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燕山大学课程设计说明书第1页共38页电气工程学院课程设计说明书电气控制与PLC设计题目：机械手臂搬运加工流程控制系别：仪器科学与工程系年级专业：09级检测技术与仪器学号：090103020113学生姓名：黄海超指导教师：张立国孟宗教师职称：副教授副教授燕山大学课程设计说明书第2页共38页电气工程学院《课程设计》任务书课程名称：电气控制与PLC基层教学单位：仪器科学与工程系指导教师：张立国孟宗学号09010020113学生姓名黄海超（专业）班级09检测一班设计题目机械手臂搬运加工流程控制设计技术参数1.设计内容见附页（20）2.使用组态王实现上位控制3.公共实践（四层电梯）4.公共实践（邮件分拣）（选作）5.查阅资料（变频器）设计要求采用PLC进行设计。画出系统图，采用梯形图编程，并给出相应的组态控制工程（附主画面）。结合公共实践部分，完成设计说明书。参考资料“电气控制”类图书及论文资料“可编程控制器”类图书及论文资料周次19周应完成内容分析设计要求、查资料、确定方案，设计梯形图、设计上位组态撰写课程设计说明书，答辩指导教师签字基层教学单位主任签字说明：1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。电气工程学院教务科燕山大学课程设计说明书第3页共38页指导教师评语：成绩：指导教师：年月日答辩小组评语：成绩：评阅人：年月日课程设计总成绩：答辩小组成员签字：年月日燕山大学课程设计说明书第4页共38页目录摘要………………………………………………………………………………21PLC相关知识…………………………………………………………………31.1基本结构……………………………………………………………………………31.2工作原理……………………………………………………………………………41.3功能特点……………………………………………………………………………51.4应用领域……………………………………………………………………………52四层电梯的设计………………………………………………………………………72.1四层电梯控制要求…………………………………………………………………72.2自动电梯相关知识…………………………………………………………………82.3输入输出分配表……………………………………………………………………82.4程序流程及功能实现………………………………………………………………92.5总梯形图……………………………………………………………………………123机械手臂搬运加工流程控制………………………………………………………173.1组态王简介…………………………………………………………………………173.2组态王实现步骤……………………………………………………………………173.3控制要求……………………………………………………………………………183.4机械手臂搬运加工流程控制的实现………………………………………………193、5组态王仿真结果…………………………………………………………………203.6画面命令语言……………………………………………………………………244变频器相关知识………………………………………………………………………304.1变频器的定义………………………………………………………………………304.2变频器的工作原理…………………………………………………………………304.3变频器的控制方式………………………………………………………………314.4工作范围……………………………………………………………………………33总结…………………………………………………………………………………………34参考文献……………………………………………………………………………………35燕山大学课程设计说明书第5页共38页摘要PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。，PLC可以灵活而方便地应用于生产实践，在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术。组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。在这次为期一周的课设中，我利用三菱FX1S系列单片机设计了四层电梯自动控制程序并且进行了仿真实验，利用组态王软件设计了机械手臂搬运加工流程控制的控制人机界面，配合组态王的编程语言实现了组态王的仿真运行。同时接触并学习了变频器的一些知识。关键字：PLC，组态王，机械手臂燕山大学课程设计说明书第6页共38页1PLC相关知识可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC），是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输人和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。1.1基本结构可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，可编程逻辑控制器及其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：一、电源可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。二、中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。执行完毕之后各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。三、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。四、输入输出接口电路1．现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制燕山大学课程设计说明书第7页共38页器与现场控制的接口界面的输入通道。2．现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。五、功能模块如计数、定位等功能模块。六、通信模块1.2工作原理当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。一、输入采样阶段在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。二、用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。三、输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应燕山大学课程设计说明书第8页共38页的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。1.3功能特点可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。一、系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。二、使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。三、能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。1.4应用领域最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。随着PLC技术的进步，它的应用领域不断扩大。如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与治理。PLC已日益成为产业控制装置家族中一个重要的角色。一、用于开关量控制PLC控制开关量的能力是很强的。所控制的进出点数，少的十几点、几十点，多的可到几百、几千，甚至几万点。由于它能联网，点数几乎不受限制，不管多少点都能控制。用PLC进行开关量控制实例是很多的，冶金、机械、轻工、化工、纺织等等，几乎所有产业行业都需要用到它。目前，PLC首用的目标，也是别的控制器无法与其相比的，就是它能方便并可靠地用于开关量的控制。二、用于模拟量控制模拟量，如电流、电压、温度、压力等等，它的大小是连续变化的。产业生产，特别是连续型生产过程，常要对这些物理量进行控制。PLC进行模拟量控制，要配置有模拟量与数字量相互转换的A／D、D／A单元。燕山大学课程设计说明书第9页共38页它是特殊的I/O单元。A/D单元是把外电路的模拟量，转换成数字量，然后送进PLC。D/A单元，是把PLC的数字量转换成模拟量，再送给外电路。这样，用PLC实现模拟量控制是完全可能的。控制的单位值可小到212分之一的丈量程值，多数也是足够的。PLC进行模拟量控制，还有A/D、D/A组合在一起的单元，并可用PID或模糊控制算法实现控制，可得到很高的控制质量。三、用于数字量控制实际的物理量，除了开关量、模拟量，还有数字量。PLC也是基于计算机的技术，并日益完善。故它也完全可以用于数字量控制。PLC可接收计数脉冲，频率可高达几k到几十k赫兹。可用多种方式接收这脉冲，还可多路接收。有的PLC还有脉冲输出功能，脉冲频率也可达几十k。有了这两种功能，加上PLC有数据处理及运算能力，若再配备相应的传感器（如旋转编码器）或脉冲伺服装置（如环形分配器、功放、步进电机），则完全可以依NC的原理实现种种控制。四、用于数据采集随着PLC技术的发展，其数据存储区越来越大。庞大的数据存储区，可以存储大量数据。数据采集可以用计数器，累计记录采集到的脉冲数，并定时地转存到DM区中去，也可用A/D单元，当模拟量转换成数字量后，再定时地转存到DM区中：PLC还可配置上小型打印机，定期把DM区的数据打出来，或与计算机通讯，由计算机把DM区的数据读出，并由计算机再对这些数据作处理。这时，PLC即成为计算机的数据终端。五、用于进行监控PLC自检信号很多，内部器件也很多，完全可利用它进行PLC自身工作的监控，或对控制对象进行监控。六、用于联网、通讯PLC可与个人计算机相连接进行通讯，可用计算机参与编程及对PLC进行控制的治理，可组成局部网,网间的结点可直接或间接地通讯、交换信息。燕山大学课程设计说明书第10页共38页联网、通讯，正适应了当今计算机集成制造系统（CIMS）及智能化工厂发展的需要。它可使产业控制从点（Point）、到线（（Line）再到面（Aero），使设备级的控制、生产线的控制、工厂治理层的控制连成一个整体，进而可创造更高的效益。2四层电梯的设计2.1四层电梯控制要求如电梯模拟实验台结构所示，其动作要求如下：【1】电梯上行：①当电梯停于1楼(1F)或2F、3F时，4楼呼叫．