【正文】 可編程序控制器的處理速度大大提高，增加了許多特殊功能，使得可編程序控制器不僅可以進行邏輯控制，而且可以對模擬量進行控制。因此，美國電器制造協(xié)會 (NEMA)將可編程序控制器命名為PC(Programmable Controller)，但人們習(xí)慣上將之仍稱為 PLC，以便與個人計算機 PC(Personal Computer)相區(qū)別。 80 年代以來，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)韻迅猛發(fā)展，以 16 位和 32 位微處理器為核心的可編程序控 制器得到迅速發(fā)展。這時的 PLC 具有了高速計數(shù)、中斷技術(shù)、 PID 調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信等功能，從而使 PLC 的應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。 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、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。 PLC 的發(fā)展初期，不同的開發(fā)制造商對 PLC 有不同的定義。為使這一新型的工業(yè)控制裝置的生產(chǎn)和發(fā)展規(guī)范化，國際電工委員會 (IEC)于 1985 年 1 月制定了 PLC 的標(biāo)準(zhǔn)，并給它作了如下定義： 可編程序控制器是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它 采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作命令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)的外部設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則而設(shè)計 [7~8] 。 PLC 硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框如圖 31 所示 ： 18 中 央 處 理 單 元（ C P U ）輸 入電 路電 源系 統(tǒng) 程 序 處 理 器 用 戶 程 序 處 理 器輸 出電 路編 程 器 圖 31 PLC結(jié)構(gòu)框圖 （ 1） 中央處理單元（ CPU） 中央處理器是可編程控制器的核心，它在系統(tǒng)程序的控制下，完成邏輯運算、數(shù)學(xué)運算 、協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作任務(wù)等。 （ 2） 存儲器 存儲器是可編程控制器存放系統(tǒng)程序、用戶程序以及運算數(shù)據(jù)的單元?？删幊绦蚩刂破髋溆袃煞N存儲器，即系統(tǒng)存儲器 (EPROM)和用戶存儲器 (RAM)。 （ 3） 輸入 /輸出（ I/O）電路 輸入輸出電路是可編程控制器和工業(yè)控制現(xiàn)場各類信號連接的部分。 輸入口用來接收生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，輸出口用來送出可編程控制器的運算后得出的控制信息，并通過機外的執(zhí)行機構(gòu)完成工業(yè)現(xiàn)場的各類控制。按照信號的種類歸類有直流信號輸入、輸出，交流信號的輸入、輸出；按照信號的輸人、輸出形式分有數(shù)字量 輸入、輸出，開關(guān)量輸入、輸出，模擬量輸入、輸出。 （ 4） 電源 可編程控制器的電源包括可編程控制器各工作單元供電的開關(guān)電源以及為掉電保護電路供電的后備電源，后者一般為電池。 （ 5） 編程器 編程器是 PLC 的重要外部設(shè)備，利用編程器可將用戶程序送 入 PLC 的用戶程序存儲器，調(diào)試程序、監(jiān)控程序的執(zhí)行過程。編程器從結(jié)構(gòu)上可分為三種類型 ，簡易編程器 、 圖形編程器 和 通用計算機編程。 基本工作原理：我們已經(jīng)知道 PLC 是一種存儲程序的控制器。用戶根據(jù)某一對象的具體控制要求，編制好控制程序后，用編程器將程序鍵人到 PLC 的用戶程序存 儲器中寄存。 PLC 的控制功能就是通過運行用戶程序來實現(xiàn)的。 PLC 運行程序的方式與微型計算機相比有較大的不同，微型計算機運行程序時，一旦執(zhí)行到 END 指令，程序運行結(jié)束。而 PLC 從 0000 號存儲地址所存 19 放的第一條用戶程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)的情況下，按存儲地址號遞增的方向順序逐條執(zhí)行用戶程序，直到 END 指令結(jié)束。然后再從頭開始執(zhí)行，并周而復(fù)始地重復(fù)，直到停機或從運行 (RUN)切換到停止 (STOP)狀態(tài)。我們把 PLC 這種執(zhí)行程序的方式稱為掃描工作方式。每掃描完一次程序就構(gòu)成一個掃描周期。另外， PLC 對輸入、輸 出信號的處理與微型計算機不同。微型計算機對輸入、輸出信號實時處理，而 PLC 對輸入、輸出信號是集中批處理。下面我們具體介紹 PLC的掃描工作過程。 PLC 掃描工作方式主要分三個階段：輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新。 1)輸入采樣 PLC 在開始執(zhí)行程序之前，首先掃描輸入端子，按順序?qū)⑺休斎胄盘?，讀人到寄存輸入狀態(tài)的輸入映像寄存器中，這個過程稱為輸入采樣。 PLC 在運行程序時，所需的輸入信號不是現(xiàn)時取輸人端子上的信息，而是取輸入映像寄存器中的信息。在本工作周期內(nèi)這個采樣結(jié)果的內(nèi)容不會改變，只有 到下一個掃描周期輸入采樣階段才被刷新。 2)程序執(zhí)行 PLC 完成了輸入采樣工作后，按順序從 0000 號地址開始的程序進行逐條掃描執(zhí)行，并分別從輸 入 映像寄存器、輸出映像寄存器以及輔助繼電器中獲得所需的數(shù)據(jù)進行運算處理。再將程序執(zhí)行的結(jié)果寫入寄存執(zhí)行結(jié)果的輸出映像寄存器中保存。但這個結(jié)果在全部程序未被執(zhí)行完畢之前不會送到輸出端子上。 3)輸出刷新 在執(zhí)行到 END 指令，即執(zhí)行完了用戶的所有程序后， PLC 將輸出映像寄存器中的內(nèi)容送到輸出鎖存器中進行輸出，驅(qū)動用戶設(shè)備。 PLC 工作過程除了包括上述三個主要階段外 ，還要完成內(nèi)部處理、通信處理等工作，在內(nèi)部處理階段， PLC 檢查 CPU 模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。在通信服務(wù)階段， PLC 與其他的帶微處理器的智能裝置實現(xiàn)通信 [11~14] 。 分揀系統(tǒng)的控制要求及其流程圖 本課題是基于區(qū)分材料材質(zhì)的不同而設(shè)計的材料分揀系統(tǒng)，主要是實現(xiàn)對鐵質(zhì)、 鋁質(zhì)和不同顏色的材料的自動分揀， 具體控制過程為： （ 1） 接通電源，按下啟動開關(guān)，系統(tǒng)進入啟動狀態(tài)，指示燈綠燈亮。 （ 2） 系統(tǒng)啟動后，下料傳感器 (光電傳感裝置 )檢測到料槽無材料 或各氣缸未復(fù)位 時， 傳送帶須繼續(xù)運行一個行程 10S 后自動停機 ,指示燈紅燈亮。 （ 3） 系統(tǒng)啟動后，下料傳感器 (光電傳感裝置 )檢測到料槽有材料，每隔 2S出料氣缸動作一次，動作時間維持為 1S，將待測材料推到傳送帶上，待測物體 20 開始在傳送帶上運行，并對其進行計數(shù)。 （ 4） 當(dāng) 電感 傳感器檢測到鐵質(zhì)材料時，且其對 應(yīng) 的接近開關(guān)感應(yīng)到材料接近，鐵出料氣缸將待測物體推下，并對其進行計數(shù)。 （ 5） 當(dāng) 電容 檢測傳感器檢測到材料為 鋁質(zhì) 時，且其對 應(yīng) 的接近開關(guān)感應(yīng)到材料接近， 鋁 出料氣缸動作將被檢測到的材料推下，并對其進行計數(shù)。 （ 6） 當(dāng)顏色檢測傳感器檢測到材料 為 紅 色時，且其對 應(yīng) 的接近開關(guān)感應(yīng)到材料接近， 紅色 出料氣缸動作將待測物體推下，并對其進行計數(shù)。 （ 7） 剩余材料在傳送帶上繼續(xù)傳送，當(dāng)最后滑槽對 應(yīng) 的接近開關(guān)感應(yīng)到材料接近，其出料氣缸動作將被檢測到的材料推下，并對其進行計數(shù)。 由分揀控制系統(tǒng)的分揀要求畫出 控制系統(tǒng)的程序流程圖， 圖 32 所示 。 21 開 始傳 送 帶 運 行 為 金 屬 ，到 位為 鋁 質(zhì) ，到 位為 紅 色 ，到 位到 位氣 缸 是 否 歸 位Y 5 是 否 歸 位有 無 物 料 S N自 動 傳 送 ， 每 2 S 傳 送 一 個氣 缸 動 作傳 送 帶 停 止 運 行傳 送 帶 運 行氣 缸 Y V 2 動 作 氣 缸 Y V 3 動 作氣 缸 Y V 4 動 作 氣 缸 Y V 5 動 作氣 缸 Y V 2 復(fù) 位 氣 缸 Y V 3 復(fù) 位 氣 缸 Y V 4 復(fù) 位 氣 缸 Y V 5 復(fù) 位自 動 循 環(huán) 周 期 開 始周 期 是 否 接 受傳 送 帶 停 止 運 行停 止無否否 否 否是 是 是是否否是 是是是否是否 圖 32 材料分揀 系統(tǒng)的程序流程圖 軟件設(shè)計及編程 三菱電機公司提供專用的編程軟件。早期是 MEDOC，目前是 GPPW 編程 22 軟件和 SWOPCFXGP/WINC 編程軟件包。 GX 編程軟件（ GX 開發(fā)器）可以用于生成涵蓋所有三菱電機公司 PLC 設(shè)備的軟件包，使用該軟件可以為FX/A/QnA/Q 系列 PLC 生成程序。 GX 使用 Windows 操作平臺，用梯形圖、指令表或者 SFC 進行編程，程序可以與原先包括基于 DOS 操作系統(tǒng)的程序在內(nèi)的編程軟件相兼容。 三菱 SWOPCFXGP/WINC 編程軟件 如圖 33 是應(yīng)用于 FX 系列 PLC 的中文編程軟件，可在 Windows 9x 或 Windows 及以上操作系統(tǒng)運行。 材料分揀系統(tǒng)采用該軟件作為編程軟件 [10] 。 圖 33 SWOPCFXGP/WINC 窗口 根據(jù)分揀系統(tǒng)的要求設(shè)計出梯形圖，梯形圖的程序如下： 23 24 圖 34 分揀系統(tǒng)的梯形圖的程序 當(dāng)程序設(shè)計好之后必須下載到 PLC 中才可以運行系統(tǒng)，下載時使用的是三菱PLC 專用的編程電纜 SC— 09。這根電纜的一端是接電腦的 RS232 串口，一端接在PLC 的 RS422 通訊串口上。當(dāng)電纜接好之后，打開軟件，進入要下載的文件。先轉(zhuǎn)換文件，然后選擇菜單欄里的“ PLC”選擇“傳送” “寫入”，便可以下載程序到 PLC 中。 傳送程序時，應(yīng)注意以下問題： 1） 計算機的 RS232 端口及 PLC 之間必須用指定的纜線及轉(zhuǎn)換器連接； 2） 執(zhí)行完“讀入”后，計算機中的程序?qū)⒈粊G失，原有的程序?qū)⒈蛔x入的程序所替代， PLC 模式改變成被設(shè)定的模式； 3） 在“寫出”時， PLC 應(yīng)停止運行，程序必須在 RAM 或 EEPROM 內(nèi)存保護關(guān)斷的情況下寫出，然后進行校驗 [11] 。 PLC 程序的傳送 如 圖 35 所示： 25 圖 35 PLC 程序的傳送 材料分揀系統(tǒng)的調(diào)試 在軟件與硬件都已經(jīng)準(zhǔn)備好之后，開始對系統(tǒng)進行調(diào)試。這個過程便于我們發(fā)現(xiàn)問題與不足。通上電源，觀察指示燈，一切正常之后開始加材料。 通過運行，在材 料加入料槽后發(fā)現(xiàn)材料容易被氣缸打飛。從兩個方面解決這個問題，首先調(diào)低氣缸的氣壓，但氣壓波動較大，仍然無法解決問題；從另一個方面入手在出槽口的一端加上擋板，通過試驗，大部分材料可以正常步入傳送帶。此問題順利得到解決。 將氣源送上。調(diào)節(jié)氣動閥氣源管上的螺栓即可調(diào)節(jié)氣動閥的動作力度，直至氣動閥的動作力度合適為止。 材料隨傳輸帶傳送到傳感器時，傳感器并不能感應(yīng)到材料，說明傳感器與物體的距離不適合。通過多次調(diào)試找到了適合的位置，即傳感器的底部與傳送帶的距離。 傳感器通過在通電狀態(tài)下，將待分揀的物料塊放置在傳送帶上，通過不 停調(diào)節(jié)電位器，觀察監(jiān)控畫面的對應(yīng)開關(guān)的通斷，并通過調(diào)節(jié)角度等將傳感器調(diào)節(jié)至最佳狀態(tài)。 電感傳感器與傳送帶最合適距離為 28CM， 電容傳感器與傳送帶最佳距離為 25CM。 顏色傳感器最合適距離為 30CM， 26 傳感器對應(yīng)的各個氣缸在感應(yīng)到材料后便開始動作，但由于氣壓的原因，材料不是被打飛，就是根本沒有觸到材料。首先將總氣源的氣壓穩(wěn)定在 , 然后逐個調(diào)試氣閥的進氣開關(guān)，使氣缸的氣量保留在合適適中的位置。 在軟件與硬件都已經(jīng)準(zhǔn)備好之后，開始對系統(tǒng)進行調(diào)試 。 將硬件各部分的動作幅度進行調(diào)試之后，運行 PLC 程序， 進行軟硬 件的結(jié)合，觀察材料分揀系統(tǒng)中上料、傳送與分揀的過程，完成系統(tǒng)的調(diào)試。 31 4 監(jiān)控畫面的設(shè)計 組態(tài)控制技術(shù) 工控組態(tài)軟件能夠很好地解決傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的種種問題，使用戶能根據(jù)自己的控制對象和控制目的任意組態(tài)，完成最終的自動化控制工程。 本系統(tǒng)采用 MCGS 作為上位機的監(jiān)控軟件。 材料分揀 MCGS 組態(tài)軟件設(shè)計是對分揀系統(tǒng)的 實時采 集以及監(jiān)控，從而實現(xiàn)操作者可以遠(yuǎn)離操作現(xiàn)場就能實現(xiàn)對生產(chǎn)線的控制。 組建工程的總體規(guī)劃是先建立一個用戶窗口，其次是編輯畫面和定義數(shù)據(jù)對象，再次是動畫連接和編寫控制流程，最后是設(shè)備的連接 和調(diào)試。 MCGS組態(tài)軟件是由北京昆侖自動化有限公司研制開發(fā)的，其英文全稱為 Monitor and Control Generated System，即“監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)”。 MCGS 系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩部分。 用戶的所有組態(tài)配置過程都在組態(tài)環(huán)境中運行，組態(tài)環(huán)境相當(dāng)于一套完整的工具軟件，它幫助用戶設(shè)計和構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)。用戶組態(tài)生成的結(jié)果是一個數(shù)據(jù)庫文件，稱為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫。 運行環(huán)境是一個獨立的運行系統(tǒng)，按照組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫中用戶指定的方式進行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計的目標(biāo)和功能。運行環(huán)境本身沒有 任何意義，必須與組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫一起作為一個整體，才能構(gòu)成用戶應(yīng)用系統(tǒng)。一旦組態(tài)工作完成，運行環(huán)境和組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫就可以離開組態(tài)環(huán)境而獨立運行在監(jiān)控計算機上。 組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫完成了 MCGS 系統(tǒng)從組態(tài)環(huán)境向運行環(huán)境的過渡，它們之間的關(guān)系如圖 41 所示。 組 態(tài) 環(huán) 境 ：組 態(tài) 生 成應(yīng) 用 系