1、 电气控制与可编程控制器课程设计0摘要随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。本文讲述的气动机械手有气控机械手、XY 轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技
2、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。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。本次设计采用德国西门子公司生产的 S7-300/400 系列可编程控制器对机械手进行运动控制，根据机械手的运动规律：左右、上下、夹松等进行软件编程。本设计中 PLC 实现的功能有：开关量的逻辑控制、运动控制、现场数据采集处理、位置控制等。此次机械手的 PLC 控制设计包括：机械手传送工件系统、输入和输出点分配表、原理接线图、操作系统、机械手传送系统梯形图、指令语句表。首先，机械手传送工件系统通过示意图阐述了其作用是将工件从点传递到点。机械手的升降和左右移行作分别由两个具有双线圈的
3、两位电磁阀驱动液压缸来完成，机械手的夹紧、松开的动作由只有一个线圈的两位电磁阀驱动的液压缸完成。机械手的工作臂都设有下、上限位和右、左限位的位置开关SQ1、 SQ2 和 SQ3、SQ4，夹持装置不带限位开关，它是通过一定的延时来表示其夹持动作的完成。机械手在最上面、最左边的状态为机械手的原位。这里还说明了操作面板上各旋钮、按钮的作用。其次，输入和输出点分配表指出此次设计选用 S7-300PLC，系统共有 14个输入设备和 5 个输出设备分别占用 PLC 的 14 个输入点和 5 个输出点。具体分配请查看表 1。机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工
4、件或操纵工具的自动化装置，机械手在工业生产中得到电气控制与可编程控制器课程设计1广泛的应用。传统工艺中采用继电器控制时，需要的继电器多，线复杂，因此故障多，维修困难，费时费工，不仅加大了成本，而且影响设备的工效。采用梯形控制直观易懂，为电气人员所熟悉；采用 PLC 控制使接线简化，安装方便，而且保证运行的可靠性，减少维修量，提高了工效。 关键字：PLC 机械手控制 S7-300/4001 电气工艺分析1.1 工艺过程图 1 所示为一简单物料搬运机械手的工艺流程图。该机械手是一个水平/垂直位移的机械设备，其操作是将工件从 A 工作台搬运到 B 工作台，由光耦合器VLC 来检测工作台上有没有工件。
5、机械手通常位于原点，它的动作全部由汽缸驱动，而汽缸则由相应的电磁阀控制。其中，上升/下降和左移/ 右移分别由双线圈二位电磁阀，放松/夹紧由一个单线圈二位电磁阀（称为夹紧电磁阀）控制。A B工 件 VLCI1.5左 移 Q4.2 右 移 Q4.3 下降 Q4.0上升 Q4.1夹 紧 放 松 Q4.图 1 搬运机械手工艺流程图工艺过程为：光耦合器 VLC 检测到 A 工作台有工件，机械手开始有原点下降，下降到底时，碰到下限位开关后，停止下降并接通夹紧电磁阀夹紧工件。为保证工件可靠夹紧，在该位置等待 2s。夹紧后，上升电磁阀通电开始上升，上升到顶碰到上限位开关，停止上升，改向右移动，碰到右限位开关后
6、，停止电气控制与可编程控制器课程设计2右移，改为下降至碰到下限位开关，下降电磁阀断电，停止下降，同时夹紧电磁阀断电，机械手将工件松开，放在 B 工作台上，为确保可靠松开，在该位置停留 2s，然后上升，碰到上限位开关后改为左移，到原点时碰到左限位开关，左移电磁阀断电，停止左移。至此，机械手搬运一个工件的全过程结束。1.2 控制要求机械手整个搬运过程要求都能自动控制。在启动过程中能切换到手动控制及自动控制或半自动控制（又称单周期控制） ，以便对设备进行调整和检修。图2 是机械手控制系统的逻辑流程图。机械手搬运工件的一个周期可分为以下八个部分。系统启动之前，机械手处于原始位置，条件是机械手在高位、左
7、位。（1）机械手下降 当光耦合器 VLC 检测到工作台 A 上有工件，机械手开始下降。下降到低位时，碰到下限位开关，机械手停止下降。（2）夹紧工件 机械手在最低位开始夹紧工件，延时 2s 抓住、抓紧。（3）机械手上升 机械手上升到高位时，碰到上限位开关，停止上升（4）机械手右移 机械手右移到位时，碰到右限位开关，停止右移。（5）机械手下降 当机械手下降到 B 时，碰到下限位开关，机械手停止下降。（6）放开工件 机械手在最低位开始放松工件，延时 2s。（7）机械手上升 机械手上升到高位时，碰到上限位开关，停止上升。（8）机械手左移 机械手在高位开始左移，碰到左限位开关，停止左移。机械手工作的一个
8、周期完成，等待工件在工作台 A 上出现再转到第一步，开始下一个工作循环。 2 .硬件配置在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，还需要一个按钮用来处理任何情况下的停止运行。机械手运动的限位开关有 4 个：高限位开关、低限位开关、左限位开关和右限位开关。手动输入信号共由 5 个按钮组成：下降按钮、上升按钮、夹紧按钮、左移按扭和右移按钮。工作台 A 上有工件检测光耦合器 VLC 的输入信号，共有 14 个数字量输入信号。输出信号有机械手下降驱动信号、上升驱动信号、右移驱动信号、电气控制与可编程控制器课程设计3左移驱动信号和机械手夹紧信号，共有 5 个数字量
9、输出信号。系统需要数字量输入 14 点，数字量输出 5 点，不需要模拟量模块。选择S7-300 系列的 CPU313，加上数字量输入模块 SM321 及输出模块 SM322 就可以满足要求，而且还有一定的裕量。3 .I/O 地址分配3.1 基本地址分配表将 14 个输入信号、5 个输出信号按各自的功能类型分好，并与 PLC 的 I/O端一一对应，编排好地址。列出外部 I/O 信号与 PLC I/O 端地址编号对照表。表 1 I/O 地址分配表数字量输入模块SM321 地址号 说明 数字量输出模块SM322地址号 说明自动启动 I0.0 按钮 下降 Q4.0 电磁阀单动启动 I0.1 按钮 上升
10、 Q4.1 电磁阀手动启动 I0.2 按钮 左移 Q4.2 电磁阀停止 I0.3 按钮 右移 Q4.3 电磁阀高位 I0.4 限位开关 夹紧 Q4.4 电磁阀低位 I0.5 限位开关左位 I0.6 限位开关右位 I0.7 限位开关手动下降 I1.0 按钮手动上升 I1.1 按钮手动夹紧 I1.2 按钮手动左移 I1.3 按钮手动右移 I1.4 按钮A 台有工作 I1.5 电耦合器电气控制与可编程控制器课程设计43.2 其他地址分配（1）夹紧定时器 T1，定时 2s；（2）放松定时器 T2，定时 2s；（3）自动方式标志 M0.0；（4）单动方式标志 M0.1；（5）手动方式标志 M0.2；（6
11、）结束标志 M0.5。3.3 外部接线 S7-300 CPU +24 V图 2 PLC 外部接线图I0.0 Q4.0 I0.2 I0.3I0.3 Q4.1I0.4 I0.5I0.6 Q4.2I0.7I1.0I1.1 Q4.3I1.2 I1.3I1.4 Q4.4I1.5M 电磁阀电磁阀电磁阀电磁阀电磁阀电气控制与可编程控制器课程设计54 .系统流程图启 动判 断 工 件有无下 降延 时 夹 紧右 移上 升延 时下 降放 松是上 限 判 断下 限 判 断 否否右 限 判 断 否下 限 判 断是 否是 上 升上 限 判 断是 否是 左 移左 限 判 断是 否手 动 停 止 手 动 /自 动自 动 循
12、 环图 3 系统流程图 电气控制与可编程控制器课程设计65 .机械手梯形图程序设计5.1 逻辑功能块5.1.1 自动方式或单动方式控制（FC1）的具体程序网络 1：启动机械手下降 I0.4 I0.6 I1.5 Q4.1 M1.1 Q4.0 ( p ) ( s )网络 2：机械手下降到位，停止下降并启动夹紧控制网络 3：机械手夹紧并启动夹紧定时器，定时 2s网络 4：定时时间到，并且机械手没有下降时，启动上升网络 5：机械手上升到位，停止上升并启动右移控制电气控制与可编程控制器课程设计7网络 6：机械手右移到位，停止右移并启动下降控制网络 7：机械手下降到位，停止下降并启动松开控制网络 8：机械
13、手松开并启动松开定时器，定时 2s网络 9：定时时间到，并且机械手没有下降时启动上升控制T2 I0.7 I0.5 Q4.0 M1.3 Q4.1( P ) ( S )网络 10：机械手上升到位，停止上升并启动左移控制网络 11：机械手左移到位停止，M0.1=0，以阻止单动电气控制与可编程控制器课程设计85.1.2 手动方式控制（FC2）的具体程序网络 1：手动下降网络 2：手动夹紧，采用置位和复位方式使夹紧后不允许松开网络 3：手动上升网络 4：手动右移网络 5：手动下降网络 6：手动放松网络 7：手动左移电气控制与可编程控制器课程设计95.2 组织块组织块 OB1 用于设定机械手启动方式，主要
14、负责功能块或子程序的调用是自动运行还是单动运行，以及系统的循环扫描、故障诊断和输出刷新。网络 1：自动方式启动 M0.0=1，有自锁网络 2：M0.1=1，单动有效网络 3：单动方式启动 M0.1=1，有自锁网络 4：自动方式或单动方式均调用子程序 FC1网络 5：手动方式启动 M0.2=1，有自锁电气控制与可编程控制器课程设计10网络 6：手动方式调用子程 FC2网络 7：停止处理网络 8：错误操作处理6 .指令设计6.1 逻辑功能块6.1.1 自动方式或单动方式控制（FC1 ）的具体程序网络 1：启动机械手下降A I 0.4A I 0.6A I 1.5AN Q 4.1FP M 1.1S Q
15、 4.0电气控制与可编程控制器课程设计11网络 2：机械手下降到位，停止下降并启动夹紧控制A Q 4.0A I 0.6A I 0.5FP M 1.2R Q 4.0S Q 4.4网络 3：机械手夹紧并启动夹紧定时器，定时 2sA Q 4.4A I 0.6A I 0.5AN Q 4.1L S5T#2SSD T 1网络 4：定时时间到，并且机械手没有下降时，启动上升A T 1A I 0.6A I 0.5AN Q 4.0P M 1.3S Q 4.1网络 5：机械手上升到位，停止上升并启动右移控制A Q 4.1A I 0.6A I 0.4= L 0.0A L 0.0BLD 102R Q 4.1A L;
16、0.0AN Q 4.3FP M 1.4S Q 4.2网络 6：机械手右移到位，停止右移并启动下降控制A Q 4.2A I 0.4A I 0.7= L 0.0A L 0.0BLD 102R Q 4.2A L 0.0AN Q 4.1电气控制与可编程控制器课程设计12FP M 1.1S Q 4.0网络 7：机械手下降到位，停止下降并启动松开控制A Q 4.0A I 0.7A I 0.5FP M 1.2R Q 4.0A Q 4.4网络 8：机械手松开并启动松开定时器，定时 2sAN Q 4.4A I 0.7A I 0.5AN Q 4.1L S5T#2sSD T 2网络 9：定时时间到，并且机械手没有下
17、降时启动上升控制A T 2A I 0.7A I 0.5AN Q 4.0FP M 1.3S Q 4.1网络 10：机械手上升到位，停止上升并启动左移控制A Q 4.1A I 0.7A I 0.4= L 0.0A L 0.0BLD 102R Q 4.1A L 0.0AN Q 4.2FP M 1.5S Q 4.3网络 11：机械手左移到位停止，M0.1=0，以阻止单动A Q 4.3A I 0.4A I 0.6FP M 1.0R M 0.1R Q 4.3电气控制与可编程控制器课程设计136.1.2 手动方式控制（FC2）的具体程序网络 1：手动下降A I 1.0A I 0.5R Q 4.0网络 2：手
18、动夹紧，采用置位和复位方式使夹紧后不允许松开A I 1.2A I 0.6A I 0.5FP M 1.2S Q 4.4网络 3：手动上升A I 1.1AN I 0.4= Q 4.1网络 4：手动右移A I 1.1AN I 0.7= Q 4.1网络 5：手动下降A I 1.0AN I 0.5= Q 4.2 网络 6：手动放松AN I 1.2A I 0.7A M 1.2FP Q 4.4S I 0.5网络 7：手动左移A I 1.3AN I 0.6= Q 4.36.2 组织块组织块 OB1 用于设定机械手启动方式，主要负责功能块或子程序的调用是自动运行还是单动运行，以及系统的循环扫描、故障诊断和输出刷
19、新。其语句表程序如下：电气控制与可编程控制器课程设计14网络 1：自动方式启动 M0.0=1，有自锁A(A I 0.0AN M 0.1O M 0.0)AN I 0.3S M 0.0网络 2：M0.1=1，单动有效A I 0.1AN M 0.0S M 0.1网络 3：单动方式启动 M0.1=1，有自锁A(A I 0.1AN M 0.0OA M 0.1A M 0.3)AN I 0.3S M 0.1网络 4：自动方式或单动方式均调用子程序 FC1A(A M 0.0A M 0.1OA M 0.1A M 0.0)A M 0.2A M 0.5CC FC 1网络 5：手动方式启动 M0.2=1，有自锁A(O
20、 I 0.2O M 0.2)FP M 1.1A I 0.3S M 0.2网络 6：手动方式调用子程 FC2A M 0.2电气控制与可编程控制器课程设计15AN M 0.0AN M 0.1AN M 0.5CC FC 2网络 7：停止处理A I 0.3S M 0.5网络 8：错误操作处理A I 0.0AN I 0.1OA I 0.0A I 0.2OA I 0.1A I 0.2S M 0.57. 软件仿真电气控制与可编程控制器课程设计168 .心得体会在本次设计过程中，使我受益匪浅，使我从其中学到了很多的东西。可编程控制器是继电器控制和计算机控制出上开发的产品，逐渐发展成以微器处理为核心把自动化技术
21、、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。通过这次的课程设计，使自己的编程能力有了进一步提高，同时也包括STEP-7 软件的运用能力，作为一名即将到现场工作的的学生，软件的运用能力和编程能力是必需掌握的技术，此次设计为我们提供了一个平台，有助于我们更进一步的了解现场，为日后走上工作岗位夯实了基础。这次设计，提高了我的动手和动脑能力，更让我们体会到了理论与实践相结合的重要性，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。9.参考文献1 贾石峰编著 .现代电气控制及 PLC 应用.兰州:兰州大学出版社， 20062 张万忠编著 .现代电气控制及 PLC 控制技术.北京:人民邮电出版社，19993 张浩风编著 .PLC 梯形图设计方法与应用实例.北京:机械工业出版社，20084 可编程序控制器应用技术(第四版) 廖常初 重庆大学出版社5 可编程序控制器原理及应用技巧 何衍庆 戴自详 化学工业出版社
