【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 化。 （ 3）高速化、超高性能化 一些大型 PLC 采用多微處理器系統(tǒng)才能滿足要求，如有的控制系統(tǒng)采用 32 位微處理器，可同時(shí)多任務(wù)進(jìn)行操作，從而提高處理速度，增加存儲(chǔ)容量。 （ 4）網(wǎng)絡(luò)化 當(dāng)代 PLC 最大的發(fā)展趨勢(shì)是其網(wǎng)絡(luò)鏈接功能，這種需求是由現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展決定的，是為實(shí)現(xiàn)企業(yè)自動(dòng)化與現(xiàn)代化目標(biāo)而設(shè)計(jì)的。 PLC 主要有 CPU（中央處理器）模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成。其濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 組成示意圖可由圖 31 所示： 可編程序控制器 圖 31 PLC 控制系統(tǒng)示意圖 PLC 主要模塊組成下面將分別予以介紹： （ 1） CPU 模塊 CPU 模塊主要由微處理器存儲(chǔ)器組成。在控制系統(tǒng)中，此模塊起著重要的作用，它不斷地進(jìn)行著輸入信號(hào)的采集，用戶程序的執(zhí) 行，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲(chǔ)器用來用戶程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。 （ 2） I/O 模塊 輸入模塊和輸出模塊是系統(tǒng)外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和 CPU 模塊相互連接的橋梁，也可以稱作為系統(tǒng)的眼、耳、手、腳。 輸入模塊是用來接受和采集系統(tǒng)外部輸入信號(hào)，又可分為開關(guān)量輸入模塊、模擬量輸入模塊。開關(guān)量輸入模塊主要是對(duì)按鈕、光電開關(guān)、限位開關(guān)、壓力繼電器等信號(hào)進(jìn)行接收。它是用來控制接觸器、指示燈、電磁閥、數(shù)字顯示和報(bào)警等裝置；模擬量輸入模塊主要針對(duì)電位器、測(cè)速器和變送器等提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號(hào)進(jìn)行接收，它是用來控制調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行裝置 。在 I/O 模塊中，用光耦合器、光敏晶閘管、小型繼電器等器件來隔離 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)換與隔離作用。 編程器 輸入 模塊 CPU 中央處理器 輸出 模塊 被 控對(duì)象 控制 對(duì)象 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 （ 3）編程器 編程器是用來生成用戶程序，并且可以用來進(jìn)行程序的編輯、檢查、修改和監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行情況。針對(duì)程序的寫入我們目前可以通過手持式編程器或者是使用編程軟件兩種方式。手持式編程器對(duì)于輸入和編輯梯形圖是不能直接進(jìn)行的，只能輸入和編輯指令表程序，而編程軟件可以通過計(jì)算機(jī)直接編輯梯形圖或者指令表程序，并且可以進(jìn)行不同編輯語言之間的相互轉(zhuǎn)換。程序編譯完成后可 直接下載到PLC，也就是程序的寫入過程，也可以將 PLC 中的程序讀入到計(jì)算機(jī)，即所謂的讀過程。 （ 4）電源 PLC 一般使用的電源為 AC 220V 或 DC 24V，內(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供DC 5V、 DC 正負(fù) 12V 和 DC 24V 等電源。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。 CPU 模塊的工作電壓一般是 5V，而 PLC 的輸入 /輸出信號(hào)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會(huì)損壞 CPU 模塊中的元器件或使 PLC 不 能正常工作。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟： （ 1）根據(jù)工藝要求，分析研究控制系統(tǒng)。 （ 2） I/O 設(shè)備的確定。 （ 3） PLC 選型。 （ 4）程序設(shè)計(jì)。 （ 5）編寫梯形圖程序，這一步是設(shè)計(jì)的核心。 （ 6）程序的檢測(cè)調(diào)試。將程序通過計(jì)算機(jī)與軟件相結(jié)合寫入到 PLC，然后對(duì)程序進(jìn)行測(cè)試，找到程序的缺陷和故障，進(jìn)而進(jìn)行改進(jìn)和對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行更改。 系統(tǒng) PLC 機(jī)型選擇 機(jī)型選擇標(biāo)準(zhǔn)的基本要求為滿足系統(tǒng)的功能要求，并且應(yīng)最大程度上滿足系統(tǒng)可靠性、維護(hù)使用方便性及性能價(jià)格比良好性等優(yōu)點(diǎn)。考慮因素包括以下幾個(gè)方面： （ 1）結(jié)構(gòu)合理 根據(jù)工藝過程、環(huán)境條件以及維修量的大小，選用不同結(jié)構(gòu)的 PLC。 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 （ 2）功能強(qiáng)大 根據(jù)控制系統(tǒng)開關(guān)量控制及控制速度要求的不同，選用不同檔次的 PLC。 （ 3）機(jī)型統(tǒng)一 整體式和模塊式是 PLC 的兩種結(jié)構(gòu)形式。雖然整體式結(jié)構(gòu)的 PLC 有其特有的優(yōu)點(diǎn)，但通常整體式結(jié)構(gòu) PLC 功能有缺陷，因此一般大型的控制系統(tǒng)都使用模塊式結(jié)構(gòu)，以使得系統(tǒng)功能得到擴(kuò)展。 （ 4） 環(huán)境適應(yīng)性 在 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)， 應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定 PLC 的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的 PLC 和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 輸入輸出點(diǎn)數(shù)的估算。 I/O 點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔浚ǔ８鶕?jù)估計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加 10% 20%的可擴(kuò)展。余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。實(shí)際訂貨時(shí)，還需根據(jù)制造商 PLC 的產(chǎn)品特點(diǎn)，對(duì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行圓整。根據(jù)估算的方法故本設(shè)計(jì)的 I/O 點(diǎn)數(shù)為輸入 6 點(diǎn)，輸出 8 點(diǎn)。 存儲(chǔ)器容量是可編程序 控制器本身提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此程序容量小于存儲(chǔ)容量。設(shè)計(jì)階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制。因此，程序容量在設(shè)計(jì)階段是未知的，需在程序調(diào)試后才知道。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對(duì)程序容量有一定估算，通常采用存儲(chǔ)器容量的估算來代替。 存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)量的估算沒固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同的公式，大體上都是按數(shù)字量 I/O 點(diǎn)數(shù)的 1015 倍，加上模擬 I/O 點(diǎn)數(shù)的 100 倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)，另外再按此數(shù)的 25%考慮余量。 另外 PLC 這種工業(yè)控制器可直接用于工業(yè)控制 各個(gè)領(lǐng)域。因此，大多數(shù)生產(chǎn)廠家會(huì)把 PLC 設(shè)計(jì)為可在較差工作環(huán)境條件下仍可靠穩(wěn)定工作的優(yōu)良特性。每種 PLC自然會(huì)有其特殊的環(huán)境技術(shù)要求，因此在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮環(huán)境條件。 面對(duì)眾多廠家提出的多種系列、功能各異的 PLC 產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)、性能、價(jià)格各不相同。三菱 FX2N16MR 型號(hào)，其輸入輸出點(diǎn)分別為 8， FX2N 是 FX 系列中功能濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 最強(qiáng)、速度最高的微型 PLC。他的基本指令執(zhí)行時(shí)間高達(dá) ，內(nèi)置的用戶存儲(chǔ)器為 8K 步，可擴(kuò)展到 16K 步，最大可以擴(kuò)展到 256 個(gè) I/O 點(diǎn)，有多種特殊功能模塊或功能擴(kuò)展板，可為裝 箱機(jī)提供最大的方便和控制能力。 根據(jù)課題研究系統(tǒng)自動(dòng)藥片裝瓶機(jī)控制所用的外圍設(shè)備，我們可以來設(shè)計(jì) PLC輸入輸出設(shè)備的執(zhí)行元器件的點(diǎn)數(shù)。輸入輸出部分的點(diǎn)數(shù)分別如 3 32 表所示： 表 31 輸入部分點(diǎn)數(shù) 輸入部分 點(diǎn)數(shù) 系統(tǒng)開按鈕 1 系統(tǒng)關(guān)按鈕 1 數(shù)量選擇按鈕 1 1 數(shù)量選擇按鈕 2 1 數(shù)量選擇按鈕 3 1 光電傳感器 1 表 32 輸出部分點(diǎn)數(shù) 輸出部分 點(diǎn)數(shù) 皮帶機(jī) 驅(qū)動(dòng)器 1 指示燈 1 1 指示燈 2 1 指示燈 3 1 電磁閥 1 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器 1 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器 1 頻率發(fā)生器 1 針對(duì)本課題的研究特點(diǎn)和系統(tǒng)性能要求的輸入輸出總點(diǎn)數(shù)，本系統(tǒng)采用三菱公司 FX2N 系列中的 16MR，即 FX2N16MR 類型。其為三菱 FX2N 系列、輸入輸出總點(diǎn)數(shù)為 1繼電器輸出。此 PLC 滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，并且在小型 PLC 控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 PLC 外圍電路器件的選擇 光電式傳感器 光電式傳感器（ photoelectric transducer），即基于光電效應(yīng)的一種傳感器，當(dāng)可見光照射傳感器， 光電效應(yīng) 就會(huì)產(chǎn)生，光信號(hào)將被轉(zhuǎn)換成 電信號(hào) 從而輸出。在測(cè)量位移 溫度等物理量方面均應(yīng)用廣泛。光電測(cè)量時(shí)不與被測(cè)對(duì)象直接接觸，光束的質(zhì)量又近似為零，在測(cè)量中不存在摩擦和對(duì)被測(cè)對(duì)象幾乎不施加壓力。同時(shí)在測(cè)量時(shí)，光電式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是 與被測(cè)對(duì)象之間無摩擦和壓力，保證測(cè)量準(zhǔn)確性。在某些方面，光電式傳感器也有其缺點(diǎn)，包括成本較高，測(cè)量的環(huán)境條件要求較高等。光電式傳感器的種類很多，測(cè)量準(zhǔn)確、靈敏、非接觸，并且測(cè)量參數(shù)多。本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，其中的光電式傳感器對(duì)裝入藥瓶的藥片數(shù)進(jìn)行一一計(jì)數(shù)，可以滿足本設(shè)計(jì)的要求。 常見的光電式傳感器有對(duì)射式與反射式兩種類型，其中反射式傳感器安裝要求低，占地小，但其由于為反射式檢測(cè)方式，紅外調(diào)制發(fā)射器與接收器均在一端安裝，其檢測(cè)準(zhǔn)確率較低，而對(duì)射式光電傳感器雖然安裝復(fù)雜，但由于發(fā)射器與接收器分開，其檢測(cè)精度較高， 非常適合于本設(shè)計(jì)。 同時(shí)為了兼容 PLC 的 24V 輸入輸出電平，需要選擇電平與反應(yīng)速度均兼容的光電傳感器完成此部分設(shè)計(jì)。經(jīng)過甄選，最終采用了臺(tái)灣億光公司的槽型光耦作為光電式傳感器，其體積小巧，便于安裝，但需要設(shè)計(jì)外圍電路，完成光電傳感器的數(shù)字量輸出。光電式傳感器及其計(jì)數(shù)電路如圖 32 所示： 通過 LM358 搭建了 24V 的正向放大器，放大器為正反饋放大器，即搭建成為比較器電路，在高于設(shè)定 12V 時(shí)產(chǎn)生輸出信號(hào)跳變，從而對(duì)光電傳感器的返回波形進(jìn)行整形，完成光電傳感器與 PLC 的 IO 口信號(hào)匹配。光電傳感器輸出波形整形電路如 圖 33 所示： 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 32 光電傳感器及其計(jì)數(shù)電路 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 33 光電傳感器輸出波形整形電路 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，執(zhí)行元件是步進(jìn)電機(jī)。它受驅(qū)動(dòng)控制線路的控制，將進(jìn)給脈沖的電平信號(hào)直接變換為具有一定方向、大小和速度的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移，并通過齒輪和絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測(cè)環(huán)節(jié)，它的精度較差，速度也 受到步進(jìn)電機(jī)性能的限制。但它的結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單、容易調(diào)整，故在速度和精度要求不太高的場(chǎng)合具有一定的使用價(jià)值。步進(jìn)電機(jī)的工作原理實(shí)際上是電磁鐵的作用原理。 步進(jìn)電機(jī)的主要特性有以下幾個(gè)方面： （ 1）步距角：步進(jìn)電機(jī)的步距角是反映步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。它是決定步進(jìn)伺服系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的重要參數(shù)。步距角越小，數(shù)控機(jī)床的控制精度越高。 （ 2）矩角特性：矩角特性是步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)重要特性，它是指步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角之間的變化規(guī)律。 （ 3）啟動(dòng)頻率：空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動(dòng)到 正常運(yùn)行所允許的最高頻率，稱為啟動(dòng)頻率或突跳頻率。若啟動(dòng)時(shí)頻率大于突跳頻率，步進(jìn)電機(jī)就不能正常啟動(dòng)?？蛰d啟動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率。 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 （ 4）連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率：步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，它所能接受的，即保證不丟步運(yùn)行的極限頻率，稱為最高工作頻率。它是決定定子繞組通電狀態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，它決定了步進(jìn)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。 （ 5）加減速特性：步進(jìn)電機(jī)的加減速特性是描述步進(jìn)電機(jī)由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時(shí)間的關(guān)系。當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng) 到大于突跳頻率的工作頻率時(shí)，變化速度必須逐漸上升。同樣，從最高工作頻率或高于突跳頻率的工作頻率停止時(shí)，變化速度必須逐漸下降。其中逐漸上升和下降的加速時(shí)間、減速時(shí)間不能過小，否則會(huì)出現(xiàn)失步或超步。我們用加速時(shí)間常數(shù)和減速時(shí)間常數(shù)來描述步進(jìn)電機(jī)的升速和降速特性。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有如下六個(gè)特點(diǎn)： （ 1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比。因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)一圈后，沒有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。 （ 2）由步進(jìn)