多轴联动机械手PLC控制设计方案

多轴联动机械手PLC控制设计方案1.1绪论1.2课题背景工业机械手（以下简称机械手）（见图1-1）是近代自动控制领域中出现的一项新技术，已成为现代制造生产系统中的一个重要的组成部分。机械手的迅速发展是由于它具有积极作用正日益为人们所认识：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，机械手受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的人力物力加以研究和应用，尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。该技术在我国近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业企业的重视。但目前使用的机械手的电气控制系统一般采用继电器和开关元件组成的控制系统，不能实现较为复杂的逻辑控制和较多功能控制方式的选择，因而现场使用功能和控制方式单一，不能进行在线管理。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2〜3个自由度。能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式，能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手，它的结构是：机体上安装一回转长臂端部装有电磁铁的工件抓放机构控制系统是示教型的。1962年美国机械铸造公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现性机械手。商名为 Unimate（即万能自动）。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转，俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标是通用机械手就是在这个基础上发展起来的。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学研联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，定位误差可小于±1毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。德国及其制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输，焊接和设备的上下料等工作。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快，应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校，研究单位多达50多个。1976年各大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535太。其中国定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，示1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止至1979年，机械手累计产量达56900太。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%-60%的速度在增长。使用机械手最多的使汽车工业，其次是电机电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。第二代机械手正在佳节言之。它没有微型电子计算机控制系统，感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手则能独立的完成工作过程的任务。他与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元中重要一环。图1-1机械手示意图1.3课题的目的及意义伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机械手就在这样诞生了，机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用在机械工业中。应用多轴联动机械手的意义可以概括如下：一、 以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、 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、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，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的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、 可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，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的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。但是本文设计的多轴联动机械手是基于普通的工业机械手设计，并在其上添加了机械手手臂的旋转动作。这样的多轴联动机械手可以实现多条生产线间的传递。使得整体生产更加自动化、智能化。PLC可控制编程器和电气控制系统简介现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器PLC（ProgrammableLogicController）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。PLC的应用面广、功能强大、使用方便，已经广泛的应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，例如民用和家庭自动化的应用也得到了迅速的发展。PLC仍然处于不断的发展之中，其功能不断增强，更为开放，它不但是单机自动化中应用最广的控制设备，是其他计算机控制设备无法比拟的。气动原理是利用压缩空气作为动力源，使执行元件按一定逻辑规律工作的运算元件。气动逻辑元件可分为无可动部件的和有可动部件的两类。前者是射流逻辑元件（见射流元件），后者是微型逻辑阀。微型逻辑阀的工作压为5〜800千帕，寿命高达几百万至几千万次，工作频率由几赫到几百赫，频率响应时间由几毫秒至十多毫秒。微型逻辑阀的结构形式很多，有膜片型（单膜片、双膜片、多膜片）、滑阀型、截止型、膜片桓才旱型、球阀和弹簧阀等，其中膜片型、滑阀型、截止型是三种主要形式。膜片型微型逻辑阀的工作原理是输入压力信号使膜片堵塞气源，从而引起输出状态的改变；滑阀型微型逻辑阀的工作原理是压力信号驱动阀芯位移，从而改变输出状态；截止型微型逻辑阀的工作原理是利用阀芯微小位移来实现所需要的开关功能。1.5本文主要研究内容本多轴联动机机械手PLC控制设计主要是基于正确的模块设计、硬件选择（PLC种类确定、CPU种类确定）、I/O分配及接线和梯形图的设计与编程，实现多轴联动机械手的以下运动：1、 多轴联动机机械手手臂的垂直运动、水平运动。2、 多轴联动机机械手手臂的旋转运动。3、 多轴联动机机械手手部的夹紧运动和放松运动。4、 多轴联动机械手周期循环运动的手动控制和自动控制。第2章系统设计方案2.1系统硬件选择三菱FX系列PLC：是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出16〜25点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。FX系列PLC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路到256路输入/输出的多种应用的选择方案；FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小型程序装置。除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。程序容量：内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示器输出等。数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，10KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID控制指令等。外部设备相互通信，串行数据传送，ASCIIcode印刷，HEXASCII变换，校验码等。时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等。2.2CPU型号确定多轴联动机械手要实现物品的自动搬运工作，机械手需要先回到原点位置（图2-6机械手运动示意图）。可根据不同的工艺要求来设定机械手的动作顺序和动作的位移，要求控制系统具有手动运行模式、回原点模式和自动运行模式、半自动模式。故选择的CPU型号为FX2N-40MR，它共有四十个接口其中包括24个输入接口和16个输出接口。

2.3FX2N的外部连接2.3.1FX2N与电源连接FX2N基本单元与扩展单元间的电源的连接，COM端子互相连接而24V电源输出端子不能互联。1空端于俄中旌二-妹；匡用——一-工迩r 口职基亦单无的电源1空端于俄中旌二-妹；匡用——一-工迩r 口职基亦单无的电源AClQDV-2407^赋H魂曲『 m基木单元和津展单元呻「三滑屯二胃二K能互注 •-「广过——善^基木单元和津展单元呻「三滑屯二胃二K能互注 •-「广过——善^「•K：医室菰&叩甘展单元K旦酒4_Hi~J—u苗翳J、室F・F・#g压堡岳患然导建潟tK"\子EU展早兀疤X-供拓 图2-1FX2N与电源连接2.3.2输入接口连接FX2N基本单元、扩展单元通过光耦合器与输入端子连接，使用的电源是100-240V频率是50/60HZ。图2-2输入接口连接鬲源叫以卜由十FX2FE列PLC输出电路无内置保检为防止通路等故障燎断航基析配线须每鬲源叫以卜由十FX2FE列PLC输出电路无内置保检为防止通路等故障燎断航基析配线须每4点设置、10A保险2.3.3继电器输出接口连接由于FX2N系列PLC输出电路无内置保险，为防止短路等故障烧断基板配线，需每4点设置5〜10A保险。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。兰炽灯.、〜'毛气互鼠顼厂卜W -•制14 口I□ KV1—1<\1241 口IC： 螺线管L—i-——―IH-S电源-「以下—_L图2-3继电器输出接口连接

2.3.4晶闸管输出接口连接晶闸管是一种开关元件，顾名思义他的名字里面有一个闸字也就是门，开关的意思，他广泛的应用在各种电路，以及电子设备中，晶闸管是典型的小电流控制大电流的设备，他通过一个电流很小的脉冲触发晶闸管处于导通状态此时他的电阻变得很小相当于一跟导线。4点公共瑜出电路I电源AD252V以下C0N1Y000COM2Y00-^■17A|nnF|if72O4点公共瑜出电路I电源AD252V以下C0N1Y000COM2Y00-^■17A|nnF|if72O|各输出端设置脉冲吸收电路图2-4晶闸管输出接口连接■nI「―厂玉I■nI「―厂玉I□DI9pf22fl2.3.5晶体管输出接口连接晶体管输出接口连接控制各输出端设置脉冲吸收电路。己点公共输出电路各输出端没置脉冲吸收电路KM2 1 —m——口1□——KM2 1 —m——口1□——图2-5晶体管输出接口连接2.4整体结构机械手的整体结构包括执行机构、驱动和控制机构：执行机构：主要包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同可分为夹持式和吸附式手部；手腕是连接手部和手臂的部件，其调整或改变工件方位的作用；手臂是支撑手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置；立柱是支撑手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和生降运动均与立柱有密切的联系。驱动系统：气压传动是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动。其主要特点是介质来源及方便、气动动作迅速、结构简单、成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性差，而且气源压力较低，适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。控制系统：应用FX2N-40MR进行自动控制包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、数据处理、模拟量设定和时钟功能等，能广泛处理机械控制应用问题。它完整的通信功能保证了与个人计算机、其它 FX系列PLC和S7-200可编程终端的通信。图2-6多轴联动机械手运动示意图多轴联动机械手要实现物品的自动搬运工作，机械手需要先回到原点位置。可根据不同的工艺要求来设定机械手的动作顺序和动作的位移，要

求控制系统具有手动运行模式、回原点模式和自动运行模式、半自动模式。全自动模式功能为：在完成回原点操作后,按下全自动按钮可实现连续的工作循环，当按下停止按钮后，机械手将在1个工作循环后才停止；半自动模式功能为：按下半自动按钮，机械手在完成1个工作循环后自动停止。设计机械手自动循环工作的动作顺序为：原点-下降-夹紧-上升-本章主要介绍多轴联动机械手的系统方案设计。第3章FX2N3.1PLC的选择机械手的控制方式有很多种类，传统的有液压控制的，单片机控制的，步进电动机控制，本文设计的多轴联动机械手是可以旋转的机械手，为保证精确度故选用PLC控制。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能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。NxoX2.X4X6X10ADIAD3|GND+5V|DAICOk1XI1X3I乂NxoX2.X4X6X10ADIAD3|GND+5V|DAICOk1XI1X3I乂5I时Ixil1ADOIAD2IAD4IDAO|计:口：编

程\人机POWER指示RUN/SET指COMBY1Y3Y5Y7YllC0M1AD5-AD6-ADT-24LVAYOY2Y4COHOY6Y12|ADS+|AD6+|AD7+图3-1FX2N1、上端子排：N、L、COM、X0、XI、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X10、X11、AD0、AD1、AD2、AD3、AD4、GND、+5V、DA0、DA1；上端子排主要是输入端口，N、L为220V输入；当X输入端口接到COM时指示灯亮，表示相应位输入为1，这两种端口最大输入电压为30V；X0、X1可以作为高速计数端口。DAC0、DAC1为0〜10V输出，12位，其精度为0.000488V。ADC0-ADC4对应数据寄存器：D8032〜D8036,模拟输入为13位，MAX=8191，可以直接接各类热电阻。0〜5V编程口边两个电位计，对应D8030D8031。2、 下端子排：24V、COM、A、B、Y00、Y01、Y02、Y03、Y04、Y05、COM0、Y06、Y07、Y10、Y11、COM1、AD5+、AD5-、AD6+、AD6-、AD7+、AD7-；Y00、Y01公用COM（24V基准），Y02、Y03、Y04、Y05共COM0，Y06、Y07、Y10、Y11共COM1。AD+、AD-为差分，可以接热电偶、压力传感器，模拟输入为13位，在D8037〜D8039。下端子排为功能端口及输出端口，A、B为485通信口，COM是晶体管输出的公用口，也是24V电源的。24V、COM可以外加，也可以在电流小于200Ma时对外供电。3、 串口：为编程口以及人机界面接口。4、 拨动开关：用于运行、编程转换。三菱公司生产的FX2N-40MR型PLC机。FX2N-40MR虽然小巧，但其内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、数据处理、模拟量设定和时钟功能等，能广泛处理机械控制应用问题。这些通信能力使5轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。为了节省成本，不另外选用PLC的专用运动控制模块，而是直接利用PLC的高速脉冲输出功能（PLSY指令）。由于本系统选用晶体管输出型的PLC，为避免晶体管不能可靠断导致机械手动作失灵，故用PLC的一个输出点控制继电器，再由它控制电磁铁的得失电。是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出16〜25点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。PLC的结构FX系列PLC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路到256路输入/输出的多种应用的选择方案；FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。程序容量：内置800步RAM(可输入注释)可使用存储盒，最大可扩充至16K步。丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示器输出等。数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。特殊用途、脉冲输出(20KHZ/DC5V，10KHZ/DC12V-24V)，脉宽调制，PID控制指令等。外部设备相互通信，串行数据传送，ASCIIcode印刷，HEXASCII变换，校验码等。时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等。PLC的特点PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。目前，还没有一种对各厂家产品都能兼容的编程语言。如三菱公司的产品有它自己的编程语言，OMRON公司的产品也有它自己的语言。但不管什么型号的PLC，其编程语言都具有以下特点：图形式指令结构：程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆。系统的软件开发者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征性图形，用户根据自己的需要把这些图形进行组合，并填入适当的参数。在逻辑运算部分，几乎所有的厂家都采用类似于继电器控制电路的梯形图，很容易接受。如西门子公司还采用控制系统流程图来表示，它沿用二进制逻辑元件图形符号来表达控制关系，很直观易懂。较复杂的算术运算、定时计数等，一般也参照梯形图或逻辑元件图给予表示，虽然象征性不如逻辑运算部分，也受用户欢迎明确的变量常数：图形符相当于操作码，规定了运算功能，操作数由用户填人，如：K400，T120等。PLC中的变量和常数以及其取值范围有明确规定，由产品型号决定，可查阅产品目录手册。简化的程序结构：PLC的程序结构通常很简单，典型的为块式结构，不同块完成不同的功能，使程序的调试者对整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概念。简化应用软件生成过程：使用汇编语言和高级语言编写程序，要完成编辑、编译和连接三个过程，而使用编程语言，只需要编辑一个过程，其余由系统软件自动完成，整个编辑过程都在人机对话下进行的，不要求用户有高深的软件设计能力。强化调试手段：无论是汇编程序，还是高级语言程序调试，都是令编辑人员头疼的事，而PLC的程序调试提供了完备的条件，使用编程器，利用PLC和编程器上的按键、显示和内部编辑、调试、监控等，并在软件支持下，诊断和调试操作都很简单。总之，PLC的编程语言是面向用户的，对使用者不要求具备高深的知识、不需要长时间的专门训练。--系统配置即固定又灵活；--编程简单；--备有可自由选择，丰富的品种；--令人放心的高性能；--高速运算；--使用于多种特殊用途；--外部机器通讯简单化；--共同的外部设备PLC的组成一、 输入继电器（X）PLC的输入端子是从外部开关接受信号的窗口，PLC内部与输入端子连接的输入继电器X是用光电隔离的电子继电器，它们的编号与接线端子编号一致（按八进制输入），线圈的吸合或释放只取决于PLC外部触点的状态。内部有常开/常闭两种触点供编程时随时使用，且使用次数不限。输入电路的时间常数一般小于10ms。各基本单元都是八进制输入的地址，输入为X000〜X007，X010〜X017，X020〜X027。它们一般位于机器的上端。二、 输出继电器（Y）PLC的输出端子是向外部负载输出信号的窗口。输出继电器的线圈由程序控制，输出继电器的外部输出主触点接到PLC的输出端子上供外部负载使用，其余常开/常闭触点供内部程序使用。输出继电器的电子常开/常闭触点使用次数不限。输出电路的时间常数是固定的。各基本单元都是八进制输出，输出为Y000〜Y007，Y010〜Y017，Y020〜Y027。它们一般位于机器的下端。三、 辅助继电器（M）PLC内有很多的辅助继电器，其线圈与输出继电器一样，由PLC内各软元件的触点驱动。辅助继电器也称中间继电器，它没有向外的任何联系，只供内部编程使用。它的电子常开/常闭触点使用次数不受限制。但是，这些触点不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动必须通过输出继电器来实现。如下图中的M300，它只起到一个自锁的功能。在FX2N中普遍采用M0〜M499，共500点辅助继电器，其地址号按十进制编号。辅助继电器中还有一些特殊的辅助继电器，如掉电继电器、保持继电器等，在这里就不一一介绍了。四、 定时器（T）在PLC内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式，当所计时间达到设定值时，其输出触点动作，时钟脉冲有1ms、10ms、100ms。定时器可以用用户程序存储器内的常数K作为设定值，也可以用数据寄存器（D）的内容作为设定值。在后一种情况下，一般使用有掉电保护功能的数据寄存器。即使如此，若备用电池电压降低时，定时器或计数器往往会发生误动作。定时器通道范围如下：100ms定时器T0〜T199，共200点，设定值：0.1〜3276.7秒；10ms定时器T200〜TT245，共46点，设定值：0.01〜327.67秒；1ms积算定时器T245〜T249，共4点，设定值：0.001〜32.767秒；100ms积算定时器T250〜T255，共6点，设定值：0.1〜3276.7秒；定时器指令符号及应用如下图所示：X000K123设定值（累积）T200 Y000当定时器线圈T200的驱动输入X000接通时，T200的当前值计数器对10ms的时钟脉冲进行累积计数，当前值与设定值K123相等时，定时器的输出接点动作，即输出触点是在驱动线圈后的1.23秒（10*123ms=1.23s）时才动作，当T200触点吸合后，Y000就有输出。当驱动输入X000断开或发生停电时，定时器就复位，输出触点也复位。每个定时器只有一个输入，它与常规定时器一样，线圈通电时，开始计时；断电时，自动复位，不保存中间数值。定时器有两个数据寄存器，一个为设定值寄存器，另一个是现时值寄存器，编程时，由用户设定累积值。如果是积算定时器，它的符号接线如下图所示：X001K345X002定时器线圈T250的驱动输入X001接通时，T250的当前值计数器对100ms的时钟脉冲进行累积计数，当该值与设定值K345相等时，定时器的输出触点动作。在计数过程中，即使输入X001在接通或复电时，计数继续进行，其累积时间为34.5s（100ms*345=34.5s）时触点动作。当复位输入X002接通，定时器就复位，输出触点也复位。五、 计数器（C）FX2N中的16位增计数器，是16位二进制加法计数器，它是在计数信号的上升沿进行计数，它有两个输入，一个用于复位，一个用于计数。每一个计数脉冲上升沿使原来的数值减1,当现时值减到零时停止计数，同时触点闭合。直到复位控制信号的上升沿输入时，触点才断开，设定值又写入，再又进入计数状态。其设定值在K1〜K32767范围内有效。设定值K0与K1含义相同，即在第一次计数时，其输出触点就动作。通用计数器的通道号：C0〜C99，共100点。保持用计数器的通道号：C100〜C199,共100点。通用与掉电保持用的计数器点数分配，可由参数设置而随意更改。举个例子：X010X011K计数器C0由计数输入X011每次驱动C0线圈时，计数器的当前值加1。当第10次执行线圈指令时，计数器C0的输出触点即动作。之后即使计数器输入X011再动作，计数器的当前值保持不变。当复位输入X010接通（ON）时，执行RST指令，计数器的当前值为0，输出接点也复位。应注意的是，计数器C100〜C199,即使发生停电，当前值与输出触点的动作状态或复位状态也能保持。六、数据寄存器数据寄存器是计算机必不可少的元件，用于存放各种数据。FX2N中每一个数据寄存器都是16bit（最高位为正、负符号位），也可用两个数据寄存器合并起来存储32bit数据（最高位为正、负符号位）。1） 通用数据寄存器D通道分配D0〜D199，共200点。只要不写入其他数据，已写入的数据不会变化。但是，由RUNfSTOP时，全部数据均清零。（若特殊辅助继电器M8033已被驱动，则数据不被清零）。2） 停电保持用寄存器通道分配D200〜D511，共312点，或D200〜D999,共800点（由机器的具体型号定）。基本上同通用数据寄存器。除非改写，否则原有数据不会丢失，不论电源接通与否，PLC运行与否，其内容也不变化。然而在二台PLC作点对的通信时，D490〜D509被用作通信操作。3） 文件寄存器通道分配D1000〜D2999，共2000点。文件寄存器是在用户程序存储器（RAM、EEPROM、EPROM）内的一个存储区，以500点为一个单位，最多可在参数设置时到2000点。用外部设备口进行写入操作。在PLC运行时，可用BMOV指令读到通用数据寄存器中，但是不能用指令将数据写入文件寄存器。用BMOV将数据写入RAM后，再从RAM中读出。将数据写入EEPROM盒时，需要花费一定的时间，务必、士.、，工*请注意。4） RAM文件寄存器通道分配D6000〜D7999，共2000点。驱动特殊辅助继电器M8074,由于采用扫描被禁止，上述的数据寄存器可作为文件寄存器处理，用BMOV指令传送数据（写入或读出）。5） 特殊用寄存器通道分配D8000〜D8255，共256点。是写入特定目的的数据或已经写入数据寄存器，其内容在电源接通时，写入初始化值（一般先清零，然后由系统ROM来写入）。PLC的基本逻辑指令基本逻辑指令是PLC中最基本的编程语言，掌握了它也就初步掌握了PLC的使用方法，各种型号的PLC的基本逻辑指令都大台大同小异，现在我们针对FX2N系列，逐条学习其指令的功能和使用方法，。每条指令及其应用实例都以梯形图和语句表两种编程语言对照说明：表3-1基本指令表助记符、名称功能可用软元件程序步LD取常开触点逻辑运算开始X,Y,M,S,T,C1LDI取反常闭触点逻辑运算开始X,Y,M,S,T,C1AND与常开触点串联连接X,Y,M,S,T,C1ANI与非常闭触点串联连接X,Y,M,S,T,C1OR或常开触点并联连接X,Y,M,S,T,C1ORI或非常闭触点联并连接X,Y,M,S,T,C1ANB块与并联回路块的串联连接1ORB块或串联回路块的并联连接1OUT输出线圈驱动Y,M,S,T,C注1SET置位动作保持Y,M,S注2RST复位清除动作保持，寄存器清零Y,M,S,T,C,D,V,ZMPS压栈运算存储1MRD读栈存储读出1MPP出栈存储读出与复位1END结束输入输出及返回到开始1、输入输出指令（LD/LDI/OUT）下面把LD/LDI/OUT三条指令的功能、梯形图表示形式、操作元件以

列表的形式加以说明:表3-2输入输•出指令符号功能梯形图表示操作元件LD（取）常开触点与母线相连X，Y，M，T，C,SLDI（取反）常闭触点与母线相连X，Y，M，T，C,SOUT（输出）线圈驱动Y，M，T，C，S,FLD与LDI指令用于与母线相连的接点，此外还可用于分支电路的起点。OUT指令是线圈的驱动指令，可用于输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、状态寄存器等，但不能用于输入继电器。输出指令用于并行输出，能连续使用多次。X000 Y000地址指令数据0000LDX0000001OUTY000二、触点串连指令（AND/ANDI）、并联指令（OR/ORI） 表3-3触点串并联指令符号（名称）功能梯形图表示操作元件AND（与）常开触点串联连接X，Y，M，T，C,SANDI（与非）常闭触点串联连接X，Y，M，T，C,SOR（或）常开触点并联连接X，Y，M，T，C,SORI（或非）常闭触点并联连接X，Y，M，T，C,SAND、ANDI指令用于一个触点的串联，但串弓联触点的数量不限，这两个指令可连续使用。OR、ORI是用于一个触点的并联连接指令。三、电路块的并联和串联指令（ORB、ANB）表3-4电路块的串并联指令符号（名称）功能梯形图表示 操作元件ORB（块或）电路块并联连接无ANB（块与）电路块串联连接无含有两个以上触点串联连接的电路称为“串联连接块”，串联电路块并联连接时，支路的起点以LD或LDNOT指令开始，而支路的终点要用ORB指令。ORB指令是一种独立指令，其后不带操作元件号，因此，ORB指令不表示触点，可以看成电路块之间的一段连接线。如需要将多个电路块并联连接，应在每个并联电路块之后使用一个ORB指令，用这种方法编程时并联电路块的个数没有限制；也可将所有要并联的电路块依次写出，然后在这些电路块的末尾集中写出ORB的指令，但这时ORB指令最多使用7次。将分支电路（并联电路块）与前面的电路串联连接时使用ANB指令，各并联电路块的起点，使用LD或LDNOT指令；与ORB指令一样，

ANB指令也不带操作元件，如需要将多个电路块串联连接，应在每个串联电路块之后使用一个ANB指令，用这种方法编程时串联电路块的个数没有限制，若集中使用ANB指令，最多使用7次。表3-5指令表地址指令数据0000LDX0000001ORX0010002LDX0020003ANDX0030004LDIX0040005ANDX0050006ORX0060007ORB0008ANB0009ORX0030010OUTY006四、程序结束指令（END）表3-6程序结束指令符号（名称）功能梯形图表示操作元件END（结束）程序结束无在程序结束处写上END指令，PLC只执行第一步至END之间的程序，并立即输出处理。若不写END指令，PLC将以用户存贮器的第一步执行到最后一步，因此，使用END指令可缩短扫描周期。另外。在调试程序时，可以将END指令插在各程序段之后，分段检查各程序段的动作，确认无误后，再依次删去插入的END指令。其他的一些指令，如置位复位、脉冲输出、清除、移位、主控触点、空操作、跳转指令等，同学们可以参考一些课外书，在这里我们不详细介绍了。五、步进顺控指令说明表3-7步进顺控指令助记符、名称功能可用软元件程序步STL步序动作开始S1RET步序动作结束无1

带有［D］符号表示支持32位操作。表3-8程序流程分类指令助记符功能程序流程CJ条件跳转CALL子程序调用SRET子程序返回FEND主程序结束FOR循环范围开始NEXT循环范围结束表3-9传送、比较、四则运算传送与比较[D]CMP比较ZCP区域比较[D]MOV传送CML反向传送四则逻辑运算[D]ADDBIN加法[D]SUBBIN减法[D]MULBIN乘法[D]DIVBIN除法[D]INCBIN加1[D]DECBIN减1[D]WAND逻辑字与[D]WOR逻辑字或WXOR逻辑字异或[D]NEG求补码表3-10浮点数运算浮点数运算[D]ECMP2进制浮点数比较EZCP2进制浮点数区域比较[D]EADD2进制浮点数加法[D]ESUB2进制浮点数减法[D]EMUL2进制浮点数乘法[D]EDIV2进制浮点数除法[D]INT2进制浮点数转BIN整数[D]ESQR2进制浮点数开方

表3-11接点比较接点比较LD=(S1)=(S2)LD>(S1)>(S2)LDV(S1)V(S2)LDV>(S1)V>(S2)LD<(S1)<(S2)LD>(S1)>(S2)AND=(S1)=(S2)AND>(S1)>(S2)ANDV(S1)V(S2)ANDO(S1)V>(S2)AND<(S1)<(S2)AND>(S1)>(S2)OR=(S1)=(S2)OR>(S1)>(S2)ORV(S1)V(S2)ORO(S1)V>(S2)OR<(S1)<(S2)OR>(S1)>(S2)PLC编辑语言的形式最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。采用梯形图编程，因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件；采用助记符形式便于实验，因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。虽然一些高档的PLC还具有与计算机兼容的C语言、BASIC语言、专用的高级语言（如西门子公司的GRAPH5、三菱公司的MELSAP），还有用布尔逻辑语言、通用计算机兼容的汇编语言等。不管怎么样，各厂家的编程语言都只能适用于本厂的产品。编程指令：指令是PLC被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。从本质上讲，指令只是一些二进制代码，这点PLC与普通的计算机是完全相同的。同时PLC也有编译系统，它可以把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到的PLC指令一般不是机器码而是文字代码，或图形符号。常用的助记符语句用英文文字（可用多国文字）的缩写及数字代表各相应指令。常用的图形符号即梯形图，它类似于电气原理图是符号，易为电气工作人员所接受。指令系统：一个PLC所具有的指令的全体称为该PLC的指令系统。它包含着指令的多少，各指令都能干什么事，代表着PLC的功能和性能。一般讲，功能强、性能好的PLC，其指令系统必然丰富，所能干的事也就多。我们在编程之前必须弄清PLC的指令系统。程序：PLC指令的有序集合，PLC运行它，可进行相应的工作，当然，这里的程序是指PLC的用户程序。用户程序一般由用户设计，PLC的厂家或代销商不提供。用语句表达的程序不大直观，可读性差，特别是较复杂的程序，更难读，所以多数程序用梯形图表达。梯形图：梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连线有两种：一为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载（LD）指令开始，必要时再继以若十个输入指令（含LD指令），以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连接指令组的。下图是三菱公司的FX2N系列产品的最简单的梯形图例：X000 X001 Y000X010它有两组，第一组用以实现启动、停止控制。第二组仅一个END指令，用以结束程序。梯形图与助记符的对应关系：助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。一般讲，其顺序为：先输入，后输出（含其他处理）；先上，后下；先左，后右。有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。上图的助记符程序为：表3-12指令表地址指令变量0000LDX0000001ORX0100002ANDNOTX0010003OUTY0000004END反之根据助记符，也可画出与其对应的梯形图。梯形图与电气原理图的关系：如果仅考虑逻辑控制，梯形图与电气原理图也可建立起一定的对应关系。如梯形图的输出（OUT）指令，对应于继电器的线圈，而输入指令（如LD，AND，OR）对应于接点，互锁指令（IL、ILC）可看成总开关，等等。这样，原有的继电控制逻辑，经转换即可变成梯形图，再进一步转换，即可变成语句表程序。有了这个对应关系，用PLC程序代表继电逻辑是很容易的。这也是PLC技术对传统继电控制技术的继承。3.2PLC的工作原理PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。扫描周期的长短由三条决定。（1）CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。PLC与继电器控制系统、微机区别PLC与继电器控制系统区别前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。前者用“软件”，后者用“硬件”。PLC与微机区别前者工作方式是“循环扫描”。后者工作方式是“待命或中断”。PLC编程方式PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”。用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。尤其前两者为常用。3.3本章小结本章主要介绍三菱公司PLC中FX2N系列的主要使用方法。第4章PLC系统配置及程序设计4.1编制I/O地址号分配对照表一般的工业现场，各输入节点和输出设备都有各自的代号，PLC内的I/O继电器也有地址编号，为使程序设计，现场调试和查找故障方便，要编制一个已确定下来的输入输出信号的代号和分配到PLC内与其相连的输入/输出继电器好或器件号的对照表，简称I/O号分配表。同时还要确定需要的定时器、计数器、内部继电器、状态继电器等的数量及其编号。作为硬件设计和绘制梯形图的主要依据。表4-1机械手传送系统输入和输出点分配表名称代号一输入名称代号一输入名称代号输出启动SB1X0夹紧SB5X12电磁阀下降YV1Y0下限行程SQ1X1放松SB6X13电磁阀夹紧YV2Y1上限行程SQ2X2单步上升SB7X14电磁阀上升YV3Y2左旋行程SQ3X3单步下降SB8X15电磁阀左旋YV4Y3左限行程SQ4X4单步左旋SB9X16电磁阀左行YV5Y4右限行程SQ5X5单步右旋SB10X17电磁阀右行YV6Y5右旋行程SQ6X6单步左移SB11X18电磁阀右旋YV7Y6停止SB2X7单步右移SB112X19原点指示ELY7手动操作SB3X10回原点SB13X20连续操作SB4X11工件检测SQ7X214.2主电路的设计与分析主电路是整个专机工作的基本状况，它反映了机床部件的动作。电源的设计：电机部分：是工业用电，用三相四线制的三相电380V照明部分：照明电路一般采用低电压控制，36V即可，因此需要一变压器将一相线与地线接成220V-36V变压系统。电磁阀：由于液压站上的电磁阀的线圈工作电压为24V支流电，因此，需将380V电压转换成28V电压，经整流桥整流，产生24V直流电压，供给电磁阀的电磁铁。PLC工作电源：PLC需要220V电压，因此，要有一380V-220V的供电变压器，这可使用一个变压器实现380-220-28V的双电压输出。PLC的24V电源由其自身提供。PLC的安装与布线数字量信号一般对信号电缆无严格的要求，可选用一般电缆，信号传输距离较远时，可选用屏蔽电缆。模拟信号和高速信号线（如脉冲传感器、计数码盘等提供的信号）应选择屏蔽电缆。通信电缆对可靠性的要求高，有的通信电缆的信号频率很高（如大于等于10MHz），一般应选用专用电缆（如光纤电缆），在要求不高或信号频率较低时，也可以选用带屏蔽的多芯电缆或双绞线电缆。可编程序控制器应远离强干扰源，如大功率晶闸管装置、变频器、高频焊机和大型动力设备等。可编程序控制器不能与高压电器安装在同一个开关柜内，在柜内可编程序控制器应远离动力线（二者之间的距离应大于200mm）。与可编程序控制器装在同一个开关柜内的电感性元件，如继电器、接触器的线圈，应并联RC消弧电路（见PLC的外部连线图）。信号线与功率线应分开走线，电力电缆应单独走线，不同类型的线应分别装入不同的电缆管或电缆槽中，并使其有尽可能大的空间距离，信号线应尽量靠近地线或接地的金属导体。当数字量输入、输出线不能与动力线分开布线时，可用继电器来隔离输入/输出线上的干扰。当信号线距离超过300m时，应采用中间继电器来转接信号，或使用可编程序控制器的远程I/O模块。I/O线与电源线应分开走线，并保持一定的距离。如不得已要在同一线槽中布线，应使用屏蔽电缆。交流线与直流线应分别使用不同的电缆；如I/O线的长度超过300m时，输入线与输出线应分别使用不同的电缆；数字量、模拟量I/O线应分开敷设，后者应采用屏蔽线。如果模拟量输入/输出信号距离可编程序控制器较远，应采用4-20mA或0-10mA的电流传输方式，而不是易受干扰的电压传输方式BL传送模拟信号的屏蔽线，其屏蔽层应一端接地，为了泄放高频干扰，数字信号线的屏蔽层应并联电位均衡线，其电阻应小于屏蔽层电阻的I/O，并将屏蔽层两端接地。如果无法设置电位均衡线，或只考虑抑制低频干扰时，也可以一端接地。不同的信号线最好不用同一个插接件转接，如必须用同一个插接件，要用备用端子或地线端子将它们分隔开，以减少相互干扰。4.4PLC的接线4.5PLC控制系统软件设计操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图4-2所示。

图4-2机械手操作系统程序其原理是：把旋钮置于回原点，X20接通，系统自动回原点，Y7驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。之后，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。回原位程序：回原位程序如图4-3所示。用S10-S12作回零操作元件。应注意，当用S10-S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。

图4-3回原位状态转移图启动图4-3回原位状态转移图启动 1I NO)的X012——||一|| [SETMl]MOXOL3 1I 1I [BSTWO1]MOX014XQ02Y000TOC\o"1-5"\h\z—IHI―kl—M 皿)MOX015X001Y002—III―M—VI 皿)NOX016xoaexoosww, 、 I—A1 1I IZl-~ 003)moxoi7xoaexoaevoas I—-II 1I M~ 006)MOX018X002X004Y005—IIIHVW^Moo4)T件曾冒"e夹紧放松上行下行左施右施左移右移图4-4夹紧放松上行下行左施右施左移右移手动单步操作程序如图4-6所示，图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保XOOO启动MOX010£SETY001]夹紧加X01LI 1I ER5TT001]MOX0L2X002手动单步操作程序如图4-6所示，图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保XOOO启动MOX010£SETY001]夹紧加X01LI 1I ER5TT001]MOX0L2X002¥000■III―1/1―IXHHOX013X001丫口沱<yooz)I―II一M一M tooo)M0|>jOC£KQ03VOQS_ _X0L3XOC 1I 1X01GXD02X004YOOSII—II— 004)M0NO—— 003)£xaa6Y003 M—-pl—006)口仁。假*j上行下行左旋右旋左穆右将图4-6手动单步操作梯形图自动操作程序：自动操作状态转移见图4-7所示。当机械手处于