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基于PLC的机械手控制系统

发布时间:2016-12-21      文章来源:未知

摘要
 
        本文是在近年来机械手发展状况的基础上,结合机械手方面的设计,对机械手技术进行了系统的分析,提出了用驱动和PLC控制的设计方案。采用整体化的设计思想,充分考虑了软、硬件各自的特点从而对机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。
首先对搬运机械手的基本应用和基本结构进行介绍,然后提出了实现“原点位置开始启动,完成向左摆动、臂水平伸出、臂垂直下降、夹紧工件、臂垂直缩回、臂水平缩回、向右摆回、臂水平伸出、臂垂直下降、放开工件、臂垂直上升、臂水平缩回至原位”的位置控制。用爪实现物料搬运。技术控制采用计算机--可编程控制技术(PLC)控制的设计方案。对搬运机械手驱动系统中采用电磁阀,控制系统为三菱公司的FX2N系列PLC的控制单元。从而完成升降、抓物、水平与左右移动等动作的控制。
        之后介绍了各个组成部件的作用、传感器的选型和PLC控制系统的硬件连接等,给出各部分的实现方案。最后进行PLC控制系统的梯形图及指令表程序等软件程序设计。
  
关键词:机械手,交流电机,可编程控制器(PLC),

第一章

1.1论文研究的目的及意义

        机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要,可以大量代替单调往复或高精度需求的工作,在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。能在高温、腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身安全,可以实现生产的机械化和自动化可以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。
        工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术,是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物,并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合,应用得更为广泛。在我国,近几年来也有较快的发展,并取得一定的效果,受到机械工业和铁路工业部门的重视。
        采用PLC控制,是一种预先设定的程序进行的自动化装置,可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业,并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时,可以允许方便的改动或重新设计其新部件,而对于位置改变时,只要重新编程,并能很快地投产,降低安装和转换工作的费用。主要包括执行系统、驱动系统和控制系统的设计。

1.2机械手在国内外现状和发展趋势
        机械手首先是从美国开始研制的。1954年美国工程师德尔沃最早提出机械人的概念;1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。1959年美国德尔沃与英格伯制造了世界上的第一台机械人;1962年美国正式将机械人的使用性提出来,且制造出类似人的手臂;1967年日本成立了人工手研究会,并召开了首届机械手学术会;1970年在美国召开了第一届工业机械人学术会,并的到迅速普及;1973年辛辛那提公司制造出第一台小型计算机控制的的工业机械人,当时是液压驱动,能载重大成就45KG;到1980年在日本得到普及,此后在日本机械人得到了前所未有的发展与提升。目前世界高端工业机械手均有高精化,高速化,多轴化,轻量化的发展趋势。现代式工业中,生产过程的机械化,自动化已成为突出的主题。化等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。采用全自动化机械手进行装配更是目前研究的重点,国外已研究采用摄像机和力传感装置和微型计算机连在一起,能确定零件的方位达到镶装的目的。但在机械工业中,加工、装配等生产是不连续的。工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面,动作灵活多样,适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产,广泛应用于柔性自动线。
        自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,PLC)取代传统继电器控制装置以来,PLC得到了快速发展,在世界各地得到了广泛应用。同时,PLC的功能也不断完善。PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。现如今的PLC不再局限于逻辑控制,在运动控制、过程控制等领域的作用也十分重要。通用PLC应用于专用设备时可认为它就是一个嵌入式控制器,但PLC相对一般嵌入式控制器而言,具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中一些原来为嵌入式控制器,现在正逐步用“通用PLC”或“定制PLC”取代嵌入式控制器
        中国主要以引进先进技术为主,代替部分人工劳动;开发适用于要求的机械手。就目前来看国内使用的机械手进口所占比例依然较大,2012年各占50%左右,约15000台。我国机械手应用主要分布在上海、辽宁等,华东地区占全国56%左右。主要应用于焊接、装配、喷涂、搬运等制造行业机械手;水下机械手、农业机械手、微操作机械手、医疗机械手、军用机械手、娱乐机械手等非制造业机械手。其控制方式主要基于单片机技术和PLC技术为核心,且PLC应用发展趋势更为出众。我国在许多工业上采用了机器人控制技术,尤其是近年以来,柔性制造技术和工厂的自动化技术不断应用于生产实践中,代替了许多繁重的体力劳动,改善了工人的劳动条件,也展现出了工业机器人应用生产的强大生命力,不断推动科技更新,设备更新。机械手也增加了许多功能,如具有视觉、触觉、听觉等能力,把各种传感器安装于机械手的各部位形成自动化水平相当高的机械手。
1.3主要研究内容
1研究机械手控制的技术要求、机械结构及相关技术。
2研究机械手控制的元件及控制回路,PLC的硬件接线系统图。
3设计机械手控制方案编写控制程序。
课题研究中采用了手动控制与自动控制两种方案。
第二章设计要求
        采用PLC构成机械手的自动控制系统,可通过修改PLC控制程序,改变对机械手模型的控制要求。机械手的横轴在水平面内作前后方向运动,竖轴在垂直面内作上下两方向运动,底座能作正反方向旋转,手能正反两方向旋转,并且底座也具有能在任意位置停止的功能。其主要任务是将的工件旋转搬运到。机械手的工作方式可分为手动、单步、单周期、连续和回原点,各种工作方式的动作及控制要求说明如下。
2.1控制方式及要求
2.1.1控制方式
(1).
a.接通电源后,机械机构自动复位;
b.横轴前伸;
c.机械手旋转到位;
d.竖轴下降;
e.电磁阀复位,机械手夹紧重物;
f.竖轴上升;
g.横轴缩回;
h.底盘旋转到位;
i.横轴前伸;
j.机械手旋转;
k.竖轴下降;
l.电磁阀动作,机械手张开,放下货物;
m.竖轴上升;
n.
o.底盘旋转复位。
至此一个周期的动作结束。再按一次启动按钮就开始下一个周期。
(2).连续方式
启动后机械手反复运行上述周期的每个动作,直到按下停止按钮,机械手完成最后一个动作复位停止工作
(3).单步工作方式
        从起始位置开始,按照自动工作循环的步序,每按一次启动按钮,机械手完成一步动作后自动停止。
(4).利用按钮对机械手每一步动作进行控制。例如,按下“下降”按钮,机械手下降;按下“上升”按钮,机械手上升。手动操作可用于调整工作位置。
2.1.2控制要求
1.前进/后退、上升/下降、手顺旋/逆旋、底盘顺旋/逆旋
        机械手的每个动作必须到位,具体由相应限位开关控制,否则不能进行下一个工作步。前进/后退、上升/下降、手顺旋/逆旋、底盘顺旋/逆旋的动作由一个双线圈的电磁阀控制。
2.夹紧和放松
        机械手夹紧和放松的动作必须在两个工位出进行,且其动作都要到位。
为了确保夹紧和放松动作可靠,需对这两个工作进行定时。夹紧和放松动作由电磁阀控制,电磁阀得电为夹紧,失电为放松。
 
第三章机械手
3.1机械手概述

        工业机械手是近些年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的重要分支之一。其特点是可通过编程来完成各种期望的作业任务,在构造和性能上兼有人和机器都有的优点,尤其体现了人的智能性和适应性。机械手作业的准确性和各种环境下完成作业的能力,在国民经济各领域有着广阔的应用发展前景。
        机械手技术概括了力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术
3.1.1机械手的定义与发展
        机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的机器,它有多个自由度,可用来搬运物体以完成在各中不同环境下工作。
机械手是自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代制造生产系统中的重要组成部分之一。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识,特别是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合,应用得更为普遍。在我国,近几年来也有较快的发展,并取得一定的成果,受到各工业部门的重视。
        随着现代工业技术的发展,工业自动化技术越来越高,工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化,对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害,如冶金、化工、医药、航空航天等。代表当今最先进的技术在日本,这些技术依赖于控制理论、新材料科学等,它是融合各种尖端技术的现代机器。我国也陆续在工业中有所应用,对于自动控制,柔性制造系统中应用更为广泛,但我国的自动化水平有待提高。随着工业现代化的发展,机械手技术也随之提高,发展的趋势是工作强度高,灵活性强,准确可靠,可以自动检测并下达动作命令,融入先进的人工智能,使人只作平时的简单的维护,这也是现代工厂的发展趋势。
        此外应研究伺服型、记忆再现型,以及具有触觉、视觉等性能的机械手,并考虑其与计算机联用,逐步让机械手成为整个机械制造系统中的一个基本单元。
3.1.2机械手分类及控制方法
机械手一般分为三类。
一、不需要人工操作的通用机械手
它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序,以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外,还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
二、需要人工操作的,称为操作机。
它起源于原子、军事工业,先是通过操作机来完成特定的作业,后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。
三、专用机械手
        主要附属于自动机床或自动线上,用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“”,它是为主机服务的,由主机驱动,除少数外,工作程序一般是固定的,因此是专用的。
本设计要求设计的机械手模型可归为第一类,即通用机械手。在现代生产企业中,自动化程度较高,大量应用机械手。通过本次设计,可以增强对工业机械手的认识,同时并熟悉掌握PLC技术、位置控制技术、气动技术等工业控制常用的技术。
3.1.3机械手的结构原理
        机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统构成。执行机构包括手部、手臂和躯干。手部装在手臂前端,可以转动、开闭手指。机械手手部的构造系统模仿人的手指,分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指、四指等,其中以二指用得最多。可根据夾持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头,以适应操作的需要。本设计采用二指的构造。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件,并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确地工作,手臂的三个自由度都需要精确地定位。总之,机械手的运动离不开直线移动和转动二种,因此它采用的执行机构主要是直线液压缸、摆动液压缸、电液脉冲马达、伺服液压马达、交流伺服电动机、直流伺服电动机和步进电动机等。躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的机架。
        控制系统可以根据动作的要求,设计采用数字顺序控制,它首先要编制程序加以储存,然后再根据规定的程序,控制机械手工作。对动作复杂的机械手则采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。
本设计的控制系统采用小型可编程控制器实现,具有编程简单、修改容易、可靠性高等。
3.2机械手模型特性
        物体在三维空间内的禁止位置是由三个坐标和围绕三轴旋转的角度来决定的,因此,抓握物体的位置和方向能从理论上求得。根据资料的介绍,如果采用机械手,其机能要接近于人的上肢,则需要具有27个自由度,而每一个自由度至少要有一根“人造肌肉”来控制。我们不要那么多自由度,因为根据实际情况而言,控制的自由度越多,其各个部分也就越复杂,相应的制造成本也就增加。
本设计的机械手,它共有自由度5个。即:手臂前后伸缩、手臂上下伸缩、手臂左右旋转、手腕回转、手指的抓握。
3.3夹紧机构
        机械手手爪是用来抓取工件的部件。手爪抓取工件时要满足迅速、灵活、准确可靠的要求。设计制造夹紧机构——机械手,首先要从机械手的坐标形式,运行速度和加速度的情况来考虑。其夹紧力的大小则根据夹持物体的重量、惯性和冲击力来计算。则同时考虑有足够的开口尺寸,以适应被抓物体的尺寸变化为扩大机械手的应用范围,还需备有多种抓取机构,以根据需要来更换手爪。为防止损坏被夹的物体,夹紧力要限制在一定的范围内并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心结构。为防止突然断电造成被抓物体落下,还可以有自锁结构。夹紧机构本身则结构简单、体积小、重量轻、动作灵活、和工作可靠。
        夹紧结构形式多样、有机械式、吸盘式和电磁式等。有的夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。本设计采用机械式夹紧装置。
机械式夹紧是最基本的一种,应用广泛,种类繁多。如按手指运动的方式和模仿人手的动作,可分为回转型、直进型;按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式;按手指数目可分为二指式、三指式、四指式;按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。本设计采用二指式手爪。由可编程控制器控制电磁阀动作,从而控制手爪的开闭。手爪的回转则用一个直流电动机完成,同时通过两个限位开关完成回转角度的限位,一般可设置在180度。
3.4躯干
        躯干有底盘和手臂两部分组成。
        底盘是支撑机械手的全部重量并能带动手臂旋转的机构。底盘采用一个直流电动机驱动,底盘旋转时带动一个旋转编码盘旋转,机械手每旋转三度发出一个脉冲,由传感器检测并送入可编程控制器,从而计算底盘旋转的角度。同时,在底盘上装有限位开关,最大旋转角度可达180度。
        手臂使机械手的主要部分,它是支撑手爪、工件使它们运动的机构。本设计手臂由横轴和竖轴组成、可完成伸缩、升降的运动。手臂采用电动机带动丝杠、螺母来实现伸缩和升降运动。由可编程控制器发出信号控制步进电机运转,同时在两轴的两端分别加限位开关限位。采用丝杠、螺母结构传动的特点是易于自锁、位置精度较高,传动效率较高。
3.5旋转编码盘
        机械手底盘和躯干每旋转3度发出一个脉冲,并把信号送回可编程控制器来得到转过的准确的角度。编码盘的机构如图3-1所示:
        可以通过改变程序中计数器C0的初值来确定所要转过的角度,这里可以通过用手持编程器读出指令表,然后修改得到不同的控制角度。
第四章控制系统硬件设计
4.1PLC的定义及特点
4.1.1PLC定义
        PLC问世以来,尽管时间不长,但发展迅速。为了使其生产和发展标准化,美国电气制造商协会NEMA()经过四年的调查工作,于1984年首先将其正式命名为PC(),并给PC作了如下定义:
  “PC是一个数字式的电子装置,它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑,顺序,计时,计数与演算等功能,并通过数字或类似的输入/输出模块,以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着,亦被视为PC,但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。”
   以后国际电工委员会(IEC)又先后颁布了PLC标准的草案第一稿,第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义:
  “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。”
总之,可编程控制器是一台计算机,它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口,并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用,在实际应用时,其硬件需根据实际需要进行选用配置,其软件需根据控制要求进行设计编制。
4.1.2PLC的特点

表4-1PLC特点概述
特点 概述
高可靠性
①所有的I/O接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
②各输入端均采用R-C滤波器,其滤波时间常数一般为10~20ms。
③各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰。
④采用性能优良的开关电源。
⑤对采用的器件进行严格的筛选。
⑥良好的自诊断功能,一旦电源或其他软,硬件发生异常情况,CPU立即采用有效措施,以防止故障扩大。
⑦大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
丰富的I/O
接口模块
PLC针对不同的工业现场信号,如:交流或直流;开关量或模拟量;电压或电流;脉冲或电位;强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备,如:按钮;行程开关;接近开关;传感器及变送器;电磁线圈;控制阀等直接连接。
采用模块化
结构
为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型PLC以外,绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件,包括CPU,电源,I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
编程简单
易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式,对使用者来说,不需要具备计算机的专门知识,因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
安装简单
维修方便
PLC不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接,即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。
4.2PLC的选型
        对于PLC的选择,我们必须考虑多方面的因素。例如输入、输出的最多点数;扫描速度;内存容量;指令条数;功能模块等。同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。
4.2.1PLC种类介绍
        PLC发展这么多年,技术成熟,各种型号的也很多,各个厂家生产的也有一定区别,各个重点发展方向也不同,所以我们必须根据自己设计需要,考虑如何选择。
1西门子S7-200系列可编程控制器介绍:
SIMATICS7-200系列PLC是德国西门子(Siemens)公司生产的具有很高性能价格比的微型可编程控制器。它适用于各行各业,各种场合的检测、监测及控制的自动化。强大功能使其无论在独立运行中,或相连成网络皆能实现复杂控制功能。在以下几方面均有出色的表现:极高的可靠性;极丰富的指令集;易于掌握;便捷的操作;丰富的内置集成功能;实时特性;强劲的通讯能力;丰富的扩展模块。
2OMRONC200H可编程控制器介绍:
先进的、小型化的可编程序控制器.OMRON的可编程序控制器更加小型化。SYSMACCPM1A的大小仅相当于一个PC卡(对于10点的机型来说),从而使安装体积大幅度减小,同时也进一步节省了控制柜的空间。它不仅具备了以往小型PLC所具备的功能,而且还可连接可编程序终端,为生产现场创造了新的环境。
3三菱FX系列可编程控制器介绍:
FX系列可编程控制器是当今国内外最新,最具特色、最具代表性的微型PLC。日本三菱电机公司研发的。在FX中,除基本的指令表编程方式外,还可以采用梯形土编程及对应机械动作流程进行顺序设计的SFC顺序功能图编程,而且这些程序可互相转换。在FX系列PLC中设置了高数计数器,对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中断处理,扩大了PLC的应用领域。其FX2NPLC还可以采用作为扩展设备的硬件计数器,可获取最高50kHz的高速脉冲。
FX系列PLC基于“基本功能、高速处理、便于使用”的研发理念,使其具有数据传送与比较,四则运算与逻辑运算、数据循环与移动等应用指令系统。除此之外,还具有输入输出刷新、中断、高速计数器比较指令、高速脉冲输出等告诉处理指令,以及在SFS控制方面,将机械控制的标准动作封装化的状态初始化指令等,使功能大大增加。
FX系列PLC在特殊控制方面不但具备模拟量输入输出控制,而且具有定位控制几PID系统控制。在通信方面,能够方便地与PC计算机链接实现数据交换与管理。
4.2.2FX系列PLC型号的说明
FX系列PLC型号的含义
其中系列名称:如0、2、0S、1S、ON、1N、2N、2NC等
单元类型:M──基本单元
E──输入输出混合扩展单元
Ex──扩展输入模块
EY──扩展输出模块
输出方式:R──继电器输出
S──晶闸管输出
     T──晶体管输出
特殊品种:D──DC电源,DC输出
A1──AC电源,AC(AC100~120V)输入或AC输出模块
H──大电流输出扩展模块
V──立式端子排的扩展模块
C──接插口输入输出方式
F──输入滤波时间常数为1ms的扩展模块
如果特殊品种一项无符号,为AC电源、DC输入、横式端子排、标准输出。
例如FX2N-32MT-D表示FX2N系列,32个I/O点基本单位,晶体管输出,使用直流电源,24V直流
4.3三菱FX系列的结构功能
        可编程控制器是一种工业控制微型计算机,它的的结构原理与微型计算机相似。硬件构成有微处理器、存储器和各种输入、输出接口。系统程序和接口器件又与微机不同,这使它的操作使用方法、编程语言、工作方式等与微型机有所不同。PLC是用微处理器实现继电器、定时器和计数器以及A/D、D/A模拟转换器件的组合体的功能,采用软件编程进行它们之间的联系。
        FX系列PLC硬件组成与其它类型PLC基本相同,主体由三部分组成,其PLC的基本结构如图4-4系统电源有些在CPU模块内,也有单独作为一个单元的,编程器一般看作PLC的外设。PLC内部采用总线结构,进行数据和指令的传输
        外部开关信号、模拟信号以及各种传感器检测信号作为PLC的输入变量,它们经PLC的输入端子进入PLC的输入存储器,收集和暂存被控对象实际运行的状态信号和数据;经PLC内部运算与处理后,按被控对象实际动作要求产生输出结果;输出结果送到输出端子作为输出变量,驱动执行机构。PLC的各个部分协调一致地实现对现场设备的控制。
4.3.1PLC内部功能
1.电源
        PLC的供电电源,除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外,一般PLC的供电电源应设计选用22VAC电源,与国内电网电压一致。重要的应用场合,应采用不间断电源或稳压电源供电。如果PLC本身带有可使用电源时,应核对提供的电源是否满足应用要求,否则应设计外接供电电源,为防止外部高压电源因误操作而引入PLC,对输入和输出信号的隔离是必要的,有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。
2.中央处理器CPU
       CPU的主要作用是解释并执行用户及系统程序,通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其它功能,控制整个系统协调一致工作。常用的CPU主要有通用微处理器、单片机和双极型位片机。
3.存储器模块
       随机存储器RAM用于存储PLC内部的输入、输出信息,并存储内部继电器(软继电器)、移位寄存器、数据寄存器、定时器/计数器以及累加器等的工作状态,还可以存储用户正在调试和修改的程序以及各种暂存的数据、中间变量等。
只读存储器ROM用于存储系统程序。可紫外线擦除电编程的只读存储EPROM,它主要用来存放PLC的操作系统和监控程序,如果用户程序已完全调试好,也可将程序固化在EPROM中。可电擦除可电改写的只读存储EEPROM,它主要用来存放用户程序。
4.输入输出模块
       N可编程控制器是一种工业控制计算机系统,它的控制对象是工业生产过程,与DCS相似,它与工业生产过程的联系也是通过输入输出接口模块(I/O)实现的。I/O模块是可编程序与生产过程相联系的桥梁。
PLC连接的过程变量按信号类型划分可分为开关量(即数字量)、模拟量和脉冲量等,相应输入输出模块可分为开关量输入模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、脉冲量输出模块等。
4.编程器
        编程器是PLC必不可少的重要外部设备。编程器将用户所希望的功能通过编程语言送到PLC的用户程序存储器中。编程器不仅能对程序进行写入、读出、修改,还能对PLC的工作状态进行监控,同时也是用户与PLC之间进行人机对话的界面。随着PLC的功能不断增强,编程语言多样化,编程已经可以在计算机上完成。
 
4.3.2PLC输入输出接口的安全保护
         当输出口连接电感类设备时,为了防止电路关断时刻产生高压对输入、输出口造成破坏,应在感性元件两端加保护元件。对于直流电源,应并接续流二极管,对于交流电路应并接阻容电路。阻容电路中电阻可取51~120Ω,电容取0.1~0.47μF,电容的额定电压应大于电源的峰值电压。续流二极管可选1A的管子,其额定电压应大于电源电压的3倍。图4-5为输入输出口的保护环节示意
4.4FX1NPLC梯形图中的编程元件
         设计选用FX1N-60MR,其输入继电器(X)36点,输出继电器(Y)24点,辅助继电器(M)384点,状态继电器(S)1000点,定时器(T)256点,计数器(C),数据寄存器(D)等。以及各信号的接口如表4-2所示。
特殊辅助继电器
M8000——运行监控(PLC运行时自动接通,停止时断开);
M8002——初始脉冲(仅在PLC运行开始时接通一个扫描周期);
M8005——PLC后备锂电池电压过低时接通;
M8011——10ms时钟脉冲;
M8013——100ms时钟脉冲;
M8012——1s时钟脉冲;
M8014——1min时钟脉冲

第五章软件设计
  
5.1程序的总体结构
        机械手系统的程序总体结构如图5-1,分为公用程序、自动程序、手动程序和回原位程序等四部分。其中自动程序包括单步、连续运动程序,它们合在一起编程更加简单这是因为它们的工作都是按照同样的顺序进行,所以将它们合在一起编程更加简单。CJ是条件跳转应用指令,指针标号PX是其操作数。该指令由于某种条件下跳过CJ指令和指针标号之间的程序,从指针标号处继续执行,以减少程序执行时间,也不会使各段程序同时执行。假设选择“手动”方式,则X0为ON、X1为OFF,此时PLC执行完公用程序后,将跳过自动程序到P0处,由于X0常闭触点为断开,故执行“手动程序”,执行到P1处,由于X1常闭触点为闭合,所以又跳过回原位程序到P2处;假设选择分“回原位”方式,则X0为OFF、X1为ON,跳过自动程序和手动程序执行回原位程序;假设选择“单步”或“单周期”或“连续”方式,则X0、X1均为OFF,此时执行完自动程序后,跳过手动程序和回原位程序。
5.2各部分程序如下
        (1)公用程序公用程序如图5-2所示,后限位开关X11、上限位开关X12、手逆限位开关X15、底逆限位的常开触点和表示机械手松开的Y8的常开触点的串联电路接通时,辅助继电器M0变为ON,表示机械手在原位。
         公用程序用于自动程序和手动程序相互切换的处理,当系统处于手动工作方式时,必须将除初始步以外的各步对应的辅助继电器(M11-M24)复位,同时将表示连续工作状态的M1复位,否则当系统从自动工作方式切换到手动工作方式,然后又返回自动工作方式时,可能会出现同时有两个活动步的异常情况,引起错误的动作。
         当机械手处于原点状态(M0为ON),在开始执行用户程序(M8002为ON)、系统处于手动状态或回原点状态(X0或X1为ON)时,初始步对应的M1O将被置位,为进入单步、单同期和连续工作方式作好准备。如果此时M0为OFF状态,M1O将被复位,初始步为不活动步,系统不能在单步、单周期和连续工作方式下工作。
 
        (2)手动程序手动程序如图5-3所示,手动工作时用X18~X27对应的6个按钮控制机械手的前进、后退、上升、下降、手顺转、手逆转、底盘顺转、底盘逆转、松开和夹紧。为了保证系统的安全运行,在手动程序中设置了一些必要的联锁,例如前进与后退之间、上升与下降、手顺转与手逆转、底盘顺转与底盘逆转之间的互锁;前进、后退、上升、下降、手顺转、手逆转、底盘顺转、底盘逆转的限位;前限位开关X10的常开触点与控制上、下行的Y2和Y3的线圈串联,使得机械手升到最远位置才能左右移动,以防止机械手在较近位置运行时与别的物体碰撞;同理前限位开关X10的常开触点、上限位开关X12的常开触点与控制手顺、逆转的Y4和Y5的线圈串联;后限位开关X11的常开触点、上限位开关X12的常开触点与控制底盘顺、逆的Y6和Y7的线圈串联。
        (3)自动程序如图5-4所示为机械手系统自动程序的功能表图。使用通用指令的编程方式设计出的自动程序如图4-5所示,也可采用其它编程方式编程,在此不再赘述
        系统工作在连续、单周期(非单步)工作方式时,X2的常闭触点接通,使M2(转换允许)ON,串联在各步电路中的M2的常开触点接通,允许步与步之间的转换。
       假设选择的是单周期工作方式,此时X3为ON,X1和X2的常闭触点闭合,M2为ON,允许转换。在初始步时按下起动按钮X5,在M11的电路中,M1O、X5、M2的常开触点和M17的常闭触点均接通,使M11为ON,系统进入前进步,Y0为ON,机械手前进;机械手碰到下限位开关X10时,M12变为ON,转换到手顺转步,Y8被复位,工件被夹紧;同时TO得电,2s以后TO的定时时间到,其常开触点接通,使系统进入下降步。系统将这样一步一步地往下工作,当机械手在步M24返回最左边时,X4为ON,因为此时不是连续工作方式,M1处于OFF状态,转换条件·X17满足,系统返回并停留在初始步M10。
        连续工作方式,X4为ON,在初始状态按下起动按钮X5,与单周期工作方式时相同,M11变为ON,机械手前进,与此同时,控制连续工作的M1为ON,往后的工作过程与单周期工作方式相同。当机械手在步M24底盘逆转原位时,X17为ON,因为M1为ON,转换条件M24·X17·C0满足,系统将返回步M11,反复连续地工作下去。按下停止按钮X6后,M1变为OFF,但是系统不会立即停止工作,在完成当前工作周期的全部动作后,在步M24底盘逆转原位,底逆限位开关X17为ON,转换条件M1·X17·C0满足,系统才返回并停留在初始步。
         如果系统处于单步工作方式,X2为ON,它的常闭触点断开,“转换允许”辅助继电器M2在一般情况下为OFF,不允许步与步之间的转换。设系统处于初始状态,M10为ON,按下起动按钮X5,M2变为ON,使M11为ON,系统进入前近步。放开起动按钮后,M2马上变为OFF。在前进步,YO的得电,机械手前进前限位开关X10处时,与YO的线圈串联的X10的常闭触点断开,使YO的线圈断电,机械手停止前进。X10的常开触点闭合后,如果没有按起动按钮,X5和M2处于OFF状态,一直要等到按下起动按钮,M5和M2变为ON,M2的常开触点接通,转换条件X10才能使M12接通,M12得电并自保持,系统才能由前进步进入下降步。以后在完成某一步的操作后,都必须按一次起动按钮,系统才能进入下一步。
         在输出程序部分,X10~X17的常闭触点是为单步工作方式设置的。以前进为例,当小车碰到限位开关X10后,与前进步对应的辅助继电器M11不会马上变为OFF,如果Y1的线圈不与X10的常闭触点串联,机械手不能停在前限位开关X10处,还会继续前进,这种情况下可能造成事故。
       (4)回原点程序如图5-6所示为机械手自动回原点程序的梯形图。在回原点工作方式(X1为ON),按下回原点起动按钮X7,M3变为ON,机械手松开和上升,升到上限位开关时X12为0N,机械手手逆转,转到手逆限位处时,X15变为ON,机械手后退,到后限位时,X11变为ON,底盘逆转,转到底逆限位时,X17变为ON时,底盘逆转停止并将M3复位。这时原点条件满足,M0为ON,在公用程序中,初始步M0被置位,为进入单周期、连续和单步工作方式作好了准备。
        梯形图程序经过检验语法错误以及逻辑上的可靠性后,编译成指令表,以便后传入PLC中。并可以运用软件在线监测PLC的运行情况,同时可以用手持编程器根据现场要求修改程序中的各参数,达到任意位置停止的目的。

注:整片正文部分1.2万字,论文终稿经Ucheck查重合格。

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