码垛机械手控制系统设计附录.docx
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码垛机械手控制系统设计附录
附录1课题审批表
附录2毕业设计任务书
附录3毕业设计开题报告
附录4毕业设计计划进程表
附录5毕业设计中期检查表
外文文献
外文翻译
附录1课题申请表
毕业设计（论文）课题申请表
学院：
机械工程学院时间：
2011年11月23日
课
题
情
况
课题名称
码垛机械手PLC控制系统设计——
教师姓名
张瑞
职称
讲师
学位
博士
教研室
机电一体化
课题来源
A.科研B.生产C.教学D.其它
课题类别
.设计B.论文
实施地点
校内
起止时间
12011年12月-2012年6月
上机时数
2－18周
拟指导学生数
1
对学生的特殊要求
主
要
研
究
内
容
1．分析码垛机械手的功能及控制要求；
2．分析选择PLC；
3．设计控制系统原理图及各部分元件选型；
4．设计PLC系统控制柜图；
5．初步设计系统软件。
目
标
和
要
求
码垛机械手PLC控制系统设计，达到以下目的和要求：
1．了解生产设备电控设计的一般步骤；
2．能够进行PLC控制系统的搭建；
3．熟悉变频器的应用。
特
色
综合运用所学PLC知识、机构控制知识等。
成果形式
设计图纸与编程软件
成果价值
具有实用价值
科室
审批
意见
同意
负责人签字：
2011年11月27日
学院审批意见
同意
主管院长签字：
2011年11月30日
附录2任务书
毕业设计（论文）任务书
（由指导教师填写）
学生姓名
丁金涛
学号
20080460205
教师姓名
张瑞
职称
讲师
题目
码垛机械手PLC控制系统设计
主要研究内容
1．分析码垛机械手的功能及控制要求；
2．分析选择PLC；
3．设计控制系统原理图及各部分元件选型；
4．设计PLC系统控制柜图；
5．初步设计系统软件。
研究与设计方法
1、系统分析与构建的方法
2、控制系统的设计
3、PLC程序的设计与编制
4、变频器控制与使用
主要技术指标（或研究目标）
码垛机械手PLC控制系统设计，达到以下目的和要求：
1、设计完成码垛机械手PLC控制系统硬、软件系统，
2、以PLC控制完成机械手的工作流程，
3、优化路径的计算
主要参
考文献
1、PLC编程实用指南，宋伯生编著，北京：
机械工业出版社，2007
2、工业控制电子学：
设备、系统与应用，（美）TerryBartelt著；姜绍龙,富晓静,张剑译，北京：
清华大学出版社，2005
3、工业控制工程实践技术，付家才主编，北京：
化学工业出版社教材出版中心，2003
4、PLC编程手册/设计手册
5、从入门到精通：
西门子S7-300/400PLC技术与应用，张运刚等，北京：
人民邮电出版社，2007
附录3开题报告
毕业设计（论文）开题报告
题目名称码垛机械手PLC控制系统设计
学生姓名
丁金涛
专业
机械工程及自动化
班级
4班
一、选题的目的意义
毕业设计是大学四年来对我们所掌握知识的一个综合考察，所以选择一个合适的毕业课题是很重要的。
而一个既要有硬件设计，又要涉及到软件编程的毕业设计课题是再好不过的。
它可以检验我们在大学期间的学习情况以及综合应用能力，通过实物的制作，可以很好的锻炼我们的动手能力。
伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，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，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。
因此机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。
其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识。
它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
它可在空间抓、放、搬运物体等,动作灵活多样,广泛应用在工业生产和其他领域内。
应用PLC控制机械手能实现各种规定的工序动作,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。
PLC控制机械手可按使用要求选购相应的产品完成复杂的逻辑控制，逻辑控制为主，也可以组成模拟量控制系统，软硬件开发工作量较少，输出带负载能力和抗干扰能力强，可靠性好，环境适应能力强。
所以从实用性和可靠性出发，设计由PLC组成的码垛机械手控制系统可以使该系统在各种条件下良好的运行，且结构简单可靠，便于操作。
二、国内外研究综述
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。
工业机械手的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。
机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它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的有机结合。
机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用
我国的工业机器人起步与70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：
70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。
从90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础
在国外机械制造业中，工业机械手运用较多，发展较快。
目前主要用于机床，摸锻压机的上下料，以及点焊，喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。
如发生某些偏离时，就将引起零部件机械手本身的损害。
为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界的条件的变化，做出相应的变更。
PLC作为一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用了可变成的储存器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数、和算术等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。
标准化编程的出现使机器人更加容易控制、配置和重新配置。
与过去昂贵的专利产品不同，现在的传动控制和可编程逻辑控制（PLC）产品使得工厂可以使用标准的编程语言来运行机器人。
标准化的控制装置带有便于使用的软件安装向导，不需要专门停下来进行操作员或者程序员培训。
。
三、毕业设计（论文）所用的方法
1.收集相关资料，并对现有的资料进行研究分析，进而分析自己完成本系统的开发工作还存在那方面的困难，除了现有的知识外还应该具备那些新的知识。
2.选定自己适合和熟悉的开发编程工具，对选定的开发工具进行深入学习及具体实践。
3.对电路进行仔细研究，了解电路的工作原理，绘制硬件电路图。
4.软件系统的分析，根据要求编写出适合系统的程序，并校验程序的正确性。
对整个系统进行虚拟调试。
四、主要参考文献与资料获得情况
1、PLC编程实用指南，宋伯生编著，北京：
机械工业出版社，2007
2、工业控制电子学：
设备、系统与应用，（美）TerryBartelt著；姜绍龙,富晓静,张剑译，北京：
清华大学出版社，2005
3、工业控制工程实践技术，付家才主编，北京：
化学工业出版社教材出版中心，2003
4、PLC编程手册/设计手册
5、从入门到精通：
西门子S7-300/400PLC技术与应用，张运刚等，北京：
人民邮电出版社，2007
五、指导教师审批意见
自上学期接受课题之后积极开展毕业设计工作，查阅国内外研究文献和相关书籍，前期文献调研工作开展较为深入，对毕业设计课题有较好的认识，结合毕业设计要求准备相应知识能力，能够较好的完成毕业设计课题的工作要求。
准予开题。
指导教师签名2012年3月27日
附录4计划进程表
毕业设计（论文）计划进程表
学生姓名
丁金涛
学号
20080460205
教师姓名
张瑞
职称
讲师
题目
码垛机械手PLC控制系统设计
时间
工作内容
完成情况
第17周
第18周
第19周
第20周
本学期
第1周
第2周
第3周
第4周
第5周
第6周
第7周
第8周
第9周
第10周
第11周
第12周
第13周
第14周
第15周
选题及了解设计任务
查阅相关资料进一步了解设计内容
调查研究
收集资料，研读资料
完成文献综述
阅读相关外文文献，进行外文翻译
完成开题报告
查阅有关参考书和技术资料，确定设计方案
系统硬件元件选型
硬件电路设计
绘制硬件电路图
修改并最终完成硬件电路图
系统软件设计
系统软件设计
调试程序、模拟运行
调试程序、模拟运行
编写说明书
编写说明书
完成论文，准备答辩
已完成
已完成
已完成
已完成
已完成
已完成
已完成
已完成
已完成
已完成
已完成
已完成
已完成
已完成
已完成
已完成
已完成
已完成
已完成
附录5中期检查表
毕业设计（论文）中期检查表
题目名称码垛机械手PLC控制系统设计
学生姓名
丁金涛
所学专业
机械工程及自动化
学号
20080460205
一、已完成的任务
1.认真阅读毕业设计任务书和毕业设计指导书，到图书馆及上网查找和研读相关文献，对所涉及知识都有掌握，并已找到所需参考书等资料；
2.完成外文翻译﹑文献检索及开题报告工作；
3.查阅有关参考书及技术资料，进行分析﹑比较﹑论证后确定最佳的设计方案；
4.了解PLC﹑变频器﹑编码器和光电开关等所要用到的硬件元件，并根据工作要求完成对各个元件的选型；
5.用CAD绘制PLC组成模块图﹑电动机控制图﹑输入输出接线图等硬件图，并对其进行修改以满足设计要求和注入自己的设计理念；
6.了解s7-300PLC编程软件的应用，熟悉及掌握PLC编程语言；
7.根据系统要求画出控制系统的工艺流程图；
8.开始编写程序，基本完成自动控制部分程序的编写；
9.熟悉PLCSIM仿真软件的使用，试着调试程序。
二、存在问题
1.对变频器和编码器的工作原理不是很明白，导致对总的工作过程的实现有些地方不清楚；
2.在I/O分配表时，对模拟量及数字量输入输出地址不知怎么确定；
3.用CAD绘制PLC组成模块图时不知道各组成模块的各自端子编号；
4.绘制I/O接线图时，没有把模拟量输入输出和数字量输入输出分开，且对各输入输出的电源提供不清楚；
5.电动机正反转控制中，对接触器的理解错误，导致绘制的电路图出现问题；
6.软件方面，对s7-300编程软件操作，有些地方不明白；
7.自动控制程序中，对于当码垛高度高于原点的情况不知如何解决；
8.对手动控制的过程及具体功能不太清所以楚的编程还不知如何下手；
9.对仿真软件PLCSIM对所编程序的调试还不熟悉。
三、拟采取的研究方法和可行性分析
1.查阅有关变频器和编码器元件原理方面的书籍和文献，彻底搞清楚其工作过程，弄明白控制系统是怎么实现所需的控制功能的；
2.通过对PLC的进一步了解，确定各输入输出的物理地址；
3.查找PLC各组成模块的使用说明书，找到各输入输出所对应的模块上的端子号；
4.对模拟和数字输入输出模块分开绘出，并且在绘制数字输入输出元件时中间辅以中间继电器，起保护PLC的作用；
5.分清主电路与控制电路，正确画出电动机正反转控制图；
6.进一步熟悉编程软件，实现所有的控制功能；
7.掌握仿真软件的使用方法，对所编程序进行调试，得到正确的自动及手动控制程序。
四、指导教师对学生劳动纪律、设计（论文）进展等方面的评语
该生工作积极认真﹑耐心谨慎。
认真并准时完成了外文翻译﹑文献检索及开题报告等初期任务。
当老师指出其中错误之处，其认真听取并及时改正。
当在硬件设计方面遇到问题时，能够查找各相关资料解决硬件选型的问题。
在绘制硬件图时，严格要求自己，以工程实用的标准绘制。
不断修改硬件图，以使其满足电气图绘制要求。
指导教师签名：
2012年4月27日
一套采用PLC及工业无线模块
构建的工业现场水泵控制试验系统
RamazanBayindira,YucelCetincevizb
a土耳其安卡拉Gazi大学技术学院
b土耳其卡斯特木卡斯特姆大学机电一体化高等教育职业学院
文章信息关键词
文章历史：
可编程控制器
2010年6月22日收到分布式IO
2010年10月14修订工业无线局域网
2010年10月19接受工业以太网
摘要
本文设计了一套针对工厂的水泵控制系统，并在实验室完成了该系统的构建。
在这些工厂中的工作环境比较恶劣，如存在化学品，振动和频繁移动部件，从而可能会损害控制系统的构成部件——电线或电缆。
由此，数据不得不通过公共路径进行传输。
本文所设计的系统采用了可编程控制器（PLC）及工业无线局域网（IWAN）技术。
它是由一个PLC，一个通信处理器，两个IWAN模块，和一个分布式输入∕输出模块，以及水泵和传感器组成。
该系统以工业以太网和标准的传输控制协议∕网际协议（TCP/IP）来实现参数，配置和诊断数据的通信的。
可编程控制器的主要功能是根据水罐中的水位控制水泵的启停。
水位信号是由压力变送器和多组限位开关获取的。
本文的目的是对于电缆布线不可能的生产过程提供一个可行的解决方案。
它还有安装和维护的成本较低，运行可靠，强大和灵活的结构，适合工业应用的优点。
©2010。
由爱思唯尔公司保留所有权利
1.简介
现代生产过程使用工业自动化系统。
在这些过程的自动化是必然的，它能促进高效率和高质量的生产。
对这一级的自动化，一天天的生产任务已迅速取得进展。
自动控制系统使进程运行在一个安全和盈利的方式。
这可以通过不断测量工艺操作参数，如温度，压力，流量和浓度水平实现。
这些参数可以用来自动进行工艺决策，例如，动阀或泵，和控制加热，以使过程测量保持在理想值。
现代制造系统中的抽水设备是许多工业生产活动，尤其是在化学或食品行业的主要设备[1]。
抽水系统通常存在于生产厂的外部。
它们在恶劣的环境中，可以破坏任何一中布线。
在通信技术的最新进展为这一问题提供了适当的解决方案。
数据通信在快速发展的工业化系统中起着重要的作用。
工业自动化系统是周边生产单位运转正常。
通过所有可能的产品系统的之间的数据通信，它们也为高层管理提供来自所有系统的信息。
分布式生产或服务需要使用异构网络，包括本地和广域网络，由不同组织调节的有线和无线通信系统。
这些组织有控制器区域网络，联络母线，设备网，网络通信协议，AS接口和现场总线[2,3]无线局域网技术在办公环境，尤其是小型办公室及家庭办公室设置中广泛使用。
如前所述，传统的网络提供了许多优势，但需要电缆互连设备。
由于低的可扩展性和连接器的高失败率，这导致高安装及维修成本。
在制造厂最有前景的创新是无线技术的引进。
通过给工厂装上无线系统，大量电缆将被取代，这将会减少部署和维修成本。
由于流动性的增强和更灵活的通信范式，无线系统也能确保新的应用[4,5]。
出于这个原因，在过去的几年内，无线技术已经在消费品行业有了巨大的成功。
无线解决方案对制造工厂的通信系统变的越来越有吸引力。
此外，在传感器水平采用无线解决方案提供了其它的优点：
连续，高分辨率，高敏感；支持移动性；备份；和紧密[6]。
在工业领域运用无线通信技术，为这种环境特意设计的产品是可取的。
无线解决方案正越来越多的用于处理厂以满足现代工作实践的需要。
无线技术可能有在有线系统不存在的安装成本的节省和一定程度的灵活性。
有线控制系统需要挖沟铺设新线；修复旧线或更换铜线可能非常昂贵。
一些具体的盈利功能的无线网络安装和维护成本更低，物理障碍问题的干扰更小，标准最小化和传输比特率增加到54M[7]。
在使用无线系统时，有几个限制应该仔细考虑，例如，安全问题，可靠性，覆盖面积和容错。
尽管无线网络的优势，对这些问题和解决方案的不充足的资料也可以使用[8]。
对于工业无线通信，有几个参数必须加以考虑。
就像用于工业无线传输实验的模型一样，在工业无线通信系统中，对可能影响时间行为和失效模式的相关参数都做了定义和描述。
一些研究已经在工业厂房的无线通信中使用：
在[7]中，进行了最显著的分析。
在这项工作中，彻底调查所有工业的要求被提出：
成本效益，可扩展性，可靠性，灵活性，可用性高，抗干扰性，安全性，以及许多其他因素。
这些问题在危险和噪杂的环境中是是至关重要的。
现有的无线解决方案进行了审查，而且行业需求和现有的无线标准之间的工作开发潜能应相匹配。
远程自动抄表（AMD）系统是用于给水机构[9]。
在这项工作中，为实施该系统，磁共振（磁阻）传感器，磁簧开关和cyble传感器模块，以及安装系统的通信，射频和模块都要用到。
在[10]中，作者调查了无线通信在工业应用的问题和相应的解决方案：
基本问题，使用现有的无线技术这一特定领域的应用，并创造混合系统。
在[4]，无线传感器网络被详细描述。
在[11]中，描述了实现一个接口模块（12M）钻井和批准过程。
基于IEEE1451标准，本产品模拟了拥有工业液压模块（MHI-01）的一个系统。
在很多作品中都有关于工业无线传感器的研究–[12-16]。
在[17-20]的的研究报告中，无线传感器模块被用于家庭自动化。
在[21]中，拥有一个个人数字助理（掌上电脑），一个可编程控制器，一个无线设备服务器及其驱动程序组成的一个伺服电机远程控制。
系统通信由无线网卡的掌上电脑，无线设备服务器，和RS-232端口控制器建立。
在[1]中，使用一个可编程控制器和频率控制对一个小容量泵水系统设计，构造，测试。
在这项工作中，系统的通信是由电缆确立的。
在其它作品中，一些用可编程控制器和传统布线系统过程控制的例子被提出[1,22-30]。
可编程控制器通常是工业自动控制系统的主要部分。
它们用于内部存储指令，执行控制功能，如逻辑，顺序，定时，计数和算术。
它们通过模拟数字或模拟输入∕输出模块控制各种类型的机械和工艺进程。
它也可用于监测和控制植物或设备行业如电信，能源，水和废物管理，石油和天然气精炼，运输[[23]。
本文在于为工厂布线不可能的地方提供可行的解决方法。
该解决方案应该降低安装成本和维护成本，提供可靠的运行，并成为强大和灵活的建设工业应用。
在这项研究中，我们使用西门子工业无线局域网SCALANCEWIWLAN模块，这是从不同的无线传感器网络（无线传感器网络）和无线局域网系统中使用以前的研究报告。
图1.控制过程框图
2.系统设计
系统设计考虑了环境条件和工艺细节。
图1是一个例证的控制过程。
在这个过程中，过程变量（光伏）[31,32]是水箱中的水位。
它是由水槽中的一个压力变送器和限位开关（最高和最低水位），而且这些值输入到一个自动控制器。
这个自动控制器实际上是一个基于水位的驱动泵。
如图1所示，一个开放的水槽提供水的流入，Q1，来自一个可以控制的水泵。
从槽中流出，Q2，由一个根据用户需要调节的手动阀控制。
水槽中的水位根据来自两个限位开关的控制器接到的压力和输入控制。
因此，过程控制模式是开关控制。
这是一个不连续的形式的控制行为，也被称为双位控制。
在这个过程中，当水位处于最小值时，开关控制器转向打开位。
当水位达到最大值时，控制器转向关闭位。
图二是根据环境条件和所需的过程控制设计的系统框图。
2.1硬件结构
如图三所示，整个系统由三个不同的单元组成。
第一个单元是电脑，电脑运行一个命名为西门子管理器的项目。
它用于认知硬件，如图5所示的软件包（STEP7），还有为可编程控制器编写控制程序。
这种控制程序通过MPI（多点接口）适配器通信电缆下载到可编程控制器。
第二个单元是主节点，它由三个部分组成：
一个有数字和模拟模块的可编程控制器，一个CP（通信处理器），和一个无线接入点。
最后一个单元在客户端节点的边。
这个单元位于控制中心的外部，并与控制设备直接相连。
无线客户端模块，分布输入/输出接口模块和电机防护包装（MPP）构成客户端节点。
可编程逻辑控制器（PLC）.通常情况下，一个可编程逻辑控制器[33]的基本功能模块有一个处理器，内存，电源供应单元，输入∕输出接口部分，通信接口和编程装置组成。
图4显示了基本安排。
该处理器或中央处理单元（CPU）是包含微处理器的单位的单元。
根据存储在内存中的程序，对输出信号的决定，这翻译输入信号并采取措施。
●供电单元需要将交流电源电压转变为处理器和电路的输入∕输出模块所必须的直流电压。
●编程设备用于输入所需的程序到内存的处理器上。
这一程序得以在设备中运行，然后转移到内存单元的可编程控制器。
●内存单元用于微处理器程序的存储。
内存单元也从存储进程中的输入数据和缓冲数据输出。
输入和输出部分接受来自外部设备的信息，以及来自外部设备的传达信息。
输入可能来自于开关和传感器，像光电细胞，温度传感器，或者流量传感器。
输出可能与马达启动器线圈，电磁阀，或其他执行机构相连。
输入和输出设备可分为信号的类型，如数字或模拟。
●通信接口是用来在通信网络上接收和传送数据。
它管理设备验证，数据采集，同步用户应用程序，和连接管理。
●在这项研究中，我们运用了西门子S7313C紧凑可编程控制器，它24DIs（数字输入）,16Dos（数字输出）,5AIs（模拟输入）,2AOs（模拟输出）和一个电源（120∕230VAC,24VDC,5A）。
●通信处理器（CP）。
可编程控制器系统的以太网模块是将可编程控制器连接到网络的通信处理器[29]。
一个附加的通信处理器是用来允许可编程控制器和工业无线网之间通过传输控制协议∕网际协议进行沟通。
我们在工作中的cp343-1通信处理器是专为运行在S7-300可编程逻辑控制器设计的。
它允许S7-300被连接到工业以太网和支持PROFINET输入∕输出
●工业无线局域网模块。
当重新配置系统和加快网络部署时，无线网络能够解决布线所固有的物理障碍，降低安装成本，提高灵活性[7]。
工业无线局域网是一个覆盖功能和机制的总称，代表了增强的IEEE802.11标准。
即使802.11这个标准机制为其在工业应用提供了一个好的强度程度。
然而，就像在PROFINET[34]所要求的，工业无线网也也支持要求苛刻的应用，提供了一个特别高的实时性和确定性调度。
●在这项研究中，一个工业无线网网络使用来自西门子的新的SCALANCEW发电元件。
无线网络用SCALANCE
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