西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 1 【 摘要 】 本論文主要論述了日本歐姆龍系統(tǒng)在機械手中的 PLC 控制， 重點介紹了機械手控制系統(tǒng)中的硬件選擇方法、軟件的設計過程，以及 PLC 控制氣動機械手裝置的工作原理 、運動過程和控制要求等方面 。機械手是工業(yè)自動控制領域中經常用到的一種控制對象，機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。 該程序已在工業(yè)機械手中獲得了應用，具有穩(wěn)定、可靠的性能，可供同類設計參考。 應用 PLC 控制機械手實現(xiàn)各種規(guī)定的工序動作，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動生產率。 關鍵詞： 可編程控制器（ PLC） ； 機械手 ； 控制 ； Abstract ： The present paper mainly elaborated the Japanese ohm dragon system in manipulator PLC control, with emphasis introduced in the manipulator control system hardware choice method, the software design process and, as well as PLC control pneumatic motor manipulator aspects and so on installment principle of work, rate process and control request. The manipulator is one kind of controlled member which in the industry automatic control domain uses frequently, the manipulator may complete many work, like moves the thing, the assembly, cutting, spurts dyes and so on, the applications are extremely widespread. This procedure has obtained the application in the industry manipulator, has, the reliable performance stably, may supply the similar design reference. Controls the manipulator using PLC to realize each kind of stipulation working procedure movement, may simplify the control line, saves the cost, enhances the labor productivity. Key words: Programmable controller (PLC)； manipulator； control； 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 2 前 言 隨著工業(yè)自動化發(fā)展的需要，機械手在工業(yè)應用中越來越重要。文章主要敘述了 歐姆龍在 機械手的控制過程 。 隨著工業(yè)自動化的普及和發(fā)展，控制器的需求量逐年增大。殼體是閥類控制器上使用的通用型零件，該零件結構復雜，加工精度高， 工藝 殼體質量一直是影響控制器精度的主要指標之一。由于原有殼體的加工設備陳舊， 工藝 等原因，嚴重影響了控制器的發(fā)展。為了改變落后的生產狀態(tài)，緩解日趨緊張的供求關系，我們研究開發(fā)了多工步搬運 機械 在設備的整體構思，總體布局，機構功能，驅動和控制系統(tǒng)等方面，對原有設備進行了徹底 改造，投入運行以來，產品質量穩(wěn)定，生產率高， 工藝 降低，深受廠家歡迎 。 本文第一章主要介紹 了可編程控制器發(fā)展、特點及應注意的問題。第二章介紹了可編程序結構原理和發(fā)展趨勢。第三章介紹了歐姆龍 PLC 機械手的控制方面，主要介紹機械手的工藝過程與控制要求、 I/O 點編號分配、 PLC 機械手梯形圖。 由于編者水平有限，編寫時間短促，書中不妥之處懇請批評指正 。 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 3 目 錄 1 概況 . 4 1.1 可編程控制器的發(fā)展歷史 . 4 1.2 PLC 的定義和特點 . 5 1.2.1 PLC 的定義 . 5 1.2.2 PLC 的特點 . 5 1.3 PLC 應用注意的問題 . 6 1.3.1 工作環(huán)境 . 6 1.3.2 安裝與布線 . 7 1.3.3 I/O 端的接線 . 8 1.3.4 外部安全電路 . 8 1.3.6 冗余系統(tǒng)與熱備用系統(tǒng) . 9 1.4 PLC 的發(fā)展階段 . 10 1.5 PLC 的發(fā)展趨勢 . 11 2 可 編程序控制結構原理 . 12 2.1 PLC 的結構 . 12 2.2 PLC 的工作過程與原理 . 13 2.2.1 PLC 工作過程 . 13 2.3 PLC 的 I/O 系統(tǒng) . 15 3 歐姆龍系統(tǒng)機械手控制 . 16 3.1 工藝過程與控制要求 . 16 3.2 確定輸入輸出設備及 PLC . 17 3.3 PLC 選型及其 I/O 點編號分配 . 21 3.3.1 PLC 的選型 . 21 3.3.2 旋轉編碼器 . 21 3.3.3 I/O 點編號分配 . 21 3.4 PLC 梯形圖程序設計 . 24 3.4.1 機械手工作過程 . 24 3.4.2 機械手梯形圖 . 24 3.5 指令法語言 . 26 4 程序調試 . 28 附 錄 . 29 結 束 語 . 31 謝 辭 . 32 參考文獻 . 33 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 4 1 概況 機械手是工業(yè)自動控制領域中經常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。應用 PLC 控制機械手實現(xiàn)各種規(guī)定的工序動作，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動生產率。 1.1 可編程控制器的發(fā)展歷史 在可編程控制器出現(xiàn)以前，繼電器控制在工業(yè)控制領域占主導地位，由 此構成的控制系統(tǒng)都是按預先設定好的時間或條件順序地工作，若要改變控制的順序就必須改變控制系統(tǒng)的硬件接線，因此，其通用性和靈活性較差。 20 世紀的六十年代，計算機技術開始應用于工業(yè)控制領域，由于價格高、輸入輸出電路不匹配、編程難度大以及難于適應惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè)控制領域獲得推廣。 1968 年，美國最大的汽車制造商 通用汽車公司 (GM) 為了適應生產工藝不斷更新的需要，要求尋找一種比繼電器更可靠，功能更齊全，響應速度更快的新型工業(yè)控制器，并從用戶角度提出了新一代控制器應具 備的十大條件，立即引起了開發(fā)熱潮。主要內容是： 編程方便，可現(xiàn)場修改程序； 維修方便，采用插件式結構； 可靠性高于繼電器控制裝置； 體積小于繼電器控制盤； 數(shù)據可直接送入管理計算機； 成本可與繼電器控制盤競爭； 輸入可為市電； 輸出可為市電，容量要求在 2A 以上，可直接驅動接觸器等； 擴展時原系統(tǒng)改變最少； 用戶存儲器大于 4KB 。 這些條件實際上提出將繼電器控制的簡單易懂、使用方便 、價格低的優(yōu)點與計算機的功能完善、靈活性、通用性好的優(yōu)點結合起來，將繼電接觸器控制的硬接線邏輯轉變?yōu)橛嬎銠C的軟件邏輯編程的設想。 1969 年，美國數(shù)字設備公司 (DEC 公司 ) 研制出了第一臺可編程控制器 PDP 14 ，在美國通用汽車公司的生產線上試用成功，并取得了滿意的效果，可編程控制器自此誕生。 可編程控制器自問世以來 , 發(fā)展極為迅速。 1971 年，日本開始生產可編程控制器。 1973 年，歐洲開始生產可編程控制器。到現(xiàn)在，世界各國的一些著 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 5 名的電氣工廠幾乎都在生產可編程控制器裝置?？删幊炭刂?器已作為一個獨立的工業(yè)設備被列入生產中，成為當代電控裝置的主導。 1.2 PLC 的定義和特點 1.2.1 PLC 的定義 PLC 問世以來，盡管時間不長，但發(fā)展迅速。為了使其生產和發(fā)展標準化，美國電氣制造商協(xié)會 NEMA（ National Electrical Manufactory Association）經過四年的調查工作，于 1984 年首先將其正式命名為 PC（ Programmable Controller），并給 PC 作了如下定義： “PC 是一個數(shù)字式的電子裝置，它使用了可編程序的記憶體儲存 指令。用來執(zhí)行諸如邏輯，順序，計時，計數(shù)與演算等功能，并通過數(shù)字或類似的輸入/輸出模塊，以控制各種機械或工作程序。一部數(shù)字電子計算機若是從事執(zhí)行 PC之功能著，亦被視為 PC，但不包括鼓式或類似的機械式順序控制器。 ” 以后國際電工委員會 (IEC)又先后頒布了 PLC 標準的草案第一稿，第二稿 ,并在 1987 年 2 月通過了對它的定義： “ 可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)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(zhí)行邏輯運算 ,順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用 戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入 /輸出控制各種類型的機械或生產過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P外部設備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。 ” 總之，可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境應用而設計制造的計算機。它具有豐富的輸入 /輸出接口，并且具有較強的驅動能力。但可編程控制器產品并不針對某一具體工業(yè)應用，在實際應用時，其硬件需根據實際需要進行選用配置，其軟件需根據控制要求進行設計編制。 1.2.2 PLC 的特點 1、高可靠性 （ 1）所有的 I/O 接口電路均采用光電隔離，使 工業(yè)現(xiàn)場的外電路與 PLC 內部電路之間電氣上隔離。 （ 2）各輸入端均采用 R-C 濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為 1020ms. （ 3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 6 （ 4）采用性能優(yōu)良的開關電源。 （ 5）對采用的器件進行嚴格的篩選。 （ 6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況， CPU 立即采用有效措施，以防止故障擴大。 （ 7）大型 PLC 還可以采用由雙 CPU 構成冗余系統(tǒng)或有三 CPU 構成表決系統(tǒng) ,使可靠性更進一步提高。 2、豐富的 I/O 接口模塊 PLC 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直 流；開關量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位； 強電或弱電等。有相應的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備，如：按鈕；行程開關；接近開關；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。 另外為了提高操作性能，它還有多種人 -機對話的接口模塊 ; 為了組成工業(yè)局部網絡，它還有多種通訊聯(lián)網的接口模塊，等等。 3、采用模塊化結構 為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC 以外，絕大多數(shù) PLC均采用模塊化結構。 PLC 的各個部件，包括 CPU，電源， I/O 等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng) 的規(guī)模和功能可根據用戶的需要自行組合。 4、編程簡單易學 PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。 5、安裝簡單，維修方便 PLC 不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設備與 PLC 相應的 I/O 端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。 由于采用模塊化結構，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法 ，使系統(tǒng)迅速恢復運行。 1.3 PLC 應用注意的問題 1.3.1 工作環(huán)境 1 溫度 PLC 要求環(huán)境溫度在 055 ，安裝時不能放在發(fā)熱量大的元件下面，四周通風散熱的空間應足夠大，基本單元和擴展單元之間要有 30mm 以上間隔；開關柜 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 7 上、下部應有通風的百葉窗，防止太陽光直接照射；如果周圍環(huán)境超過 55 ，要安裝電風扇強迫通風。 2 濕度 為了保證 PLC 的絕緣性能，空氣的相對濕度應小于 85%（無凝露）。 3 震動 應使 PLC 遠離強烈的震動源，防止振動頻率為 1055Hz 的頻繁或連續(xù)振動。當使用環(huán)境不可避免震動時，必須采取減震措施，如采用減震膠等。 4 空氣 避免有腐蝕和易燃的氣體，例如氯化氫、硫化氫等。對于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環(huán)境，可將 PLC 安裝在封閉性較好的控制室或控制柜中，并安裝空氣凈化裝置。 5 電源 PLC 供電電源為 50Hz、 220（ 110% ） V 的交流電，對于電源線來的干擾， PLC本身具有足夠的抵制能力。對于可靠性要求很高的場合或電源干擾特別嚴重的環(huán)境，可以安裝一臺帶屏蔽層的變比為 1： 1 的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾。還可以在電源輸入端串接 LC 濾 波電路。如圖 1-1 所示。 圖 1 1 PLC 電源輸出 歐姆龍 系列 PLC 有直流 24V 輸出接線端，該接線端可為輸入傳感器（如光電開關或接近開關）提供直流 24V 電源。當輸入端使用外接直流電源時，應選用直流穩(wěn)壓電源。因為普通的整流濾波電源，由于紋波的影響，容易使 PLC 接收到錯誤信息。 1.3.2 安裝與布線 動力線、控制線以及 PLC 的電源線和 I/O 線應分別配線，隔離變壓器與 PLC和 I/O 之間應采用雙膠線連接。 PLC 應遠離強干擾源如電焊機、大功率硅整流裝置和大型動力 設備，不能與高壓電器安裝在同一個開關柜內。 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 8 PLC 的輸入與輸出最好分開走線，開關量與模擬量也要分開敷設。模擬量信號的傳送應采用屏蔽線，屏蔽層應一端或兩端接地，接地電阻應小于屏蔽層電阻的1/10。 PLC 基本單元與擴展單元以及功能模塊的連接線纜應單獨敷設，以防止外界信號的干擾。 流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜，輸出線應盡量遠離高壓線和動力線，避免并行。 1.3.3 I/O 端的接線 1 輸入接線 （ 1） 輸入接線一般不要超過 30 米。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時，輸入接線可適當長些。 （ 2） 輸入 /輸出線不能用同一根電纜，輸入 /輸出線要分開。 （ 3） 盡可能采用常開觸點形式連接到輸入端，使編制的梯形圖與繼電器原理圖一致，便于閱讀。 2 輸出連接 （ 1） 輸出端接線分為獨立輸出和公共輸出。在不同組中，可采用不同類型和電壓等級的輸出電壓。但在同一組中的輸出只能用同一類型、同一電壓等級的電源。 （ 2） 由于 PLC 的輸出元件被封裝在印制電路板上，并且連接至端子板，若將連接輸出元件的負載短路，將燒毀印制電路板，因此，應用熔絲保護輸出元件。 （ 3） 采用繼電器輸出時，所承受的電感性負載的大小，會影響到 繼電器的使用壽命，因此，使用電感性負載時選擇繼電器工作壽命要長。 （ 4） PLC 的輸出負載可能產生干擾，因此要采取措施加以控制，如直流輸出的續(xù)流管保護，交流輸出的阻容吸收電路，晶體管及雙向晶閘管輸出的旁路電阻保護。 1.3.4 外部安全電路 為了確保整個系統(tǒng)能在安全狀態(tài)下可靠工作，避免由于外部電源發(fā)生故障、PLC 出現(xiàn)異常、誤操作以及誤輸出造成的重大經濟損失和人身傷亡事故， PLC外部應安裝必要的保護電路。 （ 1） 急停電路。對于能使用戶造成傷害的危險負載，除了在控制程序中加以考慮之外，還應設計外部緊 急停車電路，使得 PLC 發(fā)生故障時，能將引起傷害的負載電源可靠切斷。 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 9 （ 2） 保護電路。正反向運轉等可逆操作的控制系統(tǒng)，要設置外部電器互鎖保護；往復運行及升降移動的控制系統(tǒng)，要設置外部限位保護電路。 （ 3） 可編程控制器有監(jiān)視定時器等自檢功能，檢查出異常時，輸出全部關閉。但當可編程控制器 CPU 故障時就不能控制輸出，因此，對于能使用戶造成傷害的危險負載，為確保設備在安全狀態(tài)下運行，需設計外電路加以防護。 （ 4） 電源過負荷的防護。如果 PLC 電源發(fā)生故障，中斷時間少于 10 秒， PLC工作不受影響，若電源中斷超過 10 秒或電源下降超過允許值，則 PLC 停止工作，所有的輸出點均同時斷開；當電源恢復時，若 RUN 輸入接通，則操作自動進行。因此，對一些易過負載的輸入設備應設置必要的限流保護電路。 （ 5） 重大故障的報警及防護。對于易發(fā)生重大事故的場所，為了確?？刂葡到y(tǒng)在重大事故發(fā)生時仍可靠的報警及防護，應將與重大故障有聯(lián)系的信號通過外電路輸出，以使控制系統(tǒng)在安全狀況下運行。 1.3.5 PLC 的接地 良好的接地是保證 PLC 可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。 PLC 的接地線與機器的接地端相接，接地線的截 面積應不小于 2mm2 ，接地電阻小于 100 ；如果要用擴展單元，其接地點應與基本單元的接地點接在一起。為了抑制加在電源及輸入端、輸出端的干擾，應給 PLC 接上專用地線，接地點應與動力設備（如電機）的接地點分開；若達不到這種要求，也必須做到與其它設備公共接地，禁止與其它設備串連接地。接地點應盡可能靠近 PLC。 1.3.6 冗余系統(tǒng)與熱備用系統(tǒng) 在石油、化工、冶金等行業(yè)的某些系統(tǒng)中，要求控制裝置有極高的可靠性。如果控制系統(tǒng)發(fā)生故障，將會造成停產、原料大量浪費或設備損壞，給企業(yè)造成極大的經濟損失。但是僅靠 提高控制系統(tǒng)硬件的可靠性來滿足上述要求是遠遠不夠的，因為 PLC 本身可靠性的提高是有一定的限度。使用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)就能夠比較有效地解決上述問題。 1冗余控制系統(tǒng) 在冗余控制系統(tǒng)中，整個 PLC 控制系統(tǒng)（或系統(tǒng)中最重要的部分，如 CPU模塊）由兩套完全相同的系統(tǒng)組成 。兩塊 CPU 模塊使用相同的用戶程序并行工作，其中一塊是主 CPU，另一塊是備用 CPU；主 CPU 工作，而備用 CPU 的輸出是被禁止的，當主 CPU 發(fā)生故障時，備用 CPU 自動投入運行。這一切換過程是由冗余處理單元 RPU 控制的，切換時間在 13 個掃描周期， I/O 系統(tǒng)的切換也是由 R 成的。 如圖 1-2，圖 1-3： 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 10 圖 1-2 冗余控制 系統(tǒng) 圖 1-3 熱備控制系統(tǒng) 2 熱備用系統(tǒng) 在熱備用系統(tǒng)中，兩臺 CPU 用通訊接口連接在一起，均處于通電狀態(tài)如圖 3所示。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，由主 CPU 通知備用 CPU，使備用 CPU 投入運行。這一切換過程一般不太快，但它的結構有比冗余系統(tǒng)簡單。 1.4 PLC 的發(fā)展階段 雖然 PLC 問世時間不長，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路技術的 迅速發(fā)展和數(shù)據通訊技術的不斷進步， PLC 也迅速發(fā)展，其發(fā)展過程大致可分三個階段： 1、早期的 PLC（ 60 年代末 70 年代中期）早期的 PLC 一般稱為可編程邏輯控制器。這時的 PLC 多少有點繼電器控制裝置的替代物的含義，其主要功能只是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制，定時等。它在硬件上以準計算機的形式出現(xiàn)，在 I/O 接口電路上作了改進以適應工業(yè)控制現(xiàn)場的要求。裝置中的器件主要采用分立元件和中小規(guī)模集成電路，存儲器采用磁芯存儲器。另外還采取了一些措施，以提高其抗干擾的能力。在軟件編程上，采用廣大電氣工程技術人 員所熟悉的繼電器控制線路的方式 梯形圖。因此，早期的 PLC 的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點包括簡單易懂，便于安裝，體積小，能耗低，有故障指使，能重復使用等。其中 PLC 特有的編程語言 梯形圖一直沿用至今。 2、中期的 PLC（ 70 年代中期 80 年代中，后期）在 70 年代，微處理器的出現(xiàn)使 PLC 發(fā)生了巨大的變化。美國，日本，德國等一些廠家先后開始采用微處 理器作為 PLC 的中央處理單元 (CPU)。這樣，使 PLC 得功能大大增強。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運算、計時、計數(shù)等功能以外，還增加了算術運 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 11 算、數(shù) 據處理和傳送、通訊、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持其原有的開關模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠程 I/O 模塊、各種特殊功能模塊。并擴大了存儲器的容量，使各種邏輯線圈的數(shù)量增加，還提供了一定數(shù)量的數(shù)據寄存器，使 PLC 得應用范圍得以擴大。 3、近期的 PLC（ 80 年代中、后期至今）進入 80 年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展，微處理器的市場價格大幅度下跌，使得各種類型的 PLC 所采用的微處理器的當次普遍提高。而且，為了進一步提高 PLC 的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。這 樣使得 PLC 軟、硬件功能發(fā)生了巨大變化。 1.5 PLC 的發(fā)展趨勢 1向高速度、大容量方向發(fā)展 為了提高 PLC 的處理能力，要求 PLC 具有更好的響應速度和更大的存儲容量。目前，有的 PLC 的掃描速度可達 0.1ms/k 步左右。 PLC 的掃描速度已成為很重要的一個性能指標。 在存儲容量方面，有的 PLC 最高可達幾十兆字節(jié)。為了擴大存儲容量，有的公司已使用了磁泡存儲器或硬盤。 2向超大型、超小型兩個方向發(fā)展 當前中小型 PLC 比較多，為了適應市場的多種需要，今后 PLC 要向多品種方向發(fā)展，特別是向超大型和超 小型兩個方向發(fā)展?，F(xiàn)已有 I/O 點數(shù)達 14336 點的超大型 PLC，其使用 32 位微處理器，多 CPU 并行工作和大容量存儲器，功能強。 小型 PLC 由整體結構向小型模塊化結構發(fā)展，使配置更加靈活，為了市場需要已開發(fā)了各種簡易、經濟的超小型微型 PLC，最小配置的 I/O 點數(shù)為 8 16 點，以適應單機及小型自動控制的需要，如三菱公司 系列 PLC 3 PLC 大力開發(fā)智能模塊，加強聯(lián)網通信能力 為滿足各種自動化控制系統(tǒng)的要求，近年來不斷開發(fā)出許多功能模塊，如高速計數(shù)模塊、溫度控制模塊、遠程 I/O 模塊、通信和人機接口模塊等。這 些帶CPU 和存儲器的智能 I/O 模塊，既擴展了 PLC 功能，又使用靈活方便，擴大了 PLC應用范圍。 加強 PLC 聯(lián)網通信的能力，是 PLC 技術進步的潮流。 PLC 的聯(lián)網通信有兩類：一類是 PLC 之間聯(lián)網通信，各 PLC 生產廠家都有自己的專有聯(lián)網手段；另一類是PLC 與計算機之間的聯(lián)網通信，一般 PLC 都有專用通信模塊與計算機通信。 為了加強聯(lián)網通信能力， PLC 生產廠家之間也在協(xié)商制訂通用的通信標準，以構成更大的網絡系統(tǒng)， PLC 已成為集散控制系統(tǒng)（ DCS）不可缺少的重要組成 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 12 部分。 4增強外部故障的檢測與 處理能力 根據統(tǒng)計資料表明：在 PLC 控制系統(tǒng)的故障中， CPU 占 5%， I/O 接口占 15%，輸入設備占 45%，輸出設備占 30%，線路占 5%。前二項共 20%故障屬于 PLC 的內部故障，它可通過 PLC 本身的軟、硬件實現(xiàn)檢測、處理；而其余 80%的故障屬于PLC 的外部故障。因此， PLC 生產廠家都致力于研制、發(fā)展用于檢測外部故障的專用智能模塊，進一步提高系統(tǒng)的可靠性。 5編程語言多樣化 在 PLC 系統(tǒng)結構不斷發(fā)展的同時， PLC 的編程語言也越來越豐富，功能也不斷提高。除了大多數(shù) PLC 使用的梯形圖語言外，為了適應各種控制要求， 出現(xiàn)了面向順序控制的步進編程語言、面向過程控制的流程圖語言、與計算機兼容的高級語言（ BASIC、 C 語言等）等。多種編程語言的并存、互補與發(fā)展是 PLC 進步的一種趨勢。 2 可編程序控制結構原理 2.1 PLC 的結構 PLC 一般由四大部分組成： CPU、存儲器、 I/O 系統(tǒng)以及其它可選部件。前三大部分是 PLC 完成各種控制任務所必需的，一般稱為 PLC 的基本組成部分。其它可選部件包括編程器、外存儲器、仿真 I/O、通訊接口、擴展接口以及測試設備等，主要用于系統(tǒng)的編程組態(tài)、程序存儲、通訊聯(lián)網、系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)測試等。 1、 CPU CPU 是 PLC 的核心部件。應該注意的是：在 PLC 中， CPU 的概念與普通微型計算機的 CPU 有很大的不同。在 PLC 中， CPU 指的不是一塊集成電路，而是一個模板，其上不僅包括 CPU 芯片，還有 RAM 和 ROM 或 者 EPROM。而且，在中大型PLC 中， CPU 模板中一般有兩塊 CPU 芯片，一片用作字處理器（主處理器），用于字節(jié)指令的處理，并實現(xiàn)各種控制作用；另一片用作字處理器（輔助處理器），用于實現(xiàn)位訊息的高速處理。 2、數(shù)字 I/O 接口 用作 CPU 模板與外部開關量訊號之間的接口。它完成諸如電平轉換、電氣隔離、串 /并型數(shù)據轉換以及對外提供一定的驅動能力等工作。數(shù)字 I/O 訊號常來自按鈕、開關和繼電器觸點等實際開關量，以及其它外設或受控對象送來的數(shù)字量。 3、模擬 I/O 接口 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 13 其輸入部分主要完成阻抗匹配、訊號放大 、訊號濾波、 I/V 變換、 V/F 變換或者 A/D 變換等工作，以便將來自受控對象的仿真量轉換成 PLC 能夠處理的數(shù)字量。其輸出部分主要實現(xiàn)阻抗匹配、功率放大、波形校正等功能。在一些場合下，仿真訊號也需要與現(xiàn)場電氣隔離。但仿真訊號的隔離比數(shù)字訊號要復雜得多。用于數(shù)字訊號的光電隔離因線性度較差而不能用來隔離仿真訊號，因此仿真訊號常常采用成本較高的隔離放大器來實現(xiàn)電氣隔離。 4、特殊功能模板 特殊功能模板一般都自帶 CPU 和系統(tǒng)軟件，與 PLC CPU 模板并行工作，并通過 PLC 系統(tǒng)總線與 CPU 模板接口。常見的特殊功能 模板包括：高速計數(shù)板（能滿足 100KHz 以上的計數(shù)或定時要求）、具有快速 PID 調節(jié)器的死循環(huán)控制模板、通訊模板等。 5、電源 PLC 中的電源一般有三類： 1、 +5V、 15V 直流電源：供 PLC 中 TTL 芯片和集成運放使用； 2、供輸出接口使用的高壓大電流的功率電源； 3、鋰電池及其充電電源。 考慮到系統(tǒng)的可靠性以及光電隔離器的使用，不同類型的電源其地線也不同。 目前 PLC 的發(fā)展非常迅速，型號眾多，各種特殊功能模板不斷涌現(xiàn)。通常根據其I/O 點的數(shù)量將 PLC 分為三大類： 小型機： 256 點以下（無模擬量）； 中型機： 256 2048 點（ 64 128 路模擬量）； 大型機： 2048 點以上（ 128 512 路模擬量）。 具體實現(xiàn)時，通常采用模板式結構，以便用戶根據實際應用需求進行配置。但一些小型機常制作成一體機，其配置固定，主要供定型成套設備使用；而一些大型機一般在電源、或者 CPU，甚至兩者都作了熱備份。 2.2 PLC 的工作過程與原理 2.2.1 PLC 工作過程 PLC 采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式。 OB1 是用于循環(huán)處理的組織塊（主程序），它可以調用別的邏輯塊，或被 中斷程序（組織塊）中斷。 在起動完成后，不斷地循環(huán)調用 OB1，在 OB1 中可以調用其它邏輯塊 (FB, SFB, FC 或 SFC)。 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 14 循環(huán)程序處理過程可以被某些事件中斷 : 在循環(huán)程序處理過程中， CPU 并不直接訪問 I/O 模塊中的輸入地址區(qū)和輸出地址區(qū)，而是訪問 CPU 內部的輸入 /輸出過程映像區(qū)。批量輸入、批量輸出。梯形圖中的線圈 “ 通電 ” 時，對應的輸出過程映像位為 1 狀態(tài)。信號經輸出模塊隔離和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點閉合，使外部負載通電工作。 外部輸入電路接通時，對應的輸入過程映像位 (例如 I0.0)為 1 狀態(tài)，梯形圖中對應的輸入位的常開觸點接通，常閉觸點斷開。 某一編程元件對應的過程映像位為 1 狀態(tài)時，稱該編程元件為 ON，過程映像位為 0 狀態(tài)時，稱該編程元件為 OFF。 循環(huán)時間（ Cycle time）是指操作系統(tǒng)執(zhí)行一次附圖 所示的循環(huán)操作所需的時間，又稱為掃描循環(huán)時間（ Scan Cycle Time）或掃描周期 。 2.2.2 PLC 的工作原理 研制生產的 PLC 主要用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器接觸器構成的控制裝置，但這兩者的運 行方式是不相同的： 繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運行的方式，即如果這個繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點（包括其常開或常閉觸點）在繼電器控制線路的哪個位置上都會立即同時動作。 PLC 的 CPU 則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點（包括其常開或常閉觸點）不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。 為了消除二者之間由于運行方式不同而造成的差異，考慮到繼電器控制裝置各類觸點的動作時間一般在 100ms 以上，而 PLC 掃描用戶程序的時間一般均小于 100ms，因此， PLC 采用了一種不同于一般微型計算機的運行方式 掃描技術。這樣在對于 I/O 響應要求不高的場合， PLC 與繼電器控制裝置的處理結果上就沒有什么區(qū)別了。 1掃描技術 當 PLC 投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間， PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。 （ 1） 輸入采樣階段 在輸入 采樣 階段 ， PLC 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù) 據，并將它們存入 I/O 映象區(qū)中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行和 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 15 輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據發(fā)生變化， I/O 映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 （ 2） 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段， PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序（梯形圖）。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對 由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O 映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。 即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在 I/O 映象區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在 I/O 映象區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯 線圈的狀態(tài)或數(shù)據只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。 （ 3）輸出刷新階段 當掃描用戶程序結束后， PLC 就進入輸出刷新階段。在此期間， CPU 按照 I/O映象區(qū)內對應的狀態(tài)和數(shù)據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是 PLC 的真正輸出。 一般來說， PLC 的掃描周期包括自診斷、通訊等，如下圖所示，即一個掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時間的總和。 2 PLC 的 I/O 響應時間 為了增強 PLC 的抗干擾能力，提高其可靠性， PLC 的每個開關量輸入端都采用光電隔離等技術。 為了能實現(xiàn)繼電器控制線路的硬邏輯并行控制， PLC 采用了不同于一般微型計算機的運行方式（掃描技術）。 以上兩個主要原因，使得 PLC 得 I/O 響應比一般微型計算機構成的工業(yè)控制系統(tǒng)滿的多，其響應時間至少等于一個掃描周期，一般均大于一個掃描周期甚至更長 。 2.3 PLC 的 I/O 系統(tǒng) I/O 尋址方式 ： PLC 的硬件結構主要分單元式和模塊式兩種。前者將 PLC 的主要部分（包括 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 16 I/O 系統(tǒng)和電源等）全部安裝在一個機箱內。后者將 PLC 的 主要硬件部分分別制成模塊，然后由用戶根據需要將所選用的模塊插入 PLC 機架上的槽內，構成一個 PLC 系統(tǒng)。 不論采取哪一種硬件結構，都必須確立用于連接工業(yè)現(xiàn)場的各個輸入 /輸出點與 PLC 的 I/O 映象區(qū)之間的對應關系，即給每一個輸入 /輸出點以明確的地址確立這種對應關系所采用得方式稱為 I/O 尋址方式。 I/O 尋址方式有以下三種 ； 1） 固定的 I/O 尋址方式 這種 I/O 尋址方式是由 PLC 制造廠家在設計、生產 PLC 時確定的，它的每一個輸入 /輸出點都有一個明確的固定不變的地址。一般來 說，單元式的 PLC 采用這種 I/O 尋址方式。 2） 開關設定的 I/O 尋址方式 這種 I/O 尋址方式是由用戶通過對機架和模塊上的開關位置的設定來確定的。 3） 用軟件來設定的 I/O 尋址方式 這種 I/O 尋址方式是有用戶通過軟件來編制 I/O 地址分配表來確定的。 3 歐姆龍系統(tǒng)機械手控制 3.1 工藝過程與控制要求 在機械工業(yè)中自動生產線都要用到機械手，來完成工件的取放對于機械手的控制主要是位置的識別，運動方向控制和物料的是否存在的識別。他的任務是 當機械手移到 B 傳送帶上準備下降時，為保安全 必須在左右工作臺無工作時才允許機械手下降。機械手動作如 3-1 所示，從原點按下起動按扭，電磁閥通電機械手下降，下降到低時，碰下限位開關，下降電磁閥通電機械手下降，下降到底時 碰下限位開關，下限位電磁閥斷電，下降停止。同時接通夾緊電磁閥，機械手夾緊，夾緊后上升電磁閥通電，機械手上升，上升到頂時，碰上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止。同時接通右移電磁閥機械手右移。右移到位時，碰到右限位電磁閥右移停止。機械手下降，下降到底時，碰到下限位開關，下降電磁閥斷電，下降停止。同時夾緊電磁閥斷電，機械手放松 。放松后上升電磁閥 通電。機械手上升。上升到頂時碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止。同時接通右移電磁閥機械手左移，左移到原點時，碰左限位開關，左移電磁閥斷電，左移停止。至此，機械手經過八部動作完成一個周期動作。 如下圖 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 17 圖 3-1 機械手運動過程圖 3.2 確定輸入輸出設備及 PLC 機械手是工業(yè)自動控制領域中經常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。應用 PLC 控制機械手實現(xiàn)各種規(guī)定的工序動作，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動生產率。圖1 是機械手搬運物品示意圖。 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 18 圖 3-2 機械手搬物示意圖 圖中機械手的任務是將傳送帶 A 上的物品搬運到傳送帶 B。為使機械手動作準確，在機械手的極限位置安裝了限位開關 SQ1、 SQ2、 SQ3、 SQ4、 SQ5，對機械手分別進行抓緊、左轉、右轉、上升、下降動作的限位，并發(fā)出動作到位的輸入信號。傳送帶 A 上裝有光電開關 SP，用于檢測傳送帶 A 上物品是 否到位。機械手的起、停由圖中的起動按鈕 SB1、停止按鈕 SB2 控制。 傳送帶 A、 B 由電動機拖動。機械手的上、下、左、右、抓緊、放松等動作由液壓驅動，并分別由六個電磁閥來控制。 3.2.1 機械手的動作流程 傳送帶 B 處于連續(xù)運行狀態(tài)，故不需要用 PLC 控制。 機械手及傳送帶 C 順序動作的要求是： 1) 按下起動按鈕 SB1 時，機械手系統(tǒng)工作。首先上升電磁閥通電，手臂上升，至上升限位開關動作； 2) 左轉電磁閥通電，手臂左轉，至左轉限位開關動作； 3) 下降電磁閥通電，手 臂下降，至下降限位開關動作； 4) 啟動傳送帶 A 運行，由光電開關 SP 檢測傳送帶 A 上有無物品送來，若檢測到物品，則