【文章內(nèi)容簡介】 塊內(nèi)的元件提供直流電壓。某些可編程序控畢業(yè)設計 10 制器可以為輸入電路和少量的外部電子檢測裝置（如接近開關）提供 24V 直流電源。驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的電源一般由用戶提供。 可編程序控制器是從繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，它的梯形圖程序與繼電器系統(tǒng)電路圖相似，梯形圖中的某些編程元件也沿用了繼電器這一名稱，如輸入、輸出繼電器等。這種計算機程序?qū)崿F(xiàn)的“軟繼電器”，與繼電器系統(tǒng)中的物理結(jié)構(gòu)在功能上某些相似之處。 PLC 的工作原理 可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)， 即運行（ RUN）狀態(tài)與停止（ STOP）狀態(tài)。在運行狀態(tài)，可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時地響應隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復不斷地重復執(zhí)行，直至可編程序控制器停機或切換到 STOP 工作狀態(tài)。 除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中，編程序控制器還要完成，內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為 5個階段。可編程序控制器的這種周而復始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計算機執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入 輸出關系來看，處理 過程似乎是同時完成的。 在內(nèi)部處理階段?？删幊绦蚩刂破鳈z查 CPU 模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時器復位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。 在通信服務階段，可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。當可編程序控制器處于停止（ STOP）狀態(tài)時，只執(zhí)行以上的操作。可編程序控制起處于（ RUN）狀態(tài)時，還要完成另外 3個階段的操作。 在可編程序控制器的存儲器中，設置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器?？删幊绦蚩刂破魈菪螆D中別 的編程元件也有對應的映像存儲區(qū)，它們統(tǒng)稱為元件映像寄存器。在輸入處理階段，可編程序控制器把所有外部輸入電路的接通 /斷開（ ON/OFF）狀態(tài)讀入輸入寄存器。 外接的輸入觸點電路接通時，對應的輸入映像寄存器為“ 1”狀態(tài)，梯形圖中對應的輸入繼電器的常開觸點接通，常閉觸點斷開。外接的輸入觸點電路斷開，畢業(yè)設計 11 對應的輸入映像寄存器為“ 0”狀態(tài)，梯形圖中對應的輸入繼電器的常開觸點斷開，常閉觸點接通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入映像寄存器的狀態(tài) 也不會隨之而變，輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個掃描周期的 輸入處理階段被讀入。 可編程序控制器的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按步序號順序排列。在沒有跳轉(zhuǎn)指令時， CPU 從第一條指令開始，逐條順序的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束之處。在執(zhí)行指令時，從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器中將有關編程元件的 0/1 狀態(tài)讀出來，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應的邏輯運算，運算結(jié)果寫入到對應的元件映像寄存器中，因此，各編程元件的映像寄存器（輸入映像寄存器除外）的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。 在輸出處理階段， CPU 將輸出映像寄存器的 0/1狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。梯型圖某一輸出繼電器 的線圈“通電”時，對應的輸出映像寄存器為“ 1”狀態(tài)。信號經(jīng)輸出模塊隔離 和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點閉合，使外部負載通電工作。 若梯形圖中輸出繼電器線圈斷電對應的輸出映像寄存器為“ 0”狀態(tài)，在輸出處理階段后，繼電器型輸出模塊中對應的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點斷開，外部負載斷電，停止工作。某一編程元件對應的映像寄存器為“ 1”狀態(tài)時，稱該編程元件為 ON，映像寄存器為“ 0”狀態(tài)時，該編程元件為 OFF。 掃描周期可編程序控制器在 RUN 工作狀態(tài)時，執(zhí)行一次掃描操作所需的 時間稱為掃描周期，其典型值為 1~100ms。指令執(zhí)行所需的時間與用戶程序的長短、指令的種類和 CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關系。當用戶程序較長時，指令執(zhí)行時間在掃描周期中占相當大的比例。不過嚴格地來說掃描周期還包括自診斷、通信等。如圖所示： 第 ( N 1 ) 個 掃 描 周 期第 N 個 掃 描 周 期第 ( N + 1 ) 個 掃描 周 期輸 出 刷 新 輸 入 采 樣用 戶 程 序 執(zhí) 行輸 出 刷 新 輸 入 采 樣 圖 32 PLC的掃描運行方式 畢業(yè)設計 12 1. 輸入采樣階段 在輸入采樣階段， PLC 以掃描方式依次讀入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)它們存入 I/O映象區(qū)的相應單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序行和輸出刷新階段。在這兩個階段 中，即使輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化 I/O映象區(qū)的相應單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會改變。所以輸入如果是脈沖信號，它的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀 2. 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段， PLC 的 CPU 總是由上而下，從左到右的順序依次的掃描梯形圖。并對控制線路進行邏輯運算，并以此刷新該邏輯線圈或輸出線圈在系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)?；蛘叽_定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。例如：算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達等。 3. 輸出刷新階段 在輸出刷新階段， CPU 按照 I/O 映象區(qū)內(nèi)對 應的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有的數(shù)據(jù)鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動響應的外設。這時才是 PLC 真正的輸出。 4. 輸入 /輸出滯后時間 輸入 /輸出滯后時間又稱系統(tǒng)響應時間，是指可編程序控制器的外部輸入信號發(fā)生變化的時刻至它控制的有關外部輸出信號發(fā)生變化的時刻之間的時間間隔，它由輸入電路濾波時間、輸出電路的滯后時間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時間三部分組成。 輸入模塊的 CPU 濾波電路用來濾除由輸入端引入的干擾噪聲，消除因外接輸入觸點動作是產(chǎn)生的抖動引起的不良影響，濾波電路的時間常數(shù)決定了輸入濾波時間的長短，其典型值為 10ms 左 右。 輸出模塊的滯后時間與模塊的類型有關，繼電器型輸出電路的滯后時間一般在 10ms 左右；雙向可空硅型輸出電路在負載接通時的滯后時間約為 1ms，負載由導通到斷開時的最大滯后時間為 10ms；晶體管型輸出電路的滯后時間約為1ms。由掃描工作方式引起的滯后時間最長可達到兩個多掃描周期?？删幊绦蚩刂破骺偟捻憫舆t時間一般只有幾十 ms，對于一般的系統(tǒng)是無關緊要的。要求輸入 — 輸出信號之間的滯后時間盡量短的系統(tǒng)，可以選用掃描速度快的可編程序控制器或采取其他措施。 畢業(yè)設計 13 PLC 機型的選擇 1. PLC 的分類 PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按 CPU 字長分為 1 位、 4 位、 8 位、 16 位、 32 位、 64 位等。從應用角度出發(fā)，通常可按控制功能或輸入輸出點數(shù)選型。整體型 PLC的 I/O 點數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型 PLC 提供多種 I/O 卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的 I/O 點數(shù)，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。 2. 輸入輸出模塊的選擇 輸入輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、 信號供電方式等應用要求。對輸出模塊，應考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關頻繁，電感性低功率因數(shù)負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應用要求應一致?？筛鶕?jù)應用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應用成本。考慮是否需要擴展機架或遠程 I/O機架等。 3. 電源的選擇 PLC的供電電源，除了引進設備時同時引進 PLC應根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設計和選用外，一般 PLC 的供電電源應設計選用 220VAC 電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應用場合，應采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果 PLC 本身帶有可使用電源時，應核對提供的電流是否滿足應用要求，否則應設計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入 PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。 4. 存儲器的選擇 由于計算機集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應用項目的正常投運，一般要求 PLC 的存儲器容量，按 256 個 I/O 點至少選 8K 存儲器選擇。需要復雜控制功能時，應選擇容量更大，檔次更高的存儲器。 5. 冗余功能的選擇 畢業(yè)設計 14 I/O 接口單元的冗余 (1) 控制回路的多點 I/O 卡應冗余配置。 (2) 重要檢測點的多點 I/O 卡可冗余配置。 (3) 根據(jù)需要對重要的 I/O 信號，可選用 2 重化或 3 重化的 I/O 接口單元。 畢業(yè)設計 15 4 機械手控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 氣動機械手的控制要求 機械手的全部動作由氣缸驅(qū)動，氣缸由相應的電磁閥控制 ，電磁閥由 PLC（可編程控制器）控制。其中，上升 /下降和左 /右移分別由雙線圈兩位電磁閥控制；機械手的放松 /夾緊由一個單線圈兩位置電磁閥控制。 工件臺 A、 B 上工件的傳送不用 PLC 控制 。機械手要求按一定的順序動作 ,啟動時 ,機械手從原點開始按順序動作 .停止時 ,機械手停止在現(xiàn)行工步上 ,重新起動時 ,機械手按停止前的動作繼續(xù)進行。 左行 SQ3 SQ4 右行 下降 夾緊 上升 SQ2 松開 SQ1 圖 41 氣動機械手示意圖 為滿足生產(chǎn)要求， 機械手設置手動工作方式和自動工作方式 兩種， 而自動工作方式又分為單步、單周和連續(xù)工作方式。 （ 1）手動工作方式。利用按鈕對機械手的每一步動作單獨進行控制，例如按“上升”按鈕， 機械手上升，按“下降”按鈕，機械手下 降。此種工作方式可使機械手置原位。 （ 2）單步工作方式，從原點開始 ,按自動工作循環(huán)的工序 ,每按一下起動按鈕 ,機械手完成一步的動作后自動停止。 （ 3）單周期工作方式，按下起動按鈕， 從原點開始，機械手 按工序自 動完成一個周期的動作后 停在原位。 （ 4）連續(xù)工作方式。機構(gòu)在原位時， 按下起動按鈕，機構(gòu)自動連續(xù) 的執(zhí)行畢業(yè)設計 16 周期動作。當按下停止按鈕時， 機械手保持當前狀態(tài)。重 新恢復后機械手按停止前的動作繼續(xù)進行工作。 硬件結(jié)構(gòu) 機械手用來將工件從 A 點搬運到 B 點（如圖 42），輸出 為 1 時工件被夾緊，為 0 時背松開。工作方式選擇開關的 5 個位置分別對應于 5 種工作方式，操作面板左下部的 6 個按鈕式手動按鈕。為了保證在緊急情況下（包括 PLC 發(fā)生故障時）能可靠地切斷負載電源，設置了交流接觸器 KM。 PLC 開始運行時按下 “負載電源”按鈕，使 KM 線圈得電并自鎖， KM 的主觸點接通，給外部負載提供交流電源，出現(xiàn)緊急情況時用“緊急停車”按鈕斷開負載電源。 單步 回原位 單周期 連續(xù) 手動 夾緊 SB7 右行 SB5 下降 SB3 啟動 SB1 負載電源 松開 SB8 左行 SB6 上升 SB4 停止 SB2 緊急停車 SB9