179 關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)式機(jī)械手控制系統(tǒng)與MCGS仿真

179 關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)式機(jī)械手控制系統(tǒng)與MCGS仿真,關(guān)節(jié),旋轉(zhuǎn),機(jī)械手,控制系統(tǒng),mcgs,仿真 I摘 要在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強(qiáng)度，甚至于危及生命。自從機(jī)械手問世以來，相應(yīng)的各種難題迎刃而解。在本設(shè)計中介紹了國內(nèi)外機(jī)械手研究現(xiàn)狀及 PLC 研究 he 發(fā)展趨勢，描述了機(jī)械手控制系統(tǒng)的工作原理和動作實(shí)現(xiàn)過程。研究了基于 PLC 的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計，還研究了 MCGS 在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。利用組態(tài)軟件 MCGS 設(shè)計了機(jī)械手模型控制系統(tǒng)監(jiān)控界面，提供了較為直觀、清晰、準(zhǔn)確的機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而為維修和故障診斷提供了多方面的可能性，充分提高了系統(tǒng)的工作效率。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；PLC ；MCGSIIAbstractIn industrial manufacturing and other fields, due to the demand of work, many workers are compelled to expose in harmful circumstance like high temperature, corrosion, toxic gases harm and so on, that increased labor intensity, even imperial their lives. However, since the manipulator came out, many knotty problems are smoothly solved.In the following essay, situations of manipulator research at home and abroad are introduced, also including the research and development trend of PLC control system. Meanwhile, it describes the working principle of manipulator control system and action process. What is more, control system of manipulator model basing on PLC is designed, and also studies the MCGS’s application in manipulator control system. And I design manipulator model control system monitoring by MCGS, which provides intuitive, clear and accurate interface on the running state for manipulators. Therefore, it opens up possibility for fault diagnosis and services, which makes further improvements on the efficiency of the system eventually.Keywords: Manipulator; PLC; MCGSIII目 錄1 緒 論 .....................................................................................................................................11.1 課題研究的目的及意義 .................................................................................................11.2 國內(nèi)外機(jī)械手研究概況 .................................................................................................12 機(jī)械手控制方式的選擇和可編程序控制器簡介 ...............................................................32.1 機(jī)械手控制方式的選擇 .................................................................................................32.1.1 控制方式的分類 ......................................................................................................32.1.2 PLC 與工業(yè)控制計算機(jī)和集散控制系統(tǒng)的比較 .................................................32.1.3 機(jī)械手控制方式的選擇 ..........................................................................................42.2 可編程序控制器簡介 .....................................................................................................52.2.1 PLC 的結(jié)構(gòu) .............................................................................................................52.2.2 PLC 的特點(diǎn) .............................................................................................................62.2.3 PLC 的主要功能 .....................................................................................................82.2.4 PLC 的經(jīng)濟(jì)分析 .....................................................................................................82.2.5 PLC 發(fā)展?fàn)顩r及趨勢 .............................................................................................93 機(jī)械手自動控制系統(tǒng)的設(shè)計 .............................................................................................113.1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計原則與內(nèi)容 ...................................................................................113.2 PLC 的選型 ...................................................................................................................113.2.1 PLC 性能與任務(wù)相適應(yīng) .......................................................................................113.2.2 PLC 處理速度要求 ...............................................................................................123.2.3 PLC 應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求 ...................................................................................123.3 傳感器 ...........................................................................................................................123.3.1 行程開關(guān) ................................................................................................................123.3.2 壓力傳感器 ............................................................................................................133.4 分檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ...............................................................................................................143.5 分檢系統(tǒng)工作原理 .......................................................................................................153.6 PLC 程序設(shè)計 ...............................................................................................................153.6.1 PLC 的 I/O 分配 ....................................................................................................153.6.2 PLC 編程指令的選擇 ...........................................................................................163.6.3 PLC 程序的設(shè)計 ...................................................................................................16IV3.6.4 PLC 硬件接線圖 ...................................................................................................164 MCGS 在機(jī)械手控制中的應(yīng)用 ........................................................................................174.1 MCGS 的概述 ...............................................................................................................174.1.1 MCGS 的簡介 .......................................................................................................174.1.2 MCGS 的構(gòu)成 .......................................................................................................174.1.3 MCGS 主要特性和功能 .......................................................................................184.1.4 MCGS 的編程語言 ...............................................................................................184.1.5 MCGS 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ...............................................................................................194.1.6 MCGS 的作用 .......................................................................................................194.2 工程的建立與變量的定義 ...........................................................................................194.2.1 工程的建立 ............................................................................................................194.2.2 變量的分配 ............................................................................................................204.2.3 變量定義的步驟 ....................................................................................................214.2.4 設(shè)備與變量連接 ....................................................................................................234.3 工程畫面的建立 ...........................................................................................................254.3.1 封面窗口及監(jiān)控畫面的制作 ................................................................................264.3.2 運(yùn)行策略的建立及腳本程序的編寫 ....................................................................294.4 動畫的連接 ...................................................................................................................324.4.1 指示燈的動畫連接 ................................................................................................324.4.2 機(jī)械手的動畫連接 ................................................................................................344.5 組態(tài)運(yùn)行 .......................................................................................................................375 結(jié) 論 ...................................................................................................................................38致 謝 .........................................................................................................................................39參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................................40附錄 A 英文原文 ...................................................................................................................41附錄 B 漢語翻譯 ...................................................................................................................46附錄 C 系統(tǒng)流程圖 ...............................................................................................................49附錄 D 系統(tǒng)順序功能圖 .......................................................................................................50附錄 E 梯形圖 .......................................................................................................................51附錄 F 硬件接線圖 ...............................................................................................................58沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文11 緒 論1.1 課題研究的目的及意義機(jī)械手是工業(yè)自動化領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。近年來隨著工業(yè)自動化的發(fā)展機(jī)械手逐漸成為一門新興學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機(jī)械手廣泛地應(yīng)用與鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機(jī)加、噴漆、熱處理等各個行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險、放射性、多粉塵等惡劣的勞動環(huán)境中，機(jī)械手由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)而受到特別重視。總之，機(jī)械手是提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件，減輕工人勞動強(qiáng)度和實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一個重要手段。國內(nèi)外都十分重視它的應(yīng)用和發(fā)展。可編程序控制器(PLC)是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的實(shí)時工業(yè)控制裝置。隨著微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和計算機(jī)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC 在硬件配置、軟件編程、通訊聯(lián)網(wǎng)功能以及模擬量控制等方面均取得了長足的進(jìn)步，已經(jīng)成為工廠自動化的標(biāo)準(zhǔn)配置之一 [1]。由于自動化可以節(jié)省大量的人力、物力等，而 PLC 也具有其他控制方式所不具有的特殊優(yōu)越性，如通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程方法簡單易學(xué)，因此工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用 PLC。機(jī)械手在美國、加拿大等國家應(yīng)用較多，如用果實(shí)采摘機(jī)械手來摘果實(shí)、裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用智能機(jī)器人等。我國自動化水平本身比較低，因此用PLC 來控制的機(jī)械手還比較少。本次課題設(shè)計的機(jī)械手就是通過 PLC 來實(shí)現(xiàn)自動化控制的。通過此次設(shè)計可以更進(jìn)一步學(xué)習(xí) PLC 的相關(guān)知識，了解世界先進(jìn)水平，盡可能多的應(yīng)用于實(shí)踐。MCGS 是一套用于快速構(gòu)造和生成計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，它能夠在基于Microsoft 的各種 32 位 Windows 平臺上運(yùn)行，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案，在自動化領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用 [2]。本設(shè)計通過 MCGS 組態(tài)軟件對機(jī)械手進(jìn)行監(jiān)控，將機(jī)械手的動作過程進(jìn)行了動畫顯示，使機(jī)械手的動作過程更加形象化。1.2 國內(nèi)外機(jī)械手研究概況機(jī)械手自二十世紀(jì)六十年代初問世以來，經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為制造業(yè)生產(chǎn)自動化中重要的機(jī)電設(shè)備。目前，正式投入使用的絕大部分機(jī)械手屬于第一代機(jī)械手，即程序控制機(jī)械手。這代機(jī)械手基本上采用點(diǎn)位控制系統(tǒng)，沒有感覺外界環(huán)境信息的感覺器官，主要用于焊接、噴漆和上下料。第二代機(jī)械手具有感覺器官，仍沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文2然以程序控制為基礎(chǔ)，但可以根據(jù)外界環(huán)境信息對控制程序進(jìn)行校正。這代機(jī)械手通常采用接觸傳感器一類的簡單傳感裝置和相應(yīng)的適應(yīng)性算法?，F(xiàn)在，第三代機(jī)械手正在第一、第二代機(jī)械手的基礎(chǔ)上蓬勃發(fā)展起來，它是能感知外界環(huán)境與對象物，并具有對復(fù)雜信息進(jìn)行準(zhǔn)確處理，對自己行為做出自主決策能力的智能化機(jī)械手。它能識別景物，具有觸覺、視覺、力覺、聽覺、味覺等多種感覺，能實(shí)現(xiàn)搜索、追蹤、辨色識圖等多種仿生動作，具有專家知識、語音功能和自學(xué)能力等人工智能 [3]。目前機(jī)械手技術(shù)有了新的發(fā)展：出現(xiàn)了仿人型機(jī)械手、微型機(jī)械手和微操作系統(tǒng)(如細(xì)小工業(yè)管道機(jī)械手移動探測系統(tǒng)、微型飛行器等)、機(jī)械手化機(jī)器、智能機(jī)械手(不僅可以進(jìn)行事先設(shè)定的動作，還可按照工作狀況相應(yīng)地進(jìn)行動作，如回避障礙物的移動，作業(yè)順序的規(guī)劃，有效的動態(tài)學(xué)習(xí)等)。機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域正在向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)方向擴(kuò)展，并且蓬勃發(fā)展的軍用機(jī)械手也將越來越多地裝備部隊 [4][5]。國外方面：近幾年國外工業(yè)機(jī)械手領(lǐng)域有如下幾個發(fā)展趨勢。機(jī)械手性能不斷提高，而單機(jī)價格不斷下降；機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展；控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展；傳感器作用日益重要；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制。國內(nèi)方面：目前在一些機(jī)種方面，如噴涂機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手、搬運(yùn)機(jī)械手、裝配機(jī)械手、特種機(jī)械手(水下、爬壁、管道、遙控等機(jī)械手)基本掌握了機(jī)械手操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)，解決了控制驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計和配置，軟件的設(shè)計和編制等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了自動化噴漆線、弧焊自動線及其周邊配套設(shè)備的全套自動通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)；在基礎(chǔ)元件方面，諧波減速器、機(jī)械手焊接電源、焊縫自動跟蹤裝置也有了突破。從技術(shù)方面來說，我國已經(jīng)具備了獨(dú)立自主發(fā)展中國機(jī)械手技術(shù)的基礎(chǔ) [6]。沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文32 機(jī)械手控制方式的選擇和可編程序控制器簡介2.1 機(jī)械手控制方式的選擇2.1.1 控制方式的分類傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)備自動控制主要由繼電器或分立的電子線路來實(shí)現(xiàn)，這種控制方式投資相對少一些，目前僅在一些舊式的、簡單的工業(yè)設(shè)備中還有一定市場，但該控制方式卻有以下致命缺陷：(1) 僅適合于簡單的邏輯控制；(2)僅適合特殊的工程項目，而沒有通用性；(3) 沒有改動和優(yōu)化的可能性。伴隨著工業(yè)自動化技術(shù)的迅速發(fā)展，我國工業(yè)領(lǐng)域的自動化已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了從繼電器控制到計算機(jī)控制的轉(zhuǎn)變，計算機(jī)控制方式具有以下兩個特點(diǎn)：(1)硬件上至少有一個微處理器；(2)通過軟件實(shí)現(xiàn)控制思想。目前，工業(yè)自動化領(lǐng)域比較典型的控制方式有：(1)可編程序邏輯控制器(PLC)；(2)工業(yè)控制計算機(jī)(IPC)；(3)集散控制系統(tǒng) (DCS)。2.1.2 PLC 與工業(yè)控制計算機(jī)和集散控制系統(tǒng)的比較1、各自技術(shù)發(fā)展的起源計算機(jī)是為了滿足快速大量數(shù)據(jù)處理要求的設(shè)備。硬件結(jié)構(gòu)方面，總線標(biāo)準(zhǔn)化程度高，兼容性強(qiáng)，軟件資源豐富，特別是有實(shí)時操作系統(tǒng)的支持，故對要求快速、實(shí)時性強(qiáng)、模型復(fù)雜和計算工作量大的工業(yè)對象的控制占有優(yōu)勢。集散系統(tǒng)從工業(yè)自動化儀表控制系統(tǒng)發(fā)展到以工業(yè)控制計算機(jī)為中心的集散系統(tǒng)，所以其在模擬量處理、回路調(diào)節(jié)方面具有一定優(yōu)勢，初期主要用在連續(xù)過程控制，側(cè)重回路調(diào)節(jié)功能。PLC 是由繼電器邏輯系統(tǒng)發(fā)展而來，主要應(yīng)用在工序控制上，初期主要是代替繼電器控制系統(tǒng)，側(cè)重于開關(guān)量順序控制方面。近年來隨著微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等的發(fā)展，PLC 在技術(shù)和功能上發(fā)生了飛躍。在初期邏輯運(yùn)算的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)值運(yùn)算、閉環(huán)調(diào)節(jié)等功能，增加了模擬量和 PID 調(diào)節(jié)等功能模塊；運(yùn)算速度提高，CPU 的能力趕上了工業(yè)控制計算機(jī)；通信能力的提高發(fā)展了多種局部總線和網(wǎng)絡(luò)(LAN)，因而也可構(gòu)成為一個集散系統(tǒng)。特別是個人計算機(jī)也被吸收到 PLC 系統(tǒng)中。PLC 在過程控制的發(fā)展將是一智能變送器和現(xiàn)場總線，暨向下拓展功能，開放總線。2、相同點(diǎn)沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文4在微電子技術(shù)發(fā)展的背景下，從硬件的角度來看，PLC、工業(yè)計算機(jī)、集散系統(tǒng)(DCS)之間的差別正在縮小，都將由類似的一些微電子元件、微處理器、大容量半導(dǎo)體存儲器和 I/O 模件組成。編程方面也有很多相同點(diǎn)。3、不同點(diǎn)由于 PLC 和計算機(jī)屬于兩類產(chǎn)品，經(jīng)過幾十年的發(fā)展都形成了自身的裝置特點(diǎn)和軟件工具，實(shí)際上它們的區(qū)別仍然存在。PLC 用編程器或計算機(jī)編程，編程語言是梯形圖、功能塊圖、順序功能表圖和指令表等。集散系統(tǒng)自身或用計算機(jī)結(jié)構(gòu)形成組態(tài)構(gòu)成開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境。特別需要提出的是，PLC 與 STD 總線工控機(jī)的區(qū)別，無論從維修、安裝和模件功能都很相似。PLC 更適用于黑模式下運(yùn)行，但在線運(yùn)行時若要進(jìn)行較大的程序修改，其能力略遜于 STD 工控機(jī)，但是從開關(guān)量控制而言， PLC 的性能優(yōu)于 STD 工控機(jī)。總的來說，在選擇控制器時，首先要從工程要求、現(xiàn)場環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性等方面考慮。沒有哪種控制器是絕對完善的，也沒有哪種產(chǎn)品絕對差，只能說根據(jù)不同的環(huán)境選擇更適用的產(chǎn)品 [7]。2.1.3 機(jī)械手控制方式的選擇PLC 實(shí)現(xiàn)的自動控制系統(tǒng)，其控制功能基本都是通過設(shè)計軟件來實(shí)現(xiàn)的，這種軟件是利用 PLC 廠商提供的指令系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)械設(shè)備的工藝流程來設(shè)計。PLC 自問世以來，經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，在美國、歐洲、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家已成為重要產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前，PLC 在國際市場上已成為最受歡迎的工業(yè)控制暢銷產(chǎn)品，用 PLC設(shè)計自動控制系統(tǒng)已成為世界潮流。PLC 之所以有生命力，在于它更加適合工業(yè)現(xiàn)場和市場的要求：高可靠性、強(qiáng)抗各種干擾的能力。編程安裝使用簡便、低價格長壽命。比之單片機(jī)，它的輸入輸出端更接近現(xiàn)場設(shè)備，不需添加太多的中間部件或需要更多的接口，這樣節(jié)省了用戶時間和成本。PLC 的下端( 輸入端)為繼電器、晶體管和晶閘管等控制部件，而上端一般是面向用戶的微型計算機(jī)。人們在應(yīng)用它時，可以不必進(jìn)行計算機(jī)方面的專門培訓(xùn)，就能對可編程控制器進(jìn)行操作及編程，用來完成各種各樣的復(fù)雜程度不同的工業(yè)控制任務(wù)。PLC 具有很多的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械手控制系統(tǒng)若采用 PLC 控制，體積小、重量輕、控制方式靈活、可靠性高、操作簡單、維修容易。由于 PLC 所具有的靈活性、模塊化、易沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文5于擴(kuò)展等特點(diǎn)，可以根據(jù)現(xiàn)場要求實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的不同工作要求。機(jī)械手采用 PLC 控制技術(shù)，可以大大提高該系統(tǒng)的自動化程度，減少了大量的中間繼電器、時間繼電器和硬件接線，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時，用 PLC 控制系統(tǒng)可方便地更改生產(chǎn)流程，增強(qiáng)控制功能。綜上所述，機(jī)械手的控制方式選擇 PLC 控制。2.2 可編程序控制器簡介可編程序控制器(Programmable Logic Controller)簡稱 PLC 或 PC，是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動控制裝置，是從早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，它不斷吸收微計算機(jī)技術(shù)使之功能不斷增強(qiáng)，逐漸適應(yīng)復(fù)雜的控制任務(wù)。它面向控制過程、面向用戶、適應(yīng)工業(yè)環(huán)境、操作方便、可靠性高，成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱(PLC 、機(jī)器人和 CAD/CAM)之一。PLC 控制技術(shù)代表著當(dāng)前程序控制的先進(jìn)水平，PLC 裝置已成為自動化系統(tǒng)的基本裝置 [8]。2.2.1 PLC 的結(jié)構(gòu)PLC 結(jié)構(gòu)可分為整體式、模塊式和疊裝式。(1)整體式 PLC 整體式 PLC 是將電源、CPU、I/O 部件都集中在一個機(jī)箱內(nèi)。其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低。一般小型 PLC 采用這種結(jié)構(gòu)。例如，美國 GE 公司的GE-I/J 系列 PLC 為整體式結(jié)構(gòu)。(2)模塊式 PLC 模塊式結(jié)構(gòu)是將 PLC 各部分分成若干個單獨(dú)的模塊，如電源模塊、CPU 模塊、I/O 模塊和各種功能模塊。模塊式 PLC 由機(jī)架和各種模塊組成。模塊式PLC 配置靈活，裝配方便，便于擴(kuò)展和維修。例如，西門子公司的 S7-300 PLC、S7-400 PLC 采用模塊式結(jié)構(gòu)形式。(3)疊裝式 PLC 將整體式和模塊式結(jié)合起來，稱為疊裝式 PLC。它除了基本單元外還有擴(kuò)展模塊和特殊功能模塊，配置比較方便。例如，西門子公司的 S7-200 PLC 就是疊裝式結(jié)構(gòu)形式。PLC 和一般的微型計算機(jī)基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。PLC 的硬件系統(tǒng)由微處理器(CPU)、存儲器(EPROM，ROM)、輸入輸出(I/O)部件、電源部件、編程器、I/O 擴(kuò)展單元和其他外圍設(shè)備組成。各部分通過總線(電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線)連接而成 [9]。其結(jié)構(gòu)簡圖如下：沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文6圖 2.1 PLC 硬件結(jié)構(gòu)圖PLC 的軟件系統(tǒng)是指 PLC 所使用的各種程序的集合，通常可分為系統(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。系統(tǒng)程序是每一個 PLC 成品必須包括的部分，由 PLC 廠家提供，用于控制 PLC 本身的運(yùn)行，系統(tǒng)程序固化在 EPROM 中。用戶程序是由用戶根據(jù)控制需要而編寫的程序。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個完整的 PLC 系統(tǒng)，他們是相輔相成，缺一不可的。2.2.2 PLC 的特點(diǎn)可編程序控制器是一種以微機(jī)處理器為核心的工業(yè)通用自動控制裝置，其實(shí)質(zhì)是一種工業(yè)控制用的專用計算機(jī)。國內(nèi)外現(xiàn)有的機(jī)械手系統(tǒng)，它們的控制形式大都采用可編程序控制器控制，特別是在智能化要求程度高容量大的現(xiàn)代化工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)中應(yīng)用更為普遍。其主要原因是因為 PLC 具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、靈活、通用、功能齊全在繼電器控制系統(tǒng)中，使用的控制器件是大量的繼電器，整個系統(tǒng)是根據(jù)設(shè)計好的電器控制圖，由人工布線、焊接、固定等手段組裝完成的，其過程費(fèi)時費(fèi)力。如果因為工藝上的稍許變化，需要改變電器控制系統(tǒng)的話，那么原先的整個電器控制系統(tǒng)將被全部拆除，而重新進(jìn)行布線、焊接、固定等工作，浪費(fèi)了大量的人力、物力和時輸出部件外設(shè)I/O接口存儲器EPROM微處理器運(yùn)算器控制器電源輸入部件I/O擴(kuò)展接口I/O擴(kuò)展單元受控元件輸入信號外部設(shè)備沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文7間。而可編程控制器是通過存儲在存儲器中的程序?qū)崿F(xiàn)控制功能的，如果控制功能需要改變的話，只需要修改程序以及改動極少量的接線即可。而且，同一臺可編程控制器還可以用于不同的控制對象，只要改變軟件就可以實(shí)現(xiàn)不同的控制要求，因此具有很大的靈活性、通用性。2、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)對于機(jī)械手系統(tǒng)來說，可靠性、抗干擾能力是非常重要的指標(biāo)，如何能在各種工作環(huán)境和條件( 如電磁干擾、低溫潮濕、灰塵超高溫等)下，平穩(wěn)可靠的工作，將故障率降至最低，是研制每一種控制系統(tǒng)必須考慮的問題?，F(xiàn)代 PLC 采用了集成度很高的微電子器件，大量的開關(guān)動作由無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來完成，其可靠性程度是使用機(jī)械觸點(diǎn)的繼電器所無法比擬的。為了保證 PLC 能在惡劣的工業(yè)環(huán)境可靠的工作，在其設(shè)計和制造過程中采取了一系列硬件和軟件方面的抗干擾措施，使其可以適應(yīng)惡劣的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境。3、操作方便、維修容易PLC 采用電氣操作人員熟悉的梯形圖和功能助記符編程，使用戶十分方便的讀懂程序和編寫、修改程序。用梯形圖編程出錯率比匯編語言低得多。PLC 還可以采用面向控制過程的控制系統(tǒng)流程圖編程和語句表達(dá)方式編程。梯形圖、流程圖、語句表之間可有條件地相互轉(zhuǎn)換，使用極其方便。對于使用者來說，幾乎不需要專門的計算機(jī)知識。工程師編好的程序十分清晰直觀，只要寫好操作說明書，操作人員經(jīng)短期的學(xué)習(xí)就可以使用。這是 PLC 能夠迅速普及和推廣的重要原因之一。4、功能強(qiáng)現(xiàn)代 PLC 不僅具有條件控制、計時、計數(shù)和步進(jìn)等控制功能，而且還能完成A/D、D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)字運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)過程監(jiān)控等。因此，它既可控制開關(guān)量，又可控制模擬量；既可控制一個機(jī)械手，又可控制一個機(jī)械手群；既可控制簡單系統(tǒng)，又可控制復(fù)雜系統(tǒng)；既可現(xiàn)場控制，又可遠(yuǎn)程控制。5、體積小、重量輕和易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化由于 PLC 采用了半導(dǎo)體集成電路。因此具有體積小、重量輕、功耗低的特點(diǎn)。且PLC 是為工業(yè)控制設(shè)計的專用計算機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊湊、堅固耐用、體積小巧，并由于具備很強(qiáng)的可靠性和抗干擾能力，使之易于裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，因而成為實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化十分理想的控制設(shè)備 [10]。同樣，可編程序控制器控制也有其不足的地方，在性價比上要高于繼電器控制和沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文8單片機(jī)控制，其開發(fā)潛力要差于單片機(jī)，并且通用性不好，不同廠家的可編程序控制器以及其附屬單元都是固定專用等等。6、網(wǎng)絡(luò)通信PLC 提供標(biāo)準(zhǔn)通信接口，可以方便地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。2.2.3 PLC 的主要功能PLC 是一種應(yīng)用面很廣、發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動化裝置，在工廠自動化(FA)和計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)內(nèi)占重要地位。PLC 系統(tǒng)主要有以下功能：(1)多種控制功能；(2)數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能；(3)通信聯(lián)網(wǎng)功能；(4)輸入、輸出接口調(diào)理功能；(5)人機(jī)界面功能；(6)編程、調(diào)試功能。PLC 的重量、體積、功耗和硬件價格一直在降低，雖然軟件價格占的比重有所增加，但是各廠商為了競爭也相應(yīng)地降低了價格。另外，采用 PLC 還可以大大縮短設(shè)計、編程和投產(chǎn)周期，使總價格進(jìn)一步降低。PLC 產(chǎn)品面臨現(xiàn)場總線的發(fā)展，將再次革新，滿足工業(yè)與民用控制的更高需求 [11]。2.2.4 PLC 的經(jīng)濟(jì)分析綜上所述，在各種環(huán)境中，使用 PLC 控制機(jī)構(gòu)設(shè)備，生產(chǎn)流水線和生產(chǎn)過程的自動化控制將越來越廣泛。對 PLC 的經(jīng)濟(jì)分析，應(yīng)從以下幾方面考慮：1、從影響成本的各個因素綜合考慮對目前生產(chǎn)設(shè)備控制裝置來說，有三種類型：(1)繼電器控制；(2)半導(dǎo)體器件控制；(3)PLC 控制。價格僅是選擇 PLC 品牌的一個因素，而可靠性是選擇控制裝置時需要考慮的又一個重要因素。沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文92、從設(shè)計、生產(chǎn)周期長短考慮不論是對舊設(shè)備進(jìn)行改造，還是設(shè)計新的生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備。毫無疑問，生產(chǎn)、設(shè)計周期越短越好，甚至希望邊設(shè)計、邊安裝、邊調(diào)試和邊生產(chǎn)，特別是產(chǎn)品更新?lián)Q代，生產(chǎn)工藝改造，不需改動現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備及其外部接線，就能馬上組織生產(chǎn)，這不僅節(jié)約了勞動力，而且新產(chǎn)品能盡快投入市場。這無疑給企業(yè)增加了活力，提高了經(jīng)濟(jì)效益。如果把這些要求得以實(shí)現(xiàn)，繼電器或半導(dǎo)體都不能滿足，而 PLC 則完全可以實(shí)現(xiàn)。這是因為使用 PLC 不必改動外部設(shè)備接線，只要對軟件進(jìn)行一些改變就可以了。也就是說只要改變梯形圖，按照新工藝要求重新輸入新程序或修改原程序即可。這既經(jīng)濟(jì)又簡捷，可以達(dá)到事半功倍的效果。據(jù)調(diào)查，目前我國 70%的機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備，都是采用繼電器進(jìn)行控制的，除了可靠性差外，程序設(shè)計也很繁雜。從方案的確立到技術(shù)條件的設(shè)計以及施工的設(shè)計，圖面的工作量很大，這勢必造成設(shè)計周期長。而采用 PLC 控制可以大大縮短設(shè)計周期，甚至有些文件資料也不必繪制成圖。設(shè)計人員完全可以利用編程器上屏幕顯示來輸入，或修改程序使得梯形圖能準(zhǔn)確無誤地反映生產(chǎn)要求。編程人員也可根據(jù)新產(chǎn)品對生產(chǎn)提出的新工藝要求，重新編寫程序并把它存儲在 EPROM 模塊中去，需要加工哪種產(chǎn)品的程序，操作人員可以隨時調(diào)用，這既簡單、方便又保密。2.2.5 PLC 發(fā)展?fàn)顩r及趨勢PLC 的發(fā)展與計算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，這些高新技術(shù)的發(fā)展推動了 PLC 的發(fā)展，而 PLC 的發(fā)展又對這些高新技術(shù)提出了更高、更新的要求，促進(jìn)了它們的發(fā)展。PLC 的發(fā)展速度十分驚人，目前用可編程序控制器世紀(jì)自動控制系統(tǒng)已成為世界潮流?，F(xiàn)代 PLC 的發(fā)展主要有兩個趨勢：一是向體積更小、速度更快、功能更強(qiáng)和價格更低的微小型方面發(fā)展；二是向大型網(wǎng)絡(luò)化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面發(fā)展，以適應(yīng)不同場合和不同要求的控制需要。1、大型網(wǎng)絡(luò)化為適應(yīng)大規(guī)模控制系統(tǒng)的需求，大型 PLC 向著大存儲容量、高速度、高性能、增加 I/O 點(diǎn)數(shù)的方向發(fā)展。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)通信功能PLC 將具有計算機(jī)集散控制系統(tǒng)(DCS)的功能。網(wǎng)絡(luò)化和強(qiáng)化通信能力是 PLC 發(fā)沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文10展的一個重要趨勢。PLC 構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)可將多個 PLC、I/O 框架相連，同時可與工業(yè)計算機(jī)、以太網(wǎng)、MAP 網(wǎng)等相連構(gòu)成整個工廠的自動化控制系統(tǒng)。(2)發(fā)展智能模塊為了滿足各種特殊功能的需要，各種智能模塊層出不窮。智能模塊是以微處理器為基礎(chǔ)的功能部件，它們的 CPU 與 PLC 的 CPU 并行工作，占用主機(jī)的 CPU 時間很少，有利于提高 PLC 的掃描速度和完成特殊的控制要求。(3)外部故障診斷功能PLC 廣泛應(yīng)用了自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)、容錯技術(shù)，不斷提高 PLC 的可靠性。同時，PLC 還不斷提高外部診斷功能。(4)實(shí)現(xiàn)軟件、硬件標(biāo)準(zhǔn)化長期以來 PLC 的研制走的是專門化道路，使其在獲得成功的同時也帶來許多的不便。PLC 的硬件和軟件的體系結(jié)構(gòu)都是封閉的而不是開放的。在硬件方面各廠家的CPU 和 I/O 模塊互不通用，通信網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議往往也是專用的。在軟件方面，各廠家的 PLC 的編程語言和指令系統(tǒng)的功能和表達(dá)方式也不一致，甚至差異很大，因而各廠家的 PLC 互不兼容。因此制定 PLC 的國際標(biāo)準(zhǔn)已是今后發(fā)展的趨勢。2、小型化發(fā)展小型 PLC，其目的是為了占領(lǐng)廣大的、分散的、中小型工業(yè)控制場合，使PLC 不僅成為繼電氣控制柜的替代物，而且超過繼電器控制系統(tǒng)的功能。小型、超小型、微小型 PLC 不僅便于機(jī)電一體化，也是實(shí)現(xiàn)家庭自動化的理想控制器。小型 PLC向著簡易化、體積小、功能強(qiáng)、價格低的方向發(fā)展。隨著 PLC 技術(shù)的提高，目前已將原有大、中型 PLC 的功能移植到小型機(jī)上，使之具有靈活的組態(tài)特性 [13]。沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文113 機(jī)械手自動控制系統(tǒng)的設(shè)計3.1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計原則與內(nèi)容PLC 的選擇除了應(yīng)滿足技術(shù)指標(biāo)的要求外，還應(yīng)著重考慮產(chǎn)品的技術(shù)支持與售后服務(wù)等情況。最大限度地滿足被控對象或產(chǎn)生過程的控制要求。對于一些原來用繼電接觸器線路不易實(shí)現(xiàn)的要求，使用 PLC 后，將很容易實(shí)現(xiàn)。在滿足控制要求前提下，力求使控制簡單、經(jīng)濟(jì)、操作和維護(hù)方便。對一些過去較為繁瑣的控制可利用 PLC 的特點(diǎn)加以簡化，通過內(nèi)部程序簡化外部接線及操作方式。為保證控制系統(tǒng)的安全、可靠，同時采取“軟件兼施”的辦法?？紤]到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)，選擇 PLC 容量及 I/O 點(diǎn)數(shù)時，應(yīng)適當(dāng)留有裕量。一個系統(tǒng)完成后，往往會發(fā)現(xiàn)一些原來沒有考慮到的問題，或者新提出的問題 ，如果事先留有裕量，則 PLC 系統(tǒng)極易修改。同時對日后系統(tǒng)工藝的變更提供方便。當(dāng)然對于不同的用戶，要求的側(cè)重點(diǎn)不同，設(shè)計的原則也應(yīng)有所區(qū)別，如果以提高產(chǎn)品質(zhì)量和安全為目標(biāo)，則應(yīng)將系統(tǒng)可靠性作為設(shè)計的重點(diǎn)，設(shè)計考慮采取冗余控制系統(tǒng)；如果要求系統(tǒng)改善信息管理，則應(yīng)將系統(tǒng)通信能力與總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計加以強(qiáng)化；如果系統(tǒng)工藝經(jīng)常變更，則事先充分考慮。3.2 PLC 的選型以滿足控制要求為前提，PLC 選型時應(yīng)選擇最佳的性能與價格比，具體考慮以下幾點(diǎn)。3.2.1 PLC 性能與任務(wù)相適應(yīng)對于開關(guān)量控制的應(yīng)用系統(tǒng)，當(dāng)對控制要求不高時，可選用小型 PLC(如西門子公司 S7-200 系列 PLC 或 OMON 公司系列 CPM1A/CPM2A 型 PLC)就能滿足要求，如對小型泵的順序控制、單臺機(jī)械的自動控制等。對于以開關(guān)量控制為主，帶有部分模擬量控制的應(yīng)用系統(tǒng)，如對工業(yè)生產(chǎn)中常遇到的溫度、壓力、流量、液位等連續(xù)量的控制，應(yīng)選用帶有 A/D 轉(zhuǎn)換的模擬量輸入模沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文12塊和帶有 D/A 轉(zhuǎn)換的模擬量輸出模塊，配接相應(yīng)的傳感器、變送器和驅(qū)動裝置，并且選擇運(yùn)算功能較強(qiáng)的中小型 PLC，如西門子公司的 S7-300 系列 PLC 或 OMRON 公司的 COM/CQM1H 型 PLC。對于比較復(fù)雜的中大型控制系統(tǒng)，如閉環(huán)控制、PID 調(diào)節(jié)、通信聯(lián)信網(wǎng) 4 等，可選用中大型 PLC(如西門子公司的 S7-400 系列 PLC 或 OMRON 公司的C200HE/C200HG/C200HX、CV/CVM1 等 PLC)。當(dāng)系統(tǒng)的各個控制對象分布在不同的地域時，應(yīng)根據(jù)各部分的具體要求來選擇 PLC，一組成一個分布式的控制系統(tǒng)。3.2.2 PLC 處理速度要求PLC 工作時，從輸入信號控制存在著滯后現(xiàn)象，即輸入量的變化，一般要在 1～2個掃描周期之后才能反映到輸出端，這對于一般工業(yè)控制是允許的。但有些設(shè)備的實(shí)時性要求教高，不允許有教大的滯后時間。例如，PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)在幾十到幾千點(diǎn)范圍內(nèi)，這時用戶應(yīng)用程序的長短對系統(tǒng)的響應(yīng)速度會有較大的差別。滯后時間應(yīng)控制在幾十毫秒之內(nèi)，應(yīng)小于普通繼電器的動作時間。3.2.3 PLC 應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求上一章已經(jīng)知道 PLC 的結(jié)構(gòu)分為整體式、模塊式和疊裝式三種。整體式結(jié)構(gòu)把PLC 的 I/O 和 CPU 放在一塊電路板上，省去插接環(huán)節(jié)，體積小，每一 I/O 點(diǎn)的平均價格比模塊式的便宜，適用于工藝過程比較穩(wěn)定、控制要求比較簡單的系統(tǒng)。模塊式PLC 的功能擴(kuò)展， I/O 點(diǎn)數(shù)的增減，輸入與輸出點(diǎn)數(shù)的比例，都比整體式靈活。維修更換模塊、判斷與處理故障快方便，適用于工藝過程變化教多、控制要求復(fù)雜的系統(tǒng)。疊裝式將整體式和模塊式結(jié)合起來。在使用時，應(yīng)按實(shí)際具體情況進(jìn)行選擇。結(jié)合以上幾點(diǎn)，在設(shè)計 PLC 機(jī)械手在大小球分選系統(tǒng)中用的 PLC 的選型為西門子S7-200 系列的可編程控制器。3.3 傳感器本設(shè)計中使用的傳感器有控制機(jī)械手行程位置的行程開關(guān)和用于檢測大小球的壓力傳感器。3.3.1 行程開關(guān)行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，可以安裝在相對靜止的物體(如固定架、門框等，簡稱靜沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文13物)上或者運(yùn)動的物體( 如行車、門等，簡稱動物)上。當(dāng)動物接近靜物時，開關(guān)的連桿驅(qū)動開關(guān)的接點(diǎn)引起閉合的接點(diǎn)分?jǐn)嗷蛘邤嚅_的接點(diǎn)閉合。由開關(guān)接點(diǎn)開、合狀態(tài)的改變?nèi)タ刂齐娐泛蜋C(jī)構(gòu)的動作。行程開關(guān)主要用于將機(jī)械位移轉(zhuǎn)變成電信號，使電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)得以改變，從而控制機(jī)械動作或用作程序控制。行程開關(guān)分為直動式、滾動式和微動式三種。直動式行程開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但容易燒蝕觸頭；滾動式行程開關(guān)克服了直動式行程開關(guān)的缺點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格也較高，所以選擇微動式行程開關(guān)體積小，動作靈敏，適用于小型機(jī)構(gòu)中使用。本設(shè)計選用 LX19-K 行程開關(guān)。 LX19 系列行程開關(guān)，適用于交流 50Hz，電壓至380V，直流電壓至 220V，約定發(fā)熱電流至 5A 的控制電路中，動作行程 1.5~3.5 mm，作控制運(yùn)動機(jī)構(gòu)的行程和變換其運(yùn)動方向或速度之用。3.3.2 壓力傳感器力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。在選擇壓力傳感器時應(yīng)遵循以下幾個原則。1、根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器類型要進(jìn)行—個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大?。槐粶y位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量。2、靈敏度選擇通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應(yīng)的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的干擾信號。 傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文14則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。3、頻率響應(yīng)特性傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有—定延遲，希望延遲時間越短越好。 傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。 在動態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號的特點(diǎn)(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。4、線性范圍傳感器的線性范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當(dāng)所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。5、穩(wěn)定性傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧瑴p小環(huán)境的影響。傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，在超過使用期后，在使用前應(yīng)重新進(jìn)行標(biāo)定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。在某些