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河南機電高等�？茖W(xué)校PLC課程設(shè)計
河南機電高等�？茖W(xué)校
課程設(shè)計報告書
課程名稱：
課題名稱：系部名稱：專業(yè)班級：
姓 名：學(xué) 號： 2014年 07月4日
機械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計
設(shè)計任務(wù)書
設(shè)計目的：
1、 學(xué)習PLC電氣控制系統(tǒng)的開發(fā)過程和系統(tǒng)設(shè)計思路；
2、 鍛煉實際應(yīng)用程序開發(fā)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(shè)置機械手復(fù)位按鈕
機械手每次的工件輸送過程，都應(yīng)該從初始位置開始。定義右轉(zhuǎn)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(yīng)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(fù)位按鈕即可實現(xiàn)復(fù)位。
? 設(shè)置單步/連續(xù)切換開關(guān)
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(fù)位鍵，使機械手復(fù)
位)右轉(zhuǎn)+上行+退回+手指張開?伸出?下行1?手指夾緊?上行1?左轉(zhuǎn)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(xiàn)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(xù)模式下
按下啟動按鈕，上述動作依次發(fā)生，但回到初始位置之后，繼續(xù)下一個工件的
傳輸過程。
連續(xù)模式下，按下停止按鈕，待本次工件傳輸工作結(jié)束后，停止運行。
2) 提高要求
i) 編制四個驅(qū)動電機的保護程序。要求自動檢測電機是否處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。
PLC技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計
ii) 若電機處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，應(yīng)立即停止系統(tǒng)工作，并點亮故障報警燈；故障
排除后，按下復(fù)位按鈕，故障報警燈熄滅；
iii) 連續(xù)運行模式下，統(tǒng)計傳輸工件的個數(shù)，存儲于PLC的V型數(shù)據(jù)區(qū)，以
備組態(tài)監(jiān)控使用，也可用狀態(tài)表監(jiān)視其狀態(tài)變化。
3) 高級要求
利用上位機組態(tài)軟件組態(tài)監(jiān)控畫面，或利用觸摸屏組態(tài)監(jiān)控畫面，監(jiān)控機械手
的生產(chǎn)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(yè)、學(xué)號；
2. 設(shè)置一個單步/連續(xù)功能切換按鈕，對應(yīng)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(xù)時，連續(xù)指示燈亮；
3. 每個電機都設(shè)置2個指示燈，當對應(yīng)電機發(fā)生動作時，對應(yīng)指示燈亮；
4. 設(shè)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(tài)；
5. 設(shè)置復(fù)位按鈕，清零所有狀態(tài)，機械手回到最初位置；
6. 設(shè)置4個驅(qū)動電機故障指示燈，若電機處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，點亮故障報警燈；故障
排除后，按下復(fù)位按鈕，故障報警燈熄滅；
7. 設(shè)置物料個數(shù)顯示框，用于顯示已經(jīng)傳輸完成多少個物料；
機械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計
目 錄
目 錄 .......................................................................................................... 1
1 設(shè)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(qū)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(qū)動部分 .................................................................................................. 3
1.2.2 顯示部分 .................................................................................................. 3
1.2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 .......................................................................................... 4
2 硬件電路設(shè)計 ............................................................................... 5
2.1 本設(shè)計的電氣原理圖 ............................................................................... 5
2.1.1 輸入接口 ..............................................................第一文庫網(wǎng).................................... 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(shè)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
1
PLC技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計
4 程序調(diào)試 ............................................................................ 12
4.1 調(diào)試設(shè)備 ...................................................................................... 12
4.2 遇到的問題與解決方法 .............................................................. 12
5
心得體會 ............................................................................ 13
附錄1 參考文獻 ....................................................................... 14
附錄2 程序 ............................................................................... 15
2
機械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計
1 設(shè)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(huán)和閉環(huán)控制任務(wù)的小型
PLC。 它可以最低的成本，實現(xiàn)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(yīng)用范圍廣泛，從取代繼電器和接觸器，到單機模式、組
網(wǎng)以及分布式組態(tài)中處理復(fù)雜的自動化任務(wù)，安裝、編程和操作都非常簡單，大
規(guī)模集成，節(jié)省空間，功能強大，既可用于簡單的控制任務(wù)，也可以用于復(fù)雜的
自動化任務(wù)，所有 CPU 都可在獨立模式、網(wǎng)絡(luò)和分布式結(jié)構(gòu)內(nèi)使用。
適用于可編程控制器過去在經(jīng)濟上不可行的應(yīng)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(yè)生產(chǎn)過程中常見的自動化設(shè)備，它具有工件的自動取拿、移動和
輸送功能。機械手機構(gòu)控制涉及了PLC、傳感器、電機驅(qū)動等技術(shù)。該設(shè)備可以實
現(xiàn)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(qū)動單元
該設(shè)備四自由度動作由四臺直流電動機驅(qū)動，每臺電動機可進行正反轉(zhuǎn)運行。
左右擺動由齒輪組嚙合實現(xiàn)減速傳動；伸出與退回、上下移動由直流減速電機驅(qū)
動絲杠--螺母結(jié)構(gòu)完成；機械手指的夾緊與張開由直流減速電機驅(qū)動連桿結(jié)構(gòu)實
現(xiàn)。該設(shè)備共有8個動作，由控制器輸出信號驅(qū)動。
1.1.4 輸入檢測單元
每個自由度運行極限位置設(shè)置了兩個行程開關(guān)，用于判斷當前動作是否到位。
該設(shè)備共有8個行程開關(guān)作為控制器的輸入信號。
1.2 涉及功能
1.2.1 驅(qū)動部分
可以通過PLC控制驅(qū)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(jiān)控整個機械手運行過程，并且可以記錄連續(xù)過程中機械手搬
3
PLC技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計
運貨物的個數(shù)。
1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
圖1-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
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機械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計
2 硬件電路設(shè)計
2.1 本設(shè)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(shè)備上行程開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)
換為統(tǒng)一的電平信號(邏輯1：24V DC ；邏輯0：0V DC)。板上設(shè)有光電隔離電路，
將內(nèi)外電源隔離，以保護設(shè)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(gòu)成：驅(qū)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(qū)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(shè)有光電隔離電路，可將內(nèi)外電源隔離。
左圖為驅(qū)動電路板電氣原理圖，繼電器A吸合、B釋放，對應(yīng)的電機正轉(zhuǎn)；繼
電器A釋放、B吸合，對應(yīng)的電機反轉(zhuǎn)；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(yīng)的輸出信號有效，從而可以使得對應(yīng)的繼電器吸合。
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PLC技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計
圖2-2 輸出接口電路電氣原理圖
(左圖為驅(qū)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(xiàn)場I/O設(shè)備或其它外部設(shè)備之間的連接部件。PLC通過輸入接口把外部設(shè)備(如開關(guān)、按鈕、傳感器)的狀態(tài)或信息讀入CPU，通過用戶程序的運算與操作，把結(jié)果通過輸出接口傳遞給執(zhí)行機構(gòu)（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(xiàn)外部現(xiàn)場的各種信號與系統(tǒng)內(nèi)部統(tǒng)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(xiàn)了信號電平的轉(zhuǎn)換。發(fā)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(tǒng)的I/O點數(shù)不夠時，可通過PLC的I/O擴展接口對系統(tǒng)進行擴展。
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機械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計
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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PLC技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計
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機械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計
3軟件設(shè)計
3.1 系統(tǒng)總流程圖
圖3-1 系統(tǒng)總流程圖
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PLC技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計
3.2 單目模式流程圖
圖3-2 單目模式流程圖
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機械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)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(zhí)行。
2. 只有按下單目模式選擇開關(guān)后，按下開始按鈕，計數(shù)器計數(shù)，才會進入彈幕模
式運行。
3. 各行程開關(guān)必須運行到位后才能進入下一步執(zhí)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(jīng)判斷才能讓機械手隨程序動作。
2. 每次執(zhí)行動作到位后，必須再按下開始開關(guān)即單目加開關(guān)，讓計數(shù)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(wǎng)絡(luò)
網(wǎng)絡(luò)50為連續(xù)模式、停止選擇網(wǎng)絡(luò)，由于有組態(tài)監(jiān)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(guān)互鎖，讓開關(guān)動作互相限制，達到按下一個開關(guān)后只有一種導(dǎo)通情況，不會出現(xiàn)混亂導(dǎo)致程序運行時出錯。
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PLC技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計
4 程序調(diào)試
4.1 調(diào)試設(shè)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(fù)位程序不工作；開始編寫復(fù)位程序后沒有考慮到程序調(diào)用的問題，老師講解了子程序調(diào)用后解決了這一問題，但我還是把復(fù)位程序?qū)懙搅酥鞒绦騉B1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(xiàn)混亂，是因為要復(fù)位清零的沒有復(fù)位清零，導(dǎo)致第一次賦值之后，這個值被一直保持，是程序運行出現(xiàn)錯誤。
3. 連續(xù)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(guān)互鎖，導(dǎo)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(xù)后還是只執(zhí)行單周運行；修改了程序以后沒有及時修改跳轉(zhuǎn)時的S點，導(dǎo)致結(jié)束時程序跳轉(zhuǎn)錯誤，不能達到預(yù)想的效果，修改后正常運行。
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機械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計
5 心得體會
PLC理論課程完結(jié)后我們需要做課程設(shè)計，設(shè)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(tǒng)。由于平時大家都是學(xué)的大多數(shù)是理論知識，并沒有過實際開發(fā)設(shè)計的經(jīng)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(xué)請教。我基本學(xué)會了PLC設(shè)計的步聚和基本方法。分組工作的方式給了我與同學(xué)合作的機會，提高了與人合作的意識與能力。
通過這次設(shè)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(zhì)，在沒有做實踐設(shè)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(jié)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(xiàn)了運行的結(jié)果和要求的結(jié)果不相符合甚至不能運行的問題。通過解決一個個在調(diào)試中出現(xiàn)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(shè)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(xiàn)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(fā)言，和提出意見，同時我們還向別的同學(xué)請教。在此過程中，或許每個人都想自己的方案得到實現(xiàn)，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(dǎo)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(xiàn)了老師要求的功能，讓我們在綜合素質(zhì)和身心上都有所成長。
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PLC技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計
附錄1參考文獻
[1] 張衛(wèi)平. 開關(guān)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(tài)空間平均法的BOOST變換器仿真分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報， 2007.
[3] 伍言真. DC/DC開關(guān)變換器建模分析及其變結(jié)構(gòu)控制方法的研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，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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機械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計
附錄2 程序清單
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PLC技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計
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機械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計
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機械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計
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PLC技術(shù)與工程應(yīng)用課程設(shè)計
電機保護程序
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機械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計
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