基于西门子PLC机械手控制系统设计.doc

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1、摘 要 可编程控制器是在继电接触控制器的基础上,结合先进的微机技术发展起来的一种新型的工业控制机。它发展迅速,应用广泛,特别适合于顺序控制,是机械自动化中一种基础的控制设备。它将填补继电接触控制与微机数控之间的一大块空白。 此机械手系统是一个教学模型，它模拟工业生产过程中的某种自动化设备，可以完成零组件的组装、检测、移送等任务。本文以该模型为例，论述了机械手的结构组成及工作原理，提出了五种工作方式的控制要求，并针对这些控制要求提出了S7-300 型 PLC 控制系统的控制方案，进而阐述了 PLC 控制系统的设计过程以及步进程序的梯形图实现方法，并在 PLC 系统上进行了调试。实践证明，此机械手

2、能按预定的顺序动作，设计方案合理，控制特性良好，对应用 PLC 进行工业设计有一定的借鉴作用。 关键词 ：机械手，PLC，控制，西门子 I 基于西门子 PLC 机械手控制系统设计 Abstract PLC is a new-style industry control, based on the control of relay-contact instruments and combined with advanced computer technology. It has developed fast and is widely used, in particular, it is qui

3、te suitable for the control of sequence. And it becomes a basic equipment of mechanic automation. PLC will fill a wide gap between the control of relay- contact and computer NC. This manipulator system is a teaching model, which simulates some automation equipment in the process of industrial produc

4、tion, and can complete the task of assembling, testing, transferring the components and other tasks. Taking this model as an example, this paper describes the composition, the structure and the working principle of the mechanical hand. It also puts forward the control requirements of five working me

5、thods and the control program of S7-300 type PLC control system, then expounded the design process of the PLC control systems and the procedures of the ladder step, which has been debugged on the PLC system. Practice has shown that this mechanical hand can act accordin g to the scheduled order, and

6、has reasonable design and good control, which can give some reference to the industrial design of the PLC application.Key words：manipulator，PLC, control, simensII 基于西门子 PLC 机械手控制系统设计 目 录 第一章 绪 论.1.1 研究背景 .1.2 课题的研究目的及意义 .1.3 气动机械手发展概况 .1.4 研究内容和拟解决的问题 .第二章 机械手的结构及工艺要求.2.1 机械手的结构 .2.2 机械手的工作原理 .2.3 机

7、械手的控制要求 .第三章 机械手的硬件设计.3.1 控制方案设计 .3.2 气动驱动系统设计 .3.3 控制面板设计 .3.3.1 电源 . 9 3.3.2 操作方式转换按钮 . 9 3.3.2 输入按钮 . 10 3.3.3 指示灯 . 10 第四章 机械手的控制系统设计. 1 4.1 电气主回路设计 . 1 4.2 系统控制电源设计 . 1 4.3 输入、输出点统计 . 2 4.4 PLC 硬件设计 . 5 4.4.1 硬件选择 . 15 4.4.2 硬件配置图 . 15 4.4.3 I/O 信号地址分配表 . 16 4.4.4 DI 3224 VDC 数字量输入模板的端子接线图和框图 .

8、 18 4.4.5 DO 3224 VDC/0.5A 数字量输出模板的端子接线图和框图 . 21 第五章 机械手的软件设计. 5 5.1 工艺流程图 . 5 5.2 程序设计 . 7 III基于西门子 PLC 机械手控制系统设计 5.3 符号表 . 8 5.4 源程序 . 8 5.4.1 手动电路控制程序 . 29 5.4.2 循环电路控制程序 . 29 5.4.3 单周期电路控制程序 . 29 5.4.4 步进电路控制程序 . 29 5.4.5 回原点电路控制程序 . 29 5.4.6 故障报警电路控制程序 . 29 5.4.7 输出电路控制程序 . 29 5.5 系统调试 . 9 5.6

9、调试过程中遇到的问题 . 0 5.7 本程序的特点 . 0 第六章 结论与展望. 1 6.1 结论 . 1 6.2 展望 . 1 参 考 文 献. 2 致 谢. 3 附 录. 4 手动电路控制程序 （network1-network11） . 34 循环电路控制程序 （network12-network30） . 36 单周期电路控制程序 （network31-network49） . 40 步进电路控制程序 （network50-network110） . 45 回原点电路控制程序 （network111-network117） . 55 故障报警电路控制程序 （network118） .

10、57 输出电路控制程序 （network119-network128） . 57 IV基于西门子 PLC 机械手控制系统设计 第一章 绪 论 1 2机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序、轨迹和要求代替人手抓取、搬运工件或操持工具进行操作的机电一体化自动化装置。以往的机械手是采用继电器控制器控制气压系统，其控制系统复杂，机械触点多，大量的接线使系统的可靠性降低，设备的工作效率下降，自动化程度不高，安全系数低。因此，我们决定改用由技术先进、可靠性非常高的可编程控制器控制的气动机械手来代替，这使得机械设备更灵活有效,动作更准确,从而使得劳动生产率大大提高。1.1 研究背景 3在工业生产和其它领域

11、内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，这增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，在自动化车间中用来运送物料，从事焊接、喷漆、装配等工艺操作，可将操作工人从繁重、单调、重复的体力劳动中解放出来，大大降低了工人的劳动强度。特别是在高温、危险、有害的作业环境，可用机械手代替人的部分操作，大大提高了工作效率，保证了产品质量。1.2 课题的研究目的及意义 4 工业机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序、轨迹和要求代替人手抓取、搬运工件或操持工具进行操作的机电一体化自动化装置。生产中应用机械手可以

12、大大提高生产的自动化水平和劳动生产率、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境下，代替人进行正常工作，意义更为重大。机械手若用传统的继电器逻辑线路进行控制，不但结构复杂，控制柜体积大，而且各继电器均在运动中动作，易受车体振动等干扰，可靠性差。而可编程控制器(PLC)由于其具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改、环境要求低、体积小巧、安装调试方便、控制简单等特点，在工业控制中有着广泛的应用。为此，我们改用由 PLC 控制的气动机械手来代替，经试验满足生产线对该部件的要求，使电路简化，并且控制方便、结构简单、价格便宜、可靠性高。11.3

13、气动机械手发展概况 5机械手主运动臂的控制方式主要由 PLC 控制气缸驱动，这种控制方式的优点是结构简单、价格低廉、无污染，因此，在工业生产中得到越来越广泛的应用，己成为自动化不可缺少的重要手段，备受人们的重视。尤其是气动技术已能使气缸在高速运动下实现任意点自动定位，而气动机械手也相应得到发展，突破传统的定位方法， 本人研究的就是基于气动技术的工业机械手。 1.4 研究内容和拟解决的问题 此课题是利用可编程控制器 PLC 实现对机械手系统的控制。此机械手系统模拟工业生产过程中的某种自动化设备，可以实现零件的组装、检测、移送功能。 该装置采用台式结构，由气动组立机械手、旋转式供料盘、储料仓、操作

14、面板等组成，并配有控制器（PLC）、传感器（光电式、电磁式）、步进电机、操作按钮、电磁阀、减压阀等，构成典型的机电一体化模型。在设计时，我们首先要了解工业机械手的结构及工作原理，并熟悉机械手系统的工艺，然后根据工艺要求指出系统所用的检测元件及执行机构，并列出其电气参数。在查阅资料时，总结出他人的设计方案，比较这些方案的优缺点，并提出自己的改进方案。在做好上述工作后，来完成对控制系统的设计，包括电气主回路设计、系统输入/输出点统计、PLC 系统配置选型、接线原理图设计、PLC 系统控制软件设计等步骤。气动机械手设计的主要任务包括： 1. 执行元件：气动气缸 2. 控制方式：PLC 控制 3. 控

15、制要求：顺控方式 4. 主要电气参数： 电源：AC220V10%（带保护地三芯插座） 气源压力：0.60.8MPa 电磁阀：Y1Y9 为 DC24V,100mA 线圈 电动机 M：三相异步电动机 AC380V，3kW 2基于西门子 PLC 机械手控制系统设计 第二章 机械手的结构及工艺要求 2.1 机械手的结构6 此课题是利用可编程控制器 PLC 实现机械手系统的控制，此机械手系统是一个教学模型，其模拟工业生产过程中某种自动化设备，可以实现零件的组装、检测、移送功能。该装置采用台式结构，由气动组立机械手、旋转式供料盘、储料仓、操作面板等组成，并配有控制器（PLC）、传感器（光电式、电磁式）、步

16、进电机、操作按钮、电磁阀、减压阀等，构成典型的机电一体化模型。其结构分别如图 2-1 和图 2-2 所示。图 2-1 机械手模型正面结构示意图 1-手臂转动回转气缸；2-水平（X 轴）移动滑台气缸；3-垂直（Y 轴）移动滑台气缸；4-夹爪转动（Z 轴）回转气缸；5-Y 行机械夹；6-旋转供料盘；7-步进电机；8-储料仓；9-过滤减压阀；10-操作面板 3基于西门子 PLC 机械手控制系统设计 图 2-2 机械手模型背面结构示意图 1-控制器(PLC)；2-传感器；3-端子板；4 继电器板； 气动组立机械手分别由五个不同类型的气缸组成，它们是：水平（X 轴）移动滑台气缸、垂直（Y 轴）移动滑台气

17、缸、夹爪转动（Z 轴）回转气缸、平行机械夹、手臂转动回转气缸，是一个五轴四位置的机械装置。可以完成零组件的组装、检测、移送等任务。 自动供料盘由旋转料盘、步进电机及驱动器、定位传感器、零组件传感器和传动轮等组成。它可以将料盘上的零组件以步进方式自动定位在固定位置。 储料仓是机械手操作零组件的平台。 操作面板由手动-自动切换钮和手动按钮组成(或由触摸屏构成)。通过它可以完成机械手自动运行的启动和机械手各部位的手动操控。 控制系统由控制器（通常为 PLC，也可配备其他类型的逻辑控制装置）、传感器、电磁阀、端子板和直流电源等组成。控制器接收设在机械手上各部分传感器的信号并通过预先设定的程序 控制电磁

18、阀对气路的切换，实现机械手的各种动作；控制器还对自动供料盘进行控制以协调机械手的动作。4基于西门子 PLC 机械手控制系统设计 2.2 机械手的工作原理7 本机械手采用气压驱动，使用的是压力为 0.6MPa，最高可达 0.8MPa。气压驱动主要优点是气源方便(一般工厂都由压缩空气站供应压缩空气)，驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低，便于维修。缺点是功率质量比小，装置体积大，定位度不高。此类机械手适用于易燃、易爆、和灰尘大的场合。这个机械手具有四个直线运动和四个旋转运动自由度，用于将源工作台上的物品搬到其右侧目的工作台上。机械手的全部动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，整个机械手在工作中能实现

19、手臂上升/下降、手臂伸出/缩回、手臂旋转/回转、手指旋转/回转、夹紧/放松功能，是目前应用比较广泛的一种机械手。 2.3 机械手的控制要求 该系统具有单操作(手动)和步进、单周期及连续操作(后三种属自动操作)四种工作方式，机械手在最上面和最左边且松开时，称为系统处于原点状态或初始状态。各种工作方式可随意切换，操作方便。 手动操作：就是用按钮操作对机械手的每一步运动单独进行控制。 步进操作：每按一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。即在单步操作方式下，从初始步开始，按下启动按钮后，系统转换到下一步，完成该步的任务后，自动停止工作并停在该步，再按一下启动按钮，又往前走一步。 单周期操作：机械

20、手从原点开始，按一下启动按钮，从初始步开始，机械手自动完成一个周期的动作后，返回并停留在初始步。 连续操作:机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手的动作将自动地、连续不断地周期性循环。在工作中按一下停止按钮，那么机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。 在选择单周期、连续和单步工作方式之前，系统应处于原点状态。如不满足这一条件，可选择回原点工作方式。即按回原点启动按钮，使系统自动返回原点状态。当机械手右移到位并准备下降时,为了确保安全,必须在右工作台无工件时才允许机械手下降。也就是说,若上一次搬运到右工作台上的工件尚未搬走时,机械手应自动停止下降,所以要用光电开关进行无工件检测。

21、若此时右工作台上无工件,则光电开关接通,下降电磁阀通电。5基于西门子 PLC 机械手控制系统设计 8 工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。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。而当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。具体实现如下： （1）供料盘旋转定位。 （2）手臂回转前伸。 （3）手臂下降。 （4）手指回转张开。 （5）手指闭合夹物。 （6）手指旋转，手臂抬升。 （7）手臂回缩旋转。 （8）手臂前伸。 （9）手臂下降。 （10）手指旋转张开放物。 （11）重复步骤（1）（10）。 （12）供料盘无料块时机械手等待。6基于西门子 PLC 机械手控制系

22、统设计 第三章 机械手的硬件设计 3.1 控制方案设计 9机械手可以用传统的继电接触控制，也可以采用单片机控制及用可编程控制器对系统进行控制。控制系统如采用传统的继电接触控制，机械触点多，接线复杂 ，因而控制装置体积很大，并且故障率高，可靠性差，动作精确度低。若采用单片机控制，由于电磁阀的工作电压高于单片机的+5V电源，所需的驱动电流较大，因而须设计功率接口电路，还要进行抗干扰及其可靠性的设计。若采用PLC控制，则无需考虑上述问题。PLC以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制 等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点。使用PLC的自动控制系统体积小，可靠性大大提

23、高，故障率大大降低，动作精度高，因而 被广泛利用于各种自动化生产设备和生产线上。经过比较，决定采用 PLC 控制器来对此机械手进行控制。不仅简 化了繁杂的硬件接线线路，节省了空间，降低了设备的故障率，使控制具有很强的柔性和功能的可拓展性，使设备的性能稳定，工作可靠，操作简单，调节方便，显示直观，自动保护等特点，同时 PLC 输出有发光二极管显示，可清楚地看出其动作过程，以判断机械手动作的正确性，有利于机械手运行的监控，便于机械手故障的诊断与排除。 3.2 气动驱动系统设计 10 机械部分主要由机械手、支撑架、执行器、位置传感器、气缸部分组成。支撑架和机械手用不锈钢材料制作; 气缸采用 QGB-

24、Q 系列，其工作压力为 0.60.8 Mpa，其电磁换向阀有记忆功能，当切断电信号时，阀位不变，气缸活塞位置保持不变，系统不受突然断电的干扰。该机械手气动系统如图 3-1 所示。A、B、C、D 和 E 缸分别是大臂升降气缸、大臂水平伸缩气缸、大臂垂直伸缩气缸、手爪气缸、手臂转动气缸及手指转动气缸。 7基于西门子 PLC 机械手控制系统设计 图 3-1 机械手的气压传动原理图 3.3 控制面板设计 开关及按钮在操作屏上的布置如图 3-2 所示。 8基于西门子 PLC 机械手控制系统设计 回原点 手动控制 控制方式 单周期 制控面板指示灯 手臂上升 手臂下降 步进周期 手臂伸出 手臂缩回 按钮 手

25、指回转 手指反转 手臂上升 手臂伸出 手指旋转手臂旋转 手臂回转 手指反转 手臂下降 手臂缩回 手指回转 手臂回转 夹紧 启动 泵启 电源 爪部夹紧 原点 故障指示 紧急停止 停止 泵停 电源指示 图 3-2 机械手系统元件布置图 3.3.1 电源 为了给整个控制系统供电，在面板上设置了电源按钮及电源指示灯。 3.3.2 操作方式转换按钮 该按钮应有手动、单步、单周期、连续、回原点五个位置可供选择，工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来，各种工作方式可随意切换，操作方便。 9基于西门子 PLC 机械手控制系统设计 3.3.2 输入按钮 手动时的运动选择按钮。该开关应有手臂上升/下降、手

26、臂伸出/缩回、夹紧/放松、手臂旋转/回转、手指旋转/反转九个位置可供选择，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。 启动、停止、泵启、泵停及紧急停止按钮。 3.3.3 指示灯 为了清楚地看出 PLC 的动作过程，以判断机械手动作的正确性，有利于机械手运行的监控，便于机械手故障的诊断与排除，设计中的输出设备应包括手臂下降指示灯、手臂上升指示灯、手臂旋转指示灯、手臂回转指示灯、夹紧指示灯、手臂前伸指示灯、手臂回缩指示灯、手指旋转指示灯、手指回转指示灯等部分。 另外，为了对机械手原点位置进行指示,还要配置一个原点指示灯。为了能随时监测系统是否正常，得配置一个故障指示灯。除外，还设有一个

27、电源指示灯。10基于西门子 PLC 机械手控制系统设计 第四章 机械手的控制系统设计 4.1 电气主回路设计 控制系统硬件电路由 CPU、程序存储器、数据存储器、串行接口电路、并行接口电路、光电隔离电路、掉电保护电路等组成。系统硬件电路电气原理图如图4-1 所示。 N U V W AC380V 断路器QF1 接触器KM 热继电器FR 电机M 图 4-1 电气主回路图 4.2 系统控制电源设计 由于控制缸的电磁阀线圈均为 24V 直流电压，而 PLC 电源为 220V 交流电源，因此，用一个电源模块来达到所需的直流电压。为了在开启电源时有一个指示，还需在面板上设置一个电源指示灯。具体的控制电源的

28、实现如下： 11基于西门子 PLC 机械手控制系统设计 N U V W AC380V QF2 电源控制 SA1 开关 HL15AC220V AC220V DC24V DC24V 图4-2 系统控制电源图 4.3 输入、输出点统计从工艺要求中可以看出，在控制方式选择上需要 5 个按钮，分别完成手动方式、步进方式、单周期方式、循环方式和原点方式的启动，还需要一个紧急停止按钮用来处理在任何情况下停止运行。 手动操作输入信号由 10 个按钮组成：手臂上升/下降、手臂伸出/缩回、夹紧/放松、手臂旋转/回转、手指旋转/回转十个按钮。步进运动方式时，需要一个启动按钮来控制运动。在机械手每个自由度的位移机构上

29、都设有限位开关：手臂上升/下降、手臂伸出/缩回、手臂旋转/回转、手指旋转/回转用来限定机械手移动范围及进行限位保护。连续运动方式时需要一个停止按钮来实现周期的停止。为了对气缸进行控制，设置了泵启、泵停按钮。工作台上检测到有工件的输入信号，热继电器辅助触点。共有 31 个输入信号。 输出信号共 23 个，分别是机械手手臂下降电磁阀及其指示灯、上升电磁阀及其指示灯、手臂旋转电磁阀及其指示灯、手臂回转电磁阀及其指示灯、机械手夹紧电磁阀及其指示灯、机械手放松电磁阀及其指示灯、手臂前伸电磁阀及其指示灯、手臂回缩电磁阀及其指示灯、手指旋转电磁阀及其指示灯、手指回转电磁阀及其指示灯。为了对机械手原点位置进行

30、指示,还要配置一个原点指示灯。为12基于西门子 PLC 机械手控制系统设计 了能随时监测系统是否正常，得配置一个故障指示灯。为了保证系统的安全，还应包括一个接触器线圈。 该机械手控制系统一共使用了 31 个输入量，23 个输出量。具体如下： 此系统的输入点数： 1 启动按钮 SB1 2 手动启动按钮 SB2 3 步进启动按钮 SB3 4 单周期启动按钮 SB4 5 连续启动按钮 SB5 6 回原点启动按钮 SB6 7 手臂上升按钮 SB7 8 手臂下降按钮 SB8 9 爪部夹紧按钮 SB9 10 爪部放松按钮 SB10 11 手臂伸出按钮 SB11 12 手臂缩回按钮 SB12 13 手臂回转

31、按钮 SB13 14 手臂反转按钮 SB14 15 手指回转按钮 SB15 16 手指反转按钮 SB16 17 停止按钮 SB17 18 紧急停止按钮 SB18 19 泵启按钮 SB19 20 泵停按钮 SB20 21 手臂伸出限位开关 SQ1 22 手臂回缩限位开关 SQ2 23 手臂上升限位开关 SQ3 24 手臂下降限位开关 SQ4 25 手臂旋转限位开关 SQ5 26 手臂回转限位开关 SQ6 27 手指旋转限位开关 SQ7 28 手指回转限位开关 SQ829 光电无工件检测开关 SQ9 13基于西门子 PLC 机械手控制系统设计 30 热继电器辅助触点 FR131 压力继电器 KP

32、所以此系统总共有 31 个输入点。 此系统的输出点数： 1 手臂伸出电磁阀 Y1 2 手臂缩回电磁阀 Y2 3 手臂上升电磁阀 Y3 4 手臂下降电磁阀 Y4 5 手臂旋转电磁阀 Y5 6 手臂回转电磁阀 Y6 7 手指旋转电磁阀 Y7 8 手指回转电磁阀 Y8 9 爪部夹紧电磁阀 Y9 10 爪部放松电磁阀 Y10 11 手臂伸出指示灯 HL1 12 手臂回缩指示灯 HL2 13 手臂上升指示灯 HL3 14 手臂下降指示灯 HL4 15 手臂旋转指示灯 HL5 16 手臂回转指示灯 HL6 17 手指旋转指示灯 HL7 18 手指回转指示灯 HL8 19 爪部抓紧指示灯 HL9 20 爪部

33、放松指示灯 HL10 21 原点指示灯 HL11 22 故障报警指示灯 HL12 23 接触器线圈 KM所以此系统总共有 23 个输出点。14基于西门子 PLC 机械手控制系统设计 4.4 PLC 硬件设计 11 4.4.1 硬件选择 该系统需要 31 个输入点，输出需要 23 个点。选择 S7-300 系统。该系统可靠性高，可用梯形图、语句表和功能模块图 3 种语言来编程。它的指令丰富，指令功能强，易于掌握、操作方便。内置高速计数器、高速输出、PID 控制器、PPI通信协议、RS-485 通信/编程接口、MPI 通信协议和自由方式通信功能，I/O 端子排可以很容易地拆卸。最大可扩展到 248

34、 点数字量 I/O 或 35 路模拟量 I/O，最多有 256KB 程序和数据存储空间。由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也充分发挥其作用。4.4.2 硬件配置图 下图是 PLC 的配置说明书： 表 4-1 配置说明书 序号名称型号数量1电源模块PS307-5A12CPU 模块CPU31313数字量输入模块SM321DI32XDC24V14数字量输出模块SM322DO32 继电器型输出15安装轨道115基于西门子 PLC 机械手控制系统设计 电源模块 CPU 模块 数字量输入模块 数字量输出模块 槽号 地址范围 1 2 3 4 I0.0I3.6 5 Q4.0Q6.6 图 4-3 硬件配置图 4.4.3 I/O 信号地址分配表 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 表 4-2 I/O 信号地址分配表 信号名称 信号符号 启动按钮 SB1 手动启动按钮 SB2 步进启动按钮 SB3 单周期启动按钮 SB4 连续启动按钮 SB5 回原点启动按钮 SB6 手臂上升按钮 SB7 手臂下降按钮 SB8 爪部抓紧按钮 SB9 爪部放松按钮 SB10 手臂伸出按钮 SB11 手臂缩回按钮 SB12 地址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0