【文章內(nèi)容簡介】 計算機(jī)，因此其基本組成與一般的微機(jī)類似。PLC的硬件主要有中央處理器、存儲器、輸入單元、輸出單元、通信接口、擴(kuò)展接口、電源等部分組成。其中，CPU是PLC的核心，輸入單元與輸出單元是連接現(xiàn)場輸入/輸出設(shè)備與CPU之間的接口電路，通信接口用于與編程器、上位計算機(jī)等外設(shè)連接，如圖31所示。編程器 輸入單元輸出單元用戶程序存儲器系統(tǒng)程序存儲器中央處理單元電源 圖31 PLC組成框圖當(dāng)PLC運行時，是通過執(zhí)行反應(yīng)控制要求的用戶程序來完成控制任務(wù)的，需要執(zhí)行眾多的操作，但CPU不可能同時去執(zhí)行多個操作，它只能按分時操作（串行工作）方式，每一次執(zhí)行一個操作，按順序逐個執(zhí)行。由于CPU的運算處理速度快，所以從宏觀上來看，PLC外部出現(xiàn)的結(jié)果似乎是同時（并行）完成的。這種串行工作過程稱為PLC的掃描工作方式。用掃描工作方式執(zhí)行用戶程序時，掃描是從第一條程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按程序存儲順序的先后，逐條執(zhí)行用戶程序，直到程序結(jié)束。然后再從頭開始掃描執(zhí)行程序，周而復(fù)始重復(fù)運行。PLC的掃描工作方式與繼電器接觸器的工作原理明顯不同。繼電器接觸器控制采用硬邏輯的并行工作方式，如果某個繼電器的線圈通電或斷電，那么該繼電器所有常開和常閉觸點不論處在控制線路的哪個位置上，都會立即同時動作；而PLC采用掃描工作方式（串行工作方式），如果某個軟繼電器的線圈被接通或斷開，其所有的觸點不會立即動作，必須等掃描到該點時才會動作。但由于PLC的掃描速度快，通常PLC與繼電器接觸器控制在I/O的處理結(jié)果上并沒有什么差別。 三菱FX2N系列PLC及其指令FX2N系列PLC是超小型機(jī)，I/O點數(shù)最大可擴(kuò)展到256點。它有內(nèi)置8K步的RAM，使用存儲卡盒后，最大容量可擴(kuò)大到16K步，編程指令可達(dá)到327條。PLC運行時。它不僅能完成邏輯控制、順序控制、模擬量控制、位置控制、高速計數(shù)等功能，還能做數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)排列、三角函數(shù)運算、平方根以及浮點數(shù)運算、PID運算等更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。所以，F(xiàn)X2N系列PLC具有容量大、運行速度快、指令功能完善等特點。在FX2N系列PLC基本單元上，可連接擴(kuò)展單元、擴(kuò)展模塊以及各種功能的特殊單元、特殊模塊，還可以在基本單元左側(cè)接口上，連接一臺功能擴(kuò)展板，完成FX2N系列PLC與各種外部設(shè)備的通信，實現(xiàn)模擬量控制功能。通過功能擴(kuò)展板還可以將FX0N系列適配器與FX2N系列基本單元連接，增強(qiáng)PLC與外部設(shè)備的通信功能。三菱公司FX2N系列PLC的指令包括基本邏輯指令和功能指令。 PLC電氣控制設(shè)計思想 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的目的在于實現(xiàn)被控對象即生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在PLC電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計上應(yīng)遵循以下基本原則：216。 最大限度的滿足被控對象的控制要求。設(shè)計前應(yīng)深入現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查研究，搜集資料，并與機(jī)械部分的設(shè)計人員和實際操作人員密切配合，共同擬定電氣控制方案，協(xié)同解決設(shè)計中出現(xiàn)的各種問題。216。 在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)，使用及維修方便。216。 保證控制系統(tǒng)的安全、可靠。216。 考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)，在選擇PLC容量時，應(yīng)適當(dāng)保留余量。 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容與步驟PLC控制系統(tǒng)是由PLC與用戶輸入、輸出設(shè)備連接而成的。因此，PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容應(yīng)包括：216。 選擇用戶輸入設(shè)備（按鈕、操作開關(guān)、限位開關(guān)、傳感器等）、輸出設(shè)備（繼電器、接觸器、信號燈等執(zhí)行元件）以及由輸出設(shè)備驅(qū)動的控制對象（電動機(jī)、電磁閥等）。216。 PLC的選擇。PLC是PLC控制系統(tǒng)的核心組成部件。正確選擇PLC對于保證整個控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)技能指標(biāo)起著重要的作用。PLC的選擇應(yīng)包括機(jī)型的選擇、容量的選擇、I/O模塊的選擇、電源模塊的選擇等。216。 分配I/O點，繪制I/O連接圖。216。 設(shè)計控制程序。包括設(shè)計梯形圖、語句表（即程序清單）或控制系統(tǒng)流程圖。216。 設(shè)計控制柜。編制控制系統(tǒng)的技術(shù)文件。包括說明書、電氣圖及電器元件明細(xì)表等。PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計一般包括以下步驟。v 根據(jù)生產(chǎn)的工藝過程分析控制要求。如需要完成的動作（動作順序、動作條件、必須的保護(hù)和聯(lián)鎖等）、操作方式（手動、自動；連續(xù)、單周期、單步等）。v 根據(jù)控制要求確定所需的用戶輸入、輸出設(shè)備。據(jù)此確定PLC的I/O點數(shù)。v 選擇PLC。v 分配PLC的I/O點，設(shè)計I/O連接圖。v 進(jìn)行PLC程序設(shè)計，同時可進(jìn)行控制柜的設(shè)計和現(xiàn)場施工。第四章 PLC的選擇 PLC機(jī)型的選擇機(jī)型選擇的基本原則應(yīng)是在功能滿足要求的情況下，保證可靠、維護(hù)使用方便以及最佳的性能價格比。具體應(yīng)考慮以下幾方面。v 結(jié)構(gòu)合理 對于工藝過程比較固定、環(huán)境條件較好（維修量較小）的場合，選用整體式結(jié)構(gòu)；其他情況則選用模塊式結(jié)構(gòu)PLC。v 功能合理 對于開關(guān)量控制的工程項目，對其控制速度無須考慮，一般的低檔機(jī)就能滿足要求。對于以開關(guān)量為主、帶少量模擬量控制的項目，可選用帶A/D、D/A轉(zhuǎn)換、加減運算、數(shù)據(jù)傳輸功能的低檔機(jī)。對于控制比較復(fù)雜、控制功能要求高的工程項目，可視其控制規(guī)模及復(fù)雜的程度，選用中檔或高檔機(jī)。v 機(jī)型統(tǒng)一 因為機(jī)型統(tǒng)一的PLC，其模塊可以互為備用，便于備品備件的采購和管理；其功能和編程方法統(tǒng)一，有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)、技術(shù)水平的提高和功能的開發(fā)；其外圍設(shè)備通用，資源可共享，配以上位機(jī)后，可把控制各獨立系統(tǒng)的多臺PLC連成一個多級分布式控制系統(tǒng)，相互通信、集中管理。v 是否在線編程 PLC的特點之一是使用靈活。當(dāng)被控設(shè)備的工藝工程改變時，只需用編程器重新修改程序，就能滿足新的工藝要求，給生產(chǎn)帶來很大方便。是否在線編程，應(yīng)根據(jù)被控設(shè)備工藝要求的不同來選擇。對于產(chǎn)品定型的設(shè)備和工藝不常變動的設(shè)備，宜選用離線編程的PLC；反之，可考慮選用在線編程的PLC。 輸入/輸出的選擇 系統(tǒng)I/O點數(shù)的估算1． 控制電磁閥等所需的I/O點數(shù)。由電磁閥的工作原理可知，一個單線圈電磁閥用可編程控制器控制時需要兩個輸入及一個輸出；一個雙線圈電磁閥需要三個輸入及兩個輸出；一個按鈕需一個輸入；一個光電開關(guān)需一個或兩個輸入；一個信號燈需一個輸出；波段開關(guān)有幾個波段就有幾個輸入；一般情況 ，各種位置開關(guān)都需要占用兩個輸入點。2． 控制交流電動機(jī)所需I/O點數(shù)。用可編程序控制器控制交流電動機(jī)時 ，是以主令信號和反饋信號作為可編程序控制器的輸入信號；以可編程序控制器作為控制器，用它的輸出信號驅(qū)動執(zhí)行元件來完成對交流電動機(jī)的控制。3． 控制直流電動機(jī)所需I/O點數(shù)。晶閘管直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速的主要形式，它采用晶閘管整流裝置對直流電動機(jī)供電。用可編程控制器控制的直流傳速系統(tǒng)中，可變程序控制器的輸入除考慮主令信號外，還需考慮合閘信號、傳動裝置綜合故障信號、抱閘信號、風(fēng)機(jī)故障信號等?？勺兂绦蚩刂破鞯妮敵鲋饕紤]速度指令信號正向1~3級、反向1~3級、允許合閘信號、抱閘打開信號等。典型傳動設(shè)備及電氣元件所需可變程序控制器I/O點數(shù)的估計如表41所示。序號電氣設(shè)備、元件輸入點數(shù)輸出點數(shù)I/O總點數(shù)1Y?啟動的籠型電動機(jī)4372單向運行的籠型電動機(jī)4153可逆運行的籠型電動機(jī)5274單向變極電動機(jī) 5385可逆變極電動機(jī)64106單向運行的直流電動機(jī)96157可逆運行的直流電動機(jī)128208單線圈電磁閥2139雙線圈電磁閥32510比例閥35811按鈕開關(guān)1112光電開關(guān)2213信號燈1114撥碼開關(guān)4415三檔波段開關(guān)3316行程開關(guān)1117接近開關(guān)1118抱閘1119風(fēng)機(jī)1120位置開關(guān)22表 41 典型傳動設(shè)備及電氣元件所需可變程序控制器I/O點數(shù) 輸入輸出模塊的選擇可編程序控制器輸入模塊是檢測并轉(zhuǎn)換來自現(xiàn)場設(shè)備（按鈕、限位開關(guān)、接近開關(guān)等）的高電平信號，模塊類型分直流12660V幾種；交流115V和220V兩種。由現(xiàn)場設(shè)備與模塊之間距離的遠(yuǎn)近程度選擇電壓的大小。一般5V、12V、24V屬于低電平，傳輸距離不宜太遠(yuǎn)（如5V的輸入模塊最遠(yuǎn)不能超過10m），也就是說，距離較遠(yuǎn)的設(shè)備選用較高電壓的模塊比較可靠。另外，高密度的輸入模塊如32點、64點，同時接通點數(shù)取決于輸入電壓和環(huán)境溫度。一般來講，同時接通點數(shù)不得超過60%。為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須考慮門檻（接通電平和關(guān)斷電平之差）電平的大小。門檻電平值越大，抗干擾能力越強(qiáng)，傳輸距離也就越遠(yuǎn)。 輸出模塊的任務(wù)是將機(jī)器內(nèi)部信號電平轉(zhuǎn)換為外部過程的控制信號。對于開關(guān)頻率高 、電感性、低功率因數(shù)的負(fù)載，推薦使用晶閘管輸出模塊，缺點是模塊價格高，過載能力稍差。繼電器輸出模塊優(yōu)點是適用電壓范圍寬，導(dǎo)通壓降損失小，價格便宜，缺點是壽命較短，響應(yīng)速度較慢。輸出模塊同時接通點數(shù)的電流累計值必須小于公共端所允許通過的電流值。輸出模塊的電流值必須大于負(fù)載電流的額定值。 內(nèi)存估計用戶程序所需內(nèi)存容量受到以下幾個方面的影響：內(nèi)存利用率，開關(guān)量輸入輸出點數(shù)，模擬量輸入輸出點數(shù)，用戶的編程水平。 內(nèi)存利用率用戶程序通過編程器鍵入主機(jī)內(nèi)，最后是以機(jī)器語言的形式存放在內(nèi)存中。同樣的程序，不同廠家的產(chǎn)品，再把用戶程序變成機(jī)器語言存放時所需的內(nèi)存數(shù)是不同的。我們把一個程序段中的接點數(shù)與存放該程序段所代表的機(jī)器語言所需的內(nèi)存字?jǐn)?shù)的比值稱為內(nèi)存利用率。高的利用率給用戶帶來好處。同樣的程序可以減少內(nèi)存量，從而降低內(nèi)存投資。另外，同樣的程序可縮短掃描周期時間，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 開關(guān)量輸入輸出點數(shù)可變程序控制器開關(guān)量輸入輸出總點數(shù)是計算所需內(nèi)存存儲器容量的重要依據(jù)。一般系統(tǒng)中，開關(guān)量輸入和開關(guān)量輸出的比為6:4。這方面的經(jīng)驗公式是根據(jù)開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出的總點數(shù)給出的。所需內(nèi)存字?jǐn)?shù)=開關(guān)量（輸入+輸出）總點數(shù)10 模擬量輸入輸出點數(shù)具有模擬量控制的系統(tǒng)就要用到數(shù)字傳送和運算的功能指令，這些功能指令的利用率較低，因此所占的內(nèi)存數(shù)較多。在只有模擬量輸入的系統(tǒng)中，一般要對模擬量進(jìn)行讀入、數(shù)字濾波編成子程序使用，這樣會使所占內(nèi)存大大減少，特別是在模擬量路數(shù)比較多時，每一路模擬量的內(nèi)存數(shù)會明顯減少。以下為一般情況下的經(jīng)驗公式：只有模擬量輸入時：所需內(nèi)存字?jǐn)?shù)=模擬量點數(shù)100模擬量輸入輸出同時存在：所需內(nèi)存字?jǐn)?shù)=模擬量點數(shù)200這些經(jīng)驗公式的算法是在10點模擬量左右，當(dāng)點數(shù)小于10時，內(nèi)存字?jǐn)?shù)要適當(dāng)加大，點數(shù)多時，可適當(dāng)減少。 程序編寫質(zhì)量用戶程序優(yōu)劣對程序長短和運行時間都有較大影響。對于同樣的系統(tǒng)，不同用戶編寫的程序可能會使程序長短和執(zhí)行時間差距很大。一般來說，對初學(xué)者應(yīng)為內(nèi)存多留些余量，而對有經(jīng)驗的編程者可少留些余量。以下為推薦的經(jīng)驗計算公式：總存儲器字?jǐn)?shù)=（開關(guān)量輸入點數(shù)+開關(guān)量輸出點數(shù)）10+模擬量點數(shù)150同時，要考慮到余量，一般余量應(yīng)為計算存儲器字?jǐn)?shù)的15%~25%。 選用合適的PLC 確定輸入/輸出設(shè)備及PLC對設(shè)計的輸入/輸出點數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計、分類，以確定PLC的類型。如表所示。本設(shè)計根據(jù)實際輸入輸出設(shè)備使用情況，考慮PLC的選型原則與機(jī)床運營價格，本設(shè)計選用一個小型低檔模塊式PLC實現(xiàn)對機(jī)床的控制，應(yīng)廠家要求選用三菱系列PLC，F(xiàn)X2N64MR型PLC作為該設(shè)計的PLC控制系統(tǒng)的機(jī)型。參照三菱FX系列PLC的編程手冊和I/O點數(shù)要求，考慮各種PLC的價格最終選用FX2N64MR型PLC。該類型的PLC的基本單元具有64個I/O點，輸入/輸出點數(shù)按6：4分配，即包括38個輸入點，28個輸出點。該點數(shù)剛好滿足本設(shè)計輸入/輸出點數(shù)要求，同時還留有一定的裕量。輸入/輸出點數(shù)統(tǒng)計表如表42所示。 表42 輸入/輸出點數(shù)統(tǒng)計表輸入部分代碼點數(shù)輸出部分代碼點數(shù)工作方式選擇開關(guān)SA4接觸器KM8按鈕SB9繼電器KA7行程開關(guān)SQ5電磁閥YV0壓力繼電器SP3指示燈HL3液位繼電器SL2輸入總點數(shù)21輸出總點數(shù)18輸入/輸出總點數(shù)39 分配I/O端口對選擇PLC的I/O端子進(jìn)行分配，其結(jié)果如下表43所示。 表43 I/O端子分配表第5章 PLC電氣控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 電氣原理圖設(shè)計 主電路設(shè)計根據(jù)機(jī)床要完成的加工工序，再有伺服電動機(jī)、輔助電動機(jī)和電磁閥等執(zhí)行器件的控制要求，完成主控回路的設(shè)計。電源進(jìn)入機(jī)柜后先經(jīng)過總閘開關(guān)T、S、R，再接入掛鎖開關(guān)進(jìn)行控制。通過掛鎖開關(guān)將三相電源引入，電源到電動機(jī)繞組的大電流通過短路保護(hù)斷路器QF、電機(jī)啟動時用的接觸器KM的主觸頭才能連接電機(jī)。液壓電機(jī)為M主軸電