plc機械手控制設計

1、plc機械手控制設計前 言隨著工業(yè)自動化發(fā)展的需要，機械手在工業(yè)應用中越來越重要。文章主要敘述了歐姆龍在機械手的控制過程 隨著工業(yè)自動化的普及和發(fā)展，控制器的需求量逐年增大。殼體是閥類控制器上使用的通用型零件，該零件結(jié)構(gòu)復雜，加工精度高，工藝過程長，殼體質(zhì)量一直是影響控制器精度的主要指標之一。由于原有殼體的加工設備陳舊，工藝落后等原因，嚴重影響了控制器的發(fā)展。為了改變落后的生產(chǎn)狀態(tài)，緩解日趨緊張的供求關(guān)系，我們研究開發(fā)了多工步搬運機械手。在設備的整體構(gòu)思，總體布局，機構(gòu)功能，驅(qū)動和控制系統(tǒng)等方面，對原有設備進行了徹底改造，投入運行以來，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)率高，工藝成本降低，深受廠家歡迎本文第一

2、章主要介紹可編程控制器的發(fā)展歷史，plc的定義和特點及plc應用注意的問題。第二章介紹可編程序控制結(jié)構(gòu)原理和工作原理。第三章介紹歐姆龍系統(tǒng)機械手控制。由于編者水平有限，編寫時間短促，書中不妥之處懇請批評指正目 錄1概況51.1可編程控制器的發(fā)展歷史51.2 plc的定義和特點61.2.1 plc的定義61.2.2 plc的特點61.3 plc應用注意的問題71.3.1工作環(huán)境71.3.3 i/o端的接線91.4 plc的發(fā)展階段111.5 plc的發(fā)展趨勢122 可編程序控制結(jié)構(gòu)原理132.1 plc的結(jié)構(gòu)132.2 plc的工作過程與原理142.2.1 plc工作過程142.2.2 plc的

3、工作原理152.3 plc 的i/o 系統(tǒng)173 歐姆龍系統(tǒng)機械手控制173.1 工藝過程與控制要求173.2確定輸入輸出設備及plc193.2.1 機械手的動作流程193.3 plc選型及其i/o點編號分配223.3.1 plc的選型223.3.2旋轉(zhuǎn)編碼器223.3.3 i/o點編號分配223.4 plc梯形圖程序設計243.4.1 機械手工作過程,如圖4功能圖243.4.2 機械手梯形圖253.5指令法語言264 程序調(diào)試28附 錄29參考文獻33【摘要】本論文主要論述了日本歐姆龍系統(tǒng)在機械手中的plc控制，重點介紹了機械手控制系統(tǒng)中的硬件選擇方法、軟件的設計過程和，以及plc 控制氣動

4、機械手裝置的工作原理、運動過程和控制要求等方面。機械手是工業(yè)自動控制領域中經(jīng)常用到的一種控制對象，機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。該程序已在工業(yè)機械手中獲得了應用，具有穩(wěn)定、可靠的性能，可供同類設計參考。應用plc控制機械手實現(xiàn)各種規(guī)定的工序動作，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動生產(chǎn)率。 關(guān)鍵詞： 可編程控制器（plc）、機械手、控制abstractthe present paper mainly elaborated the japanese ohm dragon system in manipulator plc control, with emph

5、asis introduced in the manipulator control system hardware choice method, the software design process and, as well as plc control pneumatic motor manipulator aspects and so on installment principle of work, rate process and control request. the manipulator is one kind of controlled member which in t

6、he industry automatic control domain uses frequently, the manipulator may complete many work, like moves the thing, the assembly, cutting, spurts dyes and so on, the applications are extremely widespread. this procedure has obtained the application in the industry manipulator, has, the reliable perf

7、ormance stably, may supply the similar design reference. controls the manipulator using plc to realize each kind of stipulation working procedure movement, may simplify the control line, saves the cost, enhances the labor productivity. key word: programmable controller (plc), manipulator, control1概況

8、機械手是工業(yè)自動控制領域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。應用plc控制機械手實現(xiàn)各種規(guī)定的工序動作，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動生產(chǎn)率。1.1可編程控制器的發(fā)展歷史 在可編程控制器出現(xiàn)以前，繼電器控制在工業(yè)控制領域占主導地位，由此構(gòu)成的控制系統(tǒng)都是按預先設定好的時間或條件順序地工作，若要改變控制的順序就必須改變控制系統(tǒng)的硬件接線，因此，其通用性和靈活性較差。 20 世紀的六十年代，計算機技術(shù)開始應用于工業(yè)控制領域，由于價格高、輸入輸出電路不匹配、編程難度大以及難于適應惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè)控制領域獲得推廣。 1968

9、 年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司 (gm) 為了適應生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，要求尋找一種比繼電器更可靠，功能更齊全，響應速度更快的新型工業(yè)控制器，并從用戶角度提出了新一代控制器應具備的十大條件，立即引起了開發(fā)熱潮。主要內(nèi)容是： 編程方便，可現(xiàn)場修改程序； 維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)； 可靠性高于繼電器控制裝置； 體積小于繼電器控制盤； 數(shù)據(jù)可直接送入管理計算機； 成本可與繼電器控制盤競爭； 輸入可為市電； 輸出可為市電，容量要求在 2a 以上，可直接驅(qū)動接觸器等； 擴展時原系統(tǒng)改變最少； 用戶存儲器大于 4kb 。 這些條件實際上提出將繼電器控制的簡單易懂、使用方便、價格低的優(yōu)點與計算機的

10、功能完善、靈活性、通用性好的優(yōu)點結(jié)合起來，將繼電接觸器控制的硬接線邏輯轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C的軟件邏輯編程的設想。 1969 年，美國數(shù)字設備公司 (dec 公司 ) 研制出了第一臺可編程控制器 pdp14 ，在美國通用汽車公司的生產(chǎn)線上試用成功，并取得了滿意的效果，可編程控制器自此誕生。 可編程控制器自問世以來 , 發(fā)展極為迅速。 1971 年，日本開始生產(chǎn)可編程控制器。 1973 年，歐洲開始生產(chǎn)可編程控制器。到現(xiàn)在，世界各國的一些著名的電氣工廠幾乎都在生產(chǎn)可編程控制器裝置?？删幊炭刂破饕炎鳛橐粋€獨立的工業(yè)設備被列入生產(chǎn)中，成為當代電控裝置的主導。1.2 plc的定義和特點1.2.1 plc的定義

11、plc問世以來，盡管時間不長，但發(fā)展迅速。為了使其生產(chǎn)和發(fā)展標準化，美國電氣制造商協(xié)會nema（nationalelectricalmanufactoryassociation）經(jīng)過四年的調(diào)查工作，于1984年首先將其正式命名為pc（programmablecontroller），并給pc作了如下定義： “pc是一個數(shù)字式的電子裝置，它使用了可編程序的記憶體儲存指令。用來執(zhí)行諸如邏輯，順序，計時，計數(shù)與演算等功能，并通過數(shù)字或類似的輸入/輸出模塊，以控制各種機械或工作程序。一部數(shù)字電子計算機若是從事執(zhí)行pc之功能著，亦被視為pc，但不包括鼓式或類似的機械式順序控制器?！?以后國際電工委員會(i

12、ec)又先后頒布了plc標準的草案第一稿，第二稿,并在1987年2月通過了對它的定義： “可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設計?！?總之，可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境應用而設計制造的計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅(qū)動能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應用，在實際應用

13、時，其硬件需根據(jù)實際需要進行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進行設計編制。1.2.2 plc的特點1、高可靠性 （1）所有的i/o接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與plc內(nèi)部電路之間電氣上隔離。 （2）各輸入端均采用r-c濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為1020ms. （3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。（4）采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。（5）對采用的器件進行嚴格的篩選。（6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，cpu立即采用有效措施，以防止故障擴大。（7）大型plc還可以采用由雙cpu構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三cpu構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進一步提高。2、豐富的i/o接口模

14、塊 plc針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位； 強電或弱電等。有相應的i/o模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備，如：按鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。 另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。3、采用模塊化結(jié)構(gòu) 為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型plc以外，絕大多數(shù)plc均采用模塊化結(jié)構(gòu)。plc的各個部件，包括cpu，電源，i/o等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4、編程簡單易學 pl

15、c的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。5、安裝簡單，維修方便 plc不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設備與plc相應的i/o端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。 由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復運行。1.3 plc應用注意的問題1.3.1工作環(huán)境1 溫度 plc要求環(huán)境溫度在055，安裝時不能放在發(fā)熱量大的元件下面，四周通風散熱的空間應足夠大，基本單元和擴

16、展單元之間要有30mm以上間隔；開關(guān)柜上、下部應有通風的百葉窗，防止太陽光直接照射；如果周圍環(huán)境超過55，要安裝電風扇強迫通風。2 濕度 為了保證plc的絕緣性能，空氣的相對濕度應小于85%（無凝露）。3 震動 應使plc遠離強烈的震動源，防止振動頻率為1055hz的頻繁或連續(xù)振動。當使用環(huán)境不可避免震動時，必須采取減震措施，如采用減震膠等。4 空氣 避免有腐蝕和易燃的氣體，例如氯化氫、硫化氫等。對于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環(huán)境，可將plc安裝在封閉性較好的控制室或控制柜中，并安裝空氣凈化裝置。5 電源 plc供電電源為50hz、220（110%）v的交流電，對于電源線來的干擾，plc本

17、身具有足夠的抵制能力。對于可靠性要求很高的場合或電源干擾特別嚴重的環(huán)境，可以安裝一臺帶屏蔽層的變比為1：1的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾。還可以在電源輸入端串接lc濾波電路。如圖1所示。歐姆龍系列plc有直流24v輸出接線端，該接線端可為輸入傳感器（如光電開關(guān)或接近開關(guān)）提供直流24v電源。當輸入端使用外接直流電源時，應選用直流穩(wěn)壓電源。因為普通的整流濾波電源，由于紋波的影響，容易使plc接收到錯誤信息。1.3.2安裝與布線1 動力線、控制線以及plc的電源線和i/o線應分別配線，隔離變壓器與plc和i/o之間應采用雙膠線連接。2 plc應遠離強干擾源如電焊機、大功率硅整流裝置和大型動

18、力設備，不能與高壓電器安裝在同一個開關(guān)柜內(nèi)。3 plc的輸入與輸出最好分開走線，開關(guān)量與模擬量也要分開敷設。模擬量信號的傳送應采用屏蔽線，屏蔽層應一端或兩端接地，接地電阻應小于屏蔽層電阻的1/10。4. plc基本單元與擴展單元以及功能模塊的連接線纜應單獨敷設，以防止外界信號的干擾。5 交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜，輸出線應盡量遠離高壓線和動力線，避免并行。1.3.3 i/o端的接線1 輸入接線（1） 輸入接線一般不要超過30米。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時，輸入接線可適當長些。（2） 輸入/輸出線不能用同一根電纜，輸入/輸出線要分開。（3） 盡可能采用常開觸點形式連接到輸入端，

19、使編制的梯形圖與繼電器原理圖一致，便于閱讀。2 輸出連接（1） 輸出端接線分為獨立輸出和公共輸出。在不同組中，可采用不同類型和電壓等級的輸出電壓。但在同一組中的輸出只能用同一類型、同一電壓等級的電源。（2） 由于plc的輸出元件被封裝在印制電路板上，并且連接至端子板，若將連接輸出元件的負載短路，將燒毀印制電路板，因此，應用熔絲保護輸出元件。（3） 采用繼電器輸出時，所承受的電感性負載的大小，會影響到繼電器的使用壽命，因此，使用電感性負載時選擇繼電器工作壽命要長。（4） plc的輸出負載可能產(chǎn)生干擾，因此要采取措施加以控制，如直流輸出的續(xù)流管保護，交流輸出的阻容吸收電路，晶體管及雙向晶閘管輸出的

20、旁路電阻保護。1.3.4 外部安全電路 為了確保整個系統(tǒng)能在安全狀態(tài)下可靠工作，避免由于外部電源發(fā)生故障、plc出現(xiàn)異常、誤操作以及誤輸出造成的重大經(jīng)濟損失和人身傷亡事故，plc外部應安裝必要的保護電路。（1） 急停電路。對于能使用戶造成傷害的危險負載，除了在控制程序中加以考慮之外，還應設計外部緊急停車電路，使得plc發(fā)生故障時，能將引起傷害的負載電源可靠切斷。（2） 保護電路。正反向運轉(zhuǎn)等可逆操作的控制系統(tǒng)，要設置外部電器互鎖保護；往復運行及升降移動的控制系統(tǒng)，要設置外部限位保護電路。（3） 可編程控制器有監(jiān)視定時器等自檢功能，檢查出異常時，輸出全部關(guān)閉。但當可編程控制器cpu故障時就不能控

21、制輸出，因此，對于能使用戶造成傷害的危險負載，為確保設備在安全狀態(tài)下運行，需設計外電路加以防護。（4） 電源過負荷的防護。如果plc電源發(fā)生故障，中斷時間少于10秒，plc工作不受影響，若電源中斷超過10秒或電源下降超過允許值，則plc停止工作，所有的輸出點均同時斷開；當電源恢復時，若run輸入接通，則操作自動進行。因此，對一些易過負載的輸入設備應設置必要的限流保護電路。（5） 重大故障的報警及防護。對于易發(fā)生重大事故的場所，為了確保控制系統(tǒng)在重大事故發(fā)生時仍可靠的報警及防護，應將與重大故障有聯(lián)系的信號通過外電路輸出，以使控制系統(tǒng)在安全狀況下運行。1.3.5 plc的接地 良好的接地是保證pl

22、c可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。plc的接地線與機器的接地端相接，接地線的截面積應不小于2mm2 ，接地電阻小于100；如果要用擴展單元，其接地點應與基本單元的接地點接在一起。為了抑制加在電源及輸入端、輸出端的干擾，應給plc接上專用地線，接地點應與動力設備（如電機）的接地點分開；若達不到這種要求，也必須做到與其它設備公共接地，禁止與其它設備串連接地。接地點應盡可能靠近plc。1.3.6冗余系統(tǒng)與熱備用系統(tǒng)在石油、化工、冶金等行業(yè)的某些系統(tǒng)中，要求控制裝置有極高的可靠性。如果控制系統(tǒng)發(fā)生故障，將會造成停產(chǎn)、原料大量浪費或設備損壞，給企業(yè)造成極大的經(jīng)濟損失。但是僅靠提高控制

23、系統(tǒng)硬件的可靠性來滿足上述要求是遠遠不夠的，因為plc本身可靠性的提高是有一定的限度。使用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)就能夠比較有效地解決上述問題。1冗余控制系統(tǒng) 在冗余控制系統(tǒng)中，整個plc控制系統(tǒng)（或系統(tǒng)中最重要的部分，如cpu模塊）由兩套完全相同的系統(tǒng)組成。兩塊cpu模塊使用相同的用戶程序并行工作，其中一塊是主cpu，另一塊是備用cpu；主cpu工作，而備用cpu的輸出是被禁止的，當主cpu發(fā)生故障時，備用cpu自動投入運行。這一切換過程是由冗余處理單元rpu控制的，切換時間在13個掃描周期，i/o系統(tǒng)的切換也是由r成的。2 熱備用系統(tǒng) 在熱備用系統(tǒng)中，兩臺cpu用通訊接口連接在一起，均處于通電

24、狀態(tài)如圖3所示。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，由主cpu通知備用cpu，使備用cpu投入運行。這一切換過程一般不太快，但它的結(jié)構(gòu)有比冗余系統(tǒng)簡單。1.4 plc的發(fā)展階段 雖然plc問世時間不長，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的不斷進步，plc也迅速發(fā)展，其發(fā)展過程大致可分三個階段： 1、早期的plc（60年代末70年代中期）早期的plc一般稱為可編程邏輯控制器。這時的plc多少有點繼電器控制裝置的替代物的含義，其主要功能只是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制，定時等。它在硬件上以準計算機的形式出現(xiàn)，在i/o接口電路上作了改進以適應工業(yè)控制現(xiàn)場的要求。裝置中的器件

25、主要采用分立元件和中小規(guī)模集成電路，存儲器采用磁芯存儲器。另外還采取了一些措施，以提高其抗干擾的能力。在軟件編程上，采用廣大電氣工程技術(shù)人員所熟悉的繼電器控制線路的方式梯形圖。因此，早期的plc的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點包括簡單易懂，便于安裝，體積小，能耗低，有故障指使，能重復使用等。其中plc特有的編程語言梯形圖一直沿用至今。 2、中期的plc（70年代中期80年代中，后期）在70年代，微處理器的出現(xiàn)使plc發(fā)生了巨大的變化。美國，日本，德國等一些廠家先后開始采用微處 理器作為plc的中央處理單元(cpu)。這樣，使plc得功能大大增強。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運算、計時、計

26、數(shù)等功能以外，還增加了算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠程i/o模塊、各種特殊功能模塊。并擴大了存儲器的容量，使各種邏輯線圈的數(shù)量增加，還提供了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器，使plc得應用范圍得以擴大。 3、近期的plc（80年代中、后期至今）進入80年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場價格大幅度下跌，使得各種類型的plc所采用的微處理器的當次普遍提高。而且，為了進一步提高plc的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。這樣使得plc軟、硬件功能發(fā)生了巨大變化。1.5 plc的發(fā)展趨勢

27、1向高速度、大容量方向發(fā)展為了提高plc的處理能力，要求plc具有更好的響應速度和更大的存儲容量。目前，有的plc的掃描速度可達0.1ms/k步左右。plc的掃描速度已成為很重要的一個性能指標。 在存儲容量方面，有的plc最高可達幾十兆字節(jié)。為了擴大存儲容量，有的公司已使用了磁泡存儲器或硬盤。2向超大型、超小型兩個方向發(fā)展 當前中小型plc比較多，為了適應市場的多種需要，今后plc要向多品種方向發(fā)展，特別是向超大型和超小型兩個方向發(fā)展?，F(xiàn)已有i/o點數(shù)達14336點的超大型plc，其使用32位微處理器，多cpu并行工作和大容量存儲器，功能強。 小型plc由整體結(jié)構(gòu)向小型模塊化結(jié)構(gòu)發(fā)展，使配置更

28、加靈活，為了市場需要已開發(fā)了各種簡易、經(jīng)濟的超小型微型plc，最小配置的i/o點數(shù)為816點，以適應單機及小型自動控制的需要，如三菱公司系列plc3plc大力開發(fā)智能模塊，加強聯(lián)網(wǎng)通信能力為滿足各種自動化控制系統(tǒng)的要求，近年來不斷開發(fā)出許多功能模塊，如高速計數(shù)模塊、溫度控制模塊、遠程i/o模塊、通信和人機接口模塊等。這些帶cpu和存儲器的智能i/o模塊，既擴展了plc功能，又使用靈活方便，擴大了plc應用范圍。 加強plc聯(lián)網(wǎng)通信的能力，是plc技術(shù)進步的潮流。plc的聯(lián)網(wǎng)通信有兩類：一類是plc之間聯(lián)網(wǎng)通信，各plc生產(chǎn)廠家都有自己的專有聯(lián)網(wǎng)手段；另一類是plc與計算機之間的聯(lián)網(wǎng)通信，一般p

29、lc都有專用通信模塊與計算機通信。 為了加強聯(lián)網(wǎng)通信能力，plc生產(chǎn)廠家之間也在協(xié)商制訂通用的通信標準，以構(gòu)成更大的網(wǎng)絡系統(tǒng)，plc已成為集散控制系統(tǒng)（dcs）不可缺少的重要組成部分。4增強外部故障的檢測與處理能力 根據(jù)統(tǒng)計資料表明：在plc控制系統(tǒng)的故障中，cpu占5%，i/o接口占15%，輸入設備占45%，輸出設備占30%，線路占5%。前二項共20%故障屬于plc的內(nèi)部故障，它可通過plc本身的軟、硬件實現(xiàn)檢測、處理；而其余80%的故障屬于plc的外部故障。因此，plc生產(chǎn)廠家都致力于研制、發(fā)展用于檢測外部故障的專用智能模塊，進一步提高系統(tǒng)的可靠性。 5編程語言多樣化 在plc系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷

30、發(fā)展的同時，plc的編程語言也越來越豐富，功能也不斷提高。除了大多數(shù)plc使用的梯形圖語言外，為了適應各種控制要求，出現(xiàn)了面向順序控制的步進編程語言、面向過程控制的流程圖語言、與計算機兼容的高級語言（basic、c語言等）等。多種編程語言的并存、互補與發(fā)展是plc進步的一種趨勢。2 可編程序控制結(jié)構(gòu)原理2.1 plc的結(jié)構(gòu) plc一般由四大部分組成：cpu、存儲器、i/o系統(tǒng)以及其它可選部件。前三大部分是plc完成各種控制任務所必需的，一般稱為plc的基本組成部分。其它可選部件包括編程器、外存儲器、仿真i/o、通訊接口、擴展接口以及測試設備等，主要用于系統(tǒng)的編程組態(tài)、程序存儲、通訊聯(lián)網(wǎng)、系統(tǒng)擴

31、展和系統(tǒng)測試等。1、cpu cpu是plc的核心部件。應該注意的是：在plc中，cpu的概念與普通微型計算機的cpu有很大的不同。在plc中，cpu指的不是一塊集成電路，而是一個模板，其上不僅包括cpu芯片，還有ram和rom或者eprom。而且，在中大型plc中，cpu模板中一般有兩塊cpu芯片，一片用作字處理器（主處理器），用于字節(jié)指令的處理，并實現(xiàn)各種控制作用；另一片用作字處理器（輔助處理器），用于實現(xiàn)位訊息的高速處理。2、數(shù)字i/o接口 用作cpu模板與外部開關(guān)量訊號之間的接口。它完成諸如電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離、串/并型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及對外提供一定的驅(qū)動能力等工作。數(shù)字i/o訊號常來自按鈕、開

32、關(guān)和繼電器觸點等實際開關(guān)量，以及其它外設或受控對象送來的數(shù)字量。3、模擬i/o接口 其輸入部分主要完成阻抗匹配、訊號放大、訊號濾波、i/v變換、v/f變換或者a/d變換等工作，以便將來自受控對象的仿真量轉(zhuǎn)換成plc能夠處理的數(shù)字量。其輸出部分主要實現(xiàn)阻抗匹配、功率放大、波形校正等功能。在一些場合下，仿真訊號也需要與現(xiàn)場電氣隔離。但仿真訊號的隔離比數(shù)字訊號要復雜得多。用于數(shù)字訊號的光電隔離因線性度較差而不能用來隔離仿真訊號，因此仿真訊號常常采用成本較高的隔離放大器來實現(xiàn)電氣隔離。4、特殊功能模板 特殊功能模板一般都自帶cpu和系統(tǒng)軟件，與plc cpu模板并行工作，并通過plc系統(tǒng)總線與cpu模

33、板接口。常見的特殊功能模板包括：高速計數(shù)板（能滿足100khz以上的計數(shù)或定時要求）、具有快速pid調(diào)節(jié)器的死循環(huán)控制模板、通訊模板等。5、電源plc中的電源一般有三類： 1、+5v、15v直流電源：供plc中ttl芯片和集成運放使用；2、供輸出接口使用的高壓大電流的功率電源；3、鋰電池及其充電電源。 考慮到系統(tǒng)的可靠性以及光電隔離器的使用，不同類型的電源其地線也不同。目前plc的發(fā)展非常迅速，型號眾多，各種特殊功能模板不斷涌現(xiàn)。通常根據(jù)其i/o點的數(shù)量將 plc分為三大類：小型機：256點以下（無模擬量）； 中型機：256 2048點（64 128路模擬量）； 大型機：2048點以上（128

34、 512路模擬量）。 具體實現(xiàn)時，通常采用模板式結(jié)構(gòu)，以便用戶根據(jù)實際應用需求進行配置。但一些小型機常制作成一體機，其配置固定，主要供定型成套設備使用；而一些大型機一般在電源、或者cpu，甚至兩者都作了熱備份。2.2 plc的工作過程與原理2.2.1 plc工作過程 plc 采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式。ob1 是用于循環(huán)處理的組織塊（主程序），它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序（組織塊）中斷。在起動完成后，不斷地循環(huán)調(diào)用ob1，在ob1 中可以調(diào)用其它邏輯塊(fb, sfb, fc 或sfc)。循環(huán)程序處理過程可以被某些事件中斷。 在循環(huán)程序處理過程中，cpu 并不直接訪問i/o 模塊中的輸入

35、地址區(qū)和輸出地址區(qū)，而是訪問cpu 內(nèi)部的輸入/輸出過程映像區(qū)。批量輸入、批量輸出。梯形圖中的線圈“通電”時，對應的輸出過程映像位為1 狀態(tài)。信號經(jīng)輸出模塊隔離和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點閉合，使外部負載通電工作。 外部輸入電路接通時，對應的輸入過程映像位(例如i0.0)為1 狀態(tài)，梯形圖中對應的輸入位的常開觸點接通，常閉觸點斷開。 某一編程元件對應的過程映像位為1 狀態(tài)時，稱該編程元件為on，過程映像位為0 狀態(tài)時，稱該編程元件為off。 循環(huán)時間（cycle time）是指操作系統(tǒng)執(zhí)行一次附圖 所示的循環(huán)操作所需的時間，又稱為掃描循環(huán)時間（scan

36、 cycle time）或掃描周期2.2.2 plc的工作原理 最初研制生產(chǎn)的plc 主要用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器接觸器構(gòu)成的控制裝置，但這兩者的運行方式是不相同的： 繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運行的方式，即如果這個繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點（包括其常開或常閉觸點）在繼電器控制線路的哪個位置上都會立即同時動作。 plc 的cpu 則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點（包括其常開或常閉觸點）不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。 為了消除二者之間由于運行方式不同而造成的差異，考慮到繼電器控制裝置各類觸點的動作時間一

37、般在100ms 以上，而plc 掃描用戶程序的時間一般均小于100ms，因此，plc采用了一種不同于一般微型計算機的運行方式掃描技術(shù)。這樣在對于i/o 響應要求不高的場合，plc 與繼電器控制裝置的處理結(jié)果上就沒有什么區(qū)別了。 1掃描技術(shù) 當plc 投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，plc 的cpu 以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。 （1） 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，plc以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入i/o 映象區(qū)中的相應得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)

38、行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，i/o 映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 （2） 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，plc總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序（梯形圖）。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)ram 存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在i/o 映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該

39、梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。 即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在i/o 映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在i/o 映象區(qū)或系統(tǒng)ram 存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。 （3）輸出刷新階段 當掃描用戶程序結(jié)束后，plc就進入輸出刷新階段。在此期間，cpu按照i/o映象區(qū)內(nèi)對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應的外設。這時，才是plc 的真正輸出。 一般來

40、說，plc 的掃描周期包括自診斷、通訊等，如下圖所示，即一個掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時間的總和。 2plc 的i/o 響應時間 為了增強plc 的抗干擾能力，提高其可靠性，plc的每個開關(guān)量輸入端都采用光電隔離等技術(shù)。 為了能實現(xiàn)繼電器控制線路的硬邏輯并行控制，plc 采用了不同于一般微型計算機的運行方式（掃描技術(shù)）。 以上兩個主要原因，使得plc 得i/o 響應比一般微型計算機構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)滿的多，其響應時間至少等于一個掃描周期，一般均大于一個掃描周期甚至更長2.3 plc 的i/o 系統(tǒng) 1i/o 尋址方式 plc的硬件結(jié)構(gòu)主要分單元式和模塊式兩

41、種。前者將plc 的主要部分（包括i/o 系統(tǒng)和電源等）全部安裝在一個機箱內(nèi)。后者將plc 的主要硬件部分分別制成模塊，然后由用戶根據(jù)需要將所選用的模塊插入plc 機架上的槽內(nèi)，構(gòu)成一個plc 系統(tǒng)。 不論采取哪一種硬件結(jié)構(gòu)，都必須確立用于連接工業(yè)現(xiàn)場的各個輸入/輸出點與plc 的i/o 映象區(qū)之間的對應關(guān)系，即給每一個輸入/輸出點以明確的地址確立這種對應關(guān)系所采用得方式稱為i/o 尋址方式。 i/o尋址方式有以下三種 1 固定的i/o 尋址方式 這種i/o 尋址方式是由plc 制造廠家在設計、生產(chǎn)plc 時確定的，它的每一個輸入/輸出點都有一個明確的固定不變的地址。一般來說，單元式的plc

42、采用這種i/o尋址方式。 2 開關(guān)設定的i/o 尋址方式 這種i/o 尋址方式是由用戶通過對機架和模塊上的開關(guān)位置的設定來確定的。 3 用軟件來設定的i/o 尋址方式 這種i/o 尋址方式是有用戶通過軟件來編制i/o 地址分配表來確定的。3 歐姆龍系統(tǒng)機械手控制3.1 工藝過程與控制要求 機械手的全部動作由汽缸驅(qū)動，而汽缸又由相應電磁閥控制。其中，上升、下降和左右移動分別由反線圈兩位電磁閥控制。例如，當下降電磁閥通電時，機械手下降；當下降電磁閥通電時，機械手上升；當上升電磁閥斷電時，機械手上升停止。同樣，左、右移動分別由左移電磁閥和右移電磁閥控制，機械手的放松、夾緊由一個單線圈兩位通電電磁閥控

43、制，當該線圈通電，機械手夾緊；當該線圈斷電，機械手放松。 當機械手移到b傳送帶上準備下降時，為保安全必須在左右工作臺無工作時才允許機械手下降。機械手動作如11-1所示，從原點按下起動按扭，電磁閥通電機械手下降，下降到低時，碰下限位開關(guān)，下降電磁閥通電機械手下降，下降到底時碰下限位開關(guān)，下限位電磁閥斷電，下降停止。同時接通夾緊電磁閥，機械手夾緊，夾緊后上升電磁閥通電，機械手上升，上升到頂時，碰上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止。同時接通右移電磁閥機械手右移。右移到位時，碰到右限位電磁閥右移停止。機械手下降，下降到底時，碰到下限位開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止。同時夾緊電磁閥斷電，機械手放松。放

44、松后上升電磁閥通電。機械手上升。上升到頂時碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止。同時接通右移電磁閥機械手左移，左移到原點時，碰左限位開關(guān)，左移電磁閥斷電，左移停止。至此，機械手經(jīng)過八部動作完成一個周期動作。如下圖：3.2確定輸入輸出設備及plc機械手是工業(yè)自動控制領域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。應用plc控制機械手實現(xiàn)各種規(guī)定的工序動作，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動生產(chǎn)率。圖1 是機械手搬運物品示意圖。 圖1 機械手搬物示意圖圖中機械手的任務是將傳送帶a上的物品搬運到傳送帶b。為使機械手動作準確，在機械手的極限位置安

45、裝了限位開關(guān)sq1、sq2、sq3、sq4、sq5，對機械手分別進行抓緊、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上升、下降動作的限位，并發(fā)出動作到位的輸入信號。傳送帶a上裝有光電開關(guān)sp，用于檢測傳送帶a上物品是否到位。機械手的起、停由圖中的起動按鈕sb1、停止按鈕sb2控制。 傳送帶a、b由電動機拖動。機械手的上、下、左、右、抓緊、放松等動作由液壓驅(qū)動，并分別由六個電磁閥來控制。 3.2.1 機械手的動作流程 傳送帶b處于連續(xù)運行狀態(tài)，故不需要用plc控制。 機械手及傳送帶c 順序動作的要求是： 1) 按下起動按鈕sb1時，機械手系統(tǒng)工作。首先上升電磁閥通電，手臂上升，至上升限位開關(guān)動作； 2) 左轉(zhuǎn)電磁閥通電，手臂

46、左轉(zhuǎn)，至左轉(zhuǎn)限位開關(guān)動作； 3) 下降電磁閥通電，手臂下降，至下降限位開關(guān)動作； 4) 啟動傳送帶a運行，由光電開關(guān)sp檢測傳送帶a上有無物品送來，若檢測到物品，則抓緊電磁閥通電，機械手抓緊，至抓緊限位開關(guān)動作； 5) 手臂再次上升，至上升限位開關(guān)再次動作； 6) 右轉(zhuǎn)電磁閥通電，手臂右轉(zhuǎn)，至右轉(zhuǎn)限位開關(guān)動作； 7) 手臂再次下降，至下降限位開關(guān)再次動作； 8) 放松電磁閥通電，機械手松開手爪，經(jīng)延時2秒后，完成一次搬運任務，然后重復循環(huán)以上過程。 9) 按下停止按鈕sb2或斷電時，機械手停止在現(xiàn)行工步上，重新起動時，機械手按停止前的動作繼續(xù)工作。 根據(jù)對機械手的順序動作要求，可以畫出時序圖如

47、圖2所示。由時序圖可作出圖3所示的機械手動作流程圖。圖2 機械手佛那故作布序圖圖3 機械手功能表3.3 plc選型及其i/o點編號分配 3.3.1 plc的選型 由于機械手系統(tǒng)的輸入/輸出接點少，要求電氣控制部分體積小，成本低，并能夠用計算機對plc進行監(jiān)控和管理，故選用日本omron（立石）公司生產(chǎn)的多功能小型c20p主機。該機輸入點為12，輸出點為8。內(nèi)部主要有：136個輔助繼電器、16個特殊功能繼電器、160個保持繼電器、8個暫存繼電器、48個定時/計數(shù)器、64個16位數(shù)據(jù)存貯器。3.3.2旋轉(zhuǎn)編碼器在可回旋360的轉(zhuǎn)盤機構(gòu)上，安裝有omron公司生產(chǎn)的e6a2增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器將

48、信號傳給plc，實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤機構(gòu)的精確定位。3.3.3 i/o點編號分配 根據(jù)圖3所示的機械手功能表，可以確定電氣控制系統(tǒng)的i/o點分配，如表1所示。 器件代號設備名稱器件代號設備名稱0000sb1啟動0500km帶a接觸器0001sb2停止0510yv1左移電磁閥0001sq1抓緊限位開關(guān)0502yv2右移電磁閥0003 sq2 左限位開關(guān)0503yv3上升移電磁閥0004sq3右限位開關(guān)0504yv4下降移電磁閥0005sq4上限位開關(guān)0505yv5抓緊移電磁閥0006sq5下限位開關(guān)0506yv6放移電磁閥松0007sq6光電檢驗開關(guān)tim00定時器表1 機械手控制i/o分配該機械手的過程如

49、下,按下啟動按鈕0000后,手臂開始上升 到達一定高度后由上升限位開關(guān)sq4(0005)檢測 手臂開始左轉(zhuǎn) 到達左極限位時由手臂左旋極限開關(guān)sq2(0003)檢測 手臂開始下降 到達下降極限位置時,由手臂下降極限開關(guān)sq5(0006) 這時傳送帶a開始運載被送物品前進,當物品到達機械手手掌時,由物品檢測傳感器sq7(0007)檢測到位 停止傳輸帶a前進,同時將物品開始抓緊 是否將物品已抓緊,由抓緊限位傳感器sq2(0002)檢測 然后手臂上升 到達上升限位后由上升限位開關(guān)sq4(0005)檢測 手臂開始右旋 到達后由右旋限位開關(guān)sq3(0004)檢測 手臂開始下降 到達位置后由下降限位開關(guān)sq5(0006)檢測 手臂物品放下.5s后手臂上升進行一輪操作.根據(jù)圖3流程圖和表1的i/o分配表，可以編制出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。圖4 機械手狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖從表中知到系統(tǒng)有8個輸入信號7個輸出信號,選用c20p型plc.輸入系統(tǒng)設備與plc接線圖. 1 輸入輸出設備plc接線圖3.4 plc梯形圖程序設計 3.4.1 機械手工作過程,如圖4功能圖 利用plc的輔助繼電器1000來記憶系統(tǒng)工作狀態(tài),1001作為移動初始傳送條件,1002作為移位時鐘信號,1003用來產(chǎn)生移位時鐘信號,hr000代表機械手的初始狀態(tài),hr001-hr008代表各工步狀態(tài).用tim00來實現(xiàn)放物品延時控制(設為5s