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河南機(jī)電高等�？茖W(xué)校PLC課程設(shè)計(jì)
河南機(jī)電高等�？茖W(xué)校
課程設(shè)計(jì)報(bào)告書
課程名稱：
課題名稱：系部名稱：專業(yè)班級(jí)：
姓 名：學(xué) 號(hào)： 2014年 07月4日
機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)任務(wù)書
設(shè)計(jì)目的：
1、 學(xué)習(xí)PLC電氣控制系統(tǒng)的開發(fā)過程和系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路；
2、 鍛煉實(shí)際應(yīng)用程序開發(fā)能力；
3、 提高電氣制圖、流程圖繪制及辦公文檔編輯能力。
控制要求：
1) 基本要求：
? 設(shè)置機(jī)械手復(fù)位按鈕
機(jī)械手每次的工件輸送過程，都應(yīng)該從初始位置開始。定義右轉(zhuǎn)到位、上行到
位、退回到位及手指張開到位同時(shí)滿足時(shí)為機(jī)械手初始位置。
開機(jī)運(yùn)行時(shí)，機(jī)械手應(yīng)該首先自動(dòng)回到初始位置；若遇到特殊情況，機(jī)械手停
在非初始位置，按下復(fù)位按鈕即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位。
? 設(shè)置單步/連續(xù)切換開關(guān)
在單步模式下
按下啟動(dòng)按鈕(若機(jī)械手處于初始位置，則開始運(yùn)行；否則，按下復(fù)位鍵，使機(jī)械手復(fù)
位)右轉(zhuǎn)+上行+退回+手指張開?伸出?下行1?手指夾緊?上行1?左轉(zhuǎn)1?下行
2?手指張開?上行2?退回?左行2?停止
注：以上連貫動(dòng)作實(shí)現(xiàn)時(shí)，某些動(dòng)作(見上述動(dòng)作字體加粗部分)可以同時(shí)進(jìn)行。
在連續(xù)模式下
按下啟動(dòng)按鈕，上述動(dòng)作依次發(fā)生，但回到初始位置之后，繼續(xù)下一個(gè)工件的
傳輸過程。
連續(xù)模式下，按下停止按鈕，待本次工件傳輸工作結(jié)束后，停止運(yùn)行。
2) 提高要求
i) 編制四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的保護(hù)程序。要求自動(dòng)檢測(cè)電機(jī)是否處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。
PLC技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計(jì)
ii) 若電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，應(yīng)立即停止系統(tǒng)工作，并點(diǎn)亮故障報(bào)警燈；故障
排除后，按下復(fù)位按鈕，故障報(bào)警燈熄滅；
iii) 連續(xù)運(yùn)行模式下，統(tǒng)計(jì)傳輸工件的個(gè)數(shù)，存儲(chǔ)于PLC的V型數(shù)據(jù)區(qū)，以
備組態(tài)監(jiān)控使用，也可用狀態(tài)表監(jiān)視其狀態(tài)變化。
3) 高級(jí)要求
利用上位機(jī)組態(tài)軟件組態(tài)監(jiān)控畫面，或利用觸摸屏組態(tài)監(jiān)控畫面，監(jiān)控機(jī)械手
的生產(chǎn)過程。
具體要求如下：
1. 顯示當(dāng)前年、月、日、時(shí)、分、秒，顯示作者姓名、專業(yè)、學(xué)號(hào)；
2. 設(shè)置一個(gè)單步/連續(xù)功能切換按鈕，對(duì)應(yīng)有2個(gè)指示燈，當(dāng)前動(dòng)能單步時(shí)，單
目指示燈亮；當(dāng)前功能連續(xù)時(shí)，連續(xù)指示燈亮；
3. 每個(gè)電機(jī)都設(shè)置2個(gè)指示燈，當(dāng)對(duì)應(yīng)電機(jī)發(fā)生動(dòng)作時(shí)，對(duì)應(yīng)指示燈亮；
4. 設(shè)置啟動(dòng)、停止、2個(gè)按鈕以及2個(gè)指示燈，表示當(dāng)前處于什么狀態(tài)；
5. 設(shè)置復(fù)位按鈕，清零所有狀態(tài)，機(jī)械手回到最初位置；
6. 設(shè)置4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障指示燈，若電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，點(diǎn)亮故障報(bào)警燈；故障
排除后，按下復(fù)位按鈕，故障報(bào)警燈熄滅；
7. 設(shè)置物料個(gè)數(shù)顯示框，用于顯示已經(jīng)傳輸完成多少個(gè)物料；
機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
目 錄
目 錄 .......................................................................................................... 1
1 設(shè)計(jì)思路 ......................................................................................... 3
1.1 涉及 ................................................................................................................ 3
1.1.1 西門子S7200PLC ................................................................................... 3
1.1.2 機(jī)械手 ...................................................................................................... 3
1.1.3 輸出驅(qū)動(dòng)單元 .......................................................................................... 3
1.1.4 輸入檢測(cè)單元 .......................................................................................... 3
1.2 涉及功能 ....................................................................................................... 3
1.2.1 驅(qū)動(dòng)部分 .................................................................................................. 3
1.2.2 顯示部分 .................................................................................................. 3
1.2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 .......................................................................................... 4
2 硬件電路設(shè)計(jì) ............................................................................... 5
2.1 本設(shè)計(jì)的電氣原理圖 ............................................................................... 5
2.1.1 輸入接口 ..............................................................第一文庫網(wǎng).................................... 5
2.1.2 輸出接口 .................................................................................................. 5
2.1.3 PLC接口電路 ......................................................................................... 6
2.2 I/O分配表 ................................................................................................... 7
3 軟件設(shè)計(jì) ......................................................................................... 9
3.1 總流程圖 ....................................................................................................... 9
3.2 單目模式流程圖 .......................................................................... 10
3.3 流程圖說明 ................................................................................. 11
3.3.1 總流程圖說明 ........................................................................................ 11
3.3.2 單目模式流程圖說明 ............................................................................ 11
3.3.3 重要程序及說明 .................................................................................... 11
1
PLC技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計(jì)
4 程序調(diào)試 ............................................................................ 12
4.1 調(diào)試設(shè)備 ...................................................................................... 12
4.2 遇到的問題與解決方法 .............................................................. 12
5
心得體會(huì) ............................................................................ 13
附錄1 參考文獻(xiàn) ....................................................................... 14
附錄2 程序 ............................................................................... 15
2
機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1 設(shè)計(jì)思路
1.1 涉及硬件
1.1.1 西門子S7200PLC
SIMATIC S7-200 是一款適用于機(jī)器以及工廠中開環(huán)和閉環(huán)控制任務(wù)的小型
PLC。 它可以最低的成本，實(shí)現(xiàn)最大的自動(dòng)化性能，以最低的成本提供最大自動(dòng)
化性能的微型控制器。
SIMATIC S7-200 的應(yīng)用范圍廣泛，從取代繼電器和接觸器，到單機(jī)模式、組
網(wǎng)以及分布式組態(tài)中處理復(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù)，安裝、編程和操作都非常簡(jiǎn)單，大
規(guī)模集成，節(jié)省空間，功能強(qiáng)大，既可用于簡(jiǎn)單的控制任務(wù)，也可以用于復(fù)雜的
自動(dòng)化任務(wù)，所有 CPU 都可在獨(dú)立模式、網(wǎng)絡(luò)和分布式結(jié)構(gòu)內(nèi)使用。
適用于可編程控制器過去在經(jīng)濟(jì)上不可行的應(yīng)用，顯著的實(shí)時(shí)性能，以及強(qiáng)大
的通信功能 (PPI、PROFIBUS-DP、AS-i 接口)。
1.1.2 機(jī)械手
機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的自動(dòng)化設(shè)備，它具有工件的自動(dòng)取拿、移動(dòng)和
輸送功能。機(jī)械手機(jī)構(gòu)控制涉及了PLC、傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等技術(shù)。該設(shè)備可以實(shí)
現(xiàn)手臂的左右擺動(dòng)、伸出與退回、上下移動(dòng)、機(jī)械手指的夾緊與張開等四自由度
動(dòng)作。
1.1.3 輸出驅(qū)動(dòng)單元
該設(shè)備四自由度動(dòng)作由四臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)可進(jìn)行正反轉(zhuǎn)運(yùn)行。
左右擺動(dòng)由齒輪組嚙合實(shí)現(xiàn)減速傳動(dòng)；伸出與退回、上下移動(dòng)由直流減速電機(jī)驅(qū)
動(dòng)絲杠--螺母結(jié)構(gòu)完成；機(jī)械手指的夾緊與張開由直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)連桿結(jié)構(gòu)實(shí)
現(xiàn)。該設(shè)備共有8個(gè)動(dòng)作，由控制器輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)。
1.1.4 輸入檢測(cè)單元
每個(gè)自由度運(yùn)行極限位置設(shè)置了兩個(gè)行程開關(guān)，用于判斷當(dāng)前動(dòng)作是否到位。
該設(shè)備共有8個(gè)行程開關(guān)作為控制器的輸入信號(hào)。
1.2 涉及功能
1.2.1 驅(qū)動(dòng)部分
可以通過PLC控制驅(qū)動(dòng)各個(gè)電機(jī)動(dòng)作，從而完成機(jī)械手連貫的搬運(yùn)動(dòng)作。
1.2.2 顯示部分
可以通過觸摸屏監(jiān)控整個(gè)機(jī)械手運(yùn)行過程，并且可以記錄連續(xù)過程中機(jī)械手搬
3
PLC技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計(jì)
運(yùn)貨物的個(gè)數(shù)。
1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
圖1-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
4
機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 本設(shè)計(jì)的電氣原理圖
2.1.1 輸入接口
輸入接口電路板原理圖如下圖所示，其功能是將設(shè)備上行程開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)
換為統(tǒng)一的電平信號(hào)(邏輯1：24V DC ；邏輯0：0V DC)。板上設(shè)有光電隔離電路，
將內(nèi)外電源隔離，以保護(hù)設(shè)備安全。
圖2-1 輸入接口電路板電氣原理圖
2.1.2 輸出接口
輸出接口下圖由兩塊電路板構(gòu)成：驅(qū)動(dòng)電路板和輸出接口電路板。它們的功能
是將PLC輸出的控制信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，從而控制電動(dòng)機(jī)正向或反向運(yùn)行。
輸出接口電路板上也設(shè)有光電隔離電路，可將內(nèi)外電源隔離。
左圖為驅(qū)動(dòng)電路板電氣原理圖，繼電器A吸合、B釋放，對(duì)應(yīng)的電機(jī)正轉(zhuǎn)；繼
電器A釋放、B吸合，對(duì)應(yīng)的電機(jī)反轉(zhuǎn)；繼電器A、B同時(shí)釋放，電機(jī)停止運(yùn)行；
不允許二者都吸合。右圖為輸出接口電路板電氣原理圖，當(dāng)PLC輸出的某路控制
信號(hào)有效時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)有效，從而可以使得對(duì)應(yīng)的繼電器吸合。
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PLC技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計(jì)
圖2-2 輸出接口電路電氣原理圖
(左圖為驅(qū)動(dòng)電路板，右圖為輸出接口電路板)
2.1.3 PLC
接口電路
輸入/輸出接口是PLC與現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備或其它外部設(shè)備之間的連接部件。PLC通過輸入接口把外部設(shè)備(如開關(guān)、按鈕、傳感器)的狀態(tài)或信息讀入CPU，通過用戶程序的運(yùn)算與操作，把結(jié)果通過輸出接口傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如電磁閥、繼電器、接觸器等）。
在輸入/輸出接口電路中，一般均配有電子變換、光耦合器和阻容濾波等電路，以實(shí)現(xiàn)外部現(xiàn)場(chǎng)的各種信號(hào)與系統(tǒng)內(nèi)部統(tǒng)一信號(hào)的匹配和信號(hào)的正確傳遞，PLC正是通過了這種接口實(shí)現(xiàn)了信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換。發(fā)光二極管(LED)用來顯示某一路輸入端子是否有信號(hào)輸入。當(dāng)系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)不夠時(shí)，可通過PLC的I/O擴(kuò)展接口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。
6
機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖2-3 PLC接口電路電氣原理圖
2.2 I/O分配表
（接下表）
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PLC技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計(jì)
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機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3軟件設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)總流程圖
圖3-1 系統(tǒng)總流程圖
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PLC技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計(jì)
3.2 單目模式流程圖
圖3-2 單目模式流程圖
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機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.3 流程圖說明
3.3.1 總流程圖說明
1. 只有機(jī)械手處于初始位置時(shí)，按下開始按鈕，程序才會(huì)執(zhí)行。
2. 只有按下單目模式選擇開關(guān)后，按下開始按鈕，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，才會(huì)進(jìn)入彈幕模
式運(yùn)行。
3. 各行程開關(guān)必須運(yùn)行到位后才能進(jìn)入下一步執(zhí)行。
4. 在機(jī)械手張開和閉合后延時(shí)，有利于將機(jī)械手將貨物充分放下和夾緊。 3.3.2 單目模式流程圖說明
1. 只有當(dāng)C1小于6時(shí)，經(jīng)判斷才能讓機(jī)械手隨程序動(dòng)作。
2. 每次執(zhí)行動(dòng)作到位后，必須再按下開始開關(guān)即單目加開關(guān)，讓計(jì)數(shù)器的值加1，讓機(jī)械手進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作。 3.3.3 重要程序及說明
圖3-3 重要程序網(wǎng)絡(luò)
網(wǎng)絡(luò)50為連續(xù)模式、停止選擇網(wǎng)絡(luò)，由于有組態(tài)監(jiān)控，所以加入了M10.1、M10.2等輔助觸點(diǎn)，為了使用按鍵操作和用觸摸屏操作互不干擾，使各個(gè)開關(guān)互鎖，讓開關(guān)動(dòng)作互相限制，達(dá)到按下一個(gè)開關(guān)后只有一種導(dǎo)通情況，不會(huì)出現(xiàn)混亂導(dǎo)致程序運(yùn)行時(shí)出錯(cuò)。
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PLC技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計(jì)
4 程序調(diào)試
4.1 調(diào)試設(shè)備
1. 先給PLC下載一個(gè)空程序，確定PLC與電腦連接正常。 2. 檢查PLC和觸摸屏的COME口，確定在連接時(shí)不會(huì)出錯(cuò)。 3. 先編寫簡(jiǎn)單的小程序測(cè)試機(jī)械手每個(gè)電機(jī)師是否正常工作。
4.2 遇到的問題與解決辦法
1. 復(fù)位程序不工作；開始編寫復(fù)位程序后沒有考慮到程序調(diào)用的問題，老師講解了子程序調(diào)用后解決了這一問題，但我還是把復(fù)位程序?qū)懙搅酥鞒绦騉B1里邊。
2. 程序運(yùn)行混亂；初始化不到位，程序運(yùn)行第一次正常工作，但第二次工作時(shí)程序出現(xiàn)混亂，是因?yàn)橐獜?fù)位清零的沒有復(fù)位清零，導(dǎo)致第一次賦值之后，這個(gè)值被一直保持，是程序運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤。
3. 連續(xù)模式下按下停止后不停止；加入輔助觸點(diǎn)后，沒有與按鈕開關(guān)互鎖，導(dǎo)致在觸摸屏上按下停止后不起作用，加互鎖后就解決了問題。
4. 按下連續(xù)后還是只執(zhí)行單周運(yùn)行；修改了程序以后沒有及時(shí)修改跳轉(zhuǎn)時(shí)的S點(diǎn)，導(dǎo)致結(jié)束時(shí)程序跳轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，不能達(dá)到預(yù)想的效果，修改后正常運(yùn)行。
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機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5 心得體會(huì)
PLC理論課程完結(jié)后我們需要做課程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)以分組的方式進(jìn)行，每組選一個(gè)題目。我們選做的是機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)。由于平時(shí)大家都是學(xué)的大多數(shù)是理論知識(shí)，并沒有過實(shí)際開發(fā)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，開始的時(shí)候都不知道從哪里開始，通過各方面的查資料并向老師和同學(xué)請(qǐng)教。我基本學(xué)會(huì)了PLC設(shè)計(jì)的步聚和基本方法。分組工作的方式給了我與同學(xué)合作的機(jī)會(huì)，提高了與人合作的意識(shí)與能力。
通過這次設(shè)計(jì)實(shí)踐。我深刻的認(rèn)識(shí)了PLC的基本編程方法，對(duì)PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在對(duì)理論的運(yùn)用中，提高了我們的對(duì)知識(shí)運(yùn)用的素質(zhì)，在沒有做實(shí)踐設(shè)計(jì)以前，我們對(duì)知道的掌握都是思想上的，以為PLC編程很簡(jiǎn)單，對(duì)一些細(xì)節(jié)不加重視，當(dāng)我們把自己想出來的程序與到PLC中的時(shí)候，出現(xiàn)了運(yùn)行的結(jié)果和要求的結(jié)果不相符合甚至不能運(yùn)行的問題。通過解決一個(gè)個(gè)在調(diào)試中出現(xiàn)的問題，我們對(duì)PLC 的理解得到了加強(qiáng)，也讓自己認(rèn)識(shí)到了自己的不足。
通過交流和合作，我們的團(tuán)隊(duì)意識(shí)得到加強(qiáng)。動(dòng)手能力得到提高。在設(shè)計(jì)的過程中，我們用了分工與合作的方式，每個(gè)人負(fù)責(zé)一定的部分，出現(xiàn)問題時(shí)共同討論，以解決分工中個(gè)人不能解決的問題，在交流中大家積極發(fā)言，和提出意見，同時(shí)我們還向別的同學(xué)請(qǐng)教。在此過程中，或許每個(gè)人都想自己的方案得到實(shí)現(xiàn)，但我們只能通過比較選出最好的方案。
最后，感謝老師的悉心教導(dǎo)和孜孜不倦的講解，讓我們?cè)隍?yàn)收程序前完成了程序的正確編寫，實(shí)現(xiàn)了老師要求的功能，讓我們?cè)诰C合素質(zhì)和身心上都有所成長(zhǎng)。
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PLC技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計(jì)
附錄1參考文獻(xiàn)
[1] 張衛(wèi)平. 開關(guān)變換器的建模與控制[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2006.
[2] 曹文思，楊育霞. 基于狀態(tài)空間平均法的BOOST變換器仿真分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2007.
[3] 伍言真. DC/DC開關(guān)變換器建模分析及其變結(jié)構(gòu)控制方法的研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，1998.
[4] Takagi T, Sugeno M. Fuzzy identification of systems and its applications to modeling and control [J]. IEEE Trans on Systems, Man and Cybernetics, 1985.
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附錄2 程序清單
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電機(jī)保護(hù)程序
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