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基于 plc 焊接 机器人 控制系统 设计 全套 cad 图纸

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扬州大学本科生毕业设计（论文）中期自查表（中期教学检查用）学生姓名陈蒙军学号100010302专业电气工程及其自动化班级电气81003指导教师束长宝职 称高级实验师设计（论文）题目基于PLC的焊接机器人控制系统设计个人精力实际投入每天平均工作时间6迄今缺席天数0出勤率%全勤指导教师每周指导次数3每周指导时间（小时）5未指导的周次及原因无毕业设计（论文）工作进度（完成）内容及比重已完成主要内容（%）待完成主要内容（%）1. 设计整体框架2. 熟悉相关控制要求3. 了解PLC（欧姆龙）等知识1. 程序设计与编写2. 系统调试3. 撰写毕业设计存在问题及解决方案PLC编程软件使用不熟练 指导教师意见：同意自查结论指导教师签名：束长宝 2014年4月28日附件五： 扬州大学本科生毕业论文任务书论文题目基于PLC的焊接机器人控制系统设计年级电气81003专业电气工程及其自动化学生姓名陈蒙军学号100010302主要内容： 基于PLC和触摸屏实现焊接机器人自动焊接的设计与监控1. 根据控制要求，用欧姆龙PLC编程软件画出梯形图。2. 使用触摸屏实现焊接的实时监控，构造良好的人机交互画面。3. 通过触摸屏实现机器人焊接的自动控制。主要任务及基本要求（包括指定的参考资料）：本课题的主要任务为：1. 控制系统硬件接线和软件编程的设计2. 使用触摸屏创建实时监控环境3. 系统调试4. 撰写开题报告5. 撰写毕业设计论文本课题有以下要求：1. 学生应熟练掌握电气控制与可编程序控制器应用技术、触摸屏应用等课程。2. 学生应完成本课题要求的硬件部分，即课题内容能够真实的实现。3. 学生应完成相关内容的设计报告（纸版和电子版）。发出任务书日期：完成期限：指导教师签名：专业主任签名：年月日购买后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396扬州大学广陵学院本科生毕业设计 毕业设计题目 基于PLC的焊接机器人控制系统设计 学 生 姓 名 专 业 班 级 指 导 教 师 完 成 日 期购买后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q 19721639663摘 要 焊接机器人作为工业机器人应用的一个重要领域，对提高企业的工作效率、提升产品质量、降低企业的生产成本等方面都有着非常重要的意义。根据焊接机器人的控制需要，设计了基于PLC的焊接机器人控制系统。焊接机器人控制系统是焊接机器人的核心部分，它是机器人控制柜和主控制柜以及夹具操作台之间通讯的桥梁，它可控制伺服的启动、暂停、旋转速度等，从而控制夹具翻转；可控制机器人和夹具之间的联动，使焊接动作能够自动的运行，并且能实现任意的暂停再启动和紧急停止再启动。系统经过调试，联系焊接样件可知，本课题所设计的控制系统能良好的运行，适应各种环境干扰，能够较为准确的沿着示教的轨迹进行焊接，而且焊接质量达到了产品的质量要求。关键字：焊接机器人、控制系统、PLC、伺服控制AbstractWelding robot as an important field of industrial robot applications, to improve the efficiency of enterprises, improve product quality, reduce the production cost of enterprises have a very important significance. According to the control of welding robot, designed a welding robot control system based on PLC. Welding robot control system is the core part of the welding robot, it is a bridge of communication between the robot control cabinet and main control cabinet and the jig operation platform, it can control servo motor start, pause, such as rotation speed, so as to control the fixture turnover; can control the robot and the linkage between the clamp, welding operation can be run automatically, and can realize any pause and restart and emergency stop and restart. The system after the debugging, the contact welding sample, control system designed by this paper can run in good, adapt to various environment interference, can accurately along the teaching track welding, and welding quality meets the quality requirement of products.Key words:Welding robot、control system、 PLC、servo control目录第一章 绪论11.1 引言11.2 焊接机器人的国内外研究现状11.3选题背景和意义21.4课题的主要研究内容3第二章 焊接机器人42.1 焊接机器人的组成42.2 焊接机器人的分类42.3 焊接机器人的常用控制方式72.4 焊接机器人的应用82.5 焊接机器人的发展趋势9第三章 控制系统103.1 伺服控制系统103.1.1 伺服控制系统的概述103.1.2 伺服控制系统的机构组成103.1.3 伺服控制系统的技术要求113.2 PLC控制系统113.2.1 PLC控制系统的概述及其特点113.2.2 PLC的基本结构及其分类133.2.3 PLC的型号选择203.2.4 PLC的性能指标与发展趋势243.2.5国内外PLC产品简介26第四章 硬件电路的设计284.1 PLC的选取284.2元器件的选择334.2.1断路器的选择334.2.2继电器的选择344.2.3 交流接触器的选取354.3 PLC的主控柜接线图37第五章 软件设计385.1 I/O的分配385.2 触摸屏的设计405.2.1 HMI的概述405.2.2 触摸屏画面的设计425.3 伺服控制475.4梯形图495.4.1程序梯形图 见附录53第六章 系统安装与调试546.1引言546.2 焊接机器人的系统安装于调试546.2.1 焊接机器人的系统安装546.2.2 焊接机器人的调试546.3 机器人焊接实验556.3.1 焊接机器人的焊接实验556.3.2 焊接机器人实验及其结果分析586.4 小结59第七章 总结60参考文献61致 谢62第一章 绪论1.1 引言焊接时一种将材料永久连接起来，成为具有给定功能的结构的制造技术。焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、辐射大、烟尘多、危险性高的一份工作。随着科学技术的不断发展，工业生产的技术含量、科技含量越来越高，规模也越来越大，由于这个原因产生的企业批量化生产促使工人分工越来越细，每个工人只要重复几个动作，而这种动作往往是机械的、可重复的完全可以通过一定的机械结构来完成的。还有因为手工操作受工人技术水平、责任心、以及其他很多因素的影响，很难做到前后一致，规范性差，废品率比较高。而且，很多的工艺要求是手工操作无法完成的。因此，手工操作已经无法满足工业生产的需要。焊接机器人就是在这种情况下出现的，它既能够完成手工无法完成的操作，也能保证前后的焊接质量的稳定；它能够在恶劣的环境的工作，生产效率高。它不会受外界因素的干扰而影响焊接质量，所以焊接机器人的出现是必然的。焊接机器人是从事焊接的工业机器人，是机电一体化的高科技成果，它具有稳定和提高焊接质量、提高劳动生产率、改善工人工作环境、降低工人劳动强度和对工人操作技术的要求、缩短产品准备周期等特点；它的发展对制造技术的提高起到了很大的推动作用。1.2 焊接机器人的国内外研究现状从20世纪70年代初焊接机器人出现到现在，机器人使用最多的是在焊接领域，主要部门除汽车行业外，在工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等许多行业中都有应用。1976年，一个通用的双向力反馈主从机器人被用于进行TIG焊接，结果表明可以用一个安装在焊枪上的导引头进行焊缝的接触跟踪。1984年，MIT的Agapakis开始进行焊接遥操作的研究，并完成了“视觉辅助的遥控机器人焊接”的博士论文。他认为开发视觉传感和计算机辅助编程的工程是至关重要的，可以辅助操作者的遥操作和帮助实现自主过程，而不应当是简单地模仿人的焊接操作行为，基于知识的专家系统可以用来焊接和检测焊缝的缺陷。英国通用机器人公司的Broome等人从1993年开始研究水下遥控机器人用于焊缝检测，1999年研制成功了ARM水下机器人系统。该机器人系统用于清理和监视水下结构的复杂焊缝，发现问题还可以进行焊接修复操作。它将具有六自由度的机械手和可遥控调整姿态的摄像机装在ROV上，摄像机可以变焦，监视整个工作空问。该机器人遥控焊接系统设计了直接手动控制、增强手动控制、半自主控制及全自主控制四种工作模式，成功地进行了水下焊缝检测、焊接及打磨工作。韩国Pukyong国立大学的KamBO等研制了一种体积小巧，重量轻的用于这种复杂焊接环境的轮式智能移动焊接机器人。它能够在人比较难以达到的狭窄空间自主地实现焊接过程，能够自动寻找焊缝的起始点。日本庆应大学学者Suga等为平面薄板焊接研制的自主性移动焊接机器人。它采用三轮移动机构，两个驱动轮在小车本体的侧面，车体前面是一个自位轮，起稳定作用，机器人能够直线fi进，还可以利用两个轮的差速控制小车的转弯，它装焊枪的臂可以伸缩，在臂的末端装有一个CCD摄像视觉传感器，通过这个CCD可以检测焊缝的位置并精确的识别焊缝的形状，不管是直线焊缝、曲线焊缝、还是折线焊缝，都能通过控制器对传感的信号进行处理，以实现对焊缝的精确跟踪。国内，焊接机器人从20世纪80年代“七五科技攻关开始起步，焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早用户。早在70年代末，上海电焊机厂与上海电动工具研究所，合作研制的直角坐标机械手，成功地应用于上海牌轿车底盘的焊接。“一汽”是我国最早引进焊接机器人的企业，1984起先后从KUKA公司引进了3台点焊机器人，用于当时“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。焊接自动化是现代焊接工程中极为重要的研究和应用领域，它遍及着社会生活和生产的各个角落。1.3选题背景和意义在科技日益发达的今天，机器人已经逐渐进入人类的生产生活中，以前只能在电影里面看到的机器人，那些可以举起万斤重物 机器人，可以飞檐走壁的机器人，在我们的这个时代已经不是梦想，在深海里有机器人代替人类考察，在工厂里有机器人代替我们做更细致更繁重的工作和在严酷条件下（高温，腐蚀和有害气体）的工作，甚至在月球上考察也用到了机器人。在工业生产中机器人更有我们人类难以取代的位置。它可以在严酷的环境下代替我们工作，它不会觉得累，也不会发牢骚。在焊接方面机器人做的更出色。对于线条，点面的焊接精确度是相当的高，焊接机器人的品质直接就决定了生产制造出的产品的质量，当然我们的地位也无法撼动，没有我们工程师的示教，参数的设定，焊接轨迹的调整，就不会有品质优良的产品，所以制造一个精度高，机构精巧的焊接机器人是必不可少的。机器人在现代化生产生活中具有广泛的应用，尤其是工业机器人。它是一种多用途的机器人。在恶劣的环境中机器人可以取代我们完成大部分的工作，所以它在高低温、缺氧等环境中应用较多。焊接机器人的应用在半自动化生产中比较广泛，如汽车零部件的焊接加工、汽车外壳、底盘的生产、重要且要求精度很高的人类无法完成的需要焊接的零部件的加工等。作为机器人的核心部分：控制系统；它是影响机器人性能的关键部分之一，它在一定程度上影响着机器人的发展，对于不同结构的机器人，控制系统的设计方案也不一样。我主要研究焊接机器人控制系统的设计，采用欧姆龙CJ-PLC，实现了工件的焊接质量稳定性和可靠性。1.4课题的主要研究内容本文对焊接机器人及其控制系统、PLC的硬件电路和软件程序的设计、PLC与触摸屏的通讯、根据实际控制要求来设计触摸屏的画面和系统的安装与调试进行研究。第二章 焊接机器人2.1 焊接机器人的组成焊接机器人的组成部分主要包括机器人和焊接设备俩部分。机器人由机器人本体和控制柜组成。而焊接设备，以弧焊为例，它由焊接电源、控制柜、示教编程器、送丝机及焊枪等部分组成。如图2.1所示；图2.1 焊接机器人的组成2.2 焊接机器人的分类焊接机器人按焊接方式的不同大致可分为点焊机器人、弧焊机器人和激光焊机器人：点焊机器人：它是由机器人本体、计算机控制系统、示教盒和点焊焊接系统几个部分组成，由于为了适应灵活动作的工作要求，通常点焊机器人选用关节式工业机器人的基本设计，一般具有六个自由度：腰转、大臂转、小臂转、腕转、腕摆及腕捻。它的驱动方式有液压驱动和电气驱动俩种。其中电气驱动具有保养维修简便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等优点，因此应用较为广泛。点焊机器人按照视角程序规定的动作、顺序和参数进行点焊作业，其过程是完全自动化的，并且具有与外点焊机器人专用的点焊钳部设备通信的接口，可以通过这一接口接受上一级主控与管理计算机的控制命令进行工作。如图2.2.1所示图2.2.1 点焊机器人弧焊机器人：弧焊机器人的组成和原理与点焊机器人基本相同，一般的弧焊机器人是由示教编程器、控制柜、机器人本体、自动送丝装置、焊接电源等几部分组成。可以在计算机的控制下实现连续轨迹控制和点位控制。还可以利用直线插补和圆弧插补功能焊接由直线及圆弧所组成的空间焊缝。弧焊机器人主要有熔化极焊接作业和非熔化极焊接作业、保证焊接作业的高生产率、高质量和高稳定性等特点。随着科学技术的发展，弧焊机器人正向着智能化的方向发展。如图2.2.2所示图2.2.2 弧焊机器人激光焊机器人：焊接设备主要由激光器（固体、气体、半导体）、导光系统、控制系统、工件装夹及运动系统等主要部件和光学元件的冷却系统、光学系统的保护装置、过程与质量的监控系统、工件上下料装置及安全装置等外围设备组成；与传统焊接方法相比，激光焊接具有很多独特的优势，焊接速度快，达20m/min；焊接变形很小，装焊精度高；焊点冶金质量高，提高了车身的抗疲劳性、抗冲击性、抗腐蚀性能，车身刚度提高了30%;提高了车身的密封性，降低噪声30%;单面焊接，焊点尺寸小，预留的焊接边缘小。如图2.2.3所示图2.2.3 激光焊机器人按动力源驱动方式不同分：气压驱动、液压驱动和电气驱动；气压驱动 使用压力在0410MPa。气压驱动的主要优点是气源方便，驱动系统采用具有缓冲作用的汽缸，气压驱动结构简单，成本低，易于保养；主要缺点是装置体积大，定位精度不高。气压驱动机器人适用于易燃、易爆和灰尘大的场合，一般用于专用机器人如搬运、防爆机器人。液压驱动液压驱动系统的功率质量比大，驱动平稳，且系统的固有效率高、快速性好，同时液压驱动调速比较简单，能通过流量阀在很大范围内实现无级调速；其主要缺点是需要油泵液压站，容易漏油，这不仅影响工作稳定性与定位精度，而且污染环境，液压系统需配备压力源及复杂的管路系统，因而故障多，维修复杂，成本也较高。液压驱动多用于要求输出力较大、运动速度要求不太高的场合，一般用于专用机器人。电气驱动电气驱动是利用各种电动机产生的力或转距，直接或经过减速机构去驱动负载，以获得要求的机器人运动。驱动电机又可分为步进电机驱动、直流电机驱动、无刷直流电机驱动和交流伺服电机驱动等多种方式。交流伺服电机驱动有着最大的转矩质量比，由于没有电刷，其可靠性很高，寿命长，维护更换容易。电气驱动由于具有易于控制，运动精度高，使用方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境的诸多优点，是最普遍、应用最多的驱动方式。目前生产的机器人大多采用交流伺服电机驱动。2.3 焊接机器人的常用控制方式焊接机器人控制系统从基本工作原理和系统结构可以分成非伺服控制系统和伺服控制系统：1）非伺服控制系统图2.3.1所示为未采用反馈信号的开环非伺服控制系统框图。系统的控制程序时在进行作业之前预先编定的，作业时程序控制器根据存储数据控制驱动单元带动操作机运动，在控制过程中没有反馈信号。图2.3.2所示为采用开关反馈的非伺服控制框图，该系统中利用机械挡块、行程开关等预定位置发出反馈信号，用以启动或停止某一运动。这种非伺服型控制系统适合于作业相对固定、作业程序简单、运动精度不高的场合。图2.3.1开环非伺服型图2.3.2带开关反馈的非伺服型2）伺服控制系统图2.3.3为以典型工业机器人伺服控制系统框图。其特点是系统中采用检测传感器连续测量关节位置、速度等关节参数，并反馈到驱动单元构成闭环伺服系统。在伺服系统控制下，各关节的运动速度、停留位置由有关的程序控制，而程序的编制、修改简便灵活。所以能方便的完成各种复杂的操作。其系统结构虽比非伺服控制复杂，但还是得到了广泛应用。目前绝大多数、高性能的多功能工业机器人都采用伺服控制系统。图2.3.3闭环伺服型控制系统2.4 焊接机器人的应用随着工业的不断发展，焊接技术作为机械制造业中仅次于切削加工和装配加工的第三大加工作业技术，是现代工业中的制造方法之一。据统计，一个国家钢材消耗量的百分之50左右，要通过焊接的方式才能制造成产品，因此焊接机器人被称作工业“裁缝”。焊接机器人的普及程度已经成为一个国家焊接自动化水平的重要标志。目前焊接机器人已经被广泛的应用在汽车、船舶、铁路、建筑机械、兵器等行业中，对提高质量、降低成本起到了非常巨大的作用。根据联合国欧洲经济委员会（UNCEC）和国际机器人联合会（IFR）统计，从20世纪60年代起，世界机器人产业一直保持着稳定增长的良好势头，进入90年代，年销售量增长率平均在10%左右；2001年全世界有80万台工业机器人被用于工业制造领域，40万台在日本、20万台在欧盟、10万台在北美、剩余的10万台在其余的国家。2004年底全世界在在服役的工业机器人有110万台左右。国外军工企业尤其是坦克装甲车焊接自动化程度较高，弧焊机器人应用也比较广泛，德国、美国、英国以及意大利等国的坦克装甲车车体和炮塔都已采用弧焊机器人进行气保护焊接。美国某坦克厂采用四个机器人焊接工作站，用于焊接坦克车体和炮塔自动化焊接工作。装甲车的机器人焊接工业也采用了高效、高速焊接工业技术，焊接速度与手工焊接相比提高了十余倍。2.5 焊接机器人的发展趋势工业机器人技术的发展与应用水乳交融。在第一代工业机器人普及的基础上，第二代已经得到推广，成为了主流安装机型，第三代智能机器人已经占了一定的比重。以应用为龙头拉动工业机器人技术的发展，其重点发展领域与技术特点体现在下述方面：机型结构以关节型为主流，80年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占全部的三分之一，90年代初开发的适用于窄小空间、快节奏、360度全工作空间范围的垂直关节型机器人大量用于焊接和上下料。赢3K（炼钢、炼铁、锻造）行业和桥梁、汽车、建筑等行业的需求，超大型机器人应运而生。控制技术大多数采用32位CPU，控制轴最多可达27轴，NC技术和离线编程技术大量采用。协调控制技术日却成熟，实现了多手和变位机、多机器人的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制。基于PC的开放式结构控制系统由于成本低并具有标准现场网络功能，已成为一股潮流。驱动技术 上世纪80年代发展起来的AC伺服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中。日本23家机器人公司于1998年生产的167种型号的机器人产品中，有93.4%及156种采用AC伺服驱动。DC驱动技术则广泛用于装配机器人。智能化的传感器日本于1998年生产的167种机型中，装有视觉传感器的有94种，占了56.3%，其中还有的机器人装了俩种传感器，有的机器人更是留下了多种传感器外接接口，以待不时之需。高速、高精度、多能化目前所知的最快的装配机器人最大合成速度是17m/s；高精度机器人的位置重复性为正负0.01mm。有一种大型的直角坐标搬运机器人，其最大合成速度达80m/s；而另一种并联机构的NC机器人，其位置重复性达1um。90年代末的机器人大多都具有三种功能。第三章 控制系统 控制系统是机器人的核心部分，一部机器人控制系统的好坏决定着产品的好坏。本项目是采用基于PLC的伺服控制系统来设计的。3.1 伺服控制系统3.1.1 伺服控制系统的概述伺服控制系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量(系统的输出量)是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移(或转角)准确地跟踪输入的位移(或转角)。伺服控制系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的：1以小功率指令信号去控制大功率负载。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。2在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。3使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。伺服控制系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统。3.1.2 伺服控制系统的机构组成机电一体化的伺服控制系统的结构，类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器，被控对象，执行环节，检测环节，比较环节等五部分比较环节比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现控制器 控制器通常是计算机或PID控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作执行环节 执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压，气动伺服机构等被控对象 机械参数量包括位移，速度，加速度，力，和力矩为被控对象。检测环节检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路3.1.3 伺服控制系统的技术要求系统精度 伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度，以误差的形式表现，可概括为动态误差，稳态误差和静态误差三个方面组成稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力响应特性 响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度，运动系统的阻尼和质量等工作频率 工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作；而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。3.2 PLC控制系统PLC（可编程序控制器）是一种由微处理器控制的电子系统，专为工业环境下的应用而设计的。它采用可编程序存储器，用来存储并执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，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或生产过程。PLC及其 外围设备，都是按照易于与控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计的。3.2.1 PLC控制系统的概述及其特点 PLC是以微处理器为核心的、高度集成化的通用工业自动控制装置。它融合了计算机、自动控制以及通信等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、功耗低以及编程简单等优点，已经被广泛应用于工业生产的各个控制领域，成了工业生产自动化的支柱技术之一。可以说，PLC的应用深度和广度是衡量一个国家工业先进水平的重要标志。 PLC技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，主要是因为它具有许多独特的优点。它较好的解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。主要有以下特点。 1）可靠性高、抗干扰能力强 可靠性高、抗干扰能力强是PLC最主要的特点之一。PLC的平均无故障时间可达几十万个小时，之所以有这么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施：硬件方面 I/O通道采用光电隔离，有效地抑制了外部的干扰源对PLC的影响；对供电电源及线路采用了多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对CPU等主要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。软件方面 PLC采用扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰引起的故障；在PLC系统程序中设有故障检测和自诊断程序定期的检测外界环境；死循环报警等技术，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；当由外界环境引起故障时，能立即利用后备电源供电，将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。2）编程简单、使用方便 用计算机实现控制，使用的是汇编语言，难于掌握，要求使用者具有一定的硬件和软件知识。而PLC大多数采用的编程语言是梯形图语言，它是一种面向生产控制、面向用户问题的“自然”编程语言。梯形图与电器控制线路图非常相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易让广大工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。同时，PLC编程器的操作和使用也很简单。这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。 许多PLC还针对具体问题，设计了各种专用编程指令及编程方法，进一步简化编程。3）功能完善、通用性强 现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、技术、顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信网络等许多功能。同时，由于PLC产品的系列化、模块化，有品种齐全的各种硬件装置供用户选择，可以组成满足各种需求的控制系统。 4）设计安装简单、维护方便 由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。在维修方面，由于PLC的故障率极低，维修工作量很小，而且PLC具有很强的自诊断功能，如果出现故障可根据PLC上指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。 5）体积小、重量轻、能耗低 由于PLC采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，因而是实现机电一体化的理想控制设备。3.2.2 PLC的基本结构及其分类（1）PLC的基本结构PLC种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。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，应用于工业现场。PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。PLC的结构框图如图3.2.2所示。图3.2.2 PLC的结构框图1）中央处理器中央处理单元(CPU)一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接。与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作。用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。 CPU的主要任务有：控制用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据。并存人输入映像寄存器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通讯等功能。 不同型号的PLC其CPU芯片是不同的，有采用通用CPU芯片的，有采用厂家自行设计的专用CPU芯片的。CPU芯片的性能关系到PLC处理控制信号的能力与速度，CPU位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也越快。PLC的功能是随着CPU芯片技术的发展而提高和增强的。2）存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。 系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，系统程序固化在ROM内，用户不能直接更改，它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三部分。第一部分为系统管理程序，它主要控制PLC的运行，使整个PLC按部就班地工作。第二部分为用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将PLC的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行这些指令。第三部分为标准程序模块与系统调用，它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序。PLC的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少也决定了PLC性能的高低。 用户存储器包括用户程序存储器(程序区)和功能存储器(数据区)两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序，以及用户的系统配置。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是RAM(有掉电保护)、EPROM或EEPROM存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。用户功能存储器是用来存放(记忆)用户程序中使用器件的ON/OFF状态数值数据等。用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。3）输入单元可编程序控制器的输入信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入单元从广义上分包含两部分：一是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输入映像寄存器。 输入单元接收来自用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果存放到输出映像寄存器。 为防止各种干扰信号和高电压信号进入PLC，影响其可靠性或造成设备损坏，现场输入接口电路一般由光电耦合电路进行隔离。光电耦合电路的关键器件是光耦合器，一般由发光二极管和光电三极管组成。 通常PLC的输入类型可以是直流（DC24V）、交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给。有的也可由PLC内部提供。 对于直流输入，根据现场输入接口电路形式的不同，分为源型输入和漏型输入两种形式。极大部分的欧美品牌的PLC采用漏型输入，而极大部分的亚洲品牌的PLC采用源型输入。 PLC通过输入/输出端子与控制对象取得联系的，PLC的输入/输出端子的组织形式通常有三种，即汇点式、分组式和分隔式。极大部分的PLC的输入端子采用汇点式，也有的PLC为了增加使用的灵活性采用分组式。图3.2.2.1和图3.2.2.2所示分别为采用汇点式的源型和漏型直流输入电路图。图3.2.2.1 PLC源型输入电路图图3.2.2.2 PLC漏型输入电路图4）输出单元可编程序控制器的输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输出单元从广义上分包含两部分：一是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输出的映像寄存器。 PLC运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点相对应的触发器组成，输出接口电路将其由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、指示灯等被控设备的执行元件。 输出接口电路通常有三种类型：继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出则。每种输出电路都采用电气隔离技术，电源由外部提供，输出电流一般为1.52A，输出电流的额定值与负载的性质有关。 为使PLC避免受瞬间大电流的作用而损坏，输出端外部接线必须采用保护措施：一是输出公共端接熔断器；二是采用保护电路，对交流感件负载，一般用阻容吸收回路；对直流感性负载用续流二极管。 极大部分的PLC的输出端子采用分组式和分隔式。对于晶体管输出型还有源型输出和漏型输出两种形式。极大部分的欧美品牌的PLC采用源型输出，而极大部分的亚洲品牌的PLC采用漏型输出。图3.2.2.3所示为采用分组式的PLC继电器输出电路图，图3.2.2.4和图3.2.2.5所示分别为采用分组式的PLC源型和漏型晶体管直流输出电路图。图3.2.2.3 PLC继电器输出电路图图3.2.2.4 漏型晶体管直流输出电路图图3.2.2.5源型晶体管直流输出电路图5）通讯接口现代PLC一个显著的特点就是具有通讯功能，目前主流的PLC一般都具有RS485（或RS232）通讯接口，以便连接编程设备、监视器、打印机等外围设备，或连接诸如变频器、温控仪等简单控制设备进行简单的主从式通讯，实现“人一机”或“机机之间的对话。一些先进的PLC上还具有工业网络通讯接口，可以与其他的PLC或计算机相连，组成分布式工业控制系统，实现更大规模的控制，另外还可以与数据库软件相结合，实现控制与管理相结合的综合控制。6）编程设备编程器的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符(指令表)后，才能输入。它般由简易键盘和发光二极管或其他显示器件组成。智能型的编程器又称图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。 还可以利用微机(如IBMPC)作为编程器，PLC生产厂家配有相应的软件包，使用微机编程是PLC发展的趋势。现在已有些PLC不再提供编程器，而只提供微机编程软件了，并且配有相应的通讯连接电缆。（2）PLC的分类PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。1）按结构形式分类根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内， 具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。 模块式PLC 模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。 2）按功能分类根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。中档PLC 除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。高档PLC 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。3）按I/O点数分类根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。小型PLCI/O点数 2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量816K 如：S7-400 德国西门子公司Q系列 日本三菱电气公司3.2.3 PLC的型号选择（1）PLC的选型方法在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配臵及功能应与装臵规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。1）输入输出（I/O）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。2）存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。3）控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。运算功能 简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。控制功能 控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。通信功能 大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。 PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配臵，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装臵实际要求。 PLC系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式：1）PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络；2）1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络；3）PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；4）专用PLC网络（各厂商的专用PLC通信网络）。 为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。编程功能 离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。诊断功能PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位臵，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。 PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。处理速度PLC采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。 处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.20.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。（2）机型的选择1)PLC的类型PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配臵控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。2)输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。3)电源的选择 PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。4)存储器的选择由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。5)冗余功能的选择1控制单元的冗余(1)重要的过程单元：CPU（包括存储器）及电源均应1B1冗余。(2)在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2重化或3重化冗余容错系统等。2I/O接口单元的冗余(1)控制回路的多点I/O卡应冗余配臵。(2)重要检测点的多点I/O卡可冗余配臵。(3）根据需要对重要的I/O信号，可选用2重化或3重化的I/O接口单元。6)经济性的考虑选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。3.2.4 PLC的性能指标与发展趋势（1）PLC的性能指标1）存储容量存储容量是指用户程序存储器的容量。用户程序存储器的容量大，可以编制出复杂的程序。一般来说，小型PLC的用户存储器容量为几千KB，而大型机的用户存储器容量为几万KB。2）I/O点数输入/输出（I/O）点数是PLC可以接受的输入信号和输出信号的总和，是衡量PLC性能的重要指标。I/O点数越多，外部可接的输入设备和输出设备就越多，控制规模就越大。3）扫描速度扫描速度是指PLC执行用户程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。一般以扫描1KB用户程序所需的时间来衡量扫描速度，通常以ms/KB为单位。PLC用户手册一般给出执行各条指令所用的时间，可以通过比较各种PLC执行相同的操作所用的时间，来衡量扫描速度的快慢。4）指令的功能和数量指令功能的强弱、数量的多少也是衡量PLC性能的重要指标。编程指令的功能越强、数量越多，PLC的处理能力和控制能力也越强，用户编程也越简单和方便，越容易完成复杂的控制任务。5）内部元件的种类和数量在编制PLC程序时，需要用到大量的内部元件来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。这些元件的种类和数量越多，表示PLC的存储和处理各种信息的能力越强。6）特殊功能单元特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。近年来各PLC生产厂商非常重视特殊功能单元的开发，特殊功能种类日益增多，功能越来越强，使PLC的控制功能日益扩大。7）可扩展能力PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。在选择PLC时经常要考虑PLC的可扩展能力。（2）PLC的发展趋势向高速度、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。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PLC。PLC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。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。编程语言多样化 在PLC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。3.2.5国内外PLC产品简介目前，世界上有200多家PLC厂商，400多品种的PLC产品，PLC产品可按地域分成三大流派：一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是日本产品 。（1）国产PLC主要生产厂家及产品性能我国有许多厂家、科研院所从事PLC的研制与开发，如中国科学院自动化研究所的PLC-0088，北京联想计算机集团公司的GK-40，上海机床电器厂的CKY-40，上海起重电器厂的CF-40MR/ER，苏州电子计算机厂的YZ-PC-001A，原机电部北京机械工业自动化研究所的MPC-00l/20、KB-20/40，杭州机床电器厂的DKK02，天津中环自动化仪表公司的DJK-S-84/86/480，上海自立电子设备厂的KKI系列，上海香岛机电制造有限公司的ACMY-S80、ACMY-S256，无锡华光电子工业有限公司（合资）的SR-10、SR-20/21等。（2）欧美PLC主要生产厂家及产品性能1）美国通用电气公司GE系列PLC GE公司的代表产品是：小型机:GE-1、GE-1/J、GE-1/P 中型机:GE- 大型机:GE-2）德国西门子（SIEMENS）公司S系列PLC 德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。超小型： SIMATIC S7-200 PLC 小型： SIMATIC S7-300 PLC 中型： SIMATIC S7-400 PLC 工业通讯网络 （SIMATIC NET）人机界面（HMI）硬件 SIMATIC S7工业软件 ：编程工具、基于PC的控制软件、人机界面软件。（3）日本PLC主要生产厂家及产品性能1)日本三菱公司PLC 小型：FX系列大中型：A系列、Q系列 日本立石（OMRON）公司PLC SYSMAC CJ系列PLC整体式结构的微型PLC机是以C20P为代表的机型 OMRON 中型机以C200H系列最为典型 2)日本松下公司PLC 松下公司的PLC产品中，FPO为微型机，FP1为整体式小型机，FP3为中型机，FP5/FP10、FP10S（FP10的改进型）、FP20为大型机，其中FP20是最新产品。第四章 硬件电路的设计4.1 PLC的选取根据课题设计的需要，我采用了欧姆龙CJ系列的PLC，它的CPU装置室一个整体式的，包含了CPU单元、电源单元、配置单元（基本I/O单元、高功能I/O单元以及CPU总线单元）和总端盖。如图4.1.1和4.1.2所示图4.1.1 CPU装置图图4.1.2 实物接线图 CPU单元是CPU装置的核心部件，是控制系统不可缺少的部分；CJ系列的PLC是一种叠装式（或者紧凑型）结构的微型机，它具有超小型和超薄型的尺寸，存储容量大，处理速度快，控制和通信功能强，它是一个面向基本控制的设备，有助于设备的更新和成本的降低；它具有更灵活的逻辑控制功能，它本地输入输出最大点数为2560点。CJ2系列的具体配置数据如图4.1.3所示图4.1.3 CJ2系列数据配置通过I/O点数和其它的条件先把CPU的型号确定下来为CJ2M-CPU13，DC输入单元的型号为CJ1W-ID211，继电器接点输出单元CJ1W-OC211，高速型的位置控制单元（或者定位单元）CJ1W-NC214；其中输入输出单元都是基本的16点输入输出单元（输入输出分开），而定位单元则是高功能I/O单元。高功能I/O单元相对于基本I/O单元提供的功能更高级，包括输入接点和输出接点以外的I/O。例如，高功能I/O单元包括模拟量I/O单元和高速计数器单元。它们与CPU总线单元（包括网络通信单元）的不同之处在于它们与CPU单元交换数据的区域较小。通讯单元式在CPU总线单元中根据前面确定下来的型号、I/O点数以及为以后的扩展留下10%20%余量选择CJ1W-DRM21，它不需要配置器可自动分配I/O点数，它本身就具有2048个I/O点数，足够项目使用，而且也节约了成本。它分配了25字，电流消耗只是DC5V，单元最大数为16个单元符合前面输入输出模块的选择，体积小质量轻，给配线人员留下足够的空间方便排线布线。电源模块的选择 我们已知的是电源单元型号供应给CPU装置和扩展装置的最大电流和总功率显示如图4.1.4所示图4.1.4 必须满足下面条件1和条件2. 条件1：最大电流 （1）5V时单元总电流消耗（A）值 （2）24V时单元总电流消耗（B）值 条件2：最大功率 （1）*5V+（2）*24V（C）值根据上述条件和已选的型号来计算总电流和功耗，如表4.1所示表4.1单元类型型号数量电压组5V24VCPU单元CJ2M-CPU1310.5A-基本I/O输入单元CJ1W-ID21110.08A-基本I/O输出单元CJ1WOC21110.11A0.096以下高功能I/O单元CJ1W-NC21410.31A-CPU总线单元CJ1W-DRM2110.29A-电力消耗总数0.5+0.08+0.11+0.31+0.290.0962结果1.29A（ 5.0A）0.096(0.8A)功耗总数1.29A*5V=6.45W0.096A*24V=2.304W结果6.45+2.304=8.754W（ 25W）根据项目已选的型号CJ1W-PA205R的数据和上表计算的数据显示可知道所选的型号完全符合要求。4.2元器件的选择4.2.1断路器的选择低压断路器也可称为自动空气开关，可用来接通和分断负载电路，也可用来控制不频繁启动的电动机。它的功能相当于闸到开关、过电流继电器、失压继电器、热继电器及漏电保护器等电器部分或全部的功能总和，是低压配电网中的一种重要的保护电器。它具有多种保护功能（过载、短路、欠压保护等）、动作值可调、分析能力高、操作方便、安全等优点。它主要由操作机构、触点、保护装置（各种脱扣器）、灭弧系统组成。它的工作原理图如图4.2.1所示图4.2.1低压断路器的工作原理图低压断路器的主触点是靠手动操作或电动合闸的。主触点闭合后，自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联，欠电压脱扣器的线圈和电源并联。当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁吸合，使自由脱扣机构动作，主触点断开主电路。当电路过载时，热脱扣器的热元件发热使双金属片上弯曲，推动自由脱扣机构动作。当电路欠电压时，欠电压脱扣器的衔铁释放，也使自由脱扣机构动作。分励脱扣器则作为远距离控制用，在正常工作时，其线圈是断电的，在需要距离控制时，按下起动按钮，使线圈通电，衔铁带动自由脱扣机构动作，使主触点断开。根据项目的要求选择施耐德的断路器,一个是新一代塑壳断路器Compact NSX，集全面的电能管理于极致保护。NSX继承了NS的所有技术特长，并且超越NS 内置双芯互感器，可以实现电力参数的精准测量；三个IC65H 2P 4A D型号的小型断路器（2P表示2极，4A为额定剩余动作电流，D表示是电动机的保护）和三个IC65H 2P 6A D型号的小型断路器。如图4.2.1-1所示图4.2.1-1 IC65H系列断路器4.2.2继电器的选择继电器是一种根据电气量（电压、电流等）或非电气量（温度、压力、转速、时间等）的变化接通或断开控制电路的自动切换电器。继电器的种类繁多、应用广泛。按输入信号的不同分为：电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器等。按工作原理可分为：电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器等。按用途可分为：控制继电器、保护继电器等。按动作时间可分为：瞬时继电器、延时继电器等。根据项目要求选择了欧姆龙的电磁式继电器：2个LY2N-J/24VDC、1个LY4N-J/24VDC、5个MY2N-J/24VDC和1个MY4N-J/24VDC型号的继电器。LY2N-J和LY4N-J系列的继电器是带指示灯插入端子的继电器，而MY2N-J和 MY4N-J则是带LED指示灯的继电器；如图4.2.2所示图4.2.2 电磁式继电器电磁式继电器的工作原理 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的常开、常闭触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为常开触点；处于接通状态的静触点称为常闭触点。图4.2.2-1是继电器动作接线演示图和动作演示图图4.2.2-1 接线演示图 动作演示图4.2.3 交流接触器的选取接触器，是一种用来自动接通或者断开大电流电路的电器。它可以频繁地接通或分断交直流电路，并可实现远距离控制。其主要控制对象是电动机，也可用于电热设备、电焊机、电容器组等其他负载。它还具有低电压释放保护功能，接触器具有控制容量大、过载能力强、寿命长、设备简单经济等特点，是电力拖动自动控制线路中使用最广泛的电器元件。（1）交流接触器的基本结构和工作原理如图所示为交流接触器的外形和结构示意图。交流接触器主要由电磁系统、触点系统、灭弧系统和其它部件4个部分组成。如图4.2.3所示图4.2.3 交流接触器结构示意图电磁系统 它包括电磁线圈和铁芯，是接触器的重要组成部分，依靠它带动触点的闭合与断开。触点系统 触点是接触器的执行部分，包括主触点和辅助触点。主触点的作用是接通和分断主回路，控制较大的电流，而辅助触点是在控制回路中，以满足各种控制方式的要求。灭弧系统 灭弧装置室用来保证触点断开电路时，产生的电弧可靠的熄灭，减少电弧对触点的损伤。为了迅速熄灭断开时的电弧，通常接触器都装有灭弧装置，一般采用半封闭式纵缝陶土灭弧罩，并配有强磁吹弧回路。其它部件 包括绝缘外壳、弹簧、短路环、传动机构等。电磁式接触器的工作原理：线圈通电后，在铁芯中产生磁通及电磁吸力。此电磁吸力克服弹簧反作用力使得衔铁吸合，带动触点机构，常闭触点打开，常开触点闭合，互锁或接通线路。线圈失电或线圈俩端电压显著降低时，电磁吸力小于弹簧反作用力，使得衔铁释放，触点结构复位，断开线路或解除互锁。根据项目的要求选择了施耐德的LC1-D09M7C（LC指交流控制线圈，“1”指一个接触器，“D”指D系列产品，“09”指电流为9A，“M”指线圈电压22V，“7”指50Hz/60Hz的线圈，“C”指示标准型（9-620V）型号的交流接触器，它是模块式结构，功能组合齐全；它适用于50Hz或者60Hz，电压至660V，电流至95A的电路中，供远距离接通与分断电路频繁启动、控制交流电动机。它还可以加装积木式辅助触点组、空气延时头、机械联锁机构等附件，组成延时接触器、可逆接触器、星三角启动器，并且可以喝热继电器直接安装组成电磁启动器。完全符合本项目的要求，它的产品图如图4.2.3-1图4.2.3-1 施耐德交流接触器根据项目需求选取了欧姆龙伺服电机（R88M-K2K010C-BS2-Z）和威纶通触摸屏（MT8070iE DC24V）4.3 PLC的主控柜接线图见附录 如图4.3是主控柜现场实物图图4.3 主控柜现场实物图第五章 软件设计5.1 I/O的分配表5.1.1机器人I/O的分配机器人IN机器人OUTY3250.00伺服ON IN1X3340.00报警 OUT1Y3250.01错误复位IN6X3340.01错误 OUT2Y3250.02启动 IN7X3340.02再现模式OUT3Y3250.03暂停 IN8X3340.03伺服ON OUT6Y3250.04JOB1 IN9X3340.04运行 OUT7Y3250.05JOB2 IN10X3340.05暂停 OUT8Y3250.06JOB4 IN11X3340.06原点 OUT9Y3250.07JOB8 IN12X3340.07紧急停止输出OUT10Y3250.08程序复位 IN13X3340.08焊接中 OUT11Y3250.09选通 IN14X3340.09焊接结束OUT12Y3250.10再启动 IN15X3340.10清枪中OUT13Y3250.11夹具匹配 IN16X3340.11清枪结束OUT14Y3250.12伺服定位完成 IN17X3340.12清枪马达旋转OUT15Y3250.13夹具旋转原点 IN18X3340.13清枪马达上升 OUT16Y3250.14夹具夹紧OK IN19X3340.14清枪剪丝OUT17Y3250.15焊接关闭 IN20X3340.15清枪喷硅油 OUT18Y3251.00备用 IN21X3341.001BIT OUT25Y3251.01备用 IN22X3341.012BIT OUT26Y3251.02备用 IN23X3341.024BIT OUT27Y3251.03备用 IN24X3341.038BIT OUT28Y3251.04备用 IN25X3341.0416BIT OUT29Y3251.05备用 IN26X3341.0532BIT OUT30Y3251.06备用 IN27X3341.0664BIT OUT31Y3251.07备用 IN28X3341.07128BIT OUT32Y3251.08备用 IN29X3341.08备用 OUT19Y3251.09备用 IN30X3341.09焊接关闭OUT20Y3251.10备用 IN31X3341.10定位启动OUT33Y3251.11备用 IN32X3341.11备用OUT34Y3251.12备用 IN33X3341.12定位完成输出信号OUT35Y3251.13备用 IN34X3341.13备用OUT36Y3251.14备用 IN35X3341.14备用 OUT37Y3251.15备用 IN36X3341.15备用 OUT38表5.1.2主控柜的I/O分配主控柜输入主控柜输出X000.01伺服主电路电源Y001.00清枪器夹紧X000.02非常停止Y001.02清枪器清枪X000.03运转准备Y001.03清枪器喷硅油X000.07空气压力Y001.04清枪器剪丝X000.08GAS气体压力Y001.06伺服驱动器主电源控制X000.09JIG 启动信号1Y001.08备用X000.15缺焊丝报警Y001.09备用Y001.10备用Y001.11备用Y001.12伺服抱闸Y001.13备用Y001.14备用Y001.15机器正常运行5.2 触摸屏的设计5.2.1 HMI的概述HMI是是操作人员、系统工程师与控制系统（DCS、PLC等）交互的界面，一般来说系统工程师只负责系统的生成、组态维护等工作，所以人机界面更多的是指操作人员与控制系统交互的界面。HMI实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。1）HMI产品的组成及其工作原理HMI产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了HMI 产品的性能高低，是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件一般分为两部分，即运行于 HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件（如JBHMI画面组态软件）。使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI 产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。 连接可编程序控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分组成。2）威纶MT8070IE规格3）PLC与触摸屏的通讯连接5.2.2 触摸屏画面的设计触摸屏的设计是以与触摸屏相匹配的人机界面设计软件Easybuilder pro进行设计的1）初始画面的设计如图所示2）夹具的手动调整画面，因为有三个夹具所以又三个画面，大体相同只是每个按钮对应的地址不同，其中有2个夹具是对称的分别用02-L和02-R，还有一个独立的画面03-M3）自动监控画面的设计；从自动监控的画面上课看出，运行条件是否满足4)保全专用画面的设计5）伺服电机动作/参数的设计 手动定位+/-画面的设计；它是伺服电机下的一个画面，在这个画面中，可以根据加工工件的需求，选择不同的旋转角度，然后按定位启动，实现夹具的旋转； 原点设置下的秘密画面和绝对原点设置画面的设计；6）异常报警画面的设计；发生异常时，会显示发生报警的端口地址和文字说明；可以让工作人员清晰的了解到哪里出现问题并及时的解决问题；7）机器人输入输出口画面的设计；在触摸屏上可以清楚的了解哪些地址正在工作；8）生产统计画面的设计；从这个画面中工作人员可以清楚的知道已经生产了多少的工件，也可以设定清枪数，当到达清枪数时，机器人回原点后，它会直接执行清枪程序；9）设备点检画面的设计；工作人员可以在这个画面下满足几个条件的情况下来手动清枪10）车种切换画面的设计；在这个画面中满足三个条件（机器人在原位、电机旋转轴在工作原位、手动模式）就可以选择不同的夹具；5.3 伺服控制 1）欧姆龙伺服电机（R88M-K2K010C-BS2-Z）的基本参数额定电压：220V功率：500w转速：3000r/min控制方式：闭环功能：位置伺服 如图5.3所示 是项目中所应用的伺服电机图5.3 伺服电机伺服电机自带驱动编码器和伺服驱动器。如下图所示利用脉冲来控制电机的正反转、定位启动、定位完成停止。伺服电机的正反转程序及其前提条件在自动模式下，伺服电机获得来自3341.10的脉冲定位启动信号，根据事先设定好的选择角度来旋转如图；定位完成之后3341.12回输出一个定位完成信号给PLC，告诉机器人可以开始焊接任务了。下面用程序控制伺服电机正转10度为例：5.4梯形图欧姆龙PLC的基本逻辑指令如下表指令名称指令符功能取LD读人逻辑行或电路块的第一个常开接点取反LD NOT读人逻辑行或电路块的第一个常闭接点与AND串联一个常开接点与非AND NOT串联一个常闭接点或OR并联一个常开接点或非OR NOT并联一个常闭接点电路块与AND LD串联一个电路块电路块或OR LD并联一个电路块输出OUT输出逻辑行的运算结果输出求反OUT NOT求反输出逻辑行的运算结果置位SET置继电器状态为接通复位RSET使继电器复位为断开定时TIM接通延时定时器（减算）设定时间0999.9s计数CNT减法计数器 设定值09999次基本逻辑指令的应用如图所示电路块串联的编程 电路块串联的编程如下图所示，当串联的电路块多与2个时，电路块连接的指令语句方法有2种：方法1是电路块的逐块连接，方法2是电路块编写后总连接，2种编写法的指令条数相同。在使用方法2时要注意以下2点：总连接时，使用AND LD指令的条数比实际电路块数少1；使用AND LD指令的条数8，即最多只能有9个电路块连接，而方法1没有此限制。逐块连接编程方式最后总连接编程方式LD 0001LD 0001OR NOT 0002OR NOT 0002LD 0003LD 0003OR 0004OR 0004AND LDLD NOT 0005LD NOT 0005OR 0006OR 0006AND LDAND LDAND LDOUT 0501OUT 0501电路块并联的编程 电路块并联的编程如下图所示。与AND LD指令相同，当并联的电路块多于2个时，电路块连接的指令语句方法有2种：方法1是电路块的逐块连接，方法2是电路块编写后总连接，2种编写方法的指令条数相同。在使用方法2时要注意2点：总连接时，使用OR LD指令的条数比实际电路块数少1；使用OR LD指令的条数8，即最多只能有9个电路块相连接，而方法1没有此限制。逐块连接编程方式最后总连接编程方式LD 0001LD 0001AND 0002AND 0002LD NOT 0003LD NOT 0003AND 0004AND 0004OR LDLD 0005LD 0005AND NOT 0006AND NOT 0006 OR LDOR LDOR LDOUT 0502OUT 0502 TR指令的应用 在梯形图程序中如果有几个分支输出，并且分支后面还有触点串联时，前面的逻辑指令就不能直接写出其指令程序，这时要用暂存继电器TR来暂时保存分支点的状态后在进行编程。TR不是独立的编程指令，它必须与LD或OUT指令配合使用。如下图所示0LD 00006LD TR11OUT TR07AND 00032AND 00018OUT 05033OUT TR19LD TR04AND 000210AND 00045OUT 050211OUT 0504定时器指令的应用 CJ2M系列的定时方式为递减型，当输入条件为ON时，开始减1定时，每经过0.1s，定时器的当前值减1，定时设定时间到（定时当前值减为00时），定时器触点接通并保持。当输入条件为OFF时，定时器立即复位，当前值立即恢复到设定值，其触点断开。定时器作用相当于时间继电器，PLC电源掉电时，定时器复位，如下图所示LD 0000LD T0092AND NOT 0001OUT 0504TIM 0092 #10计数器指令编程应用 CJ2M系列PLC计数器工作方式为递减型，当其输入端（IN）的信号每出现一次由OFF 至ON的跳变时，计数器的当前值减1.当计数器减为0时，便产生一个输出信号，使计数器的触点接通并保持。当复位端R输入ON时计数器复位，当前值立即恢复得到设定值，同时其触点断开。PLC电源掉电时，计数器当前值保持不变。当R端复位信号和IN端技术信号同时到达时，复位信号优先，如下图所示可以利用计数器级联来扩大计数范围，也可以利用定时器级联来扩大定时范围，或者利用定时器和计数器的组合来扩大定时范围，其应用与FX系列PLC类似。5.4.1程序梯形图 见附录第六章 系统安装与调试6.1引言示教盒的开发需要设计硬件电路，然后加工，制版。示教盒的软件开发室在PC机上Linux平台下开发，通过交叉编译，下载到示教盒中进行调试，调试合适后存储到示教盒的Flash存储器上。现在有专门为焊接机器人开发的示教盒成品，接口为RS232串口，如5.1图所示。机器人控制系统硬件需要购置工控机并在windows xp平台下