基于PLC的物料搬运机械手控制系统设计.pdf

2 0 1 1 年第 5期 中州 煤炭 总第 1 8 5期 基于 P L C的物料搬运机械手控制 系统设计 郅 富标 ， 毋 虎城 ， 张 四海。 1 ． 河南理工 大学 高等职 业学院， 河南 焦作4 5 4 0 0 0 ； 2 ． 河南煤业化工集团 焦煤公 司九里 山矿 ， 河南 焦作4 5 4 0 0 0 摘要 随着 自动化技术的不 断发展 ， 机械手 的应用更加普遍。为使机械 手控制更加智能化 ， 操作更 加简单方 便， 以 P L C为控制核心的机械手控制 系统被研发设计 出来。介 绍 了该机械 手控制 系统 的 P I c选型 、 资源配 置 以及 软 件 系统 设 计 。 按 照 该 方 案 设计 组 装 的机 械 手 经过 调试 安装 后 投 入 使 用 ， 效 果 良好 。 关键词 工业 自动化； 机械手 ； 控制系统； P L C 中图分类号 T P 2 4 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 1 0 50 0 1 4 0 2 随着 社会进 步 和科 学 技术 的发 展 ， 工业 生 产 的 操 作方式 也发生 革命 性 的变化 ， 从 手 工作 坊 式 的 劳 动 逐步演 变成 自动化 、 智 能化 的生产 方式 ， 某 些生 产 过 程凭手 工也 逐渐 无 法 完成 。 为 了适应 生 产 需要 ， 出现 了特 殊 的生产 工具 机械手 。 以往 由于 自动 化程度较 低 ， 设计 出 的全机 械 式 机械 手 仍操 控 不 灵 活 ， 目前 根据最 新的 自动化技 术 ， 设 计 出了以可 编程 控制器 P L C ⋯ 为控制核 心 的机 械手 。 1 机械手控制系统的控制要求 物料 搬运 机械 手控 制 核 心 采用 P L C， 驱 动 系 统 采用 气 动 驱 动 ， 机 械 手 具 有 启 停 、 移 动 和 抓 放 功 能 j 。机械 手 的 启 动 和停 止 功 能 由操 作 人 员 通 过 启停按 钮进行 控制 ， 移 动 和抓 放 功 能则 由相应 的 电 磁 阀控 制 。对 应 的 电 磁 阀 有 6个 ， 分 别 是 左 移 、 右 移 、 上移 、 下 移 、 夹 紧和 放 松 阀 图 1 。若 要机 械 手动作 ， 只需 控制 相 应 电磁 阀动作 即可 。机 械手 的 动作 可 由操 作人员 现 场 手动 操 作 ， 也可 根 据 工艺 需 要预 先编好 程序 ， 启 动后按 照程 序动作 图 2 。 机械手工作顺序 ①按下启动按钮 s B ． 后 ， 机械 手开始工作 ； ②松开启动按钮 s B 。 ， 机械手停在当前 位置； ③按下复位按钮 s B 后 ， 机械手在完成此次操 作后 ， 回到 原始位 置 ， 然后 停止 ； ④松 开复位 按钮 ， 退 出复位状态 。 2机械 手控 制系统硬件设计 2 ． 1 P LC的选 型 根 据 系统 控 制要 求 ， 并从 经 济性 和 可靠 性 等方 面来考 虑 ， 选 择 s 7 ． 2 0 0系列 P L C作 为机械手 控制 系 统的控 制 主 机 。在 S 7 2 0 0系 列 P L C 中 又 有 C P U 2 2 l 、 C P U 2 2 2 、 C P U 2 2 4 、 C P U 2 2 6 、 C P D 2 2 6 X ／ I等 。 本文所 用 控 制 系统 共 有 2个 开关 量输 人 ， 6个 开关 量输 出 ， 共需 8个 I ／ 0点 ， 根据 I ／ 0点 数 以及 程序 容 量 ， 选 择 C P U 2 2 4 ， 具体 I ／ 0分配 见表 l 。 图 1 机械手控制系统组态 图 2机 械 手 工作 顺 序 表 1 机械 手控 制 系统 I ／ O 分 配表 启动按钮 S B 1 1 0 0下 移阀 H L 3 9 o ． 0 左移 阀 H L 5 Q O ． 3 复位按钮 s B 2 I O l 上移 阀 H I Q o ． 1 放松阀 H L l Q O ． 4 急停按钮 s B 3 1 0 ． 2 右移 阀 HL 6 Q O ． 2 夹紧阀 H L 2 Q O ． 5 收稿 日期 2 0 1 01 21 5 作者简 介 郅富 标 1 9 7 6 一 ， 男， 河南 巩义人， 讲师， 硕士， 2 o o 1 年毕 2 ． 2 其他资源 配置 业于辽 宁工程技术大 学， 从事煤矿井 下供电、 矿山自 动 化教学及研究 要完成 系统 的功能 除 了 P L C之外 ， 还 需 电磁 式 工 作。 限位 开关 、 光 电开关等 。 1 4 2 0 1 1年第 5期 郅富标 等 基 于 P L C的物 料搬运 机械 手控 制系统 设计 总第 1 8 5期 1 电磁 式 限位 开 关 。在 此 系 统 中 ， 共 用 4个 电磁式 限位 开关 ① 上 升 限位 开 关 。上 升 限位 开 关 用于控 制机械 手在 整 体 上移 时 的 位置 ， 防止 机 械 手 向上超 出范 围。事先 在机 械手工 作平 台上方 的合适 位置上 安装好 限位 开关 ， 当机械 手逐渐 上升 ， 直到接 触 到工作 台上 方 的 限位 开 关 时 ， P L C控 制 机械 手 停 止 上升 。② 下 降限位 开关 。下 降 限位开 关用 于控制 机械手在整体下降时的位置 ， 防止机械手向下运动 超出范围。③左旋限位开关。左旋限位开关用于控 制机械手手臂向左运动时的位置 ， 防止机械手手臂 运动到位后过冲。④右旋限位开关。右旋限位开关 用 于控制机 械手 手臂 向右 运 动时 的 定位 ， 防止 机 械 手手 臂运动 到位后 过冲 。 2 光 电 开关 。在 传 送带 上 有 1个 光 电开 关 ， 此开关 主要用 来指示 工件是 否 到位 。 3 各 种 电磁 阀 。此 系统 中机械 手 手臂 的 上升 和下降是 用气 缸来实 现 的 ， 各使 用 1个 气 缸 、 1个 电 磁 阀就 能实现手 臂 的上 升和下 降 。机械 手手爪 的夹 紧 、 松开 、 左 移 、 右移 共用 了 4个 电磁 阀 。① 上 升 电 磁 阀 控制 气 缸 驱 动 机 械 手 手 臂 上 升 至 设 定 位 置 。 ②下 降 电磁 阀 控 制气 缸 驱 动 机械 手 手臂 下 降 至设 定位置。③抓紧电磁阀 控制气缸使机械手手爪做 抓紧动作。④松开 电磁阀 控制气缸使机械手手爪 做松开动作。⑤右移电磁 阀 控制气缸使机械手手 臂往右移 动 。⑥ 左 移 电磁 阀 控 制 气缸 使 机 械 手手 臂 往左移 动 。 4 各种 按钮 。急 停按 钮 带锁 ， 为 常 闭触 点 ， 按 下 后旋 转复 位 ； 手 动／自动按 钮 采用 旋 钮 ， 一侧 为 常 闭 ， 一侧为 常通 ； 其 余 按 钮 均采 用 触点 触 发 方 式 ， 按 下 即接 通 ， 松 开 即复 位 。 5 气 动 回路 设计 。机械 手 动力 系 统采 用 气 动 控制 ， 其 气 动控制系 统如 图 3所示 。 3 机械手控制软件系统设计 机械 手 控制 系 统 软件 为 S T E P 7 ． Mi c r o 5 ． 2 ， 它 功 能强大， 既可以作为用户开发控制程序使用 ， 同时也 可 实时监控 用户程 序执行 的状 态 。 3． 1总体流 程设计 根据 系统 的控 制 要 求 ， 机 械 手 动作 时 的 系统 流 程如 图 4所示 。 3 ． 2模 块梯 形图模 块设计 当软件总体流程 图设计完成后 ， 就需要对各个 控 制过程进 行分解 细化 ， 这 样 在程 序 编 写 时就 会 简 洁 明 了 ， 最 后联 合起来 调试时 也便于 发现 问题 。 下降单杆气缸 左移单杆气缸 原位开始 机械手下降 Y 住 丁 N 图 3 机械手气动控制系统 机械 手上升 l Y 瓦 南 机 械手手爪放开 回到原位 图 4机 械 手 控 制 系统 流程 示意 部 分梯形 图所 对应 的语句 表程序 如下 LS CR S O． 1 LD S M 0． 0； M1 ． 1 ； 机械手手臂左旋 P L S 0 ； 启动高速脉 冲输 出， Q 0 ． 0输出 LD I 1 ． 4 A l 2． O S C R T S O ． 2 ； 左旋到位 ， 启动状态 2 SCRE LSCR S O． 2 LD SMO． 0 M1 ． 2 机械手手臂下降 L D I 1 ． 3 下转 第 3 9页 l 5 2 0 1 1 年第 5期 李 丰 良等 控 制登封 煤 田瓦斯 突 出的地质 要素分 析 总第 1 8 5期 变化特 征如下 1 煤 厚变化 大 。煤 厚变 化 在勘 探 期 间钻 孔所 见煤 厚 和煤矿生 产期 间采 掘揭露 中所见 煤厚 都表现 十分 明显 ， 据井 田内 1 9 6个 勘 探 钻孔 揭 露 的煤 厚资 料统 计 ， 煤厚 变 化在 0～2 6 ． 7 9 m， 平均 煤厚 5 ． 3 0 m。 其 中 ， 煤 厚 3 ． 5 1～8 ． 0 0 m 的 比 例 较 高 ， 频 率 达 3 5 ． 7 ％ ； 1 ． 3 1～ 3 ． 5 0 m 的 中 厚 煤 点 占 2 7 ． 6 ％ ； 煤 厚 8 m 和煤 厚 1 ． 3 m 的较少 ， 频率较 低 。煤厚 基本 稳定在 1 ． 3～ 8 ． 0 i n ， 频 率 达 6 3 ． 3 ％ ， 煤 层 厚 度 分 级 见 表 1 。 表 l 登 封 煤 田煤 层 厚 度 分 级 统计 2 煤层 沿 走 向 和 倾 向 都 具 有 较 大 的 变 化 ， 主 要特 征表现 为厚 薄煤 带 相 间分 布 ， 煤 厚 局 部呈 突 变 关 系 ， 煤 层整 体上呈 似层状 、 藕 节状或 透镜 状 。 据统 计 ， 除西部 9 3 0 1 9 4 0 l 孔一 带有 3个 不 可 采 点集 中分布 外 ， 其余 2 0个 不 可 采 点均 孤 零 分 布 。 不 可采点 与最低 可 采厚 度 点 之 间 的距 离 很 近 ， 煤 厚 变化 梯度 大 ， 钻孔 计算 值为 0 ． 2 3 0 ． 4 6 m ／ 1 0 m ， 平均 0 ． 3 7 m ／ 1 0 m ， 矿 井 揭 露 计 算 值 为 0 ． 2 3～ 3 ． 1 5 m ／ 1 0 m ， 平 均 1 ． 1 m ／ 1 0 m ， 说 明煤层 由不 可采 点 至可采 点 的变 化较 快 。 从区内矿井实际 回采揭露的情况来看 ， 煤厚变 化远 比勘 探 揭 露 的煤 厚 变 化 复 杂 得 多 ， 也 大 得 多 。 在 2个 厚煤 钻孔 间 可 能存 在 薄煤 区 ， 在 2个 薄煤 钻 孔间 也可 能存在 厚煤 区 。煤 层厚度 经常 在短距 离 内 发 生较 大 的变化 ， 从局 部来看 ， 煤层 厚度 变化规 律并 不 明 显 。 3 结 语 综 上所述 ， 受多 期不 同方 向 、 不 同体制 的构造应 力 场作 用 ， 登 封煤 田顺煤 层滑 动构造 十分发 育 ， 而且 层 滑方 向与 断层倾 向基 本一 致 ， 由此 造 成 了煤 层厚 度 变化呈 条带 展布 ， 展布方 向与 断层走 向基本 平行 ， 使煤的变质程度具有分带性。受滑动构造的影响 ， 登封煤田内二 煤全层构造软煤发育 ， 煤厚变化很 大 ， 煤 的原 生 结 构 和 构 造 已遭 到严 重 破坏 ， 强 度 很 低 ， 是 控制 瓦斯 突出 的主导 因素 。 参考 文献 [ 1 ] 张子 敏， 张玉 贵． 瓦斯地 质学 [ M] ． 徐州 中国矿业大学 出版 社 ． 2 0 0 9 ． [ 2 ] 王兆丰 ， 张子敏 ， 张子戌 ． 基于瓦斯地 质的煤矿 瓦斯防治 技术 [ M] ． 徐州 中国矿业 大学 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 3 ] 张子敏 ， 张玉贵． 瓦斯地质规律与瓦斯预测 [ M] ． 北京 煤 炭工 业 出版 社 ． 2 0 0 5 ． 责任 编辑 梁郁 鑫 上接 第 l 5页 S 0 ． 2 ； 下降到位 后 ， 启动状态 3 S o． 3 S MO． O M1 ． 3； 抓 紧 lT件 S B R 0 ； 调用传感器 l 处理子程序 1 0． 7 S O ． 4 ； 手爪抓紧工件后 ， 启动状态 4 4 结 语 该设计提出了一个通用的设计方案 ， 根据设计 方案调试 、 安装之后 ， 机械手工作正常 ， 满足了生产 需 要 。在 实际具 体应 用 中 ， 还 可 以很 方 便 地 通 过标 准 接 口与计算 机组 成 P L C工业 局 域 网 ， 实 现 网络 通 信 与 网络 实 时控制 。 参 考文 献 [ 1 ] 胡 学 林． 可编 程 控制 器 教 程 [ M] ． 北京 电子 工 业 出版 社 ， 2 0 0 6． [ 2 ] 龙小波． P L C实现对 简易机械手 的控 制设计 [ J ] 可编程控 制 器 与 工 厂 自动 化 P L C F A ， 2 0 0 8 4 4 5 - 4 7 ． [ 3 ] 匡字国． M C G S组 态软件技 术在 P L C教学 中的交互 应用研究 [ J ] ． 教育探索 ， 2 0 0 7 1 2 1 3 6 ． 1 3 7 ． [ 4 ] 汪晓平． 可编程 控制系统开 发实例导航 [ M] ． 北京 人 民邮 电 出版 社 ． 2 0 0 6 ． [ 5 ] 黄健明 ， 骆德汉 ， 张泽勇． Wi n c e 在机械手控制系统 的应用[ J ] ． 工业控制计算机 ， 2 0 0 8 1 8 8 8 9 ． 责任 编辑 刘欢欢 3 9 T E R L T E D 札D 呲