【正文】 機集成制造系統(tǒng)（ CIMS）的發(fā)展，采用多 CPU 的 PLC 系統(tǒng)，不斷提高運算速度和數(shù)據(jù)處理能力。 據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示， 1987 年世界 PLC 的銷售額為 25 億美元，此后每年以 13 20%左右的速度遞增。進入 20 世紀 90 年代以來， 世界 PLC 的平均銷售額在 55億美元以上，其中我國約占 1%。當前 PLC 在國際市場上已成為最受歡迎的工業(yè)控制暢銷產(chǎn)品，用 PLC 設(shè)計自動控制系統(tǒng)已成為世界潮流 [7] 。 PLC 的特點 PLC 工作的 可靠性能高，抗干擾能力強 ，它 采用隔離、濾波、屏蔽、聯(lián)鎖等措施 ，這些措施 提高 PLC 的可靠性；采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)工作現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，已集成電路為基本元件，內(nèi)部處理不依賴機械觸電，以保證高可靠性。 PLC 的 配套齊全，功能完善，適用性能強 ，可實現(xiàn)三電一體化，即電控、電儀、電傳一體化，一臺控制裝 置包括邏輯控制功能、過程控制功能、運動控制功能三種功能，可以方便、靈活地適應(yīng)各種工業(yè)需要 。另外 PLC技術(shù) 易學(xué)易用，以繼電器邏輯梯形圖為編程語言，梯形圖符號和定義與常規(guī)的繼電器展開圖完全一致，系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試、建造工作量較小，調(diào)試、維護方便容易，并且程序容易變更 [7] 。 PLC 的 工作原理 PLC 則是采用循環(huán)掃描的工作方式。對每個程序， CPU 從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的 程序循環(huán)掃描， 一個掃描周期主要可分為 3 個階段。 (1)輸入刷新階段 在輸入刷新階段， CPU 掃描全部輸入端口，讀取其狀 態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成輸入端刷新工作后，將關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間即使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。 (2)程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運算結(jié)果存入對應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。當最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入輸入刷新階段。 (3)輸出刷新階段 當所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路（輸出映像寄存器） ，并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成 PLC 的實際輸出 [8] 。 PLC 的選型 本文選擇松下電工 FP0 系列 PLC， FP0 是日本松下電工株式會社繼小型機14 FP1 系列之后又開放的小型 PLC 產(chǎn)品。它集 CPU、 I/O、通信等諸多功能模塊與一體，具有體積小、功能強和性能價格比高等特點，適用單機、小規(guī)模控制，在機床、紡織、電梯控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別適合在我國的中小企業(yè)推廣應(yīng)用。 其特點如下： (1)超小型尺寸，具有世界上最小的安裝面積，寬 25mm高 90mm長 60mm； (2)輕松擴展，擴展單元可直接連接到控制單元上、不需任何電纜； (3)從 I/O 10 點到最大 I/O 128 點的選擇空間； (4)擁有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。 控制系統(tǒng)有自動門手動開啟按鈕 1 個，自動門手動關(guān)閉按鈕 1 個， 1 個光電傳感器， 1 個繼電器。 PLC 需要 3 個輸入點和 1 個輸出點。根據(jù)系統(tǒng)的 I/O 點數(shù)要求，選擇 FP0 系列 PLC 的 C32 型主機。其輸入點數(shù)為 16，輸出點數(shù)為 16，滿足控制要求，故不需要對控制單元進行擴展 [8] 。 PLC 的 I/O 點分配如表 9 所示 。 表 9 PLC 的 I/O 點分配 PLC 點名稱 連接外部設(shè)備 功能說明 X0 手動開啟按鈕 SB1 手動開啟 X1 手動關(guān)閉按鈕 SB2 手動關(guān)閉 X2 光電傳感器 SE1 自動開閉 控制功能 (1)當有人通過自動門時，光電傳感器 SE1 檢測到信號并將信號傳給 PLC，通過 PLC 控制電磁換向閥換向，氣缸的活塞伸 出，從而推動門的開啟。 (2)自動門在開門位置停留 10 秒后，當光電傳感器 SE1 未檢查到信號時，電磁換向閥復(fù)位，氣缸縮回，從而自動進入關(guān)門過程。 (3)在關(guān)門過程中，當有人員通過自動門時，光電傳感器 SE1 檢測到信號時，門立即停止關(guān)閉，并處在開啟狀態(tài)從而使人安全通過自動門。 (4)在門打開后的 10 秒等待時間內(nèi)，若有人員通過自動門時，光電傳感器SE1 檢測到信號，須重新開始等待 10 秒后，再自動進入關(guān)門過程，以保證人員安全通過。 (5)若光電傳感器 SE1 出現(xiàn)故障無法感應(yīng)信號實現(xiàn)電磁閥換向時，人可以按下手動按鈕 使電磁閥換向，從而控制門的開閉。 15 自動門的開閉流程如圖 3 所示 。 圖 3 自動門的開閉流程 程序設(shè)計 (1)梯形圖語言 PLC 的梯形圖在形式上沿襲了傳統(tǒng)的繼電器 —接觸器控制圖，是在原繼電器—接觸器控制系統(tǒng)的繼電器梯形圖基礎(chǔ)上演變而來的一種圖形語言。它將 PLC內(nèi)部的各種編程元件（如繼電器的觸點、線圈、定時器、計數(shù)器等）和各種具有特定功能的命令用專用圖形符號、標號定義，并按邏輯要求及連接規(guī)律組合和排列，從而構(gòu)成了表示 PLC 輸入、輸出之間控制關(guān)系的圖形。 由于它在繼電器接觸器的基礎(chǔ)上加進了許多功能強大、使用靈活的指令，并將計算機的特點結(jié)合進去，使邏輯關(guān)系清晰直觀、編程容易、可讀性強，所實現(xiàn)的功能大大超過了傳統(tǒng)人通過 信號 活塞伸出 開門 手動開按鈕 Y N 延遲 10s 再次信號 Y 活塞縮回 關(guān)門 再次信號 結(jié)束 N N Y 手動關(guān)按鈕 16 的繼電接觸控制電路，所以很受用戶歡迎。它是目前用的最多的 PLC 編程語言。 (2)梯形圖程序 根據(jù) 自動門的 控制要求 以及自動門的開閉流程圖 3， 編寫 控制系統(tǒng)的 PLC程序 梯形圖，如圖 4 所示 。 圖 4 PLC 程序 梯形圖 自動門的開閉方式分析 (1)自動開閉 1)當有人員通過自動門，光電傳感器 SE1 檢測到信號時，電磁閥換向，氣缸的活塞伸出，從而推動門 的開啟。 2)自動門在開門位置停留 10 秒后，當光電傳感器 SE1 未檢查到信號時，電磁閥復(fù)位，氣缸縮回，從而進入自動關(guān)門過程。 3)在關(guān)門過程中，若有人員通過自動門時，光電傳感器 SE1 檢測到信號時，門立即停止關(guān)閉，并處在開啟狀態(tài)從而使人安全通過自動門。 4)在門打開后的 10 秒等待時間內(nèi)，若有人員通過自動門時，光電傳感器 SE1檢測到信號，須重新開始等待 10 秒后，再自動進入關(guān)門過程，以保證人員安全通過。 (2)手動開閉 若光電傳感器 SE1 出現(xiàn)故障無法感應(yīng)信號實現(xiàn)電磁閥換向時，人員通過自動門時可以按下手動按鈕 SB1 使 電磁閥換向，從而使自動門開啟；通過自動門后，按下手動按鈕 SB2 使電磁閥復(fù)位，從而使自動門關(guān)閉。這手動的過程中，門的開 閉 仍然是通過 PLC 控制的。 17 PLC 的硬件選擇 傳感器的功能 與 選擇 (1)光電傳感器的簡單介紹 傳感器就是能感知外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成可用信號的裝置；簡單說傳感器是將外界信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。所以它由敏感元器件（感知元件）和轉(zhuǎn)換器件兩部分組成 。 在這次設(shè)計中所采用的是傳感器是光電傳感器， 光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外 、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此 ， 光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。 光 電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的 其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置和 機器人中獲得廣泛應(yīng)用 [9] 。 (2)光電傳感器的接線方式 自動門的 自動開閉氣動系統(tǒng) 采用光電傳感器來檢測信號的有無，其接線方法如圖 5 所示。 圖 5 光電傳感器接線 PLC 的硬件接線 此次自動門的設(shè)計采用了 自動開閉氣動 系統(tǒng)，改變了以往自動門的復(fù)雜 編程設(shè)計， 簡單實用，可用于各種場合， PLC 的編程比以往自動門的 PLC 編程要簡單，容易理解，便于調(diào)試。 繪制 PLC 的硬件接線圖，如圖 6 所示。 負 載紅藍+18 圖 6 PLC 的硬件接線 6 自動門的模擬 自動門主要部分的三維建模 自動門 主要部件圖 在自動門的主要部件建模中，使用了一些常用的命令，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、矩陣等 Pro/ENGINEER Wildfire 常用 的建模命令。 對門的主要 部 件的建模如圖 7 所示。 其中 門的實際高度為 m2 ，寬為 1m ，厚為 ，為了便于觀察門的 運動，建模時門的高度 ，寬為 ，厚為 。 自動門主要部件的裝配 Pro/ENGINEER Wildfire 不僅提供了提供了強大的零件設(shè)計 工功能，同時也提供了 強大的零件裝配功能。在 Pro/ENGINEER Wildfire 中，零件裝備是通過定義零件模型之間的裝配約束來實現(xiàn)的。裝配的主要步驟包括建立零件裝配模式和調(diào)入零件進行裝配兩個部分。 自動門主要部件的裝配過程是將前面已經(jīng)建立好的各零部件模型組裝在一起的過程，為后面的運動仿真及分析做基礎(chǔ)。 對自動門 的主要部件進行裝配的 大致過程如下所示。 (1)打開 Pro/ENGINEER 后， 首先 新建裝配模型文件。 單 擊 主菜單 下拉欄 中 的 “ 新建 ” 選項 ， 選擇 類型中的 “ 組件 ” 選項， 子類型 仍然 按系統(tǒng) 默認的 “ 設(shè)計 ” 選項，在名稱一欄輸入 “menzhuangpei”，取消 “使用缺省模板 ”復(fù)選框，單擊確定按鈕，在接下來出現(xiàn)的對話框中 勾選 “mns_asm_design”作為裝配模板，這樣就選取了零件裝配模式； (2)調(diào)入基準零件。單擊主菜單欄 中 “ 插入 ” 選項的 下拉菜單中的 “ 元件 ”命令，然 后 在系統(tǒng)彈出的 “ 元件 ” 菜單中選 擇 “ 裝配 ” 選項 ；或者直接點擊右側(cè) 19 插入元件按鈕 ，即可依次選擇要裝配的各元件； (a) 門 (b) 門框 (c) 齒輪 (d) 軸承 (e) 支座