机电一体化技术专业毕业设计论文规刘渊.docx
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机电一体化技术专业毕业设计论文规刘渊
内蒙古科技大学继续教育学院
毕业设计（论文）任务书
专业机电一体化班级2011
学号1136320840姓名刘渊
毕业设计（论文）题目
PLC应用系统设计基础知识
设计期限：
自2013年3月1日至2013年5月14日
指导老师：
刘伟
系主任：
2013年5月14日
（内蒙古科技大学论文封面）
目 录
摘要1
前言2
1、PLC应用系统设计基础知识3
1.1PLC控制系统设计的原则和内容。
3
1.2PLC的选择3
2、PLC控制系统硬件设计4
2.1按钮和行程开关的选择4
2.2接近开关、转换开关、刀开关的选择5
2.3时间继电器、接触器的选择6
2.4熔断器、电动机的选择6
2.5电磁阀的选择7
3、PLC在大小球分选系统中的设计7
3.1系统的功能7
3.2分捡大小球系统的结构7
3.3分捡大小球系统的工作原理8
3.4分捡大小球系统的输入/输出地址及定时器分配8
3.5分捡大小球的设计思想9
3.6分拣大小球控制系统的接线图9
4、大小球分选系统的PLC程序设计10
总结12
致谢13
参考文献14
摘要
机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。
因为，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。
尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。
在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。
在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分捡，本课题拟开发物料搬运机械手，采用的德国西门子S7-200系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。
用于分捡大小球的机械装置。
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。
关键词：
机械手、PLC、大小球
前言
当今世界已进入信息时代，Internet成为21世纪最受关注的行业之一,它的飞速发展和在全球范围的普及应用正在给人类生活带来革命性变化。
网络技术的发展也取得了巨大的成就，为网站开发提供了很好的技术支持。
正基于这个背景，产生了《图片网站设计》这个毕业设计课题。
最大限度地满足被控对象或产生过程的控制要求。
对于一些原来用继电接触器线路不易实现的要求，使用PLC后，将很容易实现。
在满足控制要求前提下，力求使控制简单、经济、操作和维护方便。
对一些过去较为繁琐的控制可利用PLC的特点加以简化，通过内部程序化外部接线及操作方式。
保证控制系统的安全、可靠。
同时采取“软件兼施”的办法。
考虑到生产的发展和工艺的改进，选择PLC容量及I/O点数时，应适当留有裕量。
一个系统完成后，往往会发现一些原来没有考虑到的问题，或者新提出的问题，如果事先留有裕量。
则PLC系统极易修改。
同时对日后系统工艺的变更提供方便。
当然对于不同的用户，要求的侧重点不同，设计的原则也应有所区别，如果以提高产品和安全为目标，则应将系统可靠性放在设计的重点，设置考虑采取冗余控制系统；如果要求系统改善信息管理，则应将系统通信能力与总线网络设计加以强化；如果系统工艺经常变更，则事先充分考虑。
PLC应用系统设计基础知识
1、PLC应用系统设计基础知识
PLC应用系统设计主要包括硬件设计、软件设计、施工设计和安装调试等内容。
本课程设计着重在系统设计和程序设计。
1.1PLC控制系统设计的原则和内容。
PLC的选择除了应满足技术指标的要求外，还应着重考虑产品的技术支持与售后服务等情况。
最大限度地满足被控对象或产生过程的控制要求。
对于一些原来用继电接触器线路不易实现的要求，使用PLC后，将很容易实现。
在满足控制要求前提下，力求使控制简单、经济、操作和维护方便。
对一些过去较为繁琐的控制可利用PLC的特点加以简化，通过内部程序化外部接线及操作方式。
保证控制系统的安全、可靠。
同时采取“软件兼施”的办法。
考虑到生产的发展和工艺的改进，选择PLC容量及I/O点数时，应适当留有裕量。
一个系统完成后，往往会发现一些原来没有考虑到的问题，或者新提出的问题，如果事先留有裕量。
则PLC系统极易修改。
同时对日后系统工艺的变更提供方便。
当然对于不同的用户，要求的侧重点不同，设计的原则也应有所区别，如果以提高产品和安全为目标，则应将系统可靠性放在设计的重点，设置考虑采取冗余控制系统；如果要求系统改善信息管理，则应将系统通信能力与总线网络设计加以强化；如果系统工艺经常变更，则事先充分考虑。
1.2PLC的选型
在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，具体考虑以下几点。
1.2.1性能与任务相适应
对于开关量控制系统的应用系统，当对控制要求不高时，可选用小型PLC（如西门子公司S7-200系列PLC或OMON公司系列CPM1A/CPM2A型PLC）就能满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。
对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业生产中常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带有D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的中小型PLC，如西门子公司的S7-300系列PLC或OMRON公司的COM/CQM1H型PLC。
对于比较复杂的中大型控制系统，如闭环控制、PID调节、通信联信网4等，可选用中大型PLC（如西门子公司的S7-400系列PLC或OMRON公司的C200HE/C200HG/C200HX、CV/CVM1等PLC）。
当系统的各个控制对象分布在不同的地域时，应根据各部分的具体要求来选择PLC，一组成一个分布式的控制系统。
1.2.2PLC的处理速度应满足时实控制的要求
PLC工作时，从输入信号控制存在着滞后现象，即输入量的变化，一般要在1～2个扫描周期之后才能反映到输出端，这对于一般工业控制是允许的。
但有些设备的实时性要求教高，不允许有教大的滞后时间。
例如，PLC的I/O点数在几十到几千点范围内，这时用户应用程序的长短对系统的响应速度会有较大的差别。
滞后时间应控制在几十毫秒之内，应小于普通继电器的动作时间。
1.2.3PLC应用系统结构合理、机型系列应统一
PLC的结构分为整体式和模块式两种。
整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块电路板上，省去插接环节，体积小，每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，适用于工艺过程比较稳定、控制要求比较简单的系统。
模块式PLC的功能扩展，I/O点数的增减，输入与输出点数的比例，都比整体式灵活。
维修更换模块、判断与处理故障快方便，适用于工艺过程变化教多、控制要求复杂的系统。
在使用时，应按实际具体情况进行选择。
结合以上几点，在设计PLC机械手在大小球分选系统中用的PLC的选型为西门子S7-200系列的可编程控制器。
2、PLC控制系统硬件设计
2.1按钮和行程开关的选择
2.1.1按钮的选择原则：
（1）根据使用场合，选择控制按钮的种类，如开启式，防水式，紧急式等。
（2）根据用途，选用合适的型式，如钥匙式，紧急试，带灯式等。
（3）按控制回路的要求，确定不同的按钮数，如单钮，双钮，三钮，多钮等。
（4）按工作状态指示和工作情况的要求选择按钮及指示灯的颜色
2.1.2行程开关的选择：
行程开关的分类：
直动式，滚动式和微动式三种。
直动式行程开关的优点是结
构简单，成本低，但容易烧蚀触头。
滚动式行程开关克服了直动式行程开关的缺点，但其结构复杂，价格也较高，所以选择微动式行程开关体积小，动作灵敏，适用于小型机构中使用。
2.2接近开关、转换开关、刀开关的选择
2.2.1接近开关的选择：
接近开关是一种对接近它的物体有“感知”能力的元件—位移传感器，利用传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，当有物体移向接近开关，并接近到一定距离时，位移传感器才有“感知”，开关才会动作。
在设计中，接近开关SBO用于检测是否有球，SB1—SB5分别用于传送机械手上下左右运动的定位。
接近开关分为霍尔接近开关，超声波接近开关，高频振荡式接近开关，霍尔接开关用于检测磁场，一般用磁场钢作为被检测体。
超声波接近开关适用检测不能或不可触及的目标，其控制功能不受声、电、关等因素干扰，检测物体可以是固体、液体、或粉末状态的物体，只要能反射波用的电子装置及调节检测范围用的程控桥式开关等几个部分组成，高频振荡式接近开关用于检测各种金属，主要由高频振荡器，集成电路晶体管放大器和输出器三部分组成。
2.2.2转换开关的选择：
转换开关是一种多档位，多触点，能够控制多回路的主令电器，可以用于控制小容量电动机的启动、换向、调速、正反转控制等，常用的万能转换开关有LW2、LW5、LW6、LW8等系列，在设计机械手大小球分选系统中操作方式有手动，单周期，连续。
2.2.3刀开关的选择：
刀开关是一种手动电器，为了简单，方便，选择HD型单投刀开关，分为1级，2级，3级。
2.3时间继电器、接触器的选择
2.3.1时间继电器的选择：
时间继电器在控制电路中用于时间的控制，有JS23，JS27A，JSK□，7PR，SS—18等系列的时间继电器。
2.3.2接触器的选择：
接触器的选型要求：
（1）根据负载性质选择接触器类别，一般交流负载选择交流接触器，直流负载选择直流接触器。
（2）根据被控电路电流大小和使用类别选择接触器的额定电流。
（3）根据被控电路电压等级来选择接触器的额定电压。
（4）根据控制电路的电压等级选择接触器线圈的额定电压。
2.4熔断器、电动机的选择
2.4.1熔断器的选择：
熔断器在电路中主要起短路保护作用，用于保护线路，熔断器具有结构简单，体积小，重量轻，使用维护方便，价格低廉，分断能力较高，限流能力良好等优点，熔断器有NT、RT、RL、RLS2、FA4等型式的熔断器，RT系列为有填封闭管式熔断器，可在500V以下交流系统中作过载及短路保护用，这种熔断器为螺栓连接，可直接连在母线排上，尤其适合开关熔断器组选用，RT15型熔断器最大额定电流400A，额定分断能力100KA。
2.4.2电动机的选择：
电动机是选交流的，而电动机分为异步电动机和同步电动机两大类，异步电动机主要用作电动机，去拖动各种生产机械。
由于异步电动机具有结构简单，制造，使用方便，运行可靠，成本低廉，效率较高等优点而得到广泛应用。
例如，在工业生产中，异步电动机用于拖动中小型轧钢设备，各种金属切削机床，轻工机械和矿山机械等；在农业生产中，异步电动机用于拖动水泵，粉碎机以及其他农副产品的加工机械；在民用电器方面的电风扇、洗衣机、电冰箱、空调机等也都是用异步电动机拖动的。
2.5电磁阀的选择
电磁阀的分类：
国内外的电磁阀从原理上分为三大类（即：
直动式、分步童先导式），而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类（直动膜片结构、分步重片结构、先导膜式结构、直动活塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构）。
电磁阀的优点：
耐高温电磁阀是间接先导式平衡电磁阀，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、使用范围广等。
3、PLC在大小球分选系统中的设计
3.1系统的功能
为实现大小球的分捡控制，所设计系统程序必须实现以下主要功能：
1）该系统可完成大小球的自动识别，自动运送和自动到大球缸和小球缸释放对应的球。
2）该系统可实现控制系统的多种工作方式。
3）该系统在发生故障时，捡球装置必须复位。
3.2分捡大小球系统的结构
由下图所示，分捡大小球控制系统主要由各种限位开关，捡球装置，横梁，各种球缸组成，其中捡球装置内部有两台电动机，一台控制捡球平板装置上升和下降，一台控制捡球装置在横梁上左行和右行。
3.3分捡大小球系统的工作原理
当捡球装置停在左极限SB3处时，按下启动按钮SB0，捡球装置下降捡球平板，当下降的捡球平板碰到下限开关SB2时，停止下降，捡球装置给平板处的电磁线圈（KM）通电，捡球平板产生电磁吸力吸住钢球，此时压力感应器用来判断是吸住的大球还是小球，如果压力感应器的输出Y1断开，说明吸住的是小球，而Y1如是闭合的，则说明吸住的是大球。
当吸住钢球后，捡球平板上升，碰到上限开关后开始右行，SB4为小球位限位开关，SB5为大球位限位开关，在右行的过程中，如果吸住的是大球，则要到碰到SB5才停止右行，下降到下限开关位置，断电释放钢球，然后上升到上限开关位置停止上升，开始左行，碰到左极限停止左行；而如果是吸住的小球，则在右行的时候碰到SB4就停止右行，下降到下限开关出停止下行，断电释放钢球，然后上升到上极限位置停止上升，开始左行，到左极限停止左行，重新开始新一轮捡球过程，如此反复执行。
（吸球时间为2s，释放球时间也为2s）
3.4分捡大小球系统的输入/输出地址及定时器分配
输入地址
对应的外部设备
输出地址
对应设备的操作
I0.0
设备的启动按钮
Q0.0
机械臂上升
I0.1
上移限位开关
Q0.1
机械臂下降
I0.2
下移限位开关
Q0.2
机械臂左行
I0.3
左移限位开关
Q0.3
机械臂右行
I0.4
大小球的选择开关
Q0.4
机械臂吸球/放球
I0.5
小球的选择开关
定时器
定时时间
I0.6
大球的限位开关
T37
2S
I0.7
设备的停止按钮
T38
2S
I1.0
连续运行按钮
I1.1
单周期运行按钮
I1.2
单不运行按钮
I1.3
回原点运行
I1.4
单步运行的辅助按钮
3.5分捡大小球的设计思想
1）当输送机处于起始位置时，上限位开关和左限位开关被压下，极限开关断开。
2）启动装置后，捡球装置下行，一直到极限开关闭合。
此时。
若碰到的是小球，则压力传感器仍为断开状态；若碰到的是大球，则压力传感器闭合状态。
3）吸起小球后，则捡球装置向上行，碰到上限位开关后，捡球装置向右行；碰到右限位开关（小球的右限位开关）后，再向下行，碰到下限位开关后，将小球释放到小球箱里，然后返回到原位。
4）如果吸起的是大球，捡球装置右行碰到另一个右限位开关（大球的右限位开关）后，再向下行，碰到下限位开关后，将大球释放到小球箱里，然后返回到原位。
3.6分拣大小球控制系统的接线图
4、大小球分选系统的PLC程序设计
4.1状态流程图
根据工艺要求，该控制流程根据吸住的是（大球、小球）有两个分支，此处应为分支点，且属于选择性分支。
分支在机械臂下降之后根据接近开光（X0）的通断，分别将球吸住、上升、右行到SB4或SB5处下降，此处应为汇合点。
然后再释放、上升、左移到原点。
当按下SM0.1时，S0.0得电，如果转换条件满足，S0.1得电捡球装置下降捡球平板，当下降的捡球平板碰到下限开关SB2时，S0.2得电，停止下降，捡球装置给平板处的电磁线圈（KM）通电，捡球平板产生电磁吸力吸住钢球，此时压力感应器I0.4用来判断是吸住的大球还是小球，如果压力感应器I0.4的输出断开，说明吸住的是小球，而如是闭合的，则说明吸住的是大球。
当吸住钢球后，S0.3得电捡球平板上升，碰到上限开关后开始右行，I0.5为小球位限位开关，I0.6为大球位限位开关，在右行的过程中，如果吸住的是大球，S0.6得电，则要到碰到I0.6才停止右行，S0.7得电，下降到下限开关位置，S1.0得电，断电释放钢球，然后S1.0得电上升到上限开关位置停止上升，S1.2得电，开始左行，碰到左极限停止左行；而如果是吸住的小球，则在右行的时候碰到I0.5就停止右行，S0.7得电，下降到下限开关出停止下行，S1.0得电，断电释放钢球，然后上升到上极限位置停止上升，S1.2得电，开始左行，到左极限停止左行，吸球时间T37为2s，释放球时间T38也为2s）
当将旋钮开关I1.0后，系统由开始捡球到放球，返回再次开始捡球，如此循环不断的进行捡球和放球的过程，直到按下停止按钮，系统才停下来不工作。
当系统在连续运行时，停止方式有两种，一种是正常停止：
就是按下停止按钮后，系统要将整个周期剩下的步骤全部进行完，然后回到原点才停止工作。
另外一种是紧急停止：
就是用来处理紧急情况下来及时停止整个系统工作的，一按紧急停止，系统立刻停止，不管已经工作到什么位置。
总结
短短一个多月的毕业设计就要告一段落，纵观整个设计过程，可以说在这一过程中我的收获很大，充分认识到自己的薄弱环节，通过理论分析与实践的反复进行和论证，许多问题都有了较好的解决方案。
软件部分采用各部分程序直接转的方式，依次实现了PLC流程图、梯形图、指令表三种机械手控制方式。
用此种方法编写程序条理清晰，连贯性强，但若要增加其它机械手控制方式或进行扩展，程序会变得相当复杂而且容易出错，出错后调试修改也很困难。
收进的方式是将各部分程序写成程序，方便调用和调试。
此种方法的优点是程序编写比较简单，不需要再编写分支、汇合状态移图的程序，且由于本课对定时精确度要求并不高，适宜采用。
若是在对定时精度要求比较高的情况下，应采用单片机的中断功能进行硬件定时。
通过此次设计，了解了PLC机械手在大小球分选系统的工作原理，首次学习了一些机械手的工作原理及使用方法。
其中电路及软件实现是此次设计的主要部分。
通过这次综合实践，我更加看清了自己的不足之处。
为了搞好这次毕业设计，通过查阅资料以及在老师和同学的帮助下，最终基本达到了设计目的。
通过实践，巩固了理论知识的学习，提高了实际应用所学知识的能力，还积累了许多宝贵的经验。
特别是老师严谨冶普的态度给我启发不小。
在这次的设计实践过程中，我认识到不管做什么事，尤其是科学实践，都需要大胆假设，小心求证。
任何一个方案都要经过详细周全的论证后才能着手去做，否则即使很快做出来，但经不起推敲和考验。
对于那些要求能够扩展功能的课题更是如此。
致谢
本论文从选题到完成，每一步都是董万迎老师的指导下完成的，倾注了老师大量的心血。
在此，谨向老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！
论文得以完成，要感谢的人实在太多了，首先要感谢指导老师，因为论文是在老师的悉心指导下完成的。
老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深深。
在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等每一步都是老师的悉心指导下完成的。
老师指引我的论文的写作的方向和架构，并对本论文初稿进行逐字批阅，指正出其中误谬之处，使我有了思考的方向，他循循善诱的教导和不拘一格的思路给了我无尽的启迪，他的严谨细致、一丝不苟的作风，将一直是我工作、学习中的榜样。
同时，论文的顺利完成，离不开其他各位老师、同学和朋友的关心和帮助。
在整个的论文写作中，各位老师、同学和朋友积极帮助我查资料和提供有利于论文写作的建议和意见，在他们的帮助下，论文得以不断的完善，最终帮助我完整的写完了整个论文。
另外，要感谢在这两年多的学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是论文得以完成的基础。
感谢所有给我帮助的老师和同学，谢谢你们！
参考文献
[1]廖常初主编.《PLC基础及应用》.机械工业出版社,2004
[2]《简明维修电工手册》机械工业出版社,1993
[3]赵金荣主编.《可编程序控制器原理及应用》上海应用技术学院
[4]易传禄主编.《可编程序控制器应用指南》上海科普出版社
[5]方承远主编.《工厂电气控制技术》机械工业出版社
[6]王永华主编.《现代电气及可编程技术》机械工业出版社
[7]汤以范主编.《电气与可编程序控制器技术》机械工业出版社
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