【正文】 源豐富，特別是有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，故對(duì)要求快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、模型復(fù)雜和計(jì)算工作量大的工業(yè)對(duì)象的控制占有優(yōu)勢。集散系統(tǒng)從工業(yè)自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)發(fā)展到以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為中心的集散系統(tǒng)，所以其在模擬量處理、回路調(diào)節(jié)方面具有一定優(yōu)勢，初期主要用在連續(xù)過程控制，側(cè)重回路調(diào)節(jié)功能。PLC是由繼電器邏輯系統(tǒng)發(fā)展而來，主要應(yīng)用在工序控制上，初期主要是代替繼電器控制系統(tǒng)，側(cè)重于開關(guān)量順序控制方面。近年來隨著微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等的發(fā)展，PLC在技術(shù)和功能上發(fā)生了飛躍。在初期邏輯運(yùn)算的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)值運(yùn)算、閉環(huán)調(diào)節(jié)等功能，增加了模擬量和PID調(diào)節(jié)等功能模塊；運(yùn)算速度提高，CPU的能力趕上了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)；通信能力的提高發(fā)展了多種局部總線和網(wǎng)絡(luò)(LAN)，因而也可構(gòu)成為一個(gè)集散系統(tǒng)。特別是個(gè)人計(jì)算機(jī)也被吸收到PLC系統(tǒng)中。PLC在過程控制的發(fā)展將是一智能變送器和現(xiàn)場總線，暨向下拓展功能，開放總線。相同點(diǎn)在微電子技術(shù)發(fā)展的背景下，從硬件的角度來看，PLC、工業(yè)計(jì)算機(jī)、集散系統(tǒng)(DCS)之間的差別正在縮小，都將由類似的一些微電子元件、微處理器、大容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和I/O模件組成。編程方面也有很多相同點(diǎn)。不同點(diǎn)由于PLC和計(jì)算機(jī)屬于兩類產(chǎn)品，經(jīng)過幾十年的發(fā)展都形成了自身的裝置特點(diǎn)和軟件工具，實(shí)際上它們的區(qū)別仍然存在。PLC用編程器或計(jì)算機(jī)編程，編程語言是梯形圖、功能塊圖、順序功能表圖和指令表等。集散系統(tǒng)自身或用計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)形成組態(tài)構(gòu)成開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境。特別需要提出的是，PLC與STD總線工控機(jī)的區(qū)別，無論從維修、安裝和模件功能都很相似。PLC更適用于黑模式下運(yùn)行，但在線運(yùn)行時(shí)若要進(jìn)行較大的程序修改，其能力略遜于STD工控機(jī)，但是從開關(guān)量控制而言，PLC的性能優(yōu)于STD工控機(jī)?？偟膩碚f，在選擇控制器時(shí)，首先要從工程要求、現(xiàn)場環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性等方面考慮。沒有哪種控制器是絕對(duì)完善的，也沒有哪種產(chǎn)品絕對(duì)差，只能說根據(jù)不同的環(huán)境選擇更適用的產(chǎn)品[7]。 機(jī)械手控制方式的選定PLC實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其控制功能基本都是通過設(shè)計(jì)軟件來實(shí)現(xiàn)的，這種軟件是利用PLC廠商提供的指令系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)械設(shè)備的工藝流程來設(shè)計(jì)。PLC自問世以來，經(jīng)過20多年的發(fā)展，在美國、歐洲、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家已成為重要產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前，PLC在國際市場上已成為最受歡迎的工業(yè)控制暢銷產(chǎn)品，用PLC設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)已成為世界潮流。PLC之所以有生命力，在于它更加適合工業(yè)現(xiàn)場和市場的要求：高可靠性、強(qiáng)抗各種干擾的能力。編程安裝使用簡便、低價(jià)格長壽命。比之單片機(jī)，它的輸入輸出端更接近現(xiàn)場設(shè)備，不需添加太多的中間部件或需要更多的接口，這樣節(jié)省了用戶時(shí)間和成本。PLC的下端（輸入端）為繼電器、晶體管和晶閘管等控制部件，而上端一般是面向用戶的微型計(jì)算機(jī)。人們?cè)趹?yīng)用它時(shí)，可以不必進(jìn)行計(jì)算機(jī)方面的專門培訓(xùn)，就能對(duì)可編程控制器進(jìn)行操作及編程，用來完成各種各樣的復(fù)雜程度不同的工業(yè)控制任務(wù)。 PLC具有很多的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械手控制系統(tǒng)若采用PLC控制，體積小、重量輕、控制方式靈活、可靠性高、操作簡單、維修容易。由于PLC所具有的靈活性、模塊化、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，可以根據(jù)現(xiàn)場要求實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的不同工作要求。機(jī)械手采用PLC控制技術(shù)，可以大大提高該系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，減少了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器和硬件接線，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，用PLC控制系統(tǒng)可方便地更改生產(chǎn)流程，增強(qiáng)控制功能[8]。綜上所述，機(jī)械手的控制方式選擇PLC控制。 可編程序控制器簡介可編程序控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC或PC，是從早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，它不斷吸收微計(jì)算機(jī)技術(shù)使之功能不斷增強(qiáng)，逐漸適應(yīng)復(fù)雜的控制任務(wù) 。 PLC的結(jié)構(gòu)PLC和一般的微型計(jì)算機(jī)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(chǔ)器(EPROM，ROM)、輸入輸出(I/O)部件、電源部件、編程器、I/O擴(kuò)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：外設(shè)I/O接口 輸出部件存儲(chǔ)器 EPROM 微處理器 運(yùn)算器 控制器電源 輸入部件I/O擴(kuò)展接口 I/O擴(kuò)展單元 受控元件輸入信號(hào)外部設(shè)備圖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(gè)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(yùn)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(gè)完整的PLC系統(tǒng)，他們是相輔相成，缺一不可的。 PLC的特點(diǎn)可編程序控制器是一種以微機(jī)處理器為核心的工業(yè)通用自動(dòng)控制裝置，其實(shí)質(zhì)是一種工業(yè)控制用的專用計(jì)算機(jī)。國內(nèi)外現(xiàn)有的機(jī)械手系統(tǒng)，它們的控制形式大都采用可編程序控制器控制，特別是在智能化要求程度高容量大的現(xiàn)代化工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)中應(yīng)用更為普遍。其主要原因是因?yàn)镻LC具有以下優(yōu)點(diǎn)：靈活、通用在繼電器控制系統(tǒng)中，使用的控制器件是大量的繼電器，整個(gè)系統(tǒng)是根據(jù)設(shè)計(jì)好的電器控制圖，由人工布線、焊接、固定等手段組裝完成的，其過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。如果因?yàn)楣に嚿系纳栽S變化，需要改變電器控制系統(tǒng)的話，那么原先的整個(gè)電器控制系統(tǒng)將被全部拆除，而重新進(jìn)行布線、焊接、固定等工作，浪費(fèi)了大量的人力、物力和時(shí)間。而可編程控制器是通過存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的程序?qū)崿F(xiàn)控制功能的，如果控制功能需要改變的話，只需要修改程序以及改動(dòng)極少量的接線即可。而且，同一臺(tái)可編程控制器還可以用于不同的控制對(duì)象，只要改變軟件就可以實(shí)現(xiàn)不同的控制要求，因此具有很大的靈活性、通用性?？煽啃愿?、抗干擾能力強(qiáng)對(duì)于機(jī)械手系統(tǒng)來說，可靠性、抗干擾能力是非常重要的指標(biāo)，如何能在各種工作環(huán)境和條件(如電磁干擾、低溫潮濕、灰塵超高溫等)下，平穩(wěn)可靠的工作，將故障率降至最低，是研制每一種控制系統(tǒng)必須考慮的問題?，F(xiàn)代PLC采用了集成度很高的微電子器件，大量的開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來完成，其可靠性程度是使用機(jī)械觸點(diǎn)的繼電器所無法比擬的。為了保證PLC能在惡劣的工業(yè)環(huán)境可靠的工作，在其設(shè)計(jì)和制造過程中采取了一系列硬件和軟件方面的抗干擾措施，使其可以適應(yīng)惡劣的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境。操作方便、維修容易PLC采用電氣操作人員熟悉的梯形圖和功能助記符編程，使用戶十分方便的讀懂程序和編寫、修改程序。對(duì)于使用者來說，幾乎不需要專門的計(jì)算機(jī)知識(shí)。工程師編好的程序十分清晰直觀，只要寫好操作說明書，操作人員經(jīng)短期的學(xué)習(xí)就可以使用。功能強(qiáng)現(xiàn)代PLC不僅具有條件控制、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和步進(jìn)等控制功能，而且還能完成A/D、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)過程監(jiān)控等。因此，它既可控制開關(guān)量，又可控制模擬量；既可控制一個(gè)機(jī)械手，又可控制一個(gè)機(jī)械手群；既可控制簡單系統(tǒng)，又可控制復(fù)雜系統(tǒng)；既可現(xiàn)場控制，又可遠(yuǎn)程控制。體積小、重量輕和易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化由于PLC采用了半導(dǎo)體集成電路。因此具有體積小、重量輕、功耗低的特點(diǎn)。且PLC是為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用、體積小巧，并由于具備很強(qiáng)的可靠性和抗干擾能力，使之易于裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，因而成為實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化十分理想的控制設(shè)備[10]。同樣，可編程序控制器控制也有其不足的地方，在性價(jià)比上要高于繼電器控制和單片機(jī)控制，其開發(fā)潛力要差于單片機(jī)，并且通用性不好，不同廠家的可編程序控制器以及其附屬單元都是固定專用等等。 PLC的主要功能PLC是一種應(yīng)用面很廣、發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動(dòng)化裝置，在工廠自動(dòng)化(FA)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)內(nèi)占重要地位。PLC系統(tǒng)主要有以下功能：1) 多種控制功能；2) 數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理功能；3) 通信聯(lián)網(wǎng)功能；4) 輸入、輸出接口調(diào)理功能；5) 人機(jī)界面功能；6) 編程、調(diào)試功能。PLC的重量、體積、功耗和硬件價(jià)格一直在降低，雖然軟件價(jià)格占的比重有所增加，但是各廠商為了競爭也相應(yīng)地降低了價(jià)格。另外，采用PLC還可以大大縮短設(shè)計(jì)、編程和投產(chǎn)周期，使總價(jià)格進(jìn)一步降低。PLC產(chǎn)品面臨現(xiàn)場總線的發(fā)展，將再次革新，滿足工業(yè)與民用控制的更高需求[11]。 PLC的經(jīng)濟(jì)分析綜上所述，在各種環(huán)境中，使用PLC控制機(jī)構(gòu)設(shè)備，生產(chǎn)流水線和生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制將越來越廣泛。對(duì)PLC的經(jīng)濟(jì)分析，應(yīng)從以下幾方面考慮：從影響成本的各個(gè)因素綜合考慮對(duì)目前生產(chǎn)設(shè)備控制裝置來說，有三種類型：① 繼電器控制；② 半導(dǎo)體器件控制；③ PLC控制。價(jià)格僅是選擇PLC品牌的一個(gè)因素，而可靠性是選擇控制裝置時(shí)需要考慮的又一個(gè)重要因素。從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期長短考慮不論是對(duì)舊設(shè)備進(jìn)行改造，還是設(shè)計(jì)新的生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備。毫無疑問，生產(chǎn)、設(shè)計(jì)周期越短越好，甚至希望邊設(shè)計(jì)、邊安裝、邊調(diào)試和邊生產(chǎn)，特別是產(chǎn)品更新?lián)Q代，生產(chǎn)工藝改造，不需改動(dòng)現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備及其外部接線，就能馬上組織生產(chǎn)，這不僅節(jié)約了勞動(dòng)力，而且新產(chǎn)品能盡快投入市場。這無疑給企業(yè)增加了活力，提高了經(jīng)濟(jì)效益。如果把這些要求得以實(shí)現(xiàn)，繼電器或半導(dǎo)體都不能滿足，而PLC則完全可以實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)槭褂肞LC不必改動(dòng)外部設(shè)備接線，只要對(duì)軟件進(jìn)行一些改變就可以了。也就是說只要改變梯形圖，按照新工藝要求重新輸入新程序或修改原程序即可。這既經(jīng)濟(jì)又簡捷，可以達(dá)到事半功倍的效果。據(jù)調(diào)查，目前我國70%的機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備，都是采用繼電器進(jìn)行控制的，除了可靠性差外，程序設(shè)計(jì)也很繁雜。從方案的確立到技術(shù)條件的設(shè)計(jì)以及施工的設(shè)計(jì)，圖面的工作量很大，這勢必造成設(shè)計(jì)周期長。而采用PLC控制可以大大縮短設(shè)計(jì)周期，甚至有些文件資料也不必繪制成圖。設(shè)計(jì)人員完全可以利用編程器上屏幕顯示來輸入，或修改程序使得梯形圖能準(zhǔn)確無誤地反映生產(chǎn)要求。編程人員也可根據(jù)新產(chǎn)品對(duì)生產(chǎn)提出的新工藝要求，重新編寫程序并把它存儲(chǔ)在EEPROM模塊中去，需要加工哪種產(chǎn)品的程序，操作人員可以隨時(shí)調(diào)用，這既簡單、方便又保密。 PLC發(fā)展?fàn)顩r及趨勢現(xiàn)代PLC的發(fā)展主要有兩個(gè)趨勢：一是向體積更小、速度更快、功能更強(qiáng)和價(jià)格更低的微小型方面發(fā)展；二是向大型網(wǎng)絡(luò)化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面發(fā)展[12]。大型網(wǎng)絡(luò)化主要是朝DCS方向發(fā)展，使其具有DCS系統(tǒng)的一些功能。網(wǎng)絡(luò)化和通信能力強(qiáng)是PLC發(fā)展的一個(gè)重要方面，向下可將多個(gè)PLC、I/O框架相連，向上與工業(yè)計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)、MAP網(wǎng)等相連構(gòu)成整個(gè)工廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 多功能隨著自調(diào)整、步進(jìn)電機(jī)控制、位置控制、伺服控制等模塊的出現(xiàn)，使PLC控制領(lǐng)域更加寬廣。第三章 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 機(jī)械手控制系統(tǒng)構(gòu)件概述本課題設(shè)計(jì)使用的是THWJX1型機(jī)械手實(shí)物教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。機(jī)械手實(shí)物教學(xué)模型的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、氣缸、氣夾等機(jī)械部件組成；電氣方面有步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、傳感器、開關(guān)電源、電磁閥等電子器件組成。該模型是PLC技術(shù)、位置控制技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合成一體的教學(xué)儀器。 步進(jìn)電機(jī)采用二相八拍混合式步進(jìn)電機(jī)來控制機(jī)械手的動(dòng)作，相比直流電機(jī)有更好的制動(dòng)效果，又加上滾珠絲桿和滑桿配合，使機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定。主要特點(diǎn)：體積小，具有較高的起動(dòng)和運(yùn)行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)。本模型中采用串聯(lián)型接法，其電氣接線圖如圖31所示：圖31 步進(jìn)電機(jī)電氣接線圖 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要有電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、輸出部分等。驅(qū)動(dòng)器參數(shù)如下表3表3表3表34所示。PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接及工作原理，如圖32所示。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、信號(hào)輸出部分等，利用驅(qū)動(dòng)器可以很方便的對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向進(jìn)行控制。驅(qū)動(dòng)器電源由面板上電源模塊提供，驅(qū)動(dòng)器信號(hào)端采用+24V供電，（）。驅(qū)動(dòng)器輸入端為低電平有效。PLC通過控制其輸出點(diǎn)來控制驅(qū)動(dòng)器光耦的開合，當(dāng)PLC輸出線圈得電表31 電氣規(guī)格說明最小值典型值最大值單位供電電壓182440V均值輸出電流1A邏輯輸入電流61530mA步進(jìn)脈沖響應(yīng)頻率——100kH