【正文】 及其自動化 第 3 頁 共 35 頁 為：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、記數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字或模擬式的輸入和輸出，控制各種機械或生產(chǎn)過程。 20 世紀 70 年代，微處理器的出現(xiàn)使 PLC 發(fā)生了巨變。美國、日本、德國等一些廠商先后開采用微處理器作為 PLC 的 CPU，這樣使 PLC 的功能大大的增強。 20 世紀 80 年代，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展微處理器價格大幅下跌，使得各種類型的 PLC 所采用的 CPU 的檔次譜偏提高，一般采用 16 位和 32 位的 CPU。 目前，世界上約有 200 家 PLC 生產(chǎn)廠家。其中，美國的（ Rockwell） 、 (GE)，德國的西門子（ Siemems） ,法國的施耐德（ Schmeider） , 日本的三菱，歐姆龍（ Omron） 還有我國江蘇嘉華，他們從只有幾十個點（ I/O 總點數(shù)）的微型 PLC 到上萬個點的巨型 PLC?？梢灶A(yù)見 PLC 將會是電氣控制裝置的主要控制元件。 可編程控制器的發(fā)展與趨勢 由于工業(yè)生產(chǎn)對自動控制系統(tǒng)的多樣性，今后幾年的 PLC 技術(shù)將圍繞如下幾個方面發(fā)展。 （ 1）進一步加快 CPU 的處理速度。全面使用高速 CPU 芯片和 24 位、 32 位、 64 位 RIST 芯片；采用新型體系結(jié)構(gòu)，工作方式使掃描和中斷并存；各種模塊自能化，部分系統(tǒng)程序用門陣列電路固化，這樣可以使速度達到 ns 級。 （ 2）變革操作控制方式。大量使用中斷驅(qū)動方式，以增加對輸入 /輸出（ I/O）的快速反應(yīng)能力。 （ 3）發(fā)展自能化模塊。自能化模塊主要有：通信模塊、位置控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊與控制模塊、數(shù) /模 （ D/A）轉(zhuǎn)換模塊、 PID 控制模塊及一些自能化 I/O 模塊。 （ 4）進一步提高可靠性。 PLC 將在硬件上采用多 CPU 的容錯系統(tǒng)，軟件上開發(fā)更加高級的診斷程序，以及發(fā)展軟件的容錯技術(shù)，增強 PLC 的自診斷和外部故障檢測功能等。在 PLC線路中采用隔離技術(shù)防止外部高壓的竄入；采用濾波技術(shù)，可以有效抑制高頻干擾信號；還設(shè)置了“看門狗”電路，能把因干擾而飛走的程序拉回來，從而起到自動恢復(fù)作用。 可見 PLC 實質(zhì)上是一種面向用戶的工業(yè)控制專用計算機，它與通用計算機相比有其自身的特點。 （ 1）提供更方便靈活的編程方法， PLC 的使用更加的方便。最大特點是采用清晰直觀的繼電器控制線路演化過來的梯形圖作為編程語言，梯形圖是面向控制過程，面向操作人員的語言。因此梯形圖程序簡單易學(xué)，易修改，深受電器工作人員的歡迎。 （ 2） PLC 的結(jié)構(gòu)和規(guī)模將更加兩極化 —— 更強大和更小巧。更強大是指存儲容量更大， I/O點數(shù)更多，執(zhí)行速度更高，智能化程度更強，數(shù)據(jù)更安全；更小巧是指體積更小，價格更底，但性能更強的微型化 PLC。 （ 3） PLC 產(chǎn)品更加規(guī)范化、標準化將有利于 PLC 的設(shè)計、生產(chǎn)、使用和維護。 （ 4）加強 PLC 的聯(lián)網(wǎng)功能。加強 PLC 與 PLC 之間 ， PLC 與計算機的聯(lián)網(wǎng)能力，為實現(xiàn)工廠自動化提供必要的條件。這樣可以實現(xiàn)多個系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)傳送、交換和處理。 可編程控制器的基本功能和特點 王波：機械手模型的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 第 4 頁 共 35 頁 PLC 的基本功能 （ 1)邏輯控制功能 邏輯控制功能實際上就是位處理功能，是可編程控制器的最基本的功能之一。 PLC 設(shè)置有“與”、“或”、“非”等邏輯指令，利用這些指令，根據(jù)外部現(xiàn)場（開關(guān)、按扭或其他傳感器）的狀態(tài)，按照制定的邏輯進行運算處理后，將結(jié)果輸出到現(xiàn)場的被控對象（電磁閥、接觸器、繼電器、指示燈等）。因此 PLC 中一個邏輯位的狀態(tài)可以無限次地 使用，邏輯關(guān)系的修改變更也十分方便。 （ 2）定時控制功能 PLC 中用戶提供使用的定時器，定時器的設(shè)定值（定時時間）可以在編程時設(shè)定，也可以在運行過程中根據(jù)需要進行修改，使用方便靈活。 （ 3）記數(shù)控制功能 PLC 為用戶提供了很多計數(shù)器。計數(shù)器到某一定值時（設(shè)定值），產(chǎn)生一個狀態(tài)信號，利用該信號實現(xiàn)對某個操作的記數(shù)控制。 PLC 將根據(jù)用戶用計數(shù)器指令指定的計數(shù)器對某個控制信號的狀態(tài)改變次數(shù)進行計數(shù)，以完成對某個工作過程的計數(shù)控制。 （ 4）步進控制功能 PLC 為用戶提供了若干個狀態(tài)器，可以實現(xiàn)由時間、技術(shù)和其他指定 邏輯信號為轉(zhuǎn)移條件的步進控制，即在一道工序完成以后，在轉(zhuǎn)移條件滿足時，自動進行下一道工序。 （ 5）數(shù)據(jù)處理功能 大部分 PLC 都有數(shù)據(jù)處理功能，可實現(xiàn)算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、譯碼等操作。 （ 6）過程控制功能 有些 PLC 具有 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換功能方便地對模擬量的控制調(diào)節(jié)。 （ 7）通信聯(lián)網(wǎng)功能 有些 PLC 采用通信技術(shù)，可以多臺 PLC 之間的同位鏈接、 PLC 與計算機之間的通信等。 （ 8）監(jiān)控功能 PLC 設(shè)置了較強的監(jiān)控功能。操作人員利用編程器或監(jiān)視器可對 PLC 的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。利用編程器可以調(diào)整定時 器、計數(shù)器的設(shè)定值和當(dāng)前值，并根據(jù)需要改變 PLC 內(nèi)部邏輯信號的狀態(tài)及數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)內(nèi)容為調(diào)試和維護提供極大的方便。 （ 9）停電記憶功能 PLC 內(nèi)部的部分存儲器所使用的 RAM 設(shè)置了停電保持器件（如備用電池），以保證斷電后這部分存儲器中的信息不會丟失。 （ 10）故障診斷功能 PLC 可對系統(tǒng)組成、某些硬件狀態(tài)及指令的合法性等進行自診斷，發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)出報警并顯示錯誤類型，如屬嚴重錯誤則自動終止運行 。 PLC 的特點 PLC作為通用工業(yè)控制計算機， 30 年來，可編程控制器從無到有，實現(xiàn)了工業(yè)控制領(lǐng)域2022 屆 機械設(shè)計制造及其自動化 第 5 頁 共 35 頁 接 線邏輯到存儲邏輯的飛躍，其功能從弱到強，實現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進步，其領(lǐng)域從小到大，實現(xiàn)了單體設(shè)備控制到勝任運動控制、過程控制、及集散控制等各種任務(wù)的跨越，今天的可編程控制器正在成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備，在世界各地發(fā)揮著越來越大的作用，主要特點有： （ 1） 可靠性高，抗干擾能力強，能適應(yīng)工廠環(huán)境 （ 2） 編程簡單、直觀，可邊學(xué)邊用 （ 3） 適應(yīng)性好，具有柔性 （ 4）功能完善，接口多樣 （ 5）易于操作，維護方便 （ 4） 體積小、功能強大、用途廣 PLC 的分類 PLC 的種類很多，其實現(xiàn)的功能、內(nèi)存 容量、控制規(guī)模、外型等方面均存在較大的差異。因此， PLC 的分類并沒有一個統(tǒng)一的標準，而是按結(jié)構(gòu)形式、控制規(guī)、實現(xiàn)的功能大致地分類。 PLC 按硬件的結(jié)構(gòu)形式可以分整體式和模塊式。 （ 1） 整體式 PLC 整體式 PLC 的 CPU、存儲器、 I/O 安裝在同一機體內(nèi)（如三菱的 FX系列）。這種結(jié)構(gòu)的特點是：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格低。適用于嵌入控制設(shè)備的內(nèi)部，常用于單機控制。 （ 2） 模塊式 PLC 組合式 PLC 為總線結(jié)構(gòu)。其總線做成總線板，上面有若干個總線槽，每個總線槽上可安裝一個 PLC 模塊，不同的模塊實現(xiàn)不同 的功能。配置靈活、組裝方便、擴展容易。 I/O 點數(shù)和功能分類 I/O 的點數(shù)是衡量 PLC 控制規(guī)模的重要參數(shù)。因此，按控制規(guī)?？煞譃樾⌒?PLC、中型 PLC 和大型 PLC. （ 1） 微型 PLC I/O 點數(shù)小于 64 點 （ 2） 小型 PLC I/O 點數(shù)在 64256 點之間。 （ 3） 中型 PLC I/O 點數(shù)在 256 點 — 512 點之間。 （ 4） 大型 PLC I/O 點數(shù)在 512— 8192 之間。 （ 5） 超大型 PLC 大于 8192 點 按照 PLC 所能實現(xiàn)的功能不同，可以把 PLC 大致地分為低檔 PLC、中檔 PLC 和高檔 PLC三類。 可編程控制器的組成和工作原理 可編程控制器的硬件組成 PLC 主要有中央處理器（ CPU）、存儲器（ RAM、 EPROM）、 I/O、電源、擴展接口和王波：機械手模型的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 第 6 頁 共 35 頁 編程器接口等幾部分組成，其結(jié)構(gòu)圖如下圖 21 所示 圖 21 （ 1） CPU 模塊 在 PLC 系統(tǒng)中， CPU 模塊相當(dāng)于人的大腦，它不斷地采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出。 （ 2） I/O 模塊 輸入（ INPUT）模塊和輸出（ OUTPUT）模塊簡稱 I/O 模塊，他們是 系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場和 CPU 模塊的橋梁。 輸入模塊用來接受和采集輸入信號，數(shù)字量輸入模塊用來接受從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、等數(shù)字信號，模擬輸入模塊用來接收電位器，測速發(fā)電機和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號。數(shù)字量輸入模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報警器裝置等輸出設(shè)備，模擬量輸出模塊用來控制調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行裝置。 CPU 模塊的工作電壓一般是 DC5V，而 PLC 的輸出 /輸出信號電壓信號一般較高，如 DC5V和 AC220V，可防止從外部引入的尖峰電壓和干擾信號可能損壞 CPU 模塊中的元器件或影響PLC 的正常工作。 I/O 模塊中，用光電耦合器、小型繼電器等器件來隔離外部輸入電路和負載， I/O 模塊除了傳遞信號外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。 （ 3） 編程裝置 編程裝置用來生成用戶程序，并對它進行編輯、檢查和修改，手持式編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入和編輯指令表程序，因此又叫做指令編程器。它體積小，價格便宜，一般用來給小型 PLC 編程，或者用來現(xiàn)場調(diào)試和維修。使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、指令表、功能塊圖和 順序功能圖程序，并可以實現(xiàn)不同的編程語言的相互轉(zhuǎn)換，程序被編譯下載到 PLC 也可以實現(xiàn)遠程編程和傳送。 可以用編程軟件設(shè)置 PLC 內(nèi)部的各種參數(shù)，通過通信，可以顯示梯形圖中的觸點和線圈的通斷情況，以及運行時 PLC 內(nèi)部的各種參數(shù)，對于查找故障非常有用。 （ 4） 電源 PLC 一般使用 220V 交流電源或 24V 直流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供各種直流輸 入 板 塊 輸 出 板 塊 CPU板塊 電源塊 (AC→DC) RS422 編程口 池 ○ 運 RUN 停 STOP (CPU芯片 +存貯器芯片 ) 接觸器 電磁閥 按鈕 測位 開關(guān) 【 PLC內(nèi)部 】 +24V +5V +12V ← 方式選擇開關(guān) 關(guān) 電動機 采樣 運算算 刷新新新新 【 現(xiàn)場開關(guān) 】 2022 屆 機械設(shè)計制造及其自動化 第 7 頁 共 35 頁 電源，驅(qū)動 PLC 負載的直流電源一般由用戶提供。 可編程控制的軟件系統(tǒng)和程序 PLC 是一種工業(yè)控制計算機，不僅有硬件，軟件也是必不可少的。在 PLC 中軟件分為兩 大部分，即系統(tǒng)程序和用戶程序。 (a) 系統(tǒng)程序是 PLC 賴以工作的基礎(chǔ)，采用匯編語言編寫，在 PLC 出廠時就已固化于ROM 型系統(tǒng)程序存儲器中，不需要用戶干擾。系統(tǒng)程序分為系統(tǒng)監(jiān)控程序和解釋程序。 (b) 用戶程序又稱為應(yīng)用程序，是用戶為完成某一特定任務(wù)而利用 PLC 的編程語言而編制的程序。用戶程序通過編程器輸入到 PLC 的用戶存儲器中，通過 PLC 的運行而完成這一特定的任務(wù)。 可編程控制器的工作原理 PLC 內(nèi)部有許多具有不同功能的器件，實際上這些器件是由電子電路和存儲器組成的。例如，輸入繼電器 X 由輸入電路和映像輸入觸點的存儲器組成；輸出繼電器 Y由輸出電路和映像輸出點的存儲器組成；定時器 T、記數(shù)器 C、輔助繼電器 M、狀態(tài)器S、數(shù)據(jù)寄存器 D、變址積存器 V/Z 等都有存儲器組成。為了把它們與普通的硬件區(qū)分開，通常把上面的器件稱為軟器件。從工作過程看，只注重器件的功能和器件的名稱。如，輸入繼電器 X、輸出繼電器 Y 等，而且每個器件都有確定的地址編號，這對編程十分重要。 PLC 的工作原理可概括為：在系統(tǒng)管理程監(jiān)控下，對 I/O 集中采樣、順序執(zhí)行用戶程序并將運算結(jié)果集中輸出的工作過程。與計算機不同的是，計算機一般采用查 詢等待命令的工序的執(zhí)行并轉(zhuǎn)到相應(yīng)子程序。因此，當(dāng)控制軟件發(fā)生故障時，會一直等待鍵盤或 I/O 命令，可能發(fā)生死機現(xiàn)象。而 PLC 作為專用工業(yè)控制機，一般采用掃描用戶程序工作方式，系統(tǒng)管理及應(yīng)用程序的執(zhí)行全部是以循環(huán)掃描方式完成。當(dāng)軟件發(fā)生故障時，可以定時執(zhí)行下一輪掃描，避免了死機現(xiàn)象，因此可靠性更高。 王波：機械手模型的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 第 8 頁 共 35 頁 第二章 機械手自動控制系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)描