机械手PLC控制系统设计毕业论文

机械手PLC控制系统设计毕业论文 扬州大学广陵学院 本科生毕业设计 毕业设计题目 机械手PLC控制系统设计 学 生 姓 名 专 业 电气工程及其自动化 班 级 指 导 教 师 完 成 日 期 2015年 6 月 5 日 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 摘 要 随着工业自动化的不断发展,工业机械手在现在的生产过程中来越重要，是我们日常生产中不可或缺的重要部分 本文综合了PLC控制的相关理论和计算机模拟仿真,根据相关的机械手控制要求,完成了机械手的控制设计和系统组态仿真建设。同时对控制系统的总体结构、控制过程和构成系统的各个模块的功能和控制方式进行了研究。 整个系统由控制器和驱动模块、执行部位和相应的组态仿真系统组成。可编程控制器采用了三菱的FX2N系列，并且利用了组态王软件进行了仿真。 本文的主要工作重点是机械手的运动控制设计以及组态仿真。控制方面的工作有:对软件控制流程的制定和控制程序的编写，该部分使得系统可以按照控制要求工作在自动循环模式中,从仓库中拿到工件，然后移动到加工点进行切角，最终放置在成品处结束工作。 此外,模拟仿真部分的设计工作主要包括组态王的设备配置、仿真画面设计、动画连接,数据库建设,命令语言编写等等。通过触发相应的按钮可以形象地看到机械手系统的工作状况。 通过上述工作,机械手最终可以按照控制程序的要求完成相应动作,并通过组态王进行机械手运行的仿真,达到本次设计的目的和要求。 关键词:PLC，机械手，控制系统，模拟仿真 1 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) Abstract With the continuous development of industrial automation, industrial robots and more important in the present production process, is an important part of our daily production indispensable. This article combines theory and computer simulation PLC controlled robot control according to the relevant requirements, the completion of the control design and simulation system configuration construction robot. At the same time the overall structure of the control system, control processes and functions and control constitute each module of the system were studied. The system consists of a controller and driver module, execution site and the corresponding configuration simulation system. Programmable controller uses Mitsubishi's FX2N series, and use the Configuration software simulation. The main focus of this paper is to design a robot motion control and configuration simulation. Work control are: Writing software development control process and control procedures, the portion so that the system can work in accordance with the requirements of automatic cycle control mode, to get artifacts from the warehouse, and then move to the machining point bevelled final Place in the finished product at the end of the work. In addition, part of the design work simulation includes Kingview device configuration, simulation screen design, animation connection, database development, command language, and so on. You can visualize the working conditions of the robot system by triggering the appropriate button. Through this work, the robot eventually can be completed in accordance with the requirements of the control procedures of the corresponding action, and through KingView robot simulation run, the purpose and requirements of this design. Key words: PLC, manipulator, the control system, simulation 2 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 目录 1.绪论 ....................................................................................... 4 1.1机械手研究的意义 ...................................................................................................... 4 1.2机械手的发展 .............................................................................................................. 4 1.3机械手的构成和分类 .................................................................................................. 5 1.3.1 机械手的构成 ................................................................................................ 5 1.3.2 机械手的分类 ................................................................................................ 6 1.4课题研究目的思路以及主要内容 .............................................................................. 7 1.4.1 研究目的 ........................................................................................................ 7 1.4.2 研究思路 ........................................................................................................ 7 1.4.3 研究的主要内容 ............................................................................................ 7 2.系统总体#设计# ............................................................... 8 2.1 机械手的工艺流程 ..................................................................................................... 8 2.2 机械手实现功能 ......................................................................................................... 8 2.3 功能模块概述 ............................................................................................................. 8 3.PLC程序设计 ...................................................................... 10 3.1 PLC的特点 ................................................................................................................ 10 3.2 PLC的结构与选型 .................................................................................................... 10 3.4 PLC输入输出设计 .................................................................................................... 12 3.5 PLC程序设计 ............................................................................................................ 14 3.5.1 程序的总体结构 ............................................................................................ 15 3.5.2 公用程序 ........................................................................................................ 15 3.5.3 自动程序 ........................................................................................................ 16 3.5.3 回原点程序 .................................................................................................... 17 4.监控系统的设计 ................................................................. 18 4.1 组态软件的选择 ....................................................................................................... 18 4.2 组态王系统设计 ....................................................................................................... 18 4.2.1建立工程 ......................................................................................................... 18 4.2.2配置设备 ......................................................................................................... 19 4.2.3定义变量 ......................................................................................................... 20 4.2.4组态画面设计 ................................................................................................. 21 4.2.5动画连接 ......................................................................................................... 22 4.2.6 命令语言的编写 ............................................................................................ 24 4.3 组态系统的调试 ....................................................................................................... 24 4.4 触摸屏的设计 ........................................................................................................... 27 5.总结与展望 ......................................................................... 29 参考文献 ................................................................................ 30 致谢 ........................................................................................ 32 3 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 1.绪论 1.1机械手研究的意义 伴随这现代工业技术的不断发展，我国的生产模式正在由劳动密集型向技术密集型转变，振兴制造业，提高工业生产的自动化及现代化水平是我国现阶段经济的重要发展方向。伴随着工业自动化水平的不断提高，生产环境越发恶劣，这对一线的工人的操作技能也提出了更高的要求，同时也威胁了操作工人的生命安全，工业机器人的应用及普及自然而然成为了较为理想的选择。机械手(machine hand)作为工业机器人的重要分支显然有着十分重要的研究价值。 在现代的生产加工中机械手的应用较多，发展较快，向世人展示了他的魅力所在。目前主要应用于机床、模锻压力机的装料等方面，它能按照事先制定的工作要求完成我们所需要的操作，同时有些还具备有反馈的功能，能对于外界的变化做到及时的反馈。如果机械手因为某些细小的误差发生了改变，就会引起零件甚至机体本身的故障，但有了反馈就不一样了，机械手可以根据反馈量进行自我调整。 通过PLC的强大的处理力，可以很方便地实现系统的自动化。基于此思路设计的机械手，能够在实现各种要求的工序前提下，同时大大提高工业过程的质量，提高了工作效率 在这样的大环境之下，我国的工业机器手发展面临一个充满挑战的机遇，工业机械手市场扩大，不论是从数量还是技术层面上，都迎来了新一轮的挑战，同时也是我国机械手发展的一个良好契机。因此自主发展技术先进的工业机械手，这对我国产业层次的提升拥有十分重要的作用。 1.2机械手的发展 机械手通过类似于人手臂的设计，并且按照所写的要求对元件完成吸附、搬运或者处理等工作的一种自动化装置，它囊括了控制、计算机、传感器、人工智能等多学科于一体，是现代化装置。机械手作为最初的微型机器人，对机器人领域影响深远。如今机械手应用在了社会生产的方方面面，他的发展规模以及技术水平是评价一个国家工业水平的重要指标。 机械手的研制始于二十世纪中叶。伴随着制造业的不断发展，对高效、快捷的需求推动了机械技术的进展，为机器人的发展夯实了基础，同时提高了发展速度;另外，随 4 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 着现代社会对核能的大量需求，也迫切需要机械来代替人工进行危险性操作。 在这样发展背景下，美国领先于其他国家开始了对于机械手的开发。1962年美国的UNIMATION公司推出的"LTNIMATE"，可实现伸缩、回转和俯仰等运动，采用的液压驱动，这是最早的实用机型机器人产品，标志着第一代机器人的产生。二代工业机器人为感知型机器人，这类工业机器人充分运用了传感技术，使机器人能及时对外界反馈出来的信息进行整合从而调整自己的功能。“Beast”机器人能根据环境的变化，通过声纳系统等装置实现自己位置的校正。20世纪六十年代中期起，美国和英国的一些实验室引领了一波研究拥有反馈功能的二代机器人的热潮。第三代工业机器人为智能化机器人，它能针对环境的改变并做出处理，并且识别对象，同时对程序做出相应的改变来完成预定工作任务，1968年，美国斯坦福研究所成功创造了世界上第一款机器人“Shakey"，该机器人通过安装的可见传感器，在得到指令后寻找并抓取积木，虽然控制他的计算机本过于笨重，但“Shakey”机器人仍然被公认为最初的智能机器人，并且，由此开始了第三代机器人的发展。 我国的机器人的研究开始于70年代，分为三个发展阶段过程:70年代的萌芽期，80年代的迅速发展和90年代的蓬勃发展期。70年代受到了各种影响，发展速度缓慢，80年代开始，因为国家政策的扶持，科研人员研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人，取得了丰硕的成果。90年代开始，国家发展“863计划”开始实施，建立了多个产业化基地与科研场所。 1.3机械手的构成和分类 1.3.1 机械手的构成 机械手的种类虽然多种多样，但是组成结构大体是相同的，他们分别为执行机构、传动机构、控制系统和辅助机构。 执行机构:机械手的执行机构与人的手臂类似。机械手是抓取机构，可以抓取和放开工件，类似于人的手指，能完成人手的类似动作。支柱一般用来固定手臂，按照我们具体的控制需求可以加入移动效果。 传动系统:执行机构的动作一般通过传动系统来完成。时下非常普及的机械手传动系统一般由机械传动、液压传动、电力传动等几种形式组成。其中电气与气动被广泛使用，液压、机械驱动用得较少。电气驱动时，直线运动可以采用电动机来工作。通用机械手一般都是使用的步进电动机、伺服电动机、变速箱等。机械驱动只适用于动作固定 5 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 的场合。 控制系统:机械手控制系统的主要任务是控制机械手按预先设定的程序完成规定的动作，简单的机械手没有专用控制系统，通过各种元件就能实现系统的控制，使执行机构按给定的要求动作。 图1-1 机械手系统构成 1.3.2 机械手的分类 对于机械手的分类，现在还暂时没有形成统一，在国内大部分人用驱动方式、适用范围以及手臂坐标来进行分类。 如果按照适用对象来分类，机械手一般分成三种。第一种是通用机械手，它不一定需要依附于某一主机就可以运行。可根据需要编写适合的程序，来达到我们所需要的工作。第二类是需要人参与到工作过程中去，我们称它为操作机。这类机械一开始是用于原子、军事工业等方面，后来随着技术的进步，渐渐发展成可以在超远程地方实现控制，例如火星、月球等。第三类是专用机械手，用于某些特定的生产领域。这类机械手在国外被称为“Mechanical Hand”。 6 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 1.4课题研究目的思路以及主要内容 1.4.1 研究目的 本文设计的机械手控制系统，要求在传送带，切角机和成品库之间进行动作，用以实现工件在这三个工位之间的位置转换，切角和装箱的动作可以自动进行;此外还有单周期工作模式，并能通过组态进行系统地独立仿真，形象地观察系统地运行状态 1.4.2 研究思路 本次设计的系统结合了plc控制、传感器技术、组态监控等多方面的技术。根据所给的控制要求书，拟定采用如下方式进行系统设计: (1)依据我们设计的要求，确定对应的PLC的输入输出口的控制量，从而完成PLC的选型;再根据要求确定系统的控制流程。 (2)按照控制流程，编写对应的PLC控制程序。PLC控制程序是实现系统控制功能的核心输入量通过PLC程序运算，完成相应的动作。 (3)建立监控系统。根据我们的需要在监控系统中进行数据库的构建和监控画面的设计，分析对应的输入输出量，完成组态中变量的改变，达到通信。 (4)进行画面调试与程序的修改，以达到更加好的效果。 1.4.3 研究的主要内容 本次课题的主要研究内容大致如下: (1)初步规划本次的系统设计。分析控制系统各部分的功能，然后设计出一套总体的设计方案; (2)研究控制器同时对系统进行设计，了解三菱PLC的实现的作用以及控制方法; (3)可编程控制系统的软件设计。主要包括PLC的选型、输入输出的分配、控制流程图和PLC控制程序的建立与调试; (4)构建对应的组态监控系统。主要包括组态王数据库的建立，定义对应的数据变量与现场数据的关系建立、组态画面的建立还有控制按钮的设计、命令语言的编写等。 7 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 2.系统总体设计方案 本章主要介绍了本机械手控制系统的实现功能，并根据我们所需要的功能来设计总体的设计方案，同时对组成系统的关键模块及其相应的功能作了概述。采用模块化方式进行系统构建，发挥各模块的特点，来实现集成化程度高的系统建立，对工程人员实现优化控制有重要意义。 2.1 机械手的工艺流程 本次设计要求在传送带，切角机和成品库之间设置两个个机械手，来完成工件在三个工位之间实现位置转换。根据控制要求，机械手可以在循环模式跟单周期模式之间进行切换。 对于循环控制方式按照时间推移具体动作顺序如下: (1) 等待工件到位信号; (2) 机械手1 纵轴下降，吸附工件; (3) 机械手1 纵轴上升，横轴移动到切角机处，纵轴下降，释放工件; (4) 切角机工作，同时机械手1回到原点; (5) 切角完成，机械手2横轴移动到切角机处，纵轴下降; (6) 机械手2吸附工件; (7) 机械手2横轴右移到成品库，纵轴下降，松开工件; (8) 机械手2竖轴上升。 上述1-8为一个动作循环。 2.2 机械手实现功能 基于上面所说的工艺流程，本机械手控制系统实现下述功能; (1) 机械手可以按照循环，单周期两种方式来工作。在循环模式中机械手根据编 制的自动控制程序实现自动运行，完成工件的抓取、切角和放置成品过程。 (2) 组态仿真:在计算机上构建一个组态仿真系统，实时模拟机械手在现场的工 作状态，通过计算机内组态王中构建的数据库与对应变量实现实时数据交 换，通过设计的画面完成动画连接，形成组态仿真。 2.3 功能模块概述 组态仿真系统， 组态仿真系统的核心是装有组态软件的计算机。通过组态软件可以实时模拟机械手的工作状态， 控制器用来做下位机主要完成信号的检测以及处理功 8 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 能，而组态软件一般用于仿真。 组态软件是为一款工控开发软件，为用户提供了多种常用的工具模块，用户即使没有掌握相关的专业知识，也能完成设计一个复杂工程的设计。这样用户就能将更多的时间与经历集中在控制模式选择这些提高控制品质的关键问题上。硬件部分，通过带有组态软件的系统，一般不需要额外设计电路。软件部分，由于使用了专用的组态软件进行系统设计，使得开发时间变短，效率更加高效。另外，从管理角度来看，组态软件的系统操作界面形象而直观，非常利于操作者的操作管理。 控制器，控制器是机械手系统的核心，它在系统控制中的任务是产生控制命令和使系统输出信号跟随参考位置。本设计采用的控制器是三菱公司的FX2N型PLC。PLC是以微型计算机为核心的工业自动化控制装置，被誉为现在工业生产自动化的三大支柱之一，现已在工业控制领域得到极广泛的普及。 PLC具有很高的可靠性，这归功于其电路设计技术和生产制造工艺;PLC还能够自我检测系统的硬件故障;在软件设计中，可以编写相关的故障自诊断程序，在硬，软件两个方面保证了PLC的高可靠性。现代PLC在性能方面比以前的PLC有了大大提高，它所能控制的对象也越来越复杂;PLC将控制系统的外部程序表达出来，让硬件的维护工作量减少很多，完成内部程序的改变即可实现。 传感器模块，在控制系统中，传感器能够获取系统中的有用的物理量的信息，然后将这些信息处理后提供给运动控制器，从而实现有效的控制。 检测装置向运动控制器反映系统状况，同时也可以在闭环或半闭环的系统中形成反馈回路，将指定的输出量反馈回运动控制器，控制器再依据这个作出控制决策。检测装置可以用来检测相关的运动参数和力学参数，前者是类似于速度或者加速度等的信息，后者一般是电压或者电流类型的信息。没有信息反馈这样的控制非常不稳定的，然而错误的反馈容易造成故障，因此检测装置的准确性和实时性是是我们选择PLC的重要指标。 9 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 3.PLC程序设计 我们在控制机械手系统的时候方式是多样的，继电器、单片机PLC等是非常常用的控制方式。因为PLC可编程控制器具有灵活的操作性和较好的稳定性，所以，本次设计我选择PLC控制。 3.1 PLC的特点 可编程控制器同时运用了通信技术和继电器控制等技术，在工业控制的各个领域得到了广泛的运用。可编程控制器的关键部位是一个微型处理机，利用所写的程序完成逻辑控制、定时、计数和算术运算等功能，并通过改变对应的变量完成对机械设备的生产与控制。 高可靠性(1)光电隔离技术应用在所有的输入输出接口电路中得到了充分的使用，可以隔离工厂的外部电路与PLC的内路部分;(2)使用了性能较好的开关电源。(3) )具有较好的自保护，一旦系统发生异常严格的确认使用到的器件以防出现不兼容;(4 情况，CPU就能采取有效措施，防止故障的进一步扩大。 多样的I/O接口模块 PLC处理不同的现场信号时。有与之相对应的I/O模块以及工业现场的器件设备，如按钮、行程开关、传感器、变送器、电磁线圈和控制阀等。 安装容易，维修便捷 控制器不需要专门的场所，能适应不同的恶劣环境。工作时只需要将现场与PLC相应的接口完成连接，就能运行PLC。为帮助用户实时了解运行状态，各个部位上均装有状态指示装置。 综上控制器是一台可以适应不同工业环境的微型的计算机。系统输入/输出端口很齐全，同时拥有很强的驱动力。PLC不仅仅是为了适应某一特定的工作而被设计的，实际工作时，它的硬件部分要根据实际情况进行选择替换，并完成与之对应的软件控制的设计。 3.2 PLC的结构与选型 在进行PLC的选型时，我们必须考录到各种因素对系统的影响，如扫描的快慢， 内存大小，指令的数目等。同时还要加入经济实用性以及环境适应能力的考虑。 经过多年的发展，可编程控制器技术进步迅速，种类也是非常多，生产的种类也有区别，所以我们必须根据根据控制需要，因地适宜地选择适合的PLC。 10 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 西门子在中国的各个领域中运用广泛，其中信息传递、自动控制、电子、照明以及家用电器尤其使用的多，其最主要的服务是基础设施的建设和作业方案的抉择。 欧姆龙S7-200系列PLC可靠性高、操作方式浅显易懂;还具有丰富的内置集成功能;拥有强劲的通讯能力;丰富的扩展模块;简单、易用的Micro/WIN编程软件。 欧姆龙的可编程序控制器更加微型。有的大小仅相当于一个计算机卡，使占用空间减小，同时减小了控制柜所占的空间。它不仅功能齐全，还可以作为终端连接程序，创造了新一代的生产环境。 三菱FX系列可编程控制器是时下国内外最热门的微型PLC。在FX中，除基本的指令表编程方式外，还有其他多种编程方式比如梯形图编程、SFC顺序功能图编程等等，而且这些程序可相互替换。同时在PLC中加入了高数计数器，大大提高了PLC的使用领域。 可编程控制器结构 这次设计我决定采用的是PLC是三菱公司的FX系列，该系列的PLC控制系统一般由基本单元、拓展单元、拓展模块和其他功能模块组成。FX2N系列主要有如下特点:基本单元(I6-128点)，最多可以扩展到256点;内置有8K步，他的RAM最多可以拓展到16K步，可选择存储盒。 控制器的硬件部分一般由.CPU、存储器、输入输出、通信端口、拓展部分和电源等组成。其中，CPU是PLC的关键部位，I/O接口电路是用于连接现场与处理器的通道，通信端口用于和外围设备进行通信，基本结构如图3-I所示。 图3-1 PLC基本结构 中央处理单元作为PLC的关键部位，它的主要用于处理相关的程序，能够检查程序中的语法问题，同时监控是否有意外状况发生。PLC在运行状态时，读取寄存器中的控制程序，结合了输入映像寄存器中的数据值产生结果，达到对对应标志位的值和输出映像 11 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 寄存器的内容的更新，利用输出单元完成对外部电路的控制。 PLC中的CPU种类繁多，大体我们将他们分为三类，通用型、单片微处理型、和位片式处型。CPU按照系统的需求，有顺序的进行PLC指挥。 存储器PLC中的存储器主要用于存储系统的程序、用户的程序和产生的结果数据。系统程序被放在存储器中，与硬件部分关系很大。它与硬件共同决定了PLC的性能，这些程序处在ROM, PROM或者EPROM中，用户是无法访问和修改的。 用户程序存储器主要用于存放控制的程序与数据，它的存储容量各不相同。用户所编写的应用程序，一般被存放在内存中，为保证用户数据的安全，使用了备用电源。防止外部的干扰破坏程序，我们将系统所必须的程序固话以防被修改。 PLC运行时，有的数据是不断变化和需要存取的，这些数据一般以ROM的形式被存放在工作数据存储器中，达到适应多次和快速存储的需求。 I/O接口电路能够实现将外部设备产生的多种电平信号转换为CPU能处理的电平信号。I/O口的主要类型有数字量输入输出和模拟量输入输出等。开关量有许多输出方式，这些输出方式各有各的特点，我们要根据我们的需要来选择合适的类型。 通信接口控制器与外部设备进行通信的主要通道。通信接口一般内置有通信处理器，用来实现过程信息、系统参数等输出的打印，控制过程的图像显示，多台控制器的联网，多级分布式控制系统的实现。 特殊功能模块通过系统与PLC完成数据以及信息上的交换，并且在PLC的控制下相应的工作需要。该模块是一个独立的系统，包含有处理器、存储器和系统程序以及相关的通信接口。 编程装置在编程装置中完成程序的编辑与调试，它系统中非常重要。同时编程装置还能实现在线检测。现在用途较为广泛的编程装置是以计算机为基础的编程装置，较之以往有更好的操作界面，使得开发系统变得更方便。 3.4 PLC输入输出设计 在进行输入输出控制设计时，应当注意系统的输入输出点数目。按照机械手的控制要求，系统需要以下输入点，他们分别为启动按钮、回原点按钮、单周期、循环按钮，机械手1下限位、机械手1上限位、机械手1左限位、机械手1右限位、机械手2上限位、机械手2下限位、机械手2左限位、机械手2右限位，工件就位信号。 系统需要输出点具体分配为: 机械手1下降、机械手1上升、机械手1左行、机械 12 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 手1右行、机械手1吸合、机械手2下降、机械手2上升、机械手2左行、机械手2右行、机械手2吸合。具体配置如表3-1所示。 表3-1 PLC输入输出分配 输入设备 对应PLC输入端口 输出设备 对应PLC输出端口 启动按钮 X0 机械手1 下降 Y0 回原点按钮 X1 机械手1 上升 Y1 停止按钮 X2 机械手1 左行 Y2 单周期/循环 X3 机械手1 右行 Y3 1号 下限位 X4 机械手1 吸合 Y4 1号 上限位 X5 机械手2 下降 Y5 1号 左限位 X6 机械手2 上升 Y6 1号 右限位 X7 机械手2 左行 Y7 2号 下限位 X10 机械手2 右行 Y10 2号 上限位 X11 机械手2 吸合 Y11 2号 左限位 X12 2号 右限位 X13 工件就位信号 X14 13 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) PLC外部电气接线图如下图3-2 图3-2PLC外部电气接线图 3.5 PLC程序设计 本次设计的重点在于对控制系统的设计，作为整个系统的关键部位，系统的优劣都是由程序来决定的，因此，程序的设计在整个系统中非常重要，本次所需要的控制程序需在三菱PLC软件内完成编辑。 三菱公司PLC的编程软件是SWPOC-FXGP/W1N和GX-Developer。本文采用的编程软件为后一种，它是三菱公司设计的在Windows环境下使用的全系列PLC编程软件，实现PLC程序的创建、上传下载、监视、诊断和调试等。该软件自带的工具非常丰富和同时拥有非常适合的操作界面，可联机操作亦可脱机编程;它具有丰富的编程语言。 14 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 另外，还可以通过该软件对以太网、MELSECNET/10(H), CC-Link,调制调解器等多种网络进行参数设定，方便地实现网络监控和通过网络系统进行程序的上传和下载。 3.5.1 程序的总体结构 机械手控制系统软件设计的程序总体结构如图3-3，分为公用程序、自动程序以及回原点程序三个部分。在自动程序中包括了连续、单周期两种工作模式。CJ(FNC00)是条件跳转应用指令，指针标号PX是其操作数。当相应的元件导通时可以跳过CJ指令和指针标号之间的程序，从标记的位置继续运行程序，提高系统的效率。当我们按下“回原点按钮”，即X1为导通状态，则控制器执行完主体程序后将跳过自动程序到P0处，由于P1处的X1触点呈断开状态，就不会跳过下面的程序。如果选择“循环”工作方式，同样只执行公用程序和自动程序。 图3-3 程序总体结构 3.5.2 公用程序 公用程序如图3-4，当X0启动时M0自锁触发自动程序部分，当X1启动时，M1自锁 15 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 触发回原点程序部分，当X2启动时，停止整个程序。 图3-4 公用程序 3.5.3 自动程序 在自动程序部分，通过相应的中间继电器的自锁来完成对应的动作，比如说按下启动按钮M0触发，当系统监测到工件信号X14闭合,M10吸时自锁，完成机械手1下降动作，到达相应位置后触发形成开关X4闭合M11吸合断开M10，来完成下一个动作。如图3-5 部分自动程序 图3-5 自动程序(部分) 16 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 3.5.3 回原点程序 如图3-6为回原点程序。当回原点按钮被触发时，分别触发M1的常闭与常开依次完成了机械手1、2的放开，及回到初始位置。 图3-6 回原点程序 17 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 4.监控系统的设计 本章主要构造了机械手的组态仿真系统，给出了详细的画面设计、动画连接、数据库建立和画面调试的过程。在本机械手控制系统中，PLC作为现场控制器来运行控制程序，程序控制结果被组态王软件采集，使得现场机械手的信号变化情况在组态王数据库内实现实时更新。同时我们还采用了触摸屏的设计来进一步方便我们本次的设计。 4.1 组态软件的选择 组态软件是一款常用的工控软件，用户不需要将精力用于专业知识的学习上，这样工作人员可将大量的精力放在控制方法的选择上。拥有组态软件的计算机系统在硬件设计上多采用成熟的接口设备，节约了时间，这很大程度上节约了开发成本，同时，随着对可靠性要求的不断提高，大量高效的组态软件得到了使用，大大提高了开发的速度。从管理角度来看，组态软件开发的系统操作界面形象而具体，极大的方便了软件的使用者。 本次设计的监控系统要对整个运行状态的实时监控，我决定使用组态王6.55这款软件，并设计了系统的监控画面、动画连接、构建了实时数据库，使系统可以对现场过程数据进行动态监视，对异常信号进行简单报警等。组态王允许同时运行多个程序，在进行其他工作时，也不会影响画面的更新。 4.2 组态王系统设计 本次监控系统的设计由以下几个方面组成:界面设计、参数定义及通信参数设置、数据库的构建、动画连接等部分。 4.2.1建立工程 建立本次系统的所需组态王工程，指定工作路径。在操作界面里，选择菜单栏“文件一新建工程”，在此完成组态王路径，工程名以及描述的设置。工程名称以及描述如图4-1所示: 18 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 图4-1 创建工程 4.2.2配置设备 在操作界面的“设备”中，点击“新建”，选择“PLC”——“三菱”——“FX2”——“编程口”;取设各名为“FX2PLC "，选择串口COM4，指定设备的地址为“0”，该地址与PLC通信参数设备程序中设定的地址要一致。以下参数都设为默认值，然后点击确定完成配置。设置完成之后可以在“COM4 "窗口的之、侧石‘到新建的外部设备" FX2PLC "。只要将事先定义好的变量与这台设备的数据连接好，就可以和仿真软件 -2所示。 交换数据。如图4 图4-2 建立设备FX2PLC 在左侧显示区中“设备”中，双击“COM4 "，对串行通信口COM4进行通信参数设置。具体参数为，波特率9600bp/s ，偶校验，7位数据位，1位停止:位，RS232通信 19 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 方式。如此保证了保证COM4同PLC的通信能够正常进行。设置如图4-3所示。 图4-3 设置串口 4.2.3定义变量 定义变量实现信号的统一，建立的变童使得组态王能够实时获知外部设备的状态，并且能够输出控制信号到机械手实现控制功能。这主要反映在，现场数据的值和状态只有通过数据库内的变量实现更新，将变化情况反映在画面上，另外，对于组态内的命令语言或其他的控制指令，也需要数据库才能送达至现场，此数据库是联系上位机和下位机的枢纽和核心。 在工程浏览模式下，单击左侧“数据库”上面的“数据词典”，双击“新建”图标，进入“定义变量”窗口，完成变量名的输入。以“工件到位信号”为例，在变量名中输入“工件到位信号”，设置变量类型为“1/0离散”，连接设备设为“FX2PLC ",寄存器设置为“X1"，数据类型为“Bit"，读写类型为“只读”，采集频率为100ms，确定后即完成一个变量的建立，如图4-4所示。 20 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 图4-4 定义变量 组态王软件中的变量定义界面一般由“基本属性”、“报警定义”、“和安全区”构成。在“基木属性”页中，我们可以对变量的名称、类型以及属性做出相应的修改。在本机械手监控系统中，每当程序中的值发生变化时，该值便会自动写入组态王系统的对应变量中，实现实时更新。所以，从PLC采集来的数据，都需要设置成“I/O变量”。 内存变量是指那些固定不变的数据，他们不需要从PLC中通信数据，如本监控系统中的“机械手1 右”等变量需要设置为内存变量。 类似地，将控制过程中需要用到的变量分别建立在数据词典中。在这次的机械手监控系统中，每当下位机PLC中应用程序中的输入输出量变化了，数据就自动写入组态王系统中对应的变量，最后以动画变化的形式反映在计算机上面。 4.2.4组态画面设计 组态王的拥有很标准的图形界面，通过编写命令语言能完成对画面运行的控制，能在变量与计算机中的动画实现连接，提高了工程人员工作的效率。 进入建立的组态王工程，选择工程浏览器左侧大纲 “文件”——“画面”，在右侧视图双击“新建”图标，即可建立画面开发系统。机械手主画面如图4-5所示。 21 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 图4-5 机械手主画面 4.2.5动画连接 通过动画设计出来的界面是静止不动的，通过“动画连接”我们能完成画面内容跟实时数据库之间的对应关系，这样当机械手运动状况发生改变时，其信号通过I/O接口，实时更新数据库中相关变量、如此我们才能形象直接地从组态王软件中观测到机械手的实际运作情况。 对于机械手1横轴，在“动画连接”的窗口中单击“水平移动”按钮，表达式中写入变量:“\\本站点\机械手1水平移动”，根据画面的设计取最小时的对应值为0，最大值时的对应值为“17”机械手1横轴的设置如图4-6所示。 22 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 图4-6 机械手1横轴设置 对于机械手1 纵轴的运动，包含有横轴方向上的移动和纵轴方向的运动，在组态动画连接里，需要用2个变量表示纵轴的，即应当设置水平移动和垂直移动这两个位置的变化，机械手1纵轴设置如图4-7。 图4-7 机械手1纵轴设置 通过以上的设置完成画面中各元件的动画连接。如此当外部数据发生变化时，通过 23 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 组态王数据库的对应变量的数值的变化，通过构造的数据库实时反映在画面上，工程人员可观测机械手的实际运行状况。 4.2.6 命令语言的编写 命令语言是一种与C语言比较相似的计算机编程语言。实现变量数据库中的变量与组态画面中各个对象间的连接，使画面能够因为外部数据变化发生改变从而出现动画的效果。 命令语言通过编辑器输入，通过组态王完成语言的执行。 (1) 事件命令语言的编程 点击“文件”大纲下面的“命令语言”选项，单击“事件命令语言”选项，再双击 “新建”图标，会出现“事件命令语言”对话框。在该对话框的“事件描述”中输 入“启动按钮=1”，单击确认按钮，则第一段时间的语言编制成功。按照此方式完 成其他事件的编制 (2) 应用命令语言的编写 在目录中选择“应用程序命令语言”，通过右侧的图标进入应用程序命令语言的编 写界面。 通过完整的监视程序可以在画面上观测机械手的运作状况。 4.3 组态系统的调试 按照上述的步骤，完成组态王工程的建设，将之切换到运行界面，初始的运行界面 如图4-8所示。当对应的信号置位时，机械手进行动作，组态王根据数据库内的变晕，将现场变化的数据反映在屏幕上，实现对机械手的形象观测。 工程初始，机械手停原位，画面如图4-8所示。 24 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 图4-8 机械手原位 -9所示 机械手吸附工件后将工件移动到切角台处如图4 图4-9 机械手1右移 25 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 工件完成切角如图4-11所示 图4-11 切角工作 机械手2右移将工件放置到成品库中，如图4-12 图4-12机械手2 右移 这就是机械手工作在传送带，切角台以及成品库之间的一套工作流程。 26 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 4.4 触摸屏的设计 在本次设计中为了方便我们的观察结果，在指导老师的建议下，我们还采用了触摸屏技术，作为我们的第二套监控方案。首先我们要在软件中加入各种元件对应的开关与指示灯。在完成了对应界面的设计之后，我们还需要将对应的开关与指示灯的软元件进行编辑例如 “启动按钮”，我们将它的软元件设置为“X0”，文本设置成“启动按钮”。如图4-13与4-14 图4-13-14 触摸屏界面设计 完成了对应的触摸屏界面的设计之后，我们还需要将程序写入到硬件之中，在写入程序时要注意对应的端口的设置。如图4-15为硬件的界面 图4-15硬件部分界面 27 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 当系统启动后检测到工件信号，机械手1开始下降，如图4-16 图4-16 机械手1下降 当机械手1下降触碰到下限位行程开关，机械手1接下来进行吸附动作以及上升动作。 -17 如图4 图4-17 28 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 5.总结与展望 本次设计的是一种在流水线上加工工件，实现工件在传送带、切角机和成品库之间的位置转移与加工的PLC控制系统。系统的控制设计不仅完成了预先的控制要求，同时实现了精准的控制。在计算机上构建的组态系统实现了对机械手的运动状态进行实时监控。 控制器采用了三菱公司的PLC，因为PLC的稳定性较好、抗干扰性能较为优越，控制性能好等优点。 在PLC控制设计部分，分析了控制系统的具体控制要求，确定了PLC的输入输出点，选取了合适的PLC主机，机械手有循环跟单周期两种工作模式，根据不同的控制要求编写了控制程序流程图以及PLC控制程序。 在计算机上通过组态王软件实现对系统的监控，构建了形象的监控画面。通过现场采集数据，完成系统地实时更新，让用户形象地看到机械手的运行状态。 在做本次的毕业设计的过程中，伴随我们的还有许多问题，在此小结并提出，方便以后的工作与学习。 第一、三思而后行，在做本次的毕设之前应当对我们的课题做相应的准备工作课题的选择尽量符合自己的专业方向、同时通过自己的努力可以进一步提高完善自己在这方面的所学。 第二、认真做好#开题报告#的研究路线环节内容，防止我们思维局限，做到在本次设计开始时心中就有较清晰的思路，做到胸有成竹。 第三、在平时学习时候把设计WORD，CAD工程制图，图像处理等方面的知识尽量掌握，为后面的工作带来方便。 通过本次设计进一步对掌握了专业知识的学习，对将来较为实用的技术有了更清晰的了解，同时锻炼了自己查阅资料，解决问题的能力，为今后的学习工作带来了宝贵的经验，是今后工作学习宝贵的财富。 29 扬州大学广陵学院本科生毕业设计(论文) 参考文献 [1] 王宇,任思璟,李忠勤编著. 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