搬运机械手电气控制系统设计

课程设计课程名称电气控制与PLC课题名称搬运机械手电气控制系统设计专业班级学号姓名指导教师2012年7月1日湖南工程学院课程设计任务书课程名称电气控制与PLC课题名称搬运机械手电气控制系统设计专业班级姓名学号指导教师审批任务书下达日期2012年6月25日课程设计完成日期2012年7月6日设计内容与要求一.课程设计的性质与目的本课程设计是自动化专业教学计划中不可缺少的一个综合性教学环节，是实现理论与实践相结合的重要手段。它的主要目的是培养学生综合运用本课程所学知识和技能去分析和解决本课程范围内的一般工程技术问题，建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法。通过课程设计使学生得到工程知识和工程技能的综合训练，获得应用本课程的知识和技术去解决工程实际问题的能力。二.课程设计的内容1.根据控制对象的用途、基本结构、运动形式、工艺过程、工作环境和控制要求，确定控制方案。2.绘制搬运机械手控制系统的PLCI/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。3.选择电器元件，列出电器元件明细表。4.上机调试程序。5.编写设计说明书。三.课程设计的要求1.所选控制方案应合理，所设计的控制系统应能够满足控制对象的工艺要求，并且技术先进，安全可靠，操作方便。2.所绘制的设计图纸符合国家标准局颁布的GB4728－84《电气图用图形符号》、GB6988－87《电气制图》和GB7159－87《电气技术中的文字符号制定通则》的有关规定。3.所编写的设计说明书应语句通顺，用词准确，层次清楚，条理分明，重点突出，篇幅不少于7000字。主要设计条件1.PLC实验设备若干。2.参考文献若干。设计说明书装订顺序1.课程设计说明书封面。2.课程设计任务书。3.说明书目录。4.正文（按设计内容逐项书写）。5.参考文献。6.附录。7.课程设计评分表。设计进度安排1.第一周星期一上午：课题内容介绍。2.第一周星期一下午：仔细阅读设计任务书，明确设计任务与要求，收集设计资料，准备设计工具。3.第一周星期二～第一周星期五：确定控制方案。绘制搬运机械手电气控制系统的电气原理图、控制系统的PLCI/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。选择电器元件，列出电器元件明细表。4.第二周星期一：试验调试5.第二周星期二～第二周星期五：编写设计说明书,答辩。参考文献[1]廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用[M].重庆：重庆大学出版社[2]万太福.可编程序控制器及其应用[M].重庆：重庆大学出版社[3]刘祖润.毕业设计指导.北京：机械工业出版社[4]谢桂林.电力拖动与控制.北京：中国矿业大学出版社[5]工厂常用电气设备手册编写组.工厂常用电气设备手册.北京：水利电力出版社目录第1章概述………………………………………………………………11.1PLC简介………………………………………………………………11.2机械手概述…………………………………………………………11.3机械手控制系统设计步骤………………………………………2第2章控制方案论证…………………………………………………32.1搬运机械手的设计原理……………………………………………32.2PLC的选取…………………………………………………………4第3章控制系统硬件电路设计……………………………………73.1传送带A,B主电路图及传送带B的控制电路图…………………73.2PLC控制面板及接口电路图………………………………………8第4章控制系统软件设计…………………………………………104.1控制系统的软件设计原理………………………………………104.2梯形图…………………………………………………………12第5章控制系统调试…………………………………………………145.1控制系统的调试过程………………………………………………14总结………………………………………………………………………15参考文献…………………………………………………………………16附录………………………………………………………………………171第1章概述1.1PLC简介自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。1.2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。它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。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。21.3机械手控制系统设计步骤根据工艺要求确定被控系统必须完成的动作,确定这些动作之间的关系及完成这些动作的顺序。(2)分配输入、输出设备,即确定哪些外围设备是送信号给PLC的,哪些外围设备是接收来自PLC的信号的,同时还要将PLC的输入、输出点与之一一对应,对I/O进行分配。在此基础上确定PLC的选型。(3)根据控制系统的控制要求和所选PLC的I/O点的情况及高功能模块的情况,设计PLC用户程序,此时可采用梯形田、助记符或流程图语言形式的用户程序。PLC的用户程序体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系,编程时可用编程器或计算机直接编程、修改,同时也可对PLC的工作状态、特殊功能进行设定。(4)对所设计的PLC程序进行调试和修改,直至PLC完全实现系统所要求的控制功能。(5)保存已完成的程序。3第2章控制方案论证2.1搬运机械手的设计原理图3-1是搬运机械手工作示意图。该机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。为使动作准确，安装了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5。分别对机械手进行抓紧、左旋、右旋、上升、下降等行程的检测，并给出动作到位的检测信号。另外还安装了光电开关SP。负责检测传送带A上的物品是否到位。此外，还设置了起动按钮SB1和停止按钮SB2，分别用以启动和停止机械手的动作。图3-1搬运机械手工作示意图传送带A、B由电动机M1、M2拖动，M1、M2分别由接触器KM1、KM2控制，机械手的上、下、左、右、抓、放等动作由液压系统驱动，并分别由6个电磁阀YV1—YV6来控制。42.2PLC的选取由于市场的需求和西门子PLC的广泛应用所以我选取的是S7-200.我们对其进行简要说明：S7-200系列是一类可编程逻辑控制器（MicroPLC）。这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，下图展示一台S7-200MicroPLC的CPU22*系列PLC的CPU外型图如图2，具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。S7-200CPU模块包括一个中央处理器单元（CPU）、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。图2-1S7-200CPU外型图1.CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过5程进行控制。2.输入和输出是系统的控制点：输入部分从现场设备（例如传感器或开关）中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及工业过程中的其他设备。3.电源向CPU及其所连接的任何模块提供电力。4.通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或一些设备连接起来。5.状态信号灯显示了CPU的工作模式（运行或停止），本机的I/O的当前状态，以及检查出来的系统错误。6.通过扩展模块可以增加CPU的I/O点数（CPU221不可以扩展）。7.通过扩展模块可以提供其通讯功能。8.一些CPU具有内置实时时钟，其他CPU需要实时时钟卡。9.EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序传送到另一个CPU中。10.通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间。图2-1展示了一个基本的S7-200MicroPLC.它包括一个S7-200CPU模块,一台个人计算机(PC),STEP7-Micro/win32(3.1版)编程软件,以及一条通讯电缆.为了使用个人计算机(PC),你必须以下一种设备:一条PC/PPI电缆；一个通讯处理器(PC)和多点接口(MPI)电缆；一块MPI卡,随MPI卡提供一根通讯电缆。6图2-2S7-200MicroPLC系统的组成PLC模块的选择：采用CPU224的主机和输出扩展模块EM222简要介绍对扩展模块的选取。S7-200PLC的I/O扩展模块有：1.输入扩展模块EM221:共有3种产品，即8点和16点DC、8点AC。2.输出扩展模块EM222：共有5种产品，即8点DC和4点DC、8点AC、8点继电器和4点继电器。3.输入/输出混合模块EM223：共有6种产品。其中DC输入/DC输出的有3种，DC输入/继电器输出的有三种，它们对应的输入/输出点数分别为4点、8点和16点。4.模拟量输入扩展模块EM231。5.模拟量输出扩展模块EM232。6.模拟量输入/输出扩展模块EM235。7第3章控制系统硬件电路设计3.1传送带A,B的主电路图及传送带B的控制电路图根据传送带A，B的运行要求设计其主电路图如下：图3-4传送带A,B的主电路图根据传送带B的运行要求设计其控制电路入下图：8图3-5传送带B的控制电路图3.2控制面板及接口电路图3-2操作面板机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在9操作面板上表示出来。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。根据机械手控制系统的要求设计出PLC的I/O接口图如下：图3-3PLC外部接线图10第4章控制系统软件设计4.1控制系统软件设计原理本控制系统是通过主程序控制，来实现机械手的上、下、左、右、抓、放等动作由液压系统驱动，而且启动时，机械手按照步序图的工步顺序动作；停止时，机械手停止在现行工步上。重新启动时机械手从停止前一瞬间的动作继续进行；PC断电时的要求与停止时的要求一致。启动按钮SB1停止按钮SB2手爪抓限位开关SQ1手臂左限位开关SQ2手臂右限位开关SQ3手臂上限位开关SQ4手臂下限位开关SQ5光电开关SP传送带A运行KM1手臂左旋YV3手臂右旋YV4手臂上升YV1手臂下降YV2手爪抓紧YV5手爪松开YV6步序234567891s11个搬运周期图4-1搬运机械手动作步序图11图4-2程序顺序功能图124.2梯形图初始化程序左旋抓紧，抓紧后一直要抓紧，所以用置位延时2秒放开13停止后，再启动从停止前工作状态开始14第5章控制系统的调试5.1控制系统的调试过程首先用电脑在STEP-7-Micro/WIN编程软件中将编辑的梯形图写入软件中，然后点击运行并对其指出的错误进行修改，修改完最终运行无误后将其下载到可编程控制仪器中；其次按照设计的要求接好线，确定无误后按下启动按钮。启动后发现上行、下行、左行、右行灯均同时亮且一直亮着，这样就不符合设计中八个动作依次有序进行操作的要求，务必对其进行修正。在这种情况下我采取了以下方案：方案一：在没有确定设备是否曾在问题的情况下，首先我们对设备进行了检测，发现不曾在任何问题，在这种