畢業(yè)設(shè)計(jì)--基于s7-300 plc的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（含外文翻譯）

1、<p><b>　　本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　姓 名： XXX 學(xué) 號： 0000000000000</p><p>　　學(xué) 院： 信息與電氣工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 電氣工程與自動化 <

2、/p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 基于S7-300 PLC的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　指導(dǎo)教師： XXX 職 稱： XX</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：基于S7-300PLC的機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p&g

3、t;　　畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和要求：</p><p>　　1、掌握機(jī)械手臂的工作原理及控制方法；</p><p>　　2、設(shè)計(jì)一種基于S7-300 PLC的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)；</p><p>　　3、掌握機(jī)械手臂的相關(guān)傳感器原理及使用方法；</p><p>　　4、用PLC語言編制控制系統(tǒng)軟件；</p><p>　　5、利

4、用組態(tài)軟件開發(fā)上位機(jī)監(jiān)控程序；</p><p>　　6、翻譯電氣自動化方面專業(yè)外文資料約3000字。</p><p>　　院長簽字： 指導(dǎo)教師簽字：</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　機(jī)械手臂常被稱作工業(yè)機(jī)器人，是工廠現(xiàn)代化的重要設(shè)備之一。它涉及到產(chǎn)品生產(chǎn)，

5、加工和輸送的全過程。它的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，直接關(guān)系到工廠的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)利益。機(jī)械手臂可以在一些高危險(xiǎn)，高污染的地方展開工作；可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化程度，減少次品率；減少工廠的工人數(shù)量，帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益；所以對它進(jìn)行研究和使用具有很高的價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　在本篇論文中，我主要進(jìn)行了基于S7-300的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。它是以圓柱形坐標(biāo)系為基礎(chǔ)，用PLC進(jìn)行控制，用組態(tài)王軟件進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)螺

6、絲組合和搬運(yùn)的工作。</p><p>　　機(jī)械手臂分為自動化、手動和檢測三種工作方式，可以方便進(jìn)行切換和組合。解決了人工上螺絲效率低，標(biāo)準(zhǔn)化程度低等問題，提高了工廠的自動化和標(biāo)準(zhǔn)化水平。</p><p>　　關(guān)鍵詞：機(jī)械手臂；PLC；組態(tài)軟件；自動控制</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>

7、;　　The mechanical arm which is one of the most important equipment of the factory modernization is often referred as industrial robots. It involves the whole process of processing and transport. It's reliable, safe a

8、nd economic operation directly related to production safety and economic interests of the factory. Mechanical arm can start working in some high-risk, high pollution and can achieve the degree of standardization of produ

9、cts which reduce the defect rate and reduce the number of factory w</p><p>　　In this paper, the main control system design is based on the S7-300 robot. It is based on cylindrical coordinate system and contr

10、olled by the PLC Configuration software to monitor the work of screw combination and handling.</p><p>　　Robot into the automation of manual and detection of three works, you can easily switch and make up. Ar

11、tificial on the screw, low efficiency, low degree of standardization are factory automation and standardization.</p><p>　　Key words: mechanical arm; PLC; configuration software; automatic control</p>

12、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 本課題的意義1</p><p>　　1.2本文主要做的工作1</p><p>　　1.2.1問題提出1</p><p>　　1.2.2機(jī)械手

13、臂的國內(nèi)外狀況及其發(fā)展趨勢1</p><p>　　1.2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容2</p><p>　　2 機(jī)械手臂工作原理4</p><p>　　2.1機(jī)械臂的運(yùn)動形式4</p><p>　　2.1.1直角坐標(biāo)系4</p><p>　　2.1.2圓柱坐標(biāo)系4</p><p>　　2.

14、1.3關(guān)節(jié)型5</p><p>　　2.1.4機(jī)械手的技能和特性5</p><p>　　3 PLC系統(tǒng)硬件構(gòu)成及傳感器選型設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.1 PLC的構(gòu)成、特點(diǎn)及其工作原理7</p><p><b>　　3.1.1構(gòu)成7</b></p><p>　　3.1.2PLC的特點(diǎn)

15、9</p><p>　　3.1.3PLC的工作原理9</p><p>　　3.1.4PLC的應(yīng)用領(lǐng)域10</p><p>　　3.2電器元件、設(shè)備的選擇11</p><p>　　3.2.1PLC機(jī)型的選擇11</p><p>　　3.2.2輸入輸出模塊11</p><p>　　3.2

16、.3電源模塊的選擇：15</p><p>　　3.2.4導(dǎo)軌（固定各個(gè)模塊）15</p><p>　　3.2.5 PLC硬件系統(tǒng)的配置、PLC的I/O配置15</p><p>　　3.2.6步進(jìn)電動機(jī)選型16</p><p>　　3.2.7直流電機(jī)選型18</p><p>　　3.2.8壓力傳感器19<

17、;/p><p>　　3.2.9扭矩傳感器19</p><p>　　4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.1控制流程圖21</p><p>　　4.2生成PLC程序塊22</p><p><b>　　4.3語言22</b></p><p>　　4.4編輯符號表2

18、3</p><p>　　4.5編輯PLC程序24</p><p>　　4.6程序的下載28</p><p>　　4.7監(jiān)視PLC的狀態(tài)29</p><p>　　4.8調(diào)試PLC程序29</p><p>　　5 機(jī)械手臂監(jiān)控上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)30</p><p>　　5.1組態(tài)軟件的簡單

19、介紹30</p><p>　　5.2各個(gè)主要監(jiān)視畫面30</p><p><b>　　6 總結(jié)32</b></p><p>　　6.1 機(jī)械手臂設(shè)計(jì)系統(tǒng)總結(jié)32</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p><b>　　附錄34<

20、;/b></p><p><b>　　翻譯部分45</b></p><p><b>　　致 謝55</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 本課題的意義</p><p>　　每一項(xiàng)性技術(shù)的出現(xiàn)總會帶來

21、巨大的產(chǎn)業(yè)變革，機(jī)械手臂的出現(xiàn)也不例外。在全世界工業(yè)自動化，及其人口老齡化日益嚴(yán)重的中國，招工荒將會日益顯現(xiàn)，接下來的就是人力成本將會顯著上升，那些危險(xiǎn)性較高的工作，及其單位利潤較低的行業(yè)將不得不思考企業(yè)轉(zhuǎn)型的良方，機(jī)械手臂無疑是首要選擇。</p><p>　　機(jī)械手的積極作用正日益為人們所認(rèn)識。它可以無條件的服從指令所給予的任務(wù)，每一次執(zhí)行的過程，在同等條件下幾乎沒有任何的偏差，而且具有很高的可靠性能。靈活性非

22、常強(qiáng)，在產(chǎn)品更新時(shí)，在可行的范圍內(nèi)幾乎不需要做任何硬件的改動，就能實(shí)現(xiàn)再生產(chǎn)再利用。而且研發(fā)周期非常短，相對于其它工業(yè)控制器而言。因此，受到各先進(jìn)單位的重視并投入了大量的人力物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的成果，受到各工業(yè)部門的重視[1]。 </p><p>　　1.2本文主要做的工作 </p><p>　

23、　1.2.1問題提出 </p><p>　　PLC控制的機(jī)械手最主要是應(yīng)用于自動化生產(chǎn)中，如何綜合地運(yùn)用前面學(xué)過知識點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際工程要求合理組合成控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手臂的自動和手動操作，滿足控制系統(tǒng)的要求。</p><p>　　1.2.2機(jī)械手臂的國內(nèi)外狀況及其發(fā)展趨勢</p><p>　　我國的工業(yè)機(jī)械手臂從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下通過

24、“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)械臂操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)械手臂關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺套噴漆機(jī)械臂在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品:機(jī)器手應(yīng)用工程起步

25、較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器手約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器手產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器手生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我國的智能機(jī)器

26、手和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了</p><p>　　國內(nèi)外機(jī)械手臂領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢:</p><p>　　(1)工業(yè)機(jī)械臂性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。</p><p>　　(2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺

27、服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國外已有模塊化裝配機(jī)械臂產(chǎn)品問市。</p><p>　　(3)工業(yè)機(jī)械手臂控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。</p><p>　　(4)機(jī)械臂中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速

28、度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。</p><p>　　(5)當(dāng)代機(jī)械手臂系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器手臂的人機(jī)交互控制。</p><p>　　(6)機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸

29、機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。</p><p>　　1.2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 </p><p>　　機(jī)械手臂控制系統(tǒng)是由PLC與系統(tǒng)輸入 、輸出設(shè)備連接而成。因此，機(jī)械手臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)包括以下基本內(nèi)容：</p><p>　?、?擬定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)條件。技術(shù)條件一般以設(shè)計(jì)任務(wù)書的形式來確定，它是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

30、的依據(jù)。</p><p>　?、?確定系統(tǒng)運(yùn)行方式及其控制方式。PLC可構(gòu)成各種各樣的控制系統(tǒng)，如單機(jī)控制系統(tǒng)集中控制系統(tǒng)等。在進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要確定系統(tǒng)的控制形式。</p><p>　　③ 選擇系統(tǒng)輸入設(shè)備（按鈕、限位開關(guān)、傳感器等）、輸出設(shè)備（繼電器、接觸器等）以及由輸出設(shè)備驅(qū)動的控制對象（電動機(jī)、電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)）。</p><p>　?、?PLC型號的選擇

31、。PLC是控制系統(tǒng)的核心，正確選擇PLC對保證整個(gè)控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)起著重要的作用。選擇PLC主要包括機(jī)型選擇、容量選擇、I/O選擇模塊、電源模塊選擇等。</p><p>　?、?編制PLC的輸入輸出分配表，繪制輸入輸出端子接線圖。</p><p>　?、?設(shè)計(jì)操作臺、電器柜及非標(biāo)準(zhǔn)電路元器件。</p><p>　?、?設(shè)計(jì)控制程序?？刂瞥绦蚴潜ＷC系統(tǒng)正常、安全

32、、可靠工作的關(guān)鍵。因此控制工序應(yīng)反復(fù)調(diào)試、修改，直到滿足要求為止[3]。</p><p>　　圖1.1 PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要步驟</p><p>　　2 機(jī)械手臂工作原理</p><p>　　2.1機(jī)械臂的運(yùn)動形式</p><p>　　2.1.1直角坐標(biāo)系</p><p>　　臂部由三個(gè)相互正交的移動副組成。帶動腕

33、部分別沿X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸的方向做直線移動。結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動位置精度高。但所占空間范圍較大，工作范圍相對較小。</p><p><b>　　圖2.1直角坐標(biāo)系</b></p><p>　　2.1.2圓柱坐標(biāo)系 </p><p>　　臂部是由一個(gè)轉(zhuǎn)動副和兩個(gè)移動副組成，相對來說所占空間較小，工作范圍較大應(yīng)用較廣泛。</p><

34、p>　　圖2.2 圓柱坐標(biāo)系</p><p><b>　　2.1.3關(guān)節(jié)型 </b></p><p>　　由動力型旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和前、下兩臂組成。關(guān)節(jié)型機(jī)器人以臂部各相鄰部件的相對角位移為運(yùn)動坐標(biāo)。動作靈活，所占空間小，工作范圍大，能在狹窄空間內(nèi)饒過各種障礙物。</p><p>　　圖2.3 關(guān)節(jié)型設(shè)計(jì)</p><p>

35、　?。ㄗⅲ罕驹O(shè)計(jì)采用常見的圓柱形坐標(biāo)系)</p><p>　　2.1.4機(jī)械手的技能和特性</p><p>　　1、根據(jù)古典力學(xué)觀點(diǎn)，物體在三維空間的靜止位置是由三個(gè)坐標(biāo)和繞三軸旋轉(zhuǎn)的角度來決定的。因此，抓握物體的位置和方向（即關(guān)節(jié)間的角度）能從理論上求得。據(jù)資料介紹，如果采用的機(jī)械手，其機(jī)能要接近人的上肢，則需要具有27個(gè)自由度，而每一個(gè)自由度至少要有一根“人造肌肉”。這樣就需要安裝27

36、根重量輕、小型和高輸出力的“人造肌肉”。就目前的技術(shù)狀況而言，上述功能還很難辦到。而且把機(jī)械手的功能搞得那么復(fù)雜，動作彼此嚴(yán)重重疊也是完全不必要的。退一步，如果機(jī)械手要求具有完全通用的程度，那么它的整機(jī)、本體、手臂和手指都得有三個(gè)直線運(yùn)動和三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，總共就要有24個(gè)自由度。這在實(shí)際上也是不必要的，這樣會使機(jī)械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜，費(fèi)用增多。因此，不應(yīng)盲目模仿人手的動作，增加過渡的自由度，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要的動作，設(shè)計(jì)出最少的自由度就能完成作業(yè)所

37、要求的動作。所以一般專用的機(jī)械手（不包括握緊動作）通常具有二到三個(gè)自由度。而通用機(jī)械手一般取四到五個(gè)自由度。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的機(jī)械手，它共有五個(gè)自由度。即：手臂伸縮、手臂上下擺動、手臂左右擺動、手腕回轉(zhuǎn)、手指抓握。</p><p>　　2、 軀干和傳動系統(tǒng)</p><p>　　機(jī)械手的傳動分為液壓、氣壓、電氣和機(jī)械四種，本設(shè)計(jì)采用綜合傳動方式，即手

38、臂采用電氣傳動，而手爪則采用氣壓傳動。 </p><p><b>　　3、夾緊機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　機(jī)械手手爪使用來抓取工件的部件。手爪抓取工件是要滿足迅速、靈活、準(zhǔn)確和可靠的要求。設(shè)計(jì)制造夾緊機(jī)構(gòu)——手爪時(shí)，首先要從機(jī)械手的坐標(biāo)形式、運(yùn)行速度和加速度的情況來考慮。其加緊力的大小則根據(jù)夾持物體的重量、慣性和沖擊力的大小來計(jì)算。同時(shí)考慮有足夠的開口尺寸，以適

39、應(yīng)被抓物體的尺寸變化，為擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用范圍，還需備有多種抓取機(jī)構(gòu)，以根據(jù)需要來更換手爪。為防止損壞被夾的物體，夾緊力應(yīng)限制一定的范圍內(nèi)，并鑲有軟質(zhì)墊片、彈性襯墊或自動定心結(jié)構(gòu)。為防止突然停電被抓物體落下，還可以有自鎖結(jié)構(gòu)。夾緊機(jī)構(gòu)本身則應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、動作靈活和動作可靠。</p><p>　　夾緊機(jī)構(gòu)形式多樣，有機(jī)械式、吸盤式和電磁式等。有的夾緊機(jī)構(gòu)還帶有傳感裝置和攜帶工具進(jìn)行操作的裝置。本設(shè)計(jì)采用

40、機(jī)械式的夾緊機(jī)構(gòu)。</p><p>　　機(jī)械式夾緊機(jī)構(gòu)是最基本的一種，應(yīng)用廣泛，種類繁多。如按手指運(yùn)動的方式和模仿人手的動作，可分為回轉(zhuǎn)型、直進(jìn)型；按夾持方式可分為內(nèi)撐式、外撐式和自鎖式；按手指數(shù)目可分為二指式、三指式、四指式；按動力來源可分為彈簧式、氣動式、液壓式等。本設(shè)計(jì)采用二指式氣動手爪。由可編程控制器控制電磁閥動作，從而控制手爪的張閉。手爪的回轉(zhuǎn)則用一個(gè)直流電動機(jī)完成，同時(shí)通過兩個(gè)限位磁頭完成回轉(zhuǎn)角度的限

41、位，一般可設(shè)置在180度。</p><p><b>　　4、軀干</b></p><p>　　軀干由底盤和手臂兩大部分組成。</p><p>　　底盤是支撐機(jī)械手全部重量并能帶動手臂旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。底盤采用一個(gè)步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動，根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)的角度和每步的角度計(jì)算出所需要的步數(shù)。由PLC給出脈沖數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)控制，同時(shí)，在底盤上裝有限位磁頭，最大旋轉(zhuǎn)角度

42、可達(dá)270度[10]。</p><p>　　手臂是機(jī)械手的主要部分，它是支撐手爪、工件并使它們運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中手臂由橫軸和豎軸組成，可完成伸縮、升降的運(yùn)動。手臂采用直流電動機(jī)帶動絲杠、螺母來實(shí)現(xiàn)伸縮和升降運(yùn)動。同時(shí)在兩軸的兩端分別加限位開關(guān)限位。采用絲杠、螺母結(jié)構(gòu)傳動的特點(diǎn)是易于自鎖，位置精度較高，傳動效率較高。</p><p>　　3 PLC系統(tǒng)硬件構(gòu)成及傳感器選型設(shè)計(jì)</p&

43、gt;<p>　　3.1PLC的構(gòu)成、特點(diǎn)及其工作原理</p><p><b>　　3.1.1構(gòu)成</b></p><p>　　從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以

44、按照一定規(guī)則組合配置。</p><p>　　PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成為：</p><p><b>　　電源：</b></p><p>　　PLC的電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源，在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個(gè)良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的

45、制造商對電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。同時(shí)，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。</p><p><b>　　CPU：</b></p><p>　　中央處理單元(CPU)是PLC的控制

46、中樞，是PLC的核心起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個(gè)CPU。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶

47、程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。</p><p>　　為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。</p><p>　　CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)

48、量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。</p><p><b>　　存儲器：</b></p><p>　　存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。</p><p>　　存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。</p><p><b>　　輸入輸出部分：</b></p><p>

49、　　PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進(jìn)入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入（DI），開關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。</p><p>　　1．現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路，作用是PLC與現(xiàn)場控制的接口

50、界面的輸入通道。</p><p>　　2．現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用PLC通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號。</p><p>　　常見的I/O分配如下：</p><p>　　開關(guān)量量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。</p>&

51、lt;p>　　模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。</p><p>　　按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。</p>

52、;<p><b>　　底座或機(jī)架：</b></p><p>　　大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機(jī)架，其作用是：電氣上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個(gè)整體。</p><p><b>　　功能模塊：</b></p><p>　　如計(jì)數(shù)、定位等功能模塊

53、</p><p><b>　　通信模塊：</b></p><p>　　如以太網(wǎng)、RS485、Profibus-DP通訊模塊等</p><p><b>　　編程設(shè)備：</b></p><p>　　編程器是PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測運(yùn)行、檢查維護(hù)不可缺少的器件，用于編程、對系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所

54、控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運(yùn)行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行編程軟件）充當(dāng)編程器。</p><p><b>　　人機(jī)界面：</b></p><p>　　最簡單的人機(jī)界面是指示燈和按鈕，液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應(yīng)用越來越廣泛，由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行組態(tài)軟件）充當(dāng)人機(jī)界面非常普及。</p><p>

55、;　　圖3.1 PLC的組成部分</p><p>　　3.1.2PLC的特點(diǎn)</p><p>　　可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)</p><p>　　由于采用大規(guī)模集成電路及微處理器，使系統(tǒng)器件數(shù)大大減少，并且在硬件設(shè)計(jì)和制作的過程中采用了一系列屏蔽、濾波、隔離等抗干擾措施，使PLC能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，具有很高的可靠性。它的平均故障間隔時(shí)間為3—5萬小時(shí)。</p&g

56、t;<p><b>　　變成簡單，使用方便</b></p><p>　　PLC采用面向控制過程，面向問題的“自然語言”編程，容易掌握。目前PLC大多數(shù)采用梯形圖語言編程方式，它繼承了傳統(tǒng)繼電器控制線路清晰直觀的特點(diǎn)，考慮到大多數(shù)電氣控制人員的讀圖習(xí)慣及應(yīng)用微機(jī)的水平，很容易被技術(shù)人員所接受，易于編程，易于修改。</p><p><b>　　采用

57、模塊化結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的個(gè)個(gè)部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，有機(jī)架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可以根據(jù)系統(tǒng)的需要自行組合。</p><p>　　縮短設(shè)計(jì)、施工、投產(chǎn)的周期，容易維護(hù)</p><p>　　目前，PLC產(chǎn)品

58、朝著標(biāo)準(zhǔn)化，系列化方向發(fā)展，只需根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，選擇相應(yīng)的模塊進(jìn)行組合設(shè)計(jì)即可；同時(shí)用軟件編程代替了硬件設(shè)計(jì)的硬連線，大大減輕了接線工作；PLC還具有故障檢測檢測和顯示功能，使故障處理時(shí)間縮短。</p><p><b>　　豐富的I/O接口</b></p><p>　　由于工業(yè)控制機(jī)只是工業(yè)控制整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)的一個(gè)控制中樞，為了實(shí)現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程的

59、控制，它還必須與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備相連接才能完成控制任務(wù)。因此，PLC除了具有計(jì)算機(jī)的基本部分（如CPU、存儲器等）以外，還有豐富的I/O接口模塊。對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號（如交流、直流、開關(guān)量、模擬量、脈沖等）都有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備（如按鈕、行程開關(guān)、傳感器及變送器等）直接連接。另外，為了提高PLC的操作性能，它還有多種人機(jī)對話的接口模塊；為了組成工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，還配備了多種通信聯(lián)網(wǎng)的接口模塊等。</p>

60、<p>　　體積小，重量輕，功耗低</p><p>　　由于采用半導(dǎo)體集成電路，與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比較，其體積小，重量輕，功耗低。</p><p>　　3.1.3PLC的工作原理</p><p>　　PLC一般采用循環(huán)掃描的工作方式。</p><p>　　PLC上電后,執(zhí)行系統(tǒng)程序規(guī)定的任務(wù),周而復(fù)始地掃描并執(zhí)行用戶程序。完成一次掃描

61、所用的時(shí)間稱為掃描周期。一次循環(huán)過程可歸納為五個(gè)階段,循環(huán)掃描過程為公共處理執(zhí)行用戶程序掃描周期計(jì)算輸入輸出刷新外設(shè)端口服務(wù)——公共處理。</p><p><b>　　公共處理：</b></p><p>　　在公共處理階段,要進(jìn)行復(fù)位監(jiān)視定時(shí)器、硬件檢查、用戶內(nèi)存檢查等操作。若有異常情況,故障顯示燈亮,判斷并顯示故障的性質(zhì)。若屬于一般性故障,則只報(bào)警,但不需要停機(jī),可

62、等待處理。</p><p><b>　　執(zhí)行用戶程序：</b></p><p>　　執(zhí)行用戶程序階段,逐條解釋和執(zhí)行用戶程序,其所需的全部信息都是從映像寄存器中讀取的.映像寄存器包括輸入映像寄存器和元件映像寄存器。輸入映像寄存器存儲著輸入繼電器的通斷狀態(tài),輸入繼電器接通為1,斷開為0。元件映像寄存器存儲著輸出繼電器、各種輔助繼電器等的狀態(tài),同樣用和表示它們的通斷狀態(tài)。

63、</p><p>　　PLC在執(zhí)行用戶程序時(shí)所需的外部輸入信息,不是直接從輸入端讀取的,而是從輸入映像寄存器中讀取的。在每個(gè)掃描周期的I/O刷新階段,CPU從PLC輸入端讀取一次信息并存入輸入映像寄存器中。在此后的一個(gè)掃描周期中,盡管PLC輸入端的狀態(tài)可能發(fā)生過變化,但輸入映像寄存器中的數(shù)據(jù)也保持不變。同樣,所需的輸出繼電器或其他編程元件的狀態(tài)信息,是從元件映像寄存器中讀取的。在執(zhí)行用戶程序過程中,根據(jù)用戶程序給

64、出的邏輯關(guān)系進(jìn)行邏輯運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果再寫入元件映像寄存器中?？梢?在一個(gè)掃描周期中元件映像寄存器中的內(nèi)容是可變的。</p><p><b>　　掃描周期的運(yùn)算：</b></p><p>　　在掃描周期的計(jì)算階段,若預(yù)先設(shè)定了掃描周期的值,則進(jìn)入等待,直至達(dá)到該設(shè)定值時(shí)掃描再往下進(jìn)行若掃描周期設(shè)為不定時(shí),則要進(jìn)行掃描周期的計(jì)算。</p><p>&

65、lt;b>　　刷新：</b></p><p>　　在I/O刷新階段,主要作兩件事情：</p><p>　　(1)讀各輸入點(diǎn)的狀態(tài)</p><p>　　從輸入電路中讀取各輸入點(diǎn)的狀態(tài)并將此狀態(tài)寫入輸入映像寄存器中,也就是刷新輸入映像寄存器的內(nèi)容"自此輸入映像寄存器就與外界隔離,無論輸入信號的狀態(tài)怎樣變化,輸入映像寄存器的內(nèi)容都保持不變,一直

66、到下一個(gè)掃描周期的I/O刷新階段,才會寫進(jìn)新內(nèi)容；</p><p>　　(2)讀輸出元件映像寄存器中的狀態(tài)</p><p>　　將對應(yīng)輸出繼電器的元件映像寄存器的狀態(tài)傳送到輸出鎖存器電路中,再經(jīng)輸出電路的隔離和功率放大送到的輸出端,驅(qū)動外部執(zhí)行元件動作。</p><p><b>　　外設(shè)口服務(wù)：</b></p><p>

67、　　在外設(shè)口服務(wù)階段,完成與外設(shè)口連接的外圍設(shè)備如編程器或通信適配器的通信處理。完成上述各階段的處理后,又返回公共處理階段,周而復(fù)始的進(jìn)行掃描。</p><p>　　3.1.4PLC的應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>　　PLC廣泛應(yīng)用于冶金、采礦、石油、化工、電力機(jī)械制造等行業(yè)中。特別是在輕工業(yè)行業(yè)中，因其生產(chǎn)門類多，產(chǎn)品更新?lián)Q代快，所以PLC廣泛應(yīng)用在包裝機(jī)械、塑料機(jī)械、控制系統(tǒng)、機(jī)床、樓與自

68、動化、造紙、電氣制造工業(yè)等電氣設(shè)備中。</p><p>　　PLC應(yīng)用大致可以分為以下幾種類型：</p><p>　　??用于開關(guān)邏輯控制。這是PLC最基本的控制場合，用PLC可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制，如機(jī)床電氣、電動機(jī)控制中心；也可以取代順序控制，如高爐上料，電梯控制，貨物存取、運(yùn)輸檢測等。</p><p>　　??用于機(jī)械加工的數(shù)字控制。PLC和計(jì)算機(jī)機(jī)械裝置組

69、合在一起，可實(shí)行數(shù)字控制，組成數(shù)控機(jī)床。</p><p>　　??用于機(jī)器人或機(jī)械手控制。</p><p>　　??用于閉環(huán)過程控制。大中型PLC都配有PID模塊和A/D、D/A模塊，可實(shí)現(xiàn)單回路、多回路的可調(diào)節(jié)控制。</p><p>　　??PLC可與集散控制系統(tǒng)DCS進(jìn)行通信連接，組成多級控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工廠自動化網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　

70、　總之，PLC應(yīng)用面廣，功能強(qiáng)大，使用方便，已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要支柱之一，在工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　3.2電器元件、設(shè)備的選擇</p><p>　　3.2.1PLC機(jī)型的選擇</p><p>　　根據(jù)被控對象對PLC控制系統(tǒng)的功能要求，可進(jìn)行PLC型號的選定。進(jìn)行PLC選型時(shí)，基本原則是滿足控制系統(tǒng)的功能需要，同時(shí)要兼顧維修

71、、備件的通用性。對開關(guān)量控制的系統(tǒng)，當(dāng)控制速度要求不高時(shí)，一般的PLC都可以滿足要求，如對小型泵的順序控制、單臺機(jī)械的自動控制等。當(dāng)控制速度要求較高、輸出有高速脈沖信號等情況時(shí)，要考慮輸入/輸出點(diǎn)的形式，最好采用晶體管形式輸出。本文采用西門子S7-300PLC,這里選用CPU314（標(biāo)準(zhǔn)型）。作為中央處理單元，用于輸入信號狀態(tài)，處理控制程序及控制信號的輸出，該模塊具有豐富的邏輯運(yùn)算指令和算術(shù)功能，可以滿足對處理速度有快速要求的場合。CP

72、U314在300 ns內(nèi)執(zhí)行一條二進(jìn)制指令，為用戶提供了充足的工作內(nèi)存，24R字節(jié)RAM(相當(dāng)于8K語句)，而且可用最大為雙2K字節(jié)的插入型存儲器卡簡單地進(jìn)行掉電程序備份。</p><p>　　圖3.2 CPU314模塊實(shí)物</p><p>　　3.2.2輸入輸出模塊</p><p><b>　　數(shù)字量輸入模塊</b></p>&

73、lt;p>　　數(shù)字量輸入模塊SM321有四種型號模塊可供選擇，即直流16點(diǎn)輸入，直流32點(diǎn)輸入、交流16點(diǎn)輸入、交流8點(diǎn)輸入。輸入電壓類型有直流電壓24V、48～125V，交流電壓120V、120V/230V。輸入模塊的輸入點(diǎn)通常要分成若干組，每組在模塊內(nèi)部有其公共端，選型時(shí)要考慮外部開關(guān)信號的電壓等級和形式，不同電壓等級的信號必須分配在不同的組。下面是它的接線圖：</p><p>　　圖3.3 數(shù)字量輸入

74、接線</p><p>　　圖3.4 SM321模塊實(shí)物圖</p><p>　　數(shù)字量輸出模塊SM322 </p><p>　　數(shù)字量輸出模塊SM322有32點(diǎn)、16點(diǎn)、8點(diǎn)，輸出開關(guān)器件有晶體管、閘流管、繼電器三種輸出方式。負(fù)載電壓等級有24VDC、48～125V（DC）、120V（AC）、120V/230V（AC）等。下面是它的接線圖：</p>&l

75、t;p>　　圖3.5數(shù)字量輸出接線</p><p>　　圖3.6 SM322模塊實(shí)物圖</p><p>　　數(shù)字量輸入輸出模塊SM323</p><p>　　數(shù)字量輸入輸出模塊SM323有兩種類型，一種是8點(diǎn)輸入，8點(diǎn)輸出的模塊，輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)只有一個(gè)公共端；另一種有16點(diǎn)輸入和16點(diǎn)輸出，輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)只有一個(gè)公共端。這兩種模型的輸入輸出特性相同。輸入、輸出

76、的額定電壓均為DC24V，輸入電壓“1”信號電平為11～30V，“0”信號電平為-3～+5V，輸入電流為7mA，最大輸出電流為0.5A，每組總輸出電流為4A。輸入電路與輸出電路通過光耦合器與背板相連，輸出電路為晶體管型，有電子短路保護(hù)功能。在額定輸入電壓下，輸入延遲為1.2～4.8ms。SM323數(shù)字量輸入輸出模塊是在一塊模塊上同時(shí)具備輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)的信號模塊。S7-300系列PLC有兩種類型的數(shù)字量輸入輸出模塊。</p>

77、<p><b>　　模擬量輸入模塊</b></p><p>　　SM331模擬量輸入模塊主要用于連接電壓和電流傳感器、熱電偶、電阻器和電阻式溫度計(jì)，然后將控制過程中的模擬信號轉(zhuǎn)化為S7-300系列PLC內(nèi)部處理的數(shù)字信號。轉(zhuǎn)換精度有12位、13位、14位、和16位；輸入通道有2通道、8通道和16通道3種。下面是它的接線圖：</p><p>　　圖3.7 模

78、擬量輸入接線</p><p>　　圖3.8 SM332模塊實(shí)物圖</p><p><b>　　模擬量輸出模塊</b></p><p>　　SM322模擬量輸出模塊用于將S7-300系列PLC的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)所需要的模擬量信號，以控制模擬量調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)械，或者作為其他設(shè)備的模擬量的給定信號，其核心部件位D/A轉(zhuǎn)換器。SM322模擬量輸出模塊

79、目前有三種規(guī)格：AO8×12位、AO4×12位、AO2×12位、AO4×16位，所有模塊內(nèi)均設(shè)有光電隔離電路，其轉(zhuǎn)換精度有12位和15位兩種；輸出通道有兩通道和四通道兩種形式。</p><p>　　輸出信號可為電壓和電流輸出。輸出的電流和電壓范圍可調(diào)，用參數(shù)化軟件可以為每個(gè)設(shè)定獨(dú)立的調(diào)節(jié)范圍。電壓的輸出范圍可調(diào)為1～5V、0～10V、+10V～-10；電流的輸出范圍可調(diào)為0

80、～20mA、4～20mA、-20～20mA。</p><p>　　模擬量輸入/輸出模塊</p><p>　　SM334在一塊模塊上同時(shí)具有模擬量輸入輸出功能，目前有兩種規(guī)格，都是4AI/2AO.一種是輸入輸出精度為8位，另一種是輸入輸出精度為12位。輸入測量范圍為0～10V或0～20mA，輸出范圍是0～10V或0～20mA。</p><p>　　3.2.3電源模塊的

81、選擇：</p><p>　　電源模塊將120/230伏交流電壓轉(zhuǎn)換為24V直流電壓，為S7-300的CPU、I/O口、傳感器和執(zhí)行器供電。輸出電流由2A、5A、10A 3種，在本例中，采用PS 307 5A。電源模塊安裝在DIN導(dǎo)軌上的插槽1。</p><p>　　3.2.4導(dǎo)軌（固定各個(gè)模塊） </p><p>　　3.2.5 PLC硬件系統(tǒng)的配置、PLC的I/O

82、配置</p><p>　　根據(jù)控制要求，確定系統(tǒng)需要的出入輸出信號，據(jù)此選擇組成PLC系統(tǒng)需要的硬件。然后在根據(jù)控制要求和組成PLC系統(tǒng)配置的硬件組態(tài)時(shí)提供的出入輸出繼電器的字節(jié)地址，確定PLC的I/O地址分配表。</p><p>　　根據(jù)控制要求，該系統(tǒng)既需要數(shù)字量控制，又需要模擬量控制，需要數(shù)字量輸入點(diǎn)7個(gè)，8個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，2個(gè)模擬量輸入點(diǎn)，1個(gè)模擬量輸出點(diǎn)。綜合考慮個(gè)方面因素和進(jìn)一

83、步發(fā)展的要求，因此選擇S7-300作為主控制器。CPU模塊選擇CPU314、電源模塊選擇PS307 5A、數(shù)字量輸入模塊選擇SM321 16×DC 24V、數(shù)字量輸出模塊選擇一塊SM322 16點(diǎn)×230V繼電器輸出，模擬量輸入采用SM331AI2×12Bit[20] 。</p><p>　　表3.1 PLC硬件配置</p><p>　　表3.2 PLC的數(shù)字

84、量I/O配置</p><p>　　表3.3 PLC的模擬量I/O配置</p><p>　　3.2.6步進(jìn)電動機(jī)選型</p><p>　　因?yàn)椴竭M(jìn)電動機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制，在底盤的控制中我選用步進(jìn)電動機(jī)做控制。步進(jìn)電動機(jī)采用86系列兩相混合式步進(jìn)電動機(jī)。</p><p>　　電機(jī)驅(qū)動器采用北京張前蘇電子科技有限公司ST-4HB05XA驅(qū)動器<

85、;/p><p>　　電源采用24DCV，step因?yàn)樾枰?V的脈沖信號，所以由設(shè)置CPU的clock memory 產(chǎn)生脈沖信號控制一個(gè)開關(guān)M100，本例中采用M100.0。外接一個(gè)5V的穩(wěn)壓電源與輸入端相連接即可。CPU的設(shè)置表如下：</p><p>　　表3.4時(shí)鐘存儲器各位及對應(yīng)的周期和頻率</p><p>　　DIR由數(shù)字量Q給出，開關(guān)12345678均處于開的

86、狀態(tài)，自動開關(guān)5處于ON 狀態(tài)。一圈是200步，所以90°是50步。就是發(fā)出50個(gè)脈沖，就可以了。</p><p>　　表3.5步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器技術(shù)數(shù)據(jù)</p><p>　　3.2.7直流電機(jī)選型</p><p>　　直流電動機(jī)具有控制精度高，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械手臂的運(yùn)行方面，本文采用北京華達(dá)和利科技有限公司的產(chǎn)品，型號：J60LYX01</p&

87、gt;<p><b>　　技術(shù)參數(shù)：</b></p><p>　　表 3.6 直流電動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)</p><p>　　本文中需要3臺直流電動機(jī)。</p><p>　　3.2.8壓力傳感器 </p><p>　　本例采用兩線制模擬量輸入4-20mA 供給電源24DCV（無需另加電源設(shè)計(jì)）</p>

88、<p>　　佛山市順德區(qū)昊勝科技有限公司</p><p>　　表3.7壓力傳感器技術(shù)數(shù)據(jù)</p><p>　　3.2.9扭矩傳感器</p><p>　　扭矩傳感器是一種精確測量各種扭矩、轉(zhuǎn)速和各種機(jī)械功率的測量器件。</p><p><b>　　廣泛，主要用于：</b></p><p>

89、;　　1、電動機(jī)。發(fā)動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等旋轉(zhuǎn)動力設(shè)備輸出扭矩及功率的檢測；</p><p>　　2、風(fēng)機(jī)、水泵、齒輪箱、扭力扳手的扭矩及功率的檢測；</p><p>　　3、鐵路機(jī)車、汽車、拖拉機(jī)、飛機(jī)、船舶、礦山機(jī)械中的扭矩及功率的檢測；</p><p>　　4、可用于污水處理系統(tǒng)中的扭矩及功率的檢測；</p><p>　　5、可用于制造粘度計(jì)；

90、</p><p>　　6、可用于過程工業(yè)和流程工業(yè)中。</p><p>　　北京昆瑞測控技術(shù)有限公司的KR-814型動態(tài)扭矩傳感器扭矩傳感器具有單電源24DCV供電，且具有4—20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號輸出，很好的適應(yīng)了控制要求，本文將采用之，也是采用兩線制。</p><p>　　主要功能及性能指標(biāo)：</p><p>　　表 3.9扭矩傳感器技術(shù)數(shù)

91、據(jù)</p><p>　　表 3.10扭矩傳感器技術(shù)數(shù)據(jù)</p><p><b>　　4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　4.1控制流程圖</b></p><p>　　機(jī)械手工作流程圖如下圖所示。把可編程序控制器主機(jī)上的開關(guān)放在RUN位置，如果機(jī)械手不在初始位置，首先回到初始位置；首先

92、電動機(jī)動作，橫軸延伸，橫軸延伸到位，限位開關(guān)動作，然后電磁閥動作機(jī)械手張開，延時(shí)一段時(shí)間，機(jī)械手臂豎直下降，限位開關(guān)動作，電磁閥動作手閉合，加緊螺母，當(dāng)壓力達(dá)到，壓力傳感器動作，橫軸收縮的同時(shí)，豎軸上升，底盤旋轉(zhuǎn)；當(dāng)橫軸豎軸達(dá)到限位開關(guān)底盤已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了90°時(shí)，橫軸延伸限位，豎軸下降直到接近開關(guān)動作，手加緊旋轉(zhuǎn)，檢測扭矩傳感器是否動作，如果不動作，接著轉(zhuǎn)，當(dāng)動作時(shí)，電動機(jī)提起工件放在C位置，然后返回初始位置，等待命令是否連續(xù)進(jìn)行

93、；由開關(guān)K的開通與斷開決定是否連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖4.1機(jī)械手控制流程圖</p><p>　　4.2生成PLC程序塊</p><p>　　編輯PLC程序的第一步就是要生成PLC程序中需要使用的塊，這些塊包括基本邏輯塊（組織塊OB、程序塊FC、功能塊FB）以及數(shù)據(jù)塊DB、數(shù)據(jù)類型UDT、系統(tǒng)數(shù)據(jù)、變量表等，系統(tǒng)程序塊SPC、系統(tǒng)功能塊SFB可以根據(jù)需要調(diào)

94、用，無需進(jìn)行專門編寫與編寫與編輯。在本文中采用了組織塊OB1和OB100，程序塊FC1。其中OB1主要用于主循環(huán)，由于S7-300只能使用暖啟動，所以每次啟動時(shí)能執(zhí)行OB100一次，所以O(shè)B100主要功能在于復(fù)位，意思是每次上電時(shí)機(jī)械手臂總是在復(fù)位狀態(tài)，不然就是它回到初始位置，這一點(diǎn)非常重要。</p><p><b>　　4.3語言</b></p><p>　　1 梯

95、形圖編程語言（LAD）</p><p>　　梯形圖來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述，是PLC編程中被最廣泛使用的一種圖形化語言，由于梯形圖類似于繼電器控制的電氣接線圖，便于理解,因此許多編程人員和維護(hù)人員都選擇了這一編程方式。而且其圖形結(jié)構(gòu)類似于登高用的梯子，故名梯形圖。梯形圖程序的左右兩側(cè)有兩垂直的電力軌線，左側(cè)的電力軌線名義上為功率流從左向右沿著水平梯級通過各個(gè)觸點(diǎn)、功能、功能塊、線圈等提供能量，功率流的終點(diǎn)是

96、右側(cè)的電力軌線。每一個(gè)觸點(diǎn)代表了一個(gè)布爾變量的狀態(tài)，每一個(gè)線圈代表了一個(gè)實(shí)際設(shè)備的狀態(tài)，一個(gè)簡單的梯形圖程序如圖3.20所示:</p><p>　　圖4.2 梯形圖程序示例</p><p>　　梯形圖的每個(gè)梯級表示一個(gè)因果關(guān)系,事件發(fā)生的條件表示在梯形的左面,事件發(fā)生的結(jié)果表示在梯級的右面。</p><p>　　梯形圖編程語言具有如下特點(diǎn):</p&g

97、t;<p>　　(1) 與電氣操作原理圖相對應(yīng)，具有直觀性和對應(yīng)性;</p><p>　　(2) 與原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，易于掌握和學(xué)習(xí);</p><p>　　(3) 對于復(fù)雜控制系統(tǒng)描述,仍不夠清晰;</p><p>　　(4) 可讀性仍不夠好。</p><p>　　幾乎所有PLC廠商提供的PLC都支持梯形圖編程語言,

98、而且都比較容易理解，只是在梯形圖結(jié)構(gòu)上可能稍有變化。比如西門子的S7系列梯形圖就沒有右邊的電力軌線。有時(shí)在有此參考書中右邊的電力軌線也常常被省略。</p><p>　　2 功能塊圖編程語言(FBD-Function Block Diagram)</p><p>　　功能塊圖編程語言采用功能模塊表示所具有的功能，不同的功能模塊具有不同的功能。功能模塊用矩形來表示，每一個(gè)功能模塊的左側(cè)有不少于

99、一個(gè)的輸入端，右側(cè)有不少于一個(gè)的輸出端。功能模塊的類型名稱通常寫在塊內(nèi)，其輸入輸出名稱寫在塊內(nèi)的輸入輸出點(diǎn)對應(yīng)的地方。</p><p>　　功能模塊基本上分為兩類:基本功能模塊和特殊功能模塊?；竟δ苣K如AND，OR XOR等等.特殊功能模塊如ON延時(shí)，脈沖輸出，計(jì)數(shù)器等等。功能塊編程語言具有以下特點(diǎn):</p><p>　　(1) 以功能模塊為單位,從控制功能入手，使控制方案的分析和理

100、解變的容易;</p><p>　　(2) 功能模塊用圖形化的方式描述功能，較直觀易掌握，方便組態(tài)，易操作。是有發(fā)展前途的一種編程語言;</p><p>　　(3) 對較復(fù)雜系統(tǒng)，由于控制功能關(guān)系能夠比較清晰的描述，因此縮短了編程和調(diào)試時(shí)間;</p><p>　　(4) 因?yàn)槊恳粋€(gè)功能模塊要占用一定程序存儲空間，對功能塊的執(zhí)行需要一定的執(zhí)行時(shí)間，因此，這種語言在大中型

101、可編程控制器和分散控制系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛。</p><p>　　在PLC邏輯塊創(chuàng)建完成后，可以著手對每一個(gè)塊進(jìn)行PLC程序的輸入。在輸入前一般需要選擇PLC程序編輯所采用的編程語言。Step7V5.3標(biāo)準(zhǔn)版可以任意選擇梯形圖（LAD）指令表（STL）邏輯功能圖（FBD）三種編程語言進(jìn)行PLC用戶程序的編寫，三種語言間可以自動轉(zhuǎn)換。本例采用梯形圖編程。</p><p><b>　　4

102、.4編輯符號表</b></p><p>　　為了便于程序的閱讀與理解，避免在編程過程中頻繁查閱信號的絕對地址，在程序較復(fù)雜、I/O點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，可以通過STEP 7的符號編輯器生成符號表，將程序的絕對地址用具有含義的符號地址代替，然后在進(jìn)行編程。當(dāng)然，當(dāng)程序較簡單是，也可以直接使用絕對地址進(jìn)行編程。本文中的符號表如下：</p><p><b>　　表4.1符號表<

103、/b></p><p>　　4.5編輯PLC程序</p><p>　　在編程語言已經(jīng)選定，符號表（如果需要）以創(chuàng)建完成后，即可根據(jù)程序的實(shí)際需要，對每一邏輯塊進(jìn)行輸入和編輯。</p><p>　　PLC程序的編輯以“程序段”（Network）的形式劃分段落、增加注釋，程序段由梯形圖中的觸點(diǎn)、線圈、功能框、連線等基本編程元素和編程指令所組成，以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和數(shù)學(xué)

104、運(yùn)算等功能。程序變成如下：</p><p>　　OB1主要是主控程序，當(dāng)按下啟動按鈕，上電，可以選擇自動運(yùn)行還是手動一步一步控制，當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，程序停止運(yùn)行。再次上電調(diào)用OB100會使系統(tǒng)初始化回到初始位置。它主要是在系統(tǒng)滿足啟動的條件下，選擇開關(guān)，是自動化運(yùn)行還是手動控制。</p><p><b>　　，</b></p><p>　　圖4

105、.3 OB1主程序</p><p><b>　　仿真程序如下：</b></p><p><b>　　圖4.4 模擬控制</b></p><p><b>　　圖4.5 程序測試</b></p><p><b>　　圖4.6 模擬控制</b></p>

106、;<p><b>　　圖4.7 程序測試</b></p><p>　　OB100中的程序，因?yàn)镾7-300是暖啟動所以首先會執(zhí)行其中的程序，首先是手抓回到最右端，然后機(jī)械手臂后退，下降，步進(jìn)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)回到初始位置，手抓展開。 </p><p>　　圖4.8 OB100 初始化程序</p><p>　　FC1中的程序主要是自動化程序

107、首先手抓夾緊工件，當(dāng)壓力傳感器動作之后，機(jī)械臂帶動工件上升，達(dá)到上限位開關(guān)以后，底座旋轉(zhuǎn)，限位，正傳前進(jìn)限位，然后下降，到達(dá)接近開關(guān)，開始上螺絲，直到扭矩傳感器動作，才提起工件放在C位置，然后調(diào)用FC3回到初始位置；下面給出流程圖</p><p>　　圖4.9 FC1 流程圖</p><p>　　4、FC2程序是手動和測試用程序I1.0 手動或測試用開關(guān) ，按下一次計(jì)數(shù)一次相應(yīng)的執(zhí)行操作&

108、lt;/p><p>　　手抓加緊 Q5.1復(fù)位</p><p>　　電動機(jī)1正傳上升 Q4.2 上限位I0.4</p><p>　　電動機(jī)2正傳前進(jìn) Q4.4 前限位 I0.6</p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)反轉(zhuǎn)Q4.1 計(jì)時(shí)50s停止</p><p>　　電動機(jī)1反轉(zhuǎn)下降Q4.3 接近開關(guān)I1.7</p>

109、<p>　　電動機(jī)3正轉(zhuǎn)Q4.6 左限位 I1.6 扭矩是否動作 手抓Q5.1置為延時(shí)2s</p><p>　　電動機(jī)3反轉(zhuǎn)Q4.7 右限位I1.5 手抓復(fù)位電動機(jī)3正轉(zhuǎn)</p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)反轉(zhuǎn)Q4.1 計(jì)時(shí)50s停止</p><p>　　調(diào)用FC3回到初始位置</p><p><b>　　.流程圖如下：&

110、lt;/b></p><p>　　圖4.10 FC2流程圖</p><p><b>　　4.6程序的下載</b></p><p>　　將編程器中編制完成的邏輯塊（數(shù)據(jù)塊和系統(tǒng)塊）寫入到PLC的實(shí)際系統(tǒng)中稱為下載；反之，將PLC的CPU中的程序傳送到編程器中，稱為上傳。在程序編程編制完成后，應(yīng)將Step7中創(chuàng)建的程序，通過相應(yīng)的接口與電纜傳

111、送到PLC的CPU中。由于在本例中，沒有實(shí)物所以只能進(jìn)行PLC仿真。</p><p>　　4.7監(jiān)視PLC的狀態(tài)</p><p>　　當(dāng)PLC系統(tǒng)外部安裝、連接完成強(qiáng)電控制電路（特別是安全電路）正常工作后，控制對象處于調(diào)試狀態(tài)時(shí)，可以進(jìn)行PLC程序的試運(yùn)行。在試運(yùn)行階段，為了清晰反映PLC的實(shí)際工作情況，一般可以通過step7直接在編程器上進(jìn)行監(jiān)控。通過編程器，可以通過梯形圖的形式形象、直

112、觀的顯示PLC的實(shí)際工作狀態(tài)。</p><p>　　4.8調(diào)試PLC程序</p><p>　　通過對PLC程序的試運(yùn)行，可以發(fā)現(xiàn)程序在使用過程中存在的問題，發(fā)現(xiàn)程序中的錯(cuò)誤，并通過修改完善PLC程序，提高系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　5 機(jī)械手臂監(jiān)控上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1組態(tài)軟件的簡單介紹</p>

113、<p>　　組態(tài)軟件是工業(yè)可控制應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺，它提供了一個(gè)良好開發(fā)環(huán)境，如：提供了許多繪圖元素、控件、報(bào)表格式、報(bào)警方式等，使開發(fā)人員不必把精力集中在繪制人機(jī)界面上，而專心考慮如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，使開發(fā)工作變得輕松容易，簡單高效。</p><p>　　目前我國引進(jìn)的組態(tài)軟件有：美國的FIX32、IFIX、德國的Wincc等。國產(chǎn)的組態(tài)軟件有組態(tài)王、開物、世紀(jì)星、力控、FameView、MCGS等，

114、其中亞控公司開發(fā)的組態(tài)王是一個(gè)非常優(yōu)秀的軟件。</p><p>　　5.2各個(gè)主要監(jiān)視畫面</p><p><b>　　圖5.1 登錄圖</b></p><p>　　圖5.2 監(jiān)視主界面</p><p><b>　　圖5.3 報(bào)警圖</b></p><p>　　圖5.4 機(jī)械

115、手臂實(shí)時(shí)曲線</p><p><b>　　6 總結(jié)</b></p><p>　　6.1 機(jī)械手臂設(shè)計(jì)系統(tǒng)總結(jié)</p><p>　　在目前的中國，由于人口紅利等因素的影響，人力相對來說投入小，靈活性高，等優(yōu)點(diǎn)，機(jī)械手臂的使用程度還不高，但在一些高危險(xiǎn)，高輻射等場合，已經(jīng)獲得廣泛使用。隨著中國迎來老齡化時(shí)代，人口紅利不復(fù)存在時(shí)，人力資源價(jià)格將會大幅

116、度提高，將迎來自動化大幅度使用的時(shí)代。無疑，機(jī)械手臂在其中將占據(jù)重要的位置。基于PLC的機(jī)械手臂設(shè)計(jì)，工期短，靈活性高，可根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品的變化做出軟件程序的改變，而不需要或只需要極少的硬件變動，增加了投入產(chǎn)出比，很好的滿足了工業(yè)控制要求。PLC與觸摸屏的結(jié)合是一大趨勢，本文中用組態(tài)王對它進(jìn)行了組態(tài)。經(jīng)過一段時(shí)間的設(shè)計(jì)，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)很順利，仿真也如期完成，設(shè)計(jì)工作完滿結(jié)束。在設(shè)計(jì)過程中，同時(shí)會遇到這樣那樣的問題，比如說