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1、西華大學畢業(yè)設計說明書 目錄前言11 系統(tǒng)方案21.1 機械手簡介21.2機械手的工作方式21.3 設計方案介紹32 PLC相關方面設計72.1 PLC簡介72.2 PLC基本結構72.3 PLC 工作原理73 PLC外部接線及I/O分配93.1 PLC外部接線93.2 I/O分配103.3 PLC及其他元件選型104系統(tǒng)調試與監(jiān)控系統(tǒng)124.1易控軟件介紹124.2 監(jiān)控程序的編寫124.3 系統(tǒng)仿真機調試19總結21致謝22參考文獻23前言機械化、自動化已成為現(xiàn)代工業(yè)中突出的主題。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產是不連續(xù)的，機器手的出現(xiàn)和應用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎。在本次設計

2、中我們利用PLC為基礎設計了全工作模式機械手。可編程序控制器(PLC)已在工業(yè)生產過程的自動控制中得到了廣泛的應用。機械手在工業(yè)自動化生產中得到了很好的利用,它可減少人的重復操作,并且它還可以完成人無法完成的操作,從而大大地提高工業(yè)生產效率。利用PLC控制機械手可以充分的發(fā)揮PLC穩(wěn)定工作的特點，使得機械手在長期工作的過程中能夠穩(wěn)定安全的按照設定要求運行。本文介紹了PLC控制的全工作模式的機械手的設計，并著重介紹設計中的上位機設計部分的內容。包括了易控監(jiān)控程序的編寫與操作，利用GX-Simulator和 MX Simulator軟件在PC機上進行仿真與調試。1 系統(tǒng)方案1.1 機械手簡介機械手

3、是在機械化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它促進了機械手的發(fā)展，是的機械手能更好的實現(xiàn)機械化和自動化的有機結合。1.2機械手的工作方式本設計中所涉及的機械手為一個夾具式搬運機械手，主要是完成將工件從A點搬運至B點的工作。其機械示意圖如圖2.1所示。其具體工作為：機械手的起始位置（即原點）位于左、上待命位置，當其需要工作時，機械手先下行至下限位（即A點）工件處，收緊夾具，待夾具夾緊工件后上升直至上限位位置。接著機械手右行直至右限位，后下行至下限位（即B點）后松開夾具。這樣就完

4、成了將工件從A點搬運至B點的工作。接著機械手上行至上限位，再左行至左限位，回到原點，進行下一次搬運工作，以此循環(huán)。圖1.1機械手示意圖1.3 設計方案介紹1.3.1 主流程圖如圖1.3所示圖 1.2 主程序流程框圖1.3.2 子程序流程圖在主程序的基礎上，將自動運行的子程序流程設計出來，主要包括了下面3個方面：A)連續(xù)工作模式流程圖如1.3所示。圖1.3 連續(xù)工作流程圖在此工作模式下工作的機械手，必須在原點才能啟動連續(xù)工作模式，否則先回原點再執(zhí)行其工作的步驟。B)單周期模式程序流程圖如圖1.4所示圖2.4 單周期模式流程圖在該模式工作下每點擊一次“啟動”按鈕，則機械手運動一個周期，即在原點啟動

5、將一個物體移動從A點移動到B點后回到原點。C）單步工作模式流程圖如圖2.5所示圖 2.5 單步工作模式流程圖在選中此工作模式時，點擊啟動則運行一個小步，例如：在原點點擊“啟動”后機械收下降到下限位開關觸動則停止工作等待下一個啟動指令。2.4.2回原點回原點模式是指不論機械手此時處于何種位置，只要未在連續(xù)運行中，在執(zhí)行回原點時都將回到左、上位置（即原點）。若在連續(xù)運行過程中則機械手完成本次搬運工作后回到原點位置停止?？紤]到機械手在工作工程中可能處于的位置，在執(zhí)行回原點操作動作時，機械手先判斷是否在上限位再判斷是否在左限位，以此來避免機械手出現(xiàn)在不確定的位置。2 PLC相關方面設計2.1 PLC簡

6、介PLC即可編程控制器，是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。2.2 PLC基本結構可編程序控制器實施控制，其實質就是按一定算法進行輸入輸出變換，并將這個變換與以物理實現(xiàn)。輸入輸出變換、物理實現(xiàn)可以說是PLC實施控制的兩個基本點，同時物理實現(xiàn)也是PLC與普通微機相區(qū)別之處，其需要考慮實際控制的需要，應能排除干擾信號適應于工業(yè)現(xiàn)場，輸出應放大到工業(yè)控制的水平，能為實際控制系統(tǒng)方便使用，所以PLC采用了典型的計算機

7、結構，主要是由微處理器（CPU）、存儲器（RAM/ROM）、輸入輸出接口（I/O）電路、通信接口及電源組成。PLC的基本結構如圖2.1所示：圖2.1 PLC基本結構2.3 PLC 工作原理由于PLC以微處理器為核心，故具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方，若有鍵按下或有I/O變化，則轉入相應的子程序，若無則繼續(xù)掃描等待。PLC則是采用循環(huán)掃描的工作方式。對每個程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條執(zhí)行用戶程序，直至遇到結束符后又返回第一條指令

8、，如此周而復始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。掃描周期的長短主要取決于以下幾個因素：一是CPU執(zhí)行指令的速度；二是執(zhí)行每條指令占用的時間；三是程序中指令條數(shù)的多少。一個掃描周期主要可分為3個階段。3 PLC外部接線及I/O分配3.1 PLC外部接線本次設計中機械手的各種控制都是由PLC控制完成的，所以對于PLC外部的接線分析是很重要的。需要對PLC的供電、各種模式的選擇、各個限位開關、各輸入輸出進行設計和分配。圖3.1 PLC外部接線圖設計中要求在機械手的限位開關SQ1（X1）、SQ2（X2）、SQ3（X3）、SQ4（X4），對機械手分別進行抓緊、左移、右移、上升、下降動作的限位，并發(fā)出

9、動作到位的輸入信號。機械手的起、停由起動按鈕SB1、停止按鈕SB2控制。機械手的上、下、左、右由液壓驅動，并分別由四個電磁閥YV2（Y2）、YV0（Y0）、YV3（Y3）、YV4（Y4）來控制。抓緊由YV1（Y1）得電、放松由YV1（Y1）失電控制。按照要求對PLC的外部接線設計如圖3.1所示。3.2 I/O分配由圖2.6可以看出，本次設計中的各個輸入輸出的具體分配，為了更好的對設計中的各個輸入輸出進行說明，將輸入輸出表列舉如表3.1和表3.2所示。表3.1 機械手輸入表表3.2 機械手輸出表3.3 PLC及其他元件選型3.3.1 PLC選型PLC是本次設計的核心部件，它相當于人的大腦，指揮其

10、它器件完成相應功能，它是整個系統(tǒng)的控制中心，具有舉足輕重的作用。考慮到系統(tǒng)的經濟型和技術指標，我們選用的是三菱公司FX2N系列微型PLC，機型為。FX2N系列是FX系列PLC中最先進的系列，基本單元有16/32/48/64/80/128點，六個基本FX2N單元中的每個單元都可以通過I/O擴展單元擴充256個I/O點。FX2N具有豐富的元件資源，有3072點輔助繼電器。提供了多種特殊功能模塊，可以實現(xiàn)過程控制位置控制。有多種RS-232/RS-422/RS-465串行通信模塊或功能擴展板支持網絡通信。具有較強的數(shù)字指令集，使用32位處理浮點數(shù)。具有方根和三角幾何指令滿足數(shù)字功能要求很高數(shù)據處理。

11、根據本次設計中的輸入輸出接口數(shù)量，考慮到預留一定的擴充功能輸入輸出口，所以選擇輸入輸出一共48個輸入輸出口的型號的PLC。3.3.2 其他元件選型根據設計中的各種元件的需求，通過對市場中各種元件的比較，這些元件主要選擇施耐德公司的產品。具體的各種元件選擇如表3.3的元件清單所示。表3.3 元件清單4系統(tǒng)調試與監(jiān)控系統(tǒng)4.1易控軟件介紹簡介易控（INSPEC） 是一套通用的監(jiān)控和數(shù)據采集（SCADA）軟件，亦稱人機界面（HMI/MMI）軟件，俗稱組態(tài)軟件。易控以功能強大、性能穩(wěn)定、圖形精美、易學易用、開發(fā)高效、擴展容易等優(yōu)點為自動化系統(tǒng)提供了理想的監(jiān)控解決方案。特點1) 易學易用 ：只需知道需要

12、監(jiān)控的工作，無需了解過多的軟件和通信背景知識；也無需過度依賴操作說明書；只需了解簡單的概念和規(guī)則，將復雜和困難留給易控。2) 節(jié)省時間 ：高效的開發(fā)手段，輕松完成大量重復性工作，做到事半功倍、節(jié)省你的開發(fā)時間30%。 3) 感覺清新 ：簡約的界面風格和處處感覺以你為中心的設計，清新自然。 4) 通信容易 ：和設備的通信變得更加容易，更有獨創(chuàng)的功能。 5) 畫面精美 ：更加美觀和逼真的畫面，更富于表現(xiàn)力，提升用戶系統(tǒng)形象。6) 功能創(chuàng)新 ：復合動畫、數(shù)據轉發(fā)等創(chuàng)新功能實現(xiàn)獨特的監(jiān)控效果，提升用戶系統(tǒng)檔次。7) 穩(wěn)定可靠 ：可靠的技術保障了系統(tǒng)的安全可靠運行。8) 技術領先 ：.Net是10年來計

13、算機發(fā)展史上的一次偉大革命，易控順應了這一歷史潮流，代表了未來發(fā)展的方向，保護你為未來的投資。9) 擴展方便 ：基于組件的系統(tǒng)和全開放的架構為不斷豐富、完善和擴充系統(tǒng)的功能奠定了基石 10) 服務周到 ：在線BUG報告，及時貼心的服務，讓你無后顧之憂。對于本次設計，主要是在電腦上進行仿真完成的。而易控軟件提供了與GX編程軟件進行聯(lián)合仿真的功能。使得這次設計不需要在硬件上便可以很方便的將設計做完。4.2 監(jiān)控程序的編寫4.2.1 變量與PLC端口設置再本次設計中設計了，從PLC接收到的數(shù)據進行處理，也有控制按鈕進行發(fā)出控制信號，所以設置接收和發(fā)送變量組。由于本次設計沒有用到硬件，而在仿真和實際運

14、行過程中有從限位開關接收的數(shù)據，所以用了腳本語言進行模擬，加入了一組限位開關變量。1）接收信號變量組在本組變量中，有從PLC Y口所接收到的信號，也有在監(jiān)控程序中需要用到接收數(shù)據處理的變量，如表4.1所示表4 .1 接收變量組在表中所有的開關類型的變量都是通過PLC的I/O所接收到的數(shù)據。而抓緊動作變量、上線移動變量、左右移動變量這3個整數(shù)類型的變量將在后面的腳本程序中應用，并在畫面中對機械手的部件運動進行控制。2）發(fā)送信號變量組在本組變量中，包含了控制按鈕將發(fā)送的信號的變量。（注：其中旋轉按鈕利用的是腳本語言進行信號的發(fā)送將在后面進行介紹）如表4.2所示。表4 .2 發(fā)送數(shù)據變量組3）限位開

15、關變量組在本組變量中，包含了4個限位開關的變量。（注：其值的變化利用腳本語言編寫，僅用于仿真中，在實際操作中這幾個變量所對應的I/O要與現(xiàn)場的限位開關進行相連接）如表4.3所示。表4.3 限位開關變量組在表中看出左限位和上限位的初始值為真，因為在控制開始的原點在左上所以此處為真，但在實際中這里的值都應該為假，其值來源于現(xiàn)場限位開關所采集的數(shù)據。4）PLC端口設置在端口設置中參考PLC I/O表，將變量與PLC的端口進行一一對應，如表.4所示表4.4 PLC端口設置在PLC端口設置中，為了避免在編寫過程中一些腳本引起輸出混亂則5）安全區(qū)與用戶設置在本次設計中，對其進行了安全區(qū)的設計，目的是更接近

16、實際操作。只有在用戶登陸了之后才能進行控制面面板的調用與監(jiān)控程序的關閉操作。如表4.5所示表4.5 安全區(qū)用戶設置中對于用戶的秘密進行設計，也對該用戶的能夠打開的安全區(qū)進行選擇。如表4.6所示。（注：在程序中測試密碼為123）表4.6 用戶設置4.2 主畫面設計1）主畫面整體設計如圖4.1所示。圖4 .1主畫面A)按鈕設置打開控制面板按鈕：a）事件-鍵按下中編寫代碼 Grp.Open(控制面板); b）屬性-安全區(qū)選擇“安全區(qū)1”。表明只有具有操作安全區(qū)1的用戶才能對其進行操作。關閉控制面板按鈕：a）事件-鍵按下中編寫代碼 Grp.Close(控制面板); b）屬性-安全區(qū)選擇“安全區(qū)1”。表

17、明只有具有操作安全區(qū)1的用戶才能對其進行操作。退出監(jiān)控按鈕： a）事件-鍵按下中編寫代碼Project.Exit();b）屬性-安全區(qū)選擇“安全區(qū)1”。表明只有具有操作安全區(qū)1的用戶才能對其進行操作。登陸按鈕：a）事件-鍵按下中編寫代碼User.Logon() ; 注銷按鈕： a）事件-鍵按下中編寫代碼User.Logoff() ;B）部件動畫設置夾緊動作：在夾緊裝置的動畫屬性中，水平縮放中連接變量“機械手_接收.抓緊動作變量”其他屬性不變；上下移動：先將夾緊裝置與需要上下移動的部件組成一個圖形，將夾緊動作選入子動畫中，在垂直移動選項中連接“機械手_接收.上下移動變量”其他屬性不變。水平運動：

18、先將組合的上下移動部件與需要水平移動的部件組合，將上下移動選入子動畫中，在水平移動選項中連接“機械手_接收.左右移動變量”其他屬性如圖4.2所示圖4 .2 水平移動動畫參數(shù)設置運行指示燈動畫：如圖4.3所示圖4 .3 運行指示燈參數(shù)設置限位開關動畫：左限位開關參數(shù)設置如圖.4所示圖 4.4 左限位開關參數(shù)設置注：其他限位開關設置同左限位2）控制面板整體設計如圖.5所示。圖4.5 控制面板A）按鈕設置在控制面板中上升、下降、左行、右行、松開、夾緊、啟動、停止、急停按鈕的設置是相同的。這里以上升為例，在“上升”按鈕的事件-按下時寫入“機械手_發(fā)送.上升=1；”，在彈起時寫入“機械手_發(fā)送.上升=0

19、；”對每個按鈕的所對應的值進行相同的設置。B）旋轉按鈕設置在其屬性中設置文本標示，在刻度點中設置5個刻度點，分別對應如圖.5中的旋轉按鈕的5個標示。在屬性中的變量關聯(lián)中，關聯(lián)“機械手_發(fā)送.旋轉按鈕”。.3腳本語言編寫A）旋轉按鈕腳本在工程-用戶程序-條件程序中新建立5個程序如圖.6所示，在“機械手_發(fā)送.旋轉按鈕=0”程序中編寫機械手_發(fā)送.回原點=0;機械手_發(fā)送.單周期=0;機械手_發(fā)送.單步=0;機械手_發(fā)送.手動=1;機械手_發(fā)送.連續(xù)=0;其他四個程序類似將其對應的值改變成1，另外的改變成0；圖 4.6旋轉按鈕配置B）限位開關腳本在工程-用戶程序-條件程序中新建立8個程序如圖.7所

20、示，在程序中編寫對應的值，如：當“機械手_接收.上下移動變量=0”時，編寫程序限位開關.上限位=1;當“機械手_接收.上下移動變量!=0”時，編寫程序限位開關.上限位=0;其他程序編寫方法相同。圖4.7 限位開關腳本設置C）移動變量腳本在工程-用戶程序-變量改變程序中，新建一個程序。變量名稱選擇“SystemVariable.Second”，表明每一秒執(zhí)行一次后面的程序。在程序中編寫：機械手_接收.抓緊動作變量=機械手_接收.抓緊動作變量-Convert.ToInt32(機械手_接收.抓緊開關)*5+Convert.ToInt32(!機械手_接收.抓緊開關)*5 ;機械手_接收.上下移動變量=

21、機械手_接收.上下移動變量+Convert.ToInt32(機械手_接收.下降開關)*10-Convert.ToInt32(機械手_接收.上升開關)*10;機械手_接收.左右移動變量=機械手_接收.左右移動變量+Convert.ToInt32(機械手_接收.右移開關)*10-Convert.ToInt32(機械手_接收.左移開關)*10;4.3 系統(tǒng)仿真機調試4.3.1仿真1.先在GX Developer中打開編寫好的PLC程序，點擊按鈕（GX-simulator）開始仿真。2.再打開MX Component軟件的PLC Monitor Utility程序，配置如圖4.8所示圖4. 8 PLC

22、 Monitor Utility配置點擊OK開始程序。3.最后在易控中I/O通訊-PLC-FX編程口-配置-模擬器屬性，選中“使用模擬器進行設備調試”。點擊“”圖標，進入運行畫面。4.3.2調試仿真程序運行后，點擊“打開控制面板”，沒有反應說明操作員沒有權限控制“安全區(qū)1”的控件。點擊“登陸”按鈕，輸入密碼“123”，再點擊“打開控制面板”按鈕，進入控制中。檢測手動程序在運行中，每個手動控制按鍵達到預期的效果。檢測自動程序在運行中，能夠完全自動運行。仿真中遇到的問題：在第一次調試中，“急?！卑粹o沒有達到預期效果，最后檢查在PLC端口設置中，其對應的端口設置成為了“只讀”，在后面修改成為“只寫”

23、之后，程序能夠正常運行；在調試中，只關掉了易控仿真，在后面再次打開易控仿真時，運行出問題。后面發(fā)現(xiàn)是PLC仿真沒與易控同步產生的數(shù)據紊亂，在其后的仿真中關閉仿真時，先運行一次回原點程序，則下次運行易控時沒出現(xiàn)問題。仿真后進行的修改：在最初的仿真程序中沒有急停按鍵，后面發(fā)現(xiàn)安全問題，加上了急停按鈕，無論在什么模式下運行過程中，只要按下急停按鍵，則機械手徹底停止。在硬件中我們可以在機械手上安裝一個傳感器，當機械手被卡住，或者有東西卡在機械手下，則觸動傳感器，傳感器與急停按鍵是并聯(lián)輸入的，只要有一個接通則啟動急停程序?？偨Y在本次設計我主要設計的上位機監(jiān)控程序與仿真。通過這次設計我體會到PLC應用技術

24、是一門實踐性很強的專業(yè)課，可PLC編程控制器技術在當今社會發(fā)展異常迅速，各生產廠家也推出了許多強大的新型PLC、各種特殊模塊和通信聯(lián)網器件，使可編程控制器成為集微機技術、自動化技術、通信技術于一體的通用工業(yè)控制裝置，成為實現(xiàn)工業(yè)自動化的一種強有力的工具。上位機監(jiān)控程序也是一門很重要的軟件，它可以很形象的將工業(yè)現(xiàn)場采集到的數(shù)據，以動畫的形式展示給我們，也可以通過監(jiān)控程序對工業(yè)現(xiàn)場進行操作，指令的發(fā)送。經過這次設計我學到很多很多的的東西，不僅鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。而且通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所

25、學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正的學到知識，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。致謝在這次設計中得到了很多同學的幫助與指導，感謝鄭萍教授在這次設計對我們的指導，為我們這次的設計提出了很多不足之處。感謝葉老師對我們進行的培訓，讓我了解了很多以前沒接觸到的東西，例如利用VISIO編寫程序框圖，易控與GX程序之間的聯(lián)合仿真，等。感謝陳海生學長對我們這次設計的指導與幫助。再次感謝在這次設計中幫助和指導過我的老師同學，因為有你們的幫助與指導才能完成這一次的設計。參考文獻1 曹承志.微型計算機控制技術.化學工業(yè)出版社，2008.12 廖常初.FX系列PLC編程及應用.機械工業(yè)出版社，2005.4.3 覃貴禮.組態(tài)軟件控制技術.北京理工大學出版社，2007.8.4 王軍.自動控制原理.重慶大學出版社，2008.2 24