1、 （ 2011 届） 毕业设计（论文） 基于 MCGS 和 PLC 的机械手控制系统设计 学院（部）： 电气与信息工程学院 专 业： 机电一体化技术 学生姓名： 班 级： 机电 0821 学 号： 08395182115 指导老师： 职 称： 讲师 最终评定成绩： 2011 年 6 月I 摘 要 当今社会，科学技术飞速发展，人类活动给世界带来了巨大的改变。在科技进步的同时，以各种控制器控制的不同类型的机械手以其突出的性能越来越多的被人们所应用。机械手在不同的作业场合，尤其是在特殊的环境背景下，为人类活动的顺利快速进行带来了极大的方便和益处，尤为明显的是在工业及军事领域内。工业 中大 量的生产活
2、 动，存在着很多不便于人类操纵的环节，特别是在工作环境较危险的情况下，如果使用具有 远程控制 功能的机械手，则可以增加系统的安全性，大大的节约损耗，提高效率。可见，在自动化、工业化进程中，在特殊背景环境中使用 机械手 已成为一种必然的趋势。 在本设计中介绍了国内外机械手研究现状及 PLC的研究发展趋势，描述了 机械手控制系统的工作原理和动作实现过程。研究了基于 PLC的 机械手 模型控制系统的设计，还研究了 MCGS在机械手控制系统中的应用 。 利用组态软件 MCGS设计了机械手模型控制系统监控界面，提供了较为直观、清晰、准确的机械手运行状态，进而为维修和故障诊断提供了多方面的可能性，充分提高
3、了系统的工作效率。 关键词 ： 机械手， PLC， MCGS II ABSTRACT In todays society, science and technology rapid development, human activities create world a huge change. In the meanwhile, technological progress in various controllers different types of manipulator with its outstanding performance more and more used by p
4、eople. The homework in different occasions manipulator, especially in the special environment context for the human activity quickly smoothly caused great convenience and benefit, particularly obvious in the industrial and military field. Industrial large Numbers of production activity, there are ma
5、ny not it is easy for humans to manipulate the link, especially in a business environment is dangerous situation, if use has remote control functions may be increased manipulator, the security of the system, big save loss, improve efficiency. Visible, in automation, the process of industrialization,
6、 in special background environment using manipulator has become an inevitable trend. . In this design the present condition of research about domestic and international manipulator and development trend of research concerning PLC were introduced. The principle of work and the process of actions real
7、ization of manipulator control system were described. The design of manipulator model control system based on PLC was researched and MCGSs application in the manipulator model control system was researched. The interface of supervision for the manipulator model control system was designed by MCGS. A
8、n intuitive, clear and accurate manipulator operating state was provided. And then various possibilities for maintain and breakdowns diagnosis were provided, the works efficiency of system was fully elevated. Key words: manipulator， PLC， MCGS III 目 录 第一章 绪 论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2设计目的和意义 . 1 1.3 本文主要工
9、作 . 2 第 2 章 可编程序逻辑控制器（ PLC）和机械手概述 . 3 2.1 可编程序逻辑控制器（ PLC） . 3 2.1.1 PLC的结构 . 3 2.1.2 PLC的发展历程 . 4 2.1.3 PLC的硬件 . 5 2.1.4 PLC的主要特点 . 6 2.1.5 FX2N系列 PLC介绍 . 7 2.2 机械手 . 9 2.2.1 机械手概述 . 9 2.2.2机械手的工作原理 . 9 2.2.3机械手的发展趋势 . 10 第三章 系统设计 . 11 3.1 系统方案分析设计 . 11 3.1.1控制要求 . 11 3.1.2 方案设计 . 11 3.2 硬件设计 . 13 3
10、.2.1 输入 /输出端子地址分配 . 13 3.2.2 PLC接线图 . 13 3.3 系统程序设计 . 14 3.3.1 常用编程方法介绍 . 14 3.3.2流程图 . 16 3.3.3梯形图 . 17 3.3.4 语句表 . 20 3.4 MCGS组态软件 . 21 3.4.1 MCGS 组态软件结构 功能特点 . 22 3.4.2 工程的建立和变量的定义 . 26 3.4.3 动画连接 . 29 3.4.5 调试 . 34 第四章 系统的调试及设计总结 . 35 4.1 系统调试 . 35 结 论 . 36 参考文献 . 37 致 谢 . 38 附 录 1 FX2N 基本指令 . 3
11、9 湖南工业大学专科毕业设计（论文） 1 第一章 绪 论 1.1 课题背景 随着计算机技术的飞速发展， PLC（即可编程逻辑编程器的简称）已经进入日常生产、生活的各个方面， PLC 的应用在各行各业已成为必不可少的内容。 PLC 作为通用的工业计算机，其功能日益强大，已经成为工业控制领域的主流控制设备。 PLC 从诞生至今，仅有 30年的历史，但是得到了异常迅猛的发展，并与 CAD/CAM、机器人技术一起被誉为当代工业自动化的三大支柱。 在现代工业中生产 过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业化的进一步发展，自动化已经成为现代企业中的重要支柱，无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见
12、。同时，现在生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效率的有效手段之一 。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射和污染的场合，应用更为广泛。在我国，近几年来也有较快发展，并取得一定效果，受到机械工业和铁路部门的重视。 本次课题主要是应用三菱公司 FX2N系列 PLC，对机械手的上下、左右以及抓取
13、运动进行控制。该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等；电气方面由交流电机、变频器、操作台等部件组成。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。 1.2 设计目的和意义 科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期的缩短，更新换代速度加快。然而，产品 的设计，尤其是机械产品方案的设计手段，则显得力不从心，跟不上时代发展的需要。目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。为此，作者在阅读了大量文献的基础上，概括总结了国内外设计学者进行方案
14、设计时采用的方法，并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的的发展趋势。 湖南工业大学专科毕业设计（论文） 2 自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。自主创新，就是从增强国家创新能力出发，加强原始创新、集成创新和引进 消化吸收再创新。重点跨越，就是坚持有所为、有所不为，选择具有一定基础和优势、关系国际民生和国家安全的关键领域，集中力量、重点突破，实现跨越式发展。支撑发展就是从现实的紧迫需求出发，着力突破重大关键、共性技术，支持经济社会的持续协调发展。引领未来，就是着眼长远，超前部署前沿技术和基础研究，创造新的市场需求，培育新兴产业，引领未来经济社会的发展。这一方针是我国半个
15、世纪科技发展实践经验的概括总结，是面想未来，实现中华民族伟大复兴的重要抉择。 科技人才是提高自主创新能力的关键所在。要把创造良好环境和条件，培 养和凝聚各类科技人才特别是优秀拔尖人才，充分调动广大科技人员的积极性和创造性，作为科技工作的首要任务，努力开创人才辈出、人尽其才、才尽其用的良好局面，努力建设一支与经济社会发展和国防建设相适用的规模宏大、结构合理的高素质科技人才队伍，为我国科学技术发展提供充分的人才支撑和智力保证。 1.3 本文主要工作 第一章：绪论 介绍该课题背景，对该系统的设计目的和意义做简单介绍 第二章：系统介绍可编程逻辑控制器 MCGS 组态软件 和机械手 第三章：系统方案的分
16、析 设计 及程序的设计 第四章：系统的调试 及设计总结 湖南工业大学专科毕业设计（论文） 3 第 2 章 可编程序逻辑控制器（ PLC）和机械手概述 2.1 可编程序逻辑控制器（ PLC） 2.1.1 PLC 的结构 PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。PLC 的硬件系统由微处理器 (CPU)、存储器 (EPROM， ROM)、输入输出 (I/O)部件、电源部件、编程器、 I/O扩展单元和其他外围设备组成。各部分通过总线 (电源总线、控制总线、地址总线、数据总线 )连接而成 9。其结构简图如下： 图 2-1 PLC硬件结构图 PLC的软件系统是指 PLC所
17、使 用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。系统程序是每一个 PLC成品必须包括的部分，由 PLC厂家提供，用于控制 PLC本身的运行，系统程序固化在 EPROM中。用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。硬件系统和软件系统组成了一个完整的 PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可的 可编程序逻辑控制器（ Programmable Logic Controller），简称 PLC。它是一种以微机处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信控制技术等现代科技输出部件 外设I/O接口 存储器 EPROM 微处理器 运算器 控制器 电源 输入部件 I/O 扩展接口 I/O 扩展
18、单元 受控元件 输入信号 外部设备 湖南工业大学专科毕业设计（论文） 4 而发展起来的一种新型工业自动控制装置。（本次课题 主要应用三菱 FX2N 系列 PLC进行设计） 2.1.2 PLC 的发展历程 在可编程控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。 1968年美国通用汽车公司（ G.M）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低
19、成本，缩短周期。于是就设想将计算机功能强大、灵 活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“ 自然语言 ” 进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。 1969年美国数字设备公司（ DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。 早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制 ,通常称为可编程逻辑控制器（ Programmable Logic Controll
20、er ）。随着 微电子 技术和计算机技术的发展， 20世纪 70年代中期微处理器技术应用到 PLC中，使 PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。 20世纪 80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和 32位微处理器应用于 PLC中，使 PLC得到迅速发展。 PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障 检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使 PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。 PLC的发展过程大致可以分为如
21、下几个阶段： 1970 1980年： PLC 的结构定型阶段。在这一阶段，由于 PLC刚诞生，各种类型的顺序控制器不断出现（如逻辑电路型、 1位机型、通用计算机型、单板机型等），但迅速被淘汰。最终以微处理器为核心的现有 PLC 结构形成，取得了市场的认可，得以迅速发展 .推广。 PLC的原理、结构、软件、硬件趋向统一与成熟， PLC 的应用领域由最初的小范围、有选择使用、逐步向机床、生产线扩展。 1980 1990年： PLC 的普及阶段。在这一阶段， PLC的生产规模日益扩大，价格湖南工业大学专科毕业设计（论文） 5 不断下降， PLC被迅速普及。各 PLC生产厂家产品的价格 .品种开始系列
22、化，并且形成了固定 I/O点型、基本单元加扩展块型、模块化结构型这三种延续至今的基本结构模型。 PLC的应用范围开始向顺序控制的全部领域扩展。比如三菱公司本阶段的主要产品有 F.F1.F2小型 PLC 系列产品 ,K/A系列中、大型 PLC产品等。 1990 2000年， PLC 的高性能与小型化阶段。在这一阶段， 随着微电子技术的进步， PLC的功能日益增强， PLC的 CPU运算速度大幅度上升、位数不断增加，使得适用于各种特殊控制的功能模块不断被开发， PLC的应用范围由单一的顺序控制向现场控制拓展。此外， PLC的体积大幅度缩小，出现了各类微型化 PLC。三菱公司本阶段的主要产品有 FX
23、小型 PLC系列产品， AIS/A2US/Q2A 系列中，大型 PLC系列产品等。 2000年至今： PLC 的高性能与网络化阶段。在本阶段，为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要， PLC的各种功能不断进步。一方面， PLC在继续提高 CPU运算速度，位数的 同时，开发了适用于过程控制，运动控制的特殊功能与模块，使 PLC的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。与此同时， PLC的网络与通信功能得到迅速发展， PLC不仅可以连接传统的编程与通入 /输出设备，还可以通过各种总线构成网络，为工厂自动化奠定了基础。三菱公司本阶段的主要产品有 FX小型 PLC系列产品（包括最新的 FX3u系列产品
24、）， Qn,QnPH系列中，大型 PLC系列产品等。 2.1.3 PLC 的硬件 一、 PLC的物理结构 根据硬件结构的不同，可以将 PLC分为整体式、模块式和混合式。 1.整体式 PLC 整体式又叫做 单元式或机箱式，它的体积小、价格低，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。 2.模块式 PLC 大、中型 PLC一般采用模块式结
25、构，它由机架和模块组成，模块插在模块插座上，后者焊接在机架中的总线连接板上，有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下选用的模块，可以 增设一个或数个扩展机架，各机架之间用接口模块和电缆相连。 用户可以选用不同档次的 CPU模块、品种繁多的 I/O模块和特殊功能块，对硬件湖南工业大学专科毕业设计（论文） 6 配置的选择余地较大，维修时更换模块也很方便。 3.CPU模块中的存储器 存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器，系统程序相当于个人计算机中的操作系统，它使 PLC具有基本的智能，能完成 PLC 设计者的规定的各种工作。系统程序由 PLC的生厂家设计并固定化在 ROM（只读存储器）中
26、，用户不能读取。用户程序由用户设计，它使 PLC能完成用户要球的特定功能，用户程序存储器的容量以字节（ B）为 单位。 （ 1） .随机存取存储器（ RAM） 用户可以用编程装置读出 RAM中的内容，也可以将用户程序写入 RAM，因此 RAM又叫读 /写存储器。 RAM 的工作速度高、价格便宜、改写方便。 （ 2） .只读存储器（ ROM） ROM的内容只能读出，不能写入。 （ 3） .可以电檫出可编程的只读存储器（ EEPROM） S7-200用 EEPROM来存储用户程序和长期保存的重要数据。 4.I/O模块 各 I/O点的通 /断状态用发光二极管（ LED）显示， PLC与外部接线的连接
27、一般用接线端子，某些模块使用可以拆卸的插座型端子板，不需断开端子 板上的连接线，就可以迅速的更换模块。 输入模块： PLC通过输入模块来接收和采集输入信号，通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调速装置等执行器， PLC控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。输入电路中设有 RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号。 输出模块：输出模块的率放大元件有大功率晶体管和场效应管（驱动直流负载）、双向可控硅（驱动交流负载）和小型继电器，继电器可以驱动交流负载或直流负载。输出电流的典型值为 0.5 2A,负载电源由外部现场提供。 2.1.4 PLC 的主要特点 一、抗干扰能力强，可靠性高 PLC 专门为工业环境而设计，具有很高的可靠性。它的主要模块均采用大规模与超大规模集成电路， I/O 系统设计有完善的通道保护与信息调理电路；在机构上对耐热、防潮、防尘、抗震都有精确考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等干扰和故障诊断措施。所有这些使 PLC 具有较高的
