三 机械手的PLC控制设计

 

考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器 (PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。

 

3.1 可编程序控制器的选型及工作过程

3.1.1 可编程序控制器的选型

PLC选型的基本原则是在满足基本控制功能和容量的前提下，尽量保证工作可靠、维护使用方便以及最佳的性价比。

1、             对于工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，选用整体式结构PLC；其他情况则选用模块式PLC。

2、           PLC一般是根据其输入输出点数及存储器容量的大小分类，在PLC选型之前首先确定系统I/O点数利存储器容量。

PLC存储器用于存储用户程序和数据，一般有内置式和外插式两类，存储器容量选择可对照表1来确定。

3、PLC一般可以通过三种方式进行编程。一种是厂家提供的普通手持式编程器编程，一般只能用于厂家规定的语句表中的语句进行编程；另一种是在普通计算机上运行专用的编程软件来编程，支持的编程语言多编程操作非常方便；第三种是厂家专用图形编程器编程，这类编程器采用梯形图编程，方便直观，我们此次设计就是采用梯形图编程。

目前 ，国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考虑到本机械手的输入输出点不多，工作流程较简单，同时考虑到制造成本，因此在本次设计中选择了日本三菱公司的F系列PC型可编程序控制器。

 

3.1.2 可编程序控制器的连接

1、ＰＣ机与ＰＬＣ实现通信的条件

带异步通信适配器的ＰＣ机与ＰＬＣ只有满足如下条件，才能互联通信：

（１）带有异步通信接口的ＰＬＣ才能与带异步通信适配器的ＰＣ机互联。还要求双方采用的总线标准一致，否则要通过“总线标准变换单元”变换之后才能互联。

（２）双方的初始化，使波特率、数据位数、停止位数、奇偶校验都相同。

（３）要对ＰＬＣ的通信协议分析清楚，严格地按照协议的规定及帧格式编写ＰＣ机的通信程序。ＰＬＣ中配有通信机制，一般不需用户编程。

2 、ＰＣ机及与ＦＸ系列ＰＬＣ的串行通讯

2．１ 硬件连接

ＰＣ机与ＦＸ系列ＰＬＣ不能直接连接，要经过ＦＸ－２３２ＡＷ单元进行ＲＳ２３２Ｃ／ＲＳ－４２２的变换。

2．２ ＦＸ系列ＰＬＣ的通信协议

在ＰＣ机中必须依据互联的ＰＬＣ的通信协议来编写通信程序，因此先介绍ＦＸ系列ＰＬＣ的通信协议。

（１）数据格式

ＦＸ系列ＰＬＣ采用异步格式，由１位起始位、７位数据位、１位偶校验位及１位停止位组成，波特率为９６００ｂｐｓ，字符为ＡＳＣＩＩ码。

（２）通信命令

ＦＸ系列ＰＬＣ有４个通信命令，它们是读命令、写命令、强制通命令、强制断命令。

（３）通信控制字符

ＦＸ系列ＰＬＣ采用面向字符的传输规程，用到５个通信控制字符。

（4）传输过程

ＰＣ机与ＦＸ系列ＰＬＣ之间采用应答方式通信，传输出错则组织重发。

 

3.1.3 可编程序控制器的工作过程

可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用

了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为4个阶段。

第一阶段是初始化处理。

可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时， CPU首先使I/0状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。

第二阶段是处理输入信号阶段。

在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息送到I/0状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/0状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。

第三阶段是程序处理阶段。

当输入状态信息全部进入I/0状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，可编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/0状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。

第四阶段是输出处理阶段。

CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。

 

3.2可编程序控制器的使用步骤

在可编程序控制器与被控对象(机器、设备或生产过程)构成一个自动控制系

统时，通常以七个步骤进行:

(1)系统设计

即确定被控对象的动作及动作顺序。

(2) I/0分配

    即确定哪些信号是送到可编程序控制器的，并分配给相应的输入端号;哪些信号是由可编程序控制器送到被控对象的，并分配相应的输出端号.此外，对用到的可编程序控制器内部的计数器、定时器等也要进行分配。可编程序控制器是通过编号来识别信号的。

(3)画梯形图

    它与继电器控制逻辑的梯形图概念相同，表达了系统中全部动作的相互关系。如果使用图形编程器(LCD或CRT)，则画出梯形图相当于编制出了程序，可将梯形图直接送入可编程序控制器。对简易编程器，则往往要经过下一步的助记符程序转换过程。

(4)助记符机器程序

    相当于微机的助记符程序，是面向机器的(即不同厂家的可编程序控制器，助记符指令形式不同)，用简易编程器时，应将梯形图转化成助记符程序，才能将其输入到可编程序控制器中。

(5)编制程序

即检查程序中每条语法错误，若有则修改。这项工作在编程器上进行。

(6)调试程序

即检查程序是否能正确完成逻辑要求，不合要求，可以在编程器上修改。程序设计(包括画梯形图、助记符程序、编辑、甚至调试)也可在别的工具上进行。如IBM-PC机，只要这个机器配有相应的软件。

(7)保存程序

调试通过的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盘上备用。

 

3.3可编程序控制器的输入输出保护

 

类别	保护措施
直流输入	在需要保护的输入口反并接稳压二极管,稳压值低于输入口的电压额定值
交流输入	在需要保护的输入口并接电阻与电容串联的组合
交流感性负载	在负载两端并联压敏电阻,或并联电阻与电容串联的组合(C=0.1UF;R:0.5W,100-200欧)
直流感性负载	在负载两端并联续流二极管(额定电流为1安左右)或齐纳二极管

 

3.4机械手可编程序控制器控制方案

1、系统简介

控制对象为圆柱座标气动机械手。它的手臂具有两个自由度，即竖直方向的上、下;绕竖直轴的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转。另外，其末端执行装置机械手，还可完成抓、放功能。

以上动作均采用气动方式驱动，即用五个二位五通电磁阀(每个阀有两个线圈，对应两个相反动作)分别控制五个气缸，使机械手完成伸、缩、上、下、旋转及机械手抓放动作。其中旋转运动用一组齿轮齿条，使气缸的直线运动转化为旋转运动。

这样 ，可用PLC的8个输出端与电磁阀的8个线圈相连，通过编程，使电磁阀各线圈按一定序列激励，从而使机械手按预先安排的动作序列工作.如果欲改变机械手的动作，不需改变接线，只需将程序中动作代码及顺序稍加修改即可。

另外 ，除抓放外，其余六个动作末端均放置一限位开关，以检测动作是否到位，如果某动作没有到位，则出错指示灯亮。

2、工业机械手的工作流程

此机械手用于A、B传送带之间的取放货物。

当按下启动按钮之后，有如下动作:

按启动后，传送带A运行，直到触动光电开关才停止，同时机械手下降。下降到位触动行程开关，机械手夹紧物体，2s后开始上升，面机械手保持夹紧。上升到位触动行程开关后左转，左转到位后下降，下降到位机械手松开，2s后机械手上升。上升到位后，传送带B开始运动，同时机械手右转，右转到位，传送带B停止，此时传送带A开始运行直到按下光电开关才停止，再次循环。

3、机械手工作时序图如附图所示。

4, I/0分配

根据系统输入输出点的数目，选用OMRONC 28P型PC，它有16个输入点，

标号为0000^0015; 12个输出点，标号为0500-0511.

 

I/0分配

输入		输出
启动	X0	A带运动	Y1
停止	X6	B带运动	Y2
A带限位开关	X1	机械手下降	Y3
上升到位左限位开关	X2	机械手上升	Y4
上升到位右限位开关	X4	机械手右转	Y5
下降到位左限位开关	X3	机械手左转	Y6
下降到位右限位开关	X5	夹紧/松开	Y7
夹紧延时开关	T0
松开延时开关	T1

 

机械手I/O接线图

 

5、梯形图设计(如附图所示)

根据机械手的逻辑时序图及1/0分配，画出控制梯形图，如附图所示。由梯形图可以看出:

(1)手臂下降的条件:A带触动限位开关（Y1为OFF,X1为ON），或机械手右转到位（X4为ON）并且机械手保持夹紧状态（Y7为ON）.

(2)手臂上升的条件:机械手处于下限位开关处（X3或X5任意一个为ON）,延时开关接通（T0或T1任意一个为ON）.

(3)手臂夹紧或松开的条件：机械手处于下限位开关处（X3或X5任意一个为ON），延时开关闭合（T0或T1为OFF）.

(4)手臂右转的条件:机械手上升到位触动左限位开关（X2为ON）.

(5)手臂左转的条件: 机械手上升到位触动右限位开关（X4为ON）.

6、机械手控制程序

地址     指令     数据

0        LD       M8002

1        AND      X006

2        SET      S0

3        STL      S0

4        LD       X000

5        SET      S20

6        STL      S20

7        OUT      Y001

8        LD       X001

9        SET      S21

10       STL      S21

11       OUT      Y003

12       LD       X003

13       SET      S22

14       STL      S22

15       OUT      Y007

16       OUT      T0   K20

17       LD       T0

18       SET      S23

19       STL      S23

20       OUT      Y004

21       OUT      Y007

22       LD       X002

23       SET      S24

24       STL      S24

25       OUT      Y005

26       OUT      Y007

27       LD       X004

28       SET      S25

29       STL      S25

30       OUT      Y003

31       OUT      Y007

32       LD       X005

33       SET      S26

34       STL      S26

35       OUT      T1   K20

36       NOP

37       LD       T1

38       SET      S27

39       STL      S27

40       OUT      Y004

41       LD       X004

42       SET      S28

43       STL      S28

44       OUT      Y006

45       OUT      Y002

46       LD       X002

47       OUT      S20

48       RET

49       END

 

 

3.5可编程控制器的仿真

运行三菱PLC的编程软件SWOPC-FXGP/WIN-C后,出现初始启动画面,点击初始启动画面菜单栏中“文件”菜单,在下拉菜单中选取“新文件”菜单,如图1所示.

 

 

图1  初始启动画面

点击“新文件”菜单后,出现PLC类型选择框,如图2所示.

 

 

图2  选择PLC的类型

选择“FX_1N/FX_1NC”,点击“确定”按钮,则出现程序编辑的主界面,如图3所示.

 

 

图4  程序界面的主界面

将光标位于程序主界面的左母线处顶端,输入指令语句如“LD X0”,在光标下方会出现一个指令输入对话框,如图5所示.按【Enter】键后，X0的常开接点显示在左母线处，如图6所示。

 

 

图5  指令输入对话框

 

 

图6  梯形图输入（1）

继续输入指令语句“OUT  Y0”,在指令输入对话框出现“OUT  Y0”.按【Enter】键后,程序第一行结束,光标跳到第二行左母线处,如图7所示.

 

 

图7  梯形图输入(2)

输入结束指令“END”, 按【Enter】键后,光标跳到第三行母线处,如图8所示.

 

 

图8  梯形图输入(3)

程序梯形图输入完成后,要转换成程序指令表,点击“工具”、“转换”，如图9所示.

 

 

图9  梯形图转换为指令表

转换结束后,把程序传送给PLC.点击“PLC”、“传送”、“写出”，如图10所示。

 

 

图10  程序传送到PLC（1）

如图11所示，在“PC程序写入”对话框中选择“范围设置”，填入程序写入的起始步序号“0”和终止步序号“10”（不要小于程序步长），点击“确认”，程序写入PLC的程序存储器中。

 

 

图11  程序传送到PLC（2）

运行程序或停止程序有两种方法。在通常情况下，当程序写入PLC后，拨内置【RUN/STOP】开关到【RUN】位置，程序运行指示灯（RUN）亮，PLC置于程序运行状态。在PLC调试或实验时，需要反复开关，为了延长开关使用寿命，可以用“遥控运行/停止”的方式运行程序，点击“PLC”、“遥控运行/停止”，如图12所示。

 

 

图12 程序运行（1）

 点击图13中的“确认”，PLC置于程序运行状态，程序运行指示灯（RUN）亮。

 

 

图13 程序运行（2）

程序运行后，可以从I/O端口LED显示观察程序运行状态，也可以进行程序监控。点击“监控/测试”，“开始监控”，如图14所示。

 

 

图14  程序监控（1）

  当按下启动按钮时，X0接通，Y0线圈通电。输入继电器X0、输出继电器Y0的状态均为“ON”。在程序监控状态下，当元件的状态为“ON”时，元件符号上有绿色背景，如图15所示。

 

 

图15  程序监控（2）

至此，完成了点动控制PLC程序的编辑、写入、程序运行、监控和操作过程。如果需要保存，可点击“文件”、“保存”，选择保存路径和文件名即可。

 

3.6可编程控制器的抗干扰措施

自动化系统中所使用的各种类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是分散安装在生产现场的各单机设备上，虽然它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，但PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置，在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施，故具有较强的适应恶劣工业环境的能力、运行稳定性和较高的可靠性，因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用，但是由于它直接和现场的I/O设备相连，外来干扰很容易通过电源线或I/O传输线侵入，从而引起控制系统的误动作。PLC受到的干扰可分为外部干扰和内部干扰。在实际的生产环境下，外部干扰是随机的，与系统结构无关，且干扰源是无法消除的，只能针对具体情况加以限制；内部干扰与系统结构有关，主要通过系统内交流主电路，模拟量输入信号等引起，可合理设计系统线路来削弱和抑制内部干扰和防止外部干扰。要提高PLC控制系统的可靠性，就要从多方面提高系统的抗干扰能力。
　　分析硬件电路，提出硬件抗干扰措施
　　1、PLC控制系统的安装和使用环境
　　PLC是专为工业控制设计的，一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。但是在PLC控制系统中，如果环境过于恶劣，或安装使用不当，会降低系统的可靠性。PLC使用环境温度通常在0℃ ～55℃范围内，应避免太阳光直接照射，安装位置应远离发热量大的器件，同时应保证有足够大的散热空间和通风条件。环境湿度一般应小于85%，以保证PLC有良好的绝缘。在含有腐蚀性气体、浓雾或粉尘的场合，需将PLC封闭安装。此外，如果PLC安装位置有强烈的振动源，系统的可靠性也会降低，所以应采取相应的减振措施。
　　2 、PLC的电源与接地
　　PLC本身的抗干扰能力一般都很强。通常，只能将PLC的电源与系统的动力设备电源分开配线，对于电源线来的干扰，一般都有足够强的抑制能力。但是，如果遇上特殊情况，电源干扰特别严重，可加接一个带屏蔽层的隔离变压器以减少设备与地之间的干扰，提高系统的可靠性。如果一个系统中含有扩展单元，则其电源必须与基本单元共用一个开关控制，也就是说，它们的上电与断电必须同时进行。良好的接地是保证PLC安全可靠运行的重要条件。为了抑制附加在电源及输入端、输出端的干扰，应给PLC接专用地线，并且接地点要与其它设备分开。若达不到这种要求，也可采用公共接地方式。但是禁止采用串联接地方式，因为它会使各设备间产生电位差而引入干扰。此外，接地线要足够粗，接地电阻要小，接地点应尽可能靠近PLC 。

接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗干扰的重要措施之一。接地在消除干扰上起很大的作用。这里的接地是指决定系统电位的地，而不是信号系统归路的接地。在PLC控制系统中有许多悬浮的金属架，它们是惧空中干扰的空中线，需要有决定电位的地线。交流地是PLC控制系统供电所必需的，它通过变压器中心点构成供电两条回路之一。这条回路上的电流、各种谐波电流等是个严重的干扰源。因此交流地线、直流地线、模拟地和数字地等必须分开。数字地和模拟地的共点地最好置悬浮方式。地线各点之间的电位差尽可能小，尽量加粗地线，有条件可采用环形地线。系统地端子(LG)是抗干扰的中性端子，通常不需要接地，可是，当电磁干扰比较严重时，这个端子需与接大地的端子(GR)连接。 
　　3 、PLC的输入、输出设备
　　输入电路是PLC接受开关量、模拟量等输入信号的端口，其元器件质量的优劣、接线方式及是否牢靠也是影响控制系统可靠性的重要因素。以开关量输入为例，按钮、行程开关的触点接触要保持在良好状态，接线要牢固可靠。机械限位开关是容易产生故障的元件，设计时，应尽量选用可靠性高的接近开关代替机械限位开关。此外，按钮触点的选择也影响到系统的可靠性。在设计电路时，应尽量选用可靠性高的元器件，对于模拟量输入信号来说，常用的有4～20mA、0～20mA直流电流信号；0～5V、0～10V直流电压信号，电源为直流24V。

对于开关量输出来说，PLC的输出有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出三种形式，具体选择哪种形式的输出应根据负载要求来决定，选择不当会使系统可靠性降低，严重时导致系统不能正常工作。如晶闸管输出只能用于交流负载，晶体管输出只能用于直流负载。此外，PLC的输出端子带负载能力是有限的，如果超过了规定的最大限值，必须外接继电器或接触器，才能正常工作。外接继电器、接触器、电磁阀等执行元件的质量，是影响系统可靠性的重要因素。常见的故障有线圈短路、机械故障造成触点不动或接触不良。这一方面可以通过选用高质量的元器件来提高可靠性，另一方面，在对系统可靠性及智能化要求较高的场合，可以根据电路中电流异常的情况对输出单元的一些重点部位进行诊断，当检测到异常信号时，系统按程序自动转入故障处理，从而提高系统工作的可靠性。若PLC输出端子接有感性元件，则应采取相应的保护措施，以保护PLC的输出触点。
　　为了防止或减少外部配线的干扰，交流输入、输出信号与直流输入、输出应分别使用各自的电缆；对于集成电路或晶体管设备的输入、输出信号线、必须使用屏蔽电缆，屏蔽电缆在输入、输出侧悬空，而在控制侧接地。

软件抗干扰措施
　　硬件抗干扰措施的目的是尽可能地切断干扰进入控制系统，但由于干扰存在的随机性，尤其是在工业生产环境下，硬件抗干扰措施并不能将各种干扰完全拒之门外，这时，可以发挥软件的灵活性与硬件措施相结合来提高系统的抗干扰能力。
　　1、利用"看门狗"方法对系统的运动状态进行监控

PLC内部具有丰富的软元件，如定时器、计数器、辅助继电器等，利用它们来设计一些程序，可以屏蔽输入元件的误信号，防止输出元件的误动作。在设计应用程序时，可以利用"看门狗"方法实现对系统各组成部分运行状态的监控。如用PLC控制某一运动部件时，编程时可定义一个定时器作"看门狗"用，对运动部件的工作状态进行监视。定时器的设定值，为运动部件所需要的最大可能时间。在发出该部件的动作指令时，同时启动"看门狗"定时器。若运动部件在规定时间内达到指定位置，发出一个动作完成信号，使定时器清零，说明监控对象工作正常；否则，说明监控对象工作不正常，发出报警或停止工作信号。
　　2 、消抖
　　在振动环境中，行程开关或按钮常常会因为抖动而发出误信号，一般的抖动时间都比较短，针对抖动时间短的特点，可用PLC内部计时器经过一定时间的延时，得到消除抖动后的可靠有效信号，从而达到抗干扰的目的。
　　3 、用软件数字滤波的方法提高输入信号的信噪比

为了提高输入信号的信噪比，常采用软件数字滤波来提高有用信号真实性。对于有大幅度随机干扰的系统，采用程序限幅法，即连续采样五次，若某一次采样值远远大于其它几次采样的幅值，那么就舍去之。对于流量、压力、液面、位移等参数，往往会在一定范围内频繁波动，则采用算术平均法。即用n次采样的平均值来代替当前值。一般认为：流量n= 12，压力n=4最合适。对于缓慢变化信号如温度参数，可连续三次采样，选取居中的采样值作为有效信号。对于具有积分器A/D转换来说，采样时间应取工频周期(20ms)的整数倍。实践证明其抑制工频干扰能力超过单纯积分器的效果。

 

3.7 PLC应注意的问题及解决方法

3.7.1工作环境

1、温度

       PLC要求温度在0-55℃，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大。

2、湿度

       为了保证PLC的绝缘性，空气的相对湿度应小于85%。

3、震动

       应使PLC远离强烈的震动源，防止震动频率为10-55Hz的频繁和连续震动。

4、  空气

    避免有腐蚀和易燃的气体，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中，并安装空气净化装置。

3.7.2安装与布线

1、PLC应远离干扰源，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。

2、PLC的输入输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层的1/10。

3、交流输出线和直流输出线不要同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。

3.7.3 外部安全

   为了确保整个系统能在安全状态下可靠工作，避免由于外部电源发生故障、PLC出现异常、误操作以及误输出造成的重大经济损失和人身伤亡事故，PLC外部应安装必要的保护电路。

1、  急停电路：使PLC在发生故障时能将引起伤害的负载电源可靠切断。

2、  保护电路：正反向运转等可逆操作的控制系统，要设置外部电器互锁保护；往复运动及升降移动的控制系统，应设置外部限位保护电路。

3、  可编程控制器有监视定时器等自检功能，检查出现异常时，输出全部关闭。

4、  电源过负荷的保护：对于一些易过负载的输出设备应设置必要的限流保护电路。

3.7.4  PLC的接地

为了抑制加在电源及输入端、输出端的干扰，应给PLC接上专用地线，接地点应于动力设备（如电机）的接地点分开；若达不到这种要求，也必须做到与其它设备公共接地，禁止与其它设备串联接地。接地点应尽可能靠近PLC。