燕山大学PLC课设机械手臂搬运加工流程控制.docx
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燕山大学PLC课设机械手臂搬运加工流程控制
专业综合应用与项目能力实践训练课程设计说明书
机械手臂搬运加工流程控制系统设计
院、部：
电气与信息项目学院
学生姓名：
马永奎
指导教师：
董海兵职称讲师
专业：
自动化
班级：
自本1003班
完成时间：
2018年12月19日
摘要
PLC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。
它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。
，PLC可以灵活而方便地应用于生产实践，在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术。
组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
在这次为期一周的课设中，我利用三菱FX1S系列单片机设计了四层电梯自动控制程序并且进行了仿真实验，利用组态王软件设计了机械手臂搬运加工流程控制的控制人机界面，配合组态王的编程语言实现了组态王的仿真运行。
同时接触并学习了变频器的一些知识。
关键字：
PLC；组态王；机械手臂
Abstract
PLCisanelectronicdevicedesignedforapplicationsintheindustrialdesignenvironmentfordigitaloperation.Itusesprogrammablememorytostoreinstructions,realizethefunctionoflogical,sequentialoperation,counting,countingandarithmeticoperations,isusedtocontrolallkindsofmachineryorproductionprocess.,PLCcanbeflexiblyandconvenientlyappliedtoproductionpractice,inthemodernindustrialautomationcontrolisanadvancedcontroltechnologyisthemostworthyofattention.
Developingmonitoringsystemsoftware,isanewautomaticcontrolsystemofindustrial,integratedsystemwithstandardindustrialcomputersoft,hardwareplatformtoreplacethetraditionalclosedsystems.Hasstrongadaptability,goodopenness,easytoexpand,economy,shortdevelopmentcycle.
elevatorautomaticcontrolprogramandthesimulationexperiments,themechanicalarmhandlingprocesscontrolman-machineinterfacedesignbyusingtheconfigurationsoftwareKingview,withprogramminglanguagetorealizethesimulationrunningkingview.Atthesametimecontactandlearnsomeknowledgeoffrequencyconverter.
Keywords:
PLC。
Kingview。
mechanicalarm
1PLC相关知识…………………………………………………………………3
1.1基本结构……………………………………………………………………………3
1.2工作原理……………………………………………………………………………4
1.3功能特点……………………………………………………………………………5
1.4应用领域……………………………………………………………………………5
2四层电梯的设计………………………………………………………………………7
2.1四层电梯控制要求…………………………………………………………………7
2.2自动电梯相关知识…………………………………………………………………8
2.3输入输出分配表……………………………………………………………………8
2.4程序流程及功能实现………………………………………………………………9
2.5总梯形图……………………………………………………………………………12
3机械手臂搬运加工流程控制………………………………………………………17
3.1组态王简介…………………………………………………………………………17
3.2组态王实现步骤……………………………………………………………………17
3.3控制要求……………………………………………………………………………18
3.4机械手臂搬运加工流程控制的实现………………………………………………19
3、5组态王仿真结果…………………………………………………………………20
3.6画面命令语言……………………………………………………………………24
4变频器相关知识………………………………………………………………………30
4.1变频器的定义………………………………………………………………………30
4.2变频器的工作原理…………………………………………………………………30
4.3变频器的控制方式………………………………………………………………31
4.4工作范围……………………………………………………………………………33
总结…………………………………………………………………………………………34
参考文献……………………………………………………………………………………35
1PLC相关知识
可编程逻辑控制器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人和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。
1.1基本结构
可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，可编程逻辑控制器及其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
一、电源
可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
一般交流电压波动在+10%（+15%>范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
二、中央处理单元（CPU>
中央处理单元（CPU>是可编程逻辑控制器的控制中枢。
它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
执行完毕之后各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
三、存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
四、输入输出接口电路
1．现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。
2．现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
五、功能模块
如计数、定位等功能模块。
六、通信模块
1.2工作原理
当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
一、输入采样阶段
在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
二、用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图>。
并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
三、输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。
1.3功能特点
可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。
一、系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。
二、使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。
另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。
三、能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。
1.4应用领域
最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。
随着PLC技术的进步，它的应用领域不断扩大。
如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与治理。
PLC已日益成为产业控制装置家族中一个重要的角色。
一、用于开关量控制
PLC控制开关量的能力是很强的。
所控制的进出点数，少的十几点、几十点，多的可到几百、几千，甚至几万点。
因为它能联网，点数几乎不受限制，不管多少点都能控制。
用PLC进行开关量控制实例是很多的，冶金、机械、轻工、化工、纺织等等，几乎所有产业行业都需要用到它。
目前，PLC首用的目标，也是别的控制器无法与其相比的，就是它能方便并可靠地用于开关量的控制。
二、用于模拟量控制
模拟量，如电流、电压、温度、压力等等，它的大小是连续变化的。
产业生产，特别是连续型生产过程，常要对这些物理量进行控制。
PLC进行模拟量控制，要配置有模拟量与数字量相互转换的A／D、D／A单元。
它是特殊的I/O单元。
A/D单元是把外电路的模拟量，转换成数字量，然后送进PLC。
D/A单元，是把PLC的数字量转换成模拟量，再送给外电路。
这样，用PLC实现模拟量控制是完全可能的。
控制的单位值可小到212分之一的丈量程值，多数也是足够的。
PLC进行模拟量控制，还有A/D、D/A组合在一起的单元，并可用PID或模糊控制算法实现控制，可得到很高的控制质量。
三、用于数字量控制
实际的物理量，除了开关量、模拟量，还有数字量。
PLC也是基于计算机的技术，并日益完善。
故它也完全可以用于数字量控制。
PLC可接收计数脉冲，频率可高达几k到几十k赫兹。
可用多种方式接收这脉冲，还可多路接收。
有的PLC还有脉冲输出功能，脉冲频率也可达几十k。
有了这两种功能，加上PLC有数据处理及运算能力，若再配备相应的传感器<如旋转编码器）或脉冲伺服装置<如环形分配器、功放、步进电机），则完全可以依NC的原理实现种种控制。
四、用于数据采集
随着PLC技术的发展，其数据存储区越来越大。
庞大的数据存储区，可以存储大量数据。
数据采集可以用计数器，累计记录采集到的脉冲数，并定时地转存到DM区中去，也可用A/D单元，当模拟量转换成数字量后，再定时地转存到DM区中：
PLC还可配置上小型打印机，定期把DM区的数据打出来，或与计算机通讯，由计算机把DM区的数据读出，并由计算机再对这些数据作处理。
这时，PLC即成为计算机的数据终端。
五、用于进行监控
PLC自检信号很多，内部器件也很多，完全可利用它进行PLC自身工作的监控，或对控制对象进行监控。
六、用于联网、通讯
PLC可与个人计算机相连接进行通讯，可用计算机参与编程及对PLC进行控制的治理，可组成局部网,网间的结点可直接或间接地通讯、交换信息。
联网、通讯，正适应了当今计算机集成制造系统它可使产业控制从点2四层电梯的设计
2.1四层电梯控制要求
如电梯模拟实验台结构所示，其动作要求如下：
【1】电梯上行：
①当电梯停于1楼（1F>或2F、3F时，4楼呼叫．则上行到4楼碰行程开关后停止。
②电梯停于1F或2F，3F呼叫、则上行，到3F行程开关控制停止。
②电梯停于1F，2F呼叫，则上行，到2F行程开关控制停止。
④电梯停于lF，2F、3F同时呼叫，则电梯上行到2F后，停3秒种，继续上行到3F停止。
⑤电梯停于1F，3F、4F同时呼叫，电梯上行到．3F，停3秒，继续上行到4F停止。
⑥电梯停于1F，2F、4P同时呼叫，电梯上行到2F，停3秒，继续上行到4F停止
⑦电梯停于1F，2F、3F、4F同时呼叫，电梯上行到2F，停3秒，继续上行到3F，停5秒，继续上行到4F停止。
⑧电梯停于2F、3F，4F同时呼叫，电梯上行到3F停3秒，继续上行到4F停止。
【2】电梯下行：
①电梯停于4F或3F或2F，1F呼叫，电梯下行到1F停止。
②电梯停于4F或3F，2F呼叫，电梯下行到2F停止。
③电梯停于4F，3F呼叫，电梯下行到3F停止。
④电梯停于4F，3F、2F同时呼叫，电梯下行到3F，停3秒，继续下行到2F停止
⑤电锑停于4F，3F、1F同时呼叫，电梯下行到3F，停3秒，继续下行到1F停止
⑥电梯停于4F，2F、1F同时呼叫，电梯下行到2F，停3秒，继续下行到1F停止。
⑦电梯停于4F，3F、2F、1F同时呼叫，电梯下行到3F，停3秒，继续下行到2F停3秒，继续下行到lF停止。
【3】各楼层运行时间应在15秒以内，否则认为有故障。
【4】电梯停于某一层，数码管应显示该层的楼层数。
【5】设计电梯停于2F,3F时，电梯运行状态。
<上下同时呼叫时，采取先上后的原则）
2.2自动电梯相关知识
电梯以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。
也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯。
电梯是机电一体化产品。
其机械部分通过控制部分调度，密切协同，使电梯可靠运行。
电气控制部分由电力拖动系统，运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成。
随着社会的不断发展，楼房越来越高，而电梯成为了高层楼房的必须设备。
电梯从手柄开关操纵电梯、按钮控制电梯发展到了现在的群控电梯，为高层运输做出了不可磨灭的贡献。
PLC在电梯升降控制上的应用主要体现在它的逻辑开关控制功能。
因为PLC具有逻辑运算，计数和定时以及数据输入输出的功能。
在电梯升降过程中，各种逻辑开关控制与PLC很好的结合，很好的实现了对的控制。
2.3输入输出分配表
输入
输出
主机
实验模块
注释
主机
实验模块
注释
X1
LAY1
一楼行程开关
Y0
DJB
电机下行
X2
LAY2
二楼行程开关
Y1
DJA
电机上行
X3
LAY3
三楼行程开关
24V
24V
X4
LAY4
四楼行程开关
GND
GND
X12
2DN
二层下呼
Y6
A
数码管段码
X13
3DN
三层下呼
Y7
B
X14
4DN
四层下呼
Y10
C
X11
1UP
一层上呼
Y11
D
X12
2UP
二层上呼
Y12
E
X13
3UP
三层上呼
Y13
F
X0
RST
复位
Y14
G
X5
IN1
一层内选按钮
COM0
24V
X6
IN2
二层内选按钮
COM1
24V
X7
IN3
三层内选按钮
COM2
24V
X10
IN4
四层内选按钮
COM3
24V
COM
COM
GND
COM4
24V
LEDCOM
GND
COM5
24V
表2-1输入输出分配表
2.4程序流程及功能实现
四层电梯的自动控制主体思想是将四层楼分为四个状态，每个楼层分为两个子状态一、二，状态一为该楼层的等待状态，状态二为该楼层的行进状态。
四个楼层状态之间依据限位开关进行切换，即一层状态可以切换到二层状态，二层状态可以切换到一、三层的状态。
切换时首先判断该层是否被呼叫，如果被呼叫则切换到该层的等待状态中，等待3秒后进入该层的行进状态中。
以电梯在一楼为例
一、开机分支转移程序：
二、等待子程序：
三、行进子程序：
四、电梯上下行判断流程
Lay1——Lay4是四个楼层的限位开关，对应输入X1——X4，四个楼层的呼叫信号对应输入X11——X14，对应中间继电器M11——M14，将四个开关量作为一个整体K1X1、K1M11，然后进行比较，如果K1X1>K1M11，代表呼叫楼层在电梯所在楼层下面，因此电梯下行；相反的，如果K1X1>K1M11，代表呼叫楼层在电梯所在楼层上面，因此电梯上行。
对应的子流程图如下：
部分程序如下：
五、数码管显示部分：
当电梯行驶或停靠在某一楼层时，数码管显示出对应的楼层号，利用输出端口Y6——Y14输出数码管显示信号到数码管，即可显示出电梯当前所在的楼层，对应梯形图如下：
六、楼层呼叫指示灯：
L1——L4对应四个楼层的呼叫指示灯，哪一层有呼叫，哪一层的指示灯就亮，电梯行进到这一层后，指示灯即熄灭。
七、报警部分：
电梯上行、下行电机运行时间超过15s后，发出报警知识。
报警部分程序：
2.5总梯形图
3机械手臂搬运加工流程控制
3.1组态王简介
组态王是一款开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题：
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为实验者提供了可视化监控画面，有利于实验者实时现场监控。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。
它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
3.2组态王实现步骤
1、定义变量
对于变量的定义，就是创建一个具体的数据库，并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性，比如时间、位置等。
在我们的题目中我们需要定义的变量有：
钻头位置、控制电机、各个控制开关、指示灯等等。
当我们创建动画时需要用这些变量将不同的画面之间建立联系。
变量的类型选择需要根据具体的应用来选择，因为此次课程设计我们实验室的PLC实验箱不能实现与组态王相连接，因此定义的变量类型均为内存型的。
2、图形界面的设计
图形界面的设计是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。
因为我们的任务是设计一个控制钻孔动力钻头的动画，因此我们在创建动画时需要绘制出电动机、动力钻头、指示灯、限位开关、定时装置等内容。
因为组态王当中提供了图库，但是对于那些图库里没有的图片，我们需要去网上搜索素材，整理后再应用组态王中的点位图等工具进行编辑。
3、建立动画连接
当我们完成控制项目的图画设计与变量定义之后，要想建立动画还应该将这些图画与定义的变量进行连接，应用组态王的编程语言，通过编程来实现对变量的控制，进而实现了对画面运行的控制。
程序的设计是基于项目控制来进行的，以实际情况为基础我们建立的动画应满足实际情况。
这样，我们就完成了对工业控制过程的模拟，如果与外设相连还可以对控制过程进行监测和控制。
当建立动画连接完成后，就可以对动画进行运行。
3.3控制要求
1．如图所示，有两部机械对工作物进行加工，对象由输送带A送到加工位置，然后由机械手臂将加工物送至工作台1的位置进行第一步骤加工。
当第一步骤加工完成后，机械手臂将工作物夹起再送至工作台2进行第二步骤加工；当第二步骤加工完成后，机械手臂将工作物放到输送带B送走，然后由7段数码管显示加工完成的数量。
2．假设使用气压机械手臂，一开始手臂先下降，碰到下限开关开始做夹起动作，然后开始上升碰到上限开关后，手臂开始往右，当碰到第一工作站的极限开关时，机械手臂下降将工作物放置工作台l然后上升等待机械对工作物加工；当工作物第一加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，将工件放置工作台2上进行第二加工步骤。
3．当第二加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，将工件放置输送带B送出，并由7段数码管显示出加工完成的数次。
图3-1机械手臂搬运加工流程控制示意图
3.4机械手臂搬运加工流程控制的实现
一、组态王设计主画面
图3-2组态王设计主画面
二、变量定义<数据词典）
图3-3变量定义<数据词典）
3、5组态王仿真结果
一、初始状态：
图3-3初始状态仿真图
二、工作状态
进入初始状态之后，打开PLC控制柜，合上电源，按下启动按钮，即开始进入工作状态。
对工作状态的各个阶段进行截图，分别如下：
图3-4工作状态仿真图
三、返回状态
图3-5返回状态
3.6画面命令语言
if（POWER>{
if（ON>{
if（L==0>
{
if（k3==1&&l==0>
start0=1。
if（start0==0>
{
if（k3>{Up=0。
Right=1。
}
elseUp=1。
}
}
if（start0>
{
if（l<9>
{
前齿轮=前齿轮+3。
if（前齿轮==100>前齿轮=0。
}
if（l!
=9
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