PLC在工业机械手中的应用

1、目 录引言. 1第一章 概术.21.1 可编程控制器的发展历史. .21.2 PLC的定义和特点.21.2.1 PLC的定义.31.2.2 PLC的特点.41.3 PLC 应用注意的问题.41.3.1 工作环境.51.3.2 安装与布线.51.3.3 I/O端的接线.51.3.4 外部安全电路.51.3.5 PLC的接地.61.3.6 冗余系统与热备用系统.61.4 PLC的发展阶段.71.5 PLC的发展趋势.7第二章 可编程序控制结构原理.92.1 PLC的结构.9 2.2 PLC的工作过程与原理.102.2.1 PLC工作过程.102.2.2 PLC的工作原理.102.3 PLC 的I/

2、O 系统. 11第三章 气动控制部分133.1 机械手单元的结构及工作过程133.2 气动控制回路的安装要求13 3.2.1 使用气动设备的注意事项.13 3.2.2 安装工艺要求.143.3 机械部件整体拆装过程及系统组装注意事项14 3.3.1 拆卸步骤.14 3.3.2 装配步骤.14 3.3.3 系统组装注意事项.14第四章 传感器检测部分164.1 传感器的组成及机电设备常用传感器的分类164.1.1 传感器的组成164.1.2 机电一体化设备常用传感器的分类164.2 电感式接近开关17 4.2.1 电感式接近开关的基本工作原理.17 4.2.2 电感式接近开关的分类.17 4.2

3、.3 电感式接近开关的图形符号.17 4.2.4 电感式传感器的特点.18 4.2.5 电感式传感器在自动检测中的应用.184.3 电容式传感器.18 4.3.1 电容式接近开关的基本工作原理.19 4.3.2 电容式接近开关的图形符号.19 4.3.3 电容式传感器在自动检测中的应用.194.4 光电式接近开关.19 4.4.1 光电式接近开关.19 4.4.2 对射式光电接近开关.19 4.4.3 反射式光电接近开关.20 4.4.4 光电式接近开关的图形符号.20 4.4.5 光电传感器在自动检测中的应用.204.5 霍尔传感器.224.6 电子式行程开关.22 4.6.1 Festo的

4、接近式传感器.22 4.6.2 电子式行程开关位置控制装置.224.7 压力传感器.234.8 传感器的连接方法.234.9 使用电器设备的注意事项以及模拟检测.24 4.9.1 使用设备的注意事项.24 4.9.2 模拟检测.24第五章 PLC的选择及相关控制程序设计.265.1 PLC的选择26 5.1.1 输入输出的确定.26 5.1.2 PLC控制系统的设计.265.2 机械手移送工件动作过程275.3 操作方式概念27 5.3.1 机械手与PLC输入/输出端子接线图及总程序图.27 5.3.2 手动操作和自动操作的具体方案设计.28 5.3.3 根据机械手控制设定PLC的输入/输出端

5、口.29 5.3.4 控制过程的PLC状态转移图.29 5.3.5 根据状态转移图画出梯形图及指令表.31 5.3.6 使用编程软件包对系统进行全过程监控.32总结35致谢语36参考37英文摘要.38PLC在工业机械手中的应用摘要 机械手是模拟人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动搬运、抓举或操作的自动机械装置。本设计使用PLC来控制机械手的运动从而实现自动控制，在PLC的控制下，机械手可以自动完成包括上升,下降，左移，右移，抓紧，放松动作的移动工件任务。本文介绍了用日本三菱公司生产的F1/F2系列可编程控制器,根据机械手的运动规律:左/右、上/下、夹/松等进行软件编程。实现了手动操作

6、,即:用按钮操作,对机械手的每一种运动单独进行控制;自动操作包括单步、单周期和连续操作。另外,对右工作台有工件的特殊情况进行了处理。采用梯形控制直观易懂,为电气人员所熟悉;采用PLC控制使接线简化,安装方便,而且保证运行的可靠性,减少维修量,提高了工效。关键词：可编程控制器（PLC） 工业机械手 控制2010届机械设计制造及其自动化专业毕业设计引言随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。本文主要叙述了日本三菱F1/F2系列在机械手的控制过程。随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大。壳体是阀类控制器上使用的通用型零件，该零件结构复杂，加工精度高，工艺过程长，壳体质量一

7、直是影响控制器精度的主要指标之一。由于原有壳体的加工设备陈旧，工艺落后等原因，严重影响了控制器的发展。为了改变落后的生产状态，缓解日趋紧张的供求关系，我们研究开发了多工步搬运机械手。在设备的整体构思，总体布局，机构功能，驱动和控制系统等方面，对原有设备进行了改造，投入运行以来，产品质量稳定，生产率高，工艺成本降低，深受厂家欢迎。本文第一章主要介绍可编程控制器的发展历史，PLC的定义和特点及PLC应注意的问题；第二章介绍可编程序控制结构原理和工作原理；第三章介绍气动控制部分；第四章介绍传感器检测部分；第五章介绍PLC操作方式及其相关设计。由于编者水平有限，编写时间短促，书中不妥之处恳请批评指正。

8、第一章 概述机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。应用PLC控制机械手实现各种规定的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。1.1可编程控制器的发展历史 在可编程控制器出现以前，继电器控制在工业控制领域占主导地位，由此构成的控制系统都是按预先设定好的时间或条件顺序地工作，若要改变控制的顺序就必须改变控制系统的硬件接线，因此，其通用性和灵活性较差。 20 世纪的六十年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大以及难于适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广

9、。 1968 年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司 (GM) 为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠，功能更齐全，响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引起了开发热潮。主要内容是： 编程方便，可现场修改程序； 维修方便，采用插件式结构； 可靠性高于继电器控制装置； 体积小于继电器控制盘； 数据可直接送入管理计算机； 成本可与继电器控制盘竞争； 输入可为市电； 输出可为市电，容量要求在 2A 以上，可直接驱动接触器等； 扩展时原系统改变最少； 用户存储器大于 4KB 。 这些条件实际上提出将继电器控制的简单易懂、使用方便、价格低的优

10、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接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 (DEC 公司 ) 研制出了第一台可编程控制器 PDP14 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生。 可编程控制器自问世以来 , 发展极为迅速。 1971 年，日本开始生产可编程控制器。 1973 年，欧洲开始生产可编程控制器。到现在，世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程控制器装置。可编程控制器已作为一个独立的工业设备被列入生产中，成为当代电控装置的主导。1.2 PLC的定义和特点1.2.1 P

11、LC的定义PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufactoryAssociation）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（ProgrammableController），并给PC作了如下定义： “PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。” 以后国际电工

12、委员会(IEC)又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义： 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实

13、际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。1.2.2 PLC的特点1.高可靠性 （1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。 （2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10-20ms。 （3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。（4）采用性能优良的开关电源。（5）对采用的器件进行严格的筛选。（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。2.丰富的I/

14、O接口模块 PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。 另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。3.采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4.编程简单易

15、学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5.安装简单，维修方便 PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。 由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。1.3 PLC应用注意的问题1.3.1工作环境1 温度 PLC要求环境温度在055，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大，基本

16、单元和扩展单元之间要有30mm以上间隔；开关柜上、下部应有通风的百叶窗，防止太阳光直接照射；如果周围环境超过55，要安装电风扇强迫通风。2 湿度 为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。3 震动 应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为10-55Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。4 空气 避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中，并安装空气净化装置。5 电源 PLC供电电源为50Hz、220（110%）V的交流电，对于电源线来的干扰

17、，PLC本身具有足够的抵制能力。对于可靠性要求很高的场合或电源干扰特别严重的环境，可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。还可以在电源输入端串接LC滤波电路。如图1所示。三菱系列PLC有直流24V输出接线端，该接线端可为输入传感器（如光电开关或接近开关）提供直流24V电源。当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。1.3.2安装与布线1 动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双胶线连接。2 PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置

18、和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。3 PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10。4. PLC基本单元与扩展单元以及功能模块的连接线缆应单独敷设，以防止外界信号的干扰。5 交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。1.3.3 I/O端的接线1 输入接线（1） 输入接线一般不要超过30米。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。（2） 输入/输出线不能用同一根电缆，输入/输出线要分开。（3） 尽可能采用常开触点形式连接到

19、输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一致，便于阅读。2 输出连接（1） 输出端接线分为独立输出和公共输出。在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压。但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。（2） 由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板，因此，应用熔丝保护输出元件。（3） 采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的使用寿命，因此，使用电感性负载时选择继电器工作寿命要长。（4） PLC的输出负载可能产生干扰，因此要采取措施加以控制，如直流输出的续流管保护，交流输出的阻容吸收电路，晶体管及双向晶闸

20、管输出的旁路电阻保护。1.3.4 外部安全电路 为了确保整个系统能在安全状态下可靠工作，避免由于外部电源发生故障、PLC出现异常、误操作以及误输出造成的重大经济损失和人身伤亡事故，PLC外部应安装必要的保护电路。（1） 急停电路。对于能使用户造成伤害的危险负载，除了在控制程序中加以考虑之外，还应设计外部紧急停车电路，使得PLC发生故障时，能将引起伤害的负载电源可靠切断。（2） 保护电路。正反向运转等可逆操作的控制系统，要设置外部电器互锁保护；往复运行及升降移动的控制系统，要设置外部限位保护电路。（3） 可编程控制器有监视定时器等自检功能，检查出异常时，输出全部关闭。但当可编程控制器CPU故障时

21、就不能控制输出，因此，对于能使用户造成伤害的危险负载，为确保设备在安全状态下运行，需设计外电路加以防护。（4） 电源过负荷的防护。如果PLC电源发生故障，中断时间少于10秒，PLC工作不受影响，若电源中断超过10秒或电源下降超过允许值，则PLC停止工作，所有的输出点均同时断开；当电源恢复时，若RUN输入接通，则操作自动进行。因此，对一些易过负载的输入设备应设置必要的限流保护电路。（5） 重大故障的报警及防护。对于易发生重大事故的场所，为了确保控制系统在重大事故发生时仍可靠的报警及防护，应将与重大故障有联系的信号通过外电路输出，以使控制系统在安全状况下运行。1.3.5 PLC的接地 良好的接地是

22、保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。PLC的接地线与机器的接地端相接，接地线的截面积应不小于2mm2 ，接地电阻小于100；如果要用扩展单元，其接地点应与基本单元的接地点接在一起。为了抑制加在电源及输入端、输出端的干扰，应给PLC接上专用地线，接地点应与动力设备（如电机）的接地点分开；若达不到这种要求，也必须做到与其它设备公共接地，禁止与其它设备串连接地。接地点应尽可能靠近PLC。1.3.6冗余系统与热备用系统在石油、化工、冶金等行业的某些系统中，要求控制装置有极高的可靠性。如果控制系统发生故障，将会造成停产、原料大量浪费或设备损坏，给企业造成极大的经济损失。但是仅靠

23、提高控制系统硬件的可靠性来满足上述要求是远远不够的，因为PLC本身可靠性的提高是有一定的限度。使用冗余系统或热备用系统就能够比较有效地解决上述问题。1冗余控制系统 在冗余控制系统(图2)中，整个PLC控制系统（或系统中最重要的部分，如CPU模块）由两套完全相同的系统组成。两块CPU模块使用相同的用户程序并行工作，其中一块是主CPU，另一块是备用CPU；主CPU工作，而备用CPU的输出是被禁止的，当主CPU发生故障时，备用CPU自动投入运行。这一切换过程是由冗余处理单元RPU控制的，切换时间在1-3个扫描周期，I/O系统的切换也是由R成的。2 热备用系统 在热备用系统中，两台CPU用通讯接口连接

24、在一起，均处于通电状态如图3所示。当系统出现故障时，由主CPU通知备用CPU，使备用CPU投入运行。这一切换过程一般不太快，但它的结构有比冗余系统简单。1.4 PLC的发展阶段虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段： 1.早期的PLC（60年代末70年代中期）早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要

25、求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言梯形图一直沿用至今。 2.中期的PLC（70年代中期80年代中，后期）在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处 理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。这样，使PLC得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻

26、辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。 3.近期的PLC（80年代中、后期至今）进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。1.5

27、PLC的发展趋势1向高速度、大容量方向发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。 在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。2向超大型、超小型两个方向发展 当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。 小型PLC由整体结构向小型模块化结

28、构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为816点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司系列PLC3PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。 加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类：一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的

29、联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。 为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。4增强外部故障的检测与处理能力 根据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。 5编程语言多样化在PL

30、C系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。第二章 可编程序控制结构原理2.1 PLC的结构 PLC一般由四大部分组成：CPU、存储器、I/O系统以及其它可选部件。前三大部分是PLC完成各种控制任务所必需的，一般称为PLC的基本组成部分。其它可选部件包括编程器、外存储器、仿真I/O、通讯接口、扩展接口以及测试设备等，主要用于系统的编程组态、程序存储

31、、通讯联网、系统扩展和系统测试等。1.CPU CPU是PLC的核心部件。应该注意的是：在PLC中，CPU的概念与普通微型计算机的CPU有很大的不同。在PLC中，CPU指的不是一块集成电路，而是一个模板，其上不仅包括CPU芯片，还有RAM和ROM或者EPROM。而且，在中大型PLC中，CPU模板中一般有两块CPU芯片，一片用作字处理器（主处理器），用于字节指令的处理，并实现各种控制作用；另一片用作字处理器（辅助处理器），用于实现位讯息的高速处理。2.数字I/O接口 用作CPU模板与外部开关量讯号之间的接口。它完成诸如电平转换、电气隔离、串/并型数据转换以及对外提供一定的驱动能力等工作。数字I/O

32、讯号常来自按钮、开关和继电器触点等实际开关量，以及其它外设或受控对象送来的数字量。3.模拟I/O接口 其输入部分主要完成阻抗匹配、讯号放大、讯号滤波、I/V变换、V/F变换或者A/D变换等工作，以便将来自受控对象的仿真量转换成PLC能够处理的数字量。其输出部分主要实现阻抗匹配、功率放大、波形校正等功能。在一些场合下，仿真讯号也需要与现场电气隔离。但仿真讯号的隔离比数字讯号要复杂得多。用于数字讯号的光电隔离因线性度较差而不能用来隔离仿真讯号，因此仿真讯号常常采用成本较高的隔离放大器来实现电气隔离。4.特殊功能模板 特殊功能模板一般都自带CPU和系统软件，与PLC CPU模板并行工作，并通过PLC

33、系统总线与CPU模板接口。常见的特殊功能模板包括：高速计数板（能满足100KHz以上的计数或定时要求）、具有快速PID调节器的死循环控制模板、通讯模板等。5.电源PLC中的电源一般有三类： 1.+5V、15V直流电源：供PLC中TTL芯片和集成运放使用；2.供输出接口使用的高压大电流的功率电源；3.锂电池及其充电电源。 考虑到系统的可靠性以及光电隔离器的使用，不同类型的电源其地线也不同。目前PLC的发展非常迅速，型号众多，各种特殊功能模板不断涌现。通常根据其I/O点的数量将 PLC分为三大类：小型机：256点以下（无模拟量）； 中型机：256 2048点（64 128路模拟量）； 大型机：20

34、48点以上（128 512路模拟量）。 具体实现时，通常采用模板式结构，以便用户根据实际应用需求进行配置。但一些小型机常制作成一体机，其配置固定，主要供定型成套设备使用；而一些大型机一般在电源、或者CPU，甚至两者都作了热备份。2.2 PLC的工作过程与原理2.2.1 PLC工作过程PLC 采用循环执行用户程序的方式。OB1 是用于循环处理的组织块（主程序），它可以调用别的逻辑块，或被中断程序（组织块）中断。 在起动完成后，不断地循环调用OB1，在OB1 中可以调用其它逻辑块(FB, SFB, FC 或SFC)。 循环程序处理过程可以被某些事件中断。 在循环程序处理过程中，CPU 并不直接访问

35、I/O 模块中的输入地址区和输出地址区，而是访问CPU 内部的输入/输出过程映像区。批量输入、批量输出。梯形图中的线圈“通电”时，对应的输出过程映像位为1 状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。 外部输入电路接通时，对应的输入过程映像位(例如I0.0)为1 状态，梯形图中对应的输入位的常开触点接通，常闭触点断开。 某一编程元件对应的过程映像位为1 状态时，称该编程元件为ON，过程映像位为0 状态时，称该编程元件为OFF。 循环时间（Cycle time）是指操作系统执行一次附图 所示的循环操作所需的时间，又称为扫

36、描循环时间（Scan Cycle Time）或扫描周期。2.2.2 PLC的工作原理 最初研制生产的PLC 主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的： 继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。 PLC 的CPU 则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。 为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装

37、置各类触点的动作时间一般在100ms 以上，而PLC 扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式扫描技术。这样在对于I/O 响应要求不高的场合，PLC 与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。 1扫描技术 当PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC 的CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 （1） 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O 映象区中的相应得单元内。输入采样

38、结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 （2） 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O 映象区中对应位的状态

39、；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O 映象区或系统RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 （3）输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC

40、 的真正输出。 一般来说，PLC 的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。 2PLC 的I/O 响应时间 为了强PLC 的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。 为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC 采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。 以上两个主要原因，使得PLC 得I/O 响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。2.3 PLC 的I/O 系统 1I/O 寻址方式 PLC的硬件结构

41、主要分单元式和模块式两种。前者将PLC 的主要部分（包括I/O 系统和电源等）全部安装在一个机箱内。后者将PLC 的主要硬件部分分别制成模块，然后由用户根据需要将所选用的模块插入PLC 机架上的槽内，构成一个PLC 系统。 不论采取哪一种硬件结构，都必须确立用于连接工业现场的各个输入/输出点与PLC 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得方式称为I/O 寻址方式。 I/O寻址方式有以下三种： 1. 固定的I/O 寻址方式 这种I/O 寻址方式是由PLC 制造厂家在设计、生产PLC 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。

42、一般来说，单元式的PLC 采用这种I/O寻址方式。 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/O 地址分配表来确定的。第三章 气动控制部分3.1 机械手单元的结构及工作过程机械手移送工件的机械系统及其结构如图3-1所示，用于将传输带A上的工件搬运到传输带B上。机械手的全部动作由电磁阀控制气动系统工作。其上升/下降、左移/右移运动由电磁阀控制，其位置由磁性传感器检测，夹紧使用电磁阀控制气爪，使用压力传感器检测。即当下降电磁阀通电时，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手停止下降，但要保持现有的工作状态。在上升电磁阀通电时，机械手上升；当电磁阀断电后，机械手停止上升。夹紧电磁阀线圈通电时，机械手夹紧；线圈断电时，机械手放松。图3-1 机械手控制单元结构及移送工件的动作过程图3.2 气动控制回路的安装要求3.2.1 使用气动设备的注意事项 （1） 所有使用的气动配件必须为专用配件。不符合或质量不良