PLC在CM6132卧式车床改造中的应用

山西农业大学工程技术学院毕业设计说明书PLC在CM6132卧式车床改造中的应用1 引言普通车床是用途非常广泛的金属切削工具，传统车床的控制系统通常为继电- 接触器控制。由于继电器系统接线复杂，故障诊断与排除困难，并存在触点易被电弧烧坏而导致接触不良；机械方式实现的触点控制反映速度慢；继电器的控制功能被固定在线路中，功能单一、灵活性差等缺点。为了提高设备的利用率，提高产品的质量和产量，就要对这些普通车床进行技术改造。PLC是先进的工业化国家通用的标准工业控制设备，在现代工业自动控制中，PLC、CAD/CAM、工业机器人并称为现代工业控制的三大技术支柱。PLC以其可靠性高，逻辑功能强等优点在众多的行业中得到广泛的应用，而且小型PLC的价格目前比较便宜，因此在普通车床的控制电路中发挥了及其重要的作用。1.1 课题背景加工技术及其装备在制造过程中占有重要地位:制造装备中80%以上零件需进行加工,而且加工过程周期长,约占新产品开发周期3040%,占批量生产产品工时4050%, 加工费用高,全世界约1亿吨钢和非铁材料变成切屑,切削加工的耗费每年在2500亿美元以上。因此机床工业是备工业的基础,世界发达国家对其发展非常重视,机床产值持续增长我国机床产量和消费量呈快速发展态势。我国机床市场的高速发展使得2005年我国机床产值、进出口额、消费额继续全面增长, 2005年机床进口额65亿美元、消费额109亿美元,是继2002、2003、2004年之后第四次居首位,是世界上的机床消费和进口第一大国。而产值也达到50亿美元, 10%的占有率排在世界第三位。近年来数控机床无论从产量、消费量还是进口量上都加快了增长速度,但进口量增长率始终大于产量增长率,国外数控产品始终对国产数控机床保持着压力。虽然增长率差额由3.3%减小到了0.9%,但简单的经济型数控机床占到近70%,高中档数控机床几乎全部依赖进口, 结构矛盾依然突出。机床行业数控化率呈现稳步攀升的态势,产值数控化率为36.3%,但仍远低于同期日本的88%,韩国的89%,德国和美国的75%左右, 同时,2004年和2005年我国数控机床的产量数控化率连续两年保持在13%左右,远低于日本同期的75.5%,德国和美国是60%的水平。这意味着我国数控机床的发展空间很大。机床行业“十一五”期间计划将国产数控机床国内市场占有率提高到50%,按2005年数据来看,数控机床市场占有率仅为31%,要到2010年达到50%的市场占有率,这意味着数控机床产值未来5年年均增速为30%。目前,“十一五”期间我国数控机床产业的发展目标及重点行业已基本确定。为此, 未来五年的突破重点是:发展大型、精密、高速数控装备和数控系统及功能部件,改变大型、高精度数控机床大部分依赖进口的现状。力争通过加快产业和产品结构调整,到“十一五”末实现:国产数控机床占国内需求市场的比重从现在的不足30%上升至50%以上,国产数控机床采用自己的功能部件达到60%以上。1.2课题研究目标及其意义本课题主要对PLC的机构、特点、性能进行具体的学习研究，掌握了PLC的基本原理及编程方法，能够根据工艺过程和控制要求进行编制应用程序，并且应用PLC对CM6132型卧式车床进行实现自动控制。通过PLC对车床的控制不但充分发挥设备效能和迅速提升加工技术和精度，而且可以扩大加工能力，减少故障，提高效率，为企业进行机床的技术改造提供了有效方法。2 车床及其电气控制线路分析2.1 车床的结构及运动形式车床是一种应用极为广泛的金属切削机床。用它能车削外圆、内孔、端面、螺纹定型表面等，并可装上钻头、铰刀等工具进行加工。普通车床的主要组成部件有：主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠和床身。图1 普通车床结构图（1）主轴箱：又称床头箱，它的主要任务是将主电机传来的旋转运动经过一系列的变速机构使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速，同时主轴箱分出部分动力将运动传给进给箱。主轴箱中等主轴是车床的关键零件。主轴在轴承上运转的平稳性直接影响工件的加工质量，一旦主轴的旋转精度降低，则机床的使用价值就会降低。 （2）进给箱：又称走刀箱，进给箱中装有进给运动的变速机构，调整其变速机构，可得到所需的进给量或螺距，通过光杠或丝杠将运动传至刀架以进行切削。（3）丝杠与光杠：用以联接进给箱与溜板箱，并把进给箱的运动和动力传给溜板箱，使溜板箱获得纵向直线运动。丝杠是专门用来车削各种螺纹而设置的，在进行工件的其他表面车削时，只用光杠，不用丝杠。同学们要结合溜板箱的内容区分光杠与丝杠的区别。溜板箱：是车床进给运动的操纵箱，内装有将光杠和丝杠的旋转运动变成刀架直线运动的机构，通过光杠传动实现刀架的纵向进给运动、横向进给运动和快速移动，通过丝杠带动刀架作纵向直线运动，以便车削螺纹。（4）刀架、尾架和床身。在车削加工中，工件旋转为主运动，它有主轴通过卡盘或顶尖带动，由控制电路实现正反转。在车削时，根据被加工零件的材料性能、车刀材料、零件尺寸精度要求、加工方式及冷却条件等来选择车削速度，这就要求车床主轴能在较大范围内变速，对于普通车床，调速比一般应大于70。通常车削工作过程中，一般不要求反转，但对于一些特殊的加工需要则使用，如加工螺纹，为避免乱扣，需反转退刀，再进刀继续加工。车床的进给运动史刀架的纵向与横向直线运动，起运动方式有手动和机动控制两种。车削螺纹时，工件的旋转速度与刀具的进给速度应有严格的比例关系。车船纵、横两个方向的进给运动是由主轴箱的输出轴，经交换齿轮箱、进给箱、光杆传入溜班箱而获得的。车床的辅助运动为溜班箱的快速移动、尾座的移动和工件的加紧和松开。2.2 普通车床的工作特性与电力拖动控制要求普通车床的工作特性与电力拖动控制要求如下：（1）通常车削加工近似于恒功率负载，同时考虑经济性、工作可靠性等因素，主拖动电动机选用笼型异步电动机。（2）为了满足车削加工调速范围大的要求，车床主轴要求采用机械变速方法，但在较大型车床上也采用电动机变极调速的方法，进行速度分档。（3）车削螺纹式，要求主轴能正、反向旋转，对于小型车床采用控制电动机正、反转来实现，这样可大大简化机械结构。对于较大型的车床，直接控制电动机正、反转时，为了避免对电网的冲击，同时便于平滑过渡加工过程，很多都采用了机械传动方法来实现主轴正、反转，如采用摩擦离合器、多片是电磁离合器等。（4）车削螺纹时，刀架移动与主轴旋转运动之间必须保持正确的比例关系，故主运动和进给运动只由一台电动机拖动，它们之间通过一系列齿轮传动来实现配合。（5）主电动机的启动和停止。当主电动机功率小于5KW且电网容量满足要求的情况下，可控制电动机直接启动，否则应采用降压启动的控制方法。（6）较大型车床溜板是由一台可以正、反向旋转地电动机单独拖动的。这样可以有效减轻工人的劳动强度，提高机械加工的效率。（7）车削加工中，为防止刀具和工件的温度过过，延长刀具使用寿命，提高加工质量，车床都附有一台冷却泵电动机，只需单方向旋转，且只在主轴电动机加工时，方可选择启动与否，主轴电动机停止时它也应停止。当加工铸件或高速切削钢件时，不能采用冷却液，以保护机床与刀具，因此，冷却泵驱动电动机还应设有单独操作的控制开关。（8）必要的保护环节、连锁环节、照明和信号电路。2.3 机床电气控制线路分析电气控制线路分析的基本思想是“先机后电、先主后辅、化整为零、集零为整、统观全局、总结特点”。在分析机床电气控制线路前，首先要了解机床的主要技术性能及机械传动、液压和气动的工作原理。弄清各电动机的安装部位、作用、规格和型号。初步熟悉各种的安装部位、作用以及各操纵手柄、开关、控制按钮的功能和操纵方法。注意了解与机床的机械、液压发生直接联系的各种电器（如：行程开关、撞块、压力继电器、电磁离合器、电磁铁等）的安装部位及作用。分析电气控制线路时，要结合说明书或有关的技术资料将整个电气控制线路划分成若干部分逐一进行分析。例如：各电动机的起动、停止、变速、制动、保护及相互间的联锁。在仔细阅读设备说明说、了解电器控制系统的总体结构、电动机电器的分布状况及控制要求等内容之后，便可以分析电气控制原理图了。电气控制原理图通常由主电路、控制电路、辅助电路、保护及联锁环节以及特殊控制电路等部分组成。分析控制电路的最基本方法是查线读图法。2.3.1 电气控制原理图的阅读分析方法与步骤（1）分析主电路无论线路设计还是线路分析都是先从主电路入手。主电路的作用是保证机床拖动要求的实现。从主电路的构成可分析出电动机或执行电器的类型、工作方式，起动、转向、调速、制动等控制要求与保护要求等内容。（2）分析控制电路主电路各控制要求是有控制电路来实现的，运用“化零为整”、“顺藤摸瓜”的原则，将控制电路按功能划分为若干个局部控制线路，从电源和主令信号开始，经过逻辑判断，写出控制流程，以简单明了的方式表达出电路的自动工作过程。（3）分析辅助电路辅助电路包括执行元件的工作状态显示、电源显示、参数测定、照明和故障报警等。这部分电路具有相对独立性，起辅助作用但又不影响主要功能。辅助电路中很多部分是受控制电路中的元件来控制的。（4）分析联锁与保护环节生产机械对于安全性、可靠性有很高的要求，实现这些要求，除了合理地选择拖动、制动方案外，在控制线路中还设置了一系列电气保护和必要的电气联锁。在电气控制原理图的分析过程中，电气联锁与电气保护环节是一个重要内容，不能遗漏。（5）分析特殊控制环节在某些控制电路中，还设置了一些与主电路、控制电路关系不密切，相对独立的某些特殊环节，如产品计数装置、自动检测系统、晶闸管触发电路和自动调温装置等。这些部分往往自成一小系统，其读图方法可参照上述分析过程，并灵活运用所学过的电子技术、变流技术、自控系统、检测和转换等知识进行逐一分析。（6）总体检查经过“化零为整”，逐步分析了每一局部电路的工作原理以及各部分之间的控制关系之后，还必须用“化零为整”的方法检查整个控制线路，看是否有遗漏。特别要从整体角度去进一步检查和理解各控制环节之间的联系，以达到正确理解原理图中每一个电气元器件的作用。2.3.2 查线读图法的要点查线读图法是分析继电接触器控制电路的最基本方法。继电接触器控制电路主要由信号元器件、控制元器件和执行元器件组成。用查线读图法阅读电气控制原理图时，一般先分析执行元器件的线路（即主电路）。查看主电路有哪些控制元器件的触点及电器元器件等，根据它们大致判断被控制对象的性质和控制要求，然后根据主电路分析的结果所提供的线索及元器件触点的文字符号，在控制电路上查找有关的控制环节，结合元器件表和元器件动作位置图进行读图。控制电路的读图通常是由上而下或自左往右，读图时假想按下操作按钮，跟踪控制线路，观察有哪些电器元件受控动作。再查看这些被控制元器件的触点又怎样控制另外一些控制元器件或执行元器件动作的。如果有自动循环控制，则要观察执行元器件带动机械运动将使哪些信号元器件状态发生变化，并又引起哪些控制元器件状态发生变化。在读图过程中，特别要注意控制环节相互间的联系和制约关系，直至将电路全部看懂为止。3 CM6132卧式机床的电气控制原理3.1 CM6132卧式机床的概述 图2 CM6132普通车床结构示意图CM6132表示的含义：C机床类型代号（车床类）M机床通用特性代号（精密机床）6机床组别代号（落地及卧式车床组）1机床系别代号（卧式车床系）32主参数代号（床身上最大回转直径320mm）CM6132卧式车床的特点：（1）主运动的正反转由操作手柄控制，用继电器实现控制电路的自锁和控制电路的零压保护。（2）主轴采用电磁离合器制动，当操作手柄扳向停车(中间)位置时，电磁离合器线圈自动通电，主轴制动。待通电一段时间后，电磁离合器电路自动切断。（3）机床由自动开关接通电源，液压泵的起动、停止由自动开关控制。3.2 CM6132卧式机床的电气控制线路分析CM6132卧式车床电气控制原理图如附录图1. CM6132型普通车床电气元件目录表如附录表1.3.2.1 主电路分析CM6132型普通车床共有三台笼型三相异步电动机。拖动主运动及进给运动的电动机为主电动机Ml，功率3kW；供给主运动变速箱润滑油的电动机是液压泵电动机M2，功率120W，M3为冷却泵电动机，功率125W。三台电动机均为直接起动。三相交流电源通过空气断路器QF引入2，该断路器具有短路、过载和失压保护，能在线路发生上述故障时快速自动切断电源。KM1和KM2为主电动机Ml正转和反转用的接触器。KA为液压泵电动机M2起动、停止用的中间继电器。SA2为冷却泵电动机M3接通和断开用的转换开关。熔断器FU1为M2、M3两台电动机的短路保护。3.2.2 控制电路分析1主轴电动机正反转控制。控制电路由三相交流电源380V供电，合上断路器QF后，接通三相交流电源。主电动机M1的正、反转由操纵手柄控制的转换开关SA1实现，操纵手柄位置与转换开关触点闭合、断开的关系见表1。当操纵手柄处在中间位置时，转换开关触点SA1-1闭合，中间继电器KA线圈通电吸合，主电路中KA常开触点闭合，M2先起动，控制电路中KA常开触点闭合实现控制电路自锁，并用作控制电路的零压保护，以防止电源断电后恢复电压时，电动机自行起动。M1后起动，实现了顺序起动。表1主电动机换向转换开关说明位置触点操纵手柄向上中间向下SA1-1-+-SA1-2+-SA1-3-+当操纵手柄处在向上位置时，触点SA1-1、SA1-3断开，而触点SA1-2闭合，接触器KM1线圈通电吸合，KM1主触点闭合，M1正转。KM1辅助常开触点闭合，时间继电器KT线圈通电，KT的延时常开触点闭合，为制动做准备。KM1的两个辅助常闭触点断开，分别断开KM2线圈和整流桥VC。若将操纵手柄处在向下位置时，触点SA1-1、SA1-2断开，SA1-3闭合，接触器KM2线圈通电吸合，Ml反转。KM2辅助触点动作情况与KM1类同。转换开关的触点SAl-2、SAl-3在机械上保证了两个接触器KM1、KM2同时只能有一个线圈通电吸合，KM1、KM2的辅助常闭触点在电气上也保证同时只能有一个接触器通电吸合，因此避免了两个接触器同时通电吸合，造成电源的相间短路，该线为互锁保护。2主轴电动机的停机制动控制。操纵手柄回到中间位置时，SA1-2、SA1-3断开，接触器KM1或KM2线圈断电。时间断电器KT线圈也断电，辅助常闭触点KM1、KM2均闭合，KT断电延时常开触点此时仍处于闭合状态。整流桥VC接通，以供给电磁离合器YC线圈的直流电，使主轴制动，经延时后，KT断电延时常开触点断开，切断电磁离合器YC线圈的直流电源，主轴制动结束。机床照明电路的电源，由控制变压器TC二次侧供电输出电压48V。EL为照明灯，其接通或断开由转换开关SA3控制，熔断器FU3为照明电路的短路保护。合上断路器QF后，指示灯HL1亮，表示三相交流电源被引人。指示灯HL1的电源，由控制变压器TC二次侧供电输出电压6V。3主轴的变速控制。机床主运动的变速完成后，指示灯HL2亮，说明可以开始正常起动。转动变速手柄，使液压变速阀转动相应的位置，使两组拨叉同时移到相应的位置定位，并压下微动开关SQ1、SQ2，使其常开触点闭合，接通电源6V，指示灯HL2亮。若滑移齿轮未啮合好，指示灯HL2不亮。可以转动主轴，使齿轮正常啮合。灯HL2亮，表示变速完成。4冷却泵电动机控制M2是冷却泵电动机，功率为0.125KW，单向旋转，由转换开关SA2手动操作控制。M2电动机的电源接在KM1、KM2主触点之后，实现了冷却泵电动机应在主轴电动机启动之后才能启动的顺序启动控制要求。5液压泵电动机控制M3是拖动液压泵电动机，功率为0.12KW，单向旋转，提供主轴变速装置和润滑的用油。因为电动机容量小，采用转换开关SA1-1控制中间继电器KA实现控制。液压泵电动机的启动、停止通过自动开关控制。3.3 联锁、保护环节、照明与信号指示电路分析1联锁环节。接触器KM1、KM2，常闭触点实现正、反向电气互锁，同时实现启动工作与停机制动互锁。利用转换开关SA1机械定位，实现正、反转及启动与停机的机械联锁。2保护环节。通过自动开关QF，实现主轴电动机的短路、过载保护。熔断器FU1实现对电动机M2、M3的短路保护，熔断器FU2实现对控制电路及变压器的短路保护，熔断器FU3实现照明电路的短路保护，熔断器FU4实现直流电路的短路保护。转换开关SA1与继电器KA实现零压保护。3信号显示电路。信号灯HL1为电源指示灯；HL2为主轴变速完成指示灯，变速完成时SQ1、SQ2压合，HL2等亮。4照明电路。通过转换开关SA3控制EL照明电路，照明电路具有一定的独立性。4 可编程控制器可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）， 简称PLC，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PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。4.1 PLC的由来、定义及分类4.1.1 PLC的由来在20世纪60 年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969 年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即：编程方便，现场可修改程序；维修方便，采用模块化结构；可靠性高于继电器控制装置；体积小于继电器控制装置；数据可直接送入管理计算机；成本可与继电器控制装置竞争；输入可以是交流115V；输出为交流115V 2A 以上能直接驱动电磁阀接触器等；在扩展时原系统只要很小变更；用户程序存储器容量至少能扩展到4K。1969 年，美国数字设备公司（DEC） 研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971 年，已经成功地应用于食品、饮料、冶金、造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971 日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974 年开始研制，于1977年开始工业应用。4.1.2 PLC的定义PLC 问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufactory Association） 经过四年的调查工作，于1984 年首先将其正式命名为PC（Programmable Controller），并给PC 作了如下定义：“PC 是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC 之功能，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。”以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC 标准的草案第一稿，第二稿，并在1987 年2 月通过了对它的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。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。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。4.1.3 PLC的分类（1）小型PLC小型PLC 的I/O 点数一般在128 点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体除了开关量I/O 以外，还可以连接模拟量I/O 以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。（2）中型PLC中型PLC 采用模块化结构，其I/O点数一般在2561024 点之间。I/O的处理方式除了采用一般PLC 通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。（3）大型PLC一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。大型PLC的软、硬件功能极强。具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。大型PLC 还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。4.2 PLC的特点与发展阶段4.2.1 PLC的特点可编程序控制器专为在工业环境下应用而设计，以用户需要为主， 又采用了先进的微型计算机技术，所以具有以下几个显著特点：（1）可靠性高PLC由于选用了大规模集成电路和微处理器，使系统器件数大大减少，并且在硬件和软件的设计制造过程中采取了一系列隔离和抗干扰措施，使它能适应恶劣的工作环境，所以具有很高的可靠性。PLC控制系统平均无故障工作时间可达2万小时以上，美国GE公司带冗余系统的PLC无故障工作时间高达45万小时，高可靠性是PLC成为通用自动控制设备的首选条件之一。（2）编程简单、使用方便PLC的编程采用类似继电控制系统电气原理的梯形图，用串联、并联、定时、计数等人们所熟悉的概念，使计算机语言大众化，只要是比较熟练的电工和熟悉工艺知识的人员在几天内就能学会，这是PLC得到推广的重要原因之一。（3）通用性好、具有在线修改能力PLC的硬件采用模块化结构，可以灵活地组态以适应不同的控制对象、控制规模和控制功能的要求，给组成各种系统带来极大的方便，同一台PLC装置用于不同的受控对象时，只是输入输出组件、功能模块和应用软件不同。同时，PLC控制系统中的控制电路是由软件编程完成的，只要对应用程序进行修改就可以满足不同的控制要求，因此PLC具有在线修改能力，功能易于扩展，给生产带来了“柔性”，具有广泛的工业通用性。（4）缩短设计、施工、投产试制周期，维护容易目前PLC产品已实现了系列化、标准化，正朝着通用化方向发展，设计人员只需要根据控制系统的需要，选用相应的模块进行组件设计。同时，用软件编程代替了继电控制的硬连线，大大地减轻了繁重的安装和接线工作，这不仅提高了可靠性，还极大地缩短了施工周期，PLC还具有故障检测及显示的功能，使故障处理时间可缩短为10分钟，对维护人员的技术水平要求也不太高。（5）体积小由于采用了微型计算机技术，使PLC达到了小型和超小型化，很容易装入机械设备内部，便于实现机电一体化。由于上述特点，PLC作为通用自动控制设备，可用于单一机电设备的控制，也可用于工艺过程的控制，而且控制精度相当高，操作简便，又具有很大的灵活性和可扩展性，使得PLC广泛应用于机械制造、冶金、化工、交通、电子、电力、纺织，印刷及食品等几乎所有工业行业。4.2.2 PLC的发展阶段虽然PLC 问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC 也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：（1）早期的PLC（60 年代末70 年代中期）早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC 多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O 接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的PLC 的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC 特有的编程语言梯形图一直沿用至今。（2）中期的PLC（70 年代中期80 年代中后期）在70 年代微处理器的出现使PLC 发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC 的中央处理单元（CPU）。这样，使PLC 得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC 得应用范围得以扩大。（3）近期的PLC（80 年代中后期至今）进入80 年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC 所采用的微处理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC 的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC 软、硬件功能发生了巨大变化。4.3 PLC的功能（1）逻辑控制（2）定时控制（3）计数控制（4）步进（顺序）控制（5）PID控制（6）数据控制（7）通信和联网（8）其它PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，CRT 模块。4.4 PLC的基本结构PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图3所示： 图3 PLC硬件结构1中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。它按照PLC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PLC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PLC的可靠性，近年来对大型PLC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。2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。（一）PLC常用的存储器类型RAM（Random Assess Memory）这是一种读/写存储器（随机存储器）。其存取速度最快由锂电池支持。EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下存储器内的所有内容保持不变。（在紫外线连续照射下可擦除存储器内容）EEPROM（Electrical Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。（二）PLC存储空间的分配虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理其存储空间一般包括以下三个区域：（1）系统程序存储区在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的性能。（2）系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）。系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等存储器。1）I/O映象区由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要一定数量的存储单元（RAM）以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象区。一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit），一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个bit）。因此整个I/O映象区可看作两个部分组成：开关量I/O映象区，模拟量I/O映象区。2）系统软设备存储区除了I/O映象区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。逻辑线圈 与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统RAM存储区中的一个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制线路中的继电器。另外，不同的PLC还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不同的功能。数据寄存器 与模拟量I/O一样，每个数据寄存器占用系统RAM存储区中的一个字（16bits）。另外，PLC还提供数量不等的特殊数据寄存器，具有不同的功能。计时器。计数器。（3）用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同类型的PLC，其存储容量各不相同。3电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC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。4.5 PLC的工作原理最初研制生产的PLC 主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。1 扫描技术当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。图4 工作过程（1）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。（2）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。（3）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。一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图5所示，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。图5 PLC的扫描周期2 PLC的I/O响应时间为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统慢的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。其最短的I/O响应时间与最长的I/O响应时间分别如图6和图7所示：图6 最短的I/O 响应时间示意图图7 最长的I/O 响应时间示意图3 PLC的循环扫描工作过程示意图循环扫描工作过程示意图如图8所示： 图8 PLC的循环扫描工作过程示意图4.6 LG公司的MASTER-K30S系列MASTER-K30S PLC具有如下的一些特征：（1）不同编程设备的简易编程。（2）可以在RUN（运行）模式下编辑。（3）支持国际标准通讯协议的不同开放网络，使用专用算法处理器实现高速处理。（4）为PLC不同应用领域提供各种不同的专用功能模块。表2 LG公司MASTER-K30S功能项目K30S指令数目基本30应用226处理速度1.2/步程序容量2，048步P（IO继电器）P0000P005F(96点)M（辅助继电器）M0000M031F(512点)K（保护继电器）K0000K015F(256点)L(连接继电器)L0000L015F(256点)F(特殊继电器)F0000F015F(256点)（计时器继电器）100msT000T095(96点)10msT096T127(32点)C（计数器继电器）C000C127(128点)S（步进控制器）S00.00S31.99(32100步)D（数据寄存器）D000D0255(256字)整数范围16 bit:-327683276732 bit:-21474836482147483647定时器类型On-继电器，Off-继电器，累加，单态，可触发计数器类型上升，下降，上升-下降，响铃计数器编程语言Mnemonic, 梯形图特殊功能实时时钟，高速计数器，RS-485通讯5 PLC对车床的控制5.1 I/O分配表，机型选择，输入输出端接线图为实现上述车床的控制要求,现选择LG公司生产的MASTER-30S型号,其I/O地址分配如下表所示:表3 I/O地址分配表输入信号输入地址号输出信号输出地址号主电动机正反转控制转换开关SA1-1P0000继电器KAP0006SA1-2P0001主电机控制正、反转接触器KM1P0007SA1-3P0002KM2P0008行程开关SQ1P0003变速指示灯 HL2P0012SQ2P0004照明灯 ELP0013转换开关SA3P0005图9是CM6132卧式车床的PLC的输入输出端接线图。图9 CM6132卧式车床的PLC的输入输出端接线图5.2 PLC控制程序梯形图图9 PLC控制程序梯形图5.3 PLC控制的梯形图语言程序Step Command 1 2 3 4 5 60 LOAD NOT P00001 OR P00062 OUT P00063 LOAD P00014 OR P00065 AND NOT P00086 OUT P00077 LOAD P00028 OR P00069 AND NOT P000710 OUT P000811 LOAD P000012 OR P000613 LOAD P000814 OR P000715 AND LOAD16 TON T000 0010019 LOAD T000020 AND NOT P000721 AND NOT P000822 OUT P000923 LOAD T000024 RST T000025 LOAD P000326 AND P000427 OUT P001228 LOAD P000529 OUT P001330 END5.4 PLC的调试过程1主轴电动机正反转控制。合上断路器QF后，接通三相交流电源。转换开关触点SA1-1闭合，P0000接通，中间继电器KA线圈通电吸合，线圈P0006得电主电路中KA常开触点闭合，即KA的常开触点P0006动作，M2先起动，控制电路中KA常开触点闭合实现控制电路自锁，M1后起动，实现了顺序起动。当操纵手柄处在向上位置时，触点SA1-1、SA1-3断开，P0000、P0002断开，而触点SA1-2闭合，P0001接通，接触器KM1线圈通电吸合，线圈P0007得电，KM1主触点闭合，主触点P0007接通，M1正转。KM1辅助常开触点，即P0007闭合，时间继电器KT线圈T000闭合，KT的延时常开触点T0000闭合，