PLC综合实验台的研制与应用.pdf

交流 2 ． 2 ． 1通 用 I ／ O接 口 通 用 I ／ O接 口部 分 的 接 线 柱 与 P L C主 机 上 的 接线 端 子 一一 对应 当 P L C主机的 I ／ 0点数 少于预定值 时，将有部 分 从通用 I ／ O接 口部分引 f f I 的导线处 于空 闲状 态 。该部 分 接 口将输入／ 输 信 号引入到 P L C主机上 ，其 中输入信 号 既可 以 由 面板 t 的开 关 给 出 ．也 町以 通 过 输 入 接 线 柱 经 导线从 它地方 引入；输 出信号 既可仅用来驱动接 口面板上 的发 光 二 极 管 来 显示 实 验 结 果 ，也 可 通 过 输 出接 线 柱 经 导 线引 用来 驱动其他 控制模型 。通用 I ／ O接 口部分设 置有 输 入接线柱 2 4个 ，输入显示发光二极管 2 4个 ．输入轻触 开 关 l 2个 ，输 入 钮 子 开 关 l 2个 ，同 时 设 置 有 输 出接 线 桩 1 6个 ，输 } f | 显 示 发 光 二 极 管 l 6个 ．通 用／ 专 用 输 出显 示 转 换 钮子 开关 l 6个 。此外 ，还 设置 有公共 端接 线柱 7个 ， 交／ 流 电源接 线柱各 l对 ，接地 端接线 柱 1 个 。在实验 台 座 内部安装 有一个 开关 电源 ，可根据需 要提 供不 大于 2 4 伏 的直 流 电源 。 2 ． 2 ． 2专 用 I ／ 0 接 口 专用 I ／ 0接 口部分是专 门为气动机械手控制 而设 置的 I ／ 0接 口，该 部分设置有 1 输出 显示灯 1 0个 ，分别 显示上 行 、下 行 、左行 、右行 、前 行 、后行 、顺 转 、逆 转 、央 紧和放 松等输 出控 制信 号 电磁 阀的控 制信 号 2 输 入 显 示 发 光二 极 管 8个 ，分 别 显 示 上 行 、下 行 、前 行 、后行 、顺摆 、逆摆 、央紧和放松等限位开关控制 信号 左 右 运 动 方 向无 限位 开 关 ，并 设 置 有 与之 相 对 应 的 输 入 控制信号的接线柱 8个 ； 3 轻触 开关 1 0个 ，与之相对 应 的接线柱 1 0个 ，轻触开关 的一端 与接线柱 相连 ，而另 一 端则与 2 4伏直流电源相连 ，用于手 动控 制机械手运行 。 此外 ．在专用 I ／ O接 口部 分 ，还设置 了启动按钮 3个 、急 停 按 钮 1个 、 电 源 开 关 、 电 源 指 示 灯 和 P L C运 行 指 示 灯 等 。机械手的控制信号 由专用 I ／ O接 口接线 柱通过导线连 接到通 用 I ／ O接 口相应 的接 线柱上而 引入 P L C 。I ／ O接 口 板如图 2所示 左侧部分 为通用 I ／ 0接 口 ，右侧 部分为专 用 I ／ O 接 口 。 2 ． 3气 动机械 手 作为综合实验台控制模型之一 的气动机械手固定安装 图 2 I ／ 0接 口图 在综合 实验 台台座上 ，其 主要 包括 气动 三联 件 过 滤 器 、油雾器 、减压 阀 ，控制电磁阀 、执行器 导杆气缸 、 导杆 滑台气缸 、回转气缸 、气动机械夹爪 等 、行程开关 、 缓冲器等。各 执行器上安装 的行 程开关 、安装在实验 台上 的按钮 以及专 用 I ／ O接 口部 分 的轻 触开关 等是 P L C的输 入 ， 电磁 阀 的 电 磁 铁 为 P L C 的输 出 。 气 动 机 械 手 以 压 缩 空 气为动 力源 ，在 P L C的控制下 ，可 实现前 后移动 、左 右移动 、上下移动 、夹 爪绕其 自身 的垂 直中线 也即 回转 气 缸 的回转轴 线 的 1 8 0 。 旋转 以及夹爪 的夹 紧和放 松等 动作 。 3主要功能 综合 实验 台的功能 主要 有两个 1 不 同型 号的小 型 P L C的通用实验平 台 ； 2 P L C控制气 动机械 手模 拟 工件搬运 系统 。 3 ． 1 不 同型 号的 小型 P L C的通用 实验 平台 P L C主机 是用 D I N夹 子 卡钩 固定在标 准 D I N 导轨 上 ，可 以很 方 便 地 更 换 不 同 型 号 的 P L C主机 。 为 了满 足不同机 型 I ／ O分 组的需要 ．实验台按 I ／ 0分组数较多 的 机型的分组数来设置公共端 。此外 ，为了便于在更换 P L C 主机时易于快速准确地进行 I ／ O端子 的连接 ．特在与 P L C 主机 各输 入输 出端 子相 连接的导线 由通用 I ／ O接 口相应 接线 柱引} } I 上分 别做 出了相应 的通用标识 ，使学生能迅 速识 别连接导线 ，从而提高 P L C的更换与连接 的速 度。在 该实 验 台上使用 过 的机 型主要 有德 国西 门子公 司 的 S 7 2 1 6 、 日本三菱公 司的 F X 0 N 一 4 O MR等型号 的 P L C 。上述 机 型均为交 流 2 2 0伏 电源 、2 4点 直流输入 、1 6点继 电器输 出。该实验 台专 为小 型 P L C而设计 ，一些 I ／ O点数 少于上 述机型的 P L C也可在该 实验 台上使用 如 S 7 2 1 4 、F X1 N 一 2 4 M R等 。综 合实验 台上 的 P L C主机可 随着需要 进行 更 换 ，增强 了该实 验台 的适应 性 ，扩大 了实 验台 的使用 范 围。 综 合 实 验 台 的通 用 I ／ O 接 口 可 与 交 ／ 直 流 电 源 、各 种 开关按钮 、专用 I ／ O接 口、各种不 同的专用演 示板 或控 制 模 型等分别构成不 同的控制 系统 的输 入／ 输 出 回路 ，以满 足各种实验 、实训课程 的需要 。综合实验 台接 口部分的接 线柱 间距大 ，标识 明显 ，便于实验系统 的连接 、调试和检 查 实验 台上用于显示 I ／ O工作状态 的发光二 极管和显示 灯不仅个体大 、光亮强 ，而且彼此 的间距适 中 ，便 于学生 观察 实验过程和实验结果 。此外 ，引人综合 实验 台的 2 2 0 伏交流 电不仅为 P L C主机提供 了电源 ，同时也为实验系统 提供 了控制系统输 出回路 中常用 2 2 0伏交 流电源 ．而安装 在实验台 内部的开关 电源则可为实验系统提供 了不大于 2 4 伏 的外接直流 电源 可供 I ／ O回路使用 ，实验系统 的组 成简捷 ，使用方便 。 3 ． 2 P L C控 制气 动机械 手模拟 工件 搬运 系统 模拟工件搬运系统主要 由 P L C主机 、气动机械手和空 经验 气压缩机等组成 。其功能是利用 P L C控制气动机械手模拟 将 工件从 A地点运送到 B地点 ] ，搬 运过程可 自行 定义 ， 如 A地点定义为 实验台左近 台点 ，B地点定义 为实验 台 右远 台点 ，工件在 B地点的放 置方 向相对 A地点 的放置方 向在水平面 内旋转 了 1 8 0 。 。为 了便 于说 明 ，在此对机械手 的运动方 向作如下定义 垂直 于实验 台台面的方 向为 z轴 方 向，机械手底座方 向 平行于实验 台的一条边 为 轴 方 向，垂直于单面平 面的方 向为 y轴方 向。在 轴方 向未 安装行程开关 ，故采用定时器来设定 轴气缸左右移动时 间的方式来限定其行程 。其 它方 向的运动均采用行 程开关 来限定行程 。系统的初始位置 原 点位置 定义为 Z轴 气缸位于上 限位 ， 轴气缸 位于左限位 ，l ， 轴气缸位 于后 限位 ，回转气缸位 于顺 时针转 动限位 。夹爪位 于放 松位 。 气动机械 手的工作方 式有 单 周运行 半 自动 ；循 环运 行 自动 ；以及在维修 、调试 时使 用 的返 回原点和手 动 运 行 。 3 ． 2 ． 1单周运行 当机 械手处于原点位置时 ．按单 周启动按钮 ，系统开 始单个周期 的工件搬运过程 1 Z轴气缸下行 ，到达下 行限位点后 ，停止 下行 ； 2 夹 爪 H开始夹 紧 ，到达 夹 紧限位点 后 ，夹 紧停止 ，即夹 住工件 ； 3 Z轴 气缸上 行 ，到达上行 限位点后 ，上行停 止 ； 4 回转气 缸逆时 针方 向转动 1 8 0 。 ，到达逆时针旋转限位点 逆限 后 ，逆 转停 止 ； 5 轴气缸 右行 ，到达定 时器 T 3 8的设 定值 3 s 后 ，右行停止 ； 6 Y轴气缸前行 ，到达前 行限位 点后 ，停止 前行 ； 7 Z轴气 缸下 行 ，到达下 行 限位点 后 ，停止下行 ； 8 夹 爪 H松开 ，到 达松 开限位 点后 ， 放松停止 ，即放下工件 ； 9 Z轴气缸上行 ，到达上行限 位点后 ，停止 上行 ； 1 0 l ， 轴 气缸后行 ，到 达后 行限位 点后 ，停 止后行 ； 1 1 轴气 缸左行 ，到达定 时器 T 3 9 的设定值 3 s 后 ，停 止左行 ； 1 2 回转气缸顺 时针方 向转动 1 8 0 。 ，到达顺时针转动 限位 顺 限后 即已 回到 了系 统原 点 ，停 止运 行 。 3 ． 2 ． 2循 环 运行 当机械手处 于原点 位置时 ，按下 自动循 环启动按 钮 ， 系统在完成一个搬运周期 回到原点后 又 自动开始下一个 搬 运周期 ，如此往返循环 ，直到按下停 止按 钮。在按下停 止 按钮后 ．系统将在 完成 最后 一个 完整 搬运 周期 后停 止 运 行 。 图 3为 当 P L C选 用 一 4 0 MR 时 的 自动 循 环 状 态 转 移 图。在机械手运行 的任何 时候 ，按下急停按 钮 ．都将停 止其 运行 。急停按 钮为推锁 旋放钮 ．旋转松 开停 止按钮 ， 机械手将接着原来的断点继续运行 。 3 ． 2 - 3 返 回原点及手动运行 当机械手位于非原点 的任何 位置且处于停 止运 行状态 时 ，按返 回原 点启动 按钮 ，机 械手 将返 回系统 的初始 位 置 。此外 ，为 了调试 、维修 时便 于操作和控制 ，特 设置 了 手动运行方式 ，即手 动单步点动运行方式。 4实践应用 已 先 后 组 织 开 设 有 P L C课程 的机 电工 程 、数 控技术 专业 的 学 生在 自行研 制的 可 编程控制 器综 合实验 台 上 进 行 实 践 ．除 了 开展可通 过直 接观察 输 出指示 灯 的显示来 观察实验 结果 的实验 外 ． 还 开 展 了 利 用 P L C驱 动 控 制 对 象 的 实 验 ．如 步进 电机 程 序控制 实验 与步 进 电机工作 示 意图演 示 板 联 合 使 用 、 电 动 机正反转 控制 实验 与 电 动 机 正 反 转 实 验 台 联 合 使 用 、交 通 灯 控 制 系 统 实 验 与 交 通 灯 演 示 板 联 启动 X 2 5 _ ． [ 壶 下 限 位X 1 直 紧限位 X 1 1 瞳 上限位 X 0 应 逆 限位 X 7 定时器 T 3 8 前限位 X2 蓝 下限位 X1 直 松限位 X1 0 匠 上限位 X 0 匮 后 限 位X 3 应 定时器 T 3 9 直 逆限位 X 7 4- F降 夹紧 上 升 逆 转 右 行 前行 下降 放松 上 升 后 行 左 升 顺转 图 3 自动循 环状 态转移 图 合使用 等 。此外 ，机 电专业 的学生利用该实 验台进行毕 业 设计 采用 E l 本 三菱公 司的 F X O N一 4 0 MR为 P L C主机 ， 利 用 P L C控制气动 机械手运 行 ；数控技 术专业 的学生利 用该 实验 台进行综合实训 选用德 国西 门子公 司的 S 7 2 1 6 为 P L C主机 ，用 P L C控 制气 动机械手 模拟 工件 搬运 系统 等 。学生通 过这些实 验 、实训 和 毕业设 计 ‘ 进 一步增强 了 运 用 P L C的 能 力 P L C综 合实验台结构 紧凑 、操 作方便 ，使用灵活 ，尤 其 是把 作为 P L C控制 模型 控 制对象 之 一 的气 动机 械 手 直接安 装在 实验 台上 ．不仅 有利 于快 速组建 P L C控 制 系统 ，而 且有 利 于提 高 实验 、实 训 的安 全性 和可靠 性 ； 即便是将 综合 实验 台与 其它 演示 板联 合使 用 ，控制 系统 的组 成也 同样 方便 快捷 。在 气动 机械 手控 制 系统 的调试 过 程 中，学生 可 以直接 观察 到控 制对 象 的运行 ，有 利 于 提 高学生 的学 习兴趣 并 激发他 们 的学 习热 情 ；当 系统调 试 结束 并 成功 运行 后 。学 生 看 到经 过 自己 的不懈 努 力 ， 控制 对象 终于 准确地 按 照 自己的设 计 意图 运行 了 ．会使 学生产 生相 当强 烈 的成 就感 和 自豪 感 。从 而更加 主 动地 投 身于实践训练 。 5结语 实践证 明，研制 的 P L C综合实验 台具有 结构 简单 、操 作方便 、适应性强 、实验结果直观 、安 全可靠等优点 ，可 用 于有 关 P L C课 程 的演示 、实验 、实 训和 毕业设 计等 实 践 。 P L C综 合 实 验 台 为 学 生 了 解 P L C 的 结 构 、 理 解 P L C 的工作 原理 及各种 操作 指令 、掌握 P L C控制 程序 的编写 _ 一 一 。 J一 卜 J一 一 一 一 一 。 一 一 寸 J 交 流 和控制系统的调试 以及熟悉气动系统提供 了一个 良好 的实 践 平 台。 参考文献 [ 1 ]傅桂 荣 ，苏红娟 ，俞春 辉． 自动立体 仓库 实验 装置 的研 制 [ J ]．实验 室研 究与探 索，2 0 0 4，2 3 9 2 9 3 l ，4 7 ． [ 2 ]田小军 ，邹武．P L C教 学实验 控制 面板 的研制 与应 用 [ J ]． 实验室研 究与探 索，2 0 0 3 ，2 2 2 8 2 8 4 ． [ 3 ]张凤珊．电气控制及 可编程控制 器 [ M]．北京中国轻 工业 出版 社 ．1 9 9 9 ． [ 4 ]田淑珍．可编程控制器原理及应 用 [ M]．北京 机械 工业 出 版 社 ． 2 0 0 5 ． 作者简介 秦雄 志 ，男 ，1 9 6 2年生 ，湖北黄 冈人 ，硕 士 ，工程 师。研究领域 机电一体化 、数控技术 。已发表论文 5篇 。 编辑 王智圣 上接 第 4 5页 4实 验 结 论及 应 用 第一种结构 ，在气路结构上 ，真空泵 、数钞头 、压力 传感 器在 T作 时一 直连通 ，可以较好的保持气路 中的负压 值 ，零件 加工 比较 简单 。但 受到电压 比较值 的约束 ，整机 调试 比较 难 ，特别 是 海 拔 较 高 的 地 方 ， 由于 空 气 稀 薄 ，真 空度达不 到要求 ，输入信号最 大值 达不到 电压 比较值 ，机 器不能正常T作。 图 5 输入信号最大值与最小值 第二种结构 ，真空 泵与压力 传感器分别在不 同的气路 中 ．计 数是通 过计算 产生 的锯 齿波 信 号 ，计 数准 确 。芯 轴 、底盘的加 工较 繁琐 ，难 度较大 ，但对环境 的适应性 更 好。在两种信号分 析电路中 ，采用 比较值 的电路抗 干扰更 好 。 复 点 机是 以数 钞 准 确 为 主 要 性 能 指 标 ，所 以 最 后 选 取 了第二种结构 的气路 ．即采用 比较 电路的方案。 通过 复点机 的计数研 究 ，除 了能选取方案 ，也 能把研 究的结果应用在生产上。在检验零件合格 的基础 上进行数 钞头装配 。明显感觉到装配更方便 、调试更灵 活。但不知 道气路间隙是否符合要求。 即使机器能正 常工作 ，也没有 量 化 的 指 标 。 为了能够达到让气路间隙量化 的要求 ，制作一个测试 平台 ．由装有压力传感器的底座 、真空泵 、微 型电机 、检 测 电路 、示波器构成 。把装配好 的数钞 头安装在 底座上 ， 分别 密封 吸钞 口和不 密封 吸钞 口进行 检测 。启 动检测 电 路 ，微型 电机用皮带带动数钞头 ，真 空泵工作 ，这时在示 波器 上会显示 出工 作时的锯齿 波 如 图 6所示 。通过观 察 锯 齿 波 的 波 峰 和 周 期 ，可 以 知 道 装 配后 的 间 隙 是 否 符 合 要求 ，转盘上的连接孔是否真正均匀分布 。对 数钞头上的 五个转杆进行编号 ，观察每五个为一组 的波形 ，可以找 出 哪一根转杆不符合要求 如图 7所示 。 图 6 密封一支转杆 的波形图 图 7 精度不一致 的波形图 对复点机计数 的研究 和应用 ，使机器的性能和产 品的 质量 有 很 大 的提 高 ，更 利 于规 模 化 生 产 。 5结束语 本文通过对复点机 单通道气路和双通道气路计数原理 的研究 ，详细分析了数钞计 数的过程 ，以及影响数钞 准确 率的关键因素 ，然后通过实验平台对两种方案影响数钞准 确率的因素进行 比较验证 ，最后得出能够满足大规模生产 方案的结论 ，并将实验成果 应用于生产 。实践证 明，双通 道气路对环境的适应性更强 ，装配调试更方便灵活 ，测试 能够更精准的量化 ，数钞的准确率更高 。 参考文献 [ 1 ] 日三浦宏 文，杨晓辉译．机 电一体化 实用手册[ M]．j b 京 科学出版社 ．2 0 0 7 ． f 2 ]杨 平， 罗文佳 ，李筱琳．新型双气路通道 复点机 的研 究及 实 施[ J ]． 机 电工程技 术，2 o 0 6，3 5 1 1 2 8 3 O ． [ 3 ]陈隆德 ，赵福 令．机械精 度设 计与检 测技 术 [ M]．北京机 械 X - 业 出版 社 ．2 0 0 1 ． 第一 作者简 介 李长 春 ，男 ，1 9 8 1年生 ，安徽 临泉人 ，大学本 科 ，助理工程师。研究领域 机械设计 ，C A D ／ C A M。 编 辑 向 飞1 f_ n． 墨 ■ 罩 _ __ H__ __ ___f F ， ；n _．曩 ] } ≯ 誊 誊 誊 善 l 9 2 l 董 参 量 I L ． - ． - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - l - - - - - ． ． ． ～J