C615车床上料机械手设计_毕业设计论文.doc

c615车床上料机械手设计辽 东 学 院 本 科 毕 业 论 文（设 计）c615车床上料机械手设计摘要机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。我国国家标准(gb/t 12643-90)对机械手的定义:“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置。机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高 热等恶劣环境中的工作;代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(fms )和计算机集成制造系统(cims )，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。 本论文的控制对象是车床上料机械手，机械手完成6个基本动作。机械手由液压缸驱动，液压缸受电磁阀控制。限位开关检测机械手是否到达固定位置。 可编程控制器(plc)控制机械手的动作，实现机械手换料自动运行。本论文可编程控制器(plc)选用西门子（siemens）公司s7-200系列的cpu224。机械手的开关量信号直接输入plc，plc通过中间继电器对电磁阀加以控制。 本论文的重点放在plc各硬件部分的设计和介绍、plc梯形图的编写上。在整体设计过程中按照“提出问题，分析问题，解决问题”的主导思想，对整个系统的设计工作做出了细致的阐述。关键词：plc;车床上料机械手abstractthe manipulator is one kind of high tech automation production equipment which the nearly several dozens years develop. its characteristic is may complete each kind of anticipated job task through the programming, in constructs and in the performance has at the same time the human and the machine respective merit, especially has manifested the human intelligence and the compatibility. in the manipulator works accuracy and each kind of environment completes the work ability, has the broad prospects for development in national economy various domains.our country national standards (gb/t 12643-90) to manipulator definition: “has with the person arm similar holding function, may grasp in the space puts the object, or carries on other operations the mechanism.the manipulator applies most early in the automobile factory industry, commonly used in welding, painting, on yummy treats and transporting. the manipulator extended to extend and to expand persons hand and foot and the cerebrum function, it might substitute the human to be engaged in the danger, harmful, virulent, the low temperature and the high fever and so on the adverse circumstance work; replaces the human to complete, the monotonous redundant work arduously, raises the labor productivity, the quality assurance. at present mainly applies in the manufacturing industry, specially industries and so on electric appliance manufacture, automobile manufacture, plastic processing, general machine manufacture and metal working. the manipulator and the numerical control machining center, the automatic machine tray and the automatic detection system may compose the flexible manufacture system (fms) and the computer integration manufacture system (cims), realizes the production automation. along with the production development, the function and the performance progressive improvement and the enhancement, manipulators application domain expands day by day.present papers controlled member is the lathe high-quality goods manipulator, the manipulator completes 9 elementary actions. the manipulator actuates by the air cylinder, air cylinder solenoid valve control. the limit switch examines the manipulator whether to arrive at the stationary position.programmable controller (plc) controls manipulators movement, realizes the manipulator to refuel the automatic movement. present paper programmable controller (plc) selects simens (siemens) company s7-200 series cpu224. manipulators switch quantity signal direct input plc, plc controls through the intermediate relay to the solenoid valve. present papers key point places the plc various hardware part the design and the introduction, in the plc trapezoidal chart compilation. defers to the overall design process “asks the question, the analysis question, solves the problem” the guiding ideology, has made the careful elaboration to overall systems project work.key word: plc； lathe high-quality goods manipulator目录摘 要2abstract3目录5一、 绪论8（一）本课题的目的和意义8（二）国内外研究现状、发展动态9二、c615车床上料机械手的总体方案10（一）设计任务10(二)机械结构设计10三、液压结构的设计12（一）液压缸的设计12（二） 缓冲设计132.单纯锥形缓冲143.反抛物线缓冲144.多孔设计，匀减效果好，但加工也昂贵，性能曲线同反抛物线缓冲曲线。15（三）密封结构设计16（五）活塞密封17四、 plc系统概述19（一） plc控制系统的特点191.可靠性高、抗干扰能力强192.采用面向过程语言，编程方便203.通用性好、安装调试工作量少204.功能完善20(二)plc控制系统硬件组成201.中央处理单元202.存储器213输入/输出单元214通信接口225.智能接口模块226.编程装置227.电源228.其他外部设备23（三） plc控制系统软件组成231.梯形图语言232.语句表语言243.功能表图语言244.高级语言24五、可编程控制器硬件系统配置25（一） s7-200系列plc基本模块介绍及选择251.基本单元252.扩展模块以及功能模块263.编程工具27（二） s7200plc系统内部资源271.存储区的寻址方式272.数据存储区及其功能283.数值表示方法31六 、 可编程控制器的工作原理321.读取输入阶段322.执行程序阶段323.通信处理334.cpu自诊断测试33七、plc在工业机械手控制中的应用341.工艺过程与控制要求342.输入输出端子地址分配363.整体程序结构364.实现单操作工作的程序375.自动操作程序386.结论40结束语41参考文献. 42一、 绪论（一）本课题的目的和意义机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。我国国家标准(gb/t 12643-90)对机械手的定义:“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置。机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高 热等恶劣环境中的工作;代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(fms )和计算机集成制造系统(cims )，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。 本论文的控制对象是车床上料机械手，机械手完成6个基本动作。机械手由液压缸驱动，液压缸受电磁阀控制。限位开关检测机械手是否到达固定位置。 可编程控制器(plc)控制机械手的动作，实现机械手换料自动运行。本论文可编程控制器(plc)选用西门子（siemens）公司s7-200系列的cpu224。机械手的开关量信号直接输入plc，plc通过中间继电器对电磁阀加以控制。 本论文的重点放在plc各硬件部分的设计和介绍、plc梯形图的编写上。在整体设计过程中按照“提出问题，分析问题，解决问题”的主导思想，对整个系 统的设计工作做出了细致的阐述。 （二）国内外研究现状、发展动态机械手是机电一体化的典型代表，机电一体化的发展大体可以分为3个阶段。20世纪60年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。在这一时期，人们利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为民用，对战后经济的恢复起了积极的作用。那时研制和开发从总体上看还处于自发状态。由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。 20世纪70年代80年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。 20世纪90年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中展露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法、机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，更为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。我国是从20世纪80年代初才开始在这方面研究和应用。国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为“863计划”中。在制定“九五”规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用也做了大量的工作，虽然取得了一定成果，但与日本等先进国家相比仍有相当差距。机电一体化将向着智能化趋势、模块化趋势、网络化趋势、微型化趋势、绿色化趋势及系统化发展。综上所述,机电一体化的出现不是孤立的,它是许多科学技术发展的结晶,是社会生产力发展到一定阶段的必然要求和产物。当然,与机电一体化相关的技术还有很多,并且随着科学技术的发展,各种技术相互融合的趋势将越来越明显,机电一体化技术的发展前景也越来越光明。二、c615车床上料机械手的总体方案（一）设计任务工业机械手的技术参数是说明机械手规格与性能的具体指标，一般有以下几个方面：握取重量。握取重量标明了机械手的负载能力。这项参数与机械手的运动速度有关，通常指正常运行速度所握取的工件重量。运动速度。运动速度是反映机械手性能的一项重要技术参数。它与机械手握取重量、定位、精度等参数都有密切关系，同时也直接影响机械手的运动周期。自由度。确定工业机械手的手部在运动空间的位置和姿态的、独立的变化参数就是工业机械手的自由度。自由度越多，其动作越灵活，适应性越强，但结构也相应越复杂。一般具有46个自由度即满足使用要求。定位精度。定位精度即重复定位精度，是衡量机械手工作质量的又一项重要指标。定位精度的高低取决于位置控制方式以及运动部位本身的制造精度和刚度，与握取重量、运动速度等也有密切关系。(二)机械结构设计使机构具有确定运动时所必须给定的独立运动数目。图为平面铰链四杆机构,当构件2按给定的角位移规律22(t)运动时,其余各构件的运动就随之确定，因而该机构的自由度数为1。构件2是机构中接受外界独立运动的构件，称为机构的主动件，其余构件称为从动件。欲使机构具有确定运动，应使机构的主动件数等于其自由度数。若机构的主动件数少于机构自由度数,如图的平面铰链五杆机构,只给定主动件 2一个独立运动参数，即构件的角位移规律22(t)时,则其余构件3、4、5的运动并不能确定。若机构的主动件数多于自由度数，则可能使其中驱动功率较小的主动件被迫变为从动件，或使机构卡住不动，甚至遭到破坏。但是，对于平面铰链五杆机构，再给定构件5的角位移规律55(t)时，即同时给定两个独立的运动参数，则此五杆机构的运动完全确定。 一般机构的自由度可凭经验根据几何位置关系直接决定，但常需要通过计算进行验证或作进一步分析。平面机构自由度数的计算公式为 f =3n-2p1-ph (1)式中n为一个平面机构中活动构件数(机架作为参考坐标系不计算在内)，每个活动构件有3个自由度，即图中沿x、y 轴的独立移动和绕z轴的独立转动z；p1为低副数,每个低副引进2个约束,即限制2个自由度,其中转动副(如图中a)限制x、y两个移动，移动副限制1个转动和另1个移动；ph为高副数，每个高副只引进1个约束，即限制1个自由度。 应用平面机构自由度的计算公式时需要注意复合铰链，局部自由度和虚约束等几种情况。当几个转动副的轴线重合时称为复合铰链，在计算转动副数时不能遗漏。凸轮机构中从动件如带有滚子，滚子的自转运动即为局部自由度，在计算机构的自由度时应将局部自由度除去不计。机构中引进局部自由度的主要目的是为了减小磨损。虚约束是不起约束作用的约束，当一根轴用两个轴承而形成两个轴线并行的转动副时，其中一个即为虚约束。机构中引进虚约束仅仅是为了提高零件的刚度或渡过机构的死点，但对制造和安装的要求有所提高；否则虚约束就成为实约束，从而使机构产生卡住现象。 计算空间机构的自由度时, 所用的公式类似式 (1)，但每个活动构件有 6个自由度；x、y、z、x、y和z。空间运动副可按其相对约束数分为5类，例如球面副有3个相对约束，即x、y、z，称为类运动副；转动副有5 个相对约束，即x、y、z、x、y，称为类运动副；其余类推。机构中每个构件受到的或每个运动副具有的相同的约束称为公共约束，如图所示的平面铰链四杆机构中,其所有构件只能在x、y 平面内运动，这就使这一平面机构的所有构件的运动受到相同的公共约束,即均不能沿z 轴移动和绕x 及y 轴转动,亦即该机构的所有构件共同受到3个公共约束。以表示机构的公共约束数，则机构中每个活动构件的自由度数和每个运动副的有效约束都要减少个。这样，空间机构自由度的计算公式为 (2)式中pk为有 k个约束的 k级运动副数。对于公共约束数m0的空间机构，其自由度公式为 f6n-5p5-4p4-3p3-2p2-p1(3)平面机构以受到z、x和y三个公共约束，m3，所以 f3n-2p5-p4 (4)式中p5和p4相应为式(1)中的p1和ph。 m的概念是在1936年由苏联学者提出来的；关于m的具体求法是1952年中国学者最先提出来的脱离机架法。这个公式仅适用于求单环机构的自由度。对于多环机构的自由度，中国学者在1979年提出一种比较简单的方法，即先将各环分别按单环计算，最后综合考虑。三、液压结构的设计（一）液压缸的设计液压缸是输出力和活塞有效面积及其两边的压差成正比的直线运动式执行元件。液压缸是将液压能转换为往复直线运动的机械能的能量转换装置。液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。缓冲装置与排气装置视具体应用场合而定，其他装置则必不可少。常用液压缸的分类及图形符号、典型液压缸的结构及其特点、活塞式液压缸、柱塞式液压缸、伸缩式液压缸、可旋转式液压缸、摆动式液压缸、组合式液压缸、电液步进式液压缸、液压油、液压缸用油的污染控制合成腔体的扩大，必然使因传压损失而形成的合成棒外壳与芯部的压力差加大，即压力场的压力梯度加大；同时，金刚石的生长过程也导致压力场的变化：众所周知，高温高压下以叶腊石为传压介质的石墨转化为金刚石过程中包含一系列的相变过程：叶腊石矿物相变产生蓝晶石和柯石英、石墨相变产生金刚石，由于这些相变的产物比重大，产生相变前后的体积收缩，造成合成腔内部压力下降；而且，由于叶腊石在相变后因摩擦系数和强度均增大而呈刚性，影响了传压和补压的效果，这些都造成腔体内更大的压力梯度，而优质金刚石单晶的生长需要相对稳定的压力条件，因此，如何更好的降低压力梯度，是大腔体工艺面临的挑战。 1.升压曲线可控，这样可以配合加热曲线有效控制压力梯度 2.保压阶段压力曲线递增，减小因合成相变造成的传压梯度增大 3.卸压速度可控，兼顾高低压时卸压速度的不同要求 比例阀的原理是通过按设定曲线控制电流或电压，从而按比例连续的控制比例电磁铁的推力和位移量，达到控制系统的压力和流量的目的。在系统中采用比例压力阀或比例泵，不仅能在保压阶段实现系统压力连续递增，并且也能实现在升压阶段的升压速度连续可控，即实现了压力的全程曲线控制。可以说，这是最可能接近理想的控制模式。随着液压技术的广泛应用，对液压元件的性能要求越来越高。对于执行元件液压缸，影响其使用寿命的主要因素为缓冲效果和密封效果，传统的设计存有诸多缺陷，不能满足连续性生产的要求。为此，从缓冲和密封结构两处着手改进，达到了满意的使用效果。（二） 缓冲设计液压缸在高速或重载的工况下，对缸头缸尾产生较大的冲击载荷。在缸中保持较高的平均速度的方法是在行程末端引入缓冲。这种内装的缓冲装置的目的是将加速度的突然变化所造成的减速力和尖峰液压压力减至最小。理想的缓冲装置在缸行程末端产生的较大惯性力必须被停下来而不危及缸和负载，在减速期间建立起恒定压力，能实现速度的均匀减速，直至为零。目前常见的缓冲设计有：1.带有固定间隙的圆柱柱塞和套，见图1。图1 有固定间隙的圆柱柱塞和套的缓冲设计其特点是产生很高的压力尖峰，然后随着行程的继续逐渐降低，同时油液经固定的环形缝隙节流。由于尖峰压力高，产生很高的冲击值，造成机器振动、噪声和磨损，缓冲效果差。其缓冲性能曲线见图2。 图2 缓冲冲能曲线2.单纯锥形缓冲，见图3。其特点是比圆柱缓冲造成的初始冲击低，但往往压力建立迟缓，造成缓冲不足。其性能曲线见图4。图3 单纯锥形缓冲示意图图4 缓冲性能曲线3.反抛物线缓冲，见图5。其特点是匀减效果最理想，可达恒减速，缓冲压力低且平坦，但加工起来极其昂贵，不能经济地用于广泛的产品范围。其性能曲线见图6。图5 反抛物线缓冲设计图6 缓冲性能曲线4.多孔设计，匀减效果好，但加工也昂贵，性能曲线同反抛物线缓冲曲线。而新型缓冲设计阶梯缓冲设计可针对具体的负载和速度条件的一个阶梯柱塞或阶梯套实现非常接近于理想性能曲线的减速曲线。理想的缓冲曲线是通过使用反抛物线缓冲而建立起来的，它在缓冲行程末端附近实现节流面积的迅速减小。用阶梯缓冲时，一系列阶梯被计算以逼近理论节流面积曲线。缓冲的形状使动能在整个缓冲行程上逐渐平稳地吸收，其设计特性见图7，性能曲线见图8。图7 阶梯缓冲示意图图8 缓冲性能曲线图9为同一工况下单纯锥形缓冲与阶梯缓冲的缓冲性能比较。可以看出，阶梯缓冲不仅降低内外冲击，还节省缓冲行程期间的时间，实现较快的工作循环，减少噪声和维修。图9 缓冲性能比较曲线a单纯锥形缓冲 b阶梯缓冲（三）密封结构设计密封件也是影响油缸使用寿命的主要因素。目前国内油缸密封结构有：(1)整体活塞式密封，如活塞环、o形圈、唇型密封、迷宫密封等；(2)组合密封。由于结构复杂，一般采用单密封。 y型密封是低摩擦型密封件，靠与活塞杆壁或缸筒壁的极细接触线以最小的摩擦实现密封。随着压力的提高，关键棱边即接触线随压力而移出。而多重“v”型密封中，通过紧固密封盖上的压力便止住泄漏，但同时增加了摩擦力，增加了磨损。下面介绍一种新型油缸密封。（四） 活塞杆密封如图10所示，密封件1在一个公共唇上有3个密封棱边，随着压力升高和线接触向前移动，一个新的剪切棱边形成，摩擦随压力的升高被保持成最小，且该单一密封件的密封质量在整个压力范围内恒定。密封件2实际上是一个刮圈，它去除粘附牢固的最后油层。该密封件在活塞杆外伸时是刚性的，在返回时是挠性的，在行程末端把油液突然挤回。该结构自动补偿压力、温度和磨损状态。图10 活塞杆密封结构图（五）活塞密封 结构见图11。图11活塞 密封结构 该结构具有以下优点：1.减少划伤、低摩擦（见图12）。非金属减磨环消除活塞与缸体间隙上金属对金属的接触，减磨环的高可嵌入性因数和擦拭作用的结合，防止污染进入活塞导向环与密封表面之间，因而大大减少划伤，有助于延长青铜填充特氟隆环的寿命。图12 几种活塞结构的摩擦力对比2.更高的侧向承载能力。非金属导向环能吸收冲击，并在侧载荷加大时退让，更能顺应活塞和缸体。该变形作用增加接触面积，防止接触应力增加，并使高负载活塞有更高的侧向承载力，减少或消除对止动管的需要。3.实现无泄漏。由于连续的青铜填充特氟隆环带有丁晴橡胶的均质内圈来施加密封预紧力，高负载活塞组件能实现无泄漏。丁晴橡胶提供足够的初始径向力以消除低压泄漏，在较高的压力下，密封下边受压，因而象铸铁活塞环一样是动能自密封的。改进结构后的油缸，缓冲效果和密封效果明显提高，自1998年上线运行至今，运行状况良好。使用寿命与传统设计相比，至少提高一倍。青铜填充特氟隆抵抗挤出进入活塞间隙的能力比丁晴橡胶好得多，随着压力的提高，延长使用寿命效果更明显。四、 plc系统概述（一） plc控制系统的特点可编程控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业控制装置。它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称plc。1.可靠性高、抗干扰能力强使用plc构成控制系统和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点数已减少倒数百甚至数千分之一，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警报信息。plc在内部扫描过程中，自动检测和校验系统硬件是否正常工作、锂电池电压是否过低、交流电源是否掉电、输入电路电压是否超限等。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除了plc以外电路及设备也获得故障自诊断保护。2.采用面向过程语言，编程方便plc作为通用工业控制计算机，使面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员所接受。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。3.通用性好、安装调试工作量少plc产品已系列化、模块化、plc配备品种齐全的模拟可供选用，用户不必自己设计和制作硬件，在硬件方面的设计工作只是确定plc的硬件配置和i/o的外部接线。4.功能完善plc不仅具有逻辑运算、计时、计数和顺序控制等功能，还有a/d转换、d/a转换、数值运算、处理和网络通信等功能。可实现单机自动化、生产线自动化、工厂车间综合自动化以及计算机集成制造系统。 另外，plc还有体积小、质量轻、功能低等特点。(二)plc控制系统硬件组成plc是微机技术和控制技术相结合的产物，是一种以微处理器为核心的 、用于控制的特殊计算机，因此plc的基本组成于一般的微机系统类似。plc的硬件主要由中央处理器（cpu）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口i电源等部分组成。其中，cpu是plc的核心，输入单元于输出单元是连接现场输入/输出设备于cpu之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。1.中央处理单元（central processing unit , cpu）同一般的微机一样，cpu是plc的核心。plc中所配置的cpu随机型不同而不同，常用的由三类：通用微处理器(如z80808680286等)、单片微处理器（如8031、8096等）和位片式微处理器（如amd29w等）。小型plc大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；大、中型大多采用16位通用微处理器或单片微处理器。 cpu的主要功能由以下几点：（1）接收从编程器输入的用户程序和数据；（2）诊断电源、plc内部电路的工作故障和编程中的语言错误等；（3）通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器中；（4）从存储器逐条读取用户程序，通过解释后执行；（5）根据执行的结果，更新有关标志的状态和输出映像寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。2.存储器（memory）存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。系统程序是由plc的制造厂佳编写的，并直接固化在只读存储器rom、prom或e-prom中，用户不能访问和修改。系统程序关系到plc的性能，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供plc运行的平台。用户程序是随plc的控制对象而定并由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于cmos静态ram中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。3输入/输出单元输入/输出单元通常也称i/o单元或i/o模块，是plc与工业生产现场之间的连接部件。plc通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为plc对被控对象进行控制的依据；同时plc又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。另外，i/o接口上通常还有状态指示，使plc工作状况直观，便于维护。 plc提供了多种操作电平和驱动能力的i/o接口。i/o接口的主要类型有：数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输出、模拟量输入等。常用的开关量输入接口按其使用的电源不同分为3种类型：直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口。 常用的开关量输出接口按输出开关器件不同分为3种类型：继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出。继电器输出接口可驱动交流或直流负载，但其响应时间长，动作频率低，只能用于驱动直流负载；而晶体管输出和双向晶闸管输出接口的响应速度快，动作频率高，用于驱动交流负载。plc的i/o接口所能接收的输入信号个数和输出信号个数称为plc输入/输出（i/o）点数。i/o点数是选择plc的重要依据之一。当系统的io点数不够时，可以通过plc的io扩展接口对系统进行扩展。4通信接口 plc配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。plc通过这些通信接口可与监视器、打印机、其他plc计算机等设备实现通信。plc与监视器连接，可将控制过程图像显示出来；与其他plc连接，可组成多机系统或联成网络，实现更大规模的控制。与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。5.智能接口模块智能接口模块是一个独立的计算机系统，有自己的cpu、系统程序、存储器以及plc系统总线相连的接口。它作为plc系统是一个模块，通过总线与plc相连，进行数据交换，并在plc的协调管理下独立工作。plc的智能接口模块种类很多，如高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。6.编程装置编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控plc内部状态和参数，与plc进行人机对话。它是开发、应用、维护plc不可缺少的工具。编程装置可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程器只能对指定厂家的生命周期也十分有限。因此，现在的趋势是使用以个人计算机为基础的编程装置，用户只要购买plc厂家提供的编程软件和应用的硬件接口装置即可。这样，用户只用较少的投资即可得到高性能的plc程序开发系统。基于个人计算机的程序开发系统功能强大，既可以编制、修改plc的梯形图程序，有可以监视系统运行、打印文件、系统仿真等，配上相应的软件还可实现数据采集和分析等许多功能。7.电源plc配有开关电源，以供内部电路使用。许多plc还向外提供直流24v稳压电源，用于对外部传感器供电。8.其他外部设备除了以上所述的部件和设备外，plc还有许多外部设备，如eprom写入器、外存储器、人一机接口装置等。人一机接口装置用来实现操作人员与plc控制系统的对话。最简单、最普遍的人一机接口装置由安装在控制台上的按钮、转换开关、拨码开关、指示灯、led显示器、声光报警器等器件构成。（三） plc控制系统软件组成系统程序由plc制造厂商设计编写，一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。系统程序存入plc的系统存储器中，用户不能直接读写与更改。用户程序是用户利用plc的编程语言，根据控制要求编制的程序。在plc的应用中，最重要的是用plc的编程语言来编写用户程序，以实现控制目的。plc编程语言是多种多样的，对于不同生产厂家、不同系列的plc产品采用的编成语言的表达方式也不相同，但基本上可归纳为两种类型；一是采用字符表达方式的编程语言，如语句表等；二是采用图形符号表达方式的编程语言，如梯形图等。以下简要介绍几种常见的plc编程语言。1.梯形图语言梯形图（ladder）编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。plc的梯形图与继电器控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用的符号和表达方式上有一定区别。梯形图的一个关键概念是“能流”（power flow），这仅是概念上的“能流”.在中，把左边的母线假想为电源“火线”,而把右边的母线(虚线所示)假想为电源“零线”。如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励；如果没有“能流”，则线圈未被激励。“能流”可以通过被激励(on)的常开触点和未被激励（off）的常闭触点自左向右流。“能流”在任何时候都不会通过触点自右向左流。当def触点中任何一个接通，线圈q就被激励。要强调的是，引入“能流”的概念仅仅是为了和继电器接触器控制系统相比较，为了对梯形图有一个深入的认识，其实“能流”在梯形图中是不存在的。现在大部分plc现在只保留左边的母线了。在梯形图中，触点代表逻辑“输入”条件，如开关、按钮和内部条件等；线圈通常代表逻辑“输出”结果，如灯、电机接触器、中间继电器等。梯形图语言简单明了，易于理解，是所有编程语言的首选。2.语句表语言这种编程语言是一种与汇编语言类似的助记符编程表达方式。在plc应用中，经常采用简易编程器，而这种编程器中没有crt屏幕显示，或没有较大的液晶屏幕显示。因此，就用一系列plc操作命令组成的语句表将梯形图描述出来，再通过简易编程器输入到plc中。虽然各个plc生产厂家的语句表形式不尽相同，但基本功能相差无几。简单的plc程序，是梯形图形式，是相应的语句表达方式，一般来说，语句表适合熟悉plc和有经验的程序员使用。3.功能表图语言功能表图语言（sfc）是一种较新的编程方法，又称状态转移图语言。它将一个完整的控制过程分为若干阶段，各阶段具有不同的动作，阶段间有一定的转换条件，转换条件满足就实现阶段转移，上一阶段动作结束，下一阶段动作开始。用功能表图的方式来表达一个控制过程，对于顺序控制系统特别适用。4.高级语言随着plc技术的发展，为了增强plc的运算、数据处理及通信等功能，以上编程语言已经无法很好地满足要求。近年来推出的plc，尤其是大型plc，都采用高级语言，如basic语言、c 语言、pascal语言等进行编程。采用高级语言后，用户可以像使用普通微型计算机一样操作plc，使plc的各种功能得到更好的发挥。五、可编程控制器硬件系统配置 西门子公司的simatic s7-200系列plc是一种叠装式结构的小型plc。它指令丰富、功能强大、可靠性高、适应性好、结构紧凑、便于扩展、性价比高，可以近乎完美地满足小规模控制的要求。本节主要以s7-200系列为例介绍plc的系统配置。（一） s7-200系列plc基本模块介绍及选择s7-200系列plc是德国西门子公司生产的一种小型plc，它的许多功能达到了大、中型plc的水平，但价格却和小型的plc一样，因此，一经推出，即受到了广泛的关注。它的主要特点有：价格低廉、结构小巧、可靠性高、运行速度快，继承和发挥了它在大、中型plc领域的技术优势。并且它还有强大的多种集成功能和丰富的指令集，所以在各行业中得到了迅速广泛的推广和应用。s7-200系列plc硬件系统的配置方式采用了整体式和积木式，即主机包含了一定数目的i/o点，同时还可以扩展i/o模块和各种功能模块。一个完整的plc系统主要由基本单元、个人计算机或step7-micro/w1n32编程工具以及通信设备等构成。1.基本单元基本单元又称cpu模块，也有称为主机或者本机，由中央处理单元（cpu）、电源以及数字量输入输出单元组成，这些都被紧凑地安装在一个独立的装置中。基本单元可以构成一个独立的控制系统。在cpu模块的顶部端子盖内有电源及输出端子；在底部端子盖内有输入端子及传感器电源；在中部右侧前盖内有cpu的工作模式开关（run/stop）、模拟量调节电位器和扩展i/o连接接口；在模块的左侧分别有状态led指示灯、存储卡及通信口。输入端子、输出端子是plc与外部输入信号、外部负载联系的窗口。状态指示灯指示cpu的工作模式、主机io的当前状态、系统错误状态。存储卡可以读取cpu程序。两个rs485的串口通信接口功能包括串行并行数据的转换、通信格式的识别、数据传输的出错检查、信号电平的转换等。通信接口是plc实现人机对话、机机对话的通道，通过它plc可以和编程器、显示器、打印机等外部设备连接，也可以和其他plc或上位计算机连接。输入输出扩展接口是plc主机为了扩展输入输出点数和类型的部件。输入输出扩展接口有并行接口、串行接口和双口存储器接口等多种形式。根据需要，plc主机可以通过输入输出扩展口系统，在plc主机的右侧插上一块或几块扩展模块，并用扩展电缆将它们连接起来。从cpu模块的功能来看,cpu系列小型的plc发展至今，主要经历了两代产品。第一代产品的cpu模块为cpu21*，主机都可以进行扩展，具有4种不同结构配置的cpu单元，即cpu212、cpu214、cpu215和cpu216，现已停止生产。第二代产品的cpu模块为cpu22*，是在21世纪初投放市场的，它的速度快，具有极强的通信能力。下面介绍5种不同结构配置的cpu单元：（1）cpu221：有6输入4输出，io共计10点，无扩展能力，程序和数据存储容量较小，有一定的高速计数处理能力，非常适合于少数的控制系统。（2）cpu222：有8输入6输出，io共计14点。与cpu221相比，它可以进行一定模拟量的控制和2个模块的扩展，因此，是应用更广泛的全功能控制器。（3）cpu224：有14输入10输出，io共计24点。与cpu222相比，存储容量扩大了一倍，并且有7个扩展模块，有内置时钟，有更强的模拟量和高速计数以及处理的能力，是应用最多的s7200产品。（4）cpu226：有24输入16输出，io共计40点。与cpu224相比，增加了通信口的数量、通信能力大大增强，因此，它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。（5）cpu226xm：这是西门子公司后来推出的一种增强型主机，它在用户程序存储器和输出存储容量上进行了扩展，其他指标和cpu226相同。2.扩展模块以及功能模块当cpu的io点数不够用或需要进行特殊功能控制时，就要进行io扩展。io扩展包括io点数的扩充和功能模块的扩展。（1）功能模块扩展：当需要完成某些特殊功能控制时，cpu主机可以扩展特殊功能模块。一般的特殊功能模块有sm253位置控制模块、em241调制解调器模块等。（2）io点数扩展：s7200plc的cpu所提供的本机io点和io地址是固定的，进行扩展时，可以在cpu右边连接多个扩展模块，扩展模块本身没有cpu，只能与基本单元相连接使用，用于扩展io点数。3.编程工具对于s7200系列plc，生产厂家提供了相应的编程软件step7microwin32。该编程软件可安装在个人计算机上，提供s7200系列plc的编程环境。在离线条件下，可以实现程序的输入、编辑、编译等功能；在联机工作方式（plc与编程pc相连），可实现程序的下载和上载、系统在线监控及故障检测的功能。（二） s7200plc系统内部资源在s7200系列plc的存储器中，除了可以存储用户程序和系统组态信息外，还有可供用户存储数据的存储空间。存储空间按功能分成若干个区域，每一区域都具有特定的功能，为用户编写程序提供各种灵活、快捷、方便的编程元件。它们包括输入映像寄存器（i）区、输出映像寄存器（q）区、标志位存储器（m）区、特殊标志位存储器（sm）区、定时器存储器（t）区、计数器存储器（c）区、变量存储器（v）区、顺序控制标志位（s）区、累加器（ac）、高速计数器（hc）区、模拟量输入输出寄存器（aiaq）等。这些存储器或寄存器构成了s7200plc内部硬件资源。每个区域的存储单元按字节编址，每个字节由8位组成。1.存储区的寻址方式对数据存储区进行读写访问的方