第4章-程序控制和数值控制1

第四章

程序控制和数值控制内容提要顺序控制器开环数值控制器步进电机的控制概述顺序控制和数值控制是计算机控制系统中最常见的控制方式

—顺序控制：控制系统根据生产工艺按预先规定的工艺要求，在各个输入信号的作用下，使生产过程的各个执行机构自动地按预先规定的顺序动作

—数值控制：用计算机把输入的数字信息按一定的程序进行处理后转换为控制信号，去控制一个或几个被控制对象，使被控制点按照某种轨迹运动概述利用数字控制原理实现的机械加工绘图设备数字控制机床线切割机数字绘图仪开环数值控制开环数值控制系统的一般组成：

—输入输出设备、控制器、插补器、工作台

顺序控制器根据应用场合和工艺要求，划分各种不同的工步，然后按预先规定好的“时间”和“条件”，依次序完成各工步。

各工步动作所需要的持续时间因产品类型或生产过程的不同而异，通常可以通过操作员来设定或调整定时器的时间常数；“条件”是指被控装置中运动部件移动到一个预定的位置，或者管道、容器中的液体或气体压力达到了某个预定值，或者加热部件的温度达到了某个预定点。顺序控制例

冷加工自动线中钻孔动力头钻孔过程的顺序控制原理图工进YA2快进YA1快退YA3动力头 如冷加工自动生产线中的钻孔动力头的自动控制，加工过程中钻孔动力头有快进、工进、工进延时、快退、停止五个工作状态。分析下面的逻辑功能图：图中A为启动按钮，Xi为行程开关输入信号，T为延时定时器钻孔过程分为以下5步1)动力头在起始位置(行程开关SQ1受压)，按启动开关按钮SB1后，电磁阀YAl通电，动力头快进；2)快进到位时压下行程开关SQ2，使电磁阀YA2通电(YAl保持通电)，动力头由快进转工进(钻孔)，即一边加工一边进给；3)工进到位时压下行程开关SQ3，使YAl、YA2断电，开始定时延迟，动力头原地镟削(精镗)；4)延迟时间到，YA3通电，动力头快退；5)动力头退回到原位，行程开关SQ1又受压，YA3断电，动力头停止。例

机械手

。下限位开关。。左限位开关上限位开关。右限位开关夹紧放松原点。上限位开关。终点。下限位开关。图机械手取放动作工件示意图逻辑顺序控制系统按照逻辑先后顺序执行操作指令，它与时间无严格的关系。例如，在批量控制的反应釜中，反应初期，首先打开基料阀，基料流入反应釜中，达到一定液位时，启动搅拌机。在搅拌开始后，液位因基料在继续流入而升高，当达到某一液位时，反应基料停止加入，其它物料开始加入，当液位达到另一设定液位时，物料停止加入，开始加入蒸汽升温，

并开始反应。

图为反应釜工作流程图。

反应釜工作流程图

在实际中基料与物料分别存放在各自的储液罐内，在这个过程中，进料的流量大小受到进料储罐液位的影响，液位高，则进料压力大，流量也大，达到启动搅拌机的液位所需时间也短。同样，在加入其它物料时，因受物料流量的影响，液位达到所需液位的时间也不同。但是，在这类控制系统中，执行操作指令的逻辑顺序关系不变，因此，称这类控制系统是逻辑顺序控制系统。这类控制系统在工业生产过程的控制中应用较多。

条件顺序控制系统是以执行操作指令的条件是否满足为依据，当条件满足时，相应的操作就被执行，不满足时，将执行另外的操作。典型的例子是电梯控制系统。当某一层有乘客按了向上按钮后，如电梯空闲，则电梯自动向该层运行。当乘客进入电梯轿厢，并按了所需去的楼层按钮后，在一定的时间延时和关闭电梯门后，电梯将运行，一直等到电梯到达了所需的楼层，自动打开轿厢门。这里，电梯的运行根据条件确定，可向上运行也可向下运行，所停的楼层也根据乘客所需确定。这类顺序控制系统在工业生产过程控制中也有较多的应用。

顺序控制顺序控制器的功能

—根据生产过程要求预先确定程序，使系统在输入信号条件的作用下，按顺序进行工序转换

—根据各工序要求，控制相应的执行机构动作，保证过程正常进行顺序控制顺序控制系统的一般组成

—系统控制器、输入输出接口、输入输出电路、信号检测、显示电路、报警电路、操作台

(1)输入接口：实现输入信号的电平转换。

(2)控制器：接受控制输入信号，按一定的控制算法运算后，输出控制信号到执行机构，控制器具有记忆功能，能实现所需的控制运算功能。

(3)输出接口：实现输出信号的功率转换。

(4)检测机构：检测被控对象的状态信息。

(5)显示报警装置：显示系统的输入、输出状态，报警等信息，便于了解过程运行状态和对过程的操作、调试、事故处理等。

顺序控制顺序控制系统的类型

◆

按顺序执行的继电器－接触器控制系统

◆

无触点逻辑控制系统(专用)

◆

以微型计算机为核心的顺序控制系统

◆

可编程序控制器(可编程)

继电器组成的顺序逻辑控制系统是历史最久的一种实现方法。它的控制功能全部由硬件完成，即采用继电器的常开常闭触点、延时断开延时闭合触点等可动触点和普通继电器、时间继电器、接触器等执行装置完成所需的顺序逻辑功能。例如，电动机的开停控制等。受继电器触点可靠性的影响和使用寿命的限制，这类控制系统的使用故障较多，使用寿命较短，

加上因采用硬件完成顺序逻辑功能，

因此更改不便，

维修困难。

晶体管组成的无触点顺序逻辑控制因减少了连接点的可动部件，可靠性大大提高。晶体管、晶闸管等半导体元器件的使用寿命也较继电器的触点使用寿命长，因此，在20世纪70年代得到了较大的发展。它也是用硬件组成顺序逻辑功能，更改也不很方便,但因采用功能模块的结构，部件的更换和维修较继电器顺序逻辑控制系统要方便。

可编程序控制器是在计算机技术的促进下得以发展起来的新一代顺序逻辑控制装置。与上述的组成方法不同，它用软件完成顺序逻辑功能，用计算机来执行操作指令，实施操作，因此，顺序逻辑功能的更改十分方便。加上得益于计算机的高可靠性和高运算速度，使得可编程序控制器一出现就得到了广泛的应用。

计算机组成的顺序逻辑控制系统指在集散控制系统或工控机中实现顺序逻辑控制功能的控制系统。在大型的顺序逻辑控制和连续控制相结合的工程应用中，这类控制系统大有用武之地。在这类控制系统中，有连续量的控制和开关量的控制。采用计算机对它们进行操作和管理，必要时，把信息传送到上位机或下送到现场控制器和执行机构。由于计算机技术、半导体技术、通信和网络技术、控制技术、软件技术等高新科学技术的发展，工业生产过程的控制也出现了飞速的发展，可编程序控制器将与其他计算机控制装置一起成为21世纪工业控制领域的主流控制装置。

顺序控制专用顺序控制器的设计

◆针对某一类被控对象的结构特点和加工工艺流程而设计的微型计算机系统的硬件和软件

◆采用固定连线控制的设计思想来设计硬件和软件，灵活性不够，通用性差

◆控制软件采用汇编语言编制，用户自行二次开发软件和调试困难

顺序控制可编程控制器（ProgrammableController）

◆早期的PLC虽然采用了计算机的设计思想，但实际上它只能完成顺序控制，仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能

◆在经历了30年的发展，现代PLC产品已经成为了名符其实的多功能控制器，如逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理等功能都得到了很大的加强和完善

◆与此同时，PLC的网络通信功能也得到飞速发展，PLC及PLC网络成为了工厂企业中不可或缺的一类工业控制装置

顺序控制PLC的特点

◆可靠性高，抗干扰能力强

◆控制程序可变，具有良好的可变性

——编程简单，使用方便

—功能完善，扩充方便，组合灵活

—缩短设计和施工时间顺序控制（7）PLC的基本组成顺序控制（8）◆CPU是PLC的核心组成部分，其主要任务有：

—接收、存储由编程工具输入的用户程序和数据，并通过显示器显示出程序的内容和存储地址

—检查、校验用户程序

—接收、调用现场信息

—执行用户程序

—故障诊断顺序控制（9）◆

PLC的存储器分为系统程序存储器、用户程序存储器及工作数据存储器等三种

—系统程序存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM

内，用户不能直接更改

—用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务，用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序

—工作数据存储器用来存储工作数据顺序控制（10）◆I/O接口是PLC与外界连接的接口

—输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开关量输入信号。另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等来的模拟量输入信号

—输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等顺序控制（11）◆编程器的作用是供用户进行程序的编制，编辑，调试和监视

—简易编程器：一般只能编辑语句表指令程序，不能直接编辑梯形图程序，多用于小型PLC的编程或者用于PLC控制系统的现场调试和维修。

—图形编程器：本质上是一台便携式专用计算机系统，可以编制多种指令程序，功能强。顺序控制（12）◆PLC一般配有开关式稳压电源（24VDC）供内部电路使用◆扩展接口、通信接口和智能I/O接口

—扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连

—通信接口用于实现“人－机”或“机－机”之间的对话

—智能I/O接口是为了满足更加复杂的控制功能的需要顺序控制（13）PLC的分类

◆

◆

◆按地域范围

美国流派;罗克韦尔欧洲流派;西门子日本流派;欧姆龙

按I/O点数

超小型<64小型65-128中型128-512大型>512按结构

一体化模块化顺序控制的应用实例

下面以冷加工自动线中钻孔动力头的自动控制顺序作为实际例子。其加工过程分为以下几步：

(1)动力头在原位(原位行程开关x0受压)并按启动按钮A，电磁阀DT1通电，动力头快进。

(2)碰上行程开关x1——电磁阀DT2通电(DT1保持通电)，由快进转工进。

(3)碰上行程开关x2——开始延时(继续工进)。

(4)延时时间到——DT1、DT2断电，DT3通电，动力头快退。

(5)动力头退回到原位(x0又受压)——DT3断电，动力头停止。完成一个周期的循环动作之后，又返回到第一步，开始下一个循环的动作。钻孔动力头控制逻辑功能图如图所示。

图

钻孔动力头控制逻辑功能图

在加工过程中，钻孔动力头有快进、工进、工进延时、快退、停止等五个工作状态，各工作状态的顺序转换是根据现场输入信号(由按钮、行程开关、延时继电器发出的)而定的。

显然，

钻孔动力头的自动控制就是顺序控制。

前已述，钻孔动力头在一个工作循环中有快进、工进、工进延时、快退和停止等五个工作状态。从前一个工作状态转入下一个工作状态，是根据来自现场的输入信号的逻辑判断。现场输入信号有启动按钮A、原位开关x0、行程开关x1和x2以及延时信号。这些电器触点的通断，通过输入电路变成电位信号引到微型计算机的输入接口的输入端上，CPU按一定逻辑顺序读取这些信号，并逐一判断是否满足各工作状态转换条件。若满足，则发出相应的转换工作状态的控制信号。控制信号从微型计算机的输出接口引出，经过隔离放大电路驱动相应的电磁阀吸合或释放，

从而改变液压油路的状态，使动力头进入新的工作状态。

若不满足，则等待(当CPU只控制一台动力头时)或跳过，转向询问另一台动力头(当CPU控制多台动力头时)。整个工作过程是以一定的硬件为基础，通过CPU执行一段控制程序来实现的。下面介绍采用AT89C51单片微型计算机实现动力头的顺序控制。

1.输入输出接口设置采用AT89C51单片微型计算机通过接口电路直接与外部连接，控制各执行机构完成生产过程。行车控制原理框图表

输入输出信号安排

输入信号启动按钮A原位开关X0行程开关X1行程开关X2P1.0P1.1P1.2P1.3输出信号快进DT1工进DT2快退DT3P3.0P3.1P3.2单片机AT89C51的P1口设置为输入，P3口设置为输出。表中所标现场输入信号A、x0、x1、x2是经过输入电路处理后送来的电位信号。当开关受压时，送来“1”信号，不受压时，送来“0”信号。计算机送出的控制信号使DT1、DT2或DT3吸合或释放，完成相应执行机构的控制动作(实际上应经过驱动电路)。

2.控制程序流程图控制程序流程图如图所示。

3.控制程序

从程序流程图可以看到，控制程序所要完成的任务是，按一定的逻辑顺序读取现场工作状态信号；按预先规定的逻辑算式进行与、或、非等逻辑运算；按运算结果判断是否发出某种控制信号。根据图所给出的流程图及表所示输入输出信号排列，按程序实现数字逻辑功能的方法，

可编出控制程序如下：

……STAGE1:MOVA,P1 ；读P1口输入信号

ANLA,＃03H ；取出A信号和原位信号CJNE

A，＃03H

STAGE1；没有A信号和原位信号，