附件1：
福建广播电视大学
电气自动化技术（专科）专业
电气控制与 PLC课程实践报告
姓 名： 张 梅 兰
学 号： 1935006419751
班 级： 19春电气自动化
项 目 名 称： 气动机械手控制系统设计与调试
课程实践时间： 2020.10~2020.11
指 导 老 师： 黄 丽 军
2020 年11月30 日
电气控制与 PLC课程实践报告
实践项目名称：气动机械手控制系统设计与调试
一、实践项目概述（所选的项目名称及意义，用途等）
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是 现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。在我国，近几年也有较快的发展，并取得了一定的效果，受到机 械工业和铁路工业等部门的重视。机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。机械手一般 由耐高温、抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。PLC可以按照所需要求完成机械手的设计，使机械手的设计简单化，大大节省了时间。本文应用西门子 S7—200 系列 PLC来实现气动机械手的搬运控制系统，该系统充分利用了可编程控制器（PLC）的控制功能。利用可编程技术结合相应的硬件 装置，控制气动机械手完成各种动作。该系统具有结构简单、可靠稳定、容易控制等优点。
二、设计方案论证（包括设计框图或时序图）
（依据题目要求，写出总体设计方案并阐述理由，含涉及的知识点及工作原理）
2.系统总体方案设计
2.1.程序设计的基本思路
在进行程序设计时，首先应明确对象的具体控制要求，然后根据程序的控制要求画出程序工作状态流程图，最后根据程序工作状态流程图及程序的控制要求画出梯形图。由于 CPU对程序的串行扫描工作方式，会造成输入输出的滞后。而由扫描方式引起的滞后时间，最长可达两个扫描周期，程序越长，这种滞后越明显，则控制精度就越低。因此，在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑，这样有利于程序的运行。另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序会发生变化。此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性，这样在修改程序时能节省很多时间。下面介绍一种基于 PLC的气动机械手的控制方法。机械手的控制属顺序控制， 采用步进指令，首先应画出机械手工作状态流程图，然后根据流程图所提供的思路进行程序设计。
2.2气动机械手的控制要求
1、气动机械手的升降和左右移动分别由不同的双线圈电磁阀实现，电磁阀线圈失电时能保持原来的状态，必须驱动反向的线圈才能反向运动。
2、上升、下降的电磁阀线圈分别为YV2、YV1，右行、左行的电磁阀线圈为YV3、YV4。
3、机械手的夹钳由单线圈电磁阀YV5来实现。线圈通电时夹紧工作，断电时松开工作。
4、机械手的夹钳的松开，夹紧通过延时1.7s 实现。
5、机械手下降、上升、右行、左行的限位由行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4来实现。
2.3.1.硬件结构
机械手用来将工件从 A 点搬运到 B 点（如图 2-1），输出 Q0.1 为 1 时工件被夹紧为 0 时被松开。工作方式选择开关的5 个位置分别对应于5 种工作方式，操作面板下部的 9 个按钮式手动按钮分别对用于紧急停车、启动、停止、下降、上升、右行、左行、夹紧、松开。为了保证在紧急情况下（包括 PLC发生故障时）能可靠地切断负载电源，设置了交流接触器 KM。PLC开始运行时按下“负载电源”按钮，使KM线圈得电并自锁， KM的主触点接通，给外部负载提供交流电源，出现紧急情况时用“紧急停车”按钮断开负载电源。
机械手示意图如图 2-1 所示。
图 2-1 机械手示意图
2.3.2气动机械手的操作功能
系统设有手动、单周期、连续、单步和回原点五种工作方式（如图2-2 ）。
在手动工作方式下，用I0.5 —I1.2对应的 6 个按钮分别独立控制机械手的升、降、左右行和夹紧松开。
在单周期的工作方式下，按下启动按钮I2.6后，从初始步M0.0 开始，机械手按顺序功能图的规定完成一个周期的工作后，返回并停留在初始步。
在单步工作方式下，从初始步开始，按一下启动按钮，系统转换到下一步，完成该步的任务后，自动停止工作并停留在该步，再按一下启动按钮，又往前走一步。单步工作方式常用于系统的调试。
图 2-2 操作面板
- PLC 的选择，I/O 地址分配，PLC 的电气连接图
(选择 PLC 应包括机型的选择、容量的选择、I/O 点数（模块）的选择、电源模块以及特殊功能模块的选择等。针对电气连接图进行详细分析PLC对用户设备的输入输出的控制。）PLC 控制系统设计
根据设计可知需要17 个输入接口5 个输出接口，通过查阅手册选择S7-200 CPU226 基本单元（ 24DI/16DO 出） 1 台。CPU226有 24 个输入端口，16 个输出端口，满足气动机械手对输入输出端口的要求。不需要再增加扩展单元，它属于整体式结构。 整体式 PLC 具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点。一般小型或超小型PLC多采用这种结构。模块式PLC把各个组成部分做成独立的模块，如 CPU模块、输入模块、输出模块、 电源模块等。综上所述，应选择 S7-200CPU226基本单元。
气动机械手的 I/O 地址分配表如表 3-1 所示。
| 下降停止 | 下限位开关 | SQ1 | I0.0 |
| 上升停止 | 上限为开关 | SQ2 | I0.1 |
| 右行停止 | 右限位开关 | SQ3 | I0.2 |
| 左行停止 | 左限位开关 | SQ4 | I0.3 |
| 下降 | 下降按钮 | SB3 | I0.4 |
| 上升 | 上升按钮 | SB4 | I0.5 |
| 右行 | 右行按钮 | SB5 | I0.6 |
| 左行 | 左行按钮 | SB6 | I1.7 |
| 夹紧 | 夹紧按钮 | SB7 | I1.0 |
| 松开 | 松开按钮 | SB8 | I1.1 |
| 手动操作 | 手动开关 | SA1-0 |
I2.0 |
| 回原点操作 | 回原点开关 | SA1-1 |
I2.1 |
| 单步操作 | 单步开关 | SA1-2 | I2.2 |
| 单周期操作 | 单周期开关 | SA1-3 | I2.3 |
| 连续操作 | 连续开关 | SA1-4 | I2.4 |
| 急停 | 急停按钮 |
SB9 |
I2.5 |
| 启动 | 启动按钮 |
SB1 |
I2.6 |
| 停止 | 停止按钮 |
SB2 |
I2.7 |
| 下降 | 下降电磁阀 |
YV1 |
Q0.1 |
| 夹松 | 夹松电磁阀 |
YV5 |
Q0.0 |
| 上升 | 上升电磁阀 |
YV2 |
Q0.2 |
| 右行 | 右行电磁阀 |
YV3 |
Q0.3 |
| 左行 | 左行电磁阀 |
YV4 |
Q0.4 |
3.3 PLC的输入输出设备接线图
PLC外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计应结合系统的控制要求来进行具体分析和设定。PL C的外部接线图应尽量做到简洁明了以便于观察，出现故障时也便于维修，这样的外部接线图才是合理的外部接线图。气动机械手控制外部接线图如图 3-1 所示。
图 3-1 PLC 的输入输出设备的接线图
- 程序设计（梯形图、语句表，包括注释）；
（控制程序是控制整个系统工作的软件，包括设计梯形图、语句表（即程序清单）或控制系统流程图。）
4.1气动机械手控制流程图
原理：接通电源使系统启动开始扫描，扫描手动时判断手动按钮是执行手动操作； 扫描回原点开关，是执行回原点操作；扫描单步开关，是执行单步操作；扫描单周期开关，是检测是否在原点，是执行单周期操作；扫描连续操作，是检测是否在原点，是执行连续操作。除了连续操作以外，其他操作执行完以后自动重新扫描。
4.2程序设计梯形图
SH0.0 SBR 0
12.0 TtBR 1
SBR 2
SBR 3
4.3语句表
ORGANIZATION_BLO主C K程序 :OB1
TITLE=程序注释：主程序
BEGIN
Network 1 //网络标题
// 网络注释：调用公用子程序
LD SM0.0 CALL SBR0
Network 2
// 调用手动子程序
LD I2.0 CALL SBR1
Network 3
// 调用自动回原位子程序
LD I2.1 CALL SBR2
Network 4
// 调用单步，单周期和连续子程序
LD I2.4
O I2.3
O I2.2 CALL SBR3
Network 5
// 机械手下降
LD M2.0
O M2.4
AN I0.0
LD M3.4 OLD
AN I2.5
AN M4.0
= Q0.1
Network 6
// 机械手夹紧
LD M2.1
O M3.1
S Q0.0
TON T37, 17
Network 7
// 机械手松开
LD M2.5
O M3.2
O M4.2
O M4.3
R Q0.0, 1
TON T38, 17
Network 8
// 机械手上升
LD M2.2
O M2.6
AN I0.1
LD M3.3
O M4.3 OLD
AN I2.5
= Q0.2
Network 9
// 机械手右行
LD M2.3
AN I0.2
O M3.5 OLD
AN I2.5
AN M4.1
= Q0.3
Network 10
// 机械手左行
| LD
AN |
M2.7
I0.3 |
| O | M3.6 |
| O | M4.4 |
| AN | I2.5 |
| = | Q0.4 |
END_ORGANIZATION_BLOCK SUBROUTINE_BLOCK SBR_0:SBR0
TITLE=子程序注释
BEGIN
Network 1 //网络标题
// 网络注释
END_SUBROUTINE_BLOCK SUBROUTINE_BLOCK SBR_1:SBR1
TITLE=子程序注释公用子程序
BEGIN
Network 1 //网络标题
// 网络注释：判断机械手是否在原点
LD I0.3
A I0.1
AN M4.5
= M0.5
Network 2
// 机械手回原点
LD SM0.0
O I2.0
O I2.1 LPS
A M0.5
S M0.0, 1 LPP
AN M0.5
R M0.0, 1
Network 3
// 系统进入手动，回原点工作方式
LD I2.0
O I2.1
R M2.0, 1
Network 4
// 系统进入单步，单周期和连续工作方式
LDN I2.4 R M0.7, 1
END_SUBROUTINE_BLOCK SUBROUTINE_BLOCK SBR_2:SBR2
TITLE=子程序注释：手动子程序
BEGIN
Network 1 //网络标题
// 网络注释机械手夹紧
LD I1.0
S M3.1, 1
Network 2
// 上限位开关常闭
LD I1.1
R M3.2, 1
Network 3
// 机械手上升直至上限位开关打开
LD I0.5
AN I0.1
AN M3.4
= M3.3
Network 4
// 机械手下降直至下限为开关打开
LD I0.4
AN I0.0
AN M3.3
= M3.4
Network 5
// 机械手左行直至左限位开关打开
LD I0.7
AN I0.3
A I0.1
AN M3.5
= M3.6
Network 6
// 机械手右行直至右限位开关打开
LD I0.6
AN I0.2
A I0.1
AN M3.6
= M3.5 END_SUBROUTINE_BLOCK SUBROUTINE_BLOCK SBR_3:SBR3
TITLE=子程序注释：自动回原点子程序
BEGIN
Network 1 //网络标题
// 网络注释：工作方式调到回原点状态，按下启动按钮，M1.0 变为 ON,机械手上升到上限位
LD I2.1
A I2.6
S M1.0, 1
S M4.0, 1
S M4.2, 1
Network 2
// 机械手上升到上限位开关时上限位开关打开，左行，到左限位开关时
LD M1.0
A I0.1
S M1.1, 1
R M1.0, 1
R M4.0, 1
S M4.1, 1
Network 3
// 左限位开关打开，将步M4.2 复位， LD M1.1
A I0.3
R M1.1, 1
R M4.2, 1
R M4.1, 1
Network 4
// 回到初始位置，上限位开关常闭变常开
LD M1.0
AN I0.1
= M4.3
Network 5
// 回到初始位置，左限位开关常闭变常开
LD M1.1
AN I0.3
= M4.4 END_SUBROUTINE_BLOCK SUBROUTINE_BLOCK SBR_4:SBR4
TITLE=子程序注释：单步，单周期，连续工作方式子程序
BEGIN
Network 1 //网络标题
// 网络注释：机械手处于连续工作状态
LD I2.6
O M0.7
A I2.4
AN I2.7
= M0.7
Network 2
// 允许机械手工作状态发生步与步直接转换
LD I2.6 EU
ON I2.2
= M0.6
Network 3
// 机械手下降
LD M2.7
A I0.3
A M0.7
LD M0.0
A I2.6
A M0.5 OLD
A M0.6
O M2.0
AN M2.1
= M2.0
Network 4
// 机械手夹紧
LD M2.0
A I0.0
A M0.6
O M2.1
AN M2.2
= M2.1
Network 5
// 延时 1.7 秒后，机械手夹紧
LD M2.1
A T37
A M0.6
O M2.2
AN M2.3
= M2.2
Network 6
// 机械手右行
LD M2.2
A I0.1
A M0.6
O M2.2
AN M2.3
= M2.3
Network 7
// 机械手下降
LD M2.3
A I0.2
A M0.6
O M2.3
AN M2.4
= M2.4
Network 8
// 机械手松开
LD M2.4
A I0.0
A M0.6
O M2.5
AN M2.6
= M2.5
Network 9
// 延时 1.7 秒后，机械手上升
LD M2.5
A T38
A M0.6
O M2.6
AN M2.7
= M2.6
Network 10
// 机械手左行
LD M2.6
A I0.1
A M0.6
O M2.7
AN M2.0
AN M0.0
= M2.7
Network 11
// 判断机械手工作状态
| LD | M2.7 |
| A | I0.3 |
| AN | M0.7 |
| A | M0.6 |
| O | M0.0 |
| AN | M2.0 |
| = | M0.0 |
END_SUBROUTINE_BLOCK INTERRUPT_BLOCK INT_0:INT0
TITLE=中断程序注释
BEGIN
Network 1 // 网络标题
// 网络注释
END_INTERRUPT_BLOCK
五、系统调试及分析
S7-200sim3.0 是西班牙 PLC爱好者编写的一个 PLC模拟仿真软件。该软件支持所有型号的 S7-200 系列 PLC。使用 S7-200sim3.0 可以模拟仿真大多数 PLC程序大大简化了PLC程序调试步骤，缩短了程序调试时间。
S7-200sim3.0 调试方法如下 ：
将在 Step 7 Micro/Win 中编译正确的程序在文件菜单中导出为 AWL文件；
打开仿真软件 S7-200sim3.0 ，点“配置” – “CPU 型号”，然后选择 CPU226；
点“程序” – “载入程序”；
选择 Step 7 Micro/Win 的版本；
将先前导出的 AWL文件打开；
点“ PLC” – “运行”，开始调试程序
（一）判断机械手是否处于原点。当机械手处于原点位置时，即左、上限位开关打开，调试结
果如下：
（二）机械手自动回原点。机械手先进行向上运动，然后向左运行至原点处。
1.机械手先向上运动
2.机械手行至上限位开关，机械手右移至原点。
- 手动子程序调试如下：(此处以向下、夹紧为例 )
1.按下启动按钮，将旋转按钮调至手动开关位置。按下下降开关，机械手下降。
2.按下夹紧开关，机械手进行夹紧操作。
- 以连续调试（单周期）调试为例。（单步、单周期调试与其基本相同，在此只介绍连续调试）
1.气动机械手处于连续工作状态。当按下启动按钮后，气动机械手下降。
2.机械手下降至下限位开关处，机械手开始夹紧，1.7s 以后上升。
3.机械手下降至最低位，机械手放松。
4..机械手到达右限位，右限位打开，机械手开始下行。
- 机械手下降至最低位，机械手放松
- 机械手放松后，7S以后上升
- 机械手行至上限位，机械手左行
8.机械手行至原点，开始下降
六、课程实践的收获或心得（总结本人在设计，安装及调试过程中的收获和体会）
气动机械手的升降和左右移动分别由不同的双线圈电磁阀实现电磁阀线圈失电时能保持原来的状态，需驱动反向德线圈才能反向运动。线圈通电夹紧，断电松开；机械 手的夹钳的松开，夹紧通过延时1.7s 实现；机械手的限位由四个行程开关来实现。本设计主要应用于机加工生产、货物调运等场合。气动机械手因采用PLC控制，具有体积小、重量轻、控制方式灵活、可靠性高、操作简单和容易维修等优点。使用该机械手代替人工搬运工件，既安全又准确，提高了劳动生产率，保证了工件的质量，降低了工人的劳动强度， 具有较好的经济效益和社会效益。可编程控制器PLC以其丰富的I/O接口模块、高可靠性，可以在机械手控制系统的设计中起到十分重要的作用。
在本次课程设计的实践环节中，我更深刻地理解和掌握了电器控制及可编程控制器(PLC)的理论知识和动手技能。参阅了大量的电器控制及可编程控制器(PLC)系统设计的书籍资料，查询了大量的图表、程序和数据，使得课程设计的方案和数据更为翔实和准确，力求科学严谨，
- 参考资料
（1）王宗才．机电传动与控制． 北京：电子工业出版社 2011
（2）黄净．电器与PLC控制技术． 北京：机械工业出版社，2002
（3）阮友德．电气控制与PLC实训教程．北京：人民邮电出版社，2006
（4）李媛． PLC原理与应用．北京：北京邮电大学出版社， 2009
（5）周惠文．可编程控制器原理与应用．北京：电子工业出版社，2007
（6）胡学林．电气控制及PLC．北京：冶金工业出版社， 1997
（7）廖常初． PLC编程及应用．北京：机械工业出版社， 2002
（8）孙振强．可编程控制器原理及应用教程．北京：清华大学出版社， 2005
（9）张州，刘广瑞，杜大军 基于 PLC 控制的气动机械手系统. 机电产品开发与应用 2004(3).