（机械工程专业论文）全张纸胶印机电气控制系统研制.pdf

捅璺 摘要 为了更好的满足市场和客户对印刷机质量的高要求，针对北人全张纸胶印 机的机械结构和性能特点，在原有多色机电气控制技术的基础上，本文论述了 本机器电气控制系统的研制过程。 首先、根据各类控制系统的对比以及实际情况，确定系统的设计方案。实 现串行通讯技术在本系统中的应用。其次完成系统硬件部分的设计，主控制部 分采用3 个p l c 并行连接控制方式，它们分别实现对印刷机运行部分、参数调 控和逻辑操作的控制；主传动运行采用变频调速和单闭环控制方式，水辊墨辊 电机的调速也使用变频调速方式且具有速度跟踪主电机的功能；系统上位控制 部分采用触摸式人机界面，利用它丰富的图形按钮信息，可以很好的完成以前 用传统的按钮、开关完成的操作；给纸机和收纸机电机的控制采用四八级变级 调速方式。三个p l c 之间以及它们与人机界面之间的联接采用r s 4 8 5 以及 r s 4 2 2 串行通讯方式，实现简单，还可完成远距离通讯。再次、完成系统软件 和人机界面部分的设计，软件包括内容有：主电机的运行控制、水量墨量的调 整、印版滚筒的轴向周向以及滚筒问压力的调控、给纸机和收纸装罨的控制、 离合压以及靠水靠墨等逻辑操作。 本机中各种机械动作的完成采用气动、电动方式，准确、快捷；水墨控制 采用自动跟踪系统，根据印刷机的实际印刷速度，由程序和相关电路自动完成 对辊电机和墨辊电机的调速，大大提高了工作效率。机器的主传动部分采用变 频变压调速和速度反馈控制方式，精确的实现对电机的宽范围无级平滑调速a 最后，通过实践测试，本系统在实际的印刷过程中反映出操作方便、经济 实用、运行稳定、安全可靠。 关键词p l c ；人机界面：串行通讯；变频调速 北京工业大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt os a t i s f yt h em a r k e ta n dc u s t o m e r s h i g hr e q u i r e m e n t so fp r e s s ，a n d a c c o r d i n gt ob e i r e nf u l ls h e e t f e do f f s e tp r e s s sm e c h a n i c a ls 廿u c t i l r ea n d p e r f o r m a n c e t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ec o n t r o ls y s t e mo ff u l lf o u r - c o l o rs h e e t f e d p r e s st h a ti sb a s e do nt h et e c h n o l o g yo f m u l t i c o l o rc o n t r o ls y s t e m a tf i r s t ，t h ed e s i g n i n gs c h e m eo ft h i ss y s t e mw a sc o n f i r m e da c c o r d i n gt ot h e r e a l i t ya n dt h ec o n t r a s tb e t w e e na l lk i n d so fc o n t r o ls y s t e m s a n dt h e s e r i a l c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw a sr e a l i z e di nt h i ss y s t e m s e c o n d l y , t h eh a r d w a r e d e s i g nw a sf i n i s h e d ，a n dt h e r ew e r et h r e em i t s u b i s h if x 2 ns e r i e sp l c si nt h em a i n p a r tw h i c hw e r el i n k e dp a r a l l e la n dr e s p e c t i v e l yr e a l i z e dc o n t r o l l i n gt h ep r e s s s r u n n i n g 、p a r a m e t e ra n dl o g i c a lo p e r a t i o n ；t h em a i nd r i v eu s e dt h es p e e dc o n v e r t i n g a n ds i n g l ec l o s e d - l o o pc o n t r o l ，a n ds od i dt h ew a t e ra n di n km o t o r sa n da l s ot h e y h a dt h ef u n c t i o no ft r a c i n gt h em a i nm o t o r ss p e e d ；t h eg r a p h i co p e r a t i o nt e r m i n a l w a su s e da n di t sp r o l i f i cp i c t u r e s 、b u t t o n sa n ds oo nw e r em a d ef u l lu s ea n da l s o t h e yc a np e r f e c t l yr e p l a c et h et r a d i t i o n a lb u t t o n sa n ds w i t c h e s ；t h em o d eo f f o u r - e i g h tp o l es p e e dc o n v e r t i n gw a sa p p l i e di nt h ec o n t r o lo ff e e d e ra n dd e l i v e r y m o t o r s t h ec o n n e c t i o n sb e t w e e nt h r e ep l c sa n db e t w e e dt 1 1 e ma n dt h eg o tu s e d r s 4 8 5a n dr s 4 2 2w h i c hc a nb e e a s i l y a t t a i n e da n dr e a l i z e t h er e m o t e c o m m u n i c a t i o n t h i r d l y , t h es o f t w a r ea n dg o td e s i g nw e r ef i n i s h e d ，a n dt h e s o f t w a r ei n c l u d e dt h ec o n t r o lo fm a i nm o t o r 、t h ea d j u s t m e n to fw a t e ra n di n k 、t h e r e g u l a t i o ni nt h ep l a t ec y l i n d e r sa x i a la n dc i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o n sa n dt h e p r e s s u r e sb e t w e e nc y l i n d e r s 、t h ec o n t r o lo f f e e d e ra n dd e l i v e r y 、t h el o g i c a lo p e r a t i o n o f i m p r e s s i o n 、f o r mi n k e ra n dd a m p e n e ra n ds oo n a l lt h ea c t i o n si nt h em a c h i n ew e r ee x a c t l ya n df a s tf m i s h e db ye l e c t r i c a la n d p n e u m a t i cc o m p o n e n t s p r o g r a m sa n dc i r c u i t sf i n i s h e dt h ec o n t r o lo f i n ka n dw a t e r a u t ot r a c i n gt h ep r e s s ss p e e d ，w h i c hi m p r o v e st h ew o r ke f f i c i e n c y t h em a i nd r i v e u s e ds p e e dc o n v e r t i n ga n ds p e e d - f e e d b a c km o d e ，s ot h es p e e do fm o t o rc a l lb e s m o o t h l ya d j u s t e di naw i d er a n g e f i n a l l y , t h r o u g ht h ep r a c t i c a lt e s t ，t h ef e a t u r e s ，s u c h a s e a s yo p e r a t i o n 、 e c o n o m i c a l 、s t e a d ya n dc r e d i b l e ，w e r ed i s p l a y e di nt h er e a lp r i n t i n gp r o c e s s k e y w o r d sp l c ；m a na n dm a c h i n ei n t e r f a c e ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o nf r e q u e n c y c o n v e r s i o nt i m i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：趣日期：巫垡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅或借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：2 k 导师签名：墨墨掣日期：些 第1 章绪论 1 1 系统研制的背景 第1 章绪论 随着科学技术的不断进步，随着我国加入w t o 步伐的进展，市场不断向世 界性开放，无疑给国内的各行各业都带来了极大的挑战，也是促进我们提高技 术实力的大好机遇。印刷行业也不例外，随关税的降低，国外高技术、高质量、 高效率的印刷机不断在国内市场亮相，这给我们国内的同等产品带来了极大的 冲击，这就要求我们制造商，尤其是设计人员要不断的学习新技术、丌发新产 品、开辟新市场。 目前，在世界印刷领域的众多印刷方式中，胶印机仍以其良好的网点还原 能力和丰富的层次再现性成为印刷业的佼佼者，胶印设备和控制技术的发展也成 为人们关注的焦点。通过大量的市场调研和展会信息，可以明显的看到胶印机的 控制技术也在发生着日新月异的变化。网络化管理模式的出现和推广既能实现全 厂的网络化印刷资源管理，也能很好的完成印刷工艺的控制和印刷数据的传输。 在市场竞争激烈的今天，印刷企业已从市场主体地位转变到被市场需求所引导的 被动地位，印刷产品的设计也从简单到复杂，从四色印刷到多色、专色印刷，从 低网线印刷向高网线、高清晰度印刷发展。从德鲁巴国际印刷展会的信息来看， 他所展示的创新技术将会在今后很长一段时间内影响着全球的印刷发展。从网络 控制技术看，印刷企业已从传统管理模式向全面实施网络化管理控制模式发展； 工艺控制从简单的手写传票发展为采用电子传票的网络传输实施生产控制；制版 将从传统工艺过渡到c t p ；印刷过程的色彩控制已从传统的样张追色改进为自动 墨量控制校色；印刷设备从纯机械操作发展为计算机自动化控制。从印刷形式上 看，胶印机从单色低速向多色高速方向发展；纠偏设备更加先进，套印精度越来 越高，自动化程度越来越普及；在应用上，已从简单的单机胶印向多元化联机组 合印刷发展，控制越来越复杂。从设备结构看，大量传统的直接机械动作被电动、 气动方式所取代，很大程度上提高了印机的自动化水平，如简易飞达被数控飞达 所取代，传统输纸变为真空吸气输纸系统，传统机械拉规变为气控拉舰，墨斗辊 定时反转的防漏墨和飞墨功能，减少纸张浪费的自动墨链分离系统，自动上版系 统均为企业节省了大量的印前准备时间。还有无轴传动技术更是今后印刷机业发 北京t 业大学工程硕士学位论文 展的一大趋势，各机组各功能块改变齿轮的传动为单独电机驱动，无轴飞达将传 统飞达简化为四个高精度的伺服马达控制，并通过计算机控制与主机同步，机组 无轴传动系统和无轴飞达的应用极大的提高了系统的稳定性和精确性、提高了效 率、减少了浪费。总之，现代胶印技的发展以不能在单一的用提高印刷速度来衡 量，为了充分满足市场中各种彩色印刷业务、包装及特种印刷工艺的需求，今后 印刷技术的发展要靠先进合理的印刷工艺和配套的印刷设备来实现，缩短印前准 备时间，控制和降低生产成本是技术发展的方向，胶印技术还有极强的生命力， 要随着产品市场的需求不断的完善和发展。 目前，虽说北人牌印机乃国中龙头企业，但与海德堡、罗兰、秋山等国外 名牌胶印机相比，我们无论在机械方面，还是在电气控制技术方面都存在极大的 差距。虽说我们目前也有一定量印机出口，但关起门来说实话，老外仍将我们的 大部分产品定位在中低端市场，他们相中中国产品的根本原因还是价格，在使用 中问题多，质量相对仍是不稳定。国外单张纸胶印机的印速已突破2 万印小时， 纸张幅面最大超过2 0 5 0 m m * 1 5 1 0 r a m ，色组不断增加，丌机准备时间不断缩短，换 版、调墨、翻转、上光、给纸、收纸等等一系列操作全盘自动化完成。采用印版 滚筒单独驱动技术，可以在不停机的情况下分离印版滚筒，更换印版，更换印版 仅需2 3 分钟，而且可以同时完成印版滚筒、橡皮布和墨辊的清洗。自动套印 系统也越来越先进和精确，网络化控制系统不断出现，印刷企业在工艺上通过印 前、印刷、印后网络传输和控制，极大提高印刷效率和质量，先进的网络控制系 统可实现企业全方位的网络化管理。由此可见，印刷机电气控制系统面临的是一 个新的时代，系统更加复杂、功能更加强大，科技化、全盘自动化、网络化、人 性化都是其发展的方向。这一切都说明要赢得市场、要想战胜对手，我们还得向 “物美价忧”的方向努力。 1 2 系统研制的来源及意义 经市场的调研，大幅面胶印机将是抢占市场的一大力量，而我公司以前生 产的多色机都是小幅面纸张的，由此全张纸四色胶印机的设计就是必然了，对应 的其电气控制系统的研制也更加重要! 我公司以前生产的四色胶印机，由于受制于当时的科技发展水平，其电气 控制系统设计方法和控制方式与现代科技发展水平相比已呈现出越来越大的差 第1 苹绪论 距；其功能和安全保护等方面，也已经满足不了当前的市场需求以及国际国内安 全标准。目前，随着消费水平的不断提高以及市场竞争的更加激烈，低端印刷机 市场出现了相对饱和的趋势，用户也大大看好高端产品；国外先进的平版印刷机 生产厂商给我们国内厂商带来极大挑战。为了保证我厂产品在国内的占有率，为 了适应广大用户的需求，我们多色机产品不论在机械方面还是在电气设计方面都 得作相应的改进。 对开四色胶印机是北人的换代产品，机械结构相对复杂，功能比较多，印 刷精度要求相对较高，从电气控制角度来讲，开关量、数字量、模拟量、电动装 置、气动元件就较多，当初设计时采用过多个p l c 通过p r o f i b u s 总线控制，但 系统庞大、成本也相对较高。这在实际应用中，经常给用户利益带来极大不利， 在维护方面也带来了极大困难。工业以太网和现场总线可谓是目前国内外都非常 流行的技术，它高效率高可靠高可扩展等性能，必将使它保持今后控制领域核一l i , 地位，针对普通的印刷机器，使用这样的系统成本也将偏高。另外国外机器设计 的系统因为科技含量很高，很多是封闭性的，限于我们国内操作人员的技术水平， 也经常在维护方面给用户带来困扰。所以这就要求我们设计出来的产品，要简单 易学，具有开放性。基于这种现状，结合机械结构特点，随时考虑用户的需要， 为了提高印刷机的印刷质量和精度、完善全张纸多色胶印机的印刷功能、提高电 气系统的稳定可靠性、降低设计成本、加强安全保护功能，我通过在北工大的学 习和自己静期的设计经验，针对本印刷机型的机械结构特点，融合光、机、电一 体化的思想，设计出了一套合理可靠的控制系统。 1 3 系统研制的内容 ( 1 ) 根据机械性能特点和要实现的功能，现有的技术情况，以及通过对继 电器控制系统、p l c 控制系统和计算机控制系统的优缺点进行全面比较，最后制 定系统的设计方案。 ( 2 ) 根据理论性的研究和以往的设计经验，完成控制系统硬件的设计。包 括系统主控制部分、p l c 通讯部分、印刷机主传动控制部分、人机交互部分等。 ( 3 ) 根据印刷工艺和流程要求，合理的编制出各部分的软件系统。包括主 电机运行控制p l c 、参数调控p l c 和逻辑操作p l c 的程序设计，具体程序流程见 相应章节。 北京工业大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 进入实际的调试、生产过程，在实际测试过程中不断完善系统的性能， 不断提高系统的稳定性和抗干扰性能，最后做出经验总结并提出我们今后在印刷 机电气控制系统方面的努力方向。 1 4 关键名词解释 夺p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r )是一种带有指令存储器和 数字或模拟i o 接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和运算功 能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。 夺人机界面又叫可编程图形操作终端，液晶触摸显示屏，可显示图形、 汉字、字符等，可进行系统位、字等元件的监视，也可进行实际操作。 夺串行通讯c p u 与外部设备之间信息的交换，数据若是被逐位顺序传送 的，这样的通讯方式就叫作串行通讯。 夺变频调速通过变频器频率、电压都固定的交流电变换成频率、电压都 连续可调的三相交流电源，从而实现对交流电机的平稳、平滑的调速。 1 5 本章小结 本章主要简单的介绍了目前国际胶印机控制系统的先进技术水平，通过分析 国内外胶印机控制系统技术实力的差距，根据我们公司目前的技术条件，明确本 次系统研制的内容以及今后努力发展的方向。同时对本系统的关键词作出解释。 第2 荜系统的总体设计方槊 第2 章系统的总体设计方案 2 1p l c 控制系统概述 2 1 1p l o 的发展及控制系统的比较 在可编程控制器诞生之前，继电器控制系统就在工业生产的各个领域占据着 不可替代的重要作用，但由于继电器控制系统的控制功能仅仅局限于逻辑控制、 定时、计数等这样一些简单的控制，一旦动作顺序或生产工艺发生变化，就必须 进行重新的设计、布线、装配和调试，采用这样的控制系统将给我们设计人员、 现场调试和操作员、以及用户等等，都带来极大的不便，已适应不了工业各领域 的需要。为此我们不得不寻求新的控制系统设计方式，随着大规模和超大规模集 成电路的迅猛发展，p l c 控制器应运而生了，2 0 世纪8 0 年代后p l c 迅猛发展， 具有了高速计数、中断技术、p i d 控制等功能，同时联网能力大大加强。其内部 存储器可执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过 数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 p l c 以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，体 积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便，它的高可靠性和高稳定性， 对我们印刷机械企业、环境恶劣的工厂非常适用。基于p l c 的电气控制系统的控 制功能通过存储程序来实现，不仅可以实现开关量控制，还可实现模拟量控制、 顺序控制。集中型p l c 控制系统结构图如图2 1 所示。 图2 - i 集中型p l c 控制系统结构框图 p i c t u r e2 - ic o n c e n t r a t e t y p ep l cc o n t r o s y s t e m ss t r u c t u r a lp i c t u r e p l c 控制系统除了能完成传统继电器控制系统的全部功能外，还可实现模拟量控 制、开环或闭环过程控制，以及多级分布式控制。 北京工业人学工程硕上学位论文 随着科学技术的发展以及工业生产领域功能的不断完善和复杂程度的大幅 提高，计算机控制系统也不断在工业生产中也得到相当广泛的应用，其控制结构 框图如图2 2 所示。 给 i 一一 计算机 被控参数 图2 - 2计算机控制系统基本框图 p i c t u r e2 - 2 t h eh a s i cp i c t u r eo ft h ec o m p u t e rc o n g t r o ls y s t e m 如图中所示，如果把控制器用计算机来代替，这样就可以构成典型计算机控 制系统。运用计算机强大的计算、逻辑判断和记忆等信息加工能力，只要运用微 处理器的各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。微处理器执行这样的程 序，就能实现对被控参数的控制，非常方便。 而在一般的控制系统中，系统的控制规律是由硬件电路来产生的，改变控制 规律就要改变硬件电路。计算机控制系统由计算机和被控对象两大部分组成。 工业生产中的自动控制系统，随控制对象、控制规律和所采用的控制器结构 的不同而有很大的差别。自动控制系统的基本功能是信号的传递、加工和比较。 这些功能是由检测变送装置、控制器、和执行装置来完成的。控制器是控制系统 中最重要的部分，它从质和量的方面决定了控制系统的性能和应用范围。 计算机控制系统和一般自动控制系统一样，也有开环和闭环两种。在计算机 控制系统中，计算机的输入和输出都是数字信号，因此，在这样的控制系统中， 需要有将模拟信号转为数字信号的g o 转换器，以及将数字信号转换为模拟信号 的d a 转换器。 由于通用计算机与p l c 本身在工作目的、原理和方式上都存在着较大的差 异，因此由它们所构成的控制系统也将存在本质的区别，两者相比有如下特点： 如表2 - 1 所示。 第2 章系统的总体设计方案 表2 - 1p l c 控制系统与通用计算机系统的比较 t a b l e2 - it h ec o m p a r eo ft h ep l cc o n t r o ls y s t e ma n dt h ec o m m o nc o m p u t e rs y s t e m 比较项目通用计算机系统p l c 控制系统 工作目的科学计算、数据管理等工业自动控制 工作环境对丁作环境要求较高可在恶劣的工业现场工作 j 二作方式中断处理方式 循环扫描方式 系统软件需配备功能较强的系统软件一般只需简单的监控程序 采用的特殊措施掉电保护等一般措施采用多种抗干扰措施，自整 断，断电保护，可住线维修 编程语言汇编语言，高级语言梯形图，助记符语言s f c 对操作人员的要需专门培训，有一定计算机基础稍加培训就可操作使用 求 对内存的要求 容量人容量小 价格 高昂价格低廉 其他若用丁| 控制，一般需自行设计机种多，模块种类多，易于 集成系统 综上所述，由于p l c 控制系统与继电器控制系统相比有着相当的优势，在今 后的控制系统中，传统的继电器控制系统将被p l c 控制系统所代替是大势所趋。 而p l c 控制系统与计算机控制系统相比起来，p l c 程序设计简单、易学易懂易维 护、可靠、方便、稳定，更适合工程技术人员。因此在工业级控制领域中，p l c 控制系统将是发展的主流，不过计算机在信息处理方面还是优于p l c ，因此在实 际系统设计中，常将两者结合，通过通讯线路连接实现信息的传送和交换，构成 功能强大的完整的控制系统。 2 1 2p l c 控制系统的组成 p l c 控制系统由硬件和软件两大部分组成。硬件包括p l c 本身及其外围设备， 软件包括管理p l c 的系统软件、p l c 的应用程序、编程语言和编程支持工具软件。 典型控制系统结构框图如2 - 3 所示。 北京工业大学t 程硕七学位论文 p l c 自 昔针li 、，y 被系 主控模块 l爿 编程器l ( c p u 存储 、r r 叫 器、用户存储 帼 叫入模块k = ：= 令 器、通信接口 =计算机 ( a ，d ) i 等) 、r 控 统 町编程 终端或 输出模块r 、广_ 一 外围设 对 总 各 象蝈 _ 1 出模块k = = = o () 线 橱 i 其他模块l叫圈 叫i 控制模块) i 图2 - 3p l c 控制系统硬件组成框图 2 2 控制系统方案设计 2 2 1 控制系统实际功能分析 全张纸胶印机电气控制系统由电源系统、主控装置( p l c 模块) 、电气检测 装置( 如光电检测开关、传感器等) 、模拟量采样设备、电气执行装置( 如电机 或电磁阀) 、电气操作及显示装置( 按钮、人机界面或上位系统) 六大部分组成。 通过线路连接及通讯电缆将上述六大块有机的联系起来，构成整机的电气硬件系 统。操作员在电气操作装置上进行的操作信号、由传感器和电气检测元件对机械 运动部件或纸张状态的检测信息等，经主控装置的程序进行数据处理或逻辑运 算，其结果通过输出单元发送给电气执行元件，从而实现对各种印刷功能的控制； 或者将检测到的状态和执行结果发送给电气显示装置进行相应的显示和监控。 第2 章系统的总体设计方案 2 2 2 系统方案确定 近些年来，印刷行业的自动化控制系统的应用发展得越来越快，技术也越来 越先进，以太网和现场总线技术有着广泛的应用前景。其实现场总线和r s 4 8 5 在 物理界面上是一致的，只是各种现场总线有自己的通讯协议而已。再者由于串行 通讯方式实现方便，系统费用低，所以串行通讯技术在实际的应用中仍发挥着强 大的功能。 综上所述，为稳定可靠的完成那一系列复杂的印刷控制功能，提高我们印刷 机的质量和效率，考虑到用户和成本等一系列问题，针对本印刷机型，我就设汁 了这一套经济适用的控制系统，其原理结构如图2 4 所示。 图2 4 三机并形式p l c 控制系统结构图 p i e t u r e 2 4t h r e ep l cp a r a l l e lt y p ec o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r a lp i c t u r e 本系统的特点是：( 1 ) 将控制系统分成传动、参数、顺序控制三部分，各自 除完成自己的控制任务外，三机通过r s 4 8 5 通讯进行信号的传送和交换，既独立 又连锁的共同完成所有印刷功能，极大的提高了工作效率和控制精度。( 2 ) 通过 变频调速单反馈控制方式，大大提高机器的平稳性和安全可靠性。( 3 ) 通过触摸 显示屏设置水墨曲线使水墨电机跟踪主机速度，达到水墨平衡，从而提高了印刷 品质量。( 4 ) 可实现远程通讯。 北京工业= 学工程硕士学位论文 2 3 本章小结 本章主要简单介绍了p l c 控制系统的组成和发展，通过比较分析继电器控制 系统、p l c 控制系统和计算机控制系统的优缺点，确定本系统的设计方案。下面 再明确本系统实际控制功能的基础上，介绍了三机并行式p l c 控制系统的原理及 特点。 第3 章系统的硬件设计 第3 章系统的硬件设计 3 1p l c 的性能特点及选型 3 1 1 p l c 概述 3 1 1 1p l c 的内部结构特点除了早期生产的整体式p l c ( p l c 的各个部件都 在同一个机壳内) 外，目前多数的p l c 都已采用模块化的结构( p l c 的各个部 件独立封装，称为模块) 。在p l c 中各个模块均通过系统总线连接起束构成一个 系统，在这个系统中最核心的模块是主控模块( 也称c p u 模块) ，它包括c p u 、 存储器、通信接口等部分：另外系统还有输入输出模块，电源模块。p l c 实质 是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图 3 1 所示。 图3 - 1p l c 硬什结构图 p i c t u r e3 - 1p l ch a r d w a r es t r u c t u r a lp i c t u r e ( 1 ) 中央处理单元( c p u )中央处理单元( c p u ) 是p l c 的控制中枢。它按照 p l c 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据：检查电 源、存储器、i o 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。 当p l c 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据， 并分别存入i o 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命 守 北京工业大学工程硕上学位论文 令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入t 0 映象区或数据寄存 器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将i o 映象区的各输出状态或输 出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高p l c 的可靠性，近年来对大型p l c 还采用双c p u 构成冗余 系统，或采用三c p u 的表决式系统。这样，即使某个c p u 出现故障，整个系统 仍能正常运行。 ( 2 ) 存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件 的存储器称为用户程序存储器。 1 ) p l c 常用的存储器类型 r a m ( r a n d o ma s s e s sm e m o r y )这是一种读写存储器( 随机存储器) ，其 存取速度最快，由锂电池支持。 ( 虿) e p r o m ( e r a s a b l ep r o g r a m m a b l er e a do n l ym e m o r y ) 这是一种可擦除 的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。( 在紫外线连续 照射下可擦除存储器内容) 。 e e p r o m ( e 1 e c t r i c a le r a s a b l ep r o g r a m m a b l er e a do n ym e m o r y ) 这 是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进 行修改。 2 ) p l c 存储空问的分配虽然各种p l c 的c p u 的最大寻址空间各不相同， 但是根据p l c 的工作原理其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区、 系统r a m 存储区( 包括i o 映象区和系统软设备等) 、用户程序存储区。 系统程序存储区在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的 系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断 子程序等。由制造厂商将其固化在e p r o m 中，用户不能直接存取。它和硬件一 起决定了该p l c 的性能。 系统r a m 存储区系统r a m 存储区包括i o 映象区以及各类软设备，如： 逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等存储器。 i o 映象区由于p l c 投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各 输入状态和数据，在输出刷新阶段j j 将输出的状态和数据送至相应的外设。 因此，它需要一定数量的存储单元( r a m ) 以存放i o 的状态和数据，这些单元称 第3 章系统的硬件设计 作i o 映象区。一个开关量i o 占用存储单元中的一个位( b i t ) ，一个模拟量 i o 占用存储单元中的一个字( 1 6 个b i t ) 。因此整个i o 映象区可看作两个部 分组成：开关量i o 映象区、模拟量i o 映象区。 系统软设备存储区除了i o 映象区区以外，系统r a m 存储区还包括 p l c 内部各类软设备( 逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等) 的 存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域， 前者在p l c 断电时，由内部的锂电池供电，数据不会遗失；后者当p l c 断电时， 数据被清零。 逻辑线圈与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统r a m 存储区中的一 个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制 线路中的继电器。另外，不同的p l c 还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不 同的功能。 数据寄存器与模拟量i o 一样，每个数据寄存器占用系统r a h 存储区 中的一个字( 1 6b j t s ) 。另外，p l c 还提供数量不等的特殊数据寄存器，具有不 同的功能。 计时器 计数器 用户程序存储区用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同类型 的p l c ，其存储容量各不相同。 ( 3 ) 电源一般交流电压波动在l o ( 1 5 ) 范围内，可以不采取其它措施 而将p l c 直接连接到交流电网上去。电源模块将交流电源转换成供c p u 存储器 等所需的直流电源，使整个p l c 系统的能源供给中心，大多p l c 采用高质量 的开关式稳压电源，抗干扰能力强，有的还可以向外提供2 4 vd c 的稳压电源。 ( 4 ) 输入输出电路输入输出模块分为数字量输入输出模块、开关量输 入输出模块、模拟量输x 输出模块、交流信号输入输出模块、2 2 0 v 交流输入 输出模块，还有智能模块。通常，p l c 有三种输出形式：继电器输出型、晶体 管输出型和双向晶闸管输出型。 3 1 1 2p l 0 的工作原理p l c 采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式 一循环扫描技术。其扫描过程如图3 2 所示。 北京工业大学t 程硕士学位论文 图3 - 2p l c 程序扫描过程 p i c t u r e3 - 2p l cp r o g r a ms c a np r o c e s s 这个工作过程分为内部处理、通信操作、输入采样、程序执行、输出刷新 几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。内部处理阶段，p l c 检 查c p u 模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。在通信操作服务阶段，p l c 与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当 p l c 处于停( s t o p ) 状态时，只进行内部处理和通信服务操作等内容。在p l c 处于运行( r u n ) 状态时，从内部处理、通信操作、输入采样、程序执行、输出刷 新，一直循环扫描工作。 ( 1 ) 输入采样在此阶段，顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入 的信息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新。接着进 入程序执行阶段。在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信号 发生变化，其映象寄存器的内容也不发生变化，只有在下一个扫描周期的输入 处理阶段爿能被读入信息。 ( 2 ) 程序执行根据p l c 梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步 序，逐句扫描，执行程序。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来 决定程序的跳转地址。从用户程序涉及到输入输出状态时，p l c 从输入映象寄 存器中读出上一阶段采入的对应输入端予状态，从输出映象寄存器读出对应映 象寄存器的当前状态，根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件 寄存器中，对每个器件而言，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执 第3 章系统的硬件设计 行过程而变化。 ( 3 ) 输出刷新程序执行完以后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器 中的y 寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱 动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。 p l c 的扫描既可按固定的顺序进行，也可按用户程序所指定的可变顺序进 行。这不仅因为有的程序不需要每扫描一次就执行次，而且也因为在一些大 系统中需要处理的i 0 点数多，通过安排不同的组织模块，采用分时分批扫描 的执行方法，可缩短循环扫描的周期和提高控制的实时响应性。 循环扫描的工作方式是p l c 的一大特点，也可以说p l c 是“串行”工作的， 这和传统的继电器控制系统“并行”工作有质的区别。p l c 的串行工作方式避 免了继电器控制系统中触点竞争和时序失配的问题。 由于p l c 是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状 态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。 暂存在输出映象寄存器中的输出信号，等到一个循环周期结束，c p u 集中将这 些输出信号全部输送给输出锁存器。由此可以看出，全部输入输出状态的改变 需要一个扫描周期。换言之，输入输出的状态保持一个扫描周期。 扫描周期是p l c 一个很重要的指标，小型p l c 的扫描周期一般为十几毫秒 到几十毫秒。p l c 的扫描时间取决于扫描速度和用户程序长短。毫秒级的扫描 时间对于一般工业设备通常是可以接受的，p l c 的响应滞后是允许的。但是对 某些i o 快速响应的设备，则应采取相应的措施。如选用高速c p u ，提高扫描 速度，采用快速响应模块、高速计数模块以及不同的中断处理等措施减少滞后 时间。影响i o 滞后的主要原因有：输入滤波器的惯性；输出继电器接点的惯 性；程序执行的时l 日j ；程序设计不当的附加影响等。 3 1 1 3p l c 的i 0 寻址方式确定用于连接工业现场的各个输入输出点与 p l c 的i o 映象区之间的对应关系，即给每一个输入输出点以明确的地址，确 立这种对应关系所采用的方式称为 0 寻址方式。 0 寻址方式有以下三种： ( 1 ) 固定的i o 寻址方式这种i 0 寻址方式是由p l c 制造厂家在设计、 生产p l c 时确定的，它的每一个输入输出点都有一个明确的固定不变的地址。 一般来说，单元式的p l c 采用这种i o 寻址方式。 北京工业大学工程硕十学位论文 ( 2 ) 开关设定的i o 寻址方式这种i o 寻址方式是由用户通过对机架和 模块上的开关位置的设定来确定的。 ( 3 ) 用软件来设定的i o 寻址方式这种i o 寻址方式是有用户通过软件 来编制i 0 地址分配表来确定的。 3 1 2 三菱f x 2 n 系列可编程控制器及其性能规格 日本三菱公司是国际著名的工厂自动化设备制造商，工业可编程控制器在 国内市场占有率一直保持前列。f x 2 np l c 有小型化，高速度，高性能等特点， 是f x 系列中最高档次的超小型程序装置。f x 2 n 可编程控制器指令丰富，可以 接各种输出入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信 设备是系统所必需的。本系统控制精度要求高，选用三菱f x 2 n 一6 4 m r 型p l c ， 不仅可以满足系统控制的需要，而且能够方便地联网通信。其性能特点如下： ( 1 ) 小型可编程控制器与过去曾用的f x 2 系列相比，面积、容积小5 0 。 ( 2 ) 高速，大容量超高速程序处理：0 0 8 us 基本指令；大容量存储器， 内附8 k 步r a m ( r u n 过程中可更改程序) ；最大可达1 6 k ( 包括注释) 。选择性： 可使用r a m ( 8 k ) ，e p r o m ( 8 k ) ，e e p r o m ( 4 k ，8 k ，1 6 k ) 或带实时时针的存储 器卡盒。 ( 3 ) 内附高速计数器单相计数器：6 0 k h z2 点，i o k h z4 点；二相计数 器：3 0 k h z2 点，5 k h z1 点。 ( 4 ) 新增多种编程指令 1 ) 基本编程指令 $ l d p ，a n p ，o r p ，l d f ，a n f ，o r f 。 $ i n v 十l d = ，a n d = ，o r = ，l d 。 2 ) 运作编程指令 丰e c m p ，e z c p ，e b c d ，e b i n 。 s i n ，c o s ，t a n 。 t c m p ，t z c p ，t a d d ，t s u b ，t r d ，t w r 。 ( 5 ) 机能扩张f x 2 n 可选择不同种类通讯或电位器模块 丰f x 2 n 一8 a v b i ) 8 位的数字值电位器 第3 章系统的硬件设计 f x 2 n 一2 3 2 一b d r s 2 3 2 通讯用适配器 $ f x 2 n 一4 8 5 一b d r s 4 8 5 终端连接适配器 f x 2 n 一4 2 2 一肋r s 4 2 2 通讯适配器 ( 6 ) 丰富的软元件f x 2 n 系列p l c 还具有极其丰富的软元件，见表3 1 所示。 表3 - 1 软元件点数 t a b l e3 - ls o f c o m p o n e n tn u m b e r 辅助继电器3 0 7 2 点 状态继电器1 0 0 0 点 定时器2 5 6 点 计数器 ( 一般)2 3 5 点 ( 高速)1 相6 点亦可2 相2 点 数据寄存器 ( 通用) 2 3 5 点 ( 变址用)( 可设定至7 0 0 0 点文件寄存器) 跳步指针1 2 8 点 中断指针j 5 点 ( 7 ) 丰富的指令集三菱f x 2 n 系列p l c 具有功能齐全的指令种类，见表 3 2 所示。 表3 - 2 指令种类 t a b l e3 2j n s t r u c t i o nk i n d 指令的种类指令数备注 基本指令2 7 种继电器顺控、逻辑指令