PLC對機(jī)械手的控制設(shè)計(jì)-可編程序控制技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)

可編程控制器是在繼電接觸控制器的基礎(chǔ)上，結(jié)合先進(jìn)的微機(jī)技術(shù)發(fā)展起來的一種新型的工業(yè)控制機(jī)。它發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，特別適合于順序控制，是機(jī)械自動(dòng)化中一種基礎(chǔ)的控制設(shè)備。它將填補(bǔ)繼電接觸控制與微機(jī)數(shù)控之間的一大塊空白。

機(jī)械手系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的自動(dòng)化設(shè)備，可以完成零組件的組裝，檢測，移送等任務(wù)。本文以機(jī)械手系統(tǒng)模型為例，論述了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，提出了五種工作方式的控制要求，并針對這些控制要求提出了以S7-200型PLC為控制器的控制方案，進(jìn)而闡述了PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程以及步進(jìn)程序的梯形圖實(shí)現(xiàn)方法，最后在機(jī)械手系統(tǒng)上進(jìn)行了調(diào)試。實(shí)踐證明，此機(jī)械手能按預(yù)定的順序動(dòng)作，設(shè)計(jì)方案合理，控制特性良好，對應(yīng)用PLC進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用.

1.PLC簡介

1.1 PLC的發(fā)展及其應(yīng)用

1.2PLC的基本結(jié)構(gòu)

1.3 PLC的工作原理

1.4課題的選題背景和意義

2.機(jī)械手簡介

2.1 概述

2.2機(jī)械手的發(fā)展史

2.3機(jī)械手前景展望

2.4 機(jī)械手的組成

2.5機(jī)械手的分類

2.6 機(jī)械手的應(yīng)用

3.機(jī)械手的控制方案與選擇

3.1. 控制要求

3.2 控制特點(diǎn)

3.3 注意事項(xiàng)

3.4 機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較

4.PLC對機(jī)械手的控制

4.1.PLC的選型

4.2 PLC容量的選擇

4.3 I/O分配表

4.4主電路圖

4.5 I/O接線圖

4.6流程圖

5.機(jī)械手的軟件設(shè)計(jì)

5.1 軟件的組成及作用

5.2 繼電器功能

5.3操作系統(tǒng)

5.3.1回原位程序

5.3.2手動(dòng)單步操作程序

5.3.3自動(dòng)操作程序

5.4操作面板的設(shè)計(jì)

5.5 程序的運(yùn)行與調(diào)試

總   結(jié)

致   謝

在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)一步發(fā)展,自動(dòng)化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時(shí)，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進(jìn)行操作。

工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。工業(yè)機(jī)械手是提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化、改善勞動(dòng)條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。

本課題擬開發(fā)物料搬運(yùn)機(jī)械手，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，對機(jī)械手的上下、左右以及抓取運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。該裝置機(jī)械部分有滾珠絲杠、滑軌、機(jī)械抓手等；電氣方面由交流電機(jī)、變頻器、操作臺等部件組成。我們利用可編程技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的硬件裝置，控制機(jī)械手完成各種動(dòng)作。

由于時(shí)間倉促和個(gè)人水平限制，我的設(shè)計(jì)存在著許多還沒來得及解決的問題，希望廣大老師、同學(xué)能夠給予批評指正并予以解決。

可編程控制器（簡稱PLC）：是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。

控制用計(jì)算機(jī)。它在很大程度上使得工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)從專業(yè)設(shè)計(jì)院走進(jìn)了工廠和礦山，變成了普通工程技術(shù)人員力所能及的工作。再加上它體積小、可靠性高、抗PLC是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)核和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。

相對一般意義上的計(jì)算機(jī)，可編程控制器并不僅僅具有計(jì)算機(jī)的內(nèi)核，它還配置了許多使其適用于工業(yè)控制的器件。它實(shí)質(zhì)上是經(jīng)過一次開發(fā)的工業(yè)干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，PLC已在工業(yè)控制中獲得了廣泛的應(yīng)用。

比較以前的繼電接觸器或普通計(jì)算機(jī)，PLC具有它的很多優(yōu)點(diǎn)，如：可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，體積小，重量輕，能耗低，功能完善，易學(xué)易用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試周期短等。目前PLC已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)。

PLC誕生不久即顯示了其在工業(yè)控制中的重要地位，如日本、德國、法國等國家相繼研制成各自的PLC。PLC技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展，由最初的1位機(jī)迅速發(fā)展為8位機(jī)。隨著微處理器CPU和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)在PLC中的應(yīng)用，形成了現(xiàn)代意義上的PLC�，F(xiàn)在的PLC產(chǎn)品已使用了16位、32位高性能微處理器，而且實(shí)現(xiàn)了多處理器的多通道處理，通信技術(shù)PLC的應(yīng)用得到進(jìn)一步發(fā)展。

權(quán)威人士預(yù)計(jì)，21世紀(jì)，可編程控制器會(huì)有更大的發(fā)展，從技術(shù)上來看，計(jì)算機(jī)技術(shù)的新成果會(huì)更多的應(yīng)用于可編程控制器的設(shè)計(jì)及制造上，會(huì)有運(yùn)算速度更快、存儲容量更大、智能更強(qiáng)的品種出現(xiàn)。從產(chǎn)品規(guī)模上看，會(huì)進(jìn)一步向超小型及超大型方向發(fā)展。從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會(huì)更豐富、規(guī)格更齊備。完美的人機(jī)界面、完備通訊設(shè)備會(huì)更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場合的需求。從

市場上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會(huì)隨著國際競爭的加劇而打破，會(huì)出現(xiàn)少數(shù)幾個(gè)品牌壟斷國際市場的局面，會(huì)出現(xiàn)國際通用的編程語言。這是有利于可編程技術(shù)的發(fā)展及可編程產(chǎn)品普及的。

可編程序控制器實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)就是按一定算法進(jìn)行輸入輸出變換，并將這個(gè)變換與以物理實(shí)現(xiàn)。輸入輸出變換、物理實(shí)現(xiàn)可以說是PLC實(shí)施控制的兩個(gè)基本點(diǎn)，同時(shí)物理實(shí)現(xiàn)也是PLC與普通微機(jī)相區(qū)別之處，其需要考慮實(shí)際控制的需要，應(yīng)能排除干擾信號適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場，輸出應(yīng)放大到工業(yè)控制的水平，能為實(shí)際控制系統(tǒng)方便使用，所以PLC采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是由微處理器（CPU）、存儲器（RAM/ROM）、輸入輸出接口（I/O）電路、通信接口及電源組成。PLC的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：

1.中央處理單元(CPU)  

中央處理單元 (CPU)是PLC的控制核心。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能：a. 接收并存儲從用戶程序和數(shù)據(jù)；b.檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式采集現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象寄存區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算并將結(jié)果送入I/O映象寄存區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象寄存區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)直到停止運(yùn)行。 為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。

2存儲器

可編程序控制器的存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。存放系統(tǒng)軟件（包括監(jiān)控程序、模塊化應(yīng)用功能子程序、命令解釋程序、故障診斷程序及其各種管理程序）的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器；存放用戶程序（用戶程序存和數(shù)據(jù)）的存儲器稱為用戶程序存儲器，所以又分為用戶存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩部分。

PLC常用的存儲器類型 ：

（1）RAM （Random Assess Memory） 這是一種讀/寫存儲器(隨機(jī)存儲器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。

（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）這是一種可擦除的只讀存儲器。在斷電情況下，存儲器內(nèi)的所有內(nèi)容保持不變。(在紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲器內(nèi)容)。

（3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)這是一種電可擦除的只讀存儲器。使用編程器就能很容易地對其所存儲的內(nèi)容進(jìn)行修改。

PLC存儲空間的分配 ： 雖然各種 PLC的CPU的最大尋址空間各不相同，但是根據(jù)PLC的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域：

（1）系統(tǒng)程序存儲區(qū)

（2）系統(tǒng)RAM存儲區(qū)（包括I/O映象寄存區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）。

（3）用戶程序存儲區(qū)

系統(tǒng)程序存儲區(qū)：在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化在 EPROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該P(yáng)LC的性能。

系統(tǒng)RAM存儲區(qū)：系統(tǒng)RAM存儲區(qū)包括I/O映象寄存區(qū)以及各類軟元件，如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器等存儲器。

（1）I/O映象寄存區(qū)：由于PLC投入運(yùn)行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此，它需要一定數(shù)量的存儲單元(RAM)以存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作I/O映象寄存區(qū)。一個(gè)開關(guān)量I/O占用存儲單元中的一個(gè)位，一個(gè)模擬量I/O占用存儲單元中的一個(gè)字。因此整個(gè)I/O映象寄存區(qū)可看作兩個(gè)部分組成：開關(guān)量I/O映象寄存區(qū)；模擬量I/O映象寄存區(qū)。

（2）系統(tǒng)軟元件存儲區(qū) ：除了I/O映象寄存區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng)RAM存儲區(qū)還包括PLC內(nèi)部各類軟元件（邏輯線圈、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等）的存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和失電不保持的存儲區(qū)域，前者在PLC斷電時(shí)，由內(nèi)部的鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會(huì)丟失；后者當(dāng)PLC斷電時(shí)，數(shù)據(jù)被清零。

（3）用戶程序存儲區(qū) ： 用戶程序存儲區(qū)存放用戶編制的用戶程序。不同類型的 PLC，其存儲容量各不相同。

3 輸入接口電路

輸入輸出信號有開關(guān)量、模擬量、數(shù)字量三種，在我們實(shí)習(xí)室涉及到的信號當(dāng)中，開關(guān)量最普遍，也是實(shí)驗(yàn)條件所限，在次我們主要介紹開關(guān)量接口電路。

可編程序控制器優(yōu)點(diǎn)之一是抗干擾能力強(qiáng)。這也是其I/O設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)之處，經(jīng)過了電氣隔離后，信號才送入CPU執(zhí)行的,防止現(xiàn)場的強(qiáng)電干擾進(jìn)入。如下圖就是采用光電耦合器(一般采用反光二極管和光電三極管組成)的開關(guān)量輸入接口電路：

4 .輸出接口電路

可編程序控制器的輸出有：繼電器輸出(M)、晶體管輸出(T)、晶閘管輸出(SSR)三種輸出形式。

輸出接口電路的隔離方式：  

輸出接口電路的主要技術(shù)參數(shù)

a.響應(yīng)時(shí)間   響應(yīng)時(shí)間是指PLC從ON狀態(tài)轉(zhuǎn)變成OFF狀態(tài)或從OFF狀態(tài)轉(zhuǎn)變成ON狀態(tài)所需要的時(shí)間。繼電器輸出型響應(yīng)時(shí)間平均約為10ms；晶閘管輸出型響應(yīng)時(shí)間為1ms以下；晶體管輸出型在0.2ms以下為最快。

b.輸出電流    繼電器輸出型具有較大的輸出電流，AC250V以下的電路電壓可驅(qū)動(dòng)純電阻負(fù)載2A/1點(diǎn)、感性負(fù)載80VA以下（AC100V或AC200V）及燈負(fù)載100W以下（AC100V 或200V）的負(fù)載；Y0、Y1以外每輸出1點(diǎn)的輸出電流是0.5A，但是由于溫度上升的原因，每輸出4合計(jì)為0.8A的電流，輸出晶體管的ON電壓約為1.5V，因此驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體元件時(shí)，請注意元件的輸入電壓特性。Y0、Y1每輸出1點(diǎn)的輸出電流是0.3A，但是對Y0、Y1使用定位指令時(shí)需要高速響應(yīng)，因此使用10—100mA的輸出電流；晶閘管輸出電流也比較小，F(xiàn)X1S無晶閘管輸出型。

c.開路漏電流   開路漏電流是指輸出處于OFF狀態(tài)時(shí)，輸出回路中的電流。繼電器輸出型輸出接點(diǎn)OFF是無漏電流；晶體管輸出型漏電流在0.1mA以下；晶閘管較大漏電流，主要由內(nèi)部RC電路引起，需在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)注意。

輸出公共端（COM）  公共端與輸出各組之間形成回路，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載。FX1S有1點(diǎn)或4點(diǎn)一個(gè)公共端輸出型，因此各公共端單元可以驅(qū)動(dòng)不同電源電壓系統(tǒng)的負(fù)載。

5．電源

PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個(gè)良好的、可靠得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。如FX1S額定電壓AC100V—240V，而電壓允許范圍在AC85V—264V之間。允許瞬時(shí)停電在10ms以下，能繼續(xù)工作。

一般小型PLC的電源輸出分為兩部分：一部分供PLC內(nèi)部電路工作；一部分向外提供給現(xiàn)場傳感器等的工作電源。因此PLC對電源的基本要求：

①能有效地控制、消除電網(wǎng)電源帶來的各種干擾；

②電源發(fā)生故障不會(huì)導(dǎo)致其它部分產(chǎn)生故障；

③允許較寬的電壓范圍；

④電源本身的功耗低，發(fā)熱量��；

⑤內(nèi)部電源與外部電源完全隔離；

⑥有較強(qiáng)的自保護(hù)功能。

由于PLC以微處理器為核心，故具有微機(jī)的許多特點(diǎn)，但它的工作方式卻與微機(jī)有很大不同。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方，若有鍵按下或有I/O變化，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，若無則繼續(xù)掃描等待。

PLC則是采用循環(huán)掃描的工作方式。對每個(gè)程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)稱為一個(gè)掃描周期。掃描周期的長短主要取決于以下幾個(gè)因素：一是CPU執(zhí)行指令的速度；二是執(zhí)行每條指令占用的時(shí)間；三是程序中指令條數(shù)的多少。一個(gè)掃描周期主要可分為3個(gè)階段。

1輸入刷新階段

在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成輸入端刷新工作后，將關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間即使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會(huì)改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。

2程序執(zhí)行階段

在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。當(dāng)最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入輸入刷新階段。

3 輸出刷新階段

當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路（輸出映像寄存器），并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實(shí)際輸出。

由此可見，輸入刷新、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段構(gòu)成PLC一個(gè)工作周期，由此循環(huán)往復(fù)，因此稱為循環(huán)掃描工作方式。由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進(jìn)行的，所以亦將這兩個(gè)階段統(tǒng)稱為I/O刷新階段。實(shí)際上，除了執(zhí)行程序和I/O刷新外，PLC還要進(jìn)行各種錯(cuò)誤檢測（自診斷功能）并與編程工具通訊，這些操作統(tǒng)稱為“監(jiān)視服務(wù)”，一般在程序執(zhí)行之后進(jìn)行。綜上述，PLC的掃描工作過程如圖所示：

顯然掃描周期的長短主要取決于程序的長短。掃描周期越長，響應(yīng)速度越慢。由于每個(gè)掃描周期只進(jìn)行一次I/O刷新，即每一個(gè)掃描周期PLC只對輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，所以系統(tǒng)存在輸入輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但是由于其對I/O的變化每個(gè)周期只輸出刷新一次，并且只對有變化的進(jìn)行刷新，這對一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)來說是完全允許的，不但不會(huì)造成影響，還會(huì)提高抗干擾能力。這是因?yàn)檩斎氩蓸与A段僅在輸入刷新階段進(jìn)行，PLC在一個(gè)工作周期的大部分時(shí)間是與外設(shè)隔離的，而工業(yè)現(xiàn)場的干擾常常是脈沖、短時(shí)間的，誤動(dòng)作將大大減小。但是在快速響應(yīng)系統(tǒng)中就會(huì)造成響應(yīng)滯后現(xiàn)象，這個(gè)一般PLC都會(huì)采取高速模塊。

總之，PLC采用掃描的工作方式，是區(qū)別于其他設(shè)備的最大特點(diǎn)之一，我們在學(xué)習(xí)和使用PLC當(dāng)中都應(yīng)加強(qiáng)注意。

伴隨著機(jī)電一體化在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)控制成分顯得越來越重要，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，甚至于危機(jī)生命。因此機(jī)械手就在這樣誕生了,機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一。其中的工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，它的發(fā)展是由于其積極作用正日益為人們所認(rèn)識：它能部分地代替人工操作；能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工件的傳送和裝卸；能制作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配從而大大改善工人的勞動(dòng)條件，顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。機(jī)械手在不同的作業(yè)場合，尤其是在特殊的環(huán)境背景下，為人類活動(dòng)的順利快速進(jìn)行帶來了極大的方便和益處，尤為明顯的是在工業(yè)及軍事領(lǐng)域內(nèi)。工業(yè)中大量的生產(chǎn)活動(dòng)，存在著很多不便于人類操縱的環(huán)節(jié)，特別是在工作環(huán)境較危險(xiǎn)的情況下，如果使用具有遠(yuǎn)程控制功能的機(jī)械手，則可以增加系統(tǒng)的安全性，大大的節(jié)約損耗，提高效率�？梢�，在自動(dòng)化、工業(yè)化進(jìn)程中，在特殊背景環(huán)境中使用機(jī)械手已成為一種必然的趨勢。

機(jī)械手首先是由美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出了第一臺機(jī)械手。機(jī)械手能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。

機(jī)械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。

1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動(dòng)公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。

1962年美國機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Vewrsatran機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。

1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國機(jī)械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。

聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。

日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)兩種機(jī)械手后大力從事機(jī)械手的研究。

前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進(jìn)口。

目前，工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。

第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機(jī)械手具有感覺機(jī)能。

第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。

機(jī)械手目前多數(shù)應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按事先制訂的程序完成操作，但普通不具備傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時(shí)，將引起零件甚至機(jī)械手本身的損壞。

為此，機(jī)械手發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手，設(shè)它擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化作相應(yīng)的變更，如位置發(fā)生稍些偏差時(shí)即能更正，并自行檢測。重點(diǎn)是研究視覺功能，將機(jī)械手和柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前的機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。

機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。

機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。

機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。另外，機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用不僅能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，而且還能改善熱、累等勞動(dòng)條件。

如下圖所示為某生產(chǎn)車間中自動(dòng)化搬運(yùn)機(jī)械手，用于將左工作臺上的工件搬運(yùn)到右工作臺上。機(jī)械手的全部動(dòng)作由液壓驅(qū)動(dòng)。液壓泵由電磁閥控制，其上升/下降、左移/右移運(yùn)動(dòng)由雙線圈兩位電磁閥控制，即上升電磁閥得電時(shí)機(jī)械手上升，下降電磁閥得電時(shí)機(jī)械手下降。夾緊/放松運(yùn)動(dòng)由單線圈兩位電磁閥控制，線圈得電時(shí)機(jī)械手夾緊，斷電時(shí)機(jī)械手放松。

為便于控制系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)，本控制系統(tǒng)應(yīng)有手動(dòng)功能和顯示功能。當(dāng)手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“手動(dòng)”位置時(shí)，按下相應(yīng)的手動(dòng)按鈕，就可實(shí)現(xiàn)上升、下降、左移、右移、夾緊、放松的手動(dòng)控制。當(dāng)機(jī)械手處于原位時(shí)，將手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“自動(dòng)”位置時(shí)，進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)，手動(dòng)按鈕無效。

機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)，除了有多工步特點(diǎn)之外，還要求有連續(xù)控制和手動(dòng)控制等操作方式。工作方式的選擇可以很方便地在操作面板上表示出來。當(dāng)旋鈕打向回原點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)地回到左上角位置待命。當(dāng)旋鈕打向自動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)完成各工步操作，且循環(huán)動(dòng)作。當(dāng)旋鈕打向手動(dòng)時(shí)，每一工步都要按下該工步按鈕才能實(shí)現(xiàn)。以下是設(shè)計(jì)該機(jī)械手控制程序的步驟和方法。

（1）上升和下降

機(jī)械手上升或下降的動(dòng)作都要到位，否則不能進(jìn)行下一個(gè)工作步。上升或下降的動(dòng)作用單線圈電磁閥控制。

（2）夾緊和放松

機(jī)械手夾緊和放松的動(dòng)作必須在兩個(gè)工位處進(jìn)行，且其動(dòng)作都要到位。為了確保夾緊和放松的動(dòng)作可靠性，需對這兩個(gè)動(dòng)作進(jìn)行定時(shí)。加緊和放松動(dòng)作由單線圈的電磁閥控制，電磁閥線圈的得電為夾緊，失電為放松。

（3）左行和右行

自動(dòng)方式時(shí)，機(jī)械手的左、右運(yùn)動(dòng)必須在壓動(dòng)上限位開關(guān)后才能進(jìn)行；機(jī)械手的左、右運(yùn)動(dòng)都必須到位，以確保在左工作臺取到工件并在右工作臺下放下工件�？墒褂蒙舷尬婚_關(guān)、左上限位開關(guān)和右上限位開關(guān)進(jìn)行控制。左行、右行的動(dòng)作由單線圈電磁閥控制。

（4）自動(dòng)運(yùn)行

自動(dòng)方式下誤操作的禁止：自動(dòng)方式時(shí)，按一次起動(dòng)按鈕自動(dòng)運(yùn)行方式開始后，再按別的操作按鈕錯(cuò)誤操作，程序?qū)﹀e(cuò)誤操作不予響應(yīng)。

（5）手動(dòng)運(yùn)行

手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，只有按下單步上升、單步下降、單步左行、單步右行、手動(dòng)夾緊放松時(shí)機(jī)械手會(huì)動(dòng)作，同樣再按別的操作按鈕錯(cuò)誤操作，程序?qū)﹀e(cuò)誤操作不予響應(yīng)。

在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中常用的控制系統(tǒng)有：傳統(tǒng)的繼電器—接觸器控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和微機(jī)控制系統(tǒng)這三種。但從使用性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性出發(fā)，本設(shè)計(jì)選用了PLC。因?yàn)閺纳鲜鲈摍C(jī)械手所需完成的控制動(dòng)作分析來看，本機(jī)械手是用于各種傳感器在復(fù)雜的條件下工件的傳輸，主要?jiǎng)幼魇巧仙�、下降、左移、右移、夾緊、放松和工序延時(shí)控制等，控制動(dòng)作基本上是以簡單的順序邏輯動(dòng)作為主。是屬典型的繼電邏輯順序動(dòng)作控制系統(tǒng)，這是PLC最擅長的功能，而且PLC具有體積小、重量輕、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單、易于維護(hù)等特點(diǎn)，特別是替代繼電器控制系統(tǒng)，這更是它的優(yōu)勢。

(一) 機(jī)型的選擇

PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應(yīng)用角度出發(fā)，通�？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c(diǎn)數(shù)選型。

整體型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)，功能擴(kuò)展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。

(二)輸入輸出模塊的選擇

輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應(yīng)考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應(yīng)用要求。對輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價(jià)格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時(shí)間較長等特點(diǎn)；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場合，但價(jià)格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應(yīng)用要求應(yīng)一致�？筛鶕�(jù)應(yīng)用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應(yīng)用成本�？紤]是否需要擴(kuò)展機(jī)架或遠(yuǎn)程I/O機(jī)架等。              

從機(jī)械手控制信號分析可知,機(jī)械手輸入是位置開關(guān)信號,上/下限位開關(guān)、左/右限位開關(guān)等它們都是開關(guān)量,而輸出主要是5個(gè)電磁閥線圈,以控制機(jī)械手的左移、右移、上移、下移、夾緊、放松的氣路的通斷

(三)電源的選擇

PLC的供電電源，除了引進(jìn)設(shè)備時(shí)同時(shí)引進(jìn)PLC應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè)計(jì)和選用外，一般PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計(jì)選用220VAC電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應(yīng)用場合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。

    如果PLC本身帶有可使用電源時(shí)，應(yīng)核對提供的電流是否滿足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計(jì)外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時(shí)也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。

(四)存儲器的選擇

由于計(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲器的價(jià)格已下降，因此，為保證應(yīng)用項(xiàng)目的正常投運(yùn)，一般要求PLC的存儲器容量，按256個(gè)I/O點(diǎn)至少選8K存儲器選擇。需要復(fù)雜控制功能時(shí)，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲器。

（五）冗余功能的選擇

1．控制單元的冗余

    (1)重要的過程單元：CPU（包括存儲器）及電源均應(yīng)1B1冗余。

(2)在需要時(shí)也可選用PLC硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)、二重化或三重化冗余容錯(cuò)系統(tǒng)等。

2.I/O接口單元的冗余

    (1)控制回路的多點(diǎn)I/O卡應(yīng)冗余配置。

(2)重要檢測點(diǎn)的多點(diǎn)I/O卡可冗余配置。

(3)根據(jù)需要對重要的I/O信號，可選用2重化或3重化的I/O接口單元。

(六)經(jīng)濟(jì)性的考慮

    選擇PLC時(shí)，應(yīng)考慮性能價(jià)格比�？紤]經(jīng)濟(jì)性時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮應(yīng)用的可擴(kuò)展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進(jìn)行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。

輸入輸出點(diǎn)數(shù)對價(jià)格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費(fèi)用。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲器容量、機(jī)架、母板等也要相應(yīng)增加，因此，點(diǎn)數(shù)的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時(shí)應(yīng)充分考慮，使整個(gè)控制系統(tǒng)有較合理的性能價(jià)格比。

存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設(shè)計(jì)階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計(jì)階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。

存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的10～15倍，加上模擬I/O點(diǎn)數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。

分析系統(tǒng)控制要求，系統(tǒng)可以選擇自動(dòng)和手動(dòng)工作方式，其輸入信號有啟動(dòng)、停止、上限行程、左上限行程、A下限行程、右上限行程、B下限行程、手動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行、單步上升、單步下降、單步左移、單步右移、手動(dòng)夾緊、手動(dòng)放松共15個(gè)按鈕信號。輸出有夾緊、上升、下降、報(bào)警指示、右行、左行、原點(diǎn)指示共7個(gè)信號。由此可知，系統(tǒng)所需的輸入點(diǎn)數(shù)為15，輸出點(diǎn)數(shù)為8，且都是開關(guān)量。

根據(jù)以上分析，此系統(tǒng)屬于小型單機(jī)控制系統(tǒng)，I/O分配表如下表4.1所示：

根據(jù)控制系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)主電路，如圖4.1所示，系統(tǒng)要用到三個(gè)電磁閥，對電磁閥A B C 要求其能實(shí)現(xiàn)換向，B實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上下運(yùn)動(dòng)，A實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的左右運(yùn)動(dòng)，C實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的抓緊與放松。當(dāng)B接通時(shí)電磁閥單向?qū)�通，機(jī)械手向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)B斷開時(shí) 電磁閥換向?qū)�通，機(jī)械手向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)A接通時(shí)電磁閥單向?qū)�通，機(jī)械手向左運(yùn)動(dòng)，當(dāng)A斷開時(shí) 電磁閥換向?qū)�通，機(jī)械手向右運(yùn)動(dòng)。當(dāng)當(dāng)C接通時(shí)電磁閥單向?qū)�通，機(jī)械手抓緊，當(dāng)C斷開時(shí) 電磁閥換向?qū)�通，機(jī)械松開。

系統(tǒng)通過組合開關(guān)QS來實(shí)現(xiàn)主電路的通斷，通過熔斷器FU實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。

根據(jù)I/O分配表，畫出系統(tǒng)的I/O接線圖，如圖4.2所示。另外接線圖中添加了信號燈，分別來作為機(jī)械手在A下限、左上限、上限、右上限、B下限的狀態(tài)指示，輸出接口中Y4接有報(bào)警顯示燈，Y7接有原點(diǎn)位置指示燈:

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PLC的軟件由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。

系統(tǒng)程序由PLC制造廠商設(shè)計(jì)編寫的，并存入PLC的系統(tǒng)存儲器中，用戶不能直接讀寫與更改。系統(tǒng)程序一般包括系統(tǒng)診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳送程序、監(jiān)控程序等。

PLC的用戶程序是用戶利用PLC的編程語言，根據(jù)控制要求編制的程序。在PLC的應(yīng)用中，最重要的是用PLC的編程語言來編寫用戶程序，以實(shí)現(xiàn)控制目的。PLC編程語言是多種多樣的，對于不同生產(chǎn)廠家、不同系列的PLC產(chǎn)品采用的編程語言的表達(dá)方式也不相同，但基本上可歸納兩種類型：一是采用字符表達(dá)方式的編程語言，如語句表等；二是采用圖形符號表達(dá)方式編程語言，如梯形圖等。 以下簡要介紹幾種常見的PLC編程語言。

1.梯形圖語言

梯形圖語言是在傳統(tǒng)電器控制系統(tǒng)中常用的接觸器、繼電器等圖形表達(dá)符號的基礎(chǔ)上演變而來的。它與電器控制線路圖相似，繼承了傳統(tǒng)電器控制邏輯中使用的框架結(jié)構(gòu)、邏輯運(yùn)算方式和輸入輸出形式，具有形象、直觀、實(shí)用的特點(diǎn)。因此，這種編程語言為廣大電氣技術(shù)人員所熟知，是應(yīng)用最廣泛的PLC的編程語言，是PLC的第一編程語言。

如圖5.1所示是傳統(tǒng)的電器控制線路圖和PLC梯行圖。

               

從圖中可看出，兩種圖基本表示思想是一致的，具體表達(dá)方式有一定區(qū)別。PLC的梯形圖使用的是內(nèi)部繼電器，定時(shí)／計(jì)數(shù)器等，都是由軟件來實(shí)現(xiàn)的，使用方便，修改靈活，是原電器控制線路硬接線無法比擬的

2.語句表語言

這種編程語言是一種與匯編語言類似的助記符編程表達(dá)方式。在PLC應(yīng)用中，經(jīng)常采用簡易編程器，而這種編程器中沒有CRT屏幕顯示，或沒有較大的液晶屏幕顯示。因此，就用一系列PLC操作命令組成的語句表將梯形圖描述出來，再通過簡易編程器輸入到PLC中。雖然各個(gè)PLC生產(chǎn)廠家的語句表形式不盡相同，但基本功能相差無幾。以下是與圖5中梯形圖對應(yīng)的（FX系列PLC）語句表程序。

步序號 指令 數(shù)據(jù)

0 LD X1

1 OR Y0

2 ANI X2

3 OUT Y0

4 LD X3

5 OUT Y1   

可以看出，語句是語句表程序的基本單元，每個(gè)語句和微機(jī)一樣也由地址（步序號）、操作碼（指令）和操作數(shù)（數(shù)據(jù)）三部分組成。

3.邏輯圖語言

邏輯圖是一種類似于數(shù)字邏輯電路結(jié)構(gòu)的編程語言，由與門、或門、非門、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、觸發(fā)器等邏輯符號組成。

4.功能表圖語言

功能表圖語言（SFC語言）是一種較新的編程方法，又稱狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖語言。它將一個(gè)完整的控制過程分為若干階段，各階段具有不同的動(dòng)作，階段間有一定的轉(zhuǎn)換條件，轉(zhuǎn)換條件滿足就實(shí)現(xiàn)階段轉(zhuǎn)移，上一階段動(dòng)作結(jié)束，下一階段動(dòng)作開始。是用功能表圖的方式來表達(dá)一個(gè)控制過程，對于順序控制系統(tǒng)特別適用。5.高級語言

隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，為了增強(qiáng)PLC的運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理及通信等功能，以上編程語言無法很好地滿足要求。近年來推出的PLC，尤其是大型PLC，都可用高級語言，如BASIC語言、C語言、PASCAL語言等進(jìn)行編程。采用高級語言后，用戶可以像使用普通微型計(jì)算機(jī)一樣操作PLC，使PLC的各種功能得到更好的發(fā)揮。

IST指令中的S20和S26用來指定在自動(dòng)操作中用到的最小和最大狀態(tài)繼電器的原件號，IST中的源操作數(shù)可取X、Y和M,圖8中IST指令的源操作數(shù)X020用來指定與工作方式有關(guān)的輸入繼電器的首元件，它實(shí)際上指定從X020開始的8個(gè)輸入繼電器的意義如表5.1所示:

X020-X024中同時(shí)只能有一個(gè)處于接通狀態(tài)，必須使用選擇開關(guān)，以保證這5個(gè)輸入不可能同時(shí)為ON

IST指令的執(zhí)行條件滿足時(shí)，初始狀態(tài)繼電器S0-S2和下列特殊輔助繼電器被自動(dòng)指定為以下功能，如表5.2所示，以后即使IST指令的執(zhí)行條件變?yōu)镺FF，這些元件的功能仍保持不變。

  如果改變了當(dāng)前選擇的工作方式，在“回原點(diǎn)方式”標(biāo)志M8043變?yōu)镺N之前，所有的輸出繼電器將變?yōu)镺FF。

操作系統(tǒng)包括回原點(diǎn)程序，手動(dòng)單步操作程序和自動(dòng)連續(xù)操作程序其原理是：

把旋鈕置于回原點(diǎn)，X16接通，系統(tǒng)自動(dòng)回原點(diǎn)，Y5驅(qū)動(dòng)指示燈亮。再把旋鈕置于手動(dòng)，則X6接通，其常閉觸頭打開，程序不跳轉(zhuǎn)（CJ為一跳轉(zhuǎn)指令，如果CJ驅(qū)動(dòng)，則跳到指針P所指P0處），執(zhí)行手動(dòng)程序。之后，由于X7常閉觸點(diǎn)，當(dāng)執(zhí)行CJ指令時(shí)，跳轉(zhuǎn)到P1所指的結(jié)束位置。如果旋鈕置于自動(dòng)位置，（既X6常閉閉合、X7常閉打開）則程序執(zhí)行時(shí)跳過手動(dòng)程序，直接執(zhí)行自動(dòng)程序。

回原位程序如圖5.2所示。用S10~S12作回零操作元件。應(yīng)注意，當(dāng)用S10~S19作回零操作時(shí)，在最后狀態(tài)中在自我復(fù)位前應(yīng)使特殊繼電器M8043置1。

  　如圖5.3所示。圖中上升/下降，左移/右移都有聯(lián)鎖和限位保護(hù)。

自動(dòng)操作狀態(tài)轉(zhuǎn)移見圖5.3所示。當(dāng)機(jī)械手處于原位時(shí)，按啟動(dòng)X0接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S20，驅(qū)動(dòng)下降Y0，當(dāng)?shù)竭_(dá)下限位使行程開關(guān)X1接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S21，而S20自動(dòng)復(fù)位。S21驅(qū)動(dòng)Y1置位，延時(shí)1秒，以使電磁力達(dá)到最大夾緊力。當(dāng)T0接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S22，驅(qū)動(dòng)Y2上升，當(dāng)上升到達(dá)最高位，X2接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S23。S23驅(qū)動(dòng)Y3右移。

移到最右位，X3接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S24下降。下降到最低位，X1接通，電磁鐵放松。為了使電磁力完全失掉，延時(shí)1秒。延時(shí)時(shí)間到，T1接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S26上升。上升到最高位，X2接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始狀態(tài)，再開始第二次循環(huán)動(dòng)作。

在編寫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖時(shí)注意各狀態(tài)元件只能使用一次，但它驅(qū)動(dòng)的線圈，卻可以使用多次，但兩者不能出現(xiàn)在連續(xù)位置上。因此步進(jìn)順控的編程，比起用基本指令編程較為容易，可讀性較強(qiáng)。

系統(tǒng)調(diào)試分模擬調(diào)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試

硬件部分的模擬調(diào)試可在斷開主電路的情況下，主要試一試手動(dòng)控制部分的可靠性。軟件部分的模擬調(diào)試可借助于模擬開關(guān)和PLC輸出端的指示燈進(jìn)行。需要模擬量信號I/O時(shí)，可用電位器和萬用表進(jìn)行。調(diào)試時(shí)，可利用上述外部設(shè)備模擬各種現(xiàn)場開關(guān)和傳感器的狀態(tài)，然后觀察PLC的輸出邏輯是否正確。如果有錯(cuò)誤則修改程序后反復(fù)調(diào)試�，F(xiàn)在PLC的主流產(chǎn)品都可在PC上編程，并可在PC上進(jìn)行模擬調(diào)試。

連機(jī)調(diào)試時(shí)，可把編制好的程序下載到現(xiàn)場的PLC中。有時(shí)PLC也許只有一臺，這時(shí)就要把PLC安裝到控制柜相應(yīng)的位置上。調(diào)試時(shí)一定要先將主電路斷開，只對控制電路進(jìn)行連機(jī)調(diào)試。通過現(xiàn)場連機(jī)調(diào)試信號的接入常常會(huì)發(fā)現(xiàn)軟硬件中的問題，有時(shí)廠家對某些控制功能進(jìn)行改造，反復(fù)調(diào)試后，控制系統(tǒng)才能交付使用。

根據(jù)控制要求，其工作方式共有五種，由于五種方式不是同時(shí)運(yùn)行，為了操作明確，要設(shè)置切換裝置。從人和設(shè)備的安全角度上考慮，設(shè)備發(fā)生緊急異常狀態(tài)。啟動(dòng)和急停按鈕與PLC運(yùn)行程序無關(guān)。這兩個(gè)按鈕用來接通和斷開PLC外部負(fù)載的電源。根據(jù)控制要求和安全需要，設(shè)計(jì)控制面板。機(jī)械手的操作面板如圖5.5所示，選擇開關(guān)分五檔與五種方式對應(yīng)，上升、下降、左移、放松、夾緊幾個(gè)步序一目了然。機(jī)械手具有手動(dòng)、自動(dòng)和回原位五種工作方式，用開關(guān)SA進(jìn)行選擇。手動(dòng)工作方式時(shí)，用各操作按鈕（SB1、SB2、SB3、SB4、SB5、SB6、SB7、SB8、SB9、SB10、SB11）來點(diǎn)動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的各動(dòng)作；自動(dòng)工作方式時(shí)，動(dòng)作將自動(dòng)執(zhí)行；返回原位工作方式時(shí)，按下“回原位”按鈕SB11，機(jī)械手自動(dòng)回到原位狀態(tài)。

a．將梯形圖程序輸入計(jì)算機(jī)。

b．對程序進(jìn)行試運(yùn)行。

（1）將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA旋至“手動(dòng)”檔，按相應(yīng)的動(dòng)作按鈕，觀察機(jī)械手動(dòng)作情況。

（2）將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA旋至“回原位”檔，按回原位按鈕，觀察機(jī)械手是否回原位。

（3）將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA旋至“單步”檔，每按一次啟動(dòng)按鈕，觀察機(jī)械手是否向前執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作。

（4）將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA旋至“單周期”檔，每按一次啟動(dòng)按鈕，觀察機(jī)械手是否運(yùn)行一個(gè)周期就停下來。

（5）將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA旋至“連續(xù)”檔，按下啟動(dòng)按鈕，觀察機(jī)械手是否連續(xù)運(yùn)行。

C．記錄調(diào)試程序結(jié)果并對不足之處進(jìn)行修改。

d．最后再進(jìn)行考機(jī)運(yùn)行，一般連續(xù)運(yùn)行72小時(shí)以上，以考核電氣及機(jī)械運(yùn)行是否穩(wěn)定可靠。

經(jīng)過兩個(gè)星期的實(shí)訓(xùn)，機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)的程序，已成功地通過了模擬手動(dòng)、單步、單周期、連續(xù)等運(yùn)行的調(diào)試，證明本設(shè)計(jì)的硬件、軟件部分基本都能達(dá)到預(yù)期要求，能可靠地控制機(jī)械手動(dòng)作，達(dá)到機(jī)械手所要求的技術(shù)性能。

系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)過程也是對學(xué)習(xí)的總結(jié)過程，更是進(jìn)一步學(xué)習(xí)和探索的過程。在這過程中，我對利用可編程控制器進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)有了深刻的的認(rèn)識，對機(jī)械手的工作原理有了進(jìn)一步的掌握，對控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)有了切身的認(rèn)識和體會(huì)，并在學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)過程中增長了知識，豐富了經(jīng)驗(yàn)�？刂葡到y(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，必須嚴(yán)格按照系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)施、系統(tǒng)運(yùn)行與調(diào)試的過程來進(jìn)行。系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)是一項(xiàng)很辛苦的工作，同時(shí)也是一個(gè)充滿樂趣的過程。在設(shè)計(jì)過程中，要邊學(xué)習(xí)，邊實(shí)踐，遇到新的問題就不斷探索和努力，即可使問題得到解決。

同時(shí)，在本次實(shí)訓(xùn)中，也深刻體會(huì)到理論和實(shí)踐相集合的重要性。雖然之前收集了大量的資料但在實(shí)際應(yīng)用中卻有很大差異，出現(xiàn)了許多意想不到的問題。但經(jīng)過長時(shí)間的摸索最終還是設(shè)計(jì)出達(dá)到要求的系統(tǒng)。由于時(shí)間緊迫，有些設(shè)計(jì)工作還有待完善，在以后的工作中我會(huì)繼續(xù)努力,不斷提高自己的技術(shù)水平，以適應(yīng)未來的激烈競爭形勢。

通過這次實(shí)訓(xùn)，使我得到了一次用專業(yè)知識、專業(yè)技能分析和解決問題的全面系統(tǒng)的鍛煉。我學(xué)到了很多書本上學(xué)不到的實(shí)踐知識，尤其對電子硬件、電路設(shè)計(jì)有了更深刻的理解，了解了設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品從方案的選擇到最終產(chǎn)品的一系列的設(shè)計(jì)階段，了解了產(chǎn)品的調(diào)試技術(shù)。使我真正體會(huì)到理論和實(shí)踐相結(jié)合的重要性。

在此有無數(shù)感謝。

首先，感謝我的父母。是他們教會(huì)我做人做事的道理，他們的諄諄教導(dǎo)是.我前進(jìn)的強(qiáng)大動(dòng)力和堅(jiān)實(shí)后盾。

感謝大學(xué)三年里教育過我的老師， 那些曾經(jīng)的歲月，曾經(jīng)的年華，我們一起走過的路。

感謝我的同學(xué)。無論是教室里的如切如磋，餐桌旁的高談闊論。還是寢室里的歡聲笑語，都留下了我們最美好的回憶。這是我最寶貴的財(cái)富之一。

實(shí)訓(xùn)中既動(dòng)腦、，又動(dòng)手，是一個(gè)理論與實(shí)際結(jié)合的過程。僅僅有理論是不夠的，更重要的是實(shí)際的，是我們所設(shè)計(jì)的實(shí)物，具有設(shè)計(jì)合理，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。這就需要我們設(shè)計(jì)者考慮問題是要仔細(xì)、周密，不能有絲毫的大意。對設(shè)計(jì)方案的優(yōu)越化，也需要我們綜合各方面的因素考慮，尤其是實(shí)際。再次像教育指導(dǎo)我的老師及同學(xué)表示誠摯的感謝！

鑒于本人所學(xué)知識有限，經(jīng)驗(yàn)不足，又是初次研究這種復(fù)雜的設(shè)計(jì)，在此過程中難免存在一些錯(cuò)誤和不足之處，懇請各 位老師給予批評和指正。

【1】張?jiān)苿�，宋小�?PLC職業(yè)技能培訓(xùn)及視頻精講西門子STEP7.北京：人民郵電出版社，2010.10

【2】柴瑞娟.西門子PLC編程技術(shù)及工程應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社2007.3

【3】謝麗萍，王占富，豈興明.西門子S7-200系列PLC快速入門與實(shí)踐.北京：人民郵電出版社，2004.4

【4】劉美俊，西門子PLC編程及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社2011.