基于PLC的機械手控制0522_畢業(yè)論文.pdf

1 畢業(yè)設計（論文） 本科畢業(yè)設計（論文） 題 目： 基于 PLC 的機械手控制 學 院： 機械與自動控制學院 專 業(yè)： 09 機械設計制造及其自動化 4 班 姓 名： 劉俊 學 號： B09300417 指導教師： 唐浙東 2013 年 05 月 15 日 2 浙 江 理 工 大 學 機械與自動控制學院 畢業(yè)論文誠信聲明 我謹在此保證：本人所寫的畢業(yè)論文，凡引用他人的研究成果均已在參考文獻或注釋中列出。論文主體均由本人獨立完成，沒有抄襲、剽竊他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的研究成果行為。如出現(xiàn)以上違反知識產(chǎn)權(quán)的情況，本人愿意承擔相應的責任。 聲明人（簽名）：劉俊 2013 年 05 月 15 日 3 摘 要 在 工業(yè) 生產(chǎn)和其他領域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危及生命。自從機械手問世以來，相應的各種難題迎刃而解。 機械手 可在 空間抓、放、搬運物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量 自動化 生產(chǎn)，廣泛應用于柔性 自動線 。此設計 基于 PLC為基礎，設計一種三自由度機械手的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對 多個步進電機的開環(huán)控制，并運用 組態(tài)王 Kingview軟件繪制上位機程序 。 機械手設計主要是依靠限位開關和步進電機的控制及推動來實現(xiàn)的。機械手的所有動作均采用脈沖控制、電驅(qū)動。它的上升/下降、左移 /右移和左旋轉(zhuǎn) /右旋轉(zhuǎn)均采用步進電機完成。機械手的動作轉(zhuǎn)換依靠限位開關來控制并且按照一定的順序動作。 本設計所用機械部件有 模擬機械手爪， 電氣方面有 PC、 歐姆龍 CP1H、開關電源、 電機驅(qū)動器 等部件。 關鍵詞 :PLC；步進電機；機械手；控制系統(tǒng) 4 Abstract In industrial production and other areas, as a result of the need, people often subjected to high temperature, corrosive and toxic gas hazards, increased labor intensity, and even life-threatening. Since the advent of robot, all kinds of problems solved. Robot caught in the space, put, handling objects, actions flexible, applicable to transform the production of varieties in small-volume automated production, widely used in flexible automatic line. This design is based on the PLC-based control system design of a three-degree-of-freedom robot, multiple stepper motor open-loop control, and the use of configuration the king KingView software draw host computer program. Robot designed primarily limit switches and stepper motor control and promote. All the actions of the robot are used pulse control, electric drive. It up / down, left / right and left rotation / right rotation is completed by a stepping motor. Converting the movement of the manipulator to rely on the limit switch to control and according to a certain sequence of actions. The design mechanical components with analog mechanical gripper, electrical PC Omron CP1H, switching power supplies, motor drives and other components. Key words: PLC； Stepping motor； Manipulator； Control syst 5 目 錄 摘 要 Abstract 第 1 章 緒 論 . 1 1.1機械手的背景 . 1 1.2柔性制造系統(tǒng) . 1 第 2 章 機械手單元 . 4 2.1機械手在柔性制造系統(tǒng)中的位置和功用 . 4 2.2機械手的執(zhí)行機構(gòu) . 4 2.3機械手的動作及其流程圖 . 5 2.3.1 機械手的主要動作及其坐標變化 . 5 2.3.2 機械手的工作流程圖 . 5 2.4 機械手控制方案 . 6 第 3 章 可編程控制器 . 7 3.1 PLC可編程控制器概述 . 7 3.1.1 PLC 可編程控制器定義 . 7 3.1.2 PLC 可編程控制器的基本構(gòu)成 . 7 3.2 PLC可編程控制器的特點 . 10 3.3 PLC可編程控制器應用領域 . 12 3.4 PLC可編程控制器的國內(nèi)外狀況 . 13 第 4 章 電路中的主要元器件 . 15 4.1 歐姆龍 CP1H可編程控制器 . 15 4.1.1 歐姆龍 CP1H 功能特點介紹 . 15 4.1.2 歐姆龍 CP1H 輸入輸出介紹 . 15 4.1.3 歐姆龍 PLC 的特長 . 15 4.2 步進電機 . 17 4.2.1 步進電機工作原理及應用 . 17 4.2.2 步進電機的選擇 . 17 6 4.3 步進電機驅(qū)動器 . 19 4.3.1 步進電機驅(qū)動器概述及控制原理 . 19 4.3.2 步進電機驅(qū)動器選擇 . 20 4.4 接近開關 . 20 4.4.1 接近開關工作原理及應用 . 20 4.4.2 接近開關的選擇 . 21 第 5 章 基于 PLC 控制的機械手硬件設計 . 22 5.1 PLC可編程控制器布線與連接 . 22 5.1.1 PLC 輸入端子的布線與連接 . 22 5.1.2 PLC 輸出端子的布線與連接 . 23 5.2 步進電機驅(qū)動器與電機連接 . 25 第 6 章 基于 PLC 控制的機械手軟件設計 . 26 6.1 PLC的 I/O口定義 . 26 6.1.1 PLC 輸入端 I 的定義 . 26 6.1.2 PLC 輸出端 O 的定義 . 26 6.2 PLC的程序編寫 . 27 6.3 組態(tài)王 KINGVIEW控制界面設計 . 27 6.3.1 組態(tài)王軟件簡介 . 33 6.3.2 控制界面開發(fā)設計 . 34 6.4 控制系統(tǒng)的程序調(diào)試步驟 . 35 6.5 調(diào)試過程中要注意的事項 . 35 第 7 章 結(jié)束語 . 37 參考文獻 . 38 致 謝 . 39 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 1 第 1 章 緒 論 1.1 機械手的背景 及其發(fā)展 工業(yè)機器手是最近幾十年發(fā)展起來的一種高新技術(shù)自動化生產(chǎn) 設備。工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構(gòu)造和性能上兼顧人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。 機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置，廣泛應用于自動化生產(chǎn)線，危險品及有害物品的搬運裝卸等。機械手目前雖然不如人手靈活，但是它能夠不斷的重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險抓舉重物的力量比人手大的特點，因此獲得日益廣泛的應用。 目前國內(nèi)機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱 處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國內(nèi)主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專用機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手。 國外機械手在機械制造行業(yè)中應用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)。國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。目前世界高端工業(yè)機械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢。 機械手技術(shù)涉 及到力學、機械學、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學領域，是一門跨學科綜合技術(shù)。 本課題的主要目的是了解機械手的工作原理，設計工件加工機械手的控制系統(tǒng)。 1.2 柔性制造系統(tǒng) 隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，產(chǎn)品的復雜程度也隨之增加，而產(chǎn)品的市場壽命日益縮短，更新?lián)Q代加速，中、小批量生產(chǎn)占有越來越重要的地位。面臨這 新的局面，必須大幅度提高制造柔性和生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗，從而降低生產(chǎn)成本，以獲得更好的經(jīng)濟效益。柔性制造系統(tǒng)正是在這種形勢下應運而生的。 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 2 柔性制造系統(tǒng)是由數(shù)控加工設備、物料運儲裝置和計算機控制系統(tǒng)等組成的自動化制造系統(tǒng)。它包括多個柔性制造單元，能根據(jù)制造任務或生產(chǎn)環(huán)境的變化迅速進行調(diào)整，以適宜于多品種、中小批量生產(chǎn)。它通過簡單地改變軟件的方法能夠制造出多種零件中任何一種零件。 本次柔性制造系統(tǒng)主要由六個單元模塊組成 ,分別為上料檢測單元 ,機械手單元 ,加工單元 ,CCD尺寸檢測單元 ,輸送帶單元 ,倉庫單元。通過網(wǎng)絡控制管理系統(tǒng)（見圖1-1）可以在工作站中實現(xiàn)各部分的控制、協(xié)調(diào)工作與遠程監(jiān)控，進行各類實驗教學工作。 圖 1-1 柔性制造系統(tǒng)網(wǎng)絡監(jiān)控管理示意圖 通過該系統(tǒng)，使學生可通過實驗了解柔性制造系統(tǒng)的基本組成和基本原理，為學生提供一個開放性的，創(chuàng)新性的和可參與性的實驗平臺，讓學生全面掌握機電一體化技術(shù)的應用開發(fā)和集成技術(shù)，幫助學生從系統(tǒng)整體角度去認識系統(tǒng)各組成部分，從而多媒體 教 學 學生 1 學生 2 學生 20 教師 遠程工作站 多媒體教學環(huán)境 網(wǎng)絡設備 1.上料檢測單元 以太網(wǎng) 2.機械手單元 3.加工單元 4.CCD 檢測單元 5.輸送帶單元 6. 倉 庫 單元 以太網(wǎng) 以太網(wǎng) 以太網(wǎng) 以太網(wǎng) 以太網(wǎng) 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 3 掌握機電控制系統(tǒng)的組成、功能及控制原理?？梢源龠M學生在機械設計、電氣自動化、自動控制、機器人技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)等方面的學習 ,并對電機驅(qū)動及控制技術(shù)、 PLC控制系統(tǒng)的設計與應用、計算機網(wǎng)絡通信技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)、高級語言編 程等技能得到實際的訓練，激發(fā)學生的學習興趣，使學生在機電系統(tǒng)的設計、裝配、調(diào)試能力等方面均能得到綜合提高。浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 4 第 2 章 機械手單元 2.1 機械手在柔性制造系統(tǒng)中的位置和功用 機械手處于該柔性制造系統(tǒng)由輸送單元到加工單元的中間位置，主要功用是將輸送帶上的毛培抓取并轉(zhuǎn)移到加工單元的加工平臺上，待加工完畢后再將加工好的零件轉(zhuǎn)移到輸送帶上，以便輸送至下一單元。由于該柔性制造系統(tǒng)需要在以太網(wǎng)模式下工作，因此機械手的控制模塊還必須具備以太網(wǎng)的通訊編程能力。 2.2 機械手的執(zhí)行機構(gòu) 機械手主要由手部和運動機構(gòu)組成。手部是用來 抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復雜。本次設計采用三自由度。 機械手的主要工作歸納為機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，手臂的升降、小臂的升降和夾具的夾緊與松開，其中機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)有步進電機來驅(qū)動，其他通過步進 電機和滾珠絲杠相連來驅(qū)動。所以需要 4個步進電機滾珠絲杠 是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的產(chǎn)品。機械手裝置圖如圖 2-1。 圖 2-1 機械手裝置圖 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 5 2.3 機械手的動作及其流程圖 2.3.1 機械手的主要動作及其坐標變化 根據(jù)系統(tǒng)要求，機械手單元需要在網(wǎng)絡的控制下完成將毛培轉(zhuǎn)移到加工臺上， 等待加工結(jié)束，再將加工好的零件運送到輸送帶上，然后重復操作，實現(xiàn)連續(xù)工作。為了方便對其動作監(jiān)控，給機械手設定了 X， Z，三個坐標，實現(xiàn)完全定位。其具體動作及坐標變化如下： 1)機械手處于連續(xù)工作位置， 此時 X=-245mm， Z=265mm， =0。，按下連續(xù)工作按鈕，機械手開始連續(xù)工作模式。 2)機械手順時針旋轉(zhuǎn) 80，到達傳送帶正上方，此時 X=-245mm， Z=265mm，=80。 3)機械手下降 200mm，抓取傳送上毛培，此時 X=-245mm， Z=65mm， =80。 4)機械手等待 2s，確保完全夾緊毛培件，此時坐標不變 X=-245mm， Z=65mm， =80。 5)機械手上升 100mm，讓毛培與加工臺處于同一平面，此時 X=-245mm， Z=165mm， =80。 6)機械手逆時 針旋轉(zhuǎn) 80，將毛培放到加工臺上，此時 X=-245mm， Z=165mm， =0。 7)機械手等待 2s，確保毛培完全釋放，此時坐標不變 X=-245mm， Z=165mm，=0。 8)機械手上升 100mm，以便離開加工區(qū)域，此時 X=-245mm， Z=265mm， =0。 9)機械手右移 200mm，離開機床工作范圍，此時 X=-45mm， Z=265mm， =0。 10).機械手等待 5s，機床將毛培加工為零件，此時坐標不變 X=-45mm， Z=265mm， =0。 11).機械手左移 200mm，準備抓取 零件，此時 X=-245mm， Z=265mm， =0。 12).機械手下降 100mm，抓取零件，此時坐標 X=-245mm， Z=165mm， =0。 13).機械手等待 2s，確保完全夾緊零件，此時坐標不變 X=-245mm， Z=165mm，=0。 14).機械手順時針旋轉(zhuǎn) 80，到達傳送帶正上方，此時 X=-245mm， Z=165mm，=80。 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 6 15).機械手下降 100mm，放下零件，此時 X=-245mm， Z=65mm， =80。 16).機械手上升 200mm，便于回到原位，此時 X=-245mm， Z=265mm， =80。 17).機械手逆時針旋轉(zhuǎn) 80，回到原位置，此時 X=-245mm， Z=265mm， =0。 18).重復以上動作，完成連續(xù)自動工作。 2.3.2 機械手的工作流程圖 機械手的動作順序如下： 機械手沿原點位置順轉(zhuǎn)、下降、上升、逆轉(zhuǎn)、上升、右移、左移、下降、順轉(zhuǎn)、下降、上升、逆轉(zhuǎn)返回原點，完成毛培由傳送帶到加工臺，再由加工臺到傳送帶的周期性動作，實現(xiàn)了毛培的傳送到零件的運輸功能。根據(jù)機械手的動作順序，可以畫出如圖 2-2所示的流程圖： 逆轉(zhuǎn) 圖 2-2 機械手控制系統(tǒng)流程圖 2.4 機械手控制方案 現(xiàn)在工業(yè)機械手的控制方案主要有兩種。一種是選擇單片機嵌入式系統(tǒng)控制 ,這種控制價格相對較低 ,但是適應性較差 ,需要進行復雜的電路微電子設計 ,并且拓展性較差 ,編程復雜 ,不太適合柔性制造系統(tǒng)。另一種是選擇可編程控制器控制 ,這種控制方案抗干擾能力強 ,不需要進行復雜的電路設計 ,梯形圖編程相對簡單容易上手 ,適應強 ,非常適合工業(yè)級的自動化生產(chǎn)。所以本次設計選擇可編程控制器為機械手的控制方案。機械手的控制方案圖見圖 2-3。 圖 2-3 機械手控制系統(tǒng)方案圖 順轉(zhuǎn) 下降 上升 逆轉(zhuǎn) 上升 右移 逆轉(zhuǎn) 上升 下降 順轉(zhuǎn) 下降 左移 PC 機 組態(tài)王 CX-ONE 網(wǎng)絡路由器 PLC 以太網(wǎng)模塊 內(nèi)部程序 步進電機驅(qū)動器 機械手裝置 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 7 第 3 章 可編程控制器 3.1 PLC 可編程控制器概述 3.1.1 PLC 可編程控制器定義 “ PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 PLC 及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。” 3.1.2 PLC 可編程控制器的基本構(gòu)成 從結(jié)構(gòu)上分， PLC 分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式 PLC包括 CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括 CPU模塊、 I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。 PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，基本構(gòu)成為：電源、中央處理單元（ CPU）、存儲器、輸入輸出接口電路（ I/O模塊）、底板或機架、功能模塊、通信模塊、編程設備、人機界面等。 電源 PLC的電源用于為 PLC各模塊的集成電路提供工作電源，在整個 系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此 PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在 +10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將 PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。同時，有的還為輸入電路提供 24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（ 220VAC或 110VAC），直流電源（常用的為 24VDC）。 中央處理單元 (CPU) 中央處理單元 (CPU)是 PLC的控制中樞，是 PLC的核心起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個 CPU。它按照 PLC系統(tǒng)程序賦予的功 能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、 I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當 PLC 投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 8 和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入 I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。 為了進一步提高 PLC 的可靠性，近年來對大型 PLC還采用雙 CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三 CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個 CPU 出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 CPU速度和內(nèi)存容量是 PLC的重要參數(shù)，它們決定著 PLC的工作速度， IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 存儲器 存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器；存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 輸入輸出接口電路（ I/O模塊） PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（ I/O）完成的。 I/O模塊集成了PLC的 I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信 號變換成數(shù)字信號進入 PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。 I/O分為開關量輸入（ DI），開關量輸出（ DO），模擬量輸入（ AI），模擬量輸出（ AO）等模塊。 現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是 PLC 與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道。 現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用 PLC通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應的控制信號。 常用的 I/O分類如下： 開關量：按電壓水平分，有 220VAC、 110VAC、 24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。 模擬量：按信 號類型分，有電流型（ 4-20mA,0-20mA）、電壓型（ 0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。除了上述通用IO外，還有特殊 IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。 按 I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量， I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。 底板或機架 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 9 大多數(shù)模塊式 PLC 使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使 CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體 。 功能模塊 如計數(shù)、定位等功能模塊 通信模塊 如以太網(wǎng)、 RS485、 Profibus-DP通訊模塊等 編程設備 編程器是 PLC開發(fā)應用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統(tǒng)作一些設定、監(jiān)控 PLC 及 PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。小編程器 PLC一般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當編程器。 人機界面 最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機（運行組態(tài)軟件）充當人機界面非常普及。 可靠性高，抗干擾能 力強 PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關的少量硬件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的 1/101/100，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。 高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的 F 系列 PLC 平均無故障時間高達 30 萬小時。一些使用冗余 CPU的 PLC的平均無故障工作時間則更長。從 PLC的機外電路來說，使用 PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比， 電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外， PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。 硬件配套齊全，功能完善，適用性強 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 10 PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，并且已經(jīng)標準化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng) 。 PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。 PLC有較強的帶負載能力，可直接驅(qū)動一般的電磁閥和交流接觸器，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來 PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC滲透到了位置控制、溫度控制、 CNC等各種工業(yè)控制中。加上 PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 易學易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易 ，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用 PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。 容易改造 系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試工作量小，維護方便，容易改造 PLC的梯形圖程序一般采用順序控制設計法。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對于復雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設計時間比設計繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。 PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接 線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 體積小，重量輕，能耗低 以超小型 PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，僅相當于幾個繼電器的大小，因此可將開關柜的體積縮小到原來的 1/21/10。它的重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。 3.2 PLC 可編程控制器的特點 可靠性高，抗干擾能力強 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 11 PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電 器，僅剩下與輸入和輸出有關的少量硬件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的 1/101/100，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。 高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的 F 系列 PLC平均無故障時間高達 30萬小時。一些使用冗余 CPU的 PLC的平均無故障工作時間則更長。從 PLC的機外電路來說，使用 PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故 障也就大大降低。此外， PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。 硬件配套齊全，功能完善，適用性強 PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，并且已經(jīng)標準化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。 PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外 部接線。 PLC有較強的帶負載能力，可直接驅(qū)動一般的電磁閥和交流接觸器，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來 PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC滲透到了位置控制、溫度控制、 CNC等各種工業(yè)控制中。加上 PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 易學易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖 形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用 PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。 容易改造 系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試工作量小，維護方便，容易改造 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 12 PLC的梯形圖程序一般采用順序控制設計法。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對于復雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設計時間比設計繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。 PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護 也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 體積小，重量輕，能耗低。 以超小型 PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，僅相當于幾個繼電器的大小，因此可將開關柜的體積縮小到原來的 1/21/10。它的重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。 3.3 PLC 可編程控制器應用領域 目前， PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵、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)，使用情況大致可歸納為如下幾類。 開關量的邏輯控制 這是 PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。 模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（ Analog）和數(shù)字量（ Digital）之間的 A/D 轉(zhuǎn)換及 D/A 轉(zhuǎn)換。 PLC 廠家都生產(chǎn)配套的 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 運動控制 PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關量 I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要 PLC 廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。 過程控制 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 13 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC 能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。 PID 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中 用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型 PLC都有 PID模塊，目前許多小型 PLC也具有此功能模塊。 PID處理一般是運行專用的 PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可 用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 通信及聯(lián)網(wǎng) PLC通信含 PLC間的通信及 PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展得很快，各 PLC廠商都十分重視 PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的 PLC都具有通信接口，通信非常方便。 3.4 PLC 可編程控制器的國內(nèi)外狀況 世界上公認的第一臺 PLC是 1969年美國數(shù)字設備公司（ DEC）研制的。限于當時的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的 PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控 制及定時、計數(shù)功能。 20世紀 70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使 PLC增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時的 PLC為微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。 20世紀 70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、 超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、 PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。 20世紀 80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。這個時浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 14 期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。 20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓 力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用都得到了長足的發(fā)展。 我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設備及產(chǎn)品中不斷擴大了 PLC的應用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的 CF系列、杭州機床電器廠生產(chǎn)的 DKK及 D系列、大連組合機床研究所生產(chǎn)的 S系列、蘇州電子計算機廠生產(chǎn)的 YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的 PLC 生產(chǎn)廠家。可以預期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入， PLC在我國將有更廣闊的應用天地。 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 15 第 4 章 電路中的主要元器件 4.1 歐姆龍 CP1H 可編程控制器 4.1.1 歐姆龍 CP1H 功能特點介紹 可編程控制器 SYSMAC CP1H 是用于實現(xiàn)高速處理 高功能的程序一體化型 PLC。 配備與 CS/CJ系列共通的體系結(jié)構(gòu)，與以往產(chǎn)品 CPM2A 40點輸入輸出型尺寸相同， 但處理速度可達到約 10 倍的性能。 CP1H CPU單元包括 X（基本型） /XA（帶內(nèi)置模擬量輸入輸出端子） /Y（帶脈沖輸入輸出專用端子） 3 種類型。本次設計選用時 X（基本型），型號為 CP1H-X40DT-D見圖 4-1。 圖 4-1 CP1H-X40DT-D實物圖 4.1.2 歐姆龍 CP1H 輸入輸出介紹 歐姆龍 CP1H單元本體，內(nèi)置輸入 24點，輸出 16點。分別為通用輸入（ 24點），輸入中斷（ 8點），脈沖接收（ 8點），高速計數(shù)器 4軸；通用輸出（ 16點），脈沖輸出 4點， PWM輸出（ 2 點）。 CPU單元本體通過擴展 CPM1A系列的擴展 I/O 單元， CP1H整體可以達到最大 320點的輸入輸出。 4.1.3 歐姆龍 PLC 的特長 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 16 處理速度大幅提高，達到與本公司 CJ1M相同的指令執(zhí)行速度，用微型 PLC即可達到頂級的性能。高速處理約