【文章內(nèi)容簡介】 、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品，為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)化產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性， PLC 正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置。 PLC 的應(yīng)用面廣、功能強(qiáng)大、使用方便，已經(jīng)廣泛第應(yīng)用在各種機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制系統(tǒng)中， PLC 在其他領(lǐng)域，例如明勇和家庭自動(dòng)化的應(yīng)用也得到迅速的發(fā)工業(yè)機(jī)械手的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 展。 PLC 依然處于不斷的發(fā)展之中，器功能不斷增強(qiáng)，更加開放，它不但是單片自動(dòng)化中應(yīng) 用最廣的控制設(shè)備，在大興工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也占有不可動(dòng)搖的地位， PLC 應(yīng)用面之廣、普及程度之高，是其他計(jì)算機(jī)控制設(shè)備無法比擬的。 國際電工委員會(huì)（ IEC）在 1985 年的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案第 3 稿中，對(duì) PLC 作了如下定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(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，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其相關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)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)。”從上述定義可以看出， PLC 是一種用程序來改變控制功能的工業(yè)計(jì)算機(jī)，除了能完成各種的控制功能外，還有與其他計(jì)算機(jī)通訊聯(lián)網(wǎng)的功能。 PLC 的組成 PLC 主要由 CPU 模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成（見圖 11）。 PLC 的特殊功能模塊用來完成特殊的任務(wù)。 　 圖 21 PLC 的組成 模塊 CPU 模塊主要有微處理器） CPU 芯片和存儲(chǔ)器組成。在 PLC 控制系統(tǒng)中， CPU 模塊相當(dāng) 認(rèn)得大腦和心臟，它不斷地采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。 S7200 將 CPU 模塊簡稱為 CPU。 九江學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 2. I/O 模塊 輸入（ Input）模塊和輸出（ Output）模塊簡稱為 I/O 模塊，它們相當(dāng)于人們的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和 CPU 模塊的橋梁。 輸入模塊用來接收和采集輸入信號(hào)，開關(guān)量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥號(hào)開關(guān)、壓力繼電器等來的開關(guān)量輸入信號(hào)；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號(hào)。開關(guān)量輸出模塊 用來控制接觸器、電磁閥、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等輸出設(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 5V，而 PLC 外部的輸入、輸出電路的電源電壓較高，例如 DC 24V 和 AC 220V。從外部引入的尖峰電壓和干擾噪聲可能損壞 CPU 模塊中的元器件，或使 PLC 不能正常共作。在 I/O 模塊中，用光耦合器，光敏晶閘管、小型繼電器等期間來隔離 PLC 的內(nèi)部電路和外部的 I/O 電路。 I/O 模塊除了傳遞信號(hào)外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。 3. 編程器 編程器用來生成用戶程序，并用它來編 程、檢查、修改用戶程序，事件用戶程序的執(zhí)行情況。手持式編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入和編程指令表程序，因此又叫做指令編程器。；它的體積小，價(jià)格便宜，一般用來給小型 PLC 編程，或者用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)。 使用編程軟件可以再計(jì)算機(jī)屏幕上生成和編輯梯形圖或指令表程序，并且可以實(shí)現(xiàn)不同程序語言之間的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯后下載到 PLC，也可以講 PLC 中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡(luò)或電話線，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳達(dá)。 PLC 使用 AC 220V 電源或 DC 24V 電源。內(nèi)部的開關(guān)電源為 各模塊提供不同電壓等級(jí)的直流電源。小型 PLC 可以為輸入電路和外部的電子傳感器提供 DC 24V 電源，驅(qū)動(dòng) PLC 負(fù)載的直流電源一般由用戶提供。 PLC 的主要特點(diǎn) 一、抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高 PLC 專門為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)，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(jì)有完善的通道保護(hù)與信息調(diào)理電路；在機(jī)構(gòu)上對(duì)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工業(yè)機(jī)械手的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 力，因 此穩(wěn)定、可靠，抗干擾能力強(qiáng)。與繼電器接觸裝置和通用計(jì)算機(jī)相比， PLC 更能試用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)較為惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。 二、控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng) 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 構(gòu)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(hào)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(dāng)控制要求改變，需要變更控制系統(tǒng)的功能時(shí)，可以用編程器在線或離線修改程序，同一個(gè) PLC 裝置用于不同的控制對(duì)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(qiáng)電相連，并有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。 三、編程簡單，易于使用 PLC 是面向用戶的設(shè)備， PLC 的設(shè)計(jì)者充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的技能和習(xí)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(jì)算機(jī)知識(shí)和語言，只要具有一定的電工和工藝知識(shí)就可在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)。 四、功能完善 現(xiàn)代 PLC 不僅有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、步進(jìn)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(jì)算、聯(lián)網(wǎng)通信等功能 ，可以通過上位計(jì)算進(jìn)行顯示、報(bào)警、記錄，進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，使控制水平大為提高。因此， PLC 具有極強(qiáng)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(dòng)化設(shè)備。 五、體積小、維護(hù)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(chǎng)信號(hào)的變化狀態(tài)，還能通過各種方式直觀地控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如內(nèi)部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、 I/O 點(diǎn)狀態(tài)、異常和電源狀態(tài)等，對(duì)此均有醒目的指示，非常有利于運(yùn)行和維護(hù)人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。 PLC 的工作原理 PLC 通電后，需要對(duì)硬件和軟件做一些初始化工作。為了使 PLC 得輸出及時(shí)地響應(yīng)各種輸入信號(hào)，初始化后 PLC 要反復(fù)不停地分階段處理各種不同的任務(wù)（見圖 21），這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。 1）讀取輸入 在 PLC 的存儲(chǔ)器中，設(shè)置了一片區(qū)域來存放輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的狀態(tài)，它們分別稱為輸入過程映像寄存器和輸出映像過程寄存器。 在讀取輸入階段， PLC 把所有外部數(shù)字量輸入電路的 1/0 狀態(tài)讀入輸入過程影響寄存器。外接的電路閉合時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入過程映像寄存器為 1 狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的 輸九江學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 入 點(diǎn)的常開觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開。外接的輸入電路斷開時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入過程映像寄存器為 0 狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入點(diǎn)的常開觸點(diǎn)斷開，常閉觸點(diǎn)接通。 2）執(zhí)行用戶程序 PLC 的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲(chǔ)器中順序排列。在 RUN 模式的程序執(zhí)行階段，如果沒有跳轉(zhuǎn)指令， CPU 從第一條指令開始，逐條順序地執(zhí)行用戶程序。 在執(zhí)行指令時(shí)，從 I/O 映像寄存器或別的位元件的映像寄存器獨(dú)處其 I/O 狀態(tài)，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果寫入到相應(yīng)的映像寄存器中，因此，各映像寄存器的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。 在程序 執(zhí)行階段，即使外部輸入信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入過程映像寄存器的狀態(tài)，也不會(huì)隨之改變，輸入信號(hào)變化了的狀態(tài)只能在下一個(gè)掃描周期的讀取輸入階段被讀入。執(zhí)行程序時(shí)，對(duì)輸入 /輸出的存取通常是通過映像寄存器，而不是實(shí)際的 I/O 點(diǎn)。這樣做有以下好處： 在整個(gè)程序執(zhí)行階段，各輸入點(diǎn)的狀態(tài)點(diǎn)是固定不變的，程序執(zhí)行完后再用輸出過程映像寄存器的值更新輸出點(diǎn)，使系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定。 用戶程序讀寫 I/O 映像寄存器比讀寫 I/O 點(diǎn)得多，這樣可以提高程序的執(zhí)行速度。 3）通信處理 在處理通信請(qǐng)求階段， CPU 處理從通信接口和智能模塊接收到的 信息，例如讀取智能模塊的信息并存放在緩沖區(qū)中，咋適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)⑿畔魉徒o通信請(qǐng)求方。 4） CPU 自診斷測(cè)試 自診斷測(cè)試包括定期檢查 CPU 模塊的操作和拓展模塊的狀態(tài)是否正常，將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。 5）改寫輸出 CPU 執(zhí)行完用戶程序后，將輸出過程映像寄存器的 0/1 狀態(tài)傳送到輸出模塊并鎖存起來。梯形圖中某一位的線圈“通電”時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出過程映像寄存器為 1 狀態(tài)，信號(hào)經(jīng)輸出模塊隔離和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對(duì)應(yīng)的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點(diǎn)閉合，使外部負(fù)載通電工作。若梯形圖中輸出點(diǎn)的線 圈“斷電”，對(duì)應(yīng)的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點(diǎn)斷開，外部負(fù)載斷電，停止工作。當(dāng) CPU 的操作模式從 RUN 變?yōu)?STOP 時(shí)，數(shù)字量輸出被置為系統(tǒng)塊中的輸出表定義的狀態(tài)，或保持當(dāng)時(shí)的狀態(tài)，默認(rèn)的設(shè)置是將數(shù)字量輸出清零。 6）中斷程序的處理 如果在程序中使用了中斷，中斷事件發(fā)生時(shí)， cpu 停止正常的掃描工作方式，立即執(zhí)行中斷程序，中斷功能可以提高 PLC 對(duì)某些事件的響應(yīng)速度。 工業(yè)機(jī)械手的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 7）立即 I/O 處理 在程序執(zhí)行過程在使用立即 I/O 指令可以直接存取 I/O 點(diǎn)。用立即 I/O 指令讀輸入點(diǎn)的值時(shí)，相應(yīng)的輸入過程映像寄存器的值未被更 新。用立即 I/O 指令來改寫輸出點(diǎn)時(shí)，相應(yīng)的輸出過程映像寄存器的值被更新 圖 22 PLC 典型的掃描方式 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域 目前， PLC 在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。 （ 1）開關(guān)量的邏輯控制 這是 PLC 最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器 電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等 （ 2）模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（ Analog）和數(shù)字量（ Digital）之間的 A/D 轉(zhuǎn)換及 D/A 轉(zhuǎn)換。 PLC 廠家都生產(chǎn)配套的A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 （ 3）運(yùn)動(dòng)控制 PLC 可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn) 動(dòng)的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量 I/O 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊。如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要 PLCRUN Stop 九江學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 11 廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。（ 4）過程控制 過程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， PLC 能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。 PID 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型 PLC 都有 PID 模塊，目前許多小型 PLC 也具有此功能模 塊。 PID 處理一般是運(yùn)行專用的 PID 子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應(yīng)用。 （ 5）數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 工業(yè)機(jī)械手的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 第 3 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 本課題機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、氣缸、氣夾、傳送帶等機(jī)械部件組成；電氣方面有 PLC、傳感器、開關(guān)電源、電磁閥、光電開關(guān)等電子器件組成，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手完成物料的移動(dòng)等。可編程控制器采用是的西門子 S7200。 該裝置從結(jié)構(gòu)上分為機(jī)械手本體單位、 PLC 控制單元、接口單元、電源單元等。 1）機(jī)械手本體單元。機(jī)械手本體單元按 功能可分為二軸平衡機(jī)構(gòu)、底盤、旋轉(zhuǎn)手臂機(jī)構(gòu)、夾手、限位開關(guān)等部件。 2） PLC 控制單元。本裝置需要 18 個(gè)輸入點(diǎn)與 8 個(gè)輸出點(diǎn)，采用 西門子 CPU226CN AC/DC 繼電器型 PLC ， 帶多種電源和控制電壓內(nèi)置數(shù)字量輸入 /輸出： 24 個(gè)輸入和 16 個(gè)輸出。 3）電源單元。電源單元是用于提供 AC 220V 電源 4）限位開關(guān)。在此系統(tǒng)中，共用了 4 個(gè)限位開關(guān)：上升限位開關(guān)、下降限位開關(guān)、左轉(zhuǎn)限位開關(guān)和右轉(zhuǎn)限位開關(guān)。限位開關(guān)主要是來控制機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中的停止時(shí)刻和位置。 5）光電開關(guān)。 光電開關(guān)（光電傳感器）是光 電接近開關(guān)的簡