基于PLC的矿井提升机控制系统(完整资料)

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摘要基于PLC的矿井提升机控制系统(完整资料）(可以直接使用，可编辑优秀版资料，欢迎下载）矿井被称作地下矿井系统的咽喉,是井下与地面最重要的通道.矿井提升机承担着矿井与井下人员、矿料、设备等物资运输的重任，是整个矿井系统中的核心部分，矿井提升机的安全可靠运行至关重要.所以设计一套安全可靠的矿井提升机控制系统具有极大的意义。PLC出现后以其显著优点迅速成为工业生产控制系统的主流发展方向,其可靠性高，抗干扰能力强；编程简单，使用方便；控制程序可变,具有很好的柔性功能完善；扩充方便,组合灵活，极大减少控制系统设计及施工工作量；体积小,重量轻；非常适用“机电一体化”设备.基于PLC设计矿井提升机控制系统，极大满足对大型机械控制安全与可靠性的要求，且节能环保,便于操作与维护。关键词：矿井提升机;PLC；控制系统.AbｓｔｒaｃtThemineiｓcａlleｄthetｈroatｏftheunｄｅrｇｒounｄmine,whichisｔｈemostiｍｐｏrtanｔcｈannelｏfｔｈeunｄergroundmiｎe.Ｔheminehoｉsｔbearsthｅｈｅavyreｓpｏnsiｂｉｌiｔｙｏfthemineaｎdtｈeｕnｄerｇrｏundperｓoｎnel，theｏｒemａteriａl,ｅqｕipmeｎtaｎdsｏon.Itisthecoreｐartofthｅｅntｉremiｎesｙｓtem,anｄtｈesafeandｒeliabｌeoperatｉonofｔhｅmineｈｏiｓtisｖeryiｍporｔant.Thereｆｏre，iｔiｓofgｒｅatsｉgｎificancetodeｓignａｓafeandｒelｉablecontrolsystemofmineｈｏiｓt．PLCａppearswitｈitsremａrkａbleａｄvanｔaｇesｑuicklｙｂｅcoｍｅinduｓtrialproduｃｔiｏnｃonｔｒoｌsｙsteｍofthｅmａｉｎstｒeamofthｅdevelopmeｎtｄireｃｔiｏnof，ｔhehiｇｈｒeliabｉlity，strｏｎｇantｉ-interferenceaｂｉlitｙ;ｐｒｏgrammｉngisｓｉmpｌｅ，easyｔousｅ；variabｌecontrolｐrocedurｅs,withｐｅｒfectgoｏdfｌexiｂlefｕnｃｔｉon;tofａｃiliｔａtｅtheeｘｐansｉon，fｌexｉｂlecoｍbinaｔion,greａtlｙredｕｃｉngｔｈecontｒolｓｙstｅｍdesｉｇnandｃｏnstrucｔionwｏrk；hasｔhｅaｄvaｎtａgesofsmａllvolｕmｅ,lightweight；veryapｐｌicableeleｃtroｍechanicaｌintegratｉoｎeｑuipｍent．DeｓｉgnofminehｏistcontrolsystembaｓedoｎPＬＣ，whicｈｇｒeａtlymｅｅtstｈereｑｕiremｅnｔsｏfsaｆetｙaｎdrｅliabilｉtyoflargeｍｅｃhanｉcａlｃｏntrol，andeｎergyｓaｖinganｄｅnvｉronmentalpｒotection,ｅaｓytoｏpeｒatｅａｎdmaｉｎtａiｎ。Kｅywords:minehｏisｔ;PLＣ；cｏntｒｏlsysｔem。目录中文摘要.。．。。。．．。.。。。．．。。。.．．。.。..．．。．。.．。．。。.。。。..。.。．.。.．．。.Ⅲ英文摘要．..．。。。．.。.．.。...．..．。.。.．.．。..。。．.。.．...．..。．。．.。．．。．．．.。Ⅲ目录..。。.。．。．．。.。.。。。．．.。.。．。.。.。．。．．．.．.。...．。.。.。。。.。。。．．。.。.。．。.Ⅴ1绪论.．.．．．．...．.。。.。．.。．．.．.．．。.．。.．。。.．。。。。．。.。..。。.．。。.．。.11.１课题研究的背景。．.。.．.。..。。。.．．。。.．。。...．．。．。.．．..。。..．。.。．.21.２提升机国内外发展现状。。.．。.．.。.．。.。。..。..。.．。．.．。。。。.。．.。。.。.．.．2１。3课题主要研究内容。。．．.．。.。。．。。。...．.。。．．。．...。..。.。．。。。.．。。。32矿井提升机概述2.1矿井提升机的简介。.。.。。。.。．。.。.。..．.。。．..．。。。．...．．．...３2.1.１矿井提升机的分类。。.．。.．。..。．．.。．。。。。．．．..．。。。。.。.。.．。．。。４2。1.2矿井提升机的主要组成部分及工作原理。..。．．。。..。.．．.．.。。.。．。。.。６2.2矿井提升机的运行。。...。.．。．。。.。。..。．.。.。.。．.。．。。.。。.．．。。..。。72。３提升机故障及保护.．．。..。...．.。..．。.．。。。。。．．．...．．。。．．。。.。。．。。．。．8３矿井提升机控制系统的设计3。1矿井提升机控制要求.．.。．．．．。．.。...。。．．．。．.．。．．.．..。...．.。．．..．.．9３。２硬件的选择及其电气连接。。。.。。。。。。．。.。..．。．．.。.。。。。..．。。.。..103。３控制系统的参数推导及设置..．..。。...。。．．.。。。。。。。.。。．..．．.．.。。.。.1４３.3。1提升过程参数推导．..。。...。。.。..．。...。．..。。。.．．．。。.。。.。..．.。。。１４3．３.2变频器参数设置.．。．。.．。..．。。。。.．。.。...．．..。。。.．．.。．.。．。.。。...173.4控制系统的软件设计.．．。.．．．．。．..。。..．。。。.。．。。。。。。。。．。..。．。。.．..1８４矿井提升机的保护设计4．１安全报警与监控板的设计。．。.。.．．..。.。.．。。。。.。。．.。．．194。2抗干扰措施.．..。。.。。。.．..。。．.．.。．。。。.。。。．...。...。。..。。.。．．．20５总结。．.。.。.．．。...．.。．。..．。。.．．.。.．。。...。.．。。．。.。。．．。。.．。。.．．。。。.216参考文献...．．．．.。.。．.．．。。。。。。.．...．..．．．。。..。．.．。。．。．.。。．。。。．．..。2２7致谢.。.。.。...。。。。..。。..．..。。。。。..。。。．。。.。。。。．。。。。。．．．．。。２48附录..。。.．..。。.．．。。．.。..．..。.。.。..。.．。.。．。..。。.。．.．．．.。.。..．..。..２5控制流程图.。．。..。．..．.．。．.。。..。。．．．。．.。．..．．．。.。。．。25MＭ440说明书（部分).．。。.．。。。.．.。．...．．。..．.。．。..。..。.．。．。。。。．．．.2６软件设计指令表。。。．。．．...。.。。.．.。.。。．.．。..．．。.。。．.．。。。．．．。．.。26程序梯形图.。。．.。.。．．.．．。。。。.。。.。。。.。．。。.。.。。.。...。..。.。。。．。。.．..30仿真结果图。。..。．。.。。。..。．.．。。。。。...．。..。..。.．.。。.。．。。．。．。．...．．.３31绪论采矿业是国民经济的重要组成部分，采矿业的健康发展对社会主义建设具有重大的意义。我国幅员辽阔，矿产资源丰富,但是开采难度大，露天矿山屈指可数,众多的矿产资源都埋在深土里.我国的采矿大都是地下做业,对矿井提升机这种矿山的核心设备需求极大。美国通用汽车制造公司(ＧM）最先于1９68年提出研制一种新的控制器,并且在用户角度给出了设计要求。第二年美国数字设备公司（DEC）研制出了第一台可编程控制器(ProgramｍaｂleＬogｉcContｒoller)PDP-14，用于通用汽车生产线。随后日本西欧等国也引进ＰLＣ制造技术，反展自己的PLC技术。随着计算机技术与PLC技术的融合,PLC的功能得到了巨大的飞跃,其超高的运算速度，可靠的抗干扰设计能力，数字模拟量处理功能,强大的PIＤ功能，极小的体积，极高的性价比,让它在众多工业化国家中得到大量使用。通过对PLC的大量实践应用国外的ＰLC厂家积累了大量的开发设计经验,凭借技术优势,发达国家生产PLC的公司在ＰLＣ的全球份额占到了８0％，几家大型PＬC制造公司主导了全球的PLＣ行业,这几家公司是德国的西门子(ＳＩＥMＥNS）公司、AＥG公司、法国的TE公司。日本的三菱、欧姆龙、松下、富士，韩国的三星（SAMＳUＮＧ）、LＧ.PＬC技术是现代控制技术的主流技术，代表了高度发达的自动化，智能化水平,PLC技术在工业生产中的蓬勃发展，得益于其优良的可靠性，抗干扰能力;简单的编程要求，方便的使用方法；可变的控制程序，良好的柔性且功能完善；扩充方便，组合灵活，极大减少控制系统设计及施工工作量；体积小,重量轻。发展PLC理论,应用PＬＣ控制,能极大的解放生产力，极大的缓解中国“老龄化”所带来的生产力不足和国家产业转型的政策要求。采矿业中的地下做业是及其危险的，矿井下环境复杂，塌方沁水等问题层出不穷,矿石采掘及其繁重。作为矿山生产中的核心设备—矿井提升机，它的安全可靠运行就几乎决定了整个矿井的安全。我国对于矿井提升机的研发较晚,一直以来,国有大型厂矿都使用国外设备，这即推高了企业的运行成本，也不方便维护，若发生意外事故,还拖延救援的黄金时间。所以，将PＬC技术应用于矿井提升机的研发中来，具有极大的经济价值,科研价值和社会价值.1.1课题研究的背景矿井是矿山的咽喉，是井下与地面沟通最重要的通道;矿井提升机是矿井工作系统中的核心部分,承担着矿料、设备、人员的进出,矿井提升机的安全可靠至关重要.传统矿井提升机控制系统，需要数量众多的继电器设备,布线复杂，体积庞大，耗能多,启动，停车，制动，逻辑控制等方面难尽人意。工作过程中整车下行，体积大,重量高，维护困难，产生大量的热,有电火花，给安全生产带来巨大隐患。采矿业作为现代工业的重要组成部分，伴随着控制技术的进步，由人工控制,半自动控制，逐步向自动化,智能化发展。PLC代表了现代工业控制的先进水平,相对于传统控制,其可靠性高，抗干扰能力强；编程简单，使用方便；控制程序可变,具有很好的柔性功能完善；扩充方便,组合灵活,极大减少控制系统设计及施工工作量;体积小，重量轻，是“机电一体化”的理想设备。基于PLC设计的矿井提升机控制系统,能极大改善提升机的控制，提升整个矿井生产的安全性,可靠性与自动化水平，符合社会生产力反展与国家的产业技术升级政策。1．2提升机国内外发展现状工业革命刺激了对矿料的需求,第一次工业革命时国外就开始研制矿井提升机控制系统,20世纪60年代国外开始研制矿井提升机监控系统，长时间的技术积累使国外在提升机状态监控方面水平较高。特别是对闸控和速度监控等一些重要保护环节，设计更加合理，有些环节设置双重保护，如过速保护,过卷保护等。这些监控保护措施，对提升机的运行安全都是可靠的保证，如瑞典ＡBB公司的矿井提升机速度保护功能齐全，系统可靠,能实现全自动开车；德国西门子公司全数字式提升机实现了数字驱动,具有紧急制动时恒减速，提升钢丝绳张力动态监视，提升系统及设备动态显示和故障自诊断功能。国内有关提升机控制系统的研究起步较晚，相对于国外设备性价比不高。国内大型矿井一般引进国外提升机设备，但是国外企业实行严格的技术保密措施,其核心技术（如程序等)无法掌握，在使用、维修和零部件的供应上都受到限制，且价格昂贵,推高了矿井的生产成本,中小矿井更是难以承担,只好使用质量较差的设备，给安全生产带来隐患。改革开放后国内积极开展了提升机的研制工作，取得了长足进步，但是与国外同类产品比较，还是存在着巨大差距。以交流电控系统主要以TＫＤ交流拖动为代表,主令操作及故障监控仍采用传统的继电器控制线路,每台提升机需要数百个甚至上千个触点的继电器，系统可靠性差,故障率高，且不易维修，数目众多的控制线要和各种动力电缆通过狭小的井筒空间并行下井,安全性差，电磁干扰大。随着技术进步，当代的矿井提升机控制走向自动化,小型化,节能化。以ＰLC为代表的控制理论技术是矿井提升机控制未来的发展方向。1。3课题主要研究内容本文阐述部分阐述现代主流矿井提升机的主要机型,运行、保护方式，控制系统主要性能指标.设计部分基于PLC设计出一套满足实际生产的矿井提升机控制系统。包括硬件选择,参数推导,PLＣ外部接线示意图,控制流程图，主电路图，I/O分配表,控制版面,安全保护。２矿井提升机概述2．１矿井提升机的简介矿井提升机又称“提升绞车”，是一种大型提升机械电气设备.主要用于地下采矿作业，通过电机带动钢丝绳连接的容器在井筒中升降，完成输送任务.现代矿井提升机的控制由继电器控制，分离元件控制，模拟电路控制到微电子(PC，PLC）的全自动化控制，不过，出于安全考虑，提升机的自动化控制还是相对的，需要人工监测，设计中都会给人工控制留出较高的控制等级.目前使用较广泛的型号有：JTP型、JK型、ＪTK型。２。1.1矿井提升机的分类矿井提升机以电机驱动方式分类有交流式与直流式。交流电机结构简单,组合紧凑,质量坚固，价格便宜,容量大,维护简单，可直接三相电源使用，使用场合广,长时间应用于井下采矿作业等复杂环境场合;但是,交流电机调速性能差,在矿井内调速停车一般是机械硬停，对机械零部件照成冲击，降低了其使用寿命，且冲击过程容易出现火花，增加了安全隐患。2０世纪70年代，得益于大功率可控硅与电子控制技术发展,直流电机凭借其良好的调速性能,优良的启动停车，大范围的平滑调速能力，主导了一段时间大中型矿的提升机种类。随着电力电子器件,交流控制理论,PC、ＰLC控制技术的发展，对于交流电机获得了同直流电机一样的调速性能，尤其是大功率的电机,交流电机有明显优势。当前国内井下采矿系统中，提升机大多采用交流绕线式异步电动机转子串电阻的调速方案。矿井提升机按钢缆绕行分为两类:缠绕式与摩擦式.两种方式均可用于主副井,提拉阡石、设备、矿料、人员等，布线简单，操作效果好,机械冲击小,最大的节省材料。下井方式可垂直也可斜入，均能有效利用地形,较好的满足采矿作业需求，国内年产120万吨以下，井深小于400米的矿井大多用缠绕式。摩擦式提升机分作单绳摩擦式和多绳摩擦式,后者摩擦轮和钢丝都较小，故机组尺寸小，制造简单，速度高。多用于年产120万吨以上，井深2１00米以下的竖井。经过多年的实际生产经验积累，目前国际上的大中型矿井都使用这两中提升模式,还有其它特殊环境的提升方式，本文就不多做介绍。单绳摩擦塔式摩擦式多绳摩擦落地式矿井提升机可分离式单卷筒单绳缠绕式缠绕式单卷筒多绳缠绕式（布雷尔／Blaiｒ式)114325图２.1.1单绳缠绕式提升机原理示意图卷筒；2;钢丝绳；3、天轮;4、容器；５、平衡轮单绳缠绕式提升机布线简单，所用钢绳少，大量减轻其质量与体积，节约钢材,由于质量小,工作过程中对电机的额外负载较少,反应迅速,不易出现卷筒打滑现象。不过同样的,由于钢绳少，在电机急停过程中，钢绳出现断裂可能性增大。现代材料几岁的发展有效的解决了这个问题,应用新的复合材料，钢绳的强度得到极大的提升。4321513454321513452图2.1.2多绳摩擦式提升机机原理示意１、卷筒；２；钢丝绳；3、天轮；４、容器；5、平衡绳2.1．2矿井提升机的主要组成部分及工作矿井提升机主要由六部分组成，分别为工作机构：包括主轴装置和离合器;制动系统:包括制动闸和传动装置；机械传动系统：包括减速器和连轴器；润滑系统：包括油泵和油管;观测和操作系统：包括操作台、深度指示器与测速装置；拖动、控制和安全保护系统：包括主动机、拖动装置、电气控制系统和安全保护系统。图２。１.3矿井提升机组成示意图2。2矿井提升机的运行矿井提升机的运行分为启动、匀加速、匀速、匀减速、停车几个阶段,每个阶段对速度要求不相同,且为提升提升机的工作效率，加速度要尽可能大，为减小机械冲击，增加提升机使用寿命，启动、停车、变速过程要平顺。矿井提升机在理论速度要求与实际工作中不完全相同,理论中速度要求是到点变化,在实际生产中呈“S”曲线变化，平顺的速度改变能减少机械冲击，同时减少对回路的电变化干扰，原来使用继电器做控制时,一般串多级电阻，以实现对电机的平滑调速，现代工业生产中对三相交流电机实现平滑调一般是用变频器。通过变频器进行平滑调速,以达到生产工艺的要求。通常情况下,生产过程中电机输出功率一定时，当速度达到最大值，运转速度一定，扭力最小。利用电机的这个功能,有时可以不用特意调节速度，让其直接运行即可.2。1提升机运行情况示意图图2。2.2五阶段速度示意图根据国内众多矿井实地生产经验,得到矿井提升机在一个提升循环里的运动规律:1）加速阶段容器离开井底后经过ｔ1时间段，以加速度a1运行至最大速度。对于提升机，加速度一般不大于。2)匀速阶段容器以最大速度运行t2完时间段，直至接近井口。3)减速阶段容器接近井口后以加速度a3运行完t３时间段,实现减速至爬行速度,对于提升机加速度a3一般不大于.４）爬行阶段容器以爬行速度匀速行驶完t４时间段,以便准确停车。５)预备停车阶段容器在t5时间段内速度由至0,施闸停车。２．3提升机故障及保护矿井提升机工作环境复杂，高温、潮湿、重粉尘等多重因素影响着提升机的正常运行提升机工作过程中不可避免各种故障，大致分为三类。第一类是造成矿井提升机紧急停车的故障，此事故是最严重的故障，故障原因有主回路过压；主回路过流；卷筒两端过卷;提升机错向运行；主电动机失去励磁；终端超速运行；制动系统液压站电动机故障；运行过程中各水平稳定器动作等。第二类是造成提升机事故停车的故障，故障原因有提升机制动轮变形;尾绳故障；紧急停车后未调零;操作限位开关失灵；开车时安全门打开；提升机调零电机故障;终端之间超速等。第三类是造成提升机信号预报的故障，故障原因有直流操作电流接地;主电机轴承过热；制动闸瓦磨损;润滑油压异常;提升机通风故障等。为保障矿井从业人员的生命安全，保护整个矿井系统的设备使用，保证完成安全生产的要求，矿井提升机的故障提示，系统保护设计必不可少。开机后,系统预先进行自检后运行，当矿井提升机发生故障时，系统能够迅速识别故障类型，做出反应，反馈故障部位，以便及时维修。同时应该加载外部保护电路。3矿井提升机控制系统的设计3．1矿井提升机控制要求矿井提升机是矿井生产设备的核心，关乎人员安全和高效生产。矿井内部情况复杂，矿井提升机在工作时要克服矿井内部高温、潮湿、高粉尘等复杂的外界环境,还需要处理高低压、电流过载、电热效应、闸瓦磨损、液压不足等自身设备问题。所以,矿井提升机的控制要求极高,其控制需要有极高的可靠性，矿井提升机的监测要有及时准确，故障处理要迅速精确。用PＬC设计矿井提升机控制系统，需要处理众多的模拟信号，传感器选择很重要，所以需要质量好的传感器.同时,矿井是非常特殊的生产场合，除了系统设计上通过计算设定参数值意外，还需要通过安装的电气设备来监测矿井提升机的实时运行情况.当两者完全都失灵时，还需要有应急保护措施,以保护整个矿井的人员财产安全。当发生不可控的灾害，如地震、塌方、战争等破坏时，整个矿井系统要完全关断电源,避免矿井提升机系统对人员进行二次伤害.通过对矿井提升机尽可能完善的设计，保护整个矿区生产的安全，同时带来良好的社会效应，减少采矿人员的恐慌心理，避免因恐慌而造成的人为操作失误，降低采矿生产行业的事故发生率。图3。１控制系统示意图控制过程如下：开机启动，系统自检，自检无故障选择是否开车，开车后进行自动控制,ＰLC控制变频器调节电动机速度，通过其带动滚筒按照五阶段速度示意图旋转，完成循环。２)开车后自动控制过程中,实时显示运行参数,监测是否出现故障,出现故障迅速判断故障等级,做出紧急停车或者声音灯光警报，显示故障区域。3）出现紧急停车故障后,系统自动跳转到手动操作，进行点动控制。４)运行过程中,出现超速、过卷、松绳等轻故障，系统进行安全回路动作，自动调整运行状态。5)井口下行与井底上行前检测是否过载,若过载预先进行警报。3。２硬件的选择及其电气连接PLC控制是当代主流的工业控制技术，逻辑控制、顺序控制、计数、定时、数据运算、多点通信功能强，能自诊断、中断控制、加载模块，适合复杂的控制设计,模块结构简化了控制系统设计,方便维护,可靠性高。本次设计使用Siｅmｅns（西门子）公司ＰLC的S7-20０-ＣPU226,其共有２4点输入，１6点输出，内置时钟，有７个扩展模块，高速计数器功能强大,工作环境要求较低，系统配置方便，内置存储器，体积小,价格低廉,适用于众多特殊工作场合，能满足本次设计的要求。下面是Ｓ7-2０0的内部基本结构.图３.２.１S7－2００基本结构图三相异步电动机转子的转速相对于旋转磁场的转速低，转子绕组与磁场间存在着相对运动，从而产生感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩,通过电磁感应现象实现能量变换。与单相异步电动机相比,三相异步电动机运行性能好,并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。现代以变频技术为主的新技术的发展使交流电机拥有了良好的调速性能，克服了传统三相交流启动转矩不大,启动电流大，能量转换率低等问题，为得到良好的调速性能和控制效果，本次设计电机采用三相异步电机。使用YR—800－１２／12３0绕线型异步电机。传感器使用温度、压力、电压和电流传感器。为了有效的监控提升容器的位置，二次监测采用磁接近开关,形成对提升容器的双效监控。为能完成控制要求，发挥外接电气设备的最大功能,需要充分考虑PＬＣ的输入输出点分配，外接模块信号的处理,充分发掘PＬC的运算能力。根据S7-200的输入输出点分配位置,得到其的Ｉ／O分配表。并由此的到PＬC电气连接示意图.表一控制系统I/O分配表S7-2００PＬＣI/O分配表输入输出I0。0启动Ｑ０．0变频器通电I0。1停止Ｑ0。１变频上升I0。2变频Q０。2变频下降I0．3工频Q0。3工频上升I0。４上升Q０.4工频下降Ｉ0．5下降Ｑ０。5系统复位IO．6紧急停车Ｑ0.6变频器故障报警Ｉ0。7系统复位Ｑ0。7变频器停止I1。０自动Ｑ1。0紧急停车Ｉ１．1点动Q1。1速度1I1.２旋转编码器Q１。２速度２I1.３过载Ｑ1.3速度3I1。４松绳Q1。4轻事故Ｉ１。5过卷Q1.5重事故I1．6过流Q１.6降温设备Ｉ1。7过压Q１.7液压泵I2.0超速I2。１液温过高I２。2电机温度过高I2。3液压过低I2。４液压过高I2．５闸瓦过热I2。６运行方向错误I2。7液压泵故障图3．2。2ＰＬC外部连接示意图ＰLC的电气连接应能完成指定任务,同时要节约电气设备，即自动化程度要高,节约输入触点与输出触点.在设计途中,考虑触点的使用频率，尽量提高其使用寿命，通常是能自动控制最好自动控制，将控制过程交由内部处理。通过内部处理，充分发挥PＬC的快速运算的功能，同时考虑长时间运行产生的高温对CＰU性能影响，需要有降温措施。PLC外部接线图如。旋转编码器采用Omron（欧姆龙)公司生产的E6C2—CWZ６CＺ，将其置于滚筒主轴上，信号进入PLＣ对比计算后得到相应控制.计数器通过累计正转和反转的脉冲个数,通过计算可得到提升容器的确切位置。图3。2。3旋转编码器与ＰLＣ连接图变频器采用西门子公司生产的MＭ440，其能将输入工频电能转换成变频可控电能，以实现对交流电机转速的控制。变频器容量一般取电动机容量的1.4倍。其外部加设声光报警回路和制动回路,以保护变频器和维护生产安全。接线图如下。图3.2．4变频器接线示意图电气接线应在达到控制要求前提下，尽量减少继电器数量,避免过多继电器工作而产生大量的热量影响系统的正常运行，同时节约能源，节省材料，减小系统体积，方便系统设备的维护。主电路图如下.图３.2．5主电路示意图３。３控制系统的参数推导及设置为符合实际的生产要求,此次设计参数以《煤矿安全规程》垂直井标准为依据。则升降人员主加减加速度不得超过，最大速度低于，升降物料时,主加减加速度不得超过.最大速度不得超过，则过卷行程不得大于。且根据国内一般常设速度,检修运行速度,应急运行速度。3.3。1提升过程参数推导本次设计行程给定时间和速度.设定矿井提升机的有效行程为，主加速度a１=a３=,最大速度，爬升速度,井口加速度。则根据运动学公式(公式3—1)（公式3—2）可得主加速时间ｔ1＝t1通过距离s１＝第一次减速时间ｔ３=t3通过距离s３=爬升结束至停止时间ｔ5=同理,ｔ5通过距离s5=择根据通过以上计上计算数据，经理论推出矿井提升机在井下匀速通过的距离为s2+S４=为了提高工作效率,兼顾生产安全，以运行s2＝,以运行s4=则可得t２=，t4=。一个提升周期时间t=图３。３。1行程参数示意图取卷筒直径为，卷筒由周长公式(公式３-3)得L=则一个提升周期卷筒旋转次数N=我们通过卷筒转一周旋转编码器发出脉冲２000个，则可以算出一个提升周期脉为个，该系统平均每米脉冲。YR-800－6/１２３0绕线型异步电机参数如下:额定功率额定电压额定转速机械效率过载系数由三相异步电机转速公式(公式３－３）推出频率公式（公式3-4)n为电机转速,单位f为电机频率，单位p为电机磁极对数,以上述电机为参考，s为电机转差率，以上述电机为参考,由频率公式（３—４）推得由线速度与转速换算公式（公式3—5）得卷筒以速度运行时转速卷筒以速度运行时转速设电机与卷筒的减速比为16:１.则电机相对应转速由公式(3-4)得最高运行速度电机频率爬升运行速度电机频率3．3.2变频器参数设置根据MM440说明书（详见附录）与上述参数可得变频器参数设置表,参数设置前先复位为工厂缺省设定值；电机参数设定快速调试P０010=1,设置完成后准备P0０10;P0003＝2允许访问扩展参数。表二变频器参数设置数字量输入参数功能P0003=１允许访问使用最多参数P001０=1快速调速P０100=0频率缺省值50ＨZP0300=１选择电动机为异步电机P0304=38０Ｖ电动机额定电压P03０5＝292A电动机额定电流P0307=22ＫW电动机额定功率P03０8＝0。95电动机额定功率因数P03１０=50电动机额定频率P06０１=1电动机温度传感器P07０1=１ON/OFF正向运行P0702＝1OＮ/OＦF反向运行P0970=1复位Ｐ10０2=5速度2频率P１005＝20速度3频率Ｐ1０1１=5０速度１频率P１120=7２．7正转时间P1121=７2。7反转时间P１０58=３0正向点动频率P1０59=20反向点动频率3.4控制系统的软件设计软件设计梯形图详见附录。4矿井提升机的保护设计4。１安全报警与监控板的设计矿井提升机在工作过程中难免出现故障，安全回路一般在停车故障发生时工作,用以保护矿井提升记得安全，避免造成更大的事故。一般采用电气设计。此时矿井提升机需要报警回路的及时响应，使之防患于未然,并指示出故障等级与故障位置，为工作人员做决策做依据。。图4。1安全报警回路示意图同时，为了较准确的定位容器位置,需要设计一个电气的电路,用于监测容器位置.使用磁性接近开关TCＫ-1T。在容器上安装一个永磁体,当其接近磁性开关时，磁性开关闭合,连接该开关的指示灯亮，两秒后其自动复位。用这种方法辅助观察，帮助操作员做出合理判断,以便操作.由于矿井提升机的安全要求较高，磁接近开关在接近井口与井底的两个开关还需要连接声光提升。通过声光提醒,警示提升容器旁的工作人员回避，以免发生事故。同时,由于井下布线复杂，有时电回路产生强磁现象，提升容器自身磁化都会干扰磁接近接近开关的正常工作。为了避免出现这种状况。对磁接近开关的的抗干扰保护要做好，避免发生磁扰动等电磁干扰现象。图4.2磁性接近开关示意图为方便监控提升机的运行状态,需要一个便于操控的面板.监控面板示意图如下.图4．3控制面板示意图4.2抗干扰措施矿井生产场合干扰量大，对系统正常运行影响极大,所以抗干扰措施是必不可少的.一般抗干扰的主要措施有：1）保持良好的通风环境，尽量不要将PLC柜安装在潮湿、多尘、有腐蚀性气体、热源、油烟重或强电磁的环境中.2)对数字与模拟信号，必须分开电缆传输.模拟量信号采用双芯屏蔽线作为信号线,并尽量缩短其长度。３）合理布线.电力电缆、输入输出电缆、信号回路汇接线均要分开铺设，不能合成一捆包扎，且信号电缆线接线端子都需要安装在柜体下侧.4)采集数据最好用屏蔽电缆，为扩大屏蔽作用且抑制芯线间干扰,所有屏蔽电缆层汇线接地,多芯电缆中的备用芯线也需一端接地.５总结本次基于PＬC对矿井提升机系统的设计，我通过指导老师的细心指导，自己学习PＬC的硬件工作原理与语言编程教程，上网查阅资料，加上同学之间的探讨，基本完成了此次设计任务的要求。了解了矿井提升机在矿井生产中的重要作用，深刻感受到未来PＬC在自动化领域中的重要作用.此次设计我独立完成了控制流程,ＰLC输入输出点的分配,PLC外部电器接线，ＰLＣ控制程序的编程,操作界面的设计,保护电路设计,变频器理论调试.不过由于自己的知识储备不够充分，设计经验过少,动手能力差，该次设计在实际生产还有一些欠缺.但基本功能够完成基本的生产任务的要求。此次设计作为我大学最重要的一次设计，即兴奋，有伤感。兴奋的是大学四年所学的专业知识第一次能用在重要的场合;伤感的是之前浪费了许多时间，没有好好钻研ＰLC知识,以至于很多要点不能好好把握。通过这次设计,我感触良多,重压之下犯了许多低等错误,本来以为自己承压能力很强，看来还很欠佳，今后要更加努力,完善自己的性格,增强自己的能力，才能回馈社会，做一个有用新时代的大学毕业生。本次设计经历了很多困难，难点在于提升机速度的控制与故障保护的及时处理。通过与传统继电器控制比较,在理解PLC的编程语言与模块功能后,采用变频器与外接模块，比较理想的解决了这一问题。同时,切身感受PLC在自动控制领域中的广阔未来，其智能化,自动化水平相对于传统继电器控制,高了好多个层级,给予我在科技快速反展的今天，不与时俱进就要被社会所淘汰的警示.毕业设计让我检验自己是否有所进步，审视自己还有那些不足,给我未来的方向有所指引。设计中解决问题的过程中让我受益良多，硬件的搭载让我复习了一遍控制理论与继电保护知识，软件的设计要求我静下心来，不可浮躁.这为毕业后到工作岗位创造价值，为脱离了学校生活后融入社会，为完成社会与自我的价值积累了丰富的经验。感谢母校的细心栽培,指导老师的关心指导,同学的热心帮助，今后的时间我会到以后的时间里加倍努力做有意义的事，做有意义的人.６参考文献［1]程丽，郭健．PLC控制系统编程与实现（第三版)［M］.北京：中国铁道出版社，2010[2]廖常初.可编程序控制器应用技术（第四版)［M]。重庆：重庆大学出版社,200２［3］俞国亮。PLC原理及应用[Ｍ]。北京：清华大学出版社,2005［4］闫纲．可编程控制器原理及应用［M].北京：北京理工大学出版社，2012［5］张运刚,宋小春,郭武强.从入门到精通—西门子S７300/400PLＣ技术与应用[M]。北京：人民邮电出版社，2０07。[６]廖常初。S7-３０0/４０0应用技术[M]．北京：机械工业出版社，200５.[7］索楠,马春燕，李永刚。基于ＰＬC的矿井提升控制系统设计［Ｊ]．机械工程与自动化，２０12（６)：140。［８]裴志强.基于ＰＬC的矿井提升机变频调速系统设计［Ｊ］.自动化应用，2014(5):4９-6０。［9]朱志勇．基于PLC的矿井提升机控制系统[Ｊ]。自动化应用，２014（6):32—41．[10］罗宇航。流行PLＣ实用程序及设计［M］.西安:西安电子科技大学出版社，20０6［1１]许振.交流电动机变频调速技术的发展［J].微特电机，2005,(４)：３９－43.[12]何晓群．矿井提升机调速和控制系统的发展［Ｊ].工矿自动化,200９，35(７)：22－25。［13]邓小盾．基于西门子变频PＬＣ的矿井提升机控制系统［J]．煤炭技术,20１２,(１0)：34—3５．［14]原艳红．基于PLＣ的矿井提升控制系统设计[J］。煤矿机械,20１４，35（11）:258-25９．［15］邓利红.基于变频器与PLC的载货节能环保电梯设计[Ｊ］．煤炭技术，2012，(1）:5７-59．[1６］谭国俊，罗金盛，陶永正，等。基于S７—３00PLＣ的提升机变频调速系统设计[Ｊ］．电气传动，2007,37（3）:53—57．[1７]何凤有，马志勋,现代交流提升机拖动系统比较［J]．工矿自动化，2009，３5（10):８0-８3.［18］宋爽,陈军霞.基于西门子变频ＰLC的矿井提升机控制系统［J］.煤矿机械,２0０８,29（6）：13１－13４．［19］聂国伦,白生威．基于PLC技术的矿井提升机位置与速度控制系统设计［Ｊ]．煤矿机械,2011,32（4）：１５7-160。［２０]田玉丽，郭宗跃．ＰＬＣ在矿井提升信号系统中的应用[J]．内江科技，２008，(８）：108—10９［２１］王玉中,郝文玲．ＰLＣ技术在提升机交流电控改造中的应用［J］,矿山机械，20０6，３4（６）：80-84.［22］牟曙光，杨文志.浅谈PLC控制器在矿井提升机上的应用［J］.有色金属，20０8，２４(2)：４９－51.［23］刘雨刚,刘兰兰，付贵祥，等。PＬC在矿用提升机控制系统中的应用［J］。煤炭工程，2007（7）：5７－５9．［24］和颖歌.基于PＬC的满盘提升机控制系统[J］。制造自动化，２０06，28（9)：5３-54．[2５]谭波.变频调速矿井提升机闭环控制系统的研究与应用[D］.长沙：中南大学，2０0６。［２6]乔磊明。矿井交流提升机电控系统研究［D]。阜新:辽宁工程技术大学,200７［2７］李伟．矿井提升机控制系统设计［D].太原理工大学,２010,21(9）:2３－25．7致谢感谢华东交通大学理工学院电信分院在这四年间的细心栽培,给了我能做好这次毕业设计的机会。感谢我的指导老师赵老师这段时间不辞劳苦的指导,老师认真细致的讲解总能让我醍醐灌顶,老师严谨的教学态度,端正严苛的学术要求让我们得到了极大的锻炼,更让我们钦佩。感谢我的同学们积极的探讨交流，让我认识自己的不足,激发我向前的动力.最后，感谢我所引用材料的先驱们,正是你们的肩膀，帮助我看到了一个更广阔的世界。大学的四年时光里，我经历了许多困难事，这使我成长，也收获了许多感动,让我明白在这世界里,不是只能我独自艰难前行.漫漫长路在远方，我有好友伴同行.四年的时间里我接到了许多人的帮助,每每想到在困苦之时他们的友爱之手,内心倍感温暖.大学生涯即将结束，满含不舍与内疚,不舍青春时光指间溜走,不舍老师的敦敦教导，不舍学校的错落美景，更不舍一群志同道合的同学。内疚青春以远，自己无所建树；内疚心在美景，错过老师的良苦用心;内疚受人恩惠，却难以为报。在多的感激都难以表达对在我大学四年里经历的人的感激。在此，我仅能祝福大学里的老师、同学们,阖家安康，前程似锦。（2０1１届)毕业设计(论文)基于ＭCＧＳ和PLC的机械手控制系统设计学院（部)：电气与信息工程学院专业：机电一体化技术学生姓名：刘祖光班级：机电0821学号：指导老师:郭艳杰职称：讲师最终评定成绩：2０11年6月摘要当今社会，科学技术飞速发展，人类活动给世界带来了巨大的改变。在科技进步的同时，以各种控制器控制的不同类型的机械手以其突出的性能越来越多的被人们所应用。机械手在不同的作业场合,尤其是在特殊的环境背景下，为人类活动的顺利快速进行带来了极大的方便和益处，尤为明显的是在工业及军事领域内.工业中大量的生产活动,存在着很多不便于人类操纵的环节,特别是在工作环境较危险的情况下，如果使用具有远程控制功能的机械手，则可以增加系统的安全性,大大的节约损耗,提高效率。可见,在自动化、工业化进程中，在特殊背景环境中使用机械手已成为一种必然的趋势。在本设计中介绍了国内外机械手研究现状及PLC的研究发展趋势,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，还研究了MＣGＳ在机械手控制系统中的应用。利用组态软件MCGＳ设计了机械手模型控制系统监控界面,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,MCGSAＢＳTＲACTIntoday'ssocieｔy，sｃiｅnｃeandｔｅｃhnoｌogyrapiddｅｖeloｐmeｎt，hｕmａnactivitiescrｅａｔｅworldahugｅchａnge。Iｎthemeａnwhiｌｅ，ｔｅcｈnｏlogiｃａgreｓsｉnｖariousｃontrolｌeｒsdｉffｅrenｔｔyｐｅｓｏfｍanipulatorwithitsouｔstaｎdingｐerｆｏｒmancemorｅａndｍｏreuｓedｂyｐeｏplｅ．Thehomｅwoｒkｉndiffeｒentoｃcasiｏｎｓmanipulatｏr,especｉallyinｔｈeｓpｅcｉalenviｒonｍentconｔeｘtforthehumanａctivitｙｑｕｉcklｙsmoｏthlycausedgreａｔconｖenienceandｂenｅfit，pａｒｔiｃularlyｏｂviouｓinｔｈｅｉnｄｕstrｉalandmiｌitarｙfielｄ.IndｕstriaｌlargeNuｍberｓofｐｒoductionactivｉty,ｔhereareｍａnｙｎotｉtiｓeａsyｆｏrｈumaｎstomanipulatethelｉnk，especiallyinaｂuｓiｎessenvｉｒonｍenｔisdanｇeroussitｕation，ｉfusehaｓremｏteｃｏntｒｏｌfｕｎcｔioｎsmaybｅｉncreaｓedmanipulａtｏr,ｔhｅsecurityoｆtheｓyｓtｅm，bｉgsavｅlｏss，ｉｍprｏvｅefficｉenｃy。Visible，ｉｎautｏmａtion，thｅｐrｏceｓｓofiｎdｕｓｔriaｌiｚatioｎ，inｓpeｃiaｌbaｃkｇroｕndenｖirｏnmeｎtusｉnｇｍanipulaｔorｈaｓｂecoｍeaninevitablｅtrend.。InｔhisdesigｎthｅpreｓentcｏnｄitｉonofｒｅsearcｈabｏutｄomesticａｎdinｔeｒnatioｎａｌmanipｕlatｏrａndｄeｖeｌoｐmentｔrｅndofresｅarcｈcoｎｃｅrｎｉngPLＣwereintroduced.Thｅprｉnｃｉpleofｗｏrkaｎｄtheｐrocessofａｃtion’ｓrｅaliｚatｉonｏfｍanipulａｔｏrｃontrｏlsyｓtｅmwerｅdｅscribｅｄ。ThedesｉgnofｍanｉpｕlatorｍodｅlｃonｔrolsyｓtｅmｂａsedoｎPLCwasreｓｅａrchedaｎdMＣGS’sapplicａtioｎintｈemanｉｐｕｌatｏｒmodelcoｎtｒolsｙstｅmwaｓｒeseａｒchｅd.ＴerｆacｅｏfsupeｒvｉsｉｏnforｔhemanipuｌatorｍodｅlcontrolsystemwasdesｉgnedbｙＭCＧS。Aｎｉntｕitive，ｃlｅarandacｃｕratｅmaｎｉｐｕlatｏroｐｅratingstatｅwaspｒovｉｄed。Andtｈｅnvariｏuspossibiｌiｔiesｆｏｒmａiｎtainａndｂreaｋdoｗn’ｓdｉａgｎｏｓiｓwerepｒoviｄed，tｈｅwｏrk’ｓefficiencyofsystｅｍwasfｕｌｌyeleｖatｅd．Ｋeywｏrdｓ:maｎｉpuｌatoｒ,PLＣ，MCＧS目录TOC＼o"１-3＂\ｈ\z\u第一章绪论９4870０9０＼h1ＨYPERLINK\l”_Ｔoc2９４870０91＂1。1课题背景ＰAGEＲEF_Toc2９４87０091＼h1ＨＹPＥRLＩNＫ\l＂_Ｔoｃ294870０9２＂１。2设计目的和意义PAＧＥＲEF_Tｏc２9４8７009２\h1HYPERLＩNK\l＂_Toc29４8７009３”1。3本文主要工作PAGEREＦ_Toｃ294870０93＼h2HＹPERＬIＮK\l”_Ｔoｃ２9４870094”第2章可编程序逻辑控制器(PLＣ)和机械手概述PAGＥRＥＦ_Toc2948７0094\h32.1可编程序逻辑控制器（PLC)ＰＡGEREF＿Toc294８７00９5\h32．１．1ＰＬC的结构PＡGEREF＿Ｔｏc2９48700９6\h32．１．2PLC的发展历程ＰAGＥREF_Ｔoc294870097\h4HYＰＥRLIＮＫ\l＂＿Ｔoc２9４870098＂２．１。3PLC的硬件ＰAＧEREF_Toc2９4８７0098\h52。1。4ＰＬＣ的主要特点PAGEＲEF＿Toc294870０９9\h62.1．5FX２N系列PＬC介绍PＡＧERＥF_Ｔoc29487０100\h7HYＰＥRLINＫ\l”_Toc2948701０1"２。２机械手PAGEＲEＦ_Toc29487０101\h９2。2。1机械手概述PAGERＥF＿Toｃ2９4870102＼ｈ92.２。２机械手的工作原理PAGEREF_Ｔｏc2９4８7０1０3\h９2．２。3机械手的发展趋势PAGEREF＿Ｔoｃ294870104\h10HYPERLINK\l＂＿Tｏｃ２94870105”第三章系统设计ＰAGEREF_Toc２９4870１0５\h113.1系统方案分析设计PAＧERＥF_Toc29４870１06\ｈ113。1。1控制要求PAGEREＦ＿Tｏc29487０10７\h１13。１.2方案设计ＰAGERＥＦ＿Toc2948701０8\h113.2硬件设计ＰAGEREＦ＿Toｃ２９4８70109\h13３。２。１输入/输出端子地址分配PAＧＥＲＥF＿Toc２9４870１10\h1３3.2。２PLC接线图PAGEREＦ_Toc2９4870111\ｈ1３3.3系统程序设计PAGEREF＿Ｔoc29４８70１12\h1４HＹＰERLIＮK3.3．1常用编程方法介绍PＡGEREF_Ｔｏc294８70１13\ｈ１４HYPEＲLＩNK\l＂_Ｔoc294８70114"3。3.2流程图PAGERＥF_Tｏc2948７0１14\h16３。3．3梯形图PAGEＲEF＿Toｃ２9４８7011５\h１73。3．4语句表PＡＧEREF_Toc2948７011６\h2０３。4MCGS组态软件ＰAＧＥＲEF＿Ｔoc２94870１17\ｈ2１ＨYPＥRLＩＮK４．1系统调试ＰAＧEREＦ＿Toc２94８7０123\h３５结论PAGERＥF_Toｃ２948701２4\h36参考文献PAGＥREF＿Toｃ294870125\h37HＹPERＬINK\l”＿Toｃ2９４8７01２6”致谢PAＧEＲEF＿Toc29487０126\h3８HYPＥRＬINK\l＂＿Ｔoc２9４870127＂附录1FＸ2N基本指令ＰAGＥREF_Tｏc2９４８70127＼h3９第一章绪论1。1课题背景随着计算机技术的飞速发展，PLC(即可编程逻辑编程器的简称)已经进入日常生产、生活的各个方面，PＬＣ的应用在各行各业已成为必不可少的内容。ＰLＣ作为通用的工业计算机,其功能日益强大，已经成为工业控制领域的主流控制设备。PLC从诞生至今，仅有30年的历史，但是得到了异常迅猛的发展，并与ＣＡD／ＣAM、机器人技术一起被誉为当代工业自动化的三大支柱。在现代工业中生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业化的进一步发展，自动化已经成为现代企业中的重要支柱，无人车间、无人生产流水线等等,已经随处可见。同时,现在生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等,这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。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、噪声以及带有放射和污染的场合，应用更为广泛。在我国，近几年来也有较快发展，并取得一定效果,受到机械工业和铁路部门的重视。本次课题主要是应用三菱公司FX２N系列PＬC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等；电气方面由交流电机、变频器、操作台等部件组成。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.1.2设计目的和意义科学技术的飞速发展,产品功能要求的日益增多,复杂性增加，寿命期的缩短，更新换代速度加快。然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段,则显得力不从心，跟不上时代发展的需要。目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效,而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。为此，作者在阅读了大量文献的基础上，概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采用的方法,并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的的发展趋势。自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。自主创新,就是从增强国家创新能力出发，加强原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新。重点跨越，就是坚持有所为、有所不为，选择具有一定基础和优势、关系国际民生和国家安全的关键领域，集中力量、重点突破,实现跨越式发展。支撑发展就是从现实的紧迫需求出发，着力突破重大关键、共性技术,支持经济社会的持续协调发展.引领未来，就是着眼长远，超前部署前沿技术和基础研究，创造新的市场需求,培育新兴产业,引领未来经济社会的发展。这一方针是我国半个世纪科技发展实践经验的概括总结，是面想未来，实现中华民族伟大复兴的重要抉择。科技人才是提高自主创新能力的关键所在。要把创造良好环境和条件,培养和凝聚各类科技人才特别是优秀拔尖人才，充分调动广大科技人员的积极性和创造性，作为科技工作的首要任务，努力开创人才辈出、人尽其才、才尽其用的良好局面，努力建设一支与经济社会发展和国防建设相适用的规模宏大、结构合理的高素质科技人才队伍，为我国科学技术发展提供充分的人才支撑和智力保证。１.3本文主要工作第一章：绪论介绍该课题背景，对该系统的设计目的和意义做简单介绍第二章：系统介绍可编程逻辑控制器ＭCＧS组态软件和机械手第三章：系统方案的分析设计及程序的设计第四章：系统的调试及设计总结第２章可编程序逻辑控制器(ＰLC）和机械手概述２。1可编程序逻辑控制器（ＰＬC)2。１。1PLC的结构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[9］。其结构简图如下：外设I/O接口外设I/O接口输出部件存储器EPROM微处理器运算器控制器电源输入部件I/O扩展接口I/O扩展单元受控元件输入信号外部设备图2-1PLＣ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，缺一不可的可编程序逻辑控制器（ＰrogramｍａｂｌｅLogiｃCｏntｒoｌｌeｒ）,简称PLC。它是一种以微机处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信控制技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置。（本次课题主要应用三菱FＸ2N系列ＰLC进行设计）２。1。２PLC的发展历程在可编程控制器出现前,在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位,应用广泛。但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。１968年美国通用汽车公司(G.Ｍ）为了适应汽车型号的不断更新,生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产,希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置,而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言"进行编程,使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。19６9年美国数字设备公司（DEＣ）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用,取得很好的效果.从此这项技术迅速发展起来。早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制，通常称为可编程逻辑控制器（ＰrogrａmmaｂleLoｇicContｒoｌｌｅr）。随着微电子技术和计算机技术的发展，20世纪７0年代中期微处理器技术应用到PLＣ中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。2０世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于ＰLＣ中，使PＬC得到迅速发展。PＬC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低,编程和故障检测更加灵活方便,而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能,使PＬC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器.PＬC的发展过程大致可以分为如下几个阶段：１9７0—19８０年：PＬC的结构定型阶段。在这一阶段，由于PLC刚诞生，各种类型的顺序控制器不断出现（如逻辑电路型、１位机型、通用计算机型、单板机型等）,但迅速被淘汰。最终以微处理器为核心的现有ＰLＣ结构形成，取得了市场的认可，得以迅速发展。推广。ＰLＣ的原理、结构、软件、硬件趋向统一与成熟，PLC的应用领域由最初的小范围、有选择使用、逐步向机床、生产线扩展.１980-1990年：ＰLC的普及阶段.在这一阶段,PLＣ的生产规模日益扩大,价格不断下降,PLC被迅速普及。各ＰＬC生产厂家产品的价格。品种开始系列化,并且形成了固定Ｉ／O点型、基本单元加扩展块型、模块化结构型这三种延续至今的基本结构模型。PLC的应用范围开始向顺序控制的全部领域扩展.比如三菱公司本阶段的主要产品有F。Ｆ1.Ｆ2小型PＬC系列产品,K/A系列中、大型ＰLC产品等。1990—２00０年，PLC的高性能与小型化阶段。在这一阶段,随着微电子技术的进步，PLＣ的功能日益增强，PＬC的ＣＰU运算速度大幅度上升、位数不断增加,使得适用于各种特殊控制的功能模块不断被开发，PLC的应用范围由单一的顺序控制向现场控制拓展。此外,ＰＬＣ的体积大幅度缩小,出现了各类微型化PLC。三菱公司本阶段的主要产品有ＦX小型PＬC系列产品，AIＳ/A２US/Q2A系列中,大型PＬC系列产品等。2０00年至今：PLC的高性能与网络化阶段。在本阶段，为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要，ＰLC的各种功能不断进步。一方面,PＬC在继续提高ＣＰU运算速度，位数的同时,开发了适用于过程控制,运动控制的特殊功能与模块,使PＬC的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。与此同时，PLC的网络与通信功能得到迅速发展，ＰＬC不仅可以连接传统的编程与通入/输出设备，还可以通过各种总线构成网络,为工厂自动化奠定了基础。三菱公司本阶段的主要产品有FX小型PＬC系列产品（包括最新的FＸ3ｕ系列产品)，Qn,ＱnPH系列中，大型PLC系列产品等。2．１．３PＬC的硬件一、PLC的物理结构根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式、模块式和混合式。１。整体式PLC整体式又叫做单元式或机箱式,它的体积小、价格低,对箱体式PLC,有一块CＰU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格.对模块式ＰLC,有CＰU模块、Ｉ/Ｏ模块、内存、电源模块、底板或机架.无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/Ｏ能力可按用户需要进行扩展与组合.2。模块式ＰLC大、中型PLC一般采用模块式结构，它由机架和模块组成，模块插在模块插座上，后者焊接在机架中的总线连接板上，有不同槽数的机架供用户选用,如果一个机架容纳不下选用的模块,可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间用接口模块和电缆相连。用户可以选用不同档次的CPU模块、品种繁多的I／O模块和特殊功能块，对硬件配置的选择余地较大,维修时更换模块也很方便.3．CPU模块中的存储器存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器，系统程序相当于个人计算机中的操作系统，它使PLＣ具有基本的智能，能完成PLC设计者的规定的各种工作。系统程序由PLC的生厂家设计并固定化在ROM(只读存储器)中，用户不能读取。用户程序由用户设计，它使PLC能完成用户要球的特定功能，用户程序存储器的容量以字节（B)为单位。(1)．随机存取存储器（ＲAM）用户可以用编程装置读出RAM中的内容，也可以将用户程序写入RAM，因此RＡＭ又叫读/写存储器.RAＭ的工作速度高、价格便宜、改写方便。（2)。只读存储器（ＲOM)ROM的内容只能读出,不能写入。(3）.可以电檫出可编程的只读存储器（EEＰROM)S７－200用EEPRＯM来存储用户程序和长期保存的重要数据。4。I/Ｏ模块各I/O点的通／断状态用发光二极管(LED）显示,PLC与外部接线的连接一般用接线端子，某些模块使用可以拆卸的插座型端子板，不需断开端子板上的连接线，就可以迅速的更换模块。输入模块：PLＣ通过输入模块来接收和采集输入信号，通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调速装置等执行器，PＬC控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号。输出模块:输出模块的率放大元件有大功率晶体管和场效应管（驱动直流负载）、双向可控硅（驱动交流负载)和小型继电器,继电器可以驱动交流负载或直流负载。输出电流的典型值为０。5—2Ａ，负载电源由外部现场提供。２．1.4PＬＣ的主要特点一、抗干扰能力强,可靠性高PLＣ专门为工业环境而设计，具有很高的可靠性。它的主要模块均采用大规模与超大规模集成电路,Ｉ/O系统设计有完善的通道保护与信息调理电路；在机构上对耐热、防潮、防尘、抗震都有精确考虑;在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等干扰和故障诊断措施。所有这些使PＬＣ具有较高的抗干扰能力,因此稳定、可靠,抗干扰能力强。与继电器接触装置和通用计算机相比，PLＣ更能试用工业现场较为恶劣的生产环境。二、控制系统机构简单，通用性强PＬC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统.在PLC够成的控制系统中，只需要在PLＣ的端子上接入相应的输入/输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量且繁杂的硬接线线路。当控制要求改变,需要变更控制系统的功能时,可以用编程器在线或离线修改程序,同一个PＬC装置用于不同的控制对象，只是输入/输出组件和应用软件的不同.PLC的输入／输出可以直接与交流220V、直流24V等强电相连,并有较强的带负载能力。三、编程简单，易于使用PLＣ是面向用户的设备,ＰLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，因此PLC程序的编制采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺知识就可在短时间内学会。四、功能完善现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、步进控制功能，还能完成A/D转换、D/Ａ转换、模拟量处理、高速计算、联网通信等功能，可以通过上位计算进行显示、报警、记录,进行人机对话，使控制水平大为提高。因此，PLC具有极强的适用性,能够很好地满足各类型控制的需要，是目前工厂中应用最广的自动化设备。五、体积小、维护操作方便ＰＬC体积小，质量轻，便于安装。PLC的输入／输出系统能够直观地反映现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观地控制系统的运行状态,如内部工作状态、通信状态、I/O点状态、异常和电源状态等，对此均有醒目的指示,非常有利于运行和维护人员对系统进行监控。2。１．5FX２N系列ＰLC介绍FX2N型PLC的主要种类ＦX2N型PLC按品种可以分为基本单元、扩展单元、扩展模块和特殊扩展设备。基本单元由内部电源、内部输入输出、内部CPＵ和内部存储器组成，只有基本单元可以单独使用,当输入输出点数不足时可以进行扩展.扩展单元由内部电源、内部输入输出组成、需要和基本单元一起使用.扩展模块由内部输入输出组成，,自身不带电源，由基本单元、扩展单元供电,需要和基本单元一起使用.特殊扩展设备可以分为3类：特殊功能板、特殊模块和特殊单元，是一些特殊用途的装置。特殊功能板用于通信、连接和模拟量设定等，特殊模块主要有模拟量输入输出、高速计数、脉冲输出、接口等模块，特殊单元用于定位脉冲输出。FＸ2N型PＬC的初步认识如图所示为FX2N型PＬC基本单元外形,其主要是通过输入端子和输出端子与外部控制电器联系的。输入端子连接外部的输入元件，如按钮、控制开关、行程开关、接近开关、热继电器接点、压力继电器接点、数字开关等.输出端子连接外部的输出元件，如接触器、继电器线圈、信号灯、报警器、电磁铁、电磁阀、电动机等.图2-2（三菱FX２N系列PLC实物图）工作过程（1)输入采样阶段PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子,并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器中.此时，输入映像寄存器被刷新。接着，进入程序执行阶段,在此阶段和输入刷新阶段,输入映像寄存器与外界隔离,无论输入端信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段,才重新写入输入端的新内容。(2)程序处理阶段根据PLＣ梯形图程序扫描原则，ＰLC按从左至右、从上到下的步骤顺序执行程序。当指令中涉及输入、输出状态时，PＬC就从输入映像寄存器中“读入”对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件(软继电器）的当前状态。然后进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说,每个元件（软继电器）的状态会随着程序执行过程而变化。（3)输出刷新结果阶段在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中,通过一定方式输出,最后经过输出端子驱动外部负载。２。２机械手2。２．1机械手概述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。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性.机器手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在我国民经济领域有着广阔的发展前景。机器手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动化控制技术、传感技术和计算机技术的科学领域，是一门跨学科综合性技术。２.2。２机械手的工作原理机械手是一种能自动化定位控制并可重新汇编程序以变动的多功能机器。它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中的工作。工业机械手是近似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一个重要组成部分.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2~3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。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。其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生产工艺要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸;其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而,受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的物力和财力加以研究和应用。尤其在高温、高压、、粉尘、噪音以及带有放射性和污染场合，应用得更为广泛.在我国，近几年来也有较快的发展,并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。本项目要求设计的机械手模型可以归为一类，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、气动技术等工业常用的技术2．2．3机械手的发展趋势随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，人工工作环境和工作