河南机电高等专科学校PLC课程设计

河南机电高等专科学校

课程设计报告书

课程名称：

课题名称：系部名称：专业班级：

姓 名：学 号： 2014年 07月4日

机械手电气控制系统设计

设计任务书

设计目的：

1、 学习PLC电气控制系统的开发过程和系统设计思路；

2、 锻炼实际应用程序开发能力；

3、 提高电气制图、流程图绘制及办公文档编辑能力。

控制要求：

1) 基本要求：

 设置机械手复位按钮

机械手每次的工件输送过程，都应该从初始位置开始。定义右转到位、上行到

位、退回到位及手指张开到位同时满足时为机械手初始位置。

开机运行时，机械手应该首先自动回到初始位置；若遇到特殊情况，机械手停

在非初始位置，按下复位按钮即可实现复位。

 设置单步/连续切换开关

在单步模式下

按下启动按钮(若机械手处于初始位置，则开始运行；否则，按下复位键，使机械手复

位)右转+上行+退回+手指张开伸出下行1手指夹紧上行1左转1下行

2手指张开上行2退回左行2停止

注：以上连贯动作实现时，某些动作(见上述动作字体加粗部分)可以同时进行。

在连续模式下

按下启动按钮，上述动作依次发生，但回到初始位置之后，继续下一个工件的

传输过程。

连续模式下，按下停止按钮，待本次工件传输工作结束后，停止运行。

2) 提高要求

i) 编制四个驱动电机的保护程序。要求自动检测电机是否处于堵转状态。

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ii) 若电机处于堵转状态，应立即停止系统工作，并点亮故障报警灯；故障

排除后，按下复位按钮，故障报警灯熄灭；

iii) 连续运行模式下，统计传输工件的个数，存储于PLC的V型数据区，以

备组态监控使用，也可用状态表监视其状态变化。

3) 高级要求

利用上位机组态软件组态监控画面，或利用触摸屏组态监控画面，监控机械手

的生产过程。

具体要求如下：

1. 显示当前年、月、日、时、分、秒，显示作者姓名、专业、学号；

2. 设置一个单步/连续功能切换按钮，对应有2个指示灯，当前动能单步时，单

目指示灯亮；当前功能连续时，连续指示灯亮；

3. 每个电机都设置2个指示灯，当对应电机发生动作时，对应指示灯亮；

4. 设置启动、停止、2个按钮以及2个指示灯，表示当前处于什么状态；

5. 设置复位按钮，清零所有状态，机械手回到最初位置；

6. 设置4个驱动电机故障指示灯，若电机处于堵转状态，点亮故障报警灯；故障

排除后，按下复位按钮，故障报警灯熄灭；

7. 设置物料个数显示框，用于显示已经传输完成多少个物料；

机械手电气控制系统设计

目 录

目 录 .......................................................................................................... 1

1 设计思路 ......................................................................................... 3

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

1.1.1 西门子S7200PLC ................................................................................... 3

1.1.2 机械手 ...................................................................................................... 3

1.1.3 输出驱动单元 .......................................................................................... 3

1.1.4 输入检测单元 .......................................................................................... 3

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

1.2.1 驱动部分 .................................................................................................. 3

1.2.2 显示部分 .................................................................................................. 3

1.2.3 系统结构框图 .......................................................................................... 4

2 硬件电路设计 ............................................................................... 5

2.1 本设计的电气原理图 ............................................................................... 5

2.1.1 输入接口 .................................................................................................. 5

2.1.2 输出接口 .................................................................................................. 5

2.1.3 PLC接口电路 ......................................................................................... 6

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

3 软件设计 ......................................................................................... 9

3.1 总流程图 ....................................................................................................... 9

3.2 单目模式流程图 .......................................................................... 10

3.3 流程图说明 ................................................................................. 11

3.3.1 总流程图说明 ........................................................................................ 11

3.3.2 单目模式流程图说明 ............................................................................ 11

3.3.3 重要程序及说明 .................................................................................... 11

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4 程序调试 ............................................................................ 12

4.1 调试设备 ...................................................................................... 12

4.2 遇到的问题与解决方法 .............................................................. 12

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心得体会 ............................................................................ 13

附录1 参考文献 ....................................................................... 14

附录2 程序 ............................................................................... 15

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机械手电气控制系统设计

1 设计思路

1.1 涉及硬件

1.1.1 西门子S7200PLC

SIMATIC S7-200 是一款适用于机器以及工厂中开环和闭环控制任务的小型

PLC。 它可以最低的成本，实现最大的自动化性能，以最低的成本提供最大自动

化性能的微型控制器。

SIMATIC S7-200 的应用范围广泛，从取代继电器和接触器，到单机模式、组

网以及分布式组态中处理复杂的自动化任务，安装、编程和操作都非常简单，大

规模集成，节省空间，功能强大，既可用于简单的控制任务，也可以用于复杂的

自动化任务，所有 CPU 都可在独立模式、网络和分布式结构内使用。

适用于可编程控制器过去在经济上不可行的应用，显著的实时性能，以及强大

的通信功能 (PPI、PROFIBUS-DP、AS-i 接口)。

1.1.2 机械手

机械手是工业生产过程中常见的自动化设备，它具有工件的自动取拿、移动和

输送功能。机械手机构控制涉及了PLC、传感器、电机驱动等技术。该设备可以实

现手臂的左右摆动、伸出与退回、上下移动、机械手指的夹紧与张开等四自由度

动作。

1.1.3 输出驱动单元

该设备四自由度动作由四台直流电动机驱动，每台电动机可进行正反转运行。

左右摆动由齿轮组啮合实现减速传动；伸出与退回、上下移动由直流减速电机驱

动丝杠--螺母结构完成；机械手指的夹紧与张开由直流减速电机驱动连杆结构实

现。该设备共有8个动作，由控制器输出信号驱动。

1.1.4 输入检测单元

每个自由度运行极限位置设置了两个行程开关，用于判断当前动作是否到位。

该设备共有8个行程开关作为控制器的输入信号。

1.2 涉及功能

1.2.1 驱动部分

可以通过PLC控制驱动各个电机动作，从而完成机械手连贯的搬运动作。

1.2.2 显示部分

可以通过触摸屏监控整个机械手运行过程，并且可以记录连续过程中机械手搬

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运货物的个数。

1.3 系统结构框图

图1-1 系统结构框图

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2 硬件电路设计

2.1 本设计的电气原理图

2.1.1 输入接口

输入接口电路板原理图如下图所示，其功能是将设备上行程开关的开关状态转

换为统一的电平信号(逻辑1：24V DC ；逻辑0：0V DC)。板上设有光电隔离电路，

将内外电源隔离，以保护设备安全。

图2-1 输入接口电路板电气原理图

2.1.2 输出接口

输出接口下图由两块电路板构成：驱动电路板和输出接口电路板。它们的功能

是将PLC输出的控制信号用于驱动继电器动作，从而控制电动机正向或反向运行。

输出接口电路板上也设有光电隔离电路，可将内外电源隔离。

左图为驱动电路板电气原理图，继电器A吸合、B释放，对应的电机正转；继

电器A释放、B吸合，对应的电机反转；继电器A、B同时释放，电机停止运行；

不允许二者都吸合。右图为输出接口电路板电气原理图，当PLC输出的某路控制

信号有效时，对应的输出信号有效，从而可以使得对应的继电器吸合。

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图2-2 输出接口电路电气原理图

(左图为驱动电路板，右图为输出接口电路板)

2.1.3 PLC

接口电路

输入/输出接口是PLC与现场I/O设备或其它外部设备之间的连接部件。PLC通过输入接口把外部设备(如开关、按钮、传感器)的状态或信息读入CPU，通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出接口传递给执行机构（如电磁阀、继电器、接触器等）。

在输入/输出接口电路中，一般均配有电子变换、光耦合器和阻容滤波等电路，以实现外部现场的各种信号与系统内部统一信号的匹配和信号的正确传递，PLC正是通过了这种接口实现了信号电平的转换。发光二极管(LED)用来显示某一路输入端子是否有信号输入。当系统的I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。

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图2-3 PLC接口电路电气原理图

2.2 I/O分配表

（接下表）

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3软件设计

3.1 系统总流程图

图3-1 系统总流程图

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3.2 单目模式流程图

图3-2 单目模式流程图

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3.3 流程图说明

3.3.1 总流程图说明

1. 只有机械手处于初始位置时，按下开始按钮，程序才会执行。

2. 只有按下单目模式选择开关后，按下开始按钮，计数器计数，才会进入弹幕模

式运行。

3. 各行程开关必须运行到位后才能进入下一步执行。

4. 在机械手张开和闭合后延时，有利于将机械手将货物充分放下和夹紧。 3.3.2 单目模式流程图说明

1. 只有当C1小于6时，经判断才能让机械手随程序动作。

2. 每次执行动作到位后，必须再按下开始开关即单目加开关，让计数器的值加1，让机械手进行下一个动作。 3.3.3 重要程序及说明

图3-3 重要程序网络

网络50为连续模式、停止选择网络，由于有组态监控，所以加入了M10.1、M10.2等辅助触点，为了使用按键操作和用触摸屏操作互不干扰，使各个开关互锁，让开关动作互相限制，达到按下一个开关后只有一种导通情况，不会出现混乱导致程序运行时出错。

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4 程序调试

4.1 调试设备

1. 先给PLC下载一个空程序，确定PLC与电脑连接正常。 2. 检查PLC和触摸屏的COME口，确定在连接时不会出错。 3. 先编写简单的小程序测试机械手每个电机师是否正常工作。

4.2 遇到的问题与解决办法

1. 复位程序不工作；开始编写复位程序后没有考虑到程序调用的问题，老师讲解了子程序调用后解决了这一问题，但我还是把复位程序写到了主程序OB1里边。

2. 程序运行混乱；初始化不到位，程序运行第一次正常工作，但第二次工作时程序出现混乱，是因为要复位清零的没有复位清零，导致第一次赋值之后，这个值被一直保持，是程序运行出现错误。

3. 连续模式下按下停止后不停止；加入辅助触点后，没有与按钮开关互锁，导致在触摸屏上按下停止后不起作用，加互锁后就解决了问题。

4. 按下连续后还是只执行单周运行；修改了程序以后没有及时修改跳转时的S点，导致结束时程序跳转错误，不能达到预想的效果，修改后正常运行。

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5 心得体会

PLC理论课程完结后我们需要做课程设计，设计以分组的方式进行，每组选一个题目。我们选做的是机械手的PLC控制系统。由于平时大家都是学的大多数是理论知识，并没有过实际开发设计的经验，开始的时候都不知道从哪里开始，通过各方面的查资料并向老师和同学请教。我基本学会了PLC设计的步聚和基本方法。分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。

通过这次设计实践。我深刻的认识了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的对知识运用的素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的掌握都是思想上的，以为PLC编程很简单，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，出现了运行的结果和要求的结果不相符合甚至不能运行的问题。通过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC 的理解得到了加强，也让自己认识到了自己的不足。

通过交流和合作，我们的团队意识得到加强。动手能力得到提高。在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人负责一定的部分，出现问题时共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。在此过程中，或许每个人都想自己的方案得到实现，但我们只能通过比较选出最好的方案。

最后，感谢老师的悉心教导和孜孜不倦的讲解，让我们在验收程序前完成了程序的正确编写，实现了老师要求的功能，让我们在综合素质和身心上都有所成长。

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附录1参考文献

[1] 张卫平. 开关变换器的建模与控制[M]. 北京：中国电力出版社，2006.

[2] 曹文思，杨育霞. 基于状态空间平均法的BOOST变换器仿真分析[J].系统仿真学报， 2007.

[3] 伍言真. DC/DC开关变换器建模分析及其变结构控制方法的研究[D]. 广州：华南理工大学，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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附录2 程序清单

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电机保护程序

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