基于PLC磨線機(jī)的設(shè)計(jì)

1、摘要隨著自動(dòng)控制理論和 PLC 技術(shù)的發(fā)展，具有易于使用、功能強(qiáng)大、高可靠性、擴(kuò)展能力強(qiáng)、廣泛的適用性和組成控制系統(tǒng)的簡潔性等諸多優(yōu)點(diǎn)的 PLC 控制技術(shù)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 本論文基于 PLC 的磨線機(jī)控制系統(tǒng)項(xiàng)目為背景，從 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度，探討PLC 控制技術(shù)的應(yīng)用， 實(shí)現(xiàn)了基于PLC的磨線機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。在該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)中，提出了分多段打磨的線徑加工方法，分析了線徑檢測計(jì)算原理；硬件的設(shè)計(jì)又包括 PLC 設(shè)備選型、I/O分配、PLC接線圖、線徑檢測器、模擬量輸入模塊、伺服放大器等內(nèi)容；軟件的設(shè)計(jì)包括多個(gè)模塊的 P

2、LC 程序的設(shè)計(jì)、多個(gè)畫面的人機(jī)界面的設(shè)計(jì)、通訊網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)包括上位機(jī)控制系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)的組成、下位機(jī)profibus通訊組成。最終完成PLC對(duì)磨線機(jī)的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：PLC，磨線機(jī)，控制系統(tǒng)，通訊網(wǎng)絡(luò)AbstractAlong with the automatic control theory and the development of PLC technology, with easy to use, powerful function, high reliability, strong expanding capacity, wide applicability and composit

3、ion control system has many advantages such as simplicity of the PLC control technology, has been used more and more widely.This paper based on PLC grinding machine control system project as the background, from the PLC control system design point of view, explore the application of PLC control tech

4、nology, based on the realization of the PLC grinding machine control system design, including the systems overall design, hardware design, software design and communication network design. In the overall design of the system, presents more polished wire processing method, analysis of wire diameter d

5、etection calculation principle; hardware design and equipment selection, including PLC I/O, PLC distribution wiring diagram, wire diameter detector, an analog input module, a servo amplifier and so on; software design includes a module of PLC program design, multiple screen man-machine interface des

6、ign, design of a communication network includes a host computer control system industrial Ethernet composition, PC and PROFIBUS communication. Finish PLC on grinding machine line design.Key words: PLC, grinding machine, control system, communication network目錄摘要I第1章 緒論41.1 PLC控制技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展41.2 PLC國內(nèi)外的應(yīng)用

7、現(xiàn)狀21.3 PLC控制技術(shù)與其他控制技術(shù)的異同31.3.1 PLC控制技術(shù)與繼電器控制技術(shù)的異同31.3.2 PLC控制技術(shù)和通用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的異同41.3.3 PLC控制技術(shù)與單片機(jī)控制技術(shù)的異同41.3.4 PLC 控制技術(shù)與DCS控制技術(shù)的異同41.4磨線機(jī)控制系統(tǒng)的研究背景、研究現(xiàn)狀及研究意義51.5 本章小結(jié)6第2章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法62.1 PLC 的結(jié)構(gòu)和工作原理62.1.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)72.1.2 PLC的工作原理82.1.3 PLC的編程語言92.2 PLC控制系統(tǒng)的組成102.3 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則102.4 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟102.5 PL

8、C控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)122.5.1 PLC機(jī)型選擇122.5.2 I/O模塊及點(diǎn)數(shù)的選擇12存儲(chǔ)容量的選擇12特殊功能模塊的選擇132.6 PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)132.6.1 PLC 程序設(shè)計(jì)步驟132.6.2 PLC 程序設(shè)計(jì)方法14人機(jī)界面設(shè)計(jì)152.7 PLC控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)162.7.1 PLC與計(jì)算機(jī)通訊162.7.2 PLC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)172.8 本章小結(jié)18第3章 磨線機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)193.1磨線機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成以及工作原理193.1.1 磨線機(jī)系統(tǒng)組成193.1.2 磨線機(jī)系統(tǒng)的工作原理203.2 磨線機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)213.2.2 線徑檢測計(jì)算方法223.2.3 系統(tǒng)

9、閉環(huán)控制原理223.3 磨線機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)233.3.1 PLC設(shè)備選型及I/O分配233.3.2 PLC接線圖243.3.3 線徑檢測器253.3.4 模擬量輸入模塊263.3.5 伺服放大器273.4 磨線機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)273.4.1 磨線機(jī)控制系統(tǒng)PLC程序的設(shè)計(jì)思想273.4.2 磨線機(jī)控制系統(tǒng)的PLC程序323.4.3 磨線機(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)界面413.5 磨線機(jī)PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計(jì)493.5.1 磨線機(jī)PLC控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)硬件配置493.5.2 采用RS232實(shí)現(xiàn)三菱FX2N系列PLC與PC之間的通訊493.6 本章小結(jié)51第4章 總 結(jié)52致謝53參考文獻(xiàn)54第

10、1章 緒論隨著微電子技術(shù) 、 控制技術(shù)及信息技術(shù)的不斷發(fā)展 ， PLC（Programmable Logic Controller，即可編程邏輯控制器）控制技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展。本章首先講述了PLC控制技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展、國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀、與其他控制技術(shù)的區(qū)別；然后介紹了基于PLC的磨線機(jī)控制系統(tǒng)的來源、研究背景、研究現(xiàn)狀及研究意義。1.1 PLC控制技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展在早期的工業(yè)控制中，多采用繼電器控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)體積大、耗電多，改變生產(chǎn)程序非常困難。為改變這種狀況，20 世紀(jì) 60 年代末期，美國通用汽車公司（GM）提出需求，公開招標(biāo)。隨后，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出了世界上第一臺(tái)可編

11、程控制器，并成功的應(yīng)用于汽車生產(chǎn)線上。隨后，日本、德國等相繼引入 PLC 技術(shù)，許多知名公司的加入使得 PLC 技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，如：日本的三菱、松下、OMRON；德國的西門子、BBC 等公司。目前，全世界約有200多家公司從事PLC的研究與制造，生產(chǎn)著400多個(gè)系列的產(chǎn)品。 早期的可編程控制器指令系統(tǒng)簡單，只能完成順序控制，一般只具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能。隨著微電子技術(shù)、控制技術(shù)與信息技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC也在不斷發(fā)展。20世紀(jì)80年代后期，以16位和32位微處理器構(gòu)成的微機(jī)化PLC得到了巨大的發(fā)展，使其在概念上、設(shè)計(jì)上、性價(jià)比等方面都有了很大的突破?？删幊炭刂破骶哂辛烁↑c(diǎn)運(yùn)算、函

12、數(shù)運(yùn)算、高速計(jì)數(shù)、中斷計(jì)數(shù)、PID控制及聯(lián)網(wǎng)等功能，這些都使得PLC技術(shù)的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。1.2 PLC國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀自動(dòng)化正以超快速增長的趨勢(shì)成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的部分，也成為制造商快速服務(wù)全球市場的關(guān)鍵。我國工業(yè)發(fā)展及自動(dòng)化應(yīng)用水平與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比有幾十年的滯后，按目前的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)分析，我國將迎來一個(gè)PLC市場高速增長的時(shí)期?；谥袊?jīng)濟(jì)穩(wěn)定迅速增長的現(xiàn)狀，今后若干年內(nèi)中國PLC市場將保持持續(xù)高速增長。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，初步估計(jì)目前在我國本土銷售的PLC總量為3040億元人民幣(不含隨進(jìn)口主設(shè)備配套的PLC)，年增長率為1520%。巨大的市場需求為發(fā)展PLC業(yè)務(wù)提供了難得的歷史機(jī)遇，

13、國內(nèi)有實(shí)力的自動(dòng)化公司應(yīng)充分利用在市場、技術(shù)、行業(yè)影響和品牌等方面的積累，大力拓展PLC業(yè)務(wù)，使國產(chǎn)PLC早日成為中國PLC市場的主要參與者之一。目前，PLC的應(yīng)用已不局限于傳統(tǒng)制造領(lǐng)域，PLC的控制技術(shù)在各行業(yè)已得到成功的運(yùn)用，在國內(nèi)，楊健等人引進(jìn)PLC控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了水凈化工藝控制系統(tǒng)，PLC在該系統(tǒng)的水凈化過程中控制加藥加氯動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了水處理系統(tǒng)的自動(dòng)化，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，取得了不錯(cuò)的效果；在裂紋檢測領(lǐng)域，王建國等人設(shè)計(jì)的基于PLC的裂紋檢測臺(tái)，很好的發(fā)揮了PLC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、智能化的優(yōu)點(diǎn)，在太陽能開發(fā)領(lǐng)域，耿立明等人成功設(shè)計(jì)了基于PLC的太陽能熱水器控制系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，PLC

14、通過控制液位、電源的通斷、采集溫度和風(fēng)壓等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制的功能；在煤炭生產(chǎn)領(lǐng)域，呂書勇利用PLC控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)的基于PLC的焦化備煤控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了金馬焦化廠備煤過程，滿足了生產(chǎn)需要，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率；在汽車輪轂等轉(zhuǎn)軸零件的檢測中取得了良好效果；在垃圾處理領(lǐng)域，郭瑞國設(shè)計(jì)的基于PLC的垃圾焚燒爐控制系統(tǒng)，發(fā)揮了PLC控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、便于操作、易于控制的優(yōu)點(diǎn)，保證了垃圾焚燒爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、爐溫穩(wěn)定、尾氣污染控制達(dá)標(biāo)；在船舶領(lǐng)域，董猛利用PLC控制技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)，組成的控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)的主要功能，設(shè)計(jì)了基于PLC的船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)，特別適合于在

15、中、小型船舶上應(yīng)用，也可應(yīng)用于在航船舶的主機(jī)遙控系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)中。在國外，D.W.Russell在設(shè)計(jì)的工廠信息系統(tǒng)中，將PLC應(yīng)用于采集、預(yù)處理并傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)，節(jié)約了成本，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，收到了很好的效果；Atef A.Ata等人在機(jī)器人應(yīng)用于顏色識(shí)別的研究中也成功引入了PLC技術(shù)。在生物研究領(lǐng)域，F(xiàn)rederico等人為了研究微生物在不同濃度氧氣環(huán)境中的生長和生產(chǎn)情況，在使用的帶氧化功能的生物反應(yīng)器中，PLC被用來自動(dòng)控制氧氣的濃度，獲得了成功的應(yīng)用。1.3 PLC控制技術(shù)與其他控制技術(shù)的異同隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了多種實(shí)用的控制技術(shù) ，如繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)

16、控制技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)及 PLC 控制技術(shù)，DCS控制系統(tǒng)技術(shù)等，每種控制技術(shù)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。1.3.1 PLC控制技術(shù)與繼電器控制技術(shù)的異同 在PLC的編程語言中，梯形圖是用得最多的語言。PLC的梯形圖與繼電器控制線路圖比較相似，信號(hào)的輸入/輸出形式及控制功能也相同，但PLC的控制與繼電器的控制又有不同之處，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 （1）控制邏輯：繼電器控制邏輯采用硬接線邏輯，利用繼電器機(jī)械觸頭的串聯(lián)或并聯(lián)以及時(shí)間繼電器的延時(shí)等組合成控制邏輯。其缺點(diǎn)是接線復(fù)雜，增加或改變功能都非常困難，繼電器觸頭數(shù)目也有限。而PLC利用其內(nèi)部存儲(chǔ)器，以程序方式將控制邏輯存儲(chǔ)在內(nèi)存中，通過改變程

17、序就可以很方便的改變控制邏輯，另外，軟繼電器觸頭數(shù)一般都非常多，因此PLC控制邏輯的靈活性和擴(kuò)展性都很好。 （2）控制速度：繼電器控制是通過繼電器機(jī)械觸頭的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)，觸頭的開閉動(dòng)作一般在幾十毫秒數(shù)量級(jí)。而PLC通過程序指令控制半導(dǎo)體電路來實(shí)現(xiàn)控制邏輯，一般一條指令的執(zhí)行時(shí)間在微秒數(shù)量級(jí)。（3）限時(shí)控制：繼電器控制邏輯利用時(shí)間繼電器的滯后動(dòng)作進(jìn)行限時(shí)控制，但其定時(shí)精度不高，易受環(huán)境影響，調(diào)整比較困難。PLC 使用半導(dǎo)體集成電路定時(shí)器，定時(shí)精度高，定時(shí)范圍可從0.001s到若干分鐘，通過編寫程序來進(jìn)行定時(shí)控制，非常方便。 （4）計(jì)數(shù)控制：繼電器控制邏輯一般不具備計(jì)數(shù)的功能，而PLC能通過程序方便

18、的實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。 （5）可靠性和可維護(hù)性：繼電器控制邏輯使用了大量的機(jī)械觸頭，觸頭開閉時(shí)產(chǎn)生的電弧容易損壞觸點(diǎn)，因此可靠性和可維護(hù)性都比較差。而PLC采用無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來代替繼電器觸點(diǎn)，因而不存在上述缺陷。PLC還帶有自檢功能，為現(xiàn)場的調(diào)試和維護(hù)提供了方便。 （6）價(jià)格：繼電器控制邏輯多使用機(jī)械開關(guān)、繼電器等，功能簡單，價(jià)格比較便宜。而PLC多使用集成電路，價(jià)格相對(duì)比較昂貴。 1.3.2 PLC控制技術(shù)和通用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的異同 PLC 是專門為工業(yè)控制環(huán)境而設(shè)計(jì)的，而通用計(jì)算機(jī)是專門為科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理等而設(shè)計(jì)的，兩者采用的都是計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，但兩者設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)不同，因此也存在許多的差異，主

19、要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （1）應(yīng)用范圍：通用計(jì)算機(jī)除了應(yīng)用在控制領(lǐng)域外，還大量應(yīng)用在科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算機(jī)通信等方面。而 PLC 主要用于工業(yè)控制領(lǐng)域。 （2）使用環(huán)境：通用計(jì)算機(jī)對(duì)環(huán)境要求高。而 PLC 能適用于環(huán)境差的工業(yè)現(xiàn)場。 （3）程序設(shè)計(jì)：通用計(jì)算機(jī)具有豐富的程序設(shè)計(jì)語言，如匯編語言、C 語 言等，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用，對(duì)編程者要求高。而 PLC 能提供的編程語言少，邏輯簡單，容易學(xué)習(xí)和使用。 （4）運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量：隨著各種電子技術(shù)的發(fā)展，通用計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度越來越快，一般在微秒級(jí)，存儲(chǔ)容量也在增大。而 PLC 相對(duì)通用計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度要慢，其編程的軟件少，編程簡短，內(nèi)存容量也很小。

20、 （5）價(jià)格：通用計(jì)算機(jī)功能多，硬件復(fù)雜，而 PLC 相對(duì)功能單一，因此在價(jià)格上一般 PLC 要比通用計(jì)算機(jī)便宜。1.3.3 PLC控制技術(shù)與單片機(jī)控制技術(shù)的異同 單片機(jī)控制技術(shù)一般用于數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制，單片機(jī)在配置上比 通用計(jì)算機(jī)簡單，價(jià)格上相對(duì)便宜，但它和通用計(jì)算機(jī)一樣，也不是專門為工業(yè)現(xiàn)場控制所設(shè)計(jì)的。與通用計(jì)算機(jī)一樣，單片機(jī)編程復(fù)雜、不易掌握，需要處理大量 I/O 接口，其輸出口驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力較弱，要驅(qū)動(dòng)工業(yè)負(fù)載需要復(fù)雜的外圍電路。單片機(jī)控制技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)在于它具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，但工業(yè)控制過程要處理的是大量的開關(guān)量，因而運(yùn)用在工業(yè)現(xiàn)場控制中單片機(jī)的長處得不到發(fā)揮，其可靠性也遠(yuǎn)不如

21、 PLC。一般單片機(jī)控制技術(shù)僅使用于比較簡單的工業(yè)控制過程和數(shù)據(jù)處理能力要求比較高的場合。 PLC 控制技術(shù)與單片機(jī)控制技術(shù)相比較而言，更適合于工業(yè)現(xiàn)場過程控制，但其數(shù)據(jù)處理能力不如后者。所以二者各有所長，不能互相替代。 由此可見，隨著 PLC 的成本降低及數(shù)據(jù)處理能力的增強(qiáng)，在工業(yè)現(xiàn)場控制方面，PLC控制技術(shù)面對(duì)其他的控制技術(shù)的挑戰(zhàn)將會(huì)一直具有自身的優(yōu)勢(shì)。因此，掌握 PLC 控制技術(shù)對(duì)于工業(yè)控制技術(shù)人員來說是必不可少的技能之一。1.3.4 PLC 控制技術(shù)與DCS控制技術(shù)的異同PLC控制和DCS控制系統(tǒng)不是一個(gè)邏輯層次上的概念，從名稱上就能看出:PLC是以功能命名，DCS是以體系結(jié)構(gòu)命名。從

22、原理上看 PLC就可以組成DCS。當(dāng)然兩者性能差異還是存在的，要具體看產(chǎn)品和需要。從應(yīng)用角度來說，簡單地以 PLC,DCS來區(qū)分，往往會(huì)走人誤區(qū)。DCS控制系統(tǒng)與PLC控制區(qū)別:DCS是一種“分散式控制系統(tǒng)”，而 PLC(可編程控制器)只是一種控制“裝置”，兩者是“系統(tǒng)”與“裝置”的區(qū)別。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)任何裝置的功能與協(xié)調(diào),PLC裝置只實(shí)現(xiàn)本單元所具備的功能。DCS網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)系統(tǒng)的中樞神經(jīng),DCS系統(tǒng)通常采用的國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議 TCP/IP。它是安全可靠雙冗余的高速通訊網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的拓展性與開放性更好.而 PLC因?yàn)榛旧隙紴閱蝹€(gè)小系統(tǒng)工作，在與別的PLC或上位機(jī)進(jìn)行通訊時(shí)，所采用的網(wǎng)絡(luò)形式基本都是單

23、網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也經(jīng)常與國際標(biāo)準(zhǔn)不符。在網(wǎng)絡(luò)安全上PLC沒有很好的保護(hù)措施。DCS整體考慮方案，操作員站都具備工程師站功能，站與站之間在運(yùn)行方案程序下裝后是一種緊密聯(lián)合的關(guān)系，任何站、任何功能、任何被控裝置間都是相互連鎖控制，協(xié)調(diào)控制;而單用 PLC互相連接構(gòu)成的系統(tǒng)，其站與站(PLC與PLC)之間的聯(lián)系則是一種松散連接方式，做不出協(xié)調(diào)控制的功能。DCS在整個(gè)設(shè)計(jì)上就留有大量的可擴(kuò)展性接口，外接系統(tǒng)或擴(kuò)展系統(tǒng)都十分方便，PLC所搭接的整個(gè)系統(tǒng)完成后，想隨意的增加或減少操作員站都是很難實(shí)現(xiàn)的。為保證DCS控制的設(shè)備的安全可靠,DCS采用了雙冗余的控制單元，當(dāng)重要控制單元出現(xiàn)故障時(shí)，都會(huì)有相關(guān)的冗

24、余單元實(shí)時(shí)無擾的切換為工作單元，保證整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠。PLC所搭接的系統(tǒng)則需要配置雙 PLC實(shí)現(xiàn)冗余。對(duì)各種工藝控制方案更新是 DCS的一項(xiàng)最基本的功能，當(dāng)某個(gè)方案發(fā)生變化后，工程師只需要在工程師站將更改過的方案編譯后，執(zhí)行下裝命令就可以了，下裝過程是由系統(tǒng) 白動(dòng)完成的，不影響原控制方案運(yùn)行。系統(tǒng)各種控制軟件與算法可以將工藝對(duì)象的控制精度提高。而對(duì)于 PLC構(gòu)成的系統(tǒng)來說，工作量極其龐大，首先需要確定所要編輯更新的是哪個(gè) PLC，然后要用與之對(duì)應(yīng)的編譯器進(jìn)行程序編譯，最后再用專用的機(jī)器(讀寫器)一對(duì)一的將程序傳送給這個(gè) PLC，在系統(tǒng)調(diào)試期間，大量增加調(diào)試時(shí)間和調(diào)試成本，而且極不利于日后的維

25、護(hù)。在控制精度上相差甚遠(yuǎn)。這就決定了為什么在大中型控制項(xiàng) 目中(500點(diǎn)以上)，基本不采用全部由PLC所連接而成的系統(tǒng)的原因。DCS系統(tǒng)所有 I/O模塊都帶有 CPU，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集及輸出信號(hào)品質(zhì)判斷與標(biāo)量變換，故障帶電拔，隨機(jī)更換。而PLC模塊只是簡單電氣轉(zhuǎn)換元，沒有智能芯片，故障后相應(yīng)單元全部癱瘓。1.4磨線機(jī)控制系統(tǒng)的研究背景、研究現(xiàn)狀及研究意義東莞建通電子五金有限公司（臺(tái)資企業(yè)）光纖部門負(fù)責(zé)生產(chǎn)光纖接頭中的陶瓷插針（圓柱型），貫穿陶瓷插針圓柱頂面至底面有一百微米左右的均勻圓孔（用于光的傳輸），此圓孔需要有錐度的金屬細(xì)線穿孔，而市場上只能提供粗細(xì)均勻、無錐度的金屬細(xì)線。該公司以前采用化學(xué)

26、腐蝕的方法來加工金屬細(xì)線，由于化學(xué)腐蝕的非均勻性，加工的金屬細(xì)線品質(zhì)差，達(dá)不到廠家的要求，致使陶瓷插針成品合格率低。正是在上述背景下，以該公司委托設(shè)計(jì)的磨線機(jī)控制系統(tǒng)為具體的研究內(nèi)容，提出了基于先進(jìn)的PLC控制技術(shù)來設(shè)計(jì)磨線機(jī)的控制系統(tǒng)。經(jīng)過調(diào)研，目前國內(nèi)生產(chǎn)打磨金屬細(xì)線機(jī)器的廠家還非常的少；在 國外，生產(chǎn)此類設(shè)備的廠家主要集中在歐美等少數(shù)國家，如瑞士的MICROCUT公司?？偟膩碚f，應(yīng)用 PLC控制技術(shù)來打磨金屬細(xì)線的設(shè)備還非常少，因此，本項(xiàng)目的研究對(duì) PLC控制技術(shù)應(yīng)用于此領(lǐng)域具有一定的參考意義。另外，經(jīng)過某公司一年多的生產(chǎn)運(yùn)行，該系統(tǒng)打磨的金屬細(xì)線滿足廠家的 要求，加工的陶瓷插針成品合格

27、率高，僅此一項(xiàng)，廠家每年可節(jié)約成本約 100 萬元。1.5 本章小結(jié)本章首先對(duì) PLC 控制技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展和國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀作了些探討，并和其他控制技術(shù)作了詳細(xì)的比較；然后介紹了磨線機(jī)控制系統(tǒng)項(xiàng)目的來源、背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、研究意義等。第2章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法將 PLC 控制技術(shù)應(yīng)用于工程的過程即是設(shè)計(jì)基于 PLC 的控制系統(tǒng)的過程。基于 PLC的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在不同的應(yīng)用中會(huì)有不同，如簡單的應(yīng)用可能只需設(shè)計(jì) PLC 的輸入/輸出模塊的功能，而復(fù)雜的應(yīng)用可能需要設(shè)計(jì) PID 控制及 PLC 聯(lián)網(wǎng)等復(fù)雜功能。 本章旨在探討一種廣泛適用的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，在完成本章內(nèi)容的過程中

28、，參考了大量的國內(nèi)外 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)例。2.1 PLC 的結(jié)構(gòu)和工作原理PLC是基于PLC的控制系統(tǒng)的核心部分，設(shè)計(jì)基于 PLC 的控制系統(tǒng)先要理解 PLC 的結(jié)構(gòu)和工作原理。2.1.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC的組成與計(jì)算機(jī)十分相似，主要由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入/輸出（I/O）接口、電源等部分組成，如圖2-1所示。圖2-1 PLC基本結(jié)構(gòu)圖（1）中央處理器（CPU）：CPU是PLC的核心，控制從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)的接收與存儲(chǔ)；用掃描的方式通過I/O部件接收現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)；診斷PLC內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯(cuò)誤等；執(zhí)行用戶程序、完成各種數(shù)據(jù)的運(yùn)算、傳遞

29、和存儲(chǔ)等功能；根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，刷新相關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。現(xiàn)代PLC常用的CPU有通用微處理器、單片微處理器和位片式微處理器。 （2）存儲(chǔ)器：根據(jù)存儲(chǔ)器在系統(tǒng)中的作用，PLC存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器兩部分。系統(tǒng)存儲(chǔ)器用來存放系統(tǒng)程序，并固化在ROM中，用戶不能直接更改。用戶存儲(chǔ)器包括用戶程序存儲(chǔ)器（程序區(qū)）和功能存儲(chǔ)器（數(shù)據(jù)區(qū)）兩部分。用戶程序存儲(chǔ)器用來存放根據(jù)具體的控制任務(wù)編寫的 PLC 程序，需要經(jīng)常 調(diào)試、修改，存儲(chǔ)器類型一般為RAM（有掉電保護(hù)）、EPROM 或 EEPROM 等。用戶功能存儲(chǔ)器則一般用來存放用戶程序中

30、使用的狀態(tài)變量、數(shù)值數(shù)據(jù)等。 （3）輸入/輸出（I/O）接口：PLC通過I/O接口與外界連接，輸入接口接收和采集開關(guān)量輸入信號(hào)或模擬量輸入信號(hào)，如按鈕、行程開關(guān)、電位器、傳感器等；輸出接口連接被控對(duì)象中的各種執(zhí)行元件，如電磁閥、指示燈、電機(jī)等。 （4）電源：小型PLC內(nèi)部有一個(gè)開關(guān)式穩(wěn)壓電源，一般可以為輸入電路和外部的電子傳感器提供24V直流電源。 （5）通訊：用戶用HMI設(shè)備與PLC之間的通訊網(wǎng)絡(luò)，一般用工業(yè)以太網(wǎng)或者profibus-DP。2.1.2 PLC的工作原理PLC從硬件結(jié)構(gòu)上看與計(jì)算機(jī)組成相似，它 也有中央處理器（CPU）、 存儲(chǔ)器、I/O接口、電源等。PLC 有兩種操作方式：R

31、UN 方式與 STOP 方式。在 RUN 方式，通過執(zhí)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制功能；在 STOP 方式，CPU 不執(zhí)行用戶程序，可用編程軟件創(chuàng)建和編輯用戶程序，并將用戶程序下載到 PLC 中。 PLC 的工作過程可以概括地歸納為上電初始化，CPU 自診斷過程 ，網(wǎng)絡(luò)通信處理，用戶程序掃描，輸入/輸出信息處理等五個(gè)階段。圖 2-2 為 PLC 的工作過程示意圖。圖2-2 PLC的工作過程（1）上電初始化：PLC 上電后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，清除內(nèi)部繼電器區(qū)，復(fù)位定時(shí)器等，對(duì)電源、PLC 內(nèi)部電路、用戶程序的語法進(jìn)行檢查。 （2）CPU 自診斷：PLC 在每個(gè)掃描周期都要進(jìn)入 CPU 自診斷階段，以確保系統(tǒng)

32、可靠進(jìn)行。自診斷程序定期檢查用戶程序存儲(chǔ)器、I/O 單元的連接、I/O 總線是否正常，定期復(fù)位監(jiān)控定時(shí)器等。 （3）網(wǎng)絡(luò)通信處理：配有網(wǎng)絡(luò)的PLC系統(tǒng)才有此處理過程。在這個(gè)階段，進(jìn)行PLC之間以及PLC與計(jì)算機(jī)或其他終端設(shè)備之間的信息交換。 （4）用戶程序掃描階段：PLC靠執(zhí)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制要求。PLC的CPU采用分時(shí)操作的原理，其工作方式是一個(gè)不斷循環(huán)的順序掃描過程，掃描從第一條用戶程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按存儲(chǔ)地址號(hào)遞增的方式順序逐條掃描用戶程序，也就是順序執(zhí)行程序，直到程序結(jié)束，即完成一個(gè)掃描周期，然后又從頭開始執(zhí)行用戶程序，并周而復(fù)始地重復(fù)。 （5 ）輸入/輸出信息處

33、理：PLC在正常運(yùn)行狀態(tài)下，每一個(gè)掃描周期都要進(jìn)行輸入、輸出信息處理。PLC在內(nèi)存中設(shè)置了兩個(gè)映像區(qū)：一個(gè)為輸入映像區(qū)，另一個(gè)為輸出映像區(qū)。此過程以掃描的方式把外部輸入信號(hào)的狀態(tài)存入輸入映像區(qū)；將運(yùn)算后的結(jié)果存入輸出映像區(qū)，直至傳送到外部被控設(shè)備。2.1.3 PLC的編程語言PLC 的邏輯控制功能是通過編程語言來實(shí)現(xiàn)的。一般來說，有五種 PLC 編程語言 順序功能圖、功能塊圖、梯形圖、指令表和結(jié)構(gòu)文本，其中最常用的是順序功能圖編程語言和梯形圖編程語言，下面具體介紹這兩種編程語言。（1） 順序功能圖（SFC）圖2-3 順序功能圖順序功能圖（Sequential Function Chart，SF

34、C）是為了滿足順序邏輯控制而設(shè)計(jì)的編程語言。編程時(shí)將順序的動(dòng)作流程分成步和轉(zhuǎn)換條件，如圖 2-3 所示，根據(jù)轉(zhuǎn)換條件一步一步的按照順序動(dòng)作來執(zhí)行控制過程。圖中每一步代表一個(gè)控制功能任務(wù)，每個(gè)控制任務(wù)可以有一個(gè)或者多個(gè)動(dòng)作。每一步用一個(gè)方框表示，在方框內(nèi)有用于完成相應(yīng)控制功能任務(wù)的梯形圖邏輯。順序功能圖使程序的結(jié)構(gòu)清晰，易于閱讀和維護(hù)，減輕了編程、調(diào)試的工作量，主要應(yīng)用于系統(tǒng)的規(guī)模較大、程序關(guān)系較復(fù)雜的場合 。（2）梯形圖（LD） 梯形圖（Ladder Diagram，LD）是 PLC 程序設(shè)計(jì)中用得最多的一種編程語言。梯形圖采用因果關(guān)系來描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果。在 PLC 梯形圖中使用的內(nèi)部

35、繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等都是由軟件來實(shí)現(xiàn)的，因而使用方便，修改靈活。梯形圖與繼電器控制系統(tǒng)的電路圖非常相似，在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，電氣技術(shù)人員對(duì)繼電器邏輯控制技術(shù)較為熟悉，因此，易于掌握和學(xué)習(xí)梯形圖，使得梯形圖得到了廣泛的應(yīng)用。圖 2-4 為一個(gè)簡單的三菱 FX2N系列 PLC 梯形圖示例。圖2-4 三菱系列PLC梯形圖2.2 PLC控制系統(tǒng)的組成PLC 控制系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成。（1）硬件部分 PLC 控制系統(tǒng)的硬件部分不僅包括符合系統(tǒng)控制要求的 PLC 機(jī)型、存儲(chǔ)器容量、輸入/輸出模塊、電源模塊、通信模 塊、模擬量輸入/輸出模塊和 其他特殊功能模塊 等，還包括合適的外圍裝置，如輸

36、入設(shè)備（按鈕、開關(guān)、傳感器等）、輸出設(shè)備（接觸器、繼電器等）和執(zhí)行裝置控制的現(xiàn)場設(shè)備（電機(jī)、水泵、閥門等）。 （2）軟件部分 PLC 控制系統(tǒng)軟件部分包括對(duì) I/O 地址、內(nèi)部繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的使用和分配，根據(jù)要求設(shè)計(jì)的 PLC 控制程序及人機(jī)界面等、組態(tài)硬件，編寫程序；也就是通常我們所說的上位機(jī)程序和下位機(jī)程序。2.3 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則PLC 控制系統(tǒng)是為現(xiàn)場工藝控制服務(wù)的，其設(shè)計(jì)一般應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則： （1）根據(jù)工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證能滿足控制對(duì)象的工藝要求，能按照工藝流程準(zhǔn)確、可靠的工作。 （2）在滿足控制要求的前提下，設(shè)計(jì)合理、經(jīng)濟(jì)，既要能發(fā)揮 PLC 控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，

37、又要盡量減少 PLC 系統(tǒng)硬件的費(fèi)用。（3）PLC控制系統(tǒng)的可靠性、抗干擾性、接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（4）要考慮 PLC 控制系統(tǒng)未來的可擴(kuò)展性。 （5）控制系統(tǒng)的構(gòu)成應(yīng)力求簡單、實(shí)用，操作、維護(hù)、檢修方便，安全可靠。2.4 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟圖 2-5 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟示意圖圖2-5為PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟，具體分析如下： （1）分析控制要求：在設(shè)計(jì) PLC控制系統(tǒng)之前，要深入了解和分析被控對(duì)象的工藝要求和控制要求，設(shè)計(jì)出令人滿意的控制系統(tǒng)。 （ 2）確定輸入/輸出設(shè)備：根據(jù)控制要求選擇合適的輸入/輸出設(shè)備（控制按鈕、 開關(guān)、傳感器等）和輸出設(shè)備（接觸器、繼電器等），并確定PLC所

38、需的I/O點(diǎn)數(shù)。 （3）選擇合適的PLC：根據(jù)所需的I/O點(diǎn)數(shù)和具體PLC控制系統(tǒng)的功能要求，選擇類型合適的PLC，需要考慮PLC的機(jī)型、存儲(chǔ)容量、電源模塊和其他功能模塊等。 （4）I/O分配：規(guī)定PLC的I/O端子和輸入/輸出設(shè)備之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，繪制出 I/O 端子的連接圖。 （5）PLC程序設(shè)計(jì)：根據(jù)控制對(duì)象和控制要求對(duì)PLC進(jìn)行編程。在PLC程序設(shè)計(jì)階段一般先畫出程序流程圖，再編寫程序。（6）模擬調(diào)試：可以用按鈕、開關(guān)來模擬數(shù)字量，用電壓源和電流源來代替模擬量，對(duì)程序反復(fù)調(diào)試、修改，直到滿足控制要求。 （7）現(xiàn)場安裝與配線：將輸入/輸出設(shè)備與PLC之間的連線接好。 （8）聯(lián)機(jī)調(diào)試：將PL

39、C程序與現(xiàn)場的輸入/輸出設(shè)備一起進(jìn)行調(diào)試，解決發(fā)現(xiàn)的問題，使系統(tǒng)滿足控制要求。 （9）整理技術(shù)文檔：要整理的技術(shù)文檔包括設(shè)計(jì)說明書、I/O接線原理圖、程序清單、元器件明細(xì)表、使用說明書等。2.5 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)在 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)是兩個(gè)主要部分。 PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要指硬件的選型、外部電路的設(shè)計(jì)及 PLC 接線圖的繪制等，其中 PLC 及其功能模塊的選擇又是硬件設(shè)計(jì)中首要考慮因素，也是本節(jié) PLC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的主要探討內(nèi)容。2.5.1 PLC機(jī)型選擇 在考慮 PLC 機(jī)型時(shí)，在滿足系統(tǒng)功能的前提下，選擇最可靠、使用和維護(hù)方便及性價(jià)比最優(yōu)的機(jī)型。

40、 PLC 機(jī)型一般分為整體式和模塊式結(jié)構(gòu)，對(duì)于控制過程比較簡單的系統(tǒng)一般選用低檔整體式結(jié)構(gòu)機(jī)型；對(duì)于控制過程比較復(fù)雜、控制功能要求較高的系統(tǒng)，如要求實(shí)現(xiàn) PID 運(yùn)算、環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等，可根據(jù)控制規(guī)模及復(fù)雜的程度，選用中檔或高檔模塊式結(jié)構(gòu)機(jī)型，便于功能的擴(kuò)展。 另外，由于 PLC 是直接針對(duì)工業(yè)控制設(shè)計(jì)的一種控制器，生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)時(shí)都把它考慮成能在惡劣的環(huán)境條件下可靠的工作。盡管如此，不同的 PLC 還是有不同的環(huán)境技術(shù)條件，因此，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，對(duì)環(huán)境條件要進(jìn)行充分的考慮。2.5.2 I/O模塊及點(diǎn)數(shù)的選擇 PLC 控制系統(tǒng)與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過 I/O 接口模塊來實(shí)現(xiàn)的。PLC 輸

41、入端子從現(xiàn)場收集的信息及輸出端子輸出給外部設(shè)備的控制信號(hào)都需經(jīng)過一定距離，為了確保這些信息的準(zhǔn)確無誤，PLC 的 I/O 接口模塊都具有較好的抗干擾能力。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的不同，PLC 相應(yīng)有許多種 I/O 接口模塊，包括開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊及模擬量輸出模塊，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇使用。 I/O 點(diǎn)數(shù)的確定既要盡可能的降低費(fèi)用，又要充分考慮一定的余量。一般 I/O 點(diǎn)數(shù)較多，PLC 價(jià)格也較高，若備用的 I/O 點(diǎn)數(shù)量太多，將使成本增加。根據(jù)被控對(duì)象的輸入、輸出 總點(diǎn)數(shù)，并考慮到今后的調(diào)整和擴(kuò)充，通常 I/O 點(diǎn)數(shù)按實(shí)際需要的 10%20%考慮備用量。 2.5.3存儲(chǔ)容量

42、的選擇 PLC 用戶程序所需的存儲(chǔ)容量主要與系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)數(shù)、控制要求、編程者的編程水平等有關(guān)。一般情況下，PLC 的存儲(chǔ)容量隨著機(jī)型的大小變化，小機(jī)型 PLC 的最大存儲(chǔ)容量一般低于 6KB，中等機(jī)型的 PLC 最大存儲(chǔ)容量一般可到 64KB，而大機(jī)型的 PLC 最大存儲(chǔ)容量可達(dá)到上兆字節(jié)。 選擇存儲(chǔ)容量時(shí)一般只能做大致的估算：用戶存儲(chǔ)容量開關(guān)量輸入點(diǎn)數(shù)×10開關(guān)量輸出點(diǎn)數(shù)×5模擬量輸入/輸出點(diǎn)數(shù)×100（字節(jié)）。為了使用的方便，一般也應(yīng)留有估算容量的 30%50%的余量。 2.5.4特殊功能模塊的選擇 模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC 有許多擴(kuò)展功能模塊可供選擇。在設(shè)

43、計(jì) PLC 控制系統(tǒng)時(shí)，可能會(huì)遇到用開關(guān)量 I/O 模塊或模擬量 I/O 模塊不能解決的問題，如 A/D 轉(zhuǎn)換、D/A 轉(zhuǎn)換、高速計(jì)數(shù)、PLC 通信、PID 運(yùn)算等，此時(shí)可根據(jù)控制系統(tǒng)的功能需求來選擇合適的特殊功能模塊。2.6 PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)PLC 控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要包括 PLC 程序設(shè)計(jì)和人機(jī)界面設(shè)計(jì)。 2.6.1 PLC 程序設(shè)計(jì)步驟 圖 2-6 為 PLC 程序設(shè)計(jì)的基本步驟，具體分析如下： （1）前期準(zhǔn)備工作：這一步主要是詳細(xì)分析控制系統(tǒng)的工藝流程和控制要求，了解各種被控設(shè)備的特性。如果控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，可以將控制系統(tǒng)分成多個(gè)模塊，這樣有利于簡化編程。 （2）程序邏輯流程

44、圖設(shè)計(jì)：根據(jù)控制系統(tǒng)工藝要求和控制系統(tǒng)的具體情況，確定程序的邏輯流程圖。如果是分模塊設(shè)計(jì)，分別設(shè)計(jì)各模塊的邏輯流程圖，然后確定各模塊之間的連接關(guān)系。程序流程圖是 PLC 編程的主要依據(jù)，要盡可能詳細(xì)。 （3）編寫程序：根據(jù)設(shè)計(jì)出的流程圖來編寫程序，這是整個(gè) PLC 程序設(shè)計(jì)的核心部分。在保證程序準(zhǔn)確、可靠的同時(shí)，要及時(shí)地對(duì)編出的程序進(jìn)行注釋，便于閱讀、調(diào)試和修改程序。 （4）模擬調(diào)試：程序編寫完成后，可借助于電壓源、電流源、開關(guān)等設(shè)備來進(jìn)行程序的模擬調(diào)試。可分單元或分模塊來調(diào)試程序，然后對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行調(diào)試。 （5）現(xiàn)場聯(lián)機(jī)調(diào)試：將 PLC 程序與現(xiàn)場的輸入/輸出設(shè)備一起進(jìn)行調(diào)試，及時(shí)解決發(fā)現(xiàn)的

45、問題，這是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，只有經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，才能確定控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否滿足控制要求。 （6）整理技術(shù)文件：對(duì)軟件部分來說，技術(shù)文件主要包括 PLC 程序、邏輯流程圖、使用說明書和幫助文件等。圖2-6 PLC程序設(shè)計(jì)圖2.6.2 PLC 程序設(shè)計(jì)方法 在實(shí)際工程中，PLC 程序設(shè)計(jì)有多種方法，如：經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、順序功能圖設(shè)計(jì)法、邏輯流程圖設(shè)計(jì)法、解析法（邏輯設(shè)計(jì)法）、時(shí)序圖設(shè)計(jì)法等，前三種方 法比較常用。 （1）經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法是根據(jù)系統(tǒng)工藝流程和控制要求，運(yùn)用自己的或者別人的經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì) PLC程序。有時(shí)為了得到一個(gè)好的設(shè)計(jì)結(jié)果，需要進(jìn)行多次調(diào)試和修改。這種設(shè)計(jì)方法具有一定的局

46、限性和隨意性，設(shè)計(jì)所需的時(shí)間和設(shè)計(jì)的質(zhì)量都與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有很大的關(guān)系。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法一般用于對(duì)簡單的控制系統(tǒng)的 PLC 程序設(shè)計(jì)，可以收到快速完成的效果。對(duì)于比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，則很少采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法。 （2）順序功能圖設(shè)計(jì)法 對(duì)于按動(dòng)作的先后順序進(jìn)行控制的系統(tǒng)，適合使用順序功能圖法進(jìn)行 PLC 程序設(shè)計(jì)。順序控制就是按照生產(chǎn)工藝規(guī)定的動(dòng)作順序，在各個(gè)輸入信號(hào)的作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時(shí)間的順序，各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有序的進(jìn)行操作。 順序功能圖主要由步、有向連線、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換條件和動(dòng)作（或命令）組成，如圖 2-3所示為順序功能圖的表示方式。步又可稱為工作步，它表示系統(tǒng)中的一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)；轉(zhuǎn)換條件就是從一個(gè)步向另一

47、個(gè)步轉(zhuǎn)移時(shí)的觸發(fā)條件；兩個(gè)步之間用有向連線表示轉(zhuǎn)換；在每個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)（即一個(gè)步）下，可以有一個(gè)或者多個(gè)PLC輸出觸點(diǎn)的動(dòng)作。采用順序功能圖設(shè)計(jì)法時(shí)，首先要理順系統(tǒng)的工藝控制過程，明確 各步的轉(zhuǎn)換條件；然后準(zhǔn)確的畫出順序功能圖，是使用這種設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵；最后根據(jù)順序功能圖來編程（一般 用梯形圖）。要用好順序功能圖設(shè)計(jì)法，重要的是熟練掌握功能 圖的畫法及根 據(jù)功能圖編程的方法。 （3）邏輯流程圖設(shè)計(jì)法 流程圖即流程框圖或稱為框圖，它是用約定的幾何圖形、有向線和 簡單的文字說明來描述控制系統(tǒng)的處理過程和程序的執(zhí)行步驟。流程圖從結(jié)構(gòu)上分有單一順序流程圖、并發(fā)順序流程圖及選擇順序流程圖等。2.6.3人機(jī)界

48、面設(shè)計(jì) 在某些場合的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要有方便用戶操作的人機(jī)界面。人機(jī)界面的功能有：一是通過人機(jī)界面，滿足 用戶方便的與機(jī) 器“交流”；二 是通過人機(jī)界 面中諸如仿真動(dòng)畫、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示等，用戶可以獲得系統(tǒng)執(zhí)行過程中的一些重要信息；三是用戶可以通過人機(jī)界面選擇命令、鍵入數(shù)據(jù)或設(shè)置參數(shù)等方式來調(diào)整控制系統(tǒng)的執(zhí)行。 在人機(jī)界面設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要考慮以下幾點(diǎn)： （1）使用對(duì)象：控制系統(tǒng)的使用對(duì)象不同，要求也會(huì)不同。在生產(chǎn)一線的工人通常要求設(shè)計(jì)的界面簡單，容易掌握，提示功能豐富；具有一定專業(yè)技術(shù)知識(shí)的人員，通常要求界面盡可能多的包含有用信息量。 （2）學(xué)習(xí)的難易程度：在人機(jī)界面設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能的有

49、形象提示，讓用戶花少量的時(shí)間就能掌握。 （3）人機(jī)界面的控制方式：人機(jī)交互方式有多種類型，如對(duì)話方式、命令語言方式、菜單界面方式、功能按鍵方式、填表式界面及圖形符號(hào)界面等。通常在實(shí)際項(xiàng)目中用得最多的是菜單界面方式和功能按鍵方式。 （4）編程語言的選擇：人機(jī)界面的設(shè)計(jì)可使用常用的計(jì)算機(jī)語言，如 VB、VC、DELPHI等，也可使用工業(yè)組態(tài)軟件來設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)實(shí)際情況來選擇。 （5）硬件的選擇：人機(jī)界面的開發(fā)需要有硬件的支持，如計(jì)算機(jī)、觸摸屏等，可根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況和要求來選擇。2.7 PLC控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)2.7.1 PLC與計(jì)算機(jī)通訊為了適應(yīng)PLC網(wǎng)絡(luò)化要求，擴(kuò)大聯(lián)網(wǎng)功能，幾乎所有的

50、PLC為了適應(yīng)可編程控制器網(wǎng)絡(luò)化的要求，擴(kuò)大聯(lián)網(wǎng)功能，幾乎所有的可編程控制器廠家，都為可編程控制器開發(fā)了與上位機(jī)通訊的接口或?qū)Ｓ猛ㄓ嵞K。一般在小型可編程控制器上都設(shè)有 RS422 通訊接口或 RS232C 通訊接口；在中大型可編程控制器上都設(shè)有專用的通訊模塊。如：三菱F、F1 、F2系列都設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)的RS422接口，F(xiàn)X系列設(shè)有FX-232AW 接口、RS232C用通訊適配器FX-232ADP 等。可編程控制器與計(jì)算機(jī)之間的通訊正是通過可編程控制器上的 RS422 或RS232C 接口和計(jì)算機(jī)上的RS232C接口進(jìn)行的。可編程控制器與計(jì)算機(jī)之間的信息交換方式，一般采用字符串、雙工或半、異步、串

51、行通信方式。因此可以這樣說，凡具有RS232C口并能輸入輸出字符串的計(jì)算機(jī)都可以用于和可編程控制器的通訊。 運(yùn)用RS232C和RS422通道，可容易配置一個(gè)與外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊的系統(tǒng)。該系統(tǒng)中可編程控制器接受控制系統(tǒng)中的各種控制信息，分析處理后轉(zhuǎn)化為可編程控制器中軟元件的狀態(tài)和數(shù)據(jù)；可編程控制器又將所有軟元件的數(shù)據(jù)和狀態(tài)送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)采集這些數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，用計(jì)算機(jī)可改變可編程控制器的初始值和設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)可編程控制器的直接控制。通訊方式面對(duì)眾多生產(chǎn)廠家的各種類型PLC，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，能夠滿足用戶的各種需求，但在形態(tài)、組成、功能、編程等方面各不相同，沒有一個(gè)統(tǒng)一

52、的標(biāo)準(zhǔn)，各廠家制訂的通信協(xié)議也千差萬別。目前，人們主要采用以下三種方式實(shí)現(xiàn)PLC與PC的互聯(lián)通信：通過使用PLC開發(fā)商提供的系統(tǒng)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)適配器，來實(shí)現(xiàn)PLC與PC機(jī)的互聯(lián)通信。但是由于其通信協(xié)議是不公開的，因此互聯(lián)通信必須使用PLC開發(fā)商提供的上位機(jī)組態(tài)軟件，并采用支持相應(yīng)協(xié)議的外設(shè)?？梢哉f這種方式是PLC開發(fā)商為自己的產(chǎn)品量身定作的，因此難以滿足不同用戶的需求。使用目前通用的上位機(jī)組態(tài)軟件，如組態(tài)王、InTouch、WinCC、力控等，來實(shí)現(xiàn)PLC與PC機(jī)的互連通信。組態(tài)軟件以其功能強(qiáng)大、界面友好、開發(fā)簡潔等優(yōu)點(diǎn)目前在PC監(jiān)控領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是一般價(jià)格比較昂貴。組態(tài)軟件本身并不

53、具備直接訪問PLC寄存器或其它智能儀表的能力,必須借助I/O驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)。也就是說，I/O驅(qū)動(dòng)程序是組態(tài)軟件與PLC或其它智能儀表等設(shè)備交互信息的橋梁，負(fù)責(zé)從設(shè)備采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并將操作命令下達(dá)給設(shè)備，它的可靠性將直接影響組態(tài)軟件的性能。但是在大多數(shù)情況下，I/O驅(qū)動(dòng)程序是與設(shè)備相關(guān)的，即針對(duì)某種PLC的驅(qū)動(dòng)程序不能驅(qū)動(dòng)其它種類的PLC，因此組態(tài)軟件的靈活性也受到了一定的限制。利用PLC廠商所提供的標(biāo)準(zhǔn)通信端口和由用戶自定義的自由口通信方式來實(shí)現(xiàn)PLC與PC機(jī)的互連通信。這種方式由用戶定義通信協(xié)議，不需要增加投資，靈活性好，特別適合于小規(guī)模的控制系統(tǒng)。通過上述分析不難得出，掌握如何利用PLC廠商

54、提供的標(biāo)準(zhǔn)通信端口和自由口通信方式以及大家所熟悉的編程語言來實(shí)現(xiàn)PC與PLC之間的實(shí)時(shí)通信是非常必要的。2.7.2 PLC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)控制中，對(duì)于控制任務(wù)的復(fù)雜控制系統(tǒng)，不可能單靠增大PLC的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)或改進(jìn)機(jī)型來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，于是便想到將多臺(tái)PLC相互連接形成網(wǎng)絡(luò)。要想使多臺(tái)PLC能聯(lián)網(wǎng)工作，其硬件和軟件都要符合一定的要求。硬件上，一般要增加通信模塊、通訊接口、終端適配器、網(wǎng)卡、集線器、調(diào)制解調(diào)器、纜線等設(shè)備或器件；軟件上，要按特定的協(xié)議，開發(fā)具有一定功能的通訊程序和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)程序，對(duì)PLC的軟件、硬件資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度。PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)PLC網(wǎng)絡(luò)的連接方式，可將其網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)分

55、為總線結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)和星形結(jié)構(gòu)三種基本形式，如圖2所示，每種結(jié)構(gòu)都有各自得優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，可根據(jù)具體情況選擇?？偩€結(jié)構(gòu)，以其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、易于擴(kuò)展，被廣泛應(yīng)用。如下圖2-8、2-9所示：圖2-8環(huán)形結(jié)構(gòu)圖 圖2-9 星形結(jié)構(gòu)圖2.8 本章小結(jié) 本章首先介紹了 PLC 的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；然后主要分析了 PLC 控制系統(tǒng)的組成、PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)步驟、PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的一些要點(diǎn)，及PLC網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)為后續(xù)章節(jié)的磨線機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。第3章 磨線機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本章介紹磨線機(jī)的控制系統(tǒng)，并根據(jù)磨線機(jī)的I/O點(diǎn)與存儲(chǔ)容量選擇PLC，對(duì)磨線機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)

56、的總體設(shè)計(jì)，分模塊理解磨線機(jī)的工作原理，從而進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)、人機(jī)界面設(shè)計(jì)以及通訊部分的設(shè)計(jì)。3.1磨線機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成以及工作原理 磨線機(jī)系統(tǒng)組成磨線機(jī)系統(tǒng)主要由核心控制器、線徑檢測系統(tǒng)、轉(zhuǎn)線系統(tǒng)、磨線伺 服系統(tǒng)、收線伺服系統(tǒng)等部分組成。圖3-1為磨線機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。圖3-1 磨線機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（1）核心控制器 核心控制器是磨線機(jī)系統(tǒng)的控制核心，主要包括 PLC、計(jì)算機(jī)控制臺(tái)等部分。PLC 控制所有磨線機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)作流程，計(jì)算機(jī)控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行模式的切換、接收數(shù)據(jù)的輸入、實(shí)時(shí)動(dòng)畫和數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能。 （2）線徑檢測系統(tǒng) 線徑檢測系統(tǒng)是磨線機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，主要由線徑檢測器及 其工作電源兩部分組成。在磨線機(jī)打磨線徑的過程中，PLC 通過線徑檢測系統(tǒng)采集當(dāng)前線徑的大小，來決定磨線機(jī)的后序動(dòng)作。 （3）轉(zhuǎn)線系統(tǒng) 轉(zhuǎn)線系統(tǒng)由變頻器、轉(zhuǎn)線電機(jī)、轉(zhuǎn)線輪、前后夾持輪、拉力板等部 分組成。在磨線機(jī)打磨金屬細(xì)線的過程中，前后夾持輪夾緊金屬細(xì)線，拉力板拉緊金屬細(xì)線，轉(zhuǎn)線電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)線輪及前、后夾持輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)被打磨的金屬細(xì)線旋轉(zhuǎn)。 （4）磨線系統(tǒng) 磨線系統(tǒng)由磨線伺服放大器、磨線電機(jī)、加工臺(tái)等部分組成。上、 下砂帶在打磨金屬細(xì)線的過程