【正文】 如果當(dāng)前控制系統(tǒng)需要改變，只需要對PLC進(jìn)行編程不需要再進(jìn)行復(fù)雜的改造了，因此PLC作為控制器具有很大的靈活性、通用性。現(xiàn)代化的PLC設(shè)備普遍采用技術(shù)成熟的微電子原件和芯片，傳統(tǒng)的繼電器開關(guān)量輸入輸出由無損耗無誤觸發(fā)的半導(dǎo)體原件替代，其可靠性程度是使用傳統(tǒng)以繼電器來實(shí)現(xiàn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)所無法比及的。操作方便、維修容易PLC的編程采用的語言是電氣操作人員普遍熟悉的的梯形圖和功能助記符，用戶可以很方便快速的掌握PLC的編程。工程師編好的程序也能十分清晰直觀的展現(xiàn)在使用者面前，只需要將操作說明書寫清楚，操作人員經(jīng)短期的學(xué)習(xí)就可以使用。因此在開關(guān)量和模擬量的混合控制中無需再增加單獨(dú)的設(shè)備進(jìn)行改造。體積小、重量輕和易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化由于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)需要應(yīng)用大量的繼電器等元件，導(dǎo)致其體積、重量很難縮減，現(xiàn)如今，PLC的出現(xiàn)使用了大量的微電子元件，這樣一來無論從體積還有質(zhì)量上都大大減小，而且PLC是為了工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的專用控制器，在結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用、體積小巧等方面都進(jìn)行了專門優(yōu)化和設(shè)計(jì)，再加上PLC超強(qiáng)的抗干擾能力，讓其成為了工業(yè)生產(chǎn)控制中不二的選擇。 PLC的主要功能PLC是一種應(yīng)用廣泛、發(fā)展迅速的工業(yè)自動(dòng)化控制裝置，尤其在工廠自動(dòng)化(FA)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)重要地位。如今PLC的重量、體積、功耗在原有基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)，硬件價(jià)格也逐漸走低，雖然在配套軟件上價(jià)格較高，但是各廠商為了使自己的產(chǎn)品推廣開也都地自己的軟件價(jià)格進(jìn)行了較大幅度的調(diào)整。PLC產(chǎn)品面臨現(xiàn)場總線的發(fā)展，將再次革新，滿足工業(yè)與民用控制的更高需求[11]。 PLC的經(jīng)濟(jì)分析對PLC的經(jīng)濟(jì)分析，應(yīng)從以下幾方面考慮：從影響成本的各個(gè)因素綜合考慮目前生產(chǎn)設(shè)備的控制裝置有三種類型：繼電器控制；半導(dǎo)體器件控制；PLC控制。從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期長短考慮對舊設(shè)備進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)新的生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備，優(yōu)先考慮的就是生產(chǎn)、設(shè)計(jì)周期問題，生產(chǎn)、設(shè)計(jì)周期越短，投入生產(chǎn)越早，盈利的時(shí)間就早。毫無疑問，就憑借這一點(diǎn)，PLC就可稱為工業(yè)領(lǐng)域中的佼佼者。使用PLC無需要對原有的布線進(jìn)行大量改造，主要在程序上進(jìn)行調(diào)整就可以完成，也就是說按照新的工藝流程對PLC程序重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和編寫就能夠?qū)ιa(chǎn)線進(jìn)行改造。大型網(wǎng)絡(luò)化主要向集散控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，具有一定功能的DCS系統(tǒng)。多功能隨著自調(diào)整、步進(jìn)電機(jī)控制、位置控制、伺服控制等模塊的出現(xiàn)，使PLC控制領(lǐng)域更加寬廣。機(jī)械臂使用滾珠絲桿、滑桿、氣缸、氣夾等部件按照相應(yīng)的功能進(jìn)行組裝來組成；使用的電器元件有步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服放大器、光電傳感器、金屬接近開關(guān)、開關(guān)電源、電磁閥、氣動(dòng)閥等安裝在相應(yīng)的位置完成了實(shí)物裝置的組裝。主要特點(diǎn)：體積小，具有較高的起動(dòng)和運(yùn)行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)器參數(shù)如下表3表3表3表34所示。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有電源輸入部分、信號輸入部分、信號輸出部分等，利用驅(qū)動(dòng)器可以很方便的對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向進(jìn)行控制。驅(qū)動(dòng)器輸入端為低電平有效。另外若不采用驅(qū)動(dòng)器，而采用PLC輸出觸點(diǎn)直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，會(huì)占用很多的輸出觸點(diǎn)，同時(shí)給編程帶來不便。motor伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對象。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。即伺服驅(qū)動(dòng)器（servo drives）又稱為“伺服控制器”，是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。伺服驅(qū)動(dòng)器均采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過程可以簡單的說就是ACDCAC的過程。伺服進(jìn)給系統(tǒng)的要求調(diào)速范圍寬定位精度高有足夠的傳動(dòng)剛性和高的速度穩(wěn)定性快速響應(yīng)，無超調(diào)為了保證生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快，因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)在啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，要求加、減加速度足夠大，縮短進(jìn)給系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間，減小輪廓過渡誤差。可靠性高要求數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)的溫度、濕度、振動(dòng)等環(huán)境適應(yīng)能力和很強(qiáng)的抗干擾的能力。電機(jī)應(yīng)具有大的較長時(shí)間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。 傳感器本裝置中使用的傳感器有接近開關(guān)和行程開關(guān)。機(jī)械臂的伸縮、升降均采用行程開關(guān)來限位，并通過改變行程開關(guān)的位置來調(diào)節(jié)橫軸和豎軸的運(yùn)動(dòng)范圍。與PLC之間的接線圖如下，當(dāng)傳感器動(dòng)作時(shí)，輸出端對地接通。行程開關(guān)：當(dāng)檔塊碰到開關(guān)時(shí)，常開點(diǎn)閉合。本模型所用輸入、輸出均為低電平有效。COM端接PLC的傳感器電源負(fù)端。圖34 電平轉(zhuǎn)換板原理圖 機(jī)械臂的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)過程機(jī)械臂的全部動(dòng)作由步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)需要驅(qū)動(dòng)器，有脈沖輸入時(shí)步進(jìn)電機(jī)才會(huì)動(dòng)作，且每當(dāng)脈沖由低變高時(shí)步進(jìn)電機(jī)走一步；改變電機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)，需要加方向信號。基座正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)和氣夾正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)是通過兩個(gè)繼電器的吸合與斷開來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)該線圈通電時(shí)，機(jī)械臂放松；該線圈斷電時(shí)，機(jī)械臂夾緊[13]。機(jī)械臂的動(dòng)作示意圖如圖36所示機(jī)械臂若不在原點(diǎn)則PLC向驅(qū)動(dòng)器一同時(shí)輸入脈沖信號和電平信號，步進(jìn)電機(jī)一反轉(zhuǎn)，橫軸后縮。上升到底時(shí)碰到上限位開關(guān)，上升停止，回到原點(diǎn)。降到底時(shí)碰到下限位開關(guān)，下降停止，氣夾電磁閥斷電，機(jī)械臂夾緊。上升到頂時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升停止。主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二同時(shí)輸入脈沖信號和電平信號，步進(jìn)電機(jī)二反轉(zhuǎn)，機(jī)械臂下降。放松后，主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二只輸入脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)二正轉(zhuǎn)，機(jī)械臂上升。上升到頂時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升停止。機(jī)械臂后縮，當(dāng)后縮到底時(shí)碰到后限位開關(guān)，然后主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二同時(shí)輸入脈沖信號和電平信號，步進(jìn)電機(jī)二反轉(zhuǎn)，機(jī)械臂下降。至此，機(jī)械臂經(jīng)過八步動(dòng)作完成一個(gè)循環(huán)[14]。本裝置需采用晶體管輸出型可編程控制器，可同時(shí)輸出兩路脈沖到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。故選用和利時(shí)LM3106A主機(jī)，該機(jī)輸入點(diǎn)為14個(gè)，輸出點(diǎn)為10個(gè)。表35PLC的I/O分配表名稱輸入名稱輸出右限位1步進(jìn)電機(jī) PUL右限位2步進(jìn)電機(jī)DIR右限位3步進(jìn)電機(jī) ENA左限位伺服電機(jī)方向下限位伺服電機(jī)使能上限位伺服電機(jī)脈沖步進(jìn)限位夾瓶氣動(dòng)閥啟動(dòng)按鈕直流電機(jī)+復(fù)位按鈕直流電機(jī) 編程指令的選擇方案一：使用起保停電路的編程方式。編出程序規(guī)范，具有易于閱讀和容易查錯(cuò)的優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)榇嬖诖罅康淖员３钟|點(diǎn)，使程序代碼較長。這種編程方式與轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的基本規(guī)則之間有著嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，用它編制復(fù)雜的順序功能圖的梯形圖時(shí)，會(huì)有很大幫助。STL指令（步進(jìn)梯形指令）是三菱廠家設(shè)計(jì)的專門用于順序控制的指令，使用該指令可以使編制順序控制程序更加方便，而且易于調(diào)試和維護(hù)，且代碼較短。 PLC程序的設(shè)計(jì)梯形圖見附錄 PLC程序的調(diào)試由于PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計(jì)的控制裝置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。因此，討論P(yáng)LC設(shè)計(jì)調(diào)試就具有十分重要的意義。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時(shí)，輸入接線可適當(dāng)長些。 （3）利用普通二極管恰當(dāng)?shù)拇釉赑LC輸入回路中，防止信號干擾，使PLC輸入信號大大增強(qiáng)。PLC的供電線路應(yīng)與其他大功率用電設(shè)備或強(qiáng)干擾設(shè)備（如高頻爐、弧焊機(jī)等）分開。我們正是用了隔離變壓器和交流穩(wěn)壓器來抗干擾。初級與次級之間的靜電屏蔽要聯(lián)結(jié)到零點(diǎn)位，接地抽頭配電容耦合最后引出到接地點(diǎn)。這樣可以保證穩(wěn)壓特性又有助于穩(wěn)壓器工作可靠[16]。10%的交流電。該接線端可為輸入及傳感器（如光電開關(guān)或接近開關(guān)）提供直流24V電源。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。對PLC控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應(yīng)采用直接接地方式。所以我們給可編程控制器接上了專用接地線。 機(jī)械臂控制程序的調(diào)試在程序調(diào)試過程中出現(xiàn)了一系列的問題，但最終都一一解決了。經(jīng)過不斷查閱資料，研究、改進(jìn)，最終程序調(diào)試成功。第四章 組態(tài)王在機(jī)械臂控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 組態(tài)王的概述 組態(tài)王的簡介組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。該產(chǎn)品以搭建戰(zhàn)略性工業(yè)應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)為目標(biāo)，集成了對亞控科技自主研發(fā)的工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫（KingHistorian）的支持，可以為企業(yè)提供一個(gè)對整個(gè)生產(chǎn)流程進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、分析及管理的有效平臺(tái)，使企業(yè)能夠及時(shí)有效地獲取信息，及時(shí)地做出反應(yīng)，以獲得最優(yōu)化的結(jié)果。、簡捷易用的配置界面，提供了大量的圖形元素和圖庫精靈，同時(shí)也為用戶創(chuàng)建圖庫精靈提供了簡單易用的接口；該款產(chǎn)品的歷史曲線、報(bào)表及web發(fā)布功能進(jìn)行了大幅提升與改進(jìn)，軟件的功能性和可用性有了很大的提高。此外，還可以實(shí)現(xiàn)值的行列統(tǒng)計(jì)功能。組態(tài)王集成了對KingHistorian的支持，且支持?jǐn)?shù)據(jù)同時(shí)存儲(chǔ)到組態(tài)王歷史庫和工業(yè)庫，極大地提高了組態(tài)王的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，能夠更好地滿足大點(diǎn)數(shù)用戶對存儲(chǔ)容量和存儲(chǔ)速度的要求。具有單個(gè)服務(wù)器支持高達(dá)100萬點(diǎn)、256個(gè)并發(fā)客戶同時(shí)存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)、每秒檢索單個(gè)變量超過20,000 條記錄的強(qiáng)大功能。組態(tài)王系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩個(gè)部分。用戶組態(tài)生成的結(jié)果是一個(gè)數(shù)據(jù)庫文件，稱為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫。運(yùn)行環(huán)境本身沒有任何意義，必須與數(shù)據(jù)庫一起作為一個(gè)整體，才能構(gòu)成用戶引用系統(tǒng)。組態(tài)環(huán)境：組態(tài)生成應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境：解釋執(zhí)行組態(tài)結(jié)果組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫圖41 組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境關(guān)系圖由組態(tài)王生成的用戶應(yīng)用系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略五個(gè)部分組成，如圖42所示。(2)該系統(tǒng)是中文界面,具有人機(jī)界面友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點(diǎn)。在采用組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)編制應(yīng)用程序過程中要考慮以下三個(gè)方面:(1)圖形,是用抽象的圖形畫面來模擬實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場和相應(yīng)的工控設(shè)備。(3)連接,就是畫面上的圖素以怎樣的動(dòng)畫來模擬現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行,以及怎樣讓操作者輸入控制設(shè)備的指令。構(gòu)架合理、連接靈活，結(jié)構(gòu)層次清晰，方便用戶的定制開發(fā)。 組態(tài)王的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組態(tài)王數(shù)據(jù)庫管理功能強(qiáng)大，分為數(shù)據(jù)前處理（可以對設(shè)備采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行多種數(shù)值處理）、數(shù)據(jù)后處理（可通過各種內(nèi)部函數(shù)、運(yùn)算符、腳本程序?qū)?shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理）、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理（提供數(shù)據(jù)瀏覽，各種曲線、報(bào)表等功能構(gòu)件，對存盤數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、排序、運(yùn)算等操作），同時(shí)可以掛接外部數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)ODBC接口和OLE實(shí)時(shí)調(diào)用，可以和SOL、Server、Oracle、Access等數(shù)據(jù)庫相連，提供多種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式，每種方法都可以獨(dú)立使用或組合使用。 組態(tài)王的作用組態(tài)王全中文組態(tài)軟件是真正的32位程序，支持多任務(wù)、多線程，提供近百種繪圖工具和基本圖符。組態(tài)王全中文組態(tài)軟件可完整實(shí)現(xiàn)ODBC接口，可與SQLServer、Oraver、Oracle、Access等主要數(shù)據(jù)庫相連，可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的報(bào)表，并以不同方式增加、刪除數(shù)據(jù)庫中的記錄，支持CAN、PROFIBUS、HART、LONWORKS等多種現(xiàn)場總線。 工程組態(tài)軟件組態(tài)王能夠的最大優(yōu)點(diǎn)是組態(tài)方便，它融會(huì)了中外工控組態(tài)軟件的眾多長處，只要是稍具外語常識(shí)，即可以方便組態(tài)[18]。2) 單擊導(dǎo)航欄中“新建”選項(xiàng)，彈出對話框點(diǎn)擊下一步。4) 最后點(diǎn)擊完成，便建立了新的工程文件。組態(tài)王工程管理窗口 變量的分配在開始定義之前，我們先對系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定需要的變量。 (*備用*) DI002 AT %: BOOL。 (*復(fù)位按鈕*) DI004 AT %: BOOL。 (*右1限位*) DI006 AT %: BOOL。 (*備用*) DI008 AT %: BOOL。 (*備用*) DI010 AT %: BOOL。 (*上限位*) DI012 AT %: BOOL。 (*步進(jìn)前限位*) DI014 AT %: BOOL。 (*左行*) DO002 AT %: BOOL。 (*升降電機(jī)方向TRUE向下FALSE向上*) DO004 AT %: BOOL。 (* 升降伺服電機(jī)使能信號*) DO006 AT %: BOOL。 (*備用*) DO008 AT %: BOOL。 (*前后步進(jìn)電機(jī)方向TRUE向前FALSE向后*) DO010 AT %: BOOL。