可编程控制器毕业设计(论文).doc

内容摘要本书以培养综合型应用人才为目标在注重基础理论教育的同时突出实践性教育环节力图做到深入浅出便于教学突出高等职业教育的特点适合高职高专工科学生使用可编程控制器是工业自动化的主导产品具有控制能力强可靠性高使用方便编程简单易于扩展等优点是当今以及今后工业控制的主要手段和重要的自动化控制设备近年来德国西门子公司的系列在我国已经广泛使用并在各行各业的生产过程的自动控制担任着重要角色本书以系列的为例讲述了小型可编程控制器的的构成原理指令系统应用以及系统的设置调试方法每章都配有习题和实验本课程建议学时数学时近年来德国西门子公司的系列在我国已经广泛使用并在各行各业的生产过程的自动控制担任着重要角色本书以系列的为例讲述了小型可编程控制器的的构成原理指令系统应用以及系统的设置调试方法每章都配有习题和实验本课程建议学时数学时关键字原理指令系统习题目录第一章可编程序控制器概述可编程序控制器的产生和定义可编程序控制器的主要功能及特点可编程序控制器的分类可编程序控制器的发展趋势第二章可编程序控制器的结构和工作原理可编程序控制器的组成与基本结构可编程序控制器的工作原理及主要技术指标系列可编程控制器可编程序控制器的编程语言致谢参考文献第一章可编程序控制器概述第一章可编程序控制器概述可编程控制器简称是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术计算机技术自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置目的是用来取代继电器执行逻辑记时计数等顺序控制功能建立柔性的程控系统可编程控制器具有能力强可靠性高配置灵活编程简单等优点是当代工业生产自动化的主要手段和重要的自动化控制设备可编程序控制器的产生和定义一可编程序控制器的产生在可编程序控制器问世以前工业控制领域中是以继电控制器占主导地位的这种由继电器构成的控制系统有着明显的缺点体积大耗电多可靠性差寿命短运行速度不高尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差一旦生产任务和工艺发生变化就必须重新设计并改变硬件结构这造成了时间和资金的严重浪费世纪年代末期为了使汽车改型或改变工艺流程时不改动原有继电器柜内的接线以便降低生产成本缩短新产品的开发周期以满足生产的需求美国通用汽车公司公司年提出了研制新型控制装置的十项指标其主要内容如下编程简单可在现场修改和调试程序价格便宜性价比高于继电器控制系统可靠性高于继电器控制系统体积小于有继电器控制柜的体积能耗少能与计算机系统数据通信输入量是交流电压信号美国电网电压是输出量是交流电压信号输出电流在以上能直接驱动电磁阀等具有灵活的扩展能力硬件维护方便采用插入式模块结构第一章可编程序控制器概述用户存储器容量至少在以上根据当时的汽车装配过程的要求提出从上述项指标可以看出它实际上就是当今可编程序控制器最基本的功能具备了可编程序控制器的特点年美国数字设备公司根据上述要求研制出第一台可编程序控制器型号为并在公司的汽车生产线上适用成功于是第一台可编程序控制器诞生了二可编程序控制器的定义由于在不断发展因此对它进行确切的定义是比较困难的美国电气制造商协会经过四年的调查工作于年正式将可编程序控制器命名为但为了与个人计算机相区别常将可编程序控制器简称为并给作了定义可编程序控制器是一种带有指令存储器数字的或模拟的输入输出接口以位运算为主能完成逻辑顺序定时计数和运算等功能用于控制机器或生产过程的自动化控制装置年国际电工委员会颁布了标准草案第一稿年提交了第稿并在年的第稿中对作了如下的定义是一种数字运算的电子系统专为工业环境下应用而设计它采用可编制程序的存储器用来在其内部存储执行逻辑运算顺序运算定时计数和算术运算等操作的指令并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程可编程序控制器及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体易于扩展其功能的原则而设计上述的定义表明是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置是以微处理器为基础结合计算机技术自动控制技术和通信技术用面向控制过程面向用户的自然语言编程的一种简单易懂操作方便可靠性高的新一代通用工业控制装置可编程序控制器的主要功能及特点一可编程序控制器的主要功能第一章可编程序控制器概述开关逻辑和顺序控制这是应用最广泛最基本的场合它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制从而可以实现各种控制要求模拟控制和控制在工业生产过程中许多连续变化的需要进行控制的物理量如温度压力流量液位等这些都属于模拟量过去长于逻辑运算控制对于模拟量的控制主要靠仪表或分布式控制系统目前大部分产品都具备处理这类模拟量的功能而且编程和使用方便定时计数控制具有很强的定时计数功能它可以为用户提供数十甚至上百个定时器与计数器对于定时器定时间隔可以由用户加以设定对于计数器如果需要对频率较高的信号进行计数则可以选择高速计数器步进控制为用户提供了一定数量的移位寄存器用移位寄存器可方便地完成步进控制功能运动控制在机械加工行业可编程序控制器与计算机数控集成在一起用以完成机床的运动控制数据处理大部分都具有不同程度的数据处理能力它不仅能进行算术运算数据传送而且还能进行数据比较数据转换数据显示打印等操作有些还可以进行浮点运算和函数运算通信联网具有通信联网的功能它使与之间与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息形成一个统一的整体实现分散集中控制二可编程序控制器的特点能如此迅速发展的原因除了工业自动化的客观需要外还有许多独特的优第一章可编程序控制器概述点它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠安全灵活方便经济等问题其主要特点如下可靠性高可靠性指的是可编程控制器平均无故障工作时间由于可编程序控制器采取了一系列硬件和软件抗干扰措施具有很强的抗干扰能力平均无故障时间达到数万小时以上可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场可编程序控制器已被广大用户公认为是最可靠的工业控制设备之一控制功能强一台小型可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件可以实现非常复杂的控制功能与相同功能的继电器系统相比它具有很高的性能价格比可编程序控制器可以通过通信联网实现分散控制与集中管理用户使用方便可编程序控制器产品已经标准化系列化模块化配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用用户能灵活方便地进行系统配置组成不同功能不同规模的系统可编程序控制器的安装接线也很方便有较强的带负载能力可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器硬件配置确定后可以通过修改用户程序方便快速地适应工艺条件的变化编程方便简单梯形图是可编程序控制器使用最多的编程语言其电路符号表达方式与继电器电路原理图相似梯形图语言形象直观简单易学熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言并用来编制用户程序设计安装调试周期短可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器时间继电器计数器等器件使控制柜的设计安装接线工作量大大减少缩短了施工周期可编程序控制器的用户程序可以在实验室模拟调试模拟调试好后再将控制系统在生产现场进行安装和接线在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决大大缩短了设计和投运周期易于实现机电一体化第一章可编程序控制器概述可编程序控制器体积小重量轻功耗低抗振防潮和耐热能力强使之易于安装在机器设备内部制造出机电一体化产品目前以作为控制器的设备和机器人装置已成为典型可编程序控制器的分类目前的种类非常多型号和规格也不统一了解的分类有助于的选型和应用按点数和功能分类为了适应不同工业生产过程的应用要求可编程序控制器能够处理的输入输出信号数是不一样的一般将一路信号叫做一个点将输入点数和输出点数的总和称为机器的点数简称点数一般讲点数多的功能也越强按照点数的多少可将分为超小微小中大四种类型超小型机点数为点以内内存容量为字节小型机点数为内存容量为字节小型及超小型主要用于小型设备的开关量控制具有逻辑运算定时计数顺序控制通信等功能中型机点数为内存容量为字节中型除具有小型超小型的功能外还增加了数据处理能力适用于小规模的综合控制系统大型机点数为以上内存容量为字节以上大型的功能更加完善多用于大规模过程控制集散式控制和工厂自动化网络按结构形式分类通常从硬件结构形式上分整体式结构和模块式结构整体式结构一般的小型及超小型多为整体式结构这种可编程序控制器是把接口及与编程器或写入器相连的接口输入输出端子电源指示灯等都装配在一起的整体装置它的优点是结构紧凑体积小成本低安装方便第一章可编程序控制器概述缺点是主机的点数固定使用不灵活西门子公司的系列为整体式结构模块式结构模块式结构又叫积木式这种结构形式的特点是把的每个工作单元都制成独立的模块如模块输入模块输出模块电源模块通信模块等另外机器上有一块带有插槽的母板实质上就是计算机总线把这些模块按控制系统需要选取后都插到母板上就构成了一个完整的这种结构的的特点是系统构成非常灵活安装扩展维修都很方便缺点是体积比较大常见产品有公司的西门子公司的系列等按生产厂家分类的生产产家很多国内国外都有其点数容量功能各有差异但都自成系列比较有影响的厂家有日本立石公司的系列可编程序控制器日本三菱公司的系列可编程序控制器日本松下电工公司的系列可编程序控制器美国通用电气公司的系列可编程序控制器美国艾论布拉德利公司的系列可编程序控制器德国西门子公司的系列可编程序控制器可编程序控制器的发展趋势随着技术的推广应用将向两个方面发展一方面向着大型化的方向发展另一方面则向着小型化的方向发展向大型化方向发展主要表现在大中型高功能大容量智能化网络化发展使之能与计算机组成集成控制系统对大规模复杂系统进行综合的自动控制向小型化方向发展主要表现在下列几个方面为了减小体积降低成本向高性能的整体型发展在提高系统可靠性的基础上产品的体积越来越小功能越来越强应用的专业性使得控制质量大大提高第一章可编程序控制器概述另外在软件方面也将有较大的发展系统的开放使第三方的软件能方便地在符合开放系统标准的上得到移植除了采用标准化的硬件外采用标准化的软件也能大大缩短系统开发周期同时标准化的软件由于经受了实际应用的考验它的可靠性也明显提高总之总的发展趋势是高功能高速度高集成度容量大体积小成本低通信联网功能强第二章可编程序控制器的结构和工作原理第二章可编程序控制器的结构和工作原理可编程序控制器的组成与基本结构是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物从广义上讲也是一种计算机系统只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入输出接口具有更适用于控制要求的编程语言具有更适应于工业环境的抗干扰性能因此是一种工业控制用的专用计算机它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同也是由硬件系统和软件系统两大部分组成一可编程序控制器的硬件系统的硬件系统由主机系统输入输出扩展环节及外部设备组成主机系统图结构示意图微处理器单元是的核心部分第二章可编程序控制器的结构和工作原理它包括微处理器和控制接口电路微处理器是的运算控制中心由它实现逻辑运算协调控制系统内部各部分的工作它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的存储器存储器是存放系统程序用户程序和运行数据的单元它包括只读存储器和随机存取存储器只读存储器在使用过程中只能取出不能存储而随机存取存储器在使用过程中能随时取出和存储输入输出模块单元的对外功能主要是通过各类接口模块的外接线实现对工业设备和生产过程的检测与控制通过各种输入输出接口模块既可检测到所需的过程信息又可将处理结果传送给外部过程驱动各种执行机构实现工业生产过程的控制通过输入模块单元能够得到生产过程的各种参数通过输出模块单元能够把运算处理的结果送至工业过程现场的执行机构实现控制为适应工业过程现场对不同输入输出信号的匹配要求配置了各种类型的输入输出模块单元扩展接口扩展接口是主机为了扩展输入输出点数和类型的部件输入输出扩展单元远程输入输出扩展单元智能输入输出单元等都通过它与主机相连扩展接口有并行接口串行接口等多种形式外设接口外设接口是主机实现人机对话机机对话的通道通过它可以和编程器彩色图形显示器打印机等外部设备相连也可以与其他或上位计算机连接外设接口一般是或串行通信接口该接口的功能是进行串行并行数据的转换通信格式的识别数据传输的出错检验信号电平的转换等对于一些小型外设接口中还有与专用编程器连接的并行数据接口电源电源单元是的电源供给部分它的作用是把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源有的电源单元还向外提供直流电源给与开关量输入单元连接的现场电源开关使用电源单元还包括掉电保护电路和后备电池电源以保持在外部电源断电后存储的内容不丢失的电源一般采用开关电源其特点是输入电压范围宽体积小质量轻效率高抗干扰性能好输入输出扩展环节第二章可编程序控制器的结构和工作原理输入输出扩展环节是输入输出单元的扩展部件当用户所需的输入输出点数或类型超出主机的输入输出单元所允许的点数或类型时可以通过加接输入输出扩展环节来解决输入输出扩展环节与主机的输入输出扩展接口相连有两种类型简单型和智能型简单型的输入输出扩展环节本身不带中央处理单元对外部现场信号的输入输出处理过程完全由主机的中央处理单元管理依赖于主机的程序扫描过程通常它通过并行接口与主机通信并安装在主机旁边在小型的输入输出扩展时常被采用智能型的输入输出扩展环节本身带有中央处理单元它对生产过程现场信号的输入输出处理由本身所带的中央处理单元管理而不依赖于主机的程序扫描过程通常它采用串行通信接口与主机通信可以远离主机安装多用于大中型的输入输出扩展外部设备编程器它是编制调试用户程序的外部设备是人机交互的窗口通过编程器可以把新的用户程序输入到的中或者对中已有程序进行编辑通过编程器还可以对的工作状态进行监视和跟踪这对调试和试运行用户程序是非常有用的除了上述专用的编程器外还可以利用微机如配上生产厂家提供的相应的软件包来作为编程器这种编程方式已成为发展的趋势现在有些不再提供编程器而只提供微机编程软件并且配有相应的通信连接电缆彩色图形显示器大中型通常配接彩色图形显示器用以显示模拟生产过程的流程图实时过程参数趋势参数及报警参数等过程信息使得现场控制情况一目了然打印机也可以配接打印机等外部设备用以打印记录过程参数系统参数以及报警事故记录表等还可以配置其他外部设备例如配置存储器卡盒式磁带机或磁盘驱动器用于存储用户的应用程序和数据配置写入器用于将程序写入到中二可编程序控制器的软件系统除了硬件系统外还需要软件系统的支持它们相辅相成缺一不可共同第二章可编程序控制器的结构和工作原理构成的软件系统由系统程序又称系统软件和用户程序又称应用软件两大部分组成系统程序系统程序由的制造企业编制固化在或中安装在上随产品提供给用户系统程序包括系统管理程序用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等用户程序用户程序是根据生产过程控制的要求由用户使用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序用户程序包括开关量逻辑控制程序模拟量运算程序闭环控制程序和操作站系统应用程序等可编程序控制器的工作原理及主要技术指标一可编程序控制器的工作原理可编程控制器是一种专用的工业控制计算机其工作原理与计算机控制系统的工作原理基本相同是采用周期循环扫描的工作方式连续执行用户程序和任务的循环序列称为扫描对用户程序的执行过程是的循环扫描并用周期性地集中采样集中输出的方式来完成的一个扫描周期工作周期主要分为以下几个阶段输入采样扫描阶段这是第一个集中批处理过程在这个阶段中按顺序逐个采集所有输入端子上的信号不论输入端子上是否接线顺序读取全部输入端将所有采集到的一批输入信号写到输入映像寄存器中在当前的扫描周期内用户程序用到的输入信号的状态或均从输入映像寄存器中去读取不管此时外部输入信号的状态是否变化即使此时外部输入信号的状态发生了变化也只能在下一个扫描周期的输入采样扫描阶段去读取对于这种采集输入信号的批处理虽然严格上说每个信号被采集的时间有先有后但由于的扫描周期很短这个差异对一般工程应用可忽略所以可以认为这些采集到的输入信息是同时的第二章可编程序控制器的结构和工作原理执行用户程序扫描阶段这是第二个集中批处理过程在执行用户程序阶段对用户程序按顺序进行扫描如果程序用梯形图表示则总是按先上后下从左至右的顺序进行扫描每扫描到一条指令所需要的输入信息的状态均从输入映像寄存器中去读取而不是直接使用现场的立即输入信号对其他信息则是从的元件映像寄存器中去读取在执行用户程序中每一次运算的中间结果都立即写入元件映像寄存器中对输出继电器的扫描结果也不是马上去驱动外部负载而是将其结果写入到输出映像寄存器中在此阶段允许对数字量指令和不设置数字滤波的模拟量指令进行处理在扫描周期的各个部分均可对中断事件进行响应在这个阶段除了输入映像寄存器外各个元件映像寄存器的内容是随着程序的执行而不断变化的输出刷新扫描阶段这是第三个集中批处理过程当对全部用户程序扫描结束后将元件映像寄存器中各输出继电器的状态同时送到输出锁存器中再由输出锁存器经输出端子去驱动各输出继电器所带的负载在输出刷新阶段结束后进入下一个扫描周期重新执行输入采样周而复始二可编程序控制器的主要技术指标输入输出点数可编程控制器的点数指外部输入输出端子数量的总和它是描述的大小的一个重要的参数存储容量的存储器由系统程序存储器用户程序存储器和数据存储器三部分组成存储容量通常指用户程序存储器和数据存储器容量之和表征系统提供给用户的可用资源是系统性能的一项重要技术指标扫描速度第二章可编程序控制器的结构和工作原理可编程控制器采用循环扫描方式工作完成次扫描所需的时间叫做扫描周期影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和产品的类型中的类型机器字长等直接影响运算精度和运行速度指令系统指令系统是指所有指令的总和可编程控制器的编程指令越多软件功能就越强但掌握应用也相对较复杂用户应根据实际控制要求选择合适指令功能的可编程控制器通信功能通信有之间的通信和与其他设备之间的通信通信主要涉及通信模块通信接口通信协议和通信指令等内容的组网和通信能力也已成为产品水平的重要衡量指标之一致谢致谢行扫描如果程序用梯形图表示则总是按先上后下从左至右的顺序进行扫描每扫描到一条指令所需要的输入信息的状态均从输入映像寄存器中去读取而不是直接使用现场的立即输入信号对其他信息则是从的元件映像寄存器中去读取在执行用户程序中每一次运算的中间结果都立即写入元件映像寄存器中对输出继电器的扫描结果也不是马上去驱动外部负载而是将其结果写入到输出映像寄存器中在此阶段允许对数字量指令和不设置数字滤波的模拟量指令进行处理在扫描周期的各个部分均可对中断事件进行响应在这个阶段除了输入映像寄存器外各个元件映像寄存器的内容是随着程序的执行而不断变化的参考文献参考文献吕家东振动料斗系统研究硕士学位论文东南大学许林成赵治华王浩包装机械原理与设计上海上海科学技术出版社关志华压电式振动给料机的研究硕士学位论文天津大学吴端压电陶瓷振动给料机的研究硕士学位论文天津大学王运池国内振动给料设备的现状与发展媒质技术陈永亮李云梅基于有限元的模块化振动料斗动态分析先进制造技术与齿轮学术会议中国中国齿轮制造研究会第七届学术年会论文集龙建军吴金萍振动料斗电磁激振器微控制器控制机械科学与技术中国机械工程学会中国机械设计大典编委会中国机械设计大典第卷南昌江西科学技术出版社廖林青等现代设计法重庆重庆大学出版社