基于S7-200SMART的机械手PLC控制系统的设计案例

PART 01

机械手PLC控制系统的设计

在自动化流水线中，机械手的应用比较广泛，它是集多种工作方式于一身的典型案例。本节将以机械手自动控制为例，重点讲解含多种工作方式的PLC控制系统的设计。

PART 02 机械手的控制要求及功能简介

某工件搬运机械手工作示意图，如图7-12所示。该机械手的任务是将工件从A传送带搬运到B传送带上来(A、B传送带不用PLC控制)。机械手的初始状态为原点位置，此时机械手在最上面和最右面，且夹紧装置处于放松状态。

搬运机械手工作流程图，如图7-13所示。按下启动按钮后，从原点位置开始，机械手将执行“左行→下降→夹紧→上升→右行→下降→放松→上升”的工作流程一个周期。这些动作均由电磁阀来控制，特别的，夹紧和放松动作仅由一个电磁阀来控制，该电磁阀状态为1表示夹紧，否则为放松状态。左行、右行、上升、下降这些动作由限位开关来切换，夹紧、放松动作由定时器来切换，且定时时间为ls。为了满足实际生产的需求，将机械手设有手动和自动2种工作模式，其中自动工作模式又包括单步、单周、连续和自动回原点4种方式。操作面板布置，如图7-14所示。

(1)手动工作方式

利用按钮对机械手每个动作进行单独控制。在该工作方式中，设有6个手动按钮，分别控制左行、右行、上升、下降、夹紧和放松。

(2)单步工作方式

从原点位置开始，每按一下启动按钮，系统跳转一步，完成该步任务后自动停止在该步，再按一下启动按钮，才开始执行下一步动作。单步工作方式常常用于系统的调试和维修。

(3)单周工作方式

按下启动按钮，机械手从原点开始，按图7-13工作流程完成一个周期后，返回原点并停留在原点位置。

(4)连续工作方式

机械手在原点位置时，按下启动按钮，机械手从原点位置开始，将按图7-13工作流程周期性循环动作。按下停止按钮，机械手并不马上停止工作，待完成最后一个周期工作后，系统才返回并停留在原点位置。

(5)自动回原点工作方式

机械手有时可能会停止在非原点位置，这时机械手无法进行自动工作方式，所以需对机

械手的位置进行调整，当按下启动按钮时，机械手会按其回原点程序由其他位置回到原点位置。

PART 03 PLC及相关元件选型

机械手自动控制系统采用西门子S7-200SMART PLC，CPUST30模块，DC供电，DC

输入，晶体管输出型。

PLC控制系统的输入信号有17个，均为开关量。其中操作按钮开关有8个，限位开关有4个，选择开关有1个(占5个输入点);PLC控制系统输出信号有5个，各个动作由直流24V电磁阀控制;本控制系统采用S7-200SMART PLC完全可以，且有一定裕量。

元件材料清单

如表7-4所示

PART 04 硬件设计

机械手控制的I/O分配，如表7-5所示。硬件设计的主回路、控制回路、PLC输入输出

回路、操作台开孔图纸，如图7-15所示。操作台壳体可参考组合机床系统壳体图，这里省略。

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b

c

d

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重点提示:给出元件明细表。为现场操作人员提供方便。在工程中，有些设计给出来的文字符号不通用，因此编写元件明姻表加以说明是必要的。

g

给出元件明细表。为现场操作人员提供方便。在工程中，有些设计给出来的文字符号不通用，因此编写元件明姻表加以说明是必要的

PART 05 程序设计

机械手控制主程序如图7-16所示，当对应条件满足时，系统将执行相应的子程序。子程序主要包括公共程序、手动程序、自动程序和回原点程序4大部分。

 

(1)公共程序

机械手控制公共程序如图7-17所示。公共程序用于处理各种工作方式都需要执行的任务，以及不同工作方式之间互相切换的处理。公共程序的编写通常要考虑原点条件、初始状态、复位非初始步、复位回原点步和复位连续标志位5个部分。机械手处于最上面和最右面且夹紧装置放松时为原点状态，因此原点条件由上限位10.4的常开触点、右限位I0.3的常开触点和表示机械手放松Q0.4常闭触点的串联电路组成，当串联电路接通时，辅助继电器M1.1变为ON。机械手在原点位置，系统处于手动、回原点或初始化状态时，初始步M0.0都会被置位，此时为执行自动程序做好准备;若此时M1.1为OFF，则M0.0会被复位，初始步变为不活动步，即使此时按下启动按钮，自动程序也不会转换到下一步，因此禁止了自动工作方式的运行。

当手动、自动、回原点3种工作方式相互切换时，自动程序可能会有两步被同时激活，为了防止误动作，因此在手动或回原点状态下，辅助继电器M0.1~M1.0要被复位。在非回原点工作方式下，12.0常闭触点闭合，辅助继电器M1.4~M2.0被复位。在非连续工作方式下，11.7常闭触点闭合，辅助继电器M1.2被复位，系统不能执行连续程序。

(2)手动程序

机械手控制手动程序如图7-18所示。当按下左行启动按钮(I1.0常开触点闭合)，且上

限位被压合(I0.4常开触点闭合)时，机械手左行;当碰到左限位时，常闭触点I0.2断开，

Q0.0线圈失电，左行停止。

当按下右行启动按钮(11.1常开触点闭合)，且上限位被压合(I0.4常开触点闭合)

时，机械手右行;当碰到右限位时，常闭触点I0.3断开，Q0.1线圈失电，右行停止。

按下夹紧按钮，I1.2变为ON，线圈Q0.4被置位，机械手夹紧。

按下放松按钮，I1.3变为ON，线圈Q0.4被复位，机械手将工件放松。

当按下上升启动按钮(I0.6常开触点闭合)，且左限位或右限位被压合(I0.2或I0.3常开触点闭合)时，机械手上升;当碰到上限位时，常闭触点I0.4断开，Q0.2线圈失电，上升停止。当按下下降启动按钮(I0.7常开触点闭合)，且左限位或右限位被压合(I0.2或10.3常开触点闭合)时，机械手下降;当碰到下限位时，常闭触点I0.5断开，Q0.3线圈失电，下降停止。

在手动程序编写时，需要注意以下几个方面。

①为了防止方向相反的两个动作同时被执行，手动程序设置了必要的互锁。

②为了防止机械手在最低位置与其他物体碰撞，在左右行电路中串联上限位常开触点加以限制。只有在最左端或最右端机械手才允许上升、下降和放松，因此设置了中间环节加以限制。

(3)自动程序

机械手控制自动程序顺序功能图如图7-19所示，根据工作流程的要求，显然1个工作周期有“左行→下降→夹紧→上升→右行→下降→放松→上升”这8步，再加上初始步，因此共9步(从M0.0~M1.0);在M1.0后应设置分支，考虑到单周和连续的工作方式，以一条分支转换到初始步，另一分支转换到M0.1步。需要说明的是，在画分支的有向连线时一定要画在原转换之下，即要标在M1.1(SM0.1+I1.4+I2.0)的转换和I0.0·M1.1的转换之下，这是绘制顺序功能图时要注意的。

自动程序时，采用启保停电路编程法，其中M0.0~M1.0为中间编程元件，连续、单周、单步3种工作方式用连续标志M1.2和转换允许标志M1.3加以区别。

在连续工作方式下，常开触点I1.7闭合，此时处于非单步状态，常闭触点I1.5为ON，线圈M1.3接通，允许转换;若原点条件满足，在初始步为活动步时，按下启动按钮I0.0，线圈M0.1得电并自锁，程序进入左行步，线圈Q0.0接通，机械手左行;当碰到左限位开关I0.2时，程序转换下降步M0.2，左行步M0.1停止，线圈Q0.3接通，机械手下降;当碰到下限位开关I0.5时，程序转换到夹紧步M0.3，下降步M0.2停止;以此类推，以后系统就这样一步一步地工作下去。需要指出的是，当机械手在步M1.0返回时，上限位I0.4状态为1，因为先前连续标志位M1.2状态为1，故转换条件M1.2·I0.4满足，系统将返回到M0.1步，反复连续地工作下去。

单周与连续原理相似，不同之处在于在单周的工作方式下，连续标志条件不满足(即线圈M1.2不得电)，当程序执行到上升步M1.0时，满足的转换条件为M1.2·I0.4，因此系统将返回到初始步M0.0，机械手停止运动。在单步工作方式下，常闭触点I1.5断开，辅助继电器M1.3变为OFF，不允许步与步之间的转换。当原点条件满足，在初始步为活动步时，按下启动按钮I0.0，线圈M0.1得电并自锁，程序进入左行步;松开启动按钮I0.0，辅助继电器M1.3马上失电。在左行步，线圈Q0.0得电，当左限位压合时，与线圈Q0.0串联的I0.2的常闭触点断开，线圈Q0.0失电，机械手停止左行。I0.2常开触点闭合后，如不按下启动按钮I0.0，辅助继电器M1.3状态为0，程序不会跳转到下一步，直至按下启动按钮，程序方可跳转到下降步;此后在某步完成后必须按启动按钮一次，系统才能转换到下一步。

需要指出的是，M0.0的启保停电路放在M0.1启保停电路之后的目的是，防止在单步方式下程序连续跳转两步。若不如此，当步M1.0为活动步时，按下启动按钮I0.0，M0.0步与M0.1步同时被激活，这不符合单步的工作方式;此外转换允许步中，启动按钮I0.0用上升沿的目的是使M1.3仅ON一个扫描周期，它使M0.0接通后，下一扫描周期处理M0.1时，M1.3已经为0，故不会使M0.1为1，只有当按下启动按钮I0.0时，M0.1才为1，这样处理才符合单步的工作方式。

(4)自动回原点程序

机械手自动回原点程序及顺序功能图和梯形图，如图7-21所示。在回原点工作方式下，I2.0状态为1。按下启动按钮I0.0时，机械手可能处于任意位置，根据机械手所处的位置及夹紧装置的状态，可分以下几种情况讨论。

1.夹紧装置放松且机械手在最右端:夹紧装置处于放松且在最右端，所以直接上升返回原点位置即可。对应的程序为，按下启动按钮I0.0，条件I0.0.Q0.4·10.3满足，M2.0步接通。

2.机械手在最左端:机械手在最左端夹紧装置可能处于放松状态，也可能处于夹紧状态。若处于夹紧状态时，按下启动按钮I0.0，条件I0.0.10.2满足，因此依次执行M1.4~M2.0步程序，直至返回原点;若处于放松状态，按下启动按钮I0.0，只执行M1.4~M1.5步程序，下降步M1.6以后不会执行，原因在于下降步M1.6的激活条件10.3.Q0.4不满足，并且当机械手碰到右限位I0.3时，M1.5步停止。

3.夹紧装置夹紧且不在最左端:按下启动按钮I0.0，条件I0.0.Q0.4·I0.2满足，因此依次执行M1.6~M2.0步程序，直至回到原点。

审核编辑：黄飞