【正文】 制裝置、模擬量?jī)x表控制裝置和以小型機(jī)為核心的直接數(shù) 字控制（ DDC）裝置，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)領(lǐng)域 [6]。由于聯(lián)網(wǎng)功能的增強(qiáng)， PLC 既可與上位計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，也可以下掛 FLEX I/O 或遠(yuǎn)程 I/O，能夠比較容易組成分布式控制系統(tǒng)（ DCS）。同時(shí)，在這一時(shí)期內(nèi)， PLC 的梯型圖語(yǔ)言、語(yǔ)句表語(yǔ)言完全成熟并基本上標(biāo)準(zhǔn)化， 煙臺(tái)南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè) 順序功能圖（ SFC）語(yǔ)言逐步普及，專用編程器逐漸被個(gè)人計(jì)算機(jī)和相應(yīng)編程軟件所替代，人機(jī)界面裝置日趨完善，已能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工廠的監(jiān)控和管理，并發(fā)展了冗余技術(shù)，使 PLC 的可靠性大大提高。 進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái)， PLC 仍保持旺盛的發(fā)展勢(shì)頭，其應(yīng) 用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，如為用戶構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)（ FMS）和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ CIMS）等。目前， PLC主要向兩個(gè)方向擴(kuò)展：一是綜合化控制系統(tǒng) [9]。它把工廠生產(chǎn)過(guò)程控制與信息管理系統(tǒng)緊密結(jié)合起來(lái)，甚至向上為 MES 和 ERP 系統(tǒng)準(zhǔn)備了技術(shù)基礎(chǔ)。這種發(fā)展趨勢(shì)還會(huì)讓舉步為艱的 ERP 系統(tǒng)有了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，從而會(huì)帶來(lái)工業(yè)控制的一場(chǎng)變革，實(shí)現(xiàn)真正意義上的電子信息化工廠。因此， PLC 的綜合化控制趨勢(shì)已經(jīng)大大突破了原有可編程序控制器的概念和功能；二是 PLC 的微型化。微型可編程序控制器異軍突起，體積小，價(jià)格低廉 ，但其功能仍可覆蓋單體設(shè)備及整個(gè)車間的控制功能。這種微型化可編程序控制器的廣泛應(yīng)用，使得控制系統(tǒng)的觸角延伸到了工廠的各個(gè)角落。隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的不斷加快，發(fā)達(dá)國(guó)家在發(fā)展技術(shù)的同時(shí)，更加注重對(duì)可編程序控制器知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù) [4]，國(guó)際大型 PLC 制造商紛紛加入了可編程控制器的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織，利用許多技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建立了符合他們經(jīng)濟(jì)利益的知識(shí)和技術(shù)保護(hù)壁壘。 由于 PLC 至產(chǎn)生以來(lái)一直處于發(fā)展的過(guò)程中，所以至今尚未對(duì)其下最后的定義。國(guó)際電工學(xué)會(huì)（ IEC）曾先后于 1982 年 11 月、 1985 年 1 月 和 1987 年 2 月發(fā)布了可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)草案的第一、二、三稿。在第三稿中，對(duì) PLC 作了如下 煙臺(tái)南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 定義：可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算 [7][8]操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字的，模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。定義強(qiáng)調(diào)了 PLC 是： （ 1）數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng) —— 也是 一種計(jì)算機(jī)；（ 2）專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)；（ 3）面向用戶指令 —— 編程方便；（ 4）邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)計(jì)算和算術(shù)操作；（ 5）數(shù)字量或模擬量輸入輸出控制；（ 6）易與控制系統(tǒng)聯(lián)成一體并易于擴(kuò)充。 PLC 和變頻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 第 一臺(tái)可編程控制器（ PLC）于 1969 年問(wèn)世于美國(guó) DEC 公司。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 70 年代中期出現(xiàn)的微處理器到了 70 年代后期便應(yīng)用于PLC 中，使 PLC 的功能大大增強(qiáng)，具有計(jì)算機(jī)功能，而且做到小型和超小型。 自從 1948 年控制器理論的創(chuàng) 始人 提出他的控制論，科學(xué)工作者經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的努力，自動(dòng)控制裝置（或器件）有了飛速發(fā)展：從時(shí)間順序的角度來(lái)看，控制器經(jīng)過(guò)了繼電器裝置、電子管器件控制裝置、半導(dǎo)體器件控制裝置和可編程控制器的發(fā)展過(guò)程。雖然這些控制器目前仍有不同程度的應(yīng)用，但最年輕的 PLC 最具活力和生命力，大有取代其他控制器之勢(shì)。 煙臺(tái)南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) 上世紀(jì) 80 年代初期， PLC 發(fā)展的主要目標(biāo)是提高性能和功能，如 I/O 總點(diǎn)數(shù)由幾十點(diǎn)發(fā)展到上千個(gè)點(diǎn)。為了滿足一些特殊的要求， PLC 也具備了高速計(jì)數(shù)、定位、定時(shí)等功能單元。到上世紀(jì) 80 年 代末期，加強(qiáng) PLC 的聯(lián)網(wǎng)能力卻成了 PLC的發(fā)展趨勢(shì)。 PLC 的聯(lián)網(wǎng)可分為二類：一類是 PLC 之間的聯(lián)網(wǎng)通信。各制造廠家都有自己專有的聯(lián)網(wǎng)手段，即使數(shù)據(jù)通道各異，但都能構(gòu)成分散控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程 I/O 系統(tǒng)。另一類是 PLC 與計(jì)算機(jī)之間的通信聯(lián)網(wǎng)，也可構(gòu)成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 由于大規(guī)模集成工藝和計(jì)算機(jī)技術(shù)在上世紀(jì) 80 年代得到快速發(fā)展，使 PLC 獲得了發(fā)展和推廣應(yīng)用的黃金時(shí)期。這一時(shí)期也是我國(guó)發(fā)展應(yīng)用 PLC 技術(shù)的初期階段，各高等院校、科研院所與企業(yè)廠家聯(lián)合開(kāi)發(fā) PLC 項(xiàng)目，有的集團(tuán)公司干脆直接與日本、 美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的有名 PLC 廠家合作 [3]，對(duì)我國(guó)自動(dòng)化、數(shù)字化技術(shù)進(jìn)步起到積極推動(dòng)作用。上世紀(jì) 90 年代以來(lái)，對(duì) PLC 的發(fā)展主要表現(xiàn)在更快的處理速度，多 PLC 結(jié)構(gòu)的容錯(cuò)系統(tǒng)，故障診斷和 PLC 的編程語(yǔ)言與編程工具向標(biāo)準(zhǔn)化和高級(jí)化發(fā)展。 我國(guó)自動(dòng)化研究和運(yùn)用起步較晚，上個(gè)世紀(jì) 50 年代主要采用繼電器 — 接觸器 控制，速度調(diào)節(jié)主要采用直流調(diào)速裝置控制；從 70 年代末才開(kāi)始有少數(shù)生產(chǎn)線中采用 PLC 進(jìn)行控制；到了上世紀(jì) 80 年代， PLC 和變頻器在我國(guó)才逐步得到廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的生 產(chǎn)線采用了 PLC 和交流調(diào)速控制，這使我國(guó)工業(yè)控制的自動(dòng)化水平得到較快的提高，生產(chǎn)線的控制精度、故障率等明顯改善。但是 PLC 還以邏輯控制為主，信息處理功能相對(duì)較差，而調(diào)速器功能也比較單調(diào)，還需要專用裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。上世紀(jì) 90 年代，隨著 PLC 和變頻器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，只需在其外 煙臺(tái)南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) 圍增設(shè)一些檢測(cè)設(shè)備就可以構(gòu)成一個(gè)較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，從而大大提高了系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 PLC 具有以下特點(diǎn) : （ 1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)； （ 2）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)； （ 3）易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎； （ 4）系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造； （ 5）體積小，重量輕，能耗低； PLC 具有功能強(qiáng)大、使用可靠、維修簡(jiǎn)便等許多優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于傳統(tǒng)的繼電器電路來(lái)說(shuō)，它難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯功能的和數(shù)字式控制，而且要實(shí)現(xiàn)一定規(guī)模的邏輯控制功能不僅設(shè)計(jì)繁瑣，難以實(shí)現(xiàn)升級(jí)，并易發(fā)故障，維修復(fù)雜，現(xiàn)在已被大中型設(shè)備的控制系統(tǒng)所拋棄。而 PLC 正被廣泛的應(yīng)用并且已逐步取代了繼電器電路的邏輯控制。隨著科學(xué)技術(shù)不斷的飛躍發(fā)展 ， PLC 也不斷得到完善和強(qiáng)大，同時(shí)它的功能也大大超過(guò)了邏輯控制的范圍，如聯(lián)網(wǎng)通信功能和自診斷功能等。 我國(guó)可編程控制 器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開(kāi)放開(kāi)始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來(lái)在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了 PLC 的應(yīng)用。目前，我國(guó)自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東 煙臺(tái)南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) 屋電氣有限公司生產(chǎn)的 CF 系列、杭州機(jī)床電器廠生產(chǎn)的 DKK 及 D 系列、大連組合機(jī)床研究所生產(chǎn)的 S 系列、蘇州電子計(jì)算機(jī)廠生產(chǎn)的 YZ 系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。 第 3 章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體方案和主要硬件配置 針對(duì) 原系統(tǒng)的缺陷和改造要求實(shí)現(xiàn)的功能，本文設(shè)計(jì)了以可編 程控制器為核心的直流調(diào)速控制系統(tǒng)，系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)硬件圖所示。系統(tǒng)通過(guò)全數(shù)字直流調(diào)速裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)主拖動(dòng)直流電機(jī)的自動(dòng)調(diào)速，采用可編程控制器進(jìn)行運(yùn)行邏輯控制和工作臺(tái)零速換向控制，采用電位計(jì)作為調(diào)速元件，用以給定工作臺(tái)速度。 針對(duì)原系統(tǒng)特點(diǎn)，經(jīng)分析和研究，系統(tǒng)采用如下配置： 主拖動(dòng)直流電機(jī)采用型號(hào)為 Z420031，額定電樞電壓為 220V，額定直流電流為 305A；其余的交流電動(dòng)機(jī)采用型號(hào)為 JB24， 額定電壓為 380V； 主電機(jī)全數(shù)字直流調(diào)速裝置 6RA7081，裝置額定直流電壓為 420V，額定直流電流為 400A； 額定功率為 168KW，接三相交流 煙臺(tái)南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè) 380V電源時(shí)，額定輸出直流電壓為 420V，接三相交流 220V電源時(shí)， 額定輸出直流電壓為 220V，控制功能強(qiáng)大，過(guò)載能力強(qiáng)，設(shè)置使用方便 [6]；可編程控制器采用西門(mén)子的 S7200 系列，包括主模塊 CPU224(AC/DC/繼電器 )，數(shù)字量 I/0 擴(kuò)展模塊(EM223)和模擬量擴(kuò)展模塊 (EM231)，運(yùn)行可靠，可在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及 WINDOWS平臺(tái)上方便編程；電位計(jì)采用 5KΩ 特種導(dǎo)電塑料電位器，調(diào)速線性度好；采用直流三線制電感式接近開(kāi)關(guān)替代常規(guī)的工作臺(tái)行程開(kāi)關(guān)；用三位半數(shù)字 面板表顯示輸出電流、速度，代替常規(guī)的指針式電流、速度表，直觀性好；主回路用變壓器，三相交流 380V/220V；勵(lì)磁回路用變壓器兩相交流 380V/260V[7]；設(shè)置了主電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)的聲光報(bào)警裝置；其他常規(guī)低壓電器及相關(guān)器件供電電源。 系統(tǒng)工作流程和控制功能實(shí)現(xiàn) 本系統(tǒng)主拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞工作電源和勵(lì)磁電源都由直流調(diào)速器提供，該裝置具有反電動(dòng)勢(shì)控制的無(wú)測(cè)速機(jī)系統(tǒng)，反電動(dòng)勢(shì)控制不需要測(cè)速裝置，只需測(cè)量直流調(diào)速器的輸出電樞電壓，測(cè)出的電樞電壓經(jīng)電機(jī)內(nèi)阻壓降補(bǔ)償處理。補(bǔ)償量的大小在電流調(diào)節(jié)器優(yōu)化過(guò)程中自動(dòng) 確定，系統(tǒng)將得到的反電動(dòng)勢(shì)反饋到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比較由反電動(dòng)勢(shì)表征的實(shí)際速度值與速度給定值的大小，根據(jù)偏差自動(dòng)調(diào)節(jié)電樞電壓與電流，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。 系統(tǒng)采用可編程控制器進(jìn)行邏輯控制和電機(jī)反電動(dòng)勢(shì) Ea 過(guò)零的實(shí)時(shí)檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)零速換向。 煙臺(tái)南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) 可編程控制器的模擬量輸入端口，直接與直流調(diào)速器反電動(dòng)勢(shì) Ea 輸出端子連接，以獲得實(shí)時(shí)信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?？删幊炭刂破?I/O 擴(kuò)展模塊的公共端，用以輸出速度給定控制信號(hào)，接至直流調(diào)速器模擬量輸入端子工作臺(tái)運(yùn)行時(shí)的速度給定由電位計(jì)的預(yù)給定通過(guò)可編程控制器的控制來(lái)提 供。調(diào)速電路工作電源由外部電源提供，均接至直流調(diào)速器模擬量輸入端子。當(dāng)工作臺(tái)運(yùn)行觸發(fā)減速位置開(kāi)。 工作臺(tái)控制電路設(shè)計(jì) 工作臺(tái)控制電路包括自動(dòng)循環(huán)工作、步進(jìn)、步退、以及抬刀電磁鐵控制電路，其控制邏輯電路原理圖如圖 2 所示。 煙臺(tái)南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 速 度 為 零 時(shí) 接 通（ P L C 內(nèi) 部 程 序 實(shí) 現(xiàn) ）A C 2 2 04 R LHQS B 7S Q 7J I ( 2 )S B 8 ( 1 )S Q 5S Q 6K M 1 2 K M 1J IS B 9 ( 2 )1 QK M 1 11 HJ I ( 1 )S B 6S A 74 R LJ I ( 4 )1 QS B 8 ( 2 )S B 9 ( 1 )J I ( 3 )S A 5 ( 1 )S A 6 ( 1 )S A 5 ( 2 ) QS A 6 ( 2 )HD C 2 2 0 VH2 H ( 2 )5 R L2 H ( 1 )Q1 K K2 K K3 K K4 K KK M 24 R F 6 V4 T3 R F3 T5 V4 V2 R F2 T1 R F1 T3 V2 H5 R L3 HJ1 H1 QHQ步 進(jìn)前 進(jìn)工 作 臺(tái) 前 進(jìn)工 作 臺(tái) 后 退S B 1 0 步 退S Q 8后 退 換 向 時(shí) 接 通前 進(jìn) 換 向 時(shí) 接 通減 速 接 通后 退 行 程 抬 刀右 側(cè) 刀 架右 垂 刀 架左 垂 刀 架左 側(cè) 刀 架停 止圖 2 工作臺(tái)控制邏輯電路原理圖 煙臺(tái)南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁(yè) PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 針對(duì)系 統(tǒng)控制特點(diǎn)， KM KM KM KM KM KM KM KMKM KM1 KM1 KM13 采用實(shí)際接觸器， KM2 采用實(shí)際繼電器，其余控制繼電器均采用 PLC 內(nèi)部邏輯繼電器，所有接觸器均只接入一對(duì)觸點(diǎn)，作為 PLC 的輸入，其余觸點(diǎn)均用 PLC 內(nèi)部邏輯觸點(diǎn)，各個(gè)按鈕、開(kāi)關(guān) (包括接近開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān) )也均只接入一對(duì)點(diǎn)作為 PLC 的輸入，其余都用 PLC 邏輯觸點(diǎn)控制 [8]。 PLC 輸入、輸出分別見(jiàn)表 表 2。 主模塊采用的是 CPU224，類型為 AC/DC 繼電器，模塊集成 14 路輸入、 10路輸出共 24 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，可連接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 168 路數(shù)字量 I/O點(diǎn)或 35 路模擬量 I/O 點(diǎn)。 13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。內(nèi)含 6 個(gè)高速計(jì)數(shù)器，其中 4 個(gè)單相計(jì)數(shù)器， 2 個(gè)雙向計(jì)數(shù)器，都是 20kHz 時(shí)鐘速率。內(nèi)含 256 個(gè)定時(shí)器，可方便地通過(guò)程序進(jìn)行延時(shí)、計(jì)數(shù)控制，處理速度快，準(zhǔn)確性高。 數(shù)字量擴(kuò)展模塊采用的是 EM223，模塊共 16 路 DC 輸入、 16 路繼電器輸出。數(shù)字量擴(kuò)展模塊為使用除了主模塊集成的數(shù)字量輸入 /輸出點(diǎn)外更多的輸入 /輸出提供途徑，靈活性強(qiáng)，很容易擴(kuò)展 I/O 點(diǎn)數(shù)，當(dāng)應(yīng)用范圍擴(kuò)大，需要更多輸入 /輸出點(diǎn)數(shù)時(shí)， PLC 可以增加擴(kuò)展模塊，即可增加 I/O 點(diǎn)數(shù)。 模擬量擴(kuò)展模塊采用的是 EM231，模塊共 4 路模擬輸入。模擬量擴(kuò)展模塊具有很好的適應(yīng)性，可適用于復(fù)雜的控制場(chǎng)合， 12 位的分辨率和多種輸入 /輸出范圍使 煙臺(tái)南山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁(yè) 其能夠不用外加放大器而與傳感器和執(zhí)行器直接相連，當(dāng)實(shí)際應(yīng)用變化時(shí)， PLC 可以相應(yīng)地進(jìn)行擴(kuò)展，并可非常容易地調(diào)整用戶程序。 本系統(tǒng)一共 26 路數(shù)字量輸入 ， 2