基于增量式光電編碼器的角度測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

1、第1章 緒論1.1 研究背景鉆床系指主要用鉆頭在工件上加工孔的機(jī)床。通常鉆頭旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)，鉆頭軸向移動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。鉆床在各行各業(yè)特別是機(jī)械工業(yè)有廣泛的應(yīng)用。鉆床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工精度相對(duì)較低，可鉆通孔、盲孔，更換特殊刀具，可擴(kuò)、锪孔，鉸孔或進(jìn)行攻絲等加工。鉆床可分為下列類(lèi)型：(1)臺(tái)式鉆床：可安放在作業(yè)臺(tái)上，主軸垂直布置的小型鉆床。(2)立式鉆床：主軸箱和工作臺(tái)安置在立柱上，主軸垂直布置的鉆床。(3)搖臂鉆床：搖臂可繞立柱回轉(zhuǎn)、升降，通常主軸箱可在搖臂上作水平移動(dòng)的鉆床。它適用于大件和不同方位孔的加工。(4)銑鉆床：工作臺(tái)可縱橫向移動(dòng)，鉆軸垂直布置，能進(jìn)行銑削的鉆床。(5)深孔鉆床：使用特制深孔鉆

2、頭，工件旋轉(zhuǎn)，鉆削深孔的鉆床。(6)平端面中心孔鉆床：切削軸類(lèi)端面和用中心鉆加工的中心孔鉆床。(7)臥式鉆床：主軸水平布置，主軸箱可垂直移動(dòng)的鉆床?？删幊炭刂破鳎≒rogrammable Logical Controller）是20世紀(jì)70年代以來(lái)以微處理器為核心，綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置，由于它具有功能強(qiáng)，可靠性高，配置靈活，使用方便以及體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)，使其在自動(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的鉆床控制系統(tǒng)都采用繼電器接觸器等元件組成的硬件邏輯控制電路，不但接線(xiàn)復(fù)雜，而且經(jīng)常出現(xiàn)故障，可靠性較差，與傳統(tǒng)的繼電器接觸器電器控制系統(tǒng)相

3、比，PLC控制具有可靠性高，柔性好，開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于機(jī)床的電氣控制和鼓掌自診斷系統(tǒng)，可以大大減少繼電器等硬件邏輯單元的數(shù)量，提高電氣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性可可靠性，從而提高產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)效率。近年來(lái)由于微電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，使具有完全功能的超大規(guī)模集成電路的價(jià)格日趨便宜，同樣也促進(jìn)可編程控制器成本大大降低，對(duì)于采用可編程控制器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器接觸器電氣控制的系統(tǒng)來(lái)改造傳統(tǒng)機(jī)床，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)上，還是可靠性，維修性，工作壽命上來(lái)說(shuō)，都是十分經(jīng)濟(jì)和劃算的，也是可行的優(yōu)選方案。鑒于以上原因，本文展開(kāi)了用基于PLC的鉆床的設(shè)計(jì)。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀近年來(lái)我國(guó)企業(yè)的數(shù)控機(jī)

4、床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個(gè)體企業(yè)中也普遍開(kāi)始使用。在這些數(shù)控機(jī)床中，除少量機(jī)床以FMS模式集成使用外，大都處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用率不高，管理方式落后的狀態(tài)。2001年，我國(guó)機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值已進(jìn)去世界第5名，機(jī)床消費(fèi)額在世界排名上升到第3位，達(dá)47.39美元，僅次于美國(guó)53.67美元，消費(fèi)額比上一年增長(zhǎng)25%。但由于國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求，使我國(guó)機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢(shì)，2001年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第2位，達(dá)2406億美元，比上年增長(zhǎng)27.3。近年來(lái)我國(guó)出口額增幅較大的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車(chē)床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機(jī)床、數(shù)控剪板機(jī)、數(shù)控成形折彎

5、機(jī)、數(shù)控壓鑄機(jī)等，普通機(jī)床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機(jī)床、液壓壓力機(jī)、木工機(jī)床等。出口的數(shù)控機(jī)床品種以中低檔為主。1.2.2 國(guó)外現(xiàn)狀國(guó)際機(jī)床市場(chǎng)的消費(fèi)主流是數(shù)控機(jī)床。1998年世界機(jī)床進(jìn)口額中大部分是數(shù)控機(jī)床，美國(guó)進(jìn)口機(jī)床的數(shù)控化率達(dá)70，我國(guó)為60%。目前世界數(shù)控機(jī)床消費(fèi)趨勢(shì)已從初期以數(shù)控電加工機(jī)床、數(shù)控車(chē)床、數(shù)控銑床為主轉(zhuǎn)向以加工中心、專(zhuān)用數(shù)控機(jī)床、成套設(shè)備為主。國(guó)外數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益普遍運(yùn)用，數(shù)控機(jī)床走向網(wǎng)絡(luò)化、集成化已成為必然的趨勢(shì)和方向，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入制造工廠的車(chē)間只是時(shí)間的問(wèn)題。從另一角度來(lái)看，目前流行的ERP即工廠信息化對(duì)于制造業(yè)來(lái)說(shuō)，僅僅局限于通常

6、的管理部門(mén)（人、財(cái)、物、產(chǎn)、供、銷(xiāo)）或設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)等等上層部分的信息化是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，工廠、車(chē)間的最底層加工設(shè)備數(shù)控機(jī)床不能夠連成網(wǎng)絡(luò)或信息化就必然成為制造業(yè)工廠信息化的制約瓶頸，所謂的ERP就比較“虛”沒(méi)有能夠真正地解決制造工廠的最關(guān)鍵的問(wèn)題。所以，對(duì)于面臨日益全球化競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)代制造工廠來(lái)說(shuō)，第一是要大大提高機(jī)床的數(shù)控化率，即數(shù)控機(jī)床必須達(dá)到起碼的數(shù)量或比例；第二就是所擁有的數(shù)控機(jī)床必須具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在工廠、車(chē)以FANVC和西門(mén)子為代表的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商已在幾年前推出了具有網(wǎng)絡(luò)功能的數(shù)控系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的RS232接口外，還備有以太網(wǎng)接口，為數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)提供

7、了基本條件。由于國(guó)外企業(yè)的發(fā)展水平，數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)接口功能被定義為用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷。第2章 本文的主要工作傳統(tǒng)高速鉆床如圖2-1所示，圖2-1 傳統(tǒng)鉆床結(jié)構(gòu)示意圖其對(duì)工件的切削為手動(dòng)進(jìn)給，不僅操作麻煩而且很難達(dá)到高精度切削。對(duì)這種傳統(tǒng)機(jī)床的改造采用如下策略：采用西門(mén)子公司PLC作為核心處理器，高精度實(shí)時(shí)控制轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)；在控制精度上面，采用每轉(zhuǎn)可輸出1000個(gè)脈沖的光電編碼器和光電開(kāi)關(guān)作為控制元件，可以使得鉆頭的移動(dòng)距離達(dá)到0.01mm的精度，適合絕大多數(shù)高精度鉆孔場(chǎng)合；系統(tǒng)在鉆孔深度計(jì)算好之后，按動(dòng)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化高精度鉆孔。第3章 PLC工作原理介紹3.1 PLC發(fā)展歷程在工業(yè)

8、生產(chǎn)過(guò)程中，大量的開(kāi)關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過(guò)氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1968年美國(guó)GM（通用汽車(chē)）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國(guó)數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱(chēng)Programmable Controller（PC）。個(gè)人計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)PC）發(fā)展起來(lái)后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功 3能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）。 上世

9、紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為3040%。在這時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過(guò)程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，是無(wú)法取代的。3.2 可編程序控制器PLC的分類(lèi)PLC產(chǎn)品種類(lèi)繁多，其規(guī)格和性能也各不相同。對(duì)PLC的分類(lèi)，通常根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的不同、功能的差異和I/O點(diǎn)數(shù)的多少等進(jìn)行大致分類(lèi)。方案一：僅采用CPLD作為核

10、心部件的方案3.2.1 根據(jù)結(jié)構(gòu)形式分類(lèi)PLC按結(jié)構(gòu)形式分類(lèi)根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)形式，可將PLC分為整體式和模塊式兩類(lèi)。（1）整體式PLC 整體式PLC是將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)， 具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價(jià)格低的特點(diǎn)。小型PLC一般采用這種整體式結(jié)構(gòu)。整體式PLC由不同I/O點(diǎn)數(shù)的基本單元（又稱(chēng)主機(jī)）和擴(kuò)展單元組成?；締卧獌?nèi)有CPU、I/O接口、與I/O擴(kuò)展單元相連的擴(kuò)展口，以及與編程器或EPROM寫(xiě)入器相連的接口等。擴(kuò)展單元內(nèi)只有I/O和電源等，沒(méi)有CPU?；締卧蛿U(kuò)展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式PLC一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，

11、使其功能得以擴(kuò)展。（2）模塊式PLC 模塊式PLC是將PLC各組成部分，分別作成若干個(gè)單獨(dú)的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。模塊式PLC由框架或基板和各種模塊組成。模塊裝在框架或基板的插座上。這種模塊式PLC的特點(diǎn)是配置靈活，可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配方便，便于擴(kuò)展和維修。大、中型PLC一般采用模塊式結(jié)構(gòu)。還有一些PLC將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成所謂疊裝式PLC。疊裝式PLC其CPU、電源、I/O接口等也是各自獨(dú)立的模塊，但它們之間是靠電纜進(jìn)行聯(lián)接，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可做得體積小巧。

12、3.2.2 根據(jù)功能分類(lèi)PLC按功能分類(lèi)根據(jù)PLC所具有的功能不同，可將PLC分為低檔、中檔、高檔三類(lèi)。（1）低檔PLC 具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機(jī)控制系統(tǒng)。（2）中檔PLC 除具有低檔PLC的功能外，還具有較強(qiáng)的模擬量輸入輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還可增設(shè)中斷控制、PID控制等功能，適用于復(fù)雜控制系統(tǒng)。（3）高檔PLC 除具有中檔機(jī)的功能外，還增加了帶符號(hào)算術(shù)運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、位邏輯運(yùn)算、平方根運(yùn)

13、算及其它特殊功能函數(shù)的運(yùn)算、制表及表格傳送功能等。高檔PLC機(jī)具有更強(qiáng)的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過(guò)程控制或構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化。3.2.3 按I/O點(diǎn)數(shù)分類(lèi)PLC按I/O點(diǎn)數(shù)分類(lèi)根據(jù)PLC的I/O點(diǎn)數(shù)的多少，可將PLC分為小型、中型和大型三類(lèi)。 (1).小型PLCI/O點(diǎn)數(shù)< 256點(diǎn)；單CPU、8位或16位處理器、用戶(hù)存儲(chǔ)器容量4K字以下。 (2). 中型PLCI/O點(diǎn)數(shù)2562048點(diǎn)；雙CPU，用戶(hù)存儲(chǔ)器容量28K (3). 大型PLCI/O點(diǎn)數(shù)> 2048點(diǎn)；多CPU，16位、32位處理器，用戶(hù)存儲(chǔ)器容量816K .3.3 PLC的構(gòu)成從結(jié)構(gòu)上分，PLC

14、分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。3.3.1 CPU的構(gòu)成CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個(gè)CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶(hù)程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制

15、信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線(xiàn)構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線(xiàn)接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC 5不可缺少的組成單元。在使用者看來(lái)，不必要詳細(xì)分析CPU的內(nèi)部電路，但對(duì)各部分的工作機(jī)制還是應(yīng)有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號(hào)控制。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運(yùn)算，并存儲(chǔ)運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限

16、制著控制規(guī)模。3.3.2 I/O模塊PLC與電氣回路的接口，是通過(guò)輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開(kāi)關(guān)量輸入（DI），開(kāi)關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。常用的I/O分類(lèi)如下：開(kāi)關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號(hào)類(lèi)型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12b

17、it,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。3.3.3 電源模塊PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時(shí)，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類(lèi)型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。底板或機(jī)架大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機(jī)架，其作用是：電氣上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪(fǎng)問(wèn)底板上的所有模塊，機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個(gè)整體。3.3

18、.4 PLC系統(tǒng)的其它設(shè)備編程設(shè)備：編程器是PLC開(kāi)發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測(cè)運(yùn)行、檢查維護(hù)不可缺少的器件，用于編程、對(duì)系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參 6與現(xiàn)場(chǎng)控制運(yùn)行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行編程軟件）充當(dāng)編程器。也就是我們系統(tǒng)的上位機(jī)。人機(jī)界面：最簡(jiǎn)單的人機(jī)界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應(yīng)用越來(lái)越廣泛，由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行組態(tài)軟件）充當(dāng)人機(jī)界面非常普及。3.3.5 PLC的通信聯(lián)網(wǎng)依靠先進(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此，網(wǎng)絡(luò)在自動(dòng)化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來(lái)越顯著，甚至有人提出&

19、quot;網(wǎng)絡(luò)就是控制器"的觀點(diǎn)說(shuō)法。PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計(jì)算機(jī)以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散集中控制。多數(shù)PLC具有RS-232接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。PLC的通信現(xiàn)在主要采用通過(guò)多點(diǎn)接口（MPI）的數(shù)據(jù)通訊、PROFIBUS 或工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。3.4 PLC的應(yīng)用現(xiàn)狀自20 世紀(jì)60 年代中期以來(lái)PLC 產(chǎn)品在電力、冶金、化工等行業(yè)發(fā)揮了重大作用, 尤其近20 年來(lái)計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展, 不斷成倍擴(kuò)大的功能和成倍降低的價(jià)格, 使PLC、通訊聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、過(guò)程控制軟件都獲得了長(zhǎng)足進(jìn)

20、步, 也使PLC 的廣泛應(yīng)用成為可能。下面通過(guò)兩組數(shù)據(jù)(引自工控網(wǎng)) 說(shuō)明PLC 的應(yīng)用現(xiàn)狀。PLC 在冶金行業(yè)的市場(chǎng)將持續(xù)增加2003 年中國(guó)的工業(yè)出現(xiàn)了快速增長(zhǎng), 工業(yè)產(chǎn)值同比增長(zhǎng)在12% 以上, 而且中國(guó)的最大鋼鐵出口對(duì)象美國(guó)在2003 年下半年取消了鋼鐵附加稅, 中國(guó)鋼材對(duì)其出口也將迅速回升。這些有利因素刺激了中國(guó)冶金行業(yè)的投資。據(jù)調(diào)查, 中國(guó)冶金行業(yè)對(duì)設(shè)備的投資同比增長(zhǎng)接近50%。冶金設(shè)備的大量增長(zhǎng)帶動(dòng)了PLC 在該行業(yè)的增長(zhǎng), 2003 年P(guān)LC 在冶金行業(yè)的市場(chǎng)達(dá)到216 億元, 2004 年有望達(dá)到3 億元。PLC 在紡織行業(yè)的應(yīng)用分析。在中國(guó), PLC 在紡織機(jī)械上的運(yùn)用已經(jīng)

21、有17 年的歷史了, 從最早的進(jìn)口合成纖維生產(chǎn)設(shè)備到目前的中小型紡機(jī), PLC 無(wú)處不在。占各類(lèi)紡織機(jī)械60% 以上的織機(jī)平均每臺(tái)帶有一個(gè)小型的PLC, 主要用于檢測(cè)、報(bào)警、速度控制和機(jī)器啟?？刂?。紡機(jī)的比例在紡織機(jī)械中不到5% , 卻用到更多的PLC, 單臺(tái)紡紗機(jī)最多用到17 臺(tái)PLC, 主要是60 個(gè)IO 點(diǎn)以下的微型產(chǎn)品。梳棉機(jī)也用微ö小型PLC 控制。其它各類(lèi)紡織機(jī)械基本上都采用PLC 控制, 只有一些相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)備采用單片機(jī)或者其它控制方式。紡織機(jī)械的輔助設(shè)備也主要由PLC 控制, 如循環(huán)水系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、蒸氣系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、包裝線(xiàn)等。實(shí)際上PLC 在中國(guó)的應(yīng) 7用已分

22、布到各行各業(yè), 根據(jù)工控網(wǎng)的調(diào)查, 2003 年中國(guó)控制類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)PLC的占有率已超過(guò)50% , 而且保持著10% 15% 的發(fā)展速度。3.5 PLC 控制系統(tǒng)的發(fā)展前景現(xiàn)在, 雖然出現(xiàn)了性能更加優(yōu)越的DCS 和FCS控制系統(tǒng), PLC 控制也終將會(huì)被先進(jìn)的FCS 控制所取代, 但是目前以及今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間, PLC 還會(huì)與DCS 和FCS 共存, 這主要基于以下原因:1) 現(xiàn)在企業(yè)的確正在朝著自動(dòng)化、信息化、開(kāi)放化的方向發(fā)展, 但這并不意味著要將現(xiàn)有控制系統(tǒng)推倒重來(lái)。企業(yè)投入大量的人力和財(cái)力建立起來(lái)的PLC 控制系統(tǒng)已經(jīng)成型, 如果要完全推翻再建立新的DCS 或FCS 控制系統(tǒng), 需要更

23、大的資金投入, 將造成很大的浪費(fèi)。(2) 基于以上市場(chǎng)需求, 許多軟件廠商(例如: 華富惠通軟件公司) 正在考慮如何利用企業(yè)已經(jīng)成型的控制系統(tǒng)及新建的廠級(jí)網(wǎng)絡(luò), 開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)軟件, 幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化、信息化, 為企業(yè)提供控制系統(tǒng)與管理網(wǎng)絡(luò)的集成。(3) 目前, PLC 的功能增強(qiáng)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化, IO 模塊趨向分散化、智能化, 編程工具和編程語(yǔ)言更具標(biāo)準(zhǔn)化和高級(jí)化。(4) PLC 的聯(lián)網(wǎng)通信能力增強(qiáng), 向高速度、多層次、大信息量、高可靠性及開(kāi)放式的通信發(fā)展。(5) 現(xiàn)在的PLC 系統(tǒng)與DCS 技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)IöO技術(shù)相結(jié)合, 結(jié)構(gòu)開(kāi)放、擴(kuò)展方便、技術(shù)先進(jìn)、價(jià)格低廉。由以上分析可以預(yù)

24、見(jiàn), 未來(lái)PLC 將朝著多功能化、集成化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放化的方向發(fā)展, 故PLC 雖然面臨其它自動(dòng)化控制系統(tǒng)的挑戰(zhàn), 但同時(shí)也在吸收它們的優(yōu)點(diǎn), 互相融合, 不斷創(chuàng)新, 在今后一段時(shí)間內(nèi)將與其它先進(jìn)控制方式并存, 共同發(fā)展。3.6 PLC的選型方法在PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。PLC及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標(biāo)準(zhǔn)的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則選型所選用PLC應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運(yùn)業(yè)績(jī)、成熟可靠的系統(tǒng)，PLC的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和控制要求相適應(yīng)。熟悉可編程

25、序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語(yǔ)言有利于縮短編程時(shí)間，因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過(guò)程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的PLC和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。3.6.1 輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的估算I/O點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔浚ǔ８鶕?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加10%20%的可擴(kuò)展余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。實(shí)際訂貨時(shí)，還需根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點(diǎn)，對(duì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行圓整。3.6.2 存儲(chǔ)容量的估算存儲(chǔ)器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存

26、儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶(hù)應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此程序容量小于存儲(chǔ)器容量。設(shè)計(jì)階段，由于用戶(hù)應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計(jì)階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對(duì)程序容量有一定估算，通常采用存儲(chǔ)器容量的估算來(lái)替代。存儲(chǔ)器內(nèi)存容量的估算沒(méi)有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的1015倍，加上模擬I/O點(diǎn)數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。3.7 機(jī)型的選擇3.7.1 PLC的類(lèi)型PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類(lèi)，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場(chǎng)安裝和控制室安裝兩類(lèi)；按CPU字長(zhǎng)分為1

27、位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應(yīng)用角度出發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c(diǎn)數(shù)選型。整體型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)固定，因此用戶(hù)選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶(hù)可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)，功能擴(kuò)展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。3.7.2 輸入輸出模塊的選擇輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對(duì)輸入模塊，應(yīng)考慮信號(hào)電平、信號(hào)傳輸距離、信號(hào)隔離、信號(hào)供電方式等應(yīng)用要求。對(duì)輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類(lèi)型，通常繼電器輸出模塊具有價(jià)格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等特點(diǎn)；可控硅輸出模塊適用于開(kāi)關(guān)頻繁，電感性低功

28、率因數(shù)負(fù)荷場(chǎng)合，但價(jià)格較貴，過(guò)載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應(yīng) 9用要求應(yīng)一致?？筛鶕?jù)應(yīng)用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應(yīng)用成本?？紤]是否需要擴(kuò)展機(jī)架或遠(yuǎn)程I/O機(jī)架等。3.7.3 電源的選擇PLC的供電電源，除了引進(jìn)設(shè)備時(shí)同時(shí)引進(jìn)PLC應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)要求設(shè)計(jì)和選用外，一般PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計(jì)選用220VAC電源，與國(guó)內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果PLC本身帶有可使用電源時(shí)，應(yīng)核對(duì)提供的電流是否滿(mǎn)足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計(jì)外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對(duì)輸入和輸出信號(hào)的隔離是必

29、要的，有時(shí)也可采用簡(jiǎn)單的二極管或熔絲管隔離。3.7.4 存儲(chǔ)器的選擇由于計(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)器的價(jià)格已下降，因此，為保證應(yīng)用項(xiàng)目的正常投運(yùn)，一般要求PLC的存儲(chǔ)器容量，按256個(gè)I/O點(diǎn)至少選8K存儲(chǔ)器選擇。需要復(fù)雜控制功能時(shí)，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲(chǔ)器。第4章 PLC控制鉆床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和PLC選擇4.1 鉆床工作原理本文將要設(shè)計(jì)的基于PLC的高深精度鉆床如圖4-1所示圖4-1 基于PLC的鉆床示意圖三相異步電動(dòng)機(jī)M1轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)進(jìn)給絲杠傳動(dòng)，是鉆削三相異步電動(dòng)機(jī)M2和鉆頭產(chǎn)生上下位移，M1正轉(zhuǎn)為進(jìn)，刀M2下移，反轉(zhuǎn)為退刀M2上移。SQ1和SQ2之間的距離就是鉆頭的移動(dòng)范圍。M

30、1正轉(zhuǎn)，鉆頭下降，MD開(kāi)始計(jì)數(shù)。旋轉(zhuǎn)編碼器MD是將進(jìn)給絲杠的轉(zhuǎn)數(shù)變換成脈沖數(shù)的元件，鉆頭上下移動(dòng)的距離與編碼器的輸出脈沖數(shù)成對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣我們就可以通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖的采集實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔深度的高精確控制。光電開(kāi)關(guān)SPH是鉆頭的檢測(cè)元件，在SPH檢測(cè)到鉆頭尖的瞬間，便有導(dǎo)通信號(hào)輸出，是鉆削電機(jī)M2啟動(dòng)，同時(shí)PLC內(nèi)部計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。從SPH光軸線(xiàn)至工件表面的距離稱(chēng)位移值，工件上的鉆孔深度稱(chēng)孔深值，兩值之和就是脈沖數(shù)的控制值。M1反向啟動(dòng)后，鉆頭上升退刀，上升至刀尖離開(kāi)SPH光軸線(xiàn)的瞬間，SPH的輸出截止，M2停轉(zhuǎn)上升退刀至最高的原始位置時(shí)，SQ1動(dòng)作，M1停轉(zhuǎn)，自動(dòng)鉆削工作過(guò)程結(jié)束。另外設(shè)計(jì)一

31、個(gè)急停開(kāi)關(guān)，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)候，電機(jī)M1，M1都立即停止工作。4.2 PLC的選型根據(jù)PLC的選型方法，首先確定需要的I/O數(shù)目輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的估算 .I/O點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加10%20%的可擴(kuò)展 余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。上限位和下限位共需要兩個(gè)輸入口，光電開(kāi)關(guān)，旋轉(zhuǎn)編碼器，急停開(kāi)關(guān)以及電機(jī) 11M1的啟動(dòng)各需要一個(gè)輸入I/O口；電機(jī)M1的正轉(zhuǎn)控制，反轉(zhuǎn)控制，停止控制和電機(jī)M2的轉(zhuǎn)動(dòng)和停止控制也各需要一個(gè)I/O口；綜上所述，共需要6個(gè)輸入端口和5個(gè)輸出端口。存儲(chǔ)器容量的確定：存儲(chǔ)器容量的選擇有兩種計(jì)算方法。一種是根據(jù)變成實(shí)際使用的節(jié)

32、點(diǎn)數(shù)計(jì)算，這種方法可以精確算出存儲(chǔ)器實(shí)際使用容量，缺點(diǎn)是編完程序之后才能計(jì)算。常用的是估算法，用戶(hù)可以根據(jù)控制規(guī)模和應(yīng)用目的，按照下面公式計(jì)算：M=K*（10*DI）+（5*DO）其中，DI表示開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)數(shù)目；DO表示開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)數(shù)目；K表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)所占存儲(chǔ)器字節(jié)數(shù)；M表示存儲(chǔ)器容量。假設(shè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)占用一個(gè)字節(jié)，經(jīng)過(guò)計(jì)算我們需要的存儲(chǔ)器容量M為85字節(jié)。 由于我們的輸入端有高速旋轉(zhuǎn)的編碼器，因此所選用的PLC必須帶有高速計(jì)數(shù)器這樣才能滿(mǎn)足對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖的準(zhǔn)確計(jì)數(shù)。我們對(duì)市場(chǎng)上的常用小型PLC進(jìn)行了比較，西門(mén)子S7-200 PLC就能滿(mǎn)足要求，我們選用CPU 222這一款。下一節(jié)就是對(duì)

33、S7-200的介紹。4.3 S7-200介紹西門(mén)子S7系列PLC體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強(qiáng)，可靠性更高。S7系列PLC產(chǎn)品可分為微型PLC（如S7-200），小規(guī)模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。S7-200 PLC是超小型化的PLC，它適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制等。S7-200 PLC的強(qiáng)大功能使其無(wú)論單機(jī)運(yùn)行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。S7-200PLC可提供4個(gè)不同的基本型號(hào)與8種CPU可供選擇使用。4.3.1 S7-200系列PLC的硬件配置本書(shū)以S7-200系列PLC為目標(biāo)機(jī)型，介紹

34、西門(mén)子PLC的特點(diǎn)，為今后更好地學(xué)習(xí)和掌握S7-300/400打下基礎(chǔ)。S7-200系列PLC作為西門(mén)子SIMATIC PLC家族中的最小成員，以其超小體積，靈活的配置，強(qiáng)大的內(nèi)置功能，在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。S7-200系列PLC可提供4種不同的基本單元和6種型號(hào)的擴(kuò)展單元。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴(kuò)展單元、編程器、存儲(chǔ)卡、寫(xiě)入器、文本顯示器等?；締卧猄7-200系列PLC中可提供4種不同的基本型號(hào)的8種CPU供選擇使用，其輸入輸出點(diǎn)數(shù)的分配見(jiàn)表4-2：擴(kuò)展單元S7-200系列PLC主要有6種擴(kuò)展單元，它本身沒(méi)有CPU，只能與基本單元相連接使用，用于擴(kuò)展I/O點(diǎn)數(shù)，S7-200系列PLC

35、擴(kuò)展單元型號(hào)及輸入輸出點(diǎn)數(shù)的分配如表4-3所示。編程器PLC在正式運(yùn)行時(shí)，不需要編程器。編程器主要用來(lái)進(jìn)行用戶(hù)程序的編制、存儲(chǔ)和管理等，并將用戶(hù)程序送入PLC中，在調(diào)試過(guò)程中，進(jìn)行監(jiān)控和故障檢測(cè)。S7-200系列PLC可采用多種編程器，一般可分為簡(jiǎn)易型和智能型。簡(jiǎn)易型編程器是袖珍型的，簡(jiǎn)單實(shí)用，價(jià)格低廉，是一種很好的現(xiàn)場(chǎng)編程及監(jiān)測(cè)工具，但顯示功能較差，只能用指令表方式輸入，使用不夠方便。智能型編程器采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程操作，將專(zhuān)用的編程軟件裝入計(jì)算機(jī)內(nèi)，可直接采用梯形圖語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，非常直觀，且功能強(qiáng)大，S7-200系列PLC的專(zhuān)用編程軟件為STEP7-Micro/WIN。程序存儲(chǔ)卡為

36、了保證程序及重要參數(shù)的安全，一般小型PLC設(shè)有外接EEPROM卡盒接口，通過(guò)該接口可以將卡盒的內(nèi)容寫(xiě)入PLC，也可將PLC內(nèi)的程序及重要參數(shù)傳到外接EEPROM卡盒內(nèi)作為備份。程序存儲(chǔ)卡EEPROM有6ES 7291-8GC00-0XA0和6ES 7291-8GD00-0XA0兩種，程序容量分別為8K和16K程序步。寫(xiě)入器寫(xiě)入器的功能是實(shí)現(xiàn)PLC和EPROM之間的程序傳送，是將PLC中RAM區(qū)的程序通過(guò)寫(xiě)入器固化到程序存儲(chǔ)卡中，或?qū)LC中程序存儲(chǔ)卡中的程序通過(guò)寫(xiě)入器傳送到RAM區(qū)。文本顯示器文本顯示器TD200不僅是一個(gè)用于顯示系統(tǒng)信息的顯示設(shè)備，還可以作為控制單元對(duì)某個(gè)量的數(shù)值進(jìn)行修改，或

37、直接設(shè)置輸入/輸出量。文本信息的顯示用選擇/確認(rèn)的方法，最多可顯示80條信息，每條信息最多4個(gè)變量的狀態(tài)。過(guò)程參數(shù)可在顯示器上顯示，并可以隨時(shí)修改。TD200面板上的8個(gè)可編程序的功能鍵，每個(gè)都分配了一個(gè)存儲(chǔ)器位，這些功能鍵在啟動(dòng)和測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和診斷。4.3.2 S7-200系列PLC的主要技術(shù)性能下面以S7-200 CPU224為例說(shuō)明S7系列PLC的主要技術(shù)性能。一般性能S7-200 CPU224的一般性能如表4-4 所示。表4-4 S7-200 CPU224一般性能輸入特性S7-200 CPU224的輸入特性如表4-5所示。輸出特性S7-200 CPU224輸出特性如表4

38、-6 所示。表4-6 S7-200 CPU224的輸出特性第5章 鉆床系統(tǒng)I/O地址分配和梯形圖的編寫(xiě)從上一章的分析知道一共6個(gè)輸入點(diǎn)，5個(gè)輸出點(diǎn)，選用西門(mén)子S7-200主機(jī)為CPU222型PLC，并在上章對(duì)其作了詳細(xì)介紹。5.1 系統(tǒng)I/O地址分配系統(tǒng)I/O地址分配如下表：由此作出系統(tǒng)的PLC控制電路設(shè)計(jì)，如圖5.1所示圖5.1 PLC控制電路圖完成了硬件電路設(shè)計(jì)和I/O口的分配，接下來(lái)要進(jìn)行PLC程序的編寫(xiě)。5.2 PLC的常用編程語(yǔ)言介紹PLC的用戶(hù)程序是設(shè)計(jì)人員根據(jù)控制系統(tǒng)的工藝控制要求，通過(guò)PLC編程語(yǔ)言的編制設(shè)計(jì)的。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)制定的工業(yè)控制編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)（IEC1131-3）

39、。PLC的編程語(yǔ)言包括以下五種：梯形圖語(yǔ)言（LD）、指令表語(yǔ)言（IL）、功能模塊圖語(yǔ)言（FBD）、順序功能流程圖語(yǔ)言（SFC）及結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言（ST）。5.2.1 梯形圖語(yǔ)言（LD）梯形圖語(yǔ)言是PLC程序設(shè)計(jì)中最常用的編程語(yǔ)言。它是與繼電器線(xiàn)路類(lèi)似的一種編程語(yǔ)言。由于電氣設(shè)計(jì)人員對(duì)繼電器控制較為熟悉，因此，梯形圖編程語(yǔ)言得到了廣泛的歡迎和應(yīng)用。梯形圖編程語(yǔ)言的特點(diǎn)是：與電氣操作原理圖相對(duì)應(yīng)，具有直觀性和對(duì)應(yīng)性；與原有繼電器控制相一致，電氣設(shè)計(jì)人員易于掌握。梯形圖編程語(yǔ)言與原有的繼電器控制的不同點(diǎn)是，梯形圖中的能流不是實(shí)際意義的電流，內(nèi)部的繼電器5.2.2 指令表語(yǔ)言（IL）指令表編程語(yǔ)言是與匯

40、編語(yǔ)言類(lèi)似的一種助記符編程語(yǔ)言，和匯編語(yǔ)言一樣由操作碼和操作數(shù)組成。在無(wú)計(jì)算機(jī)的情況下，適合采用PLC手持編程器對(duì)用戶(hù)程序進(jìn)行編制。同時(shí)，指令表編程語(yǔ)言與梯形圖編程語(yǔ)言圖一一對(duì)應(yīng)，在PLC編程軟件下可以相互轉(zhuǎn)換。指令表表編程語(yǔ)言的特點(diǎn)是：采用助記符來(lái)表示操作功能，具有容易記憶，便于掌握；在手持編程器的鍵盤(pán)上采用助記符表示，便于操作，可在無(wú)計(jì)算機(jī)的場(chǎng)合進(jìn)行編程設(shè)計(jì)；與梯形圖有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。其特點(diǎn)與梯形圖語(yǔ)言基本一致。5.2.3 功能模塊圖語(yǔ)言（FBD）功能模塊圖語(yǔ)言是與數(shù)字邏輯電路類(lèi)似的一種PLC編程語(yǔ)言。采用功能模塊圖的形式來(lái)表示模塊所具有的功能，不同的功能模塊有不同的功能。功能模塊圖編程語(yǔ)言

41、的特點(diǎn)：功能模塊圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的特點(diǎn)是：以功能模塊為單位，分析理解控制方案簡(jiǎn)單容易；功能模塊是用圖形的形式表達(dá)功能，直觀性強(qiáng)，對(duì)于具有數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)人員很容易掌握的編程；對(duì)規(guī)模大、控制邏輯關(guān)系復(fù)雜的控制系統(tǒng)，由于功能模塊圖能夠清楚表達(dá)功能關(guān)系，使編程調(diào)試時(shí)間大大減少。5.2.4 順序功能流程圖語(yǔ)言（SFC）順序功能流程圖語(yǔ)言是為了滿(mǎn)足順序邏輯控制而設(shè)計(jì)的編程語(yǔ)言。編程時(shí)將順序流程動(dòng)作的過(guò)程分成步和轉(zhuǎn)換條件，根據(jù)轉(zhuǎn)移條件對(duì)控制系統(tǒng)的功能流程順序進(jìn)行分配，一步一步的按照順序動(dòng)作。每一步代表一個(gè)控制功能任務(wù)，用方框表示。在方框內(nèi)含有用于完成相應(yīng)控制功能任務(wù)的梯形圖邏輯。這種編程語(yǔ)言使程序結(jié)構(gòu)

42、清晰，易于閱讀及維護(hù)，大大減輕編程的工作量，縮短編程和調(diào)試時(shí)間。用于系統(tǒng)的規(guī)模校大，程序關(guān)系較復(fù)雜的場(chǎng)合。 順序功能流程圖編程語(yǔ)言的特點(diǎn)：以功能為主線(xiàn)，按照功能流程的順序分配，條理清楚，便于對(duì)用戶(hù)程序理解；避免梯形圖或其他語(yǔ)言不能順序 18動(dòng)作的缺陷，同時(shí)也避免了用梯形圖語(yǔ)言對(duì)順序動(dòng)作編程時(shí)，由于機(jī)械互鎖造成用戶(hù)程序結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以理解的缺陷；用戶(hù)程序掃描時(shí)間也大5.2.5 結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言（ST）結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言是用結(jié)構(gòu)化的描述文本來(lái)描述程序的一種編程語(yǔ)言。它是類(lèi)似于高級(jí)語(yǔ)言的一種編程語(yǔ)言。在大中型的PLC系統(tǒng)中，常采用結(jié)構(gòu)化文本來(lái)描述控制系統(tǒng)中各個(gè)變量的關(guān)系。主要用于其他編程語(yǔ)言較難實(shí)現(xiàn)的用戶(hù)程

43、序編制。結(jié)構(gòu)化文本編程語(yǔ)言采用計(jì)算機(jī)的描述方式來(lái)描述系統(tǒng)中各種變量之間的各種運(yùn)算關(guān)系，完成所需的功能或操作。大多數(shù)PLC制造商采用的結(jié)構(gòu)化文本編程語(yǔ)言與BASIC語(yǔ)言、PASCAL語(yǔ)言或C語(yǔ)言等高級(jí)語(yǔ)言相類(lèi)似，但為了應(yīng)用方便，在語(yǔ)句的表達(dá)方法及語(yǔ)句的種類(lèi)等方面都進(jìn)行了簡(jiǎn)化。5.3 鉆床工作梯形圖結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)際，我們采用最常用的梯形圖語(yǔ)言編寫(xiě)程序，如圖5.3所示， 程序運(yùn)行過(guò)程如下：起動(dòng)時(shí)，按下M1正轉(zhuǎn)/啟動(dòng)按鈕，I0.3接通，Q0.0接通并且自保，M1啟動(dòng)正轉(zhuǎn)，通過(guò)進(jìn)給絲杠帶動(dòng)M2和鉆頭下移；當(dāng)光電開(kāi)關(guān)探測(cè)到鉆頭時(shí)候，判斷M1的旋轉(zhuǎn)方向，在M2下移的時(shí)候，立即啟動(dòng)M2和PLC內(nèi)部高速計(jì)數(shù)器，Q0

44、.3接通并自保，當(dāng)鉆頭接觸到工件時(shí)對(duì)工件進(jìn)行鉆削；當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器的輸入脈沖數(shù)與高速計(jì)數(shù)器設(shè)定數(shù)值相同時(shí)，關(guān)閉常觸點(diǎn)Q0.0，接通Q0.1并自保，M1反轉(zhuǎn)，使M2和鉆頭上移；當(dāng)鉆頭離開(kāi)光電開(kāi)關(guān)的瞬間，I0.1斷開(kāi)，M2停止轉(zhuǎn)動(dòng)，Q0.4接通并自保；M2上升至最高位置，I0.4接通，Q0.1斷開(kāi)，M1停轉(zhuǎn)，完成全部鉆削過(guò)程；運(yùn)行中緊急停止時(shí)，按下急停按鈕，I0.2常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，使Q0.0，Q0.1，Q0.2，Q0.3，Q0.4斷開(kāi)，M1，M2停止任何方向轉(zhuǎn)動(dòng)。圖5.3 鉆床控制梯形圖第6章 光電編碼器的設(shè)計(jì)在自動(dòng)化領(lǐng)域,旋轉(zhuǎn)編碼器是用來(lái)檢測(cè)角度、速度、長(zhǎng)度、位移和加速度的傳感器。依靠軸桿、齒輪，測(cè)量

45、輪或繩纜的控制,線(xiàn)性的移動(dòng)能被檢測(cè)。編碼器也把實(shí)際的機(jī)械參數(shù)值轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào),這些電氣信號(hào)可以被計(jì)數(shù)器、轉(zhuǎn)速表、PLC和工業(yè)PC處理。6.1 旋轉(zhuǎn)編碼器功能原理由玻璃或塑料制成的圓盤(pán)被分成透明和非透明的區(qū)域,如果一個(gè)光源固定在圓盤(pán)的一側(cè),光敏元件固定在另一側(cè),如果一束光打在透明的區(qū)域,接收器接收到而產(chǎn)生脈沖,當(dāng)光束被黑色區(qū)域隔斷時(shí)而產(chǎn)生脈沖。發(fā)光二極管通常用作光源,發(fā)光范圍在紅外線(xiàn)范圍內(nèi),光敏二極管或光敏晶體管作為接收器如圖1所示。按照這個(gè)原理,如果沒(méi)有其它功能加入,僅能推論出圓盤(pán)在轉(zhuǎn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)感應(yīng)或絕對(duì)值位置不能被確定。6.2 旋轉(zhuǎn)編碼器的分類(lèi)根據(jù)編碼器的功能原理可以分為增量型旋轉(zhuǎn)編碼器和絕對(duì)

46、值型旋轉(zhuǎn)編碼器。6.2.1 增量型旋轉(zhuǎn)編碼器軸的每圈轉(zhuǎn)動(dòng),增量型編碼器提供一定數(shù)量的脈沖,周期性的測(cè)量或者單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)可以用來(lái)測(cè)量移動(dòng)的速度。如果在一個(gè)參考點(diǎn)后面脈沖數(shù)被累加,計(jì)算值就代表了轉(zhuǎn)動(dòng)角度或行程的參數(shù)，雙通道編碼器輸出脈沖之間相差90o。能使接收脈沖的電子設(shè)備接收軸的旋轉(zhuǎn)感應(yīng)信號(hào),因此可實(shí)現(xiàn)雙向的定位控制。另外,三通道增量型編碼器每一圈產(chǎn)生一個(gè)稱(chēng)之為零位信號(hào)的脈沖。旋轉(zhuǎn)增量型編碼器以轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出脈沖,通過(guò)計(jì)數(shù)設(shè)備來(lái)計(jì)算其位置,當(dāng)編碼器不動(dòng)或停電時(shí),依靠計(jì)數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來(lái)記住位置。停電后,編碼器不能有任何的移動(dòng);來(lái)電工作時(shí),編碼器輸出脈沖過(guò)程中,也不能有干擾而丟失脈沖。否則計(jì)數(shù)設(shè)

47、備計(jì)算并記憶的零點(diǎn)就會(huì)偏移,而且這種偏移的量是無(wú)從知道的,只有錯(cuò)誤的結(jié)果出現(xiàn)后才能知道。解決的方法是增加參考點(diǎn),編碼器每經(jīng)過(guò)參考點(diǎn),將參考位置修正在計(jì)數(shù)設(shè)備的記憶位置。在參考點(diǎn)以前,是不能保證位置的準(zhǔn)確性的。為此,在工控中就有每次操作先找參考點(diǎn),開(kāi)機(jī)找零等方法。這樣的方法對(duì)有些工控項(xiàng)目比較麻煩,甚至不允許開(kāi)機(jī)找零(開(kāi)機(jī)后就要知道準(zhǔn) 21確位置),于是就有了絕對(duì)編碼器的出現(xiàn)。6.2.2 絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器絕對(duì)編碼器光碼盤(pán)上有許多光通道刻線(xiàn),每道刻線(xiàn)依次以2線(xiàn)、4線(xiàn)、8線(xiàn)、16線(xiàn)編排。這樣,在編碼器的每一個(gè)位置,通過(guò)讀取每道刻線(xiàn)的通、暗,獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進(jìn)制編碼(格雷碼

48、),這就稱(chēng)為n位絕對(duì)編碼器。這樣的編碼器是由光電碼盤(pán)的機(jī)械位置決定的,它不受停電、干擾的影響。特別是在定位控制應(yīng)用中,絕對(duì)值編碼器減輕了電子接收設(shè)備的計(jì)算任務(wù),從而省去了復(fù)雜而又昂貴的輸入裝置。而且,當(dāng)機(jī)械合上電源或電源故障后再接通電源,不需要回到位置參考點(diǎn),就可利用當(dāng)前的位置值。絕對(duì)編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置是唯一的,它無(wú)需記憶,無(wú)需找參考點(diǎn),而且不用一直計(jì)數(shù),什么時(shí)候需要知道位置,什么時(shí)候就去讀取它的位置。這樣,編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。單圈絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器,以轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)量光電碼盤(pán)各道刻線(xiàn),以獲取唯一的編碼,當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)超過(guò)360o時(shí),編碼又回到原點(diǎn),這樣就不符合絕對(duì)編碼唯一

49、的原則,這樣的編碼只能用于旋轉(zhuǎn)范圍360o以?xún)?nèi)的測(cè)量,即把360o等分成最大8192個(gè)測(cè)量步,這種編碼器轉(zhuǎn)完一圈后,代碼由開(kāi)始重現(xiàn)稱(chēng)為單圈絕對(duì)值編碼器。因此這種編碼器無(wú)法區(qū)別到底轉(zhuǎn)了多少圈。如果要測(cè)量旋轉(zhuǎn)超過(guò)360o范圍,就要用到多圈絕對(duì)值編碼器。編碼器生產(chǎn)廠家運(yùn)用鐘表齒輪機(jī)械的原理,當(dāng)中心碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí),通過(guò)齒輪傳動(dòng)另一組碼盤(pán)(或多組齒輪,多組碼盤(pán)),在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼,以擴(kuò)大編碼器的測(cè)量范圍,這個(gè)齒輪最多可測(cè)到4096(12位)圈,這樣的絕對(duì)編碼器就稱(chēng)為多圈式絕對(duì)編碼器,它同樣是由機(jī)械位置確定編碼,每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù),而無(wú)需記憶。因此多圈編碼器總的分辨率為13位(單圈分辨率

50、)+12位(圈數(shù))總數(shù)為25位分辨率,也就是說(shuō),總數(shù)為33554432個(gè)位置可讀取。這樣這種編碼器把非常長(zhǎng)距離等分為非常小的測(cè)量步。多圈編碼器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于測(cè)量范圍大,實(shí)際使用往往富裕較多,這樣在安裝時(shí)不必要費(fèi)勁找零點(diǎn),將某一中間位置作為起始點(diǎn)就可以了,而且大大簡(jiǎn)化了安裝調(diào)試難度。6.3 編碼器的應(yīng)用增量型編碼器的應(yīng)用增量型旋轉(zhuǎn)編碼器是只輸出脈沖的旋轉(zhuǎn)編碼器。分辨率(Z)和每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)用于計(jì)算角位移。信號(hào)頻率可以用來(lái)決定角速度(),另外,周期的瞬間改變可以用來(lái)計(jì)算角 22加速度.為了檢測(cè)移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)方向,脈沖掃描原理接收器有A、B兩個(gè)通道。旋轉(zhuǎn)的方向可以通過(guò)A、B兩相電氣上相差90o(見(jiàn)圖2)

51、辨別。在順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)(CW)通道A超前于通道B。CCW 代表反時(shí)針旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)方向以面對(duì)軸的方向看為基準(zhǔn)。應(yīng)用旋轉(zhuǎn)編碼器注意事項(xiàng)在使用,旋轉(zhuǎn)編碼器中最重要的是抗干擾問(wèn)題,干擾的抑制取決于正確的屏蔽。在現(xiàn)場(chǎng),安裝錯(cuò)誤的情況時(shí)有發(fā)生。經(jīng)常是屏蔽線(xiàn)只接了一邊,并且用一個(gè)導(dǎo)線(xiàn)把它焊在接地端子上,這種處理方式只是在LF(低頻)工程中才有效,這不符合EMC中HF(高頻)信號(hào)的規(guī)則,在高頻工程中一個(gè)基本的目標(biāo)是在不可能低的阻抗下傳遞HF(高頻)能量到大地,否則能量會(huì)釋放到電纜上。低阻抗可通過(guò)表面積大的導(dǎo)線(xiàn)連接到金屬表面上來(lái)實(shí)現(xiàn)。6.4 旋轉(zhuǎn)編碼器的設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)絲杠的螺距為10mm,鉆頭移動(dòng)距離精度達(dá)

52、到0.01mm,我們選用HEDSS公司的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生1000個(gè)脈沖，其最大供電電流為20mA,最大脈沖數(shù)20KHZ，A，B相位差90°，最大旋轉(zhuǎn)速度2000r/min供電電壓5V，輸出高電平（4.75）V按照通常做法，需要兩個(gè)PLC高速計(jì)數(shù)口，但是根據(jù)設(shè)計(jì)要求我們只需要知道旋轉(zhuǎn)編碼器在正轉(zhuǎn)一定角度時(shí)的輸出脈沖，因此在電路中只接入了A相輸入就可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求而且可以節(jié)省一個(gè)PLC I/O口。根據(jù)我們所選用的PLC高速計(jì)數(shù)口輸入信號(hào)為+24V，而光電編碼器輸出為+5V，為此設(shè)計(jì)了如圖5.1所示的電平轉(zhuǎn)換電路。該電路將編碼器傳輸來(lái)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為可編程控制器能夠直接

53、接收到的+ 24V 信號(hào)。另外我們還設(shè)計(jì)了整形濾波電路用以消除信號(hào)在傳輸中所受到的干擾;圖6-1 編碼器與PLC接口電路第7章 光電開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)采用光電轉(zhuǎn)換原理控制電路通斷使輸出信號(hào)產(chǎn)生邏輯轉(zhuǎn)換的一類(lèi)電器稱(chēng)為光電開(kāi)關(guān)。與傳統(tǒng)的機(jī)械行程開(kāi)關(guān)相比，光電開(kāi)關(guān)具有無(wú)觸點(diǎn)控制，無(wú)機(jī)械碰撞，能識(shí)別色標(biāo)，響應(yīng)速度快，控制精度高等特點(diǎn)，鼓在工業(yè)自控設(shè)備中應(yīng)用及其廣泛。許多包裝機(jī)，印刷機(jī)，紡織機(jī)等都用它進(jìn)行限位，換向，同步，測(cè)速及其他控制，如零度，長(zhǎng)度，液位，料位，數(shù)量等控制。7.1 光電開(kāi)關(guān)分類(lèi)漫反射式光電開(kāi)關(guān)：它是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)時(shí)，物體將光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線(xiàn)反射到接收器，于是光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)被檢測(cè)物體的表面光亮或其反光率極高時(shí)，漫反射式的光電開(kāi)關(guān)是首選的檢測(cè)模式。鏡反射式光電開(kāi)關(guān)：它亦集發(fā)射器與接收器于一體，光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)出的