机械手分拣大小球的PLC程序设计-职业大学机电一体化毕业论文

毕业设计（论文） 课题课题机械手分拣大小球的机械手分拣大小球的 PLC 程序设计程序设计 院院系系机械工程学院 专专业业机电一体化 班班级级机电 082 姓姓名名陈东 080101208 完成日期完成日期2011.4 指导教师指导教师王叶萍 南通职业大学毕业设计 （论文） - 2 - 摘要摘要 机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动 并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。 因为，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的 步伐。因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。 尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。在我国，近代几年 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。在生产过程 中，经常要对流水线上的产品进行分捡，本课题拟开发物料搬运机械手，采用 的德国西门子 S7-200 系列 PLC， 对机械手的上下、 左右以及抓取运动进行控制。 用于分捡大小球的机械装置。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控 制机械手完成各种动作。 关键词关键词：机械手、 PLC、 大小球 南通职业大学毕业设计 （论文） - 3 - ABSTRACT The positive role of the manipulator increasingly known by people, first, it can partly replace human labor and can achieve the production requirements, follow a certain procedure, time and location to complete the workpiece transfer. Because, it can greatly improve the working conditions, and workers accelerate the realization of industrial production mechanization and automation pace. Therefore, by various advanced unit spent a great deal of attention and manpower to research and application. Especially in high temperature and high pressure and dust, noise occasions, application is more widely. In China, the modern years also have developed quickly, and obtained a certain result, by various departments of industry seriously. In the process of production, often to the assembly line of products, this topic intends to develop sorting through the manipulator, material handling by German Siemens s7-200 PLC, the fluctuation, left and right sides of manipulator and grab motion control. Used in the mechanical device can 1. We use programmable technology, combined with the corresponding hardware device, control finish all kinds of action. Robot Keywords:manipulator, PLC, which can 南通职业大学毕业设计 （论文） - 4 - 目录目录 第一章第一章 机械手与机械手与 PLC 的简介的简介 1.1 机械手的出现与发展.1 1.2PLC 的应用2 第二章第二章 PLC 控制系统的硬件设计控制系统的硬件设计 2.1按钮和行程开关的选择 7 2.2接近开关 转换开关 刀开关的选择 7 2.3时间继电器 接触器的选择. 8 2.4熔断器 电动机的选择. 9 2.5电磁阀的选择 9 第三章第三章分拣系统的分拣系统的 PLC 选择选择 3.1PLC 控制系统设计的原则和内容10 3.2PLC 的选型10 3.2.1性能与任务相适应11 3.2.2PLC 的处理速度应满足时实控制的要求12 3.2.3PLC 应用系统结构合理、机型系列应统一12 第四章第四章大小球分拣系统的大小球分拣系统的 PLCPLC 设计设计 4.1系统的功能.15 4.2分拣大小球系统的结构.16 4.3大小球分拣传送过程控制分析.16 4.4分捡大小球系统的输入/输出地址及定时器分配17 4.5机械手分拣球控制系统的接线图.18 南通职业大学毕业设计 （论文） - 5 - 4.6大小球分拣的设计思想.18 第五章第五章机械手分拣大小球的机械手分拣大小球的 PLCPLC 程序设计程序设计 5.1机械手分捡大小球控制程序流程图.20 5.2机械手分拣大小球控制程序的梯形图.22 第六章第六章总结总结 参考文献参考文献 致谢致谢 南通职业大学毕业设计 （论文） - 6 - 第一章第一章机械手与机械手与 PLCPLC 的简介的简介 1.11.1 机械手的出现与发展机械手的出现与发展 1.1.11.1.1 机械手的历史机械手的历史 它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始 于 20 世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是 1946 年第 一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、 大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自 动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技 术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景 下，美国于 1947 年开发了遥控机械手，1948 年又开发了机械式的主从 机械手。 机械手首先是从美国开始研制的。1954 年美国戴沃尔最早提出了 工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控 制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动 作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不 多都采用这种控制方式。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械 手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型是 1962 年美国 AMF 公 司推出的“VERSTRAN”和 UNIMATION 公司推出的“UNIMATE”。这些工 业机器人主要由类似人的手和臂组成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。 1.1.21.1.2 机械手的组成机械手的组成 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 。为了抓取空间中任意位 南通职业大学毕业设计 （论文） - 7 - 置和方位的物体，需有 6 个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参 数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复 杂。一般专用机械手有 23 个自由度。控制系统是通过对机械手每个 自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息， 形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或 dsp 等微控 制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。 1.1.3 机械手分类机械手分类 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机 械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运 动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置， 如在自动机床或自 动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独 立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门 操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中 的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。 1.21.2 PLCPLC 的应用的应用 1.2.11.2.1 PLCPLC 的定义的定义 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统， 专为在工业环境中应用 而设计的它采用一类可编程的存储器，在其内部用于存储用户程序，并执 行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术操作等用户指令，并通过数字 或模拟式输入/输出，控制各类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有 关外部设备，都按照方便与工业控制系统成一个整体，易于扩充其功能的 原则设计。 1.2.21.2.2 PLCPLC 的分类的分类 随着 PLC 的不断发展，其型号和形式越来越多，为了在设计控制工程 系统时便于表达和选择适当型号的 PLC，应对其进行分类。一般按照以下 两种形式对 PLC 进行分类。 南通职业大学毕业设计 （论文） - 8 - 按照 I/O 点的数量分为小型机，中型机和大型机。小型机的输入输 出点的总数一般在 256 个以下，用户程序的存储容量一般为 4KB 左右。中 型机的输入输出点的总数一般在 2562048 之间，用户程序的存储容量一 般为 8KB 左右。大型机的输入输出点的总数一般在 2048 个以上，用户程序 的存储容量一般为 16KB 以上。 按照结构形式分为整体式结构和模块式结构。整体式结构的 PLC 具 有体积小，成本低和安装方便的特点，大多被小型机所采用，例如 SIEMENS 公司的 S7-200 系列的 PLC。模块式结构的 PLC 具有功能强大，配置灵活和 维修方便的特点，大多被中型机和大型机所采用，例如 SIEMENS 公司的 S7-300 系列和 S7-400 的 PLC。 1.2.31.2.3 PLCPLC 的特点与应用及其发展趋势的特点与应用及其发展趋势 为了满足现代工业生产日趋复杂，以及多样化的特点（例如，实现逻 辑运算，顺序控制，定时，计数和算术运算等操作） ，对控制的要求也各不 相同，目前普遍需要通用性搞的控制系统。PLC 的出现受到了广大工程计 数人员的欢迎。PLC 的主要特点包括以下几个方面 抗干扰能力强，可靠性高 控制系统简单，通用性强 编程方便，使用简单 功能完善 设计，施工和调试的周期短 体积小，维护操作方便。 PLC 在其生产初期由于价格高等原因， 使它的使用受到限制。 但近年来， PLC 的应用逐渐广泛起来，主要原因有两个:一是微处理器的芯片和相关元 件的价格不断下降；二是 PLC 自身的功能大大增强。PLC 的应用面很广，在 工厂自动化和计算机集成制造系统（CIMS）内占有重要地位。目前 PLC 在 国内外已广泛应用于钢铁，采矿，石油，化工，电力等各个行业，使用情 况大致可以归纳为六种类型： 开关量的逻辑控制 模拟量的控制 南通职业大学毕业设计 （论文） - 9 - 运动控制 过程控制 数据控制 通信及联网。 不同的工业环境对 PLC 的功能，体积和性能有不同的要求，对 PLC 的 要求越来越高。因此，PLC 的生产厂商把 PLC 的发展方向趋向于高集成度， 小体积，大容量，高速度，智能化，易使用和高性能等几个方面，表现为 以下几个方面： 小型化，专用化和低成本 大容量和高速度 智能型 I/O 模块 编程软件 编程语言的标准化 通信控制的简单化 PLC 的软件化与组态软件 与现场总线的结合。 1.2.41.2.4PLCPLC 的工作原理的工作原理 当 PLC 启动运行后，其工作过程一般分为输入采样阶段，用户程序执 行阶段和输出刷新阶段。完成上述三个阶段即称为一个扫描周期。在整个 运行期间，PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。PLC 的运 行框图如图 1.1 所示，它清楚的描述了 PLC 的扫描工作过程。 输入采样阶段 PLC 在输入采样阶段，先扫描所有输入端子，并将各输入端子的状态存 入各自对应的输入元件映像寄存器。此时，输入元件映像寄存器被刷新， 接着进入程序执行阶段。在程序执行阶段或输出刷新阶段，输入元件映像 寄存器与外界隔离，无论输入端子信号如何变化，输入元件映像寄存器中 的内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才将输入端的新状 态写入寄存器中。 用户程序执行阶段 南通职业大学毕业设计 （论文） - 10 - 根据 PLC 梯形图程序扫描规则，PLC 按照先左后右，先上后下的顺序执 行程序。当指令中涉及输入/输出状态时，PLC 从输入映像寄存器中“读入” 对应的输入端子的状态，从输出映像寄存器“读入”对应输出映像寄存器的 当前状态。然后，进行相应的运算，运行结果再存入元件映像寄存器中。对 元件映像寄存器来说，每一个元件（输出软继电器）的状态会随编程序的执 行过程而变化。 输出刷新阶段 在所以指令执行完毕后， 输出映像寄存器中所有输出继电器的状态在输 出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出驱动外部负载。 对于小型 PLC，I/O 点数较少，用户程序较短，用集中采样输出的工作 方式虽然在一定程度上降低了系统的响应速度， 但从根本上提高了系统的抗 干扰能力， 增强了系统的可靠性。 大中型 PLC 因 I/O 点数较多， 控制功能强， 用户程序长，为提高响应速度可以采用定周期输入采样，输出刷新。也可以 采用直接输入采样，直接输出刷新，中断输入/输出和智能化 I/O 接口等方 式。 图 1.1PLC 扫描工作过程 扫描周期 输 入 端 子 输 入 映 像 寄 存 器 元 件 映 像 寄 存 器 输 出 锁 存 器 输 出 端 子 输入采样阶段用户程序执行阶输出刷新阶段 南通职业大学毕业设计 （论文） - 11 - 1.2.51.2.5 PLCPLC 对输入对输入/ /输出的处理原则输出的处理原则 根据 PLC 的工作特点，归纳出 PLC 对输入/输出的处理原则，如下所述： 输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上一个刷新期 间的通断状态。 程序如何执行取决于用户所编程序和输入/输出映像寄存器的内容及各 元件映像寄存器的内容。 输出映像寄存器的数据，取决于输出指令的执行结果。 输出锁存器中的数据， 由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据 决定。 输出端子的通断状态，由输出锁存器决定。 南通职业大学毕业设计 （论文） - 12 - 第二章第二章PLC 控制系统硬件设计控制系统硬件设计 2.12.1 按钮和行程开关的选择按钮和行程开关的选择 2.1.12.1.1 按钮的选择原则按钮的选择原则： (1)根据使用场合，选择控制按钮的种类，如开启式，防水式，紧急式 等。 (2)根据用途，选用合适的型式，如钥匙式，紧急试，带灯式等。 (3)按控制回路的要求，确定不同的按钮数，如单钮，双钮，三钮，多 钮等。 (4)按工作状态指示和工作情况的要求选择按钮及指示灯的颜色。 2.1.22.1.2 行程开关的选择行程开关的选择： 行程开关的分类：直动式，滚动式和微动式三种。直动式行程开关的优 点是结构简单，成本低，但容易烧蚀触头。滚动式行程开关克服了直动式 行程开关的缺点，但其结构复杂，价格也较高，所以选择微动式行程开关 体积小，动作灵敏，适用于小型机构中使用。 2.22.2 接近开关、转换开关、刀开关的选择接近开关、转换开关、刀开关的选择 2.2.12.2.1 接近开关的选择接近开关的选择： 接近开关是一种对接近它的物体有“感知”能力的元件位移传感器， 利用传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，当有物体 移向接近开关，并接近到一定距离时，位移传感器才有“感知” ，开关才会 动作。在设计中，接近开关 SBO 用于检测是否有球，SB1SB5 分别用于传 送机械手上下左右运动的定位。 接近开关分为霍尔接近开关，超声波接近开关，高频振荡式接近开关， 霍尔接开关用于检测磁场，一般用磁场钢作为被检测体。超声波接近开关 适用检测不能或不可触及的目标，其控制功能不受声、电、关等因素干扰， 检测物体可以是固体、液体、或粉末状态的物体，只要能反射波用的电子 南通职业大学毕业设计 （论文） - 13 - 装置及调节检测范围用的程控桥式开关等几个部分组成，高频振荡式接近 开关用于检测各种金属，主要由高频振荡器，集成电路晶体管放大器和输 出器三部分组成。 2.2.22.2.2 转换开关的选择转换开关的选择： 转换开关是一种多档位，多触点，能够控制多回路的主令电器，可以 用于控制小容量电动机的启动、换向、调速、正反转控制等，常用的万能 转换开关有 LW2、LW5、LW6、LW8 等系列，在设计机械手大小球分选系统中 操作方式有手动，单周期，连续。 2.2.32.2.3 刀开关的选择刀开关的选择： 刀开关是一种手动电器，为了简单，方便，选择 HD 型单投刀开关， 分为 1 级，2 级，3 级。 2.32.3 时间继电器、接触器的选择时间继电器、接触器的选择 2.3.12.3.1 时间继电器的选择时间继电器的选择： 时间继电器在控制电路中用于时间的控制，有 JS23，JS27A，JSK， 7PR，SS18 等系列的时间继电器。 2.3.22.3.2 接触器的选择接触器的选择： 接触器的选型要求： （1）根据负载性质选择接触器类别，一般交流负载选择交流接触器， 直流负载选择直流接触器。 （2）根据被控电路电流大小和使用类别选择接触器的额定电流。 （3）根据被控电路电压等级来选择接触器的额定电压。 （4）根据控制电路的电压等级选择接触器线圈的额定电压。 南通职业大学毕业设计 （论文） - 14 - 2.42.4 熔断器、电动机的选择熔断器、电动机的选择 2.4.12.4.1 熔断器的选择：熔断器的选择： 熔断器在电路中主要起短路保护作用，用于保护线路，熔断器具有结 构简单，体积小，重量轻，使用维护方便，价格低廉，分断能力较高，限 流能力良好等优点，熔断器有 NT、RT、RL、RLS2、FA4 等型式的熔断器， RT 系列为有填封闭管式熔断器，可在 500V 以下交流系统中作过载及短路 保护用，这种熔断器为螺栓连接，可直接连在母线排上，尤其适合开关熔 断器组选用，RT15 型熔断器最大额定电流 400A，额定分断能力 100KA。 2.4.22.4.2 电动机的选择：电动机的选择： 电动机是选交流的，而电动机分为异步电动机和同步电动机两大类， 异步电动机主要用作电动机，去拖动各种生产机械。由于异步电动机具有 结构简单，制造，使用方便，运行可靠，成本低廉，效率较高等优点而得 到广泛应用。例如，在工业生产中，异步电动机用于拖动中小型轧钢设备， 各种金属切削机床，轻工机械和矿山机械等；在农业生产中，异步电动机 用于拖动水泵，粉碎机以及其他农副产品的加工机械；在民用电器方面的 电风扇、洗衣机、电冰箱、空调机等也都是用异步电动机拖动的。 2.5 电磁阀的选择电磁阀的选择 电磁阀的分类：国内外的电磁阀从原理上分为三大类(即：直动式、分 步撞先导式)，而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分 支小类(直动膜片结构、分步重片结构、先导膜式结构、直动活塞结构、分 步直动活塞结构、先导活塞结构)。电磁阀的优点：耐高温电磁阀是间接先 导式平衡电磁阀，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、使用范围广等。 南通职业大学毕业设计 （论文） - 15 - 第三章第三章 分拣系统的分拣系统的 PLCPLC 选择选择 PLC 应用系统设计主要包括硬件设计、软件设计、施工设计和安装调试 等内容。本课程设计着重在系统设计和程序设计。 3.13.1 PLCPLC 控制系统设计的原则和内容控制系统设计的原则和内容 PLC 的选择除了应满足技术指标的要求外， 还应着重考虑产品的技术支 持与售后服务等情况。 最大限度地满足被控对象或产生过程的控制要求。对于一些原来用继 电接触器线路不易实现的要求，使用 PLC 后，将很容易实现。 在满足控制要求前提下，力求使控制简单、经济、操作和维护方便。 对一些过去较为繁琐的控制可利用 PLC 的特点加以简化，通过内部程序化 外部接线及操作方式。 保证控制系统的安全、可靠。同时采取“软件兼施”的办法。 考虑到生产的发展和工艺的改进，选择 PLC 容量及 I/O 点数时，应适 当留有裕量。一个系统完成后，往往会发现一些原来没有考虑到的问题， 或者新提出的问题 ，如果事先留有裕量。则 PLC 系统极易修改。同时对日 后系统工艺的变更提供方便。当然对于不同的用户，要求的侧重点不同， 设计的原则也应有所区别，如果以提高产品和安全为目标，则应将系统可 靠性放在设计的重点，设置考虑采取冗余控制系统；如果要求系统改善信 息管理，则应将系统通信能力与总线网络设计加以强化；如果系统工艺经 常变更，则事先充分考虑。 3.23.2 PLCPLC 的选型的选型 根据不同的控制要求和PLC的结构和模式， 控制系统可分为以下四种： 单机控制系统：是指用一台 PLC 控制一台设备，其 I/O 少，控制过 程简单。 集中控制系统：是指用一台 PLC 控制多台设备，使用的 I/O 较多， 控制过程相对要复杂一点。 分散控制系统：是指每一台 PLC 控制一台设备，PLC 之间可以通过 通信电缆进行数据交换，或者由上位机通过数据总线来进行数据交换。 南通职业大学毕业设计 （论文） - 16 - 远程 I/O 控制系统：是指 I/O 模块和 PLC 不是放在一起的，而是放 在被控制的设备附近。远程 I/O 通道通过同轴电缆与 PLC 进行信息传递， 不同的 PLC 型号能驱动的同轴电缆长度是不同的，所以采用远程 I/O 控制 时需要选择相匹配的 PLC 型号，否则无法满足远程控制的需求。 随着时间的推移，PLC 的种类和数量越来越多，而且功能越来越强大， 因此 PLC 的选择范围越来越大。在选择 PLC 型号时，不仅要方便考虑控制 系统目前的功能要求，还要考虑当生产工艺改进后的功能要求。若生产过 程比较固定，工业环境比较好，一般采用整体式结构的 PLC；反之可选择 模块式的 PLC。在选择 PLC 型号时，应保证维护方便，使用简单，性价比 较高，具体应该考虑一下几个方面。 根据控制系统的功能要求选择性能与功能相适应的 PLC。 对于开关量控制系统的应用系统，当对控制要求不高时，可选用小型 PLC（如西门子公司 S7-200 系列 PLC 或 OMON 公司系列 CPM1A/CPM2A 型 PLC）就能满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。 对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业 生产中常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有 A/D 转换的模拟量输入模块和带有 D/A 转换的模拟量输出模块，配接相应的传 感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的中小型 PLC，如西门 子公司的 S7-300 系列 PLC 或 OMRON 公司的 COM/CQM1H 型 PLC。 对于比较复杂的中大型控制系统，如闭环控制、PID 调节、通信联信网 4 等， 可选用中大型 PLC（如西门子公司的 S7-400 系列 PLC 或 OMRON 公 司的 C200HE/C200HG/C200HX、 CV/CVM1 等 PLC） 。 当系统的各个控制对 象分布在不同的地域时，应根据各部分的具体要求来选择 PLC，一组成一 个分布式的控制系统。 在一些控制系统中，需要实时的响应输入信号，即使对输入信号进 行处理并产生对应的输出信号，控制执行机构动作，当 I/O 点数较少时， 输入到输出的滞后时间较小，基本可以满足工业控制的要求，但是当 I/O 点数达到几千个的时候，这个滞后时间就比较明显了，对于一些控制系统 就没法满足其技术要求，这就需要采用处理速度较快的 PLC，使一条指令 南通职业大学毕业设计 （论文） - 17 - 的执行时间不超过 0.5us，并对程序进行优化，减少扫描时间，必要时可 采用高速响应模块。 对于众多的控制系统来说， 尽量统一 PLC 的型号， 使其模块可通用， 也便于备件的采购和储备。便于对技术人员进行培训，在维修时也能带来 极大地方便。 在现在 PLC 时， 还需要看来此类型的 PLC 是否配有相对完善特殊功 能模块，以免需要某些特殊功能模块时，只能配置其他公司的模块，既增 加了控制难度，又增加成本，而且不利于公司的配件管理。 3.2.2PLC 的处理速度应满足时实控制的要求的处理速度应满足时实控制的要求 PLC 工作时，从输入信号控制存在着滞后现象，即输入量的变化，一 般要在 12 个扫描周期之后才能反映到输出端，这对于一般工业控制是允 许的。但有些设备的实时性要求教高，不允许有教大的滞后时间。例如， PLC 的 I/O 点数在几十到几千点范围内，这时用户应用程序的长短对系统 的响应速度会有较大的差别。滞后时间应控制在几十毫秒之内，应小于普 通继电器的动作时间。 3.2.3PLC 应用系统结构合理、机型系列应统一应用系统结构合理、机型系列应统一 PLC的结构分为整体式和模块式两种。 整体式结构把PLC的I/O和CPU 放在一块电路板上，省去插接环节，体积小，每一 I/O 点的平均价格比模块 式的便宜，适用于工艺过程比较稳定、控制要求比较简单的系统。模块式 PLC 的功能扩展，I/O 点数的增减，输入与输出点数的比例，都比整体式灵 活。维修更换模块、判断与处理故障快方便，适用于工艺过程变化教多、 控制要求复杂的系统。在使用时，应按实际具体情况进行选择。 结合以上几点， 在设计 PLC 机械手在大小球分选系统中用的 PLC 的选 型为西门子 S7-200 系列的可编程控制器。西门子 S7-200 系列 PLC 是西门 子公司于 1995 年推出的具有很高性价比的微型 PLC，由于其体积小，运行 速度快，功能强等功能，在各种自动化控制领域得到了较快的发展和广泛 的应用。在这个系列的 PLC 中共有两代产品，第一代产品的 CPU 模块为 CPU21*系列，共有 4 种，即 CPU212，CP,214，CP,215，CP,216，现已停产。 第二代产品的 CPU 模块为 CPU22*系列，共 5 种，即 CPU221，CPU222， 南通职业大学毕业设计 （论文） - 18 - CPU224，CPU226，CPU226XM。 S7-200 系列属于小型机，采用整体式结构。因此在配置系统的时候， 当输入/输出端口不够时，可以通过扩展来增减 I/O 数量，也可以扩展其他 模块来实现不同的控制功能。 S7-200PLC 的一个完整的系统组成如图 2.1 所 示。 编程工具 扩展 模块 CPU 主机 通信设备人机界面 功能 模块 图 2.1S7-200PLC 的系统组成 根据控制系统的功能要求选择性能与功能相适应的 PLC。对以开关量 为主的，带有少量模拟量的控制系统，可以选择带有模拟-数字量转换的模 块， 并且运算功能较强的小型 PLC。 针对本系统的要求， 选择西门子 S7-200 系列中 CPU 模块为 CPU224 的 PLC。 CPU22*系列的 PLC 主机模块包括一个中央处理器单元即 CPU，数字 I/O，通信口及电源，这些器件都被集成到一个紧凑的，独立的设备中，该 主机的主要要作用有：采集的输入信号，通过中央处理器运算后，生成结 果传给输出装置， 然后输出点输出执行信号。 在这个过程中 CPU 执行程序， 输入端口从现场设备中采集信号，输出端口输出控制信号以驱动外部负载。 CPU222 具有 14 个输入点和 10 个输出点，共 24 个 I/O 点。2 个模拟 南通职业大学毕业设计 （论文） - 19 - 量电位器，最多可扩展 35 个 AI/AO 点。8K 字节用户程序和 5K 字节数据 存储区。6 路高速计数器（30kHz） ，2 路高速脉冲输出，1 个 RS-485 通信/ 编程口，它的存储容量和扩展能力有了很大提高，存储容量扩大了一倍， 可以有 7 个扩展模块。 它具有更强的模拟量处理能力， 是使用最多的 S7-200 产品。 南通职业大学毕业设计 （论文） - 20 - 第四章第四章大小球分拣系统的大小球分拣系统的 PLC 设计设计 4.1 系统的功能系统的功能 为实现大小球的分捡控制，所设计系统程序必须实现以下主要功能： 1）该系统可完成大小球的自动识别，自动运送和自动到大球缸和小球 缸释放对应的球。 2）该系统可实现控制系统的多种工作方式。 3）该系统在发生故障时，捡球装置必须复位。 4.2 大小球分拣系统的结构大小球分拣系统的结构 机械手分拣大小球的工作示意图如图 1.1 所示。 电动机驱动操作杆带动 吸盘上下移动，完成取球和放球动作。通过行程开关 LS2 通断状态来判别 大小球，由电动机驱动操作杆左右移动，将大小球送往指定位置，从而完 成大小球分拣工作。 图 4.1机械手分拣大小球的工作示意图 + LS1 LS3 LS2 LS4LS5 电磁铁 M PS0 大大 小小 上行 下行 左行右行 下限 右限右限左限 上限 原点 显示 接近 开关 当吸住大球时，活塞未达 到下限位置，LS2不动作 南通职业大学毕业设计 （论文） - 21 - 4.3 大小球分拣传送过程控制分析大小球分拣传送过程控制分析 依据图 4.1 所示大，小球分拣设备示意图分其工作控制原理如下。 （1）开始自动工作之前要求设备处于原位状态，此时操作杆在上部，左极 限位置，上限位开关 LS3 和左限位开关 LS1 被压下。 （2）启动自动循环工作后，操作杆下行 2s，此时，若碰到的是大球，检 测开关 LS2 仍为断开状态，若碰到是小球，检测开关 LS2 则为闭合状态，从而 将大小球状态转换为开关检测信号。 （3） 接通控制吸盘的电磁阀 YV 线圈，吸取球。 （4） 当吸盘吸取小球后，操作杆上行，碰到上限位开关 LS3 后，操作杆 右行； 碰到小球存放位置右限位开关 LS4 后转为下行， 碰到下限位开关 LS2 后， 将小球释放到小球箱，然后返回到原位。 （5）当吸盘吸取大球后，操作杆上行，碰到上限位开关 LS3 后，操作杆 右行；碰到大球存放位置右限位开关 LS5 后，将大球释放到大球箱，然后返回 到原位。 根据其工作过程， 以图中的左上角为机械原点， 其动作顺序如图 4.1 所示。 下降吸球上升右行下降释放球上升左行返回到左上原点位置。 另外，操作杆下行到达下限位（设定下降时间为 2s，根据电机运行速度等参数 设定）时，吸盘压着大球，下限位行程开关 LS2 断开，压着小球，下限位行程 开关 LS2 接通。 南通职业大学毕业设计 （论文） - 22 - 4.4 IO 端子地址赋值表端子地址赋值表 输入端子地址输入端子地址输入电器输入电器功能说明功能说明 I0.0SB1启动按钮 I0.1LS1左限位行程开关 I0.2LS2下限位行程开关 I0.3LS3上限位行程开关 I0.4LS4右限位行程开关（小球） I0.5LS5 右限位行程开关（大球） I0.6LS6 小球选择开关 I0.7LS7 大球选择开关 I1.0LS8 连续运行按钮 I1.1LS9 单周期运行按钮 I1.2LS10 单步运行 I1.3LS11 回原点运行 I1.4SB2 设备停止按钮 输出端子地址输出端子地址输出电器输出电器 功能说明功能说明 Q0.0KM1 升降电机正转（下降） Q1.1YV吸盘吸持球 Q1.2KM2升降电机反转（上升） Q1.3KM3横移电机正转（右移） Q1.4KM4横移电机反转（左移） Q1.5KM5吸盘释放球 Q1.6HL原位显示灯 南通职业大学毕业设计 （论文） - 23 - 4.44.4 机械手分拣控制系统的接线图机械手分拣控制系统的接线图 1M 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4输 0.5 0.6入 0.7 1.0端 1.1 1.2子 1.3 1.4 M L 1L 0.0 0.1 输 0.2 出 0.3 端 0.4 子 0.5 0.6 2L 24VDC SB1 SL1 SL2 SL3 SL4 SL5 SL6 SL7 SL8 SL9 SL10 SL11 SB2 KM1 YV KM4 KM2 KM3 KM5 图 4.2 机械手分拣大小球控制系统接线图 南通职业大学毕业设计 （论文） - 24 - 4.6 大小球分拣的设计思想大小球分拣的设计思想 当输送机处于起始位置时，上限位开关和左限位开关被压下，极限开 关断开。 启动装置后，捡球装置下行，一直到极限开关闭合。此时。若碰到的 是小球，则压力传感器仍为断开状态；若碰到的是大球，则压力传感器闭 合状态。 吸起小球后，则捡球装置向上行，碰到上限位开关后，捡球装置向右 行；碰到右限位开关（小球的右限位开关）后，再向下行，碰到下限位开 关后，将小球释放到小球箱里，然后返回到原位。 如果吸起的是大球， 捡球装置右行碰到另一个右限位开关 （大球的右限位 开关）后，再向下行，碰到下限位开关后，将大球释放到小球箱里，然后 返回到原位. 南通职业大学毕业设计 （论文） - 25 - 第五章第五章机械手分拣大小球的机械手分拣大小球的 PLCPLC 程序设计程序设计 5.15.1 机械手分捡大小球控制程序流程图机械手分捡大小球控制程序流程图 根据要求，该控制流程根据吸住的是（大球、小球）有两个分支，此 处应为分支点，且属于选择性分支。分支在机械臂下降之后根据接近开光 （X0）的通断，分别将球吸住、上升、右行到 LS4 或 LS5 处下降，此处应 为汇合点。然后再释放、上升、左移到原点。 当按下 SM0.1 时，S0.0 得电，如果转换条件满足，S0.1 得电捡球装置 下降捡球平板，当下降的捡球平板碰到下限开关 LS2 时，S0.2 得电，停止 下降，捡球装置给平板处的电磁线圈（KM）通电，捡球平板产生电磁吸力 吸住钢球，此时压力感应器 I0.4 用来判断是吸住的大球还是小球，如果压 力感应器 I0.4 的输出断开，说明吸住的是小球，而如是闭合的，则说明吸 住的是大球。当吸住钢球后，S0.3 得电捡球平板上升，碰到上限开关后开 始右行，I0.5 为小球位限位开关，I0.6 为大球位限位开关，在右行的过程 中，如果吸住的是大球，S0.6 得电，则要到碰到 I0.6 才停止右行，S0.7 得电，下降到下限开关位置，S1.0 得电，断电释放钢球，然后 S1.0 得电上 升到上限开关位置停止上升，S1.2 得电，开始左行，碰到左极限停止左行； 而如果是吸住的小球，则在右行的时候碰到 I0.5 就停止右行，S0.7 得电， 下降到下限开关出停止下行，S1.0 得电，断电释放钢球，然后上升到上极 限位置停止上升，S1.2 得电，开始左行，到左极限停止左行，吸球时间 T37 为 2s，释放球时间 T38 也为 2s） 当将旋钮开关 I1.0 后，系统由开始捡球到放球，返回再次开始捡球， 如此循环不断的进行捡球和放球的过程，直到按下停止按钮，系统才停下 来不工作。 当系统在连续运行时，停止方式有两种，一种是正常停止：就是按下 停止按钮后，系统要将整个周期剩下的步骤全部进行完，然后回到原点才 停止工作。另外一种是紧急停止：就是用来处理紧急情况下来及时停止整 个系统工作的，一按紧急停止，系统立刻停止，不管已经工作到什么位置。 南通职业大学毕业设计 （论文） - 26 - 开始 原位时，LS3 和 LS1 被压下 启动装置后，操作杆下行 2s 吸盘的电磁阀线 圈接通 吸起球上行，压 下 LS3 后， 左行； 压下 LS5 后下行 压下 LS2 后，球 放到大球箱，返 回原位 压下 LS2 后，球 放到小球箱，返 回原位 压下 LS4 后下行 吸起球上行，压 下 LS3 后， 右行； 吸盘的电磁阀线 圈接通 LS2 闭合？ YN 大球小球 结束 5.1控制流程图 南通职业大学毕业设计 （论文） - 27 - 5.25.2 机械手分拣大小球控制程序的梯形图机械手分拣大小球控制程序的梯形图 南通职业大学毕业设计 （论文） - 28 - 按下 SM0.1 时，S0.0 得电，S0.1 得电捡球装置下降捡球平板，当下降的捡 球平板碰到下限开关 LS2 时，S0.2 得电，停止下降，捡球装置给平板处的电磁 线圈（KM）通电，捡球平板产生电磁吸力吸住钢球，此时压力感应器 I0.4 用来 判断是吸住的大球还是小球，如果压力感应器 I0.4 的输出断开，说明吸住的是 小球，而如是闭合的，则说明吸住的是大球。 南通职业大学毕业设计 （论文） - 29 - 南通职业大学毕业设计 （论文） - 30 - 南通职业大学毕业设计 （论文） - 31 - 南通职业大学毕业设计 （论文） - 32 - 南通职业大学毕业设计 （论文） - 33 - 吸住钢球后，S0.3 得电捡球平板上升，碰到上限开关后开始右行，I0.5 为 小球限位开关，I0.6 为大球限位开关，在右行的过程中，如果吸住的是大球， S0.6 得电， 则要碰到 I0.6 才停止右行， S0.7 得电， 下降到下限开关位置， S1.0 得电，断电释放钢球，然后 S1.0 得电上升到上限开关位置停止上升，S1.2 得 电，开始左行，碰到左极限停止左行；而如果是吸住的小球，则在右行的时候 碰到 I0.5 就停止右行，S0.7 得电，下降到下限开关出停止下行，S1.0 得电， 断电释放钢球，然后上升到上极限位置停止上升，S1.2 得电，开始左行，到左 极限停止左行。 南通职业大学毕业设计 （论文） - 34 - 图 5.2机械手分拣大小球的梯形图 图所示的梯形图对应的指令表如下： ORGANIZATION_BLOCK 主程序:OB1 TITLE=程序注释 BEGIN Network 1 / 初次扫描，激活首工作状态 / 网络注释 LDSM0.1 SS0.1, 1 Network 2 / 首工作状态 S0.1 控制开始 LSCRS0.1 Network 3 / 若一个循环结束需要停止，打开启动开关，对所有输出复位 LDNI0.0 RQ0.1, 5 南通职业大学毕业设计 （论文） - 35 - Network 4 / 操作杆在原位显示（左限，上限，释放） LDI0.0 AI0.1 AI0.3 ANQ0.1 =Q0.5 Network 5 / 操作杆在原位启动，转换至状态 S0.2 LDSM0.0 AI0.0 AQ0.5 SCRTS0.2 Network 6 / 状态 S0.1 的步进指令结束 SCRE Network 7 / 状态 S0.2 控制开始 LSCRS0.2 Network 8 / 操作杆下降，定时 2S LDSM0.0 SQ0.0, 1 TONT37, +20 Network 9 / 下降定时 2S 到，若下限位开关为“1“，即为小球状态则切换到选择 分支状态 S0.1 LDT37 AI0.2 SCRTS1.0 Network 10 / 下降定时 2S 到，若下限位开关为“0“，即为大球状态，则切换到 选择分支状态 S2.0 LDT37 ANI0.2 SCRTS2.0 南通职业大学毕业设计 （论文） - 36 - Network 11 / 状态 S0.2 的步进指令结束 SCRE Network 12 / 状态 S1.0 控制开始 LSCRS1.0 Network 13 / 停止下降，吸盘吸小球，定时 1S LDSM0.0 RQ0.0, 1 SQ0.1, 1 TONT38, +10 Network 14 / 1S 后，操作杆上升至上限位开关，切换到状态 S1.1 LDT38 SQ0.2, 1 AI0.3 SCRTS1.1 Network 15 / 状态 S1.0 步进指令结束 SCRE Network 16 / 状态 S1.1 控制开始 LSCRS1.1 Network 17 / 操作杆停止上升，操作杆右移至小球右限位开关，切换到汇合状 态 S0.3 LDSM0.0 LPS RQ0.2, 1 ANI0.4 SQ0.3, 1 LPP AI0.4 SCRTS0.3 Network 18 / 状态 S1.1 的步进指令结束 SCRE 南通职业大学毕业设计 （论文） - 37 - Network 19 / 状态 S0.2 控制开始 LSCRS0.2 Network 20 / 停止下降，吸盘吸大球，定时 1S LDSM0.0 RQ0.0, 1 RQ0.1, 1 TONT39, +10 Network 21 / 1S 后操作杆上升至上限位开关，切换到状态 S2.1 LDT39 SQ0.2, 1 AI0.3 SCRTS2.1 Network 22 / 状态 S2.0 的步进指令结束 SCRE Network 23 / 状态 S2.1 控制开始 LSCRS2.1 Network 24 / 操作杆停止上升，操作杆右移至大球右限位开关，切换到汇合状 态 S0.3 LDSM0.0 LPS RQ0.2, 1 ANI0.5 SQ0.3, 1 LPP AI0.5 SCRTS0.3 Network 25 / 状态 S2.1 的步进指令结束 SCRE Network 26 / 汇合状态 S0.3 控制开始 LSCRS0.3 南通职业大学毕业设计 （论文） - 38 - Network 27 / 停止右移，操作杆下降至下限位开关，切换到状态 S0.4 LDSM0.0 RQ0.3, 1 SQ0.0, 1 AI0.2 SCRTS0.4 Network 28 / 状态 S0.3 的步进指令结束 SCRE Network 29 / 状态 S0.4 控制开始 LSCRS0.4 Network 30 / 操作杆停止下降，释放大小球，释放时间定时 1S LDSM0.0 RQ0.0, 1 RQ0.1, 1 TONT40, +10 Network 31 / 释放完毕，切换到状态 S0.5 LDT40 SCRTS0.5 Network 32 / 状态 S0.4 的步进指令结束 SCRE Network 33 / 状态 S0.5 控制开始 LSCRS0.5 Network 34 / 操作杆上升到上限位开关，切换到状态 S0.6 LDSM0.0 SQ0.2, 1 AI0.3 SCRTS0.6 Network 35 / 状态