搬运机械手电气控制系统设计.docx
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搬运机械手电气控制系统设计
湖南工程学院
课程设计
课程名称电气控制与PLC
课题名称搬运机械手电气控制系统设计
专业班级03
姓名
学号0
指导教师赖指南、刘星平、周向红
2013年06月25日
湖南工程学院
课程设计任务书
课程名称电气控制与PLC
课题名称搬运机械手电气控制系统设计
专业班级
姓名
学号
指导教师赖指南、刘星平、周向红
审批黄峰、汪超、刘星平
任务书下达日期2013年06月09日
课程设计完成日期2013年06月25日
设计内容与要求
一.课程设计的性质与目的
本课程设计是自动化专业教学计划中不可缺少的一个综合性教学环节，是实现理论与实践相结合的重要手段。
它的主要目的是培养学生综合运用本课程所学知识和技能去分析和解决本课程范围内的一般工程技术问题，建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法。
通过课程设计使学生得到工程知识和工程技能的综合训练，获得应用本课程的知识和技术去解决工程实际问题的能力。
二.课程设计的内容
1.根据控制对象的用途、基本结构、运动形式、工艺过程、工作环境和控制要求，确定控制方案。
2.绘制搬运机械手控制系统的PLCI/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。
3.选择电器元件，列出电器元件明细表。
4.上机调试程序。
5.编写设计说明书。
三.课程设计的要求
1.所选控制方案应合理，所设计的控制系统应能够满足控制对象的工艺要求，并且技术先进，安全可靠，操作方便。
2.所绘制的设计图纸符合国家标准局颁布的GB4728－84《电气图用图形符号》、GB6988－87《电气制图》和GB7159－87《电气技术中的文字符号制定通则》的有关规定。
3.所编写的设计说明书应语句通顺，用词准确，层次清楚，条理分明，重点突出，篇幅不少于7000字。
主要设计条件
1.PLC实验设备若干。
2.参考文献若干。
设计说明书装订顺序
1.课程设计说明书封面。
2.课程设计任务书。
3.说明书目录。
4.正文（按设计内容逐项书写）。
5.参考文献。
6.附录。
7.课程设计评分表。
设计进度安排
第1周：
1.星期一上午：
课题内容介绍。
2.星期一下午：
仔细阅读设计任务书，明确设计任务与要求，收集设计资料，准备设计工具。
3.星期二～星期五：
确定控制方案。
绘制搬运机械手电气控制系统的PLCI/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。
设计控制系统的工艺图纸。
选择电器元件，列出电器元件明细表。
第2周：
4.星期一：
上机调试程序。
5.星期二～星期五：
编写设计说明书,答辩。
第1章概述·············································2
1.1PLC简介·············································2
1.2机械手概述··········································2
1.3机械手控制系统设计步骤·····························3
第2章控制方案论······································4
2.1搬运机械手的设计原理··································4
2.2PLC的选取·········································4
第3章控制系统硬件电路设计·························7
3.1传送带A,B主电路图及传送带B的控制电路图············7
3.2电动机主电路和控制电路电器元件选择····················8
3.3PLC控制面板及接口电路图····························9
第4章控制系统软件设计·····························11
4.1控制系统的软件设计原理····························11
4.2顺序功能图···········································12
4.3程序详单············································13
第5章控制系统的调试·······························19
总结·······················································20
附录一
STL语言程序
附录二
参考文献
第1章概述
1.1PLC简介
可编程控制器（ProgrammableLogicController，PLC）以微处理器为核心，将微型计算机技术、及网络通信技术有机地融为一体，是应用十分广泛的工业自动化控制装置。
PLC应用技术具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、使用方便、易于扩展等有点，不仅可以取代继电器控制系统，还可以进行复杂的的生产过程控制以及应用于工业自动化控制网络，它已成为现代化工业控制的四大支柱（可编程控制技术、机器人技术、CAD/CAM技术和数控技术）之一。
（来自《西门子PLC快速入门与实践》）
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。
同时，PLC的功能也不断完善。
随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。
今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。
通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。
实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。
1.2机械手概述
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。
有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。
机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。
机械手首先是从美国开始研制的。
1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。
（来自“XX百科”）
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。
机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
1.3机械手控制系统设计步骤
根据工艺要求确定被控系统必须完成的动作,确定这些动作之间的关系及完成这些动作的顺序。
（2）分配输入、输出设备,即确定哪些外围设备是送信号给PLC的,哪些外围设备是接收来自PLC的信号的,同时还要将PLC的输入、输出点与之一一对应,对I/O进行分配。
在此基础上确定PLC的选型。
（3）根据控制系统的控制要求和所选PLC的I/O点的情况及高功能模块的情况,设计PLC用户程序,此时可采用梯形田、助记符或流程图语言形式的用户程序。
PLC的用户程序体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系,编程时可用编程器或计算机直接编程、修改,同时也可对PLC的工作状态、特殊功能进行设定。
（4）对所设计的PLC程序进行调试和修改,直至PLC完全实现系统所要求的控制功能。
（5）保存已完成的程序。
第2章控制方案论证
2.1搬运机械手的设计原理
图3-1是搬运机械手工作示意图。
该机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。
为使动作准确，安装了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5。
分别对机械手进行抓紧、左旋、右旋、上升、下降等行程的检测，并给出动作到位的检测信号。
另外还安装了光电开关SP。
负责检测传送带A上的物品是否到位。
此外，还设置了起动按钮SB1和停止按钮SB2，分别用以启动和停止机械手的动作。
图3-1搬运机械手工作示意图
传送带A、B由电动机M1、M2拖动，M1、M2分别由接触器KM1、KM2控制，机械手的上、下、左、右、抓、放等动作由液压系统驱动，并分别由6个电磁阀YV1—YV6来控制。
2.2PLC的选取
由于市场的需求和西门子PLC的广泛应用所以我选取的是S7-200.我们对其进行简要说明：
S7-200系列是一类可编程逻辑控制器（MicroPLC）。
这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，下图展示一台S7-200MicroPLC的CPU22*系列PLC的CPU外型图如图2，具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。
此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。
S7-200CPU模块包括一个中央处理器单元（CPU）、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。
图2-1S7-200CPU外型图
1.CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。
2.输入和输出是系统的控制点：
输入部分从现场设备（例如传感器或开关）中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及工业过程中的其他设备。
3.电源向CPU及其所连接的任何模块提供电力。
4.通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或一些设备连接起来。
5.状态信号灯显示了CPU的工作模式（运行或停止），本机的I/O的当前状态，以及检查出来的系统错误。
6.通过扩展模块可以增加CPU的I/O点数（CPU221不可以扩展）。
7.通过扩展模块可以提供其通讯功能。
8.一些CPU具有内置实时时钟，其他CPU需要实时时钟卡。
9.EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序传送到另一个CPU中。
10.通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间。
图2-1展示了一个基本的S7-200MicroPLC.它包括一个S7-200CPU模块,一台个人计算机（PC）,STEP7-Micro/win32（3.1版）编程软件,以及一条通讯电缆.为了使用个人计算机（PC）,你必须以下一种设备:
一条PC/PPI电缆；一个通讯处理器（PC）和多点接口（MPI）电缆；一块MPI卡,随MPI卡提供一根通讯电缆。
图2-2S7-200MicroPLC系统的组成
第3章控制系统硬件电路设计
3.1传送带A,B的主电路图及传送带B的控制电路图
根据传送带A，B的运行要求设计其主电路图如下：
图3-4传送带A,B的主电路图
根据传送带B的运行要求设计其控制电路入下图：
图3-5传送带B的控制电路图
3.2电动机主电路和控制电路电器元件选择
序号
代号
名称
数量
规格型号
1
M1、M2
电动机
2
JQ2-Z1-4
2
FR1、FR2
热继电器
2
T16
3
YV1-YV6
电磁阀
6
3
QS
电源开关
1
HZ10-10/3
4
SB1-SB9
按钮
9
5
PLC
可编程
控制器
1
CPU226
6
KM1、KM2
接触器
2
CJ20-25
7
SP
光电开关
1
8
QF
断路器
1
9
SQ1-SQ5
行程开关
5
LXK2-131
3.3控制面板及接口电路
图3-2操作面板
机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。
工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。
当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。
当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。
当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。
根据机械手控制系统的要求设计出PLC的I/O接口图如下：
图3-3PLC外部接线图
第4章控制系统软件设计
4.1控制系统软件设计原理
本控制系统是通过主程序控制，来实现机械手的上、下、左、右、抓、放等动作由液压系统驱动，而且启动时，机械手按照步序图的工步顺序动作；停止时，机械手停止在现行工步上。
重新启动时机械手从停止前一瞬间的动作继续进行；PC断电时的要求与停止时的要求一致。
图4-1搬运机械手动作步序图
4.2顺序功能图
4.3程序清单
主程序OB1：
公用子程序SBR0：
自动子程序SBR1：
手动子程序SBR2：
第5章控制系统的调试
由于条件限制，只能进行控制系统的模拟调试。
首先根据自己的电路设计要求，将PLC的各个端口线路接好，并进行电路检查，确认接线无误。
然后在电脑中运行S7-200的编程软件STEP-7-Micro/WIN，将自己编写好的程序输入到程序编辑器中，编译直至没有错误，将编译好的程序下载到PLC中。
程序下载完毕，先令机械手停在原点，原点指示灯亮，设定为连续工作方式。
按下启动按钮，去掉上限位信号，原点指示灯熄灭，下行指示灯亮，拨动下限位开关，下行灯灭。
给一个SP信号，夹紧信号灯亮。
来一个夹紧限位信号，夹紧信号灯灭，上行灯亮。
给定上限位信号，右旋灯亮。
去掉左限位信号，给定右限位信号，下行灯亮。
给定下限位信号，机械手松开信号灯亮，然后熄灭，机械手上行灯亮。
来一个上限位信号，上行灯灭，左旋灯亮，去掉右限位信号。
原点指示灯亮，机械手停在原点，重复操作，机械手可继续重复上述操作，连续工作方式成立。
将机械手打到单周期工作方式，进行上述操作，机械手回到原点后重复操作，机械手不再动作，单周期工作方式成立。
进行手动方式调节，可以发现上行和下行动作只有在左限位或者右限位开关有信号是才可以；左旋和右旋只有在上限位开关有信号时，才可以动作，这样可以防止误操作引起不必要的麻烦。
将上行和下行的寄存器、左旋和右旋的寄存器分别互锁，以免引起误动作。
总结
两周多的时间，完成了课程设计的任务，实现了机械手所需的功能。
当然其中也遇到了很多问题，好在都一一解决了。
在整个设计过程中，对设计的规划很重要，先进行什么，后完成什么，这个必须先弄清楚。
由于在设计步骤的上的忽视，急于动手，自己也走了不少弯路。
大致的设计流程在有了时序步骤的图之后还是清楚的，但是细节问题上就不是我们能够处理的了。
就拿我们的课题机械手来说，要考虑许其他的方面，例如在工件未搬完前，如何实现停止，工件搬完后，如何回到初始，或者是继续下次的循环。
这些都是在设计时我们需要自己斟酌的问题。
搬运机械手的优点已经不言而喻。
能够在机械帮助而不需要手动的情况下搬运一些工件，且在电机拖动下，能够时间定时、定量的搬运，不仅提高了工作的效率，也节省了不少时间，在这样模块化的工作下，其他相关的工序也能井然有序的完成。
但是，在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。
有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。
总之，通过这样的实践，我们从中学到了不少，也对我们今后的学习工作提供了经验，希望能有更多这样的学习机会
附录一
主程序
公用程序
自动子程序
手动子程序
附录二
参考文献
[1]《西门子S7-200PLC编程及应用案例精选》（第1版），刘华波，机械工业出版社，2009年。
［2］《可程序控制器系统开发导航》（第1版），王晓平，人民邮电出版社，2010年。
［3］《典型自动化设备及生产线应用于维护》（第1版），鲍风雨，机械工业出版社，2008年。
［4］《工厂常用电气设备手册》（第1版），工厂常用电气设备手册编写组，水利电力出版社，2007年。
电气信息学院课程设计评分表
项目
评价
优
良
中
及格
差
设计方案合理性与创造性（10%）
开发板焊接及其调试完成情况*（10%）
硬件设计或软件编程完成情况（20%）
硬件测试或软件调试结果*（10%）
设计说明书质量（20%）
答辩情况（10%）
完成任务情况（10%）
独立工作能力（10%）
出勤情况（10%）
综合评分
指导教师签名：
________________
日期：
________________
注：
表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
此表装订在课程设计说明书的最后一页。
课程设计说明书装订顺序：
封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。
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