基于PLC的机械手控制系统设计

第第页毕业设计（论文）题目基于PLC的机械手控制系统设计目录摘要4前言5第一章可编程序逻辑控制器（PLC）和机械手概述61.1可编程序逻辑控制器（PLC）61.1.1PLC的结构61.1.2PLC的发展历程71.1.3PLC的硬件81.1.4PLC的主要特点91.1.5FX2N系列PLC介绍91.2机械手 111.2.1机械手概述111.2.2机械手的工作原理111.2.3机械手的发展趋势11第二章系统设计122.1系统方案分析设计122.2硬件设计142.3系统程序设计152.4MCGS组态软件21第三章系统的调试及设计总结32致谢33附录34参考文献36基于PLC的机械手控制系统设计摘要：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，MCGS前言当今社会，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。第一章可编程序逻辑控制器（PLC）和机械手概述1.1可编程序逻辑控制器（PLC）1.1.1PLC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）1.1.2PLC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。1.1.3PLC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。1.1.4PLC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。1.1.5FX2N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。1.2机械手1.2.1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。1.2.2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。1.2.3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内容也要求理想化简单化，对于一些往返的工作有机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的东西对人体的伤害，如：冶金，化工，医药，航天等。代表当代最先进的技术在日本，他的自动化。人性化让人叹为观止，这些技术依赖于控制理论、新材料科学，它是融合现在尖端技术的现代机器。我国也在陆续在工业中有所应用，对于自动控制，柔性制造系统中应用更为广泛，但我国的自动化技术有待提高发展趋势是工作强多高灵活性强，准确可靠，可以自动检测并下达动作命令，融入先进的人工智能使人只做平时的简单维护，这也是现代工厂的发展趋势。此外，还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机联用，逐步成为机械制造系统中的一个基本单元。系统设计2.1系统方案分析设计2.1.1控制要求利用MCGS组态软件设计一机械手组态控制系统，机械手可以上下、左右移动；利用上下、左右限位开关控制机械手启停；机械手从原点开始，按以下动作进行：原点—启动—下行（到下限位停）—抓工件—上行（到上限位停）—右行（到右限位停）—下行（到下限位停）—放工具—上行（到上限位停）—左行（到左限位停）。在机械手运行过程中，任何时候都可以利用急停按钮，停止机械手动作。（一）利用PLC编写程序控制组态画面中变量的变化（二）利用PLC的输入信号控制组态画面，也可利用组态中各软按钮控制PLC程序的运行和组态运行2.1.2方案设计利用MCGS组态软件设计一机械手组态控制系统,利用机械手上下左右移动碰到的限位开关作为系统的输入信号。系统设置一个启动按钮和一个急停按钮来控制系统的启动和停止。系统组态软件设计成一个机械手画面，通过动画连接和脚本程序。与PLC的联合调试使系统达到可以在MCGS系统中监控机械手的运动。同时可以利用PLC程序控制组态画面的要求。图2-1图2-22.2硬件设计2.2.1输入/输出端子地址分配代号名称输入编号代号名称输出SB1启动按钮X0KM1机械手上行Y002SB2停止按钮X1KM2机械手下行Y003SQ1下限行程X2KM3机械手左行Y004SQ2上限行程X3KM4机械手右行Y005SQ3左限行程X4KM5抓工件Y006SQ4右限行程X5KM6放工件Y0072.2.2PLC接线图2.3系统程序设计GXDeveloper是三菱PLC的编程软件。适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。GXDeveloper的特点1.软件的共通化GXDeveloper能够制作Q系列，QnA系列，A系列（包括运动控制（SCPU））,FX系列的数据,能够转换成GPPQ,GPPA格式的文档。此外，选择FX系列的情况下，还能变换成FXGP(DOS),FXGP(WIN)格式的文档。2.利用Windows的优越性，使操作性飞跃上升能够将Excel,Word等作成的说明数据进行复制，粘贴，并有效利用。3.程序的标准化(1)标号编程用标号编程制作可编程控制器程序的话，就不需要认识软元件的号码而能够根据标示制作成标准程序。用标号编程做成的程序能够依据汇编从而作为实际的程序来使用。(2)功能块（以下，略称作FB）FB是以提高顺序程序的开发效率为目的而开发的一种功能。把开发顺序程序时反复使用的顺序程序回路块零件化，使得顺序程序的开发变得容易。此外，零件化后，能够防止将其运用到别的顺序程序时的顺序输入错误。(3)宏只要在任意的回路模式上加上名字（宏定义名）登录（宏登录）到文档，然后输入简单的命令就能够读出登录过的回路模式，变更软元件就能够灵活利用了。4.能够简单设定和其他站点的链接由于连接对象的指定被图形化而构筑成复杂的系统的情况下也能够简单的设定。5.能够用各种方法和可编程控制器CPU连接(1)经由串行通讯口(2)经由USB(3)经由MELSECNET/10(H)计算机插板(4)经由MELSECNET(Ⅱ)计算机插板(5)经由CC-Link计算机插板(6)经由Ethernet计算机插板(7)经由CPU计算机插板(8)经由AF计算机插板6.丰富的调试功能(1)由于运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。(a)没有必要再和可编程控制器连接。(b)没有必要制作条使用的顺序程序。(2)在帮助中有CPU错误，特殊继电器/特殊寄存器的说明，所以对于在线中发生错误，或者是程序制作中想知道特殊继电器/特殊寄存器的内容的情况下提供非常大的便利。。(3)数据制作中发生错误况时，会显示是什么原因或是显示消息，所以数据制作的时间能够大幅度缩短。2.3.1常用编程方法介绍1经验设计法

在一些典型的控制环节和电路的基础上,根据被控制对象对控制系统的具体要求,凭经验进行选择、组合。有时为了得到一个满意的设计结果,需要进行多次反复地调试和修改,增加一些辅助触点和中间编程元件。这种设计方法没有一个普遍的规律可遵循,即具有一定的试探性和随意性,最后得到的结果也不是唯一的,设计所用的时间、设计的质量与设计者经验验多少有关。

经验设计法对于一些比较简单的控制系统的设计时比较有效的,可以收到快速、简单的效果。但是,由于这种方法主要时依靠设计人员的经验进行设计,所以对设计人员的要求也比较高,特别时要求设计者有一定的实践经验,对工业控制系统和工业上常用的各种典型环节比较熟悉。对于比较复杂的系统,经验法一般设计周期长,不易掌握,系统交付使用后,维护困难。所以,经验法一般只适合于比较简单的或与某些典型系统相类似的控制系统的设计。2接触器-继电器法接触器-继电器法就是依据所控制电器的接触器-继电器控制线路原理图，用PLC对应的符号和功能相当的器件，把原来的接触器-继电器系统的控制线路直接翻译成梯形图程序的设计方法。接触器-继电器法特别适合于初学者编程设计使用，也特别适合对原有旧设备的技术革新和技术改造。3顺序控制法顺序控制法就是在生产控制过程中，按照生产工艺所要求的动作规律，在各个输入控制信号的作用下，根据所需要的状态和时间顺序，在生产过程中的各个输出执行机构自动地按照预先规定的顺序有步骤地进行操作。

顺序功能图法是首先根据系统的工艺流程设计顺序功能图,然后再依据顺序功能图设计顺序控制程序。在顺序功能图中,在实现转换时使前级步的活动结束而使后续步的活动开始,步之间没有重叠。这是系统中大量复杂的连锁关系在步的转换中得以解决。而对于每一步的程序段,只需处理极其简单的逻辑关系。因而这种编程方法简单易学,规律性强。设计出的控制程序结构清晰、可读性好,程序的调试和运行也很方便,可以极大地提高工作效率。4逻辑设计法工业电气控制线路中,有不少都是通过继电器等电气元件来实现,而继电器,交流接触器的触点都只有两种状态即吸合和断开,因此,用“0”和“1”两种取值的逻辑代数设计电气控制线路时完全可以的,PLC的早期应用就是替代继电器控制系统,因此用逻辑设计方法同样也适用于PLC应用程序的设计。当一个逻辑函数用逻辑变量的基本运算式表达出来后,实现这个逻辑函数的线路就确定了。当这种方法使用熟练后,甚至梯形程序也可以省略,可以直接写出于逻辑函数和表达式对用的指令语句程序。

用逻辑设计法设计PLC应用程序的一般步骤如下:

第一步：列出执行元件动作节拍表

第二步：绘制电气控制系统的状态转移图;

第三步：进行系统的逻辑设计;

第四步：编写程序;

第五步：对程序检测、修改和完善。2.3.2流程图该系统采用顺序控制法，在顺序功能图中,在实现转换时使前级步的活动结束而使后续步的活动开始,步之间没有重叠。这是系统中大量复杂的连锁关系在步的转换中得以解决。2.3.3梯形图用三菱PLC的编程软件GXDeveloper编的梯形图2.3.4语句表2.4MCGS组态软件MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件。它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。其主要特征和功能大体为：具有简单灵活的可视化操作界面、实时性强、有良好的并行处理性能、有丰富生动的多媒体画面、开放式结构、广泛的数据获取和强大的数据处理功能、完善的安全机制、强大的网络功能、多样化的报警功能、支持多种硬件设备、方便控制复杂的运行流程、良好的可维护性和可扩充性、设立对象元件库组态工作简单方便、能实现对工控系统的分布式控制和管理等等。2.4.1MCGS组态软件结构功能特点MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，用来帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户的制定方式运行，并进行各种处理，完成用户组态用户设计的目标和功能。组态环境和运行环境的关系如下图所示：运行环境：运行环境：解释执行状态结果组态环境：组态生成应用系统组态结果数据库由MCGS生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分组成。如下图所示MCGSMCGS主控窗口设备窗口用户窗口实时数据库运行策略MCGS的五大组成部分MCGS组态软件建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，可以完成不同的工作，且具有不同的特性。（1）主控窗口主控窗口确定了工业控制中工程作业的总体轮廓、运行流程、菜单命令、特性参数和启动特性等内容，是应用系统的主框架。在主窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，主控窗口负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括：定义工程名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。（2）设备窗口设备窗口是连接和驱动外部设备的工作环境。设备窗口专门用来放置不同类型和功能的设备构件，实现对外部设备的操作和控制。设备窗口通过设备构件吧外部设备的数据采集进来，送人实时数据库中的数据输出到外部设备。一个应用系统只有一个设备窗口，运行时，系统自动打开设备窗口来管理和调度所有设备构件正常工作，并在后台独立运行。（3）用户窗口用户窗口主要用于设置工程中人机交互的界面。其中可以放置三种不同类型的图形对象：图元、图符和动画构件。图元和图符对象为用户提供了一套完善的设计制作图形画面和定义动画显示与操作模块，用户可以直接使用。通过在用户窗口内放置不同的图形对象来搭建多个窗口，用户可以构件各种复杂的图形界面，以便用不同的方式实现数据和流程的可视化。组态工程中的用户窗口，最多可以定义512个。所以的用户窗口均位于窗口内，其打开时窗口可见，关闭时窗口不可见。允许多个用户窗口同时处于打开状态，其位置、大小和边界等属性可以随意改变或设置。（4）实时数据库实时数据库是工程各个部分的数据交换与处理中心，是MCGS系统的核心。它将MCGS工程各个部分连接成有机的整体。本窗口内定义的不同类型和名称的变量，将作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。MCGS用实时数据来管理所有的实时数据。从外部设备采集来的实时数据送入实时数据的报警处理和存盘处理。因此，实时数据库所存储的单元，不单单是变量的数值，还包括变量的特征参数（属性）以及对该变量的操作方法（设置报警性、报警处理、存盘处理等）。这种将数值、属性和方法封装在一起的数据称为数据对象。实时数据库采用面向对象的技术，不仅仅为其他部分提供服务，还为系统各个功能部件提供数据共享。（5）运行策略运行策略是对系统运行的流程实现有效控制的手段。本窗口主要完成对工程运行流程的控制。包括编程控制程序（if……then脚本程序）和选用各种功能构件，例如数据提取、定时器、配方操作和多媒体输出等。运行策略本身是系统提供的一个框架，里面放置有策略条件构件和由策略构件组成的策略的定义，使系统能够按照设定的顺序和条件操作实时数据库，控制用户窗口的打开、关闭并确定设备构件的工作状态等，从而实现对外部设备工作过程的精确控制。一个应用系统有三个固定的运行策略：启动、循环策略、和退出策略，用户也可以根据具体需要创建新的用户策略、循环策略、报警策略、事件策略、热键策略，并且用户最多可创建521个用户策略。启动策略在应用系统开始运行时调用，退出策略在应用系统退出运行时调用，循环策略由系统在运行过程中定时循环调用，用户策略供系统中的其他部件调用。MCGS组态软件功能及其特点MCGS的主要和基本功能如下：（1）简单的可视化操作界面MCGS采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS的组态工作既简单直观，又灵活多变符合中国人的使用习惯和要求。用户可以使用系统的默认构架，也可以根据自己的需要自己组态配置图形界面，生成各种类型和风格的图形界面，包括DOS风格和标准Windows风格的图形界面并且带有动画效果的工具条和状态条等。（2）实时性强、良好的并行处理性能MCGS是真正的32位系统充分利用了32位Windows操作品台的多任务、按优先级分时操作的功能，以线程为单位对在工程作业中实时性强的关键任务和实时性不强的非关键任务进行分时并行处理，使PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。（3）丰富、生动的多媒体画面MCGS以图像、图符报表和曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的状态、品质及异常报警等有关信息；通过对图形大小的变化、颜色的改变、明暗的闪烁、图形的移动反转等多种手段，增强画面的动态显示效果；在图元、图符对象上定义相应的状态属性，实现动画效果。MCGS还为客户提供了丰富的动画构件，每个动画构件都应一个特定的动画功能。MCGS还支持多媒体功能，使能够开发出集图像、声音、动画为一体的漂亮、生动的工程画面。（4）开放式结构，广泛的数据获取和强大的数据处理功能MCGS采用开放式结构，系统可以与广泛的数据源交换数据，MCGS提供多种高性能的I/O驱动；支持Microsoft开放数据库互连（ODBC）接，有强大的数据库连接能力；全面支持OPC(OLEforProcessControl)标准，即可作为OPL客户端，也可以作为OPC服务器，可以与更多的自动化设备相连接；MCGS通过DDE(DynamicDataExchange,动态数据交换)与其他应用程序交换数据，充分利用计算机丰富的软件资源；MCGS全面支持ActiveX控制，提供极其灵活的面向对象的动态图形功能，并且包含丰富的图形库。（5）完善的安全机制MCGS提供了良好的安全机制，为多个不同级别的用户设定了不同的权限。此外MCGS还提供了工程密码，锁定软件狗、工程运行期限等功能，大大加强了保护组态开发者劳动成果的力度。（6）强大的网络功能MCGS支持TCP/IP、MODEN、RS-458/RS-422/RS-232等多种网络体系结构；使用MCGS网络版组态软件，可以在整个企业范围内，用IE浏览器方便的浏览到实时和历史的监控信息，实现设备管理和企业管理的集成。（7）多样化的报警功能MCGS提供多种不同的警报方式，具有丰富的警报类型和灵活多样的警报处理函数。不仅方便用户进行警报设置，并且实现了系统实时显示、打印警报信息的功能。警报信息的存储与应答功能，为工业现场安全可靠地生产运行提供了有力的保障。（8）实时数据库为用户分步组态提供极大方便MCGS由主窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，其中实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性构件的功用数据区，是整个系统的核心。各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制。在生成用户应用系统时，每个部分均可分别进行组态配置，独立创建，互不干扰；而在系统运行过程中，各个部分都通过实时数据库交换，形成互相关连的整体。（9）支持多种硬件设备，实现“设备无关”MCGS针对外部设备的特征，设备工具箱，定义多种设备构件，建立系统与外部设备的连接关系，赋予相关的属性，实现对外部设备的驱动和控制。用户在设备工具箱中可方便选择各种设备。不同的设备构件，所有的设备构件均通过实时数据库建立联系；而建立时又是相互独立的，即对某一构件的操作或改动，不影响其他构件和整个系统。（10）控制方便复杂的运行流程MCGS开辟了“运行策略窗”口，用户可以选用系统提供的各种条件和功能的策略构件，用图形化的方法和简单的类Basic语言构造多分支的应用程序，按照设定的条件和顺序，操作外部设备，控制窗口的打开或关闭，与实时数据交换，实现自由，准确地控制运行流程，同时也可以由用户创建新的策略构件，扩展系统的功能。（11）良好的可维护性和可扩充性MCGS系统由五大功能模块组成，主要的模块以及构件的形式来构造，不同的构件有着不同的功能，且各自的独立。三种基本类型的构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成了MCGS系统三大部分（设备驱动、动画构件和流程控制）的所有工作。除此之外，MCGS还提供了一套开放的可扩充接口，用户可根据自己的用VB、VC等高等高级开发语言，编制特定的构件来扩充系统的功能。（12）用数据库来管理数据存储，系统可靠性高MCGS中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理。组态时，系统生成的组态结构是一个数据库；运行时，系统自动生成一个数据库，保存和处理数据对象和报警信息的数据。利用数据库来保存数据和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率；同时，也使其他应用软件系统能直接数据库中存盘数据。（13）设立对象元件库，组态工作简单方便对象元件库，实际上是分类储存的各种组态对象的图库。组态时，可把制作好的数据对象（包括图形对像、窗口对象、策略对象以至位图文件等）以元件的形式存入图库中，同样也可把元件库的各种对象取出，直接为当前的工程所用。随着工作的积累，对象元件库将日益扩大和丰富，这样解决了对象元件库的元件积累和元件重复利用问题。组态工作将会变得更加简单、方便。（14）实现对工控系统的分布式控制和管理考虑到工控系统今后的发展趋势，MCGS充分运用现今发展的DCCW(DistributedComputerCooperatorWork，分布式计算机协通工作方式)技术，使分布在不同现场的采集设备和工作站之间实现协同工作，不同的工作站之间则通过MCGS实时交换数据，实现对工控系统的分布式控制管理。2.4.2工程的建立和变量的定义1)首先双击桌面MCGS组态环境图标，进入组态环境，屏幕中间窗口为工作台。2)单击文件菜单中“新建工程”选项，自动生成新建工程，默认的工程名为：“新建工程0.MCG”。3)选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。4)在文件名一栏内输入“机械手控制系统”，点击“保存”按钮，工程创建完毕。如图所3-3示。图2-3在MCGS中，变量也叫数据对象。实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。数据对象是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程。定义数据对象的内容主要包括：指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。变量的分配在开始定义之前，我们先对系统进行分析，确定需要的变量。本系统至少需要16个变量，见下表。变量名类型初值注释启动按钮开关型0机械手启动控制信号X0输入1有效停止按钮开关型0机械手复位控制信号X1输入1有效上限开关开关型0机械手动作控制输入1有效下限开关开关型0机械手动作控制输入1有效左限开关开关型0机械手动作控制输入1有效右限开关开关型0机械手动作控制输入1有效变量定义的步骤1)单击工作台中的“实时数据库”选项卡，进入“实时数据库”窗口页，如图3-4所示。窗口中列出了系统已有变量“数据对象”的名称。其中一部分为系统内部建立的数据对象。现在要将表中定义的数据对象添加进去。2)单击工作台右侧“新增对象”按钮，在窗口的数据对象列表中，增加了一个新的数据对象，如图3-5所示。3)选中该数据对象，按“对象属性”按钮，或双击选中对象，则打开“数据对象属性设置”窗口。图3-4实时数据库窗口图3-5实时数据库窗口图3-6数据对象属性设置窗口4)将“对象名称”改为：启动按钮；“对象初值”改为：0；“对象类型”选择：开关型；在“对象内容注释输入框”内输入：机械手启动信号，X11输入，1有效。5)单击“确定”。如图3-6所示。6)按照步骤2~5，根据上面列表，设置其他数据对象。7)单击“保存”按钮。2.4.3动画连接指示灯的动画连接1)双击启动指示灯，弹出“单元属性设置”窗口。2)单击“动画连接”选项卡，进入该页。图3-7动画组态属性设置3)单击“组合图符”，出现“？”、“>”按钮。4)单击“>”按钮，弹出“动画组态属性设置”窗口。单击“属性设置”选项卡，进入该页，如图4-7所示。5)选中“可见度”选项卡，其他项不选。6)单击“可见度”选项卡进入该页，如图4-8所示。图3-8动画组态属性设置7)在“表达式”一栏，单击“？”按钮，弹出当前用户定义的所有数据对象列表，双击“启动按钮”。8)在“当表达式非零时”一栏，选择“对应图符可见”。9)单击“确认”按钮，退出“可见度”设置页。10)单击“确认”按钮，退出“单元属性设置”窗口，结束启动指示灯的动画连接。11)单击“保存”按钮。12)依次对其他指示灯进行设置，依照步骤1）~11）。经过这样的连接，当按下机械手或画面上的启动按钮后，不但相应变量的值会改变，相应指示灯也会出现亮灭的改变。机械手的动画连接1、垂直移动动画连接：1)在“实时数据库”中增加一个新变量“垂直移动量”，初值：0，类型：数值型。2)单击“查看”菜单，选择“状态条”，在屏幕下方出现状态条。状态条左侧文字代表当前操作状态，右侧显示被选中对象的坐标和大小。3)估计总垂直移动距离：在上工件底边与下工件底边之间画一条直线，根据状态条大小指示可知直线长度即总垂直移动距离，垂直移动距离为104。4)在脚本程序的开始处增加“动画控制”语句：IF下移=0THEN垂直移动量=垂直移动量+1ENDIFIF上升=0THEN垂直移动量=垂直移动量-1ENDIF变化率=1个相素/每次，即每执行一次脚本程序，垂直移动量加1或减1，当然变化率也可以选大些或小些。5)计算垂直移动一次脚本程序执行次数：次数=下移时间（上升时间）/循环策略执行间隔=5s/200ms=25次。6)计算：垂直移动量的最大值=循环次数*

变化率=25*1=25。7)在机械手监控画面中选中并双击上工件，弹出“属性设置”窗口。8)在“位置动画连接”一栏中选中“垂直移动”，单击“垂直移动”选项卡，进入该页。9)按照图4-9所示在“表达式”一栏填入：垂直移动量。在垂直移动连接栏填入各项参数。单击“确认”按钮，存盘。10)进入运行环境，单击“启动”按钮，观察动作。图3-9动画组态属性设置2、水平移动动画连接：1)水平移动总距离的测量：在工件初始位置和移动目的地之间画一条直线，记下状态条大小指示，此参数即为总水平移动距离。移动距离为180.2)在数据库中增加一个变量：水平移动量，数值型，初值为0。图3-10动画组态属性设置3)脚本程序中增加以下代码：IF前伸＝0THEN水平移动量=水平移动量+1ENDIFIF后缩＝0THEN水平移动量=水平移动量-1ENDIF4)脚本程序执行次数＝后缩时间（前伸时间）／循环策略执行时间=10s/200s=50次。5)计算：水平移动量的最大值=循环次数*变化率=50*1=50，即当水平移动量＝50时，水平移动距离为180。6)如图4-21所示对右滑杆、机械手、上工件、气夹分别进行水平动画连接。参数设置的意思是：当水平移动量=0时，向右移动距离为0；当水平移动量＝50时，向右移动距离为180。7)进入运行环境调试。3、工件移动动画的实现：1)在实时数据库中填加一个变量：工件夹紧标志，初值：0，类型：开关。2)在脚本程序中加入两条语句：IF夹紧=1THEN工件夹紧标志=1‘处于夹紧状态ENDIFIF放松=1THEN工件夹紧标志=10‘处于放松状态ENDIF图3-11动画组态属性设置3)选中下工件，在“属性设置”页中选择可见度。4)进入“可见度”页，在表达式一栏填入：工件夹紧标志；当表达式非零时，选择：对应图符不可见。意思是：当工件夹紧标志＝1时，下工件不可见；当工件夹紧标志＝0时，下工件可见。如图4-21所示。5)选中并双击上工件，将其可见度属性设置为与下工件相反，即当工件夹紧标志非零时，对应图符可见。如图4-22所示。图3-12动画组态属性设置5）依照步骤3)~5)对气夹进行设置。6）存盘，进入运行环境调试。7）删去画面中不需要的图符。2.4.5调试保存所有组态设置，然后关闭组态监控程序。将PLC程序下传到PLC装置中并让其运行，切换到离线状态，然后启动MCGS，进入组态工程运行界面。在运行中通过对按钮的操作可检测所编程序的正确与否。经过运行测试，该组态监控软件可对机械手控制系统的动作过程进行有效监控，PLC程序达到了控制要求。系统的调试及设计总结3.1系统调试（1）硬件检测调试从硬件方面检查系统的各个方面，保证系统的硬件接线正确（2）机械手控制程序的调试程序的模拟调试将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入出现错误。用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通/断状态用PLC上有关的法官二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载。可以根据功能表，在适合的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件是现实时，是否发生的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级初步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。在程序调试过程中出现了一系列的问题，但最终都一一解决了。在使用STL指令编程时，刚开始由于对STL指令掌握的不是很好，所以犯了不少错误，加上机械手模型装置本身存在的一些问题，所以在调试程序时，机械手动作不符合控制要求。经过不断查阅资料，研究、改进，最终程序调