PLC自动药柜设计.doc

成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文）第一章 概述11 PLC 的概术111 PLC的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。 个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。 PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按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设计。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 可编程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，简称PC）。与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按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设计。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。112 可编程控制器基本应用最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。随着PLC技术的进步，它的应用领域不断扩大。如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与管理。PLC已日益成为工业控制装置家族中一个重要的角色。用于开关量控制PLC控制开关量的能力是很强的。所控制的入出点数，少的十几点、几十点，多的可到几百、几千，甚至几万点。由于它能联网，点数几乎不受限制，不管多少点都能控制。所控制的逻辑问题可以是多种多样的：组合的、时序的；即时的、延时的；不需计数的，需要计数的；固定顺序的，随机工作的；等等，都可进行。 PLC的硬件结构是可变的，软件程序是可编的，用于控制时，非常灵活。必要时，可编写多套，或多组程序，依需要调用。它很适应于工业现场多工况、多状态变换的需要。用PLC进行开关量控制实例是很多的，冶金、机械、轻工、化工、纺织等等，几乎所有工业行业都需要用到它。目前，PLC首用的目标，也是别的控制器无法与其比拟的，就是它能方便并可靠地用于开关量的控制。用于模拟量控制模拟量，如电流、电压、温度、压力等等，它的大小是连续变化的。工业生产，特别是连续型生产过程，常要对这些物理量进行控制。作为一种工业控制电子装置，PLC若不能对这些量进行控制，那是一大不足。为此，各PLC厂家都在这方面进行大量的开发。目前，不仅大型、中型机可以进行模拟量控制，就是小型机，也能进行这样的控制。PLC进行模拟量控制，要配置有模拟量与数字量相互转换的AD、DA单元。它也是I/O单元，不过是特殊的 I/O单元。A/D单元是把外电路的模拟量，转换成数字量，然后送入 PLC。D/A单元，是把 PLC的数字量转换成模拟量，再送给外电路。作为一种特殊的I/O单元，它仍具有I/O电路抗干扰、内外电路隔离，与输入输出继电器（或内部继电器，它也是PLC工作内存的一个区。可读写）交换信息等等特点。这里的A/D中的A，多为电流，或电压，也有为温度。D/A中的A，多为电压，或电流。电压、电流变化范围多为05V，010V，420mA。有的还可处理正负值的。这里的D，小型机多为8位二进制数，中、大型多为12位二进制数。A/D、D/A有单路，也有多路。多路占的输入输出继电器多。有了 A/D、D/A单元，余下的处理都是数字量，这对有信息处理能力的 PLC并不难。中、大型PLC处理能力更强，不仅可进行数字的加、减、乘、除，还可开方，插值，还可进行浮点运算。有的还有PID指令，可对偏差制量进行比例、微分、积分运算，进而产生相应的输出。计算机能算的它几乎都能算。这样，用PLC实现模拟量控制是完全可能的。控制的单位值可小到212分之一的测量程值，多数也是足够的。PLC进行模拟量控制，还有A/D、D/A组合在一起的单元，并可用 PID或模糊控制算法实现控制，可得到很高的控制质量。用PLC进行模拟量控制的好处是，在进行模拟量控制的同时，开关量也可控制。这个优点是别的控制器所不具备的，或控制的实现不如PLC方便。当然，若纯为模拟量的系统，用PLC可能在性能价格比上不如用调节器。这也是应当看到的。用于数字量控制实际的物理量，除了开关量、模拟量，还有数字量。如机床部件的位移，常以数字量表示。字量的控制，有效的办法是NC，即数字控制技术。这是50年代诞生于美国的基于计算机的控制技术。当今已很普及，并也很完善。目前，先进国家的金属切削机床，数控化的比率已超过4080，有的甚至更高。PLC也是基于计算机的技术，并日益完善。故它也完全可以用于数字量控制。PLC可接收计数脉冲，频率可高达几k到几十k赫兹。可用多种方式接收这脉冲，还可多路接收。有的PLC还有脉冲输出功能，脉冲频率也可达几十k。有了这两种功能，加上PLC有数据处理及运算能力，若再配备相应的传感器（如旋转编码器）或脉冲伺服装置（如环形分配器、功放、步进电机），则完全可以依NC的原理实现种种控制。高、中档的PLC，还开发有NC单元，或运动单元，可实现点位控制。运动单元还可实现曲线插补，可控制曲线运动。所以，若PLC配置了这种单元，则完全可以用NC的办法，进行数字量的控制。新开发的运动单元，甚至还发行了NC技术的编程语言，为更好地用PLC进行数字控制提供了方便。12 PLC的结构和基本配置以及控制要点121 PLC的结构 一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。PLC的基本结构框图如下：接口部件输出输入接口部件 中央处理单元 CPU板 接受 驱动 驱动 现场信号 受控元件 电 源 部 件 图1.11 CPU的构成PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路， 与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。 CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。 CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式PLC的主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。2、I/O模块：PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。3、电源模块： 有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。4、底板或机架： 大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。5、PLC 的外部设备 外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类1） 编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。2） 监控设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。3） 存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。4） 输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。6、PLC的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。 PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。 PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。 对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲，选择网络非常重要的。首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。 PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。 当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。 了解了PLC的基本结构，我们在购买程控器时就有了一个基本配置的概念，做到既经济又合理，尽可能发挥PLC所提供的最佳功能。122 可编程控制器实现控制的要点1、入出信息变换、可靠物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。入出信息变换靠运行存储于PLC内存中的程序实现。PLC程序既有生产厂家的系统程序(不可更改)，又有用户自行开发的应用（用户）程序。系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信号与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。什么样的控制要求，就应有什么样的用户程序。可靠物理实现主要靠输人（INPUT）及输出（OUTPUT）电路。PLC的I/O电路，都是专门设计的。输入电路要对输入信号进行滤波，以去掉高频干扰。而且与内部计算机电路在电上是隔离的，靠光耦元件建立联系。输出电路内外也是电隔离的，靠光耦元件或输出继电器建立联系。输出电路还要进行功率放大，以足以带动一般的工业控制元器件，如电磁阀、接触器等等。 I/O电路是很多的，每一输入点或输出点都要有一个I或O电路。PLC有多I/O用点，一般也就有多少个I/O用电路。但由于它们都是由高度集成化的电路组成的，所以，所占体积并不大。输入电路时刻监视着输入状况，并将其暂存于输入暂存器中。每一输入点都有一个对应的存储其信息的暂存器。 输出电路要把输出锁存器的信息传送给输出点。输出锁存器与输出点也是一一对应的这里的输入暂存器及输出锁存器实际就是PLC处理器I/O口的寄存器。它们与计算机内存交换信息通过计算机总线，并主要由运行系统程序实现。把输人暂存器的信息读到PLC的内存中，称输入刷新。PLC内存有专门开辟的存放输入信息的映射区。这个区的每一对应位（bit）称之为输入继电器，或称软接点。这些位置成1，表示接点通，置成0为接点断。由于它的状态是由输入刷新得到的，所以，它反映的就是输入状态。输出锁存器与PLC内存中的输出映射区也是对应的。一个输出锁存器也有一个内存位（bit）与其对应，这个位称为输出继电器，或称输出线圈。靠运行系统程序，输出继电器的状态映射到输出锁存器。这个映射也称输出刷新。输出刷新主要也是靠运行系统程序实现的。这样，用户所要编的程序只是，内存中输入映射区到输出映射区的变换，特别是怎么按输入的时序变换成输出的时序。这是一个数据及逻辑处理问题。由于PLC有强大的指令系统，编写出满足这个要求的程序是完全可能的，而且也是较为容易的。图片： 图1.22 可编程控制器实现控制的过程简单地说，PLC实现控制的过程一般是： (如图1-1-1 PLC 典型开机流程 )输入刷新-再运行用户程序-再输出刷新-再输入刷新-再运行用户程序-再输出刷新永不停止地循环反复地进行着。图111所示的流程图反映的就是上述过程。它也反映了信息的时间关系。有了上述过程，用PLC实现控制显然是可能的。因为：有了输入刷新，可把输入电路监控得到的输入信息存入PLC的输入映射区；经运行用户程序，输出映射区将得到变换后的信息；再经输出刷新，输出锁存器将反映输出映射区的状态，并通过输出电路产生相应的输出。又由于这个过程是永不停止地循环反复地进行着，所以，输出总是反映输入的变化的。只是响应的时间上，略有滞后。当然，这个滞后不宜太大，否则，所实现的控制不那么及时，也就失去控制的意义。 为此，PLC的工作速度要快。速度快、执行指令时间短，是PLC实现控制的基础。事实上，它的速度是很快的，执行一条指令，多的几微秒、几十微秒，少的才零点几，或零点零几微秒。而且这个速度还在不断提高中。图111所示的过程是简化的过程，实际的 PLC工作过程还要复杂些。除了 I/O刷新及运行用户程序，还要做些公共处理工作。 公共处理工作有：循环时间监控、外设服务及通讯处理等。监控循环时间的目的是避免死循环，避免程序不能反复不断地重复执行。办法是用看门狗（Watching dog）。只要循环超时，它可报警，或作相应处理.外设服务是让PLC可接受编程器对它的操作，或通过接口向输出设备如打印机输出数据.通讯处理是实现PLC与PLC，或PLC与计算机，或PLC与其它工业控制装置或智能部件间信息交换的。这也是增强PLC控制能力的需要。也就是说，实际的PLC工作过程总是：公共处理-I/O刷新-运行用户程序-再公共处理-反复不停地重复着。3、可编程控制器实现控制的方式 用这种不断地重复运行程序实现控制称扫描方式。是用计算机进行实时控制的一种方式。此外，计算机用于控制还有中断方式。在中断方式下，需处理的控制先申请中断，被响应后正运行的程序停止运行，转而去处理中断工作（运行有关中断服务程序）。待处理完中断，又返回运行原来程序。哪个控制需要处理，哪个就去申请中断。哪个不需处理，将不被理睬。显然，中断方式与扫描方式是不同的。在中断方式下，计算机能得到充分利用，紧急的任务也能得到及时处理。但是，如果同时来了几个都要处理的任务该怎么办呢？优先级高的还好办，低的呢？可能会出现照顾不到之处。所以，中断方式不大适合于工作现场的日常使用。 但是，PLC在用扫描方式为主的情况下，也不排斥中断方式。即，大量控制都用扫描方式，个别急需的处理，允许中断这个扫描运行的程序，转而去处理它。这样，可做到所有的控制都能照顾到，个别应急的也能进行处理。PLC的实际工作过程比这里讲的还要复杂一些，分析其基本原理，也还有一些理论问题。有关人员如果能把上面介绍的入出变换、物理实现-信息处理、I/O电路-空间、时间关系-扫描方式并辅以中断方式，作为一种思路加以研究，弄清了它，也就好理解PLC是怎样去实现控制的，也就好把握住PLC基本原理的要点了。至于更深入的问题，在进一步学习中，将再作具体介绍。4、 可编程控制器基本特点从讨论PLC的工作原理知，PLC的输入与输出在物理上是彼此隔开的，其间的联系是靠运行存储于它的内存中的程序实现。它的入出相关，不是靠物理过程，不是用线路；而是靠信息过程，用软逻辑联系。它的工作基础是用好信息。信息不同于物质与能量，有自身的规律。信息便于处理，便于传递，便于存储；信息还可重用，等等。正是由于信息的这些特点，决定了PLC的基本特点。下面介绍PLC的四个特点： 功能丰富PLC的功能非常丰富。这主要与它具有丰富的处理信息的指令系统及存储信息的内部器件有关。它的指令多达几十条、几百条，可进行各式各样的逻辑问题的处理，还可进行各种类型数据的运算。凡普通计算机能做到的，它也都可作到。它的内部器件，即内存中的数据存储区，种类繁多，容量宏大。I/O继电器，可以用以存储入、出点信息的，少的几十、几百，多的可达几千、几万，以至10几万。这意味着它可进行这么多I/O点的入出信息变换，进行这么大规模的控制。它的内部种种继电器，相当于中间继电器，数量更多。内存中一个位就可作为一个中间继电器，怎么不多！它的计数器、定时器也很多，是继电电路所望尘莫及的。小小的箱体或模块，其内部定时器、计数器可达成百、成千。这也是因为只要用内存中的一个字，再加一些标志位，即可成为定时器、计数器，所以才那么多。 而且，这些内部器件还可设置成丢电保持的，或丢电不保持的，即上电后予以清零的。以满足不同的使用要求。这些也是继电器件所难以做到的。它的数据存储区还可用以存储大量数据，几百、几千、几万字的信息都可以存，而且，掉电后还不丢失。PLC还有丰富的外部设备，可建立友好的人机界面，以进行信息交换。可送入程序，送入数据，可读出程序，读出数据。而且读、写时可在图文并茂的画面上进行。数据读出后，可转储，可打印。数据送入可键入，可以读卡入，等等。PLC还具有通讯接口，可与计算机链接或联网，与计算机交换信息。自身也可联网，以形成单机所不能有的更大的、地域更广的控制系统。PLC还有强大的自检功能，可进行自诊断。其结果可自动记录。这为它的维修增加了透明度，提供了方便。丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能；同时，也为工业系统的自动化、远动化及其控制的智能化创造了条件。像PLC这样集丰富功能于一身，是别的电控制器所没有的；更是传统的继电控制电路所无法比拟的。使用方便用PLC实现对系统的控制是非常方便的。这是因为：首先PLC控制逻辑的建立是程序, 用程序代替硬件接线。编程序比接线，更改程序比更改接线，当然要方便得多！其次PLC的硬件是高度集成化的，已集成为种种小型化的模块。而且，这些模块是配套的，已实现了系列化与规格化。种种控制系统所需的模块，PLC厂家多有现货供应，市场上即可购得。所以，硬件系统配置与建造也非常方便。正因如此，用可编程序控制器才有这个可字。对软件讲，它的程序可编，也不难编。对硬件讲，它的配置可变，而且也易于变。具体地讲，PLC有五个方面的方便： （1）配置方便：可接控制系统的需要确定要使用哪家的 PLC，那种类型的，用什么模块，要多少模块，确定后，到市场上定货购买即可。（2）安装方便：PLC硬件安装简单，组装容易。外部接线有接线器，接线简单，而且一次接好后，更换模块时，把接线器安装到新模块上即可，都不必再接线。内部什么线都不要接，只要作些必要的DIP开关设定或软件设定，以及编制好用户程序就可工作。（3）编程方便：PLC内部虽然没有什么实际的继电器、时间继电器、计数器，但它通过程序（软件）与系统内存，这些器件却实实在在地存在着。其数量之多是继电器控制系统难以想象的。即使是小型的PLC，内部继电器数都可以千计，时间继电器、计数也以百计。而且，这些继电器的接点可无限次地使用。PLC内部逻辑器件之多，用户用起来已不感到有什么限制。唯一考虑的只是入出点。而这个内部入出点即使用得再多，也无关紧要。大型PLC的控制点数可达万点以上，哪有那么大的现实系统？若实在不够，还可联网进行控制，不受什么限制。PLC的指令系统也非常丰富，可毫不困难地实现种种开关量，以及模拟量的控制。PLC还有存储数据的内存区，可存储控制过程的所有要保存的信息。总之，由于PLC功能之强，发挥其在控制系统的作用，所受的限制已不是PLC本身，而是人们的想象力，或与其配套的其它硬件设施了。PLC的外设很丰富，编程器种类很多，用起来都较方便，还有数据监控器，可监控PLC的工作。使用PLC的软件也很多，不仅可用类似于继电电路设计的梯形图语言，有的还可用BASIC语言、C语言，以至于自然语言。这些也为PLC编程提供了方便。PLC的程序也便于存储、移植及再使用。某定型产品用的PLC的程序完善之后，凡这种产品都可使用。生产一台，拷贝一份即可。这比起继电器电路台台设备都要接线、调试，要省事及简单得多。（4）维修方便：这是因为：PLC工作可靠，出现故障的情况不多，这大大减轻了维修的工作量。这在讲述PLC的第三个特点时，还将进一步介绍。即使PLC出现故障，维修也很方便。这是因为PLC都设有很多故障提示信号，如PLC支持内存保持数据的电池电压不足，相应的就有电压低信号指示。而且，PLC本身还可作故障情况记录。所以，PLC出了故障，很易诊断。同时，诊断出故障后排故也很简单。可按模块排故，而模块的备件市场可以买到，进行简单的更换就可以。至于软件，调试好后不会出故障，再多只要依据使用经验进行调整，使之完善就是了。（5）改用方便：PLC用于某设备，若这个设备不再使用了，其所用的PLC还可给别的设备使用，只要改编一下程序，就可办到。如果原设备与新设备差别较大，它的一些模块还可重用。工作可靠用PLC实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为PLC在硬件与软件两个方面都采取了很多措施，确保它能可靠工作。事实上，如果PLC工作不可靠，就无法在工业环境下运用，也就不成其为PLC了。1）在硬件方面：PLC的输入输出电路与内部CPU是电隔离。其信息靠光耦器件或电磁器件传递。而且，CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。故可确保PLC程序的运行不受外界的电与磁干扰，能正常地工作。PLC使用的元器件多为无触点的，而且为高度集成的，数量并不太多，也为其可靠工作提供了物质基础。在机械结构设计与制造工艺上，为使PLC能安全可靠地工作，也采取了很多措施，可确保PLC耐振动、耐冲击。使用环境温度可高达摄氏50多度，有的PLC可高达80-90度。有的PLC的模块可热备，一个主机工作，另一个主机也运转，但不参与控制，仅作备份。一旦工作主机出现故障，热备的可自动接替其工作。还有更进一步冗余的，采用三取一的设计，CPU、I/O模块、电源模块都冗余或其中的部分冗余。三套同时工作，最终输出取决于三者中的多数决定的结果。这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。当然，这样的系统成本是很高的，只用于特别重要的场合，如铁路车站的道叉控制系统。2）在软件方面：PLC的工作方式为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，避免继电控制系统常出现的冒险竞争，其控制结果总是确定的；而且又能应急处理急于处理的控制，保证了PLC对应急情况的及时响应，使PLC能可靠地工作。为监控 PLC运行程序是否正常，PLC系统都设置了看门狗（Watching dog）监控程序。运行用户程序开始时，先清看门狗定时器，并开始计时。当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。若超时（一般不超过100ms），则报警。严重超时，还可使PLC停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。定时器的计时值若不超时，则重复起始的过程，PLC 将正常工作。显然，有了这个看门狗监控程序，可保证PLC用户程序的正常运行，可避免出现死循环而影响其工作的可靠性。PLC还有很多防止及检测故障的指令，以产生各重要模块工作正常与否的提示信号。可通过编制相应的用户程序，对PLC的工作状况，以及PLC所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。PLC每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。这是系统程序配置了的，用户可不干预。出现故障时有相应的出错信号提示。正是PLC在软、硬件诸方面有强有力的可靠性措施，才确保了PLC具有可靠工作的特点。它的平均无故障时间可达几万小时以上；出了故障平均修复时间也很短，几小时以至于几分钟即可。曾有人做过为什么要使用 PLC的问卷调查。在回答中，多数用户把PLC工作可靠作为选用它的主要原因，即把PLC能可靠工作，作为它的首选指标。13 自动药柜的概述 本节是对自动药柜PLC控制系统做一个详细的介绍，包括其特点、主要结构、使用方法、使用时的注意事项等等。131 产品特点：1、 节省占地，配置灵活，建设周期短。2、节约人力与时间3、可采用自动控制，构造简单，安全可靠。4、取药迅速，等候时间短。5、运行平稳，工作噪声低。132 主要结构：自动药柜主要由底盘、五行五列的矩阵药柜、运动机械及电气控制等四部分组成。 机械部分采用滚珠丝杠、滑杠、普通丝杠等机械元件组成，采用步进电机、作为拖动元件。电气控制是由三菱生产的可编程序控制器(PLC)、步进电机驱动电源模块、开关电源、位置传感器等器件组成。本系统采用滚珠丝杠、滑杠和普通丝杠作为主要传动机构，电机采用步进电机，其关键部分是自由度机械手，它由水平移动、垂直移动及前后移动三部分组成，其分别用三台步进电机驱动滚珠丝杠来完成。它里面装有装有丝杠等传动机构。当自由机械手移动到药柜的指定位置时，药柜上面的传感器会自动感应，机械手就会在这个地方停留三秒，药柜会通过丝杆的运动将里面的药品推出来，落在机械手前面安装的接药箱里面，完成一个取药动作，当取到药品后，又到达下一个药柜的位置，这样直到取出一副完整的药品后，则机械手回到初始位置。整个系统需要三维的位置控制。133 使用方法：首先熟悉药柜大体结构 图1.31、接药箱2、传动丝杆3、升降、前后电机4、水平移动电机5、传动丝杆6、传动丝杆具体过程如下：1、 医生开处方，将处方输入到电脑中2、 电脑对应系统程序找到正确的药箱位置3、 机械手到达指定位置取药4、 取药完毕后，机械手回到原位134 技术参数：1、输入电压：AC200V240V（带保护地二芯插座）或DC24V，耗电量250W。2、环境：湿度小于或等于百分之八十。3、外形尺寸：根据实际情况定135 注意事项:1、取药模型机械手到位情况，应检测开关的动作情况2、机械手每次取药后都要回到原位，要观察其是否回到了原位第二章 自动药柜控制系统的设计21 控制要求1、当每天医药房上班的时候,插上电源,按下开关按钮,如果没有给命令系统就处于待机状态。2、当系统有指令时就执行取药指令：1）看机械手是不是能够按照系统所给的药柜的编号到达所对应的药柜2）每准确到了一个药柜的位置，机械手都会自动的停留三秒，以便于有时间等药柜里面的药出来，完成取药动作。3）达指定位置的过程中是通过计数来实现。3）机械手前进过程中是是根据时间来实现。22 PLC选择FX系列PLC是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2系列PLC产品。其中FX2是1991年推出的产品，FX0是在FX2之后推出的超小型PLC，近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有较高的性能价格比，应用广泛。它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。FX系列PLC型号的含义如下： FX 系列名称 输入输出总点数 特殊品种 单元类型 输出方式 图2.1在使用FX系列PLC之前，我需对其的主要性能指标进行认真查阅，只有选择了符合要求的产品才能达到既可靠又经济的要求。1FX系列PLC性能比较以上我们已对FX系列PLC的基本单元、扩充单元及特殊功能模块等做了介绍，尽管FX系列中FXOS、FX1S、FX1N、FX2N等在外形尺寸上相差不多，但在性能上有较大的差别，其中FX2N和FX2NC子系列，在FX系列PLC中功能最强、性能最好。FX系列PLC主要产品的性能比较如表2.2所示。型号I/0点数基本指令执行时间功能指令模拟模块量通信FX0S10301.63.6s50无无FX0N241281.63.6s55有较强FX1N141280.550.7s177有较强FX2N162560.08s298有强 表2.22FX系列PLC的环境指标F X系列PLC的环境指标要求如表2.3所示。环境温度使用温度0550C，储存温度-20700C环境湿度使用时35%85%RH（无凝露）防震性能JISC0911标准，1055HZ，0.5(最大2G),3轴方向各2次(但用DIN导轨安装时为0.5G)抗冲击性能JISC0912标准,10G,3轴方向各3次抗噪声能力用噪声模拟器产生电压为1000伏(峰峰值)、脉宽1s、30100Hz的噪声绝缘耐压AC1500V,1min(接地端与其他端子间)绝缘电阻5M以上（DC500V兆欧表测量，接地端与其他端子间）接地电阻第三种接地，如接地有困难，可以不接使用环境无腐蚀性气体，无尘埃。表2.3 3F X系列PLC的输入技术指标FX系列PLC对输入信号的技术要求如表2.4所示。输入端项目X0X3（FX0S）X4X17（FX0S）X0X7（FX0N、1S、1N、2N）X10（FX0N、1S、1N、2N）X0X3（FX0S）X4X17（FX0S）输入电压DC24V10%DC12V10%输入电流8.5mA7mA5mA9mA10mA输入阻抗2.7k3.3 k4.3 k1 k1.2 k输入ON电流4.5mA以上4.5mA以上3.5mA以上4.5mA以上4.5mA以上输入OFF电流1.5mA以下1.5mA以下1.5mA以下1.5mA以下1.5mA以下输入响应时间约10ms, 其中：FX0S、FX1N的X0X17和FX0N的X0X7为015ms可变，FX2N的X0X17为060ms可变输入信号形式无电压触点，或NPN集电极开路晶体管电路隔离光电耦合器隔离输入状态显示输入ON时LED灯亮表2.4 4FX系列PLC的输出技术指标FX系列PLC对输出信号的技术要求如表2.5所示。项目继电器输入晶闸管输出晶体管输出外部电源AC250V或DC30V以下AC85240VDC5V30V最大电阻负载2A/1点、8A/4点、8A/8点0.3A/点、0.8A/4点（1A/1点2A/4点）0.5A/1点、0.8A/4点（0.1A/1点、0.4A/4点）（1A/1点、2A/4点）（0.3A/1点、1.6A/16点）最大感性负载80VA15VA/AC100V、30VA/AC200 V12W/DC24V最大灯负载100W30W1.5W/DC24V开路漏电流1mA/AC100V2mA/AC200v0.1mA以下响应时间约10msON：1ms，OFF：10msON：0.2ms、OFF：0.2ms大电流OFF为0.4ms以下电路隔离继电器隔离光电晶闸管隔离光电耦合器隔离输出动作显示输出ON时LED亮表2.5由以上综合选用FX2N系列的PLC，FX2N系列PLC是FX系列中最高级的模块。 它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2n是从16到256路输入/输出的多种应用的选择方案。所以这里选择的PLC是FX2N-64MR-001。FX2N-64MR-001具体含义：1、64：表示输入32点，输出32点，总点数为64。2、M：表示基本单元，另外还有E：表示扩展单元。3、R：表示继电器输出型，另外还有T：表示晶体管输出型，S：表示可控硅输出型。23 继电器型号选择选用欧姆龙系列继电器，其中又分为MY系列，LY系列，MKS系列，G2R系列，选用MY系列中的MY4NJ，因为适用各种用途上的小型继电器，额定电流5A，机械寿命AC5000万次以上，DC1亿次以上，开闭频率度18000次/h,电气寿命AC20万次以上，负载开闭频率度1800次/h.，电 压:AC110V AC220V AC24V DC12V DC24V DC48V，由表2.6具体参数是：表2.624 稳压电源因为继电器工作时需要24V直流电压，所以要选一个输出电压为24V的稳压电源，选用明纬电源稳压器，因为明纬电源主要特点是具有低价格、高可靠性、高效率、工作温度低、体积小、重量轻、低纹波、内藏滤波器、寿命长、短路保护、过载保护、内附突出电流抑制电路等许多优点。由表2.7: 表2.725 I/O地址分配表自动药柜I/O分配表（2.8）：输入部分输出部分X0启动按钮Y1上下X1停止按钮Y2M1电源控制X2左限位Y3左右X3后限位Y4M2电源控制X4下限位Y5前后X5前限位Y6M3电源控制X6水平计数X7垂直计数 表2.826 程序说明261 自动程序 第三章 系统的调试31 PLC控制系统的调试目前，虽然PLC控制系统的应用已相当普及，但在某些场合，其调试，维修工作仍然有待于规范化。为了能够迅速，规范地完成现场的调试与维修工作， 使得系统可靠，安全地工作，本章将系统地，全面地介绍PLC控制系统调试，维修的基本方法与具体步骤，并给出相关技术资料，设备 仪器准备等方面的要求 ，供读者参考。调试前的准备1 技术资料技术资料是调试与维修的指南，它在调试与维修工作中起着至关重要的 作用，借助于技术资料可以大大提高调试与 维修工作的效率。PLC控制 系统的调试工作，一般来说都是由系统硬件，软件设计者本人承担，调试者应对设备，生产现场的控制要求非常了解，对自己设计的PLC程序了如指掌，因此，调试所需要的基本技术资料准备一般比较充分与具体。通常情况下，调试人员应具备以下资料，以开展并完成调试工作。1) 设备的控制要求汇总表2) 设备电气控制控制原理图3) 设备电气接线图4) 设备电气元件布置图5) PLC使用手册，编程手册6) 设备PLC程序清单7) PLC特殊功能模块，专用控制装置（如变频器，驱动器等）的使用说 明书等。但是，设备到达生产现场（用户）后，PLC控制系统的调试工作可能不是由设计者本人承担，因此，调试人员需要有对设备，生产现场的控制要求，系统设计思想的了解与熟悉过程，为此，现场调试人员应在以上资料的基础上增加以下资料：1) 设备的操作手册（包括设备的控制要求与动作过程，安装和调整的方法与步骤等）2) 设备主要部件的结构原理示意图3) 设备最终的PLC程序清单等设备的控制要求汇总表是系统设计的依据，也是检验系统软件，硬件设计正确与否的标准，在调试阶段，需要根据以上要求， 逐一试验PLC的用户程序的设计 正确性。一般情况下，设备的控制要求汇总表仅仅是系统设计者的设计准备资料，并不向用户提供，因此，当非设计者本人进行调试与维修时，需要通过设备的操作手册（包括设备的控制要求与动作过程，安装和调整的方法与步骤等），主要部件的结构原理示意图，液压，气动，润滑系统图。熟悉设备控制要求，了解设备动作情况。设备电气控制原理示意图，电气接线图，电气元件布置图是检查系统硬件连接，安装的技术文件。在调试阶段或维修时必须以此为依据来检查系统的硬件连接情况或确认故障部位，资料必须与实际线路，元器件安装相等。PLC使用与编程说明书，既是调试人员调试用户程序，对PLC程序进行修改的参考资料，也是其他人员分析，理解PLC程序，详细了解，分析机床的动作过程，动作条件动作顺序以及各信号之间的逻辑关系的依据。用于最终调试或维修的PLC程序清单应是设备生产厂家的设计人员在完成调试后的最终版本。虽然PLC程序可以通过从现场PLC下载等方法得到，但这样的PLC程序往往无注释，阅读程序需要花费一定的时间。为了调试与维修方便，最好使用生产厂家提供的，具有注释的PLC文件，生产厂家在设备出厂时也应予以提供。PLC特殊功能模块，专用控制装置（如变频器，驱动器等）的使用说明书，是系统中使用的功能模块，伺服驱动，变频器等特殊部件的原理与连接说明书。主要包括以上部件的连接与控制要求，调试要点等，它是系统调试与维修的重要参考资料。当设备中使用了控制装置，功能部件时，设备生产厂家也应将其提供给用户，以便这些部件以发生故障时，调试，维修人员可以进行现场处理。32 调试与维修工具合格的调试，维修工具是进行PLC系统调试与维修的基本条件，PLC控制系统常用的调试与维修工具主要有以下几种:数字万用表：数字万用表可用于大部分电气参数的准确测量，以判别电气元件的性能好坏。PLC系统调试与维修，对数字表的基本测量范围以及精度要求一般如下：1) 交流电压表：200MV-700V，200MV挡的分辨率应不低于100微伏2) 直流电压：200毫伏-1000伏，200毫伏挡的分辨率应不低于100微伏3) 交流电流：200微安-20安，200微安挡的分辨率不低于0.1微安4) 直流电流：20微安-20安，20微安挡的分辨率不低于0.01微安5) 电阻：200欧-200兆欧，200