基于PLC的机械手控制系统设计(DOC)

原创 2020-02-12 05:22  阅读

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  毕 系 别: 业 设 电气工程系 计 专业名称: 2013(3) 电气自动化技术 论文题目: 学生姓名: 指导老师: 评 阅 人: 成 绩: 机械手的 PLC 控制 2016 年 月 日 毕 业 设 计 目 录 设计任务书…………………… …………………… … 目录…………………… ……………………………… 前言……………… ………………… ………………… 1、PLC 简介…………… … ………………… … …… 1.1 PLC 发展 ……………… … ……… …… … …… 1.2 PLC 基本结构……………………………………… 1.3 PLC 工作原理…………………………… …… … 2、气动机械臂的 PLC 控制……………… ………… 2.1 控制特点… ………………………… …………… 2.2 系统控制示意图… ………………… …………… 2.3 输入和输出点分配表及原理接线 操作系统… ……………………………… ……… 2.5 回原位程序… …………………………… ……… 2.6 手动单步操作程序… …………………… … …… 2.7 自动操作程序… ………………………… … …… 2.8 机械臂传送系统梯形图… ……… …………… … 2.9 指令语句表… ………………………… …… …… 8、设计小结 ……… …… …………… …… … …… 参考文献 …………………………………… ……… 1 毕 业 设 计 前 言 可编程序控制器(Programmable Logic Controller) ,简称 PLC,是在继电 顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。 随 着电子技术和计算机技术的迅猛发展,PLC 的功能也越来越强大,更多地具有计 算机的功能, 所以又简称 PC (PROGRAMMABLE CONTROLLER) , 但是为了不和 PERSONAL COMPUTER 混淆,仍习惯称为 PLC。目前 PLC 已经在智能化、网络化方面取得了很 好的发展,并且现今已出现 SOFTPLC,更是 PLC 领域无限的发展前景。本文主要 通过气动机械臂的 PLC 控制来介绍 PLC 的具体应用,让我们更熟悉 PLC,为今后 学习打下基础。 2 毕 业 设 计 1 PLC 简介 可编程控制器(简称 PLC) :是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业 环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻 辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模 拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 1.1 PLC 发展历史 20 世纪 60 年代末期,美国汽车制造工业竞争激烈,为了适应生产工艺不断 更新的需要,在 1968 年美国通用汽车公司(GM)首先公开招标,对控制系统提 出的具体要求基本为:a。 它的继电控制系统设计周期短,更改容易,接线简单 成本低。b。它能把计算机的功能和继电器控制系统结合起来。但编程要比计算 机简单易学、操作方便。c。系统通用性强。1969 年美国数字设备公司(DEC) 根据上述要求,研制出世界上第一台 PLC,并在 GM 公司汽车生产线上首次试用 成功,实现了生产的自动化。其后日本、德国等相继引入,可编程序控制器迅速 发展起来,但是主要应用于顺序控制,只能进行逻辑运算,故称为可编程逻辑控 制器,简称 PLC。其定义:可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为 在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序, 执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数 字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关 外部设备, 都按易于与工业控制系统联成一个整体, 易于扩充其功能的原则设计。 1.2 基本结构 PLC 可编程序控制器实施控制, 其实质就是按一定算法进行输入输出变换,并将 这个变换与以物理实现。 输入输出变换、物理实现可以说是 PLC 实施控制的两个 基本点, 同时物理实现也是 PLC 与普通微机相区别之处,其需要考虑实际控制的 需要,应能排除干扰信号适应于工业现场,输出应放大到工业控制的水平,能为 实际控制系统方便使用, 所以 PLC 采用了典型的计算机结构,主要是由微处理器 (CPU) 、存储器(RAM/ROM) 、输入输出接口(I/O)电路、通信接口及电源组成。 PLC 的基本结构如下图所示: 3 毕 业 设 计 1.2.1 中央处理单元(CPU) 中央处理单元 (CPU)是 PLC 的控制核心。它按照 PLC 系统程序赋予的功能: a. 接收并存储从用户程序和数据;b.检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器 的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。当 PLC 投入运行时,首先它以扫描的 方式采集现场各输入装置的状态和数据,并分别存入 I/O 映象寄存区,然后从用 户程序存储器中逐条读取用户程序, 经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算 数运算并将结果送入 I/O 映象寄存区或数据寄存器内。 等所有的用户程序执行完 毕之后, 最后将 I/O 映象寄存区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应 的输出装置,如此循环直到停止运行。 为了进一步提高 PLC 的可靠性,近年来 对大型 PLC 还采用双 CPU 构成冗余系统,或采用三 CPU 的表决式系统。这样,即 使某个 CPU 出现故障,整个系统仍能正常运行。 1.2.2 存储器 可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。 存放系统 软件(包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及 其各种管理程序)的存储器称为系统程序存储器;存放用户程序(用户程序存和 数据) 的存储器称为用户程序存储器,所以又分为用户存储器和数据存储器两部 分。 PLC 常用的存储器类型 : (1)RAM (Random Assess Memory) 这是一种读/写存储器(随机存储器), 其存取速度最快,由锂电池支持。 (2)EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种可擦除 的只读存储器。在断电情况下,存储器内的所有内容保持不变。(在紫外线 毕 照射下可擦除存储器内容)。 业 设 计 (3)EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是 一种电可擦除的只读存储器。 使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修 改。 PLC 存储空间的分配 : 虽然各种 PLC 的 CPU 的最大寻址空间各不相同, 但是根据 PLC 的工作原理,其存储空间一般包括以下三个区域: (1)系统程序存储区 (2)系统 RAM 存储区(包括 I/O 映象寄存区和系统软设备等) 。 (3)用户程序存储区 系统程序存储区: 在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统 程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序 等。由制造厂商将其固化在 EPROM 中,用户不能直接存取。它和硬件一起决定 了该 PLC 的性能。 系统 RAM 存储区: 系统 RAM 存储区包括 I/O 映象寄存区以及各类软元件, 如: 逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等存储器。 (1)I/O 映象寄存区:由于 PLC 投入运行后,只是在输入采样阶段才依次 读入各输入状态和数据,在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外 设。因此,它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放 I/O 的状态和数据,这些单 元称作 I/O 映象寄存区。 一个开关量 I/O 占用存储单元中的一个位,一个模拟量 I/O 占用存储单元中的一个字。因此整个 I/O 映象寄存区可看作两个部分组成: 开关量 I/O 映象寄存区;模拟量 I/O 映象寄存区。 (2)系统软元件存储区 :除了 I/O 映象寄存区区以外,系统 RAM 存储区还 包括 PLC 内部各类软元件 (逻辑线圈、 计时器、 计数器、 数据寄存器和累加器等) 的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和失电不保持的存储区域, 前者在 PLC 断电时,由内部的锂电池供电,数据不会丢失;后者当 PLC 断电时, 数据被清零。 (3)用户程序存储区 : 用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同 类型的 PLC,其存储容量各不相同。 1.2.3 输入接口电路 5 毕 业 设 计 输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种,在我们实习室涉及到的信号 当中,开关量最普遍,也是实验条件所限,在次我们主要介绍开关量接口电路。 可编程序控制器优点之一是抗干扰能力强。这也是其 I/O 设计的优点之处, 经过了电气隔离后,信号才送入 CPU 执行的,防止现场的强电干扰进入。如下图 就是采用光电耦合器 (一般采用反光二极管和光电三极管组成)的开关量输入接 口电路: 1.2.4 输出接口电路 可编程序控制器的输出有:继电器输出(M)、晶体管输出(T)、晶闸管 输出(SSR)三种输出形式。 (1) 输出接口电路的隔离方式 (2) 输出接口电路的主要技术参数 a.响应时间 响应时间是指 PLC 从 ON 状态转变成 OFF 状态或从 OFF 状态转 变成 ON 状态所需要的时间。继电器输出型响应时间平均约为 10ms;晶闸管输出 型响应时间为 1ms 以下;晶体管输出型在 0.2ms 以下为最快。 b.输出电流 继电器输出型具有较大的输出电流,AC250V 以下的电路电 压可驱动纯电阻负载 2A/1 点、感性负载 80VA 以下(AC100V 或 AC200V)及灯负 6 毕 业 设 计 载 100W 以下(AC100V 或 200V)的负载;Y0、Y1 以外每输出 1 点的输出电流是 0.5A,但是由于温度上升的原因,每输出 4 合计为 0.8A 的电流,输出晶体管的 ON 电压约为 1.5V,因此驱动半导体元件时,请注意元件的输入电压特性。Y0、 Y1 每输出 1 点的输出电流是 0.3A, 但是对 Y0、 Y1 使用定位指令时需要高速响应, 因此使用 10—100mA 的输出电流;晶闸管输出电流也比较小,FX1S 无晶闸管输 出型。 c.开路漏电流 开路漏电流是指输出处于 OFF 状态时, 输出回路中的电流。 继电器输出型输出接点 OFF 是无漏电流;晶体管输出型漏电流在 0.1mA 以下;晶 闸管较大漏电流,主要由内部 RC 电路引起,需在设计系统时注意。 输出公共端 (COM) 公共端与输出各组之间形成回路, 从而驱动负载。 FX1S 有 1 点或 4 点一个公共端输出型, 因此各公共端单元可以驱动不同电源电压系统 的负载。 1.2.5 电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠 得电源系统是无法正常工作的, 因此 PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重 视。 一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内,可以不采取其它措施而将 PLC 直接 连接到交流电网上去。 如 FX1S 额定电压 AC100V—240V, 而电压允许范围在 AC85V —264V 之间。允许瞬时停电在 10ms 以下,能继续工作。 一般小型 PLC 的电源输出分为两部分:一部分供 PLC 内部电路工作;一部分 向外提供给现场传感器等的工作电源。因此 PLC 对电源的基本要求: ①能有效地控制、消除电网电源带来的各种干扰; ②电源发生故障不会导致其它部分产生故障; ③允许较宽的电压范围; ④电源本身的功耗低,发热量小; ⑤内部电源与外部电源完全隔离; ⑥有较强的自保护功能。 1.3 PLC 的工作原理 由于 PLC 以微处理器为核心,故具有微机的许多特点,但它的工作方式却与 7 毕 业 设 计 微机有很大不同。 微机一般采用等待命令的工作方式,如常见的键盘扫描方式或 I/O 扫描方,若有键按下或有 I/O 变化,则转入相应的子程序,若无则继续扫描 等待。 PLC 则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序,CPU 从第一条指令开始执 行,按指令步序号做周期性的程序循环扫描,如果无跳转指令,则从第一条指令 开始逐条执行用户程序, 直至遇到结束符后又返回第一条指令,如此周而复始不 断循环, 每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于以下几个因 素:一是 CPU 执行指令的速度;二是执行每条指令占用的时间;三是程序中指令 条数的多少。一个扫描周期主要可分为 3 个阶段。 1.3.1 输入刷新阶段 在输入刷新阶段,CPU 扫描全部输入端口,读取其状态并写入输入状态寄存 器。完成输入端刷新工作后,将关闭输入端口,转入程序执行阶段。在程序执行 期间即使输入端状态发生变化, 输入状态寄存器的内容也不会改变,而这些变化 必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。 1.3.2 程序执行阶段 在程序执行阶段,根据用户输入的控制程序,从第一条开始逐步执行,并将 相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。 当最后一条 控制程序执行完毕后,即转入输入刷新阶段。 1.3.3 输出刷新阶段 当所有指令执行完毕后, 将输出状态寄存器中的内容,依次送到输出锁存电 路(输出映像寄存器) ,并通过一定输出方式输出,驱动外部相应执行元件工作, 这才形成 PLC 的实际输出。 由此可见, 输入刷新、 程序执行和输出刷新三个阶段构成 PLC 一个工作周期, 由此循环往复, 因此称为循环扫描工作方式。由于输入刷新阶段是紧接输出刷新 阶段后马上进行的,所以亦将这两个阶段统称为 I/O 刷新阶段。实际上,除了执 行程序和 I/O 刷新外,PLC 还要进行各种错误检测(自诊断功能)并与编程工具 通讯,这些操作统称为“监视服务” ,一般在程序执行之后进行。综上述,PLC 的扫描工作过程如图 1—4 所示。 8 毕 业 设 计 显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。 扫描周期越长, 响应速度越慢。 由于每个扫描周期只进行一次 I/O 刷新,即每一个扫描周期 PLC 只对输入、输出 状态寄存器更新一次, 所以系统存在输入输出滞后现象,这在一定程度上降低了 系统的响应速度。 但是由于其对 I/O 的变化每个周期只输出刷新一次,并且只对 有变化的进行刷新, 这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的,不但不会造 成影响,还会提高抗干扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行, PLC 在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的,而工业现场的干扰常常是脉 冲、短时间的,误动作将大大减小。但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现 象,这个一般 PLC 都会采取高速模块。 总之,PLC 采用扫描的工作方式,是区别于其他设备的最大特点之一,我们 在学习和使用 PLC 当中都应加强注意。 9 毕 业 设 计 2 机械手的 PLC 控制 2.1 控制特点 机械手电气控制系统, 除了有多工步特点之外,还要求有连续控制和手动控 制等操作方式。 工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打 向回原点时,系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时,系统自动完 成各工步操作,且循环动作。当旋钮打向手动时,每一工步都要按下该工步按钮 才能实现。以下是设计该机械臂控制程序的步骤和方法。 2.2 系统控制示意图 机械手传送工件系统示意图,如图 1 所示。 图1 机械手传送示意及操作面板图 2.3 输入和输出点分配表及原理接线 名 称 代 号 机械臂传送系统输入和输出点分配表 输 入 名 称 代号 输 入 名 称 代 号 输 出 10 毕 启动 SB1 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 夹紧 放松 单步上升 单步下降 单步左移 SB5 SB6 SB7 SB8 SB9 X10 X11 X12 X13 X14 X15 X16 X17 业 设 YV1 YV2 YV3 YV4 YV5 EL 计 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 电磁阀下 降 电磁阀夹 紧 电磁阀上 升 电磁阀右 行 电磁阀左 行 原点指示 下限行程 SQ1 上限行程 SQ2 右限行程 SQ3 左限行程 SQ4 停止 手动操作 连续操作 SB2 SB3 SB4 单步右移 SB10 回原点 工件检测 SB11 SQ5 2.4 操作系统 操作系统包括回原点程序,手动单步操作程序和自动连续操作程序,如图 3 所示。 11 毕 业 设 计 其原理是: 把旋钮置于回原点,X16 接通,系统自动回原点,Y5 驱动指示灯亮。再把旋 钮置于手动,则 X6 接通,其常闭触头打开,程序不跳转(CJ 为一跳转指令,如 果 CJ 驱动, 则跳到指针 P 所指 P0 处) , 执行手动程序。 之后, 由于 X7 常闭触点, 当执行 CJ 指令时,跳转到 P1 所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置, (既 X6 常闭闭合、X7 常闭打开)则程序执行时跳过手动程序,直接执行自动程序。 2.5 回原位程序 回原位程序如图 4 所示。 用 S10~S12 作回零操作元件。 应注意, 当用 S10~S19 作回零操作时,在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器 M8043 置 1。 12 毕 业 设 计 2.6 手动单步操作程序 如图 5 所示。图中上升/下降,左移/右移都有联锁和限位保护。 13 毕 业 设 计 2.7 自动操作程序 自动操作状态转移见图 6 所示。当机械臂处于原位时,按启动 X0 接通,状 态转移到 S20, 驱动下降 Y0, 当到达下限位使行程开关 X1 接通, 状态转移到 S21, 而 S20 自动复位。S21 驱动 Y1 置位,延时 1 秒,以使电磁力达到最大夹紧力。 当 T0 接通,状态转移到 S22,凯发游戏娱乐官网,驱动 Y2 上升,当上升到达最高位,X2 接通,状态 转移到 S23。S23 驱动 Y3 右移。 移到最右位,X3 接通,状态转移到 S24 下降。下降到最低位,X1 接通,电 磁铁放松。为了使电磁力完全失掉,延时 1 秒。延时时间到,T1 接通,状态转 移到 S26 上升。上升到最高位,X2 接通,状态转移到 S27 左移。左移到最左位, 使 X4 接通,返回初始状态,再开始第二次循环动作。 在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次,但它驱动的线 毕 业 设 计 以使用多次,但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程,比起用基本 指令编程较为容易,可读性较强。 2.8 机械手传送系统梯形图 如图 7 所示。图中从第 0 行到第 27 行为回原位状态程序。从第 28 行到第 66 行,为手动单步操作程序。从第 67 行到第 129 行为自动操作程序。这三部分 程序(又称为模块)是图 3 的操作系统运行的。 回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行, 都以 RET 结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回初 始态 S1。而自动操作程序能自动返回初态 S2。 15 毕 业 设 计 16 毕 业 设 计 2.9 指令语句表 17 毕 业 设 计 总 结 机械手的 PLC 控制课程设计是机电课程当中一个重要环节通过了 8 周的课程 设计使我对机械设计过程有进一步了解, 对机电产品的有关的控制知识有了深刻 的认识。 因为理论知识学的不牢固,在设计遇到了不少问题,如:遗忘以前学过的专 业基础知识。通过理论与实际的结合,进一步提高观察、分析和解决问题的实际 工作能力, 以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合 型人才。运用学习成果,把理论运用于实际,使理论得以提升,形成创新思想。 通过此次设计过程, 巩固了专业基础知识,培养了我综合应用机械设计课程及其 他课程的理论知识和应用生产实际知识解决工程实际问题的能力, 在设计的过程 中还培养出了我们的团队精神,为今后的学习和工作过程打下基础。 18 毕 业 设 计 参考文献: 【1】郁汉琪、郭建主编.可变程序控制器原理及应用.北京:中国电力出版 社,2005 【2】王炳实主编.单片机技术.第 3 版.北京:机械工业出版社,2004 【3】易泓可主编.基于数字 PID 设计.北京:机械工业出版社,2004 【4】邓星钟主编.机电传动控制。武汉:华中科技大学出版社,2001 【5】濮良贵 ,纪名刚.《机械设计》8 版.教育出版社. 2006 [6] 廖常初 编著.PLC 编程及应用[M].北京:机械工业出版社,2004. 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