工程机械基于PLC的控制系统
基于PLC机械手控制系统设计
2024-04-29
• 项目背景与意义 • 整体方案设计 • 硬件选型 • 程序设计 • PLC仿真 • 项目总结与展望
目录
Part
01
项目背景与意义
机械手控制系统优势
效率高、准确高
高生产自动化程度，有利于 提高材料的传送、工件的装 卸、刀具的更换以及机器的 装配等的自动化程度，提高 生产效率，降低生产成本
改善劳动条件
避免人身事故，代替人安全 地在高温、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 完成工作。
自动化程度高，成本低
采用PLC控制系统，实现远 程监控和自动调节，提高运 维效率，降低了人工成本。
Part
02
整体方案设计
系统硬件设计
plc选型 机械手的位置反馈是开关量控制，所需的I/0点数量并不多，所以使用一般 的小型plc的选择就可以了。由于所需要的 I/0 点数分别为 20 点和12 点， 因此本设计选用西门子S7-226来实现控制
2）通过下面一排拉杆模拟PLC输入信号，通过观察Q点输出亮灯情况检查程序。
组态制作
新建一个工程，触摸屏的类型选择TPC7062TD
2）制作主页面。
组态制作
在设备窗口中添加-通用串口父设备和西门子_S7200PPI
2）双击西门子_S7200PPI，增加设备通道，并且连接对应的数据库，是PLC与触摸屏互相通信。
Part
03
硬件选型
plc硬件接线图简图
选型与配置方案
PLC控制器
使用一般的小型plc的选择就可以 了。由于所需要的 I/0 点数分别 为 20 点和12 点，因此本设计选 用西门子S7-226来实现控制。
基于PLC的机械设备安全控制系统设计
基于PLC的机械设备安全控制系统设计摘要：机械设备自动化控制技术体现了工业发展水平，随着智能化操控技术的发展，机械自动化逐渐与智能操控技术融合到一起。
在工业化生产中，机械设备安全控制可以提高控制精度，实现精准化的系统运行控制。
PLC在机械设备安全控制中的应用，可以使作业更加稳定，系统维护容易。
科技的进步促进了工业化的智能化生产，加强生产的安全性，机械设备安全控制系统需要依据实际条件，结合PLC技术应用，进行控制系统的设计，促进其技术应用优势加以良好的体现。
关键词：PLC；机械设备；安全控制；系统设计中图分类号：TP23文献标识码：A引言在信息化发展的时代背景下，机械工程朝着自动化、智能化的方向发展，PLC技术在机械控制中发挥着重要作用。
为了发挥PLC技术在智能机械控制中的应用价值，需要明确智能技术的具体应用，基于PLC技术的控制类型，进行PLC的机械设备安全控制系统的设计，实现机械设备运行的精确控制，进而促进现场生产的安全性与可靠性。
1PLC技术概述PLC技术是可编程控制器，外部设备为存储器、CPU等，结合电源设计达到控制机械设备的效果。
CPU是技术的核心，相当于人的中枢神经，通过CPU扫描现场输入装置，并且接收存储编程器中用户程序，对电源运行状态进行客观判断，并且细致地检查设备内部工作状态，对相关指令、语法执行状况进行检查。
在设计存储器装置过程中，信息数据的存储可以借助模块化子程序功能、系统程序功能，并且用户需要在编程器中输入数据方可提取这些数据。
当前PLC技术已经得到了较为广泛的应用，尤其是在机械工程中，可以预算、处理数据信息，将该技术应用于各类机械设备中可以显著提高机械的生产效能，通过和其他先进的科学技术相结合还可以优化电气控制系统，将PLC技术的应用效能进一步发挥出来。
2PLC技术的控制系统2.1FCS控制系统FCS控制系统还被称为现场总线控制，主要是借助信息技术来构建通信网络，并以此为基础对机械电气装置运行系统进行整体性控制。
基于PLC的数控机床控制系统设计
基于PLC的数控机床控制系统设计数控机床是现代制造业中的核心设备之一，其在工业生产中的自动化程度非常高，能够实现高效、高精度的加工。
而PLC（可编程逻辑控制器）作为一种广泛应用于工控领域的专用计算机，其稳定性和可靠性非常高，适用于数控机床控制系统的设计。
硬件设计方面，首先需要选定适用于数控机床控制的PLC，一般推荐选择功能强大、性能稳定的工业级PLC。
其次，需要根据实际应用需求选择适配的输入输出模块，用于与机床的各个传感器和执行器进行连接。
然后，根据数控机床的运动结构，选择合适的电机驱动器和编码器等设备。
最后，需要设计数控机床的操作面板，用于人机交互，包括显示屏、按钮、旋钮等。
软件设计方面，PLC的控制程序需要通过编程语言进行编写，常用的编程语言包括梯形图、指令表、结构化文本等。
在编程中，首先需要实现数控机床的各种基本功能，例如：自动进给、自动下刀、自动换刀等。
然后，针对具体的加工要求，编写相应的加工程序，包括工件的坐标系设定、刀具半径补偿、切削速度设定等。
此外，还需要编写相应的报警和故障处理程序，以保证数控机床的安全运行。
设计完整的基于PLC的数控机床控制系统后，还需要进行相应的调试和测试。
通过连接各个部件，验证控制逻辑是否按预期工作，检查机床运动是否平稳、精确。
在测试过程中，还需要模拟各种异常情况，如断电、通信异常等，确保系统能够正确处理这些异常情况，保证机床的安全性和可靠性。
总之，基于PLC的数控机床控制系统设计需要考虑到硬件和软件两个方面，确保系统功能完善、稳定可靠。
通过合理的硬件设计和编写高效的控制程序，可以实现数控机床的自动化加工，提高生产效率和产品质量。
PLC技术在机械工程中的应用研究
PLC技术在机械工程中的应用研究摘要：PLC技术广泛应用于各类机械制造行业，它不仅能够提高生产效率，还能够提高生产质量以及确保生产过程的安全性。
本研究旨在深入探讨PLC技术在机械工程中的应用，并针对目前机械工程控制系统中存在的问题进行分析和解决。
关键词：PLC技术；机械工程；应用研究前言PLC（Programmable Logic Controller）是一种可编程逻辑控制器，它广泛应用于机械工程控制系统中。
由于其高效、可靠、安全和易于维护等特点，PLC 控制系统已经成为机械工程控制领域的主要控制方式之一。
随着科技进步和社会发展，机械工程在设计和制造过程中越来越复杂，需要更加高级和智能化的控制系统来满足需求。
因此，研究基于PLC技术的机械工程控制系统，对于提高机械工程的生产效率和质量具有十分重要的意义。
一、PLC技术概述（一）PLC的定义和分类PLC即Programmable Logic Controller，是一种能够控制机器自动化运作的电气控制设备。
它可以根据预先编写好的控制程序，对输入信号进行处理并生成相应的输出信号，从而控制机器的运作。
PLC可以广泛应用于制造业、交通运输、能源、环保、航空航天等众多领域。
按照功能分类，PLC可以分为基本型PLC、模块化PLC和中小型PLC等。
其中基本型PLC一般只实现基本的逻辑控制功能，模块化PLC可以通过安装不同的模块来扩展其功能，中小型PLC则具有更强大的处理能力和更多的输入输出接口。
（二）PLC的工作原理和特点PLC的工作原理基于程序控制，通过一系列的逻辑判断和运算，将输入信号转换为输出信号，从而实现对机器运作的精确控制。
PLC具有高度的可靠性和稳定性，能够长时间稳定运行，不易出现故障。
PLC可以根据需要编制控制程序，以适应不同的运作要求，同时可根据需要进行实时的修改和优化。
并且，PLC的硬件结构简单，维修方便，同时具有良好的自诊断和故障排除功能，能够快速定位故障并进行修复。
基于PLC的机械手控制系统设计研究 机械工程及其自动化专业
基于PLC的机械手控制系统设计研究在某些工业生产范围中，工业环境影响着工作人员，工作人员受到有毒气体危害以及高温高压的影响，对身体造成了很大的伤害，这增加了他们的工作难度，对工作人员的生命和健康造成了严重的威胁。
这时候机械手的出现解决了上面所说的很多问题，并且得到了广泛的应用。
根据可编程逻辑控制器控制系统机械手的设计方法，对软硬件设计开始了相关的研究。
通过编译可编程逻辑控制器程序，机械手开始可以自己控制自己。
借助于动态软件mcgs，机械上面的程序已经被设置好了，并将电子设备和数据对象直接衔接起来，从而监视了机械手的运行状态。
该软件可以实时显示机械手的运行状态和运行动态，并为操作员提供了高清，高精度的机械手每时每刻运行的情况，有利于维修人员对机械手的监视，对出现的问题可以得到及时维修。
第一章引言机械手是在工业自动化生产和运行需求日益增长的情况下出现的，应用于多个领域：Stamping, forging, blending, welding, forging, heat treatment, machining等工业生产中。
特别是在放射性有害、毒性大、温度高的条件十分差的生产领域里面，由于机械手自动化程度高，可以替代手动操作，让工人不至于在这么高危的环境中工作，并且该机械手已经得到业界的认可，有很多工厂都采用机械手。
可编程控制器也就是plc，它是特定设计出的工业控制机械，可以提高特定生产环境下的工业生产效率与自动化程度。
最近几年网络信息技术的发展加快，电子计算机技术和各种电子智能技术在软件编程和硬件配置中的运用的越来越广泛，用的越来越多，成为评价企业自动化和智能水平的重要的参照。
因此。
可编程逻辑控制器机械手控制系统的理论和实际意义非常大，本文也特定的对它进行了研究和分析。
第二章机械手控制原理2.1机械手控制方式的选择2.1.1控制方式的分类通常传统实业的生产过程的自动化中都是是基于relay、不同的电子线路等上面进行研究的，成本低是它的优势之一，目前在一些结构很简单的工业中的机械中，它的应用在很多的领域，但它出现的问题也是非常突出:第一，它一般运用操作简单的工业机械中，第二，它不能被优化或者改进，第三，它局限于特定的情况下，运用的范围比较狭小。
(完整版)基于plc的机械手控制系统设计
前言随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。
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。
近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，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。
机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。
机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。
本文将通过西门子PLC控制机械手，PLC是可编程控制器（Programmable Logic Controller）的简称，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。
随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能。
目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展。
该系统利用西门子PLC，在步进电机驱动下，完成对机械手在搬运过程中的下降、夹紧、上升、右旋、下降、放松、上升、左旋等全过程自动化控制，并对非正常情况实行自动报警和自动保护，实现企业的机电一体化，提高企业的生产效率。
1机械手概述1.1机械手简介机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
基于PLC的机械设备电气控制系统设计
基于PLC的机械设备电气控制系统设计摘要:基于PLC的机械设备电气控制系统设计是现代工业自动化领域的重要研究方向。
在进行机械设备电气控制系统的设计与分析时，需求分析、硬件设计、软件编程和监控界面的开发是必不可少的步骤。
通过对系统性能进行分析和优化，可以提高系统的可靠性、稳定性和灵活性，为工业生产提供更高效、安全和可持续的解决方案。
关键词：基于PLC;机械设备;电气控制系统引言随着工业自动化技术的快速发展，基于可编程逻辑控制器（PLC）的机械设备电气控制系统设计已成为现代工业生产中的关键环节。
本论文以某型号机械设备为例，通过对其电气控制系统的设计与分析，探讨了基于PLC的电气控制系统在提高生产效率、确保安全性和实现智能化方面的优势。
首先介绍了PLC的基本原理和特点，然后详细阐述了机械设备电气控制系统的硬件设计、软件编程及监控界面的开发，并讨论了系统的可靠性、可扩展性和易维护性等关键问题。
最后，通过实际应用案例的验证，验证了该系统在实际生产中的有效性和可行性。
本论文旨在为工程师和研究人员提供有关基于PLC的机械设备电气控制系统设计的参考。
1.PLC的基本原理和特点1.1PLC的发展历程PLC，即可编程逻辑控制器，是20世纪60年代产生并逐渐发展起来的一种用于自动化控制的数字化电子设备。
它起初是用于替代传统的继电器控制系统，通过数字电路和存储程序控制方式实现对工业过程的自动控制。
随着计算机技术的发展，PLC逐渐智能化，功能越来越强大，应用范围也更加广泛。
1.2PLC的工作原理PLC的工作原理基于三个主要组成部分：输入模块、中央处理器（CPU）和输出模块。
输入模块负责将外部传感器和信号转换为数字信号，输入给CPU进行处理。
CPU利用存储在内部或外部存储器中的程序执行相关的逻辑运算，并根据结果控制输出模块，将指令转换成控制信号发送给执行器和执行装置。
PLC的工作流程可以简述为：首先通过输入模块检测输入信号，然后CPU根据程序对输入信号进行逻辑运算和控制，最后通过输出模块向执行器发送控制信号从而实现对机械设备的控制。
工程机械基于PLC的控制系统
工程机械基于PLC的控制系统摘要工程机械中的PLC控制系统主要包含如下三个部分，分别是初始化、车上控制与遥控控制。
其中控制系统主要是控制数字的输入输出与模拟量的输入输出。
在当前的控制器选择中，可以选择可编程序控制器作为控制器的主要控制系统，然后选择几个相适应的模块，这样就可以满足控制系统对于数字以及模拟量的输入输出了。
而且，通过实验的验证，这项控制系统已经能够完全代替之前的人工手动控制了，在一定程度上大大地提高了工程机械的自动化。
关键词工程机械；PLC；控制自从大规模的集成电路技术与通信技术进入高速发展之后，PLC技术也得到了大量的使用，与机器人技术、CAD/CAM并称现代自动化的三大支柱。
一开始，PLC的主要功能是对逻辑的控制，以替代传统的继电器的顺序控制与定时的控制等，到了现代，PLC技术可以完成复杂的逻辑控制，并具备了强大的数学运算、数据处理、运动控制等功能，与此同时，PLC在联网通信方面的功能也有了非常大的进步。
1 PLC控制功能的概述某工程机械能够持续对开挖土方进行作业，但是工作的环境非常恶劣，并且存在一次性工作周期过长的问题，这样就造成了之前通用的人工手动操作变得十分困难，造成了实用性差的问题。
考虑到这些问题，需要对工程机械进行PLC 控制的改进，并提高工程机械的使用效率与自动化的水平[1]。
首先分析该工程机械需要使用到的主要控制功能；例如：挖坑与挖壕，进行手动与自动的选择设置，对浮动功能的控制，对上升与下放的控制，挖掘链的上升下降、左右摆动的控制以及挡位的转换等。
考虑到工程机械工作的环境的问题，还需要增加车上控制与无线遥控两个控制回路，以实现可以在遥控的状态下实现对工程机械的控制。
下面分别介绍一些车上控制回路与无线遥控控制回路。
车上控制回路可以通过车上的开关量与模拟量的输入来对机械的行驶装置与工作装置进行控制，从而可以完成预设的工作内容，还可以对在作业过程中出现的错误操作或者异常情况进行报警或者做出其他的紧急处理。
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工程机械基于PLC的控制系统
作者：李侠郝付强
来源：《科学与信息化》2017年第01期
摘要工程机械中的PLC控制系统主要包含如下三个部分，分别是初始化、车上控制与遥控控制。
其中控制系统主要是控制数字的输入输出与模拟量的输入输出。
在当前的控制器选择中，可以选择可编程序控制器作为控制器的主要控制系统，然后选择几个相适应的模块，这样就可以满足控制系统对于数字以及模拟量的输入输出了。
而且，通过实验的验证，这项控制系统已经能够完全代替之前的人工手动控制了，在一定程度上大大地提高了工程机械的自动化。
关键词工程机械；PLC；控制
自从大规模的集成电路技术与通信技术进入高速发展之后，PLC技术也得到了大量的使用，与机器人技术、CAD/CAM并称现代自动化的三大支柱。
一开始，PLC的主要功能是对逻辑的控制，以替代传统的继电器的顺序控制与定时的控制等，到了现代，PLC技术可以完成复杂的逻辑控制，并具备了强大的数学运算、数据处理、运动控制等功能，与此同时，PLC在联网通信方面的功能也有了非常大的进步。
1 PLC控制功能的概述
某工程机械能够持续对开挖土方进行作业，但是工作的环境非常恶劣，并且存在一次性工作周期过长的问题，这样就造成了之前通用的人工手动操作变得十分困难，造成了实用性差的问题。
考虑到这些问题，需要对工程机械进行PLC控制的改进，并提高工程机械的使用效率与自动化的水平[1]。
首先分析该工程机械需要使用到的主要控制功能；例如：挖坑与挖壕，进行手动与自动的选择设置，对浮动功能的控制，对上升与下放的控制，挖掘链的上升下降、左右摆动的控制以及挡位的转换等。
考虑到工程机械工作的环境的问题，还需要增加车上控制与无线遥控两个控制回路，以实现可以在遥控的状态下实现对工程机械的控制。
下面分别介绍一些车上控制回路与无线遥控控制回路。
车上控制回路可以通过车上的开关量与模拟量的输入来对机械的行驶装置与工作装置进行控制，从而可以完成预设的工作内容，还可以对在作业过程中出现的错误操作或者异常情况进行报警或者做出其他的紧急处理。
而无线遥控回路可以对发送机的油门、机械的转向、挡位的更换、制动系统进行控制，主要是通过发送到PLC的信号，PLC在接收到信号之后将信号反馈给遥控器的处理单元，这样操作人员就可以了解机械的工作状态。
在无线遥控进行的控制作业中，遥控器也可以对机械的误操作进行报警以及进行灯光的提示，而如果发生无线中断，工程机械中的PLC系统则会自动的根据异常状况做出相应的处理。
2 对技术方案的实施
通过以上的分析可以看出，该控制系统主要的控制对象有报警灯，电磁阀，主要对翻转、升降，油缸摆动的控制，此外还有变量泵，主要是控制抛土器与挖掘链、液力变速器，对急停与换挡的控制，此外还有转向的控制装置与油门的控制装置等。
其中变量泵与转向控制的执行装置与油门的遥控控制装置都是模拟量的输入信号[2]。
在该控制系统中，需要控制的数字量差不多有38项，系统的控制流程比较复杂，为了满足工程以及控制器的需求，采用了西门子公司生产的S7-200系列的可编程序控制器，而将226型作为主要的控制系统，采用了两个EM235模块，一个EM232模块，一个EM223模块，采用这样的配置，就足能够满足控制系统对于数字量与模拟量的输入输出的要求了。
基于控制系统的流程可以参照下图。
3 对系统进行实现
系统的实现主要通过如下三部分完成：初始化、车上控制、遥控控制。
初始化。
系统的初始化主要包含两个部分，一是系统的自检：如果系统的本身携带了错误的信息或者是系统在运行的时候外部的环境没有达到要求，都会通过警报的方式来使控制系统停止工作。
其中系统自身的错误主要是扩展模块上电的正常与否的问题；外部运行的环境主要是为防止异常的发生而对系统面板进行的初始化位置的回归。
二是系统的遥控状态位的初始化：主要是对遥控状态位的初始化以及对自由端口的设置，通常情况下，系统使用的都是
RS485指令，因此需要对端口号、波特率、字符数据位进行设置以及对校验进行选择，对遥控状态位的初始化主要是对PLC寄存器中存在的状态值进行清除[3]。
系统通过自检之后，控制系统就可以根据工程机械中的开关状态来对机械上的控制方式进行判断，然后再根据不同的控制方式进入不同的控制程序。
车上控制。
这部分的工作主要是根据控制面板中开关的装置状态进行操作，如果是手动的操作，就意味着这些操作都是通过人工进行控制的，如果选择是自动操作，则需要对时间、转速以及工作模式进行设置，工程机械会根据设置进行自动操作。
遥控控制。
遥控控制与车上控制有一些相似，只是控制的信号是通过遥控器发出的。
因为工程机械的工作环境可能比较恶劣，以及距离变远的问题，控制系统为了安全考虑而进行了如下几项设计。
首先是在遥控器的工作状态之下，如果在4秒之内没有收到控制器发出的信号或者是指令，那么控制系统就会自动停止工程机械的工作，包括工程机械的挡位的复原，其他的例如抛土器与挖掘链条都会停止工作；其次是控制系统对于收到的指令都会做出一个是否有效的检验，判断的根据是在指令的尾部添加验证码，根据验证码来验证指令的有效性，如果指令有效就会执行，如果是无效的则直接进行抛弃；最后是为了预防数据的丢失而产生的遥控中断的问题，在系统的控制中，设置的是一问三答的模式，就是控制系统在收到一条遥控器发出的
指令之后都会做出三次回答，来返回工程机械当前的工作状态，其中每条回答的间隔是0.4秒。
在整个控制系统中，采取的都是模块化的控制程序，这种设计是PLC系统中使用最广泛，当然也是效果最好，最基本的方式。
在对程序进行结构的分析与设计中，最基本的前提就是将程序进行模块化的结构设计，根据系统的主要功能，以相对独立作为基本原则，设计出主要的控制程序以及相对应的子模块，还有两个中断模块，其实就是对遥控信号做出响应的模块[4]。
4 结束语
在将基于PLC的控制系统进行改造之后就能够在很大的程度上替代甚至是完全替代人工的手动控制，可以形成更高的性能以及效果，并可以在很大程度上提高PLC控制系统的自动化水平。
参考文献
[1] 谭羽.战地挖壕作业车电控系统学习与实现[D].长沙：国防科技大学机电工程与自动化学院，2005：22.
[2] 西门子中国有限公司.深入浅出西门子S7--200PLC[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003：59.
[3] 高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例[M].北京：人民邮电出版社，2004：77.
[4] 赵松年.机电一体化系统设计[M].北京市：机械工业出版社，2004：49.。