基于plc和mcgs的机械手控制系统的设计(编辑修改稿)

基于plc和mcgs的机械手控制系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

行改造 ,还是设计新的生产机械设备 .毫无疑问 ,生产 ,设计周期 越短越好 ,甚至希望边设计 ,边安装 ,边调试和边生产 ,特别是产品更新换代 ,生产 工艺 改造 ,不需改动现有生产设备及其外部接线 ,就能马上组织生产 ,这不仅节约了劳动力 , 而且新产品能尽快投入市场 .这无疑给企业增加了活力 ,提高了经济效益 .如果把这些要 求得以实现 ,继电器或半导体都不能满足 ,而 PLC 则完全可以实现 .这是因为使用 PLC 不必改动外部设备接线 ,只要对软件进行一些改变就可以了 .也就是说只要改变梯形图 , 按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可 .这既经济又简捷 ,可以达到事半功倍 的效果 . 据调查 ,目前我国 70%的机械生产设备 ,都是采用继电器进行控制的 ,除了可靠性差 外 ,程序 设计也很繁杂 .从方案的确立到技术条件的设计以及施工的设计 ,图面的工作量 很大 ,这势必造成设计周期长 .而采用 PLC 控制可以大大缩短设计周期 ,甚至有些文件资 料也不必绘制成图 .设计人员完全可以利用编程器上屏幕显示来输入 ,或修改程序使得梯 形图能准确无误地反映生产要求 .编程人员也可根据新产品对生产提出的新工艺要求 ,重 新编写程序并把它存储在 EEPROM 模块中去 ,需要加工哪种产品的程序 ,操作人员可以 随时调用 ,这既简单 ,方便又保密 . PLC 发展状况及趋势 现代 PLC 的发展主要有两个趋势 :一是向体积更小 ,速度更快 ,功能更强和价格更低 的微小型方面发展。 二是向大型网络化 ,高可靠性 ,好的兼容性和多功能方面发展 [12]. 1,大型网络化 主要是朝 DCS 方向发展 , 使其具有 DCS 系统的一些功能 . 网络化和通信能力强是 PLC 发展的一个重要方面 ,向下可将多个 PLC,I/O 框架相连 ,向上与工业计算机 ,以太网 , MAP 网等相连构成整个工厂的自动化控制系统 . 2,多功能 随着自调整 ,步进电机控制 ,位置控制 ,伺服控制等模块的出现 ,使 PLC 控制领域更 加宽广 . 第三章 机械手模型控制系统的设计 机械手控制系统构件概述 本课题设计使用的是 THWJX1 型机械手实物教学实验装置 .机械手实物教学模型的 机械结构采用滚珠丝杆 ,滑杆 ,气缸 ,气夹等机械部件组成。 电气方面有步进电机 ,直流 电机 ,步进电机驱动器 ,传感器 ,开关电源 ,电磁阀等电子器件组成 .该模型是 PLC 技术 , 位置控制技术 ,气动技术有机结合成一体的教学仪器 . 步进电机 采用二相八拍混合式步进电机来控制机械手的动作 ,相比直流电机有更好的制动效 果 ,又加上滚珠丝杆和滑杆配合 ,使机械手的运动更加稳定 .主要 9 特点 :体积小 ,具有较 高的起动和运行频率 ,有 定位转矩等优点 .本模型中采用串联型接法 ,其电气接线图如图 31 所示 : 图 31 步进电机电气接线图 步进电机驱动器有电源输入部分 ,信号输入部分 ,信号输出部分等 ,利用驱 动器可以很方便的对步进电机的转速 , 方向进行控制 . 驱动器电源由面板上电源模块提供 , 驱动器信号端采用 +24V 供电 ,需加 限流电阻 . 驱动器输入 PLC 通过控制其输出点来控制驱动器光耦的开合 , PLC 输出线圈得电 当 端为低电平有效 . 传感器 本装置中使用的传感器有接近开关和行程开关 .基座和气夹的正反转限位采用接近开 关 (金属传感器 ) ,通过调整基座和气夹上的金属块的位置 ,可以在一定范围内改变基座和气夹的旋转角度 .机械手的伸缩 ,升降均采用行程开关来限位 ,并通过改变行程开关的 位置来调节横轴和竖轴的运动范围 . 1,接近开关 :接近开关有三根连接线 (棕 ,兰 ,黑 )棕色接电源的正极 ,蓝色接电源的负极 ,黑色为输出信号 ,当与档块接近时输出电平为低电平 ,否则为高电平 .与 PLC 之间的接线图如下 ,当传感器动作时 ,输出端对地接通 .PLC 内部光耦与传感器电源构成 回路 ,PLC 信号输入有效 . 10 图 32 传感器工作原理 2,行程开 关 :当档块碰到开关时 ,常开点闭合 . 直流电机驱动单元 本装置中直流电机驱动模块是由两个继电器的吸合与断开来控制电机的转动方向的 , 从而实现基座和气夹的正反转 . 本模型所用输入 , 输出均为低电平有效 . 其中 IN 端接 PLC 的输出端口 ,OUT 端接模型的信号输入端 .COM 端接 PLC 的传感器电源负端 . 机械手的动作实现过程 机械手的全部动作由步进电机和直流电机进行驱动控制 . 步进电机的运动需要驱动器 ,有脉冲输入时步进电机才会动作 ,且每当脉冲由低变 高时步进电机走一步。 改变电机转向时 ,需 要加方向信号 .机械手的上升 /下降 ,前伸 /后 缩动作就是通过控制这两个步进电机的正反转来实现的 .基座正转 /反转和气夹正转 /反转 是通过两个继电器的吸合与断开来控制直流电机的转动方向来实现的 . 机械手的放松 /夹紧 由一个单线圈两位置电磁阀控制 .当该线圈通电时 ,机械手放松。 该线圈断电时 ,机械手 夹紧 [13]. 打开电源 ,按下起动按钮时 ,开机复位 .机械手的动作示意图如图 所示 11 图 33 机械手的动作示意图 机械手若不在原点则 PLC 向驱动器一同时输入脉冲信号和电平信号 ,步进电机一反转 ,横轴后缩 . 当后 缩到位时碰到后限位开关 ,然后主机向驱动器二输入脉冲信号 ,步进电机二正转 ,机械手上升 .上升到底时碰到上限位开关 ,上升停止 ,回到原点 .主机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号 ,步进电机二反转 ,机械手下降 .降到底时碰到下限位开关 ,下降停 止 ,气夹电磁阀断电 ,机械手夹紧 .夹紧后 ,主机向驱动器二只输入脉冲信号 ,步进电机 二正转 ,机械手上升 .上升到顶时 ,碰到上限位开关 ,上升停止 .PLC 向驱动器一只输入脉冲信号 ,步进电机一正转 ,机械手前伸 ,前伸到位时 ,碰到前限位开关 ,前伸停止 .主 机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号 ,步进电机二反转 ,机械手下降 .降到底时碰 到下限位开关 ,下降停止 ,同时夹紧电磁阀断电 ,机械手放松 .放松后 ,主机向驱动器二 只输入脉冲信号 ,步进电机二正转 ,机械手上升 .上升到顶时 ,碰到上限位开关 ,上升停 止 .上升到顶时 ,碰到上限位开关 ,上升停止 .PLC 向驱动器一同时输入脉冲信号和电平 信号 ,步进电机一反转 ,横轴后缩 .机械手后缩 ,当后缩到底时碰到后限位开关 ,然后主 机向驱动器二同时输入脉冲信号和电平信号 ,步进电机二反转 ,机械手下降 .下降到底时 碰到下限位开关 ,下降停止 ,回到原点 .至此 ,机械手经过八步动作完成一 个循环 [14]. PLC 程序设计 I/O 点数的确定及 PLC 类型的选择 本次设计使用的是 THWJX1 型机械手实物教学实验装置 .本装置需采用晶体管输出 型可编程控制器 ,可同时输出两路脉冲到步进电机驱动器 ,控制步进电机运行 .由于机械 手系统的输入 /输出点少 ,要求电气控制部分体积小 ,成本低 ,并能够用计算机对 PLC 进 行监控和管理 ,该机械 12 手的控制为纯开关量控制 ,且 I/O 点数不多 ,仅需 11 个输入点和 9 个输出点 , 考虑留有一定的裕量 . 故选用日本三菱公司生产的多功能小型 FX1N24MTD 主 机 ,该机输入点为 14 个 ,输出点为 10 个 [15]. PLC 的 I/O 分配 根据机械手动作的要求及机械手实物教学实验装置说明指导 ,输入 ,输出点分配如表所示 . 图 34 PLC 的 I/O 分配表 PLC 程序的设计 梯形图见附录 1. PLC 程序的调试 由于 PLC 是专门为工业生产环境设计的控制装置 ,因此一般不需要采取什么特殊措 施 ,就可以直接在工业环境中使用 .但环 境过于恶劣 ,电磁干扰特别强烈 ,或安装使用不 当 ,都将不能保证 PLC 正常 ,安全 ,可靠的运行 .因此 ,讨论 PLC 设计调试就具有十分 重要的意义 . PLC 控制的安装与布线 1, 输入接线 (1)输入接线一般不要超过 环境干扰较小 ,电压降不大时 ,输入接线 可适当长些 . (2)输入 ,输出线不能用同一根电缆 ,输入 ,输出线要分开 . (3)利用普通二极管恰当的串接在 PLC 输入回路中 ,防止信号干扰 ,使 PLC 输入信 号大大增强 . 2,电源接线 电源是 PLC 引入干扰的主要途径之一 , PLC 应尽 可能取用电压波动较小 , 波形畸变较 小的电源 , 这对提 13 高 PLC 的可靠性有很大帮助 . PLC 的供电线路应与其他大功率用电设备 或强干扰设备 (如高频炉 ,弧焊机等 )分开 .为了提高整个系统的抗干扰能力 ,可编程序 控制器供电回路一般可采用隔离变压器 ,交流稳压器 ,晶体管开关电源等 .我们正是用了 隔离变压器和交流稳压器来抗干扰 .隔离变压器是初级和次级之间采用隔离屏蔽层 ,用漆 包线或同等非导磁材料组成 ,电器回路上不允许短路 ,两极各引出一个接地抽头 .初级与 次级之间的静电屏蔽要联结到零点位 ,接地抽头配电容耦合最后引出到接地点 .在选用交 15 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 流稳压器时 ,一般可按照实际最大需求容量的 130%计算 .这样可以保证稳压特性又有助 于稳压器工作可靠 [16]. PLC 供电电源为 50Hz,220V177。 10%的交流电 .由于本设计使用的是 FX1N 系列可编程 控制器 ,所以有直流 24V 输出接线端 .该接线端可为输入及传感器 (如光电开关或接近开 关 )提供直流 24V 电源 . 3,接地 正确选择接地点 ,完善接地系统接地的目的通常有两个 ,其一为了安全 ,其二是为了 抑制干扰 . 完善的接地系统是 PLC 控制系统抗电磁干扰的重要措施之一 . 系统接地方式有 : 浮地方式 ,直接接地方式和电容接地三种方式 .对 PLC 控制系统而言 ,它属高速低电平控 制装置 ,应采用直接接地方式 .良好的接地是保证 PLC 可靠工作的重要条件 ,可以避免偶 然发生的电压冲击危害 .所以我们给可编程控制器接上了专用接地线 . 机械手控制系统的外部接线图 PLC 外部电气接线图见附录 2 机械手控制程序的调试 在程序调试过程中出现了一系列的问题 ,但最终都一一解决了 .在使用 STL 指令编程 时 ,刚开始由于对 STL 指令掌握的不是很好 ,所以犯了不 少错误 ,加上机械手模型装置本 身存在的一些问题 ,所以在调试程序时 ,机械手动作不符合控制要求 .经过不断查阅资料 , 研究 ,改进 ,最终程序调试成功 .机械手运行良好 ,动作正确 ,符合控制要求 . 第四章 MCGS 在机械手控制系统中的应用 MCGS 的概述 MCGS(Monitor and Control Generated System,通用监控系统 )是一套用于快速构造 和生成计算机监控系统的组态软件 . 它能够在基于 Microsoft 的各种 32 位 Windows 平台上 运行 ,通过对现场数据的采 集处理 ,以动画显示 ,报警处理 ,流程控制和报表输出等多种 方式向用户提供解决实际工程问题的方案 ,在自动化领域有着广泛的应用 .其主要特征和 功能大体为 :具有简单灵活的可视化操作界面 ,实时性强 ,有良好的并行处理性能 ,有丰 富生动的多媒体画面 ,开放式结构 ,广泛的 14 数据获取和强大的数据处理功能 ,完善的安全 机制 ,强大的网络功能 ,多样化的报警功能 ,支持多种硬件设备 ,方便控制复杂的运行流 程 ,良好的可维护性和可扩充性 ,设立对象元件库组态工作简单方便 ,能实现对工控系统 的分布式控制和管理等等 [17]. MCGS 系统包括组态 环境和运行环境两个部分 . 用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行 ,组态环境相当于一套完整的工具软 件 ,它帮助用户设计和构造自己的应用系统 .用户组态生成的结果是一个数据库文件 ,称 为组态结果数据库 .。