1、吉林建筑大学城建学院电气信息工程学院课程设计目 录摘要 ABSTRACT 第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 研究目的及意义 .21.3 国内外研究现状 .2第 2 章 方案设计 .42.1 PLC 的分类 .42.2 PLC 的结构及基本配置 .72.3 PLC 的选择 .82.4 机械手的分类和选择 .9第 3 章 硬件设计 .103.1 PLC 控制机械手设计步骤 .103.2 系统控制示意图 .103.3 确定输入输出 .113.4 输入和输出点分配表 .113.5 PLC 控制机械手接线图 .12第 4 章 软件设计 .134.1 PLC 概述 .134.2 软件系统
2、 .134.3 PLC 的编程语言的基本指令系统和编程方法 .144.4 欧姆龙 CX-Programmer 编程软件 .144.5 PLC 控制机械手的流程图 .15结 论 .16致 谢 .17参考文献 .18附录吉林建筑大学城建学院电气信息工程学院课程设计第 1 页 共 18 页第 1 章 绪论随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化地结合。机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，
3、提高了工作效率。机械手的广泛使用，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。 1.1 课题背景可编程控制器（简称 PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC 得
4、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 PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编
5、程简单等特点。可以预料：在工业控制领域中，PLC 控制技术的应用必将形成世界潮流。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。PLC 在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的 PLC 控制器年增长率保持为 20%30%。随着工厂自动化程度的不断提高和 PLC 控制器市场容量基吉林建筑大学城建学院电气信息工程学院课程设计第 2 页 共 18
6、 页数的不断扩大，近年来 PLC 在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家 PLC 的增长十分迅速。综合相关资料，2004 年全球 PLC 的销售收入为 100 亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。近 10 年来，随着 PLC 控制器价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用 PLC 控制器进行控制，PLC控制器在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内 PLC 控制器在我国仍将保持高速增长势头。1.2 研究目的及意义 二十一世纪，PLC 控制器会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用
7、于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求. PLC 控制器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入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 控制器已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等
8、各个行业，它具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活，易学易用、体积小，重量轻，价格便宜的特点。随着工业的高速发展，机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，已经在工业生产中得到了广泛的应用。它可以搬运货物、分拣物品、用以代替人的繁重及单调劳动，实现生产的机械化和自动化；并能在高温、腐蚀及有毒气体等有害环境下操作以保护人身安全，被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。适应工业需要，本课题试图开发 PLC 对物料分拣机械手的控制，并借助必要的精密传感器，使其能够对不同颜色的物料按预先设定的程序进行分拣，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产，广泛应用于柔性生
9、产线。采用 PLC 控制，是一种预先设定的程序进行物料分拣的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，而对于位置改变时，只要重新编程，并能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。1.3 国内外研究现状目前，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，PLC 已由最初一位吉林建筑大学城建学院电气信息工程学院课程设计第 3 页 共 18 页机发展到现在的以 16 位和 32 位微处理器构成的微机化 PC，而且实现了多处理器的多通道处理。如今，PLC 技术已非常成熟，不仅控制功能增强，
10、功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程 I/O 和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使 PLC 向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。现在，世界上有 200 多家 PLC 生产厂家，400 多品种的 PLC 产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派 PLC 产品都各具特色。其中，美国是PLC 生产大国，有 100 多家 PLC 厂商，著名的有 A-B 公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司。欧洲 PLC 产品主要制造商有德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG 公司、法国的 TE 公
11、司。日本有许多 PLC 制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士等，韩国的三星（SAMSUNG） 、LG 等，这些生产厂家的产品占有 80%以上的 PLC 市场份额。经过多年的发展，国内 PLC 生产厂家约有三十家，国内 PLC 应用市场仍然以国外产品为主。国内公司在开展 PLC 业务时有较大的竞争优势，如：需求优势、产品定制优势、成本优势、服务优势、响应速度优势。二十世纪四十年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全间操纵机械手进行各种操作和实验。50 年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床、自
12、动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。机械手主要由手部和运动机构组成。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 23 个自由度。机械手的
13、种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。吉林建筑大学城建学院电气信息工程学院课程设计第 4 页 共 18 页吉林建筑大学城建学院电气信息工程学院课程设计第 5 页 共 18 页第 2 章 方案设计对于机械手的控制系统可以采用多种方式，如继电器控制、单片机控制、P
14、LC 控制等。PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以预料：在工业控制领域中，PLC 控制技术的应用必将形成世界潮流。由于此明确指定采用 PLC 可编程控制器控制实现，所以，不用我们去考虑控制硬件方案，只是要对 PLC 进行比较选择。2.1 PLC 的分类1、按控制规模分控制规模主要指控制开关量的入、出点数及控制模拟量的模入、模出，或两者兼而有之（闭路系统）的路数。但主要以开关量计。模拟量的路数可折算成开关量的点，大致一路相当于 816 点。依这个点数，PLC 大致可分为微型机、小型机、中型机及大型机、超大型机。微型机控制点仅几十点，如德维森公司的
15、 V80 系列 PLC 本体从 16 点到 40 点，OMRON公司的 CPM1A 系列 PLC，西门子的 Logo 仅 10 点。小型机控制点可达 100 多点。如如德维森公司的 V80 系列 PLC 可扩展到 256 点，OMRON 公司的 C60P 可达 148 点，CQM1 达 256 点。德国西门子公司的 S7-200 机可达 64点。中型机控制点数可达近 500 点，以至于千点。如德维森公司的 PPC11 系列可扩展到1024 点，OMRON 公司 C200H 机普通配置最多可达 700 多点，C200Ha 机则可达 1000 多点。德国西门子公司的 S7300 机最多可达 512
16、 点。大型机：控制点数一般在 1000 点以上。如如德维森公司的 PPC22 系列可扩展到2048 点，OMRON 公司的 C1000H、CV1000，当地配置可达 1024 点。C2000H、CV2000 当地配置可达 2048 点。超大型机：控制点数可达万点，以至于几万点。如美国 GE 公司的 9070 机，其点数可达 24000 点，另外还可有 8000 路的模拟量。再如美国莫迪康公司的 PCE984-785 机，其开关量具总数为 32k（32768） ，模拟量有 2048 路。西门子的SS115UCPU945，其开关量总点数可达 8k，另外还可有 512 路模拟量。等等。以上这种划分是
17、不严格的，只是大致的，目的是便于系统的配置及使用。一般讲，根据实际的 I/O 点数，凡落在上述不同范围者，选用相应的机型，性能价格比必然要高；相反，肯定要差些。吉林建筑大学城建学院电气信息工程学院课程设计第 6 页 共 18 页自然，也有特殊情况。如控制点数不是非常之多，不是非用大型机不可，但因大型机的特殊控制单元多，可进行热备配置，因而采用了大型机。2、按结构划分PLC 可分为箱体式及模块式两大类。微型机、小型机多为箱体式的，但从发展趋势看，小型机也逐渐发展成模块式的了。如 OMRON 公司，原来小型机都是箱体式，现在的 CQM1 则为模块式的。箱体的 PLC 把电源、CPU、内存、I/O
18、系统都集成在一个小箱体内。一个主机箱体就是一台完整的 PLC，就可用以实现控制。控制点数不符需要，可再接扩展箱体，由主箱体及若干扩展箱体组成较大的系统，以实现对较多点数的控制。模块式的 PLC 是按功能分成若干模块，如 CPU 模块、输入模块、输出模块、电源模块等等。大型机的模块功能更单一一些，因而模块的种类也相对多些。这也可说是趋势。目前一些中型机，其模块的功能也趋于单一，种类也在增乡。如同样 OMRON 公司C20 系列 PLC，H 机的 CPU 单元就含有电源，而 Ha 机则把电源分出，有单独的电源模块。模块功能更单一、品种更多，可便于系统配置，使 PLC 更能物尽其用，达到更高的使用效
19、益。由模块联结成系统有三种方法：无底板，靠模块间接口直接相联，然后再固定到相应导轨上。德维森公司的 V80系列 PLC 就是这种结构，比较紧凑。有底板，所有模块都固定在底板上。如德维森公司的 PPC11、PPC22 和 PPC31 系列PLC，OMRON 公司的 C200Ha 机，CV2000 等中、大型机就是这种结构。它比较牢固，但底板的槽数是固定的，如 3、5、8、10 槽等等。槽数与实际的模块数不一定相等，配置时难免有空槽。这既浪费，又多占空间，还得占空单元把多余的槽作填补。用机架代替底板，所有模块都固定在机架上。这种结构比底板式的复杂，但更牢靠。一些特大型的 PLC 用的多为这种结构。
20、我的手机 10:44:143、按生产厂家分目前生产 PLC 的厂家较多。但能配套生产，大、中、小、微型均能生产的不算太多。较有影响的，在中国市场占有较大份额的公司有：德国西门子公司：它有 S5 系列的产品。有 S595U、100U、115U、135U 及155U。135U、155U 为大型机，控制点数可达 6000 多点，模拟量可达 300 多路。最近还推出 S7 系列机，有 S7-200（小型） 、S7-300（中型）及 S7-400 机（大型） 。性能比S5 大有提高。日本 OMRON 公司：它有 CPM1A 型机，P 型机，H 型机，CQM1、CVM、CV 型机，Ha 型、F 型机等，大
21、、中、小、微均有，特别在中、小、微方面更具特长，在中国及世界市吉林建筑大学城建学院电气信息工程学院课程设计第 7 页 共 18 页场，都占有相当的份额。日本三菱公司的 PLC 也是较早推到我国来的。其小型机 F1 前期在国内用得很多，后又推出 FX2 机，性能有很大提高。它的中、大型机为 A 系列。AIS、AZC、A3A 等。日本日立公司也生产 PLC，其 E 系列为箱体式的。基本箱体有 E-20、E-28、E40、E64。其 I/O 点数分别为 12/8、16/12、24/16 及 40/24。另外，还有扩展箱体，规格与主箱体相同其 EM 系列为模块式的，可在 16160 之间组合。日本东芝
22、公司也生产 PLC，其 EX 小型机及 EXPLUS 小型机在国内也用得很多。它的编程语言是梯形图，其专用的编程器用梯形图语言编程。另外，还有 EX100 系列模块式 PLC，点数较多，也是用梯形图语言编程。日本松下公司也生产 PLC。FP1 系列为小型机，结构也是箱体式的，尺寸紧凑。FP3为模块式的，控制规模也较大，工作速度也很快，执行基本指令仅 0l 微秒。日本富士公司也有 PLC。其 NB 系列为箱体式的，小型机。NS 系列为模块式。 美国 GE 公司、日本 FANAC 合资的 GEFANAC 的 9070 机也是很吸引人的。据介绍。它具有 25 个特点。诸如，用软设定代硬设定，结构化编
23、程，多种编程语言，等等。它有 914、781782、771772、731732 等多种型号。另外，还有中型机 9030 系列，其型号有 344、331、323、321 多种；还有 9020 系列小型机，型号为 211。美国施奈德公司(莫迪康)的 984 机也是很有名的。其中 E984785 可安 31 个远程站点，总控制规模可达 63535 点。小的为紧凑型的，如 984-120，控制点数为 256 点，在最大与最小之间，共 20 多个型号。最近又推出 Twido 系列 PLC，有10、16、20、24、40 点几种规格。美国 AB（AlienBradley）公司创建于 1903 年，在世界各
24、地有 20 多个附属机构，10 多个生产基地。可编程控制器也是它的重要产品。它的 PLC5 系列是很有名的，其下有 PLC5/10，PLC5/11，PLC5/250 多种型号。另外，它也有微型 PLC，有 ControLgix 系列和 SLC500 系列。有三种配置，20、30 及 40I/O 配置选择，I/O点数分别为 12/8、18/12 及 24/16 三种。美国 IPM 公司的 IP1612 系列机，由于自带模拟量控制功能，自带通讯口，集成度又非常之高，虽点数不多，仅 16 入，12 出，但性价比还是高的，很适合于系统不大，但又有模拟量需控制的场合。新出的 lP3416 机，I/O 点
25、数扩大到 34 入、12 出，而且还自带一个简易小编程器，性能又有改进。国内 PLC 厂家近年来发展较快，目前有几家国产 PLC 厂商则是齐头并进，但大多规模不大。比较有影响的有：深圳德维森、深圳艾默生、无锡光洋、无锡信捷、北京和利时、北京凯迪恩、北京安控、黄石科威、洛阳易达、浙大中控、浙大中自、南京冠德、兰州全志等。如，德维森公司自主研发生产了多种型号与规格的 PLC，有V80、PPC11、PPC22 和 PPC31 等几个系列，产品种类齐全，性能稳定可靠，在性价比上有较大的优势。和利时公司的 FOPLC 系列和自主研发的 G3 系列，凭借公司在工程领吉林建筑大学城建学院电气信息工程学院课程
26、设计第 8 页 共 18 页域的实力，已逐步向工控中多个领域迈进。国产 PLC 从技术方面来讲，差距已逐步缩小，市场方面则要一点一点去争，相信国产 PLC 凭借其自身的技术实力和本地化的技术服务能力以一个合格的挑战者身份与国际品牌同场竞技。此外，韩国和台湾地区的一些公司目前在国内也占据不可忽视的市场份额，比如韩国 LS（LG）公司的 K80S、K120S、K200S、K300S 和 K1000S 系列 PLC，台湾永宏的 FBS系列 PLC，台达的 DVP 系列，盟立的 SC500 系列，丰炜的 VB 和 VH 系列和台安的 TP02系列 PLC 等。2.2 PLC 的结构及基本配置图 2-1
27、 PLC 基本结构图一般讲，PLC 分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，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。CPU：PLC 中的 CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每台 PLC 至少有一个CPU。与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、存储器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯
28、片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元。存储器：可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。 I/O模块：PLC 的对外功能，主要是通过各种 I/O 接口模块与外界联系的。 电源模块：有些 PLC 中的电源，是与 CPU 模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为 PLC 各吉林建筑大学城建学院电气信息工程学院课程设计第 9 页 共 18 页模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 24V 的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流 220VAC 或 110VAC，
29、直流电源，加的为直流电压，常用的为 24V。PLC 的外部设备：外部设备是 PLC 系统不可分割的一部分，它有四大类 1.、编程设备2、监控设备3、存储设备. 4、输入输出设备.2.3 PLC 的选择1、PLC 的选型对于 PLC 的选择，我们必须考虑多方面的因素。例如输入、输出的最多点数；扫描速度；内存容量；指令条数；功能模块等。同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。2、PLC 的类型PLC 按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按 CPU 字长分为 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点
30、数选型。整体型 PLC 的 I/O 点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型 PLC 提供多种 I/O 卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的 I/O 点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。3、输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程 I/O 机架等。4、电源的选择PLC 的供电电源，除了引进设备时同时引进 PLC 应根据产品说明书要求设计和选用外，一般 PLC 的供电电源应设计选用 220VAC 电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果 PLC 本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入 PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管
