械手焊接電源、焊縫自動(dòng)跟蹤裝置也有了突破。從技術(shù)方面來說，我國已經(jīng)具備了獨(dú)立自主發(fā)展中國機(jī)械手技術(shù)的基礎(chǔ)。 例如珠江三角洲地區(qū)，塑膠工業(yè)十分發(fā)達(dá)，在國內(nèi)居龍頭地位，在國際上珠三角也有世界工廠之稱。目前，該行業(yè)使用的注射機(jī)專用機(jī)械手以臺灣生產(chǎn)的居多，如臺灣勁力公司生產(chǎn)的勁力牌機(jī)械手、臺灣威得客國際股份有限公司生產(chǎn)的“威得客”w255系列注射機(jī)專用機(jī)械手,等等。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，主要包括以下幾方面： *機(jī)床加工工件的裝卸，特別是在自動(dòng)化車床、組合機(jī)床上使用較為普遍。 *在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板。 *可在勞動(dòng)條件差，單調(diào)重復(fù)易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動(dòng)。 *可在危險(xiǎn)場合下工作，如軍工品的裝卸、危險(xiǎn)品及有害物的搬運(yùn)等。 1.3 機(jī)械手控制存在的問題及最新發(fā)展 1.3.1 利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的控制 由單片機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)都有一個(gè)共性就是抗干擾性差,因?yàn)闄C(jī)械手一般都用在干擾源比較多、情況比較復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場,所以由單片機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)很難保證長期穩(wěn)定的工作。所以不宜選用此方案。 1.3.2 利用傳統(tǒng)繼電器實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的控制 此控制系統(tǒng)可利用四個(gè)傳統(tǒng)繼電器作為限位開關(guān)，并加上輔助電路以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的功能。但是由于傳統(tǒng)繼電器觸點(diǎn)接觸不良容易出現(xiàn)故障，并且接線復(fù)雜抗干擾能力差，難以實(shí)現(xiàn)模塊化和智能化，性價(jià)比較低。所以這種控制方式已經(jīng)逐漸被淘汰，顯然此控制系統(tǒng)不能選用此方案。 1.3.3 PLC實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的控制 可編程控制器（Programmable Controller）是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller），簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC[3]。 PLC的主要特點(diǎn)： 1）高可靠性 （1）所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。 （2）各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)一般為10～20ms。 （3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。 （4）采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。 （5）對采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。 （6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴(kuò)大。 （7）大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進(jìn)一步提高。 2）豐富的I/O接口模塊PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位； 強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如：按鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接[4]。 3）采用模塊化結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個(gè)部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 4）編程簡單易學(xué)PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。 5）安裝簡單，維修方便PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行[5]。 此控制系統(tǒng)利用PLC就可以非常容易的實(shí)現(xiàn)?；赑LC的優(yōu)點(diǎn)，機(jī)械手采用PLC控制技術(shù)，可以大大提高該系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，減少了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器和硬件接線，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，用PLC控制系統(tǒng)可方便地更改生產(chǎn)流程，增強(qiáng)控制功能。綜上所述，機(jī)械手的控制方式選擇PLC。 系統(tǒng)輸入信號有1個(gè)啟動(dòng)按鈕，1個(gè)停止按鈕，1個(gè)急停按鈕，1個(gè)手動(dòng)送數(shù)開關(guān)，6個(gè)限位開關(guān)，8個(gè)手動(dòng)輸入信號，共計(jì)18個(gè)數(shù)字量輸入信號；輸出信號有機(jī)械手上升/下降驅(qū)動(dòng)信號﹑左旋/右旋驅(qū)動(dòng)信號、機(jī)械手伸出/縮回驅(qū)動(dòng)信號、機(jī)械手夾緊/放松信號和七段LED顯示器信號共有15個(gè)數(shù)字量輸出信號。不需模擬量模塊，選擇西門子S7系列的CPU 226就可以滿足要求，而且還有一定的裕量。所以選用PLC實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的控制為最佳方案，本次設(shè)計(jì)就選用此方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。 1.4 本文主要工作 本文主要工作是應(yīng)用PLC（可編程控制器）實(shí)際設(shè)計(jì)一個(gè)搬運(yùn)機(jī)械手，能實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)械手的基本功能。工作內(nèi)容： （1）闡述機(jī)械手在工業(yè)應(yīng)用中的作用和意義。 （2）設(shè)計(jì)機(jī)械手的工藝流程。 （3）機(jī)械手的硬件設(shè)計(jì),包括PLC型號的選定，PLC的電氣連線圖,I/O分配表等。 （4）機(jī)械手的軟件設(shè)計(jì)原理，包括流程圖，程序清單。 （5）最后是系統(tǒng)調(diào)試和參考文獻(xiàn)的列舉。 2 機(jī)械手控制系統(tǒng)工藝流程與總體方案設(shè)計(jì) 電氣控制系統(tǒng)是根據(jù)指令準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的重要核心，能夠保證搬運(yùn)機(jī)械手準(zhǔn)確快速的完成工作。本次課題的目的就是根據(jù)工藝流程來硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，以滿足搬運(yùn)生產(chǎn)的需要，對搬運(yùn)機(jī)械手尤為重要。 2.1 機(jī)械手控制系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì) 搬運(yùn)機(jī)械手作為一種自動(dòng)化設(shè)施，電氣系統(tǒng)應(yīng)完成預(yù)設(shè)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)貨物的準(zhǔn)確搬運(yùn)。本課題中的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能： 控制系統(tǒng)能夠根據(jù)PLC輸入的指令，準(zhǔn)確靈活的控制搬運(yùn)機(jī)械手，完成搬運(yùn)任務(wù)；控制系統(tǒng)具有狀態(tài)顯示功能，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，各部件的運(yùn)行狀態(tài)用綠色指示燈表示；當(dāng)設(shè)備完成指定動(dòng)作處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，各部件的運(yùn)行狀態(tài)用紅色指示燈表示，按下停止按鈕和啟動(dòng)按鈕后完成指示燈狀態(tài)進(jìn)行切換；控制系統(tǒng)能夠保證搬運(yùn)機(jī)械手針對不同生產(chǎn)任務(wù)的要求，能夠準(zhǔn)確完成貨物的搬運(yùn)，保證快速性和準(zhǔn)確性兼顧； 按下急停按鈕，能夠立即停止工作，保證了生產(chǎn)的安全性。搬運(yùn)機(jī)械手通過程序的改變，能自由的改變控制方法，實(shí)現(xiàn)柔性的生產(chǎn)控制。 2.2 機(jī)械手的工藝過程 機(jī)械手的工藝過程 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和各部分動(dòng)作示意圖，如圖2.1所示。機(jī)械手的工作均由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，它的上升、下降、左移、右移都是有電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺紋絲桿旋轉(zhuǎn)來完成的。 分析工藝過程 機(jī)械手的初始位置停在原點(diǎn)，按下啟動(dòng)后按扭后，機(jī)械手將下降—伸出—加緊工件—上升—右旋—再下降—放松工件—縮回—放松—左旋十個(gè)動(dòng)作，完成一個(gè)工作周期。運(yùn)動(dòng)過程如圖2.2所示。機(jī)械手的下降、上升、右旋、左旋、伸出、縮回等動(dòng)作轉(zhuǎn)換，是由相應(yīng)的限位開關(guān)來控制的，而加緊、放松動(dòng)作的轉(zhuǎn)換是有時(shí)間來控制的。 圖2-1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和各部分動(dòng)作示意圖 圖2-2機(jī)械手簡單工作過程示意圖 2.3 機(jī)械手總體控制方案的設(shè)計(jì)思路 本設(shè)計(jì)主要是在現(xiàn)有硬件設(shè)備條件下，通過軟件編程，對于機(jī)械手進(jìn)行有序的控制，提高搬運(yùn)工作的準(zhǔn)確性、安全性。主要由S7-200PLC來進(jìn)行控制，通過直流減速電機(jī)，電磁鐵等來控制搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。 由于PLC的抗干擾能力強(qiáng)，所以能在惡劣的工作環(huán)境中，可靠地完成控制任務(wù)，為了使設(shè)備便于安裝、調(diào)試，以及從經(jīng)濟(jì)角度考慮，設(shè)計(jì)出如圖2.3所示的機(jī)械手控制系統(tǒng)的功能框圖。 圖2-3機(jī)械手控制系統(tǒng)的功能框圖 機(jī)械手完成以上工藝主要是通過機(jī)械控制來實(shí)現(xiàn)的，即利用PLC控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的運(yùn)行和電磁鐵的通斷，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)控制機(jī)械手的上升、下降、伸出和縮回，電磁鐵驅(qū)機(jī)械手爪的夾緊和放松。 由于此次設(shè)計(jì)中，機(jī)械手的控制可以分為一個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)，因此，利用步進(jìn)順控法來進(jìn)行編程較為容易實(shí)現(xiàn)。最后在S7-200PLC編程專用軟件編程軟件上進(jìn)行輸入編程，調(diào)試。 3 機(jī)械手硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在確定設(shè)計(jì)方案之后，本章節(jié)將對機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)中的電氣原理圖設(shè)計(jì)。根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的功能以及整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比對PLC和電氣元器件進(jìn)行介紹以及選型。 3.1電氣原理設(shè)計(jì) 根據(jù)工藝要求，本節(jié)將從機(jī)械手的電源電路、控制電路、工作狀態(tài)指示燈電路、LED段碼指示電路等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。 3.1.1 機(jī)械手電源電路設(shè)計(jì) 主要是通過交流220V接開關(guān)電源變成直流24V，當(dāng)?shù)蛪簲嗦菲鱍R1閉合，電氣控制系統(tǒng)得電，熔斷器的作用起電路保護(hù)作用，防止過大電流沖擊。 3.1.2 機(jī)械手控制電路 機(jī)械手控制電路如圖所示。當(dāng)Q0.0為“1”即繼電器KM1得電時(shí)直流減速電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)Q0.1為“1”即繼電器KM2得電時(shí)直流減速電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。所有電動(dòng)機(jī)的電路均如圖所示不再一一列舉。主電路如下圖3.1所示 圖3-1 機(jī)械手控制電路圖 為保證安全，防止PLC誤動(dòng)作導(dǎo)致電源相間短路在輔助電路中設(shè)計(jì)了互鎖保護(hù)，輔助電路圖如下3.2所示： 圖3-2互鎖保護(hù)輔助電路圖 3.1.3工作狀態(tài)指示燈電路 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，指示燈采用使用接觸器輔助觸點(diǎn)來完成相應(yīng)的狀態(tài)指示功能，紅燈代表對應(yīng)功能停止綠燈代表運(yùn)行。GL代表綠燈RL代表紅燈。數(shù)字編號對應(yīng)接觸器編號相對應(yīng)的功能。所有指示燈電路均如此，故圖中不再一一列舉。 圖3-3工作狀態(tài)指示燈電路圖 3.1.4 LED段碼指示電路 因工藝需要，特設(shè)計(jì)LED七段顯示器顯示設(shè)定的機(jī)械手工作循環(huán)次數(shù)。下面列出接線圖如圖3.4所示。 圖3-4 LED段碼指示電路圖 3.2 PLC的選型及參數(shù) PLC是一種以微處理器為核心的新型工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。它的最大特點(diǎn)就是體積小，功能強(qiáng)，響應(yīng)速度快，可靠性高。控制過程通過以梯形圖的方式編程，隨時(shí)可依生產(chǎn)工藝的不同要求而隨機(jī)修改，還具有可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。S7-200 CPU將微處理器、集成電源、輸入電路和輸出電路集成在一個(gè)緊湊的外殼中，從而形成了一個(gè)功能強(qiáng)大的Micro PLC。下載了程序之后，S7--200將保留所需的邏輯，用于監(jiān)控應(yīng)用程序中的輸入輸出設(shè)備[6]。其硬件結(jié)構(gòu)簡圖如下： 外設(shè)I/O接口 輸出部件 存儲器 EPROM 微處理器 運(yùn)算器 控制器 電源 輸入部件 I/O 擴(kuò)展接口 I/O 擴(kuò)展單元 受控元件 輸入信號 外部設(shè)備 圖3-5 PLC硬件結(jié)構(gòu)簡圖 根據(jù)系統(tǒng)控制要求的經(jīng)濟(jì)性和可靠性來考慮，選擇西門子S7-200系列PLC。西門子S7-200PLC中又有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU224XP等。從搬運(yùn)機(jī)械手的控制要求中可以看到，此次需要18個(gè)數(shù)字量輸入，15個(gè)數(shù)字量輸出，共需26點(diǎn)I/O，根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)，PLC選用西門子S7-200系列的CPU 226 AC/DC/RLY，交流220V供電，直流數(shù)字量輸入，繼電器電路輸出類型。該P(yáng)LC具有24個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)，16個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，擴(kuò)展模塊數(shù)量可達(dá)7個(gè)。CPU內(nèi)置了2個(gè)高速脈沖發(fā)生器，2個(gè)脈沖發(fā)生器分別以CPU本體的Q0.0和Q0.1作為輸出通道。 表3-1 PLCCPU22X技術(shù)參數(shù) 特性 CPU 221 CPU 222 CPU 224 CPU 224XP CPU 224XPal CPU 226 外形尺寸 90*80*62 90*80*62 120.5*80*62 140*80*62 190*80*62 程序存儲器： 運(yùn)行模式下編輯 非運(yùn)行模式編輯 4096字節(jié) 4096字節(jié) 4096字節(jié) 4096字節(jié) 8192字節(jié) 12288字節(jié) 12288字節(jié) 16384字節(jié) 16384字節(jié) 24576字節(jié) 數(shù)據(jù)存儲器 2048字節(jié) 2048字節(jié) 8192字節(jié) 10240字節(jié) 10240字節(jié) 掉電保護(hù)時(shí)間 50小時(shí) 50小時(shí) 100小時(shí) 100小時(shí) 100小時(shí) 本機(jī)I/O 數(shù)字量、模擬量 6輸入/4輸出 - 8輸入/6輸出 - 14輸入/10輸出 - 14輸入/10輸出 2輸入/1輸出 24輸入/16輸出 - 擴(kuò)展模塊數(shù)量 0個(gè)模塊 2個(gè)模塊1 7個(gè)模塊1 7個(gè)模塊1 7個(gè)模塊1 高速計(jì)數(shù)器 單相 兩相 4路30KHz 2路20KHz 4路30KHz 2路20KHz 6路30KHz 4路20KHz 4路30KHz 2路200KHz 3路20KHz 1路100KHz 6路30KHz 4路20KHz 脈沖輸出(DC) 2路20KHz 2路20KHz 2路20KHz 2路100KHz 2路20KHz 模擬電位器 1 1 2 2 2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 卡 卡 內(nèi)置 內(nèi)置 內(nèi)置 通訊口 1 S-485 1 S-485 1 S-485 2 RS-485 2 RS-485 浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算 是 I/O映像大小 256（128輸入/128輸出） 布爾型執(zhí)行速度 0.22毫秒/指令 根據(jù)本系統(tǒng)的I/O分配以及脈沖數(shù)出頻率決定選用CPU 226 的S7-200PLC。 3.3電器元器件的選型 根據(jù)此系統(tǒng)的控制要求和資源要求，對電器元器件進(jìn)行選型。 3.3.1 接觸器 接觸器是一種電控制元件，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開關(guān)”。主要用來反映各種控制信號，其觸點(diǎn)通常接在控制電路中。本課題選用JZ11型接觸器。 3.3.2 行程開關(guān) 行程開關(guān)主要用于將機(jī)械位移轉(zhuǎn)變成電信號，使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)得以改變，從而控制機(jī)械動(dòng)作或用作程序控制。本設(shè)計(jì)選用KW-7型行程開關(guān)。 3.3.3 熔斷器 熔斷器也被稱為保險(xiǎn)絲，它是一種安裝在電路中，保證電路安全運(yùn)行的電器元件。熔斷器其實(shí)就是一種短路保護(hù)器，廣泛用于配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，主要進(jìn)行短路保護(hù)或嚴(yán)重過載保護(hù)。本設(shè)計(jì)選用RL1-15型熔斷器。 3.3.4 低壓斷路器 低壓斷路器又稱自動(dòng)開關(guān)。它是按規(guī)定條件，對配電電路，電動(dòng)機(jī)或其他用電設(shè)備實(shí)行不頻繁通斷操作，線路切換，自動(dòng)分?jǐn)嚯娐返拈_關(guān)電器，這種開關(guān)相當(dāng)于刀開關(guān)，熔斷器，熱繼電器和欠電壓繼電器的組合，并具有良好的滅弧性能，所以它是低壓配電系統(tǒng)中的主要電器元件，作為線路及電源設(shè)備過載，欠電壓及短路保護(hù)用[7]。本設(shè)計(jì)選用DZ15-40/1型低壓斷路器。 3.3.5 控制按鈕 控制按鈕是一種短時(shí)接通或斷開小電流電路的手動(dòng)主令電器。主要用于操縱接觸器，繼電器或電氣連鎖電路，以實(shí)現(xiàn)對各種運(yùn)動(dòng)的控制。按鈕可以做成很多形式，以滿足不同的控制或操作需要，結(jié)構(gòu)形式有旋轉(zhuǎn)式，指示燈式，緊急式，撳鈕式，帶鎖式等。為了便于區(qū)分各按鈕不同的控制作用，通常將按鈕做成不同顏色以示區(qū)別，以避免誤操作[8]。本設(shè)計(jì)選用8個(gè)LA10-1控制按鈕。 3.3.6 直流減速電機(jī) 直流減速電機(jī)，即齒輪減速電機(jī)，是在普通直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱的作用是,提供較低的轉(zhuǎn)速,較大的力矩。同時(shí)，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩。這大大提高了，直流電機(jī)在自動(dòng)化行業(yè)中的使用率[9]。本設(shè)計(jì)選用M28-831型直流減速電機(jī)。 4 機(jī)械手軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本章針對機(jī)械手控制系統(tǒng)的用戶程序經(jīng)行設(shè)計(jì)。對設(shè)計(jì)任務(wù)要求、I/O分配、系統(tǒng)工作流程及編程設(shè)計(jì)思路進(jìn)行逐一地介紹。 4.1設(shè)計(jì)任務(wù)和控制要求 通過機(jī)械手搬運(yùn)，把物料從生產(chǎn)流水線上搬運(yùn)至裝配單元，便于裝配。 機(jī)械手搬運(yùn)的物料的重量為：200g——2000g。 機(jī)械手有上升、回轉(zhuǎn)180度，伸縮功能。 整個(gè)控制系統(tǒng)能自動(dòng)循環(huán)工作，也可手工調(diào)整。 手動(dòng)運(yùn)行調(diào)試：分別按下左旋、右旋、提升、下降、伸出、縮回、放松和夾緊8個(gè)按鈕，實(shí)現(xiàn)其對應(yīng)的功能。 自動(dòng)運(yùn)行調(diào)試：進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行方式，依次實(shí)現(xiàn)下降－伸出－夾緊－上升－右旋－下降－放松－縮回－上升－左旋動(dòng)作。若在自動(dòng)運(yùn)行期間按下緊急停止按鈕I0.0，機(jī)械手立即停止動(dòng)作。 4.2高級指令說明 在此次程序設(shè)計(jì)中，用到了定時(shí)器指令、順控繼電器(SCR)指令、邏輯操作指令、傳送指令、計(jì)數(shù)器指令、比較指令、轉(zhuǎn)換指令，本節(jié)將對這些高級指令進(jìn)行介紹。 4.2.1 定時(shí)器指令 定時(shí)器在使用前要先預(yù)置時(shí)間初始值，當(dāng)定時(shí)器滿足條件運(yùn)行時(shí)，從開始0按精度等級單位増計(jì)數(shù)，當(dāng)定時(shí)器當(dāng)前值達(dá)到預(yù)置值時(shí)，定時(shí)器動(dòng)作，定時(shí)器的常開接點(diǎn)閉合，常閉接點(diǎn)斷開。以下是不同類型定時(shí)器的介紹。 （1）打開延遲定時(shí)器和有記憶的打開延遲定時(shí)器 打開延遲定時(shí)器(TON)和有記憶的打開延遲定時(shí)器在使能輸入接通時(shí)記時(shí)。定時(shí)器號(Txx)決定了定時(shí)器的分辨率，并且分辨率現(xiàn)在已經(jīng)在指令盒上標(biāo)出了。 （2）關(guān)斷延時(shí)定時(shí)器 關(guān)斷延時(shí)定時(shí)器用于在輸入斷開后延時(shí)一段時(shí)間斷開輸出。定時(shí)器號(Txx)決定了定時(shí)器的分辨率，并且分辨率現(xiàn)在已經(jīng)在指令盒上標(biāo)出了。 （3）分辨率對定時(shí)器的影響 對于1 ms分辨率的定時(shí)器來說，定時(shí)器位和當(dāng)前值的更新不與掃描周期同步。對于大于1 ms的程序掃描周期，定時(shí)器位和當(dāng)前值在一次掃描內(nèi)刷新多次。對于10 ms分辨率的定時(shí)器來說，定時(shí)器位和當(dāng)前值在每個(gè)程序掃描周期的開始刷新。定時(shí)器位和當(dāng)前值在整個(gè)掃描周期過程中為常數(shù)。在每個(gè)掃描周期的開始會將一個(gè)掃描累計(jì)的時(shí)間間隔加到定時(shí)器當(dāng)前值上。對于分辨率為100 ms的定時(shí)器，在執(zhí)行指令時(shí)對定時(shí)器位和當(dāng)前值進(jìn)行更新；因此，確保在每個(gè)掃描周期內(nèi)，程序僅為100毫秒的定時(shí)器執(zhí)行一次指令，以便使定時(shí)器保持正確計(jì)時(shí)[10]。 （4）定時(shí)器存儲區(qū)：T S7--200 CPU中，定時(shí)器可用于時(shí)間累計(jì)，其分辨率(時(shí)基增量)分為1ms、10ms和100ms三種。定時(shí)器有兩個(gè)變量： _ 當(dāng)前值：該16位有符號整數(shù)可存儲由定時(shí)器計(jì)數(shù)的時(shí)間量。 _ 定時(shí)器位：在比較當(dāng)前值和預(yù)設(shè)值后，可設(shè)置或清除該位。預(yù)設(shè)值是定時(shí)器指令的一部分。 可以用定時(shí)器地址(T + 定時(shí)器號)來存取這兩種形式的定時(shí)器數(shù)據(jù)。是否訪問定時(shí)器位或當(dāng)前值取決于所使用的指令：帶位操作數(shù)的指令可訪問定時(shí)器位，而帶字操作數(shù)的指令則訪問當(dāng)前值。如圖4.1所示，常開觸點(diǎn)指令訪問定時(shí)器位；而移動(dòng)字指令則訪問定時(shí)器的當(dāng)前值。 圖4-1 訪問定時(shí)器或者定時(shí)器的當(dāng)前值 4.2.2 順控繼電器(SCR)指令 SCR指令能夠按照自然工藝段在LAD、FBD或STL中編制狀態(tài)控制程序。只要應(yīng)用中包含的一系列操作需要反復(fù)執(zhí)行，就可以使用SCR使程序更加結(jié)構(gòu)化，以至于直接針對應(yīng)用。這樣可以使得編程和調(diào)試更加快速和簡單。 裝載SCR指令(LSCR)將S位的值裝載到SCR和邏輯堆棧中。SCR堆棧的結(jié)果值決定是否執(zhí)行SCR程序段。SCR堆棧的值會被復(fù)制到邏輯堆棧中，因此可以直接將盒或者輸出線圈連接到左側(cè)的功率流線上而不經(jīng)過中間觸點(diǎn)。限定當(dāng)使用SCR時(shí)，請注意下面的限定：不能把同一個(gè)S位用于不同程序中。例如：如果在主程序中用了S0.1，在子程序中就不能再使用它。無法跳轉(zhuǎn)入或跳轉(zhuǎn)出SCR段；然而，可以使用Jump和Label指令在SCR段附近跳轉(zhuǎn)，或在SCR段內(nèi)跳轉(zhuǎn)。在這里要注意SCR段中不能使用END指令。 4.2.3 傳送指令 傳送指令是將常數(shù)或某存儲器中的數(shù)據(jù)傳送到另一存儲器中，它包括單一數(shù)據(jù)傳送和成塊數(shù)據(jù)傳送兩大類。通常用于設(shè)定參數(shù)、協(xié)助處理有關(guān)數(shù)據(jù)以及建立數(shù)據(jù)。 (1)字節(jié)、字、雙字或者實(shí)數(shù)傳送 字節(jié)傳送(MOVB)、字傳送(MOVW)、雙字傳送(MOVD)和實(shí)數(shù)傳送指令在不改變原值的情況下將IN中的值傳送到OUT。使用雙字傳送指令可以創(chuàng)建一個(gè)指針。對于IEC傳送指令，輸入和輸出的數(shù)據(jù)類型可以不同，但數(shù)據(jù)長度必須相同。使ENO=0的錯(cuò)誤條件：_ 0006 (間接尋址)。 4.2.4 計(jì)數(shù)器指令 計(jì)數(shù)器是對外部輸入的脈沖計(jì)數(shù)，要求提前輸入他的設(shè)定值，當(dāng)輸入觸發(fā)條件滿足時(shí)，計(jì)數(shù)器累計(jì)它的輸入端脈沖電位上升沿的次數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到預(yù)定值時(shí)，計(jì)數(shù)器動(dòng)作，發(fā)出中斷請求，以便PLC響應(yīng)而做出相應(yīng)動(dòng)作[11]。以下是不同類型計(jì)數(shù)器的介紹。 (1)增/減計(jì)數(shù)器 增/減計(jì)數(shù)指令(CTUD)，在每一個(gè)增計(jì)數(shù)輸入(CU)的低到高時(shí)增計(jì)數(shù)，在每一個(gè)減計(jì)數(shù)輸入(CD)的低到高時(shí)減計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值CXX保存當(dāng)前計(jì)數(shù)值。在每一次計(jì)數(shù)器執(zhí)行時(shí)，預(yù)設(shè)值PV與當(dāng)前值作比較。當(dāng)達(dá)到最大值(32767)時(shí)，在增計(jì)數(shù)輸入處的下一個(gè)上升沿導(dǎo)致當(dāng)前計(jì)數(shù)值變?yōu)樽钚≈?--32768)。當(dāng)達(dá)到最小值(--32768)時(shí)，在減計(jì)數(shù)輸入端的下一個(gè)上升沿導(dǎo)致當(dāng)前計(jì)數(shù)值變?yōu)樽畲笾?32767)。當(dāng)CXX的當(dāng)前值大于等于預(yù)設(shè)值PV時(shí)，計(jì)數(shù)器位CXX置位。否則，計(jì)數(shù)器位關(guān)斷。當(dāng)復(fù)位端(R)接通或者執(zhí)行復(fù)位指令后，計(jì)數(shù)器被復(fù)位。 STL操作： _ 復(fù)位輸入：棧頂 _ 向下計(jì)數(shù)輸入：數(shù)值載入第二個(gè)棧位置 _ 向上計(jì)數(shù)輸入：數(shù)值載入第三個(gè)棧位置 表4-1 SIMATIC計(jì)數(shù)器指令的有效操作數(shù) 輸入/輸出 數(shù)據(jù)類型 操作數(shù) C WORD 常數(shù)（C0到C255） CU、CD、LD、R BOOL I、Q、V、M、SM、S、T、C、L、功率流 PV INT IW、QW、VW、MW、SMW、SW、LW、T、C、AC、AIW、VD、LD、AC、常數(shù) （2）計(jì)數(shù)器存儲區(qū)：C S7--200提供三種類型的計(jì)數(shù)器，可計(jì)算計(jì)數(shù)器輸入上的低--高跳變事件：一種類型僅計(jì)算向上事件，一種類型僅計(jì)算向下事件，還有一種類型計(jì)算向上和向下兩種事件。計(jì)數(shù)器有兩種形式： _ 當(dāng)前值：該16位有符號整數(shù)可存儲累加計(jì)數(shù)。 _ 計(jì)數(shù)器位：在比較當(dāng)前值和預(yù)設(shè)值后，可設(shè)置或清除該位。 預(yù)設(shè)值是計(jì)數(shù)器指令的一部分?？梢杂糜?jì)數(shù)器地址(C + 計(jì)數(shù)器號)來訪問這兩種形式的計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)。是否訪問計(jì)數(shù)器位或當(dāng)前值取決于所使用的指令：帶位操作數(shù)的指令訪問計(jì)數(shù)器位，而帶字操作數(shù)的指令則訪問當(dāng)前值。如圖4.2中所示，常開觸點(diǎn)指令是存取計(jì)數(shù)器位；而移動(dòng)字指令則是存取計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值[12]。 圖4-2 存取計(jì)數(shù)器位或者計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值 4.2.5 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換指令 字節(jié)轉(zhuǎn)為整數(shù)(BTI)、整數(shù)轉(zhuǎn)為字節(jié)(ITB)、整數(shù)轉(zhuǎn)為雙整數(shù)(ITD)、雙整數(shù)轉(zhuǎn)為整數(shù)(DTI)、雙整數(shù)轉(zhuǎn)為實(shí)數(shù)(DTR)、BCD碼轉(zhuǎn)為整數(shù)(BCDI)和整數(shù)轉(zhuǎn)為BCD碼(IBCD)。以上指令將輸入值IN轉(zhuǎn)換為指定的格式并存儲到由OUT指定的輸出值存儲區(qū)中。例如：您可以將雙整數(shù)值轉(zhuǎn)為實(shí)數(shù)值；您也可以在整數(shù)和BCD碼格式之間相互轉(zhuǎn)換[13]。 4.2.6 段碼指令 要點(diǎn)亮七段碼顯示器中的段，可以使用段碼指令。段碼指令將IN中指定的字符(字節(jié))轉(zhuǎn)換生成一個(gè)點(diǎn)陣并存入OUT指定的變量中。點(diǎn)亮的段表示的是輸入字節(jié)中低4位所代表的字符。圖4.3給出了段碼指令使用的七段碼顯示器的編碼。 圖 4-3 七段碼顯示器的編碼 4.3 PLC的I/O接口功能設(shè)計(jì)與分配 4.3.1 PCL的I/O接口功能設(shè)計(jì) 機(jī)械手系統(tǒng)PLC輸入信號回路。SB1是急停開關(guān)，接至PLC的I0.0輸入。SB2是啟動(dòng)開關(guān)，接至PLC的I0.1輸入。SB3是停止開關(guān)，接至PLC的I0.2輸入。SQ1是上升限位開關(guān)，接至PLC的I0.3輸入。SQ2是下降限位開關(guān)，接至PLC的I0.4輸入。SQ3是伸出限位開關(guān)，接至PLC的I0.5輸入。SQ4是縮回限位開關(guān)，接至PLC的I0.6輸入。SQ5是左旋限位開關(guān)，接至PLC的I0.7輸入。SQ6是右旋限位開關(guān)，接至PLC的I1.0輸入。SB4是手動(dòng)上升開關(guān)，接至PLC的I1.1輸入。SB5是手動(dòng)下降開關(guān)，接至PLC的I1.2輸入。SB6是手動(dòng)伸出開關(guān)，接至PLC的I1.3輸入。SB7是手動(dòng)縮回開關(guān)，接至PLC的I1.4輸入。SB8是手動(dòng)左旋開關(guān)，接至PLC的I1.5輸入。SB9是手動(dòng)右旋開關(guān)，接至PLC的I1.6輸入。SB10是手動(dòng)放松開關(guān)，接至PLC的I1.7輸入。SB11是手動(dòng)夾緊開關(guān)，接至PLC的I2.0輸入。SB12是手動(dòng)送數(shù)開關(guān)，接至PLC的I2.1輸入。 KM1是上升接觸器,接PLC的Q0.0輸出。KM2是下降接觸器，接PLC的Q0.1輸出。KM3是伸出接觸器，接PLC的Q0.2輸出。KM4是縮回接觸器，接PLC的Q0.3輸出。KM5是左旋接觸器，接PLC的Q0.4輸出。KM6是右旋接觸器，接PLC的Q0.5輸出。KM7是放松接觸器，接PLC的Q0.6輸出。KM8是夾緊接觸器，接PLC的Q0.7輸出。Q1.1至Q1.7是LED段碼輸出。 表4-2 PLC I/O分配表 設(shè)備符號 PLC觸點(diǎn)號 設(shè)備符號 PLC觸點(diǎn)號 SB1 I0.0 SB4 I1.1 SB2 I0.1 SB5 I1.2 SB3 I0.2 SB6 I1.3 SQ1 I0.3 SB7 I1.4 SQ2 I0.4 SB8 I1.5 SQ3 I0.5 SB9 I1.6 SQ4 I0.6 SB10 I1.7 SQ5 I0.7 SB11 I2.0 SQ6 I1.0 SB12 I2.1 KM1 Q0.0 KM5 Q0.4 KM2 Q0.1 KM6 Q0.5 KM3 Q0.2 KM7 Q0.6 KM4 Q0.3 KM8 Q0.7 SEGA Q1.1 SEGB Q1.2 SEGC Q1.3 SEGD Q1.4 SEGE Q1.5 SEGF Q1.6 SEGG Q1.7 4.3.2 I/O接線圖 根據(jù)I/O分配表畫出PLC外部接線圖，如下圖所示。 CPU 226 圖4-4 PLC硬件接線圖 4.4設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作流程 根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作以及需要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)出如圖4.5所示的機(jī)械手控制系統(tǒng)流程圖。根據(jù)設(shè)計(jì)的狀態(tài)流程圖決定選用順序控制的編程方式。 圖4-5機(jī)械手控制系統(tǒng)流程圖 5 機(jī)械手控制系統(tǒng)調(diào)試 5.1 西門子S7-200系列PLC編程軟件 STEP 7--Micro/WIN編程軟件為用戶開發(fā)、編輯和監(jiān)控自己的應(yīng)用程序提供了良好的編程環(huán)境。為了能快捷高效地開發(fā)您的應(yīng)用程序，STEP 7--Micro/WIN軟件為您提供了三種程序編輯器。為了便于您找到所需的信息，STEP 7--Micro/WIN提供了詳盡的在線幫助以及文檔光盤，該光盤含有本手冊的電子版、應(yīng)用示例和其它有用的信息[14]。 圖5-1 STEP 7--Micro/WIN編程軟件界面 5.2 程序說明 編制PLC控制程序的方法很多，主要的有以下幾種典型的編程方法：圖解法編程、經(jīng)驗(yàn)法編程、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)編程。 圖解法是靠畫圖進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)。常見的主要有梯形圖法、邏輯流程圖法、時(shí)序流程圖法和步進(jìn)順控法。在自動(dòng)運(yùn)行過程中由于機(jī)械手的控制可以分為一個(gè)個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)，因此，利用步進(jìn)順控法來進(jìn)行編程較為容易實(shí)現(xiàn)。而在手動(dòng)運(yùn)行過程中需要程序邏輯思路清晰、輸入與輸出的因果關(guān)系及連鎖關(guān)系明確，因此利用邏輯流程圖法來實(shí)現(xiàn)。最后在S7-200PLC編程專用軟件“STEP7-Micro/WIN32”3.2版本編程軟件上進(jìn)行輸入編程，調(diào)試[15]。接下來簡單介紹下程序的功能。 手動(dòng)運(yùn)行過程：手動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手轉(zhuǎn)臺的左旋以及右旋，并且互鎖保證轉(zhuǎn)臺不會同時(shí)執(zhí)行左旋和右旋兩個(gè)動(dòng)作。程序如圖5.2所示： 圖5-2 左右旋轉(zhuǎn)控制程序 本例中為實(shí)現(xiàn)循環(huán)計(jì)數(shù)控制，使用了增減計(jì)數(shù)器。I2.1為計(jì)數(shù)開關(guān)，每按下一次計(jì)數(shù)器增計(jì)數(shù)一次。M0.0為循環(huán)結(jié)束標(biāo)志位，每循環(huán)結(jié)束一次即自動(dòng)閉合一下與此同時(shí)計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)一次。每當(dāng)停止開關(guān)按下時(shí)計(jì)數(shù)器立即復(fù)位。程序如圖5.3所示： 圖5-3 循環(huán)計(jì)數(shù)程序 本例中為實(shí)現(xiàn)顯示計(jì)數(shù)器狀態(tài)，需要使用傳送指令。程序如圖5.4所示： 圖5-4 上電送數(shù)程序 因字碼顯示程序與計(jì)數(shù)器程序所使用的變量類型不同，需要變量類型轉(zhuǎn)換程序。程序如圖5.5所示： 圖5-5 字碼類型轉(zhuǎn)換程序 本例中字碼顯示程序，使用的是PLC自帶的SEGMENT譯碼器，以及通過邏輯與和邏輯比較來完成7段字碼的顯示輸出。因從低位至高位邏輯控制程序相同，故圖中只給出低位的邏輯程序部分，其它位以此類推。程序如下： 圖5-6 字碼顯示轉(zhuǎn)換程序 本例使用SCR順序邏輯控制指令實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的最基本的順序控制。SCR是順序控制開始指令，SCRT是順序控制跳轉(zhuǎn)指令，一般在順序控制中本段結(jié)束需要跳轉(zhuǎn)到下一段時(shí)使用。SCRE是順序控制結(jié)束標(biāo)志?，F(xiàn)列出完整的順序控制程序段： 圖5-7 順序控制程序 在實(shí)際系統(tǒng)中因?yàn)闄C(jī)械精度、制作工藝、機(jī)械慣性、電磁環(huán)境等等因素會造成干擾現(xiàn)象，使得輸入信號波形不完美，發(fā)生抖動(dòng)現(xiàn)象。有可能使高速掃描運(yùn)行中的PLC發(fā)生誤動(dòng)作，從而造成危險(xiǎn)。降低系統(tǒng)的魯棒性?，F(xiàn)通過通電延時(shí)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的功能，待開關(guān)信號穩(wěn)定后PLC才開始動(dòng)作?，F(xiàn)給出抗干擾程序： 圖5-8 抗干擾程序 現(xiàn)簡要介紹控制流程： 狀態(tài)S0.0（下降）：S0.0得電后Q0.1立即閉合，機(jī)械手開始下降。I0.4閉合后延時(shí)300毫秒停止，再延時(shí)300毫秒跳轉(zhuǎn)到下一段程序。 狀態(tài)S0.1（伸出）：S0.1得電后Q0.2立即閉合，機(jī)械手開始伸出。I0.5閉合后延時(shí)300毫秒停止，再延時(shí)300毫秒跳轉(zhuǎn)到下一段程序。 狀態(tài)S0.2（夾緊）：實(shí)現(xiàn)夾緊功能，在完成夾緊動(dòng)作之后跳轉(zhuǎn)到S0.3，即上升功能。 狀態(tài)S0.3（上升）：S0.3得電后Q0.0立即閉合，機(jī)械手開始上升。I0.3閉合后延時(shí)300毫秒停止，再延時(shí)300毫秒之后跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)S0.4，即右旋功能。 狀態(tài)S0.4（右旋）：S0.4得電后Q0.5立即閉合，機(jī)械手開始右旋。I1.0閉合后延時(shí)300毫秒停止，再延時(shí)300毫秒之后跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)S0.5，即下降功能。 狀態(tài)S0.5(下降)：S0.5得電后Q0.1立即閉合，機(jī)械手開始下降。I0.4閉合后延時(shí)300毫秒停止，再延時(shí)300毫秒之后跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)S0.6，即放松功能。 狀態(tài)S0.6（放松）：實(shí)現(xiàn)放松功能，在完成放松動(dòng)作之后跳轉(zhuǎn)到S0.7，即縮回功能。 狀態(tài)S0.7（縮回）：S0.7得電后Q0.3立即閉合，機(jī)械手開始縮回。I0.6閉合后延時(shí)300毫秒停止，再延時(shí)300毫秒之后跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)S1.0，即上升功能。 狀態(tài)S1.0（上升）：S1.0得電后Q0.0立即閉合，機(jī)械手開始上升。I0.3閉合后延時(shí)300毫秒停止，再延時(shí)300毫秒之后跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)S1.1，即左旋功能。 狀態(tài)S1.1（左旋）：S1.1得電后Q0.4立即閉合，機(jī)械手開始左旋。I0.7閉合后延時(shí)300毫秒停止，再延時(shí)300毫秒之后跳轉(zhuǎn)回首段程序并送脈沖信號給計(jì)數(shù)器。 在自動(dòng)運(yùn)行過程中若按下急停按鈕I0.0，機(jī)械手立即停止工作。若沒有按下急停按鈕在完成左旋功能后自動(dòng)回到初始狀態(tài)，進(jìn)行第二個(gè)周期的自動(dòng)運(yùn)行。如果程序進(jìn)行中按下停止按鈕，則在本次循環(huán)結(jié)束后不再繼續(xù)運(yùn)行。 5.3 故障及其解決方案 首先用電腦在STEP-7-Micro/WIN編程軟件中將編輯的梯形圖寫入軟件中，然后點(diǎn)擊運(yùn)行并對其指出的錯(cuò)誤進(jìn)行修改，修改完最終運(yùn)行無誤后將其下載到可編程控制儀器中；其次按照設(shè)計(jì)的要求接好線，確定無誤后開始調(diào)試。下表列出可能出現(xiàn)的問題及解決方案。 表5-1 可能出現(xiàn)的問題及解決方案 問題 可能原因 解決方法 輸出不工作 1.被控制設(shè)備產(chǎn)生的浪涌損壞了輸出 2.程序錯(cuò)誤 3.接線松動(dòng)或不正確 4.輸出過載 5.輸出被強(qiáng)制 1.當(dāng)接到感性負(fù)載時(shí)，需要使用一個(gè)抑制電路。 2.更正用戶程序 3.檢查接線并更正 4.檢查輸出的負(fù)載功率 5.檢查S7-200是否有被強(qiáng)制的I/O S7-200上SF（系統(tǒng)故障）燈亮（紅色） 下面給出了可能的原因： 1.用戶程序錯(cuò)誤 -0003 看門狗錯(cuò)誤 -0011 間接尋址 -0012 非法的浮點(diǎn)數(shù) -0014 范圍錯(cuò)誤 2.電噪聲(0001到0009) 3.元件損壞(0001到0010) 1.對于編程錯(cuò)誤,檢查FOR、 NEXT、JMP、LBL和比較指令的用法 2.對于電噪聲： 控制面板良好接地和高電壓與低電壓不并行引線是很重要的。 把24VDC傳感器電源的M端子接地。 LED燈全部不亮 1.保險(xiǎn)絲燒壞 2.24V電源線接反 3.不正確的電壓 把電源分析器連接到系統(tǒng)；檢查過電壓尖峰的幅值和持續(xù)時(shí)間。根據(jù)檢查結(jié)果，給系統(tǒng)加一個(gè)合適的抑制設(shè)備。 與高能量設(shè)備相關(guān)的間歇操作 1.不適合的接地 2.在控制柜內(nèi)交叉配線 3.輸入濾波器的延時(shí)太少 控制面板良好接地和高電壓與低電壓不并行引線是很重要的。 把24VDC傳感器電源的M端子接到地。增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊中的輸入濾波器的延遲時(shí)間。 當(dāng)連接一個(gè)外部設(shè)備時(shí)通訊網(wǎng)絡(luò)損壞。 （計(jì)算機(jī)接口、S7-200的接口或PC/PP電纜損壞） 如果所有的非隔離設(shè)備連到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、而該網(wǎng)絡(luò)沒有共同的參考點(diǎn)，通訊電纜提供了一個(gè)不期望的電流通路。這些不期望的電流可以造成通訊錯(cuò)誤或損壞電路。 1.購買隔離型PC/PPI電纜。 2.當(dāng)連接沒有共同電氣參考點(diǎn)的機(jī)器時(shí),購買隔離性RS-485到RS-485中繼器。 6 總結(jié) 隨著畢業(yè)日子的到來，畢業(yè)設(shè)計(jì)也接近了尾聲。經(jīng)過幾周的奮戰(zhàn)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成了。在沒有做畢業(yè)設(shè)計(jì)以前覺得畢業(yè)設(shè)計(jì)只是對這幾年來所學(xué)知識的單純總結(jié)，但是通過這次做畢業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)自己的看法有點(diǎn)太片面。畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗(yàn)，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。 在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中也使我們的同學(xué)關(guān)系更進(jìn)一步了，同學(xué)之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識，所以在這里非常感謝幫助我的同學(xué)。 在此要感謝我們的指導(dǎo)老師翟老師對我們悉心的指導(dǎo)，感謝老師們給我們的幫助。在設(shè)計(jì)過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，并向老師請教等方式，使自己學(xué)到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個(gè)設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動(dòng)手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時(shí)的喜悅。雖然這個(gè)設(shè)計(jì)做的也不太好，但是在設(shè)計(jì)過程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我終身受益。 參考文獻(xiàn) [1]王士軍,鄭新志.機(jī)械手PLC自動(dòng)控制系統(tǒng).山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào).2011,18（3）：48-50 [2]SIEMENS公司.SIMATIC S7-200可編程控制器系統(tǒng)手冊[M]，2003 [3]張進(jìn)秋.可編程控制器原理及應(yīng)用實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004 [4]Alp Ustundag，Mehmet Tanyas．The impacts of Radio Frequency Identification(RFID)technology on supply chain costs[J1．Transportation Research—Part E，2009,45(1):29-38 [5]D．I．Orekhov，A．S．Chepurnov，A．A．Sable’nikov．A Distributed Data Acquisition and Analysis System Based on CAN Bus．Experimental Techniques.2007,5O(4):487-493 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