湖工自动化机械手控制新版系统PLC专业课程设计.doc

湖 南 工 程 学 院

课 程 设 计

课程名称 电气控制和PLC
课题名称 搬运机械手电气控制系统设计
专业班级 自动化0904班
姓 名 欧阳俊文
学 号 01020427
指导老师 赖指南、刘星平、唐勇奇、谭梅

6月15日

湖 南 工 程 学 院

课程设计任务书

课程名称 电气控制和PLC
课题名称 搬运机械手电气控制系统设计
专业班级 自动化0904班
姓 名 欧阳俊文
学 号 01020427
指导老师 赖指南、刘星平、唐勇奇、谭梅
审 批 黄峰、汪超、刘星平

任务书下达日期6月4日
课程设计完成日期6月15日

设计内容和要求
一. 课程设计性质和目标
本课程设计是自动化专业教学计划中不可缺乏一个综合性教学步骤，是实现理论和实践相结合关键手段。它关键目标是培养学生综合利用本课程所学知识和技能去分析和处理本课程范围内通常工程技术问题，建立正确设计思想，掌握工程设计通常程序和方法。经过课程设计使学生得到工程知识和工程技能综合训练，取得应用本课程知识和技术去处理工程实际问题能力。
二. 课程设计内容
1.依据控制对象用途、基础结构、运动形式、工艺过程、工作环境和控制要求，确定控制方案。
2.绘制搬运机械手控制系统PLC I/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。
3.选择电器元件，列出电器元件明细表。
4.上机调试程序。5.编写设计说明书。
三. 课程设计要求
1.所选控制方案应合理，所设计控制系统应能够满足控制对象工艺要求，而且技术优异，安全可靠，操作方便。
2.所绘制设计图纸符合国家标准局颁布GB4728－84《电气图用图形符号》、GB6988－87《电气制图》和GB7159－87《电气技术中文字符号制订通则》相关要求。
3.所编写设计说明书应语句通顺，用词正确，层次清楚，条理分明，关键突出，篇幅不少于7000字。
关键设计条件

1.PLC试验设备若干。
2.参考文件若干。
设计说明书装订次序
1.课程设计说明书封面。
2.课程设计任务书。
3.说明书目录。
4.正文（按设计内容逐项书写）。
5.参考文件。
6.附录。
7.课程设计评分表。
设计进度安排
第1周：
1.星期一早晨：课题内容介绍。
2.星期一下午：仔细阅读设计任务书，明确设计任务和要求，搜集设计资料，准备设计工具。
3.星期二～星期五：确定控制方案。绘制搬运机械手电气控制系统PLC I/O接线图和梯形图，写出指令程序清单。设计控制系统工艺图纸。选择电器元件，列出电器元件明细表。
第2周：
4.星期一：上机调试程序。
5.星期二～星期五：编写设计说明书,答辩。

前 言
PLC是应用最广以计算机技术为关键自动控制装置。本设计以西门子企业S7-200PLC为基础，设计出一个简易搬运机械手控制系统。
设计第1章关键是对PLC和机械手作了一个简明介绍和对机械手控制系统进行了一个概要设计。第2章内容就是对两种最常见自动控制器件（单片机和PLC）作了简单对比，进而讲叙了PLC关键特点及应用领域。第3章关键本系统硬件电路设计，包含：PLC外部电路设计，传送带Ａ，Ｂ主电路设计，和传送带Ｂ控制电路设计。第4章是机械手控制系统软件设计，关键是依据硬件电路和搬运机械手工作原理先设计出次序功效图，进而设计出系统梯形图。第5章讲是程序调试过程，关键是程序调试过程中所碰到问题，和处理方案。
在本设计编写过程中，得到了懒指南老师悉心指导，和各位同学部分帮忙，谨在此表示衷心感谢。
因为设计者本人水平有限，设计过程中难免会有些错漏之处，恳请读者批评指正。

自动化0904 欧阳俊文
年6月15日

目 录
第1章 概述 …………………………………………………………………1
1.1 PLC介绍………………………………………………………………1
1.2 机械手概述…………………………………………………………1
1.3 机械手控制系统设计步骤 …………………………………………2
第2章 控制方案论证………………………………………………………2
2.1 PLC特点及应用领域………………………………………………2
2.2 PLC选择 …………………………………………………………3
第3章 控制系统硬件电路设计……………………………………………6
3.1 搬运机械手设计原理……………………………………………6
3.2 PLC控制面板及接口电路图………………………………………7
3.3 传送带A,B主电路图及传送带B控制电路图…………………10
第4章 控制系统软件设计…………………………………………………11
4.1 控制系统软件设计原理………………………………………11
4.2 控制系统工作循环图和次序功效图…………………………13
4.3 控制系统梯形图程序…………………………………………14
第5章 控制系统调试………………………………………………………15
5.1 控制系统调试过程………………………………………………15
结束语………………………………………………………………………16
致谢…………………………………………………………………………16
参考文件……………………………………………………………………17
附录…………………………………………………………………………18

第1章 概 述
1.1 PLC介绍
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）替换传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC功效也不停完善。伴随计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术不停发展和用户需求不停提升，PLC在开关量处理基础上增加了模拟量处理和运动控制等功效。今天PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分关键作用。通用PLC应用于专用设备时能够认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对通常嵌入式控制器而方含有更高可靠性和愈加好稳定性。实际工作中碰到部分用户原来采取嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC替换嵌入式控制器。
1.2 机械手概述
工业机械手是近几十年发展起来一个高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人一个关键分支。它特点是可经过编程来完成多种预期作业任务，在结构和性能上兼有些人和机器各自优点，尤其表现了人智能和适应性。机械手作业正确性和多种环境中完成作业能力，在国民经济各领域有着宽广发展前景。
机械手技术包含到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
1.3 机械手控制系统设计步骤
依据工艺要求确定被控系统必需完成动作,确定这些动作之间关系及完成这些动作次序。(2)分配输入、输出设备,即确定哪些外围设备是送信号给PLC,哪些外围设备是接收来自PLC信号,同时还要将PLC输入、输出点和之一一对应,对I/O进行分配。在此基础上确定PLC选型。(3)依据控制系统控制要求和所选PLCI/O点情况及高功效模块情况,设计PLC用户程序,此时可采取梯形田、助记符或步骤图语言形式用户程序。PLC用户程序表现了根据正确次序所要求全部功效及其相互关系,编程时可用编程器或计算机直接编程、修改,同时也可对PLC工作状态、特殊功效进行设定。(4)对所设计PLC程序进行调试和修改,直至PLC完全实现系统所要求控制功效。(5)保留已完成程序。

第2章 控制方案论证
2.1 PLC特点及应用领域
现在市场上最常见控制器件关键就是PLC和单片机。
单片机是一个微型计算机，顾名思义，这种计算机最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常全部藏在被控机械“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
由此可见单片机关键是应用在部分集成度高，精细电子设备当中，而对于部分大型工业设备控制，大部分还是用PLC进行控制。
PLC特点：
1. 抗干扰能力强、可靠性高。
2. 控制系统结构简单，通用性强。
3. 编程方便，易于使用。
4. 功效强大，成本低。
5. 设计、施工、调试周期短。
6. 维护方便。
PLC应用：
早期PLC关键在以开关量居多电气次序控制系统中使用，但在20世纪90年代后，PLC也被广泛地在步骤工业自动化系统中使用，一直到现在现场总线控制系统，PLC更是其中主角，起应用面越来越广.现在，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车、粮食加工、化学/制药、金属/矿山、纸浆/造纸等行业。PLC关键应用范围通常可分成以下多个：
1． 中小型电气控制系统。
2． 制造业自动化。
3． 运动控制。
4． 步骤工业自动化。
2.3 PLC选择
因为市场需求和西门子PLC广泛应用所以我选择是S7-200.我们对其进行简明说明：
S7-200系列是一类可编程逻辑控制器（Micro PLC）。这一系列产品能够满足多个多样自动化控制需要，下图展示一台S7-200 Micro PLC CPU22*系列PLCCPU外型图图2，含有紧凑设计、良好扩展性、低廉价格和强大指令，使得S7-200能够近乎完美地满足小规模控制要求。另外，丰富CPU类型和电压等级使其在处理用户工业自动化问题时，含有很强适应性。
S7-200 CPU模块包含一个中央处理器单元（CPU）、电源和数字量I/O点，这些全部被集成在一个紧凑、独立设备中。

图2-1 S7-200 CPU外型图
1.CPU负责实施程序和存放数据，方便对工业自动控制任务或过程进行控制。
2.输入和输出是系统控制点：输入部分从现场设备（比如传感器或开关）中采集信号，输出部分则控制泵、电机、和工业过程中其它设备。
3.电源向CPU及其所连接任何模块提供电力。
4.通讯端口许可将S7-200CPU同编程器或部分设备连接起来。
5.状态信号灯显示了CPU工作模式（运行或停止），本机I/O目前状态，和检验出来系统错误。
6.经过扩展模块能够增加CPUI/O点数（CPU221不能够扩展）。
7.经过扩展模块能够提供其通讯功效。
8.部分CPU含有内置实时时钟，其它CPU 需要实时时钟卡。
9.EEPROM卡能够存放CPU程序，也能够将一个CPU中程序传送到另一个CPU中。
10.经过可选插入式电池盒可延长RAM中数据存放时间。
图2-1展示了一个基础S7-200 Micro PLC.它包含一个S7-200 CPU 模块,一台个人计算机(PC),STEP 7-Micro/win32(3.1版)编程软件,和一条通讯电缆.为了使用个人计算机(PC),你必需以下一个设备:一条PC/PPI 电缆；一个通讯处理器(PC)和多点接口(MPI)电缆；一块MPI卡,随MPI卡提供一根通讯电缆。

图2-2 S7-200 Micro PLC 系统组成
PLC模块选择：采取CPU224主机和输出扩展模块EM222简明介绍对扩展模块选择。
S7-200PLCI/O扩展模块有：
1. 输入扩展模块EM221: 共有3种产品，即8点和16点DC、8点AC。
2. 输出扩展模块EM222：共有5种产品，即8点DC和4点DC、8点AC、8点继电器和4点继电器。
3. 输入/输出混合模块EM223：共有6种产品。其中DC输入/DC输出有3种，DC输入/继电器输出有三种，它们对应输入/输出点数分别为4点、8点和16点。
4. 模拟量输入扩展模块EM231。
5. 模拟量输出扩展模块EM232。
6. 模拟量输入/输出扩展模块EM235。

第3章 控制系统硬件电路设计
3.1 搬运机械手设计原理
图3-1是搬运机械手工作示意图。该机械手任务是将传送带A上物品搬运到传送带B。为使动作正确，安装了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5。分别对机械手进行抓紧、左旋、右旋、上升、下降等行程检测，并给出动作到位检测信号。另外还安装了光电开关SP。负责检测传送带A上物品是否到位。另外，还设置了起动按钮SB1和停止按钮SB2，分别用以开启和停止机械手动作。

 图3-1 搬运机械手工作示意图
传送带A、B由电动机M1、M2拖动，M1、M2分别由接触器KM1、KM2控制，机械手上、下、左、右、抓、放等动作由液压系统驱动，并分别由6个电磁阀YV1—YV6来控制。

3.2 控制面板及接口电路

图3-2 操作面板
机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方法。工作方法选择能够很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步全部要按下该工步按钮才能实现。
依据机械手控制系统要求设计出PLCI/O接口图以下：

图3-3 PLC外部接线图

3.3 传送带A,B主电路图及传送带B控制电路图
依据传送带A，B运行要求设计其主电路图以下：

图3-4 传送带A,B主电路图
依据传送带B运行要求设计其控制电路入下图：

图3-5 传送带B控制电路图
第4章 控制系统软件设计
4.1 控制系统软件设计原理
本控制系统是经过主程序（OB1）调用3个子程序：公用子程序（SBR0），手动子程序（SBR1）和单周-连续子程序（SBR2）。公用程序是用于处理多种工作方法全部要实施任务，和不一样工作方法之间相互处理。手动程序关键是用于系统设计或维修时进行单个步骤调试，而单周-连续程序是机械手正常工作情况下控制程序。另外系统预停，急停程序也是集成在单周-连续子程序中。最终，经过搬运机械手动作步序图设计出系统工作步骤图及次序功效图，进而设计出系统梯形图程序。

图4-1 搬运机械手动作步序图

4.2 控制系统工作循环图及次序功效图

图4-2 控制系统工作循环图

图4-3 控制系统次序功效图
4.3 控制系统梯形图程序（见附录）

第5章 控制系统调试

5.1控制系统调试过程
首先用电脑在STEP-7-Micro/WIN编程软件中将编辑梯形图写入软件中，然后点击运行并对其指犯错误进行修改，修改完最终运行无误后将其下载到可编程控制仪器中；其次根据设计要求接好线，确定无误后按下开启按钮。开启后发觉上行、下行、左行、右行灯均同时亮且一直亮着，这么就不符合设计中八个动作依次有序进行操作要求，务必对其进行修正。在这种情况下我采取了以下方案：
方案一：在没有确定设备是否曾在问题情况下，首先我们对设备进行了检测，发觉不曾在任何问题，在这种情况下我选择了再一次用先前步骤来完成整个过程以确定首次接线过程是否有误，结果发觉运行结果和先前一样出现灯均亮。这么方案一就以失败告终。
方案二：经过对程序再三检验后，发觉并未出现语法上错误。会不会是运行速度太快而出现一个周期接一个周期快速运行呢？在带着这个问题情况下把程序每个动作网络多家了一个stop指令加以验证，然后将程序写入STEP-7-Micro/WIN编程软件中运行，运行结果显示没有错误；再下载到可编程控制仪后接好线按下开启按钮，发觉指示灯会根据设计动作要求依次亮起而且程序也能根据设计要求完成指定单周期和多周期操作。这么利用方案二就完成了整个试验调试。

结束语
经过这次机械手设计让我知道了现代企业在完成自动化控制中离不开PLC控制，它能够使企业在生产同时降低劳动力和生产成本。现在中国很多地域企业整个生产设备还比较落后且大部分工序全部是经过人工来完成，而机械手成本比较低且操作简单很适合中小企业发展要求。但伴随科技不停进步我相信多功效复杂机械手将会在很快未来出现，所以在以后学习和生活中我们还要不段学习和创新，只有这么
能设计出更符合现代社会所需求产品。

参考文件
[1]廖常初.可编程序控制器编程方法和工程应用[M].重庆：重庆大学出版社
[2]万太福.可编程序控制器及其应用[M]. 重庆：重庆大学出版社
[3]刘祖润.毕业设计指导.北京：机械工业出版社
[4]谢桂林.电力拖动和控制. 北京：中国矿业大学出版社
[5]工厂常见电气设备手册编写组.工厂常见电气设备手册. 北京：水利电
力出版社

致 谢
担心充实课程设计就要结束了，大学三年生活也到了尾声。回想起以往美好时光，此时感慨万千，首先感谢指导老师赖老师在课程设计中对我帮助，激励和精心指导，赖老师治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄廓，关键是指导有方严格我们要求，为我营造了一个良好精神气氛。置身赖老师指导过程中，不仅我思想观念焕然一新，也改善了我思索方法，而且还明白了很多待人接物和为人处世道理。其严以律己，宽以待人高尚风范，朴实无华、平易近人人格魅力，令我如沐春风，倍感温馨。一股暖意细水长流，源自内心而又沐润全身，微言寸语岂能祥诉感激之情，只好铭记心中，唯有虔诚祝福老师合家欢乐，一生平安。同时，也将祝福送给每一位帮助我师长。同时感谢我同学在我课程设计过程其中对我莫大激励。谢谢你们，我全部老师和同学。最终衷心祝福你们工作顺利、家庭幸福、身体健康！

附录
梯形图程序
主程序OB1：

公用子程序SBR0：

手动子程序SBR1：

自动子程序SB2：

语句表程序

主程序OB1
LD SM0.0
CALL SBR0
Network 2
LD I0.0
CALL SBR1
Network 3
LD I0.1
O I0.2
CALL SBR2

公用子程序SBR0
LD I0.7
A I1.1
AN I0.6
= M2.0
Network 2
LD SM0.1
O I0.0
LPS
A M2.0
S M0.0, 1
LPP
AN M2.0
R M0.0, 1
Network 3
LD I0.0
R M0.1, 10

手动子程序SBR1
LD I1.5
AN Q0.0
AN Q0.2
AN Q0.3
AN Q0.4
AN Q0.5
AN Q0.6
AN I1.2
= Q0.1
LD I2.4
AN Q0.0
AN Q0.1
AN Q0.2
AN Q0.3
AN Q0.4
AN Q0.5
AN I1.3
= Q0.6
LD I2.2
AN Q0.0
AN Q0.2
AN Q0.3
AN Q0.5
AN Q0.6
AN Q0.1
AN I0.6
S Q0.4, 1
LD I1.4
AN Q0.1
AN Q0.2
AN Q0.3
AN Q0.4
AN Q0.5
AN Q0.6
AN I1.1
= Q0.0
LD I2.1
AN Q0.0
AN Q0.1
AN Q0.2
AN Q0.4
AN Q0.5
AN Q0.6
AN I1.0
= Q0.3
LD I2.3
AN Q0.0
AN Q0.1
AN Q0.2
AN Q0.3
AN Q0.4
AN Q0.6
R Q0.5, 1
LD I2.0
AN Q0.0
AN Q0.1
AN Q0.3
AN Q0.4
AN Q0.5
AN Q0.6
AN I0.7
= Q0.2

自动子程序SB2
LD I0.4
O M2.1
AN I0.3
AN M0.0
= M2.1
LD I0.5
O M2.2
AN I0.3
= M2.2
S M0.0, 1
R M0.1, 10
LD SM0.1
O I0.0
A M2.0
LD M1.2
AN C0
LD I0.7
A I0.2
A M2.1
AN C0
A M1.1
OLD
O M0.0
OLD
AN M0.1
= M0.0
LD M0.0
A I0.3
LD I0.7
A I0.2
AN M2.1
AN C0
A M1.1
OLD
O M0.1
AN M0.2
= M0.1
LD M0.1
A I1.2
O M0.2
AN M0.3
= M0.2
= Q0.6
LD M0.2
A I1.3
O M0.3
AN M0.4
= M0.3
= Q0.4
LD M0.3
A I0.6
O M0.4
AN M0.5
= M0.4
LD M0.4
A I1.1
O M0.5
AN M0.6
= M0.5
= Q0.3
LD M0.5
A I1.0
O M0.6
AN M0.7
= M0.6
LD M0.6
A I1.2
O M0.7
AN M1.0
= M0.7
TON T37, 10
= Q0.5
LD M0.7
A T37
O M1.0
AN M1.1
= M1.0
LD M1.0
A I1.1
O M1.1
AN M0.0
AN M1.2
= M1.1
= Q0.2
LD M1.1
LD M1.0
CTU C0, 2
LD I0.1
O C0
A I0.7
A M1.1
O M1.2
AN M0.0
= M1.2
LD M0.1
O M0.6
= Q0.1
LD M1.0
O M0.4
= Q0.0

元器件清单
序号
名称
代号
型号
关键参数
数量
1
按钮
SB1~SB10
LA2
额定电压500V 额定电流5A 1对常开触点 1对常闭触点
10
2
刀开关
QS
HD13B-200/3
额定电流200A
1
2
行程开关
SQ1~SQ5
JLXK1-111
额定电压500V 额定电流5A 1对常开触点 1对常闭触点
5
3
断路器
QF
DZ10-100
额定电流100A
1
4
电磁继电器
YV1~YV6
JZ7-22
额定电流500V 额定电流5A 2对常开触点 2对常闭触点
6
5
热继电器
FR1~FR2
JR0-20/3
额定电流20A
2
6
交流接触器
KM1~KM2
CJ10-10
额定电压500V 额定电流10A 常开触头3对 辅助触头2常开2常闭
2
7
熔断器
FR
RL1-60
额定电流60A 断流容量（交流）5000A
1
8
三相鼠笼式电动机
M1~M2
Y112M-2
额定功率4KW
2
9
可编程控制器
S7-200PLC CN
CPU224XP CN
数字量I/O口14入10出
1
10
数字量扩展模块
EM223CN
EM223 CN，4输入DC24V
/4继电器输出
数字量I/O口4输入4输出
1

电气信息学院课程设计评分表
项 目
评 价
优
良
中
及格
差
设计方案合理性和发明性（10%）

开发板焊接及其调试完成情况*（10%）

硬件设计或软件编程完成情况（20%）

硬件测试或软件调试结果*(10%)

设计说明书质量(20%)

答辩情况(10%)

完成任务情况(10%)

独立工作能力(10%)

出勤情况(10%)

综 合 评 分

指导老师署名：________________
日 期：________________
注：①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
②此表装订在课程设计说明书最终一页。课程设计说明书装订次序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小图纸及程序清单）