基于PLC控制的机械手设计(毕业论文)

基于PLC控制的机械手设计(毕业论文)（精选8篇）

基于PLC控制的机械手设计(毕业论文) 篇1

第四章程序设计

4.1 编程软件简介

STEP 7-Micro/WIN是西门子公司为S7-200系列PLC的开发而设计的，是基于Windows操作系统的应用软件，其功能非常强大，操作方便，使用简单，容易学习。软件支持中文界面。其基本功能是创建、编辑和修改用户程序以及编译、调试、运行和实时监控用户程序。运行STEP 7-Micro/WIN软件，看到的是英文界面。如果想切换为中文环境，执行菜单命令Tools”→“Options”，点击出现的对话框左边的“General”图标，在“General”选项卡中，选择语言为“Chinese”，单击“OK”按钮后，软件将退出。退出后，再次启动该软件，界面和帮助文件均变为中文，在开始程序设计前必须对PLC进行通信连接，的那个PLC通信连接后在开始运行或者修改程序，在PLC程序梯形图中，程序被分成称为“网络”的一些段。一个网络是触点、线圈和功能框的有序排列。能流只能从左向右流动，网络中不能有断路、开路和反方向的能流。书写Plc程序的方法为在LAD编辑器中，它有4种输入程序指令的方法：鼠标拖放、鼠标单击、工具栏按钮、特殊功能键（如F4、F6、F9等）LAD程序使用线段连接各个元件，可以使用工具栏上的“向下线”、“向上线”、“向左线”、“向右线”等连线按钮，或者用键盘上的Ctrl+上、下、左、右箭头键进行编辑。STEP 7-Micro/WIN软件支持常用编辑软件所具备的插入和删除功能。通过键盘或者菜单命令可以方便地插入和删除一行、一列、一个网络、一个子程序或者中断程序，在编辑区右键单击要进行操作的位置，弹出快捷菜单，选择“插入”或“删除”选项，在弹出的子菜单中单击要插入或删除的项。子菜单中的“竖直”用来插入和删除垂直的并联线段。可以用“编辑”菜单中的命令进行以上相同的操作。按键盘上的Delete键可以删除光标所在位置的元件。在编写程序完成后，必须对程序进行编译，当程序编译无误后才能下载至PLC运行，4.2 程序总体设计

由于设计中机械手运动方式有5种模式，分别是手动、自动回原点、连续、单周期、单步5种工作方式，且必须保证在每种模式工作下相互之间互不干扰，为了减少PLC的输入点，使程序简单明了，采用主程序OBI加子程序模块的编写方式，由于每种程序运行前都有一些必要的前期准备工作，例如在单步、单周期、连续工作时必须保证

第四章程序设计

机械手处于原点位置，而在每种模式下工作机械手都有运送工件的操作，所以可将每种模式下工作的程序中都应具备的条件作为公用程序，为各种工作模式做前期准备工作，而公用程序是无条件执行的，即当下载并运行程序后PLC程序后自动扫描并运行公用程序，为子程序的运行做准备，设计中机械手有5种工作方式，而其中的单周期和连续工作方式所用的顺序功能图是同一个，其去呗仅仅是单周期只是允许机械手运行一次，而连续模式则是要求机械手连续不断的运行，所以可以将单周期和连续工作作为一个单独的子程序编写；手动工作方式是为便于对机械手的检修而设计的，其操作并不存在必然的逻辑连续，即步与步之间的操作互不影响，所以用一个单独的子程序表达即可，而自动回原点程序是为其他各种工作方式做准备的，为了保证程序的运行稳定，在该模式下工作时，机械手无论处于任何位置都将自动返回原点，其步与步之间存在一定的逻辑关系，可以用一个单独的子程序编写；单步工作方式是主要是为了调试机械手运动是否稳定可靠而设计的，虽然其运动过程和单周期、连续工作的过程一样，但在操作上存在一定的区别，单周期和连续式要求系统在按下启动按钮后程序将自动进行步与步之间的转换，而单步工作方式是按下一次启动按钮系统将向前进行一步并停止，若要继续下一步的操作，必须在按一次启动按钮，为了不和连续单周期的程序发生冲突，所以将单独为单步程序编写一个子程序，且其位存储器也区别单周期和连续工作方式，目的是为了保证程序能稳定运行。

4.3 程序主体部分

4.3.1主程序OBI 语句表 LD SM0.0 CALL 公用:SBR0 LD SA1:I2.0 CALL 手动:SBR1 LD SA2:I2.1 CALL 自动回原点:SBR3 LD SA5:I2.4 O SA4:I2.3 CALL 自动程序:SBR2 LD SA3:I2.2

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CALL 单步:SBR4 以上指令为主程序块指令，在主程序块中，可以选择相应的输入点来选择工作模式，每次只能选择一种对应的工作模式，当选择了对应的模式后，程序将自动调用相应子程序并运行，例如,当选择了手动或者回原点程序后，系统将自动调用手动子程序或者回原点子程序，但不可以同时选择两种工作模式，因为机械手不可能同时在两种模式下工作，例如，的那个机械手选择了连续工作后，若此时在选择回原点，机械手将无法判断是进行连续操作还是回到原点位置。4.3.2 公用程序语句表 LD SQ4:I0.4 原点条件 A SQ2:I0.2 AN Q0.1 S M0.5, 1 = Q0.5 LD SM0.1 初始状态 O SA1:I2.0 O SA2:I2.1 LPS A M0.5 S M0.0, 1 LPP AN M0.5 R M0.0, 1 LD SA1:I2.0 复位非初始步 O SA2:I2.1 R M2.0, 8 LD M2.0 复位原点标志 R M0.5, 1 以上为公用程序指令，公用程序是无条件执行的，它用于处理各种工作方式都要执行的任务，以及不同工作方式之间的相互切换处理，程序中当做限位开关I0.4好上 17

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限位开关I0.2的常开触点和表示机械手松开的Q0.1的常闭触点的串联电路接通时，原点条件M0.5为ON，此时原位型号指示灯Q0.5接通，在开始执行用户程序SM0.1为ON时，系统处于手动状态或自动回原点状态，初始步对应的M0.0将被置位，未进入单步、单周期、连续工作方式做准备，若此时M0.2为OFF状态，初始步为不活动步，即使此时按下启动按钮也不能进行单步、单周期、连续工作的操作。4.3.3手动程序语句表 LD I1.2 夹紧 S Q0.1, 1 LD SQ3:I0.3 松开 O SQ4:I0.4 LPS A I0.7 R Q0.1, 1 LRD 上升 A I0.5 AN SQ2:I0.2 AN Q0.0 = Q0.2 LPP 下降 A I1.0 AN SQ1:I0.1 AN Q0.2 = Q0.0 LD I0.6 左行 AN SQ4:I0.4 A SQ2:I0.2 AN Q0.3 = Q0.4 LD I1.1 右行 18

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AN SQ3:I0.3 A SQ2:I0.2 AN Q0.4 = Q0.3 以上是手动程序的指令，启动程序并按下手动操作按钮I2.0时接通手动子程序，为了保证系统的安全运行，在手动程序中设置了必要的连锁，设置上升与下降之间、左行与右行之间的互锁，以防止功能相反地来年各个输出同时为ON，即当机械手左行时一定不可能进行右行，当机械手下降过程中，输出上升Q0.2一定为OFF状态。指令中的限位开关I0.1/I0.2/I0.3/I0.4的常闭触点是用来限制机械手的移动范围，即当机械手碰到限位开关时，相应的电磁阀断电机械化手停止运行，限位开关可以防止意外的发生，而上限位开关I0.2的常开触点与控制左、右行的Q0.4和Q0.3的线圈串联，只有当机械手上升到最高位置时才能左右移动，此设置可以防止机械手在较低位置运行时与别的物体碰撞发生损坏，而只有当机械手在做左边或者最右边时才允许执行上升、下降和松开工件的操作，在手动模式下，当按下I1.1时，机械手局执行夹紧操作，输出Q0.1并被置位，当按下I0.3时Q0.1被复位，此时PLC没有输出，按下I0.5和I0.4是机械手上升，按下I0.4和I1.0时，机械手下降，同时按下I0.6和I0.2时机械手左行,同时按下I1.1和I0.2时机械手右行，这既是机械手在手动状态下的全部操作。4.3.4 自动程序语句表 LD SA5:I2.4 O I2.6 O SA4:I2.3 AN I1.7 = M0.6 转换允许 LD SQ4:I0.4 A SA4:I2.3 O M0.5 A M0.6 O M0.0 19

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AN I1.7 AN M3.1 = M0.0 初始步 LD M4.0 A SQ4:I0.4 A SA5:I2.4 LD M0.0 A I2.6 OLD A M0.6 O M3.1 AN I1.7 AN M3.2 = M3.1 R M0.5, 1 LD M3.1 A SQ1:I0.1 A M0.6 O M3.2 AN I1.7 AN M3.3 = M3.2 LD M3.2 A T37 O M3.3 A M0.6 AN I1.7 AN M3.4 = M3.3

下降夹紧上升

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LD M3.3 A SQ2:I0.2 A M0.6 O M3.4 AN I1.7 AN M3.5 = M3.4 LD M3.4 A SQ3:I0.3 A M0.6 O M3.5 AN I1.7 AN M3.6 = M3.5 LD M3.5 A SQ1:I0.1 A M0.6 O M3.6 AN I1.7 AN M3.7 = M3.6 LD M3.6 A T38 A M0.6 O M3.7 AN I1.7 AN M4.0 = M3.7 LD M3.7

右行下降松开松开 21

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A SQ2:I0.2 A M0.6 O M4.0 AN M3.1 AN I1.7 AN M0.0 = M4.0 LD M3.1 O M3.5 AN SQ1:I0.1 = Q0.0 LD M3.2 S Q0.1, 1 TON T37, 20 T37LD M3.6 R Q0.1, 1 TON T38, 20 T38LD M3.3 O M3.7 AN SQ2:I0.2 = Q0.2 LD M3.4 AN SQ3:I0.3 = Q0.3 LD M4.0 AN SQ4:I0.4 = Q0.4 LD M0.0 = Q0.5

左行夹紧置位计时器计时器上升右行左行原位指示灯22

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以上用起保停电路编写的自动程序指令，当启动系统是，按下I2.4时将接通自动程序子程序，指令中的M0.6的常开触点接在每一个控制代表步得存储器位的启动电路中，当它们断开时将禁止步与步之间的活动状态转换，单周期与连续的工作方式相似，下面具体介绍两者的工作的过程，当启动系统并进入连续工作模式，即按下I2.4后，系统进入连续工作状态，此时步与步之间的转换标志M0.6被接通，系统扫描时首先执行公用程序，M0.0被置位，当扫描自动程序时，按下启动按钮I2.6后系统进入M3.1步，此时机械手开始运行离开原点位置开始下降，输出为Q0.0，此时原点标志N0.5被复位，当机械手碰到下限为开关I0.1时是停止运行，此时线圈M2.1接通，机械手执行抓紧工件的操作，Q0.1被置位，输出为0.1，此时并接通T37计时器延时2秒保证能安全稳定的抓取工件，当延时结束时接通线圈M3.2，机械手开始上升，输出为Q0.1、Q0.2，当机械手碰到上限位开关I0.2时停止运行，此时接通线圈MM3.3，机械手开始右行，其输出为Q0.1、Q0.3，当机械手右行到位碰到右限位开关时停止运行，此时接通线圈M3.4，机械手继续夹紧工件执行下降操作，输出为Q0.1、Q0.0，当机械手碰到下限位开关I0.1时，线圈M3.5得电，此时Q0.1被复位，机械手执行松开工件的操作，接通计时器T38并延时2秒，保证完全放开工件，计时结束后，接通线圈M3.6，此时机械手开始上升，输出为Q0.2，当上升到位时碰到上限位开关I0.2，机械手停止上升，并接通线圈M3.7，机械手开始左行返回原点，当机械手碰到左限制为开关时停止，此时机械手完成一个周期的运行，由于我们选择的连续运行模式，机械手在左移过程中碰到上限位开关的同时接通了线圈M4.0，此时M4.0步将转换到M.1步并接通线圈M3.1，如此循环往复的进行下去，机械手就达到了连续操作的目的，若此时我们选择的是单周期操作。即启动系统是我们按下的按钮为I2.3，当系统进行到最后一步是接接通线圈M4.0后。I2.4为OFF状态，系统将不能进入M3.1步，而转入M0.0步的初始状态由于没有碰到左限位开关断电也不能运行M0.0步，这样既可以达到单周期运行的目的。

4.3.5 自动回原点语句表

LD I1.2 S Q0.1, 1 LD I2.6 A Q0.1

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AN SQ3:I0.3 O M1.0 AN I1.7 AN M1.1 = M1.0 上升 LD M1.0 A SQ2:I0.2 O M1.1 AN I1.7 AN M1.2 = M1.1 = Q0.3 LD I2.6 A SQ3:I0.3 A Q0.1 LD M1.1 A SQ3:I0.3 OLD O M1.2 AN I1.7 AN M1.3 = M1.2 = Q0.0 LD M1.0 O M1.4 = Q0.2 LD M1.2 AN I1.7 A SQ1:I0.1

右行下降上升 24

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O M1.3 AN I1.7 AN M1.4 = M1.3 R Q0.1, 1 夹紧复位 TON T39, 20 LD I2.6 AN Q0.1 LD M1.3 A T39 OLD O M1.4 AN I1.7 AN M1.5 = M1.4 上升 LD M1.4 A SQ2:I0.2 O M1.5 AN I1.7 AN SQ4:I0.4 = M1.5 = Q0.4 左行

以上指令为自动回原点程序的语句表，当我们在主程序中选择了自动回原点工作模式后即按下I2.1后，机械手自动返回原点，该程序的设计思路是让那个机械手能在任何位置和状态下按下自动回原点按钮后能自动返回原点，若子啊运行中出现特殊问题时，可通过停止按钮I1.7停止机械手的运行，介于机械手在工作过程中可能停留在任何位置，所以我们根据机械手当时所处的状态和位置将其分为三种情况进行处理，并将其编写在同一字程序中，当机械手夹紧装置松开时即Q0.0为0状态，因为机械手是按照工作流程一步一步进行操作的，此时机械手没有夹持工件，只可能处于

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上升状态和左行状态，可直接返回原点，当我们选择了自动回原点工作方式按下启动按钮I2.6后应进入程序中的M1.4步，此时的转换条件为I2.6 Q0.1，如果此时机械手已经在最上面，上限位开关I0.2为1状态，在进入上升步后，因为转换条件已经满足，将马上转到左行步返回原点，此为第一种情况，第二种情况是当机械手处于夹紧状态，且机械手在最右边时，此时夹紧装置Q0.1和右限位开关I0.3均处于1状态，而此时应将工件放下后才能返回原点位置，按下启动按钮I2.6后，机械手转入下降步M1.2，转换条件为I2.6.Q0.1.I0.3，首先执行下降和松开操作，将工件放下后，机械手即返回原点，这是第二种情况，最后一种情况是当机械手装置处于夹紧状态，但机械手不在最右边时，此时夹紧输出Q0.1为1状态，右限位开关I0.3为0状态，当按下启动按钮后应进入步M1.0，此时转换条件为I2.6.Q0.1.I0.3 ,机械手进入步M1.0后将按顺序执行一个此工件的搬运工作后返回原点，即执行上升、右行、下降、松开、上升、左行返回原点。这既是机械手可能存在的位置情况划分，当机械手返回原点后公用程序中的原点条件标志M0.5和原位指示灯Q0.5应为1状态，当系统处于原点位置时即可以进行自动程序的运行。4.3.6 单步程序语句表 LD SM0.0 O M3.0 A I2.6 A SA3:I2.2 A M0.5 A M0.0 O M2.0 AN I1.7 AN M2.1 = M2.0 启动 LD M2.0 A SA3:I2.2 A I2.6 A SQ1:I0.1 26

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O M2.1 AN I1.7 AN M2.2 = M2.1 下降 LD M2.1 A SA3:I2.2 A I2.6 A T37 O M2.2 AN I1.7 AN M2.3 = M2.2 LD M2.2 A SA3:I2.2 A I2.6 A SQ2:I0.2 O M2.3 AN I1.7 AN M2.4 = M2.3 LD M2.3 A SA3:I2.2 A I2.6 A SQ3:I0.3 O M2.4 AN I1.7 AN M2.5 = M2.4 LD M2.4

夹紧上升右行27

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A SA3:I2.2 A I2.6 A SQ1:I0.1 O M2.5 AN I1.7 AN M2.6 = M2.5 LD M2.5 A SA3:I2.2 A I2.6 A T38 O M2.6 AN I1.7 AN M2.7 = M2.6 LD M2.6 A SA3:I2.2 A I2.6 A SQ2:I0.2 O M2.7 AN I1.7 AN M3.0 = M2.7 LD M2.7 A SQ4:I0.4 O M3.0 AN M2.0 AN I1.7 = M3.0

下降松开上升 28

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S M0.5, 1 左行 LD M2.0 O M2.4 AN SQ1:I0.1 = Q0.0 = Q0.5 夹紧置位 LD M2.1 S Q0.1, 1 TON T37, 20 夹紧 T37计时器计时 LD M2.5 R Q0.1, 1 TON T38, 20 松开 T38计时器计时 LD M2.2 O M2.6 AN SQ2:I0.2 = Q0.2 上升 LD M2.3 AN SQ3:I0.3 = Q0.3 右行 LD M2.7 AN SQ4:I0.4 = Q0.4 左行

以上语句表为单步程序的子程序语句，在设计此程序是因为其实现的功能和单周期操作一样，但单周期实现的为连续的操作，中间没有间断不需要人为的干扰便可自动运行，而单步工作是一步一步进行，且每一步的进行都需要人工启动，主要是为了调试机械手而设计的操作，为了不和自动程序发生冲突，为单步工作方式单独编写独立的子程序，并采用区别于自动程序的位存储器M2.0到M3.0。当在主程序中选择了单步工作方式后，即按下单步工作按钮I2.2后即开始运行单步程序，因为单步状态必须送原电位置开始启动运行，左移此时系统扫描会先无条件执行公用程序，此时若机

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械手手处于原点状态，则原点标志M0.5和原位信号指示灯Q0.5将为1状态，此时我们按下启动按钮I2.6后便接通M2.0步，此时机械手开始下降，当碰到下限位限位开关I0.1时停止运动，但并不马上转到下一步的操作，此时必须人为的按下启动按钮I2.6后才可接通M2.1步，此时机械手执行夹紧操作，若此时正在调试机械手的运行情况，便可观察到机械手在夹紧工件的过程中是否能在规定的2S时间内完成夹紧操作，若未能完成夹紧操作造成工件掉落，说明程序设计中给定的时间太短，又或者机械手夹取装置防滑性能不好，便可找出原因对机械手程序进行修改或者对夹取装置进行改进，当在按下启动按钮I2.6后机械手夹紧工件开始向上运行，的那个碰到上限位开关I0.2后停止运行，在此过程中我们可以检查机械手的上限位和下限位限位开关、上升电磁阀和下降电磁阀是否正常工作，若为正常工作，机械手将不会停止，若此时发生故障不能停止，可通过停止按钮I1.7强行停止机械手的运行，然后找出问题所在，机械手的单步工作程序的工作流程和单周期、连续操作一样，区别在于其使用上，单周期和连续式为生产加工工件而设计，而单步是为检修机械手而设计，在通过一次次按启动按钮的过程中观察机械手的运动情况和稳定性，来检修设备。4.3.7 PLC程序调试模拟调试

PLC程序模拟调试是使用S7-200仿真软件对已编好的机械手运动控制程序进行调试，在调试程序时需对仿真软件进行CPU模块配置，本次调试中我们选择CPU226模块进行调试，然后将PLC程序用V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6软件导出功能将机械手运动程序保存为仿真软件所支持*awl文件格式，然后将*awl文件加载到使用仿真软件中并下载，即可以开始调试程序，调试时，可用鼠标点击CPU模块下的开关面板上面的黑色部分，的那个开关向上是，触点闭合，对应的输入点变为绿色，但开关向下时，即出点断开，输入点变为灰色，在运行程序后，可通过观察输入点的颜色变化来检查程序是否正确，本次仿真实验的截图如下图4-1所示: 30

第四章程序设计

图4-1 4.3.8 上机调试

上机调试是在实际的PLC编程器上对程序进行调试和修改，当在计算机上对PLC程序模拟调试完成后，还应实际在PLC上对程序进行调试，以保证程序的完整和正确，在调试进行前，应对PLC进行连线并检查PLC的各输入输出点是否正常工作，在确认PLC无任何输入输出点故障时，变可将写好的OLC程序通过V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6软件导入计算机，首先我们应对PLC进行通信调试，在通信前应将PLC调解至RUN模式，然后将V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6软件和PLC控制器连接起来，在计算机和PLC通信成功后，将PLC在软件中进行编译，在确认无错误后，将机械手运动控制程 31

第四章程序设计

序下载至PLC，然后通过鼠标操作计算机中的V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6软件，然后点击软件中的小三角符号，即开始运行程序，然后观察PLC的输出点是否和程序中的输出一致，由于在本次上机调试中，程序中的一些输入点为机械手的限位开关，在实际中是有机械手的运动通过物理方法启动，在上机调试过程中我们没有机械手进行相应的工作，只能由人工将相应的输入点按下，其实际效果和机械手按下一样，然后观察输入输出是否对应，在调试过程中我们可以通过V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6软件来辅助查看调试的结果，如程序出现错误，可以通过软件中的开始状态表监控、符号表、交叉引用表来检查程序中的错误点以便帮助我们修改程序。4.3.9 程序调试中遇到的问题

在本次程序调试中遇到的问题主要有，在对单步程序、单周期和连续程序进行调试时，在开始调试时三个程序是共用一个子程序即自动程序，由于三者的工作过程相近，所以在开始写程序时便将三个程序卸载一个子程序中运行，到哪子啊实际的上机调试过程中单周期和自动程序能够按照预定的要求运行，在运行单步程序时，却无法进行，经过对程序的检查分析后，是由于PLC程序中的一些软继电器和软元件位置在置位和无法自动复位，由于三种工作过方式共用一个子程序，也造成了一些位储器没有正常工作，由于多次的输入造成冲突，使程序无法正常运行，在几经调整后，决定单独为单步程序编写一个独立的子程序并使用了区别于单周期和连续的位存储器后，问题得到解决，单步程序和单周期、自动程序均可以正常运行，在其他的程序调试过程中，由于程序相对简单，未遇到问题，调试结果和预期结果一致。

基于PLC控制的机械手设计(毕业论文) 篇2

在现代工业中, 生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。机械手系统是提高生产过程自动化水平的有效手段之一, 尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合, 应用得更为广泛。机械手是一种模仿人手动作, 并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓取、搬运工件或工具进行操作的自动化装置。本文设计了一种基于PLC控制的机械手系统, 在设计中通过PLC、触摸屏来实现对机械手系统的控制。

1 机械手系统结构及其工作过程

工业机械手由机械手手爪、X/Y轴丝杠组、旋转基座、转盘机构等组成, 如图1所示。

1—机械手手爪2—X/Y轴丝杠组3—旋转基座4—转盘机构

机械手系统能实现4个自由度运动, 即升降、伸缩、气动手指夹紧/松开和旋转的四维运动。机械手安装在步进电机传动组件上, 在传动组件的带动下整体作直线往复运动。

机械手工作过程为:当货物到达时, 传感器将接收到的信息反馈给PLC, PLC发出指令, 机械手系统开始工作;步进电机控制机械手往下运动, 正好到达抓取货物的方位处夹住货物;步进电机驱动机械手向前走, 使其整体运动, 转到货物接收处;到达指定位置后, 机械手松开货物;系统回位准备下一次动作。

2 机械手系统的工作原理

机械手控制系统由西门子触摸屏、机械手装置、步进电机及驱动器、CP5611通讯卡、西门子S7-200-CPU226型PLC及扩展模块组成。此操作系统通过人机界面监控机械手的状态实现对机械手的控制, 机械手与PLC之间通过组态软件实现信息的传输。本设计采用气动式机械手, 使用步进电机作为传动组件以拖动机械手运动, 完成精确定位的功能。机械手系统工作原理如图2所示。

3 机械手系统硬件设计

根据系统的设计要求, 选用西门子S7-200-CPU226型PLC。S7-200系列PLC具有逻辑控制、闭环控制、数据处理、通信联网等功能, 广泛应用于钢铁、造纸、食品加工、化工、电力、汽车等工业生产领域。PLC可以完成各种各样的控制任务, 实现对设备的检测、监控及自动化控制。例如, PLC既可以对单台设备进行控制, 也可以对一条生产线或全部工艺过程进行控制。

机械手X/Y轴丝杠组采用Kinco的步进电机, 步距角1.8°, 带动机械手上升、下降、左右移动。机械手的旋转动作采用松下A系列MSMA5AZA1G小惯量伺服电机, 具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能, 可弥补机械的刚性不足, 从而实现高速定位。此外, 伺服电机还配有RS-485、RS-232通信口来实现上位机控制。在可回旋360°的转盘机构上安装有旋转编码器 (旋转编码器规格为增量式) , 编码器将信号传给PLC, 实现转盘机构的精确定位。

4 机械手系统程序设计

流程图是PLC程序设计的基础。设计出流程图才能顺利地编写出梯形图及语句表, 最终完成程序的设计。所以, 写出流程图是程序设计的首要任务。依据机械手控制要求绘制的流程图如图3所示。

5 人机界面设计

(1) 人机界面 (Human Machine Interface, 简称HMI) 又称为人机接口, 泛指计算机与操作人员交换信息的设备。人机界面装置是操作人员与PLC之间双向沟通的桥梁, 它以图像形式显示所连接的PLC操作状态、当前过程数据及故障信息, 并接收操作人员发出的各种命令和设置的参数, 同时将其传送到PLC上。操作人员可使用人机界面装置方便地操作和观测正在监控的设备或系统。通过触摸屏操作, 用手指触摸屏幕上的图形对象, 计算机便会执行相应的操作, 人和机器间的交流变得直接。操作人员还可以用触摸屏上的文字、按钮、图形和数字来处理或监控不断变化的信息。

(2) 触摸屏与PLC的RS-232接口相连, 可以采用MPI或Profibus-DP方式进行通信。在本设计中, 采用的是MPI通信, 通过PLC以变量方式进行操作单元与机械设备或过程之间的通信。变量值写入PLC的存储区域, 由操作单元从该区域读取。另外, 触摸屏采用组态王软件, 提供系统的操作平台, 能够完成数据采集、实时处理及流程监控等功能。

(3) 上位机控制系统由系统运行状态监控模块、系统参数设置模块和故障记录查询模块组成。这3个模块共同实现了上位机控制系统对整个机械手控制系统的监测与控制功能。下面分别对这3个模块进行简单说明:1) 运行状态监控模块:包括机械手启动、运行状态显示及手动/自动的切换。2) 系统参数设置模块:系统中设有参数设置按钮, 点击按钮将会进入到系统参数设定模块, 文本框可以输入相应的各种参数。点击保存后, 系统会把设定的参数送入下位机。3) 故障记录查询模块:用于故障记录的存储及查询。

6 结语

机械手的各个动作和状态都由PLC控制, 不仅能满足机械手手动、半自动、自动等操作方式所需大量按钮、开关、位置检测点的要求, 更可通过触摸屏等接口元件与计算机组成PLC工业局域网, 实现网络通信与网络控制。因此, 基于PLC的机械手系统能方便地应用到工业生产流水线中。

摘要：对一种基于PLC控制的机械手系统进行了设计和研究, 介绍了机械手系统的结构、工作过程、原理及硬件、程序、人机界面设计。

关键词：机械手,PLC,人机界面

参考文献

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基于PLC控制的机械手设计(毕业论文) 篇3

关键词：PLC；焊接机械手；控制系统

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）14-0016-02

随着自动化控制技术的飞速发展，机械手在很多环境下能准确完成预期的工作并能模拟人的适应性，这使得机械手的应用越来越广泛。焊接是装备制造业中最为常用的加工方法之一，由于焊接加工产生的烟气与火花使得工作环境比较恶劣，为了尽量减少环境条件对人身造成的伤害，设计了一种PLC控制的焊接机械手，专用于某建筑机械厂塔吊构件的焊接加工，提高了焊接车间自动化程度，减少了环境对人体的伤害。该焊接机械手因具有作用灵活方便与价格便宜等优点具有较好应用价值。

1 机械手的现状和发展

因机械手能够在有毒、有害、危险、高热和低温等恶劣条件中的工作进行替代，对人的一些单调重复、繁重劳动进行代替，从而大大提高劳动生产率，进一步提升产品质量。我国机械手的应用是从20世纪70年代开始的，经过30多年的发展，机械加工、焊接、装配、上下料、搬运及喷漆、医疗等行业均有机械手的应用。目前主要集中在制造业，尤其是通用机械、汽车、电器制造以及加工金属和塑料等工业。计算机集成制造系统和柔性制造系统的构成，使生产自动化得以实现。

随着生产自动化的持续发展，网络技术、激光技术、传感技术、机器人的智能水平及机械手的发展领域都得到了极大的提高和扩展，众多领域越来越离不开机械手。随着机械手的性能、质量的加强，其已由传统的汽车制造领域向外进一步扩展延伸，高质量的机械手与较低的运行成本，必将使机械手在各个领域中得到极为广泛的应用。

2 设计选择PLC机型的原则

2.1 满足控制功能的要求

PLC在控制功能方面主要考虑的是逻辑运算、算术运算、定时、计数等功能要求，是否要有模拟量的输入与输出功能要求，在考虑输入与输出点数的要求时应该留有余量以备用。另外还要考虑是用晶体管输出型还用继电器输出型，是否要具备网络通信功能等。

2.2 安装方式要适合

PLC多台联网的分布式、远程I/O式、集中式是安装PLC系统的三种方式。

对于大型系统来讲，远程I/O式是一种比较适合的方式，它具有分布范围广的特点，远程I/O可以在现场装置附近分散安装，它不需要太长的连线，然而远程I/O电源和驱动器需要加以增加设置；不需要对驱动远程I/O硬件进行设置的是集中式，这个系统的特点是具有快捷的反应、低廉的成本；多台PLC联网的分布式常常适合应用于多台设备之间相互联系，但又能够各自独立进行控制的场合。

降低成本对于工厂小批量生产是非常重要的，所以集中式的安装方式是此系统的较好选择。

2.3 结构型式要合理

整体式和模块式是主要的两种PLC的结构型式：

在平均价格上每一个在PLC整体式上的I/O点与模块式比较要低很多，而且它还有另外一个特点，就是它的体积较小，通常在小型控制系统中大为推广；而PLC模块式具有非常优越的功能特点，它在进行扩展的时候灵活方便，具有较大的选择余地，且维修起来非常方便，在纷乱繁琐的控制系统中得以大量应用。

3 机械手控制要求与PLC的选用

考虑到本PLC控制机械手的特定控制要求，需要实现同一平面内X轴方向与Y轴方向的直线焊接与同一平面内的圆弧焊接功能。输入主要有X轴方向焊接选择、Y轴方向焊接选择、圆弧焊接选择、启动按钮、停止按钮、限位开关与位置检测传感器，输出主要通过中间继电器隔离后再控制电磁阀驱动机械手的各个气缸运动。本系统中用五个气缸分别用于机械手的X轴方向移动、Y轴方向移动、旋转运行、机械手升降移动、手爪夹紧控制。根据机械手的控制要求及PLC的性能特点，选择西门S7-200 PLC，CPU为226AC/DC/RLY，有24点输入与16点继电器输出即可满足控制要求。

4 气动控制回路设计

根据机械手的控制要求，五个气动缸的气动控制回路如图1所示，在每个气缸的进气与出气管均安装有节流阀，可调整气流的大小，达到气缸移动与旋转速度的调节

作用。

5 PLC的I/O地址分配

根据机械手输入/输出点数，为了方便PLC的外部接线及程序设计，将PLC的I/O地址分配如表1所示：

6 PLC外部接线图

根据PLC的I/O地址分配表，设计如图2所示的PLC外部接线图：

7 程序设计与调试

焊接机械手的程序设计思路，首先是检测机械手是否在原点位置，正常则常亮，否则故障指示灯按1Hz频率闪烁。然后根据X轴焊、Y轴焊、圆弧焊的选择情况，按下启动按钮即进行焊接加工，按下停止按钮时暂停焊接，再次按下启动时接着焊接，直到焊接完成为止。在加工过程中按下急停按钮，机械手立即停止，自动反回原点位置。由于同一批工件的焊接行程是一致的，在调试过程中应先根据焊接行程调整好气缸行程的检测传感器位置然后固定好传感器。

8 结语

经过对焊接机械手在某建筑机械厂进行现场调试，本系统控制的焊接机械手能够完成预定的功能，能在恶劣环境下代替人工操作，大大地提高了生产效率，节约了人力成本，具有很大的实用价值。

参考文献

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作者简介：谢祥强（1973—），男，广西岑溪人，广西电力职业技术学院讲师，工程硕士，研究方向：数控机床、电气控制技术。

基于PLC控制的机械手设计(毕业论文) 篇4

首先分析了搬运机械手控制系统的要求，然后进行了可编程控制器I / O点的分配、编写了PLC控制程序、绘制了原理图;同时，实现了PLC与上位计算机组态王软件的通讯、设备的连接与配置、数据库的构造、图形界面的设计和动画连接的建立等;最后运行系统并调试成功。本设计利用工控组态软件实现对搬运机械手的运行过程进行监控和管理，这对提高生产过程的自动化控制水平有着重大的意义。

引言

随着我国社会主义市场经济的发展，现代工业日新月异，流水生产线已基本普及，人工搬运或包装货物和产品不仅耗时费力，而且在环境恶劣、无法作业的条件下依然动用人工去作业已然不太现实。因此，传统的工作方式必然不能适应我国社会主义市场经济的快速发展，自动化生产模式则应运而生，而机械手自动化控制的研究与应用对实现自动化生产有着巨大的意义。

利用PLC 控制实现机械手的精准、快速地进行货物的搬运、移动、打包和分拣等繁琐或有害人体的工作，劳动强度得以大大减轻，生产的自动化程度也得到大幅度提高，并且机械手完全可以代替人工在环境恶劣、工人无法作业或有特殊要求的场合完成既定的工作任务。因此，利用组态软件可实现远程控制、可视画面同步和实时监测从而构成一个集动作控制、过程监测与控制的网络化、智能化、综合化、组态化的机电一体化自动控制，在我国现代化工业发展进程中将起到巨大的推动作用。系统的控制要求

搬运机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、气缸、气夹等机械部件组成;电气方面有步进电机、步进电机驱动器、传感器、开关电源、电磁阀等电子器件组成。其结构示意图如图1 所示。

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图1 搬运机械手示意图

机械手转盘部分由直流电机驱动，升降和伸缩部分由步进电机驱动，夹紧部分由气泵和电磁阀控制。

机械手的工作过程为: 从原点开始，按下启动按钮，系统初始化，气夹正转，到位后机械手下降，下降到底时，碰到下限位开关，下降停止，同时机械手夹紧;夹紧后机械手上升，上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止;基座正转，到位后机械手右移，右移到位时，碰到右限位开关，右移停止;机械手下降，下降到底时，碰到下限位开关，下降停止;同时气夹电磁阀断电，机械手放松，放松后，机械手上升，上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止;机械手开始左移，左移到位时，碰到左限位开关，左移停止，基座反转，到位后回到原点位置。至此，机械手经过12 步动作完成了1 个动作周期。系统的PLC 控制部分设计

2．1 PLC 输入输出点分配

2．1．1 控制系统输入输出

控制系统输入输出分配如表1 和表2 所示。

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表1 可编程序控制器(PLC)输入点

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表2 可编程序控制器(PLC)输出点

2．1．2 PLC 外部接线图的设计

PLC 外部接线图如图2 所示;气夹电机接线图如图3 所示;基座电机接线图如图4 所示

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图2 PLC 外部接线图点击图片查看大图

图3 气夹电机接线图点击图片查看大图

图4 基座电机接线图

2．2 系统的顺序功能图

系统的顺序功能图如图5 所示

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图5 系统的顺序功能图组态部分的设计

在本设计中，交通信号灯监控系统的监控软件采用了北京亚控公司的Kingview6． 5 组态王软件。

3．1 定义I /O 设备

首先双击工程浏览器左侧大纲项“设备 COM1”，弹出串口设置对话框，如图6 所示。

要用组态软件进行实时监控首先要完成通讯连接，组态王通讯参数应与PLC 的通讯参数设置保持一致。由于本系统是PLC 与组态王间进行通讯，因此将PLC 的生产厂家、设备名称、通讯方式等填入相应的对话框即可。

在本设计中采用的是三菱FX 系列可编程控制器，当使用RS232 与上位机相连时，PLC 与组态王连接的I /O 设备的缺省与推荐设置如表3 所示。按照表3 中给定参数设置串口设置对话框

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图6 串口设置对话框

表3 I /O 设备的通讯参数

然后选择工程浏览器左侧大纲项“设备 COM1”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，选择PLC 三菱FX2 系列产品中“编程口”，如图7 所示。

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图7 设备配置向导对话框

单击“下一步”，为外部设备取一个名称，输入“PLC”，再单击“下一步”，为设备选择连接串口;假设为COM1，单击“下一步”，填写设备地址为“1”，单击“下一步”，设置通信故障恢复参数(一般情况下使用系统默认设置即可)，单击“下一步”，弹出“设备配置向导—信息纵览”。请检查各项设置是否正确，确认无误后，单击“完成”。

3．2 构造数据库

要在组态王中知道外部设备的状态，以及能够输出控制信号到机械手，需要建立相应的变量。建立完成的数据库如图8 所示。

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图8 构造好的组态王数据库

然后是动画连接，接着是脚本程序的编写。

3．3 脚本程序的编写

1)事件命令语言的编写。在组态王工程浏览器窗口左侧选择命令语言目录中的“事件命令语言”，在右侧双击新建图标，则出现“事件命令语言”对话框，在“事件描述”中输入“停止按钮= = 1”，在“发生时”语言编辑区域输入: 停止标志= 1;运行标志= 0;∥本站点复位按钮= 0;∥本站点启动按钮= 0;单击右下方的“确认”按钮，则完成第一段事件命令语言的编写。

类似可编写“复位按钮”“下降”“启动按钮”“横轴回缩”的事件命令语言。2)应用程序命令语言的编写。在组态王工程浏览器窗口左侧选择命令语言目录中的“应用程序命令语言”，双击右侧图标，则出现“应用程序命令语言”对话框，在这里编写机械手动画的主要控制程序。在“运行时”栏里输入: if(运行标志= = 1){ if(次数＞ = 0＆＆次数＜ 50＆＆下降= = 1){ 机械手y = 机械手y + 2;次数= 次数+ 1;} if(次数＞ = 50＆＆次数＜ 60＆＆气夹电磁阀 = = 1){ 次数= 次数+ 1;} if(次数＞ = 60＆＆次数＜ 110＆＆上升= =1)3．4 运行和调试

进入组态王运行系统。显示出组态王运行系统画面(如图9 所示)，达到了预期的目标。

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图9 搬运机械手的组态界面结论

基于PLC控制的机械手设计(毕业论文) 篇5

摘要

随着工业自动化进程的加快，搬运机械手的应用也得到了飞速发展，主要在体现在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运方面, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。

本机械手的全部动作由气缸驱动，而气缸则由相应的电磁阀控制。其中，上升下降和左移右移分别由双线圈二位电磁阀控制，放松夹紧则由一个单线圈二位电磁阀控制。通过在各个不同部位的限位开关产生的通断信号传输到PLC控制器，通过PLC内部程序输出不同的信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同的动作。其动作过程包括：下降、夹紧、上升、右移、下降、放松、上升、左移；其操作方式包括：回原位、手动、单步、单周期、连续；来满足生产中的各种操作要求。

关键词：搬运机械手，可编程控制器（PLC），气缸，电磁阀

ABSTRACT With the acceleration of industrial process automation, handling robot application has been rapid development, mainly the production line or in terms of cargo transported automotive, electronics, machinery processing, food, medicine, etc., may be better to save energy and improve efficiency of transport equipment or products to reduce restrictions and lack of other transport modes, to meet the requirements of modern economic development.All movements of the robot driven by the cylinder, and the cylinder from the corresponding solenoid valve control.Among them, the rise and fall right and left respectively, by two dual-coil solenoid valve controlled by a single coil loosen the clamping two solenoid valves.Off different parts of the signal transmission generated by the limit switch to the controller PLC, the PLC program via different output signals to drive an external coil or solenoid to control the motor to produce different actions.Its course of action, including: reduced clamping rise, right, down, relax, up, left;its mode of operation include: back in place, manual, single-step, single cycle, continuous;to meet a variety of production operating requirements.Keywords: Handling robots, programmable logic controller(PLC), cylinder, solenoid valve

前言…………………………………………………………………………………1 第一章机械手的概况

1.1 机械手的应用简况…………………………………………………2 1.2 机械手的应用意义………………………………………………………3 1.3 机械手的发展概况………………………………………………………3 第二章搬运机械手PLC控制系统设计

2.1 搬运机械手结构及其动作……………………………………………… 2.2 搬运机械手系统硬件设计……………………………………………… 2.3机械手的控制要求 ……………………………………………… 第三章搬运机械手控制程序设计

3.1机械手的结构…………………………………………………… 2 I/O分配………………………………………………………………… 3 梯形图的设计…………………………………………………………… 1）梯形图的总体设计…………………………………………………… 2）各部分梯形图的设计………………………………………………… 3）绘制搬运机械手PLC控制梯形图……………………………………

结论……………………………………………………………………………… 谢辞………………………………………………………………………………

前言机械手最早是由美国人开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手，被称为：mechanical hand。

主要是为了减轻人类繁重的劳动，能有效防止人类在有危害的环境下受到伤害，是能模仿和替代人类的手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

机械手主要分成三大部分：执行机构、驱动机构、控制系统。执行机构是在躯体的支撑下利用手部抓持住工件精确地运送到相应的位置；机械手所应用最为广泛的驱动机构主要是：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。控制系统中机械手的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动加减速度等。控制系统采用数字顺序控制，以插销板用的形式最多见。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

第一章

机械手的概况 1.1机械手的应用简况

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

在工业制造领域，利用机器手在机械制造业中代替人完成大批量、高质量要求的工作，达到事半功倍的效果。在军事领域，让机器手执行一些自动的侦察与控制任务，尤其是一些危险的任务。在医疗领域，机器手可以用来辅助护士进行一些日常的工作，有些国家还发明了一种可以进入人体血管的微型机器手，帮助医生在病人的血管内灭杀病毒。

国内外还将机械手应用于冷加工、热加工、拆装修方面。工业机械手以成为不可或缺的重要工具。

1.2 机械手的应用意义

（1）推进了工业自动化进程的发展。

应用机械手，加快了材料的传送速度，使人力劳动得到进一步解放，工业生产机械化和自动化相得益彰。

（2）改善了劳动人民的生产环境。

利用机械手，使工人的安全得到良好的保障，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。

（3）提高了生产效率，节约了人力资源。

通过机械手，解放了劳动生产力，机械作业直接替代了手工作业，保障了人类健康和减轻了人类的负担。还可以更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。

1.3 机械手的发展概况

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，是近年来机械自动化的发展方向，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术，也是科学技术进步的重要体现。

第一代机械手是以模拟关节式的形式出现的，这也是最早的机械手。

随着科技的不断创新第二代机械手也在50～60年代诞生。是以传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。后来随着日本出现了装配机械手，装配机械手进入鼎盛时期。现代机械手的研究始于20世纪中期发展，在我国的三大产业中都有重要应用，机械手技术也得到飞速的多元化发展。

三代机械手的不段演变，体现了科学技术水平的不断攀升，人类自主创新能力的不断提高。逐步减少人力劳动是三代机械手演变过程的前进方向。

第二章搬运机械手PLC控制系统设计

2.1 搬运机械手结构及其动作

该机构的上升、下降和左移、右移是由双线圈两位电磁阀推动气缸来控制的。机械手工作循环过程主要有8个动作，机械手的动作过程如图2—1所示：

图2—1 机械手的动作周期

2.2机械手的控制过程

图2—2 机械手结构示意图

如图2-2所示，从原位开始，按下启动按钮，下降电磁阀通电，机械手爪下降。当碰到下限位开关时，下降电磁阀电源断开，机械手爪停止下降。同时，夹紧电磁阀通电，机械手爪夹紧工件。上升电磁阀通电，机械手爪上升。当碰到上限位开关时，上升电磁阀断电，机械手爪停止上升。同时，右移电磁阀通电，机械手爪向右移。当碰到右限位开关时，机械手爪停止右移。此时，光电开关接通，当检测到工作台上无工件时，下降电磁阀通电，机械手爪下降。当碰到下限位开关时，机械手爪停止下降。同时，放松电磁阀通电，放下工件。上升电磁阀通电，机械手爪上升。当碰到上限位开关时，停止上升。此时，左移电磁阀接通，机械手爪向左移。当碰到左限位开关时，机械手爪到达原位，停止移动。

2.3机械手的控制要求

机械手的操作方式分为：手动操作和自动操作两种。自动操作又分为单步、单周期和连续操作方式。

手动操作：就是用按钮操作对机械手的每一种运动单独进行控制。

单步操作：每按一次起动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。

单周期操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手将完成一个周期的动作，然后停止在原起始点位置。

连续操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手将自动地、连续不断地周期性循环工作。

在工作中若按一下停止按钮，机械手动作停止。重新起动时，用手动操作方式将机械手移回原位，按一下启动按钮，机械手又重新开始连续操作。

在工作中若按一下复位按钮，机械手将完成一个周期的动作后，回到原位，自动停止。

基于PLC控制的机械手设计(毕业论文) 篇6

摘要

本论文根据中国城市小区的供水要求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统, 并利用组态软件开发良好的运行管理界面。变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机等构成。

本系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。采用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采用“先启先停”的原则。压力传感器检测当前水压信号，送入PLC与设定值比较后进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。通过工控机与PLC的连接，采用组态软件完成系统监控，实现了运行状态动态显示及数据、报警的查询。

关键词：变频调速;恒压供水;，PLC;组态软件。

山东科技大学泰山科技学院论文

ABSTRATE

According to the Chinese city residential water demand, has designed a system based on variable frequency speed constant pressure water supply system of PLC, and the use of configuration software to develop good operation management interface.Variable frequency constant pressure water supplysystem consists of a programmable controller, inverter, water pump, pressure sensors, industrial control computer.This system includes three water pump motor, they are composed of variable frequency circulating operation mode.For three-phase motor soft start andfrequency conversion speed regulation by frequency converter, operation switch adopts the “start stop” principle.The pressure sensor detects the currenthydraulic pressure signal, is sent to the PLC is compared with the set value after PID operation, so as to control the inverter output voltage and frequency, and then change the water pump motor speed to change the water supply pipe network pressure, finally keep stable around the setting value.By connecting thePLC and industrial computer, monitor system using configuration software, to achieve the dynamic operation state display and query data, alarm.山东科技大学泰山科技学院论文

目录绪论................................................................................................................1

1.1 课题的提出............................................................................................1 1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状................................................2 1.3 本课题的主要研究内容........................................................................4 系统的理论分析及控制方案确定........................................................5

2.1 变频恒压供水系统的理论分析............................................................5 2.2 变频恒压供水系统控制方案的确定....................................................8 系统的硬件设计.......................................................................................16

3.1 系统主要设备的选型..........................................................................16 3.2 系统主电路分析及其设计..................................................................20 3.3 系统控制电路分析及其设计..............................................................22 系统的软件设计.......................................................................................24

4.1 系统软件设计分析..............................................................................25 4.2 PLC程序设计.......................................................................................26 结束语.........................................................................................................32 参考文献.........................................................................................................48 致谢................................................................................................................49

山东科技大学泰山科技学院论文绪论

1.1 课题的提出

水和电是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能源短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度较低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。

传统的小区供水方式有：恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式。

供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大，水质易污染，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高。

第1页山东科技大学泰山科技学院论文

目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗[2]。

基于PLC和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。

1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状

1.2.1 变频调速技术的国内外发展与现状

变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展。从20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的基于VVVF技术的通用变频器已商品化并广泛应用。在我国，60%的发电量是通过电动机消耗掉的，因此如何利用电机调速技术进行电机运行方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界人士的重视。现在，我国约有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作，但自行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比，还有比较大的技术差距。随着改革开放和经济的高速发展，我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备，要么内外结合，即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频调速设备，然后自己开发应用软

第2页山东科技大学泰山科技学院论文

件的办法，很好地为国内重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办法，适应了社会的需要。总之，虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱，对国外公司的依赖还很严重。

1.2.2 变频恒压供水系统的国内外研究与现状

变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起动控制以及制动控制、压频比控制以及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。电磁接触器工作，可构成最多7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制[3]。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践[4]。

第3页山东科技大学泰山科技学院论文

1.3 本课题的主要研究内容

本设计是以小区供水系统为控制对象，采用PLC和变频技术相结合技术，设计一套城市小区恒压供水系统，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。

PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，本设计中有3个贮水池，3台水泵，采用部分流量调节方法，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速运行。PLC根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算，输出给变频器控制其输出频率，调节流量，使供水管网压力恒定。各水泵切换遵循先起先停、先停先起原则。

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2.1 变频恒压供水系统的理论分析

2.1.1 电动机的调速原理

水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为：

n60f(1s)(2-1)p式中：f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：(l)改变电源频率(2)改变电机极对数(3)改变转差率

改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗[7]，且成本高而影响它的推广价值。下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。

根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，它们

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促进了变频调速的广泛应用。2.1.2 变频恒压供水系统的节能原理

供水系统的扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线，如图2.1所示。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Qu间的关系H=f(Qu)。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下扬程H与流量Q之间的关系曲线，如图2.1所示。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系H=f(Qc)。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2.1中A点。在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。

H扬程特性管阻特性AHAQAQ

图2-1 恒压供水系统的基本特征

变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，第35页山东科技大学泰山科技学院论文

通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。

在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。

由流体力学可知，水泵给管网供水时，水泵的输出功率P与管网的水压H及出水流量Q的乘积成正比；水泵的转速n与出水流量Q成正比；管网的水压H与出水流量Q的平方成正比。由上述关系有，水泵的输出功率P与转速n三次方成正比，即：

Pk1HQ（2-2）nk2Q（2-3）

Hk3Q2(2-4)Pkn3(2-5)式中k、k1、k2、k3为比例常数。

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HH2H1H0b1b2b30Q2Q1Qn2DEn1F

图2-2 管网及水泵的运行特性曲线

当用阀门控制时，若供水量高峰水泵工作在E点，流量为Q1，扬程为H0，当供水量从Q1减小到Q2时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从b3移到b1，扬程特性曲线不变。而扬程则从H0上升到H1，运行工况点从E点移到F点，此时水泵的输出功率正比于H1×Q2。当用调速控制时，若采用恒压(H0)，变速泵(n2)供水，管阻特性曲线为b2，扬程特性变为曲线n2，工作点从E点移到D点。此时水泵输出功率正比于H0×Q2，由于H1>H0，所以当用阀门控制流量时，有正比于(H1－H0)×Q2的功率被浪费掉，并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是H1增大，而被浪费的功率要随之增加。所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。

2.2 变频恒压供水系统控制方案的确定

2.2.1控制方案的比较和确定

恒压变频供水系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起

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动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输和监控。根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可供选择[8]：

(1)有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器

这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。

(2)通用变频器+单片机(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器

这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性价比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。

(3)通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器

这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。该系统能适用于各类

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不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。

通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出第三种控制方案更适合于本系统。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。2.2.2 变频恒压供水系统的组成及原理图

PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图2-3所示：

管网压力信号报警信号水池水位信号PLC(含PID)变频器压力变送器M液位变送器用户水泵机组水池图2-3 变频恒压供水系统控制流程图

从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：

(l)执行机构：执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，变频泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定；工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量

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很大（变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时）的情况下投入工作。

(2)信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。管网水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测，检测结果可以送给PLC，作为数字量输入；水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自安装于水池中的液位传感器；报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。

(3)控制机构：供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵机组)进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。

根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式即变频循环式和变频固定式，变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机；变频固定式是变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切

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换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择[9]，本设计中采用前者。

作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。

变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上[10]。变频恒压供水系统的结构框图如图2.4所示：

给定管网压力PIDD/A变频器－PLC接触器水泵机组管道A/D压力变送器图2-4 变频恒压供水系统框图

恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为4—20mA的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供

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水。

2.2.3 变频恒压供水系统控制流程

变频恒压供水系统控制流程如下:(l)系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动变频泵M1工作，根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制Ml的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间Ml工作在调速运行状态。

(2)当用水量增加水压减小时，压力变送器反馈的水压信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。

(3)当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件(在下节有详细阐述)时，在变频循环式的控制方式下，系统将在PLC的控制下自动投入水泵M2(变速运行)，同时变频泵M1做工频运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M3投入运行，变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。

(4)当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将工频泵M2关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M3关掉。

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2.2.4 水泵切换条件分析

在上述的系统工作流程中，我们提到当变频泵己运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加水泵来满足供水要求，达到恒压的目的；当变频泵和工频泵都在运行且变频泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少工频泵来减少供水流量，达到恒压的目的。那么何时进行切换，才能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换呢? 由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50HZ成为频率调节的上限频率。另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0HZ。其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降到0HZ。因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。这个频率远大于0HZ，具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20HZ左右。所以选择50HZ和20HZ作为水泵机组切换的上下限频率。

当输出频率达到上限频率时，实际供水压力在设定压力上下波动。若出现PsPf时就进行机组切换，很可能由于新增加了一台机组运行，供水压力一下就超过了设定压力。在极端的情况下，运行机组增加后，实际供水压力超过设定供水压力，而新增加的机组在变频器的下限频率运行，此时又满足了机组切换的停机条件，需要将一个在工频状态下运行的机组停掉。如果用水状况不变，供水泵站中的所有能够自动投切的机组将一直这样投入—切出—再投入—再切出地循环下去，这增加了机组切换的次数，使系统一直处于不稳定的状态之中，实际供水压力也会在很大的压力范围

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内震荡。这样的工作状态既无法提供稳定可靠的供水压力，也使得机组由于相互切换频繁而增大磨损，减少运行寿命。另外，实际供水压力超调的影响以及现场的干扰使实际压力的测量值有尖峰，这两种情况都可能使机组切换的判别条件在一个比较短的时间内满足。所以，在实际应用中，相应的判别条件是通过对上面两个判别条件的修改得到的，其实质就是增加了回滞环的应用和判别条件的延时成立。

实际的机组切换判别条件如下[11]：

加泵条件： ffPdUP PfPs2 且延时判别成立减泵条件：ffPLOW PfPds2 且延时判别成立(2-7)式中： fUP：上限频率 fLOW：下限频率

Ps：设定压力 Pf：反馈压力

第35页(2-6)山东科技大学泰山科技学院论文系统的硬件设计

3.1 系统主要设备的选型

根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图3.1所示：

故障、状态等量输入报警、控制等量输出上位机、组态等A/D模块可编程控制器(PLC)通讯模块变频器压力变送器人机界面软启动、自耦变压器水泵机组图3-1 系统的电气控制总框图

由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：(1)PLC及其扩展模块、(2)变频器、(3)水泵机组、(4)压力变送器、(5)液位变送器。主要设备选型如表3.1所示：

表3-1 本系统主要硬件设备清单

主要设备

可编程控制器（PLC）模拟量扩展模块变频器水泵机组

型号及其生产厂家 Siemens CPU 226 Siemens EM 235 Siemens MM440

SFL系列水泵3台（上海熊猫机械有限公司）

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压力变送器及显示仪表液位变送器

普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪分体式液位变送器DS26(淄博丹佛斯公司)3.1.1 PLC及其扩展模块的选型

PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。PLC和上位机的通信采用PC/PPI电缆，支持点对点接口(PPI)协议，PC/PPI电缆可以方便实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS232的转换，用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护[12]。

根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入CPU226为24点，输入形式为+24V直流输入。由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要扩展，扩展模块选择的是EM235，该模块有4个模拟输入(AIW)，1个模拟输出(AQW)信号通道。输入输出信号接入端口时能够自动完成A/D的转换，标准输入信号能够转换成一个字长(16bit)的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成D/A的转换，一个字长(16bit)的数字信号能够转换成标准输出信号。EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置。

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3.1.2 变频器的选型

变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。本系统中要实现监控，所以变频器还应具有通讯功能。根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。

由于本设计中PLC选择的西门子S7-200型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，我们选择西门子的MicroMaster440变频器。它是用于三相交流电动机调速的系列产品，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和很强的功能。它采用模块化结构，组态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内置的RS-485/232C接口和用于简单过程控制的PI闭环控制器，可以根据用户的特殊需要对I/O端子进行功能自定义。快速电流限制实现了无跳闸运行，磁通电流控制改善了动态响应特性，低频时也可以输出大力矩。MicroMaster440变频器的输出功率为0.75~90KW，适用于要求高、功率大的场合，恰好其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。另外选择西门子的变频器可以通过RS-485通信协议和接口直接与西门子PLC相连，更便于设备之间的通信。3.1.3 水泵机组的选型

水泵机组的选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。要使泵组常处于高效区运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。本设计的要求为：电动机额定功率75KW，供水压力控制在0.3±0.01Mpa。根据本设计要求并结

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合实际中小区生活用水情况，最终确定确定采用3台上海熊猫机械有限公司生产的SFL系列水泵机组（电机功率75KW）。SFL型低噪音生活给水泵在外壳、轴上采用不锈钢材质，叶轮、导叶采用铸造件，经过静电喷塑处理，效率可提高5%以上；采用低噪音电机，机械密封，前端配有泄压保护装置，噪声更低(室外噪音60分贝)、磨损小、寿命更长；下轴承采用柔性耐磨轴承，噪音低，寿命长；采用低进低出的结构设计，水力模型先进，性能更可靠。它可以输送清水及理化性质类似于水的无颗粒、无杂质不挥发、弱腐蚀介质，一般用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。因此本设计中选择电机功率为75KW的上海熊猫机械有限公司生产的SFL系列水泵3台。3.1.4 压力变送器的选型

压力变送器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口，压力传感器和压力变送器是将水管中的水压变化转变为1~5V或4~20mA的模拟量信号，作为模拟输入模块(A/D模块)的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用4~20mA输出压力变送器。在运行过程中，当压力传感器和压力变送器出现故障时，系统有可能开启所有的水泵，而此时的用水量又达不到，这就使水管中的水压上升，为了防止爆管和超高水压损坏家中的用水设备(热水器、抽水马桶等)，本文中的供水系统使用电极点压力表的压力上限输出，作为PLC的一个数字量输入，当压力超出上限时，关闭所有水泵并进行报警输出[13]。

根据以上的分析，本设计中选用普通压力表Y-100和XMT-1270数显仪实现压力的检测、显示和变送。压力表测量范围0~1Mpa，精度1.0；数显仪输出一路4~20mA电流信号，送给与CPU226连接模拟量模块EM235，作为PID调节的反馈电信号，可设定压力上、下限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。

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3.1.5 液位变送器选型

考虑到水泵电机空载时会影响电机寿命，因此需要对水池水位作必要的检测和控制。本设计要求贮水池水位：2m~5m，所以要通过液位变送器将检测到的水位转换成标准电信号（4~20mA电压信号），再将其输入窗口比较器，用比较器输出的高电平作为贮水池水位的报警信号，输入PLC。

3.2 系统主电路分析及其设计

基于PLC的变频恒压供水系统主电路图如图3.2所示：三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵1#、2#、3#。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器。

本系统采用三泵循环变频运行方式，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵在工频下做恒速运行，在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频泵。

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NL1L2L3FUQS1QS2QS3QS4RST变频器UVWKM1KM3KM5KM2FR1M13~KM4FR2M23~KM6FR3M33~

图3-2 变频恒压供水系统主电路图

三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的R、S、T端，变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。当电机工频运行时，连接至变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器和隔离开关。主电路中的低压熔断器除接通电源外，同时实现短路保护，每台电动机的过载保护由相应的热继电器FR实现。变频和工频两个回路不允许同时接通。而且变频器的输出端绝对不允许直接接电源，故必须经过接触器的触点，当电动机接通工频回路时，变频回路接触器的触点必须先行断开。同样从工频转为变频时，也必须先将工频接触器断开，才允许接通变频器输出端接触器，所以KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互锁。为监控电机负载运行情况，主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将4~20mA电流信号送至

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上位机来显示。同时可以通过通过转换开关接电压表显示线电压。并通过转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电压。初始运行时，必须观察电动机的转向，使之符合要求。如果转向相反，则可以改变电源的相序来获得正确的转向。系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路(如直接使熔断器或隔离开关断开)，而必须通过变频器实现软启动和软停。为提高变频器的功率因数，必须接电抗器。当采用手动控制时，必须采用自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流，本系统采用软启动器。

3.3 系统控制电路分析及其设计

系统实现恒压供水的主体控制设备是PLC，控制电路的合理性，程序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能。本系统采用西门子公司S7-200系列PLC，它体积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越。

PLC主要是用于实现变频恒压供水系统的自动控制，要完成以下功能：自动控制三台水泵的投入运行；能在三台水泵之间实现变频泵的切换；三台水泵在启动时要有软启动功能；对水泵的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用；系统要有完善的报警功能并能显示运行状况。

如图3-3为电控系统控制电路图。图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态；打在2的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮SB1~SB6控制三台水泵的启/停；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。

图中的HL10为自动运行状态电源指示灯。对变频器频率进行复位是只提供一个干触发点信号，本系统通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复频控制。图中的Q0.0~Q0.5及Q1.1~Q1.5为PLC的输出继电器触

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点，他们旁边的4、6、8等数字为接线编号，可结合下节中图3-4一起读图。

NL1FU2SA21SB1SB2KM1Q0.0PLCKM1KM24N1FR1HL1KM2HL2KM3FR2HL3KM4HL4KM5FR3HL5KM6HL6HL7Q0.16KM1SB3SB4KM3Q0.2KM48KM3Q0.310SB5SB6KM5Q0.4KM612KM5Q0.514Q1.1Q1.2Q1.3Q1.4Q1.51618202224HL8HL9HAKAHL10

图3-3 变频恒压供水系统控制电路图

注：PLC各I/O端口、各指示灯所代表含义在下一节I/O端口分配中将详细介绍。

本系统在手动/自动控制下的运行过程如下：

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(1)手动控制：手动控制只在检查故障原因时才会用到，便于电机故障的检测与维修。单刀双掷开关SA打至1端时开启手动控制模式，此时可以通过开关分别控制三台水泵电机在工频下的运行和停止。SB1按下时由于KM2常闭触点接通电路使得KM1的线圈得电，KM1的常开触点闭合从而实现自锁功能，电机M1可以稳定的运行在工频下。只有当SB2按下时才会切断电路，KM1线圈失电，电机M1停止运行。同理，可以通过按下SB3、SB5启动电机M2、M3，通过按下SB4、SB6来使电机M2、M3停机。

（2）自动控制：在正常情况下变频恒压供水系统工作在自动状态下。单刀双掷开关SA打至2端时开启自动控制模式，自动控制的工作状况由PLC程序控制。Q0.0输出1#水泵工频运行信号，Q0.1输出1#水泵变频运行信号，当Q0.0输出1时，KM1线圈得电，1#水泵工频运行指示灯HL1点亮，同时KM1的常闭触点断开，实现KM1、KM2的电气互锁。当Q0.1输出1时，KM2线圈得电，1#水泵变频运行指示灯HL2点亮，同时KM2的常闭触点断开，实现KM2、KM1的电气互锁。同理，2#、3#水泵的控制原理也是如此。当Q1.1输出1时，水池水位上下限报警指示灯HL7点亮；当Q1.2输出1时，变频器故障报警指示灯HL8点亮；当Q1.3输出1时，白天供水模式指示灯HL9点亮；当Q1.4输出1时，报警电铃HA响起；当Q1.5输出1时，中间继电器KA的线圈得电，常开触点KA闭合使得变频器的频率复位；处于自动控制状态下，自动运行状态电源指示灯HL10一直点亮。系统的软件设计

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4.1 系统软件设计分析

硬件连接确定之后，系统的控制功能主要通过软件实现，结合泵站的控制要求，对泵站软件设计分析如下：

(1)由“恒压”要求出发的工作泵组数量管理

为了恒定水压，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且在一台水泵工作不能满足恒压要求时，需启动第二台水泵。判断需启动新水泵的标准是变频器的输出频率达到设定的上限值。这一功能可通过比较指令实现。为了判断变频器工作频率达上限值的确实性，应滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中应考虑采取时间滤波。

(2)多泵组泵站泵组管理规范

由于变频器泵站希望每一次启动电动机均为软启动，又规定各台水泵必须交替使用，多泵组泵站泵组的投运要有个管理规范。在本设计中，控制要求中规定任一台泵连续变频运行不得超过3h，因此每次需启动新水泵或切换变频泵时，以新运行泵为变频泵是合理的。具体的操作是：将现行运行的变频器从变频器上切除，并接上工频电源运行，将变频器复位并用于新运行泵的启动。除此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制，本设计中使用泵号加1的方法实现变频泵的循环控制，用工频泵的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。

(3)程序的结构及程序功能的实现

由于模拟量单元及PID调节都需要编制初始化及中断程序，本程序可分为三部分：主程序、子程序和中断程序。系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。主程序的功能最多，如泵切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等都在主程序。白天、夜

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间模式的给定压力值不同，两个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定的。白天模式系统设定值为满量程的90%，夜间模式系统设定值为满量程的70%。

程序中使用的PLC元件及其功能如表4-1所示。

表4-1 程序中使用的PLC元件及其功能

器件地址 VD100 VD104 VD108 VD112 VD116 VD120 VD124 VD204 VD208 VD250 VB300 VB301 VD310 T33 T34 T35 功能过程变量标准化值压力给定值 PID计算值比例系数Kc 采样时间Ts 积分时间Ti 微分时间Td 变频运行频率下限值变频运行频率上限值 PID调节结果存储单元变频工作泵的泵号工频运行泵的总台数变频运行时间存储器工频/变频转换逻辑控制工频/变频转换逻辑控制工频/变频转换逻辑控制

器件地址 T37 T38 M0.0 M0.1 M0.2 M0.3 M0.4 M0.5 M0.6 M2.0 M2.1 M2.2 M3.0 M3.1

功能

工频泵增泵滤波时间控制工频泵减泵滤波时间控制故障结束脉冲信号水泵变频启动脉冲(增泵)水泵变频启动脉冲(减泵)倒泵变频启动脉冲复位当前变频泵运行脉冲当前泵工频运行启动脉冲新泵变频启动脉冲泵工频/变频转换逻辑控制泵工频/变频转换逻辑控制泵工频/变频转换逻辑控制故障信号汇总水池水位越限逻辑

4.2 PLC程序设计

PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP 7-MicroWIN-V40编程软

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件开发。该软件的SIMATIC指令集包含三种语言，即语句表(STL)语言、梯形图(LAD)语言、功能块图(FWD)语言[14]。语句表(STL)语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。梯形图(LAD)语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是PLC的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程工具。功能块图(FWD)的图形结构与数字电路的结构极为相似，功能块图中每个模块有输入和输出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运算，模块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。

PLC控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编译后通过PC/PPI 电缆把程序下载到PLC，控制任务的完成，是通过在RUN模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。4.2.1控制系统主程序设计

PLC主程序主要由系统初始化程序、水泵电机起动程序、水泵电机变频/工频切换程序、水泵电机换机程序、模拟量(压力、频率)比较计算程序和报警程序等构成。

(1)系统初始化程序

在系统开始工作的时候，先要对整个系统进行初始化，即在开始启动的时候，先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测，如出错则报警，接着对变频器变频运行的上下限频率、PID控制的各参数进行初始化处理，赋予一定的初值，在初始化子程序的最后进行中断连接。系统进行初始化是在主程序中通过调用子程序来是实现的。在初始化后紧接着要设定白天/夜间两种供水模式下的水压给定值以及变频泵泵号和工频泵投入台

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数。

(2)增、减泵判断和相应操作程序

当PID调解结果大于等于变频运行上限频率（或小于等于变频运行下限频率）且水泵稳定运行时，定时器计时5min（以便消除水压波动的干扰）后执行工频泵台数加一（或减一）操作，并产生相应的泵变频启动脉冲信号。

(3)水泵的软启动程序

增减泵或倒泵时复位变频器为软启动做准备，同时变频泵号加一，并产生当前泵工频启动脉冲信号和下一台水泵变频启动脉冲信号，延时后启动运行。

当只有一台变频泵长时间运行时，对连续运行时间进行判断，超过3h则自动倒泵变频运行。

(4)各水泵变频运行控制逻辑程序

各水泵变频运行控制逻辑大体上是相同的，现在只以1#水泵为例进行说明。当第一次上电、故障消除或者产生1#泵变频启动脉冲信号并且系统无故障产生、未产生复位1#水泵变频运行信号、1#泵未工作在工频状态时，Q0.1置1，KM2常开触点闭合接通变频器，使1#水泵变频运行，同时KM2常闭触点打开防止KM1线圈得电，从而在变频和工频之间实现良好的电气互锁，KM2的常开触点还可实现自锁功能。

(5)各水泵工频运行控制逻辑程序

水泵的工频运行不但取决于变频泵的泵号，还取决于工频泵的台数。由于各水泵工频运行控制逻辑大体上是相同的，现在只以1#水泵为例进行说明。产生当前泵工频运行启动脉冲后，若当前2#泵处于变频运行状态且工频泵数大于0，或者当前3#泵处于变频运行状态且工频泵数大于1，则Q0.0置1，KM1线圈得电，使得KM1常开触点闭合，1#水泵工频运行，第35页山东科技大学泰山科技学院论文

同时KM1常闭触点打开防止KM2线圈得电，从而实现变频和工频之间实现良好的电气互锁，KM1的常开触点还可实现自锁功能。

(6)报警及故障处理程序

本系统中包括水池水位越限报警指示灯、变频器故障报警指示灯白天模式运行指示灯以及报警电铃。当故障信号产生时，相应的指示灯会出现闪烁的现象，同时报警电铃响起。而试灯按钮按下时，各指示灯会一直点亮。

故障发生后重新设定变频泵号和工频泵运行台数，在故障结束后产生故障结束脉冲信号。

由于变频恒压供水系统主程序梯形图比较复杂，不方便全部画出，在此仅画出其控制过程的流程图。详细的主程序梯形图请参考附录C。

主程序流程图如图4-1所示。由于在图4-1中并未对各台水泵的变频和工频运行控制做详细介绍，因此图4-2和图4-3对其作了完整的补充。其中图4-2是以2#泵为例的变频运行控制流程图，图4-3是以2#泵为例的工频运行控制流程图。1#、3#泵的运行控制情况与2#泵相似，在此就不再重复。

如图4-1所示。本设计主程序大体包括以下几部分：(1)调用初始化子程序，设定各初始值；(2)根据增、减泵条件确定工频泵运行数；(3)根据增泵、倒泵情况确定变频泵号；

(4)通过工频泵数和变频泵号对各泵运行情况进行控制；(5)进行报警和故障处理。

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开始程序结束调用初始化子程序产生故障结束脉冲变频泵号置1工频泵数置0Y是否有报警N设置两种模式下水压给定值设定变频泵号变频器故障报警变频器频率达上限Y定时5min,滤波水位越限报警工频泵数加1，产生变频启动脉冲Y水池水位越限变频器频率达下限Y定时5min,滤波1#、2#、3#泵变频运行控制工频泵数减1，产生变频启动脉冲产生倒泵信号是否增泵或倒泵Y复位变频器，变频泵号加1调整变频泵号，遇4变1NY变频泵单独运行时间达3h产生当前泵工频运行，下台泵变频运行启动脉冲NN1#、2#、3#泵工频运行控制NNY变频器故障N

图4-1 变频恒压供水系统主程序流程图

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开始N开始是否有变频启动脉冲信号Y变频泵号是否为2Y系统是否无故障Y是否无变频器复位脉冲Y2#泵是否工频运行N2#泵变频运行是否有工频运行启动脉冲YNN几号泵变频运行？N3#泵变频运行1#泵变频运行NNY工频泵数是否大于0Y2#泵是否变频运行N2#泵工频运行Y工频泵数是否大于1YN结束结束

图4-2 2#泵变频运行控制流程图图4-3 2#泵工频运行控制流程图

第35页山东科技大学泰山科技学院论文结束语

本文针对城市小区供水的特点，设计开发了一套基于PLC的变频恒压供水自动控制系统。该系统利用单台变频器实现多台水泵电机的软起动和调速，摒弃了原有的自耦降压起动装置，同时把水泵电机控制纳入自动控制系统。压力变送器采样管网压力信号经PID处理传送给变频器，变频器根据压力大小调节电机转速，通过改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。该系统不仅有效地保证了供水系统管网压力恒定，而且具有工作可靠、施工简单、节能效果显著、全自动控制、无二次污染等优点。

本文主要的工作如下：

(1)由PLC、变频器实现生活用水的恒压控制。系统采用PLC实现对多泵切换的控制。通过变频器实现对三相水泵电机的软启动，由电动机的变频调速实现对水压的调节。

(2)通过对控制过程和原理的分析，利用西门子STEP7 MicroWIN编程软件设计了一个用于恒压供水系统的程序，本程序包括顺序控制主程序，初始化子程序和中断子程序三部分。

(3)对上位机组态监控系统进行了设计。根据泵站监控要求，利用组态王软件完成了泵站组态监控画面的各个功能的设计，系统界面清楚明了，易于操作，能动态地显示当前运行情况、当前水压以及故障情况。

通过本次毕业设计，不仅使我巩固了对原有知识的掌握，还拓宽了我的知识面。在提高自己的同时，我也更加清楚的认识到自己的一些不足之处。比如：在硬件设备之间的连接，I/O端口的分配，地址的分配这几方面自己起初不是很了解，但经过这半年的自学，以及向老师、同学们请教，我对这些知识有了更深入的理解。通过这半年的实践和学习，我学到了很

第35页山东科技大学泰山科技学院论文

多课本中无法涉及到的知识，体会到了工程设计的复杂与困难，也感受到了亲自做出成绩的成功与喜悦，这些都为即将开始的研究生生活打下了坚实的基础。在以后的学习和生活中，我会不断的提高、充实自己，争取获得更大的成绩。

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参考文献

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致谢

首先衷心的感谢我的论文指导老师孙霞老师。在我做毕业设计的过程中得到了于老师的指导。从设计的开始到论文的定稿，整个过程老师是一丝不苟。于老师严谨的治学态度，影响着我努力改进，并将成为我以后学习和工作的榜样。在此谨向于老师表示最衷心的感谢。

在这一个月的毕业设计的过程中，我还得到了本班同学的大力帮助，我们一起学习，一起探讨问题、解决问题。遇到困难时，他们给了我许多好的建议和帮助。在此，对所有给予我帮助的同学表示衷心的感谢。

基于PLC控制的机械手设计(毕业论文) 篇7

机械手是一种能模拟人的手臂动作,按照设定程序、轨迹和要求,代替人手进行抓取、搬运工件或操持工具的机电一体化自动装置[1]。三维机械手能够实现水平、垂直和旋转三个方向的抓取或放置物品,具有操作范围大、灵活性好、应用广泛的特点。

S7-200是西门子公司专为中小型用户设计的小型PLC系统,由于其具有可靠性高、功能强、编程简单、人机交互界面友好等特性而广泛用于工业控制系统[2]。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的执行机构。在额定负荷下,电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数目。另外,步进电机只有周期性误差而无累计误差的特点,使其在速度、定位等控制领域应用得非常广泛[3]。

按驱动方式机械手可分为液压式、气动式、电动式和机械式。本文设计的三维机械手属于混合式机械手,它既有电动式也有气动式,能节省PLC的I/O点,达到精确定位的目的。

1 机械手的系统结构与工作过程

图一为机械手示意图,它由气控机械手、横纵轴丝杆组、底转盘机构、旋转基座等组成。由伸缩步进电机控制机械手手臂的左右运动,升降步进电机控制上下运动,装在底盘的直流电动机的正反转控制机械手的旋转可逆运动。机械手的夹物装置可以张合,也可以旋转,目的是为了方便取物。其中张合由气压驱动,并由电磁阀控制;旋转运动由直流电动机控制,并有限位开关发出信号。

工作过程如下:按下控制台上启动按钮,机械手水平运动伸出至限位开关,夹物装置旋转至合适位置,然后往下运动至A处,然后充气把工件夹紧,往上运动至限位,顺时针旋转至B的上方,往下至B处,夹物装置松开。完成一次搬运,再回到A处上方,往下再取物至B处,如此循环。SQ1、SQ2、SQ5、SQ6为水平和垂直方向上的限位开关,SQ3、SQ4为底盘位置的左限和右限接近开关,当然底盘中间还有一个光电编码器,用于计数定位的功能。

保护功能:底盘机械旋转角度限位保护功能;上升、下降机械限位保护功能;左右机械限位保护功能;旋转限位保护功能。

2 三维机械手控制系统设计

三维机械手控制系统包括硬件设计和软件设计。控制面板上有启动、停止和复位按钮开关,启动的工作过程,根据实际生产需要一次搬运还是循环搬运,然后软件设置。

2.1 硬件设计

主控制系统选用西门子公司S7-200系列PLC,机械手水平轴和上下轴选用的是北京和时利技术有限公司(原四通电机)的42BYG250C型两相混合式步进电机,步距角为0.9°/1.8°,电流1.5A。步进电机驱动器选用SH-20403型模块。该驱动器采用10~40V直流供电,H桥双极恒相电流驱动,输入信号光电隔离,标准单脉冲接口,有脱机保持功能。该驱动器有四个端口,方便与PLC连接,四个端口是:公共端、脉冲输入端、方向控制端、脱机端。此外还有用于底盘旋转的和夹物装置旋转的直流电动机及其减速器,采用DC12V供电。

机械手检测信号及执行信号与S7-200的接口如表一和表二所示:

2.2 软件设计

根据之前机械手的工作过程,比如将A处工件搬运到B处,很容易写出其软件流程如下:

按启动按钮SW1→调初始化子程序→伸缩水平轴步进电机正转→机械手伸出至伸出限位→机械手进入抓件子程序→从A处抓住工件到上下轴上方→Q1.1得电,机械手顺时针旋转→旋转编码器计数至B处停下→机械手进入放件子程序→从B处放开工件到上下轴上方→Q1.2得电,机械手逆时针旋转→至右限位停下→伸缩水平轴步进电机反转→机械手缩回至缩回限位→结束。

这里最主要的是步进电机运转程序的编写,可以利用S7-200高速脉冲输出功能。普通型号的CPU脉冲输出频率达20KHz,而224XP(CN)更是高达100k Hz[2]。对步进电机的运转设计,要注意其开始有段加速,平稳运行,最后减速停止的过程,这个通过STEP 7 Microwin的向导程序,非常容易实现。这里PTO0(Q0.0)输出一路高速脉冲,用于上下轴的直线移动;PTO1(Q0.1)输出一路高速脉冲,负责驱动伸缩水平直线移动。

以水平伸缩步进电机为例:S7-200位置向导生成了四个子程序:PTO1_CTRL:每周期调用一次,可以控制PTO1的行为;PTO1_MAN:可以控制PTO1以某一频率输出脉冲,并且可以通过程序随时中止(减速或立即中止);PTO1_RUN:运行在向导中生的包络,以预定的速度输出确定个数的脉冲,也可以通过程序随时中止[2]。PTO1_LDPOS:装载位置用。

再以水平步进电机伸出至伸出限位为例有如下PLC程序:

还有其他的程序,比如初始化、抓件子程序、放件子程序,还有有关高速输出包络线的设置、脉冲个数等的设置,由于论文篇幅的限制,不一一列出。

3 结束语

三维机械手的各个动作和状态都由PLC控制,经调试,步进电机的运转无抖动和失步现象发生,机械手系统处于良好的运行状态。当然通过改造还可以设置为自动、半自动工作方式要求,更可通过接口元器件与计算机组成PLC工业局域网,实现网络通信与网络控制,使其能方便地嵌入到工业生产流水线中。

摘要：为了提高机械手在工业生产中定位的精度,提出了一种用步进电机驱动的三维机械手的装置。机械手手臂和躯干的运动用步进电机驱动,依靠接近开关以及光电编码器的精确定位,利用S7-200作为控制器来实现对机械手的控制。控制方案中详细论述机械手控制系统的硬件结构及软件实现方法。测试表明,该系统具有较高的应用价值。

关键词：S7-200,机械手,步进电机,光电编码器

参考文献

[1]喻伟闯,罗晓曙,陈赤,杨春慧.基于PLC的三自由度机械手控制系统设计与实现[J].现在电子技术,2009(,07).

[2]SIMATIC S7-200可编程序控制器系统手册版本[M]08/2005.

基于PLC控制的机械手设计(毕业论文) 篇8

关键字: modbus 组态软件 Modbus-TCP

DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.09.014

一引言

节能减排指的是减少能源浪费和降低废气排放。我国“十一五”规划纲要提出,“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20%左右、主要污染物排放总量减少10%。这是贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措;是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择;是推进经济结构调整,转变增长方式的必由之路;是维护中华民族长远利益的必然要求。基于PLC大型楼宇空调节能控制系统,就是为此目的而设计的。

大型楼宇控制面积大,能达到几十万平方米以上,控制要求明确,目的清晰:

1、采用最先进和稳定的控制方案

2、在保证舒适度和安全性的情况下,进行节能减排

3、整个系统的性价比高,应比进口的同性能产品有较大价格优势4、服务快捷便利,能在数小时之内提供远程或现场的技术服务

5、在楼控没有调试完毕之前,或者网络出现问题时,能单独运行,不依赖于楼控系统。

二系统结构与控制原理

2.1 系统结构

整个技术方案均按模块化设计,每个风机房单成系统,提供工业以太网或modbus接口供楼控调度。

图1、系统布局示意

如上图所示,整个大厅由多个风机房送风,每个风机房内有3至6台风机,每台风机均有一套独立的控制系统,接收平面工控机下传的控制信息,并采集其供风区域的温度、湿度、CO2含量及风机、冷水的相关参数,完成控制功能,并将显示数据显示在其供风区域的触摸屏上,同时上传监控数据和报警信息。

图2、风机房示意图

每个风机房单独成为一个监控系统,每个风机的控制系统均通过Modbus-RTU现场总线组网,并由一个带组态软件的平面工控机负责监控,同时工控机提供Modbus-TCP工业以太网与楼控系统进行组网。