无模压力成形机电机PLC控制设计

1、毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题题 目目:无模压力成形机电机无模压力成形机电机 PLC 控制设计控制设计 专专 业业: 机电一体化技术机电一体化技术 班班 级级: 04413 学学 号号: 14 姓姓 名名: 罗希涛 指导老师指导老师: 朱成华 成都电子机械高等专科学校 二七年六月 论论 文文 摘摘 要要 本设计采用 PLC 控制步进电机实现无模多点压力成形机模具成形的自动控 制，本设计重点是对 PLC 控制启刀改变多个冲压钉伸缩高度的设计。 其基本原理是利用一系列规则排列、高度可调的基本体（冲压钉） ，通过对 各基本体的实时控制，构造出所需形状的成形面，取代传统的模具来实现板材 的三维曲

2、面快速无模成形。使用本系统，不需要模具，可以省去模具的设计、 制造和调试工序，节约制造模具的材料、工具、能源和时间等，将生产准备时 间缩短为模具成形时的几十分之一。同时，可以改善板材成形时的变形条件， 提高板材成形极限，扩大加工范围；可以减少成形过程中产生的残余应力，实 现无回弹成形；可以在较小的设备上成形较大尺寸的板类件，使得加工件尺寸 精度高，生产效率高，表面质量好，生产工艺稳定。 本系统工作过程：首先根据需要成形元件的曲面参数，换算成各冲压钉伸 缩高度，然后转换成时间量输入 PLC 程序，由 PLC 时间继电器计时自动控制 启刀改变各冲压钉伸缩高度而成形。PLC 控制系统将完成手动控制成

3、形，自动 控制精确成形，复位等功能。生产工艺流程：获取数据 设置 PLC 程序参数 安装工件 冲压钉定形 压力成形 系统复位。 关键词：PLC 驱动器 步进电机 无模成形 Abstract The PLC system design to achieve a multi-point pressure forming die forming machine, the automatic The design focus is on the Kai knife PLC control over changes telescopic ram nails height design. The basi

4、c principle is to use a series of rules with a high degree of adjustable basic body (the ram nails) Based on the basic body of the real-time control, to construct the required shape forming face, replace the traditional mold of the plate to achieve rapid 3D-Forming. Use of this system, no mold, so w

5、e can save some mold design, manufacturing and testing processes, Die saving manufacturing materials, tools, energy and time. will shorten production time to prepare for the forming die for the tenth time. Meanwhile, to improve the sheet metal forming deformation conditions, and improve the limit sh

6、eet metal forming and expanding processing; can reduce the forming process of residual stress and achieve a rebound forming; in the smaller equipment forming bigger size sheet metal, making processing dimension of high precision, high efficiency, surface quality, production process stability. The sy

7、stem process : First of all necessary components forming the surface parameters, converted into the ram nails telescopic height, then converted into time input PLC program, PLC time relay time control Kai knife to change the ram nails telescopic height and forming. PLC control system will be complet

8、ed forming manual control, automatic control precision forming and reset functions. Production process : data acquisition parameters set PLC installation process workpiece ram nails pressure forming amorphous system reset. Key Words: PLC Drivers Stepper motor No mold 前言 近年来，为了适应市场的激烈竞争，对产品质量的要求越来越高，

9、且其更 新换代的周期大为缩短。无模多点成形工艺不需要模具，可以省去模具的设计、 制造和调试工序，节约制造模具的材料、工具、能源和时间等，将生产准备时 间缩短为模具成形时的几十分之一。因此对无模多点成形技术的研究将是个必 然的走向。 无模多点成形工艺，实现了无模成形，优化了变形路径，改善了板材成形 时的变形条件，提高板材成形极限，扩大加工范围；可以减少成形过程中产生 的残余应力，实现无回弹成形；可以在较小的设备上成形较大尺寸的板类件， 使得加工件尺寸精度高，生产效率高，表面质量好，生产工艺稳定。并且使冲 压工艺易于实现自动化。是一种非常先进设计思路，具有良好的发展前景。 随着科学技术的不断进步和

10、工业生产的迅速发展，许多新技术、新工艺、 新设备、新材料不断涌现，因而促进了冲压技术的不断革新和发展。目前国内 外相继涌现出了精密冲压工艺、软模成形工艺、高能高速成形工艺、超塑性成 形工艺及无模多点成形工艺等精密、高效、经济的冲压新工艺。 目目 录录 论论 文文 摘摘 要要.2 关键词关键词.2 ABSTRACT.3 KEYKEY WORDSWORDS.3 前言前言.4 目目 录录.5 第一章第一章 基基 础础 知知 识识.7 1.1 概述.7 1.1.1 基本概念.7 1.1.2 技术特点.8 1.1.3 技术基础与水平.9 1.2 多点成形理论.9 1.3 技术的特点.9 1.4 技术发展

11、概况.10 1.5 实用技术开发和应用前景.11 第二章第二章 无模多点成形压力机无模多点成形压力机 PLCPLC 控制系统硬件原理及选取控制系统硬件原理及选取.12 2.1 PLC 原理及选取.12 2.1.1 PLC 简介.12 2.1.2 PLC 内部原理.13 2.1.3 PLC 的工作原理.16 2.1.4 PLC 机型的选择方法.18 2.1.5 无模多点成形压力机 PLC 选择及参数.19 2.2 步进电动机驱动器基本原理及选取.21 2.2.1 步进电动机驱动器基本原理.21 2.2.2 步进电机驱动器选取方法.25 2.2.3 步进电机驱动器选取.26 2.3 步进电动机基本

12、原理及选取.31 2.3.1 步进电机简介.31 2.3.2 步进电动机的发展历史.32 2.3.3 步进电动机的特色.32 2.3.4 步进电机的一些基本参数.33 2.3.4 步进电机的选择方法.35 2.3.5 无模压力成形机步进电机的选择.38 2.4 接近开关原理.39 2.4.1 工作原理.39 2.4.2 接近开关工作流程.40 第三章第三章 无模多点成形压力机无模多点成形压力机 PLCPLC 控制系统设计思路控制系统设计思路.40 3.1 PLC 控制系统优点.40 3.2 PLC 控制步进电机原理介绍.42 3.3 无模多点成形压力机 PLC 控制系统原理.44 3.3.1

13、系统原理简介.44 3.3.2 PLC 程序.45 结论结论.49 谢辞谢辞.50 参考文献参考文献.51 附附录录一一.51 第一章 基 础 知 识 本章介绍无模多点成形压力机的有关知识、技术的特点及发展概况、多点 成形理论、实用技术开发和应用前景等基础理论知识，这是学习本书后续内容 的必要准备。 1.1 概述 1.1.1 基本概念 无模多点成形压力机是传统模具成形生产方式的重大创新。其基本原理是 利用一系列规则排列、高度可调的基本体（冲头） ，通过对各基本体的实时控制， 构造出所需形状的成形面，取代传统的模具来实现板材的三维曲面快速无模成 形。使用该项产品，不需要模具，可以省去模具的设计、

14、制造和调试工序，节 约制造模具的材料、工具、能源和时间等，将生产准备时间缩短为模具成形时 的几十分之一。同时，可以改善板材成形时的变形条件，提高板材成形极限， 扩大加工范围；可以减少成形过程中产生的残余应力，实现无回弹成形；可以 在较小的设备上成形较大尺寸的板类件，使得加工件尺寸精度高，生产效率高， 表面质量好，生产工艺稳定。 该机应用范围广泛，可满足各种行业板类件的加工需要，可用于高速列车 流线型车头、飞机、各种车辆、航天器、轮船舰艇和压力容器等外壳的制造， 还可用于叶片类、金属雕塑类、装饰类等零部件的曲面成形。该机已用于我国 高速列车流线型车头等产品的试生产之中 无模多点成形就是将多点成形

15、技术和计算机技术结合为一体的先进制造技 术。该技术利用一系列规则排列的、高度可调的基本体，通过对各基本体运动 的实时控制，自由地构造出成形面，实现板材的三维曲面成形。它是对三维曲 面扳类件传统生产方式的重大创新。传统成形和无模多点成形的区别如（图 1- 1）所示： 板材无模多点成形系统是以计算机辅助设计与辅助制造技术为主要手段的 柔性成形设备，其工作原理是把传统的冲压实体模具分解为很多离散的小模具 单元（亦称基本体），利用一系列规则排列的高度可调的基本体，通过对各个 基本体运动的实时控制，自由地构造出成形曲面，代替模具实现板材三维曲面 的快速无模成形。这种成形方式是对三维曲面板类件传统生产方式

16、的重大创新。 无模多点压力成形的多点成形原理如（图 1-2）所示： 图 1-1 传统成形和无模多点成形的区别 图 1-2 多点成形原理 1.1.2 技术特点 实现无模成形：取代传统的整体模具，节省模具设计、制造、调试和保存 所需人力、物力和财力，显著地缩短产品生产周期，降低生产成本，提高产品 的竞争力。与模具成形法相比，不但节省巨额加工、制造模具的费用，而且节 省大量的修模与调模时间：与手工成形方法相比，成形的产品精度高、质量好， 并且显著提高生产效率。 优化变形路径：通过基本体调整，实时控制变形曲面，随意改变板材的变 形路径和受力状态，提高材料成形极限，实现难加工材料的塑性变形，扩大加 工范

17、围。 实现无回弹成形：可采用反复成形新技术，消除材料内部的残余应力，并 实现少无回弹成形保证工件的成形精度。 小设备成形大型件：采用分段成形新技术，连续逐次成形超过设备工作台 尺寸数倍的大型工件。 易于实现自动化：曲面造型、工艺计算。压力机控制、工件测试等整个过 程全部采用计算机技术，实现 CAD/CAM/CAT 一体化生产，工作效率高，劳动 强度小，极大地改善劳动者作业环境。 1.1.3 技术基础与水平 由吉林工业大学承担的国家重点科技攻关项目“大型板材三维曲面的自动无 模成形设备”已经通过验收鉴定，验收鉴定专家组对该项成果的总的评价是“多 点成形技术是传统的板类件三维曲面成形生产方式的重大

18、刨新，具有良好的市 场前景。该项目在多点成形设备、多点成形理论与实用技术的研究成果已达到 了国际领先水平，已具备工业应用条件。 在多点成形设备方面： 吉林工业大学开发的集 CAD/CAE/CAM/CAT 于一 体、具有自主知识产权的板材无模多点成形设备总体构成如图：所示。计算机 软件系统主要进行曲面几何造型、工艺计算、成形过程有限元模拟等。自动控 制系统用于调整基本体群形状，控制液压加载系统成形出所需形状的工件；三 维曲面测量检测成形后的工件形状，并将测量结果反馈到计算机软件系统进行 修正，实现闭环控制。 1.2 多点成形理论多点成形理论 多点成形理论研究取得了一系列新进展，主要创新点有： 1

19、多点成形基本理论，提出了四种成形原理不同的、具有代表性的多点成 形基本方式，即多点模具成形、多点压机成形、半多点模具成形及半多点压机 成形。 2缺陷产生机理：研究了多点成形中典型不良现象（压痕、皱纹、回弹、 直边效应）的产生机理，并研制出这些缺陷的抑制方法。 3工艺设计理论：提出了抑制压痕的工艺方法、消除直边效应的分段成形 工艺方法、改变变形路径的工艺方法和无回弹的反复成形工艺方法。 4设备设计理论：提出了基本体与基本体群设计方法。多点成形设备关键 结构的设计方法和优化设计方法。 1.3 技术的特点 在当今世界，随着生产力水平的提高，制造业需要成千上万各类模具以生 产出形状各异的产品及零部件。

20、尤其是在飞机、轮船、汽车等产品的覆盖件制 造上，更需要大量的模具，其制造和调试除要花费巨额资金外，加工周期也往 往需要几个月甚至十几个月。而且产品一旦换型，模具也必须随之更换，从而 严重制约了制造业的发展。而无模成形技术就是要造出万能板材成形机，不用 模具就能生产出形状各异的覆盖件。 实现无模成形：取代传统的整体模具，节省模具设计、制造、调试和保存 所需人力、物力和财力，显着地缩短产品生产周期，降低生产成本，提高产品 的竞争力。与模具成形法相比，不但节省巨额加工、制造模具的费用，而且节 省大量的修模与调模时间：与手工成形方法相比，成形的产品精度高、质量好， 并且显着提高生产效率。 优化变形路径

21、：通过基本体调整，实时控制变形曲面，随意改变板材的变 形路径和受力状态，提高材料成形极限，实现难加工材料的塑性变形，扩大加 工范围。 实现无回弹成形：可采用反复成形新技术，消除材料内部的残余应力，并 实现少无回弹成形保证工件的成形精度。 小设备成形大型件：采用分段成形新技术，连续逐次成形超过设备工作台 尺寸数倍的大型工件。 易于实现自动化：曲面造型、工艺计算。压力机控制、工件测试等整个过 程全部采用计算机技术，实现 CADCAMCAT 一体化生产，工作效率高，劳动 强度小，极大地改善劳动者作业环境。 1.4 技术发展概况 多点成形的研究起源于日本。 70 年代日本造船协会西冈等人试制了多点压

22、力机，进行船体外板自动成形的研究，但因关键技术未能解决好，多点压机的 制造费用太高，未能实用化。日本三菱重工业株式会社的熊本等人也研制了三 列多点成形设备。由于其整体设计不周，该压机只适用于变形量很小的船体外 板的弯曲加工。另外，东京大学的野本及东京工业大学的井关等人也进行了多 点压机及成形实验方面的研究工作，但未取得重大进展。宫 80 年代以来，美国 麻省理工学院 D。E。Hardt 的研究室对多点模具成形进行了十多年的研究。最 近麻省理工学院与美国航空航天技术研究部门合作，投入 1400 多万美元的巨额 经费开发出多点张力拉伸成形机。 吉林工业大学教授李明哲博士在日本日立公司从事博士后研究

23、期间系统地 研究了多点成形基本理论，深入地分析了成形机理与成形特点，并主持开发出 多点成形实用机（主要技术参数见表（1）。 表 1-1 多点成形实用机主要技术参数 该系统是世界上第一台达到实用化程度的无模多点板材成形压力机，己成 功地用于三维曲面工件（如扭曲面、球面、马鞍面等）的实际生产中，工作效 率较传统的线状加热法提高了数十倍，而且制品精度也得到很大的提高。 李明哲教授回国后，在吉林工业大学组建了无模成形技术开发中心，继续 对多点成形技术进行深入系统地研究，逐步形成了板材多点成形理论。“该中心 从学术与实际应用两个方面建立了板材多点成形新理论与新方法，开发出多点 成形实用化技术，并研制出集

24、 CADCAMCAT 于一体的无模多点成形样机。 1.5 实用技术开发和应用前景 在大量实验基础上，解决了一系列实用化关键技术，主要有： 1、无缺陷弹性垫技术：可以有效地抑制压痕，起皱等成形缺陷，使成形件 的表面质量大大提高； 2、无回弹反复成形技术：即利用多点成形柔性化的特点，采用反复成形工 艺方法，减小工件的回弹及材料内部的残余应力，实现板材小回弹或无回弹成 形。 3分段成形技术：即优化过渡区成形模型，进行大变形量、大尺寸零件的 成形，实现小设备成形大工件，并使无模成形设备小型化。应用该技术已成形 出超过设备工作台面积七倍的样件，扭曲面总扭曲角超过 40g。 4多道成形技术：对于变形量很大

25、的制品，选取最佳路径多道成形，使成 形过程中板材各部分变形尽量均匀，以消除起皱等成形缺陷，提高板材的成形 能力。 不同形状、不同尺寸的大型三维曲面板制品在轮船、舰艇、飞机、航天器、 陆地车辆、大型容器以及不锈钢雕塑等军工和民品上比比皆是。近年来，随着 航空、航天、海运、高速铁路、化工以及城市建筑等行业的发展，对其需求也 在不断地增加，但落后的扳金弯形方法己不能适应这种发展要求，三维曲面板 制品生产迫切地需要先进的制造技术。无模多点成形技术已经成熟，可以直接 用于实际生产。它特别适合于曲面板制品的多品种小批量生产及新产品的试制， 所加工的零件尺寸越大、其优越性越突出。无模多点成形技术将在轮船和舰

26、艇 的外扳、飞机和航天器的蒙皮、车辆、大型容器和城市雕塑的覆盖件等三维曲 面板制品加工中有着广阔应用前景，并将产生巨大的经济效益和社会效益。 第二章 无模多点成形压力机 PLC 控制系统硬件原理 及选取 2.1 PLC 原理及选取 2.1.1 PLC 简介 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC 得到了快速发展，在世 界各地得到了广泛应用。同时，PLC 的功能也不断完善。随着计算机技术、信 号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC 在开 关量处理的基础上增加了模

27、拟量处理和运动控制等功能。今天的 PLC 不再局限 于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。 作为离散控的制的首选产品，PLC 在二十世纪八十年代至九十年代得到了 迅速发展，世界范围内的 PLC 年增长率保持为 20%30%。随着工厂自动化 程度的不断提高和 PLC 市场容量基数的不断扩大，近年来 PLC 在工业发达国 家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家 PLC 的增长十分迅速。综合相 关资料，2004 年全球 PLC 的销售收入为 100 亿美元左右，在自动化领域占据 着十分重要的位置。 PLC 是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的 PLC 只

28、 有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺 序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控 制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并 事先存入 PLC 的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完 成工艺流程要求的操作。PLC 的 CPU 内有指示程序步存储地址的程序计数器， 在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加 1，程序从起始步（步序号为 零）起依次执行到最终步（通常为 END 指令） ，然后再返回起始步循环运算。 PLC 每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的 PLC，循 环扫

29、描周期在 1 微秒到几十微秒之间。PLC 用梯形图编程，在解算逻辑方面， 表现出快速的优点，在微秒量级，解算 1K 逻辑程序不到 1 毫秒。它把所有的 输入都当成开关量来处理，16 位（也有 32 位的）为一个模拟量。大型 PLC 使 用另外一个 CPU 来完成模拟量的运算。把计算结果送给 PLC 的控制器。 相同 I/O 点数的系统，用 PLC 比用 DCS，其成本要低一些（大约能省 40%左 右） 。PLC 没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比 DCS 要低很多。一个 PLC 的控制器，可以接收几千个 I/O 点（最多可达 8000 多个 I/O） 。如果被控对象主要

30、是设备连锁、回路很少，采用 PLC 较为合适。 PLC 由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。 近 10 年来，随着 PLC 价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中 小设备开始采用 PLC 进行控制，PLC 在我国的应用增长十分迅速。随着中国 经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内 PLC 在我国仍 将保持高速增长势头。 通用 PLC 应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但 PLC 相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰 到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用 PLC 或定制 PLC 取

31、 代嵌入式控制器。 2.1.2 PLC 内部原理 PLC 实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一 至。如图 2.1a PLC 硬件的基本结构图所示： 编程器 中央处理单元 （CPU） 输入电路 输出 电路 系统程序存储区用户程序存储区 电 源 2-1a PLC 硬件的基本结构图 （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，接受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，并能检查用户程序的语法错误。当 PLC 投入运行时，首 先它以扫描的方式接受现场各输入装置

32、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 行逻辑或算术运算等任务。并将逻辑或算术运算等结果送入 I/O 映象区或数据 寄存器内。等所有的用户程序执行完毕以后，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 为止。 （2）存储器： 与微型计算机一样，除了硬件以外，还必须有软件。才能构成一台完整的 PLC。PLC 的软件分为两部分: 系统软件和应用软件。存放系统软件的存储器 称为系统程序存储器。 PLC 存储空间的分配：虽然大、中、小型 PLC 的 CPU 的最大可寻址

33、存储 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：系统程序存储区，系统 RAM 存储区（包括 I/O 映象区和系统软设备等） 和用户程序存储区。 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。它包括监 控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。由制造厂 商将其固化在 EPROM 中，用户不能够直接存取。它和硬件一起决定了该 PLC 的各项功能。 系统 RAM 存储区： 系统 RAM 存储区包括 I/O 映象区以及各类软设备（例如：逻辑线圈、数据 寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）存储区。 I/O 映象

34、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，它需要有一定 数量的存储单元（RAM）以供存放 I/O 的状态和数据，这些存储单元称作 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 映象区可看作由开关量的 I/O 映象区和模拟量的 I/O 映象区两部分组成。 系统软设备存储区： 除了 I/O 映象区以外，系统 RAM 存储区还包括 PLC 内部各类软设备（逻 辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变

35、址寄存器、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，由内部的锂电子供电。使这部分存储单元内的数据得以保留；后 者当 PLC 停止运行时，将这部分存储单元内的数据全部置“零” 。 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，一般来说，随着 PLC 机型增大其存储容量也相应增大。不过对于新型 的 PLC，其存储容量可根据用户的需要而改变。 常用的 I/O 分类如下： 开关量：按电压水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分， 有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟

36、量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA） 、电压型（0-10V,0- 5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 I/O 外，还有特殊 I/O 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等 模块。 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。 （3）PLC 电源： PLC 电源在整个系统中起着十分重要的作用。无论是小型的 PLC，还是中、 大型的 PLC，其电源的性能都是一样的，均能对 PLC 内部的所有器件提供一个 稳定可靠的直流电源。一般交流电压

37、波动在正负 10%（15%）之间，因此可以 直接将 PLC 接入到交流电网上去。 可编程序控制器一般使用 220V 交流电源。可编程序控制器内部的直流稳压 电源为各模块内的元件提供直流电压。某些可编程序控制器可以为输入电路和 少量的外部电子检测装置（如接近开关）提供 24V 直流电源。驱动现场执行机 构的电源一般由用户提供。 可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电 器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输 入、输出继电器等。这种计算机程序实现的“软继电器” ，与继电器系统中的物 理结构在功能上某些相似之处。 2.1.3 PLC 的工作原理

38、可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行 （RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态， 可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实 现控制功能。为了使可编程序控制器的输出及时地响 应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一 次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器 停机或切换到 STOP 工作状态。 除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可 编程序控制器还要完成，内部处理、通信处理等工作， 一次循环可分为 5 个阶段。可编程序控制器的这种周 而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算 机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看， （图 2-1b） 处理过程似乎是

39、同时完成的。 在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查 CPU 模块内部的硬件是否正常， 将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。在通信服务阶段，可编程序 控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程 器的显示内容。当可编程序控制器处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操 作。可编程序控制起处于（RUN）状态时，还要完成另外 3 个阶段的操作。 在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出 信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。可编程序控制 器梯形图中别的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。 在输入处理阶段，

40、可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开 （ON/OFF）状态读入输入寄存器。 外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，梯形图 中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入触点电路断 开，对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触 点断开，常闭触点接通。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变 化，输入映像寄存器的状态 也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下 一个扫描周期的输入处理阶段被读入。 可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号 顺序排列。在没有跳转指令时，CPU 从第一条指令开始，逐条顺序

41、的执行用户 程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件 映像寄存器中将有关编程元件的 0/1 状态读出来，并根据指令的要求执行相应 的逻辑运算，运算结果写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的 映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。 在输出处理阶段，CPU 将输出映像寄存器的 0/1 状态传送到输出锁存器。 体型图某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态。 信号经输出模块隔离 和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的 线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。 若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映

42、像寄存器为“0”状态，在输 出处理阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触 点断开，外部负载断电，停止工作。某一编程元件对应的映像寄存器为“1”状 态时，称该编程元件为 ON，映像寄存器为“0”状态时，称该编程元件为 OFF。 扫描周期可编程序控制器在 RUN 工作状态时，执行一次图 2.5.1a 所示的扫 描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为 1100ms。指令执行所需的时间 与用户程序的长短、指令的种类和 CPU 执行指令的速度有很大的关系。当用户 程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。不过严格地来说扫 描周期还包括自诊断、通信等。如图 2-1c 所

43、示。 第(N-1)个扫 描周期 输出刷新 第(N+1)个扫 描周期 输入采样 第 N 个扫描周期 输入采样输出刷新用户程序执行 图 2-1c PLC 的扫描运行方式 （1）输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次读入所有的数据和状态它 们存入 I/O 映象区的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序行和输 出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入数据和状态发生变化 I/O 映象区的相 应单元的数据和状态也不会改变。所以输入如果是脉冲信号，它的宽度必须大 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 的 CPU 总是由上而下

44、，从左到右的顺序依次的扫 描梯形图。并对控制线路进行逻辑运算，并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在 系统 RAM 存储区中对应位的状态。或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊 功能指令。例如：算术运算、数据处理、数据传达等。 （3）输出刷新阶段 在输出刷新阶段，CPU 按照 I/O 映象区内对应的数据和状态刷新所有的数据 锁存电路，再经输出电路驱动响应的外设。这时才是 PLC 真正的输出。 (4)输入/输出滞后时间 输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指可编程序控制器的外部输入信 号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间 隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞 后时间三部分组成。 输入模块的 CPU 滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接 输入触点动作是产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入 滤波时间的长短，其典型值为 10ms 左右。 输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一 般在 10ms 左右；双向可空硅型输出电路在负载接通时的滞后时间约为 1ms，负 载由导通到断开时的最