由于plc的高可靠性及應(yīng)用的簡(jiǎn)便性，使其廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)機(jī)械和生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制中，特別是在開關(guān)量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，更顯出它的優(yōu)越性。本節(jié)通過plc在機(jī)械手中的應(yīng)用實(shí)例，來說明plc在開關(guān)量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)。
一、機(jī)械手及其控制要求
如圖1所示是一臺(tái)工件傳送的氣動(dòng)機(jī)械手的動(dòng)作示意圖，其作用是將工件從ａ點(diǎn)傳遞到ｂ點(diǎn)。氣動(dòng)機(jī)械手的升降和左右移行作分別由兩個(gè)具有雙線圈的兩位電磁閥驅(qū)動(dòng)氣缸來完成，其中上升與下降對(duì)應(yīng)電磁閥的線圈分別為yv1與yv2，左行、右行對(duì)應(yīng)電磁閥的線圈分別為yv3與yv4。一旦電磁閥線圈通電，就一直保持現(xiàn)有的動(dòng)作，直到相對(duì)的另一線圈通電為止。氣動(dòng)機(jī)械手的夾緊、松開的動(dòng)作由只有一個(gè)線圈的兩位電磁閥驅(qū)動(dòng)的氣缸完成，線圈(yv5)斷電夾住工件，線圈(yv5)通電，松開工件，以防止停電時(shí)的工件跌落。機(jī)械手的工作臂都設(shè)有上、下限位和左、右限位的位置開關(guān)sq1、sq2和sq3、sq4，夾持裝置不帶限位開關(guān)，它是通過一定的延時(shí)來表示其夾持動(dòng)作的完成。機(jī)械手在最上面、最左邊且除松開的電磁線圈(yv5)通電外其它線圈全部斷電的狀態(tài)為機(jī)械手的原位。
圖1 機(jī)械手示意圖
機(jī)械手的操作面板分布情況如圖6-20所示，機(jī)械手具有手動(dòng)、單步、單周期、連續(xù)和回原位五種工作方式，用開關(guān)sa進(jìn)行選擇。手動(dòng)工作方式時(shí)，用各操作按鈕（sb5、sb6、sb7、sb8、sb9、sb10、sb11）來點(diǎn)動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的各動(dòng)作；單步工作方式時(shí)，每按一次起動(dòng)按鈕（sb3），向前執(zhí)行一步動(dòng)作；單周期工作方式時(shí)，機(jī)械手在原位，按下起動(dòng)按鈕sb3，自動(dòng)地執(zhí)行一個(gè)工作周期的動(dòng)作，最后返回原位（如果在動(dòng)作過程中按下停止按鈕sb4，機(jī)械手停在該工序上，再按下起動(dòng)按鈕sb3，則又從該工序繼續(xù)工作，最后停在原位）；連續(xù)工作方式時(shí)，機(jī)械手在原位，按下起動(dòng)按鈕（sb3），機(jī)械手就連續(xù)重復(fù)進(jìn)行工作（如果按下停止按鈕sb4，機(jī)械手運(yùn)行到原位后停止）；返回原位工作方式時(shí)時(shí)，按下“回原位”按鈕sb11，機(jī)械手自動(dòng)回到原位狀態(tài)。
圖2 機(jī)械手操作面板示意圖
二、plc的i/o分配
如圖3所示為plc的i/o接線圖，選用fx2n-48mr的plc，系統(tǒng)共有18個(gè)輸入設(shè)備和5個(gè)輸出設(shè)備分別占用plc的18個(gè)輸入點(diǎn)和5個(gè)輸出點(diǎn)，請(qǐng)讀者考慮是否可以用本章第四節(jié)介紹的方法來減少占用plc的i/o點(diǎn)數(shù)。為了保證在緊急情況下（包括plc發(fā)生故障時(shí)），能可靠地切斷plc的負(fù)載電源，設(shè)置了交流接觸器km。在plc開始運(yùn)行時(shí)按下“電源”按鈕sb1，使km線圈得電并自鎖，km的主觸點(diǎn)接通，給輸出設(shè)備提供電源；出現(xiàn)緊急情況時(shí)，按下“急?！卑粹osb2，km觸點(diǎn)斷開電源。
圖3 機(jī)械手控制系統(tǒng)plc的i/o接線圖
三、plc程序設(shè)計(jì)
1.程序的總體結(jié)構(gòu)
如圖4所示為機(jī)械手系統(tǒng)的plc梯形圖程序的總體結(jié)構(gòu)，將程序分為公用程序、自動(dòng)程序、手動(dòng)程序和回原位程序四個(gè)部分，其中自動(dòng)程序包括單步、單周期和連續(xù)工作的程序，這是因?yàn)樗鼈兊墓ぷ鞫际前凑胀瑯拥捻樞蜻M(jìn)行，所以將它們合在一起編程更加簡(jiǎn)單。梯形圖中使用跳轉(zhuǎn)指令使得自動(dòng)程序、手動(dòng)程序和回原位程序不會(huì)同時(shí)執(zhí)行。假設(shè)選擇“手動(dòng)”方式，則x0為on、x1為off，此時(shí)plc執(zhí)行完公用程序后，將跳過自動(dòng)程序到p0處，由于x0常閉觸點(diǎn)為斷開，故執(zhí)行“手動(dòng)程序”，執(zhí)行到p1處，由于x1常閉觸點(diǎn)為閉合，所以又跳過回原位程序到p2處；假設(shè)選擇分“回原位”方式，則x0為off、x1為on，跳過自動(dòng)程序和手動(dòng)程序執(zhí)行回原位程序；假設(shè)選擇“單步”或“單周期”或“連續(xù)”方式，則x0、x1均為off，此時(shí)執(zhí)行完自動(dòng)程序后，跳過手動(dòng)程序和回原位程序。
圖4 機(jī)械手系統(tǒng)plc梯形圖的總體結(jié)構(gòu)
2.各部分程序的設(shè)計(jì)
（1）公用程序 公用程序如圖5所示，左限位開關(guān)x12、上限位開關(guān)x10的常開觸點(diǎn)和表示機(jī)械手松開的y4的常開觸點(diǎn)的串聯(lián)電路接通時(shí)，輔助繼電器m0變?yōu)閛n，表示機(jī)械手在原位。
公用程序用于自動(dòng)程序和手動(dòng)程序相互切換的處理，當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)工作方式時(shí)，必須將除初始步以外的各步對(duì)應(yīng)的輔助繼電器（m11-m18）復(fù)位，同時(shí)將表示連續(xù)工作狀態(tài)的m1復(fù)位，否則當(dāng)系統(tǒng)從自動(dòng)工作方式切換到手動(dòng)工作方式，然后又返回自動(dòng)工作方式時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)同時(shí)有兩個(gè)活動(dòng)步的異常情況，引起錯(cuò)誤的動(dòng)作。
當(dāng)機(jī)械手處于原點(diǎn)狀態(tài)（m0為on），在開始執(zhí)行用戶程序（m8002為on）、系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)或回原點(diǎn)狀態(tài)（x0或x1為on）時(shí)，初始步對(duì)應(yīng)的m1o將被置位，為進(jìn)入單步、單同期和連續(xù)工作方式作好準(zhǔn)備。如果此時(shí)m0為off狀態(tài)，m1o將被復(fù)位，初始步為不活動(dòng)步，系統(tǒng)不能在單步、單周期和連續(xù)工作方式下工作。
圖5 公用程序
（2）手動(dòng)程序 手動(dòng)程序如圖6所示，手動(dòng)工作時(shí)用x14～x21對(duì)應(yīng)的6個(gè)按鈕控制機(jī)械手的上升、下降、左行、右行、松開和夾緊。為了保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，在手動(dòng)程序中設(shè)置了一些必要的聯(lián)鎖，例如上升與下降之間、左行與右行之間的互鎖；上升、下降、左行、右行的限位；上限位開關(guān)x10的常開觸點(diǎn)與控制左、右行的 y2和 y3的線圈串聯(lián)，使得機(jī)械手升到最高位置才能左右移動(dòng)，以防止機(jī)械手在較低位置運(yùn)行時(shí)與別的物體碰撞。
圖6 手動(dòng)程序
（3）自動(dòng)程序 如圖7所示為機(jī)械手系統(tǒng)自動(dòng)程序的功能表圖。使用通用指令的編程方式設(shè)計(jì)出的自動(dòng)程序如圖8所示，也可采用其它編程方式編程，在此不再贅述。
圖7 自動(dòng)程序的功能表圖
圖8 自動(dòng)程序
系統(tǒng)工作在連續(xù)、單周期（非單步）工作方式時(shí)，x2的常閉觸點(diǎn)接通，使m2（轉(zhuǎn)換允許）on，串聯(lián)在各步電路中的m2的常開觸點(diǎn)接通，允許步與步之間的轉(zhuǎn)換。
假設(shè)選擇的是單周期工作方式，此時(shí)x3為on， x1和x2的常閉觸點(diǎn)閉合，m2為on，允許轉(zhuǎn)換。在初始步時(shí)按下起動(dòng)按鈕x5，在m11的電路中，m1o、x5、m2的常開觸點(diǎn)和x12的常閉觸點(diǎn)均接通，使m11為on，系統(tǒng)進(jìn)入下降步，y1為on，機(jī)械手下降；機(jī)械手碰到下限位開關(guān)x11時(shí)，m12變?yōu)閛n，轉(zhuǎn)換到夾緊步，y4被復(fù)位，工件被夾緊；同時(shí)to得電，2s以后to的定時(shí)時(shí)間到，其常開觸點(diǎn)接通，使系統(tǒng)進(jìn)入上升步。系統(tǒng)將這樣一步一步地往下工作，當(dāng)機(jī)械手在步m18返回最左邊時(shí)，x4為on，因?yàn)榇藭r(shí)不是連續(xù)工作方式， m1處于off狀態(tài)，
轉(zhuǎn)換條件·x12滿足，系統(tǒng)返回并停留在初始步m10。
在連續(xù)工作方式，x4為on，在初始狀態(tài)按下起動(dòng)按鈕x5，與單周期工作方式時(shí)相同，m11變?yōu)閛n，機(jī)械手下降，與此同時(shí)，控制連續(xù)工作的m1為on，往后的工作過程與單周期工作方式相同。當(dāng)機(jī)械手在步m18返回最左邊時(shí)，x12為on，因?yàn)閙1為on，轉(zhuǎn)換條件m7·x4滿足，系統(tǒng)將返回步m11，反復(fù)連續(xù)地工作下去。按下停止按鈕x6后，m1變?yōu)閛ff，但是系統(tǒng)不會(huì)立即停止工作，在完成當(dāng)前工作周期的全部動(dòng)作后，在步m18返回最左邊，左限位開關(guān)x12為on，轉(zhuǎn)換條件·x12滿足，系統(tǒng)才返回并停留在初始步。
如果系統(tǒng)處于單步工作方式，x2為on，它的常閉觸點(diǎn)斷開，“轉(zhuǎn)換允許”輔助繼電器m2在一般情況下為off，不允許步與步之間的轉(zhuǎn)換。設(shè)系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，m10為on，按下起動(dòng)按鈕x5，m2變?yōu)閛n，使m11為on，系統(tǒng)進(jìn)入下降步。放開起動(dòng)按鈕后， m2馬上變?yōu)閛ff。在下降步， yo的得電，機(jī)械手降到下限位開關(guān)x11處時(shí)，與yo的線圈串聯(lián)的x11的常閉觸點(diǎn)斷開，使yo的線圈斷電，機(jī)械手停止下降。x11的常開觸點(diǎn)閉合后，如果沒有按起動(dòng)按鈕， x5和m2處于off狀態(tài)，一直要等到按下起動(dòng)按鈕，m5和m2變?yōu)閛n，m2的常開觸點(diǎn)接通，轉(zhuǎn)換條件x11才能使m12接通，m12得電并自保持，系統(tǒng)才能由下降步進(jìn)入夾緊步。以后在完成某一步的操作后，都必須按一次起動(dòng)按鈕，系統(tǒng)才能進(jìn)入下一步。
在輸出程序部分，x10～x13的常閉觸點(diǎn)是為單步工作方式設(shè)置的。以下降為例，當(dāng)小車碰到限位開關(guān)x11后，與下降步對(duì)應(yīng)的輔助繼電器m11不會(huì)馬上變?yōu)閛ff，如果yo的線圈不與x11的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)，機(jī)械手不能停在下限位開關(guān)x11處，還會(huì)繼續(xù)下降，這種情況下可能造成事故。
（4）回原點(diǎn)程序 如圖9所示為機(jī)械手自動(dòng)回原點(diǎn)程序的梯形圖。在回原點(diǎn)工作方式（x1為on），按下回原點(diǎn)起動(dòng)按鈕x7，m3變?yōu)閛n，機(jī)械手松開和上升，升到上限位開關(guān)時(shí)x10為0n，機(jī)械手左行，到左限位處時(shí)，x12變?yōu)閛n，左行停止并將m3復(fù)位。這時(shí)原點(diǎn)條件滿足，m0為on，在公用程序中，初始步m0被置位，為進(jìn)入單周期、連續(xù)和單步工作方式作好了準(zhǔn)備。
圖9 回原位程序
3.程序綜合與模擬調(diào)試
由于在分部分程序設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮各部分之間的相互關(guān)系，因此只要將公用程序（圖6-5）、手動(dòng)程序（圖6）、自動(dòng)程序（圖8）和回原位程序（圖9）按照機(jī)械手程序總體結(jié)構(gòu)（圖6-4）綜合起來即為機(jī)械手控制系統(tǒng)的plc程序。
模擬調(diào)試時(shí)各部分程序可先分別調(diào)試，然后再再進(jìn)行全部程序的調(diào)試，也可直接進(jìn)行全部程序的調(diào)試。