基于plc与组态王kingview650实现对机械手的控制设计(编辑修改稿)

基于plc与组态王kingview650实现对机械手的控制设计(编辑修改稿)内容摘要：

据现场要求实现机械手的不同工作要求。 机械手采用 PLC 控制技术，可以大大提高该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和 硬件接线，提高了控制系统的可靠性。 同时，用 PLC 控制系统可方便地更改生产流程，增强控制功能。 上述的选择方案各有优缺点， 这次 对于控制系统的设计不需要选择速度最快的硬件器件， 也不需要可 视化的图形编程语言和平台 ， 而是在达到设计要求的前提下，尽量降低系统的运行速度和开发成 本， 提高了系统运行的稳定性。 且要求能方便地更改工作流程，完成复杂的运动控制。 综上所述，机械手的控制方式选择 PLC控制。 （二） PLC 简介 PLC 和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。 PLC 的硬件系统由微处理器 (CPU)、存储器 (EPROM， ROM)、输入输出 (I/O)部件、电源部件、编程器、 I/O 扩展单元和其他外围设备组成。 各部分通过总线 (电源总线、控制总线、地址总线、数据总线 )连接而成。 其结构简图如下： 西南科技大学 本科生毕业设计（论文 ） 7 图 1 PLC 硬件系统组成 图 2控制面板示意图 PLC 的软件系统是指 PLC 所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。 系统程序是每一个 PLC 成品必须包括的部分，由 PLC 厂家提供，用于控制 PLC 本身的运行，系统程序固化在 EPROM 中。 用户程序是由用户根据控制需要西南科技大学 本科生毕业设计（论文 ） 8 而编写的程序。 硬件系统和软件系统组成了一个完整的 PLC 系统，他们是相辅相成，缺一不可的。 组成 中央处理单元（ CPU）、存储器、 I/O 单元、电源部分、扩展接口、 通信接口 的特点 可编程序控制 器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。 国内外现有的机械手系统，它们的控制形式大都采用可编程序控制器控制，特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业机械手系统中应用更为普遍。 其主要原因是因为 PLC具有以下优点： 灵活、通用 可靠性高、抗干扰能力强 操作方便、维修容易 功能强 体积小、重量轻和易于实现机电一体化 同样，可编程序控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于继电器控制和单片机控制，其开发潜力要差于单片机，并且通用性不好，不同厂家的可编程序控制器以及其附属单元都是固定专用等等。 3. PLC 的主要功能 PLC 是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化 (FA)和计算机集成制造系统 (CIMS)内占重要地位。 PLC 系统主要有以下功能： 多种控制功能； 数据采集、存储与处理功能； 通信联网功能； 输入、输出接口调理功能； 人机界面功能； 西南科技大学 本科生毕业设计（论文 ） 9 编程、调试功能。 PLC 的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。 另外，采用 PLC 还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总 价格进一步降低。 PLC 产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需求。 4. PLC 的经济 性 分析 综上所述，在各种环境中，使用 PLC 控制机构设备，生产流水线和生产过程的自动化控制将越来越广泛。 对 PLC 的经济分析，应从以下 两个 方面考虑： （ 1） 从影响成本的各个因素综合考虑 对目前生产设备控制装置来说，有继电器控制 、 半导体器件控制 以及 PLC 控制 三种类型。 价格仅是选择 PLC 品牌的一个因素，而可靠性是选择控制装置时需要考虑的又一个重要因素。 （ 2）从设计、生产周期长短考虑 的应用领域 及 发展状况 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的界限，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。 使用情况主要分为如下几类： 开关量逻辑控制 工业过程控制 运动控制 数据处理 通信及联网 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。 的选型 西南科技大学 本科生毕业设计（论文 ） 10 对于 PLC 的选择 ,我们必须考虑多方面的因素。 例如输入 、输出的最多点数 ,扫描速度、内存容量、 指令条数 、 功能模块等。 同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。 PLC 发展这么多年 ， 技术成熟 ， 各种型号的也很多 ， 各个厂家生产的也有一定区 别 ，各个重点发展方向也不同，所以我们必须根据自己设计需要，国的信息与通讯、自 动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中， 其核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案。 欧姆龙 S7200 系列 PLC 突出的特点 可靠性高、操作简便 丰富的内置集成功 能 、强劲通讯能力、丰富的扩展模块、 简单、易用的 Micro/WIN 编程软件。 OMRON 的可编程序控制器更加小型化。 SYSMAC、 CPM1A 的大小仅相当于一个 PC卡 (对于 10点的机型来说 )， 从而使安装体积大幅度减小 ， 同时也进一步节省了控 制柜的空间。 它不仅具备了以往小型 PLC 所具备的功能 ， 而且还可连接可编程序终 端， 为生产现场创造了新的环境。 编程环境与 CQM1 及 SYSMAC A 等机种相同。 由 于原有 SYSMAC 支持软件及编程器都可继续使用 ， 故而系统的扩展及维护都可简单 进行。 三菱 FX 系列可编程控制器是当今国内外最 新 ， 最具特色、最具代表性的微型PLC。 在 FX 中 ， 除基本的指令表编程方式外 ， 还可以采用梯形土编程及对应机械动作流程 进行顺序设计的 SFC 顺序功能图编程 ， 而且这些程序可互相转换。 在 FX系列 PLC 中设置了高数计数器，对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中断处理， 扩大了 PLC的应用领域。 其 FX2N PLC 还可以采用作为扩展设备的硬件计数器 ，可获取最 高 50kHz 的高速脉冲。 7. 确定型号 FX2N48MR 综上，对于被控对象， 采用 PLC 系统与采用其它形式的控制系统相比较 ， 力求具有较好的性价比，使用和维修方便， 选用 的 PLC 主机和配置、控制功能等必须能 满足被控对象的各种控制要求， 选用的 PLC 主机及配置必须是功能较强的新一代 PLC 机型，一般最好不要选用旧机型， 若采用三菱公司的 PLC， 则选 FX 系列不选 F1系列。 同时还应当考虑将来工艺的变化和扩展，在满足确定的要求外， 留有一定的 余量，确保整个控制系统可靠。 还要考虑大家对产品的熟悉程度， 以及编程指令的易 懂性。 在此， 我选用三菱 FX1N 来做控制核心。 FX系列 PLC 是由三菱公司近年来推 出的高性能小型可编程控制器， 以逐步替代三菱公司原 F、 F F2系列 PLC 产品。 其中 FX2 是近年推出 的产品 ， FX0 是在 FX2 之后推出的超小型近几年来又连 续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的 FX0S、 FX1S、 FX0N、 FX1N、FX2N、 FX2NC 等系列 PLC， 具有较高的性能价格比 ， 应用广泛。 它们采用整体式和模块式 相结合的叠装式结构。 FX 系列的结构功能 可编程控制器是一种工业控制微型计算机， 它的结构原理与微型计算机相似。 硬件构成有微处理器、存储器和各种输入、输出接口。 系统程序和接口器件又与微机不 同， 这使它的操作使用方法、编程语言、工作方式等与微型机有所不同。 西南科技大学 本科生毕业设计（论文 ） 11 PLC 是用微 处理器实现继电器 、定时器和计数器以及 A/D、 D/A 模拟转换器件的组合体的功能 ， 采用软件编程进行它们之间的联系。 本设计采用 FX系列 PLC 作为控制核心 ， 所以现在就以它来讲述 PLC 的应用知识、操作技能。 FX 系列 PLC 硬件组成与其它类型 PLC 基本相同 ， 主体由三部分组成， 其 PLC 的基本结构如图 21 系统电源有些在 CPU 模块内 ， 也有单独作为一个单 元的， 编程器一般看作 PLC 的外设。 PLC 内部采用总线结构 ， 进行数据和指令的传 输。 外部开关信号、模拟信号以及各种传感器检测信号作为 PLC 的输入变量它们 经 PLC 的输入端子进入 PLC 的输入存储 器 ， 收集和暂存被控对象实际运行的状态信 号和数据 ， 经 PLC 内部运算与处理后 ， 按被控对象实际动作要求产生输出结果 ， 输 出结果送到输出端子作为输出变量， 驱动执行机构。 PLC的各个部分协调一致地实现 对现场设备的控制。 当输出口连接电感类设备时， 为了防止电路关断时刻产生高压对输入、输出口造成破坏，应在感性元件两端加保护元件。 对于直流电源，应并接续流二极管， 对于交流电路应并接阻容电路。 阻容电路中电阻可取 51120Ω ,电容取 ,电 容的额定电压应大于电源的峰值电压。 续流二极管可 选 1A 的管子 ,其额定电压应大 于 电 源 电 压 的 3 倍。 图 22 为 输 入 输 出 口 的 保 护 环 节 示 意 图。 图 2 输入输出保护 （ 三 ） 组态王简介 组态王 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，在自动化领域中有着广泛的应用。 本设计通过组态 王 软件对机械手进行监控，将机械手的动作过程进行了动画显示，使机械手的动作过程更加形象化。 能够方便的和 PLC 进行连接，故采用组态王作为上位机软件。 西南科技大学 本科生毕业设计（论文 ） 12 使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法： (1)图形界面的设计 (2)构造数据库 (3)建立动画连接 (4)运行和调试 使用组态王软件开发具有以下几个特点 : (1)实验全部用软件来实现 ,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验 ,从而大大减少购置仪器的经费。 (2)该系统是中文界面 ,具有 人机界面 友好、结果可视化的优点。 对用户而言 ,操作简单易学且编程简单 ,参数输入与修改灵活 ,具有多次或重复仿真运行的控制能力 ,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线 ,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线 ,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。 在采用组态王开发系统编制 应用程序 过程中要考虑以下三个方面 : (1)图形 ,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。 (2)数据 ,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 ,比如水位、流量等。 (3)连接 ,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行 ,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。 西南科技大学 本科生毕业设计（论文 ） 13 图 2 组态王 软件操作 界面 （四）机械手系统介绍 本次毕业 设计使用的是 QSPLCJXS 机械手模型 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。 可实现机械手五维控制，完成料块的码放、移动等。 西南科技大学 本科生毕业设计（论文 ） 14 图 该系统由机械手本体、 PLC 控制单元、电源单元、接口单元，其部件的实物结构如下图所示： 西南科技大学 本科生毕业设计（论文 ） 15 图 4. 立体机械手结构实物示意图 西南科技大学 本科生毕业设计（论文 ） 16 机械手本体按功能分为由二轴平移机构、旋转底盘、 旋转手臂机构、气动夹手、支架、限 位开关等部件组成； 按活动关节分为 S 轴、 L 轴、 U 轴、 T 轴、 B 轴等机构，其结构示意图如下所示： 图 5. 机械手结构示意图 机械手本体的活动范围： （ 1）底盘的旋转角度：大于 270176。 （ 2）旋转手臂的范围：大于 270176。 （ 3）水平移动的范围：小于 21cm （ 4）垂直移动的范围：小于 15cm 西南科技大学 本科生毕业设计（论文 ） 17 （ 1） 步进电机 采用 Syntron 42BYG250C 两相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。