工业机械手PLC控制系统设计

工业机械手PLC控制系

统设计

IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】

专业课程设计报告

题目：工业机械手PLC控制系统的设计

系 别 信息工程系 专 业 电气工程及其自动化 班 级 ZB 电气111 学生姓名 魏亚飞 指导教师 肖俊明 提交日期 2012年6月 29日

目 录

第1章 概述

1.1 工业机械手的应用领域及PLC特点

机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显着的优点而受到特别重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。国内外都十分重视它的应用和发展。

可编程序控制器(PLC)是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展，PLC在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步，已经成为工厂自动化的标准配置之一。

可编程控制器采用了典型的计算机机构，它主要是由CPU，电源，存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。可编程序控制器的主要特点如下：

1. 抗干扰能力强，可靠性高。 2. 控制系统结构简单，通用性强。 3. 编程方便，易于使用。 4. 功能完善。

5. 设计、施工和调试的周期短。 6. 体积小，维护操作方便。

1.2 课题研究目的及意义

本课题主要研究的是基于工业机械手PLC控制系统的设计,主要包括以下四点：

1．根据工业机械手常规运行的特点和要求画出时序图，根据画出的时序图和考虑到特殊情况以及系统故障综合情况来选择可编程控制的型号，进行硬件系统设计，根据PLC的硬件系统级内部资源并画出工业机械手自动控制装置的硬件系统图。并认真检查硬件系统是否符合要求。

2．根据工业机械手运行的特点和要求利用所学的可编程控制器的基本指令进行程序设计。并认真检查书写的程序是否符合要求。

3．根据设计的PLC硬件系统图进行接线，利用STEP-Micro/WIN32编程软件将程序输入到PLC进行上机操作，直至调试正确。

4．通过编程及调试程序，掌握S7-200PLC的硬件构成及使用方法，摸索并积累编程的技巧及经验，在调试过程中发现问题，综合应用理论知识分析问题，解决问题。

通过本课程设计，要达到以下要求：熟悉可编程控制器的主机模块、扩展模块，能够根据控制要求组建、安装PLC控制系统，编写PLC的控制程序并调试系统。在知识、能力和素质等方面达到较高的水平，为今后参加工作能熟练进行本专业的研究设计工作，为工作打下良好的基础。

第2章 工业机械手硬件设计

图 2-1 机械手控制示意图

2.1 控制要求

第一步是当工作台A上有工件出现时（可以由光藕合器VLC检测到，当检测到有工件时，VLC =1），机械手开始下降。当机械手下降到位时（可以由限位开关检测到，当下降到位时，I0. 5=1），机械手停止下降，第一步结束。

第二步是机械手在最低位开始抓紧工件，约10s抓住、抓紧，第二步结束。 第三步是机械手夹紧工件上升。当机械手上升到位时（可以由限位开关检测到，当上升到位时，I0. 4=1），机械手停止上升，第三步结束。

第四步是机械手夹紧工件右移。当机械手右移到位时（可以由限位开关检测到，当右移到位时，I0. 7=1），机械手停止右移，第四步结束。

第五步是机械手在最右位开始下降。当机械手下降到工作台B到位时（可以由限位开关检测到，当下降到位时，I0. 5=1），机械手停止下降，第五步结束。 第六步是机械手开始放松工件，所需时间约为10s ，10s之后放开工件，第六步结束。

第七步是机械手开始上升。机械手上升到位时（可以由限位开关检测到，当上升到位时，I0. 4=1），停止上升，第七步结束。

第八步是机械手在高位开始左移，当左移到位时（可以由限位开关检到，左移到位时，I0. 6=1），机械手停止左移，第八步结束。机械手工作一个周期完成。等待工件在工作台A上出现转到第一步。

2.2 工作过程

按照设计要求机械手的工作均由电机驱动，它的上升、下降、左移、右移都是有电机驱动来完成的。

机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，机械手将下降→加紧工件→上升→右移→再下降→放松工件→在上升→左移总共八个动作，也就是一个工作周期。机械手的下降、上升、右移、左移等动作转换，是由相应的限位开关来控制的，而加紧、放松动作的转换是由时间来控制的。

为了确保安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降，若上次搬到右工作台上的工件尚未移走，机械手应自动暂停，直到工件移走为止，否则等待。为此设置了一个光电开关，以检测“无工件”信号。

2.3 硬件的选择

2.3.1 PLC的选择

从控制方式选择上需要3个启动按钮，分别完成自动方式、单动方式和手动方式的启动，还需要一个停止按钮用来处理现在任何情况下的停止运行。机械手运行的限位开关有4个，高位限位开关、低位限位开关、左位限位开关和右位限位开关。手动控制输入信号由5个按钮组成，下降按钮、上升按钮、夹紧按钮、左移按钮和右移按钮。工作台A上有工件检测光耦合器VLC的输入信号。共有14个输入信号。 输出信号有机械手下驱动信号、上升驱动信号、右移驱动信号、左移驱动信号和机械手夹紧驱动信号，共有5个输出信号。

该系统需要输入14点，输出5点。可选择S7-200系列的CPU224就可以满足要求。

2.3.2 热继电器的选择

1．热继电器的型选择：

一般情况下，可选用两相结构的热电器继电器，但当三相电压的均衡性较差，工作环境恶劣或无人看管的电动机，宜选用三相结构的热继电器。对于三角形接线的电动机，应选用带断相保护装置的热继电器。

2．热继电器额定电流的选择：

当电动机启动电流为其额定电流的6倍及启动时间不超过6S时，就可按电动机的额定电流选取热继电器；当电动机的启动时间较长、拖动冲击性负载或不答应停车时，热继电器的额定电流调节到电动机额定电流的~倍。

综上所述，选择NR3-45 热继电器、NR2-25G/Z 热继电器、NR3-25 热继电器。

2.3.3 熔断器的选择

1．熔断器的类型选择

选择熔断器时类型时，主要依据负载的保护特性和短路电流的大小。对大容量的照明线路和电动机，除过载保护以外，还应考虑短路时分断电路电路的能力。若短路电流较小时，可采用熔体为锡质的或熔体为锌质的熔断器。用于车间低压供电线路的保护熔断器，一般是考虑短路时的分断能力。

2．熔断器额定电流的选择

用于保护多台电动机的熔断器，在出现尖峰电流时不应熔断。通常将其中容量最大的一台电动机启动，而其余电动机正常运行时出现的电流作为其尖峰电流。为此熔体的额定电流应满足关系式Ire(1.5~2.5)Ie,maxIe，Ire为熔体的额定电流，Ie为负责的额定电流。

综上所述，选择KS8/380~690V /16A熔断器或者KG8/380~690V /16A。

2.4 主电路的设计

启动时首先要和上自动开关QA0，主电路引入三相电源。本次设计中所用电动机均为小容量的，故可直接启动，熔断器FA完成主电路的短路保护，热继电器BB完成过载保护，QA接触器实现失压保护。主电路如图2-2所示。BE是交流互感器，将大电流按比例降到可以用仪表直接测量的数值，便于电流表A1、A2、A3直接测量，同时为继电保护和自动装置提供电源。

图2-2 主电路图

2.5 输入输出点的地址分配

输入输出点的地址分配见表2-1。

表 2-1 输入输出地址分配

模块号 CPU224 输入端号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 输出端子号 地址号 信号名称 自动启动，“1”有效 单动启动，“1”有效 手动启动，“1”有效 停止，“1”有效 高位，“2”有效 低位，“3”有效 左位，“4”有效 右位，“5”有效 手动下降，“6”有效 手动上升，“7”有效 手动夹紧，“8”有效 手动左移，“9”有效 手动右移，“10”有效 A台有工件，“11”有效 下降，“12”有效 上升，“13”有效 右移，“14”有效 左移，“15”有效 夹紧，“16”有效 说明 按钮 按钮 按钮 按钮 限位开关 限位开关 限位开关 限位开关 按钮 按钮 按钮 按钮 按钮 管耦合器 电磁阀 电磁阀 电磁阀 电磁阀 电磁阀 CPU224 1 2 3 4 5 图 2-2 控制系统的外部接线图

第3章

3.1 控制系统工作流程图

软件设计

基于PLC的机械手控制系统的生产控制要求，程序流程图见附录一。

表 3-1内存分配符号

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 名称 自动启动 单动启动 手动启动 停止 高位 低位 左位 右位 手动下降 手动上升 手动夹紧 手动左移 手动右移 A 台有工作 下降 上升 右移 左移 夹紧 夹紧定时器 放松定时器 自动方式标志 单动方式标志 手动方式标志 一周期结束标志 地址 T101 T102 按钮 按钮 按钮 按钮 限位开关 限位开关 限位开关 限位开关 按钮 按钮 按钮 按钮 按钮 光耦合器 电磁阀 电磁阀 电磁阀 电磁阀 电磁阀 注解 时基=100ms的TON定时器 时基=100ms的TON定时器 Bool Bool Bool Bool

3.2 梯形图

内存分配符号表列出了I/O分配、内存分配及他们的功能。可用表中的名称替代实际地址去编写程序，方便了编程。梯形图中OB1的任务是根据启动信号分别调用自动控制程序和单动控制程序SBR0、手动控制程序SBR1。

图3-1 主程序 图3-2 子程序SBR0 图3-3 子程序SBR1

第4章 运行调试

由于PLC是专门为工业生产环境设计的控制装置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工业环境中使用。但环境过于恶劣、电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都将不能保证PLC正常、安全、可靠的运行。因此，讨论PLC设计调试就具有十分重要的意义。

根据控制系统的硬件及软件的设计最后对本控制系进行整体性的操作控制调试：首先用电脑在STEP-7-Micro/WIN编程软件中将编辑的梯形图写入软件中，然后点击运行并对其指出的错误进行修改，修改完最终运行无误后，通过菜单项“文件/导出”命了，将文件导出成.awl格式的文件，在仿真软件S7_200汉化版下进行仿真。仿真软件窗口界面如图4-1所示。

图 4-1 仿真软件界面

选择CPU224，如图4-2。

图 4-2 选择CPU224

装在仿真程序，如图4-3所示。

图4-3 装在仿真程序

是手动启动方式，是光耦器检测是否有工件，机械手在高限位开关和左限位开关到位后，开始下降，正如下图4-4所示。

图4-4 机械手下降动作仿真

在程序调试过程中基本上没有出现太大的问题，最终都一一解决了。在使用STL指令编程时，刚开始由于对STL指令掌握的不是很好，所以犯了不少错误，经过不断查阅资料，研究、改进，最终程序调试成功。程序运行良好，动作正确、符合控制要求。

第5章 心得体会

最终我选择以电子档打印出报告，因为至始至终我都把这次课程设计严格按照毕业设计的步骤要求自己，最终完成电子档。期间用到了AutoCAD软件绘制了机械手控制示意图、主电路图和控制系统的外部接线图，也对CAD软件有了进一步的熟悉和掌握。也用到了天正电气CAD软件绘制了主电路图，这是第一次接触电气类CAD软件，我对其产生了很大的兴趣，希望在以后的工作和学习中能够多接触到这方面的知识，希望能在学习中得到锻炼。最后就是对电子档进行排版，我是严格按照专科学校毕业论文的要求来做的，由于程序流程图在论文中排版无法以较好的形式展现，最终以附录的形式在论文的最后。

在本次课题设计中，机械手控制系统采用PLC进行控制，大大提高了该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线，提高了控制系统的可靠性。同时，使用PLC进行控制可方便更改生产流程，增强控制功能。通过本次设计，可以根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数，实现机械手控制系统的不同工作需求，机械手控制系统具有了很大的灵活性和可操作性。

不过在程序一开始时，出现很多错误，还好在同学们的帮助下，程序得到了很大改进。当然肖老师作为本次课程设计的指导老师，给我们提供了非常有价值的参考资料和建议，也讲了一些关于图书馆和网络如何查资料的一些技巧，在此对肖老师和同学们表示非常感谢。

附录一

参考文献

[1] 肖俊明 杨涟 陈玉国. 工厂电气及PLC课程设计指导书. 中原工学院电子信息学院，

[2] 王永华 陈玉国. 现代电气控制及PLC应运技术. 北京：北京航空航天大学出版社，

[3] 廖常初. PLC编程及应用. 北京：机械工业出版社，

[4] 陈立定. 电气控制与可编程控制器. 华南理工大学出版社，2001 [5] 于庆广. 可编程控制器原理及系统设计. 北京：清华大学出版社，