基于plc的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、<p><b>　　***職業(yè)技術(shù)學(xué)院</b></p><p>　　?？粕厴I(yè)論文（設(shè)計(jì)）</p><p>　　題 目： 基于PLC的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 院：

2、 **職業(yè)技術(shù)學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 機(jī)電一體化 </p><p>　　班 級(jí)： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </

3、p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　完成時(shí)間： </p><p>　　基于PLC的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p>

4、<p>　　在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，甚至于危及生命。自從機(jī)械手問世以來，相應(yīng)的各種難題迎刃而解。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中介紹了國(guó)內(nèi)外機(jī)械手研究現(xiàn)狀及PLC的研究發(fā)展趨勢(shì)，描述了機(jī)械手控制系統(tǒng)的工作原理和動(dòng)作實(shí)現(xiàn)過程。研究了基于PLC的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還研究了MCGS在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。利用組態(tài)軟件

5、MCGS設(shè)計(jì)了機(jī)械手模型控制系統(tǒng)監(jiān)控界面，提供了較為直觀、清晰、準(zhǔn)確的機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而為維修和故障診斷提供了多方面的可能性，充分提高了系統(tǒng)的工作效率。</p><p>　　關(guān)鍵詞：機(jī)械手；PLC；MCGS </p><p>　　Design of Manipulator Model Control System based on PLC</p><p><

6、b>　　Abstract</b></p><p>　　In industrial production and other domains, Because of the demands of the work, people were usually subjected to endanger of heat, decay and poisonous air etc. factor, thes

7、e factors increased the strength of worker's labor, even endanger life. Since the manipulator was born, the various difficult problems were easily solved.</p><p>　　In this design the present condition of

8、 research about domestic and international manipulator and development trend of research concerning PLC were introduced. The principle of work and the process of action’s realization of manipulator control system were de

9、scribed. The design of manipulator model control system based on PLC was researched and MCGS’s application in the manipulator model control system was researched. The interface of supervision for the manipulator model co

10、ntrol system was desi</p><p>　　Key words: manipulator; PLC; MCGS</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要Ⅰ</b></p><p>　　AbstractⅡ</p>&l

11、t;p><b>　　第一章 緒 論1</b></p><p>　　1.1 課題研究目的及意義1</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外機(jī)械手研究概況1</p><p>　　1.3 課題研究的內(nèi)容2</p><p>　　第二章 機(jī)械手控制方式的選擇和可編程序控制器簡(jiǎn)介3</p><p>

12、　　2.1 機(jī)械手控制方式的選擇3</p><p>　　2.1.1 控制方式的分類3</p><p>　　2.1.2 PLC與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）和集散控制系統(tǒng)（DCS）的比較3</p><p>　　2.1.3 機(jī)械手控制方式的選定4</p><p>　　2.2 可編程序控制器簡(jiǎn)介5</p><p>　　

13、2.2.1 PLC的結(jié)構(gòu)……………………………………………………………………..…5</p><p>　　2.2.2 PLC的特點(diǎn)6</p><p>　　2.2.3 PLC的主要功能7</p><p>　　2.2.4 PLC的經(jīng)濟(jì)分析7</p><p>　　2.2.5 PLC發(fā)展?fàn)顩r及趨勢(shì)8</p><p>　

14、　第三章 機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.1 機(jī)械手控制系統(tǒng)構(gòu)件概述9</p><p>　　3.1.1 步進(jìn)電機(jī)9</p><p>　　3.1.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器9</p><p>　　3.1.3 傳感器11</p><p>　　3.1.4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元12</p>&

15、lt;p>　　3.2 機(jī)械手的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)過程12</p><p>　　3.3 PLC程序設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.3.1 I/O點(diǎn)數(shù)的確定及PLC類型的選擇14</p><p>　　3.3.2 PLC的I/O分配14</p><p>　　3.3.3 編程指令的選擇14</p><p>　　3.3.

16、4 PLC程序的設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.4 PLC程序的調(diào)試15</p><p>　　3.4.1 PLC控制的安裝與布線15</p><p>　　3.4.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)的外部接線圖16</p><p>　　3.4.3 機(jī)械手控制程序的調(diào)試16</p><p>　　第四章 MCGS在機(jī)械手控制系統(tǒng)

17、中的應(yīng)用17</p><p>　　4.1 MCGS的概述17</p><p>　　4.1.1 MCGS的簡(jiǎn)介17</p><p>　　4.1.2 MCGS的構(gòu)成17</p><p>　　4.1.3 MCGS的主要特性和功能18</p><p>　　4.1.4 MCGS的編程語言18</p>&

18、lt;p>　　4.1.5 MCGS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)19</p><p>　　4.1.6 MCGS的作用19</p><p>　　4.2 工程的建立與變量的定義20</p><p>　　4.2.1 工程的建立20</p><p>　　4.2.2 變量的分配20</p><p>　　4.2.3 變量定義的步驟2

19、1</p><p>　　4.2.4 設(shè)備與變量連接23</p><p>　　4.3 工程畫面的創(chuàng)建24</p><p>　　4.3.1 封面窗口及監(jiān)控畫面的制作25</p><p>　　4.3.2 運(yùn)行策略的建立及腳本程序的編寫27</p><p>　　4.4 動(dòng)畫的連接31</p><p

20、>　　4.4.1 指示燈的動(dòng)畫連接31</p><p>　　4.4.2 機(jī)械手的動(dòng)畫連接32</p><p>　　4.5 組態(tài)運(yùn)行35</p><p>　　第五章 結(jié) 論 …36</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)37</b></p><p><b>　　致 謝38

21、</b></p><p><b>　　附 錄39</b></p><p>　　附錄1 程序流程圖39</p><p>　　附錄2 順序功能圖42</p><p>　　附錄3 梯形圖43</p><p>　　附錄4 指令表45</p><p>　　附錄

22、5 PLC外部電氣接線圖…………………………………………………………...48</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　1.1 課題研究目的及意義</p><p>　　機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。近年來隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展機(jī)械手逐漸成為一門新興學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機(jī)械手廣泛地應(yīng)用與鍛壓、

23、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機(jī)加、噴漆、熱處理等各個(gè)行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險(xiǎn)、放射性、多粉塵等惡劣的勞動(dòng)環(huán)境中，機(jī)械手由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)而受到特別重視。總之，機(jī)械手是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的一個(gè)重要手段。國(guó)內(nèi)外都十分重視它的應(yīng)用和發(fā)展。</p><p>　　可編程序控制器(PLC)是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)工業(yè)控制裝置。隨著微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)

24、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC在硬件配置、軟件編程、通訊聯(lián)網(wǎng)功能以及模擬量控制等方面均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，已經(jīng)成為工廠自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)配置之一[1]。</p><p>　　由于自動(dòng)化可以節(jié)省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊優(yōu)越性，如通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)，因此工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用PLC。機(jī)械手在美國(guó)、加拿大等國(guó)家應(yīng)用較多，如用果實(shí)采摘機(jī)械手來摘果實(shí)、裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用智能

25、機(jī)器人等。我國(guó)自動(dòng)化水平本身比較低，因此用PLC來控制的機(jī)械手還比較少。本次課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手就是通過PLC來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的。通過此次設(shè)計(jì)可以更進(jìn)一步學(xué)習(xí)PLC的相關(guān)知識(shí)，了解世界先進(jìn)水平，盡可能多的應(yīng)用于實(shí)踐。</p><p>　　MCGS是一套用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，它能夠在基于Microsoft的各種32位Windows平臺(tái)上運(yùn)行，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制

26、和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案，在自動(dòng)化領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用[2]。本設(shè)計(jì)通過MCGS組態(tài)軟件對(duì)機(jī)械手進(jìn)行監(jiān)控，將機(jī)械手的動(dòng)作過程進(jìn)行了動(dòng)畫顯示，使機(jī)械手的動(dòng)作過程更加形象化。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外機(jī)械手研究概況</p><p>　　機(jī)械手自二十世紀(jì)六十年代初問世以來，經(jīng)過40多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為制造業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中重要的機(jī)電設(shè)備。目前，正式投入使用的

27、絕大部分機(jī)械手屬于第一代機(jī)械手，即程序控制機(jī)械手。這代機(jī)械手基本上采用點(diǎn)位控制系統(tǒng)，沒有感覺外界環(huán)境信息的感覺器官，主要用于焊接、噴漆和上下料。第二代機(jī)械手具有感覺器官，仍然以程序控制為基礎(chǔ)，但可以根據(jù)外界環(huán)境信息對(duì)控制程序進(jìn)行校正。這代機(jī)械手通常采用接觸傳感器一類的簡(jiǎn)單傳感裝置和相應(yīng)的適應(yīng)性算法?，F(xiàn)在，第三代機(jī)械手正在第一、第二代機(jī)械手的基礎(chǔ)上蓬勃發(fā)展起來，它是能感知外界環(huán)境與對(duì)象物，并具有對(duì)復(fù)雜信息進(jìn)行準(zhǔn)確處理，對(duì)自己行為做出自主決

28、策能力的智能化機(jī)械手。它能識(shí)別景物，具有觸覺、視覺、力覺、聽覺、味覺等多種感覺，能實(shí)現(xiàn)搜索、追蹤、辨色識(shí)圖等多種仿生動(dòng)作，具有專家知識(shí)、語音功能和自學(xué)能力等人工智能[3]。</p><p>　　目前機(jī)械手技術(shù)有了新的發(fā)展：出現(xiàn)了仿人型機(jī)械手、微型機(jī)械手和微操作系統(tǒng)（如細(xì)小工業(yè)管道機(jī)械手移動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)、微型飛行器等）、機(jī)械手化機(jī)器、智能機(jī)械手（不僅可以進(jìn)行事先設(shè)定的動(dòng)作，還可按照工作狀況相應(yīng)地進(jìn)行動(dòng)作，如回避障礙物的

29、移動(dòng)，作業(yè)順序的規(guī)劃，有效的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)等）。機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域正在向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)方向擴(kuò)展，并且蓬勃發(fā)展的軍用機(jī)械手也將越來越多地裝備部隊(duì)[4][5]。</p><p>　　國(guó)外方面：近幾年國(guó)外工業(yè)機(jī)械手領(lǐng)域有如下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)械手性能不斷提高，而單機(jī)價(jià)格不斷下降；機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展；控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展；傳感器作用日益重要；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過

30、程控制。</p><p>　　國(guó)內(nèi)方面：目前在一些機(jī)種方面，如噴涂機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手、搬運(yùn)機(jī)械手、裝配機(jī)械手、特種機(jī)械手（水下、爬壁、管道、遙控等機(jī)械手）基本掌握了機(jī)械手操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，解決了控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置，軟件的設(shè)計(jì)和編制等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了自動(dòng)化噴漆線、弧焊自動(dòng)線及其周邊配套設(shè)備的全套自動(dòng)通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)；在基礎(chǔ)元件方面，諧波減速器、機(jī)械手焊接電源、焊縫自動(dòng)跟蹤裝置也有了突破。從

31、技術(shù)方面來說，我國(guó)已經(jīng)具備了獨(dú)立自主發(fā)展中國(guó)機(jī)械手技術(shù)的基礎(chǔ)[6]。</p><p>　　1.3 課題研究的內(nèi)容</p><p>　　本課題主要研究的是基于PLC的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括硬件的設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì)。通過設(shè)計(jì)編制PLC程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制。利用組態(tài)軟件MCGS設(shè)計(jì)出人機(jī)界面，進(jìn)行設(shè)備和數(shù)據(jù)對(duì)象的連接，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的監(jiān)控。通過MCGS將機(jī)械手的動(dòng)

32、作過程進(jìn)行動(dòng)畫演示，使機(jī)械手的動(dòng)作形象化。提供較為直觀、清晰、準(zhǔn)確的機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)，為維修和故障診斷提供多方面的可能性，充分提高系統(tǒng)的工作效率。</p><p>　　第二章 機(jī)械手控制方式的選擇和可編程序控制器簡(jiǎn)介</p><p>　　2.1 機(jī)械手控制方式的選擇</p><p>　　2.1.1 控制方式的分類</p><p>　　傳統(tǒng)的工業(yè)

33、設(shè)備自動(dòng)控制主要由繼電器或分立的電子線路來實(shí)現(xiàn)，這種控制方式投資相對(duì)少一些，目前僅在一些舊式的、簡(jiǎn)單的工業(yè)設(shè)備中還有一定市場(chǎng)，但該控制方式卻有以下致命缺陷：（1）僅適合于簡(jiǎn)單的邏輯控制；（2）僅適合特殊的工程項(xiàng)目，而沒有通用性；（3）沒有改動(dòng)和優(yōu)化的可能性。</p><p>　　伴隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了從繼電器控制到計(jì)算機(jī)控制的轉(zhuǎn)變，計(jì)算機(jī)控制方式具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：（1）

34、硬件上至少有一個(gè)微處理器；（2）通過軟件實(shí)現(xiàn)控制思想。</p><p>　　目前，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域比較典型的控制方式有：（1）可編程序邏輯控制器（PLC）；（2）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）；（3）集散控制系統(tǒng)（DCS）。</p><p>　　2.1.2 PLC與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）和集散控制系統(tǒng)（DCS）的比較</p><p>　　1、各自技術(shù)發(fā)展的起源</p

35、><p>　　計(jì)算機(jī)是為了滿足快速大量數(shù)據(jù)處理要求的設(shè)備。硬件結(jié)構(gòu)方面，總線標(biāo)準(zhǔn)化程度高，兼容性強(qiáng)，軟件資源豐富，特別是有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，故對(duì)要求快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、模型復(fù)雜和計(jì)算工作量大的工業(yè)對(duì)象的控制占有優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　集散系統(tǒng)從工業(yè)自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)發(fā)展到以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為中心的集散系統(tǒng)，所以其在模擬量處理、回路調(diào)節(jié)方面具有一定優(yōu)勢(shì)，初期主要用在連續(xù)過程控制，側(cè)重回路調(diào)節(jié)功能

36、。PLC是由繼電器邏輯系統(tǒng)發(fā)展而來，主要應(yīng)用在工序控制上，初期主要是代替繼電器控制系統(tǒng)，側(cè)重于開關(guān)量順序控制方面。</p><p>　　近年來隨著微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等的發(fā)展，PLC在技術(shù)和功能上發(fā)生了飛躍。在初期邏輯運(yùn)算的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)值運(yùn)算、閉環(huán)調(diào)節(jié)等功能，增加了模擬量和PID調(diào)節(jié)等功能模塊；運(yùn)算速度提高，CPU的能力趕上了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)；通信能力的提高發(fā)展了多種局部總線和網(wǎng)

37、絡(luò)(LAN)，因而也可構(gòu)成為一個(gè)集散系統(tǒng)。特別是個(gè)人計(jì)算機(jī)也被吸收到PLC系統(tǒng)中。PLC在過程控制的發(fā)展將是一智能變送器和現(xiàn)場(chǎng)總線，暨向下拓展功能，開放總線。</p><p><b>　　2、相同點(diǎn)</b></p><p>　　在微電子技術(shù)發(fā)展的背景下，從硬件的角度來看，PLC、工業(yè)計(jì)算機(jī)、集散系統(tǒng)(DCS)之間的差別正在縮小，都將由類似的一些微電子元件、微處理器、大

38、容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和I/O模件組成。編程方面也有很多相同點(diǎn)。</p><p><b>　　3、不同點(diǎn)</b></p><p>　　由于PLC和計(jì)算機(jī)屬于兩類產(chǎn)品，經(jīng)過幾十年的發(fā)展都形成了自身的裝置特點(diǎn)和軟件工具，實(shí)際上它們的區(qū)別仍然存在。</p><p>　　PLC用編程器或計(jì)算機(jī)編程，編程語言是梯形圖、功能塊圖、順序功能表圖和指令表等。集散系統(tǒng)

39、自身或用計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)形成組態(tài)構(gòu)成開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境。</p><p>　　特別需要提出的是，PLC與STD總線工控機(jī)的區(qū)別，無論從維修、安裝和模件功能都很相似。PLC更適用于黑模式下運(yùn)行，但在線運(yùn)行時(shí)若要進(jìn)行較大的程序修改，其能力略遜于STD工控機(jī)，但是從開關(guān)量控制而言，PLC的性能優(yōu)于STD工控機(jī)。</p><p>　　總的來說，在選擇控制器時(shí)，首先要從工程要求、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性等方面考慮。沒有

40、哪種控制器是絕對(duì)完善的，也沒有哪種產(chǎn)品絕對(duì)差，只能說根據(jù)不同的環(huán)境選擇更適用的產(chǎn)品[7]。</p><p>　　2.1.3 機(jī)械手控制方式的選定</p><p>　　PLC實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其控制功能基本都是通過設(shè)計(jì)軟件來實(shí)現(xiàn)的，這種軟件是利用PLC廠商提供的指令系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)械設(shè)備的工藝流程來設(shè)計(jì)。</p><p>　　PLC自問世以來，經(jīng)過20多年的發(fā)展，在美國(guó)

41、、歐洲、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已成為重要產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前，PLC在國(guó)際市場(chǎng)上已成為最受歡迎的工業(yè)控制暢銷產(chǎn)品，用PLC設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)已成為世界潮流。</p><p>　　PLC之所以有生命力，在于它更加適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和市場(chǎng)的要求：高可靠性、強(qiáng)抗各種干擾的能力。編程安裝使用簡(jiǎn)便、低價(jià)格長(zhǎng)壽命。比之單片機(jī)，它的輸入輸出端更接近現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，不需添加太多的中間部件或需要更多的接口，這樣節(jié)省了用戶時(shí)間和成本。PLC的下端（輸入端）為繼

42、電器、晶體管和晶閘管等控制部件，而上端一般是面向用戶的微型計(jì)算機(jī)。人們?cè)趹?yīng)用它時(shí)，可以不必進(jìn)行計(jì)算機(jī)方面的專門培訓(xùn)，就能對(duì)可編程控制器進(jìn)行操作及編程，用來完成各種各樣的復(fù)雜程度不同的工業(yè)控制任務(wù)。 </p><p>　　PLC具有很多的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械手控制系統(tǒng)若采用PLC控制，體積小、重量輕、控制方式靈活、可靠性高、操作簡(jiǎn)單、維修容易。由于PLC所具有的靈活性、模塊化、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的不同

43、工作要求。機(jī)械手采用PLC控制技術(shù)，可以大大提高該系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，減少了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器和硬件接線，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，用PLC控制系統(tǒng)可方便地更改生產(chǎn)流程，增強(qiáng)控制功能[8]。綜上所述，機(jī)械手的控制方式選擇PLC控制。</p><p>　　2.2 可編程序控制器簡(jiǎn)介</p><p>　　可編程序控制器（Programmable Logic Controller）簡(jiǎn)

44、稱PLC或PC，是從早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，它不斷吸收微計(jì)算機(jī)技術(shù)使之功能不斷增強(qiáng)，逐漸適應(yīng)復(fù)雜的控制任務(wù) 。</p><p>　　2.2.1 PLC的結(jié)構(gòu)</p><p>　　PLC和一般的微型計(jì)算機(jī)基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。PLC的硬件系統(tǒng)由微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器(EPROM，ROM)、輸入輸出(I/O)部件、電源部件、編程器、I/O擴(kuò)展單元和其他

45、外圍設(shè)備組成。各部分通過總線(電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線)連接而成[9]。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：</p><p>　　圖2-1 PLC硬件結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　PLC的軟件系統(tǒng)是指PLC所使用的各種程序的集合，通?？煞譃橄到y(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。系統(tǒng)程序是每一個(gè)PLC成品必須包括的部分，由PLC廠家提供，用于控制PLC本身的運(yùn)行，系統(tǒng)程序固化在EPROM中。用戶程序是由用戶根

46、據(jù)控制需要而編寫的程序。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個(gè)完整的PLC系統(tǒng)，他們是相輔相成，缺一不可的。</p><p>　　2.2.2 PLC的特點(diǎn)</p><p>　　可編程序控制器是一種以微機(jī)處理器為核心的工業(yè)通用自動(dòng)控制裝置，其實(shí)質(zhì)是一種工業(yè)控制用的專用計(jì)算機(jī)。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的機(jī)械手系統(tǒng)，它們的控制形式大都采用可編程序控制器控制，特別是在智能化要求程度高容量大的現(xiàn)代化工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)中應(yīng)用更為

47、普遍。其主要原因是因?yàn)镻LC具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p><b>　　1、靈活、通用</b></p><p>　　在繼電器控制系統(tǒng)中，使用的控制器件是大量的繼電器，整個(gè)系統(tǒng)是根據(jù)設(shè)計(jì)好的電器控制圖，由人工布線、焊接、固定等手段組裝完成的，其過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。如果因?yàn)楣に嚿系纳栽S變化，需要改變電器控制系統(tǒng)的話，那么原先的整個(gè)電器控制系統(tǒng)將被全部拆除，而重新進(jìn)行布線、焊接、

48、固定等工作，浪費(fèi)了大量的人力、物力和時(shí)間。而可編程控制器是通過存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的程序?qū)崿F(xiàn)控制功能的，如果控制功能需要改變的話，只需要修改程序以及改動(dòng)極少量的接線即可。而且，同一臺(tái)可編程控制器還可以用于不同的控制對(duì)象，只要改變軟件就可以實(shí)現(xiàn)不同的控制要求，因此具有很大的靈活性、通用性。</p><p>　　2、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)</p><p>　　對(duì)于機(jī)械手系統(tǒng)來說，可靠性、抗干擾能力是

49、非常重要的指標(biāo)，如何能在各種工作環(huán)境和條件(如電磁干擾、低溫潮濕、灰塵超高溫等)下，平穩(wěn)可靠的工作，將故障率降至最低，是研制每一種控制系統(tǒng)必須考慮的問題。現(xiàn)代PLC采用了集成度很高的微電子器件，大量的開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來完成，其可靠性程度是使用機(jī)械觸點(diǎn)的繼電器所無法比擬的。為了保證PLC能在惡劣的工業(yè)環(huán)境可靠的工作，在其設(shè)計(jì)和制造過程中采取了一系列硬件和軟件方面的抗干擾措施，使其可以適應(yīng)惡劣的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境。</p>

50、<p>　　3、操作方便、維修容易</p><p>　　PLC采用電氣操作人員熟悉的梯形圖和功能助記符編程，使用戶十分方便的讀懂程序和編寫、修改程序。對(duì)于使用者來說，幾乎不需要專門的計(jì)算機(jī)知識(shí)。工程師編好的程序十分清晰直觀，只要寫好操作說明書，操作人員經(jīng)短期的學(xué)習(xí)就可以使用。</p><p><b>　　4、功能強(qiáng)</b></p><

51、p>　　現(xiàn)代PLC不僅具有條件控制、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和步進(jìn)等控制功能，而且還能完成A/D、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)過程監(jiān)控等。因此，它既可控制開關(guān)量，又可控制模擬量；既可控制一個(gè)機(jī)械手，又可控制一個(gè)機(jī)械手群；既可控制簡(jiǎn)單系統(tǒng)，又可控制復(fù)雜系統(tǒng)；既可現(xiàn)場(chǎng)控制，又可遠(yuǎn)程控制。</p><p>　　5、體積小、重量輕和易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化</p><p>　　由于PLC采用

52、了半導(dǎo)體集成電路。因此具有體積小、重量輕、功耗低的特點(diǎn)。且PLC是為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用、體積小巧，并由于具備很強(qiáng)的可靠性和抗干擾能力，使之易于裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，因而成為實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化十分理想的控制設(shè)備[10]。</p><p>　　同樣，可編程序控制器控制也有其不足的地方，在性價(jià)比上要高于繼電器控制和單片機(jī)控制，其開發(fā)潛力要差于單片機(jī)，并且通用性不好，不同廠家的可編程序控制器以及其附屬

53、單元都是固定專用等等。</p><p>　　2.2.3 PLC的主要功能</p><p>　　PLC是一種應(yīng)用面很廣、發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動(dòng)化裝置，在工廠自動(dòng)化(FA)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)內(nèi)占重要地位。</p><p>　　PLC系統(tǒng)主要有以下功能：</p><p><b>　　多種控制功能；</b><

54、/p><p>　　數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理功能；</p><p><b>　　通信聯(lián)網(wǎng)功能；</b></p><p>　　輸入、輸出接口調(diào)理功能；</p><p><b>　　人機(jī)界面功能；</b></p><p><b>　　編程、調(diào)試功能。</b></

55、p><p>　　PLC的重量、體積、功耗和硬件價(jià)格一直在降低，雖然軟件價(jià)格占的比重有所增加，但是各廠商為了競(jìng)爭(zhēng)也相應(yīng)地降低了價(jià)格。另外，采用PLC還可以大大縮短設(shè)計(jì)、編程和投產(chǎn)周期，使總價(jià)格進(jìn)一步降低。PLC產(chǎn)品面臨現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展，將再次革新，滿足工業(yè)與民用控制的更高需求[11]。</p><p>　　2.2.4 PLC的經(jīng)濟(jì)分析</p><p>　　綜上所述，在各種環(huán)

56、境中，使用PLC控制機(jī)構(gòu)設(shè)備，生產(chǎn)流水線和生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制將越來越廣泛。</p><p>　　對(duì)PLC的經(jīng)濟(jì)分析，應(yīng)從以下幾方面考慮：</p><p>　　1、從影響成本的各個(gè)因素綜合考慮</p><p>　　對(duì)目前生產(chǎn)設(shè)備控制裝置來說，有三種類型：① 繼電器控制；② 半導(dǎo)體器件控制；③ PLC控制。價(jià)格僅是選擇PLC品牌的一個(gè)因素，而可靠性是選擇控制裝置時(shí)需要

57、考慮的又一個(gè)重要因素。</p><p>　　2、從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期長(zhǎng)短考慮</p><p>　　不論是對(duì)舊設(shè)備進(jìn)行改造，還是設(shè)計(jì)新的生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備。毫無疑問，生產(chǎn)、設(shè)計(jì)周期越短越好，甚至希望邊設(shè)計(jì)、邊安裝、邊調(diào)試和邊生產(chǎn)，特別是產(chǎn)品更新?lián)Q代，生產(chǎn)工藝改造，不需改動(dòng)現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備及其外部接線，就能馬上組織生產(chǎn)，這不僅節(jié)約了勞動(dòng)力，而且新產(chǎn)品能盡快投入市場(chǎng)。這無疑給企業(yè)增加了活力，提高了經(jīng)濟(jì)效益。如

58、果把這些要求得以實(shí)現(xiàn)，繼電器或半導(dǎo)體都不能滿足，而PLC則完全可以實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)槭褂肞LC不必改動(dòng)外部設(shè)備接線，只要對(duì)軟件進(jìn)行一些改變就可以了。也就是說只要改變梯形圖，按照新工藝要求重新輸入新程序或修改原程序即可。這既經(jīng)濟(jì)又簡(jiǎn)捷，可以達(dá)到事半功倍的效果。</p><p>　　據(jù)調(diào)查，目前我國(guó)70%的機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備，都是采用繼電器進(jìn)行控制的，除了可靠性差外，程序設(shè)計(jì)也很繁雜。從方案的確立到技術(shù)條件的設(shè)計(jì)以及施工的設(shè)計(jì)

59、，圖面的工作量很大，這勢(shì)必造成設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)。而采用PLC控制可以大大縮短設(shè)計(jì)周期，甚至有些文件資料也不必繪制成圖。設(shè)計(jì)人員完全可以利用編程器上屏幕顯示來輸入，或修改程序使得梯形圖能準(zhǔn)確無誤地反映生產(chǎn)要求。編程人員也可根據(jù)新產(chǎn)品對(duì)生產(chǎn)提出的新工藝要求，重新編寫程序并把它存儲(chǔ)在EEPROM模塊中去，需要加工哪種產(chǎn)品的程序，操作人員可以隨時(shí)調(diào)用，這既簡(jiǎn)單、方便又保密。</p><p>　　2.2.5 PLC發(fā)展?fàn)顩r及趨勢(shì)

60、</p><p>　　現(xiàn)代PLC的發(fā)展主要有兩個(gè)趨勢(shì)：一是向體積更小、速度更快、功能更強(qiáng)和價(jià)格更低的微小型方面發(fā)展；二是向大型網(wǎng)絡(luò)化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面發(fā)展[12]。</p><p><b>　　1、大型網(wǎng)絡(luò)化</b></p><p>　　主要是朝DCS方向發(fā)展，使其具有DCS系統(tǒng)的一些功能。網(wǎng)絡(luò)化和通信能力強(qiáng)是PLC發(fā)展的一個(gè)重

61、要方面，向下可將多個(gè)PLC、I/O框架相連，向上與工業(yè)計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)、MAP網(wǎng)等相連構(gòu)成整個(gè)工廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 </p><p><b>　　2、多功能</b></p><p>　　隨著自調(diào)整、步進(jìn)電機(jī)控制、位置控制、伺服控制等模塊的出現(xiàn)，使PLC控制領(lǐng)域更加寬廣。</p><p>　　第三章 機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p>

62、<p>　　3.1 機(jī)械手控制系統(tǒng)構(gòu)件概述</p><p>　　本課題設(shè)計(jì)使用的是THWJX-1型機(jī)械手實(shí)物教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。機(jī)械手實(shí)物教學(xué)模型的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、氣缸、氣夾等機(jī)械部件組成；電氣方面有步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、傳感器、開關(guān)電源、電磁閥等電子器件組成。該模型是PLC技術(shù)、位置控制技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合成一體的教學(xué)儀器。</p><p>　　3.1.

63、1 步進(jìn)電機(jī)</p><p>　　采用二相八拍混合式步進(jìn)電機(jī)來控制機(jī)械手的動(dòng)作，相比直流電機(jī)有更好的制動(dòng)效果，又加上滾珠絲桿和滑桿配合，使機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定。主要特點(diǎn)：體積小，具有較高的起動(dòng)和運(yùn)行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)。本模型中采用串聯(lián)型接法，其電氣接線圖如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 步進(jìn)電機(jī)電氣接線圖</p><p>　　3.1.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)

64、動(dòng)器</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要有電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、輸出部分等。驅(qū)動(dòng)器參數(shù)如下表3-1、表3-2、表3-3、表3-4所示。PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接及工作原理，如圖3-2所示。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、信號(hào)輸出部分等，利用驅(qū)動(dòng)器可以很方便的對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向進(jìn)行控制。驅(qū)動(dòng)器電源由面板上電源模塊提供，驅(qū)動(dòng)器信號(hào)端采用+24V供電，需加1.5K限流電阻（見圖3-2中1

65、.5K電阻）。驅(qū)動(dòng)器輸入端為低電平有效。PLC通過控制其輸出點(diǎn)來控制驅(qū)動(dòng)器光耦的開合，當(dāng)PLC輸出線圈得電</p><p><b>　　表3-1 電氣規(guī)格</b></p><p><b>　　表3-2 電流設(shè)定</b></p><p><b>　　表3-3 細(xì)分設(shè)定</b></p>&l

66、t;p>　　表3-4 接線信號(hào)描述</p><p>　　時(shí)，晶體管導(dǎo)通，相應(yīng)的觸電輸出低電平，使驅(qū)動(dòng)器光耦導(dǎo)通，當(dāng)PLC輸出線圈失電時(shí)，</p><p>　　晶體管關(guān)斷，使驅(qū)動(dòng)器光耦截止。另外若不采用驅(qū)動(dòng)器，而采用PLC輸出觸點(diǎn)直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，會(huì)占用很多的輸出觸點(diǎn)，同時(shí)給編程帶來不便。</p><p>　　圖3-2 PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接及工作原理

67、</p><p><b>　　3.1.3 傳感器</b></p><p>　　本裝置中使用的傳感器有接近開關(guān)和行程開關(guān)?；蜌鈯A的正反轉(zhuǎn)限位采用接近開關(guān)（金屬傳感器），通過調(diào)整基座和氣夾上的金屬塊的位置，可以在一定范圍內(nèi)改變基座</p><p>　　圖3-3 傳感器工作原理圖</p><p>　　和氣夾的旋轉(zhuǎn)角度。機(jī)械

68、手的伸縮、升降均采用行程開關(guān)來限位，并通過改變行程開關(guān)的位置來調(diào)節(jié)橫軸和豎軸的運(yùn)動(dòng)范圍。</p><p>　　1、接近開關(guān)：接近開關(guān)有三根連接線（棕、蘭、黑）棕色接電源的正極、藍(lán)色接電源的負(fù)極、黑色為輸出信號(hào)，當(dāng)與檔塊接近時(shí)輸出電平為低電平，否則為高電平。與PLC之間的接線圖如下，當(dāng)傳感器動(dòng)作時(shí)，輸出端對(duì)地接通。PLC內(nèi)部光耦與傳感器電源構(gòu)成回路，PLC信號(hào)輸入有效，工作原理如圖3-3所示。</p>

69、<p>　　2、行程開關(guān)：當(dāng)檔塊碰到開關(guān)時(shí)，常開點(diǎn)閉合。</p><p>　　3.1.4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元</p><p>　　本裝置中直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是由兩個(gè)繼電器的吸合與斷開來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向的，從而實(shí)現(xiàn)基座和氣夾的正反轉(zhuǎn)。本模型所用輸入、輸出均為低電平有效。其中IN端接PLC的輸出端口，OUT端接模型的信號(hào)輸入端。COM端接PLC的傳感器電源負(fù)端。電平轉(zhuǎn)換板原理圖如圖3

70、-4所示。</p><p>　　圖3-4 電平轉(zhuǎn)換板原理圖</p><p>　　3.2 機(jī)械手的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)過程</p><p>　　機(jī)械手的全部動(dòng)作由步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-5所示。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)需要驅(qū)動(dòng)器，有脈沖輸入時(shí)步進(jìn)電機(jī)才會(huì)動(dòng)作，且每當(dāng)脈沖由低變高時(shí)步進(jìn)電機(jī)走一步；改變電機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)，需要加方向信號(hào)。機(jī)械手的上升/下降、前伸/后縮動(dòng)

71、作就是通過控制這兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的?；D(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)和氣夾正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)是通過兩個(gè)繼電器的吸合與斷開來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向來實(shí)現(xiàn)的。機(jī)械手的放松/夾緊由一個(gè)單線圈兩位置電磁閥控制。當(dāng)該線圈通電時(shí)，機(jī)械手放松；該線圈斷電時(shí)，機(jī)械手夾緊[13]。</p><p>　　打開電源，按下起動(dòng)按鈕時(shí)，開機(jī)復(fù)位。機(jī)械手的動(dòng)作示意圖如圖3-6所示機(jī)械手若不在原點(diǎn)則PLC向驅(qū)動(dòng)器一同時(shí)輸入脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)一反轉(zhuǎn)，

72、橫軸后縮。當(dāng)后縮到位時(shí)碰到后限位開關(guān)，然后主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二輸入脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)二正轉(zhuǎn)，機(jī)械手上升。上升到底時(shí)碰到上限位開關(guān)，上升停止，回到原點(diǎn)。主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二同時(shí)輸入脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)二反轉(zhuǎn)，機(jī)械手下降。降到底時(shí)碰到下限位開關(guān)，下降停止，氣夾電磁閥斷電，機(jī)械手夾緊。夾緊后，主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二只輸入脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)二正轉(zhuǎn)，機(jī)械手上升。上升到頂時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升停止。PLC向驅(qū)動(dòng)器一只輸入</p><p&g

73、t;　　圖3-5 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　圖3-6 機(jī)械手的動(dòng)作示意圖</p><p>　　脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)一正轉(zhuǎn)，機(jī)械手前伸，前伸到位時(shí)，碰到前限位開關(guān)，前伸停止。主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二同時(shí)輸入脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)二反轉(zhuǎn)，機(jī)械手下降。降到底時(shí)碰到下限位開關(guān)，下降停止，同時(shí)夾緊電磁閥斷電，機(jī)械手放松。放松后，主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二只輸入脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)二正轉(zhuǎn)，機(jī)械手上升。上升到頂

74、時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升停止。上升到頂時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升停止。PLC向驅(qū)動(dòng)器一同時(shí)輸入脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)一反轉(zhuǎn)，橫軸后縮。機(jī)械手后縮，當(dāng)后縮到底時(shí)碰到后限位開關(guān)，然后主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二同時(shí)輸入脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)二反轉(zhuǎn)，機(jī)械手下降。下降到底時(shí)碰到下限位開關(guān)，下降停止，回到原點(diǎn)。至此，機(jī)械手經(jīng)過八步動(dòng)作完成一個(gè)循環(huán)[14]。</p><p>　　3.3 PLC程序設(shè)計(jì)</p>&l

75、t;p>　　3.3.1 I/O點(diǎn)數(shù)的確定及PLC類型的選擇</p><p>　　本次設(shè)計(jì)使用的是THWJX-1型機(jī)械手實(shí)物教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。本裝置需采用晶體管輸出型可編程控制器，可同時(shí)輸出兩路脈沖到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。由于機(jī)械手系統(tǒng)的輸入/輸出點(diǎn)少，要求電氣控制部分體積小，成本低，并能夠用計(jì)算機(jī)對(duì)PLC進(jìn)行監(jiān)控和管理，該機(jī)械手的控制為純開關(guān)量控制，且I/O點(diǎn)數(shù)不多，僅需11個(gè)輸入點(diǎn)和9個(gè)輸出點(diǎn)，考

76、慮留有一定的裕量。故選用日本三菱公司生產(chǎn)的多功能小型FX1N-24MT-D主機(jī)，該機(jī)輸入點(diǎn)為14個(gè)，輸出點(diǎn)為10個(gè)[15]。</p><p>　　3.3.2 PLC的I/O分配 </p><p>　　根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作的要求及機(jī)械手實(shí)物教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置說明指導(dǎo)，輸入、輸出點(diǎn)分配如表3-5所示。</p><p>　　表3-5 PLC的I/O分配表</p><

77、;p>　　3.3.3 編程指令的選擇</p><p>　　方案一：使用起保停電路的編程方式。用輔助繼電器代表步，僅僅使用與觸電和線圈有關(guān)的指令。編出程序規(guī)范，具有易于閱讀和容易查錯(cuò)的優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)榇嬖诖罅康淖员３钟|點(diǎn)，使程序代碼較長(zhǎng)。</p><p>　　方案二：采用以轉(zhuǎn)換為中心的編程方式。這種編程方式與轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的基本規(guī)則之間有著嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用它編制復(fù)雜的順序功能圖的梯形圖時(shí)，會(huì)有

78、很大幫助。</p><p>　　方案三：采用STL指令的編程方式。STL指令（步進(jìn)梯形指令）是三菱廠家設(shè)計(jì)的專門用于順序控制的指令，使用該指令可以使編制順序控制程序更加方便，而且易于調(diào)試和維護(hù)，且代碼較短。</p><p>　　經(jīng)論證本次設(shè)計(jì)采用的編程方式選用方案三。</p><p>　　3.3.4 PLC程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　程序

79、流程圖見附錄1、順序功能圖見附錄2、梯形圖見附錄3、指令表見附錄4。</p><p>　　3.4 PLC程序的調(diào)試</p><p>　　由于PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計(jì)的控制裝置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。但環(huán)境過于惡劣、電磁干擾特別強(qiáng)烈，或安裝使用不當(dāng)，都將不能保證PLC正常、安全、可靠的運(yùn)行。因此，討論P(yáng)LC設(shè)計(jì)調(diào)試就具有十分重要的意義。</p

80、><p>　　3.4.1 PLC控制的安裝與布線</p><p><b>　　1、 輸入接線</b></p><p>　?。?）輸入接線一般不要超過30m。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時(shí)，輸入接線可適當(dāng)長(zhǎng)些。 </p><p>　?。?）輸入、輸出線不能用同一根電纜，輸入、輸出線要分開。 </p><p

81、>　?。?）利用普通二極管恰當(dāng)?shù)拇釉赑LC輸入回路中，防止信號(hào)干擾，使PLC輸入信號(hào)大大增強(qiáng)。</p><p><b>　　2、電源接線</b></p><p>　　電源是PLC引入干擾的主要途徑之一，PLC應(yīng)盡可能取用電壓波動(dòng)較小、波形畸變較小的電源，這對(duì)提高PLC的可靠性有很大幫助。PLC的供電線路應(yīng)與其他大功率用電設(shè)備或強(qiáng)干擾設(shè)備（如高頻爐、弧焊機(jī)等）分

82、開。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力，可編程序控制器供電回路一般可采用隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器、晶體管開關(guān)電源等。我們正是用了隔離變壓器和交流穩(wěn)壓器來抗干擾。隔離變壓器是初級(jí)和次級(jí)之間采用隔離屏蔽層，用漆包線或同等非導(dǎo)磁材料組成，電器回路上不允許短路，兩極各引出一個(gè)接地抽頭。初級(jí)與次級(jí)之間的靜電屏蔽要聯(lián)結(jié)到零點(diǎn)位，接地抽頭配電容耦合最后引出到接地點(diǎn)。在選用交流穩(wěn)壓器時(shí)，一般可按照實(shí)際最大需求容量的130%計(jì)算。這樣可以保證穩(wěn)壓特性又有助于穩(wěn)壓

83、器工作可靠[16]。</p><p>　　PLC供電電源為50Hz、220V10%的交流電。由于本設(shè)計(jì)使用的是FX1N系列可編程控制器，所以有直流24V輸出接線端。該接線端可為輸入及傳感器（如光電開關(guān)或接近開關(guān)）提供直流24V電源。</p><p><b>　　3、接地</b></p><p>　　正確選擇接地點(diǎn)，完善接地系統(tǒng)接地的目的通常有兩

84、個(gè)，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。系統(tǒng)接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對(duì)PLC控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應(yīng)采用直接接地方式。良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。所以我們給可編程控制器接上了專用接地線。</p><p>　　3.4.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)的外部接線圖</p>

85、<p>　　PLC外部電氣接線圖見附錄5。</p><p>　　3.4.3 機(jī)械手控制程序的調(diào)試</p><p>　　在程序調(diào)試過程中出現(xiàn)了一系列的問題，但最終都一一解決了。在使用STL指令編程時(shí)，剛開始由于對(duì)STL指令掌握的不是很好，所以犯了不少錯(cuò)誤，加上機(jī)械手模型裝置本身存在的一些問題，所以在調(diào)試程序時(shí)，機(jī)械手動(dòng)作不符合控制要求。經(jīng)過不斷查閱資料，研究、改進(jìn)，最終程序調(diào)試成功

86、。機(jī)械手運(yùn)行良好，動(dòng)作正確、符合控制要求。</p><p>　　第四章 MCGS在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p>　　4.1 MCGS的概述</p><p>　　4.1.1 MCGS的簡(jiǎn)介</p><p>　　MCGS（Monitor and Control Generated System，通用監(jiān)控系統(tǒng)）是一套用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算

87、機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。它能夠在基于Microsoft的各種32位Windows平臺(tái)上運(yùn)行，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案，在自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其主要特征和功能大體為：具有簡(jiǎn)單靈活的可視化操作界面、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、有良好的并行處理性能、有豐富生動(dòng)的多媒體畫面、開放式結(jié)構(gòu)、廣泛的數(shù)據(jù)獲取和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能、完善的安全機(jī)制、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能、多樣化的報(bào)警功能、支持

88、多種硬件設(shè)備、方便控制復(fù)雜的運(yùn)行流程、良好的可維護(hù)性和可擴(kuò)充性、設(shè)立對(duì)象元件庫組態(tài)工作簡(jiǎn)單方便、能實(shí)現(xiàn)對(duì)工控系統(tǒng)的分布式控制和管理等等[17]。</p><p>　　4.1.2 MCGS的構(gòu)成</p><p>　　MCGS系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩個(gè)部分。</p><p>　　用戶的所有組態(tài)配置過程都在組態(tài)環(huán)境中進(jìn)行，組態(tài)環(huán)境相當(dāng)于一套完整的工具軟件，它幫助用戶設(shè)

89、計(jì)和構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)。用戶組態(tài)生成的結(jié)果是一個(gè)數(shù)據(jù)庫文件，稱為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫。</p><p>　　運(yùn)行環(huán)境是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)，它按照組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫中用戶指定的方式進(jìn)行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能。運(yùn)行環(huán)境本身沒有任何意義，必須與數(shù)據(jù)庫一起作為一個(gè)整體，才能構(gòu)成用戶引用系統(tǒng)。組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫完成了MCGS系統(tǒng)從組態(tài)環(huán)境向運(yùn)行環(huán)境的過渡，它們之間的關(guān)系如圖4-1所示。</p><p&

90、gt;　　圖4-1 組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境關(guān)系圖</p><p>　　由MCGS生成的用戶應(yīng)用系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略五個(gè)部分組成，如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 MCGS用戶應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4.1.3 MCGS的主要特性和功能</p><p>　　（1）簡(jiǎn)單靈活的可視化

91、操作界面。</p><p>　?。?）實(shí)時(shí)性強(qiáng)、良好的并行處理性能。</p><p>　?。?）豐富、生動(dòng)的多媒體畫面。</p><p>　?。?）開放式結(jié)構(gòu)，廣泛的數(shù)據(jù)獲取和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能。</p><p>　　MCGS系統(tǒng)由五大功能模塊組成，主要的功能模塊以構(gòu)件的形式來構(gòu)造，不同的構(gòu)件有著不同的功能，且各自獨(dú)立。三種基本類型的構(gòu)件（設(shè)

92、備構(gòu)件、動(dòng)畫構(gòu)件、策略構(gòu)件）完成了MCGS系統(tǒng)三大部分（設(shè)備驅(qū)動(dòng)、動(dòng)畫顯示和流程控制）的所有工作。除此以外，MCGS還提供了一套開放的可擴(kuò)充接口，用戶可根據(jù)自己的需要用VB、VC等高級(jí)開發(fā)語言，編制特定的構(gòu)件來擴(kuò)充系統(tǒng)的功能。MCGS用數(shù)據(jù)庫來管理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，系統(tǒng)可靠性高。MCGS設(shè)立對(duì)象元件庫，組態(tài)工作簡(jiǎn)單方便，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)工控系統(tǒng)的分布式控制和管理。</p><p>　　4.1.4 MCGS的編程語言</p

93、><p>　　MCGS全中文組態(tài)軟件，采用C++語言編制，核心為組態(tài)結(jié)構(gòu)。構(gòu)架合理、連接靈活，結(jié)構(gòu)層次清晰，方便用戶的定制開發(fā)。它是基于WIN95/98/NT視窗結(jié)構(gòu)，能夠快速構(gòu)造和生成數(shù)據(jù)管理、報(bào)警處理、流程控制、動(dòng)畫顯示、報(bào)表輸出等界面，輕松實(shí)現(xiàn)各種工程曲線、報(bào)表、數(shù)據(jù)瀏覽、遠(yuǎn)程通訊、遠(yuǎn)程采集、遠(yuǎn)程診斷等功能的先進(jìn)軟件。</p><p>　　MCGS組態(tài)軟件采用Basic的腳本語言編程，有

94、強(qiáng)大的圖形化流程策略組態(tài)工具，使編程工作降到最少，令用戶愛不釋手。MCGS全中文組態(tài)軟件能支持目前市場(chǎng)上絕大部分硬件，其網(wǎng)絡(luò)版更使“決勝千里之外”成為可能。</p><p>　　4.1.5 MCGS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)</p><p>　　MCGS數(shù)據(jù)庫管理功能強(qiáng)大，分為數(shù)據(jù)前處理（可以對(duì)設(shè)備采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行多種數(shù)值處理）、數(shù)據(jù)后處理（可通過各種內(nèi)部函數(shù)、運(yùn)算符、腳本程序?qū)?shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理）

95、、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理（提供數(shù)據(jù)瀏覽，各種曲線、報(bào)表等功能構(gòu)件，對(duì)存盤數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、排序、運(yùn)算等操作），同時(shí)可以掛接外部數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)ODBC接口和OLE實(shí)時(shí)調(diào)用，可以和SOL、Server、Oracle、Access等數(shù)據(jù)庫相連，提供多種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式，每種方法都可以獨(dú)立使用或組合使用。</p><p>　　數(shù)據(jù)瀏覽構(gòu)件可同時(shí)以表格和曲線的形式顯示存盤數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)曲線可以動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前的數(shù)據(jù)，并可以設(shè)定上下限值

96、和時(shí)間的長(zhǎng)短，以便于用戶查詢，同時(shí)提供EXCEL報(bào)表和MCGS自由報(bào)表。</p><p>　　4.1.6 MCGS的作用</p><p>　　MCGS全中文組態(tài)軟件是真正的32位程序，支持多任務(wù)、多線程，提供近百種繪圖工具和基本圖符。使用ActiveDLL把設(shè)備驅(qū)動(dòng)掛接在系統(tǒng)之中，支持?jǐn)?shù)據(jù)采集板、智能模塊、智能儀表、PLC、變頻器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它支持ActiveX控件，包括溫控曲線、實(shí)時(shí)曲線

97、、計(jì)劃曲線、歷史曲線、XY曲線、實(shí)時(shí)報(bào)表、歷史報(bào)表、單行報(bào)表、配方管理、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)庫瀏覽統(tǒng)計(jì)、多媒體輸出等眾多構(gòu)件。</p><p>　　MCGS全中文組態(tài)軟件可完整實(shí)現(xiàn)ODBC接口，可與SQLServer、Oraver、Oracle、Access等主要數(shù)據(jù)庫相連，可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的報(bào)表，并以不同方式增加、刪除數(shù)據(jù)庫中的記錄，支持CAN、PROFIBUS、HART、LONWORKS等多種現(xiàn)場(chǎng)總線。它還具有強(qiáng)大

98、的網(wǎng)絡(luò)功能，支持TCP/IP、MODEM、485/422/232等多種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方案，提供4級(jí)安全保密機(jī)制。 </p><p>　　工程組態(tài)軟件MCGS的最大優(yōu)點(diǎn)是組態(tài)方便，它融會(huì)了中外工控組態(tài)軟件的眾多長(zhǎng)處，只要是稍具外語常識(shí)，即可以方便組態(tài)[18]。</p><p>　　4.2 工程的建立與變量的定義</p><p>　　4.2.1 工程的建立</p&g

99、t;<p>　　首先雙擊桌面MCGS組態(tài)環(huán)境圖標(biāo)，進(jìn)入組態(tài)環(huán)境，屏幕中間窗口為工作臺(tái)。</p><p>　　單擊文件菜單中“新建工程”選項(xiàng)，自動(dòng)生成新建工程，默認(rèn)的工程名為：“新建工程0.MCG”。</p><p>　　選擇文件菜單中的“工程另存為”菜單項(xiàng)，彈出文件保存窗口。</p><p>　　在文件名一欄內(nèi)輸入“機(jī)械手控制系統(tǒng)”，點(diǎn)擊“保存”按鈕，

100、工程創(chuàng)建完畢。如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 MCGS工作臺(tái)窗口</p><p>　　在MCGS中，變量也叫數(shù)據(jù)對(duì)象。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是MCGS工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)對(duì)象是構(gòu)成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的基本單元，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的過程也就是定義數(shù)據(jù)對(duì)象的過程。定義數(shù)據(jù)對(duì)象的內(nèi)容主要包括：指定數(shù)據(jù)變量的名稱、類型、初始值和數(shù)值范圍確定與數(shù)據(jù)變量存盤相關(guān)的參數(shù)，如存盤的周期、存盤的時(shí)間范

101、圍和保存期限等。</p><p>　　4.2.2 變量的分配</p><p>　　在開始定義之前，我們先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定需要的變量。本系統(tǒng)至少需要16個(gè)變量，見表4-1。</p><p>　　表4-1 機(jī)械手控制系統(tǒng)變量分配表</p><p>　　機(jī)械手動(dòng)作控制信號(hào)本身要求高電平，而開關(guān)量輸出通道是反相輸出，因此上升等幾個(gè)變量需設(shè)計(jì)為低電

102、平有效，即送“0”動(dòng)作。</p><p>　　4.2.3 變量定義的步驟</p><p>　　單擊工作臺(tái)中的“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫”選項(xiàng)卡，進(jìn)入“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫”窗口頁，如圖4-4所示。窗口中列出了系統(tǒng)已有變量“數(shù)據(jù)對(duì)象”的名稱。其中一部分為系統(tǒng)內(nèi)部建立的數(shù)據(jù)對(duì)象?，F(xiàn)在要將表中定義的數(shù)據(jù)對(duì)象添加進(jìn)去。</p><p>　　單擊工作臺(tái)右側(cè)“新增對(duì)象” 按鈕，在窗口的數(shù)據(jù)對(duì)象列表中，

103、增加了一個(gè)新的數(shù)據(jù)對(duì)象，如圖4-5所示。</p><p>　　選中該數(shù)據(jù)對(duì)象，按“對(duì)象屬性”按鈕，或雙擊選中對(duì)象，則打開“數(shù)據(jù)對(duì)象屬性設(shè)置” 窗口。</p><p>　　圖4-4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫窗口</p><p>　　圖4-5 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫窗口</p><p>　　圖4-6 數(shù)據(jù)對(duì)象屬性設(shè)置窗口</p><p>　　將“對(duì)

104、象名稱”改為：?jiǎn)?dòng)按鈕；“對(duì)象初值”改為：0；“對(duì)象類型”選擇：開關(guān)型；在“對(duì)象內(nèi)容注釋輸入框”內(nèi)輸入：機(jī)械手啟動(dòng)信號(hào)，X11輸入，1有效。</p><p>　　單擊“確定”。如圖4-6所示。</p><p>　　按照步驟2~5，根據(jù)上面列表，設(shè)置其他數(shù)據(jù)對(duì)象。</p><p><b>　　單擊“保存”按鈕。</b></p>&l

105、t;p>　　4.2.4 設(shè)備與變量連接</p><p>　　在工作臺(tái)“設(shè)備窗口”中雙擊“設(shè)備窗口”圖標(biāo)進(jìn)入。</p><p>　　點(diǎn)擊工具條中的“工具箱”圖標(biāo)，打開“設(shè)備工具箱”。</p><p>　　單擊“設(shè)備工具箱”中的“設(shè)備管理”按鈕，彈出如圖4-7所示窗口。</p><p>　　在可選設(shè)備列表中，雙擊“通用設(shè)備”。</p&

106、gt;<p>　　圖4-7 設(shè)備管理窗口</p><p>　　雙擊“串口通訊父設(shè)備”，在下方出現(xiàn)串口通訊父設(shè)備圖標(biāo)。</p><p>　　雙擊串口通訊父設(shè)備圖標(biāo)，將“串口通訊父設(shè)備”添加到右側(cè)選定設(shè)備列表中。</p><p>　　雙擊“PLC設(shè)備”，在下方出現(xiàn)“三菱”文件夾，雙擊“三菱”文件夾，出現(xiàn)“FX-232”， 雙擊“FX-232”圖標(biāo)，將三菱“

107、FX-232” 添加到右側(cè)選定設(shè)備列表中。</p><p>　　單擊“確認(rèn)”，并保存。</p><p>　　在工作臺(tái)“設(shè)備窗口”中雙擊“設(shè)備窗口”圖標(biāo)進(jìn)入。設(shè)備被添加到設(shè)備組態(tài)窗口中，如圖4-8所示。</p><p>　　雙擊“設(shè)備1-[三菱FX-232]”，進(jìn)入模擬設(shè)備屬性設(shè)置窗口，如圖4-9所示。</p><p>　　單擊基本屬性頁中的“

108、內(nèi)部屬性”選項(xiàng)，該項(xiàng)右側(cè)會(huì)出現(xiàn)圖標(biāo)，單擊此按鈕進(jìn)入“內(nèi)部屬性”設(shè)置。將：通道1、2的最大值分別設(shè)置為：10、12。</p><p>　　圖4-8 設(shè)備組態(tài)窗口</p><p>　　圖4-9 設(shè)備屬性設(shè)置窗口</p><p>　　單擊“確認(rèn)”，完成“內(nèi)部屬性”設(shè)置。</p><p>　　單擊“通道連接”標(biāo)簽，進(jìn)入通道連接設(shè)置。依次進(jìn)入通道連接，

109、直至通道全部連接完成。進(jìn)入“設(shè)備調(diào)試”屬性頁，即可看到通道值中數(shù)據(jù)在變化。單擊“保存”按鈕。至此設(shè)備與變量（數(shù)據(jù)對(duì)象）的連接完成。</p><p>　　圖4-10 工作臺(tái)窗口</p><p>　　4.3 工程畫面的創(chuàng)建</p><p>　　在“用戶窗口”中單擊“新建窗口”按鈕，建立“窗口0”、“窗口1”。如圖4-10所示。</p><p>　

110、　選中“窗口0”，單擊“窗口屬性”，進(jìn)入“用戶窗口屬性設(shè)置”。</p><p>　　圖4-11 用戶窗口屬性設(shè)置</p><p>　　將窗口名稱改為：封面窗口；窗口標(biāo)題改為：封面窗口；窗口位置選中“最大化顯示”、“固定邊”，窗口背景色選為藍(lán)色，其他不變，單擊“確定”。這時(shí)“封面窗口”底色變?yōu)樗{(lán)色。如圖4-11所示。</p><p>　　選中“窗口1”，單擊“窗口屬性