机械设计课程设计说明书-机械手PLC程序设计.doc

机械设计基础课程设计 说明书青岛理工大学琴岛学院课程设计说明书课题名称：plc课程设计学 院：机电工程系专业班级：机电一体化技术093班学 号：20090212087学 生：指导老师：青岛理工大学琴岛学院教务处 2011 年3月10日plc课程设计评阅书题目机械手plc程序设计学生姓名学号20090212087指导教师评语及成绩指导教师签名： 年 月 日答辩评语及成绩答辩教师签名： 年 月 日教研室意见总成绩： 室主任签名： 年 月 日；目 录摘要.序言.11 课题设计的题目及要求 1.1 课题设计的题目及要求1.2 课题设计的目的及意义2 可编程序控制器简介 2.1 plc 的结构 2.2 plc 的特点 2.3 plc 的主要功能 2.4 plc 发展状况及趋势 3 设计机械手动作使用工具3.1 编程软件 step7 的介绍3.2 仿真软件 s7-200 的介绍 4 机械手动作模拟实现的设计 4.1 设计内容 4.2 plc 的 i/o 的分配 4.3 plc 外部输入输出接线图4.4 plc 程序设计 5 plc 仿真绍6 结论 参考文献绪 论在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有 毒气体等因素的危害或是物体太重，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。 自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。 在本设计介绍了可编程控制器的研究和关于机械手的设计， 描述了机械手控 制系统的工作原理和动作实现过程。 研究了基于plc的机械手模型控制系统的设 计，还了解了setp7在机械手控制系统中的应用。利用仿真软件仿真了机械手的 动作实现，提供了较为直观、清晰、准确的机械手运行状态，进而为维修和故障 诊断提供了多方面的可能性，充分提高了系统的工作效率。 关键词：机械手 plc sttp7第一章 课题设计的题目及要求 1.1 课题设计的题目及要求 111 设计任务 用plc程序及实验台来实现机械手动作的模拟。 112 控制要求 一个将工件由 a 处传送到 b 处的机械手，上升/下降和左移/右移的执行用双 线圈二位电磁阀推动气缸完成。当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械 动作，例如一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈再断电，仍保持 现有的下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。另外，夹紧/放松由单线圈 二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电时执行放松动作。 设备装有上、下限位和左、右限位开关，它的工作过程如图所示，有八个动作， 即为：启动、停止用按钮实现，限位开关用钮子开关来模拟，电磁阀和原位指示灯 用发光二极管来模拟。 1.2 课题设计的目的及意义 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 其显著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 。 由于自动化可以节省大量的人力、物力等，而 plc 也具有其他控制方式所 不具有的特殊优越性，如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易 学，因此工业领域中广泛应用plc。机械手在美国、加拿大等国家应用较多，如 用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。我国自动化水平 本身比较低，因此用plc来控制的机械手还比较少。本次课题设计的机械手就是 通过plc来实现自动化控制的。 通过此次设计可以更进一步学习plc的相关知识， 了解世界先进水平，尽可能多的应用于实践。第二章 可编程序控制器简介 2.1 plc 的结构 plc结构可分为整体式、模块式和叠装式。 (1)整体式plc 整体式plc是将电源、cpu、i/o部件都集中在一个机箱内。其结构紧凑、体积小、价格低。一般小型 plc 采用这种结构。例如，美国 ge 公 司的ge-i/j系列plc为整体式结构。 (2)模块式 plc 模块式结构是将 plc 各部分分成若干个单独的模块，如电 源模块、cpu 模块、i/o 模块和各种功能模块。模块式 plc 由机架和各种模块组 成。模块式 plc 配置灵活，装配方便，便于扩展和维修。例如，西门子公司的 s7-300 plc、s7-400 plc采用模块式结构形式。 (3)叠装式plc 将整体式和模块式结合起来，称为叠装式plc。它除了基本 单元外还有扩展模块和特殊功能模块，配置比较方便。例如，西门子公司的 s7-200 plc就是叠装式结构形式。plc 和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分 组成的。 plc的硬件系统由微处理器(cpu)、 存储器(eprom， rom)、 输入输出(i/o) 部件、电源部件、编程器、i/o扩展单元和其他外围设备组成。各部分通过总线 (电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成 。其结构简图如下： 图2.1 plc硬件结构图plc的软件系统是指plc所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和 用户程序两大部分。系统程序是每一个plc成品必须包括的部分，由plc厂家提 供，用于控制plc本身的运行，系统程序固化在eprom中。用户程序是由用户根 据控制需要而编写的程序。硬件系统和软件系统组成了一个完整的plc系统，他 们是相辅相成，缺一不可的。 2.2 plc 的特点 可编程序控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置， 其实 质是一种工业控制用的专用计算机。国内外现有的机械手系统，它们的控制形式 大都采用可编程序控制器控制， 特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业 机械手系统中应用更为普遍。其主要原因是因为plc具有以下优点： 1）可靠性高、抗干扰能力强 2）配套齐全，适应性强，应用灵活 3）编程方便易于使用4）功能强，扩张能力强 5）plc控制系统设计、安装、调制方便 6）维修方便，维修工作量小 同样，可编程序控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于继电器控 制和单片机控制，其开发潜力要差于单片机，并且通用性不好，不同厂家的可编 程序控制器以及其附属单元都是固定专用等等。2.3 plc 的主要功能 plc 是一种应用面很广、 发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(fa)和计算机 集成制造系统(cims)内占重要地位。 plc系统主要有以下功能： 1)多种控制功能； 2)数据采集、存储与处理功能； 3)通信联网功能； 4)输入、输出接口调理功能； 5)人机界面功能； 6)编程、调试功能。 plc的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有 所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用plc还可以大大 缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。plc产品面临现场总线的发 展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需求。2.4 plc 发展状况及趋势 plc 的发展与计算机技术、半导体技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技 术的发展息息相关，这些高新技术的发展推动了 plc的发展，而 plc 的发展又对这些高新技 术提出了更高、更新的要求，促进了它们的发展。plc 的发展速度十分惊人，目前用可编程 序控制器世纪自动控制系统已成为世界潮流。 现代plc的发展主要有两个趋势：一是向体积更小、速度更快、功能更强和 价格更低的微小型方面发展；二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功 能方面发展，以适应不同场合和不同要求的控制需要。1、大型网络化 为适应大规模控制系统的需求， 大型plc向着大存储容量、 高速度、 高性能、 增加i/o点数的方向发展。主要表现在以下几个方面： 1)增强网络通信功能 plc 将具有计算机集散控制系统(dcs)的功能。网络化和强化通信能力是 plc 发展的一个重要趋势。plc 构成的网络可将多个 plc、i/o 框架相连，同时可与 工业计算机、以太网、map网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。 2)发展智能模块 为了满足各种特殊功能的需要，各种智能模块层出不穷。智能模块是以微处理器为基础的功能部件，它们的 cpu 与 plc 的 cpu 并行工作，占用主机的 cpu 时间很少，有利于提高plc的扫描速度和完成特殊的控制要求。 3)外部故障诊断功能 plc广泛应用了自诊断技术、冗余技术、容错技术，不断提高plc的可靠性。 同时，plc还不断提高外部诊断功能。 4)实现软件、硬件标准化 长期以来 plc 的研制走的是专门化道路，使其在获得成功的同时也带来许多 的不便。plc的硬件和软件的体系结构都是封闭的而不是开放的。在硬件方面各 厂家的cpu和i/o模块互不通用，通信网络和通信协议往往也是专用的。在软件 方面，各厂家的plc的编程语言和指令系统的功能和表达方式也不一致，甚至差 异很大，因而各厂家的plc互不兼容。因此制定plc的国际标准已是今后发展的 趋势。2、小型化 发展小型 plc，其目的是为了占领广大的、分散的、中小型工业控制场合， 使plc不仅成为继电气控制柜的替代物， 而且超过继电器控制系统的功能。 小型、 超小型、微小型plc不仅便于机电一体化，也是实现家庭自动化的理想控制器。 小型plc向着简易化、体积小、功能强、价格低的方向发展。随着plc技术的提 高，目前已将原有大、中型plc的功能移植到小型机上，使之具有灵活的组态特 性。 第三章 设计机械手动作使用工具 3.1 编程软件 step7 的介绍 step7 编程软件用于 simatic s7、c7 和 m7 和基于 pc 的 winac，是供它们 编程、监控和参数设置的标准工具。为了在 pc 机上使用 step7，必须配置 mpi 通信卡或 pc/mpi 通信适配器， 将计算机接入mpi或profibus网络， 以便下载和上载用户程序及组态数据。 step7 允许多个用户同时处理一个工程项目， 但不允许多个用户同时对一个项目进行写 操作（如程序及组态数据的下载） 。 在 step7 中，一个自动化系统的所有数据以项目（project）的形式来进行 组织和管理。一个项目包含了以下的三类数据。 1、硬件结构的组态数据及模块参数2、通信网络的组态数据 3、可编程模块的程序 上述数据都以对象的形式存储，step7采用目录式的层次结构管理项目中的 所有对象。对象从上到下有三个层次： 第一层：项目； 第二层：通讯子网、plc站或s7程序； 第三层：第二层下面的具体对象，视第二层定。3.2 仿真软件 s7-200 的介绍 s7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检 测、监测及控制的自动化。s7-200 系列的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。因此s7-200系列具有极高的性能/价格比。 s7-200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从 替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与 自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、 民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械， 中央空调，电梯控制，运动系统。 s7-200 系列 plc 可提供 4 个不同的基本型号的 8 种 cpu 供您使用。分别为 cpu221/222 1 个，cpu224/224xp/226 2 个，cpu221/222/224/224xp/226。第四章 机械手动作模拟实现的设计 4.1 设计内容 1）计算输入输出点，编写i/o对应表及内部元件使用表； 2). 编写plc控制程序，要求可以实现手动、单周期及连续工作3种操作方 式； 3）完成实验所需要的硬件接线； 4）利用实验台上的开关、按钮、小指示灯等，模拟演示其工作过程； 5）完成课程设计报告。 4.2 plc 的 i/o 的分配 输入输出连线列表 输入sb1 sb2 sq1 sq2 sq3sq4sb3sb4动作 启动停止 下限上限 右限 左限单周期 连续接线i0.0i0.7i0.1i0.2i0.3i0.4i0.5 i0.6输出yv1 yv2yv3 yv4yv5 hl动作夹紧下降上升右移 左移 原位接线q0.1q0.2q0.3q0.4q0.5 q0.0输入sb5 sb6 sb7 sb8动作 手动操作手动操作左右手动操作夹松手动操作上下接线 i1.0 i1.1 i1.2 i1.34.3 plc 外部输入输出接线图4.4 plc 程序设计 4.4.1 工作过程分析 在整体结果中使用跳转指令，手动指令 i1.0 打开时，执行手动程序；在单 周期指令i0.5打开时， 执行周期程序； 在连续指令i0.6打开时， 执行连续指令。 则程序整体结构见附录1： 1）单周期工作过程分析 当机械手处于原位时， 上升限位开关i0.2、 左限位开关i0.4均处于接通 （ “1” 状态） ，移位寄存器数据输入端接通，使 m1.0 置“1” hl 线圈接通，原位指示 灯亮。按下启动按钮，i0.0 置“1” ，产生移位信号，m0.1 的“1”态移m1.1， 下降阀输出继电器q0.2接通， 执行下降动作， 由于上升限位开关i0.2断开， m1.0 置“0” ，原位指示灯灭。 当下降到位时，下限位开关 i0.1 接通，产生移位信号，m1.0 的“0”态移 位到m1.1，下降阀q0.2断开，机械手停止下降，m1.1的“1”态移到m1.2，m1.2 线圈接通，m1.2 动合触点闭合，夹紧电磁阀 q0.1 接通，执行夹紧动作， ，m2.1 接通，同时启动定时器 t37，延时 1.7 秒。机械手夹紧工件后，t37 动合触点接 通，产生移位信号，使 m1.3 置“1” ，上升电磁阀 q0.3 接通，i0.1 断开，m2.2 断开，切断定时器t37，执行上升动作。由于使用s指令，m1.2线圈具有自保持 功能，q0.1保持接通，机械手继续夹紧工件。 当上升到位时，上限位开关i0.2接通，产生移位信号， “0”态移位至m1.3， q0.3 线圈断开，不再上升，同时移位信号使 m1.4 置“1” ， i0.4 断开，右移阀 继电器q0.4接通，执行右移动作。待移至右限位开关动作位置，i0.3 动合触点接通，产生移位信号，使 m1.3 的“0”态移位到m1.4，q0.4线圈断开，停止右移，同时m1.4的“1”态已移到 m1.5，q0.2线圈再次接通，执行下降动作。 当下降到使i0.1动合触点接通位置，产生移位信号， “0”态移至m1.5， “1” 态移m1.6，q0.2线圈断开，停止下降，r指令使m1.2复位，q0.1线圈开， 机械手松开工件；m2.2 接通，同时 t1 启动延时 1.5 秒，t38动合触点接通，产 生移位信号，使m1.6变为“0”态，m1.为“1”态，q0.3线圈再度接通，i0.1 断开，同时，m2.2断开，切断定时器t38，机械手又上升，行至上限位置，i0.2 触点接通，m1.7变为“0”态，m2.0为“1”态，q0.3线圈断开，停止上升，i0.4 线圈接通，q0.5接通，i0.2断开，左移。 到左限位开关位置，i0.4触点接通，m2.0变为“0”态，m1.0“1”态， 移位寄存器全部复位，机械手回到原位，完成一个工作周期。 接通 i0.7，则 m1.0，m1.1，m1.2，m1.3，m1.4，m1.5，m1.6，m1.7，m2.0 被置为“0状态” 。再次按下启动按钮，将重复上述动作。此为单周期操作。 2）连续工作 连续工作操作，只需在单周期返回程序改为： 到达左限位开关位置，i0.4触点接通，m2.0变为“0”态，m1.1为“1”态，移位寄存器全部复位，机械手下降。自动程序控制图见附录二。 3）手动操作 左右运行时，接通手动左右移位开关 t1.1，断开其他运行方向的开关，按 下启动按钮机械手右行，按下停止按钮机械手左行。 夹紧与松开时，接通手动夹送移位开关 t1.2, 断开其他运行方向的开关， 按下启动按钮机械手夹紧，按下停止按钮机械