plc控制的钢板开卷矫直剪切生产线控制系统设计大学毕设论文

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨理工大学学士学位论文-PAGEII--PAGEII-钢板开卷矫直剪切生产线控制系统设计摘要本文旨在从工厂的生产实际出发，以钢板开卷、矫直、剪切系统（以下简称KJJ系统）为例，将其电气的继电接触器系统改造成为可编程序控制系统，用OMRON公司的C40P-CDR-A型可编程序控制器来实现。本系统针对原系统还普遍存在的操作和维护不方便、可靠性低、控制精度低、没有“防跑板”保护措施等主要技术问题进行开发设计，并综合利用了传感技术、控制技术以及计算机技术测量剪切宽度和位移，确保了系统的安全稳定运行，提高了系统的准确性和效益。充分利用可编程序控制器的特性，体现了可编程序控制系统的优越性。本文共分为五章，其中第二章主要介绍PLC的结构特点及应用设计，以及PLC的发展历程。第三章主要介绍本文设计的内容，所需各种元器件的结构和工作原理。第四章详细说明了系统的硬件及软件设计。第五章主要分析系统的维护与检修工作。通过这次详细而认真地设计，为可编程控制系统在工业控制中的应用提供了理论和实践的依据，有一定的实用价值。关键词可编程序控制器；梯形图；继电器Thesystemdesignofopenalignsheararmor-platedproductlinecontrolAbstractThispaperaimatsetoutactuallyfromproductionoffactory,open,align,shearthesystem(abbreviatedwithrollsofstencilplateasKJJsystem)fortheexample,Continueaelectriconeitselectriccontactorsystemtransformintoandcanprogramthecontrolsystem,ThancanwithOMRONC40P-CDR-AtypeofCompanythecontrollercomeandrealize.Thesystemmainlyaimatoldsystemtechnologyproblemaboutgeneraloperateinconvenience,lowreliabilityandaccuracy,no“”protectiontodesign.Wemakefulluseofsensortechnology,thecontroltechnologyandthecomputercontroltechnologytoslicethewidthanddisplacement,makesurethesystemtooperateinstableandsafestate,inordertoimprovethesystem’saccuracyandeffection.AndmakefulluseofthecharacterofPLCincarnatethesuperior.Thistextisdividedintofourchapter’saltogether,amongthemtwoisintroducesthestructureandcharacteristicofPLCmainly,andWiththedevelopmentcourseofitsPLC.Chapterthreeisintroducethecontentthatthistextisdesigned,necessarystructureofdifferentcomponentsandpartsandoperationprinciplemainly.Chapterfourthehardwarewithsystematicelaborationandsoftwaredesign.Chapterfiveanalysissystematicallymainlymaintainandoverhaulandwork.Throughdesigndetailedandconscientiouslythistime,controlforabletoprogramcontrolsystemapplicationoftheindustryofferbasisoftheoryandpracticeintheory.Herehascertainpracticalvalue.KeywordsPLC（programmablelogiccontr0ller)；ladderdiagram；relay不要删除行尾的分节符，此行不会被打印PAGEII---PAGEIV-目录摘要…… =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章绪论 11.1钢板开卷矫直剪切问题 11.2钢板剪切系统的现状 11.3论文研究的主要内容 21.4论文各章的安排 2第2章可编程控制器（PLC）简介 32.1PLC的产生和特点及其发展动向 32.1.1PLC的产生和特点 32.1.2PLC的国内外现状及发展动向 32.2PLC的一般结构和基本工作原理 42.2.1PLC的一般结构 42.2.2PLC的基本工作原理 52.3PLC的技术性能指标 62.3.1常见的技术性能指标 62.3.2关于PLC的内存分配以及I/O点数 72.4PLC的分类及应用场合 72.4.1PLC产品的分类 72.4.2PLC的应用场合 72.5PLC的应用设计步骤 82.6本章小结 8第3章设计内容 93.1基本结构 103.2外部设备 103.3基本指标与参数 103.4继电器区与数据区 113.5扫描时间和响应时间 123.6I/O地址分配 143.7电磁转差离合器调速系统 143.8继电器的分类 173.9本章小结 19第4章硬件及软件设计 204.1硬件设计 204.1.1系统简述 204.1.2PLC控制系统 204.1.3C40p-PLC控制系统硬件连结 214.2软件设计 214.2.1程序方框图 224.2.2梯形图 224.2.3程序表 244.3本章小结 25第5章系统的维护与检修 265.1系统的维护 265.2系统的检修 275.3本章小结 29结论 30致谢 31参考文献 32附录A 33附录B 34附录C 35附录D 42-PAGE10--PAGE45-第1章绪论钢板开卷矫直剪切问题近年来，随着大规模集成电路的发展，使得以微处理机为核心组成的可编程序控制器得到了迅速的发展，并广泛应用于各种领域中，以满足现代化大生产中的高效、大量的自动化要求。如电动机起停，电磁阀的开闭，产品的计数、温度、压力、流量的设定与控制等。可编程序控制器（Programmablecontroller）又简称为PC或PLC，日本电气控制协会曾对可编程序控制器作了一个定义：“可编程序控制器是将逻辑运算、顺序控制、时序、计数以及算术运算等控制程序，用一串指令形式存放到存储器中，然后根据存储器的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设备和生产过程进行控制的装置。可见PLC是基于计算机技术和自动控制理论而发展起来的，它既不同于普通的计算机，也不同于一般的计算机控制系统。作为一种特殊形式的计算机控制装置，它在系统结构、硬件组成、软件结构以及I/O通道、用户界面等诸多方面都有其特殊性。早期的PLC主要用于顺序控制（例如代替以电器控制盘为主的各种顺序控制装置），今天PLC的应用已经不仅限于顺序控制，它已开始用于闭环过程控制（如DDC控制），随着其扩展能力和通信能力的发展，它也越来越多的应用于复杂的分布式计算机控制系统中。PLC自1969年问世以来，它按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新器件，逐步形成一门较为独立的新型技术和具有特色的各种系列产品。目前世界上各先进工业国都竞相开发、生产各类PLC产品，我国在引进国外产品的同时，也开始引进该项技术，组织PLC产品的开发和生产，并初步形成自己的PLC产业。在应用领域，PLC也已成为解决自动控制问题的最便捷、最有效的工具。钢板开卷矫直剪切生产线控制系统也是利用PLC进行系统的控制和设计开发的，而且对使用PLC来说也是比较经济合理，这种技术也是现在国内外比较普遍采用的技术。它带来的经济效益显著提高，而且钢板的“防跑板”、定尺准确、进出运输费用降低、生产效率提高、避免积压浪费等问题得到了很大的改善和提高。本文所要讲述的KJJ系统，正是使用C40P作为核心芯片。要必须使用。钢板剪切系统的现状目前国内矫直剪切设备普遍采用手动方式，有着劳动强度大、定位误差大而带来的钢板材料的浪费。而且原系统还普遍存在以下的主要技术问题：1、老设备利用率低，产品的质量不过关，增加了工人劳动强度；2、结构复杂，不便于操作和维护；3、适应性差，可靠性低，性能价格比不好，不便于推广；4、不能保证控制精度，降低了经济效益；5、没有“防跑板”保护措施，容易放生设备事故。钢板开卷矫直剪切系统的开发研制就是针对以上问题展开设计的，它综合利用了传感技术、控制技术以及计算机技术测量剪切宽度和位移，确保了系统的安全稳定运行，提高了系统的准确性和效益。论文研究的主要内容论文的研究工作经历了近四个月的时间。在研究和消化钢板剪切机等设备的基础上，参阅了大量的资料，在导师的指导下设计了该系统。其主要研究内容包括如下几个方面：1、了解和掌握PLC基本原理和设计过程中的技术指标、设计步骤和注意事项等问题，为设计系统奠定了基础。2、采用了数控技术实现钢板自动定尺剪切，可设定加工板数、计算重量、显示故障和待料停机。3、在钢板剪切断机上采用了设计了新的检测装置，检测钢板定尺长度并转换成脉冲数输出给PLC，实现连续自动定尺切断钢板，达到了较高的定尺精度。4、在新型机组的实验中，积累了大量的有关数据和资料，为了下一步的研究工作打下了良好的基础。论文各章的安排论文共有5章，各章的安排如下：第1章：绪论。概括了钢板开卷矫直剪切控制系统现状，介绍了本课题提出的技术背景及研究内容。第2章：PLC的基础理论。介绍了PLC的相关知识和技术，讨论了PLC的发展现状、基本工作原理和在各类场合中的应用以及设计步骤。第3章：系统的设计内容。介绍和分析了系统在设计过程中应注意的问题和基本的设计思想。第4章：系统的具体的硬件和软件的设计步骤和设计内容并进行编程。第5章：系统的维护与检修，在什么情况下出现故障并如何解决问题，以及系统设备维护时应注意的问题。结论：对论文工作的总结。可编程控制器（PLC）简介PLC的产生和特点及其发展动向PLC的产生和特点20世纪60年代末期，美国汽车制造工业竞争激烈，为了适应生产工艺不断更新的需要，在1968年美国通用汽车公司（GM）首先公开招标，而1969年美国数字设备公司（DEC）根据其招标内容及要求，研制出世界上第一台可编程控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功，实现了生产的自动控制。但这一时期它主要应用顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思想，但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController）。70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC真正成为一种电子计算机工业控制装置，而且做到了小型化和超小型化。故称为可编程序控制器，简称PC（ProgrammableController）。属于存储程序控制的可编程控制器，其控制功能是通过存放在存储器内的程序来实现的，若要对控制功能作必要的修改，只需改变软件指令即可，使硬件软件化。可编程控制器的优点与这个“可”字有关，从软件来讲，它的程序可编、也不难编，从硬件上讲，它的配置可变、也易变。其主要特点为：(1)PLC的软件简单易学。(2)使用和维护方便。(3)运行稳定可靠。(4)设计施工周期短综上所述，可编程控制器在性能上均优越于继电器逻辑控制，与微型计算机、单板机相比，它也是一种用于工业自动化控制的理想工具。PLC的国内外现状及发展动向近几年来，我国的PLC研制、生产、应用也发展很快。特别是应用方面，在引进一些成套设备的同时，也配套引进不少PLC。如上海宝钢第一时期工程，就采用了250台，第二时期也采用了108台。又如天津化纤厂、秦山电站、北京吉普车生产线、西安的彩电和冰箱生产线等等都采用了PLC控制。总之，我国PLC的应用已获得令人瞩目的经济效益和社会效益。国外PLC发展的明显特征是产品的集成度越来越高，工作速度越来越快，功能越来越强，使用越来越方便，工作越来越可靠。PLC可进行模拟量控制、位置控制。PLC现已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具，加速了机电一体化的进程。国外一些著名的大公司每年即可推出一种新产品。如各种微型PLC，不仅体积小，功能大有提高，将原来大、中型PLC才有的功能移植到小型PLC上，如模拟量处理、数据通信等，而且价格不断下降真正成为继电气的替代物。大中型PLC更是向大容量，增加新的功能，提高运算速度发展，以适应不同控制系统的要求。并采用多功能的编程语言和先进指令系统，如BASIC等高级语言，能实现PLC之间和PLC与管理计算机之间的通信网络，形成多层分布控制系统，或整个工厂的自动化网络。PLC的一般结构和基本工作原理PLC的一般结构用可编程序控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现。至于物理实现，正是它与普通微机相区别之点，普通微机多指考虑信息本身，别的不多考虑，而PLC要考虑实际的控制需要。物理实现要求PLC的输入，应当排除干扰信号适应于工业现场。输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用。这就要求I/O电路专门设计。根据PLC实施控制的基本点的分析，PLC采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、RAM、ROM和专门设计的输入输出接口电路等组成，如图2-1所示。编程器中央处理单元编程器中央处理单元（CPU）输入电路输出电路系统程序存储器系统程序存储器电源源（一）、中央处理机中央处理机是PLC的大脑，它由中央处理器（CPU）和存储器等组成。1、中央处理器（CPU）中央处理器（CPU）一般由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路一般都集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入输出（I/O）接口电路相连接。CPU的主要功能为：从存储器中读取指令。执行指令。准备取下一条指令。处理中断。2、存储器存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其它一些信息。系统程序是用来控制和完成PLC各种功能的程序，这些程序是由PLC制造成家用相应CPU的指令系统编写的，并固化到ROM中。用户程序存储器用来存放由编程器或磁带输入的用户程序。用户程序是指使用者来根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序，可通过编程器修改或增删。（二）、电源部件电源部件将交流电源转换成供PLC的中央处理器、存储器等电子电路工作所需要的直流电源，使PLC能正常工作，PLC内部电路使用的电源是整机的能源供给中心，它的好坏直接影响PLC的功能和可靠性，因此目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。（三）、输入、输出部分这是PLC与被控设备相连接的接口电路。用户设备需输入PLC的各种控制信号，如限制位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成中央处理器能够接收和处理的信号。输出接口电路将中央处理器送出的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、电机等被控制设备的执行元件。PLC的基本工作原理PLC虽具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大的不同。微机一般采用等待命令的方式。如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，有键按下或I/O动作则转入响应的子程序，无键按下则继续扫描。PLC则采用循环扫描工作方式，在PLC中，用户程序按先后顺序存放。PLC与继电接触器控制的重要区别之一就是工作方式不同。继电接触器是按“并行”方式工作的，也就是说是按同时执行的方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个电器同时动作。而PLC是以反复扫描的方式工作的，它是循环地连续逐条执行程序，任意某时刻它只能执行一条指令，这就是说PLC是以“串行”方式工作的。这种串行工作方式可以避免继电接触器控制的接触点竞争和时序失配问题。总之，采用循环扫描方式也是PLC区别于微机的最大特点。为了增强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了光电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的逻辑并行控制，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的I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统慢得多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个周期甚至更长。所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需要的时间。其最短的I/O响应时间与最长的I/O响应时间如图所示：第(n-1)个第(n+1)个扫描周期第n个扫描周期扫描周期用户程序执行输出刷新输入采样输出刷新输入采样最短I/O响应时间图2-2最短的I/O响应时间第n个扫描周期第n+1个扫描周期输入采样用户程序执行输出刷新输入采样用户程序执行输出刷新最长I/O响应时间图2-3最长的I/O响应时间PLC的技术性能指标各厂家的PLC产品技术性能各不相同，且各有特色，这里不可能一一介绍，只能介绍一些基本的、常见的技术性能。常见的技术性能指标(1)输入、输出点数（即I/O点数）。(2)扫描速度。(3)内存容量。(4)指令条数。(5)内部寄存器。(6)高功能模块。PLC内部除了主控模块外还可以配接各种高功能模块，目前已经开发出来的有A/D模块、D/A模块、高速计数模块、速度控制模块、位置控制模块、高级语言编辑和各种物理量转换模块等等。这些高功能模块使PLC不但能进行开关量顺序控制，而且能进行模拟量控制，可进行精确的定位和速度控制，可以和计算机进行通讯，还可以直接用高级语言进行编辑，给用户提供了强有力的工具。关于PLC的内存分配以及I/O点数前面介绍了PLC中的RAM除存放调试中的用户程序外，还可以存放各种数据及逻辑变量等。PLC内部寄存器分配如下：I/O区内部辅助寄存器区特殊寄存器区数据区每个区分配一定数量的寄存器单元，并按不同的区进行编号。PLC的分类及应用场合PLC产品的分类按照结构形状分类，PLC可分为整体式和机架模块式两种。而根据I/O点数和功能可分为大、中、小型三个等级。大型PLC的I/O点数在512点以上，用户程序存储器容量达到8K字或8K字以上。具有数据运算、模拟调节、联网通信、监视、记录、打印等功能。可以进行中断控制、智能控制、远程控制。在用于大规模的过程控制中，可构成分布式控制系统，或整个工厂的自动化网络。中型PLC的I/O点数在120-512点之间，用户程序存储器容量达2-8K字，具有逻辑运算、算术运算、数据传送、数据通信、模拟量输入输出等功能，可完成既有开关量又有模拟量较为复杂的控制。小型PLC的I/O点数在120点以下，用户程序存储器容量为2K字以下，具有逻辑运算、定时、计数等功能，它适合开关量的场合，可用它实现条件控制，定时、顺序控制等。也有些小型PLC增加了模拟量处理、算术运算功能，其应用面更广。PLC的应用场合在PLC产品的分类中已经分别介绍了大、中、小型PLC所具有的功能，根据它们能完成的控制功能现将其应用场合说明如下：(1)用于开关逻辑控制。(2)用于机械加工的数字控制。(3)用于机器人控制。(4)用于闭环过程控制。(5)用于组成多级控制系统实现工程自动化网络。目前PLC现已广泛应用在钢铁、石油、化工、电力、机械制造、汽车装卸、造纸、纺织、环保以及娱乐等，为各行各业工业自动化提供了有力的工具、促进了机电一体化的实现。PLC的应用设计步骤PLC控制系统是以程序形式来体现其控制功能的，大量的工作时间将用在软件设计，也就是程序设计上。程序设计对于初学者通常采用继电器系统设计方法中的逐步探索法，以步为核心，一步一步设计下去，一步一步修改调试，直到完成整个程序的设计。由于PLC内部继电器数量大，其接点在内存允许的情况下可重复使用，具有存储数量大、执行快等特点，对于初学者采用此法设计可缩短设计周期。PLC程序设计可遵循以下六步进行：(1)确定被控制系统必须完成的动作以及完成这些动作的顺序。(2)分配输入输出设备，即确定哪些外围设备是发送信号到PLC，哪些外围设备是接收来自PLC信号的。并将PLC的输入，输出接口与之对应进行分配。(3)设计PLC程序画出梯形图。(4)实现用计算机PLC的梯形图直接编程。(5)对程序进行调试。(6)保存已完成的程序。虽然，在建立一个PLC控制系统，必须首先把系统需要的输入、输出数量确定下来。然后按需要确定各种控制动作的顺序和各个控制装置彼此之间的相互关系。确定控制上的相互关系。确定了相互关系之后，就可进行编程的第二步分配输入输出设备，在分配了PLC的输入输出点，内部辅助继电器，定时器、计数器之后，就可以设计PLC程序画出梯形图。在画梯形图时要注意每个从左边母线开始的逻辑行必须终于一个继电器线圈或定时器、计数器，与实际的电路图不一样。梯形图画好后，使用NPSTGR软件直接把梯形图输入计算机并下装到PLC进行模拟调试，直至符合控制要求。这便是程序设计的整个过程。本章小结总结介绍PLC的相关知识和技术，讨论了PLC的发展现状、基本工作原理和在各类场合中的应用以及设计步骤。为以下的设计内容奠定基础。设计内容黑龙江省金属材料公司1979年投资70余万元安装一套钢板开卷、矫直、剪切系统（简称KJJ系统）。由于存在一些技术问题，一直未能正常运行。应使用单位要求，我们对该系统进行了完善和改造，收到了比较理想的效果。改造后该系统主要设备有开卷机、矫直机、剪切机、集料台车。其工艺是将钢板经开卷机开卷后送入矫直机，再由矫直机拖动钢板经剪切机至集料台车上定尺剪切（开卷机、矫直机、剪切机之间用斜台和滚道连结）。本文主要对改造后KJJ系统的核心——控制钢板运行的PLC控制系统所需的OMRON-C40P-PLC、电磁转差离合器调速系统和控制电机等所需的控制元器件的结构和原理进行讨论。OMRON-C40P-PLC根据KJJ系统的输入输出点的个数，并考虑到电路的逻辑关系比较简单，故选用OMRONC40P-CDR-A型PLC。OMRON公司生产的SYSMACC系列PLC产品拥有微型、小型、中型和大型四大类十几种型号。C40P-CDR-A型PLC属于微型机，其型号含义如下：C40P—CDR—A表示电源规格，A代表AC100-240V；表示输出规格，R代表继电器机电输出；表示输入规格，D代表DC24V输入；表示单元种类，C代表CPU单元；表示此机型为袖珍型；表示输入输出点数，即I/O点数为40；表示C系列的PLC；微型PLC以C20P和C20H为代表，是整体结构，I/O容量为几十点，最多可以扩至148点。小型PLC又分为C120P和C200H两种，C120P最多可控制250点I/O,是紧凑型结构。而C200H虽然也是小型PLC，但它是紧凑型模式结构，最多可控制480点I/O，同时还可以配置智能I/O模块，是一种小型PLC。中型PLC有C500和C1000H两种，I/O容量分别为512点和1024点。此外C1000H采用多处理器结构，功能齐全且处理速度快。大型PLC目前只有C2000H一种，I/O点数可达2048点，同时多处理器双冗余结构使得C2000H不仅功能全，容量大，而且速度快。下面介绍OMRONSYSMACC系列C40P的硬件资源。基本结构C40P-PLC是箱体式结构，有主箱体、扩展箱体（选用）、特殊单元（选用）及外部设备组成。箱体式结构非常紧凑，它将所有的电路都装入一个箱体内，构成一个整体，因而体积小、成本低、安装方便。主箱体包含有PLC的中央处理单元、内存、基本输入输出单元及支持它们工作的电源。有三块印刷电路板构成，即输入板、输出板和CPU板。取代或替换每块独立的电路都是比较容易的。仅用主箱体即可实现对外控制，故主箱体也称主机。从外观看，主箱体有面板和底座。底座有安装孔，可用螺钉实现把PLC安装在平板上；还有沟槽与卡子，用它可以把PLC卡装在专用导轨上，面板上有接线端子、指示灯、接插座及设定开关。扩展箱体与主箱体很相像，也有接线端子、显示和连接电缆(与主箱体或别的扩展箱相连)的插座。扩展箱内部组成比主箱体简单，仅I/O电路。点数多的扩展箱内，如使用交流电作电源的，一般还有相应的I/O电路工作电源，还可向用户提供24V的直流电源，以供用户使用。C系列P型机有20、28、40、60和特殊扩展箱体4及16（可全为输入，也可全为输出）多种型号。扩展箱体称呼时，加一个E字。因本系统是单机控制系统，主机的I/O点数也满足要求，故无需扩展箱体。特殊单元主要有上位及I/O链接单元、模拟单元、输入输出单元等。外部设备编程器、EPROM写入器、打印机接口、外部设备接口、软磁盘接口等。另外，还可以在编程器上接盒式录音机，把所编程序存到磁盘上或从磁盘上读入程序。基本指标与参数(1)处理速度：基本指令实行时间10μs/条，其中RAM为10μs/条，ROM为13μs/条；(2)编程容量：1194地址；(3)指令系统：基本指令12条，应用指令25条；(4)编程方式：采用梯形图；(5)I/O点数：40～128点；(6)定时器和计数器：48个，并提供高速计数器1个（2KHz);(7)内部数据存储区：64个字；(8)输入类型：开关量，模拟量；(9)输入类型：继电器（附插座）;(10)联网能力：10000VP-P，脉冲宽度：100纳秒～1微秒，上升时间：l纳秒；(11)特殊模块：定时模块，A/D模块，D/A模块。此外，还具有存储功能，自诊断功能、程序检查功能等性能指标，详细内容见附录A和附录B。继电器区与数据区KJJ系统的的实际应用程序编制完成后，就可放入存储器，C40P和新芯片就可从存储器中读取数据和指令开始运行工作。数据区通道号分配见下表。表3-1C40P-PLC数据区通道号分配区域名称通道号I/O继电器区输入点编号为0000—003输出点编号为0500—0506专用辅助继电器区1808—1907暂存辅助继电器区TR0—7保持辅助继电器区HR000—915内部辅助继电器区1000—1807定时/计数继电器区TIM/CNT数据存储区CH00—63C40P-PLC采用通道的概念来说明每一个I/O点。用四位十进制数来标识一个I/O点，前两位表示通道号，后两位表示通道内的哪一点。每个通道有十六点。例如“0000”表示第一个通道内的第一个点，而“01041.I/O继电器区PLC监测从按钮、传感器和限位开关等设备或元件传来的输入信号，根据存储器中的用户程序进行逻辑解算，然后给外部负载（如继电器、马达控制器、指示灯和报警器等）输出信号以达到控制目的。2．专用继电器区（SpecialRelayArea)简称SR区。专用继电器即是有某种特殊用途的内部辅助继电器。专用继电器区SR用于监控系统运行，产生时钟脉冲和发出出错信号。C40P的SR区范围是1808—1907，其中1811—1814继电器功能如下：1811、1812和1814继电器常OFF,1813继电器常ON。把这些继电器连到PLC外面的指示器（如LED）上，就能用作监视PLC的操作状态。例如用1813可以监视PLC是否正在运行。3．暂存继电器区（TemporaryRelayArea)简称TR区。暂存继电器用于暂存程序分支点的状态。在同一个程序段中，最多只能使用8个暂存继电器，但不能重复使用；而在不同的程序段内，同一个暂存继电器可以多次重复使用，使用TR时，必须在编号前冠以TR。4．保持继电器区（HoldingRelayArea)简称HR。保持继电器区用于断电有保存数据及程序状态。这里需要注意，应使用常开触点作为继电器的复位输入端，如果使用常闭触点，当AC电源故障时，DC电源不一定就掉电，所以保持继电器只是偶尔的被复位。5．辅助继电器区（AuxiliaryRelayArea)简称AR。辅助继电器区的功能是作中间继电器使用，不能直接控制外部负载。I/O分配表中，可用的输出点未使用时，但不能用作输入点。当程序中使用高速计数指令（FUN98）时，辅助继电器的最后一个点1807为高速计数器的软复位端。6．定时/计数器区（Timer/CounterArea)定时器和计数器不能直接产生输出，要输出可通过联接继电器，这种联接继电器的触点可重复使用。7．数据存储区（DataMemoryArea)实际上DM是16位字长的64个存储单元，专用来存储16位字长的数据。扫描时间和响应时间KJJ对时间的响应延迟有一定的要求，在剪切每一块钢板的时候，长度的误差要求在一定的范围之内，具体要求视实际应用而定。在用PLC设计控制系统时，一个重要的参数就是时间。PLC执行程序中的所有指令要用多少时间？有了一个输入信号经过PLC，多长时间后才能有一个对应的输出信号？不明白这两个问题，系统的部件之间就不能正确的和精确的相互配合，虽然OMRON的PLC能够自动的算出扫描时间并在编程器上显示出来，但是清楚这个概念，无疑对涉及控制系统和对PLC编程都是有益的。当PLC开始运行之后，它串行的执行存储器中的程序。可分为四个部分：（1）共同部分，例如清除时间监视器和检查程序存储器；（2）数据输入、输出；（3）执行用户程序的指令；（4）执行外设命令。时间监视器是PLC内部的，用来测量扫描时间的一个定时器。扫描时间是指PLC完成上述操作所需的全部时间，扫描时间的长短取决于系统配置、I/O点数、所用的编程指令以及是否接有外设。下面说明每一部分内部操作所需要的时间。表3-2内部操作时间表过程执行时间与变量①复位监视计数器，检查程序内存，检查I/O总线1.26ms（固定不变）②执行来自外设的如：编程控制器，图形编程控制器等的输入命令T=（①+③+④）*0.05当T<=1时，执行时间是1ms当T>l时，在0.5ms单元内循环0FF(1.65→1.5ms）。假如没有外设与PLC连结，执行时间是0ms.③程序指令的执行执行指令的总时间。执行指令需要的时间取决于指令（参照指令执行时间表）④从输入端读数据，对输出端写数据（指令执行结果）0.29ms+0.07ms*NN=输入通道号-1扫描时间是上表①、②、③和④项所用时间之和。下表给出部分指令执行时间，在计算扫描时间要使用这些值。表3-3部分指令执行时间表功能码指令执行时间（us）条件LD,LD-NOT12AND,AND-NOT11.5OR,OR-NOT11.5AND-LD、OR-LD4OUT17当输出逻辑“1”（ON）时17.5当输出逻辑“0”(OFF）时TIM95当计数时95.5-186.5当复位时01END参考扫描时间计算例子02IL2.503ILC3从PLC收到一个输入信号到向输出端输出一个控制信号所需的时间，叫响应时间，响应时间是可变的。例如在一个扫描周期结束时，收到一个输入信号，下一个扫描周期一开始这个输入信号就起作用了，这时响应时间最短，它是输入延迟时间，一个扫描周期与输出延迟时间三者之和.如果在一个扫描周期开始时收到一个输入信号，在扫描周期内该输入不会起作用，要等到下一个扫描周期才能起作用，这时的响应时间就长，它是输入延迟时间；两个扫描周期与输出延迟之和.C40P的输入延迟时间为2.5ms，扫描周期为15.59ms，输出延迟时间为15ms,则本系统最小响应时间=2.5+15.59+15=33.09ms；最大响应时间=2.5+15.59*2+15=48.67ms。这样就可根据响应时间设定系统的延迟时间，以确保系统的工艺要求。I/O地址分配根据KJJ系统的工艺要求，需要控制开卷机、矫直机及剪切机和电源的阻断，对这四个控制作为输出端。而对系统的开始与结束以及在运行过程当中需要的控制量作为输入端。根据C40PPLC芯片的特点，输入输出端的端口安排顺序及地址的分配，各个地址所控制信号的名称可通过下表罗列出来。表3-4I/O地址分配表板号端子号地址号信号名称0输入1I0000开始信号2I0001结束信号3I0002定尺信号5输出10500电源接通20501电源阻断30502开卷、矫直启动40503开卷、矫直停止50504剪切机启动60505剪切机停止电磁转差离合器调速系统KJJ系统控制的对象是异步电机，而异步电机的调速的方式多种多样。根据转差率的定义：S=（N1-N）/N1=1-N/N1有N=N1（1-S）又有N1=60F1/P可得N=N1（1-S）=60F1/P（1-S），因此，异步电动机的调速方法大致可分为变转差率、变极对数及变频三种，其中变转差率的方法又可以通过调定子电压、转子电阻、转差电压以及定、转子供电频率差等方法来实现。这样，异步电动机就有很多不同的调速方法，如下所示：变极调速——对鼠笼式调压（定子电压）调阻（转子电阻）—对线绕式异步电动机变转差率调速电磁离合器（转差率）串极调速（转差电压）—对线绕式交-直-交变频变频调速交-交变频在上述各种调速方法中，异步电动机的调压调速、变频调速以及串极调速正受到人们的重视，并且己在工业中获得了应用。异步电动机——电磁转差离合器调速系统，是以异步电动机为原动机（它本身不是调速）而通过改变电磁离合器的励磁电流来实现调速的，其优点是装置及控制线路简单、价格便宜、加速度负反馈后调速精确，其稳态误差可以减小到1％以下。电磁转差离合器调速最适合在KJJ控制系统中应用，其原理分析如下。电磁转差离合器调速系统的组成和工作原理滑轮电枢磁极电能机械能输出控制可控硅直流负N异步整流器载电动机S联轴节联轴节电磁转差离合器图3-1电磁转差离合器调速系统上图为电磁转差离合器调速系统的原理结构图。它主要包括可控硅整流电源、电磁转差离合器和异步电动机三大部分。可控硅整流电源通常采用单向全波和桥式电路，通过改变可控硅的控制角，可以方便的改变输出直流电压的大小。转差离合器有电枢和磁极两部分组成，这两部分没有机械联系，都能自由旋转。电枢与异步电动机同轴连结或用联轴节连结，有电动机带着它转动，成为主动部分；磁极则是用联轴节与工作机械（负载）相连结的，称为从动部分。电枢通常用整块的铸钢加工而成，形状很像一个杯子，上面没有绕组。磁极则由铁心和绕组两部分组成。绕组由可控硅整流电源励磁。当电动机带动杯形电枢旋转时，电枢就会因切割磁力线而感应出涡流来，涡流的方向可由右手定则确定，这涡流与刺激的磁场作用产生了磁力，根据左手定则可知，此电磁力所形成的转矩将使磁极跟着电枢同方向旋转，从而也带动了工作机械旋转。由于异步电动机的固定机械特性较硬，因而可以认为电枢的转速是近似不变的，而磁极的转速则由磁极磁场的强弱而定，即由励磁电流的大小而定，因此，只要改变励磁电流的大小，就可以改变磁极的转速，也就可改变工作机械的转速。此外，改变励磁电流的方向，还可以使磁极磁场的方向改变，从而改变磁极及工作机械的旋转方向。由以上可见，当励磁电流等于零时，磁极是不会转动的，就是相当于工作机械被“离开”；一旦加上励磁电流，磁极即刻转动起来，这就相当于工作机械被“合上”，因此取名为“离合器”。又因为它是基于电磁感应原理来发生作用的，而且磁极与电枢之间一定要有转差才能产生涡流和电磁转矩，因此全名就称为“电磁转差离合器”。又因为它的作用原理和异步电动机相似，所以又常将它连同驱动它的异步电动机一起称作“滑差电机”。电磁转差离合器的结构形式有好几种。目前我国用得较多的是磁极为爪极的一种形式，其爪极有两个对应的部分，互相交叉的安装在从动轴上，其间由非导磁材料连结。励磁绕组是与转轴同心的环形绕组，当绕组中有励磁电流时，磁通则由左端爪极经过气隙进入电枢，再由电枢经过气隙回到右端爪极而形成回路。这样，所有的左端爪极皆为N极，右端爪极皆为S极。由于爪极与电枢间的气息距离远小于左、右两段爪极之间的气息，因此N极S极之间不会被短路。当将电磁转差离合器调速系统用于小功率快速系统中时可以采用环形电枢形式的离合器。电磁转差离合器调速系统的机械特性：在一般情况下，转差离合器调速系统的机械特性就是离合器本身的机械特性。由于转差率离合器在原理上与异步电动机相似，因此，改变转差离合器励磁电流（即磁场）时的调速特性与异步电动机调定子电压调速的特性也有很多相似的地方。下图（A）所示为转差离合器在励磁电流不同时的一组机械特性曲线，空载（理想）转速不变，随着负载转矩的增加，转速下降得很快，故机械特性很软。显然，这样的机械特性不能直接应用于要求速度比较稳定的工作机械上。为此，在这种系统中一般也都要接入速度负反馈。采用速度负反馈以后的机械特性如图（B）所示。NNMF1MF2N1MFZN0N3I1N1N2I2I3I4I1I2I3I4I5NMINI50M0M（A）转差离合器的机械特性（B）采用速度负反馈后的机械特性由于速度负反馈作用的存在，使得电动机在负载增加时转速的降低由增加励磁来补偿，从而使转速保持稳定。如图（A）中当励磁电流为I1．而负载由MF1，增至MF2时，如无自动调节作用，转速将由N1降至N2，但是如有自动调节作用，离合器的励磁电流将由I1增至I5，从而使转速有上升至N1，达到了稳定转速的目的。具有速度负反馈的电磁转差离合器调速系统，其调速范围大大提高，可达10:1或20:1左右。继电器KJJ系统中对继电器、接触器和各种开关的应用是必不可少的，这也是决定系统性能的重要因素。当钢板从矫直机中出来到达集料台，而系统要对钢板进行定尺，就必须在集料台上一定的位置安装一个接触器，只要钢板一接触到接触器，接触器就会给系统发出一个信号，系统就很快做出一系列响应，这样就能很好的对钢板的定尺进行控制。继电器的定义及继电特性继电器：当输入量（或激励量）满足某些规定的条件并能在一个或多个电器输出电路中产生跃变的一种器件。继电器输入量和输出量之间在整个变化过程中的相互关系成为继电器的继电特征或控制特征。用x表示输入回路量，y表示输出回路的输出量，如图3-2所示．当输出量x连续变化到一定量Xa时，输出量y发生跃变，由0增加到Ya值，且输入量继续增加，输出保持不变．相反，当减少到Xb时，Y又突然由Ya减少到0．Xa被称为继电器的动作值，Xb被称为继电器的释放值，Ya即是继电器的负载。YYa0XaXbX图3-2继电器的继电特性继电器的分类A、按继电器的工作原理或结构特征分类（1）电磁继电器：利用输入电路在电磁铁铁芯与衔铁间产生的吸力作用而工作的一种电气继电器。直流电磁继电器：输入电路中的控制电流为直流的电磁继电器。交流电磁继电器：输入电路中的控制电流为交流的电磁继电器。磁保持继电器：利用永久磁铁或具有很高剩磁特性的铁芯，是电磁继电器的衔铁在其线圈断点后仍能保持在线圈通电时的位置上的继电器。（2）固体继电器：指电子元件履行其功能而无机械运动构件的，输入和输出隔离的一种继电器。（3）温度继电器：当外界温度达到给定值时而动作的继电器。（4）舌簧继电器：利用密封在管内，具有触电簧片和衔铁磁路双重作用的舌簧的动作来开、闭或转换线路的继电器。干簧继电器：舌簧管内的介质为真空，空气或某种惰性气体，即具有干式触点的舌簧继电器。湿簧继电器：舌簧片和触电均密封在管内，并通过管底水银槽中水银的毛细作用，而使水银膜湿润触点的舌簧继电器。剩簧继电器：由剩簧管或有舌簧关于一个或多个剩磁零件组成的自保持舌簧继电器舌簧管：同理舌簧管有干簧管，湿簧管，剩簧管三种类型。（5）时间继电器：当加上或除去输入信号时，输出部分需延时或限时到规定的时间才闭合或断开其被控线路的继电器。电磁时间继电器：当线圈加上信号后，通过减缓电磁铁的磁场变化而延时的时间继电器。电子时间继电器：由分立元件组成的电子延时线路所构成的时间继电器，或由固体延时线路构成的时间继电器。混合式时间继电器：由电子或固体延时线路和电磁继电器组合构成的时间继电器，（6）高频继电器：用于切换高频，射频线路而具有最小损耗的继电器。（7）其他类型的继电器：如光继电器，声继电器，热继电器，仪表式继电器，霍尔效应继电器，差动继电器等。A、按继电器的外形尺寸分类表3-5继电器外形尺寸分类名称定义微型继电器最长边尺寸不大于10mm的继电器超小型微型继电器最长边尺寸大于10mm，但不大于25mm的继电器小型微型继电器最长边尺寸大于25mm，但不大于50mm的继电器注：对于密封或封闭式继电器，外形尺寸为继电器本体三个相互垂直方向的最大尺寸，不包括安装件，引出端，压筋，压边，翻边和密封焊点的尺寸。B、按继电器的负载分类表3-6继电器触点负载分类名称定义微功率继电器当触点开路电压为直流28V时，触点额定负载电流（阻性）0.1A;0.2A的继电器弱功率继电器当触点开路电压为直流28V时，触点额定负载电流（阻性）0.5A;1A的继电器中功率继电器当触点开路电压为直流28V时，触点额定负载电流（阻性）2A;5A的继电器大功率继电器当触点开路电压为直流28V时，触点额定负载电流（阻性）10A;15A；20A；25；40……的继电器C、按继电器的防护特征分类表3-7继电器防护特征分类名称定义密封继电器采用焊接或其它方法，将触点和线圈等密封在罩子内，与周围介质相隔离，其泄漏率较低的继电器封闭式继电器用罩壳将触点和线圈等密封（非密封）加以防护的继电器敞开式继电器不用防护罩来保护触电和线圈等的继电器本章小结本章介绍和总结了系统的主要设计思想。分析了系统在设计过程中应注意的问题和基本的设计思想，是该系统核心。硬件及软件设计硬件设计硬件直接影响到系统的性能好坏，硬件是保证系统得到正确运行的基础。整个KJJ系统的硬件结构主要由C40P核心芯片、各种继电器和各种开关组成。硬件的联结和布局一定要合理得当。系统简述整个KJJ系统的工艺过程是根据工厂的具体需要，编制特定的PLC程序，送入PLC内部存储器，这一套PLC系统既可按照程序的具体要求，有顺序而稳定的执行直到具体的步骤都完成。利用PLC的工业控制技术，对整个系统的完全控制作用，体现控制的工业自动化。KJJ系统的主要硬件组成由开卷机将钢板开卷，送往矫直机矫直，经剪切机送到集料台，集料台上设有传感器，只要钢板接触到传感器，传感器就会向PLC系统发送一个信号以表示钢板已经达到定尺的尺寸，PLC系统就会根据这个信号做出适当的动作，对开卷机和矫直机发出停机信号，之后对剪切机发出剪切信号，有一定的延迟之后，以确保剪切能够顺利完成后，判断系统的要求，根据设定的PLC程序要求剪切钢板的数目，也就是计数器里的数目，当集料台上发来的信号次数达到计数器里的数目，计数器就会发出一个信号，以结束程序的进程，如果还未达到一定的数目，系统继续重新开始新的一轮循环，直到剪切出一定的钢板快数。系统的简图如下：开矫剪集卷直切定料机机机尺台车图4-1系统方框图PLC控制系统从系统的简易图出发，加上PLC控制系统和电源控制就构成了完整的KJJ控制系统简图了。开矫剪集电卷直切定料机机机尺台源车PLC控制系统图4-2KJJ控制系统简图简图再加详细地连线设计就成了详细硬件连接图。C40p-PLC控制系统硬件连结根据简图，PLC的功能和输入输出的特点，可得出系统较详细的硬件连接图，有了系统的硬件连接图，就可以更加方便对系统进行软件编制。I0001I00020500继电器电源I00030501010502继电器开卷C40P050302矫直机集料台接触器0504继电器050503剪切机COXCOX24V24V图4-3系统硬件连接图在实际的应用中再根据具体的硬件连接电路。KJJ的硬件不是很复杂，在实际应用中是很容易实现的。对于比较复杂的系统，应更加注意对硬件的连接工作，这样才能确保系统能够顺利运行。软件设计对软件的编制是KJJ系统的关键，特别在工业控制的实际应用中。对同一套系统在不同的时期或不同的客户需求，可根据具体要求编制有针对性的软件。这样一套系统的利用率和适用性就非常好，也是现代工业控制中的需要。下面就详细实现KJJ系统的软件控制。程序方框图根据KJJ系统的工艺要求，编制系统的软件系统。有了适当而正确的软件结构，整个系统才能够真正按照工艺要求来工作。程序的方框图如下所示：开始原动机启动开卷机开卷矫直机矫直定尺开卷机停矫直机停剪切机剪切否结束是停机结束图4-4程序的方框图梯形图PLC的显著特点之一是其编程语言简单易学，是专为工业控制而开发的装置。PLC的编程语言吸取了广大电气工程技术人员最为熟悉的继电器线路图的特点，形成了其特有的编程语言—梯形图。自从PLC问世以来，使用最普遍的编程语言是梯形图与语句表（梯形图助记符）。尽管各厂家的PLC各不相同，使用的编程语言也不完全相同，但梯形图的形势与编程方法基本上大同小异。X0X1Y50Y50X2Y51图4-5PLC的梯形图PLC梯形图使用内部继电器、定时/继电器等，都是由软件实现的，使用方便，修改灵活，是继电器梯形图的硬件接线所无法比拟的。采用梯形图的编程语言要有一定的格式。每个梯形图网络由多个梯级组成，每个输出元素可构成梯级，每个梯级可由多个之路组成，通常每个支路可容纳11个编程元素，最右边的元素必须是输出元素。每个网络最多允许16条支路。一般简单的编程元素只用1条支路，有些编程元素要占用多条支路（例如矩阵功能）。编程是要一个梯级、一个梯级按从上到下的顺序编制。梯形如两侧的竖线类似电器控制图的电源线，称作母线（BUSBAR)，每一行从左到右。左侧总是安排输入接点，并且把并联结点多的支路靠近最左端。输入接点不论是外部的按钮、行程开关、还是继电器触点，在图形符号上只用常开和常闭，而不计及其物理属性。输出线圈用圆形或椭圆形表示。在梯形图中每个编程元素按一定的规则加标字母数字串，不同的编程元素常用不同的字母符号和一定的数字串来表示。梯形图格式中的继电器不是物理继电器，每个继电器和输入接点均为存储器中的一位，相应为“l”态时，表示继电器线圈通电或常开接点闭合或常闭接点断开。图中流过的电流不是物理电流，而是“概念”电流。是用户程序结算中满足输出执行条件的形象表示方式。“概念”电流只能从左向右流动。梯形图中的继电器接点可在编制程序时无限引用，即可常开又可常闭。图中用户逻辑结算结果，马上可为后面用户程序的解算所利用。图中的输入接点和输出线圈不是物理接点和线圈。用户程序的解算是根据PLC内I/O影响区每位的状态，而不是解算现场开关的实际状态。输出线圈只对应输出影像区的相应位，不能用该编程元素直接驱动现场机构，该位的状态必须通过I/O模板上对应的输出单元才能驱动现场执行机构。根据以上要求及系统的工艺要求可画出KJJ系统的梯形图如下：DIFU1102DIFUDIFU1102DIFU#010KEEP050001KEEP050202KEEP050403KEEP0506#0100END0000DIFU1100I00010003DIFU1101I00020005110211030007000911001101050600130500110311020017110211030020110205000023图4-6系统的梯形图程序表当用梯形图编制用户程序时，一般都需要采用带CRT屏幕显示的编程器，而这类显示器价格贵且体积大，除了经济便捷等方面的原因，有些场合希望使用便捷式编程器编制用户程序，但是便捷式编程器的键盘和现实部分都较简单、直观、易懂的特点，又能采用便捷式编程编制用户程序，于是产生了梯形图的派生语言—语句表（梯形图助记符）。语言是用户程序的基础单元，每个控制功能有一个或多个语句组成的用户程序来执行。每条语句是规定CPU如何动作的指令，它的作用和微机的指令一样，而且PLC的语句也是由操作码和操作数组成，故其表达式也是和微机指令类似。PLC的语句都包含两个部分：操作码和操作数。操作码表示哪一种操作或者运算，操作数内包含为执行该操作所必需的信息，告诉CPU用什么地方的东西来执行此操作。地址指令数据00000LDI000000001ANDNOT0000100002DIFU110000003LDI000100004DIFU110100005LDI000200006DIFU110200007LD110200008TIM1103#01000009LD110000010LD110100011OR050600012KEEP（01）050000013LD05000014OR11030015LD11020016KEEP（02）05020017LD11020018LD11030019KEEP（03）05040020LD11020021LD05000022CNT0506#01000023END对于本KJJ系统的梯形图，其语句表如下：本章小结本章主要介绍系统的具体的硬件和软件的设计步骤，并通过设计内容来进行编程。系统的维护与检修可编程控制器适用于大多数工业现场，用它所构成的控制系统可以长期、稳定、可靠的工作。但在PLC的运行过程中，由于机械故障（如配线开路，压接端子的松动等）和各模板上的元器件的故障，可能导致系统的运行异常，甚至危及系统的安全，因此定期对PLC进行维护和检查是很重要的也是必不可少的。系统的维护机器设备在一定环境下工作运行，总是要发生磨损甚至损坏。尽管可编程控制器是由各种半导体集成电路组成的精密仪器电子设备。而且在可靠性方面采取了很多措施，但由于所应用的各种环境的不同，将于PLC的工作情况产生较大的影