1.PLC簡介可編程控制器（簡稱PLC）：是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算,順序控制，定時，計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。
1.1 PLC的發展及其應用控制用計算機。它在很大程度上使得工業自動化設計從專業設計院走進了工廠和礦山，變成了普通工程技術人員力所能及的工作。再加上它體積小、可靠性高、抗PLC是一種專門在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數核和算術運算等操作的指令，并能通過數字或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應按照易于與工業控制形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。
相對一般意義上的計算機，可編程控制器并不僅僅具有計算機的內核，它還配置了許多使其適用于工業控制的器件。它實質上是經過一次開發的工業干擾能力強等優點，PLC已在工業控制中獲得了廣泛的應用。
比較以前的繼電接觸器或普通計算機，PLC具有它的很多優點，如：可靠性高，抗干擾能力強，體積小，重量輕，能耗低，功能完善，易學易用，系統設計、施工、調試周期短等。目前PLC已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業。
PLC誕生不久即顯示了其在工業控制中的重要地位，如日本、德國、法國等國家相繼研制成各自的PLC。PLC技術隨著計算機和微電子技術的發展而迅速發展，由最初的1位機迅速發展為8位機。隨著微處理器CPU和微型計算機技術在PLC中的應用，形成了現代意義上的PLC�，F在的PLC產品已使用了16位、32位高性能微處理器，而且實現了多處理器的多通道處理，通信技術PLC的應用得到進一步發展。
權威人士預計，21世紀，可編程控制器會有更大的發展，從技術上來看，計算機技術的新成果會更多的應用于可編程控制器的設計及制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現。從產品規模上看，會進一步向超小型及超大型方向發展。從產品的配套性上看，產品的品種會更豐富、規格更齊備。完美的人機界面、完備通訊設備會更好地適應各種工業控制場合的需求。從
市場上看，各國各自生產多品種產品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現少數幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現國際通用的編程語言。這是有利于可編程技術的發展及可編程產品普及的。
1.2PLC的基本結構可編程序控制器實施控制，其實質就是按一定算法進行輸入輸出變換，并將這個變換與以物理實現。輸入輸出變換、物理實現可以說是PLC實施控制的兩個基本點，同時物理實現也是PLC與普通微機相區別之處，其需要考慮實際控制的需要，應能排除干擾信號適應于工業現場，輸出應放大到工業控制的水平，能為實際控制系統方便使用，所以PLC采用了典型的計算機結構，主要是由微處理器（CPU）、存儲器（RAM/ROM）、輸入輸出接口（I/O）電路、通信接口及電源組成。PLC的基本結構如下圖所示：
圖1.1PLC的基本結構圖
1.中央處理單元(CPU)
中央處理單元 (CPU)是PLC的控制核心。它按照PLC系統程序賦予的功能：a. 接收并存儲從用戶程序和數據；b.檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式采集現場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存入I/O映象寄存區，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規定執行邏輯或算數運算并將結果送入I/O映象寄存區或數據寄存器內。等所有的用戶程序執行完畢之后，最后將I/O映象寄存區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環直到停止運行。 為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統，或采用三CPU的表決式系統。這樣，即使某個CPU出現故障，整個系統仍能正常運行。
2存儲器
可編程序控制器的存儲器分為系統程序存儲器和用戶程序存儲器。存放系統軟件（包括監控程序、模塊化應用功能子程序、命令解釋程序、故障診斷程序及其各種管理程序）的存儲器稱為系統程序存儲器；存放用戶程序（用戶程序存和數據）的存儲器稱為用戶程序存儲器，所以又分為用戶存儲器和數據存儲器兩部分。
PLC常用的存儲器類型 ：
（1）RAM （Random Assess Memory） 這是一種讀/寫存儲器(隨機存儲器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。
（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）這是一種可擦除的只讀存儲器。在斷電情況下，存儲器內的所有內容保持不變。(在紫外線連續照射下可擦除存儲器內容)。
（3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)這是一種電可擦除的只讀存儲器。使用編程器就能很容易地對其所存儲的內容進行修改。
PLC存儲空間的分配 ： 雖然各種 PLC的CPU的最大尋址空間各不相同，但是根據PLC的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區域：
（1）系統程序存儲區
（2）系統RAM存儲區（包括I/O映象寄存區和系統軟設備等）。
（3）用戶程序存儲區
系統程序存儲區：在系統程序存儲區中存放著相當于計算機操作系統的系統程序。包括監控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統診斷子程序等。由制造廠商將其固化在 EPROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該PLC的性能。
系統RAM存儲區：系統RAM存儲區包括I/O映象寄存區以及各類軟元件，如：邏輯線圈、數據寄存器、計時器、計數器、變址寄存器、累加器等存儲器。
（1）I/O映象寄存區：由于PLC投入運行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態和數據，在輸出刷新階段才將輸出的狀態和數據送至相應的外設。因此，它需要一定數量的存儲單元(RAM)以存放I/O的狀態和數據，這些單元稱作I/O映象寄存區。一個開關量I/O占用存儲單元中的一個位，一個模擬量I/O占用存儲單元中的一個字。因此整個I/O映象寄存區可看作兩個部分組成：開關量I/O映象寄存區；模擬量I/O映象寄存區。
（2）系統軟元件存儲區 ：除了I/O映象寄存區區以外，系統RAM存儲區還包括PLC內部各類軟元件（邏輯線圈、計時器、計數器、數據寄存器和累加器等）的存儲區。該存儲區又分為具有失電保持的存儲區域和失電不保持的存儲區域，前者在PLC斷電時，由內部的鋰電池供電，數據不會丟失；后者當PLC斷電時，數據被清零。
（3）用戶程序存儲區 ： 用戶程序存儲區存放用戶編制的用戶程序。不同類型的 PLC，其存儲容量各不相同。
3 輸入接口電路
輸入輸出信號有開關量、模擬量、數字量三種，在我們實習室涉及到的信號當中，開關量最普遍，也是實驗條件所限，在次我們主要介紹開關量接口電路。
可編程序控制器優點之一是抗干擾能力強。這也是其I/O設計的優點之處，經過了電氣隔離后，信號才送入CPU執行的,防止現場的強電干擾進入。如下圖就是采用光電耦合器(一般采用反光二極管和光電三極管組成)的開關量輸入接口電路：
圖1.2輸入接口電路
4 .輸出接口電路
可編程序控制器的輸出有：繼電器輸出(M)、晶體管輸出(T)、晶閘管輸出(SSR)三種輸出形式。
輸出接口電路的隔離方式：
圖1.3輸出接口電路
輸出接口電路的主要技術參數
a.響應時間 響應時間是指PLC從ON狀態轉變成OFF狀態或從OFF狀態轉變成ON狀態所需要的時間。繼電器輸出型響應時間平均約為10ms；晶閘管輸出型響應時間為1ms以下；晶體管輸出型在0.2ms以下為最快。
b.輸出電流 繼電器輸出型具有較大的輸出電流，AC250V以下的電路電壓可驅動純電阻負載2A/1點、感性負載80VA以下（AC100V或AC200V）及燈負載100W以下（AC100V 或200V）的負載；Y0、Y1以外每輸出1點的輸出電流是0.5A，但是由于溫度上升的原因，每輸出4合計為0.8A的電流，輸出晶體管的ON電壓約為1.5V，因此驅動半導體元件時，請注意元件的輸入電壓特性。Y0、Y1每輸出1點的輸出電流是0.3A，但是對Y0、Y1使用定位指令時需要高速響應，因此使用10—100mA的輸出電流；晶閘管輸出電流也比較小，FX1S無晶閘管輸出型。
c.開路漏電流 開路漏電流是指輸出處于OFF狀態時，輸出回路中的電流。繼電器輸出型輸出接點OFF是無漏電流；晶體管輸出型漏電流在0.1mA以下；晶閘管較大漏電流，主要由內部RC電路引起，需在設計系統時注意。
輸出公共端（COM） 公共端與輸出各組之間形成回路，從而驅動負載。FX1S有1點或4點一個公共端輸出型，因此各公共端單元可以驅動不同電源電壓系統的負載。
5．電源
PLC的電源在整個系統中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可靠得電源系統是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網上去。如FX1S額定電壓AC100V—240V，而電壓允許范圍在AC85V—264V之間。允許瞬時停電在10ms以下，能繼續工作。
一般小型PLC的電源輸出分為兩部分：一部分供PLC內部電路工作；一部分向外提供給現場傳感器等的工作電源。因此PLC對電源的基本要求：
①能有效地控制、消除電網電源帶來的各種干擾；
②電源發生故障不會導致其它部分產生故障；
③允許較寬的電壓范圍；
④電源本身的功耗低，發熱量�。�
⑤內部電源與外部電源完全隔離；
⑥有較強的自保護功能。
1.3 PLC的工作原理由于PLC以微處理器為核心，故具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方，若有鍵按下或有I/O變化，則轉入相應的子程序，若無則繼續掃描等待。
PLC則是采用循環掃描的工作方式。對每個程序，CPU從第一條指令開始執行，按指令步序號做周期性的程序循環掃描，如果無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條執行用戶程序，直至遇到結束符后又返回第一條指令，如此周而復始不斷循環，每一個循環稱為一個掃描周期。掃描周期的長短主要取決于以下幾個因素：一是CPU執行指令的速度；二是執行每條指令占用的時間；三是程序中指令條數的多少。一個掃描周期主要可分為3個階段。
1輸入刷新階段
在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態并寫入輸入狀態寄存器。完成輸入端刷新工作后，將關閉輸入端口，轉入程序執行階段。在程序執行期間即使輸入端狀態發生變化，輸入狀態寄存器的內容也不會改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。
2程序執行階段
在程序執行階段，根據用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執行，并將相應的邏輯運算結果存入對應的內部輔助寄存器和輸出狀態寄存器。當最后一條控制程序執行完畢后，即轉入輸入刷新階段。
3 輸出刷新階段
當所有指令執行完畢后，將輸出狀態寄存器中的內容，依次送到輸出鎖存電路（輸出映像寄存器），并通過一定輸出方式輸出，驅動外部相應執行元件工作，這才形成PLC的實際輸出。
由此可見，輸入刷新、程序執行和輸出刷新三個階段構成PLC一個工作周期，由此循環往復，因此稱為循環掃描工作方式。由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進行的，所以亦將這兩個階段統稱為I/O刷新階段。實際上，除了執行程序和I/O刷新外，PLC還要進行各種錯誤檢測（自診斷功能）并與編程工具通訊，這些操作統稱為“監視服務”，一般在程序執行之后進行。綜上述，PLC的掃描工作過程如圖所示：
圖1.4PLC的掃描工作過程
顯然掃描周期的長短主要取決于程序的長短。掃描周期越長，響應速度越慢。由于每個掃描周期只進行一次I/O刷新，即每一個掃描周期PLC只對輸入、輸出狀態寄存器更新一次，所以系統存在輸入輸出滯后現象，這在一定程度上降低了系統的響應速度。但是由于其對I/O的變化每個周期只輸出刷新一次，并且只對有變化的進行刷新，這對一般的開關量控制系統來說是完全允許的，不但不會造成影響，還會提高抗干擾能力。這是因為輸入采樣階段僅在輸入刷新階段進行，PLC在一個工作周期的大部分時間是與外設隔離的，而工業現場的干擾常常是脈沖、短時間的，誤動作將大大減小。但是在快速響應系統中就會造成響應滯后現象，這個一般PLC都會采取高速模塊。
總之，PLC采用掃描的工作方式，是區別于其他設備的最大特點之一，我們在學習和使用PLC當中都應加強注意。
1.4課題的選題背景和意義伴隨著機電一體化在各個領域的應用，機械設備的自動控制成分顯得越來越重要，由于工作的需要，人們經常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危機生命。因此機械手就在這樣誕生了,機械手是工業機器人系統中傳統的任務執行機構，是機器人的關鍵部件之一。其中的工業機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，它的發展是由于其積極作用正日益為人們所認識：它能部分地代替人工操作；能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；能制作必要的機具進行焊接和裝配從而大大改善工人的勞動條件，顯著地提高勞動生產率，加快實現工業生產機械化和自動化的步伐。機械手在不同的作業場合，尤其是在特殊的環境背景下，為人類活動的順利快速進行帶來了極大的方便和益處，尤為明顯的是在工業及軍事領域內。工業中大量的生產活動，存在著很多不便于人類操縱的環節，特別是在工作環境較危險的情況下，如果使用具有遠程控制功能的機械手，則可以增加系統的安全性，大大的節約損耗，提高效率�？梢�，在自動化、工業化進程中，在特殊背景環境中使用機械手已成為一種必然的趨勢。
2.機械手簡介
2.1 概述機械手首先是由美國開始研制的。1958年美國聯合控制公司研制出了第一臺機械手。機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
2.2機械手的發展史機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是：機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統是示教形的。
1962年，美國聯合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數控示教再現型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統仿照坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮、用液壓驅動；控制系統用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產工業機械手。
1962年美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉、升降采用液壓驅動控制系統也是示教再現型。雖然這兩種機械手出現在六十年代初，但都是國外工業機械手發展的基礎。
1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯合研制一種Unimate-Vicarm型工業機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業，定位誤差小于±1毫米。聯邦德國機械制造業是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業。
聯邦德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節式結構和程序控制。
日本是工業機械手發展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。
前蘇聯自六十年代開始發展應用機械手，至1977年底，其中一半是國產，一半是進口。
目前，工業機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算控制系統，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺機能。
第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯系，并逐步發展成為柔性制造系統FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環。
2.3機械手前景展望 機械手目前多數應用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業，它可按事先制訂的程序完成操作，但普通不具備傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發生某些偏離時，將引起零件甚至機械手本身的損壞。
為此，機械手發展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手，設它擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化作相應的變更，如位置發生稍些偏差時即能更正，并自行檢測。重點是研究視覺功能，將機械手和柔性制造系統和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前的機械制造系統的人工操作狀態。
2.4 機械手的組成機械手主要由手部、運動機構和控制系統三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現規定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。
2.5機械手的分類機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續軌跡控制機械手等。
2.6 機械手的應用機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。另外，機械手在鍛造工業中的應用不僅能進一步發展鍛造設備的生產能力，而且還能改善熱、累等勞動條件。
3.機械手的控制方案與選擇3.1. 控制要求
如下圖所示為某生產車間中自動化搬運機械手，用于將左工作臺上的工件搬運到右工作臺上。機械手的全部動作由液壓驅動。液壓泵由電磁閥控制，其上升/下降、左移/右移運動由雙線圈兩位電磁閥控制，即上升電磁閥得電時機械手上升，下降電磁閥得電時機械手下降。夾緊/放松運動由單線圈兩位電磁閥控制，線圈得電時機械手夾緊，斷電時機械手放松。
圖3.1機械手的動作示意圖
圖3.2機械手的運動示意圖
為便于控制系統調試和維護，本控制系統應有手動功能和顯示功能。當手動/自動轉換開關置于“手動”位置時，按下相應的手動按鈕，就可實現上升、下降、左移、右移、夾緊、放松的手動控制。當機械手處于原位時，將手動/自動轉換開關置于“自動”位置時，進入自動工作狀態，手動按鈕無效。
3.2 控制特點機械手電氣控制系統，除了有多工步特點之外，還要求有連續控制和手動控制等操作方式。工作方式的選擇可以很方便地在操作面板上表示出來。當旋鈕打向回原點時，系統自動地回到左上角位置待命。當旋鈕打向自動時，系統自動完成各工步操作，且循環動作。當旋鈕打向手動時，每一工步都要按下該工步按鈕才能實現。以下是設計該機械手控制程序的步驟和方法。
3.3 注意事項（1）上升和下降
機械手上升或下降的動作都要到位，否則不能進行下一個工作步。上升或下降的動作用單線圈電磁閥控制。
（2）夾緊和放松
機械手夾緊和放松的動作必須在兩個工位處進行，且其動作都要到位。為了確保夾緊和放松的動作可靠性，需對這兩個動作進行定時。加緊和放松動作由單線圈的電磁閥控制，電磁閥線圈的得電為夾緊，失電為放松。
（3）左行和右行
自動方式時，機械手的左、右運動必須在壓動上限位開關后才能進行；機械手的左、右運動都必須到位，以確保在左工作臺取到工件并在右工作臺下放下工件�？墒褂蒙舷尬婚_關、左上限位開關和右上限位開關進行控制。左行、右行的動作由單線圈電磁閥控制。
（4）自動運行
自動方式下誤操作的禁止：自動方式時，按一次起動按鈕自動運行方式開始后，再按別的操作按鈕錯誤操作，程序對錯誤操作不予響應。
（5）手動運行
手動運行時，只有按下單步上升、單步下降、單步左行、單步右行、手動夾緊放松時機械手會動作，同樣再按別的操作按鈕錯誤操作，程序對錯誤操作不予響應。
3.4 機械手的控制系統設計方案的比較在工業自動化生產中常用的控制系統有：傳統的繼電器—接觸器控制系統、PLC控制系統和微機控制系統這三種。但從使用性、經濟性、可靠性出發，本設計選用了PLC。因為從上述該機械手所需完成的控制動作分析來看，本機械手是用于各種傳感器在復雜的條件下工件的傳輸，主要動作是上升、下降、左移、右移、夾緊、放松和工序延時控制等，控制動作基本上是以簡單的順序邏輯動作為主。是屬典型的繼電邏輯順序動作控制系統，這是PLC最擅長的功能，而且PLC具有體積小、重量輕、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、易于維護等特點，特別是替代繼電器控制系統，這更是它的優勢。
4.PLC對機械手的控制4.1.PLC的選型(一) 機型的選擇
PLC按結構分為整體型和模塊型兩類，按應用環境分為現場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應用角度出發，通�？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c數選型。
整體型PLC的I/O點數固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統的I/O點數，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統。
(二)輸入輸出模塊的選擇
輸入輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統一。例如對輸入模塊，應考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應用要求。對輸出模塊，應考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關頻繁，電感性低功率因數負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應用要求應一致�？筛鶕靡�，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應用成本�？紤]是否需要擴展機架或遠程I/O機架等。
從機械手控制信號分析可知,機械手輸入是位置開關信號,上/下限位開關、左/右限位開關等它們都是開關量,而輸出主要是5個電磁閥線圈,以控制機械手的左移、右移、上移、下移、夾緊、放松的氣路的通斷
(三)電源的選擇
PLC的供電電源，除了引進設備時同時引進PLC應根據產品說明書要求設計和選用外，一般PLC的供電電源應設計選用220VAC電源，與國內電網電壓一致。重要的應用場合，應采用不間斷電源或穩壓電源供電。
如果PLC本身帶有可使用電源時，應核對提供的電流是否滿足應用要求，否則應設計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。
(四)存儲器的選擇
由于計算機集成芯片技術的發展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應用項目的正常投運，一般要求PLC的存儲器容量，按256個I/O點至少選8K存儲器選擇。需要復雜控制功能時，應選擇容量更大，檔次更高的存儲器。
（五）冗余功能的選擇
1．控制單元的冗余
(1)重要的過程單元：CPU（包括存儲器）及電源均應1B1冗余。
(2)在需要時也可選用PLC硬件與熱備軟件構成的熱備冗余系統、二重化或三重化冗余容錯系統等。
2.I/O接口單元的冗余
(1)控制回路的多點I/O卡應冗余配置。
(2)重要檢測點的多點I/O卡可冗余配置。
(3)根據需要對重要的I/O信號，可選用2重化或3重化的I/O接口單元。
(六)經濟性的考慮
選擇PLC時，應考慮性能價格比。考慮經濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產品。
輸入輸出點數對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費用。當點數增加到某一數值后，相應的存儲器容量、機架、母板等也要相應增加，因此，點數的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時應充分考慮，使整個控制系統有較合理的性能價格比。
4.2 PLC容量的選擇存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，需在程序調試之后才知道。為了設計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。
存儲器內存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數字量I/O點數的10～15倍，加上模擬I/O點數的100倍，以此數為內存的總字數（16位為一個字），另外再按此數的25%考慮余量。
4.3 I/O分配表分析系統控制要求，系統可以選擇自動和手動工作方式，其輸入信號有啟動、停止、上限行程、左上限行程、A下限行程、右上限行程、B下限行程、手動運行、自動運行、單步上升、單步下降、單步左移、單步右移、手動夾緊、手動放松共15個按鈕信號。輸出有夾緊、上升、下降、報警指示、右行、左行、原點指示共7個信號。由此可知，系統所需的輸入點數為15，輸出點數為8，且都是開關量。
根據以上分析，此系統屬于小型單機控制系統，I/O分配表如下表4.1所示：
表4.1 I/O分配表
4.4主電路圖圖4.1主電路圖
根據控制系統要求設計主電路，如圖4.1所示，系統要用到三個電磁閥，對電磁閥A B C 要求其能實現換向，B實現機械手的上下運動，A實現機械手的左右運動，C實現機械手的抓緊與放松。當B接通時電磁閥單向導通，機械手向上運動，當B斷開時 電磁閥換向導通，機械手向下運動。當A接通時電磁閥單向導通，機械手向左運動，當A斷開時 電磁閥換向導通，機械手向右運動。當當C接通時電磁閥單向導通，機械手抓緊，當C斷開時 電磁閥換向導通，機械松開。
系統通過組合開關QS來實現主電路的通斷，通過熔斷器FU實現短路保護。
4.5 I/O接線圖根據I/O分配表，畫出系統的I/O接線圖，如圖4.2所示。另外接線圖中添加了信號燈，分別來作為機械手在A下限、左上限、上限、右上限、B下限的狀態指示，輸出接口中Y4接有報警顯示燈，Y7接有原點位置指示燈:
圖4.2機械手控制系統PLC的I/O接線圖
4.6流程圖
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圖4.3機械手控制系統的流程圖
5.機械手的軟件設計5.1 軟件的組成及作用PLC的軟件由系統程序和用戶程序組成。
系統程序由PLC制造廠商設計編寫的，并存入PLC的系統存儲器中，用戶不能直接讀寫與更改。系統程序一般包括系統診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳送程序、監控程序等。
PLC的用戶程序是用戶利用PLC的編程語言，根據控制要求編制的程序。在PLC的應用中，最重要的是用PLC的編程語言來編寫用戶程序，以實現控制目的。PLC編程語言是多種多樣的，對于不同生產廠家、不同系列的PLC產品采用的編程語言的表達方式也不相同，但基本上可歸納兩種類型：一是采用字符表達方式的編程語言，如語句表等；二是采用圖形符號表達方式編程語言，如梯形圖等。 以下簡要介紹幾種常見的PLC編程語言。
1.梯形圖語言
梯形圖語言是在傳統電器控制系統中常用的接觸器、繼電器等圖形表達符號的基礎上演變而來的。它與電器控制線路圖相似，繼承了傳統電器控制邏輯中使用的框架結構、邏輯運算方式和輸入輸出形式，具有形象、直觀、實用的特點。因此，這種編程語言為廣大電氣技術人員所熟知，是應用最廣泛的PLC的編程語言，是PLC的第一編程語言。
如圖5.1所示是傳統的電器控制線路圖和PLC梯行圖。
(b)
(a)
圖5.1電器控制線路圖與梯形圖
從圖中可看出，兩種圖基本表示思想是一致的，具體表達方式有一定區別。PLC的梯形圖使用的是內部繼電器，定時／計數器等，都是由軟件來實現的，使用方便，修改靈活，是原電器控制線路硬接線無法比擬的
2.語句表語言
這種編程語言是一種與匯編語言類似的助記符編程表達方式。在PLC應用中，經常采用簡易編程器，而這種編程器中沒有CRT屏幕顯示，或沒有較大的液晶屏幕顯示。因此，就用一系列PLC操作命令組成的語句表將梯形圖描述出來，再通過簡易編程器輸入到PLC中。雖然各個PLC生產廠家的語句表形式不盡相同，但基本功能相差無幾。以下是與圖5中梯形圖對應的（FX系列PLC）語句表程序。
步序號 指令 數據
0 LD X1
1 OR Y0
2 ANI X2
3 OUT Y0
4 LD X3
5 OUT Y1
可以看出，語句是語句表程序的基本單元，每個語句和微機一樣也由地址（步序號）、操作碼（指令）和操作數（數據）三部分組成。
3.邏輯圖語言
邏輯圖是一種類似于數字邏輯電路結構的編程語言，由與門、或門、非門、定時器、計數器、觸發器等邏輯符號組成。
4.功能表圖語言
功能表圖語言（SFC語言）是一種較新的編程方法，又稱狀態轉移圖語言。它將一個完整的控制過程分為若干階段，各階段具有不同的動作，階段間有一定的轉換條件，轉換條件滿足就實現階段轉移，上一階段動作結束，下一階段動作開始。是用功能表圖的方式來表達一個控制過程，對于順序控制系統特別適用。5.高級語言
隨著PLC技術的發展，為了增強PLC的運算、數據處理及通信等功能，以上編程語言無法很好地滿足要求。近年來推出的PLC，尤其是大型PLC，都可用高級語言，如BASIC語言、C語言、PASCAL語言等進行編程。采用高級語言后，用戶可以像使用普通微型計算機一樣操作PLC，使PLC的各種功能得到更好的發揮。
5.2 繼電器功能IST指令中的S20和S26用來指定在自動操作中用到的最小和最大狀態繼電器的原件號，IST中的源操作數可取X、Y和M,圖8中IST指令的源操作數X020用來指定與工作方式有關的輸入繼電器的首元件，它實際上指定從X020開始的8個輸入繼電器的意義如表5.1所示:
表 5.1輸入繼電器功能對照表
X020-X024中同時只能有一個處于接通狀態，必須使用選擇開關，以保證這5個輸入不可能同時為ON
IST指令的執行條件滿足時，初始狀態繼電器S0-S2和下列特殊輔助繼電器被自動指定為以下功能，如表5.2所示，以后即使IST指令的執行條件變為OFF，這些元件的功能仍保持不變。
表 5.2 特殊輔助繼電器、狀態繼電器功能對照表
如果改變了當前選擇的工作方式，在“回原點方式”標志M8043變為ON之前，所有的輸出繼電器將變為OFF。
5.3操作系統操作系統包括回原點程序，手動單步操作程序和自動連續操作程序其原理是：
把旋鈕置于回原點，X16接通，系統自動回原點，Y5驅動指示燈亮。再把旋鈕置于手動，則X6接通，其常閉觸頭打開，程序不跳轉（CJ為一跳轉指令，如果CJ驅動，則跳到指針P所指P0處），執行手動程序。之后，由于X7常閉觸點，當執行CJ指令時，跳轉到P1所指的結束位置。如果旋鈕置于自動位置，（既X6常閉閉合、X7常閉打開）則程序執行時跳過手動程序，直接執行自動程序。
5.3.1回原位程序回原位程序如圖5.2所示。用S10~S12作回零操作元件。應注意，當用S10~S19作回零操作時，在最后狀態中在自我復位前應使特殊繼電器M8043置1。
圖5.2回原位狀態轉移圖
5.3.2手動單步操作程序 如圖5.3所示。圖中上升/下降，左移/右移都有聯鎖和限位保護。
圖5.3手動單步操作程序
5.3.3自動操作程序自動操作狀態轉移見圖5.3所示。當機械手處于原位時，按啟動X0接通，狀態轉移到S20，驅動下降Y0，當到達下限位使行程開關X1接通，狀態轉移到S21，而S20自動復位。S21驅動Y1置位，延時1秒，以使電磁力達到最大夾緊力。當T0接通，狀態轉移到S22，驅動Y2上升，當上升到達最高位，X2接通，狀態轉移到S23。S23驅動Y3右移。
移到最右位，X3接通，狀態轉移到S24下降。下降到最低位，X1接通，電磁鐵放松。為了使電磁力完全失掉，延時1秒。延時時間到，T1接通，狀態轉移到S26上升。上升到最高位，X2接通，狀態轉移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始狀態，再開始第二次循環動作。
在編寫狀態轉移圖時注意各狀態元件只能使用一次，但它驅動的線圈，卻可以使用多次，但兩者不能出現在連續位置上。因此步進順控的編程，比起用基本指令編程較為容易，可讀性較強。
系統調試分模擬調試和聯機調試
硬件部分的模擬調試可在斷開主電路的情況下，主要試一試手動控制部分的可靠性。軟件部分的模擬調試可借助于模擬開關和PLC輸出端的指示燈進行。需要模擬量信號I/O時，可用電位器和萬用表進行。調試時，可利用上述外部設備模擬各種現場開關和傳感器的狀態，然后觀察PLC的輸出邏輯是否正確。如果有錯誤則修改程序后反復調試�，F在PLC的主流產品都可在PC上編程，并可在PC上進行模擬調試。
連機調試時，可把編制好的程序下載到現場的PLC中。有時PLC也許只有一臺，這時就要把PLC安裝到控制柜相應的位置上。調試時一定要先將主電路斷開，只對控制電路進行連機調試。通過現場連機調試信號的接入常常會發現軟硬件中的問題，有時廠家對某些控制功能進行改造，反復調試后，控制系統才能交付使用。
圖5.4自動操作狀態轉移圖
5.4操作面板的設計根據控制要求，其工作方式共有五種，由于五種方式不是同時運行，為了操作明確，要設置切換裝置。從人和設備的安全角度上考慮，設備發生緊急異常狀態。啟動和急停按鈕與PLC運行程序無關。這兩個按鈕用來接通和斷開PLC外部負載的電源。根據控制要求和安全需要，設計控制面板。機械手的操作面板如圖5.5所示，選擇開關分五檔與五種方式對應，上升、下降、左移、放松、夾緊幾個步序一目了然。機械手具有手動、自動和回原位五種工作方式，用開關SA進行選擇。手動工作方式時，用各操作按鈕（SB1、SB2、SB3、SB4、SB5、SB6、SB7、SB8、SB9、SB10、SB11）來點動執行相應的各動作；自動工作方式時，動作將自動執行；返回原位工作方式時，按下“回原位”按鈕SB11，機械手自動回到原位狀態。
圖5.5機械手的操作面板
5.5 程序的運行與調試a．將梯形圖程序輸入計算機。
b．對程序進行試運行。
（1）將轉換開關SA旋至“手動”檔，按相應的動作按鈕，觀察機械手動作情況。
（2）將轉換開關SA旋至“回原位”檔，按回原位按鈕，觀察機械手是否回原位。
（3）將轉換開關SA旋至“單步”檔，每按一次啟動按鈕，觀察機械手是否向前執行下一個動作。
（4）將轉換開關SA旋至“單周期”檔，每按一次啟動按鈕，觀察機械手是否運行一個周期就停下來。
（5）將轉換開關SA旋至“連續”檔，按下啟動按鈕，觀察機械手是否連續運行。
C．記錄調試程序結果并對不足之處進行修改。
d．最后再進行考機運行，一般連續運行72小時以上，以考核電氣及機械運行是否穩定可靠。
總 結經過兩個星期的實訓，機械手PLC控制系統的程序，已成功地通過了模擬手動、單步、單周期、連續等運行的調試，證明本設計的硬件、軟件部分基本都能達到預期要求，能可靠地控制機械手動作，達到機械手所要求的技術性能。
系統的分析與設計過程也是對學習的總結過程，更是進一步學習和探索的過程。在這過程中，我對利用可編程控制器進行控制系統的設計與開發有了深刻的的認識，對機械手的工作原理有了進一步的掌握，對控制系統的分析與設計有了切身的認識和體會，并在學習和實訓過程中增長了知識，豐富了經驗�？刂葡到y的開發設計是一項復雜的系統工程，必須嚴格按照系統分析、系統設計、系統實施、系統運行與調試的過程來進行。系統的分析與設計是一項很辛苦的工作，同時也是一個充滿樂趣的過程。在設計過程中，要邊學習，邊實踐，遇到新的問題就不斷探索和努力，即可使問題得到解決。
同時，在本次實訓中，也深刻體會到理論和實踐相集合的重要性。雖然之前收集了大量的資料但在實際應用中卻有很大差異，出現了許多意想不到的問題。但經過長時間的摸索最終還是設計出達到要求的系統。由于時間緊迫，有些設計工作還有待完善，在以后的工作中我會繼續努力,不斷提高自己的技術水平，以適應未來的激烈競爭形勢。
致 謝通過這次實訓，使我得到了一次用專業知識、專業技能分析和解決問題的全面系統的鍛煉。我學到了很多書本上學不到的實踐知識，尤其對電子硬件、電路設計有了更深刻的理解，了解了設計一個產品從方案的選擇到最終產品的一系列的設計階段，了解了產品的調試技術。使我真正體會到理論和實踐相結合的重要性。
在此有無數感謝。
首先，感謝我的父母。是他們教會我做人做事的道理，他們的諄諄教導是.我前進的強大動力和堅實后盾。
感謝大學三年里教育過我的老師， 那些曾經的歲月，曾經的年華，我們一起走過的路。
感謝我的同學。無論是教室里的如切如磋，餐桌旁的高談闊論。還是寢室里的歡聲笑語，都留下了我們最美好的回憶。這是我最寶貴的財富之一。
實訓中既動腦、，又動手，是一個理論與實際結合的過程。僅僅有理論是不夠的，更重要的是實際的，是我們所設計的實物，具有設計合理，經濟實用的優點。這就需要我們設計者考慮問題是要仔細、周密，不能有絲毫的大意。對設計方案的優越化，也需要我們綜合各方面的因素考慮，尤其是實際。再次像教育指導我的老師及同學表示誠摯的感謝！
鑒于本人所學知識有限，經驗不足，又是初次研究這種復雜的設計，在此過程中難免存在一些錯誤和不足之處，懇請各 位老師給予批評和指正。
參考文獻
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