1緒論

工業(yè)生產(chǎn)的各個領域,無論是過程限制系統(tǒng)還是傳動限制系統(tǒng),都包含著大

量的開關量和模擬量。開關量也稱數(shù)字量，如電動機的啟停、閥門的開閉、電子

線路的轉(zhuǎn)置位與復位、計時、計數(shù)等；模擬量也稱連續(xù)量,如不斷變更的溫度、

壓力、速度、流量、液位等。

從生產(chǎn)機械所應用的電器與限制方法看，最初是采納一些手動電器來限制

執(zhí)行電器,這類手動限制適用于一些容量小、操作單一和場合。隨后發(fā)展為采納

自動限制電器的繼電-接觸器限制系統(tǒng)。這種限制系統(tǒng)的特點是結構簡潔，價格

低廉,維護便利，抗干擾強，因而廣泛應用于各類機械設備上。但由于該限制形式

是固定接線,通用和敏捷性差，又由于采納有觸點的開關動作,工作頻率低,觸點

易損壞，牢靠性差。

隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和科學技術的進步，人們對所用限制設備不斷提出新的

要求。具有程序變更簡潔、程序存儲量大、通用性強等優(yōu)點的由集成電路組成

的依次限制器應運而生。

所謂依次限制，是以預先規(guī)定也的時間或條件為依據(jù),按預先規(guī)定好的動作

次序,對限制過程各階段依次地進行以開關量為主的自動限制。曾經(jīng)流行的依次

限制器主要有3種類型:基本邏輯型、條件步進型和時間步進型。其特點是:通

用性和敏度性強,通過更改程序可以很便利地適應常常更改的限制要求，簡潔對

大型、困難系統(tǒng)進行限制,但程序的實現(xiàn)和更改方式并沒有從本質(zhì)上變更,仍舊

是對硬件進行設置和更改。

1.1選題背景

1969年,結合訐算機技術與繼電器接觸限制技術誕生出了可編程邏輯限制

器（），它具有邏輯限制、定時、計數(shù)等功能，并取代了繼電-接觸器限制。采

納計算機存儲程序和依次執(zhí)行的原理;編程語言采納直觀的類似繼電-接觸器限

制電路圖的梯形語言，這使得限制現(xiàn)場的工作人員可以很簡潔地學習和運用。限

制程序的更改可以通過干脆變更存儲器中的應用軟件來實現(xiàn)，由于軟件的更改

極易實現(xiàn),從而在實現(xiàn)方式上有了本質(zhì)的飛躍,其通用性和敏捷性進一步增加C

隨著時代的發(fā)展技術也在不斷的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了以微處理器為核心的可

編程序限制（）和日中心微處理器0、大規(guī)模集成電路、電子開關、功率輸出

器件等組成的可編程限制器（）。在其技術發(fā)展迅猛的今日，這個課題值得我們

去細致探討與學習應用CL2]o

PLC基本單元

輸入端口輸出端口

電源

也

費

單

單

兀

元CPU

總線

編程器-

用

寫入器-3擴

接

打印機-量

接

口

兀

人機界面-口

上位計算機-

圖1—1的基本組成

1.2可編程限制器（）歷史與發(fā)展趨勢

1.2.1可編程限制器的歷史

1969年，美國數(shù)字設備公司（公司）研制出第一臺可編程序限制器14,在美

國通用汽車公司的生產(chǎn)線上試用勝利，并取得了滿足的效果,可編程序限制器自

此誕生。

可編程序限制器自問世以來，發(fā)展極為快速。1971年，日本起先生產(chǎn)可編程

序限制器。1973年，歐洲起先生產(chǎn)可編程序限制器。到現(xiàn)在世界各國的一些聞

名的電氣工廠幾乎都在生產(chǎn)可編程序限制器裝置。可編程序限制器已作為一個

獨立的T業(yè)設備被列入生產(chǎn)中，成為當代電限制裝置的主導°

1.2.2可編程限制器的發(fā)展趨勢

早期的可編程序限制器主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，它采納

了一些計算機技術但簡化了計算機的內(nèi)部電路,對工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境適應性較好,指

令系統(tǒng)簡潔,一般只具有邏輯運算的功能。伴隨著微電子技術、限制技術與信息

技術的不斷發(fā)展，可編程序限制器也在不斷的發(fā)展?？删幊绦蛳拗破鞯陌l(fā)展趨勢

主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

⑴速度更快，體積更小；

(2)工業(yè)限制技術的集成；

(3)開放性與與主流計算機的結合；

(4)仿真軟件的開發(fā)；

(5)實現(xiàn)遠程服務⑶"。

1.3的工作原理

是基于電子計算機的工業(yè)限制器,從產(chǎn)生的背景來看系統(tǒng)與繼電-接觸器限

制系統(tǒng)有著極深的淵源，因此,可以比照繼電-接觸器限制系統(tǒng)來學習的工作原

理。

1.3.1P的等效電路

一個繼電-接觸器限制系統(tǒng)必定包括3個部分:輸入部分、邏輯電路部分、

輸出部分。輸入部分的組成元件大體上是各類按鈕、轉(zhuǎn)換開關、行程開關、接

近開關、光電開關等；輸出部分則是各種電磁閥線圈、接觸器、信號指示燈等

執(zhí)行元件。將輸入與輸出聯(lián)系起來的就是邏輯電路部分,一般由繼電器、計數(shù)器、

定時器等元件的觸點、線圈依據(jù)要求的邏輯關系連接而成,能夠依據(jù)肯定的輸入

狀態(tài)輸出所要求的限制動作C

系統(tǒng)也同樣包含這3個部分，唯一的區(qū)分是的邏輯電路部分用軟件來實現(xiàn),

用戶所編制的限制程序體現(xiàn)了特定的輸入/輸出邏輯關系。

輸入

SB1W

FR

圖1-2等效電路

當用來完成限制任務時，可將輸入條件接入,而用的輸出單元驅(qū)動接觸器,

它們之間要滿足的邏輯關系由程序?qū)崿F(xiàn)。如圖1—2所示,輸入按鈕信號經(jīng)過的

接線端子進入輸入接口電路的輸出經(jīng)過輸出接口、輸出端子驅(qū)動接觸器；用戶

程序所采納的編程語言為梯形圖語言。輸入映像對應的是內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器,

而非實際的繼電器線圈。

圖中X、Y分別表示輸入、輸出接口的地址，也對應著存儲器空間中特定的

存儲位，這些位的狀態(tài)（或者）表示相應的輸入、輸出端口狀態(tài)。每一個輸入、輸

出端口的地址是唯一固定的的接線端子號與這些地址一一對應。由于全部的輸

入、輸出狀態(tài)都是由存儲器位來表示的，它們并不是物理上實際存在的繼電器線

圈，所以常稱它們?yōu)椤败浽?，它們的常開、常閉觸點可以在程序中無限次運

用。

1.3.2P的T作過程

的工作過程以循環(huán)掃描的方式進行，當處于運行狀態(tài)時,其運行周期可劃分

為3個基本階段:輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。

1）輸入采樣階段

在這個階段逐個掃描每個輸入端口，將全部輸入設備的當前狀態(tài)保存到相

應的存儲區(qū)，把專用于存儲輸入設備狀態(tài)的存儲區(qū)稱為輸入映像寄存器。

輸入映像寄存器的狀態(tài)被刷新后,將始終保存,直到下一個循環(huán)才會被重新

刷新,所以當輸入采樣階段結束后，假如輸入設備的狀態(tài)發(fā)生變更，也只能在下

一個周期才能被接收到。

2）程序執(zhí)行階段

將全部的輸入狀態(tài)采集完畢后,進入用戶程序的執(zhí)行階段。所謂用戶程序的

執(zhí)行并非是系統(tǒng)將的工作交由用戶程序來管理所執(zhí)行的指令仍舊是系統(tǒng)程序中

的指令。在系統(tǒng)程序的指示下從用戶程序存儲區(qū)逐條讀取用戶指令，經(jīng)說明后執(zhí)

行相應動作，產(chǎn)生相應結果，刷新相應的輸出映像寄存器,期間須要用到輸入映

像寄存器、輸出映像寄存器的相應狀態(tài)。

當在系統(tǒng)程序的管理下掃描用戶程序時，依據(jù)先下而上、先左后右的依次依

次讀取梯形圖中的指令。

當用戶程序被完全掃描一遍后,全部的輸出映像都被依次刷新,系統(tǒng)進入下

一個階段一一輸出刷新階段。

3）輸出刷新階段

在這個階段，系統(tǒng)程序?qū)⑤敵鲇诚窦拇嫫髦械膬?nèi)容傳送到輸出鎖存器中，經(jīng)

過輸出接口、輸出端子輸此驅(qū)動外部負載。輸出鎖存器始終將狀態(tài)保持到下一

個循環(huán)周期，而輸出映像寄存器的狀態(tài)在程序執(zhí)行階段是動態(tài)的5叫

1.4系統(tǒng)設計的基礎學問

的系統(tǒng)設計主要為軟件設計，它是硬件學問和軟件學問的綜合體現(xiàn)，既要

有、計算機、限制技術的學問，又要有現(xiàn)場實踐的閱歷。其中第一步就是要依

據(jù)被控對象（機電設備或過程）的限制要求與系統(tǒng)功能設計的要求，為應用軟

件的編程提出明確的目的、依據(jù)、要求和指標，并依據(jù)其編寫相應的程序。

1.4.1P限制系統(tǒng)設計的原則

1）最大限度的滿足被設備或生產(chǎn)過程的限制要求；

2）在滿足限制要求的前提下，力求簡潔、經(jīng)濟，操作便利；

3）保證限制系統(tǒng)工作平安牢靠；

4）考慮到今后的發(fā)展改進，應適應留有進一步擴展的余地。

1.4.2P限制系統(tǒng)設計的內(nèi)容

1）擬定限制系統(tǒng)設計的技術條件,它是整個設計的依據(jù)；

2）選擇電氣傳動形式和電動機、電磁閥等執(zhí)行機構；

3）選定的型號；

4）編制的輸入/輸出安排表或繪制輸入/輸出端子接線圖；

5）依據(jù)系統(tǒng)要求編寫軟件說明書，然后再進行程序設計；

6）重視人機界面的設計，增加人與機器之間的友善關系;

7）設計操作臺、電氣柜與非標準電器元部件；

8）編寫設計說明書和運用說明書。

1.4.3P限制系統(tǒng)設計的一般步驟

由于的結構的工作方式與一般微型計算機和繼電器相比各有特點，所以其

設計的步驟也不相同，具體設計步驟如下：

1）具體了解被控對象的生產(chǎn)工藝過程，分析限制要求；

2）依據(jù)限制要求確定所需的用戶輸入/輸出設備；

3）選擇類型；

4）安排的點,設計連接圖；

5）軟件設計，同時可進行限制臺的設計和現(xiàn)場施工；

6）系統(tǒng)調(diào)試,固化程序,交付運用。

其設計步驟流程如圖1-3所示。

設計

程序

設計

電路

硬外部

件

設軟

計件

設

計

配線

安裝

PLC

調(diào)

程序初

調(diào)成

現(xiàn)場

驟

設計步

制系統(tǒng)

-3限

圖1

型

的選

1.5

下

慮以

體考

比,具

價格

性能

佳的

擇最

應選

型時

下,選

前提

求的

制要

足限

在滿

：

幾點

務適應

能與任

(1)性

(如西

小型

選用

時，可

不高

要求

限制

，當對

系統(tǒng)

應用

統(tǒng)的

制系

量限

開關

對于

、單臺

限制

依次

泵的

小型

,如對

要求

滿足

就能

2A型)

列1A

或系

系列

200

S7-

門子

。

吻合

向相

討方

的探

課題

。與本

制等

動限

的自

機械

求

制的要

實時限

應滿足

理速度

(2)的處

工作時，從輸入信號限制存在著滯后現(xiàn)象，即輸入量的變更，一般要在「2

個掃描周期之后才能反映到輸出端，這對于一般工業(yè)限制是允許的。但有些設備

的實時性要求較高，不允許有較大的滯后時間。例如的點數(shù)在幾十到幾干點范圍

內(nèi)，這時用戶應用程序的長短對系統(tǒng)響應速度的快慢會有較大的差別。滯后時間

應限制在幾十毫秒之內(nèi)，應小于一般繼電器的反應時間°

(3)應用系統(tǒng)結構合理,機型系列應統(tǒng)一

在結構上分為整體式和模塊式兩種。整體式結構把的和共同放在一塊電路

板上,省去插接環(huán)節(jié),體積小,每一點的平均價格比模塊式的便宜,適用于工藝過

程比較穩(wěn)定、限制要求比較簡潔的系統(tǒng)。模塊式的功能擴展點數(shù)的增減,輸入與

輸出點數(shù)的比例，都比整體式敏捷。修理更改模塊、推斷與處理故障更便利，適

用于工藝過程變更較多、限制要求困難的系統(tǒng)。

綜合以上的幾點,本課題選用的為系列1A2A型。

1.6容量的選擇

首先要對限制任務進行具體的分析，把全部點找出來，包括開關量的模擬量,

以與這些點的性質(zhì)。點的性質(zhì)主要是指它們是直流信號還是溝通信號,它們的

電源電壓，以與輸出是用繼電器型還是晶體管或是可控硅型。限制系統(tǒng)輸出點的

類型特別關鍵，假如它們這中既有溝通220V的接觸器、電磁閥，又有直流24V

的指示燈,則最終選用的的輸出點數(shù)有可能大于實際點數(shù)。因為的輸出點一般是

兒個一組共用一個公共端,這一組輸出只能有一種電源的種類和等級。不細致選

擇簡潔造成輸出點數(shù)的奢侈,增加成本。

確定選用的類型和的點數(shù)以后，就要對用戶存儲器容量進行估算。用戶程序

所需內(nèi)存容量受到內(nèi)存利用率、開關量輸入/輸出點數(shù)、模擬量輸入/輸出點數(shù)

和用戶編程水同等幾個主要因素的影響。開關量輸入/輸出總點數(shù)是計算所需內(nèi)

存容量的重要依據(jù)。一般系統(tǒng)中，開關量輸入和開關量輸出的比為6:4。這方面

的閱歷公式是依據(jù)開關量輸入、開關量輸出的總點數(shù)給出的所需內(nèi)存字數(shù)計算

分式為：

所需內(nèi)存字數(shù)二開關量（輸入+輸出）總點數(shù)X10

具有模擬量限制的系統(tǒng)就要用到數(shù)字傳送和運算等功能指令，這些功能指

令的內(nèi)存利用率較低，因此所占的內(nèi)存數(shù)較多。在只有模擬量輸入的系統(tǒng)中，一

般要對模擬量進行讀入、數(shù)字濾波、傳送和比較運算。在模擬量輸入和輸出同

時存在的狀況下,運算較為困難，內(nèi)存須要量大。一般狀況下的閱歷公式為：

只有模擬量輸入時:所需內(nèi)存字數(shù)=模擬量點數(shù)X100

模擬量輸入/輸出同時存在:所需內(nèi)存字數(shù)=模擬量點數(shù)x200

這些閱歷公式的算法是在10個模擬量左右，當點數(shù)小于10時，內(nèi)存字數(shù)要

適當加大，點數(shù)多時可適當削減。

對于同樣的系統(tǒng)，不同用戶編寫的程序可能會使程序長短和執(zhí)行時間差距

很大,一般來說,對初學者應為內(nèi)存多留一些余量。閱歷計算公式:總存儲器字數(shù)

二（開關輸入點數(shù)+開關輸出點數(shù)）x10+模擬點數(shù)X150。然后按計算存儲器字

數(shù)的25%考慮余量。

常用的內(nèi)存有、Ez和帶鋰電池供電的。一般微型和小型的存儲容量是固定

的，介于1?2之間。用戶應用程序占用多少內(nèi)存與很多因素有關,如點數(shù)、限制

要求、運算處理量、程序結構等。因此在程序設計之前只能粗略地估算。依據(jù)

閱歷，每個點與有關功能元件占用的內(nèi)存大致如下：

?開關量輸入元件：1020點;

?開關量輸出元件：510點；

?定時器/計速器：2個；

?模擬量：100150點;

?通信接口：一個接口一般須要300B以上。

依據(jù)上而算出的總字節(jié)數(shù)再考慮25%左右的備用量，就可估算出用戶程序所

需的內(nèi)存容量,從而選擇合適的內(nèi)存。

2設計方案的選擇

依據(jù)任務書設定的課題內(nèi)容和要求，我們須要采納編程來實現(xiàn)在系統(tǒng)運行

的限制；而對于分揀的方式，我們則有不同的選擇，下面是重點考慮的2種設

計方案：

1.采納輸送帶分揀大小球

這種設計方案主要采納輸送帶輸送球體，并在主輸送帶上安裝傳感器，通

過傳感器分辨別出球體大小，然后通過輸送帶的分支結構，將進行過直徑檢測

的球體分別輸送到不同的球缸中。其示意圖如下圖2-1

圖2—1輸送帶分揀天小球示意圖

這種設計方案的優(yōu)點是：能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的分揀，并且傳感器的選擇多樣,

不局限于某一類型的傳感器；但對于本次的課題來說，它并不適合。此次的課

題設計屬于小型的設計探討，采納上述的方案設計會造成資源的奢侈，所以這

個方案不被采納。

2.機械臂吸附小球

其次種方案是通過磁鐵吸附鋼球并通過機械臂沿橫梁的左右移動來達到大

小球分揀的目的。其示意圖如下圖2—2,相對于第一種方案，它具有小型簡便,

節(jié)約資源等優(yōu)點。

小球往左大球往右

圖2—2機械臂分揀大小示意圖

而這種方案對于實現(xiàn)機械臂的左右移動主要有2種方法：

（1）利用液壓缸實現(xiàn)機械臂雙向運動

（2）利用電動機正反轉(zhuǎn)限制機械臂左右移動

兩種方法各有其優(yōu)越之處，都是本課題探討很好的實現(xiàn)方法，因為液壓驅(qū)

動通常用液壓油作為工作介質(zhì)，但基于環(huán)保和節(jié)約的原則，本次選擇采納電力

驅(qū)動電動機正反轉(zhuǎn)限制機械臂的移動。

3限制系統(tǒng)的硬件設計

3.1限制按鈕和行程開關的選擇

3.1.1限制按鈕的選擇

限制按鈕簡稱按鈕，是一種結構簡潔運用廣泛的手動主令電器，在限制電

路中作遠距離手動限制電磁式電器運用，也可以用來轉(zhuǎn)換各種信號電路和電氣

聯(lián)鎖電路等。

限制按鈕可做成單式（一個按鈕）、復式（兩個按鈕）和三聯(lián)式（有三個按

鈕）的型式。這便于識別各個按鈕的作用，避開誤操作，通常在按鈕上作不同

標記或涂以不同顏色。

這次系統(tǒng)的設計須要用到三聯(lián)式按鈕，分別表示啟動、復位和停止。

3.1.2行程開關的選擇

行程開關分為直動式,滾輪式和微動式3種。直動式行程開關的優(yōu)點是結構

簡潔,成本低，但簡潔燒壞觸頭;滾動式行程開關克服了直動式行程開關的缺點,

但其結構困難，價格也較高。

因為機械臂的行程比較小而作用力也很小，我們采納具有瞬時動作和微小

行程的微動開關。

3.2接觸器、時間繼電器、熔斷器的選擇

3.2.1接觸器的選擇

電磁式接觸器是利用電磁吸力的作用使主觸頭閉合或分斷電動機電路或其

他負載電路的限制電器。其最主要用途是限制電機的起動、反轉(zhuǎn)、制動和調(diào)速

等，因此它是電力拖動限制系統(tǒng)中最重要也是最常用的限制器。

在工業(yè)電氣中，接觸器的型號很多，電流在5A-1000A的不等，其用處相當

廣泛。通用接觸器可大致分以下兩類：

1溝通接觸器：主要有電磁機構。觸頭系統(tǒng)。滅弧裝置等組成；常用的是

10、12、12B等系列;

2直流接觸器：一般用于限制直流電器設備，線圈中通以直流電，直流接

觸器的動作原理和結構基本上與溝通接觸器是相同的C

表3—1接觸器常見運用類別與典型用途

電流種類運用類別典型用途

1無感或微感負載、電阻爐

2繞線式電動機的啟動和中斷

（溝通）

3籠型電動機的啟動和中斷

4籠型電動機的啟動、反接制動、反向和點

動

1無感或微感負載、電阻爐

（直流）

2并勵電動機的啟動、反接制動、反向和點

3動

串勵電動機的啟動、反接制動、反向和點

動

如上表所示，此次探討中我們須要利用電動機的正反向轉(zhuǎn)動來達到自動分

揀的目的，且運轉(zhuǎn)于溝通電路中，所以我們選用4類別的接觸器⑺。