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1、工業(yè)機(jī)械手 1.緒論 1.1機(jī)械手概述 工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 機(jī)械手是在機(jī)械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手

2、雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。 機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。 機(jī)械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。 機(jī)械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定的操作。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械的性能之外，還具

3、備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機(jī)來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是用專用機(jī)械手，主要附屬于自動機(jī)床或自動線上，用以解決機(jī)床上下料和工件送。這種機(jī)械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 在國外，目前主要是搞第一類通用機(jī)械手，國外稱為機(jī)器人。本課題所做的機(jī)械手是屬于第三類機(jī)械手。 1.2研究機(jī)械手的意義 一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度 應(yīng)用機(jī)械手有利于

4、實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 二、以改善勞動條件，避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。 在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減

5、少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動化機(jī)床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。 綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。 1.3機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀 現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化，自動化已成為突出的主題。化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。 有資料統(tǒng)計(jì)：美國偏重于毛坯生產(chǎn)，日本偏重于機(jī)械加工。隨著機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用的對象還會有所改變。 機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛

6、造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。 國內(nèi)機(jī)械手工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機(jī)、專機(jī)上采用機(jī)械手上下料，減輕工人的勞動強(qiáng)度。 國外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機(jī)械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機(jī)床共同組成一個(gè)綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。 國內(nèi)外機(jī)械工業(yè)、鐵路部門中機(jī)搬運(yùn)械手主要應(yīng)用于以下幾方面：1.熱加工方面的應(yīng)用熱加工是高溫、危險(xiǎn)的笨重體力勞動，很久以來就要求實(shí)現(xiàn)自動化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機(jī)械手操作。2.冷加工方面的應(yīng)用冷加工方面機(jī)械手主要用于柴油機(jī)配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機(jī)加工時(shí)的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在

7、程序控制、數(shù)字控制等機(jī)床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個(gè)組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動線上應(yīng)用，成為機(jī)床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。3.拆修裝方面拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門，已采用機(jī)械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強(qiáng)度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機(jī)械手，可用以對客車內(nèi)部進(jìn)行連續(xù)噴漆，以改善勞動條件，提高噴漆的質(zhì)量和效率。 近些年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機(jī)械手中越來越多的應(yīng)用，工業(yè)機(jī)械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動生產(chǎn)率的重要因素。采用機(jī)械手

8、進(jìn)行裝配更始目前研究的重點(diǎn)，國外已研究采用攝象機(jī)和力傳感裝置和微型計(jì)算機(jī)連在一起，能確定零件的方位達(dá)到鑲裝的目的。 1.4機(jī)械手的發(fā)展趨勢 目前工業(yè)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。 在國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。將機(jī) 械手各運(yùn)動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型

9、的基加緊機(jī)構(gòu)，即可組成不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，有便于更換工件，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。同時(shí)要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。 此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。 在國外機(jī)械制造業(yè)中工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。 此外，國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行

10、檢測，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。 視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測距儀（即距離傳感器）以及微型計(jì)算機(jī)。工作是電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號，然后送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。 觸覺功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達(dá)到自動調(diào)整握力的大小。總之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高。 更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)

11、合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手也越來越多的地被應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗(yàn)、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實(shí)理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。 2.機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu) 2.1傳動機(jī)構(gòu) 1．螺旋機(jī)構(gòu) 螺旋機(jī)構(gòu)由螺桿、螺母和機(jī)架組成，其主要功能是將轉(zhuǎn)動變換為直線運(yùn)動，并同時(shí)傳遞運(yùn)動和動力，按螺旋副中的摩擦性質(zhì)，螺旋機(jī)構(gòu)可以分為滑動螺旋機(jī)構(gòu)和滾動螺旋機(jī)構(gòu)兩種類型。按用途可以分為傳力螺旋、傳導(dǎo)螺旋和調(diào)整螺旋三種類型。 螺旋機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，

12、傳動平穩(wěn)，無噪聲易于自鎖等優(yōu)點(diǎn)。 2. 滑動螺旋機(jī)構(gòu) 螺旋副內(nèi)為滑動摩擦的的螺旋機(jī)構(gòu)，稱為滑動螺旋機(jī)構(gòu)?；瑒勇菪龣C(jī)構(gòu)所用的螺紋為傳動性能好，效率高的矩形、梯形和鋸齒形螺紋。 滑動螺旋機(jī)構(gòu)由螺母和螺桿組成。根據(jù)機(jī)構(gòu)的組成及運(yùn)動方式，滑動螺旋機(jī)構(gòu)又分為以下兩種。 （1）．由螺母和螺桿組成的滑動螺旋機(jī)構(gòu)，螺母與機(jī)架固聯(lián)，螺桿轉(zhuǎn)動并移動（如圖1-1b所示），這種螺旋機(jī)構(gòu)以傳遞動力為主，故又稱傳力螺旋機(jī)構(gòu)。一般要求用較小的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的軸向力，多用在工作時(shí)間短，速度較低的場合。 （2）．由螺母、螺桿和機(jī)架組成的滑動螺旋機(jī)構(gòu)，如圖1-1a所示，螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動，這種螺旋機(jī)構(gòu)以傳遞運(yùn)動

13、為主，故又稱為傳導(dǎo)螺旋機(jī)構(gòu)。 本文所介紹的機(jī)械手的豎軸就是用的傳導(dǎo)螺旋機(jī)構(gòu)。這種傳動形式結(jié)構(gòu)緊湊，剛度較大，傳動效率高，精度高。 圖1-1 （a）螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動(b)螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動并移動 3．滾動螺旋機(jī)構(gòu) 螺旋副內(nèi)為滾動摩擦的螺旋機(jī)構(gòu)，稱為滾動螺旋機(jī)構(gòu)或滾珠絲杠。其機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是在螺桿和螺母之間設(shè)有封閉循環(huán)滾道，并在其間放如鋼球，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動時(shí)，剛球沿螺旋滾道滾動并帶動螺母作直線運(yùn)動。按循環(huán)方式的不同，分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種形式。 滾珠始終在循環(huán)過程中始終與螺桿保持接觸的循環(huán)叫內(nèi)循環(huán)。滾珠在返回時(shí)與螺桿脫離接觸的循環(huán)叫外循環(huán)（如圖1-2所示）。外循環(huán)螺母只需設(shè)

14、置一個(gè)反向器，當(dāng)滾珠進(jìn)入反向器時(shí)，就被阻止而轉(zhuǎn)彎，從返回通道回到滾道的另一端，形成一個(gè)循環(huán)回路。 機(jī)械手的橫向運(yùn)動采用的便是滾動螺旋傳動。滾動螺旋機(jī)構(gòu)摩擦阻力小，動作靈敏度高，傳動效 率高，可達(dá)90%以上。用調(diào)整的方法可消除間 隙，傳動精度高。 圖1-2 2.2機(jī)械手夾持器和機(jī)座的結(jié)構(gòu) 機(jī)械手的機(jī)械夾持器多為雙指手抓式，按其手抓的運(yùn)動方式可分為平移型和回轉(zhuǎn)型?；剞D(zhuǎn)型手抓有可分為單支點(diǎn)和雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，按夾持方式可以分為外夾式和內(nèi)撐式。按驅(qū)動方式可以電動、液壓和氣動三種。 回轉(zhuǎn)型夾持器結(jié)構(gòu)較簡單，但當(dāng)所夾持的工件直徑有變動時(shí)，將引起工件軸心的偏移

15、。對平移型夾持器，工件直徑的變化不影響其軸心的位置。但其機(jī)械機(jī)構(gòu)繁雜，體積大，制造精度要求高。所以當(dāng)設(shè)計(jì)機(jī)械手夾持器的時(shí)候，在滿足工件的定位精度要求的條件下，盡可能的采用結(jié)構(gòu)比較簡單回轉(zhuǎn)型夾持器。 本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用的是楔槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器。如右圖所示，裝在桿上端的滾子3和楔塊之間為滾動接觸。當(dāng)電機(jī)帶動連桿前進(jìn)時(shí)，通過楔塊4的斜面和杠桿1，使兩個(gè)手抓產(chǎn)生加緊動作和加緊力。當(dāng)楔塊后移時(shí)，靠彈簧的拉力使手指松開。這種末端執(zhí)行器由于楔塊和滾子之間為滾動接觸，摩擦力小，活動靈活，且機(jī)構(gòu)簡單。 2．機(jī)座 機(jī)座是機(jī)械手的支撐部件，機(jī)座承受機(jī)械手的全部重量和工作載荷，所以機(jī)座應(yīng)有足夠的強(qiáng)

16、度、剛度和承載能力。另外機(jī)座還要求有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)械手工作時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行。 如圖1-3所示，機(jī)械手采用普通軸承作為支撐元件的機(jī)座支撐結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有制造簡單、成本低、安裝調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)。圖中電動機(jī)3經(jīng)減速器4、主動小齒輪5、中間齒輪6、大齒輪7驅(qū)動絲桿2旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動升降臺上下運(yùn)動。整個(gè)機(jī)座安裝在基座8上。 3.可編程控制PLC 3.1 PLC簡介 自二十世紀(jì)六十年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，PLC的

17、功能也不斷完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運(yùn)動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運(yùn)動控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。 作為離散控的制的首選產(chǎn)品，PLC在二十世紀(jì)八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的PLC年增長率保持為20%～30%。隨著工廠自動化程度的不斷提高和PLC市場容量基數(shù)的不斷擴(kuò)大，近年來PLC在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的增長速度放緩。但是，在中國等發(fā)展中國家PLC的增長十分迅速。綜合相關(guān)資料，2004年全球PLC的銷售收入為100億美元左右，在自動化領(lǐng)域占據(jù)著十分重

18、要的位置。 　　 PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀(jì)七十年代的PLC只有開關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機(jī)械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運(yùn)行時(shí)按存儲程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內(nèi)有指示程序步存儲地址的程序計(jì)數(shù)器，在程序運(yùn)行過程中，每執(zhí)行一步該計(jì)數(shù)器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運(yùn)算。PLC每完成一次循環(huán)操作所

19、需的時(shí)間稱為一個(gè)掃描周期。不同型號的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點(diǎn)，在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當(dāng)成開關(guān)量來處理，16位（也有32位的）為一個(gè)模擬量。大型PLC使用另外一個(gè)CPU來完成模擬量的運(yùn)算。把計(jì)算結(jié)果送給PLC的控制器。 相同I/O點(diǎn)數(shù)的系統(tǒng)，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大約能省40%左右）。PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)成本比DCS要低很多。一個(gè)PLC的控制器，可以接收幾千個(gè)I/O點(diǎn)（最多可達(dá)8000多個(gè)I/O）。如果被控對象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采

20、用PLC較為合適。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設(shè)計(jì)企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。 近10年來，隨著PLC價(jià)格的不斷降低和用戶需求的不斷擴(kuò)大，越來越多的中小設(shè)備開始采用PLC進(jìn)行控制，PLC在我國的應(yīng)用增長十分迅速。隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和基礎(chǔ)自動化水平的不斷提高，今后一段時(shí)期內(nèi)PLC在我國仍將保持高速增長勢頭。 通用PLC應(yīng)用于專用設(shè)備時(shí)可以認(rèn)為它就是一個(gè)嵌入式控制器，但PLC相對一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的穩(wěn)定性。實(shí)際工作中碰到的一些用戶原來采用嵌入式控制器，現(xiàn)在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器 3.2 PLC內(nèi)部原理 PLC實(shí)質(zhì)上是一種被

21、專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)和微機(jī)是基本一 的。如圖2.1所示， PLC硬件的基本結(jié)構(gòu)圖所示： 編程器 中央處理單元 （CPU） 輸入電路 輸出電路 系統(tǒng)程序存儲區(qū) 用戶程序存儲區(qū) 電源 圖2-1 PLC硬件的基本結(jié)構(gòu)圖 （1）中央處理單元（CPU） 中央處理單元（CPU）是PLC 的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能，接受并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)，檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能檢查用戶程序的語法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接受現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū), 然后從用戶程序存儲器

22、中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術(shù)運(yùn)算等任務(wù)。并將邏輯或算術(shù)運(yùn)算等結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢以后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行為止。 （2）存儲器 與微型計(jì)算機(jī)一樣，除了硬件以外，還必須有軟件。才能構(gòu)成一臺完整的PLC。PLC的軟件分為兩部分: 系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。 PLC存儲空間的分配：雖然大、中、小型 PLC的CPU的最大可尋址存儲空間各不相同，但是根據(jù)PLC的工作原理， 其存儲空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲

23、區(qū)，系統(tǒng)RAM存儲區(qū)（包括I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）和用戶程序存儲區(qū)。 A. 系統(tǒng)程序存儲區(qū) 在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。它包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷程序等。由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能夠直接存取。它和硬件一起決定了該P(yáng)LC的各項(xiàng)功能。 B. 系統(tǒng)RAM存儲區(qū) 系統(tǒng)RAM存儲區(qū)包括I/O映象區(qū)以及各類軟設(shè)備（例如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器等）存儲區(qū)。 （A）I/O映象區(qū) 由于PLC投入運(yùn)行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至

24、相應(yīng)的外設(shè)。因此，它需要有一定數(shù)量的存儲單元（RAM）以供存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些存儲單元稱作I/O映象區(qū)。一個(gè)開關(guān)量I/O占用存儲單元中的一個(gè)位（bit）, 一個(gè)模擬量I/O占用存儲單元中的一個(gè)字（16個(gè)bit)。因此，整個(gè)I/O映象區(qū)可看作由開關(guān)量的I/O映象區(qū)和模擬量的I/O映象區(qū)兩部分組成。 （B）系統(tǒng)軟設(shè)備存儲區(qū) 除了I/O映象區(qū)以外，系統(tǒng) RAM存儲區(qū)還包括PLC內(nèi)部各類軟設(shè)備（邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器等）的存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和無失電保持的存儲區(qū)域，前者在PLC斷電時(shí)，由內(nèi)部的鋰電子供電。使這部分存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)得以

25、保留；后者當(dāng)PLC 停止運(yùn)行時(shí)，將這部分存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)全部置“零”。 C．用戶程序存儲區(qū) 用戶程序存儲區(qū)存放用戶編制的用戶程序。不同類型的PLC其存儲容量各不相同，一般來說，隨著PLC機(jī)型增大其存儲容量也相應(yīng)增大。不過對于新型的PLC，其存儲容量可根據(jù)用戶的需要而改變。 D．常用的I/O分類 常用的I/O分類如下： 開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。 模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等

26、。 　　除了上述通用I/O外，還有特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。 　　按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。 （3）PLC電源 PLC電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。無論是小型的PLC，還是中、大型的PLC，其電源的性能都是一樣的，均能對PLC內(nèi)部的所有器件提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的直流電源。一般交流電壓波動在正負(fù)10%（15%）之間，因此可以直接將PLC接入到交流電網(wǎng)上去。 可編程序控制器一般使用220V交流電源?？删幊绦蚩刂破鲀?nèi)部的直流穩(wěn)壓電源為各模塊內(nèi)的元件提供直流電壓。某些可編

27、程序控制器可以為輸入電路和少量的外部電子檢測裝置（如接近開關(guān)）提供24V直流電源。驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的 電源一般由用戶提供。 可編程序控制器是從繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，它的梯形圖程序與繼電器系統(tǒng)電路圖相似，梯形圖中的某些編程元件也沿用了繼電器這一名稱，如輸入、輸出繼電器等。這種計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的“軟繼電器”，與繼電器系統(tǒng)中的物理結(jié)構(gòu)在功能上某些相似之處。 3.3 PLC的工作原理 可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運(yùn)行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)，可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)可能變化的輸入信號

28、，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至可編程序控制器停機(jī) 或切換到STOP工作狀態(tài)。 除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中，可如上圖編程序控制器還要完成，內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個(gè)階段。可編程序控制器的這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入-輸出關(guān)系來看，處理過程似乎是同時(shí)完成的。 在內(nèi)部處理聯(lián)合階段?？删幊绦蚩刂破鳈z查CPU模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。 在通信服務(wù)階段，可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容

29、。當(dāng)可編程序控制器處于停止（STOP）狀態(tài)時(shí)，只執(zhí)行以上的操作?？删幊绦蚩刂破鹛幱冢≧UN）狀態(tài)時(shí)，還要完成另外3個(gè)階段的操作。 在可編程序控制器的存儲器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出 號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器?？删幊绦蚩刂破魈菪螆D中別的編程元件也有對應(yīng)的映像存儲區(qū)，它們統(tǒng)稱為元件映像寄存器。在輸入處理階段，可編程序控制器把所有外部輸入電路的接通/斷開（ON/OFF）狀態(tài)讀入輸入寄存器。 外接的輸入觸點(diǎn)電路接通時(shí)，對應(yīng)的輸入映像寄存器為“1”狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開。外接的輸入觸點(diǎn)電路斷開，對應(yīng)的輸入映像寄存器為“0

30、”狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點(diǎn)斷開，常閉觸點(diǎn)接通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入映像寄存器的狀態(tài) 也不會隨之而變，輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個(gè)掃描周期的輸入處理階段被讀入。 可編程序控制器的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按步序號順序排列。在沒有跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，CPU從第一條指令開始，逐條順序的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束之處。在執(zhí)行指令時(shí)，從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器中將有關(guān)編程元件的0/1狀態(tài)讀出來，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果寫入到對應(yīng)的元件映像寄存器中，因此，各編程元件的映像寄存器（輸入映像寄存器除外）的內(nèi)容隨著程

31、序的執(zhí)行而變化。 在輸出處理階段，CPU 將輸出映像寄存器的0/1狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。體型圖某一輸出繼電器的線圈“通電”時(shí)，對應(yīng)的輸出映像寄存器為“1”狀態(tài)。信號經(jīng)輸出模塊隔離 和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點(diǎn)閉合，使外部負(fù)載通電工作。 若梯形圖中輸出繼電器線圈斷電對應(yīng)的輸出映像寄存器為“0”狀態(tài)，在輸出處理階段后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點(diǎn)斷開，外部負(fù)載斷電，停止工作。某一編程元件對應(yīng)的映像寄存器為“1”狀態(tài)時(shí)，稱該編程元件為ON，映像寄存器為“0”狀態(tài)時(shí)，稱該編程元件為OFF。 掃描周期可編程序控制器在RUN工作狀

32、態(tài)時(shí)，執(zhí)行一次圖2.5.1a所示的掃描操作所需的時(shí)間稱為掃描周期，其典型值為1~100ms。指令執(zhí)行所需的時(shí)間與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關(guān)系。當(dāng)用戶程序較長時(shí)，指令執(zhí)行時(shí)間在掃描周期中占相當(dāng)大的比例。不過嚴(yán)格地來說掃描周期還包括自診斷、通信等。如圖2.1c所示。 第(N-1)個(gè)掃描周期 輸出刷新 第(N+1)個(gè)掃描周期 輸入采樣 第N個(gè)掃描周期 輸入采樣 輸出刷新 用戶程序執(zhí)行 圖2.1c PLC的掃描運(yùn)行方式 （1）輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次讀入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)它 們存入I/O映象區(qū)的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入

33、采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化I/O映象區(qū)的相應(yīng)單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會改變。所以輸入如果是脈沖信號，它的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 （2）用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，PLC的CPU總是由上而下，從左到右的順序依次的掃描梯形圖。并對控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并以此刷新該邏輯線圈或輸出線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)?；蛘叽_定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。例如：算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達(dá)等。 （3）輸出刷新階段 在輸出刷新階段，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有

34、的數(shù)據(jù)鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動響應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)才是PLC真正的輸出。 (4)輸入/輸出滯后時(shí)間 輸入/輸出滯后時(shí)間又稱系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，是指可編程序控制器的外部輸入信號發(fā)生變化的時(shí)刻至它控制的有關(guān)外部輸出信號發(fā)生變化的時(shí)刻之間的時(shí)間間隔，它由輸入電路濾波時(shí)間、輸出電路的滯后時(shí)間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時(shí)間三部分組成。 輸入模塊的CPU濾波電路用來濾除由輸入端引入的干擾噪聲，消除因外接輸入觸點(diǎn)動作是產(chǎn)生的抖動引起的不良影響，濾波電路的時(shí)間常數(shù)決定了輸入濾波時(shí)間的長短，其典型值為10ms左右。 輸出模塊的滯后時(shí)間與模塊的類型有關(guān)，繼電器型輸出電路的滯后時(shí)間一般在10ms左右；雙向可空硅型輸

35、出電路在負(fù)載接通時(shí)的滯后時(shí)間約為1ms，負(fù)載由導(dǎo)通到斷開時(shí)的最大滯后時(shí)間為10ms；晶體管型輸出電路的滯后時(shí)間約為1ms。由掃描工作方式引起的滯后時(shí)間最長可達(dá)到兩個(gè)多掃描周期?？删幊绦蚩刂破骺偟捻憫?yīng)延遲時(shí)間一般只有幾十ms，對于一般的系統(tǒng)是無關(guān)緊要的。要求輸入—輸出信號之間的滯后時(shí)間盡量短的系統(tǒng)，可以選用掃描速度快的可編程序控制器或采取其他措施。 3.4 PLC機(jī)型的選擇方法 1．PLC的類型 PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應(yīng)用角度出發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c(diǎn)數(shù)選型。整體

36、型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)，功能擴(kuò)展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。 2．輸入輸出模塊的選擇 輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應(yīng)考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應(yīng)用要求。對輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價(jià)格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時(shí)間較長等特點(diǎn)；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場合，但價(jià)格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應(yīng)用要求

37、應(yīng)一致?？筛鶕?jù)應(yīng)用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應(yīng)用成本。考慮是否需要擴(kuò)展機(jī)架或遠(yuǎn)程I/O機(jī)架等。 3.電源的選擇 PLC的供電電源，除了引進(jìn)設(shè)備時(shí)同時(shí)引進(jìn)PLC應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè)計(jì)和選用外，一般PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計(jì)選用220VAC電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應(yīng)用場合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果PLC本身帶有可使用電源時(shí)，應(yīng)核對提供的電流是否滿足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計(jì)外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時(shí)也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。 4.存儲器的選擇 由于計(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲

38、器的價(jià)格已下降，因此，為保證應(yīng)用項(xiàng)目的正常投運(yùn)，一般要求PLC的存儲器容量，按256個(gè)I/O點(diǎn)至少選8K存儲器選擇。需要復(fù)雜控制功能時(shí)，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲器。 5.冗余功能的選擇 a．控制單元的冗余 （1）重要的過程單元：CPU（包括存儲器）及電源均應(yīng)1B1冗余。 （2）在需要時(shí)也可選用PLC硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)、2重化或3重化冗余容錯(cuò)系統(tǒng)等。 b． I/O接口單元的冗余 （1）控制回路的多點(diǎn)I/O卡應(yīng)冗余配置。 （2）重要檢測點(diǎn)的多點(diǎn)I/O卡可冗余配置。3）根據(jù)需要對重要的I/O信號，可選用2重化或3重化的I/O接口單元。 6.經(jīng)濟(jì)性的考慮 選擇PL

39、C時(shí)，應(yīng)考慮性能價(jià)格比。考慮經(jīng)濟(jì)性時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮應(yīng)用的可擴(kuò)展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進(jìn)行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。 輸入輸出點(diǎn)數(shù)對價(jià)格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費(fèi)用。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲器容量、機(jī)架、母板等也要相應(yīng)增加，估因此，點(diǎn)數(shù)的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響，在算和選用時(shí)應(yīng)充分考慮，使整個(gè)控制系統(tǒng)有較合理的性能價(jià)格比。 3.5 機(jī)械手PLC選型及參數(shù) 1.控制系統(tǒng)如圖 圖7 機(jī)械手控制系統(tǒng)圖 2.輸入/輸出分析 分析系統(tǒng)信號輸入/輸出要求，系統(tǒng)I/O

40、信號全部為開關(guān)量，其中： （1）輸入信號為十八個(gè)開關(guān)量信號，它們分別為：啟動、停止、緊急停車、手動/單步/單周期/連續(xù)、上限、下限、左限、右限、工作檢測、上升、下降、左移、右移、夾緊和放松。 （2）輸出信號為七個(gè)開關(guān)量控制信號，它們分別為：上升、下降、左移、右移、夾緊和原點(diǎn)指示。 3.用戶程序容量估計(jì) 分析系統(tǒng)控制要求，一個(gè)工作循環(huán)分成10個(gè)工步，每一工步完成一些簡單的工作。因此，控制用的程序估計(jì)較短，約在兩百步之內(nèi)。 綜合分析要求，考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)指標(biāo)，選三菱公司微型PC，機(jī)型FX-48MR。 （1）.主要技術(shù)數(shù)據(jù)如下： 工作電源：24VDC 輸入點(diǎn)數(shù)：24 輸出點(diǎn)數(shù)

41、：24 輸入信號類型：直流或開關(guān)量 輸入電流：24VDC 5mA 模擬輸入：-10V～10V（-20mA～+20mA） 輸出晶體管允許電流0.3A/點(diǎn)（1.2A/COM） 輸出電壓規(guī)格：30VDC 最大負(fù)載：9W 輸出反應(yīng)時(shí)間：Off→On 20μs On→Off 30μs 基本指令執(zhí)行時(shí)間：數(shù)個(gè)μs 程序語言：指令+梯形圖+SFC 程序容量：3792STEPS 基本順序指令：32個(gè)（含步進(jìn)梯形指令） 應(yīng)用指令：100種 初始步進(jìn)點(diǎn)：S0～S9 一般步進(jìn)點(diǎn)：118點(diǎn)，S10～S127 輔助繼電器：一般用512+232點(diǎn)（M000～M511+M768～M

42、999） 停電保持用256點(diǎn)（M512～M767） 特殊用280點(diǎn)（M1000～M1279） 定時(shí)器：100ms時(shí)基64點(diǎn)（T0～T63） 10ms時(shí)基63點(diǎn)（T64～T126，M1028為ON時(shí)） 1ms時(shí)基1點(diǎn)（T127） 計(jì)數(shù)器：一般用112點(diǎn)（C000～C111，16位計(jì)數(shù)器） 停電保持用16點(diǎn)（C112～C127，16位計(jì)數(shù)器） 高速用13點(diǎn)1相5kHz，2相2kHz（C235～C254，全部為停電保持32位計(jì)數(shù)器） 數(shù)據(jù)寄存器：一般用408點(diǎn)（D000～D407） 停電保持用192點(diǎn)（D408～D599） 特殊用144點(diǎn)（D1000～D1143） 指針/中斷

43、：P64點(diǎn)；I4點(diǎn)（P0～P63/I001、I101、I201、I301） 串聯(lián)通信口：程序?qū)懭?讀出通訊口：RS232 一般功能通訊口：RS485 主機(jī)電源220V AC （2）.PLC主機(jī)的組成 1、輸入單元 輸入單元由8個(gè)按扭、8個(gè)開關(guān)和16個(gè)接插件組成，它們分別與PLC的16個(gè)輸入點(diǎn)相接。改變這些開關(guān)或按扭的通斷狀態(tài)，即可對主機(jī)輸入所需要的開關(guān)量。16個(gè)接插件可外接其它直流或開關(guān)量輸入信號。 2、輸出單元 輸出單元由24個(gè)二極管和24個(gè)接插件組成，它們分別與PLC的24個(gè)輸出點(diǎn)相連。發(fā)光二極管是否發(fā)光，即可表示輸出點(diǎn)的狀態(tài)，使用者可得到主機(jī)的輸出信息

44、。24個(gè)輸出接插件可外接其它需要控制的設(shè)備。輸出單元的4個(gè)地端，分別引出到面板，其中只有C4與3V電源共地。 3、電源單元 PLC主機(jī)左邊有外接220V/AV的電源插座，作為PLC的工作電源。內(nèi)裝變壓器，輸出3V電源，供二極管使用。另外PLC的24VDC和24GND已引出到面板，供外接輸入器件（如傳感器）的工作電源用 4.控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)和調(diào)試 4.1 可編程序控制器的控制設(shè)計(jì)方法 1 梯形圖的編程規(guī)則 是專為工業(yè)控制而開發(fā)的裝置，其主要使用者是廣大電氣技術(shù)人員，為了適應(yīng)他們的傳統(tǒng)習(xí)慣和掌握能力，通常不采用微機(jī)的程序語言，而常常采用面向控制過程、面向問題的“自然

45、語言”編程。國際電工委員會1994年5月公布的（可編程序控制器語言標(biāo)準(zhǔn)）詳細(xì)的說明了在、句法、語義和下述5種編程語言：功能表圖、梯形圖、功能塊圖、指令表、結(jié)構(gòu)文本。梯形圖和功能圖為圖形語言，指令表和結(jié)構(gòu)文本為文字語言，功能表圖是一種結(jié)構(gòu)塊控制流程圖。 1.梯形圖概述 梯形圖是使用最多的圖形編程語言，被稱為1的第一編程語言。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關(guān)量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設(shè)計(jì)稱為編程。 梯形圖編程中，用到以下四個(gè)基本概念： （1）軟繼電器 1梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼

46、電器、輸出繼電、內(nèi)部輔助繼電器等，但是它們不是真實(shí)的物理繼電器，而是一些存儲單元（軟繼電器），每一軟繼電器與1 存儲器中映像寄存器的一個(gè)存儲單元相對應(yīng)。該存儲單元如果為“1”狀態(tài)，則表示梯形圖中對應(yīng)軟繼電器的線圈“通電”，其常開觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開，稱這種狀態(tài)是該軟繼電器的“1”或“ON”狀態(tài)。如果該存儲單元為“0”狀態(tài)，對應(yīng)軟繼電器的線圈和觸點(diǎn)的狀態(tài)與上述的相反，稱該軟繼電器為“0”或“”狀態(tài)。使用中也常將這些“軟繼電器”稱為編程元件。 （2）能流 如圖10所示觸點(diǎn)1、2接通時(shí)，有一個(gè)假想的“概念電流”或“能流”（）從左向右流動，這一方向與執(zhí)行用戶程序時(shí)的邏輯運(yùn)算的順序是一致的。能流只

47、能從左向右流動。利用能流這一概念，可以幫助我們更好地理解和分析梯形圖。圖10.1a中可能有兩個(gè)方向的能流流過觸點(diǎn)5（經(jīng)過觸點(diǎn)1、5、4或經(jīng)過觸點(diǎn)3、5、2），這不符合能流只能從左到右流動的原則，因此應(yīng)改為如圖10.1b所示的梯形圖。 圖10 梯形圖 （3）母線 梯形圖兩側(cè)的垂直公共線稱為母線（），在分析梯形圖的邏輯關(guān)系時(shí)，為了借用繼電器電路圖的分析方法，可以想象左右兩母線（左母線和右母線）之間有一個(gè)左正右負(fù)的直流電源電壓，母線之間有“能流”從左到右流動。右母線可以不畫出。 （4）梯形圖的邏輯解算 根據(jù)梯形圖中個(gè)觸點(diǎn)的狀態(tài)和邏輯關(guān)系，求出與圖中各線圈對應(yīng)的編程元件的狀態(tài)，稱為梯形

48、圖的邏輯解算。梯形圖中邏輯解算是按從左到右、從上到下的順序進(jìn)行的。解算的結(jié)果，馬上可以得后面的邏輯解算所利用。邏輯解算是根據(jù)輸入映像寄存器中的值，而不是根據(jù)解算瞬時(shí)外部輸入觸點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行的。 2. 梯形圖的編程規(guī)則 盡管梯形圖與繼電器電路圖在結(jié)構(gòu)形式、元件符號及邏輯控制功能等方面相類似，但它們又有許多不同之處，梯形圖具有自己的編程規(guī)則。 （1）每一邏輯行總是起于左母線，然后是觸點(diǎn)的連接，最后終止于線圈或右母線之間（右母線可以不畫出）。注意：左母線與線圈之間一定要有觸點(diǎn)，而線圈與右母線之間則不能有任何觸點(diǎn)。 （2）梯形圖中的觸點(diǎn)可以任意串聯(lián)或并聯(lián)，但繼電器線圈只能并聯(lián)而不能串聯(lián)。 （3

49、）觸電的使用次數(shù)不受限制。 （4）一般情況下，在梯形圖中同一線圈只能出現(xiàn)一次。如果在程序中，同一線圈使用了兩次或多次，稱為“雙線圈輸出”。對于“雙線圈輸出”，有些1 將其視為語法錯(cuò)誤，絕對不允許；有些1 則將前面的輸出視為無效，只有最后一次輸出有效；而有些1 ，在含有跳轉(zhuǎn)指令或步進(jìn)指令的梯形圖中允許雙線圈輸出。 （5）對于不可編程梯形圖必須難過等效變換，變成可編程梯形圖，例如圖10所示。 （6）有幾個(gè)串聯(lián)電路相并聯(lián)時(shí)，應(yīng)將串聯(lián)觸點(diǎn)多的回路放在上方。在有幾個(gè)并聯(lián)電路相串聯(lián)時(shí)，應(yīng)將并聯(lián)觸點(diǎn)多的回路放在左方。這樣所編制的程序 簡潔明了，語句較少。 另外在設(shè)計(jì)梯形圖時(shí)輸入繼電器的觸點(diǎn)狀態(tài)最好按

50、輸入設(shè)備全部為常開進(jìn)行設(shè)計(jì)更為合適，不易出錯(cuò)。建議用戶盡可能用輸入設(shè)備的常開觸點(diǎn)與1 輸入端連接，如果某些信號只能用常閉輸入，可先按輸入設(shè)備常開來設(shè)計(jì)，然后將梯形圖中對應(yīng)的輸入繼電器觸點(diǎn)取反（常開改為常閉、常閉改為常開）。 2 程序的順序控制設(shè)計(jì)法 如果一個(gè)控制系統(tǒng)可以分解成幾個(gè)獨(dú)立的控制動作，且這些動作必須嚴(yán)格按照一定的先后次序執(zhí)行才能保證生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行，這樣的控制系統(tǒng)稱為順序控制系統(tǒng)，也稱為步進(jìn)控制系統(tǒng)。其控制總是一步一步按順序進(jìn)行。在工業(yè)控制領(lǐng)域中，順序控制系統(tǒng)的應(yīng)用很廣，尤其在機(jī)械行業(yè)，幾乎無例外地利用順序控制來實(shí)現(xiàn)加工的自動循環(huán)。 所謂順序控制設(shè)計(jì)法就是針對順序控制系統(tǒng)的一

51、種專門的設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法很容易被初學(xué)者接受，對于有經(jīng)驗(yàn)的工程師，也會提高設(shè)計(jì)的效率，程序的調(diào)試、修改和閱讀也很方便。1 的設(shè)計(jì)者們?yōu)轫樞蚩刂葡到y(tǒng)的程序編制提供了大量通用和專用的編程軟件，開發(fā)了專門供編制順序系統(tǒng)控制用的功能表圖，使這種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法成為當(dāng)前1 程序的設(shè)計(jì)主要方法。 3 程序的邏輯設(shè)計(jì)方法 邏輯設(shè)計(jì)方法是以邏輯組合或邏輯時(shí)序的方法和形式來設(shè)計(jì)1 程序，看分為組合邏輯設(shè)計(jì)法和時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)法兩種。這些設(shè)計(jì)方法既有嚴(yán)密看循的規(guī)律性，明確可行的設(shè)計(jì)步驟，又具有簡便直觀和十分規(guī)范的特點(diǎn)。 邏輯函數(shù)與梯形圖的關(guān)系： 組合邏輯設(shè)計(jì)法的理論基礎(chǔ)是邏輯代數(shù)。我們知道，邏輯代數(shù)的三種基

52、本運(yùn)輸“與”、“或”、“非”都有著非常明確的物理意義。邏輯函數(shù)表達(dá)式的線路結(jié)構(gòu)與1 梯形圖相互對應(yīng)，可以直接轉(zhuǎn)化。 4.2 PLC程序及調(diào)試說明 1.復(fù)雜程序的設(shè)計(jì)方法 實(shí)際的1 應(yīng)用系統(tǒng)往往比較復(fù)雜，復(fù)雜系統(tǒng)不僅需要的1 輸入/輸出點(diǎn)數(shù)多，為了滿足生產(chǎn)的需求，很多工業(yè)設(shè)備都需要設(shè)置多種不同的工作方式，常見的有手動和自動（連續(xù)、單周期、單步）等工作方式。 在設(shè)計(jì)這類具有多種工作方式的系統(tǒng)的程序時(shí)，經(jīng)常采用以下的程序設(shè)計(jì)思路與步驟： 1. 確定程序的總體結(jié)構(gòu) 將系統(tǒng)的程序按工作方式和功能分成若干部分，如：公共程序、手動程序、自動程序等部分。手動程序和自動程序是不同時(shí)執(zhí)行的，所以

53、用跳轉(zhuǎn)指令將它們分開，用工作方式的選擇信號作為跳轉(zhuǎn)的條件。 2. 分別設(shè)計(jì)局部程序 公共程序和手動程序相對較為簡單，一般采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì);自動程序相對比較復(fù)雜，對于順序控制系統(tǒng)一般采用順序控制設(shè)計(jì)法，先畫出其自動工作過程的功能表圖，再選擇某種編程方式來設(shè)計(jì)梯形圖程序。 3. 程序的綜合與調(diào)試 進(jìn)一步理順各部分程序之間的相互關(guān)系，并進(jìn)行程序的調(diào)試。 2 PLC程序內(nèi)容和質(zhì)量 1. PLC應(yīng)用程序最大限度地滿足被控對象的控制要求，在構(gòu)思程序主題的框架后，要以它為主線，逐一編寫實(shí)現(xiàn)各控制功能或各子任務(wù)的程序。經(jīng)過不斷地調(diào)整和完善。使程序能完成所要求的控制功能。另外，PLC

54、應(yīng)用程序通常還包括以下幾方面的內(nèi)容： （1）初始化程序 在PLC上電后，一般要做一些初始化的操作。其作用是為啟動做必要的準(zhǔn)備，并避免系統(tǒng)發(fā)生誤動作。初始化程序的主要內(nèi)容為：將某些數(shù)據(jù)區(qū)、計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零；使某些數(shù)據(jù)區(qū)恢復(fù)所需數(shù)據(jù)；對某些輸出量置位或復(fù)位；顯示某些初始狀態(tài)等等。 （2）檢測、故障診斷、才、顯示程序 應(yīng)用程序一般都設(shè)有檢測、故障診斷和顯示程序等內(nèi)容。這些內(nèi)容可以在程序設(shè)計(jì)基本完成時(shí)再進(jìn)行添加。它們也可以是相對獨(dú)立的程序段。 （3）保護(hù)、連鎖程序 各種應(yīng)用程序中，保護(hù)和連鎖是不可缺少的部分。它可以杜絕由于非法操作而引起的控制邏輯混亂，保證系統(tǒng)的運(yùn)行更安全、可靠。因此要認(rèn)真考

55、慮保護(hù)連鎖的問題，通常在PLC外部也要設(shè)置連鎖和保護(hù)措施 。 2. PLC程序的質(zhì)量 對于同一個(gè)控制要求，即使選用同一機(jī)型的PLC，用不同設(shè)計(jì)方法所編寫的程序，其結(jié)構(gòu)也可能不同。盡管幾種程序都可以實(shí)現(xiàn)同一控制功能，但是程序的質(zhì)量卻可能差別很大。 3 PLC程序的調(diào)試 PLC程序的調(diào)試可以分為模擬調(diào)試和現(xiàn)場調(diào)試兩個(gè)調(diào)試過程，在此之前首先對PLC外部接線作仔細(xì)檢查，這一個(gè)環(huán)節(jié)很重要。外部接線一定要準(zhǔn)確無誤。也可以用事先編寫好的試驗(yàn)程序?qū)ν獠拷泳€做掃描通電檢查來查找接線故障。不過，為了安全考慮，最好將主電路斷開。當(dāng)確認(rèn)接線無誤后再連接主電路，將模擬調(diào)試好的程序送入用戶存儲器進(jìn)行調(diào)試，直到各

56、部分的功能都正常，并能協(xié)調(diào)一致地完成整體功能為止。 1. 程序的模擬調(diào)試 將設(shè)計(jì)好的程序?qū)懭隤LC后，首先逐條仔細(xì)檢查，并改正寫入時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤。用戶程序一般先在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，實(shí)際的輸入信號可以用鈕子開關(guān)和按鈕來模擬，各輸出量的通/斷狀態(tài)用PLC上有關(guān)的發(fā)光二極管來顯示，一般不用接PLC實(shí)際的負(fù)載（如接觸器、電磁閥等）?？梢愿鶕?jù)功能圖表，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候用開關(guān)或按鈕來模擬實(shí)際的反饋信號，如限位開關(guān)觸點(diǎn)的接通和斷開。對于順序控制程序，調(diào)試程序的主要任務(wù)是檢查程序的運(yùn)行是否符合功能表圖的規(guī)定，即在某一轉(zhuǎn)換條件實(shí)現(xiàn)時(shí)，是否發(fā)生步的活動狀態(tài)的正確變化，即該轉(zhuǎn)換所有的前級步是否變?yōu)椴换顒硬?，所有的后繼

57、步是否變?yōu)榛顒硬?，以及各步被?qū)動的負(fù)載是否發(fā)生相應(yīng)的變化。 在調(diào)試時(shí)應(yīng)充分考慮各種可能的情況，對系統(tǒng)各種不同的工作方式、有選擇序列的功能表圖中的每一條支路、各種可能的進(jìn)展路線，都逐一檢查，不能有漏。發(fā)現(xiàn)問題后應(yīng)及時(shí)修改梯形圖和PLC中的程序，直到在各種可能的情況下輸入量與輸出量之間的關(guān)系完全符合要求。 如果程序中某些定時(shí)器或計(jì)數(shù)器的設(shè)定值過大，為了縮短調(diào)試時(shí)間，可以在調(diào)試時(shí)將它們減小，模擬調(diào)試的同時(shí)，也可以設(shè)計(jì)、制作控制臺或控制柜，PLC之外的其它硬件的安裝、接線工作也可以同時(shí)進(jìn)行。 2. 程序的現(xiàn)場調(diào)試 完成上述的工作后，將PLC安裝在現(xiàn)場進(jìn)行聯(lián)機(jī)總調(diào)試，在調(diào)試過程中可能將暴露出系

58、統(tǒng)中可能存在的傳感器、執(zhí)行器和硬件接線等方面的問題，以及PLC的外部接線和梯形圖程序設(shè)計(jì)中的問題，應(yīng)對出現(xiàn)的問題及時(shí)加以解決。如果調(diào)試達(dá)不到指標(biāo)要求，則對相應(yīng)硬件和軟件部分適當(dāng)調(diào)整，通常只需要修改程序就可能達(dá)到調(diào)整的目的。全部調(diào)試通過后，經(jīng)過一段時(shí)間的考驗(yàn)，系統(tǒng)就可以投入實(shí)際的運(yùn)行了。 5.機(jī)械手控制系統(tǒng) 5.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡介 每設(shè)計(jì)都要分析被控對象并提出控制要求： 1.詳細(xì)分析被控對象的工藝過程及工作特點(diǎn)，了解被控對象機(jī)、電、液之間的配合，提出被控對象對PLC控制系統(tǒng)的控制要求，確定控制方案，擬定設(shè)計(jì)任務(wù)書。 確定輸入／輸出設(shè)備 2.根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的全部輸入設(shè)

59、備（如：按紐、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等）和輸出設(shè)備（如：接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等），從而確定與PLC有關(guān)的輸入/輸出設(shè)備，以確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)。 1.設(shè)備的控制要求 設(shè)備應(yīng)具有“正常運(yùn)轉(zhuǎn)”和“強(qiáng)制停止”?？刂葡到y(tǒng)設(shè)有手動、單周期、單步和連續(xù)4種工作方式，機(jī)械手在最上面和左邊且放松時(shí)，成為系統(tǒng)處于原點(diǎn)狀態(tài)或初始狀態(tài)。機(jī)械手自動控制順序功能圖見圖1，機(jī)械手的運(yùn)動過程主要有八個(gè)動作即為： 原點(diǎn)→下降→夾緊→上升→右移 ↑ ↓ 左移←上升←放松←下降 圖1 機(jī)械手的自動控制順序功能

60、 手動操作時(shí)由按鈕操作對機(jī)械手的每一種運(yùn)動單獨(dú)進(jìn)行控制，在單步操作方式下，從初始步開始，按下啟動按鈕X0后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到下一步，完成該步的任務(wù)后，自動停止工作并在該步，再按一下啟動按鈕，又往前走一步。如選擇單周期工作方式，按下啟動按鈕后，從初始步開始，機(jī)械手按順序功能圖（見圖2）的規(guī)定完成一個(gè)周期的工作后，返回并停留在初始步。 原點(diǎn)→下降→夾緊→上升→右移 ↓ 左移←上升←放松←下降 圖2 機(jī)械手的單周期控制順序功能 選擇連續(xù)工作方式時(shí)，在初始狀態(tài)按下啟動按鈕后機(jī)械手從初始步開始一個(gè)周期一個(gè)周期地反復(fù)連續(xù)工作，按下停止按鈕

61、，并不馬上停止工作，完成最后一個(gè)周期的工作后，系統(tǒng)才返回并停留在初始步。在選擇單周期、連續(xù)和單步工作方式之前，系統(tǒng)應(yīng)處于原點(diǎn)狀態(tài)。如不滿足這一條件，可選擇原點(diǎn)工作方式，然后按回原點(diǎn)啟動按鈕，使系統(tǒng)自動返回原點(diǎn)狀態(tài)。 在連續(xù)工作方式下設(shè)置兩種停車狀態(tài)： 正常停車：在正常工作狀態(tài)下的停車。按下停車按鈕，機(jī)械手完成最后一個(gè)周期的工作后，返回原點(diǎn)自動停車。 緊急停車：在發(fā)生故障或緊急狀態(tài)時(shí)的停車。按下緊急停車按鈕，機(jī)械手停止在當(dāng)前執(zhí)行狀態(tài)。當(dāng)故障排除后，需手動回原點(diǎn)。 2.裝置簡介 參照圖1機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖，機(jī)械手在連續(xù)工作方式下，機(jī)械手按下述順序周而復(fù)始地搬物：（如圖3） 1）原位狀

62、態(tài)下（機(jī)械手在左、上限位置），按啟動按鈕，機(jī)械手開始下降。 2）下降到下限位行程開關(guān)動作，下降結(jié)束，機(jī)械手開始夾緊。 3）機(jī)械手夾緊工件，直到計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)間到，上升運(yùn)動開始。 4）上升到上限行程開關(guān)受壓動作，上升運(yùn)動結(jié)束，機(jī)械手開始右移。 5）右移到右限行程開關(guān)受壓動作，右移運(yùn)動結(jié)束，等待工件檢測信號。 6）待無工件信號到來，機(jī)械手開始下降。 7）下降到下限行程開關(guān)受壓動作，下降運(yùn)動結(jié)束，機(jī)械手開始放松。 8）機(jī)械手放松工件，直到計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)間到，上升運(yùn)動開始。 9）上升到上限行程開關(guān)受壓動作，上升運(yùn)動結(jié)束，機(jī)械手開始左移。左移到左限行程開關(guān)受壓動作，左限運(yùn)動結(jié)束，機(jī)械手回到原

63、始狀態(tài)，一個(gè)工作循環(huán)完畢。 圖3 機(jī)械手工作循環(huán)過程圖 機(jī)械手的工作均由電機(jī)驅(qū)動，它的上升、下降、左移、右移都是有電機(jī)驅(qū)動螺紋絲桿旋轉(zhuǎn)來完成的。 5.2機(jī)械手PLC系統(tǒng)資源分配 PLC輸入端口對應(yīng)外部設(shè)備 輸入地址 外部設(shè)備 輸入地址 外部設(shè)備 X0 啟動按鈕SB1 X12 右限位行程開關(guān)SQ3 X1 停車按鈕SB2 X13 左限位行程開關(guān)SQ4 X2 緊急停車按鈕SB3 X14 工件檢測電路 X3 手動 單步 單周期 連續(xù) 多位置開關(guān)QS1 X20 手動下降按鈕SB4

64、 X4 X21 手動上升按鈕SB5 X5 X22 手動右移按鈕SB6 X6 X23 手動左移按鈕SB7 X10 下限位行程開關(guān)SQ1 X24 手動夾緊按鈕SB8 X11 上限位行程開關(guān)SQ2 X25 手動放松按鈕SB9 PLC輸入端口對應(yīng)外部設(shè)備 輸出地址 外部設(shè)備 功能 Y0 繼電器1線圈KM1 下降 Y1 繼電器2線圈KM2 上升 Y2 繼電器3線圈KM3 右移 Y3 繼電器4線圈KM4 左移 Y4 電磁閥1線圈YV1 夾緊 Y5 電磁閥2線圈YV2 放松 Y6 指示燈HL 原點(diǎn)指示 5.3 I/O和

65、所用內(nèi)部單元地址分配 I/O地址分配表： 輸入 功能 輸入 功能 輸出 功能 X0 啟動 X12 右限 Y0 下降 X1 停車 X13 左限 Y1 上升 X2 緊急停車 X14 工件檢測 Y2 右移 X3 手動 X15 下降 Y3 左移 X4 單步 X21 上升 Y4 夾緊 X5 單周期 X22 右移 Y5 放松 X6 連續(xù) X23 左移 Y6 原點(diǎn)指示 X10 下限 X24 夾緊 X11 上限 X25 放松 所用內(nèi)部單元地址分配表: 狀態(tài) 功能

66、 計(jì)時(shí)器 功能 輔助繼電器 功能 S0 初始化設(shè)置 T0 夾緊延時(shí) M0 連續(xù)狀態(tài) S20 下降 T1 放松狀態(tài) S21 夾緊 S22 上升 S23 右移 S24 下降 S25 放松 S26 上升 S27 左移 5.4機(jī)械手軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 機(jī)械手軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 總程序結(jié)構(gòu)框圖 總程序結(jié)構(gòu)框圖 機(jī)械手自動操作系統(tǒng)流程圖 機(jī)械手自動操作系統(tǒng)流程圖 5.5源程序 機(jī)械手手動程序 X3 P8 X20 X10 Y1 Y0 X21 X11 Y0 Y1 X11 X22 X12 Y3 Y2 X11 X23 X13 Y2 Y3 X24 Y4 Y5 Y4 X25 Y5 Y4 Y5 LDI CJ LD ANI ANI OUT LD ANI ANI OUT LD AND ANI ANI OU