大小球自动分拣系统

1、青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）摘 要 进入二十一世纪之后，随着人类对科学技术知识的掌握达到了一个新的高度，越来越多的知识转化为实际生产力后，一大批新技术，新设备开始应用在各个领域的生产中。为了节省生产资料和人工成本，工业机器人及其自动控制系统开始大量装备在工厂里的生产流水线上。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，其积极作用正日益为人们所认识，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。许多发达国家十分对它重视，并投入了大量的人力物力加以研究和应用。在我国，自主研发的

2、工业机器人在近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果。在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分捡，为了提高生产效率，本设计拟开发物料搬运机械手，采用的德国西门子S7-200系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制，来设计一种用于分捡大小球的机械装置。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作，目标是使此系统具有自动化程度高、运行稳定、精度高、易控制的特点,可根据不同对象,稍加修改本系统即可实现要求。关键词：PLC 大小球 机械手IIAbstractEnter after twenty-first Century, along with human knowle

3、dge of science and technology has reached a new height, more and more knowledge into practical productivity, a large number of new technology, new equipment applied in various fields of production. In order to save the production data and labour cost, industrial robots and automatic control system t

4、o begin a large number of equipment in the factory production line. The manipulator is the earliest industrial robot, is the earliest modern robot, it can replace people arduous labor to realize the production mechanization and automation, its positive role is increasingly recognized, it can partial

5、ly replace human labor and can meet the production process requirements, follow certain program, time and location to complete workpiece transfer. Many developed countries are on it seriously, and put a lot of manpower and material resources to study and apply. In our country, the independent resear

6、ch and development of industrial robot in recent years have rapid development, and achieved certain results. In the production process, often on assembly line products of sorting, in order to improve production efficiency, this design aims to develop a manipulator, by German Siemens S7-200series PLC

7、, the mechanical hand on, around and grabbing motion control, to design the size of the ball for sorting machine. We use the programmable technology, combined with the corresponding hardware device, control manipulator to complete a variety of actions, the target is to make this system has a high de

8、gree of automation, stable operation, high precision, easy to control, according to different object, minor modifications to the system can reach the requirements.Key words: PLC Size of spherical Manipulator目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题的背景意义11.2 课题的目的及要求41.3 课题目前的发展状况41.4 设计内容及要求52 可编程控制器概述62.1 PLC的产

9、生与定义62.2 PLC的基本组成及其作用72.3 PLC的发展102.4 PLC的应用领域152.5 PLC的特点173 大小球分拣系统的控制系统设计193.1 PLC控制系统设计的原则与内容193.2 PLC的选型193.3 大小球分拣系统的功能203.4 设计思想203.5 系统的结构213.6 I/O编址223.7 机械手分拣系统的接线图234 大小球分拣系统的软件设计244.1 自动分拣大小球系统控制程序工作框图244.2 梯形图概述254.3 机械手分拣大小球控制程序的梯形图26结 论27致 谢28参考文献29附 录301 绪论1.1 课题的背景意义自动分拣系统（Automated

10、 Sorting System）是二次大战后率先在美国、日本的物流中心中广泛采用的一种自动化作业系统，该系统目前已经成为发达国家大中型物流中心不可缺少的一部分。该系统的作业过程可以简单描述如下：流动中心每天接收成百上千家供应商或货主通过各种运输工具送来的成千上万种商品，在最短的时间内将这些商品卸下并按商品品种、货主、储位或发送地点进行快速准确的分类，将这些商品运送到指定地点（如指定的货架、加工区域、出货站台等），同时当供应商或货主通知物流中心按配送指示发货时，自动分拣系统在最短时间内从庞大的高层货架存储系统中准确找到要出库的商品所在位置，并按所需数量出库，将从不同储位上取出的不同数量的商品按配

11、送进点的不同运送到不同的理货区域或配送站台集中，以便装车配送。在传统的货物分拣系统中, 一般是使用纸制书面文件来记录货物数据, 包括货物名称、批号、存储位置等信息, 等到货物提取时再根据书面的提货通知单, 查找记录的货物数据，人工搜索、搬运货物来完成货物的提取。在这样的货物分拣系统中, 制作书面文件、查找书面文件、人工搬运等浪费了巨大的人力物力, 而且严重影响了物流的流动速度。随着竞争的加剧, 人们对物流的流动速度要求越来越高, 这样的货物分拣系统已经远远不能满足现代化物流管理的需要，于是新型的自动分拣系统开始被研发，应用于各个领域。1.1.1现代自动分拣系统的分类（1）根据定单分拣货物：如果

12、定单定货数量比较大, 可以根据定单, 一个人一次提取大量定货。货物分拣者从无线射频终端进入服务器, 选择定单上各种货物,系统会通过射频终端直接向货物分拣者发送货物位置信息, 指导分拣者选择最优路径。货物分拣者在分拣前扫描货柜箱上的条形码标签, 如果与定单相符, 直接分拣。（2）零星分拣货物：小的定单（尤其是5 镑以下定货）的分拣或者单一路线货物分拣, 直接将定单分组分派给货物分拣者, 每个分拣人负责3 4个通道之间的区域。货物分拣者在自己负责的区域内, 携带取货小车进行货物分拣, 取货小车上放置多个货箱, 一个货箱盛放一个定单的货物。如果货架上的货物与定单相符, 就把货物放进小车上的货箱, 并

13、且扫描货箱上条形码序列号。在货物包装站,打印的包装清单既包括货物条码也包括包装箱序列号。（3）机械分拣机构：分拣机构作为传输设备的一部分, 是分拣机的主体在物品的传输过程中采用计算机控制的机械动作方式把被分拣物品导入到指定的格口（路向）。分拣机构的种类很多, 有小车倾翻式、小车交叉带式、皮带闸门式、链板滑靴式等多种形式。（4）计算机控制系统：分拣机的计算机控制系统主要控制分拣机的运行速度, 控制分拣导入机械的启动及运行的时间。早期的分拣机的控制系统国内外由于控制理念的不一样而有所差异。欧洲厂家在设计上, 习惯于对分拣机上的每一个载体小车进行固定的ID 编号, 识别后被分拣物品的路向信息与每一个

14、小车的ID 编号相关联。而在同一个格口的译码装置要识别属于本格口不同的小车号码。我国则惯于被分拣物品的信息与相关的格口关联, 与小车本身的编号无关。相应每个格口的译码器仅认知属于本格口的ID 编号的被分拣物品。（5）格口：容纳被分拣的物品可以是具有一定容量的滑槽或者是一段传输机构。其中, 传输方式有动力皮带或辊道方式。1.1.2自动分拣系统中的传输部分在物流系统中, 输送对自动分拣系统的影响在物流系统中传输系统内在分拣机之前的部分称之为输送。在邮政系统中称之为供件装置。供件装置一般设有人工辅助工位, 对物品进行整理以便于识别分拣信息, 控制作业节奏, 在一些高速分拣机多个供件装置之间的自动协调

15、, 按着分拣机的要求能够控制物品的适度的间隔, 并可准确按着节拍同步将物品送到控制系统所规定的分拣机的相应位置, 在系统设计中供件系统的效率要充分保证分拣机的需求。分拣机也是传输系统的一部分, 仅仅是在传输过程中可改变物品的路由方向。分拣机后面可以是多个传输系统在功能上起到传输与存贮两种功能：如果按着铁路的运输系统进行比喻, 物流传输过程中分拣机的作用如同铁路的搬道叉的功能。它将使物品按着需要进入不同的路向进行输送。分拣输送设备有以下几种分类的方式：按承载装置的不同区分, 如小车翻盘式、皮带式（平、斜）、钢带式、滚轮分离式，适于普通包裹类及周转箱与盒式包装物品的分拣作业；推式悬挂式、地面链式分

16、拣机适于较重载荷的物品分拣作业；按分拣尺寸大小分类, 如邮政领域里的小件分拣机、扁平件分拣机具有高的分拣效率；按分拣机构的机械结构区分, 如交叉带式分拣机、滑块式分拣机、翻盘式分拣机、翻板式分拣机、斜行皮带式等。按分拣过程的物流某种形态可区分为有落差和无落差两种分拣方式。按工艺流程布置的方式分类, 可分为环型布置的分拣机和直线布置的分拣机；按工艺流程的可塑性分类, 可分为刚性分拣传输系统和柔性分拣传输系统。自动分拣传输系统的规划及选型应注意的问题在对分拣系统进行规划时要考虑以下几个因素首先是要根据企业总体业务需求。经过技术经济分析后, 注意先进行工艺设计, 然后根据工艺设计厂房, 这个次序很重

17、要。其次，由所设计的工艺流程需要、分拣的业务总量和作业的时间要求, 单位时间的处理件数来选择相应的分拣机的分拣效率，分拣的格口数量。同样在总体上如果考虑使用RFID 作为物品的标识, 则在分拣的供件过程中将不再需要人工整理物品的可识读面（标签、标识面朝上）, 从而较大地提高了自动化的程度和分拣的效率。分拣技术市场需求是多样性的，如适应易碎物品分拣的无落差分拣技术以及具有高精度控制分拣技术, 都会有适度的发展。无论是哪一种分拣机都要在提高分拣效率上要取得新的发展水平, 高速度是分拣技术发展的必然趋势。根据场地的环境、被分拣的物品尺寸范围、被分拣物品的质量、是否是易碎品、包装方式、包装的标准化程度

18、等来选择分拣机的类型。例如，受被分拣物品的影响, 在一些便利店的物流配送中心有一些诸如酒类、鸡蛋的物品，所选分拣机应该是无落差或者小落差的分拣机，如滑靴式分拣机或交叉带式分拣机。它们之间具体的区别是：滑靴式的分拣机比较适宜被分拣的物品尺寸在长度上较长而变化较大、包装规范的物品；在工艺上适合直线布置的分拣机；翻盘小车式的分拣机具备在运行中物品的落差较大但是有圈套承载能力, 适用于航站的行李分拣；自动高速扁平件分拣机是在较大图书物流中心的退货流程中, 量大而且基本是零册处理的分拣, 宜采用这种分拣机。环型布置分拣机适合工艺设计要求很多的供件席位及大量格口的分拣, 因为环形的任何一个格口理论上都可以

19、变成供件席位，属于快聚快散作业工艺方式。1.1.3自动分拣系统的意义今天, 一个先进的货物分拣系统, 对于系统集成商、仓储业、运输业、后勤管理业等是至关重要的。因为这意味着比竞争对手更快的物流速度, 更快地满足顾客的需求, 其潜在的回报是惊人的。建立一个先进的货物分拣系统, 结合有效的吞吐量, 不但可以节省数万、甚至数千万元的成本, 而且可以大大提高工作效率, 显著降低工人的劳动强度。使用这样的货物分拣系统, 完全摒弃了使用书面文件完成货物分拣的传统方法, 采用高效、准确的电子数据的形式, 提高效率, 节省劳动力；使用这样的货物分拣系统, 不但可以快速完成简单的存储提取, 而且可以方便地根据货

20、物的尺寸、提货的速度要求、装卸要求等实现复杂货物的存储与提取；使用这样的货物分拣系统,分拣工人只需简单的操作就可以实现货物的自动进库、出库、包装、装卸等作业, 降低了工人的劳动强度, 提高了效率；使用这样的货物分拣系统, 结合必要的仓库管理软件, 可以真正实现仓库的现代化管理, 充分实现仓库空间的合理利用, 显著提高企业的物流速度, 为企业创造、保持市场竞争优势创造条件。1.2 课题的目的及要求本课题为了更全面系统地与市场接轨，从实用的角度出发，利用已掌握的有关PLC及其的知识实现自动分拣系统控制，该设计分为硬件原理图设计及软件编程两大部分。通过毕业设计使学生更系统地利用学过的知识，更快更好地

21、投入到社会的工作中。1.3 课题目前的发展状况自动分拣系统在生产工业中有着举足轻重的作用。它的可靠性，优越性，应用领域的适用性以及系统的经济效益、成本分拣系统能灵活的与其他物流设备实现无缝连接，如自动化仓库、各种存储站、自动集放链、各种运载工具、机器人等。实现对物料实物流的分配、对物料信息流的分配和管理。采用分拣系统，人工分拣、堆置物料的劳动强度大大降低，操作人员无须为跟踪物料而进行大量的报表工作、登单工作，因而显著提高劳动生产率。另外，非直接劳动力如物料仓库人员、发料员以及运货员工作量的减少甚至取消又进一步直接降低了作业成本。由于分拣系统运行平稳、安全性高，同时，人工拣取物料的作业量降低，对

22、物品的损坏减少，为顾客假造了更多的价值，为公司赢得了更多的信誉和商机。我国自动分拣机的应用大约始于1980 年代, 近期的市场兴起和技术发展始于1997 年。自动分拣的概念先在机场行李处理和邮政处理中心得到应用, 然后普及到其他行业。随着业界对现代化物流的实际需求的增长, 各行业对高速精确的分拣系统的要求正在不断地提高。这一需求最明显地表现在烟草、医药、图书及超市配送领域, 并有望在将来向化妆品及工业零配件等领域扩展。这些领域的一个共同特点是产品的种类繁多、附加值高、配送门店数量多、准确性要求高和人工处理效率低等特点。随着生产力的需要，自动分拣系统在生产工业领域的一个研究热点，该系统主要有机械

23、手的运用和PLC而自动分拣系统的软件编程是这设计的基础，关系着整个系统的成败。本文正是以基于机械手中电动机转动为研究对象，并结合PLC软件编程控制进行了一系列研究，最终提出了一整套自动分拣机PLC控制系统实现方案，并进行了实现。目前在完成这个课题上存在的主要问题和难点是：（1）机械手的运转方面：如何通过电动机的转动来实现机械手的上升、下降、夹紧、松开等操作，机械手如何能够将产品分拣出来。以上这些都将给我们的设计带来难度。（2）PLC的步进指令编程方面：首先要把整个控制过程按任务要求分解，如何画出机械手系统控制过程的流程图；分配，确定状态器元件，弄清每个被分配状态器的功能；如何编写程序。这些都成

24、为解决问题的重点。1.4 设计内容及要求1.4.1 控制要求及设计要求为实现大小球的分拣控制，所设计系统程序必须实现以下主要功能：（1）该系统可以完成对大小球的自动识别、自动运送和自动到大球缸或者小球缸释放对应的球；（2）该系统可以实现控制系统的多种工作方式；（3）该系统在发生故障时，捡球装置必须进行复位；（4）能够用PLC实现基本功能。1.4.2 设计任务（1）初步设计：了解设计任务，理解系统控制要求；收集相关资料；（2）硬件设计：PLC I/O接线图；（3）软件设计：控制系统梯形图程序；控制系统语句表程序。502 可编程控制器概述2.1 PLC的产生与定义2.1.1 PLC的产生20世纪8

25、0年代起，人们把各种继电器，定时器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，这就是大家熟悉的传统的的继电器控制器系统。由于它结构简单，容易掌握，价格便宜，可以满足大部分场合电气顺序逻辑控制的要求，因而在工业控制领域中一直占据着主导地位。但是继电接触器控制系统具有明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能弱，难于实现复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂繁琐，当生产工艺或者对象需要改变时，原有的接线和控制柜就要更换，所以通用性和灵活性就很差。 20 世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求生产线的控制系统亦随之改变，并且

26、对整个控制系统重新配置。为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司公开招标，对新的汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：(1) 编程方便，可现场修改程序；(2) 维修方便，系统插件结构；(3) 可靠性高于继电控制装置；(4) 体积小于继电控制器；(5) 数据可以直接送入管理计算机；(6) 成本可以与继电控制盘竞争；(7) 输入可以是交流115V（美国电压标准）；(8) 输出为交流115V，容量要求在2A以上，可以直接驱动接触器，电磁阀等；(9) 扩展时原系统改变最小；(10) 用户存储器至少扩展到4 KB。以上就是著名的“GM十条”。这些要

27、求的实质内容是提出了将继电接触器控制的简单易用，使用方便，价格低廉的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电接触器控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。1969年美国数字设备公司根据上述十点要求，研制出世界上第一台可编程控制器，型号为PDP14，人们把它称作可编程逻辑控制器（PLC Programmable Logic Controller）简称为PLC。随着微电子技术的发展，20世纪70年代出现了微型处理器和微型计算机，人们将微型技术应用到PLC中，使得它可以发挥更多计算机的功能，不仅用逻辑编程取代了硬连线逻辑，还增加了运算。数据传送和处理等功能，使其真正成

28、为一种电子计算机工业设备。随着科技的发展，PLC开始大面积的应用在工业自动控制的生产活动中。2.1.2 PLC的定义PLC一直在飞速发展中，因此到现在为止，都没有对其下一个准确的定义，国际电工委员会（IEC）1987年2月颁布了终稿，终稿对可编程控制器的定义是：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程，而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。” 在该定义中重点说明了三个概念：即P

29、LC是什么，它具备什么功能，以及PLC及其控制系统的设计原则。定义强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须具备很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。这也是区别一般微机控制系统的一个重要特征。定义强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”。也是一种计算机；它是“专业为在工业环境下应用而设计的”工业计算机。这种计算机采用“面向用户的指令”，因此编程简单。它能完成逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，它还具有“数字量和模拟量输入和输出”的功能，并且非常容易和工业控制系统联于一体，易于“扩充”。应该强调的是，PLC与以往所讲的机械式的顺序控制器在“可编程”方面有质的区别。由于PLC引入了

30、微处理机以及半导体存储器等新一代电子元件，并用规定的指令进行编程，所以能灵活的修改程序，即它是用软件方式来实现“可编程”的目的。2.2 PLC的基本组成及其作用PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的I/0扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，1/0单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、

31、智能1/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m，无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。2.2.1中央处理单元（CPU）CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务：(1) 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；(2) 诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误；(3) 用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来；(4

32、) PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；(5) 将用户程序的执行结果送至输出端。现代PLC使用的CPU主要有以下几种：通用微处理器，如8080, 8088, Z80A, 8085等。通用微处理器的价格便宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源。单片机，如8051等。单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型PLC上使用，也广泛地用于PLC的智能UO模块。位片式微处理器，如AMD2900系列等。位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。它主要追求运算速度快，它以4位为一片。用几个位片级联，

33、可以组成任意字长的微处理器。改变微程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的PLC使用。2.2.2存储器根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种：(1)系统程序存储器:和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM。(2)用户程序存储器：用户根据控制

34、功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池(铿电池)保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM。目前较先进的PLC（如欧姆龙公司的CPMIA型PLC）采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。(3)工作数据存储器：工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求

35、。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。元件映象寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A/0转换得到的数字和数学运算的结果等。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可保持数据的存储器区域称为数据保持区。2.2.3 I/0单元I/0单元也称为I/0模块。PLC通过I/0单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择

36、开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件。2.2.4 电源部分PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V，+12V，+24V的直流电源，使PLC能正常工作。电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的CPU，通常电源封装到机壳内部；对于模块式

37、PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。2.2.5扩展接口扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。2.2.6 通信接口为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印；当与监视器相连时。可将过程图像显示出来；当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的控制；当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合性控制。2.2.7 编程器编

38、程器是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。它有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRL图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。还可以利用PC作为编程器，PLC生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的互相转换。程序被下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现

39、远程编程和传送。现在很多PLC已不再提供编程器，而是提供微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆。2.3 PLC的发展2.3.1 PLC的发展历史PLC的技术随着计算机和微电子技术的发展而飞速发展，由最初的一位机发展为8位机。随着微处理器CPU和微型计算机技术在PLC中的应用，形成了现代意义上的PLC。进入20世纪80年代以来，随着大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了惊人的发展，使PLC在概念，设计，性能价格比及应用等多发面都有了新的突破。不仅控制功能增强，能耗，体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，并且远程I/O和通信

40、网络、数据处理以及人机界面也有了长足的发展。现在PLC不仅能得心应手的用于制应用于制造业自动化，并且还可以应用于连续生产的过程控制系统，所有这些已经使之成为自动化三大支柱之一，即使在现场总线技术成为自动化技术应用热点的今天，PLC仍然是现场总线控制系统中不可缺少的控制器。大致总结一下，PLC的发展经历了五个阶段。（1）初级阶段从世界上第一台PLC问世到20世纪70年代中期，这个时期的PLC功能简单，主要完成一般的继电器控制系统，即顺序逻辑，定时与计数等，编程语言为为梯形图。（2）崛起阶段从20世纪70年代中期到80年代初期，由于PLC在取代继电器控制系统方面的卓越表现，所以自从它在电气自动控制

41、领域开始普及运用后便得到了飞速的发展。这个阶段的PLC在其控制功能方面增强了许多，例如数据处理，模拟量的控制等。（3）成熟阶段从20世纪80年代到90年代初期，这之前的PLC主要是单机应用和小规模，小系统的应用；但随着对工业自动化技术水平、控制性能和控制范围的要求的提高，在大型的控制系统（如冶炼、饮料、造纸、烟草、纺织、污水处理）中，PLC也展现出了其强大的生命力。对这些大规模、多控制器的应用场合，就要求PLC的控制系统必须具有通信和联网功能。这个时期的PLC顺应时代要求，在大型的PLC中一般都扩展了遵守一定协议的通信接口。（4）飞速发展阶段从20世纪90年代初期到90年代末期。由于对模拟量处

42、理功能和网络通信功能的提高，PLC控制系统在过程控制领域也开始大面积的应用，随着芯片技术、计算机技术、通信技术和控制技术的发展，PLC的功能得到了进一步的提高，现在PLC不论从体积上，人机界面功能、端子接线技术、还是从内在的性能（速度、存储容量）、实现的功能（运动控制、通信网络、多机处理等）方面都远非过去的PLC可比。从20世纪80年代之后，是PLC发展的黄金时期，年增长率一般都保持在30%40%之间。（5）开放化，标准化阶段从20世纪90年代中期以后，其实关于PLC开放性的工作在上世纪80年代就已经展开，但由于受到各大公司的利益的阻挠和技术标准化难度的影响，这项工作进展的并不顺利。所以PLC

43、诞生后的近30年里，各个PLC在通信标准，编程语言等方面都存在着不兼容的地方，这为在工业自动化中实现互换性，互操作性和标准化都带来了极大地不便。现在随着可编程序控制器国际标准化IEC61131的逐步完善和实施，特别是IEC61131-3标准编程语言的推广，使得PLC 真正意义上走入了一个开放化和标准化的时代。2.3.2 PLC的发展趋势PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能、信息化、软PLC、标准化、与现场总线技术紧密相结合等方向发展。（1）向小型化，专用化，低成本方向发展随着微电子技术的发展，新型器件的性能大大提高，价格却大幅度降低，使得PLC结构更为紧凑，操

44、作十分简便。从体积上讲，有些专用的微型PLC仅仅有一个香皂的大小。PLC的功能不断增强，将原来大中型PLC才有的功能部分转移到小型PLC上，如模拟量处理、复杂的指令功能和网络通信等。PLC的价格也不断下降，真正成为现代电气控制系统中不可替代的控制装置。据统计，小型和微型PLC的市场份额一直保持在70%80%之间，所以对PLC的小型化的追求不会停止。（2）向大容量、高速度、信息化方向发展现在大中型PLC采用多微处理系统，有的采用了32位处理器，并集成了通信互联网功能，可同时进行多任务操作，运算速度、数据交换速度及外设响应速度都有大幅度的提高，存储容量大大增加，特别是增强了过程控制和数据处理的功能

45、。为了适应工厂控制系统和企业信息管理系统日益有机结合的要求，信息技术也渗透到了PLC中，如设置开放的网络环境、支持OPC技术，等等。（3）智能化模块的发展为了实现某些特殊功能的控制功能，PLC制造商开发出了许多智能化的I/O模块。这些模块自身带有CPU，使得占用主CPU的时间很少，减少了对PLC扫描速度的影响，提高了整个PLC控制系统的性能。它们本身有很强的信息处理能力和控制功能，可以完成PLC的主CPU难以兼顾的功能。由于在硬件和软件方面都采取了可靠性和便利性的措施。所以简化了某些可能控制系统的设计和编程。典型的智能化模块主要有高速计数模块、定位控制模块、温度控制模块、闭环控制模块、以太网通

46、信模块和各种协议总线通信模块等。（4）人机界面（接口）的发展 HMI（Human-machine Intereace）在工业自动化系统中起着越来越重要的作用，PLC控制系统在HMI方面的进展主要体现在以下几个方面：a. 编程工具的发展 过去绝大部分大中型PLC仅仅提供手持式的编程器，编程人员通过编程器和PLC打交道。首先是把编制好的梯形图程序转换成语句表程序，然后使用编程器一个字符，一个字符的敲到PLC内部；另外，调试时也只能通过编程器观察很少的信息。现在编程器已经被淘汰，基于windows的编程软件不仅可以对PLC的控制系统的硬件组态，即设置硬件的结构、类型、各通信接口的参数等。而且可以在屏

47、幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并且可以实现不同编程语言之间的自动转换。程序被编译后可以被下载到PLC，也可以将用户程序上传到计算机。编程软件的调试和监控功能也远远超过手持式编程器，可以通过编程软件中的监视功能实时观察PLC内部各存储单元的状态和数据，为诊断分析PLC程序和工作过程中出现的问题带来了极大地方便。b. 功能强大，价格低廉的HMI 过去在PLC控制系统中进行参数的设定和显示时非常麻烦，对输入设定参数要使用大量的波码开关组，对输入显示参数要使用数码管，它们不仅占据了大量的I/O资源，而且功能少，接线麻烦。各种单色彩色的显示设定单元、触摸屏、覆膜键盘等应有尽

48、有，它们不仅可以完成大量数据设定和显示，更能直观的显示动态图形画面，而且还能完成数据处理功能。c. 基于PC的组态软件 在中大型的PLC控制系统中，仅仅靠简单内的显示设定单元已经不能解决人机界面的问题，所以基于windows的PC机成为了最佳的选择。配合有适当的通讯接口或适配器，PC机就可以和PLC之间进行信息的互换，再配合功能强大的组态软件，就可以完成复杂的和大量的画面显示，数据处理，报警处理，设备管理等任务，这些组态软件国外的品牌有：wincc、ifix、in-touch等。国产知名公司有亚太、力控等。现在组态软件的价格已经下降到非常低的位置，所以在环境较好的应用现场，使用PC 加组态软件

49、来取代触摸屏的方案也是一种不错的选择。d. 在过程控制领域的使用以及PLC的冗余特性虽然PLC的特性是在制造业领域使用，但随着通信技术、软件技术、模拟量控制技术发展并且不断融合到PLC中，它现在被广泛的应用到了过程控制领域，但在过程控制系统中，使用必然要求PLC控制系统具有更高的可靠性。现在世界上顶尖的自动化设备供应商提供的大型PLC中，一般都增加了安全性和冗余性的产品，并且符合IEC61508标准的要求。该标准主要为可编程电子系统内的功能性安全设计而设定，为PLC在过程控制系统中使用的可靠性和安全设定提供了依据。现在PLC的冗余产品包括CPU系统、I/O系统以及热备份冗余软件的。大型PLC以

50、及冗余技术一般都是在大型的过程控制系统中使用。e. 开放性和标准化 世界上大大小小的电气设备制造商几乎都推出了自己的PLC产品，但由于没有一个规范的标准，所有PLC产品在使用上都存在一些差别，而这些差别的存在对PLC产品的制造商和用户都是不利的。一方面增加了制造商的开发费用，另一方面增加了用户学习和培训的负担。这些非标准化的使用结果使得程序的重复性使用和可移植性都成为不可能的事情。现在的PLC采用了各种工业标准，如TIC61131、IEEE802.3以太网、TCP/IP、UDP/IP等，以及各种事实上的工业标准，如windows NT、OPC等。特别是PLC的国际化标准IEC61131、为PL

51、C从硬件设计、编程语言、通讯联网等各方面都制定了详细的规范。其中第三部分IEC61131-3是标准的PLC编程语言，它的软件模型是现带PLC的软件技术，是整个标准性基础理论工具。它为传统的PLC突破了原有的体系结构，并为相应的软件技术奠定了基础。IEC61131-3不仅在PLC系统中被广泛应用，在其他的工业计算机控制系统、工业编程软件中也得到了广泛应用。f. 通信联网功能的增强和易用化在中大型的PLC控制系统中，需要多个PLC以及智能仪器仪表连接成一个网络进行信息的交换。PLC联网功能的增强使它更容易与PC和其他智能控制设备进行互连。使系统形成一个统一的整体，实现分散控制盒集中管理。现在许多小

52、型甚至微型PLC的控制通信功能也十分强大。PLC控制系统通信的介质一般有双绞线或光纤，具备常用的串行通信功能。在提供网络接口方面PLC向两个方向发展，一是提供直接挂接到现场总线网络中的接口；二是提供etherner接口，使PLC直接入以太网。虽然通信网络功能强大，但硬件连接和软件程序设计的工作量却不大，许多制造商为用户设计了专用的通信模块，并且在编程软件中增加了向导，所以用户大部分的工作是简单的的组态和参数设置，实现了PLC中复杂网络通信功能的易用化。g. 软PLC的概念所谓软PLC就是指在PC机的平台上，在windows操作环境下，用软件来实现PLC的功能。这个概念大概在20世纪90年代中期

53、提出。安装有组态软件的PC机既然能够完成人机界面的功能，为何不把PLC的功能用软件来实现呢？PC机价格便宜，有很强的数学运算、数据处理、通信和人机交互功能。如果软件功能完善，则利用这些软件可以方便的进行工业控制流程的实时和动态监控，完成报警、历史趋势和各种复杂的控制功能，同时节约控制系统的设计时间。配上远程的I/O和智能I/O后，软PLC也能完成复杂的分布式的控制任务。在随后的几年，软PLC的开发也呈现了上升的势头。可是之后的一段时间里，软PLC并没有出现像人们希望的那样占据相当市场份额的局面，这是因为软PLC本身存在的一些缺陷造成的：软PLC对维护和服务人员的要求较高；电源故障对系统影响较大

54、；在占据大多数的低端应用场合，软PLC没有优势可言；在可靠性方面对工业环境的适应性方面，和PLC无法比拟；PC机发展速度太快，技术支持不容易保证。虽然各有各的看法，但随着生产厂家的努力和技术的发展，softPLC肯定也能在其最适合的地方得到认可。h. PLC的概念 在工控界，对PLC的应用情况有一个“80-20”法则，即：第一，80%的PLC应用场合都是使用简单的低成本的小型PLC；第二，78%（接近80%）的PLC都是使用的开关量（或数字量）；第三，80%的PLC应用使用20个左右的梯形图指令就可解决问题。 其余的20%的应用要求或控制功能要求使用PLC无法轻松满足，而需要使用别的控制手段或

55、PLC配合其他手段来实现。于是，一种能结合PLC定的高可靠性和PC机的高级软件功能的新产品应运而生。这就是PAC（programmable automation conntroller），或基于PC机架构的控制器。它包括了PLC的主要功能，以及PC-based控制中基于对象的、开放的数据格式和网络能力。其主要特点是使用的ICE61131-3编程语言、具有多控制任务处理功能。兼具PC机和PLC的优点。PAC主要用于解决那些所谓的剩余的20%的问题，但现在一些高端PLC也具备了解决这问题的能力，加之PAC是一种较新的控制器，所以其市场还有待于开发和推动。i. PLC在现场总线控制系统中的设置现场总

56、线的出现，自动化技术步入了一个新的时代。现场总线是“安装在制造和过程区域的现场与控制室内的自动控制装置之间的数字模式、串行、多点通信的数据总线”，是当前工业自动化的热点之一。随着3C（computer，control and commuication）技术的迅猛发展，使得解决自动化信息孤岛的问题成为可能。采用开放化、标准化的解决方案，把不同厂家遵守同一协议规范的自动化设备连接成控制网络并组成系统已经成为可能。现场总线采用总线通信的拓扑结构，整个系统处于全开放、全数字、全分散的控制平台上。从某种意义上说，现场总线技术给自动控制领域带来的变化时革命性的。到今天，现场总线及技术已经基本走向成熟和实用

57、化，现场总线控制系统的优点是：节约硬件数量与投资；节省安装费用；节省维护费用；提高了系统的控制精度和可靠性；提高了用户的自主选择权。2.4 PLC的应用领域初期的PLC主要以开关量居多的电气顺序控制系统中使用，但20世纪90年代后，PLC也被广泛的应用到流程工业自动化系统中使用。一直到现在现场总线控制系统，PLC更是其中的主角，其应用面越来越广。PLC之所以被广泛使用，其主要原因是：（1）价格越来越低 由于微处理芯片及有关元件的的价格大大下降，使得PLC的成本下降。（2）功能越来越强 随着计算机、芯片、软件、控制等技术的飞速发展，也是的PLC的功能大大增强。它不仅能更好的完成原来得心应手的顺序

58、逻辑控制程序任务，也能处理大量的模拟量，解决复杂的计算机和通信联网问题。（3）与时俱进的发展 在当前最热的现场总线控制系统中，主站和从站几乎都有PLC的身影，PLC的通信技术又往前发展了一大步。现在开放式、标准化的PLC也走到了前台，为适应现在和未来的自动化技术发展做好了准备。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：（1）中小型单机电气控制系统这是PLC应用最广泛的领域，例如塑料机械、印刷机械、订书机械、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、电