河南機電高等�？茖W校PLC課程設計

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河南機電高等專科學校PLC課程設計

河南機電高等�？茖W校

河南機電高等�？茖W校PLC課程設計

課程設計報告書

課程名稱：

課題名稱：系部名稱：專業班級：

姓名：學號： 2014年 07月4日

機械手電氣控制系統設計

設計任務書

設計目的：

1、學習PLC電氣控制系統的開發過程和系統設計思路；

2、鍛煉實際應用程序開發能力；

3、提高電氣制圖、流程圖繪制及辦公文檔編輯能力。

控制要求：

1) 基本要求：

? 設置機械手復位按鈕

機械手每次的工件輸送過程，都應該從初始位置開始。定義右轉到位、上行到

位、退回到位及手指張開到位同時滿足時為機械手初始位置。

開機運行時，機械手應該首先自動回到初始位置；若遇到特殊情況，機械手停

在非初始位置，按下復位按鈕即可實現復位。

? 設置單步/連續切換開關

在單步模式下

按下啟動按鈕(若機械手處于初始位置，則開始運行；否則，按下復位鍵，使機械手復

位)右轉+上行+退回+手指張開?伸出?下行1?手指夾緊?上行1?左轉1?下行

2?手指張開?上行2?退回?左行2?停止

注：以上連貫動作實現時，某些動作(見上述動作字體加粗部分)可以同時進行。

在連續模式下

按下啟動按鈕，上述動作依次發生，但回到初始位置之后，繼續下一個工件的

傳輸過程。

連續模式下，按下停止按鈕，待本次工件傳輸工作結束后，停止運行。

2) 提高要求

i) 編制四個驅動電機的保護程序。要求自動檢測電機是否處于堵轉狀態。

PLC技術與工程應用課程設計

ii) 若電機處于堵轉狀態，應立即停止系統工作，并點亮故障報警燈；故障

排除后，按下復位按鈕，故障報警燈熄滅；

iii) 連續運行模式下，統計傳輸工件的個數，存儲于PLC的V型數據區，以

備組態監控使用，也可用狀態表監視其狀態變化。

3) 高級要求

利用上位機組態軟件組態監控畫面，或利用觸摸屏組態監控畫面，監控機械手

的生產過程。

具體要求如下：

1. 顯示當前年、月、日、時、分、秒，顯示作者姓名、專業、學號；

2. 設置一個單步/連續功能切換按鈕，對應有2個指示燈，當前動能單步時，單

目指示燈亮；當前功能連續時，連續指示燈亮；

3. 每個電機都設置2個指示燈，當對應電機發生動作時，對應指示燈亮；

4. 設置啟動、停止、2個按鈕以及2個指示燈，表示當前處于什么狀態；

5. 設置復位按鈕，清零所有狀態，機械手回到最初位置；

6. 設置4個驅動電機故障指示燈，若電機處于堵轉狀態，點亮故障報警燈；故障

排除后，按下復位按鈕，故障報警燈熄滅；

7. 設置物料個數顯示框，用于顯示已經傳輸完成多少個物料；

機械手電氣控制系統設計

目錄 .......................................................................................................... 1

1 設計思路 ......................................................................................... 3

1.1 涉及 ................................................................................................................ 3

1.1.1 西門子S7200PLC ................................................................................... 3

1.1.2 機械手 ...................................................................................................... 3

1.1.3 輸出驅動單元 .......................................................................................... 3

1.1.4 輸入檢測單元 .......................................................................................... 3

1.2 涉及功能 ....................................................................................................... 3

1.2.1 驅動部分 .................................................................................................. 3

1.2.2 顯示部分 .................................................................................................. 3

1.2.3 系統結構框圖 .......................................................................................... 4

2 硬件電路設計 ............................................................................... 5

2.1 本設計的電氣原理圖 ............................................................................... 5

2.1.1 輸入接口 ..............................................................第一文庫網.................................... 5

2.1.2 輸出接口 .................................................................................................. 5

2.1.3 PLC接口電路 ......................................................................................... 6

2.2 I/O分配表 ................................................................................................... 7

3 軟件設計 ......................................................................................... 9

3.1 總流程圖 ....................................................................................................... 9

3.2 單目模式流程圖 .......................................................................... 10

3.3 流程圖說明 ................................................................................. 11

3.3.1 總流程圖說明 ........................................................................................ 11

3.3.2 單目模式流程圖說明 ............................................................................ 11

3.3.3 重要程序及說明 .................................................................................... 11

PLC技術與工程應用課程設計

4 程序調試 ............................................................................ 12

4.1 調試設備 ...................................................................................... 12

4.2 遇到的問題與解決方法 .............................................................. 12

心得體會 ............................................................................ 13

附錄1 參考文獻 ....................................................................... 14

附錄2 程序 ............................................................................... 15

機械手電氣控制系統設計

1 設計思路

1.1 涉及硬件

1.1.1 西門子S7200PLC

SIMATIC S7-200 是一款適用于機器以及工廠中開環和閉環控制任務的小型

PLC。它可以最低的成本，實現最大的自動化性能，以最低的成本提供最大自動

化性能的微型控制器。

SIMATIC S7-200 的應用范圍廣泛，從取代繼電器和接觸器，到單機模式、組

網以及分布式組態中處理復雜的自動化任務，安裝、編程和操作都非常簡單，大

規模集成，節省空間，功能強大，既可用于簡單的控制任務，也可以用于復雜的

自動化任務，所有 CPU 都可在獨立模式、網絡和分布式結構內使用。

適用于可編程控制器過去在經濟上不可行的應用，顯著的實時性能，以及強大

的通信功能 (PPI、PROFIBUS-DP、AS-i 接口)。

1.1.2 機械手

機械手是工業生產過程中常見的自動化設備，它具有工件的自動取拿、移動和

輸送功能。機械手機構控制涉及了PLC、傳感器、電機驅動等技術。該設備可以實

現手臂的左右擺動、伸出與退回、上下移動、機械手指的夾緊與張開等四自由度

動作。

1.1.3 輸出驅動單元

該設備四自由度動作由四臺直流電動機驅動，每臺電動機可進行正反轉運行。

左右擺動由齒輪組嚙合實現減速傳動；伸出與退回、上下移動由直流減速電機驅

動絲杠--螺母結構完成；機械手指的夾緊與張開由直流減速電機驅動連桿結構實

現。該設備共有8個動作，由控制器輸出信號驅動。

1.1.4 輸入檢測單元

每個自由度運行極限位置設置了兩個行程開關，用于判斷當前動作是否到位。

該設備共有8個行程開關作為控制器的輸入信號。

1.2 涉及功能

1.2.1 驅動部分

可以通過PLC控制驅動各個電機動作，從而完成機械手連貫的搬運動作。

1.2.2 顯示部分

可以通過觸摸屏監控整個機械手運行過程，并且可以記錄連續過程中機械手搬

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運貨物的個數。

1.3 系統結構框圖

圖1-1 系統結構框圖

機械手電氣控制系統設計

2 硬件電路設計

2.1 本設計的電氣原理圖

2.1.1 輸入接口

輸入接口電路板原理圖如下圖所示，其功能是將設備上行程開關的開關狀態轉

換為統一的電平信號(邏輯1：24V DC ；邏輯0：0V DC)。板上設有光電隔離電路，

將內外電源隔離，以保護設備安全。

圖2-1 輸入接口電路板電氣原理圖

2.1.2 輸出接口

輸出接口下圖由兩塊電路板構成：驅動電路板和輸出接口電路板。它們的功能

是將PLC輸出的控制信號用于驅動繼電器動作，從而控制電動機正向或反向運行。

輸出接口電路板上也設有光電隔離電路，可將內外電源隔離。

左圖為驅動電路板電氣原理圖，繼電器A吸合、B釋放，對應的電機正轉；繼

電器A釋放、B吸合，對應的電機反轉；繼電器A、B同時釋放，電機停止運行；

不允許二者都吸合。右圖為輸出接口電路板電氣原理圖，當PLC輸出的某路控制

信號有效時，對應的輸出信號有效，從而可以使得對應的繼電器吸合。

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圖2-2 輸出接口電路電氣原理圖

(左圖為驅動電路板，右圖為輸出接口電路板)

2.1.3 PLC

接口電路

輸入/輸出接口是PLC與現場I/O設備或其它外部設備之間的連接部件。PLC通過輸入接口把外部設備(如開關、按鈕、傳感器)的狀態或信息讀入CPU，通過用戶程序的運算與操作，把結果通過輸出接口傳遞給執行機構（如電磁閥、繼電器、接觸器等）。

在輸入/輸出接口電路中，一般均配有電子變換、光耦合器和阻容濾波等電路，以實現外部現場的各種信號與系統內部統一信號的匹配和信號的正確傳遞，PLC正是通過了這種接口實現了信號電平的轉換。發光二極管(LED)用來顯示某一路輸入端子是否有信號輸入。當系統的I/O點數不夠時，可通過PLC的I/O擴展接口對系統進行擴展。

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圖2-3 PLC接口電路電氣原理圖

2.2 I/O分配表

（接下表）

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機械手電氣控制系統設計

3軟件設計

3.1 系統總流程圖

圖3-1 系統總流程圖

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3.2 單目模式流程圖

圖3-2 單目模式流程圖

機械手電氣控制系統設計

3.3 流程圖說明

3.3.1 總流程圖說明

1. 只有機械手處于初始位置時，按下開始按鈕，程序才會執行。

2. 只有按下單目模式選擇開關后，按下開始按鈕，計數器計數，才會進入彈幕模

式運行。

3. 各行程開關必須運行到位后才能進入下一步執行。

4. 在機械手張開和閉合后延時，有利于將機械手將貨物充分放下和夾緊。 3.3.2 單目模式流程圖說明

1. 只有當C1小于6時，經判斷才能讓機械手隨程序動作。

2. 每次執行動作到位后，必須再按下開始開關即單目加開關，讓計數器的值加1，讓機械手進行下一個動作。 3.3.3 重要程序及說明

圖3-3 重要程序網絡

網絡50為連續模式、停止選擇網絡，由于有組態監控，所以加入了M10.1、M10.2等輔助觸點，為了使用按鍵操作和用觸摸屏操作互不干擾，使各個開關互鎖，讓開關動作互相限制，達到按下一個開關后只有一種導通情況，不會出現混亂導致程序運行時出錯。

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4 程序調試

4.1 調試設備

1. 先給PLC下載一個空程序，確定PLC與電腦連接正常。 2. 檢查PLC和觸摸屏的COME口，確定在連接時不會出錯。 3. 先編寫簡單的小程序測試機械手每個電機師是否正常工作。

4.2 遇到的問題與解決辦法

1. 復位程序不工作；開始編寫復位程序后沒有考慮到程序調用的問題，老師講解了子程序調用后解決了這一問題，但我還是把復位程序寫到了主程序OB1里邊。

2. 程序運行混亂；初始化不到位，程序運行第一次正常工作，但第二次工作時程序出現混亂，是因為要復位清零的沒有復位清零，導致第一次賦值之后，這個值被一直保持，是程序運行出現錯誤。

3. 連續模式下按下停止后不停止；加入輔助觸點后，沒有與按鈕開關互鎖，導致在觸摸屏上按下停止后不起作用，加互鎖后就解決了問題。

4. 按下連續后還是只執行單周運行；修改了程序以后沒有及時修改跳轉時的S點，導致結束時程序跳轉錯誤，不能達到預想的效果，修改后正常運行。

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5 心得體會

PLC理論課程完結后我們需要做課程設計，設計以分組的方式進行，每組選一個題目。我們選做的是機械手的PLC控制系統。由于平時大家都是學的大多數是理論知識，并沒有過實際開發設計的經驗，開始的時候都不知道從哪里開始，通過各方面的查資料并向老師和同學請教。我基本學會了PLC設計的步聚和基本方法。分組工作的方式給了我與同學合作的機會，提高了與人合作的意識與能力。

通過這次設計實踐。我深刻的認識了PLC的基本編程方法，對PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在對理論的運用中，提高了我們的對知識運用的素質，在沒有做實踐設計以前，我們對知道的掌握都是思想上的，以為PLC編程很簡單，對一些細節不加重視，當我們把自己想出來的程序與到PLC中的時候，出現了運行的結果和要求的結果不相符合甚至不能運行的問題。通過解決一個個在調試中出現的問題，我們對PLC 的理解得到了加強，也讓自己認識到了自己的不足。

通過交流和合作，我們的團隊意識得到加強。動手能力得到提高。在設計的過程中，我們用了分工與合作的方式，每個人負責一定的部分，出現問題時共同討論，以解決分工中個人不能解決的問題，在交流中大家積極發言，和提出意見，同時我們還向別的同學請教。在此過程中，或許每個人都想自己的方案得到實現，但我們只能通過比較選出最好的方案。

最后，感謝老師的悉心教導和孜孜不倦的講解，讓我們在驗收程序前完成了程序的正確編寫，實現了老師要求的功能，讓我們在綜合素質和身心上都有所成長。

PLC技術與工程應用課程設計

附錄1參考文獻

[1] 張衛平. 開關變換器的建模與控制[M]. 北京：中國電力出版社，2006.

[2] 曹文思，楊育霞. 基于狀態空間平均法的BOOST變換器仿真分析[J].系統仿真學報， 2007.

[3] 伍言真. DC/DC開關變換器建模分析及其變結構控制方法的研究[D]. 廣州：華南理工大學，1998.

[4] Takagi T, Sugeno M. Fuzzy identification of systems and its applications to modeling and control [J]. IEEE Trans on Systems, Man and Cybernetics, 1985.

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附錄2 程序清單

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