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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
填表時(shí)間： （指導(dǎo)教師填表）
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專業(yè)班級(jí)
指導(dǎo)教師
課題 類型
軟件工程
題目
基于PLC自動(dòng)配料皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
主要研究
目標(biāo)
(或研
究內(nèi)容)
1.通過皮帶運(yùn)輸機(jī)及液體混合裝置控制原理確定本文主題方案
2.PLC的選型主要采用三菱FX2N系列PLC
3.應(yīng)用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)配料皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
課題要求、主要任務(wù)及數(shù)量（指圖紙規(guī)格、張數(shù)，說明書頁數(shù)、論文字?jǐn)?shù)等）
1.PLC機(jī)型的選擇及輸入輸出分析
2.I/O地址的分配
3.順序功能圖設(shè)計(jì)
4.梯形圖設(shè)計(jì)
5.程序設(shè)計(jì)與分析
6.畢業(yè)論文字?jǐn)?shù)一般為0.8-1.5萬字
7.查閱到15篇以上與題目相關(guān)文獻(xiàn)
進(jìn)度計(jì)劃
1.第5-6周畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）各項(xiàng)準(zhǔn)備工作
2.第7-10周畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)分配 調(diào)研階段
3.第11-14周調(diào)試程序 實(shí)現(xiàn)功能 編寫畢業(yè)論文
4.第15周畢業(yè)論文出稿修改打印
主要參
考文獻(xiàn)
[1]電氣控制與PLC應(yīng)用 中國電力出版社 2007
[2]電氣控制與可編程序控制器 機(jī)械工業(yè)出版社 2005
[3]電氣控制與可編程控制器技術(shù) 化學(xué)工業(yè)出版社 2001
[4]電氣控制與可編程序控制器原理及應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社 2005
指導(dǎo)教師簽字： 教研室主任簽字： 年 月 日
Ⅰ
基于PLC自動(dòng)配料皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
摘 要
在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中常常需要對(duì)物料進(jìn)行加工、搬運(yùn)，如果這些繁雜的工作由人工完成的話不但效率低，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，不適合現(xiàn)代化的生產(chǎn)需要。本文主要對(duì)基于PLC自動(dòng)配料皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，該系統(tǒng)有兩大部分構(gòu)成：自動(dòng)配料裝置及皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)具有精度高、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、故障率低、操作維護(hù)簡單等特點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用價(jià)值，在建材、化工、食品機(jī)械、鋼鐵、冶金、煤礦等工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用。
本次設(shè)計(jì)主要的內(nèi)容：采用三菱FX2N系列PLC實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，著重從帶式運(yùn)輸機(jī)，液體混合裝置系統(tǒng)兩個(gè)方面深入研究，確定其控制要求，明確PLC的機(jī)型的選擇，確定I/O地址的分配，設(shè)計(jì)I/O接線圖、控制流程圖及梯形圖，深入理解PLC的編程方法，按照控制要求對(duì)自動(dòng)配料皮帶運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行編程。
關(guān)鍵字：PLC，自動(dòng)配料皮帶運(yùn)輸機(jī)，程序，設(shè)計(jì)
Ⅱ
PLC-BASED AUTOMATIC CONTROL SYSTEM FOR
BELT CONVEYOR DESIGN
ABSTRACT
In modern industrial production is often a need for materials for processing, handling, if the complexity of the work completed by the manual, then not only inefficient, but also labor-intensive, not suitable for modern production. In this paper, PLC-based automatic control system for belt conveyor carried out a detailed study, which consisted of two major systems: Automatic batching plant and control system for belt conveyor. The control system has high accuracy, low cost, anti-interference ability, low failure rate, simple operation and maintenance, has a good application value, In building materials, chemical industry, food machinery, iron and steel, metallurgy, coal and other widely used in industrial production.
The main design elements: the use of Mitsubishi FX2N Series PLC control system design, focusing on transport belt, liquid mixing device-depth study of two aspects of the system to determine control requirements, the model explicitly the choice of PLC, determine the I / O address allocation, the design of I / O wiring diagram, control flow chart and the ladder, in-depth understanding of PLC programming method, in accordance with the control requirements of the transport belt automatic programming system.
KEY WORDS: PLC, automatic transport belt ingredients, program, design
Ⅲ
目 錄
前 言 1
第1章 可編程序控制器概述 2
1.1可編程序控制器的產(chǎn)生和發(fā)展 2
1.2可編程控制器的基本組成和工作原理 6
1.2.1 PLC的基本組成 6
1.2.2 PLC的工作原理 9
1.3可編程序控制器的特點(diǎn) 11
第2章 三菱FX2N系列可編程控制器簡介 13
2.1 FX2N系列PLC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 13
2.2 FX2N系列PLC的基本組成 14
2.3 FX2N系列可編程控制器內(nèi)部元件及功能 14
第3章 應(yīng)用PLC實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 19
3.1選題依據(jù) 19
3.2方案研究與選擇 19
3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制要求 21
第4章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 24
4.1 PLC機(jī)型的選擇及外部接線圖 24
4.2 I/O設(shè)備及I/O編號(hào)的分配 24
4.3順序功能圖的設(shè)計(jì) 25
4.4梯形圖的設(shè)計(jì)及程序分析 26
結(jié) 論 30
謝 辭 31
參考文獻(xiàn) 32
附 錄 33
外文資料翻譯 35
Ⅳ
前 言
PLC目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化控制領(lǐng)域，無論是從國外引進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)線，還是自行設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，都普遍采用了PLC控制。PLC控制系統(tǒng)始終處于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自動(dòng)化控制設(shè)備提供了非常可靠的控制應(yīng)用。其主要原因，在于它能夠?yàn)樽詣?dòng)化控制應(yīng)用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當(dāng)前工業(yè)企業(yè)對(duì)自動(dòng)化的需要。
與傳統(tǒng)的繼電器控制相比，PLC控制系統(tǒng)具有構(gòu)成簡單、可靠性高、通用性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、易于編程，體積小、可在線修改、設(shè)計(jì)與調(diào)試周期短、便于安裝和維修等突出優(yōu)點(diǎn)、而且一般不需要采取特殊措施，就能直接在工業(yè)環(huán)境中使用，更加適合現(xiàn)代化的要求，使用PLC控制系統(tǒng)能夠提高系統(tǒng)的整體性能，具有較明顯的優(yōu)越性。
本次設(shè)計(jì)主要的內(nèi)容是在液體混合裝置控制系統(tǒng)上的改進(jìn)，結(jié)合皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)，構(gòu)造出新的控制系統(tǒng)即自動(dòng)配料皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)。應(yīng)用日本三菱公司FX2N系列PLC實(shí)現(xiàn)在自動(dòng)配料皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)方面的控制，該控制系統(tǒng)能夠提供均勻的干料，并附帶輸送的功能，現(xiàn)場維修與安裝非常便利，且能夠適應(yīng)于高溫度、高粉塵、有沖擊和連續(xù)振動(dòng)，環(huán)境比較復(fù)雜的場合，減輕人員勞動(dòng)力，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：
1.方案選擇與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.輸入輸出與PLC機(jī)型的選擇
3.I/O地址的分配
4.程序狀態(tài)圖的設(shè)計(jì)
5.梯形圖的編寫及程序分析
第1章 可編程序控制器概述
1.1 可編程序控制器的產(chǎn)生和發(fā)展
1. 可編程序控制器的產(chǎn)生
20世紀(jì)60年代以前，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行自動(dòng)控制的最先進(jìn)裝置就是繼電控制盤，它對(duì)當(dāng)時(shí)生產(chǎn)力的發(fā)展確實(shí)發(fā)揮了很大的作用。但當(dāng)人類歷史跨入20世紀(jì)60年代后，工業(yè)生產(chǎn)隨著市場的轉(zhuǎn)變，開始由大批量少品種的生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)樾∨慷嗥贩N的生產(chǎn)。在這種轉(zhuǎn)換過程中，繼電控制系統(tǒng)的許多固有弊端越發(fā)顯得突出，成為了生產(chǎn)轉(zhuǎn)換的一大障礙。如繼電器控制系統(tǒng)中，使用了大量的機(jī)械觸點(diǎn)，系統(tǒng)的可靠性較差、功能局限性大、體積大、耗能多、特別是生產(chǎn)工藝要求發(fā)生變化時(shí)，控制柜內(nèi)的元件和接線也必須要作相應(yīng)的變動(dòng)、這種變動(dòng)的工期長，費(fèi)用高，有的用戶寧愿扔掉舊的控制柜，另外制作一臺(tái)新的控制柜。總之，20世紀(jì)60年代后期，市場所需的“柔性”生產(chǎn)線呼喚新型控制系統(tǒng)的誕生。
1968年，美國最大的汽車制造廠家——通用汽車公司（GM）為了增強(qiáng)產(chǎn)品在市場的競爭力提出了“多品種、小批量、不斷翻新新汽車品牌”的戰(zhàn)略。為實(shí)現(xiàn)這一戰(zhàn)略，GM公司率先提出了采用一種可編程序的邏輯控制器來取代硬件接線控制電路的設(shè)想，并從用戶角度對(duì)這種未來的控制裝置明確提出了應(yīng)具備的十大條件，從而引起了開發(fā)熱潮。
1969年，著名的美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC公司）根據(jù)美國通用汽車公司的要求，首先研制成功了世界上第一臺(tái)可編程序控制器PDD-14，并在GM公司汽車生產(chǎn)線上首次應(yīng)用成功。它最初目的只是為了取代繼電控制系統(tǒng)，采用存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序指令來完成順序控制，所以僅有邏輯運(yùn)算，計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能，只能用于開關(guān)量的控制。盡管最初的可編程控制器功能較少，但它畢竟將繼電控制系統(tǒng)的硬件線邏輯轉(zhuǎn)變成了計(jì)算機(jī)的軟件邏輯編程，把繼電控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)和計(jì)算機(jī)的功能完備、靈活、通用等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，基本上解決了繼電控制系統(tǒng)在可靠性、靈活性、通用性方面存在的難題，并且使不熟悉計(jì)算機(jī)的人也能方便的使用。因此，這項(xiàng)新的技術(shù)很快就迅速發(fā)展起來。
1971年，日本首先從美國引進(jìn)這項(xiàng)新技術(shù)，研制車工了日本第一臺(tái)可編程控制器DSC-8。1973年西歐國家也研制觸他們的第一臺(tái)可編程控制器。1974年，我國開始研制自己的可編程控制器，1977年開始應(yīng)用于工業(yè)。
由于早期的可編程控制器在功能上只能實(shí)現(xiàn)邏輯控制、定時(shí)、計(jì)時(shí)等功能，故最早稱之為可編程邏輯控制器（Programmable logic Controller），簡稱PLC。70年代后期，隨著微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路及微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，許多生產(chǎn)廠家開始采用微處理器作為可編程邏輯控制器的中央處理單元，使它不僅具有邏輯控制功能，而且具有數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳送與處理功能和對(duì)模擬量的控制功能，故1980年美國電氣制造商協(xié)會(huì)NEMA（National Electrical Manufactures Association）將其正式命名為可編程控制器（Programmable Controller），簡稱PC。此簡稱已經(jīng)在工業(yè)界使用多年，但由于近年來個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）也簡稱PC。此簡稱已經(jīng)在工業(yè)界使用多年，但由于近年來個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）也簡稱PC，為避免二者混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用PLC作為可編程控制器的縮寫。
2. 可編程序控制器的發(fā)展
(1) PLC發(fā)展情況
自從美國DEC公司1968年研制出世界第一臺(tái)可編程控制器到現(xiàn)在，PLC技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，在美國、日本、德國、法國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家以發(fā)展成為重要的產(chǎn)地，PLC產(chǎn)品已成為工業(yè)領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位的基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備，在國際市場上成為備受歡迎的暢銷產(chǎn)品，用PLC設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)已成為一種世界潮流。PLC技術(shù)、ROBOT技術(shù)、CAD/CAM已成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱，其中PLC作用位居首位。PLC技術(shù)代表著當(dāng)前程序控制的世界先進(jìn)水平，PLC裝置以成為自動(dòng)化系統(tǒng)的基本裝置，是構(gòu)成FMS、CIMC、FA的主控單元。為促進(jìn)PLC的國產(chǎn)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量，我國機(jī)械電子工業(yè)部于1988年組織了包括PLC產(chǎn)品在內(nèi)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)機(jī)型優(yōu)選工作。機(jī)電部下屬的北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所承擔(dān)了PLC產(chǎn)品的評(píng)優(yōu)測(cè)試工作。依據(jù)國際電工委員會(huì)（IEC）的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試實(shí)驗(yàn)，評(píng)選出6個(gè)產(chǎn)品榮獲首屆優(yōu)選PLC機(jī)型的稱號(hào)。他們是：天津中環(huán)自動(dòng)化儀表公司生產(chǎn)的DJK-S-84型PLC、無錫市電器廠生產(chǎn)的KCK-1型PLC、上海起重機(jī)廠生產(chǎn)地CF-40MR型PLC、北京椿樹電子儀表廠生產(chǎn)地BCM-PIC型PLC、杭州機(jī)床電器廠生產(chǎn)地DKK02型PLC、上海自力電子設(shè)備廠生產(chǎn)的KK1-IC型PLC。
除此之外，國內(nèi)還有不少工廠企業(yè)開放、生產(chǎn)或合作生產(chǎn)PLC，如上海香島公司的ACMY-S80型、蘇州機(jī)床電器廠的CKY-20/40/40H型，廣州南陽電器廠的NK-40型和江蘇嘉華公司的JH120H型PLC等，但目前仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國內(nèi)市場的需求。國內(nèi)PLC市場主要以國外進(jìn)口機(jī)為主。國外PLC主要生產(chǎn)廠家由幾百家，各個(gè)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的PLC型號(hào)均不統(tǒng)一，基本性能也有較大差別。世界上知名的PLC生產(chǎn)廠家有：
美國通用電器（General Electric簡稱為GE）公司、美國艾倫-布拉德利（Allen-Bradley簡稱為A-B）公司、日本三菱（MITSUBISHI）電機(jī)公司、日本富士（FUJI)電機(jī)公司、日本歐姆龍（OMRON）公司、德國西門子（SIEMENS）公司、德國通用電氣（AGE）公司、法國TE（TELEMECANIQUE）公司。
目前，PLC的產(chǎn)品多達(dá)數(shù)百種，廠家遍布世界各地，不同領(lǐng)域、不同廠家的產(chǎn)品在使用上相差甚遠(yuǎn)，甚至同一廠家不同系列的產(chǎn)品在編程語言和編程方法上也有較大差異。盡管幾乎所有的PLC廠家都表示在將來完全支持IEC在1994年5月公布的PLC標(biāo)準(zhǔn)中的IEC1131-3，但是不同廠家的產(chǎn)品之間的程序轉(zhuǎn)換仍有一個(gè)過程。所以企圖學(xué)會(huì)一種PLC的使用，就能一通百通地使用其它型號(hào)的PLC是不現(xiàn)實(shí)的。我們需從目前國內(nèi)PLC使用情況出發(fā)，用歸類的方法尋求一種典型機(jī)型學(xué)習(xí)，這樣才能具有代表性。
日本1971年首先從美國引進(jìn)PLC技術(shù)，并很快研制成了自己的第一臺(tái)PLC，所以其早期產(chǎn)品對(duì)美國產(chǎn)品由一定的依賴性和繼承性。但日本后期致力于小型PLC技術(shù)的研究，并取得了較大的發(fā)展。因此，在小型機(jī)方面，日本產(chǎn)品已具有自己獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。而美國PLC技術(shù)和歐洲PLC技術(shù)的形成是基本相互隔離的情況下，各自獨(dú)立開發(fā)出來的，所以歐洲產(chǎn)品和美國產(chǎn)品在許多方面存在較大差異。目前世界的PLC市場基本上被這三個(gè)派別所壟斷。從國內(nèi)市場使用情況來看，進(jìn)口大、中型PLC以美國和歐洲產(chǎn)品為主，小型PLC以日本產(chǎn)品為主。前者數(shù)量較少，后者數(shù)量較多?？紤]到絕大多數(shù)電氣工程技術(shù)人員面對(duì)的是小型機(jī)使用問題，故采用國內(nèi)市場具有較高性能價(jià)格比的日本三菱（MITSUBISHI）公司近年推出的FX2N系列進(jìn)行介紹。
(2) PLC技術(shù)發(fā)展動(dòng)向
a. 規(guī)模上向大小兩頭發(fā)大型PLC出現(xiàn)了I/O點(diǎn)數(shù)多達(dá)14336點(diǎn)的超大型PLC，使用32位微處理器，多CPU并行工作和大容量存儲(chǔ)器，趨勢(shì)向高性能，高速度，大容量開發(fā)展，有的PLC產(chǎn)品掃描速度達(dá)0.15us、條基本指令，用戶程序存儲(chǔ)器容量最大達(dá)幾十兆字節(jié)。另一方面，小型PLC向微型化，多功能，實(shí)用性發(fā)展，有些可編程控制器的體積非常小，被稱為“手掌上的可編程控制器”。如三菱公司FX系列可編程控制器與以前的F1系列可編程控制器相比較，其體積只有前者的1/3左右；而美國艾倫-布拉德利公司的Micro Logix1000系列只有隨身聽大小。由于可編程控制器向微型化發(fā)展，其應(yīng)用已不僅僅局限在工業(yè)領(lǐng)域。如1999年三菱公司的推出的ALPHA系列就是面向民用的超小型PLC，采用整體式結(jié)構(gòu)，I/O點(diǎn)數(shù)為6、10和20，廣泛應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化，家庭自動(dòng)化和商業(yè)領(lǐng)域。
b. 編程語言向標(biāo)準(zhǔn)化靠攏。與個(gè)人計(jì)算機(jī)相比較，PLC的硬件、軟件體系結(jié)構(gòu)都是封閉的，各個(gè)廠家的CPU和I/O模塊相互不能通用，各個(gè)公司的總線、通信網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議一般也是專用的。盡管各種系列主要以梯形圖編程，但具體的指令系統(tǒng)和表達(dá)方式并不一致，即使一個(gè)公司的不同系列也是如此，如三菱的F1系列和FX系列，不同系列的可編程控制器互不兼容。為了解決這個(gè)問題，IEC與1994年5月公布了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)（IEC1131),其中的第三部分（IEC1131-3）是可編程控制器的編程語言標(biāo)準(zhǔn)。IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)使用戶在使用新的可編程控制器時(shí)，可以減少重新培訓(xùn)的時(shí)間，而對(duì)于廠家來說，使用此標(biāo)準(zhǔn)則可以減少產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間，從而減少拿出更多的精力去滿足用戶的特殊要求。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了五種標(biāo)準(zhǔn)語言，其中梯形圖和功能塊圖為圖形語言，指令表和結(jié)構(gòu)文本為文字語言，還有一種結(jié)構(gòu)控制程序流程圖，又稱為順序功能圖。
c. 輸入輸出模塊智能化和專用化。模塊本身具有CPU，可與PLC主機(jī)并行操作，在可靠性、適應(yīng)性、掃描速速和控制精度等方面都對(duì)PLC作了補(bǔ)充。例如智能通信模塊、語音處理模塊、智能位置控制模塊等。
d. 網(wǎng)絡(luò)通信功能標(biāo)準(zhǔn)化。由于可以PLC構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，所以各種個(gè)人計(jì)算機(jī)、圖形工作站等可以作為PLC的監(jiān)控主機(jī)和工作站，能夠提供屏幕顯示，數(shù)據(jù)采集，紀(jì)錄保持以及信息打印等功能。
e. 控制和管理功能一體化。在一臺(tái)控制器上同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制功能和信息處理功能。美國A-B公司的新產(chǎn)品PYRAMID INTEGRATOR，首次將PLC，機(jī)器視覺和信息處理器結(jié)合在一起，具有基礎(chǔ)自動(dòng)話以及信息管理等多層次功能，是應(yīng)與工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，PLC產(chǎn)品廣泛采用計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)，使得PLC系統(tǒng)的生產(chǎn)控制功能和信息管理功能融為一體，進(jìn)一步提高了PLC的功能，更好地滿足了現(xiàn)代化大生產(chǎn)的控制與管理的需要[4]。
1.2 可編程序控制器的基本組成和工作原理
由PLC得定義可知，它實(shí)質(zhì)上是一種為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)，所以盡量可編程控制器的品種繁多，結(jié)構(gòu)、功能多種多樣，但系統(tǒng)組成和工作原理基本相同。概括起來，系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩大部分組成，都是采用集中采樣、集中輸出的周期性循環(huán)掃描方法進(jìn)行工作。
1.2.1 PLC的基本組成
可編程控制器的硬件由微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口電路、電源、擴(kuò)展接口、外接接口及編程器。圖1-1為可編程控制器的硬件簡化框圖。
圖1-1 編程控制器的硬件簡化框圖
1. 微處理器（CPU）
PLC中所用CPU隨機(jī)型的不同而有所不同，一般有以下幾類芯片：
(1) 通用微處理器，常用8位機(jī)和16位機(jī)，如Tntel公司的8080，80868088、80186、80286、80386、Motorola的6800、68000型等。抵擋PLC用Z80A型微處理器作CPU較為普遍。
(2) 單片機(jī)，常用的有Intel公司的MCS48/51/96系類芯片。由單片機(jī)作CPU制成的PLC體積小，同時(shí)邏輯處理能力、數(shù)值運(yùn)算能力都有很大提高，增加了通信功能，這為高檔機(jī)的開放和應(yīng)用及機(jī)電一體化創(chuàng)造了條件。
(3) 位片式微處理器，如美國1975年推出的AMD2900/2901/2903系列雙極型位片式微處理器廣泛應(yīng)用于大型PLC的設(shè)計(jì)。它具有速度快，靈活性強(qiáng)和效率高等優(yōu)點(diǎn)。
在小型PLC中，大多采用8位通用微處理器和單片機(jī)芯片；在中型PLC中，大多數(shù)采用16位通用微處理器或單片機(jī)芯片；在大型PLC中，大多采用雙極型位片式處理器。在高檔PLC中，往往采用多CPU系統(tǒng)來簡化如軟件的設(shè)計(jì)、進(jìn)一步提高其工作速度。CPU的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了PLC的基本性能。
CPU是PLC的核心組成部分，在PLC系統(tǒng)中他通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲(chǔ)器、I/O接口等連接，在整個(gè)系統(tǒng)中起到類似人體神經(jīng)中樞的作用，來協(xié)調(diào)控制整個(gè)系統(tǒng)。它根據(jù)系統(tǒng)程序賦予的功能完成以下任務(wù)：
a. 接受并存儲(chǔ)從個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）或?qū)Ｓ镁幊唐鬏斎氲挠脩舫绦蚝蛿?shù)據(jù)。
b. 診斷電源、內(nèi)部電路工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤。
c. 進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，用掃描方式接收現(xiàn)場的輸入設(shè)備的檢測(cè)元件狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并存入對(duì)應(yīng)的輸入映象寄存器或數(shù)據(jù)寄存器中。
d. 進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶指令，經(jīng)命令解釋后，按指令規(guī)定的功能產(chǎn)生有關(guān)的控制信號(hào)，去啟閉有關(guān)的控制電路；分時(shí)、分渠道地進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取。傳送、組合、比較和變換等操作，完成用戶程序中的邏輯或算術(shù)運(yùn)算。
e. 依據(jù)運(yùn)算結(jié)果更新有關(guān)的標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映象寄存器的內(nèi)容，再由輸出映象寄存器的位狀態(tài)或數(shù)據(jù)據(jù)存期的有關(guān)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。
2. 寄存器
可編程控制器的存儲(chǔ)器按用途可分為以下兩種：
(1) 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器，用來固化PLC生產(chǎn)廠家在研制系統(tǒng)時(shí)編寫的各種系統(tǒng)工作程序。系統(tǒng)程序相當(dāng)于個(gè)人計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)，決定了PLC具有的基本智能、不同廠家、不同型號(hào)的PLC系統(tǒng)程序也不相同，但都在不斷地加以改進(jìn)，以提高性能價(jià)格比，增強(qiáng)市場競爭力?？删幊炭刂破鲝S家常用的只讀存儲(chǔ)器ROM或可擦除可編程的只讀存儲(chǔ)器EPROM來存放系統(tǒng)程序。
(2) 用戶存儲(chǔ)器，用來存放從編程器或個(gè)人計(jì)算機(jī)輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)，因而又包括用戶程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩種。用戶存儲(chǔ)器的內(nèi)容由用戶根據(jù)控制需要可讀可寫，可任意修改、增減；另一方面在一定的時(shí)期內(nèi)又具有相對(duì)穩(wěn)定性，所以適宜使用EPROM、EEPROM、FLASH MEMORY或帶后備電池的CMOS RAM來存儲(chǔ)用戶程序。在PLC技術(shù)指標(biāo)中的內(nèi)存容量就是用戶存儲(chǔ)器容量，是PLC的一項(xiàng)重要指標(biāo)，內(nèi)存容量一般以“步”為單位。
3. I/O接口電路（又稱I/O單元、I/O模塊）
實(shí)際生產(chǎn)過程中，PLC控制系統(tǒng)所需要采集的輸入信號(hào)的電平、速率等是多種多樣的，系統(tǒng)所控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的電平、速率等更是千差萬別，而PLC的CPU所能處理的信號(hào)只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以必須設(shè)計(jì)輸入輸出電路來完成電平轉(zhuǎn)換，速度匹配，驅(qū)動(dòng)功率放大、電氣隔離、A/D或D/A變換等任務(wù)。它們相當(dāng)于系統(tǒng)的眼、耳、手，是CPU能接受的信號(hào)，將CPU的輸出信號(hào)變換成需要的控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象，從而確保整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。
(1) 輸入接口電路。內(nèi)部電路按電源性質(zhì)分三種類型：直流輸入電路，交流輸入電路交直流輸入電路。為保證PLC能在惡劣的工業(yè)環(huán)境下可靠地工作，三種電路都采用了光電隔離、濾波等措施。外部電路主要是輸入器件和PLC的連接電路。輸入器件大部分是無源器件，如常開按鈕，限位開關(guān)，主令控制器等。隨著電子類電器的興起，輸入器件越來越多的使用有源部件，如接近開關(guān)，光電開關(guān)，霍爾開關(guān)等。有源件本身所需的電源一般采用PLC輸入端口內(nèi)部所提供的直流24V電源（容量允許的情況下，否則需外設(shè)電源）。當(dāng)某一端口的輸入器件接通有信號(hào)輸入時(shí)，PLC面板上對(duì)應(yīng)的此輸入端的發(fā)光二極管（LED）發(fā)光。有的PLC外部電源所需電源由PLC內(nèi)部提供（如FX2N系列），但有的PLC外部電路需外界提供電源。
(2) 輸出接口電路。為了能夠適合各種各樣的負(fù)載要求，每種系列可編程控制器的輸出接口電路按輸出開關(guān)器件來分，有以下三種形式：
a. 繼電器輸出方式。由于繼電器的線圈與觸點(diǎn)在電路上是完全隔離的，所以他們可以分別接在不同性質(zhì)和不同電壓等級(jí)的電路中。利用繼電器的這一性質(zhì)，可以使可編程控制器的繼電器輸出電路中內(nèi)部電子電路與可編程控制器驅(qū)動(dòng)的外部負(fù)載在電路上完全分割開。由此可知，繼電器輸出接口電路中不再需要隔離。實(shí)際中，繼電器輸出接口電路常采用固態(tài)電子繼電器。由于繼電器是觸點(diǎn)輸出，所以它既可以帶交流負(fù)載，也可以帶直流負(fù)載。繼電器輸出方式常采用，其優(yōu)點(diǎn)是帶負(fù)載能力強(qiáng)，缺點(diǎn)就是動(dòng)作頻率與響應(yīng)速度慢。
b. 晶體管輸出方式，輸出信號(hào)由內(nèi)部電路中的輸出鎖存器給光電耦合器，經(jīng)光電耦合器送給晶體管。晶體管的飽和導(dǎo)通狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)相當(dāng)于觸點(diǎn)的接通和斷開。由于晶體管輸出電流只能一個(gè)方向，所以晶體管輸出方式只適用于直流負(fù)載。其優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作頻率高，響應(yīng)速度快（相應(yīng)時(shí)間0.2ms），其優(yōu)點(diǎn)是帶載能力少。
c. 晶體管輸出方式，可編程控制器的內(nèi)部電路通過光電隔離后去控制雙向晶閘管的門級(jí)。晶閘管在負(fù)載電流過小時(shí)不能導(dǎo)通，此時(shí)可以在負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)電阻。由于雙向晶閘管為關(guān)斷不可控器件，電壓過零時(shí)自行關(guān)斷，因此晶閘管輸出方式只適用于交流負(fù)載。其優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快（關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通的延遲時(shí)間小于1ms，導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷的延遲時(shí)間小于10ns），缺點(diǎn)是帶載能力不大。
4. 電源
PLC根據(jù)型號(hào)的不同，有的采用交流供電，有的采用直流供電。交流一般為單相220V（有的型號(hào)采用交流100V，如FX2N-48ER-UA1），直流一般為24V。PLC對(duì)電源的穩(wěn)定度要求不高，通常允許電源額定電壓在+10%--15%范圍內(nèi)波動(dòng)，如FX1N-60MR的電源要求為AC85-264V。許多可編程控制器為輸入電路和外部電子檢測(cè)設(shè)備（如光電開關(guān)等）提供24V直流電源，而PLC所控制的現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源，則由用戶根據(jù)PLC型號(hào)、負(fù)載情況自行選擇。
5. 編程器
編程器是由鍵盤、顯示器、工作方式選擇開關(guān)及外存插口等部件組成的PLC的重要外設(shè)，是人機(jī)對(duì)話的窗口。它的作用是用來編寫、輸入，編輯用戶程序，也可以在線監(jiān)視可編程控制器運(yùn)行時(shí)各種元器件的工作狀態(tài)，查找故障，顯示出錯(cuò)信息[9]。
1.2.2 PLC的工作原理
1. 掃描工作方式
可編程控制器工作時(shí)，它的CPU每一瞬間只能做一件事情，也就是說一個(gè)CPU每一時(shí)刻只能執(zhí)行一個(gè)操作而不可能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)操作。CPU按分時(shí)操作方式來順便處理各項(xiàng)任務(wù)。PLC對(duì)許多需要處理的任務(wù)依次按規(guī)定順序進(jìn)行訪問和處理的工作方式稱為掃描工作方式。用戶程序所用到的PLC各種軟繼電器室按各自程序號(hào)的大小在時(shí)間上串行工作的，但由于CPU運(yùn)算速度極高，宏觀上給人一中似乎是同時(shí)完成的感覺。
PLC執(zhí)行用戶程序時(shí)，采用掃描工作方式完成。整個(gè)掃描過程PLC除了執(zhí)行用戶程序外，還要完成其它工作，如圖1-2所示為PLC工作過程框圖。
在執(zhí)行用戶程序前，PLC還要完成內(nèi)部處理，通信服務(wù)與自診檢查。在內(nèi)部
處理階段，PLC檢查CPU模塊內(nèi)部硬件是否正常，監(jiān)視定時(shí)器復(fù)位以及完成其他一些內(nèi)部處理。在通訊服務(wù)階段，PLC完成與一些帶處理器的智能模塊或其他外設(shè)的通信，玩成數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送任務(wù)、響應(yīng)編程器鍵入命令，更新編程器顯示內(nèi)容、更新時(shí)鐘和特殊寄存器內(nèi)容等工作。PLC具有很強(qiáng)的自診斷功能，如電源檢測(cè)、內(nèi)部部件是否正常、程序語法是否有錯(cuò)誤等，一旦有錯(cuò)或異常則CPU能根據(jù)錯(cuò)誤類型和程度發(fā)出提示信號(hào)，甚至進(jìn)行相應(yīng)的出錯(cuò)處理，使PLC停止掃描
圖1-2 PLC工作過程框圖
或強(qiáng)制變成STOP狀態(tài)。當(dāng)PLC處于STOP狀態(tài)時(shí)，只能完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作。當(dāng)PLC處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，除完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)的操作外，還要完成輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理工作。
2. PLC執(zhí)行程序的過程
PLC執(zhí)行程序的過程分三個(gè)階段，即輸入采樣（輸入處理）階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新（輸出處理階段），如圖1-3所示
圖1-3 PLC掃描工作過程示意圖
(1) 輸入處理階段
在這階段，PLC以掃描工作方式按順序?qū)⑺休斎攵说妮斎霠顟B(tài)采樣并存入輸入映象寄存器中。在本工作周期內(nèi)，這個(gè)采樣結(jié)果的內(nèi)容不會(huì)改變，而且這個(gè)采樣結(jié)果將在PLC執(zhí)行過程時(shí)被使用。
(2) 程序執(zhí)行階段
在這一階段，PLC按順序進(jìn)行掃描，即從上到下，從左到右地掃描每條指令，并分別從輸入映象寄存器和輸出映象寄存器（及元件映象寄存器）中獲得所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、處理，再將程序執(zhí)行的結(jié)果寫入寄存執(zhí)行結(jié)果的輸出映象寄存器中保存。但這個(gè)結(jié)果在全部程序未執(zhí)行完畢前不會(huì)送到輸出端口上。
(3) 輸出刷新階段
在所有用戶程序執(zhí)行完成后，PLC將輸出映象寄存器中的內(nèi)容送入輸出所存其中，通過一定方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。
從上述PLC的工作過程可以看出：PLC工作方式的主要特點(diǎn)是采用周期循環(huán)掃描，集中輸入與集中輸出的方式。這種“串行”工作方式可以避免繼電器控制系統(tǒng)中觸點(diǎn)競爭好時(shí)序失配等問題，使PLC具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在輸出對(duì)輸入在時(shí)間上的響應(yīng)滯后，速度慢的缺點(diǎn)。對(duì)一般的工業(yè)設(shè)備，響應(yīng)滯后是允許的，對(duì)某些需要I/O快速響應(yīng)的設(shè)備則采取相應(yīng)措施，如在硬件設(shè)計(jì)上采用快速響應(yīng)模塊、高速計(jì)數(shù)模塊等，目的是為了盡可能提高響應(yīng)速度，滿足設(shè)備使用要求[2]。
1.3 可編程序控制器的特點(diǎn)
1. 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。
2. 配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)。
3. 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎。
4. 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造。
5. 體積小，重量輕，能耗低[3]。
第2章 三菱FX2N系列可編程控制器簡介
三菱公司是日本生產(chǎn)PLC的主要廠家之一。先后推出的小型、超小型PLC有F、F1、F2、FX2、FX1、FX2C、FX0、FX2N、FX2NC等系列。其中F系列已停產(chǎn)，取而代之的是FX2系列機(jī)型，屬于高性能疊裝式機(jī)種，也是三菱公司的典型產(chǎn)品。另外，三菱公司還生產(chǎn)A些列PLC的中大型模塊式機(jī)種，只要系列型號(hào)有AnS/AnA和Q4AR等產(chǎn)品。他們的點(diǎn)數(shù)比較多，最多可達(dá)4096點(diǎn)，最大用戶程序存儲(chǔ)量達(dá)124K步，一般用在控制規(guī)模比較大的場合。A系列產(chǎn)品具有數(shù)百條功能指令，類型眾多的功能單元，可以方便地完成位置控制、模擬量控制及幾十個(gè)回路的PID控制，可以方便地和上位機(jī)及各種外設(shè)進(jìn)行通訊工作，在許多任務(wù)業(yè)自動(dòng)化場合獲得應(yīng)用。
20世紀(jì)90年代，三菱公司在FX系列PLC的基礎(chǔ)上又推出了FX2N系列產(chǎn)品，該機(jī)型在運(yùn)算速度、指令數(shù)量及通訊能力方面有了較大的進(jìn)步，是一種小型化、高速度、高性能、各方面都相當(dāng)于FX系列中最高檔次的超小型的PLC[7]。
2.1 FX2N系列PLC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
FX2N采用一體化的箱體式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)非常緊湊。它將所有的電路都裝入一個(gè)模塊內(nèi)，構(gòu)成了一個(gè)整體，體積小巧、成本低、安裝方便。
為了達(dá)到輸入輸出點(diǎn)數(shù)靈活配置及易于擴(kuò)展的目的，F(xiàn)X2N系列的產(chǎn)品可由不同點(diǎn)數(shù)的基本單元和擴(kuò)展單元構(gòu)成，使配置就越靈活。
FX2N系列可編程序控制器還有許多專用的特殊功能單元，這些單元有模擬量I/O單元、高速計(jì)數(shù)單元，位置控制單元、凸輪控制單元、數(shù)據(jù)輸入輸出單元等。大多數(shù)單元都是通過主單元的擴(kuò)展口與可編程序控制器主機(jī)相連的（如模擬量單元）。有部分特殊功能單元通過可編程控制的編程器接口連接。還有的通過主機(jī)上并聯(lián)的適配器接入，不影響原系統(tǒng)的擴(kuò)展。FX2N系列最大輸入輸出點(diǎn)數(shù)為256點(diǎn)。
為了構(gòu)成點(diǎn)數(shù)更多的系統(tǒng)，還可采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，將兩臺(tái)機(jī)連接起來，構(gòu)成總點(diǎn)數(shù)多一倍的系統(tǒng)[14]。
2.2 FX2N系列PLC的基本組成
FX2N系列PLC由基本單元、擴(kuò)展單元、擴(kuò)展模塊及特殊功能單元構(gòu)成。僅用基本單元或?qū)⑸鲜龈鞣N產(chǎn)品組合起來使用均可。
基本單元包括CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出口及電源，是PLC的主要部分。擴(kuò)展單元時(shí)用于增加I/O點(diǎn)數(shù)及改變I/O比列，內(nèi)部無電源，由基本單元或擴(kuò)展單元供電。因擴(kuò)展單元及擴(kuò)展模塊無CPU，因此必須與基本單元一起使用。特殊功能單元是一些專門用途的裝置，如位置控制模塊、模擬量控制模塊、計(jì)算機(jī)通訊模塊等等[8]。
2.3 FX2N系列可編程控制器內(nèi)部元件及功能
FX系列產(chǎn)品，它內(nèi)部的編程元件，也就是支持該機(jī)型編程語言的軟元件，按通俗叫法分別稱為繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等，但它們與真實(shí)元件有很大的差別，一般稱它們?yōu)椤败浝^電器”。這些編程用的繼電器，它的工作線圈沒有工作電壓等級(jí)、功耗大小和電磁慣性等問題；觸點(diǎn)沒有數(shù)量限制、沒有機(jī)械磨損和電蝕等問題。它在不同的指令操作下，其工作狀態(tài)可以無記憶，也可以有記憶，還可以作脈沖數(shù)字元件使用。一般情況下，X代表輸入繼電器，Y代表輸出繼電器，M代表輔助繼電器，SPM代表專用輔助繼電器，T代表定時(shí)器，C代表計(jì)數(shù)器，S代表狀態(tài)繼電器，D代表數(shù)據(jù)寄存器，MOV代表傳輸?shù)取?
1. 輸入繼電器（X）
PLC的輸入端子是從外部開關(guān)接受信號(hào)的窗口，PLC 內(nèi)部與輸入端子連接的輸入繼電器X是用光電隔離的電子繼電器，它們的編號(hào)與接線端子編號(hào)一致（按八進(jìn)制輸入），線圈的吸合或釋放只取決于PLC外部觸點(diǎn)的狀態(tài)。內(nèi)部有常開/常閉兩種觸點(diǎn)供編程時(shí)隨時(shí)使用，且使用次數(shù)不限。輸入電路的時(shí)間常數(shù)一般小于10ms。各基本單元都是八進(jìn)制輸入的地址，輸入為X000 ～ X007，X010 ～X017，X020 ～X027 。它們一般位于機(jī)器的上端。
2. 輸出繼電器（Y）
PLC的輸出端子是向外部負(fù)載輸出信號(hào)的窗口。輸出繼電器的線圈由程序控制，輸出繼電器的外部輸出主觸點(diǎn)接到PLC的輸出端子上供外部負(fù)載使用，其余常開/常閉觸點(diǎn)供內(nèi)部程序使用。輸出繼電器的電子常開/常閉觸點(diǎn)使用次數(shù)不限。輸出電路的時(shí)間常數(shù)是固定的。各基本單元都是八進(jìn)制輸出，輸出為Y000 ～Y007，Y010～Y017，Y020～Y027。它們一般位于機(jī)器的下端。
3. 輔助繼電器（M）
PLC內(nèi)有很多的輔助繼電器，其線圈與輸出繼電器一樣，由PLC內(nèi)各軟元件的觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)。輔助繼電器也稱中間繼電器，它沒有向外的任何聯(lián)系，只供內(nèi)部編程使用。它的電子常開/常閉觸點(diǎn)使用次數(shù)不受限制。但是，這些觸點(diǎn)不能直接驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，外部負(fù)載的驅(qū)動(dòng)必須通過輸出繼電器來實(shí)現(xiàn)。如下圖2-1中的M300，它只起到一個(gè)自鎖的功能。在FX2N中普遍途采用M0～M499，共500點(diǎn)輔助繼電器，其地址號(hào)按十進(jìn)制編號(hào)。輔助繼電器中還有一些特殊的輔助繼電器，如掉電繼電器、保持繼電器等，在這里就不一一介紹了。
圖2-1 斷電保持功能
4. 狀態(tài)器（S）
狀態(tài)器S與步進(jìn)梯形圖指令STL一起使用，用于順序控制的程序編程。當(dāng)不對(duì)S使用STL指令時(shí)，其作用相當(dāng)于普通輔助繼電器M。
無斷電保持功能的通用狀態(tài)器為S0～499，共500點(diǎn)。其中，S0～S9用于順序功能圖的初始狀態(tài)；S10～S19用于自動(dòng)回原點(diǎn)程序的順序功能圖；S20～S499為通用狀態(tài)器。有斷電保持功能的通用狀態(tài)器為S500～S899，共400點(diǎn)。狀態(tài)器S900～S999用于外部故障診斷的輸出（又稱為報(bào)警器）。
5. 定時(shí)器（T）
在PLC內(nèi)的定時(shí)器是根據(jù)時(shí)鐘脈沖的累積形式，當(dāng)所計(jì)時(shí)間達(dá)到設(shè)定值時(shí)，其輸出觸點(diǎn)動(dòng)作，時(shí)鐘脈沖有1ms、10ms、100ms。定時(shí)器可以用用戶程序存儲(chǔ)器內(nèi)的常數(shù)K作為設(shè)定值，也可以用數(shù)據(jù)寄存器（D）的內(nèi)容作為設(shè)定值。在后一種情況下，一般使用有掉電保護(hù)功能的數(shù)據(jù)寄存器。即使如此，若備用電池電壓降低時(shí)，定時(shí)器或計(jì)數(shù)器往往會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作。
定時(shí)器通道范圍如下：
100 ms定時(shí)器T0～T199， 共200點(diǎn)，設(shè)定值：0.1～ 3276.7秒；
10 ms定時(shí)器T200～TT245，共46點(diǎn)，設(shè)定值：0.01～327.67秒；
1 ms積算定時(shí)器 T245～T249，共4點(diǎn)，設(shè)定值：0.001～32.767秒；
100 ms積算定時(shí)器T250～T255，共6點(diǎn)，設(shè)定值：0.1～3276.7秒；
定時(shí)器指令符號(hào)及應(yīng)用如下圖2-2所示：
圖2-2 通用定時(shí)器
當(dāng)定時(shí)器線圈T200的驅(qū)動(dòng)輸入X000接通時(shí)，T200的當(dāng)前值計(jì)數(shù)器對(duì)10 ms的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行累積計(jì)數(shù)，當(dāng)前值與設(shè)定值K123相等時(shí)，定時(shí)器的輸出接點(diǎn)動(dòng)作，即輸出觸點(diǎn)是在驅(qū)動(dòng)線圈后的1.23秒（10×123ms = 1.23s）時(shí)才動(dòng)作，當(dāng)T200觸點(diǎn)吸合后，Y000就有輸出。當(dāng)驅(qū)動(dòng)輸入X000斷開或發(fā)生停電時(shí)，定時(shí)器就復(fù)位，輸出觸點(diǎn)也復(fù)位。
每個(gè)定時(shí)器只有一個(gè)輸入，它與常規(guī)定時(shí)器一樣，線圈通電時(shí)，開始計(jì)時(shí)；斷電時(shí)，自動(dòng)復(fù)位，不保存中間數(shù)值。定時(shí)器有兩個(gè)數(shù)據(jù)寄存器，一個(gè)為設(shè)定值寄存器，另一個(gè)是現(xiàn)時(shí)值寄存器，編程時(shí)，由用戶設(shè)定累積值。
如果是積算定時(shí)器，它的符號(hào)接線如下圖2-3所示：
圖2-3 積算定時(shí)器
定時(shí)器線圈T250的驅(qū)動(dòng)輸入X001接通時(shí)，T250的當(dāng)前值計(jì)數(shù)器對(duì)100 ms的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行累積計(jì)數(shù)，當(dāng)該值與設(shè)定值K345相等時(shí)，定時(shí)器的輸出觸點(diǎn)動(dòng)作。在計(jì)數(shù)過程中，即使輸入X001在接通或復(fù)電時(shí)，計(jì)數(shù)繼續(xù)進(jìn)行，其累積時(shí)間為34.5s（100 ms×345=34.5s）時(shí)觸點(diǎn)動(dòng)作。當(dāng)復(fù)位輸入X002接通 ，定時(shí)器就復(fù)位，輸出觸點(diǎn)也復(fù)位。
6. 計(jì)數(shù)器（C）
FX2N中的16位增計(jì)數(shù)器，是16位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，它是在計(jì)數(shù)信號(hào)的上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，它有兩個(gè)輸入，一個(gè)用于復(fù)位，一個(gè)用于計(jì)數(shù)。每一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖上升沿使原來的數(shù)值1，當(dāng)現(xiàn)時(shí)值減到零時(shí)停止計(jì)數(shù)，同時(shí)觸點(diǎn)閉合。直到復(fù)位控制信號(hào)的上升沿輸入時(shí)，觸點(diǎn)才斷開，設(shè)定值又寫入，再又進(jìn)入計(jì)數(shù)狀態(tài)。
其設(shè)定值在K1～K32767范圍內(nèi)有效。
設(shè)定值K0與K1含義相同，即在第一次計(jì)數(shù)時(shí)，其輸出觸點(diǎn)就動(dòng)作。
通用計(jì)數(shù)器的通道號(hào)：C0 ～C99，共100點(diǎn)。
保持用計(jì)數(shù)器的通道號(hào)：C100～C199，共100點(diǎn)。
通用與掉電保持用的計(jì)數(shù)器點(diǎn)數(shù)分配，可由參數(shù)設(shè)置而隨意更改。
舉個(gè)例子，如圖2-4所示：
圖2-4 計(jì)時(shí)器工作過程
由計(jì)數(shù)輸入X011每次驅(qū)動(dòng)C0線圈時(shí)，計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值加1。當(dāng)?shù)?0次執(zhí)行線圈指令時(shí)，計(jì)數(shù)器C0的輸出觸點(diǎn)即動(dòng)作。之后即使計(jì)數(shù)器輸入X011再動(dòng)作，計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值保持不變。
當(dāng)復(fù)位輸入X010接通（ON）時(shí)，執(zhí)行RST指令，計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值為0，輸出接點(diǎn)也復(fù)位。
應(yīng)注意的是，計(jì)數(shù)器C100～C199，即使發(fā)生停電，當(dāng)前值與輸出觸點(diǎn)的動(dòng)作狀態(tài)或復(fù)位狀態(tài)也能保持。
7. 數(shù)據(jù)寄存器（D）
數(shù)據(jù)寄存器是計(jì)算機(jī)必不可少的元件，用于存放各種數(shù)據(jù)。FX2N中每一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器都是16bit（最高位為正、負(fù)符號(hào)位），也可用兩個(gè)數(shù)據(jù)寄存器合并起來存儲(chǔ)32 bit數(shù)據(jù)（最高位為正、負(fù)符號(hào)位）。
(1) 通用數(shù)據(jù)寄存器D 通道分配 D 0～D199，共200點(diǎn)。
只要不寫入其他數(shù)據(jù)，已寫入的數(shù)據(jù)不會(huì)變化。但是，由RUN→STOP時(shí)，全部數(shù)據(jù)均清零。（若特殊輔助繼電器M8033已被驅(qū)動(dòng)，則數(shù)據(jù)不被清零）。
(2) 停電保持用寄存器 通道分配 D200～D511，共312點(diǎn)，或D200～D999，共800點(diǎn)（由機(jī)器的具體型號(hào)定）。
基本上同通用數(shù)據(jù)寄存器。除非改寫，否則原有數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，不論電源接通與否，PLC運(yùn)行與否，其內(nèi)容也不變化。然而在二臺(tái)PLC作點(diǎn)對(duì)的通信時(shí)， D490～D509被用作通信操作。
(3) 特殊功能寄存器 通道分配D8000～D8255（共256點(diǎn)）。它用來監(jiān)控可編程控制器的運(yùn)行狀態(tài)，如電池電壓、掃描時(shí)間、正在動(dòng)作的狀態(tài)的編號(hào)等，其在電源接通時(shí)被清零，隨后被系統(tǒng)程序?qū)懭氤跏贾礫6]。
第3章 應(yīng)用PLC實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 選題依據(jù)
可編程邏輯控制器( PLC)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動(dòng)控制設(shè)備。它集自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)為一體, 是一種專門用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制的現(xiàn)場設(shè)備。目前, PLC始終處于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的主戰(zhàn)場, 為各種自動(dòng)化控制設(shè)備提供非常可靠的控制應(yīng)用。主要原因在它能為自動(dòng)化控制應(yīng)用提供安全可靠和比較完善的解決方案, 適合當(dāng)前工業(yè)企業(yè)對(duì)自動(dòng)化的需要。由于控制對(duì)象的復(fù)雜性, 使用環(huán)境的特殊性和運(yùn)行的長期連續(xù)性, 使PLC在設(shè)計(jì)上有自己明顯的特點(diǎn): 可靠性高, 適應(yīng)性廣, 具有通信功能, 編程方便, 結(jié)構(gòu)模塊化。在現(xiàn)代集散控制系統(tǒng)中, PLC已成為一種重要的基本控制單元, 在工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用前景極其廣泛[6]。
本文主要在原有混液裝置系統(tǒng)上的改進(jìn)，結(jié)合皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)，構(gòu)造出新的控制系統(tǒng)，即自動(dòng)配料皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)，采用三菱公司FX2N系列PLC來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配料皮帶運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)的控制，該系統(tǒng)能夠提供均勻、無雜色、無結(jié)塊、品質(zhì)均一的干混料，同時(shí)可運(yùn)送散狀物料，現(xiàn)場安裝和維修都很方便，理檢查時(shí)也一目了然，且能適應(yīng)高溫度、高粉塵、有沖擊和連續(xù)振動(dòng)的工作條件, 不受惡劣環(huán)境的影響。該系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用空間，被廣泛應(yīng)用在煤炭、電廠、鋼鐵企業(yè)、水泥、糧食、煙草、食品及輕工業(yè)的生產(chǎn)線。
3.2 方案研究與選擇
本次設(shè)計(jì)主要是圍繞液體混料裝置及皮帶運(yùn)輸機(jī)方面的研究，綜合運(yùn)用其控制功能。
1. 皮帶運(yùn)輸機(jī)的控制系統(tǒng)
在建材、化工、食品、機(jī)械、鋼鐵、冶金、煤礦等工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)送原料或物品。
圖3-1為某原料皮帶運(yùn)輸機(jī)的示意圖。原料從料斗經(jīng)過PD-1、PD-2兩臺(tái)皮帶運(yùn)輸機(jī)送出。從料斗向PD-2供料由電磁閥YV控制，PD-1和PD-2分別由電動(dòng)機(jī)M1和M2驅(qū)動(dòng)。該控制系統(tǒng)主要考慮的是傳送帶的啟動(dòng)和停止。在啟動(dòng)時(shí)，對(duì)其進(jìn)行一些要求：為了避免在前段皮帶上造成物料堆積，要求逆物料方向按一定的流動(dòng)方向按一定的時(shí)間間隔順序啟動(dòng)。同樣，在停止時(shí)，為了使運(yùn)輸皮帶上不殘留物料，要求順物料流動(dòng)方向按一定時(shí)間間隔順序停止[5]。
圖3-1 原料皮帶運(yùn)輸機(jī)控制示意圖
2. 物料混合裝置控制系統(tǒng)
圖3-2為水泥、糧食、煙草、食品等輕工業(yè)生產(chǎn)線的混料裝置，閥A、B、C為電磁閥，用于控制管路。線圈通電時(shí)，打開管路；線圈斷電后，關(guān)閉管路。高、中、低三個(gè)料位傳感器被淹沒時(shí)為ON。
系統(tǒng)初始狀態(tài)為電動(dòng)機(jī)停止，所有閥門關(guān)閉，裝置內(nèi)沒有物料，高、中、低三個(gè)傳感器處于OFF狀態(tài)。
控制要求為按下啟動(dòng)按鈕后，打開A閥，物料A流入；當(dāng)中傳感器被淹變?yōu)镺N時(shí)，A閥關(guān)閉，B閥打開，B物料流入容器；當(dāng)高位傳感器被淹沒變?yōu)镺N時(shí)，
圖3-2 物料混合裝置系統(tǒng)示意圖
B閥關(guān)閉，攪拌電機(jī)開始運(yùn)行，開始攪動(dòng)物料，8s后停止攪拌，打開C閥放出均
勻的混合物料；當(dāng)料位下降到露出低位傳感器（傳感器有ON變?yōu)镺FF）時(shí)，開始計(jì)時(shí)，3s后關(guān)閉C閥（以確保容器放空）系統(tǒng)回到初始狀態(tài)，系統(tǒng)運(yùn)行完一個(gè)完整的周期。此時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)檢測(cè)在剛過的運(yùn)行周期里是否發(fā)出了停止信號(hào)，如果已發(fā)出，則系統(tǒng)停止在初始狀態(tài)等待下一次啟動(dòng)信號(hào)，否則系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。也就是說，按下此類系統(tǒng)的停止要求不應(yīng)馬上停止。而應(yīng)該等回到初始狀態(tài)運(yùn)行完這個(gè)周期再停止。這生產(chǎn)工藝所必須要求的[11]。
3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制要求
根據(jù)皮帶運(yùn)輸機(jī)控制及混液裝置系統(tǒng)的工控原理，從中提取一部分元件，綜合運(yùn)用，構(gòu)造出新的PLC控制系統(tǒng)，即自動(dòng)配料皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)。
1. 系統(tǒng)的基本構(gòu)成
(1) 自動(dòng)配料系統(tǒng)
由一個(gè)混料容器，三個(gè)料位傳感器，進(jìn)料閥A，進(jìn)料閥B及放料閥C，一臺(tái)攪拌電機(jī)組成。
(2) 皮帶傳送系統(tǒng)
包括3條個(gè)傳送帶PD-1、PD-2、PD-3，傳送帶均由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，共使用了3臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。
(3) 控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)的全部控制功能由一臺(tái)三菱FX2N-16MR型可編程控制器實(shí)現(xiàn)，用于控制進(jìn)料、攪拌、放料、皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)、停止等工作過程。
2. 系統(tǒng)的工作原理
圖3-3為自動(dòng)配料皮帶運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理圖，SL1、SL2、SL3、分別為高、中、低料位傳感器，料位淹沒時(shí)接通，物料A、B有進(jìn)料電磁閥Y4、Y5控制、混料由出料電磁閥Y6控制，M0為攪拌電機(jī)，三條傳送帶PD-1、PD-2、PD-3分別由接觸器M1、M2、M3控制。
控制要求如下：
(1) 初始狀態(tài)
自動(dòng)配料混合裝置處于OFF狀態(tài)，攪拌電動(dòng)機(jī)停止，所以閥門關(guān)閉，裝置內(nèi)沒有物料，上、中、下三個(gè)液位傳感器處于OFF狀態(tài)；皮帶運(yùn)輸機(jī)由電動(dòng)機(jī)控制，現(xiàn)處于停止?fàn)顟B(tài)。
(2) 啟動(dòng)操作
圖3-3 動(dòng)配料皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)原理圖
按下啟動(dòng)按鈕SB1，裝置開始按以下規(guī)律運(yùn)行：
a. 物料A電磁閥打開，物料A流入容器。當(dāng)料位到達(dá)中料位傳感器SL2時(shí)，SL2接通，關(guān)閉物料A電磁閥，打開物料B電磁閥，物料B開始流入容器。
b. 當(dāng)容器料位到達(dá)高料位傳感器SL1時(shí)，SL1接通，關(guān)閉物料B電磁閥，攪拌電機(jī)M0啟動(dòng)，開始攪勻物料。
c. 攪拌電機(jī)工作8s后停止攪動(dòng)，在開啟放料電磁閥C之前，為了避免在前段傳送帶上造成物料堆積，依次間隔2s啟動(dòng)傳送帶電動(dòng)機(jī)M3、M2、M1，分別帶動(dòng)傳送帶PD-3、PD-2、PD-1運(yùn)轉(zhuǎn)。
d. 當(dāng)皮帶PD-1運(yùn)轉(zhuǎn)起來2s后，放料電磁閥C打開，開始放出混合物料。
e. 當(dāng)容器料位下降到低料位傳感器SL3時(shí)，SL3由接通變?yōu)閿嚅_，開始計(jì)時(shí)，3s后關(guān)閉放料電磁閥C。
f. 在關(guān)閉放料電磁閥C的同時(shí)，為了使傳送帶上不殘留物料，依次間隔2s停止傳動(dòng)帶M1、M2、M3電動(dòng)機(jī)，傳送帶PD-1、PD-2、PD-3停止運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)開始執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)周期。
(3) 停止操作
按下停止按鈕SB2后，在當(dāng)前的混合、放料、輸送操作處理完畢后，才停止運(yùn)行（停在初始狀態(tài)上）
第4章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
4.1 PLC機(jī)型的選擇及外部接線圖
圖4-1 自動(dòng)配料皮帶運(yùn)輸機(jī)PLC外部接線圖
根據(jù)對(duì)自動(dòng)配料皮帶運(yùn)輸機(jī)控制要求的分析，可確定輸入信號(hào)由啟動(dòng)、停止按鈕SB1、SB2，物料傳感器SL1、SL2、SL3共計(jì)5點(diǎn)輸入；輸出信號(hào)為攪拌電機(jī)接觸器M0、傳動(dòng)帶接觸器M1、傳送帶接觸器M2、傳送帶接觸器M3，進(jìn)料電磁閥A、進(jìn)料電磁閥B、放料電磁閥C，共計(jì)7點(diǎn)。
綜合上述分析系統(tǒng)要求，考慮到系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型和技術(shù)指標(biāo)，可選用三菱公司的FX2N系列PLC，機(jī)型為FX2N-16MR。
該機(jī)基本單元有有8個(gè)開關(guān)量輸入點(diǎn)，8個(gè)開關(guān)量輸出點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)控制要求。
據(jù)此可作出自動(dòng)配料皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)的輸入、輸出分配，如外部接線圖4-1所示。
4.2 I/O設(shè)備及I/O編號(hào)的分配
如表4-1所示為控制系統(tǒng)的I/0分配表。
表4-1 PLC的I/O分配表
輸入設(shè)備
輸入點(diǎn)編號(hào)
輸出設(shè)備
輸出點(diǎn)編號(hào)
啟動(dòng)按鈕SB1
X0
攪拌電機(jī)接觸器M0
Y0
停止按鈕SB2
X1
傳送帶接觸器M1
Y1
高料位傳感器SL1
X2
傳送帶接觸器M2
Y2
中料位傳感器SL2
X3
傳送帶接觸器M3
Y3
低料位傳感器SL3
X4
進(jìn)料電磁閥A
Y4
進(jìn)料電磁閥B
Y5
放料電磁閥C
Y6
4.3 順序功能圖的設(shè)計(jì)
由題目給出的控制要求，可以把順序功能圖劃分為12步，連同初始步共13
步。每一步驅(qū)動(dòng)相關(guān)的負(fù)載，設(shè)計(jì)思路同STL順序功能圖一樣，圖4-2給出了用
M代表步的順序功能圖。需要注意的是M7步的轉(zhuǎn)換條件是料位露出下傳感器，也就是X4由ON變?yōu)镺FF，所以轉(zhuǎn)換條件應(yīng)該是X4，下面是與順序功能圖對(duì)應(yīng)的梯形圖4-3。
圖中X0為啟動(dòng)信號(hào)，X1為停止信號(hào)，如果啟保停輔助繼電器M20為ON，M0為ON后能馬上狀態(tài)轉(zhuǎn)移，系統(tǒng)繼續(xù)工作；如果M20為OFF，M0為ON后不能轉(zhuǎn)移，系統(tǒng)停在初始步。編寫梯形圖時(shí)，必須把所有能夠使M為ON的條件全部考慮到，比如M0電路，M20為活動(dòng)步情況下，T8為ON將會(huì)使M0為ON，所以將M12、T8的常開觸點(diǎn)串聯(lián)作為M0的啟