毕业设计（论文）-基于PLC开发等离子熔射控制系统.doc

装订线安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书摘要表面改性技术是研究的热点领域。然而，传统的表面改性技术，例如喷涂、电镀、化学热处理等，由于涂层与基体的粘接不牢固又或者是涂层太薄而不是很符合要求的。激光熔覆和等离子熔覆克服了传统表面改性的这些缺点，因而成为了近几年快速发展的主题。目前，等离子熔覆技术由于其良好的性能和低费用优势成为最为活跃的研究方向。本文基于PLC开发等离子熔射控制系统,采用开放式协议实现与计算机二者之间通讯，并在计算机中编绘PLC的自动走刀位置控制程序。本文运用三菱公司推出的GX Developer 软件进行编程和仿真调试，从而达到本次研究的目的，等离子熔覆截齿软件编程与实现。关键词：等离子； 熔覆； 截齿； PLC； 软件编程AbstractSurface modification technique has become a hot field of research . But the traditional surface modification techniques，such as spraying，electroplating，chemical heat treatment，are not very satisfactory because the bonding of coating and substrate is poor or the thickness of the coating is too thin .The laser cladding and the plasma cladding overcome the shortcomings of the traditional surface modification and have been subjected to rapid development in recent years.Currently plasma cladding technique becomes the most active research direction because of its good performance and low cost advantages.This article based on PLC development plasma spray control system，using open protocol to communicate with the computer between the two, and automatic location of the tool path control program in the PLC and the computer compilation.摘要11. 绪 论31.1 课题来源及意义31.2 等离子及其等离子技术发展41.2.1 等离子体基本知识41.2.2 等离子熔覆的概述51.3 等离子熔覆截齿的国内外现状61.3.1 截齿的生产工艺现状及其使用情况61.3.2 等离子熔覆截齿的引入81.3.3 锥度表面数学模型概述91.3.4 PLC系统控制的引入112. PLC的硬件结构和工作原理122.1 PLC的历史、定义、特点和应用领域122.1.1 PLC的发展历史124.3 等离子熔覆截齿的软件编程324.3.1 连续走刀同步进给321. 绪 论1.1 课题来源及意义截齿是煤矿井下采煤机和掘进机工作时的重要截割部件，由于直接受到煤层岩石的磨损，寿命大都较短，在生产过程中需要经常更换截齿，不仅增加了生产成本，而且影响了煤炭的正常生产。我国自引进机械化采煤设备后，国内的许多煤矿设备生产厂家开始了截齿的生产。但由于起步晚，国产截齿质量与进口截齿有很大的差距。许多煤矿为了不影响煤炭产量，仍然采用进口截齿。不仅如此，国内外还没有一种有效消除采煤时截齿摩擦产生火花的方法，对煤矿生产的安全性存在着一定的潜在威胁。为了提高国产截齿的产品质量，开展了系统研究，找出了一种符合我国材料生产现状的截齿生产新方法，并在此基础上大胆创新，解决了截齿采煤产生火花的问题。由于恶劣的工作条件，金属零件常常要承受很多的磨损，冲击和腐蚀的影响。其中，他们大多数形式的磨损和腐蚀都是从表面开始的。因此，表面改性技术变成了研究的热点领域。但是，传统的表面改性技术，例如喷涂、电镀、化学热处理等，由于涂层与基体的粘接不牢固又或者是涂层太薄而不是很符合要求的。激光熔覆和等离子熔覆克服了传统表面改性的这些缺点，因而成为了近几年快速发展的主题。然而，激光熔覆在工业生产应用中的技术因大型高功率激光和低效率高成本而受到限制。目前，等离子熔覆技术由于其良好的性能和低费用优势成为最为活跃的研究方向。同样，制造截齿的方法较多，相对来说，等离子熔覆技术和激光熔覆技术生产质量较高，但考虑其性价比，还是等离子熔覆技术最有优势。故此有此课题，等离子熔覆截齿软件编程与实现。1.2 等离子及其等离子技术发展1.2.1 等离子体基本知识如果温度不断升高，气体又会怎样变化呢？科学家告诉我们，这时构成分子的原子发生分裂，形成为独立的原子，如氮分子会分裂成两个氮原子，我们称这种过程为气体分子的离解。如果再进一步升高温度，原子中的电子就会从原子中剥离出来，成为带正电荷的原子核和带负电荷的电子，这个过程称为原子的电离。1.等离子的概念等离子是区别于固体，液体和气体的另一种物质聚集态，人们称之为物质第四态，当物质处于不同的温度范围或粒子处不同的能量范围时，呈现出不同的聚集态，即物质的聚集态有赖于离子的平均动能，当气体进一步从外界吸收能量，分子热运动进一步加剧，分子离解为原子。原子中的电子获得足够的能量脱离原子，成为自由电子。气体被电离，被电离的气体中含有大量的电子。离子以及部分中性粒子，其中电子和离子的电荷数差不多相等。宏观上或平均意义上，它是中性的。因此简单地说，等离子是完全电离或部分电离的物质聚集态，也可以说凡是包含足够数量的，电荷数接近于相等的正负带点粒子的物质聚集态称为等离子体。2.等离子的特点等离子体和普通气体存在一些共同点，如它们均满足气体状态方程，但它们却有截然不同的性质。主要区别有三点：普通气体中粒子是电中性的，本身不带电，而等离子体是由大量电子和离子组成的，因此粒子是带电的，离子带正电，电子带负电。普通气体中粒子之间的相互作用主要是相互之间的碰撞，是短程牛顿力的作用，其有效作用半径远小于粒子平均自由程，绝大多数时间内，粒子均是匀速直线运动，当它碰到另一个粒子时，速度大小和方向可以认为瞬时的发生突变。因此粒子的运动轨迹之间的相互作用，即长程的库伦力的作用。运动轨迹是不断发生小波折并逐渐形成大拐弯的曲线。常温下普通气体中粒子之间的碰撞一般是弹性碰撞，而等离子体中粒子之间的碰撞除弹性碰撞之外还有非弹性碰撞，而且大量的是非弹性碰撞1。等离子态下的物质具有类似于气态的性质，比如良好的流动性和扩散性。但是，由于等离子体的基本组成粒子是离子和电子，因此它也具有许多区别于气态的性质，比如良好的导电性、导热性。特别的，根据科学计算，等离子体的比热与温度成正比，高温下等离子体的比热往往是气体的数百倍。3.等离子技术的应用等离子体机械加工利用等离子体喷枪产生的高温高速射流，可进行焊接、堆焊、喷涂、切割、加热切削等机械加工。等离子弧焊接比钨极氩弧焊接快得多。1965年问世的微等离子弧焊接，火炬尺寸只有23毫米，可用于加工十分细小的工件。等离子弧堆焊可在部件上堆焊耐磨、耐腐蚀、耐高温的合金，用来加工各种特殊阀门、钻头、刀具、模具和机轴等。利用电弧等离子体的高温和强喷射力，还能把金属或非金属喷涂在工件表面，以提高工件的耐磨、耐腐蚀 、耐高温氧化、抗震等性能。等离子体切割是用电弧等离子体将被切割的金属迅速局部加热到熔化状态，同时用高速气流将已熔金属吹掉而形成狭窄的切口。等离子体加热切削是在刀具前适当设置一等离子体弧，让金属在切削前受热，改变加工材料的机械性能，使之易于切削。这种方法比常规切削方法提高工效520倍。 等离子体化工利用等离子体的高温或其中的活性粒子和辐射来促成某些化学反应，以获取新的物质。如用电弧等离子体制备氮化硼超细粉，用高频等离子体制备二氧化钛（钛白）粉等。 等离子体冶金从20世纪60年代开始，人们利用热等离子体熔化和精炼金属，现在等离子体电弧熔炼炉已广泛用于熔化耐高温合金和炼制高级合金钢；还可用来促进化学反应以及从矿物中提取所需产物。等离子体表面处理用冷等离子体处理金属或非金属固体表面，效果显著。如在光学透镜表面沉积10微米的有机硅单体薄膜，可改善透镜的抗划痕性能和反射指数；用冷等离子体处理聚酯织物，可改变其表面浸润性。这一技术还常用于金属固体表面的清洗和刻蚀。 气动热模拟用电弧加热器产生的高温气流，能模拟超高速飞行器进入大气层时所处的严重气动加热环境，从而可用于研制适于超高速飞行器的热防护系统和材料。 此外，燃烧产生的等离子体还用于磁流体发电。70年代以来，人们利用电离气体中电流和磁场的相互作用力使气体高速喷射而产生的推力，制造出磁等离子体动力推进器和脉冲等离子体推进器。它们的比冲（火箭排气速度与重力加速度之比）比化学燃料推进器高得多，已成为航天技术中较为理想的推进方法。1.2.2 等离子熔覆的概述1.基本原理等离子熔覆技术除了可以直接获得快速凝固组织特征和特殊物理化学及力学性能的表面材料外，还可以很灵活方便地向熔池中加入合金元素而改变熔化层材料的化学成分，通过元素或化合物之间的化学反应“原位合成”制备出成分、组织及性能完全不同与基材的表面冶金涂层。由于在材料表面熔化过程快速、灵活，能量转换率高，过程容易实现自动化，因此，等离子体熔覆应用基础研究与应用研究进展迅速。其熔覆原理是：在按照程序轨迹运行的转移弧等离子束流的高温下，金属零件表面依次形成与等离子束截面尺寸相近且有一定深度的熔池，然后将物理混合搅拌均匀的混合粉末或者预先冶炼喷雾而成的合金粉末注入到熔池中，粉末吸收熔池的热量迅速熔化，与熔池金属混合扩散反应，随着等离子束流的向前移动，新的熔池不断生成，而后面的熔化迅速凝固，形成与基体金属之间存在冶金过渡层且成分与基体完全不同的高合金或伪合金涂层。从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能2。等离子体熔覆在本质上是一种快速非平衡冶金反应过程，类似粉末冶金，原则上可不受组成物的相容性，熔点，密度等性质的限制。可利用任意粉末的任意配比，获得冶金方法不能得到的合金层。2.等离子熔覆技术的应用 材料表面强化 局部部位损伤表面的修复 快速成型零部件 制备表面复合材料3.等离子体熔覆涂层缺陷及防止（1）缺陷 气孔：由于熔池结晶过程中气体来不及逸出而造成的。 涂层裂纹及剥落，其原因相当复杂，有合金粉末与基体材料之间在热物理性能方面存在着较大差异，另一方面，合金粉末与基体材料之间在结构上存在差异，另外在等离子熔覆过程中，存在凝固裂纹。（2）防止：稀土元素在材料表面处理中有着很重要的作用，可以改善金属材料的性能，同时对渗入元素有较强的吸附能力，因此加入稀土元素可以不同程度的改善金属材料的系列性能，起到良好的细化晶粒，净化组织及变质作用。1.3 等离子熔覆截齿的国内外现状1.3.1 截齿的生产工艺现状及其使用情况1.截齿的生产工艺矿用截齿是煤炭工业采掘工程中采煤机、掘进机等矿用机械装备用来破岩落煤用的刀具，截齿在工作过程中，由于地质条件复杂，造成失效，使得截齿消耗量较大。截齿在煤机装备使用中属易损件，是更换量最大的煤矿机械零件之一。目前，国内外使用的截齿主要有两类，割刀型截齿和镐形截齿，其中镐形截齿应用较广。该两类截齿的共同特点，是在截齿前端中心孔中镶嵌硬质合金头，硬质合金头采用钎焊技术镶焊在刀体头部的中心孔中3。国外驻华独资企业截齿生产技术现状是：齿体材料采用优质合金调质钢，硬质合金齿尖全部进口，质量稳定，能够经受钎焊后的调质淬火激冷。齿体钎焊后调质，采用二次电炉控温加热保温后整体入油淬火。进口淬火油具有独特而稳定的淬火冷却特性。随后再进入电炉高温回火。整个热处理过程采用自动控制，精确控制工艺参数，其优点是质量稳定，缺点是生产成本高。国内现行截齿生产工艺一般为：原材料抽样化验下料锻造车削齿头部中心钻钎焊盲孔齿头部钎焊硬质合金齿尖调质热处理或盐浴等温淬火喷丸处理安装弹簧档圈涂油包装按标准装箱入库。齿体材料采用优质合金调质钢，齿头部钎焊采用铜合金焊料，硬质合金齿尖牌号一般采用YGI3C。大多数企业采用了钎焊余热对截齿整体进行盐浴等温淬火，一是投资小，二是盐浴淬火温度比调质热处理温度较易控制，三是解决国产淬火油质量不稳定和热处理炉温控制误差大等问题，四是等温淬火冷却较调质油淬冷却平缓，减少国产硬质合金淬火开裂隐患。推广应用的经验表明，截齿的整体质量虽比不上进口截齿，但该技术比整体调质更适用于国产硬质合金和钎焊料。但生产过程一般是人工操作，盐浴耗能高，对环境有污染，工人劳动强度大，性能改进潜力小。不论是调质还是等温盐浴，存在的本质缺陷是截齿齿体头部的耐磨性都不高，不能很好地保护硬质合金齿尖。为了克服上述缺陷，曾采取表面喷涂、渗碳、堆焊等硬化技术，但都因工艺复杂成本高质量不稳定等因素未获应用4。2.截齿在工作面使用情况及出现的问题 截齿作为采煤机重要配套部件，因其直接切割煤岩而需经常更换，其内在质量的优劣必然会影响整个综采机械化设备的生产效率，同时作为易损件其损耗量对吨煤成本的影响也不容忽视。其在工作面使用情况及出现的问题有：（1）截齿的齿体强韧不够：齿体是整个镐型截齿的重要组成部分，截齿在割煤过程中，尤其是在煤层夹矸或全岩段条件下直接切割岩石时，承受着强大的冲击负荷。如果齿体的整体韧性不够将会出现负荷作用下齿体折断，从而导致截齿失效。此类现象在使用过程中时有发生，究其原因主要有以下两点：齿体选材问题：根据对截齿的生产要求，齿体材料通常采用具有良好锻造性能的优质合金结构钢，如：40CrNiMo，35CrMnSi，42CrMo，40Cr等，我国普遍采用的是35CrMnSi。有些厂家的产品之所以出现齿体折断的比例较大，与其片面降低成本而选用其他替代材料有关。热处理工艺问题：为获得生产所需的强韧性，截齿必须经调质处理。正常情况下，经调质处理后的齿体均能获得其生产所需的整体韧性。（2）截齿硬质合金刀头脱落：有些厂家的产品在割岩过程中硬质合金刀头很快松动脱落而导致整体失效。分析其原因主要有： 钎焊质量问题，如焊接处存在夹砂，微裂纹等缺陷。 焊缝间隙的大小未掌控好，钎焊时焊料的使用量少，导致焊接力不够，造成虚焊，从而影响使用效果。焊料的选择有问题。通常使用的钎焊材料有铜、银两种。正常情况下，只要严格工艺过程，两种焊料焊接后合金刀头均能满足截齿生产需要，而不符合质量要求的焊料势必影响钎焊效果。（3）截齿齿尖崩刃现象： 使用过程中尤其在割岩时，较多地出现截齿合金刃头崩碎而导致失效。这种截齿失效形式在截齿众多失效形式中所占比例最大。有效地防止或降低这种失效形式的方法主要有以下两种：工作面出现夹矸或全岩段情况时，尤其是全岩状况下采用先打眼放炮将岩层松动后，再切割的作业方式。各截齿生产厂家根据工作面岩石的硬度指数，有针对性地选择相应牌号的合金刀头5。研究证明，随着截齿截割煤岩条件的不同，其失效形式也各不相同，对于软质煤岩或夹矸少的地质环境，截齿失效以磨损为主；对于硬质煤岩或夹矸多的地质条件，截齿失效多以硬质合金头崩碎、丢失和杆断为主6。提高截齿耐磨性的技术对策趋势：为了适应煤炭生产高效、安全的要求，尤其是掘进机向半煤岩巷、岩巷的挺进，满足新型采掘机械装备对截齿的要求，截齿性能应具有低比能耗、大块度煤炭、降低粉尘浓度、高强度、高耐磨性、自旋转、工作可靠、寿命长等特点。为了提高截齿的耐磨性能，延长使用寿命，目前常用的工艺措施如下：采用可实现转动的截齿利用热喷涂技术对截齿进行处理利用堆焊技术对截齿进行处理利用等离子束表面冶金对截齿进行处理采用镶铸工艺制造截齿采用“三高”制粉工艺生产硬质合金头合金头采用硬质合金表面烧结金刚石。1.3.2 等离子熔覆截齿的引入由以上分析可知，提高截齿整体寿命最可行的途径是在保证截齿齿体整体强韧性的前提下，提高齿体头部的耐磨性能，避免或减少生产过程对硬质合金刀头的损害。为此将等离子熔覆强化技术应用到截齿生产中。等离子熔覆技术不仅能够在齿体头部均匀熔合一层高结合力高硬度高耐磨性的金属陶瓷层，而且可降低对齿体头部淬火要求，保护了硬质合金刀头和钎焊缝不受激冷损害。此外金属陶瓷与岩石碰撞磨擦时极少产生火花，提高了井下煤炭开采的安全性。等离子熔覆合金涂层技术是在激光熔覆与耐磨堆焊的基础上发展起来的，其基本原理是：在柔性高温等离子束流作用下，将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并一起融化、混合、扩散、反应、凝固，在金属表面得到呈冶金结合的高硬度合金陶瓷层，从而实现表面的强化与硬化。1.截齿刀头的特点目前使用的采煤机截齿都是采用粉末冶金法烧结钴结碳化钨硬质合金作为刀头, 在使用过程中往往由于齿体头部磨损将硬质合金刀头暴露出来, 过早地碰撞脱落 , 导致大量浪费。如果加长硬质合金刀头,则会降低金属利用率, 增加成本。采用等离子梯度冶金技术, 可以形成材料的梯度分布, 刀头下半部为廉价的金属材料, 上半部为高硬度高耐磨的碳化物材料, 即可充分利用贵重金属, 大幅度减少浪费。故采用截齿刀头，其特点如下。等离子梯度冶金碳化物高强韧截齿刀头是以等离子弧为热源, 同步送入不同成分的高熔点合金粉末, 在耐火材料模具型腔内梯度凝固成高硬度高耐磨的复合材料截齿刀头。等离子梯度冶金截齿刀头的组织结构及性能在整体上均呈梯度分布, 头部具有鱼骨状组织及多种硬质相, 耐磨性高, 其显微硬度与YG13C 硬质合金大体相当, 中部具有明显过渡层, 逐步过渡到尾部的枝晶状基体组织, 强韧性进一步提高。由等离子梯度冶金技术生产的截齿刀头在满足截齿性能要求的前提下节约了贵重金属, 降低了生产成本7。2.等离子熔覆涂层的实验研究等离子熔覆涂层与基体的结合状态为具有较高结合的冶金结合、结晶形态的变化呈快速凝固组织特征。熔覆涂层组织有大量的树枝晶组成，这种树枝晶是由高强韧的镍基固溶体及其上弥散分布的大量硬质相构成，大量的树枝晶体起到耐磨骨架的作用。 熔覆涂层的平均显微硬度为HV580，洛氏硬度为HRC54，最高硬度可达HV680，使涂层具有高耐磨性。工业性试验结果指出，由于等离子束熔覆涂层起着耐磨骨架的作用，避免了硬质合金头的过早脱落，熔覆涂层截齿的使用寿命高于普通国产截齿8。熔覆涂层的性能：等离子束技术可将许多体系的耐磨合金粉末熔覆在钢基体上，而且工艺参数变化不大，涂层质量重现性好，涂层硬度分布均匀，不同体系成本不一样，性能略有差别9。1.3.3 锥度表面数学模型概述1.锥度定义锥度是指圆锥的底面直径与锥体高度之比，如果是圆台，则为上、下两底圆的直径差与锥台高度之比值。如图1-1所示。 图1-1 锥度定义2.常用锥度 常用锥度如下表1-1,1-2所示：表1-1 常用锥度列表锥度圆锥斜角（）标记应用1：20008361：2001：100017111：1001：50034231：50圆锥销1：30057171：30铰刀、扩孔钻的配合锥体1：20125561：20机床主轴公制锥体、工具尾部、心轴莫氏锥（16）号机床主轴锥体、工具尾部、心轴0号129231号125402号125463号126124号129125号130226号129327号129181：16147241：16圆锥螺纹的铰刀1：15154331：151：1222391：121：10251451：107：64387：641：8334351：81：74581：71：5542381：51：4.077147：24817507：241：3927441：31：1.86615301：1.2072230451：0.8663060中心孔、机床顶尖、埋头钻1：0.6523730751：0.545901：0.28960120表1-2 带扁尾的圆锥带扁尾的圆锥（尾柄）莫氏号数DD1d2d3l3l4ablCRr09.0459.2126.1155.956.359.53.23.910.56.541112.06512.2408.9728.762.065.53.55.213.58.551.25217.78017.98014.05913.674.578.54.06.316.510.561.5323.82524.05119.13118.693.598.04.57.920.013.072431.26731.54225.15424.6117.7123.05.311.924.015.092.5544.39944.73136.54735.7149.2155.56.315.930.519.5113663.34863.76052.41951.3209.6217.57.919.045.528.5174783.06183.55568.21566.8285.52959.528.555.035.02053.数学模型（mathematical model）根据对研究对象所观察到的现象及实践经验，归结成的一套反映其内部因素数量关系的数学公式、逻辑准则和具体算法。用以描述和研究客观现象的运动规律。建立数学模型的要求如下：（1）真实完整。 真实的、系统的、完整的,形象的映客观现象 必须具有代表性 具有外推性，即能得到原型客体的信息，在模型的研究实验时，能得到关于原型客体的原因 必须反映完成基本任务所达到的各种业绩，而且要与实际情况相符合。 （2）简明实用。在建模过程中，要把本质的东西及其关系反映进去，把非本质的、对反映客观真实程度影响不大的东西去掉，使模型在保证一定精确度的条件下，尽可能的简单和可操作，数据易于采集。 （3）适应变化。随着有关条件的变化和人们认识的发展，通过相关变量及参数的调整，能很好的适应新情况。 根据研究目的，对所研究的过程和现象(称为现实原型或原型)的主要特征、主要关系、采用形式化的数学语言，概括地、近似地表达出来的一种结构，所谓“数学化”，指的就是构造数学模型。通过研究事物的数学模型来认识事物的方法，称为数学模型方法。简称为MM方法。4.锥度表面数学模型为了方便画法，将锥度转化为角度进行等离子熔覆截齿实验。作为本次研究，取其转化角度为10,15,20,25，30,45,60,75等。1.3.4 PLC系统控制的引入可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。 系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。 使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。 能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。可以控制步进或伺服电机，以及通过触发器控制开关。可以与PC端口连接，在PC上使用相应软件编绘的PLC控制程序可以导入PLC内部执行。基于PLC以上的特性，我们使用PLC来控制等离子熔射装置的开启及走刀过程，以实现截齿锥度表面成形过程的自动化。本次基于PLC的等离子熔覆截齿锥度表面成形机的设计旨在于成形快速，成形效率变高，成本变低，并具有一定的智能化。这也适应了经济社会发展的要求，相信这样的设备将会广泛的适用于市场。为了达到这一要求，专家们通过将PLC技术和等离子技术融合的方式来解决。在基于PLC模块后，等离子熔射机的走刀可以更加精确和自动化，在特殊表面成形加工过程中可以实现更加精密快速的加工。总之，基于PLC的等离子表面加工设备的发展趋势可以总结为：快速化、智能化、选择性好、可靠性高、寿命长、价格低等方面发展，具有广阔的市场潜力和发展空间，机遇和挑战并存，伴随我国经济的快速发展，也将迎来更大的繁荣。2. PLC的硬件结构和工作原理2.1 PLC的历史、定义、特点和应用领域2.1.1 PLC的发展历史 PLC的发展可分为如下几个阶段：19701980年：PLC的结构定型阶段。在这一阶段，由于PLC刚诞生，各种类型的顺序控制器不断出现（如逻辑电路型、1位机型、通用计算机型、单板机型等），但迅速被淘汰。最终以微处理器为核心的现有PLC结构形成，取得了市场的认可，得以迅速发展推广。PLC的原理、结构、软件、硬件趋向统一与成熟，PLC的应用领域由最初的小范围、有选择使用、逐步向机床、生产线扩展。 19801990年：PLC的普及阶段。在这一阶段，PLC的生产规模日益扩大，价格不断下降，PLC被迅速普及。各PLC生产厂家产品的价格.品种开始系列化，并且形成了I/O点型、基本单元加扩展块型、模块化结构型这三种延续至今的基本结构模型。PLC的应用范围开始向顺序控制的全部领域扩展。比如三菱公司本阶段的主要产品有F.F1.F2小型PLC系列产品,K/A系列中、大型PLC产品等。 19902000年，PLC的高性能与小型化阶段。在这一阶段，随着微电子技术的进步，PLC的功能日益增强，PLC的CPU运算速度大幅度上升、位数不断增加，使得适用于各种特殊控制的功能模块不断被开发，PLC的应用范围由单一的顺序控制向现场控制拓展。此外，PLC的体积大幅度缩小，出现了各类微型化PLC。三菱公司本阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品，AIS/A2US/Q2A系列中，大型PLC系列产品等。 2000年至今：PLC的高性能与网络化阶段。在本阶段，为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要，PLC的各种功能不断进步。一方面，PLC在继续提高CPU运算速度，位数的同时，开发了适用于过程控制，运动控制的特殊功能与模块，使PLC的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。与此同时，PLC的网络与通信功能得到迅速发展，PLC不仅可以连接传统的编程与通入/输出设备，还可以通过各种总线构成网络，为工厂自动化奠定了基础。三菱公司本阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品（包括最新的FX3u系列产品），Qn,QnPH系列中，大型PLC系列产品等。2.1.2 PLC的定义、特点及应用领域1.定义PLC是一种数字运算操作的电子系统，专在为工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作命令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外围设备，都按易于与工业系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。2.特点可靠性高，抗干扰能力强配套齐全，功能完善，适用性强易学易用，深受工程技术人员欢迎系统的设计、构建工作量小，维护方便，容易改造体积小，重量轻，能耗低3.应用领域目前，PLC已广泛应用于钢铁、石油、化工电离、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。现代PLC已经不仅仅具有逻辑判断和顺序控制功能，还同时具有数据处理、PID调节、数据处理和通信连网等功能。PLC的应用领域大体上可归纳为如下几类：开关量的逻辑控制运动控制过程控制数据处理通信及连网2.1.3 PLC的主要技术指标和分类1.PLC的技术指标输入/输出（I/O）点数存储容量扫描速度指令系统软元件（编程软件）的种类和数量通信功能特殊功能模块2.PLC的分类（1）根据硬件结构形式分为：整体式PLC和模块式PLC（2）根据I/O点数分为：小型中兴和大型PLC（3）根据功能分为：低档中档和高档PLC2.2 PLC的结构和工作原理2.2.1 PLC的基本结构 图2-1 PLC的基本结构PLC硬件的基本结构主要由中央处理单元（CPU）、存储器、I/O接口电路（或称为I/O模块）、通信接口、扩展接口和电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，I/O接口电路是连接现场I/O设备与CPU之间的桥梁，通信接口用于与编程器、上位计算机等外围设备连接。PLC的基本结构如图2-1所示。1.中央处理单元（CPU）中央处理单元是PLC的核心部分，是系统的控制中枢，起着总指挥的作用。在PLC中，CPU按系统程序赋予的的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要由以下功能：接收、存储从编程器中输入的用户程序和数据。诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。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。从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。根据执行的结果，更新有关标志位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。有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。PLC中所配置的CPU是随机型的不同而不同的，主要有三类：通用微处理器（如Z80、8086、80286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；中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；大型PLC大多采用高速位片式微处理器。目前，小型PLC为单CPU系统，而大中型PLC则大多为双CPU系统，甚至有些PLC多达8个CPU。对于双CPU系统，一般一个为字处理器，采用8位或16位处理器，另一个为位处理器，采用由厂家设计制造的专用芯片。字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能、监视内部定时器、监视扫描时间、处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。位处理器的采用大大提高了PLC的工作速度，是PLC更好地满足实时控制要求。2.存储器PLC的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和工作数据等信息。存储器主要有可读/写操作的随机存储器（Random Access Memory, RAM）、只读存储器（Read Only Memory，ROM）、PROM、EPROM和EEPROM。PLC的存储空间分配如下：系统程序是由PLC制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，主要完成系统诊断、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。系统程序关系到PLC的功能，而且在PLC的使用过程中不会变动，所以是有制造厂家直接固化在ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问或修改。用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的程序。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。工作数据是PLC运行过程中的经常变化、经常存储的数据。其存放在RAM中，以适应随机存取。在PLC的工作数据存储器中，设有存放输入/输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况确定的。3.输入/输出单元输入/输出单元通常也称为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通过输入单元把工业设备或生产过程的状态、信息读入，通过用户程序的运算和操作，再把结果通过输出单元输出给执行机构，以实现控制的目的。现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。 现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。4.电源可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。PLC配有开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，其稳定性好、抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定度要求不高。一般交流电压波动在15%范围内，许多PLC还向外提供直流24V稳定电源，用于外部传感器供电。5.编程装置编程装置用于编辑、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，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。专用编程器是由厂家生产，专供该厂家生产的某些PLC产品使用，它主要由键盘、显示器和外存储器接插口等部件组成。专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。6.通信接口PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有童心处理器。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。7.智能接口模块智能接口模块式独立的计算机系统，具有独立的CPU、系统程序、存储以及与CPU系统总线相连的接口。它作为PLC系统的一个模块，通过总县与PLC相连，进行数据交换、并在PLC的协调管理下独立地进行工作。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、运动控制模块和中断控制模块等。8.其它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、人机接口装置等。2.2.2 PLC的工作原理1.PLC的扫描工作原理PLC是通过反映控制要求的用户程序来执行相应的操作，从而完成控制任务的。CPU只能按分时操作（串行工作）方式，每一次执行一个操作，按程序要求逐个执行。由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。这样的串行工作过程为PLC的扫描工作方式。用扫描工作方式执行用户程序时，扫描时从程序的第一条指令开始的，再无中断或跳转控制的情况下，按层序存储顺序的先后逐条执行。在程序执行完后，再从另一条指令循环扫描重复执行，周而复始。由于PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。循环扫描过程如下图2-2所示： 图2-2 PLC的循环扫描过程2.PLC的工作过程图2-3 PLC的执行程序过程当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，如图2-3所示。输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。 一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。3.PLC的运行方式运行工作模式当处于运行工作模式时，PLC要进行从内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输出处理，然后按上述过程循环扫描工作。在运行模式下，PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能，为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作模式。停止模式当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。4.PLC的编程语言梯形图：梯形图编程语言习惯上叫梯形图。梯形图沿袭了继电器控制电路的形式，也可以说，梯形图编程语言是在电气控制系统中常用的继电器、接触器逻辑控制基础上简化了符号演变而来的，具有形象、直观、实用，电气技术人员容易接受，是目前用得最多的一种PLC编程语言。指令表：这种编程语言是一种与计算机汇编语言相类似的助记符编程方式，用一系列操作指令组成的语句表将控制流程热核出来，并通过编程器送到PLC中去。顺序功能图：采用IEC标准的SFC(Sequential Function Chart)语言，用于编制复杂的顺控程序。利用这种先进的编程方法，初学者也很容易编出复杂的顺控程序，大大提高了工作效率，也为调试、试运行带来许多言传的方便。状态转移图：类似于顺序功能图，可使复杂的顺控系统编程得到进一步简化。逻辑功能图：它基本上沿用了数字电路中的逻辑门和逻辑框图来表达。一般用一个运算框图表示一种功能。控制逻辑常用“与”、“或”、“非”三种功能来完成。目前国际电工协会(IEC)正在实施发展这种编程标准。高级语言：近几年推出的PLC，尤其是大型PLC，已开始使用高级语言进行编程采用高级语言编程后，用户可以象使用PC机一样操作PLC。在功能上除可完成逻辑运算功能外，还可以进行PID调节、数据采集和处理、上位机通信等。3. 三菱FX2N系列PLC3.1 三菱公司FX系列PLC简介3.1.1 FX系列PLC概述FX系列PLC是由三菱公司近年来推出的高性能小型PLC，以逐步代替三菱公司的原F1、F2系列PLC产品。其中，FX2是1991年推出的产品，FX0是在FX2之后推出的超