机械手毕业设计
摘 要
随着科学技术的日新月异,市场竞争激烈、人工成本上涨,以往人工操作的搬运方式已经不能满足当前高度自动化的需要。减轻劳动强度,保障生产的可靠性、安全性,降低生产成本,提高产品的质量及经济效益是企业生成所必须面临的重大问题。
本设计应用了西门子编程软件STEP7,在研究机械手工作原理和工艺流程的基础上,进行了控制方案的分析与I/O建立,并开发了机械手的手动和自动控制子程序。应用仿真软件进行机械手控制系统的仿真调试,达到预期效果。
机械手是能够模仿人手动作,并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓(吸)取、搬运工件或工具或进行操作的自动化装置,它能部分的代替人的手工劳动。较高级型式的机械手,还能模拟人的手臂动作,完成较复杂的作业。在机械制造业中,机械手已被广泛应用,从而大大地改善了工人的劳动条件,显著的提高劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
关键词: 机械手;自动化;可编程控制器
- I -
Abstract
With the ever-changing science and technology, market competition intense, labor cost rise, formerly the manual handling can’t meet the current needs of the highly automated. Reduces the labor intensity, the safeguard production reliability, the security, reduces the production cost, enhance the product quality and the economic efficiency is the major issue which the enterprise produces must face.
Design applications Siemens programming software STEP 7, we carried out the analysis of the control scheme and establish the I/O list, then I develop the manual control and automatic control program of Manipulator. Finally, we simulate the robot control system simulation debugging, All these work depend on the simulation debugging, then achieved the effect we have expected.
Manipulator is to be able to imitate hand movement, and according to set program, locus, required substitute manpower to grab (inhale), take things or tool or the automation installation that operated, it can be partial to replace the handwork labor of person. The manipulator of higher level type can still imitate the arm movement of person,completes more complex work. It has been widely used in machinery manufacturing industry, which greatly improved the working conditions of workers, significantly improved labor productivity, and accelerate the pace of mechanization and automation of industrial production.
Keywords: Design of Manipulator;Automation;PLC
- II -
目 录
摘 要 ········································································································ I Abstract ········································································································ II
第1章 绪论 ··································································································· 1
1.1 PLC在工业控制应用现状 ······································································· 1
1.2 机械手国内外现状 ················································································ 1
1.3 机械手发展方向 ··················································································· 2
1.4 待解决主要问题 ··················································································· 3
第2章 机械手控制系统介绍与分析 ···································································· 4
2.1机械手工作过程及结构组成 ···································································· 4
2.1.1 机械手工作过程 ·········································································· 4
2.1.2 机械手结构组成 ·········································································· 5
2.2机械手控制功能要求 ············································································· 8
2.3控制方案确立 ······················································································ 9
2.4控制结构设计 ···················································································· 10
2.5电气控制结构 ···················································································· 11
第3章 软件介绍 ··························································································· 13
3.1 SIMATIC S7系列标准工具软件 ····························································· 13
3.2 STEP7软件基本功能 ··········································································· 13
3.2 STEP7软件用途 ················································································· 14
3.3 STEP7软件模块 ················································································· 16
3.4 程序中调用分层结构··········································································· 18
第4章 机械手控制系统设计 ··········································································· 21
4.1 控制系统硬件配置 ·············································································· 21
4.1.1 硬件模块选配 ··········································································· 21
4.1.2 系统盘柜设计 ··········································································· 22
4.2 控制系统硬件组态 ·············································································· 27
4.2.1 创建项目·················································································· 27
4.2.2 机架配置·················································································· 28
4.3 控制系统程序设计 ·············································································· 29
4.3.1 符号表建立 ·············································································· 30
- III -
4.3.1主程序结构设计 ········································································· 31
4.3.2 手动控制程序 ··········································································· 35
4.3.3 自动控制程序 ··········································································· 37
4.3.4 复位控制程序 ··········································································· 40
4.4 控制系统仿真与调试··········································································· 41 结 论 ······································································································ 44 参考文献 ····································································································· 45 致 谢 ······································································································ 46
- IV -
第1章 绪论
1.1 PLC在工业控制应用现状
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展,计算机控制已经广泛地应用在几乎所有的工业领域。现代社会要求制造业对市场需求做出快速的反应,生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品,,为了满足这一要求,生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性,可编程控制器正是顺应这一要求出现的,它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。从1968年通用汽车公司提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置以来,其发展势头迅猛,目前PLC的年生产增长率仍保持在30%~40%的水平。同计算机的发展类似,目前PLC正朝着两个方向发展。一是朝着小型、简单、价格低廉的方向发展,如德国 SIEMENS公司的LOGO和S7-200、日本OMRON公司的CQM1等一类PLC。这类PLC可以广泛地取代继电器控制系统,用于单机控制和规模比较小的自动化生产线控制。二是朝着大型、高速度、大存储容量、高性能、多功能和多层分布式全自动网络化方向发展。如德国SIEMENS公司的S5-115U和S7-400、日本OMRON公司的CV2000等一类PLC。现场总线技术在工业控制中越来越被广泛地应用,网络化和强化通信能力是PLC的一个重要发展趋势。PLC构成的网络将有多个PLC、多个I/O 模块相连,并可与工业计算机、以太网等构成整个工厂的自动控制系统。另外,为了满足各种特殊功能的需要,通信模块、位置控制模块、快速响应模块、闭环控制模块、模拟量I/O模块、高速计数模块、数控模块、计算模块、模糊控制模块、语言处理模块等各种智能模块相继出现,进一步改善和提高了PLC的实时性精度、分辨率、人机对话等方面的能力[1]。
1.2 机械手国内外现状
机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代科技的一个重要组成部分。汽车业的快速发展,车外型愈求美观流线,并由于汽车外板件要求完美无尘的冲压生产线也向高速化、高品质、自动化、柔性化方向发展。传统冲压生产过程中的手工操作、人工送料的生产方式已无法满足该行业的需要。
机械手的积极作用正日益为人们所认识,它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因此,它能大大地改善工人的劳动条件,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此,受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合,
- 1 -
应用得更为广泛。在我国,近代几年来也有较快的发展,并取得一定的成果,受到各工业部门的重视。
传统观点认为,气体具有压缩性,因此,在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下,似乎更难想象)。此外,气源工作压力较低,抓举力较小。气动技术作为机器人中的驱动功能已经被工业界广泛接受,对于气动机器人伺服控制体系的研究起步较晚,但已取得了重要成果,它在工业自动化领域应用正在受到越来越多的广泛关注。
90年代初,有布鲁塞尔皇家军事学院Y. Bando教授领导的综合技术部开发研制的电子气动机器人—“阿基里斯”六脚勘测员,也被称为FESTO的“六足动物”。Y. Bando教授采用了世界上著名的德国FESTO生产的气动元件、可编程控制器和传感器等,创造了一个在荷马史诗中最健壮最勇敢的希腊英雄——阿基里斯。它能在人不易进入的危险区域、污染或放射性的环境中进行地形侦察。六脚电子气动机器人的上方安装了一个照相机来探视障碍物,能安全的绕过它,并在行走过程中记录和收集数据。
由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人,它能在两个相互垂直的表面上行走(包括从地面到墙面或者从墙面到天花板上)。该机器人轴心的圆周边上装备着等距离(根据步距设置)的吸盘和气缸,一组吸盘吸力与另一组吸盘吸力的交替交换,类似脚踏似的运动方式,使机器人产生旋转步进运动。这种攀墙式机器人可被用于工具搬运或执行多种操作,如在核能发电站、高层建筑物气动机械手位置伺服控制系统的研究或船舶上进行清扫、检验和安装工作。机器人用遥控方式进行半自动操作,操作者只需输入运行的目标距离,然后计算机便能自动计算出必要的单步运行。操作者可对机器人进行监控[2]。
现代汽车制造工厂的生产线,尤其是主要工艺是焊接的生产线,大多采用了机械手。车身在每个工序的移动;车身外壳被真空吸盘吸起和放下,在指定工位的夹紧和定位;点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊,都采用了各种特殊功能的机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化,堪称是最有代表性的机械手应用之一。
此外机械手还应用于酒、油漆灌装气动机械手;自动加盖、安装和拧紧机械手,牛奶盒装箱机械手,特别是机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。如:DaVinci外科手术机器手等。
1.3 机械手发展方向
精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度,它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次,机械手到达同样位置的精确程度。重复精度
- 2 -
比精度更重要,如果一个机器人定位不够精确,通常会显示一个固定的误差,这个误差是可以预测的,因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围,它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展,以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动机械手的重复精度将越来越高,它的应用领域也将更广阔,如核工业和军事工业等[3]。
有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术,而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置,使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承,使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能,扩大了机械手的应用范围,是气动机械手的一个重要的发展方向。
1.4 待解决主要问题
本控制系统运用与STEP7完成控制系统的组态开发、编程等功能,需要解决的问题:
(1) 从用户的需求入手确定合适的设备选型;
(2) 详细分析机械手的逻辑控制时序过程,讨论PLC的程序设计方法及程序执行特点,并在此基础上提出机械手统控制程序的功能模块和设计方案;
(3) 在介绍PLC逻辑控制的基础上,分析机械手生产过程,利用PLC强大的数据处理能力,提出保障系统可靠性、安全性的一些措施。
- 3 -
第2章 机械手控制系统介绍与分析
自动化机械手控制系统是集现代可编程控制(PLC)技术、计算机技术和监控技术为一体的新一代自动化控制系统。该系统完全可以取代传统的人力手动控制方式。与传统的手动操作控制方式相比,该系统不但满足了现代工业流水线生产的高速运行,而且在一些危险场合实现无人自动控制,达到安全生产的目的。图2-1为机械手的控制简析图。
MC E点 D点
图2-1 机械手控制简析图
2.1机械手工作过程及结构组成
机械手控制系统主要包括两个方面:一方面是机械结构;另一方面是自动化控制。机械结构是控制系统的基础,是实现控制功能的前提;自动化控制是实现控制功能的核心部分。自动化控制过程变化灵活,逻辑要求严密;机械组成相对简单,其结构、设备组成都比较固定。
2.1.1 机械手工作过程
机械手在生产线上的任务是将工件从D点传送到E点,在此系统中还需要利用传送带将部件运输到下一个生产工序。机械手在空间上主要进行以下动作:机械手下降,机械手抓紧工件,机械手与工件上升,机械手与工件有右移,机械手与工件下降,机械手放松工件,机械手上升,机械手左移。控制器检测上、下、左、右限位开关的通断,决定当前的动作,通过驱动系统输出,控制机械手的动作。
根据机械手控制简析图分析,A缸、B缸、C缸分别为机械手动力装置,MC为传送带驱动电机。LS0为原点指示,LS1为A缸左限位开关,LS2为A缸右限位开关,LS3为B缸下限位开关,LS4为B缸上限位开关,LS5为传送带部件指示。当机械手处于A
- 4 -
缸收缩到最右端、B缸收缩到最上端、C缸松开状态时,机械手位于初始位置。机械手开始工作时, B缸下降,直到LS3有信号产生时B缸停止下降,此时说明B缸已到达下限位;同时C缸动作,使机械手夹紧部件,延时2秒后B缸收缩,直到LS4有信号产生,此时说明到达上限位;此时C缸仍处于夹紧状态,A缸开始右移,直到LS1有信号产生,说明气缸已到达右限位,A缸停止右移,部件位于传送带上方;然后B缸下降,直到LS5有信号产生时B缸停止下降,此时说明B缸已到达下限位,同时C缸放开部件,启动传送带。延时2秒后B缸回到上限位,A缸回到右限位,延时3秒后传送带停止,完成一次循环任务。机械手控制顺序如图2-2所示。
图2-2 机械手控制顺序图
2.1.2 机械手结构组成
1. 手部结构
- 5 -
手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件,它具有模仿人手的功能,并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手,它的手指形状也不象人的手指、,它没有手掌,只有自身的运动将物体包住,因此,手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状,尺寸,重量,材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构,它一般可分为钳爪式,气吸式,电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多,如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等,这里采用滑槽杠杆式,如图2-3所示。
1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座
图2-3 滑槽杠杆式手部受力分析
2. 腕部的结构
腕部是连接手部与臂部的部件,起支承手部的作用。设计腕部时要注意以下几点:
(1) 结构紧凑,重量尽量轻。转动灵活,密封性要好。
(2) 注意解决好腕部也手部、臂部的连接,以及各个自由度的位置检测、管线的布置以及润滑、维修、调整等问题,要适应工作环境的需要。
(3) 通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过,以便手腕转动时管路不扭转和不外露,使外形整齐。
3. 臂部的结构
臂部是机械手的主要执行部件,其作用是支承手部和腕部,并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上,因而一般机械手的手臂有二个自由度,即手臂的伸缩和升降运动。手臂的升降运动是通过立柱来实现的;立柱的横向移动即为手臂的横向移动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现,因此,它不仅仅承受被抓取工件的重量,而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大
- 6 -
小(即臂力)和定位精度等都直接影响机械手的工作性能,所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。同时,设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计臂部时一般要注意下述要求:
(1) 刚度要大。为防止臂部在运动过程中产生过大的变形,手臂的截面形状的选择要合理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大;空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多。所以常用钢管作臂杆及导向杆,用工字钢和槽钢作支承板。
(2) 导向性要好。为防止手臂在直线移动中,沿运动轴线发生相对运动,或设置导向装置,或设计方形、花键等形式的臂杆。
(3) 偏重力矩要小。所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。为提高机器人的运动速度,要尽量减少臂部运动部分的重量,以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。
(4) 运动要平稳、定位精度要高。由于臂部运动速度越高、重量越大,惯性力引起的定位前的冲击也就越大,运动即不平稳,定位精度也不会高。故应尽量减少小臂部运动部分的重量,使结构紧凑、重量轻,同时要采取一定的缓冲措施。
4. 液压传动系统
机械手的液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。电动机带动油泵输出压力油,是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸,推动活塞杆运动,从而使手臂作伸缩、升降等运动,将油液的压力能又转换成机械能。手臂在运动时所能克服的摩擦阻力大小,以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小,均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动,机械手的液压传动系统都属于容积式液压传动[4]。
液压传动系统主要由以下几个部分组成:
(1) 油泵:它供给液压系统压力油,将电动机输出的机械能转换为油液的压力能,用这压力油驱动整个液压系统工作。
(2) 液动机:压力油驱动运动部件对外工作部分。手臂做直线运动,液动机就是手臂伸缩油缸。也有回转运动的液动机一般叫作油马达,回转角小于360°的液动机,一般叫作回转油缸(或称摆动油缸)。
(3) 调节装置:各种阀类,如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等,各起一定作用,使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动。
2.2机械手控制功能要求
机械手控制功能要求主要有两方面:一方面是信号检测,一方面是控制方式的确定。 1. 信号检测 机械手控制系统信号输入检测主要涉及三类信号的监测,主要包括:按钮的输入检测、
(1) 按钮输入检测。大多数为人工方式控制的输入检测,主要有启动按钮、停止按钮以及工作方式切换按钮等。
(2) 限位信号的输入检测。限位信号是指机械手在运动过程中当到达指定位置时由传感器产生的信号。机械手运动到最左边或者最右边时,左限位传感器或者右限位传感器将会产生电信号,并且控制器将检测这些电信号,并且通过控制器控制发出控制信号,使机械手停止向右或者向左运动,从而实现机械手稳定、准确的生产。
(3)故障信号的输入检测。在生产过程中由于机械部件的磨损老以及其他外界的影响,机械手运动时会出现不同的故障。故障出现时应当使机械手自动紧急停车,避免造成人员受伤和更多的经济损失。此时故障信号发生器将产生一电信号,通过控制器检测此信号,并发出紧急停车的命令,实现安全生产。
2. 控制方式
机械手控制方式主要有两种,一种是由安装在现场启动开关控制,即手动控制;另一种是以控制器为核心,通过上位机监控软件控制,即自动控制。
在手动控制中,需要在控制面板上安装设备开关,通过操作开关来控制现场设备,利用按钮对机械手每一步动作进行控制。例如,按下“上升”按钮,机械手上升;按下“右移”按钮,机械手右移。手动操作可用于调整工作位置和紧急停车后机械手返回原点。
在自动控制系统中需要设计单步运行、返回初始位置、单周期运行和全自动运行,并且要求自动挡的操作必须在返回初始位置的基础上才能进行。单步运行是指机械设备按照一定的工作流程对整个系统进行一步步的操作;返回初始位置是指按下此按钮时使机械手自动回到初始位置;单周期运行是指按下启动按钮时,机械手自动完成一个周期动作,并且返回到初始位置;全自动运行是指按下全自动按钮时,机械手自动返回初始位置后,按正常工作顺序自动反复连续工作。
当机械手生产运行出现故障时,整个操作系统必须紧急停车。当机械手控制系统需要停止时,必须完成最后一个工作任务,并回到初始位置。 限位信号的输入检测,以及故障信号的输入检测。
2.3控制方案确立
机械手控制系统主要功能是实现生产线的自动运行生产,并且在出现故障是能够自动紧急停车。机械手的自动控制既能满足节省劳动力的要求,又能实现安全、稳定高效的生产需求。通过对机械手工作过程及控制要求的分析和研究,机械手控制系统主要涉及数字量控制点,其中包括数字量信号输入点和数字量信号输出点,并能够确定其I/O点表,如表2-1所示。
表2-1 机械手控制系统I/O点表
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30 描述 启动按钮 停止按钮 自动/手动 急停按钮 连续/单周期 上限位 下限位 左限位 右限位 手动上升 手动夹紧 手动左移 传送带故障 手动下降 手动松开 手动右移 传送带部件指示 手动启动传送带 原点指示 A缸故障 B缸故障 C缸故障不能夹紧 C缸故障不能松开 回到原点 下降 夹紧/松开 上升 右移 左移 传送带 符号 QDAN TZAN SZD JTAN LXZQ SXW XXW ZXW YXW SSS SJJ SZY CSGZ SDXJ SDSK SDYY LS5 SQCSD LSO AGGZ BGGZ CGJJGZ CGSKGZ HYDQ XJQ JJQ SSQ YYQ ZYQ CSDQ 类型 DI DI DI DI DI DI DI DI DI DI DI DI DI DI DI DI DI DI DI DI DI DI DI DO DO DO DO DO DO DO
由I/O点表可知,此控制系统开关量很多,并且各个开关量间的逻辑关系复杂。任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工艺要求,以提高生产效率和产品质量。因此在设计机械手控制系统时,应遵循以下基本原则:
1. 最大限度地满足被控对象和用户的控制要求。设计前应该深入现场进行调查研究,收集资料,并与相关部分的设计人员和实际操作人员密切配合,共同拟订控制方案,协同解决设计中出现的各种问题。
2. 在满足控制要求的前提下,力求使控制简单、经济高效、能耗低,使用及维修方便。
3. 保证控制系统的安全、可靠。
同时为了现自动化控制过程,采用PLC作为核心控制器是个较好的方案。以下是选择PLC作为核心处理器的理由:PLC具有体积较小、设计周期短、数据处理和通信方便、易于维护和操作、明显降低成本等优点,可满足机械手的功能要求。
除此之外,PLC作为机械手控制系统使设计过程变得更加简单,可实现的功能变得更多。由于PLC的CPU强大的网络通信能力,使机械手系统的数据传输与通信变得可能。
考虑到生产的发展和工艺的改进,在选择PLC容量时,应适当的留有余量。其中PLC的选择包括机型的选择、CPU的选择、I/O模块的选择、电源模块选择等。本课题主要选用西门子PLC S7-300系列。主要根据如下:
1. 选用该机型可以满足机械手工艺控制要求。
2. 西门子PLC目前应用比较成熟,技术上有保证,且有丰富的成功经验可以鉴戒,缩短系统开发的周期,降低成本。
3. 西门子S7-200通讯功能比较弱,不利于上下位机的通讯,同时功能比较简单,不能满足控制要求。S7-400主要用于大型的集散控制系统中,所以选用S7-300就可以满足工艺控制要求[5]。
2.4控制结构设计
根据确立的控制方案,机械手自动控制系统的总体框图如图2-4所示,西门子PLC为核心控制器,通过检测操作面板按钮的输入、各类传感器的输入,完成相关设备的运行和停止。
图2-4 机械手控制系统示意图
根据工艺要求确定被控系统需要完成的控制动作,确定这些动作之间的逻辑关系,自1. 分配输入/输出设备,即确定外围设备传送给PLC的输入信号和PLC发送给外围2. 根据控制系统的控制要求和所选PLC的I/O点的情况设计PLC用户程序,此时可动控制系统设计步骤如下: 设备输出信号,同时还要将I/O点进行分配,在此基础上确定PLC的选型。 采用梯形图或流程图语言形式的用户程序。PLC的用户程序按照工艺所要求的全部功能及其相互关系,利用计算机软件对PLC程序进行编译、调试和修改,同时还要对PLC的工作状态、特殊功能进行设定,完全实现系统所要求的控制功能。
3. 保存已完成的程序,确认程序无误后将程序下载。 4. 程序下载成功后,对现场设备调试并投入生产。
2.5电气控制结构
电气控制系统主要包括操作面板、电气控制柜等单元。由于在该系统中需要检测较多的数字输入量,然后根据设定的程序进行数据处理,输出控制信号,因此系统的控制逻辑与时序就需要严格按照检测信号的输入进行控制。要完成系统的控制功能除了需要PLC主机及其扩展模块之外,还需要继电器、UPS、传感器和空气开关等设备。
1. 继电器
继电器是一种电子控制器件,它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)之间的互动关系。通常应用于自动控制电路中,它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
在机械手控制系统中,其中设备的运行都不是连接的。而是根据控制面板上的按钮情况或者根据传感器的反馈值进行动作的,因此需要PLC根据当前的工作情况,以及按钮的情况来控制所有设备的启停,应该根据输出点的多少来配置继电器个数。在此共需
要7个继电器,分别为上移动继电器、下移动继电器、左移动继电器、右移动继电器、回原点继电器、加紧/放松继电器、传送带控制继电器。
2. UPS电源模块
UPS即不间断电源,是一种含有储能装置,以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。在此设计中主要用于给计算机及各个仪表设备提供不间断的电力供应。当市电输入正常时,UPS 将市电稳压后供应给负载使用,此时的UPS就是一台交流市电稳压器,同时它还向机内电池充电;当市电中断(事故停电)时,UPS立即将机内电池的电能,通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电,使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS设备通常对电压过大和电压太低都提供保护。
利用UPS电源给控制系统供电可以使控制系统更加稳定运行,保证了生产线在突发事件中的安全生产。不仅提高控制系统的安全系数,而且可以减少不必要的经济损失。
3. 各类按钮
在这个控制系统的自动操作中,采用三种机械按钮,机械手控制系统的调试和运行,手动/自动按钮使用旋钮,即旋到另一边就断开;自动启动按钮采用触电式按钮;急停按钮使用旋转复位按钮,按下后系统停止,旋转后自动弹起复位。
在手动控制状态时,对于每个设备都对应设置一个按钮,采用触点触发式按钮,即按下接通,松开复位。
4. 传感器
传感器的作用是将压力、温度等非电量的物理信号转换成电量信号,一便后续电路进行处理。在此系统中,限位传感器将机械手的位置信号转换成电信号,传送到PLC的控制功能模块,在PLC主机中进行数据处理后,通过通信口出给接触器控制气缸,实现精确控制。
5. 空气开关
空气开关就是利用了空气来熄灭开关过程中产生的电弧,所以叫空气开关。在正常情况下,过电流脱扣器的衔铁是释放着的;一旦发生严重过载或短路故障时,与主电路串联的线圈就将产生较强的电磁吸力把衔铁往下吸引而顶开锁钩,使主触点断开。欠压脱扣器的工作恰恰相反,在电压正常时,电磁吸力吸住衔铁,主触点才得以闭合。一旦电压严重下降或断电时,衔铁就被释放而使主触点断开。当电源电压恢复正常时,必须重新合闸后才能工作,实现了失压保护。因为绝缘方式有很多,有油开关,真空开关和其它惰性气体的开关。
在项目研究开发时必须考虑人生安全和对卡件保护,所以所有用电设备都需经过空气开关。 [6]
第3章 软件介绍
STEP7软件是用于SIMATIC S7系列系统的标准工具,是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件,可使用梯形图逻辑、功能块图和语句表进行编程操作。
3.1 SIMATIC S7系列标准工具软件
SIMATIC S7系列可编程控制器是西门子全集成自动化系统中的控制核心,是其集成与开放特性的重要体现。该系列PLC继承了西门子上一代PLC SIMATIC S5系列稳定、可靠和故障率低的精髓,将先进控制思想、现代通讯技术和IT技术的最新发展集于一身,在CPU运算速度、程序执行效率、故障自诊断、联网通讯、面向工艺和运动控制和功能集成以及实现故障安全的容错与冗余技术等方面取得了业界公认的成就。不断创新的PLC编程组态工具STEP7采用SIMATIC软件的集成统一架构,为实现PLC编程组态的易用性和友好性以及与上位机组态系统的集成统一性提供了一个功能强大、风格一贯的软件平台。符合IEC-61131-3的多种高级编程语言的补充,使PLC在实现复杂工艺编程、多重回路调节、甚至模糊控制和神经元控制等智能控制算法时具有类似高级变成语言的特点和优势。凭借继承统一的通讯,SIMATIC S7 PLC在实现车间级、工厂级、企业级乃至全球企业链的生产控制与协同管理中起到中坚作用。
几年以前,当控制界在围绕PLC、DCS和基于PC的解决方案,争论何者将成为控制系统主流时,当人们在为如何突破“自动化孤岛”而积极思考、探索和忧虑时,携全集成自动化的理念,西门子提出通过不断丰富和发展PLC的控制功能和总线通讯技术,实现了横跨工厂自动化和过程自动化两大自动化领域的统一的控制策略。如今SIMATIC S7 PLC在全球自动化各个领域的广泛应用和成功经验,充分证明了PLC解决方案的强大生命力和多种不同控制系统在技术、理念突飞猛进的过程中殊途同归的必然趋势。
3.2 STEP7软件基本功能
STEP7软件是以中文为基础的控制系统,其自身有多种功能,基本功能有以下几点:
1. 系统以中文方式在线报警和报警信息归档存储、数据记录与报表的自动生成、自动打印;
2. 有系统工程师和操作员安全保密功能;
3. 具有各类工程信息归档;
4. 系统报表生成,具有宽行不限字符打印能力;
5. 具有WINDOWS标准接口;
6. 高级语言开发与嵌套接口;
7. 具有三维图形元和中文显示功能的流程图组态功能;
8. 具有先进和完备的工程图支持库,以及完善的图形编辑功能;
9. 具有ISA及工程习惯用立体图形库;
10. 支持工业以太网TCP/IP、ISO、MB+、UDP/IP、FINS等开放通讯协议;
11. 支持管理标准以太网通讯的协议驱动软件;
12. 多种I/O接口驱动和分布式现场控制总线;
13. 支持功能键盘、鼠标、打印机等多种外部设备;
14. 可进行实时和历史数据分析;
15. 具有事件驱动和多窗口显示功能;
16. 在线切换功能和特殊运算功能;
17. 高级语言C++接口功能。
3.2 STEP7软件用途
STEP7 是用于SMATIC 300/400站,创建可编程逻辑控制程序的标准软件。针对不同的工程技术人员,可以使用语句表、体梯形图、功能快等语言。使用STEP7可以完成一些比较大或比较复杂的应用。例如:可以用高级语言或图形设计语言进行程序设计。可以和SMATIC附加的软件包兼容。SETP7软件界面友好。操作方便。硬件组态软件编程简单清晰明了。是复杂的编程工作变的简单。指令丰富符合IEC国际标准。具有自动检测语法错误功能。帮助功能强大版本向下完全兼容。可以把SETP7软件编写的程序很方便的转化成STEP7的程序。其逻辑关系保持不变。在STEP7中一些非标准的指令和功能快。也可以自动用新的指令和功能快代替。
STEP7中集成的SIMATIC编程语言和语言表达方式,符合EN 61131-3标准。标准软件包符合图形化以及面向对象的Windows操作系统要求,可以运行在操作系统Windows 2000/XP专业版以及Windows Server 2003下,并与Windows的图形和面向对象的操作原理相匹配。
标准软件支持自动任务创建过程的各个阶段,具体如下:
(1) 建立和管理项目;
(2) 对硬件和通讯作组态和参数赋,值管理符号;
(3) 创建程序,例如为S7可编程控制器创建程序;
(4) 下载程序到可编程控制器;
(5) 测试自动化系统,诊断设备故障。
1. SIMATIC管理器
IMATIC管理器可以管理一个自动化项目的所有数据,无论是为哪个可编程控制系统(S7/M7/C7)设计的,编辑所选数据的工具由SIMATIC 管理器自行启动。
2. 符号编辑器
使用Symbol Editor(符号编辑器),可以管理所有的共享符号。具有以下功能:
(1) 为过程信号(输入/输出)、位存储和块设定符号名和注释;
(2) 分类功能;
(3) 从/向其它的Windows程序导入/导出。
使用这个工具生成的符号表可供其它所有工具使用,对一个符号属性的任何变化都能自动被其它工具识别。
3. 编程语言
用于S7-300和S7-400的编程语言梯形逻辑图(Ladder Logic)、语句表(Statement List)和功能块图(Function Block Diagram)都集成在一个标准软件包中。
(1) 梯形逻辑图(LAD)是STEP7编程语言的图形表达方式。它的指令语法与一个继电器的梯形逻辑图相似:当电信号通过各个触点、复合元件以及输出线圈时,使用梯形图,可以追踪电信号在电源示意线之间的流动。
(2) 语句表(STL)是STEP7编程语言的文本表达方式,与机器码相似。如果一个程序是用语句表编写的,CPU执行程序时则按每一条指令一步一步地执行。为使编程更容易,语句表已进行扩展,还包括一些高层语言结构(例如,结构数据的访问和块参数)。
(3) 功能块图(FBD)是STEP7编程语言的图形表达方式,使用与布尔代数相类似的逻辑框来表达逻辑。复合功能(如数学功能)可用逻辑框相连直接表达。
其中梯形逻辑图与电器控制系统的电路图非常相似,具有直观易懂的优点,很容易被工厂电气人员掌握,特别适用于开关量逻辑控制,因此在机械手控制系统中选用LAD编程方式。
4. 硬件组态
使用这个功能可以为自动化项目的硬件进行组态和参数赋值。具有以下功能:
(1) 组态可编程控制器时,可以从电子目录中选择一个机架,并在机架中将选中的模板安排在所需要的槽上。
(2) 组态分布式I/O与组态中央I/O一致,也支持以通道为单位的I/O。
(3) 在给CPU赋值参数的过程中,可以通过菜单的指导设置属性,比如,启动特性和循环扫描时间监控。支持多处理方式。输入的数据保存在系统数据块中。
(4) 在向模板作参数赋值过程中,所有可以设置的参数都是用对话框来设置的。没有
任何设置使用DIP开关。向模板的参数赋值传送是在CPU启动过程中自动完成的。例如,模板可以调换而无需赋值新的参数。
(5) 功能模板(FM)和通讯处理器(CP)的参数赋值,与其它模板的赋值方法一样,也是在硬件组态工具中完成的。对于每一个FM和CP,都有模板特定对话框和规则(包括在FM/CP功能软件包范围内)。通过只在对话框中提供有效的选项,系统可以防止不正确的参数输入。
5. 组态网络和连接
(1) 支持PROFINET IO IRT通讯(等时实时通讯 Isochronous Realtime)。这意味着短时的等时总线循环时间可以被组态。
(2) 可以直接将IO设备复制到另外的站中。如果IP地址重复,可以定义在插入时修改(保留IP地址或重新分配一个地址)。
(3) 可以为PROFINET IO设备分配看门狗时间(Watchdog Time),在“IO Cycle”中,该选项在设备属性中可以选择。
(4) 当PROFIBUS DP中使用光纤时,特别是当组态了光纤环网时,可以定义OLM的个数。这将有助于总线参数的计算更为精确。另外,也意味着使用高性能的设备后,总线时间将被缩短。
6. 组态和诊断硬件
先前的“H”可选软件包“S7-400H容错系统”将不再作为一个单独的可选软件包提供;取而代之,现在已将其集成在STEP7 V5.3中。要打开相关的电子手册“S7-400H容错系统”,可在任务栏中选择启动 > SIMATIC > 文档。块库“冗余IO”包含了用于支持冗余I/O设备的块[7]。
3.3 STEP7软件模块
在STEP7软件中,结构化的用户程序是以“块”的形式实现的。块是一些独立的程序或者数据单元,在STEP7中主要有以下几种类型的块:
组织块——OB(Organization Block)
功能——FC(Function)
功能块——FB(Function Block)
系统功能——SFC(System Function)
系统功能块——SFB(System Function Block)
背景数据块——背景DB(Instance Data Block)
共享数据块——共享DB(Share Data Block)
各模块的具体功能如下: