电气控制与PLC课程设计-机械手计件搬运过程PLC控制装置课程设计.doc

鄂东职业技术学院毕业设计电气控制与plc课程设计electrical control and plc application课题名称：机械手计件搬运过程plc控制装置课程设计系 别：机电工程系班 级：机电0901班学 号：12姓 名： 指导老师： 2011年6月15日20电气控制与plc课程设计任务书学生姓名专业班级机电0901学号课题名称用plc和触摸屏实现“装箱机械手”的顺控与监控指导教师（以下内容指导教师可根据实际情况进行调整）一、目的、任务1、目的1)学生在老师的指导之下，综合运用本课程及前期所学课程的相关知识和技能，相对独立地设计和调试一个小型plc应用系统或继电器控制系统，为即将从事的专业工作奠定基础；2)初步培养编写和整理“设计说明书”的能力；3)提高学生对文献资料的检索和信息处理的能力。2、任务要求按照所选课题的设计要求和控制要求，独立完成设计工作，并将设计成果汇编成“课程设计说明书”。二、已知情况、控制要求、设计要求所选课题的已知情况、控制要求、设计要求详见“电气控制与plc课程设计指导书”。三、拟重点解决的问题1、摘要(所做的设计如有特别之处，一定要挑明)；2、编程所需信息：plc-i/0分配图、plc输出端外接元件动作表，信息流向图，因果需求图；3、程序：sfc顺序功能图、梯形图、指令表，程序原理简要分析，plc编程元件明细表(应包含定时器、计数器等元件的设定值)，对程序中的关键部分要加注解；4、电气图：电气原理图、plc接线(原理)图、工作原理简要分析，元件位置图、接线图、电气互连图、电气元件明细表等；5、在实验室进行模拟调试所需的补充资料；6、老师对模拟调试的结果所作出的鉴定结论和签名；7、设备操作说明；8、设备故障处理说明。四、预期设计（论文）成果所做的设计能够满足控制要求，并能达到设计要求。五、时间安排时间安排为1周：周1周2初步完成设计，周3周5进行模拟调试、完善设计、编写设计说明书。注1：“课程名称”请从“电气控制与plc课程设计指导书”中选定后填入。注2：本课程设计任务书下达时间为2011 年 6 月 5 日目录摘要1某机械手计件搬运过程的plc控制装置设计 2一、课题背景 2二、已知情况、控制要求、设计要求 2 1、已知情况 2 2、控制要求 2 3、设计要求 3三、总体设计思路 4四、程序设计及调试5 1、plc选型及i/o分配图5 2、拟定程序的sfc顺序功能图6 3、设定程序的调试顺序表7 4、编程某机械手计件搬运过程的plc控制装置顺控程序、程序工作过程简析、 编程元件明细表8 （1）程序的组成8 （2）初始程序8 （3）切换程序 9 （4）计数及其定时程序 10 （5）输出程序 11 （6）信号指示程序 11 （7）数码管信号显示程序 12五、电气设计13 1、plc外部接线原理图13 2、机械手顺序设备电气接线线原理图 13 3、机械手顺控设备电气元件明细表及电气元件的选择14 4、电器元件型号规格的选择依据16 （1）电动机所用接触器的选择16 （2）热继电器的选择16 （3）笼型电动机所用低压断路器的选择16 （4）电动机配用导线的选择16六、后期工作17 1、操作过程简要说明17 2、常见故障及其排除方案17 3、编写并提交（课程）设计说明书17七、尚存在的不足及其改正方案建议18八、plc课程设计总结及心得19九、致谢19十、主要参考文献及资料 20鄂东职业技术学院电气控制与plc课程设计摘 要近年来随着科技的飞速发展，plc的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月异更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，针对具体应用对象的特点，配以其它器件来加以完善。电气控制与plc是本学期新开的一门技术课，也是非常重要的一门课，对于以后的工作有很大的帮助。为了能更好的认识和理解plc方面的知识，以便能更好的掌握plc这门技术。plc课程组决定让我们完成一份plc课程设计说明书。这一周是plc课程设计周，我要全面的投入课程设计当中，按时完成一份完整的并排版打印好的plc课程设计说明书。本课程设计是我经历了很长的时间，花费了很多的精力才完成的。我设计的题目是“用plc和触摸屏实现某“装箱机械手”的顺控与监控”,此次设计主要内容包括:工作过程分析,梯形图,接线图,电气原理图及情况说明,由于是第一次写plc课程设计,经验还不是很丰富,可能写的还不是很完美,还望任课老师们及同学们提出宝贵的意见和建议。关键词：可编程控制器plc 触摸屏 机械手 传感器 计数器某机械手计件搬运过程的plc控制装置设计一、课题背景图1 机械手-工作过程示意图 表1 某机械手-元件动作表序号工作步下行km1吸持yv上行km2右行km3回移km4步0原位(松开)-步1下行+-步2吸持-+-步3上行-+-步4右行-+-+-步5下行+-步6释放-步7上行-+-步8回移-+注1：km1、km2升降电机m1的正、反转接触器注2：km3、km4移行电机m2的正、反转接触器注3：吸持线圈yv通电时吸持钢球、断电后释放钢球1、 已知情况：某机械手由导轨、滑台、升降台、吸头等部分组成，其工作过程（工作循环）如图1所示，元件动作状态如图1所示。该机械手的功能是将钢球自动搬到包装盒，装满20颗以后，停止自动搬运，发出信号，等待工作人员处理。驱动升降机的电机m1，驱动滑台的电机m2，均为y801-4、0.55kw、380v、1.5a的三相异步电动机，吸持线圈yv的额定电压为直流24v。2、工序及其控制要求： 要求支持“点动、回原点、连续、手动”等四种工作方式。 工作循环大体如图1所示，各工作步元件动作状态如表1所示，下面结合各方面情况，对：“点动、回原点、连续、手动”等方式的控制要求，用链格式表示如下（步0）原位：计件满装满灯（亮）清0（按下）计数（复位）计数灯（暗）点动方式点动控制程序其他方式返回（步0）回原点方式回原点控制程序返回（步0）连续自动方式原点条件（左限、上限、释放、计件欠）启续（步1）下降sq4下限位 （步2）吸持：t定时2s2s到 （步3）上升 sq3上限位 （步4）右移sq2右限位 (步5)下降sq4下限位 （步6）释放：计数增1定时1s1s到 （步7）上升sq3上限位（步8）左行sq1左限位重新回到（步0）说明1：对：“点动、回原点、连续”等方式的选择操作，只有在“原位”步，才能立即响应；当机械手工作于其它工步时，如果进行“点动、回原点、连续”的选择操作，所作出的选择；要等候回到“原位”之后才能作出响应，此即所谓“方式选择，推迟响应”。说明2：在“点动”方式，要求对机械手的每个基本动作，均能实现点动。说明3：在“连续”方式，要求机械手周而复始的进行工作；中途收到“停止”信号。不停止工作，要等到本次循环完成，回到“原位”之后，方可停止，这种“推迟响应的停止”称为“预停”。 说明4：计件（满）装满灯（亮）发出“声光报警”。其中，安排7#开关sa7实现“禁声/声警”声音报警方式选择，sa7（合上）声音提醒（禁止），sa7（断开）声音提醒（开启）说明5：安排20#开关sa20控制“点动/自动”的选择，sa20（合上）选择“点动”方式，sa20(断开)选择“自动”方式。说明6：“停止要求，推迟实施”，在“自动”方式，要求机械手周而复始地进行工作；中途沙鸥到“停止”信号，不停止工作，要等到本次循环完成，回到“原位”后，方可停止，这种“推迟实施的停止”称为“预停”，即所谓的“停止要求，推迟实根据生产设备工作方面及其他方面的需要，本次设计要达到如下设计要求（1） 要求本次设计的控制装置采用plc技术实现；（2） 要能完全满足控制要求；（3） 要按照电气设计惯例，提供短路、过载、连锁等故障保护措施；（4） 本次设计的控制装置应由操作屏，电气控制箱（柜）等部分组成，要尽量与生产设备进行一体化安装，具体安装尺寸另行商定；（5） 要求在上用数码管显示计件数；（6） 操作屏上要有完整的信号指示，包括各工作步指示，以及电源、启动、停止、故障等指示；提示：因本次设计时间的局限，程序设计及调试部分、电气设计部分要求做到具体到位，柜、触摸屏设计部分不作要求。提醒：本题程序宜采用基于工序的编程方法来编写，并适宜采用计数状态来控制原点条件标志。3、 设计总体思路根据已知情况、控制要求、设计要求本次装箱机械手的plc控制装置可以按照“大而化小，分而治之”的思路，划分为以下5个部分，循序渐进，各个部分的设计任务分配如下：(1)程序设计及调试 采用切换法，完成程序设计，并在实验室环境中进行模拟调试；(2)电气设计完成电气线路原理图、元件位置图、接线图、互连图、元件明细表的设计；(3)柜屏设计 完成电气元件安装图、控制箱（柜）、操作的设计(4)安装、接线、联合测试 完成电气元件的安装接线，并对程序与线路进行联合测试(5)后期工作说明操作过程，拟定常见故障排除方案、编写设计说明书等。下面按照这个总体设计思路的任务安排、逐步展开。四、程序设计及其调试 根据设计要求、控制要求，所选定的plc类型为：ec-16m 16r它是我国科威公司生产的e系列plc（与三菱fx2n系列兼容），拥有16路输入、16路（继电器）输出，而本例实际上只需要15路输入、13路输出、输出留有约1/3的余量，输出所留余量超出1/3，完全满足要求；拥有8k步的内存容量，而本例用户程序的容量估计在20步左右，完全够用；支持内置canbus、485、232通讯功能，有利于今后与其他设备进行联网通信sb0 x0清0y20hl0原点指示灯 y1km1下行sq1x1左限y2km2上行y3km3右行sq2x2右限y4km4左行y5ya吸持/释放sq3x3上限y6hk6计数满灯y7ha7计数满声sq4x4下限sb5x5启动y10步0 hl0灯sb6x6预停y11步1 hl1灯y12步2 hl2灯sa7x7禁声/声警y13步3 hl3灯y14步4 hl4灯sa20x20自动/点动y15步5 hl5灯y16步6 hl6灯sb7x21计数减1调整 y17步7 hl7灯y20步8 hl8灯某机械手搬运过程的i/o分配图如图2所示。该i/o分配图是在实训设备上完成i/o接线，进行程序模拟调试的主要依据。2、拟定程序的sfc顺序功能图 拟定程序的sfc sfc顺序功能如图3所示图3 机械手调试动作顺序图（程序sfc图3、设定程序的调试顺序表根据程序的sfc顺序功能图设定调试顺序表如表4所示序号切入动作切入工作步信号指示0.0plc (开机run档)步0：原位（停留）步0灯hl10(亮)1.0sa20（点动档）x20(1态)点上钮x11（按下）点下钮x12（按下）点右钮x13（按下）点左钮x14（按下）点吸钮x15（按下）点释钮x16（按下）清0按钮x0（短时按下）左、上、释、欠：原点条件满足步10：点动点动上移点动下移点动右移点动左移点动吸持点动释放点动清0+原点条件指示灯hl0（亮）2.0sa20 自动挡 x20(0态)步0：原位停留步0灯hl10(亮)2.1sb5短时按下x5短时1态m8041 保持1态 步1：空手下降步1灯hl1（亮）2.2离开上限位：sq3(k3) 0态 降至下限位：sq4(k4) 1态 步2：吸持步2灯hl2（亮）2.3吸牢定时t2 1态 步3：抓球上升步3灯hl3（亮）2.4离开下限位：sq3(k3) 1态 升至上限位：sq4(k4) 0态 步4：抓球右行步4灯hl4（亮）2.5离开左限位：sq1(k1) 0态 移至右限位：sq2(k2) 1态步5：抓球下降步5灯hl5（亮）2.6离开上限位：sq3(k3) 0态 降至下限位：sq4(k4) 1态 步6：释放钢球步6灯hl6（亮）2.7释放定时t6 1态 步7：空手上升步7灯hl7（亮）2.8离开下限位：sq3(k3) 1态 升至上限位：sq4(k4) 0态 步8：空手回移步8灯hl8（亮）3.0离开右限位：sq1(k1) 1态 移至左限位：sq2(k2) 0态 步0：再次到达原位步0灯hl0（亮）3.1c0 计数欠 m8044 1态 步1：再次空手下降步1灯hl1（亮） 4、编程某机械手计件搬运过程的plc控制装置顺空程序、程序工作简析、编程元件明细表程序、程序工作简析、编程元件明细表（1）程序的组成本机械手控制程序的组成情况如图5所示。初始程序 主体程序切换程序计数及其定时程序动作程序信号程序数码管显示程序图5 机械手程序的组成 （2）初始程序本机械手的初始程序的梯形图如下图6所示图6 机械手初始程序梯形图（3） 切换程序本机械手切换程序的梯形图如下图7所示。 图7 机械手切换程序梯形图对sfc图按照“从左到右，从上到下”顺序，逐一进行翻译转换，就会得到如上的sfc顺序功能图。梯形图是在实训设备上完成程序录入、进行程序模拟调试的重要依据。（4）计数及其定时程序 机械手计数及定时程序的梯形图如下图8所示（5）输出程序图9是本机械手的动作输出程序，该程序主要以电动机正反转为基础。图9 动作输出程序图（6）信号指示程序如下图10所示为机械手的信号指示程序（7）数码显示工步程序五、电气设计1、 plc外部接线原理图plc外部接线原理图如图12 所示2、机械手顺序设备电气接线线原理图 图13 机械手顺控设备电气接线线原理图说明：由于图纸大小及布置美观等因素，输出数码管显示省略。2、 机械手顺控设备电气元件明细表及电气元件的选择 机械手顺控设备电气元件明细表序号文字符号名称型号规格单位数量备注1m1、m2电动机y112m-2380v、4kw、8.2a、7倍台2y接法6端接头21#plc三菱plcec-32m32r32路输出输入台1黄石科威3km1 、 km2km3 、 km4通电接触器cj20-16/03主触点16a380v/线圈ac220v台4（ac-3）10a4kw正泰电器4fr0热继电器jr20-16/l座体16a 380v 热元件3.65.4a3相带断相保护个1整定值4.7al独立安装正泰电器虎牌集团5qf空气开关dj20y-100/32002-20a壳架电流100a额定电流in=20a2-保护电动机用个1200-带瞬时脱扣器2-瞬脱扣整定12in正泰电器6fu1、fu2fu3、fu4负载保护rt18-32-2座体32a400v熔体2a个41#plc内含2a保险负载启动电流0.6a7sb5启动按钮la39-11/g个11常开，1常闭上海二工8sb6预停按钮la39-11/r个19sq1、sq2sq3、sq4行程开关个410sa7禁声/声警个111sb7计数减1调整按钮la39-11/r个11常开，1常闭上海二工12sa20自动/点动转换开关个113hl电源灯ad16-16/g31个1in=16ma上海二工14hh0原点灯ad16-16/g31个1in=16ma上海二工15ya电磁吸特头个116ha6计数满灯ad16-16/g31个1in=16ma上海二工17hk7计数满声个118d1d2显示计数数码管个119xt1、xt2端子板个1xt1需24个端子xt2需24个端子20主电路导线bv500套221交流控制线bv500500v铜芯塑料线北京神州永立3、plc内部的编程元件及其作用本程序中所用到的plc内部的编程元件及其作用如表下所示编程元件作用x0清0x1左限x2右限x3上限x4下限x5启动按钮x6预停按钮x7声音报警y0自动/点动y1km1下行y2km2上行y3km3右行y4km4左行y5ya吸持/释放y6计数满灯y7计数满声y10步0灯y11步1灯y12步2灯y13步3灯y14步4灯y15步5灯y16步6灯y17步7灯y27步8灯m0中间继电器，把x20点动状态保持m1中间继电器，把x20自动状态保持m2中间继电器，把t2吸持状态保持m3中间继电器，把x3上升状态保持m4中间继电器，把x2右行状态保持m5中间继电器，把x4下降状态保持m6中间继电器，把t6释放状态保持m7中间继电器，把x3上升状态保持m8中间继电器，把x1左行状态保持m10中间继电器，把x20点动状态保持t1吸持t2释放定时c0计数4、电气元件型号规格的选定依据下面，对各电气元件型号规格的选定依据，详细说明如下：（1）电动机所用接触器的选择接触器的基本选择原则：接触器的额定电流电动机的额定电流交流接触器一般按“ac-3类别”设计，如cj20、cjx4类别的接触器，则应降级使用v中小型工厂90kw及以下的笼型电动机，基本是一般任务型，属于“ac-3工作类别”。本例电动机m1功率为4kw，额定电流in=8.2a，故可选cj20-10型交流接触器；为多留一点余量，实际cj20-16，16a、380v，线圈额定电压选220v。（2）热继电器的选择热继电器的基本选择原则：热继电器座体的额定电流电动机的额定电流in；热元件的电流电动机的的电流in，动作整定值=（1.01.1）in，档电动机的启动电流不超过6倍且启动时间不超过5s是取1.0，其他情况可取1.1。（3）笼型电动机所用低压断路器的选择低压断路器又名自动开启开关，简称“空开”。笼型电动机所用空开的基本原则：空开的壳架额定电流空开的额定电流，空开的额定电流=（1.52）电动机的额定电流in；瞬间脱扣整流电流12电动机的额定电流in;热脱扣器（长延时）整流电流=（11.1）电动机的瞬时电流in；6倍长延时电流整定值的课返回时间电动机启动时间，按实际可选用返回时间1s、3s、5s、8s、15s中的某一档。本例电动机m1功率为功率4kw，额定电流in=8.2a，8.2a2=16，故可选dj20y-100/3-20y,20a（380a）、3极；瞬时脱扣整流脱扣整流电流1220a，不带热脱扣器；热过载保护另由热继电器实现。(4)电动机配线的选择电动机配限速算口诀：“1.5加二，2.5加三，4.0加四”例如，1.5m的铜芯塑料线能配3.5kw以及3.5kw一下的电动机，还留有余量。“6后加六，25后加五” 例如，6m的铜芯塑料线能配12kw及12kw以下的电动机。“50后递增减五” 50m可配45kw电动机，70m可配60kw等。“百二导线，配百数” 120m的铜芯塑料线可配100kw电动机。bv意为“铜芯聚氯乙烯绝缘电线”，就是通信塑料线，一般为独股单芯，常用于民用建筑；bvr就是铜芯塑料线软线，一般为多芯。 本论例题电动机功率为4kw,1.5+2=2.5,2.5+3=5.54，故电动机主电路导线可选2.5m铜芯塑料线。六、后期工作1、操作过程简要说明（1）按一下启动按钮，并且设置原点条件满足左限位、上限位、释放、计件欠。（2）通过开机脉冲m8002使切换程序步入初入步0。（3）按下下限位开关并使上限位开关复位，实现空手下降，程序会使机械手从步1自动切换到步2，机械手吸头将钢球的吸牢时间为1s。（4）按下上限位开关并使下限位开关为开关复位，实现抓球上升，程序会使机械手从步3自动切换到步4。（5）按下右限位开关并使左限位开关为开关复位，实现右移，程序会使机械手从步4自动切换到步5。（6）按下下限位开关并使上限位开关为开关复位，实现下降，程序会使机械手从步5自动切换到步6，机械手吸头将钢球释放时间为1s，且满足计数为预订值。（7）按下上限位开关并使下限位开关为开关复位，实现空手上升，程序会使机械手从步6自动切换到步7。（8）按下左限位开关并使右限位开关为开关复位，实现空手回移，程序会使机械手从步8自动切换到步0。（9）周而复始，直到计数满为止，换下一箱。2、常见故障及其排除方案（1）检查plc（run），合上sq1、sq3，原点指示灯亮？ 没有亮：程序错误 解决方案：检查程序（2）检查plc是否能完成1个工作流程？ 不能：程序错误 解决方案：检查程序（3）检查plc是否从最后步8回到步0开始新一轮循环？ 不能：程序错误 解决方案：检查程序（4）sb6按一下，待进行到最后1步空手回移之后，不再做新一轮循环？ 不能：预停程序错误 解决方案：修改预停程序 3、编写并提交（课程）设计说明书 “课程设计说明书”应包括以下 （1）封面 （2）课程设计任务书（3）摘要（4）目录 （5）已知情况、控制要求、设计要求（6）总体设计思路（7）程序设计及调试（8）电气设计（11）课程设计总结（12）致谢（13）主要参考文献及资料七、尚存在的问题及方案建议本设计方案虽然“设计简约，考虑面广，满足要求”，但至少有以下2个问题尚未解决：（1） 电源问题：在设计过程中，为了简化操作过程，对plc未加装 电源开关，这样不利于操作。（2） plc电源净化问题：科威plc供电电压为ac180-260v，适应电源范围较宽，可直接从低电压电网取用220v电源；但为了减弱电网对plc的干扰，仍应加装电压净化元件如电源滤波器、隔离变压器等。建议采取以下方案解：（1） 针对电源问题，建议加一个电源分开关来解决。（2） 针对plc电源净化问题，建议加装电源滤波器或隔离变压器的方案来解决。九、plc课程设计总结及心得通过plc课程设计，我们知道：机械手能模仿人手臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。和学别的学科一样，在学完plc理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分组的方式进行，每组有一个题目。我们做的是机械手臂的plc控制系统。由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。但通过各方面的查资料并学习。我们基本学会了plc设计的步聚和基本方法。分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。通过这次设计实践。我学会了plc的基本编程方法，对plc的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到plc中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对plc 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。通过合作，我们的合作意识得到加强。合作能力得到提高。上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人互责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发