【正文】 人才支撐和智力保證。 本文主要工作 第一章：介紹該課題背景，對該系統(tǒng)的設(shè)計目的和意 義做簡單介紹 第二章：系統(tǒng)介紹可編程邏輯控制器 MCGS組態(tài)軟件和機械手 第三章：系統(tǒng)方案的分析 設(shè)計 及程序的設(shè)計 第四章：系統(tǒng)的調(diào)試 及設(shè)計總結(jié) 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 6 第 2 章 可編程序邏輯控制器（ PLC）和機械手概述 可編程序邏輯控制器（ PLC） PLC 的結(jié)構(gòu) PLC和一般的微型計算機基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。 PLC的硬件系統(tǒng)由微處理器 (CPU)、存儲器 (EPROM， ROM)、輸入輸出 (I/O)部件、電源部件、編程器、 I/O擴展單元和其他外圍設(shè)備組成。各部分通過總線 (電源總線、控 制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線 )連接而成 [9]。其結(jié)構(gòu)簡圖如下： 圖 21 PLC 硬件結(jié)構(gòu)圖 PLC的軟件系統(tǒng)是指 PLC所使用的各種程序的集合，通?？煞譃橄到y(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。系統(tǒng)程序是每一個 PLC成品必須包括的部分，由 PLC廠家提供，用于控制 PLC本身的運行，系統(tǒng)程序固化在 EPROM中。用戶程序是由用戶根據(jù)控制需要而編寫的程序。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個完整的 PLC系統(tǒng)，他們是相輔相成，缺一不可的。 可編程序邏輯控制器（ Programmable Logic Controller），簡稱 PLC。它是一種以微機處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信控制技術(shù)等現(xiàn)代科技而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置。（本次課題主要應(yīng)用三菱 FX2N系列 PLC進行設(shè)計） 輸出部件 外設(shè)I/O接口 存 儲 器 EPROM 微 處 理 器 運算器 控制器 電源 輸入部件 I/O 擴展接口 I/O 擴展單元 受控元件 輸入信號 外部設(shè)備 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 7 PLC 的發(fā)展歷程 在可編程控制器出現(xiàn)前，在工業(yè)電氣控制領(lǐng)域中，繼電器控制占主導(dǎo)地位，應(yīng)用廣泛。但是電器控制系統(tǒng)存在體積大、可靠性低、查找和排除故障困難等缺點，特別是其接線復(fù)雜、不易更改，對生產(chǎn)工藝變化的適應(yīng)性差。 1968年美國通用汽車公司（ ）為了適應(yīng)汽車型號的不斷更新，生產(chǎn)工藝不斷變化的需要，實現(xiàn)小 批量、多品種生產(chǎn)，希望能有一種新型工業(yè)控制器，它能做到盡可能減少重新設(shè)計和更換電器控制系統(tǒng)及接線，以降低成本，縮短周期。于是就設(shè)想將計算機功能強大、靈活、通用性好等優(yōu)點與電器控制系統(tǒng)簡單易懂、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來，制成一種通用控制裝置，而且這種裝置采用面向控制過程、面向問題的 “ 自然語言 ” 進行編程，使不熟悉計算機的人也能很快掌握使用。 1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）根據(jù)美國通用汽車公司的這種要求，研制成功了世界上第一臺可編程控制器，并在通用汽車公司的自動裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項技術(shù)迅速發(fā) 展起來。 早期的可編程控制器僅有邏輯運算、定時、計數(shù)等順序控制功能，只是用來取代傳統(tǒng)的繼電器控制 ,通常稱為可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller ）。隨著 微電子 技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展， 20世紀 70年代中期微處理器技術(shù)應(yīng)用到 PLC中，使 PLC不僅具有邏輯控制功能，還增加了算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)處理等功能。 20世紀 80年代以后，隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路等微電子技 術(shù)的迅速發(fā)展， 16位和 32位微處理器應(yīng)用于 PLC中，使 PLC得到迅速發(fā)展。 PLC不僅控制功能增強，同時可靠性提高，功耗、體積減小，成本降低，編程和故障檢測更加靈活方便，而且具有通信和聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理和圖象顯示等功能，使 PLC真正成為具有邏輯控制、過程控制、運動控制、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等功能的名符其實的多功能控制器。 PLC的發(fā)展過程大致可以分為如下幾個階段： 1970— 1980年： PLC的結(jié)構(gòu)定型階段。在這一階段，由于 PLC剛誕生，各種類型的順序控制器不斷出現(xiàn)（如邏輯電路型、 1位機型、通用計算機型、單板機型等 ），但迅速被淘汰。最終以微處理器為核心的現(xiàn)有 PLC結(jié)構(gòu)形成，取得了市場的認可，得以迅速發(fā)展 .推廣。 PLC的原理、結(jié)構(gòu)、軟件、硬件趨向統(tǒng)一與成熟， PLC的應(yīng)用領(lǐng)域由最初的小范圍、有選擇使用、逐步向機床、生產(chǎn)線擴展。 1980— 1990年： PLC的普及階段。在這一階段， PLC的生產(chǎn)規(guī)模日益擴大，價格不斷下降， PLC被迅速普及。各 PLC生產(chǎn)廠家產(chǎn)品的價格 .品種開始系列化，并且形成了固定 I/O點型、基本單元加擴展塊型、模塊化結(jié)構(gòu)型這三種延續(xù)至今的基本結(jié)構(gòu)模型。 PLC的應(yīng)用范圍開始向順序控制的全部領(lǐng)域擴展。比如三菱公 司本階段的主要產(chǎn)品有 PLC系列產(chǎn)品 ,K/A系列中、大型 PLC江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 8 產(chǎn)品等。 1990— 2021年， PLC的高性能與小型化階段。在這一階段，隨著微電子技術(shù)的進步， PLC的功能日益增強， PLC的 CPU運算速度大幅度上升、位數(shù)不斷增加，使得適用于各種特殊控制的功能模塊不斷被開發(fā)， PLC的應(yīng)用范圍由單一的順序控制向現(xiàn)場控制拓展。此外， PLC的體積大幅度縮小，出現(xiàn)了各類微型化 PLC。三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有 FX小型 PLC系列產(chǎn)品， AIS/A2US/Q2A系列中，大型 PLC系列產(chǎn)品等。 2021年至今： PLC的高性能與網(wǎng)絡(luò)化階段。在本階段，為了適應(yīng)信息技術(shù)的發(fā)展與工廠自動化的需要， PLC的各種功能不斷進步。一方面， PLC在繼續(xù)提高 CPU運算速度，位數(shù)的同時，開發(fā)了適用于過程控制，運動控制的特殊功能與模塊，使 PLC的應(yīng)用范圍開始涉及工業(yè)自動化的全部領(lǐng)域。與此同時， PLC的網(wǎng)絡(luò)與通信功能得到迅速發(fā)展， PLC不僅可以連接傳統(tǒng)的編程與通入 /輸出設(shè)備，還可以通過各種總線構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，為工廠自動化奠定了基礎(chǔ)。三菱公司本階段的主要產(chǎn)品有 FX小型 PLC系列產(chǎn)品（包括最新的 FX3u系列產(chǎn)品）， Qn,QnPH系列中，大型 PLC系列 產(chǎn)品等。 PLC 的硬件 一、 PLC的物理結(jié)構(gòu) 根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)的不同，可以將 PLC分為整體式、模塊式和混合式。 PLC 整體式又叫做單元式或機箱式，它的體積小、價格低，對箱體式 PLC，有一塊 CPU板、 I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，當然按 CPU性能分成若干型號，并按 I/O點數(shù)又有若干規(guī)格。對模塊式 PLC，有 CPU模塊、 I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架。無任哪種結(jié)構(gòu)類型的 PLC，都屬于總線式開放型結(jié)構(gòu)，其 I/O能力可按用戶需要進行擴展與組合。 PLC 大、中型 PLC一般采 用模塊式結(jié)構(gòu)，它由機架和模塊組成，模塊插在模塊插座上，后者焊接在機架中的總線連接板上，有不同槽數(shù)的機架供用戶選用，如果一個機架容納不下選用的模塊，可以增設(shè)一個或數(shù)個擴展機架，各機架之間用接口模塊和電纜相連。 用戶可以選用不同檔次的 CPU模塊、品種繁多的 I/O模塊和特殊功能塊，對硬件配置的選擇余地較大，維修時更換模塊也很方便。 存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器，系統(tǒng)程序相當于個人計算機中的操作系統(tǒng)，它使 PLC具有基本的智能，能完成 PLC設(shè)計者的規(guī)定的各種工作。系統(tǒng)程序由 PLC的生廠家設(shè)計并固定化在 ROM（只讀存儲器）中，用戶不能讀取。用戶程序由用戶設(shè)計，它使 PLC能完成用戶要球的特定功能，用戶程序存儲器的容量以字節(jié)（ B）為單位。 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 9 （ 1） .隨機存取存儲器（ RAM） 用戶可以用編程裝置讀出 RAM中的內(nèi)容，也可以將用戶程序?qū)懭?RAM，因此 RAM又叫讀 /寫存儲器。 RAM的工作速度高、價格便宜、改寫方便。 （ 2） .只讀存儲器（ ROM） ROM的內(nèi)容只能讀出，不能寫入。 （ 3） .可以電檫出可編程的只讀存儲器（ EEPROM） S7200用 EEPROM來存儲用戶程序和長期保存的重要數(shù)據(jù)。 各 I/O點的通 /斷狀態(tài)用發(fā)光二極管（ LED）顯示， PLC與外部接線的連接一般用接線端子，某些模塊使用可以拆卸的插座型端子板，不需斷開端子板上的連接線，就可以迅速的更換模塊。 輸入模塊： PLC通過輸入模塊來接收和采集輸入信號，通過輸出模塊控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、調(diào)速裝置等執(zhí)行器， PLC控制的另一類外部負載是指示燈、數(shù)字顯示裝置和報警裝置等。輸入電路中設(shè)有 RC濾波電路，以防止由于輸入觸點抖動或外部干擾脈沖引起的錯誤輸入信號。 輸出模塊：輸出模塊的率放大元件有大功率晶體管和場效應(yīng)管（驅(qū)動直流負載 ）、雙向可控硅（驅(qū)動交流負載）和小型繼電器，繼電器可以驅(qū)動交流負載或直流負載。輸出電流的典型值為— 2A,負載電源由外部現(xiàn)場提供。 PLC 的主要特點 一、抗干擾能力強，可靠性高 PLC專門為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計，具有很高的可靠性。它的主要模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路， I/O系統(tǒng)設(shè)計有完善的通道保護與信息調(diào)理電路；在機構(gòu)上對耐熱、防潮、防塵、抗震都有精確考慮；在硬件上采用隔離、屏蔽、濾波、接地等抗干擾措施；在軟件上采用數(shù)字濾波等干擾和故障診斷措施。所有這些使 PLC 具有較高的抗干擾能力，因此穩(wěn) 定、可靠，抗干擾能力強。與繼電器接觸裝置和通用計算機相比， PLC更能試用工業(yè)現(xiàn)場較為惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。 二、控制系統(tǒng)機構(gòu)簡單，通用性強 PLC及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。在 PLC夠成的控制系統(tǒng)中，只需要在 PLC的端子上接入相應(yīng)的輸入 /輸出信號線即可，不需要諸如繼電器之類的物理電子器件和大量且繁雜的硬接線線路。當控制要求改變，需要變更控制系統(tǒng)的功能時，可以用編程器在線或離線修改程序，同一個 PLC裝置用于不同的控制對象，只是輸入 /輸出組件和應(yīng)用軟件的不同。 PLC的輸入 /輸 出可以直接與交流 220V、直流 24V等強電相連，并有較強的帶負載能力。 三、編程簡單，易于使用 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 10 PLC 是面向用戶的設(shè)備， PLC 的設(shè)計者充分考慮到現(xiàn)場工程技術(shù)人員的技能和習慣，因此 PLC程序的編制采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類似，這種編程語言形象直觀，容易掌握，不需要專門的計算機知識和語言，只要具有一定的電工和工藝知識就可在短時間內(nèi)學會。 四、功能完善 現(xiàn)代 PLC不僅有邏輯運算、計時、計數(shù)、步進控制功能，還能完成 A/D轉(zhuǎn)換、 D/A轉(zhuǎn)換、模擬量處理、高速計算、聯(lián)網(wǎng)通信等功能，可 以通過上位計算進行顯示、報警、記錄，進行人機對話，使控制水平大為提高。因此， PLC具有極強的適用性，能夠很好地滿足各類型控制的需要，是目前工廠中應(yīng)用最廣的自動化設(shè)備。 五、體積小、維護操作方便 PLC體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。 PLC的輸入 /輸出系統(tǒng)能夠直觀地反映現(xiàn)場信號的變化狀態(tài)，還能通過各種方式直觀地控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，如內(nèi)部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、 I/O點狀態(tài)、異常和電源狀態(tài)等，對此均有醒目的指示，非常有利于運行和維