PLC对机械手的控制设计-可编程序控制技术综合实训

可编程控制器是在继电接触控制器的基础上，结合先进的微机技术发展起来的一种新型的工业控制机。它发展迅速，应用广泛，特别适合于顺序控制，是机械自动化中一种基础的控制设备。它将填补继电接触控制与微机数控之间的一大块空白。

机械手系统是工业生产过程中常用的自动化设备，可以完成零组件的组装，检测，移送等任务。本文以机械手系统模型为例，论述了机械手的结构组成及工作原理，提出了五种工作方式的控制要求，并针对这些控制要求提出了以S7-200型PLC为控制器的控制方案，进而阐述了PLC控制系统的设计过程以及步进程序的梯形图实现方法，最后在机械手系统上进行了调试。实践证明，此机械手能按预定的顺序动作，设计方案合理，控制特性良好，对应用PLC进行工业设计有一定的借鉴作用.

1.PLC简介

1.1 PLC的发展及其应用

1.2PLC的基本结构

1.3 PLC的工作原理

1.4课题的选题背景和意义

2.机械手简介

2.1 概述

2.2机械手的发展史

2.3机械手前景展望

2.4 机械手的组成

2.5机械手的分类

2.6 机械手的应用

3.机械手的控制方案与选择

3.1. 控制要求

3.2 控制特点

3.3 注意事项

3.4 机械手的控制系统设计方案的比较

4.PLC对机械手的控制

4.1.PLC的选型

4.2 PLC容量的选择

4.3 I/O分配表

4.4主电路图

4.5 I/O接线图

4.6流程图

5.机械手的软件设计

5.1 软件的组成及作用

5.2 继电器功能

5.3操作系统

5.3.1回原位程序

5.3.2手动单步操作程序

5.3.3自动操作程序

5.4操作面板的设计

5.5 程序的运行与调试

总   结

致   谢

在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。

本课题拟开发物料搬运机械手，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等；电气方面由交流电机、变频器、操作台等部件组成。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。

由于时间仓促和个人水平限制，我的设计存在着许多还没来得及解决的问题，希望广大老师、同学能够给予批评指正并予以解决。

可编程控制器（简称PLC）：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。

控制用计算机。它在很大程度上使得工业自动化设计从专业设计院走进了工厂和矿山，变成了普通工程技术人员力所能及的工作。再加上它体积小、可靠性高、抗PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数核和算术运算等操作的指令，并能通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

相对一般意义上的计算机，可编程控制器并不仅仅具有计算机的内核，它还配置了许多使其适用于工业控制的器件。它实质上是经过一次开发的工业干扰能力强等优点，PLC已在工业控制中获得了广泛的应用。

比较以前的继电接触器或普通计算机，PLC具有它的很多优点，如：可靠性高，抗干扰能力强，体积小，重量轻，能耗低，功能完善，易学易用，系统设计、施工、调试周期短等。目前PLC已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

PLC诞生不久即显示了其在工业控制中的重要地位，如日本、德国、法国等国家相继研制成各自的PLC。PLC技术随着计算机和微电子技术的发展而迅速发展，由最初的1位机迅速发展为8位机。随着微处理器CPU和微型计算机技术在PLC中的应用，形成了现代意义上的PLC。现在的PLC产品已使用了16位、32位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多通道处理，通信技术PLC的应用得到进一步发展。

权威人士预计，21世纪，可编程控制器会有更大的发展，从技术上来看，计算机技术的新成果会更多的应用于可编程控制器的设计及制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现。从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展。从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐备。完美的人机界面、完备通讯设备会更好地适应各种工业控制场合的需求。从

市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言。这是有利于可编程技术的发展及可编程产品普及的。

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的基本结构如下图所示：

1.中央处理单元(CPU)  

中央处理单元 (CPU)是PLC的控制核心。它按照PLC系统程序赋予的功能：a. 接收并存储从用户程序和数据；b.检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式采集现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象寄存区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算并将结果送入I/O映象寄存区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象寄存区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

2存储器

可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。存放系统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序）的存储器称为系统程序存储器；存放用户程序（用户程序存和数据）的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。

PLC常用的存储器类型 ：

（1）RAM （Random Assess Memory） 这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。

（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。

（3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。

PLC存储空间的分配 ： 虽然各种 PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：

（1）系统程序存储区

（2）系统RAM存储区（包括I/O映象寄存区和系统软设备等）。

（3）用户程序存储区

系统程序存储区：在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在 EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的性能。

系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象寄存区以及各类软元件，如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等存储器。

（1）I/O映象寄存区：由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象寄存区。一个开关量I/O占用存储单元中的一个位，一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字。因此整个I/O映象寄存区可看作两个部分组成：开关量I/O映象寄存区；模拟量I/O映象寄存区。

（2）系统软元件存储区 ：除了I/O映象寄存区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软元件（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和失电不保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会丢失；后者当PLC断电时，数据被清零。

（3）用户程序存储区 ： 用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同类型的 PLC，其存储容量各不相同。

3 输入接口电路

输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实习室涉及到的信号当中，开关量最普遍，也是实验条件所限，在次我们主要介绍开关量接口电路。

可编程序控制器优点之一是抗干扰能力强。这也是其I/O设计的优点之处，经过了电气隔离后，信号才送入CPU执行的,防止现场的强电干扰进入。如下图就是采用光电耦合器(一般采用反光二极管和光电三极管组成)的开关量输入接口电路：

4 .输出接口电路

可编程序控制器的输出有：继电器输出(M)、晶体管输出(T)、晶闸管输出(SSR)三种输出形式。

输出接口电路的隔离方式：  

输出接口电路的主要技术参数

a.响应时间   响应时间是指PLC从ON状态转变成OFF状态或从OFF状态转变成ON状态所需要的时间。继电器输出型响应时间平均约为10ms；晶闸管输出型响应时间为1ms以下；晶体管输出型在0.2ms以下为最快。

b.输出电流    继电器输出型具有较大的输出电流，AC250V以下的电路电压可驱动纯电阻负载2A/1点、感性负载80VA以下（AC100V或AC200V）及灯负载100W以下（AC100V 或200V）的负载；Y0、Y1以外每输出1点的输出电流是0.5A，但是由于温度上升的原因，每输出4合计为0.8A的电流，输出晶体管的ON电压约为1.5V，因此驱动半导体元件时，请注意元件的输入电压特性。Y0、Y1每输出1点的输出电流是0.3A，但是对Y0、Y1使用定位指令时需要高速响应，因此使用10—100mA的输出电流；晶闸管输出电流也比较小，FX1S无晶闸管输出型。

c.开路漏电流   开路漏电流是指输出处于OFF状态时，输出回路中的电流。继电器输出型输出接点OFF是无漏电流；晶体管输出型漏电流在0.1mA以下；晶闸管较大漏电流，主要由内部RC电路引起，需在设计系统时注意。

输出公共端（COM）  公共端与输出各组之间形成回路，从而驱动负载。FX1S有1点或4点一个公共端输出型，因此各公共端单元可以驱动不同电源电压系统的负载。

5．电源

PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。如FX1S额定电压AC100V—240V，而电压允许范围在AC85V—264V之间。允许瞬时停电在10ms以下，能继续工作。

一般小型PLC的电源输出分为两部分：一部分供PLC内部电路工作；一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。因此PLC对电源的基本要求：

①能有效地控制、消除电网电源带来的各种干扰；

②电源发生故障不会导致其它部分产生故障；

③允许较宽的电压范围；

④电源本身的功耗低，发热量小；

⑤内部电源与外部电源完全隔离；

⑥有较强的自保护功能。

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。

1输入刷新阶段

在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。

2程序执行阶段

在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。

3 输出刷新阶段

当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。

由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。实际上，除了执行程序和I/O刷新外，PLC还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”，一般在程序执行之后进行。综上述，PLC的扫描工作过程如图所示：

显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象，这个一般PLC都会采取高速模块。

总之，PLC采用扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一，我们在学习和使用PLC当中都应加强注意。

伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。机械手在不同的作业场合，尤其是在特殊的环境背景下，为人类活动的顺利快速进行带来了极大的方便和益处，尤为明显的是在工业及军事领域内。工业中大量的生产活动，存在着很多不便于人类操纵的环节，特别是在工作环境较危险的情况下，如果使用具有远程控制功能的机械手，则可以增加系统的安全性，大大的节约损耗，提高效率。可见，在自动化、工业化进程中，在特殊背景环境中使用机械手已成为一种必然的趋势。

机械手首先是由美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出了第一台机械手。机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。

1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。

1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。

联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。

前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。

目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。

第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。

第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。

机械手目前多数应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按事先制订的程序完成操作，但普通不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，将引起零件甚至机械手本身的损坏。

为此，机械手发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手，设它拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化作相应的变更，如位置发生稍些偏差时即能更正，并自行检测。重点是研究视觉功能，将机械手和柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前的机械制造系统的人工操作状态。

机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。另外，机械手在锻造工业中的应用不仅能进一步发展锻造设备的生产能力，而且还能改善热、累等劳动条件。

如下图所示为某生产车间中自动化搬运机械手，用于将左工作台上的工件搬运到右工作台上。机械手的全部动作由液压驱动。液压泵由电磁阀控制，其上升/下降、左移/右移运动由双线圈两位电磁阀控制，即上升电磁阀得电时机械手上升，下降电磁阀得电时机械手下降。夹紧/放松运动由单线圈两位电磁阀控制，线圈得电时机械手夹紧，断电时机械手放松。

为便于控制系统调试和维护，本控制系统应有手动功能和显示功能。当手动/自动转换开关置于“手动”位置时，按下相应的手动按钮，就可实现上升、下降、左移、右移、夹紧、放松的手动控制。当机械手处于原位时，将手动/自动转换开关置于“自动”位置时，进入自动工作状态，手动按钮无效。

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式。工作方式的选择可以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，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。

（1）上升和下降

机械手上升或下降的动作都要到位，否则不能进行下一个工作步。上升或下降的动作用单线圈电磁阀控制。

（2）夹紧和放松

机械手夹紧和放松的动作必须在两个工位处进行，且其动作都要到位。为了确保夹紧和放松的动作可靠性，需对这两个动作进行定时。加紧和放松动作由单线圈的电磁阀控制，电磁阀线圈的得电为夹紧，失电为放松。

（3）左行和右行

自动方式时，机械手的左、右运动必须在压动上限位开关后才能进行；机械手的左、右运动都必须到位，以确保在左工作台取到工件并在右工作台下放下工件。可使用上限位开关、左上限位开关和右上限位开关进行控制。左行、右行的动作由单线圈电磁阀控制。

（4）自动运行

自动方式下误操作的禁止：自动方式时，按一次起动按钮自动运行方式开始后，再按别的操作按钮错误操作，程序对错误操作不予响应。

（5）手动运行

手动运行时，只有按下单步上升、单步下降、单步左行、单步右行、手动夹紧放松时机械手会动作，同样再按别的操作按钮错误操作，程序对错误操作不予响应。

在工业自动化生产中常用的控制系统有：传统的继电器—接触器控制系统、PLC控制系统和微机控制系统这三种。但从使用性、经济性、可靠性出发，本设计选用了PLC。因为从上述该机械手所需完成的控制动作分析来看，本机械手是用于各种传感器在复杂的条件下工件的传输，主要动作是上升、下降、左移、右移、夹紧、放松和工序延时控制等，控制动作基本上是以简单的顺序逻辑动作为主。是属典型的继电逻辑顺序动作控制系统，这是PLC最擅长的功能，而且PLC具有体积小、重量轻、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、易于维护等特点，特别是替代继电器控制系统，这更是它的优势。

(一) 机型的选择

PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。

整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。

(二)输入输出模块的选择

输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。              

从机械手控制信号分析可知,机械手输入是位置开关信号,上/下限位开关、左/右限位开关等它们都是开关量,而输出主要是5个电磁阀线圈,以控制机械手的左移、右移、上移、下移、夹紧、放松的气路的通断

(三)电源的选择

PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。

    如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。

(四)存储器的选择

由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。

（五）冗余功能的选择

1．控制单元的冗余

    (1)重要的过程单元：CPU（包括存储器）及电源均应1B1冗余。

(2)在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、二重化或三重化冗余容错系统等。

2.I/O接口单元的冗余

    (1)控制回路的多点I/O卡应冗余配置。

(2)重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。

(3)根据需要对重要的I/O信号，可选用2重化或3重化的I/O接口单元。

(六)经济性的考虑

    选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。

输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。

存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。

存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。

分析系统控制要求，系统可以选择自动和手动工作方式，其输入信号有启动、停止、上限行程、左上限行程、A下限行程、右上限行程、B下限行程、手动运行、自动运行、单步上升、单步下降、单步左移、单步右移、手动夹紧、手动放松共15个按钮信号。输出有夹紧、上升、下降、报警指示、右行、左行、原点指示共7个信号。由此可知，系统所需的输入点数为15，输出点数为8，且都是开关量。

根据以上分析，此系统属于小型单机控制系统，I/O分配表如下表4.1所示：

根据控制系统要求设计主电路，如图4.1所示，系统要用到三个电磁阀，对电磁阀A B C 要求其能实现换向，B实现机械手的上下运动，A实现机械手的左右运动，C实现机械手的抓紧与放松。当B接通时电磁阀单向导通，机械手向上运动，当B断开时 电磁阀换向导通，机械手向下运动。当A接通时电磁阀单向导通，机械手向左运动，当A断开时 电磁阀换向导通，机械手向右运动。当当C接通时电磁阀单向导通，机械手抓紧，当C断开时 电磁阀换向导通，机械松开。

系统通过组合开关QS来实现主电路的通断，通过熔断器FU实现短路保护。

根据I/O分配表，画出系统的I/O接线图，如图4.2所示。另外接线图中添加了信号灯，分别来作为机械手在A下限、左上限、上限、右上限、B下限的状态指示，输出接口中Y4接有报警显示灯，Y7接有原点位置指示灯:

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PLC的软件由系统程序和用户程序组成。

系统程序由PLC制造厂商设计编写的，并存入PLC的系统存储器中，用户不能直接读写与更改。系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。

PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言，根据控制要求编制的程序。在PLC的应用中，最重要的是用PLC的编程语言来编写用户程序，以实现控制目的。PLC编程语言是多种多样的，对于不同生产厂家、不同系列的PLC产品采用的编程语言的表达方式也不相同，但基本上可归纳两种类型：一是采用字符表达方式的编程语言，如语句表等；二是采用图形符号表达方式编程语言，如梯形图等。 以下简要介绍几种常见的PLC编程语言。

1.梯形图语言

梯形图语言是在传统电器控制系统中常用的接触器、继电器等图形表达符号的基础上演变而来的。它与电器控制线路图相似，继承了传统电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，具有形象、直观、实用的特点。因此，这种编程语言为广大电气技术人员所熟知，是应用最广泛的PLC的编程语言，是PLC的第一编程语言。

如图5.1所示是传统的电器控制线路图和PLC梯行图。

               

从图中可看出，两种图基本表示思想是一致的，具体表达方式有一定区别。PLC的梯形图使用的是内部继电器，定时／计数器等，都是由软件来实现的，使用方便，修改灵活，是原电器控制线路硬接线无法比拟的

2.语句表语言

这种编程语言是一种与汇编语言类似的助记符编程表达方式。在PLC应用中，经常采用简易编程器，而这种编程器中没有CRT屏幕显示，或没有较大的液晶屏幕显示。因此，就用一系列PLC操作命令组成的语句表将梯形图描述出来，再通过简易编程器输入到PLC中。虽然各个PLC生产厂家的语句表形式不尽相同，但基本功能相差无几。以下是与图5中梯形图对应的（FX系列PLC）语句表程序。

步序号 指令 数据

0 LD X1

1 OR Y0

2 ANI X2

3 OUT Y0

4 LD X3

5 OUT Y1   

可以看出，语句是语句表程序的基本单元，每个语句和微机一样也由地址（步序号）、操作码（指令）和操作数（数据）三部分组成。

3.逻辑图语言

逻辑图是一种类似于数字逻辑电路结构的编程语言，由与门、或门、非门、定时器、计数器、触发器等逻辑符号组成。

4.功能表图语言

功能表图语言（SFC语言）是一种较新的编程方法，又称状态转移图语言。它将一个完整的控制过程分为若干阶段，各阶段具有不同的动作，阶段间有一定的转换条件，转换条件满足就实现阶段转移，上一阶段动作结束，下一阶段动作开始。是用功能表图的方式来表达一个控制过程，对于顺序控制系统特别适用。5.高级语言

随着PLC技术的发展，为了增强PLC的运算、数据处理及通信等功能，以上编程语言无法很好地满足要求。近年来推出的PLC，尤其是大型PLC，都可用高级语言，如BASIC语言、C语言、PASCAL语言等进行编程。采用高级语言后，用户可以像使用普通微型计算机一样操作PLC，使PLC的各种功能得到更好的发挥。

IST指令中的S20和S26用来指定在自动操作中用到的最小和最大状态继电器的原件号，IST中的源操作数可取X、Y和M,图8中IST指令的源操作数X020用来指定与工作方式有关的输入继电器的首元件，它实际上指定从X020开始的8个输入继电器的意义如表5.1所示:

X020-X024中同时只能有一个处于接通状态，必须使用选择开关，以保证这5个输入不可能同时为ON

IST指令的执行条件满足时，初始状态继电器S0-S2和下列特殊辅助继电器被自动指定为以下功能，如表5.2所示，以后即使IST指令的执行条件变为OFF，这些元件的功能仍保持不变。

  如果改变了当前选择的工作方式，在“回原点方式”标志M8043变为ON之前，所有的输出继电器将变为OFF。

操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序其原理是：

把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，Y5驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。之后，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。

回原位程序如图5.2所示。用S10~S12作回零操作元件。应注意，当用S10~S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。

  　如图5.3所示。图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。

自动操作状态转移见图5.3所示。当机械手处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动下降Y0，当到达下限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动Y1置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。S23驱动Y3右移。

移到最右位，X3接通，状态转移到S24下降。下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S26上升。上升到最高位，X2接通，状态转移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。

在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。

系统调试分模拟调试和联机调试

硬件部分的模拟调试可在断开主电路的情况下，主要试一试手动控制部分的可靠性。软件部分的模拟调试可借助于模拟开关和PLC输出端的指示灯进行。需要模拟量信号I/O时，可用电位器和万用表进行。调试时，可利用上述外部设备模拟各种现场开关和传感器的状态，然后观察PLC的输出逻辑是否正确。如果有错误则修改程序后反复调试。现在PLC的主流产品都可在PC上编程，并可在PC上进行模拟调试。

连机调试时，可把编制好的程序下载到现场的PLC中。有时PLC也许只有一台，这时就要把PLC安装到控制柜相应的位置上。调试时一定要先将主电路断开，只对控制电路进行连机调试。通过现场连机调试信号的接入常常会发现软硬件中的问题，有时厂家对某些控制功能进行改造，反复调试后，控制系统才能交付使用。

根据控制要求，其工作方式共有五种，由于五种方式不是同时运行，为了操作明确，要设置切换装置。从人和设备的安全角度上考虑，设备发生紧急异常状态。启动和急停按钮与PLC运行程序无关。这两个按钮用来接通和断开PLC外部负载的电源。根据控制要求和安全需要，设计控制面板。机械手的操作面板如图5.5所示，选择开关分五档与五种方式对应，上升、下降、左移、放松、夹紧几个步序一目了然。机械手具有手动、自动和回原位五种工作方式，用开关SA进行选择。手动工作方式时，用各操作按钮（SB1、SB2、SB3、SB4、SB5、SB6、SB7、SB8、SB9、SB10、SB11）来点动执行相应的各动作；自动工作方式时，动作将自动执行；返回原位工作方式时，按下“回原位”按钮SB11，机械手自动回到原位状态。

a．将梯形图程序输入计算机。

b．对程序进行试运行。

（1）将转换开关SA旋至“手动”档，按相应的动作按钮，观察机械手动作情况。

（2）将转换开关SA旋至“回原位”档，按回原位按钮，观察机械手是否回原位。

（3）将转换开关SA旋至“单步”档，每按一次启动按钮，观察机械手是否向前执行下一个动作。

（4）将转换开关SA旋至“单周期”档，每按一次启动按钮，观察机械手是否运行一个周期就停下来。

（5）将转换开关SA旋至“连续”档，按下启动按钮，观察机械手是否连续运行。

C．记录调试程序结果并对不足之处进行修改。

d．最后再进行考机运行，一般连续运行72小时以上，以考核电气及机械运行是否稳定可靠。

经过两个星期的实训，机械手PLC控制系统的程序，已成功地通过了模拟手动、单步、单周期、连续等运行的调试，证明本设计的硬件、软件部分基本都能达到预期要求，能可靠地控制机械手动作，达到机械手所要求的技术性能。

系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习和探索的过程。在这过程中，我对利用可编程控制器进行控制系统的设计与开发有了深刻的的认识，对机械手的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了切身的认识和体会，并在学习和实训过程中增长了知识，丰富了经验。控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析、系统设计、系统实施、系统运行与调试的过程来进行。系统的分析与设计是一项很辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程。在设计过程中，要边学习，边实践，遇到新的问题就不断探索和努力，即可使问题得到解决。

同时，在本次实训中，也深刻体会到理论和实践相集合的重要性。虽然之前收集了大量的资料但在实际应用中却有很大差异，出现了许多意想不到的问题。但经过长时间的摸索最终还是设计出达到要求的系统。由于时间紧迫，有些设计工作还有待完善，在以后的工作中我会继续努力,不断提高自己的技术水平，以适应未来的激烈竞争形势。

通过这次实训，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题的全面系统的锻炼。我学到了很多书本上学不到的实践知识，尤其对电子硬件、电路设计有了更深刻的理解，了解了设计一个产品从方案的选择到最终产品的一系列的设计阶段，了解了产品的调试技术。使我真正体会到理论和实践相结合的重要性。

在此有无数感谢。

首先，感谢我的父母。是他们教会我做人做事的道理，他们的谆谆教导是.我前进的强大动力和坚实后盾。

感谢大学三年里教育过我的老师， 那些曾经的岁月，曾经的年华，我们一起走过的路。

感谢我的同学。无论是教室里的如切如磋，餐桌旁的高谈阔论。还是寝室里的欢声笑语，都留下了我们最美好的回忆。这是我最宝贵的财富之一。

实训中既动脑、，又动手，是一个理论与实际结合的过程。仅仅有理论是不够的，更重要的是实际的，是我们所设计的实物，具有设计合理，经济实用的优点。这就需要我们设计者考虑问题是要仔细、周密，不能有丝毫的大意。对设计方案的优越化，也需要我们综合各方面的因素考虑，尤其是实际。再次像教育指导我的老师及同学表示诚挚的感谢！

鉴于本人所学知识有限，经验不足，又是初次研究这种复杂的设计，在此过程中难免存在一些错误和不足之处，恳请各 位老师给予批评和指正。

【1】张云刚，宋小春.PLC职业技能培训及视频精讲西门子STEP7.北京：人民邮电出版社，2010.10

【2】柴瑞娟.西门子PLC编程技术及工程应用.北京：机械工业出版社2007.3

【3】谢丽萍，王占富，岂兴明.西门子S7-200系列PLC快速入门与实践.北京：人民邮电出版社，2004.4

【4】刘美俊，西门子PLC编程及应用.北京：机械工业出版社2011.