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西华大学毕业设计说明书 目录前言11 系统方案21.1 机械手简介21.2机械手的工作方式21.3 设计方案介绍32 PLC相关方面设计72.1 PLC简介72.2 PLC基本结构72.3 PLC 工作原理73 PLC外部接线及I/O分配93.1 PLC外部接线93.2 I/O分配103.3 PLC及其他元件选型104系统调试与监控系统124.1易控软件介绍124.2 监控程序的编写124.3 系统仿真机调试19总结21致谢22参考文献23前言机械化、自动化已成为现代工业中突出的主题。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的，机器手的出现和应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。在本次设计中我们利用PLC为基础设计了全工作模式机械手。可编程序控制器(PLC)已在工业生产过程的自动控制中得到了广泛的应用。机械手在工业自动化生产中得到了很好的利用,它可减少人的重复操作,并且它还可以完成人无法完成的操作,从而大大地提高工业生产效率。利用PLC控制机械手可以充分的发挥PLC稳定工作的特点，使得机械手在长期工作的过程中能够稳定安全的按照设定要求运行。本文介绍了PLC控制的全工作模式的机械手的设计，并着重介绍设计中的上位机设计部分的内容。包括了易控监控程序的编写与操作，利用GX-Simulator和 MX Simulator软件在PC机上进行仿真与调试。1 系统方案1.1 机械手简介机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它促进了机械手的发展，是的机械手能更好的实现机械化和自动化的有机结合。1.2机械手的工作方式本设计中所涉及的机械手为一个夹具式搬运机械手，主要是完成将工件从A点搬运至B点的工作。其机械示意图如图2.1所示。其具体工作为：机械手的起始位置（即原点）位于左、上待命位置，当其需要工作时，机械手先下行至下限位（即A点）工件处，收紧夹具，待夹具夹紧工件后上升直至上限位位置。接着机械手右行直至右限位，后下行至下限位（即B点）后松开夹具。这样就完成了将工件从A点搬运至B点的工作。接着机械手上行至上限位，再左行至左限位，回到原点，进行下一次搬运工作，以此循环。图1.1机械手示意图1.3 设计方案介绍1.3.1 主流程图如图1.3所示图 1.2 主程序流程框图1.3.2 子程序流程图在主程序的基础上，将自动运行的子程序流程设计出来，主要包括了下面3个方面：A)连续工作模式流程图如1.3所示。图1.3 连续工作流程图在此工作模式下工作的机械手，必须在原点才能启动连续工作模式，否则先回原点再执行其工作的步骤。B)单周期模式程序流程图如图1.4所示图2.4 单周期模式流程图在该模式工作下每点击一次“启动”按钮，则机械手运动一个周期，即在原点启动将一个物体移动从A点移动到B点后回到原点。C）单步工作模式流程图如图2.5所示图 2.5 单步工作模式流程图在选中此工作模式时，点击启动则运行一个小步，例如：在原点点击“启动”后机械收下降到下限位开关触动则停止工作等待下一个启动指令。2.4.2回原点回原点模式是指不论机械手此时处于何种位置，只要未在连续运行中，在执行回原点时都将回到左、上位置（即原点）。若在连续运行过程中则机械手完成本次搬运工作后回到原点位置停止。考虑到机械手在工作工程中可能处于的位置，在执行回原点操作动作时，机械手先判断是否在上限位再判断是否在左限位，以此来避免机械手出现在不确定的位置。2 PLC相关方面设计2.1 PLC简介PLC即可编程控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。2.2 PLC基本结构可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换与以物理实现。输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入输出接口（I/O）电路、通信接口及电源组成。PLC的基本结构如图2.1所示：图2.1 PLC基本结构2.3 PLC 工作原理由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方，若有键按下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。PLC则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。一个扫描周期主要可分为3个阶段。3 PLC外部接线及I/O分配3.1 PLC外部接线本次设计中机械手的各种控制都是由PLC控制完成的，所以对于PLC外部的接线分析是很重要的。需要对PLC的供电、各种模式的选择、各个限位开关、各输入输出进行设计和分配。图3.1 PLC外部接线图设计中要求在机械手的限位开关SQ1（X1）、SQ2（X2）、SQ3（X3）、SQ4（X4），对机械手分别进行抓紧、左移、右移、上升、下降动作的限位，并发出动作到位的输入信号。机械手的起、停由起动按钮SB1、停止按钮SB2控制。机械手的上、下、左、右由液压驱动，并分别由四个电磁阀YV2（Y2）、YV0（Y0）、YV3（Y3）、YV4（Y4）来控制。抓紧由YV1（Y1）得电、放松由YV1（Y1）失电控制。按照要求对PLC的外部接线设计如图3.1所示。3.2 I/O分配由图2.6可以看出，本次设计中的各个输入输出的具体分配，为了更好的对设计中的各个输入输出进行说明，将输入输出表列举如表3.1和表3.2所示。表3.1 机械手输入表表3.2 机械手输出表3.3 PLC及其他元件选型3.3.1 PLC选型PLC是本次设计的核心部件，它相当于人的大脑，指挥其它器件完成相应功能，它是整个系统的控制中心，具有举足轻重的作用。考虑到系统的经济型和技术指标，我们选用的是三菱公司FX2N系列微型PLC，机型为。FX2N系列是FX系列PLC中最先进的系列，基本单元有16/32/48/64/80/128点，六个基本FX2N单元中的每个单元都可以通过I/O扩展单元扩充256个I/O点。FX2N具有丰富的元件资源，有3072点辅助继电器。提供了多种特殊功能模块，可以实现过程控制位置控制。有多种RS-232/RS-422/RS-465串行通信模块或功能扩展板支持网络通信。具有较强的数字指令集，使用32位处理浮点数。具有方根和三角几何指令满足数字功能要求很高数据处理。根据本次设计中的输入输出接口数量，考虑到预留一定的扩充功能输入输出口，所以选择输入输出一共48个输入输出口的型号的PLC。3.3.2 其他元件选型根据设计中的各种元件的需求，通过对市场中各种元件的比较，这些元件主要选择施耐德公司的产品。具体的各种元件选择如表3.3的元件清单所示。表3.3 元件清单4系统调试与监控系统4.1易控软件介绍简介易控（INSPEC） 是一套通用的监控和数据采集（SCADA）软件，亦称人机界面（HMI/MMI）软件，俗称组态软件。易控以功能强大、性能稳定、图形精美、易学易用、开发高效、扩展容易等优点为自动化系统提供了理想的监控解决方案。特点1) 易学易用 ：只需知道需要监控的工作，无需了解过多的软件和通信背景知识；也无需过度依赖操作说明书；只需了解简单的概念和规则，将复杂和困难留给易控。2) 节省时间 ：高效的开发手段，轻松完成大量重复性工作，做到事半功倍、节省你的开发时间30%。 3) 感觉清新 ：简约的界面风格和处处感觉以你为中心的设计，清新自然。 4) 通信容易 ：和设备的通信变得更加容易，更有独创的功能。 5) 画面精美 ：更加美观和逼真的画面，更富于表现力，提升用户系统形象。6) 功能创新 ：复合动画、数据转发等创新功能实现独特的监控效果，提升用户系统档次。7) 稳定可靠 ：可靠的技术保障了系统的安全可靠运行。8) 技术领先 ：.Net是10年来计算机发展史上的一次伟大革命，易控顺应了这一历史潮流，代表了未来发展的方向，保护你为未来的投资。9) 扩展方便 ：基于组件的系统和全开放的架构为不断丰富、完善和扩充系统的功能奠定了基石 10) 服务周到 ：在线BUG报告，及时贴心的服务，让你无后顾之忧。对于本次设计，主要是在电脑上进行仿真完成的。而易控软件提供了与GX编程软件进行联合仿真的功能。使得这次设计不需要在硬件上便可以很方便的将设计做完。4.2 监控程序的编写4.2.1 变量与PLC端口设置再本次设计中设计了，从PLC接收到的数据进行处理，也有控制按钮进行发出控制信号，所以设置接收和发送变量组。由于本次设计没有用到硬件，而在仿真和实际运行过程中有从限位开关接收的数据，所以用了脚本语言进行模拟，加入了一组限位开关变量。1）接收信号变量组在本组变量中，有从PLC Y口所接收到的信号，也有在监控程序中需要用到接收数据处理的变量，如表4.1所示表4 .1 接收变量组在表中所有的开关类型的变量都是通过PLC的I/O所接收到的数据。而抓紧动作变量、上线移动变量、左右移动变量这3个整数类型的变量将在后面的脚本程序中应用，并在画面中对机械手的部件运动进行控制。2）发送信号变量组在本组变量中，包含了控制按钮将发送的信号的变量。（注：其中旋转按钮利用的是脚本语言进行信号的发送将在后面进行介绍）如表4.2所示。表4 .2 发送数据变量组3）限位开关变量组在本组变量中，包含了4个限位开关的变量。（注：其值的变化利用脚本语言编写，仅用于仿真中，在实际操作中这几个变量所对应的I/O要与现场的限位开关进行相连接）如表4.3所示。表4.3 限位开关变量组在表中看出左限位和上限位的初始值为真，因为在控制开始的原点在左上所以此处为真，但在实际中这里的值都应该为假，其值来源于现场限位开关所采集的数据。4）PLC端口设置在端口设置中参考PLC I/O表，将变量与PLC的端口进行一一对应，如表.4所示表4.4 PLC端口设置在PLC端口设置中，为了避免在编写过程中一些脚本引起输出混乱则5）安全区与用户设置在本次设计中，对其进行了安全区的设计，目的是更接近实际操作。只有在用户登陆了之后才能进行控制面面板的调用与监控程序的关闭操作。如表4.5所示表4.5 安全区用户设置中对于用户的秘密进行设计，也对该用户的能够打开的安全区进行选择。如表4.6所示。（注：在程序中测试密码为123）表4.6 用户设置4.2 主画面设计1）主画面整体设计如图4.1所示。图4 .1主画面A)按钮设置打开控制面板按钮：a）事件-键按下中编写代码 Grp.Open(控制面板); b）属性-安全区选择“安全区1”。表明只有具有操作安全区1的用户才能对其进行操作。关闭控制面板按钮：a）事件-键按下中编写代码 Grp.Close(控制面板); b）属性-安全区选择“安全区1”。表明只有具有操作安全区1的用户才能对其进行操作。退出监控按钮： a）事件-键按下中编写代码Project.Exit();b）属性-安全区选择“安全区1”。表明只有具有操作安全区1的用户才能对其进行操作。登陆按钮：a）事件-键按下中编写代码User.Logon() ; 注销按钮： a）事件-键按下中编写代码User.Logoff() ;B）部件动画设置夹紧动作：在夹紧装置的动画属性中，水平缩放中连接变量“机械手_接收.抓紧动作变量”其他属性不变；上下移动：先将夹紧装置与需要上下移动的部件组成一个图形，将夹紧动作选入子动画中，在垂直移动选项中连接“机械手_接收.上下移动变量”其他属性不变。水平运动：先将组合的上下移动部件与需要水平移动的部件组合，将上下移动选入子动画中，在水平移动选项中连接“机械手_接收.左右移动变量”其他属性如图4.2所示图4 .2 水平移动动画参数设置运行指示灯动画：如图4.3所示图4 .3 运行指示灯参数设置限位开关动画：左限位开关参数设置如图.4所示图 4.4 左限位开关参数设置注：其他限位开关设置同左限位2）控制面板整体设计如图.5所示。图4.5 控制面板A）按钮设置在控制面板中上升、下降、左行、右行、松开、夹紧、启动、停止、急停按钮的设置是相同的。这里以上升为例，在“上升”按钮的事件-按下时写入“机械手_发送.上升=1；”，在弹起时写入“机械手_发送.上升=0；”对每个按钮的所对应的值进行相同的设置。B）旋转按钮设置在其属性中设置文本标示，在刻度点中设置5个刻度点，分别对应如图.5中的旋转按钮的5个标示。在属性中的变量关联中，关联“机械手_发送.旋转按钮”。.3脚本语言编写A）旋转按钮脚本在工程-用户程序-条件程序中新建立5个程序如图.6所示，在“机械手_发送.旋转按钮=0”程序中编写机械手_发送.回原点=0;机械手_发送.单周期=0;机械手_发送.单步=0;机械手_发送.手动=1;机械手_发送.连续=0;其他四个程序类似将其对应的值改变成1，另外的改变成0；图 4.6旋转按钮配置B）限位开关脚本在工程-用户程序-条件程序中新建立8个程序如图.7所示，在程序中编写对应的值，如：当“机械手_接收.上下移动变量=0”时，编写程序限位开关.上限位=1;当“机械手_接收.上下移动变量!=0”时，编写程序限位开关.上限位=0;其他程序编写方法相同。图4.7 限位开关脚本设置C）移动变量脚本在工程-用户程序-变量改变程序中，新建一个程序。变量名称选择“SystemVariable.Second”，表明每一秒执行一次后面的程序。在程序中编写：机械手_接收.抓紧动作变量=机械手_接收.抓紧动作变量-Convert.ToInt32(机械手_接收.抓紧开关)*5+Convert.ToInt32(!机械手_接收.抓紧开关)*5 ;机械手_接收.上下移动变量=机械手_接收.上下移动变量+Convert.ToInt32(机械手_接收.下降开关)*10-Convert.ToInt32(机械手_接收.上升开关)*10;机械手_接收.左右移动变量=机械手_接收.左右移动变量+Convert.ToInt32(机械手_接收.右移开关)*10-Convert.ToInt32(机械手_接收.左移开关)*10;4.3 系统仿真机调试4.3.1仿真1.先在GX Developer中打开编写好的PLC程序，点击按钮（GX-simulator）开始仿真。2.再打开MX Component软件的PLC Monitor Utility程序，配置如图4.8所示图4. 8 PLC Monitor Utility配置点击OK开始程序。3.最后在易控中I/O通讯-PLC-FX编程口-配置-模拟器属性，选中“使用模拟器进行设备调试”。点击“”图标，进入运行画面。4.3.2调试仿真程序运行后，点击“打开控制面板”，没有反应说明操作员没有权限控制“安全区1”的控件。点击“登陆”按钮，输入密码“123”，再点击“打开控制面板”按钮，进入控制中。检测手动程序在运行中，每个手动控制按键达到预期的效果。检测自动程序在运行中，能够完全自动运行。仿真中遇到的问题：在第一次调试中，“急停”按钮没有达到预期效果，最后检查在PLC端口设置中，其对应的端口设置成为了“只读”，在后面修改成为“只写”之后，程序能够正常运行；在调试中，只关掉了易控仿真，在后面再次打开易控仿真时，运行出问题。后面发现是PLC仿真没与易控同步产生的数据紊乱，在其后的仿真中关闭仿真时，先运行一次回原点程序，则下次运行易控时没出现问题。仿真后进行的修改：在最初的仿真程序中没有急停按键，后面发现安全问题，加上了急停按钮，无论在什么模式下运行过程中，只要按下急停按键，则机械手彻底停止。在硬件中我们可以在机械手上安装一个传感器，当机械手被卡住，或者有东西卡在机械手下，则触动传感器，传感器与急停按键是并联输入的，只要有一个接通则启动急停程序。总结在本次设计我主要设计的上位机监控程序与仿真。通过这次设计我体会到PLC应用技术是一门实践性很强的专业课，可PLC编程控制器技术在当今社会发展异常迅速，各生产厂家也推出了许多强大的新型PLC、各种特殊模块和通信联网器件，使可编程控制器成为集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置，成为实现工业自动化的一种强有力的工具。上位机监控程序也是一门很重要的软件，它可以很形象的将工业现场采集到的数据，以动画的形式展示给我们，也可以通过监控程序对工业现场进行操作，指令的发送。经过这次设计我学到很多很多的的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。而且通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正的学到知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。致谢在这次设计中得到了很多同学的帮助与指导，感谢郑萍教授在这次设计对我们的指导，为我们这次的设计提出了很多不足之处。感谢叶老师对我们进行的培训，让我了解了很多以前没接触到的东西，例如利用VISIO编写程序框图，易控与GX程序之间的联合仿真，等。感谢陈海生学长对我们这次设计的指导与帮助。再次感谢在这次设计中帮助和指导过我的老师同学，因为有你们的帮助与指导才能完成这一次的设计。参考文献1 曹承志.微型计算机控制技术.化学工业出版社，2008.12 廖常初.FX系列PLC编程及应用.机械工业出版社，2005.4.3 覃贵礼.组态软件控制技术.北京理工大学出版社，2007.8.4 王军.自动控制原理.重庆大学出版社，2008.2 24
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