數(shù)控機床電氣控制14

1、計算機技術(shù)本身的復(fù)雜性，編程難度大，對工作環(huán)境要求高，因此將繼電器控制邏輯的簡單易懂、操作方便等優(yōu)點與計算機的可編程序、靈活通用等優(yōu)點結(jié)合起來，做成一種能夠適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的控制裝置，就顯得十分必要和迫切?？删幊绦蚩刂破鳎≒rogrammable Controller），簡稱PC或PLC。它是20世紀70年代以來在集成電路、計算機技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制裝置。它可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)實現(xiàn)邏輯控制、順序控制、定時、計數(shù)等各種功能，大型高檔PLC能進行數(shù)字運算、數(shù)據(jù)處理、模擬量調(diào)節(jié)以及聯(lián)網(wǎng)通信等，PLC迅速地從早期的邏輯控制發(fā)展到伺服控制等領(lǐng)域。它具有功能強、可靠性高、配置靈活、使用

2、方便以及體積小、重量輕等優(yōu)點，被廣泛用于自動化控制的各個領(lǐng)域。PLC應(yīng)用的不斷普及，極大地促進了現(xiàn)代工業(yè)的進步與發(fā)展。（1）PLC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)字運算操作的電子系統(tǒng)，它采用了可編程序的存儲器，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)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各類型機械的生產(chǎn)過程。定義強調(diào)了PLC是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的工業(yè)計算機。這種工業(yè)計算機采用面向用戶的指令，因此編程方便。它有豐富的輸入/輸出接口，具有較強的驅(qū)動能力，非常容易與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一體，易于擴充。PLC產(chǎn)品并不是針對某一具體工業(yè)應(yīng)用

3、，其靈活標準的配置能夠適應(yīng)工業(yè)上的各種控制。在實際應(yīng)用時，其硬件配置可根據(jù)實際需要選擇，其軟件則根據(jù)控制要求進行設(shè)計。（2）PLC特點 PLC之所以高速發(fā)展，除了工業(yè)自動化的客觀需要外，還因為它具有許多適合工業(yè)控制的獨特優(yōu)點。它較好地解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便和經(jīng)濟等問題，其主要特點如下：1）可靠性高，抗干擾能力強。PLC是專為工業(yè)控制而設(shè)計的，可靠性高、抗干擾能力強是它最重要的特點之一。PLC的平均無故障間隔時間（MTBF）可達幾十萬小時。一般由程序控制的數(shù)字電子設(shè)備產(chǎn)生的故障有兩種：一種是軟故障，是由于外界惡劣環(huán)境，如電磁干擾、超高溫、超低溫、過電壓及次電壓等引起

4、的未損壞系統(tǒng)硬件的暫時性故障；另一種是由多種因素而導(dǎo)致元器件損壞引起的故障，稱為硬故障。PLC在硬件、軟件上采取了以下提高可靠性的措施。硬件方面：隔離是抗干擾的主要手段之一。在微處理器與I/O電路之間，采用光電隔離措施，有效的抑制了外部干擾源對PLC的影響， 防止外部高電壓進入CPU模板。濾波是抗干擾的有一主要措施。對供電系統(tǒng)及輸入線路采用多種形式的濾波，可消除或抑制高頻干擾。用良好的導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料屏蔽CPU等主要部件可減弱空間電磁干擾。此外，對有些模板還設(shè)置了互鎖保護、自診斷電路等。軟件方面：設(shè)置故障檢測與診斷程序。PLC在每一次循環(huán)掃描過程的內(nèi)部處理期間，檢測系統(tǒng)硬件是否正常，鋰電池電壓是

5、否過低，外部環(huán)境是否正常，如掉電、欠電壓等。狀態(tài)信息保護功能。當軟故障條件出現(xiàn)時，立即把現(xiàn)狀態(tài)重要信息存入指定存儲器，軟硬件配合封閉存儲器，禁止對存儲器進行任何不穩(wěn)定的讀寫操作，以防存儲信息被沖掉。這樣，一旦外界環(huán)境正常后，便可恢復(fù)到故障發(fā)生前的狀態(tài)，繼續(xù)原來的程序工作。由于采取了以上抗干擾措施，PLC的可靠性、抗干擾能力大大提高。2）通用性好，組合靈活。只要改變輸入/輸出組件、功能模塊和應(yīng)用軟件，同一臺PLC可用于不同的受控對象。PLC的硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以靈活地組合以適應(yīng)不同的控制對象、控制模塊和控制功能的要求，給組成各種系統(tǒng)帶來極大的方便。同時，PLC控制系統(tǒng)中的控制電路是由軟件編程

6、完成的，只要對應(yīng)用程序進行修改就可以滿足不同的控制要求，因此PLC具有在線修改能力，功能易于擴展，給生產(chǎn)帶來了“柔性”，具有廣泛的工業(yè)通用性。3）編程簡單，使用方便。PLC采用梯形圖編程方式，既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀的優(yōu)點，又考慮到大多數(shù)工礦企業(yè)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣和微機應(yīng)用水平，因此受到普遍歡迎。這種面向生產(chǎn)的編程方式，與目前微機控制生產(chǎn)對象中常用的匯編語言相比，更容易被操作人員掌握。4）功能完善，適應(yīng)面廣。PLC除基本的邏輯控制、定時、計數(shù)、算術(shù)運算等功能外，配合特殊功能模塊還可以實現(xiàn)點位控制、過程控制、數(shù)字控制等功能，既可控制一臺生產(chǎn)機械，又可控制一條生產(chǎn)線。PLC還具有通信聯(lián)網(wǎng)

7、的功能，可與上位計算機構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。用戶只需根據(jù)控制的規(guī)模和要求，適當選擇的PLC型號和硬件配置，就可組成所需的控制系統(tǒng)。5）PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試和維護方便。PLC用軟件編程取代了繼電器控制系統(tǒng)中的中間繼電器、時間繼電器等器件，使控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝工作量大大減少。PLC的程序大多可以在實驗室進行模擬調(diào)試，然后在現(xiàn)場進行聯(lián)機調(diào)試，既安全，又快速方便，減少了現(xiàn)場調(diào)試的工作量。PLC的故障率很低，且具有完善的自診斷和顯示功能。PLC或外部的輸入裝置和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生故障時，操作人員可根據(jù)PLC提供的報警信息迅速的檢查、判斷、排除故障，維修十分方便。6）體積小、重量輕、功耗低。PLC結(jié)

8、構(gòu)緊密、堅固、體積小巧、功耗低，具備很強的抗干擾能力，易于裝入機械設(shè)備內(nèi)部。由于PLC具備了以上特點，它把計算機技術(shù)與繼電器控制技術(shù)很好的融合在一起，因而它的應(yīng)用幾乎覆蓋了所有工業(yè)，既能改造傳統(tǒng)機械產(chǎn)品，使其成為機電結(jié)合的新一代產(chǎn)品，又適用于生產(chǎn)過程控制。（3）PLC的分類 PLC的分類方法很多，大多是根據(jù)外部特性來分類的。以下三種分類方法用的較為普遍。1）按照點數(shù)、功能不同分類。根據(jù)輸入/輸出點數(shù)、存儲器容量和功能將PLC分為小型、中型和大型三類。小型PLC又稱為低檔PLC。它的輸入/輸出（I/O）點數(shù)一般256點以下，用戶程序存儲器容量小于8KB，具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位等功能，還有

9、少量模擬量I/O功能和算術(shù)運算功能，可以用來進行條件控制、定時計數(shù)控制，通常用來代替繼電器控制，在單機或小規(guī)模生產(chǎn)過程中使用。中型PLC得到I/O點數(shù)一般在2562048點之間，用戶存儲器容量小于50KB，兼有開關(guān)量和模擬量的控制功能。它除了具備小型PLC的功能外，還具有數(shù)字計算、過程參數(shù)調(diào)節(jié)（如比例、積分、微分調(diào)節(jié)）、查表等功能，同時輔助繼電器數(shù)量增多，定時計數(shù)范圍擴大，適用于較為復(fù)雜的開關(guān)量控制，如大型注塑機控制、配料及稱重等小型連續(xù)生產(chǎn)過程控制場合。大型PLC又稱為高檔PLC，I/O點數(shù)超過2048點，進行擴展后還能增加，用戶存儲容量在50KB以上，具有邏輯運算、數(shù)字運算、模擬調(diào)節(jié)、聯(lián)網(wǎng)

10、通信、監(jiān)視、記錄、打印、中斷控制、智能控制及遠程控制等功能，用于大規(guī)模過程控制（如鋼鐵廠、電站）、分布式控制系統(tǒng)和工廠自動化網(wǎng)絡(luò)。2）按照結(jié)構(gòu)形狀分類。根據(jù)PLC組件的組合結(jié)構(gòu)，可將PLC分為整體式和分布式兩種。整體式PLC是將中央處理機、輸入/輸出部件和電源部件集中于一體，裝入機體內(nèi)，形成一個整體，輸入/輸出接線端子及電源線分別在機箱的兩側(cè)，并有相應(yīng)的發(fā)光二極管顯示輸入/輸出狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)的PLC具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、價格低和易于裝入工業(yè)設(shè)備內(nèi)部的優(yōu)點，適用于單機控制，小型PLC通常采用這種結(jié)構(gòu)。模塊式PLC中的各種功能模塊獨立存在，如主機模塊、輸入模塊、輸出模塊和電源模塊等，各模塊

11、做成插件式，在機架底板上有多個插座，使用時將選用的模塊插入底板就構(gòu)成PLC。這種PLC的配置靈活，裝置和維修很方便，也便于功能擴展，大、中型PLC通常采用這種結(jié)構(gòu)。3）按照應(yīng)用情況分類。根據(jù)應(yīng)用情況又可將PLC分為通用型和專用型兩類。通用型PLC可供各工業(yè)控制系統(tǒng)專門設(shè)計的PLC，如數(shù)控機床專用型PLC。PLC和機床計算技術(shù)控（CNC）系統(tǒng)密切配合，用于數(shù)控機床輔助運動的控制。PLC也可與數(shù)控加工中心、計算機網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)（FMS）.(4)PLC的應(yīng)用 目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電力、機械制造、汽車、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保、娛樂等各行各業(yè)。1)

12、順序控制。這是PLC應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器控制。PLC應(yīng)用于單機控制、多機群控制、生產(chǎn)自動線控制，例如注塑機、印刷機械、訂書機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制等。2）運動控制。PLC采用專用的運動控制模塊，對直線運動或圓周運動的位置、速度和加速度進行控制，可實現(xiàn)單軸、雙軸、多軸位置控制，使運動控制與順序控制功能有機地結(jié)合在一起。PLC的運動控制功能廣泛地用于各種機械，如金屬切削機床、裝配機械和機器人等場合。3）過程控制。PLC能控制大量的物理參數(shù)，例如溫度、壓力、速度和流量。PID模塊的提供使PLC具有了閉環(huán)控制的功能，即一個具有PID控制能力的PL

13、C可用于過程控制。當由于控制過程中某個變量出現(xiàn)偏差時，PID控制算法會計算出正確的輸出，把變量保持在設(shè)定值上。4）數(shù)據(jù)處理?，F(xiàn)代PLC具有很強的數(shù)據(jù)處理功能，它不僅能進行數(shù)字運算和數(shù)據(jù)傳送，而且還能進行數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示、打印等，它可以與機械加工中的CNC設(shè)備緊密結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)字控制。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，也可以用于過程控制系統(tǒng)。5）通信聯(lián)網(wǎng)。PLC的通信包括PLC之間、PLC和其他智能控制設(shè)備之間的通信功能。PLC與其他智能控制設(shè)備可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。2.PLC的組成與工作原理（1）PLC的基本組成 PLC是一種面向工業(yè)環(huán)境設(shè)計的專用計算機，它具有

14、與一般計算機類似的結(jié)構(gòu)，也是由硬件和軟件所組成的。1）PLC的硬件結(jié)構(gòu)。PLC的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示。PLC硬件結(jié)構(gòu)由中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入/輸出接口、編程器、電源等幾部分組成。中央處理單元（CPU）。中央處理單元CPU是PLC的核心，他通過地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線與存儲器、I/O接口相連，其主要作用是執(zhí)行系統(tǒng)控制軟件，從輸入接口讀取個開關(guān)狀態(tài)，根據(jù)梯形圖程序進行邏輯處理，并將處理結(jié)果輸出到輸出接口。存儲器。PLC的存儲器是用來存儲數(shù)據(jù)或程序的。存儲器中的程序包括系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序。系統(tǒng)程序用來管理控制系統(tǒng)的運行，解釋執(zhí)行應(yīng)用程序，存儲在只讀存儲器POM中。應(yīng)用程序即用

15、戶程序，一般存放在隨機存儲器RAM 中，由后備電池維持其在一定時間內(nèi)不丟失。也可將用戶程序固化到只讀存儲器中，永久保存。I/O接口電路。I/O接口是CPU與現(xiàn)場I/O設(shè)備聯(lián)系的橋梁。輸入接口和采集輸入信號。數(shù)字量（或稱開關(guān)量）輸入接口用來接收從按鈕、選擇開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、壓力繼電器等傳來的數(shù)字量輸入信號；模擬量輸入接口用來接收電位器、測速發(fā)電機和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號，輸入接口一般要加光耦合器進行隔離。輸出接口電路將內(nèi)部電路輸出的弱電信號轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅(qū)動執(zhí)行元件。數(shù)字量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、變頻器等執(zhí)行裝置。為保證PLC可靠安全和晶閘

16、管輸出三種形式，目前，一般采用繼電器輸出方式。I/O接口除了傳遞信號外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離作用。編程器。編程器可用來輸入和編輯程序，也可用來監(jiān)視PLC運行時各編程元件的工作狀態(tài)。編程器由鍵盤、顯示器、工作方式開關(guān)以及與PLC的通信接口等幾部分組成。一般情況下只在程序輸入、調(diào)試階段和檢修時使用，所以一臺編程器可供多臺PLC使用。編程器可分為簡易編程器、職能型編程器兩種。前者只能聯(lián)機編程，且只能輸入和編輯指令表程序。簡易編程器價格便宜，一般用來給小型PLC編程。職能型編程器即可聯(lián)機編程；既可輸入指令表程序又可直接生成和編輯梯形圖程序，使用起來方便直觀，但價格較高。此外，也可以在微機上運行專用的編程

17、軟件，通過串行通信口使微機與PLC連接，用微機編寫、修改程序，程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計算機。通過網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)遠程編程和傳送。可以用編程軟件設(shè)置可編程序控制器的各種參數(shù)。通過通信，可以顯示梯形圖中觸點和線圈的通斷情況，以及運行時可編程序控制器內(nèi)部的各種參數(shù)，這對于查找故障非常有用。電源。電源的作用是把外部供應(yīng)的電源變換成系統(tǒng)內(nèi)部各單元所需的電源。有的電源單元還向外提供24V直流電源，可供開關(guān)量輸入單元連接的現(xiàn)場無源開關(guān)等使用。電源單元還包括掉電保護電路和后備電池電源，以保持RAM在外部電源斷電后存儲的內(nèi)容不丟失。PLC的電源一般采用開關(guān)電源，其特點是輸入電壓范圍

18、寬、體積小、重量輕、效率高、抗干擾性能好。驅(qū)動PLC負載的電源一般由用戶提供。2）PLC軟件。PLC的軟件分為系統(tǒng)軟件和用戶程序兩大部分。系統(tǒng)軟件由PLC制造商固化在機內(nèi)，用以控制PLC本身的運作。用戶程序由PLC的使用者編制并輸入，用于控制外部被控對象的運行。用戶指令解釋程序則把用戶程序（如梯形圖）逐條解釋，翻譯成相應(yīng)的機器語言指令，由CPU執(zhí)行這些指令。標準程序模塊是一些獨立的程序模塊，各程序塊完成不同的功能，有些完成輸入、輸出處理，有些完成特殊運算等。PLC的各種具體工作都是由這部分程序來完成的。用戶程序。用戶程序是用戶根據(jù)現(xiàn)場控制的需要，用PLC的編程語言編制的應(yīng)用程序。通過編程器將其

19、輸入到PLC內(nèi)存中，用來實現(xiàn)各種控制要求。（2）PLC的工作原理 PLC與繼電器控制系統(tǒng)的工作原理有很大區(qū)別。下面以一個電動機單向起/停電路為例，說明這個問題。圖4-2a所示為繼電器控制系統(tǒng)的起/停控制電路。按下啟動按鈕DB1,線圈KM得電并自鎖，其主觸點閉合令電動機啟動，按下停止按鈕DB2，電動機停。圖4-2b所示則為用PLC實現(xiàn)起/?？刂频慕泳€示意圖。工作時，PLC先讀入10.0、10.1的ON/OFF狀態(tài)，然后按程序規(guī)定的邏輯做運算，若邏輯條件滿足，則Q0.0的線圈應(yīng)得電，使其外部觸點閉合，外電路形成回路驅(qū)動KM，由KM再驅(qū)動電動機。上述工作過程大體上可以讀入狀態(tài)、邏輯運算、發(fā)出輸出信號三步。1）掃描的概念。掃描用來描述PLC內(nèi)部CPU的工作過程。所謂掃描就是依次對各種規(guī)定的操作項目全部進行訪問和處理。PLC運行時，用戶程序中有眾多的指令需要去執(zhí)行，但一個CPU每一時刻只能執(zhí)行一個