毕业设计（论文）-自动取料控制系统的设计.doc

天 津 理 工 大 学专业设计报告题目：自动取料控制系统的设计学生姓名 学号 20080946 届 2013 班级 电气4班 学院 自动化学院 系 电气工程及其自动化 指导教师 职称 实验师 专业设计任务书、指导书专业设计题目：自动取料控制系统的设计.专业设计任务书（学生姓名: 王一品 ）一、专业设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作量）1、通过自动化综合应用技术设计，使学生初步掌握典型自动控制装置的基本结构、工作原理以及应用技术；依据专业设计任务要求，完成相应工艺与控制要求分析，进而完成控制系统的原理设计，最终完成各种控制装置的软硬件应用设计、接线、调试以及监控系统的组态设计；熟悉从简单的工况分析、控制要求、方案论证、具体设计、系统调试以及撰写文本报告的电气控制系统设计的全过程；培养运用专业理论知识解决工程实际问题的能力。机械手的机械结构主要包括由气缸控制的大臂的旋转动作，中臂、小臂的伸缩动作，以及爪的夹紧、放松动作，从而实现物料的位置转移；其动作转换靠设置在各个不同部位的行程开关产生的通断信号传输到PLC控制器，通过PLC内部程序输出不同的信号，从而驱动外部线圈来控制电磁阀产生不同的动作，可实现机械手的精确定位；其动作过程包括：下降、夹紧、上升、收缩、旋转、伸长、下降、松开、上升、旋转、伸长；其操作方式包括：回原位、手动、单周期、连续；来满足生产中的各种操作要求。2.设计要求1. 绘制控制流程图2. 列出I/O地址表3. 进行软硬件设计4. 编写设计说明书5. 设计小结专业设计参考资料1. 曹辉编 可编程序控制器系统原理及应用 电子工业出版社2. 王永华编 现代电气控制及PLC应用技术 北京航天航空大学出版社3. 贾德胜编 PLC应用开发实用子程序 人民邮电出版社4. 胡晓朋编 电气控制及PLC 机械工业出版社5. 张力勋 机电一体化系统设计基础 机械工业出社6. 赵明编 工厂电气控制设备 机械工业出版社.专业设计指导书1、 专业设计要点、设计步骤 1.原理图设计（1）.深入领会控制要求（2）.分析输入输出点的类型和性质,确定I/O点数（3）.绘制流程图（4）. 进行硬件设计（5）.进行软件设计（6）.撰写课程设计说明书（7）. 答辩2、 主要技术关键的分析、解决思路1. 正确分析输入、输出点的类型，区分开关量、模拟量2. 熟悉并掌握编程技巧 3. 硬件设计要先选型三、专业设计进度安排起 迄 日 期工 作 内 容2012-11-26充分领会专业设计的目的意义及要求，掌握其方法，了解气缸、电磁阀以及涉及工艺的工作原理及控制要求2012-11-29分析输入输出点的类型和性质,确定I/O点数2012-11-30进行硬件设计2012-12-7进行软件设计2012-12-14系统调试，编写说明书的2012-12-26答辩 自动取料控制系统的设计摘要随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。机械手的机械结构主要包括由气缸控制的大臂的旋转动作，中臂、小臂的伸缩动作，以及爪的夹紧、放松动作，从而实现物料的位置转移；其动作转换靠设置在各个不同部位的行程开关产生的通断信号传输到PLC控制器，通过PLC内部程序输出不同的信号，从而驱动外部线圈来控制电磁阀产生不同的动作，可实现机械手的精确定位；其动作过程包括：下降、夹紧、上升、收缩、旋转、伸长、下降、松开、上升、旋转、伸长；其操作方式包括：回原位、手动、单周期、连续；来满足生产中的各种操作要求。关键词：搬运机械手，可编程控制器，气压，电磁阀Automatic reclaimer control system designABSTRACTWith the popularization and development of industrial automation, the controller demand is increasing year by year, the handling robot applications is also becoming more common, primarily in the automotive, electronic, machining, food, medicine and other fields of production lines or cargo loading and unloading transporting, can be more good to save energy and improve the efficiency of the transport equipment or products, to reduce the limitations and shortcomings of the other handling to meet the requirements of modern economic development.The mechanical structure of the manipulator including the telescopic action provided by the by the cylinder control the rotating operation of the boom, in the arm, forearm, and the claw clamp, relaxing action, in order to achieve the transfer of the material location; its action transitions rely provided in various parts of the trip switch on-off signal transmission to the PLC controller, PLC internal program output signal to drive an external coil control solenoid valve produces different actions to achieve the precise positioning of the manipulator; course of the action, including: decreased , clamping, increased, contraction, rotation, elongation, decline to loosen up, rotation, elongation; its mode of operation comprising: a back into position manually, single-cycle, continuous; production to meet various operating requirements .Key Words：Handling robots, Programmable controllers, Pneumatic, Solenoid valve目 录第一章 机械手概况11.1搬运机械手简介11.2机械手的应用意义21.3机械手的发展概况21.4机械手的发展趋势31.5 PLC概况及在机械手中的应用41.5.1可编程序控制器发展概况41.5.2 PLC的应用概况41.5.3 PLC的特点51.5.4 PLC在机械手中的应用5第二章 机械手总体设计方案62.1机械手的控制要求62.2 机械手结构及其动作62.3机械手的操作方式7第三章 控制方法选择83.1可编程逻辑控制器83.1.1 PLC基本结构83.1.2 工作原理93.1.3 功能特点103.2 单片机113.2.1 基本结构123.2.2 应用领域133.2.3 功能特点143.3 继电器153.3.1 主要分类153.3.2选择方式173.3.3功能特点18第四章 PLC品牌选择204.1 西门子204.1.1设备技术规格204.1.2西门子PLC保养254.1.3西门子PLC分类264.2 欧姆龙264.2.1欧姆龙PLC特点274.2.2欧姆龙PLC保养284.3 三菱294.3.1三菱PLC特点294.3.2三菱PLC保养30第五章 西门子PLC产品32第六章 机械手的硬件系统设计346.1 I/O分配346.2 PLC外部引脚接线356.3操作面板366.4主电路图37第七章 机械手的软件系统设计387.1整体程序结构387.2实现单步操作工序的程序397.3单周期和连续操作程序39第五章 结论43参考文献44致谢44天津理工大学2013届本科专业设计说明书第一章 机械手概况1.1搬运机械手简介在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面：1.热加工方面的应用热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。2.冷加工方面的应用冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。3.拆修装方面拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。1.2机械手的应用意义在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：1.可以提高生产过程的自动化程度应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。2.可以改善劳动条件避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3.可以减少人力，便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。1.3机械手的发展概况专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。5060年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。6070年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。总之，目前机械手的主要经历分为三代：第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。1.4机械手的发展趋势目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。到1995年，全世界约有50%的汽车由机械手装配。现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。1.5 PLC概况及在机械手中的应用1.5.1可编程序控制器发展概况可编程序控制器（programmable controller），现在一般简称为PLC（programmable logic controller），它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、通 信网络技发展起来的一种通用的工业自动控制装置。以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线刻控制盘（柜）就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差。1.5.2 PLC的应用概况PLC的应用领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC，尤其近几年来PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。按PLC的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面。1）. 用于逻辑控制这是PLC最基本，也是最广泛的应用方面。用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。2）. 用于模拟量控制PLC通过模拟量I/O模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。3）. 用于机械加工中的数字控制现代PLC具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制。4）. 用于工业机器人控制5）. 用于多层分布式控制系统高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。1.5.3 PLC的特点1. 可靠性高、抗干扰能力强PLC能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等中可靠地工作，PLC的平均无故障间隔时间高，日本三菱公司的F1系列PLC平均无故障时间间隔长达30万h，这是一般微机所不能比拟的。2. 控制系统构成简单、通用性强由于PLC是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需改变控制系统的功能时，不必改变PLC的硬件设备，只需相应改变软件程序。3. 编程简单、使用、维护方便4. 组合方便、功能强、应用范围广PLC既可用于开关量的控制又可用于模拟量的控制；既可用单片机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。因此，PLC应用范围很广。5. 体积小、重量轻、功耗低PLC采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低，空载功耗约1.2KW。1.5.4 PLC在机械手中的应用机械手通常应用于动作复杂的场合来代替人的反复的操作，从而节省人的劳动，普通继电器由于其体积和接口等各方面限制，经常被应用于动作简单的电气及流水线控制，而PLC以其可靠性高、抗干扰能力强;控制系统构成简单、通用性强；编程简单、使用、维护方便；组合方便、功能强、应用范围广；体积小、重量轻、功耗低等有点被广泛应用于类似机械手的控制动作复杂的场合，本设计正是以PLC控制为基础从而实现机械手的各种动。第二章 机械手总体设计方案2.1机械手的控制要求机械手的全部动作由气缸驱动，而气缸又由相应的电磁阀控制。其中，上行/右行和左行/右行分别由双线圈两位电磁阀控制。例如，当下行电磁阀通电时，机械手下行；当下行电磁阀断电时，机械手下行停止。只有当上行电磁阀通电时，机械手才上行；当上行电磁阀断电时，机械手上行停止。同样，左行/右行分别由左行电磁阀和右行电磁阀控制。机械手的放松/夹紧由一个单线圈两位置电磁阀控制。当该线圈通电时，机械手夹紧；当线圈断电时，机械手放松。为了确保安全，必须在上料工作台无工件时才允许机械手工作。也就是说，若上一次搬运到上料工作台上的工件尚未搬走时，机械手应自动停止，用光电开关进行无工件检测。2.2 机械手结构及其动作机械手的动作如图2.1（英文为Fig. 2.1）所示。若上料工作台上无工件，则光电开关接通。从原点开始，小臂下行电磁阀通电，机械手下行。下行到小臂下行限位开关，小臂下行电磁阀断电，小臂下行停止。同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧。夹紧之后，延迟1.7秒，小臂上升电磁阀通电，机械手上升，上升到小臂上行限位开关，小臂上升电磁阀断电，小臂上升停止。之后，中臂右行电磁阀通电，机械手右行，右行到中臂右行限位开关，中臂右行电磁阀断电，中臂右行停止。之后大臂右行电磁阀通电，机械手右行，右行到大臂右行限位开关，大臂右行电磁阀断电，大臂右行停止。之后小臂下降电磁阀通电，机械手下降。下降到小臂下行限位开关，小臂下降电磁阀断电，小臂下降停止。同时夹紧电磁阀断电，机械手松开。延时1.5秒后，小臂上升电磁阀通电，机械手上升，上升到小臂上行限位开关，小臂上升电磁阀断电，小臂上升停止。同时，大臂左行电磁阀通电，机械手左行。左行到大臂左行限位开关，大臂左行电磁阀断电，大臂左行停止。之后，中臂左行电磁阀通电，机械手左行。左行到中臂左行限位开关，中臂左行电磁阀断电，中臂左行停止。至此，机械手完成了一个周期动作。图2.1Fig. 2.12.3机械手的操作方式机械手的操作方式分为单步操作、单周期操作和连续操作方式。单步操作：用按钮操作对机械手的每一步运动单独进行控制。例如，当选择大臂时，按下启动按钮，机械手右行；按下停止按钮，机械手左行。当选择小臂时，按下启动按钮，机械手下行；按下停止按钮，机械手上行。当选择爪时，按下启动按钮，机械手夹紧；按下停止按钮，机械手放松。单周期操作：机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后停止。连续操作：机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手的动作将自动的连续不断地周期性循环。在工作中若按一下停止按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。第三章 控制方法选择3.1可编程逻辑控制器图3.1Fig. 3.1可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）如图3.1（英文为Fig. 3.1），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。3.1.1 PLC基本结构1. 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。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去2. 中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。3. 存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。4. 输入输出接口电路（1）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。（2）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。5. 功能模块如计数、定位等功能模块。6. 通信模块3.1.2 工作原理当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段：1. 输入采样阶段在输入采样阶段，可编程逻辑控制器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映象区中的相应的单元内。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。2. 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器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。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。3. 输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器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，才是可编程逻辑控制器的真正输出。3.1.3 功能特点1. 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。2. 功能强，性能价格比高一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。3. 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。4. 可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。5. 系统的设计、安装、调试工作量少PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。6. 维修工作量小，维修方便PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故。3.2 单片机单片微型计算机简称单片机如图3.2（英文为Fig. 3.2），是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。图3.2Fig. 3.2由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，当时的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。尽管2000年以后ARM已经发展出了32位的主频超过300M的高端单片机，直到目前基于8031的单片机还在广泛的使用。在很多方面单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用。事实上单片机是世界上数量最多处理器，随着单片机家族的发展壮大，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。 汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。3.2.1 基本结构1. 运算器运算器由运算部件算术逻辑单元（Arithmetic & Logical Unit，简称ALU）、累加器和寄存器等几部分组成。ALU的作用是把传来的数据进行算术或逻辑运算，输入来源为两个8位数据，分别来自累加器和数据寄存器。ALU能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。例如，两个数6和7相加，在相加之前，操作数6放在累加器中，7放在数据寄存器中，当执行加法指令时，ALU即把两个数相加并把结果13存入累加器，取代累加器原来的内容6。运算器有两个功能：（1）执行各种算术运算。（2）执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，并且，一个算术操作产生一个运算结果，一个逻辑操作产生一个判决。2. 控制器控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的“决策机构”，即协调和指挥整个微机系统的操作。其主要功能有：（1）从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。（2）对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便于执行规定的动作。（3）指挥并控制CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。微处理器内通过内部总线把ALU、计数器、寄存器和控制部分互联，并通过外部总线与外部的存储器、输入输出接口电路联接。外部总线又称为系统总线，分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。通过输入输出接口电路，实现与各种外围设备连接。3. 主要寄存器（1）累加器A累加器A是微处理器中使用最频繁的寄存器。在算术和逻辑运算时它有双功能：运算前，用于保存一个操作数；运算后，用于保存所得的和、差或逻辑运算结果。（2）数据寄存器DR数据寄存器通过数据总线向存储器和输入/输出设备送（写）或取（读）数据的暂存单元。它可以保存一条正在译码的指令，也可以保存正在送往存储器中存储的一个数据字节等等。（3）指令寄存器IR和指令译码器ID指令包括操作码和操作数。指令寄存器是用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存中取到数据寄存器中，然后再传送到指令寄存器。当系统执行给定的指令时，必须对操作码进行译码，以确定所要求的操作，指令译码器就是负责这项工作的。其中，指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。（4）程序计数器PCPC用于确定下一条指令的地址，以保证程序能够连续地执行下去，因此通常又被称为指令地址计数器。在程序开始执行前必须将程序的第一条指令的内存单元地址（即程序的首地址）送入PC，使它总是指向下一条要执行指令的地址。（5）地址寄存器AR地址寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元或I/O设备的地址。由于内存与CPU之间存在着速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存读/写操作完成为止。显然，当CPU向存储器存数据、CPU从内存取数据和CPU从内存读出指令时，都要用到地址寄存器和数据寄存器。同样，如果把外围设备的地址作为内存地址单元来看的话，那么当CPU和外围设备交换信息时，也需要用到地址寄存器和数据寄存器。3.2.2 应用领域单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：1. 在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。2. 在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。3. 在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。4. 在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。5. 单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。3.2.3 功能特点1. 高集成度，体积小，高可靠性 单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。 2. 控制功能强 为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。 3. 低电压，低功耗，便于生产便携式产品 为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V3.6V，而工作电流仅为数百微安。 4. 易扩展 片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。 5. 优异的性能价格比 单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。单片机的寻址能力也已突破64KB的限