6ES7231-7PB22-0XA8详细使用
目前世界高端工业机械手均有高精化、高速化、多轴化、轻量化的发展趋势。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。国内机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，以减轻劳动强度，改善作业条件。随着社会生产不断进步和人们生活节奏的不断加快，机械手在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能得到广泛的运用。可编程序控制器（PLC）是工业控制中应用广泛可靠的控制器。本项目通过对机械手的组装和 PLC系统的编程，实现多轴机械手可靠稳定的搬运工件。通过本项目的研制，研制人员提高了自主动手能力，掌握机电一体化综合设计技能，学习和掌握PLC 语言的编写，且借此可以了解学习国内外机械手的发展水平。
1 总体部分
如图 1 所示，本项目研制的机械手教学实训设备的总体结构由机械部分和电气部分组成。
图 1 PLC 多轴机械手总体结构图
1.1 机械部分
机械手的机械部分总体结构由夹持部分、传动机构和旋转机构所组成。（1）夹持部分使用机械夹手与真空吸盘相结合的结构夹持工件，可根据被夹持工件的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头和真空吸盘，以适应操作。真空吸盘一般用橡胶制造，主要作用是将工件吸合便于搬运，大限度的保护工件的外观，还具有易使用、零污染等优点；（2）传动机构由 XY轴滚珠丝杠副组成，滚珠丝杠副传递力矩，完成工件在 XY轴方向上的往复运动，其利用滚珠运动的原理可以具有较高的重复精度，实现运动的微进给，从而保证更准确的将运送工件至指定地点；（3）旋转机构Z 轴由底座和机械手所组成，旋转机构扩大了机械手的动作范围，提高了机械手在搬运过程中的灵活性。
1.2 电气部分
PLC 控制多轴机械手电气部分主要由变压器，步进电机驱动器，直流电机驱动器，PLC主机模块，控制面板等部分组成。 （1）变压器作用是把 220V 的交流电压转换为电机与 PLC 工作的 24V 直流电压；（2）X 轴Y 轴直线运动由步进电机实现，步进电机能够达到比较高的重复定位精度。步进电机驱动器将输入的电信号（或者脉冲信号）通过模数处理，转变为电机的步进运动与增量位移，控制机械运动；（3）机械手有两个旋转动作，分别是抓手轴的正反旋转和旋转底盘Z 轴的正反旋转，其动作由直流无刷电机带动，可回旋 360°，无刷直流电机的驱动器采用 24V直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护等特点；（4）控制面板开关主要分为自动和手动两种模式。 自动模式下，根据 PLC的编程顺序进行各种动作并循环；手动模式主要是实现点动。 且控制面板上采用复合开关按钮，节约 PLC 输入点位；（5）PLC采用了逐步通电、同步断电的步进式控制设计，受控对象之间形成互锁，动作的是否执行取决于前一步动作是否完成，若前一步未完成，则后一步无法执行。具有编程简单、维修方便、柔性化强等特点，可在现场修改和调试程序，可根据生产要求随时改变。
2 控制要求
图 2 机械手动作示意图
图 2 为本机械手教学实训模型的动作示意图，其工作路径是将工件从 A 点搬运至 B 点。机械手运行时，机械手要返回至设定的原点位置，之后通过 XY轴的滚珠丝杠、底座和腕部的旋转运动至工件所在位置并夹持工件回到原点，将工件准确的运送至指定位置。
3 控制部分设计
基于控制要求，合理地分配 PLC 输入、输出点位。 如表 1 所示为 PLC 的输入输出各点位的分配。
表 1 I/O 分配表
先将机械手进行复位操作。 当机械手未到原位，此时 PLC 输入电平信号跟脉冲信号 CP-1给步进电机横轴驱动器，连接横轴的步进电机反转，横轴往后缩，后缩到位后会碰到后限位开关 SQ3，SQ3启动之后，主机就输入电平信号跟脉冲信号 CP-2 给竖轴驱动器，竖轴步进电机控制竖轴上升，上升到位后会触碰到竖轴反限位开关SQ4，SQ4 启动之后，主机输入旋转脉冲信号 SB-0 给直流电机驱动器 3，4，完成机械手的复位动作即 YU21 和 YU22的动作。 复位操作结束后，主机输入脉冲信号 CP-1 给横轴驱动器，步进电机开始正转，横轴实现进给操作YV2，横轴进给到位时碰到正限位开关 SQ1，进给完成。 机械手收到主机发送电压信号，旋转至已定的角度，完成动作YV20，这时气动电磁阀断电，机械手张开。主机再输入电平信号跟脉冲信号 CP-2给竖轴驱动器使步进电机开始反转，竖轴下降。当竖轴下降至碰到限位开关时 SQ4，下降停止，电磁阀得电机械手夹紧。夹紧后，主机只输入脉冲信号 CP-2 给竖轴步进电机驱动器，步进电机得电正转竖轴上升，碰到限位开关 SQ2后，上升停止，启动横轴步进电机驱动器脉冲 CP-1，步进电机得电开始反转，横轴缩回。 碰到限位开关 SQ3 后，PLC发送旋转脉冲信号 SB0给底盘，底盘正旋转到位。此时主机输入脉冲信号 CP-1 给横轴驱动器，横轴第二次向前伸出，碰到限位开关SQ1 后停止。 停止后主机输入电平和脉冲信号 CP-2 给竖轴驱动器 2 使得竖轴电机 2反转使竖轴下降，下降到位碰到竖轴正限位开关 SQ2停止，此时电磁阀断电，卡爪和真空吸盘放松，释放工件，完成整套的工件运送工作。本机械手实训装置采用的 PLC 具有高速运算能力和 PID调节功能，可以输出两路脉冲控制两台电机的优点。 图 3为控制输出两路脉冲梯形图，可以控制两个方向的电机运动，节省搬运时间。
图 3 输出两路脉冲梯形图
1. PID控制
在工业控制中，PID控制（比例-积分-微分控制）得到了广泛的应用，这是因为PID控制具有以下优点：
1）不需要知道被控对象的数学模型。实际上大多数工业对象准确的数学模型是无法获得的，对于这一类系统，使用PID控制可以得到比较满意的效果。据日本统计，目前PID及变型PID约占总控制回路数的90%左右。
2）PID控制器具有典型的结构，程序设计简单，参数调整方便。
3）有较强的灵活性和适应性，根据被控对象的具体情况，可以采用各种PID控制的变种和改进的控制方式，如PI、PD、带死区的PID、积分分离式PID、变速积分PID等。随着智能控制技术的发展，PID控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法相结合，可以实现PID控制器的参数自整定，使PID控制器具有经久不衰的生命力。
2. PLC实现PID控制的方法
如图6-35所示为采用PLC对模拟量实行PID控制的系统结构框图。用PLC对模拟量进行PID控制时，可以采用以下几种方法：
图6-35 用PLC实现模拟量PID控制的系统结构框图
1）使用PID过程控制模块。这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。这种模块的价格昂贵，一般在大型控制系统中使用。如三菱的A系列、Q系列PLC的PID控制模块。
2）使用PID功能指令。现在很多中小型PLC都提供PID控制用的功能指令，如FX2N系列PLC的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序，与A/D、D/A模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果，价格却便宜得多。
3）使用自编程序实现PID闭环控制。有的PLC没有有PID过程控制模块和PID控制指令，有时有PID控制指令，但用户希望采用变型PID控制算法。在这些情况下，都需要由用户自己编制PID控制程序。
3. FX2N的PID指令
PID指令的编号为FNC88，如图6-36所示源操作数［S1］、［S2］、[S3]和目标操作数[D]均为数据寄存器D，16位指令，占9个程序步。［S1］和［S2］分别用来存放给定值SV和当前测量到的反馈值PV，［S3］~[S3]＋6用来存放控制参数的值，运算结果MV存放在［D］中。源操作数［S3］占用从［S3］开始的25个数据寄存器。
图6-36 PID指令
PID指令是用来调用PID运算程序，在PID运算开始之前，应使用MOV指令将参数（见表6-3）设定值预先写入对应的数据寄存器中。如果使用有断电保持功能的数据寄存器，不需要重复写入。如果目标操作数[D]有断电保持功能，应使用初始化脉冲M8002的常开触点将其复位。
表6-3 PID控制参数及设定
PID指令可以多次使用，用于运算的[S3]、[D]的数据寄存器元件号不能重复。
PID指令可以在定时中断、子程序、步进指令和转移指令内使用，应将［S3］＋7清零（采用脉冲执行的MOV指令）之后才能使用。
控制参数的设定和 PID运算中的数据出现错误时，“运算错误”标志M8067为ON，错误代码存放在D8067中。
PID指令采用增量式PID算法，控制算法中还综合使用了反馈量一阶惯性数字滤波、不完全微分和反馈量微分等措施，使该指令比普通的PID算法具有更好的控制效果。
PID控制是根据“动作方向”（[S3]+1）的设定内容，进行正作用或反作用的PID运算。PID运算公式如下：
以上公式中：△MV是本次和上一次采样时PID输出量的差值，MVn是本次的PID输出量；EVn和EVn-1分别是本次和上一次采样时的误差，SV为设定值；PVn是本次采样的反馈值，PVnf、PVnf-1和PVnf-2分别是本次、前一次和前两次滤波后的反馈值，L是惯性数字滤波的系数；Dn和Dn-l分别是本次和上一次采样时的微分部分；Kp是比例增益，T S是采样周期，T I和T D分别是积分时间和微分时间，αD是不完全微分的滤波时间常数与微分时间TD的比值。
4.PID参数的整定
PID控制器有4个主要的参数K p、T I、T D和TS需整定，无论哪一个参数选择得不合适都会影响控制效果。在整定参数时应把握住PID参数与系统动态、静态性能之间的关系。
在P（比例）、I（积分）、D（微分）这三种控制作用中，比例部分与误差信号在时间上是一致的，只要误差一出现，比例部分就能及时地产生与误差成正比的调节作用，具有调节及时的特点。比例系数Kp越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；对于大多数系统，K p过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。
积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，一直要到误差消失，系统处于稳定状态时，积分部分才不再变化。积分部分可以消除稳态误差，提高控制精度，积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定性带来不良影响。积分时间常数TI增大时，积分作用减弱，系统的动态性能（稳定性）可能有所改善，消除稳态误差的速度减慢。
微分部分是根据误差变化的速度，提前给出较大的调节作用。微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，微分部分具有超前和预测的特点。微分时间常数TD增大时，超调量减小，动态性能得到改善，抑制高频干扰的能力下降。
选取采样周期TS时，应使它远远小于系统阶跃响应的纯滞后时间或上升时间。为使采样值能及时反映模拟量的变化，T S越小越好。TS太小会增加CPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，也不宜将T S取得过小。
设备介绍：
该模温机是协助一OEM客户开发的，用于配合注塑机运行。开始OEM客户采用传统的电器设备控制方式做了一台样机，根据系统要求，控制水泵、水阀及一些报警显示需要相应的一系列开关和指示灯，还需大量各种继电器，接线也非常麻烦。样机的调试及试用结果并不理想，于是决定采用PLC来实现设备的运行控制。很明显，在能达到系统控制要求的情况下，客户优先选择了价格便宜的西门子224CPU加上UniMAT的4TC模块和16DO模块来实现控制。
控制要求：
1.根据路温度反馈或设定的时间控制热水或冷水的排送。
2.控制流程分为手动控制和自动控制两种方式，两种控制方式不能进行，所有动作必须在水泵启动的情况下完成。
3.通过触摸屏监视和控制设备的运行情况，有报警显示。
4.要求能保存几组设定好的各时间、温度参数，并能读取直接用。
地址分配表：
控制流程图：
触摸屏主要界面：
三、
采用西门子PLC作该设备的核心部分，不仅编程控制简单、布线简单，维护也很方便，在西门子CPU的基础上使用UniMAT的扩展模块，不但保证了控制的稳定，更节省了成本。