铣床电气控制系统设计与改进

1、摘要铣床(milling machine)系指主要用铣刀在工件上加工各种表面的 机床。通常铣刀旋转运动为主运动， 工件和铣刀的移动为进给运动。它 可以加工平面、沟槽，也可以加工各种曲面、齿轮等。还能加工比较复 杂的型面，效率较刨床高，在机械制造和修理部门得到广泛应用。PLC (可编程序控制器)是一种专业在工业环境下应用而设计的数 字运算操作的电子设备。采用可编程序控制器对 X62W铣床传统的电 气控制系统进行改造，简单介绍了 X62W的用途，结构和运动形式， 详细阐述了改造设计方案。根据 X62W铣床继电器控制电路的组成， 确定PLC的输入输出点数，并进行PLC型号选择，依据其继电器控制 电路

2、的工作原理，给出了 X62W型万能铣床PLC控制改造的设计梯形 图，提高了 X62W卧式铣床电气控制系统的可靠性和干扰能力，并借 助组态软件MCGS实现了 X62W的远程监控及操作。关键词：PLC X62W万能铣床电气控制AbstractThe milling machine is one kind of machine which main use the cutter processing a variety of surfaces on the workpiece.Usually cutter rotary moti on is the main moveme nt,the moveme

3、 nt of the workpiece and cutter is feed motion.lt can machining flat,groove,also can machining all kinds of surfaces,gear.The milling machine can process more complex type of surface, more efficient than the planer,is widely used in machinery manu facturi ng and repair departme nt .PLC (programmable

4、 logic con troller) is a professi onal digital comput ing operati ons electr onic equipme nt desig ned in in dustrial en vir onmen t.Use PLC transform the electric control system of traditional X62W milling machine,simple introduced the X62W purposes,structure and motion form,tra nsformatio n desig

5、n scheme is expo un ded in detail.Accordi ng to the compositi on of X62W milli ng machi ne relay con trol circuit.Determi ne the in put and output points of PLC,a nd the PLC model select ion. Accordi ng to the working principle of the relay control circuit,gives the X62W type uni versal milli ng mac

6、h ine PLC con trol desig n of ladder diagram,to improve the reliability of electric control system of X62W horizontal milling machine and interference ability,with the help of configuration software MCGS to realize the remote mon itori ng and operati on of X62W.Keywords: PLC, X62W milli ng machi ne,

7、 electric con trol目录摘要1.Abstract II目录I.II前言1.1铣床的工作原理简介21.1铣床简介2.1.2铣床的型号及其含义32 X62W万能铣床电气控制42.1 X62W万能铣床的主要结构及运动特点 42.1.1 X62W万能铣床的主要结构 41.2.2 X62W铣床运动特点 52.3 X62W万能铣床电气控制线路分析 .63可编程控制器概述及应用1.43.1可编程控制器的产生和定义143.2可编程控制器的分类及编程语言 1 63.2.1 PLC 的分类1.63.2.2 PLC编程语言1.6可编程控制器的应用和发展 1 63.3 PLC的特点 183.4 PLC

8、的基本组成 203.4.1 PLC的硬件结构 203.4.2 PLC的软件结构 233.5 PLC的工作原理 23可编程控制器的工作原理 2 3可编程控制器的工作过程 243.6 PLC的选型253.6.1 PLC输入回路25362输出回路264 X62W万能铣床电气控制线路的 PLC改造2 84.1 X62W铣床PLC控制系统的分析 284.2 PLC的I/O端口的分配 284.3 PLC程序设计304.3.1 X62W万能铣床PLC控制梯形图 324.4 X62W万能铣床PLC改造后的运行调试 325 PLC控制与电气控制的区别 34总结.3.6致谢.3.7参考文献38、八 、，刖言自20

9、世纪60年代美国推出可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展， 在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也在不断完善。随着计 算机技术、信号处理技术、控制技术、网络技术的不断发展和用户需要 的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制 等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等 领域也发挥着十分重要的作用，电气控制与 PLC应用技术在各个领域 也得到越来越广泛的应用，掌握电气控制与 PLC应用技术对提高我国 工业自动化水平和生产效率具有重要的意义。铣床是以

10、各类电动机为动力的传动装置与系统的对象以实现生产 过程自动化的技术装置。电气系统是其中的主干部分，在国民经济各行 业中的许多部门得到广泛应用。随着电子技术的发展，可编程序控制器日益广泛的应用于机械、电子加工与设备电气改造中。铣床作为机械加工的通用设备在内燃机配件的生产中一直起着不 可替代的作用。自动铣床具有工作平稳可靠，操作维护方便，运转费用 低的特点，已成为现代生产中的主要设备。自动铣床控制系统的设计是 一个很传统的课题，现在随着各种先进精确的诸多控制仪器的出现，铣 床控制的设计方案也越来越先进，越来越趋于完美，各种参考文献也数 不胜数。在我国7080年代大多数铣床中，大多数的开关量控制系统

11、都 是采用继电器控制，也有相当一部分辅机系统是采用继电控制。因此， 继电器本身固有的缺陷，给铣床的安全和经济运行带来了不利影响，用PLC对铣床的继电器式控制系统进行改造已是大势所趋。1铳床的工作原理简介1.1铣床简介在金属切削机床中，铣床的数量占有非常大的比例。铣床可用来加 工平面、斜面、沟槽等。装上分度头，可以铣切直齿轮和螺旋面。若装 上圆工作台，可铣切凸轮和弧形槽。以常用的立铣和卧铣来说，刀具（铣刀）的旋转运动称为主运动，工 件（工作台）的移动或进给箱的移动称为进给运动，辅助运动有工作台的 快速移动及工作台的旋转运动。主运动与进给运动没有比例协调的要 求，为缩短传动链和便于分别控制，大多数

12、铣床将主轴和工作台分别用 单独的电机拖动，对于中小型铣床来说，一般用普通三相异步电动机拖 动。铣削是一种高效率的加工方式，铣刀的旋转是主运动，工作台的上 下、左右、前后运动都是进给运动，其他的运动，如工作台的旋转运动 则是辅助运动。铣床的种类很多，按照结构型式和加工性能的不同， 可分为立式铣 床、卧式铣床、仿形铣床、龙门铣床和专用铣床等。万能铣床是一种通用的多用途机床，它可以用圆柱铣刀、圆片铣刀、 成型铣刀及端面铣刀等工具对各种零件进行平面、斜面、螺旋面及成型 表面的加工，还可以加装万能铣头和圆工作台来扩大加工范围。目前， 万能铣床常用的有两种，一种是卧式万能铣床，铣头水平放置，型号为 X62

13、W;另一种是立式万能铣床，铣头垂直放置，型号为X52K。这两种铣床结构大体相似，差别在于铣头的放置方向上，而工作台进给方式， 主轴变速等都一样，电气控制线路经过系列化以后，也是一样的，只不 过容量不同。X62W万能铣床是一种通用的多用途机床，它可以进行平面、斜面、 螺旋面及成型表面的加工，是一种较为精密的加工设备，它采用几点接 触器电路实现电气控制，PLC转为工业环境应用而设计，其显著的特点 之一就是可靠性高，抗干扰能力强，将 X62W万能铣床电气控制线路 改造为可编程控制器控制，可以提高整个电气控制系统的工作性能， 减 少维护，维修的工作量。1.2铣床的型号及其含义铣床的型号如下表示：如XQ

14、6225, X表示铣床，Q表示轻便铣床, 6表示卧式铣床，2表示万能升降台铣床，25表示工作台宽度的1/10(250mm)。铣削加工能达到的精度等级为IT97级，表面粗糙度Ra=6.31.6 ym2 X62W万能铳床电气控制2.1 X62W万能铣床的主要结构及运动特点X62W万能铣床是一种通用的多用途机床，它可以进行平面、 斜面、螺旋面及成型表面的加工，是一种较为精密的加工设备，它 采用继电接触器电路实现电气控制。PLC专为工业环境应用而设计，其显著的特点之一就是可靠性高，抗干扰能力强。将X62W万能铣床电气控制线路改造为可编程控制器控制，可以提高整个电气控制系统的工作性能，减少维护、维修的工

15、作量。2.1.1 X62W万能铣床的主要结构10图2.1 X62W万能铳床外形图X62W型万能铣床的外形结构如图所示，它主要由床身、主轴、刀 杆、悬梁、工作台、回转盘、横溜板、升降台、底座等几部分组成。在 床身的前面有垂直导轨，升降台可沿着它上下移动。在升降台上面的水 平导轨上，装有可在平行主轴轴线方向移动（前后移动）的溜板。溜板 上部有可转动的回转盘，工作台就在溜板上部回转盘上的导轨上作垂直 于主轴轴线方向移动（左右移动）。工作台上有T形槽用来固定工件。 这样，安装在工作台上的工件就可以在三个坐标上的六个方向调整位置 或进给。2.1.2 X62W铣床运动特点（1）主运动：主轴带动铣刀的旋转运

16、动。铣削加工有顺铣和逆铣两种加工方式，所以要求主轴电动机能正转 和反转，用组合开关来控制主轴电动机的正转和反转。 铣削加工是一种 不连续的切削加工方式，为减小振动，主轴上装有惯性轮，但这样会造 成主轴停车困难，为此主轴电动机采用电磁离合器制动以实现准确停 车。铣削加工过程中需要主轴调速，采用改变变速箱的齿轮传动比来实 现，主轴电动机不需要调速。（2）进给运动：加工中工作台的上下、左右、前后运动及圆工作 台的运动。铣床的工作台要求有前后、左右和上下六个方向上的进给运动和快 速移动，所以要求进给电动机能正反转。 为扩大加工能力，在工作台上 可加装圆形工作台，圆形工作台的回转运动由进给电动机经传动机

17、构驱 动。为保证机床和刀具的安全，在铣削加工时，任何时刻工件都只能有 一个方向的进给运动，因此采用机械操作手柄和行程开关相配合的方式 实现六个运动方向的联锁。为防止刀具和机床的损坏，要求只有主轴旋 转后，才允许有进给运动；同时为了减小加工件的表面粗糙度，要求进 给停止后，主轴才能停止或同时停止。进给变速采用机械方式实现，进 给电动机不需要调速。（3）辅助运动：工作台在各个方向的快速移动及主轴和进给的变 速冲动。工作台的快速运动是指工作台在前后、左右和上下六个方向之一上 的快速移动。它是通过快速移动电磁离合器的吸合， 改变机械传动链的 传动比实现的。为保证变速后齿轮能良好啮合， 主轴和进给变速后

18、，都 要求电动机做瞬时点动，即变速冲动。2.2 X62W万能铣床电气控制线路分析X62W万能铣床的电气控制线路。分为主电路，控制电路和照明电 路三部分。一弓S 二ZTAC八图22 X62W万能铳床的电气控制线路(1) 主轴电动机 M1的控制。主电路中共有三台电动机，M1是主电动机，拖动主轴带动铣刀进行铣削加工；M2是工作台进给电动机，拖动升降台及工作台进给；M3是冷却泵电动机，供应冷却液。每台电动机均有热继电 器作过载保护。M1由交流接触器 KM1控制，为操作方便，在机房的不同位置 各安装了一套启动和停止按钮；SB2和SB6装在床身上，SB1和SB5装在升降台上。对 M1的控制包括有主轴的启动

19、、停止制动、 换刀制动和变速冲动。启动：在启动前先按照顺铣或逆铣的工艺要求，用组合开关 SA3预先确定 M1的转向。按下 SB1或SBKM1线圈通电 M1 启动运行，同时 KM1动合辅助触点(7 13)闭合为 KM3、KM4 线圈支路接通做好准备。SA3的功能如下表所示。表2.1主轴转换开关位置表触点位置正转停止反转SA3-1+SA3-2+SA3-3+SA3-4+停车与制动：按下 SB5或SB6 SB5或SB6动合触点断开(3 5或1 3) KM1线圈断电，M1停车一 SB5或SB6动合触点闭 合(105 107 )制动电磁离合器 YC1线圈通电M1制动。制动电磁离合器 YC1装在主轴传动系统

20、与 M1转轴相连的第1 根传动轴上，当 YC1通电吸合时，将摩擦片压紧，对M1进行制动。停转时，应按住 SB5或SB6直至主轴停转才能松开，一般主 轴的制动时间不超过 0.5s。主轴的变速冲动：主轴的变速冲动是通过改变齿轮的传动比实 现的。在需要变速是，将变速手柄拉出，转动变速盘至所需的转速， 然后将变速手柄复位。在手柄复位的过程中，在瞬间压动了行程开 关SQ1，手柄复位后，SQ1也随之复位。在 SQ1动作的瞬间，SQ1 的动合触点（5 7）先断开其他支路，然后动合触点（1 9）闭合， 点动控制KM1，使M1产生瞬间的冲动，利用齿轮的啮合；如果点 动一次齿轮还不能啮合，可重复进行上述动作。主轴

21、换刀控制：在上刀或换刀时，主轴应处于制动状态，以避 免发生事故。只要将换刀制动开关SA1拔至“接通”位置，其动断触点SA1-2（ 4 6）断开控制电路，保证在换刀时机床没有任何 动作；其动合触点 SA1-1 （ 105 107）接通YC1，使主轴处于制动 状态。换刀结束后，要记住将SA1扳回“断开”位置。（2）进给运动控制。工作台的进给运动分常速（工作）进给和快速进给，常速进给 必须在M1启动运行后才能进行，而快速进给属于辅助运动，可以 在M1不启动的情况下进行。工作台在6个方向上的进给运动是由机械操作手柄带动相关的行程开关SQ3SQ6,通过控制接触器 KM3、KM4来控制进给电动机 M2正反

22、转实现。行程开关 SQ5和 SQ6分别控制工作台的向右和向左运动，SQ3和SQ4则分别控制工作台的向前、向下和向后、向上运动。进给拖动系统使用的两个电磁离合器 YC2和YC3都安装在进 给传动链中的第 4根传动轴上。当 YC2吸合而YC3断开时，为常 速进给；当YC3吸合而YC2断开时，为快速进给。工作台的纵向进给运动：工作台的纵向（左右）进给运动是由“工作台纵向操纵手柄”来控制的。手柄有3个位置：向左、向右、零位（停止）。其控制关系如下表所示。表2.2工作台纵向进给开关位置触点位置左停右SQ5-1+SQ5-2+SQ6-1+SQ6-2+将纵向进给操作手柄扳向右边f行程开关SQ5动作f其动断触点

23、SQ5 2(27 29)先断开，动合触点 SQ5 1 ( 21 23)后闭合 f KM3 线圈通过(13 15 17 19 21 23 25)路径通电f M2 正转f工作台向右运动。若将操作手柄扳向左边，则SQ6动作f KM4线圈通电f M2反转f工作台向左运动。SA2为圆工作台控制开关，此时应处于“断开”位置，3组触点状态为 SA2 1、SA2 3接通，SA2 2断开。工作台的垂直与向进给运动：工作台垂直与横向进给运动由一个十字形手柄有上、下、前、后和中间5个位置，其对应的运动状态如下表所示。将手柄扳至向下或向上位置时，分别压动行程开关 SQ3或SQ4,控制M2正转或反转，并通过机械传动机构

24、使工作台 分别向下和向上运动；而当手柄扳至向前或向后位置时，虽然同样 是压动行程开关 SQ3和SQ4,但此时机械传动机构使工作台分别 向前和向后运动。当手柄在中间位置时，SQ3和SQ4均不动作。下面就是以向上运动的操作为例分析电路的工作情况，其余的可自行分析。表2.3工作台横向与垂直操纵手柄功能手柄位置工作台运动方向离合器接通的丝杆行程开关动作接触器动作电动机运转向上向上进给或快速向上垂直丝杆SQ4KM4M2反转向下向下进给或快速向下垂直丝杆SQ3KM3M2正转向前向前进给或快速向刖横向丝杆SQ3KM3M2正转向后向后进给或快速向后横向丝杆SQ4KM4M2反转中间升降或横向停止横向丝杆-停止将

25、十字形手柄扳至“向上”位置， SQ4的动作断触点 SQ4 1 先断开，动合触点SQ4 1后闭合-KM4线圈经(13 27 29 19 21 31 33)路径通电 M2反转工作台向上运动。进给变速冲动：与主轴变速时一样，进给变速时也需要使M2瞬间点动一下，使齿轮易于啮合。进给变速冲动由行程开关SQ2控制，在操纵进给变速手柄和变速盘时， 瞬间压动了行程开关 SQ2，在SQ2通电的瞬间，其动断触点SQ2 1（13 15）先断开而动合触点 SQ22（ 15 23）后闭合，使 KM3 线圈经（13 2729 19 17 152325）路径通电，M2正向点动。由 KM3的通电路径 可见：只有在进给操作手柄

26、均处于零位（即SQ3SQ6均不动作）时，才能进行进给变速冲动。工作台快速进给的操作：要使工作台在6个方向快速进给，在按常速进给的操作方法操作进给控制手柄的同时，还要按下快速进给按钮开关SB3或SB4 （两地控制），使KM2线圈通电，其动断 触点（105 109）切断 YC2线圈支路，动合触点（105 111）接 通YC3线圈支路，使机械传动机构改变传动比，实现快速进给， 由于与KM1的动合触点（713）并联了 KM2的一个动合触点， 所以在M1不启动的情况下也可以进行快速进给。（3）圆工作台的控制。在需要加工弧形槽、弧形面和螺旋槽时，可以在工作台上加工 装圆工作台。圆工作台的回转运动也是由进给

27、电动机M2拖动的。在使用圆工作台时，将控制开关SA2扳至“接通”的位置，此时SA2 2接通而 SA2 1、SA2 3断开。在主轴电动机 M1启动的 同时，KM3 线圈（13 15 17 19 29272325）的路径通电， 使M2正转，带动圆工作台旋转运动（圆工作台只需要单向旋转）。由KM3线圈的通电路径可见，只要扳动工作台进给操作的任何一 个手柄，SQ3SQ6其中一个行程开关的动断触点断开，都会切断 KM3线圈支路，使圆工作台停止运动，这就实现了工作台进给和 圆工作台运动的联锁关系。表2.4圆工作台转换开关 SA1情况说明触点位置圆工作台接通断开SA2-1+SA2-2+SA2-3+(4) 照

28、明电路照明灯EL由照明变压器 T1提供24V的工作电压，SA4为灯开关，FU5提供短路保护。3可编程控制器概述及应用3.1可编程控制器的产生和定义可编程控制器（Programmable Logic Controller），简称 PLC， 是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee ）颁布的 PLC 标准草 案中对PLC做了如下定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用 而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储 器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算 术运算等操作的指

29、令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控 制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。在市场经济的推动下，人们要求产品品种齐全且优质价廉。为 适应市场的需要，工业产品的品种就要不断更新换代，从而要求产 品的生产线及附属的控制系统不断地修改及更换。在20世纪60年代，生产线的控制主要采用继电器控制。修改一条生产线，要更换 许多硬件设备，进行复杂的接线，即浪费了许多硬件，又大大拖延 了施工周期，增加了产品的成本。于是人们开始寻找一种新型的通 用控制设备，1968年美国通用公司（GM ）液压部，提出了以下10项招标指标：（1

30、）编程简单，可在现场修改和调试程序；（2）维护方便，各部件最好采用插件方式；（3）可靠性高于继电器控制系统；（4）设备体积小于继电器控制柜；（5）数据可以直接送给管理计算机；（6）成本可与继电器控制系统相竞争；（7）输入电压是 115V交流电；（8） 输出电压也是 115V交流电，输出电流达2A以上，能直接驱动电磁阀；(9) 系统扩展时，原系统只需做小的变动；(10) 用户程序存储容量可扩展到4KB。美国数字设备公司(DEC )中标，于1969年研制成功了一台 符合要求的控制器，称为可编程控制器，在通用汽车公司(GM)的汽车装配生产线上试验并获得成功。美国电气制造商协会(NEMA )经过调查，

31、于 1980年把这种 控制正式命名为可编程控制器( Programmable Controller )，英文缩 写为PC。为了与个人计算机 PC(Personal Computer)相区别，就在 PC中间加入 L( Logical )而写成 PLC。国际电工委员会(IEC)于1982年颁布了 PLC标准菜草案第一 稿，1987年2月颁布了第三稿，对可编程控制定义如下：可编程 控制器是一种数字运算操作的电子系统，专业在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、 顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模 拟式的输入和输出，控制各种类型的机械动作过程

32、。可编程控制器 及其相关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩 展其功能的原则设计。可编程控制器的出现，立即引起了各国的注意。日本于1971年引进可编程控制器技术，德国于1973年引进可编程控制器技术，中国于1973年开始研制可编程控制器，1977年应用到生产线上。自20世纪60年代以来发展极为迅速、应用极为广泛的工业控制装置，是现代工业自动代控制的首选产品，与机器人、CAD、CAM并称为工业生产自动化的三大支柱。如果说初期发展起来的 PLC主要是以它的高速可靠性、灵活性和小型化来代替传统的继电 接触控制的，那么当今的PLC则吸取了微电子技术和计算机技术的最新成果，得到了更新的发展

33、。从单机自动化到整条生产线 的自动化，甚至到整个工厂的生产自动化，从柔性制造系统，工业 机器人到大型分散控制系统，PLC均承担着重要角色。3.2可编程控制器的分类及编程语言321 PLC的分类可编程控制器已成为工业控制领域中最常见、最重要的控制装置，它代表着一个国家的工业水平。世界上生产可编程控制器的厂家非常多，其中著名的厂家有美国A.B公司，日本的三菱公司，德国的西门子公司等。可编程控制器通常以输入 /输出点I/O总数的多少进行分类。I/O点数在128点以下为小型机；I/O点数在129512点为中型机； I/O点数在513点以上为大型机。可编程控制器的I/O点数越多，其存储容量也越大。PLC

34、按结构形式分类可分为整体式和模块式两种。整体式又称为单元式或箱体式。整体式 PLC将电源、CPU、I/O部件都集中装 在一个机箱内，其结构紧凑、体积小、价格低，一般小型PLC采用这种结构。模块化结构是将PLC各部分分成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块和各种功能模块。有的PLC将整体式和模块式结合起来，称为叠装式PLC。它除基本单元和扩展 单元外，还有扩展模块和特殊功能模块，其配置更加灵活。3.2.2 PLC编程语言可编程控制器的编程语言常用的有梯形图、指令表和状态流程图。由于梯形图比较直观，容易掌握，因而很受普通技术人员的欢 迎。可编程控制器的常用编程工具有：（1）手持式编

35、程器，一般供现场调试及修改使用。（2）个人电脑，利用专用的编程软件进行编程。可编程控制器的应用和发展可编程控制器在国内外已广泛应用于钢铁、石化、机械制造、 汽车装置、电力、轻纺等各行各业，目前PLC主要有以下几个方面应用（1） 用于开关逻辑控制。这是PLC最基本的应用。可用 PLC取代传统继电器接触器控制，如普通机床、数控机床电气PLC控制，也可取代顺序控制，如高炉上料、电梯控制、货物存取、运输、 检测等。总之，PLC可用于单机、多机群控以及生产线的自动化控制。（2）闭环过程控制。过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟（Analog ）

36、量和数字（Digital ）量之间的转换，一般称为AD转换和DA转换，这一闭环控制功能可以用PID子程序或专用的 PID闭环控制功能已经广泛地应用于塑料挤压成形机、加热炉、热处理 炉和锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力及建材等行 业。（3） 数据处理。现代的 PLC具有数学运算、数据传送、转换、 排序和查表以及位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与储存在存储器中的参数值进行比较，也可以用通信功能传送到其他智能装置，或者将其打印制表。（4） 通信联网。PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能设备（如计算机、变频器、 数控装

37、置）之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布控制系统。自从美国研制出第一台PLC以后，日本、德国、法国等工业发达国家相继研制出各自的PLC o 20世纪70年代中期在PLC中引入了微机计算机技术，使PLC的功能不断增强，质量不断提高，应用日益广泛。1971年日本从美国引进PLC技术，很快就研制出日本第一台DSC 8型PLC。1984年日本就有 30多个PLC生产厂家，产品达 到60多种以上。西欧在1973年研制出第一台 PLC，并且发展很快， 年销售增长20%以上。目前，世界上众多的PLC制造厂家中，比较著名的几个大公司有美国AB公司、歌德公司、德州仪器公

38、司、通用电气公司，德国的西门子公司，日本的三菱、东芝、富士和立 石公司等，它们的产品控制着世界上大部分的PLC市场。PLC技 术已成为工业自动化 3大技术（PLC技术、机器人、计算机辅助设 计与分析）支柱之一。我国研制与应用 PLC起步较晚，1973年开始研制，1977年开 始应用，20世纪80年代初期以前发展较慢，20世纪80年代随着成套设备或专用设备引进了不少PLC，如宝钢一期工程整个生产线上就是使用了数百台PLC，二期工程使用得更多。近几年来国外PLC产品大量进入我国市场，我国已有许多单位在消化吸收引进 PLC技术的基础上，仿制和研制了PLC产品。例如，北京机械自动化研究所、上海起重电器

39、厂、上海电力电子设备厂、无锡电器厂 等。目前，PLC主要是朝着小型化、廉价化、系列化、标准化、智 能化、高速化和网络化方向发展，这将使PLC功能更强、可靠性更高、使用更方便、适应面更广。3.3 PLC的特点现代工业生产过程是复杂的、多样的，他们对控制的要求也各 不相同，PLC由于具备以下特点，一经出现就受到广大工程技术人 员的欢（1）高可靠性、抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进 的抗干扰技术，具有很高的可靠性。从PLC的外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电器系统相比，电气接线及开关节点已

40、减少到数百或数千之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出报警。在应用 软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自我诊断程序，使系统 中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。主要有以下 方面特点：所有的I/O接口电路均采用光电隔，使工业现场的外电路与 PLC内部电路之间电气上隔离；各输入端均采用 RC滤波器，其滤波时间常数一般为 1020ms ；各模块均采用屏蔽措施，以防辐射干扰；采用性能优良的开关电源；对采用的器件进行严格的筛选；良好的自诊断功能，一旦电源或其他软件、 硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。大型PLC还可以采用

41、由双 CPU构成冗余系统或有三个 CPU立 即构成表决系统，使可靠性更进一步提高。（2）丰富的10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10模块与工业现场器件或设备如按钮、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，他 还有多种人和机对话的接口模块；另外为了组成工业局部网络，它 还有多种通信联网的接口模块等等。（3）采用模块化结构除了单元式的小型 PLC以外，绝大多数 PLC均采用模块式结 构。PLC的各个部件，包括 CPU、电源、10接口等均采用模块化 设计，由机架及电缆将各

42、个模块连接起来，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、使用方便PLC的编程大多采用类似于继电器-接触器线路的梯形图形式，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理解和掌握。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近， 只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电 路的功能。为不熟悉电子电路、计算机原理和汇编语言的人使用计 算机从事工业控制打开方便之门。（5）设计安装简单，维修方便PLC可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需要将现场的各种设备与PLC相应的10端相连接，即可投入运行。各种模块均 有运行和故障指示装置，便于用户了解运行

43、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。(6) 体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新出产的品种底步尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅为数瓦。由于体积小，很容易装入机械内部， 是实现机电一体化的理想控制设备。3.4 PLC的基本组成3.4.1 PLC的硬件结构PLC型号品种繁多，但实质都是一种工业控制计算机与通用计算机相比，可编程控制器不仅具有与工业过程直接相连的接口， 而且具有更适应于工业控制的编程语言。可编程控制器的编程大致上主要由中央处理单元(CPU)、存储器、输入/输出单元(I/O)、电源 和编程器

44、等及部分组成。(1) 中央处理器(CPU)CPU是PLC的核心部件，起着控制和运算的作用。它能够执 行程序规定的各种操作，处理输入信号，发送输出信号等，PLC的整个工作过程都是在 CPU的统一指挥和协调下进行的。(2) 存储器用于存放系统程序监控运行程序、用户程序、逻辑及数字运算 的过程变量及其他所有信息。PLC的存储器可分为三类：系统程序存储器：系统程序存储器由POM或EPROM组成，用以固化系统管理和监控程序，对用户程序作编译处理。系统程序 由厂家编写，它决定了PLC的基本功能，用户不能更改。用户程序存储器：用户程序存储器通常采用低功率的 CMOS-RAM，由后备电池供电，在断开电源后仍能

45、够保存。目前 比较先进的PLC采用可随时读写的快闪存储器，可不需要后备电 池，断电时存储器的内容也不会丢失。在PLC的产品说明书中给出的“内存容量”或“程序容量”就是指用户程序存储容量。数据存储器数据存储器按输入、输出和内部寄存器、定时器、计数器、数据寄存器等单元的定义序号存储数据或状态，不同厂家 出品的PLC有不同的定义序号，在 PLC断电时能够保持数据存储 器区称数据保存区。（3）电源电源包括系统电源、 备用电源及记忆电源。PLC大多使用220V 交流电源，PLC内部的直流稳压单元用于为PLC的内部电路提供稳定直流电压，某些 PLC还能够对外提供 DC0224V的问点电压， 为外部传感器供

46、电。PLC 一般还带有后备电池，为防止因外部电源发生故障而造成 PLC内部主要信息意外丢失。（4）输入/输出单元输入/输出单元又称为I/O接口电路，是 PLC与外部被控对象 联系的纽带与桥梁。根据输入/输出信号的不同，I/O接口电路有开关量和模拟量两种 I/O接口电路输入单元用来进行输入信号的隔 离滤波及电平转换；输出单元用来对PLC的输出进行放大及电平转换,驱动控制对象。输入单元接口是用于接收和采集现场设备及生产过程的各类 输入数据输出信息（如从各类开关、操作按钮等送来的开关量，或 由电位器、传感器提供的模拟量），并将其转换成 CPU所能接收和 处理的数据；输出接口则用于将CPU的控制的控制

47、信息转换成外设备所需要的控制信号，并送到有关设备或现场（如接触器、指示 灯等）。输入单元接口电路由输入数据寄存器、选通脉冲及电路及中断请求逻辑电路组成。当PLC扫描在允许输入阶段时，发出允许中断请求信号，选通电路选中对应输入数据寄存器，在允许输入后期 通过数据总线输入数据寄存器的数据寄存器的数据成批输入至输 入映像存储区，供 CPU进行逻辑运算用。通常，输入接口电路有 直流1224V输入，交流输入，交、直流输入三种。I/O接口电路大多采用光电耦合器来传递I/O信号，并实现电平转换。这可以使生产现场的电路与 PLC的内部电路隔离，既能有效地避免因外电 路的故障而损坏 PLC，同时又能抑制外部干扰

48、信号侵入PLC，从而提高PLC的工作可靠性。PLC通过输出接口电路向现场控制对象输出控制信号。输出接口电路由输出锁存器、电平转换电路及输出功率发大电路组成。PLC功率输出电路有 3种形式：继电器输出、晶体管输出和晶闸管 输出。继电器型输出。负载电流大于2A，响应时间为810ms，机械寿命大于106次。根据负载需要可接交流或主流电源。晶体管型输出。负载电流约为0.5A，响应时间小于1ms，电流小于100叭,择36V以下的直流电源。晶闸管输出。一般采用三端双向晶闸管输出，其耐压较高，带 负载能力强，响应时间小于1ms。但晶闸管输出应用较小。（5）编程器编程器主要供用户进行输入、检查、调试和编辑用户

49、程序。用 户还可以通过其键盘和显示器去调试和显示PLC内部的一些状态参数，实现监控功能。一般有以下三种：手编程器。手编程器具有编辑、检查和修改程序、进行系统设 置、内存监控等功能，使用时与PLC主机相连，编程完毕就可以拔下，不但使用方便，而且一台手编程器可供多台主机使用。其缺 点是屏幕小，只能采用助记符语言编程。手编程器分为简易型和智 能型两种，简易型只能联机编程（即编程时必须与主机相连接），而智能型即可联机编程又可脱机编程（编程时不需要与主机相连 接，待程序编制、调试好之后再输入给主机）。手编程器适用于小型机。专用编程器。PLC的专用编程器实际上是一台专用的计算机， 可在屏幕上用梯形图编程，

50、而且可以脱机编程。它的功能比较完善，能够监控整个程序的运行，还可以对挂在PLC网络上的各个分站进行监控和管理。但其价格较昂贵，且要用专门的机房，一般适用 于大、中型机。计算机辅助编程。许多 PLC生产厂家都开发了专用的编程软 件，将PLC与计算机通过 RS-232通信口相连接（如果PLC用的是 RS 422通信口，则须另加适配器），就可以在计算机上采用各种 编程语言编程并实现各种功能。342 PLC的软件结构PLC的软件包括系统软件和应用软件。系统软件主要是系统的管理程序和用户指令的解释程序，已固化在系统程序存储器中，用 户不能更改。应用软件即用户程序，是由用户指令根据控制要求， 按照PLC编

51、程语言自行编制的程序。由于PLC的设计和生产至今尚无国际统一标准，因此各厂家 生产的PLC所用的编程语言也不同，即并不是所有的PLC都支持全部的编程语言，但梯形图和指令表语言却是几乎所有类型的PLC都适用的。3.5 PLC的工作原理可编程控制器的工作原理传统的继电器控制系统是由输入、逻辑控制和输出三个基本部分组成的，其逻辑控制部分是由各种继电器（包括接触器、时间继 电器等）及其触点，按一定的逻辑关系用导线而成的电路，若需要 改变系统的逻辑控制功能，必须改变继电器电路。PLC控制系统也是由输入、逻辑控制和输出三个部分组成的， 但其逻辑控制部分采用 PLC来代替继电器电路。 因此，可以将PLC 等

52、效为一个由许多个各种可编程继电器（如输入继电器、输出继电 器、定时器等）组成的整体，PLC内的这些可编程元件，由于在使用上与真实元件有很大的差异，因此称“软”继电器。PLC控制系统也是利用 CPU和存储器及其存储的用户程序所 实现的各种“软”继电器及其“软”触点和“软”接线来实现逻辑 控制，它可以通过改变用户程序，灵活地改变其逻辑控制功能。因 此，PLC控制的适应性很强。PLC采用循环扫描工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符号又返回第一条，如此周而复始不断循环，这种方式是在系统软件控制下， 顺序扫描各输入点的状态，按用户程序运算处理，然后顺

53、序向输出点发出相应的控制信号。整个过程可分为五个阶段：自诊断、与编 辑器计算机等通信、输入采用（读入现场信号）、用户程序执行和输出刷新（输出结果）。可编程控制器的工作过程PLC系统通电后，首先进行内部处理。（1）系统的初始化系统的初始化包括设计堆栈指针，工作单元清零，初始化编程 接口，设置工作标志及工作指针等。（2）工作状态选择工作状态选择，如编程装态，运动状态等。至于PLC系统工作过程对用户编程来说影响不大。但是PLC在运行用户程序状态时过程对于用户编程者来讲关系密切，务必引起用户编程人员注意、。严格来讲，一个扫描周期主要包括：为保障系统正常运行的公 共操作占用时间、系统与外界交换信息占用时

54、间及执行用户程序过 程占用时间3部分。对于用户编程者来说，没有必要详细了解PLC系统的动作过程，但对PLC在运行状态执行用户指令的动作过程务必要了解。PLC在运行状态执行用户指令的动作过程可分3个阶段。第一为输入采样阶段，第二段是用户指令执行阶段，第三个是 结果输出阶段。输入信号采样阶段又叫输入刷新阶段。PLC成批读入外面信号的输入状态（接通或断开状态），并将此状态输入到输入映像存储器中。PLC工作在输入刷新阶段，只允许PLC接收输入口的状态信息，PLC的第二、第三阶段的动作是在屏蔽状态。执行用户程序阶段。PLC执行用户程序总是根据梯形图的顺序 先左而右、从上而下地对每条指令进行读取及解释，并

55、从输入映像 存储器和输出映像存储器中读取输入和输出的状态，结合原来的各软元件的数据及状态，进行逻辑运算，运算出每条指令的结果，并 马上把结果存入相应的寄存器（如果输出的是丫状态就暂存在输出 映像存储器）中，然后再执行下一条指令，直至“ END ”。在进行 用户程序执行阶段，PLC的第一、第三阶段动作是在屏蔽状态的， 既此时，PLC的输入口信息既使变化，输入数据寄存器的内容也不 会发生改变，输出锁存器的动作也不会改变。结果输出阶段，也叫输出刷新。当PLC指令执行阶段完成后，输出映像存储器的状态将成批输出到输出锁存寄存器中，输出锁存寄存器一一对应着物理点输出口，这时才是PLC的实际输出。在输出刷新时，PLC对第一、第二阶段是处于屏蔽状态的。这个阶段 CPU对用户程序的扫描已处理完毕，并将输出信号从输出暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出，控制被控设备进行各种相应 的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环扫描周期。输入刷新、程序执行及输出刷新构成了PLC用户程序的一个扫描周期。在 PLC内部设置了监控定时器，用来监视每个扫描周 期是否超出规定的时间，一旦超出，PLC就停止运行，从而避免了由于PLC内部CPU出故障程序运行进入死循环（死机现象）。实际上，从每个扫描周期内，PLC除了要执行用户程序外，还要进行系统自诊断和