數(shù)控加工中心刀具庫PLC自動控制系統(tǒng)的設計
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摘要 PLC英文全稱Programmable Logic Controller ,中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是:一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程.PLC是可編程邏輯電路，也是一種和硬件結合很緊密的語言，在半導體方面有很重要的應用，可以說有半導體的地方就有PLC。 數(shù)控刀具的選擇是數(shù)控加工工藝中的重要內容，它不僅影響數(shù)控機床的加工效率，而且直接影響加工質量。因此，數(shù)控加工中的刀具選擇是在人機交互狀態(tài)下完成的。用改造傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)是很好方法，它可以充分發(fā)揮高可靠性、高抗干擾的特點，壽命長、維修量少，查找外部線路簡單。用進行邏輯控制和變速位置的數(shù)據(jù)處理，較好的實現(xiàn)了原工藝要求，簡化了線路。 關鍵詞：PLC 工作原理 程序設計 數(shù)控系統(tǒng)應用 目錄 第1章 緒論………………………………………………………………………………1 第2章 PLC概述…………………………………………………………………………2 2.1 PLC控制器 …………………………………………………………………………2 2.1.1 PLC的特點……………………………………………………………………2 2.1.2 PLC應用領域 …………………………………………………………………2 2.1.3 PLC的發(fā)展狀況………………………………………………………………3 2.2 PLC的基本結構………………………………………………………………………4 2.2.1 PLC的硬件系統(tǒng)………………………………………………………………4 2.2.2 PLC的軟件系統(tǒng)……………………………………………………………………5 2.3 PLC的工作過程及原理………………………………………………………………6 2.3.1工作過程………………………………………………………………………6 2.3.2 PLC的工作原理………………………………………………………………6 2.4 PLC的編程語言的基本指令系統(tǒng)和編程方法………………………………………7 2.4.1 語言的形式……………………………………………………………………7 2.4.2 編程指令………………………………………………………………………7 2.4.3 基本指令系統(tǒng)特點……………………………………………………………8 2.5 FX2N系列……………………………………………………………………………8 2.5.1 FX2N系列的PLC模型………………………………………………………8 2.5.2 FX2N系列主要技術性能……………………………………………………9 2.6 PLC控制系統(tǒng)的設計基本原則……………………………………………………10 第3章 數(shù)控加工中心刀具庫選擇程序…………………………………………………10 3.1 數(shù)控車床刀具………………………………………………………………………10 3.2 傳感器在數(shù)控車床上的應用………………………………………………………11 3.2.1傳感器簡介……………………………………………………………………10 3.2.2數(shù)控機床對傳感器的應用……………………………………………………11 3.2.3霍爾傳感器……………………………………………………………………11 3.3程序要求 …………………………………………………………………………11 3.4 流程圖………………………………………………………………………………12 3.5 程序設計……………………………………………………………………………13 3.6 PLC外部接線圖……………………………………………………………………14 3.7 程序說明……………………………………………………………………………15 3.8 本系統(tǒng)工作原理……………………………………………………………………20 第4章 系統(tǒng)調試………………………………………………………………………21 4.1 硬件調試……………………………………………………………………………21 4.2 軟件調試……………………………………………………………………………21 總 結……………………………………………………………………………………22 致 謝……………………………………………………………………………………23 參 考 文 獻……………………………………………………………………………24 第1章 緒論 PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計?！? 1969年，美國數(shù)字設備公司（DEC）研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable ,是世界上公認的第一臺PLC. 限于當時的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)功能。20世紀70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。 20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產可編程控制器的國家日益增多，產量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。 20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制場合；從產品的配套能力來說，生產了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用都得到了長足的發(fā)展。 我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產設備及產品中不斷擴大了PLC的應用。目前，我國自己已可以生產中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產的CF系列、杭州機床電器廠生產的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產的S系列、蘇州電子計算機廠生產的YZ系列等多種產品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產品中獲得了應用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產廠家。可以預期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地。 第2章 PLC概述 2.1 PLC控制器 2.1.1 PLC的特點 可編程控制器及其有關外部設備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴充其功能的原則設計?？删幊炭刂破骶哂兄T多優(yōu)點： (1)可靠性高，抗干擾能力強 高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。 (2)配套齊全，功能完善，適用性強。 PLC發(fā)展到今天，已經形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 (3）易學易用，深受工程技術人員歡迎。 PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。 (4）系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造。 PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。 (5）體積小，重量輕，能耗低。 以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。 2.1.2 PLC應用領域 目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。 (1）開關量的邏輯控制 這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。 (2）模擬量控制 在工業(yè)生產過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠家都生產配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 (3）運動控制 PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。 (4）過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。 (5）數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 (6）通信及聯(lián)網(wǎng) PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。新近生產的PLC都具有通信接口，通信非常方便。 2.1.3 PLC的發(fā)展狀況 PLC誕生不久就顯示了其在工業(yè)控制領域的重要作用。如日本、德國和法國等國家相繼研制成各自的PLC，PLC技術隨著計算機和微電子技術的發(fā)展而發(fā)展，由1位機發(fā)展成8位機，隨著微處理器CPU和微型計算機技術在PLC中的應用，形成了現(xiàn)代意義的PLC。 21世紀，PLC會有更大的發(fā)展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現(xiàn)；從產品規(guī)模上看，會進一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產品的配套性上看，產品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產多品種產品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現(xiàn)少數(shù)幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現(xiàn)國際通用的編程語言；從網(wǎng)絡的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網(wǎng)構成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術的發(fā)展方向。目前的計算機集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應用。伴隨著計算機網(wǎng)絡的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡和國際通用網(wǎng)絡的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領域發(fā)揮越來越大的作用?，F(xiàn)在PLC產品已經使用了16位、32位高性能微處理器，而且實現(xiàn)了多處理器的多信道處理，通信技術使PLC的應用得到進一步的發(fā)展。目前，PLC技術已經比較成熟。 2.2 PLC的基本結構 2.2.1 PLC的硬件系統(tǒng) 用可編程控制器實施控制，其實質是按一定算法進行輸入輸出變換，并將這個變換予以物理實現(xiàn)。入出變換 、物理實現(xiàn)可以說是PLC實施控制的兩個基本點。而入出變換實際上就是信息處理，信息處理當今最常用的是微處理機技術，PLC也是用它，并使其專用化，應用與工業(yè)現(xiàn)場。至于物理實現(xiàn)，正是它與普通微機相區(qū)別之點，普通微機多只考慮信息本身，別的不多考慮，而PLC要考慮實際的控制需要。物理實現(xiàn)要求PLC的輸入，應當排除干擾信號適應于工業(yè)現(xiàn)場。輸出應放大到工業(yè)控制的水平，能為實際控制系統(tǒng)方便使用。這就要求I/O電路專門設計。根據(jù)PLC實施控制的基本點的分析，PLC采用了典型的計算結構。主要是由CPU、RAM、ROM和專門設計的輸入輸出接口電路組成。 (1)中央處理器 中央處理器（CPU）一般由控制電路、運算器和寄存器組成，這些電路一般都集成在一個芯片上。CPU通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲單元、輸入輸出（I/O）接口電路相連接。CPU按掃描方式工作，從0000首址存放的第一條用戶程序開始，到用戶程序的最后一個地址，不停的周期性掃描，每掃描一次，用戶程序就執(zhí)行一次。 CPU的主要功能為： ①從存儲器中讀取指令。CPU從地址總線上給出存儲地址，從控制總線上給出讀指令，從數(shù)據(jù)總線上得到讀出的命令，并存入CPU內的指令寄存器中。 ②執(zhí)行指令。對存放在指令寄存器中的指令操作碼進行譯碼，執(zhí)行指令規(guī)定的操作，如讀取輸入信號，取操作數(shù)，進行邏輯運算和算術運算，將結果輸出給有關部分。 ③準備取下一個指令。CPU執(zhí)行完一條指令后，能根據(jù)條件產生下一條指令的地址，以便取出和執(zhí)行下一條指令，在CPU的控制下，程序的指令既可以順序執(zhí)行，也可以分支或跳轉。 ④處理中斷。CPU除順序執(zhí)行程序外，還能接收輸入輸出接口發(fā)來的中斷請求，并進行中斷處理，中斷處理完后，再返回原址，繼續(xù)順序執(zhí)行。 (2)存儲器 用于存放系統(tǒng)程序，一般系統(tǒng)程序是由PLC廠家編寫的，不能由用戶直接存取。系統(tǒng)程序存儲器用來存放有關系統(tǒng)管理解釋指令、標準程序系統(tǒng)調用等程序。一般用PROM或EPROM構成。 由用戶編寫的程序稱為用戶程序，用戶程序存放在用戶程序存儲器中，用戶程序存儲器的容量不大，一般只有幾K 的容量，常用ROM構成。 (3)輸入/輸出部分 這是PLC與被控設備相連接的接口電路。用戶設備輸入PLC的各種控制信號，如限位開關、操作按扭、選擇開關、行程開關以及其他一些傳感器輸出的開關量或模擬量（要通過模數(shù)變換進機內）等，通過輸入輸出電路將這些信號轉換成中央處理器能夠接收和處理的信號。輸出接口電路將中央處理器送出的弱電控制信號轉換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅動電磁閥、接觸器、電機等被控設備的執(zhí)行元件。 ①輸入接口電路 現(xiàn)場輸入接口電路一般由光電耦合電路和微電腦輸入接口電路成。 光電耦合電路：采用光電耦合電路與現(xiàn)場輸入信號相連是為防止現(xiàn)場的強電干擾進入PLC。光電耦合電路的關鍵器件是光電耦合器，一般由發(fā)光二極管和光電三極管組成。光電耦合器的抗干擾性能：由于輸入和輸出段是靠光信號耦合的，在電器上是完全隔離的，因此輸出端的信號不會反饋到輸入端，也不會產生地線干擾和其他串擾。 微電腦的輸入接口電路：它一般由數(shù)據(jù)輸入寄存器、選通電路和中斷請求邏輯電路構成，這些電路集成在一個芯片上。現(xiàn)場的輸入信號通過光電耦合送到輸入數(shù)據(jù)寄存器，然后通過數(shù)據(jù)總線送給CPU。 ②輸出接口電路 一般由微電腦輸出接口電路和功率放大電路組成。 微電腦輸出接口電路：一般由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷電路集成而成。CPU通過數(shù)據(jù)總線將要輸出的信號放到輸出數(shù)據(jù)寄存器中。 功率放大電路：是為了適應工業(yè)控制的要求，將微電腦輸出的信號加以放大。PLC一般采用繼電器輸出。 (4)電源部件 將交流電源轉換成供PLC所需的直流電源。目前大部分PLC采用開關式穩(wěn)壓電源供電。 2.2.2 PLC的軟件系統(tǒng) (1)系統(tǒng)程序 它由PLC的制造企業(yè)編制，固化在PROM或EPROM中，按裝在PLC上，隨產品提供給用戶。系統(tǒng)程序包括系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序和供系統(tǒng)調用的標準程序模塊等。 系統(tǒng)管理程序其主要功能為： ① 時間分配的運行管理，即實現(xiàn)PLC輸入、輸出運算，自檢及提供通信時序； ② 存儲空間的額分配管理，即生成用戶環(huán)境，規(guī)定各種參數(shù)、程序的存放地址，將用戶使用的數(shù)據(jù)參數(shù)存儲地址轉化為實際的數(shù)據(jù)格式及物理存儲地址； ③ 系統(tǒng)的自檢程序，即對系統(tǒng)進行出錯檢驗、用戶程序語法檢驗、句法檢驗、警戒時鐘運行等。在系統(tǒng)管理程序的控制下，整個PLC能正確、有效地工作。 用戶指令解釋程序：它可將用戶用各種編程語言（梯形圖、語句表等）編制的應用程序翻譯成CPU能執(zhí)行的機器指令。 供系統(tǒng)調用的標準程序模塊：它由許多獨立的程序組成，各自完成包括輸入、輸出、特殊運算等不同的功能。PLC的各種具體工作都由這部分來完成。 (2) 用戶程序 它是根據(jù)生產過程控制的要求由用戶使用制造企業(yè)提供的編程語言自行編制的應用程序。用戶程序包括開關量邏輯控制程序、模擬量運算程序、閉環(huán)控制程序和操作站系統(tǒng)應用程序等。 開關量邏輯控制程序：它是PLC用戶程序中最重要的一部分，一般采用梯形圖、助記符或功能塊圖等編程語言編制，不同的PLC制造企業(yè)提供的編程語言有不同的形式，至今沒有一種能全部兼容的編程語言。 模擬量運算程序及閉環(huán)控制程序：通常，它是在大中型PLC上實施的程序，由用戶根據(jù)需要按PLC提供的軟件和硬件功能進行編制。編程語言一般采用高級語言或匯編語言。一些制造企業(yè)為了方便用戶編程，也提供相應編程軟件供用戶編制模擬量和PID控制等的程序。 操作站系統(tǒng)程：它是大型PLC系統(tǒng)經過通信聯(lián)網(wǎng)后，由用戶進行信息交換和管理而編制的程序。它包括各類畫面的操作顯示程序，一般采用高級語言實現(xiàn)，一些制造企業(yè)也提供了人機界面的有關軟件，用戶可以根據(jù)制造企業(yè)提供的外交使用說明進行操作站的系統(tǒng)畫面組態(tài)和編制相應的應用程序。 2.3 PLC的工作過程及原理 2.3.1 工作過程 PLC大多采用成批輸入/輸出的周期掃描方式工作，按用戶程序的先后次序逐條運行，一個完整的周期可分為三個階段： （1）輸入刷新階段： 程序開始時，監(jiān)控程序使機器以掃描方式逐個輸入所有輸入端口上的信號，并依次存入對應的輸入映象寄存器。 （2）程序處理階段： 所有的輸入端口采樣結束后，即開始進行邏輯運算處理，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始，逐條加以執(zhí)行，并將相應的邏輯運行結果，存入對應的中間元件和輸出元件映象寄存器，當最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉入輸出刷新處理。入對應的中間元件和輸出元件映象寄存器，當最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉入輸出刷新處理。 （3）輸出刷新階段： 將輸出元件映象寄存器的內容，從第一個輸出端口開始，到最后一個結束，依次讀入對應的輸出鎖存器，從而驅動輸出器件形成可編程的實際輸出。一般地，PLC的一個掃描周期約10ms，另外，可編程序控制器的輸入/輸出還有響應滯后（輸入濾波約10ms），繼電器機械滯后約10ms，所以，一個信號從輸入到實際輸出，大約有20--30ms的滯后。 2.3.2 PLC的工作原理 PLC雖然以微處理器為核心，并具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采用等待命令和中斷的工作方式，而PLC則是采用"順序掃描、不斷循環(huán)"的方式進行工作的，包括輸入采樣、系統(tǒng)處理、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新四個階段。完成上述四個階段稱為一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行這四個階段。 （1）輸入采樣階段：順序訪問PLC的所有輸入單元的信號狀態(tài)，將其放入輸入緩沖區(qū)內。 （2）系統(tǒng)處理階段：對系統(tǒng)工作狀態(tài)進行檢查，對連接的I/O單元及外部設備進行定期服務。 （3）用戶程序執(zhí)行階段：執(zhí)行預先設定的用戶程序，將處理結果分別放入動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)和輸出緩沖區(qū)。 （4）輸出刷新階段：將輸出緩沖區(qū)的所有信號送到輸出單元，刷新輸出單元鎖存器的原有狀態(tài)。 2.4 PLC的編程語言的基本指令系統(tǒng)和編程方法 2.4.1 語言的形式 最常用的兩種編程語言，一是梯形圖，二是助記符語言表。采用梯形圖編程，因為它直觀易懂，但需要一臺個人計算機及相應的編程軟件；采用助記符形式便于實驗，因為它只需要一臺簡易編程器，而不必用昂貴的圖形編程器或計算機來編程。 雖然一些高檔的PLC還具有與計算機兼容的C語言、BASIC語言、專用的高級語言（如西門子公司的GRAPH5、三菱公司的MELSAP），還有用布爾邏輯語言、通用計算機兼容的匯編語言等。不管怎么樣，各廠家的編程語言都只能適用于本廠的產品。 2.4.2 編程指令 指令是PLC被告知要做什么，以及怎樣去做的代碼或符號。從本質上講，指令只是一些二進制代碼，這點PLC與普通的計算機是完全相同的。同時PLC也有編譯系統(tǒng)，它可以把一些文字符號或圖形符號編譯成機器碼，所以用戶看到的PLC指令一般不是機器碼而是文字代碼，或圖形符號。常用的助記符語句用英文文字（可用多國文字）的縮寫及數(shù)字代表各相應指令。常用的圖形符號即梯形圖，它類似于電氣原理圖是符號，易為電氣工作人員所接受。 （1）指令系統(tǒng)：一個PLC所具有的指令的全體稱為該PLC的指令系統(tǒng)。它包含著指令的多少，各指令都能干什么事，代表著PLC的功能和性能。一般講，功能強、性能好的PLC，其指令系統(tǒng)必然豐富，所能干的事也就多。在編程之前必須弄清PLC的指令系統(tǒng)。 （2）程序：PLC指令的有序集合，PLC運行它，可進行相應的工作，當然，這里的程序是指PLC的用戶程序。用戶程序一般由用戶設計，PLC的廠家或代銷商不提供。用語句表達的程序不大直觀，可讀性差，特別是較復雜的程序，更難讀，所以多數(shù)程序用梯形圖表達。 （3）梯形圖：梯形圖是通過連線把PLC指令的梯形圖符號連接在一起的連通圖，用以表達所使用的PLC指令及其前后順序，它與電氣原理圖很相似。它的連線有兩種：一為母線，另一為內部橫豎線。內部橫豎線把一個個梯形圖符號指令連成一個指令組，這個指令組一般總是從裝載（LD）指令開始，必要時再繼以若干個輸入指令（含LD指令），以建立邏輯條件。最后為輸出類指令，實現(xiàn)輸出控制，或為數(shù)據(jù)控制、流程控制、通訊處理、監(jiān)控工作等指令，以進行相應的工作。母線是用來連接指令組的。 2.4.3 基本指令系統(tǒng)特點 PLC的編程語言與一般計算機語言相比，具有明顯的特點，它既不同于高級語言，也不同與一般的匯編語言，它既要滿足易于編寫，又要滿足易于調試的要求。目前，還沒有一種對各廠家產品都能兼容的編程語言。如三菱公司的產品有它自己的編程語言，OMRON公司的產品也有它自己的語言。但不管什么型號的PLC，其編程語言都具有以下特點： （1）圖形式指令結構：程序由圖形方式表達，指令由不同的圖形符號組成，易于理解和記憶。系統(tǒng)的軟件開發(fā)者已把工業(yè)控制中所需的獨立運算功能編制成象征性圖形，用戶根據(jù)自己的需要把這些圖形進行組合，并填入適當?shù)膮?shù)。在邏輯運算部分，幾乎所有的廠家都采用類似于繼電器控制電路的梯形圖，很容易接受。如西門子公司還采用控制系統(tǒng)流程圖來表示，它沿用二進制邏輯元件圖形符號來表達控制關系，很直觀易懂。較復雜的算術運算、定時計數(shù)等，一般也參照梯形圖或邏輯元件圖給予表示，雖然象征性不如邏輯運算部分，也受用戶歡迎； （2）明確的變量常數(shù)：圖形符相當于操作碼，規(guī)定了運算功能，操作數(shù)由用戶填人，如：K400，T120等。PLC中的變量和常數(shù)以及其取值范圍有明確規(guī)定，由產品型號決定，可查閱產品目錄手冊； （3）簡化的程序結構：PLC的程序結構通常很簡單，典型的為塊式結構，不同塊完成不同的功能，使程序的調試者對整個程序的控制功能和控制順序有清晰的概念； （4）簡化應用軟件生成過程：使用匯編語言和高級語言編寫程序，要完成編輯、編譯和連接三個過程，而使用編程語言，只需要編輯一個過程，其余由系統(tǒng)軟件自動完成，整個編輯過程都在人機對話下進行的，不要求用戶有高深的軟件設計能力； （5）強化調試手段：無論是匯編程序，還是高級語言程序調試，都是令編輯人員頭疼的事，而PLC的程序調試提供了完備的條件，使用編程器，利用PLC和編程器上的按鍵、顯示和內部編輯、調試、監(jiān)控等，并在軟件支持下，診斷和調試操作都很簡單。 總之，PLC的編程語言是面向用戶的，對使用者不要求具備高深的知識、不需要長時間的專門訓練。 2.5 FX2N系列 2.5.1 FX2N系列的PLC模型 式中,1部分用兩位數(shù)表示輸入/輸出的總點數(shù),有16、24、32、48、64和80六種；2部分用字符表示輸出類型：R表示繼電器觸點輸出，T表示晶體管輸出，S表示雙向晶閘管輸出。 備有可自由選擇，豐富的品種 可選用16/32/48/64/80/128/點的主機，可以采用最小8點的擴展模塊進行擴展。 可根據(jù)電源及輸出形式，自由選擇。 高速運算 : 1個指令運行時間，只需0.08us 基本指令/1指令 0.08us 應用指令/1指令 1.52us～數(shù)100us 在指令以外，實現(xiàn)高速化 高速計數(shù)器 1相 60KHZ：2點10KHZ：4點或 2相30KHZ：1點 5KHZ：1點 脈沖讀取 可讀取最大50us的短脈沖輸入 適用于多種特殊用途 還可應用在模擬控制、定位控制等特殊用途。 FX2N系列中，1臺基本單元最多可連接8臺擴展模塊或特殊功能模塊 模擬輸入輸出 FX2N－4AD……模擬輸入（4CH） FX2N－4DA……模擬輸出（4CH） FX2N－4AD－PT……PT－100溫度感應器用（4CH） FX2N－AAD－TC……電熱偶溫度感應器用（4CH） FXON－3A……模擬輸入出模塊（2CH入，1CH出） 高速脈沖輸入 FX2N－1HC……高速計數(shù)器（2相50KHZ） 定位 FX2N－1PG……脈沖輸出（1軸100KPPS） RS232C機器通訊 FX2N－232IF……RS232通訊用（1CH） 可共同的外部設備 可以共用FX系列的外部設備 便攜式簡易編程器FX－10P－E、FX－20P－E需使用FX－20P－CAB0作連接線 個人電腦軟件 Windows 3.1/95）用（FX－PCS/WIN）(需使用SC－09作連接線) 2.5.2 FX2N系列主要技術性能 應用指令中有多個可使用的簡單指令 （1）高速處理指令 輸入過濾器常數(shù)可變，中斷輸入處理，直接輸入等。 （2）便利指令 數(shù)字開關的數(shù)據(jù)讀取，16位數(shù)據(jù)的讀取矩陣輸入的讀取，7段顯示器輸出等。 （3）數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)檢索，數(shù)據(jù)排列，三角子函數(shù)運算，平方根，浮點小數(shù)運算等。 （4）特殊用途 脈沖輸出（20KHZ/DC5V,10KHZ/DC12V～24V）脈寬調制，PID控制指令等。 （5）外部設備相互通信 串行數(shù)據(jù)傳送，ACCII code印刷，HEX←→ASCII變換，校驗碼等。 （6）時計控制 內置時鐘的數(shù)據(jù)比較、加法、減法，讀出、寫入等 表2-2 指令種類表 指令種類 指令數(shù)目 基本指令 27種 步進梯形指令 2種 應用指令 128種:298個 2.6 PLC控制系統(tǒng)的設計基本原則 （1）最大限度的滿足被控對象的控制要求。 （2）在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經濟、使用和維護方便。 （3）保證控制系統(tǒng)安全可靠。 （4）考慮到生產的發(fā)展和工藝的改進在選擇PLC容量時應適當留有余量 第3章 數(shù)控加工中心刀具庫PLC自動控制 3.1數(shù)控車床刀具 數(shù)控車床刀具種類繁多，功能互不相同。根據(jù)不同的加工條件正確選擇刀具是編制程序的重要環(huán)節(jié)，因此必須對車到種類及忒點由一個基本了解。 目前數(shù)控機床用刀具的主流是可轉位刀片的機加刀具。 （1）數(shù)控車床可轉位刀具特點 數(shù)控車床所采用的可轉位車刀，與通用車床相比一般無本質的區(qū)別，其基本結構、功能特點是相同的。但數(shù)控車床的加工工序是自動完成的，因此對可轉位車刀的要求又有別于通用車床所使用的刀具，具體要求和特點如表3-1所示。 表3-1可轉位刀具特點 要求 特點 目的 精度高 采用M或更高精度等級刀片；對采用精密級刀桿；用帶微調裝置的刀桿在機外預調好。 保證刀片重復定位精度，方便坐標設定，保證刀尖位置精度。 可靠性 高 采用可靠性高的斷層槽形或有斷屑臺和斷屑器的車刀；采用結構可靠的車刀；采用復合式加緊結構和夾緊可靠的其他結構。 斷屑穩(wěn)定，不能有紊亂和帶狀切屑；適應刀架快速移動和換位以及整個自動切削過程中加進不得有松動要求。 換刀迅 速 采用車削工具系統(tǒng)；采用快換小刀夾。 迅速更換不同形式的切削部件完成多種切削加工，提高生產效率。 刀片材 料 刀片較多采用涂層刀片。 滿足生產節(jié)拍要求，提高加工效率 刀桿截 形 刀桿加多采用正方形刀桿，但因刀架系統(tǒng)結構差異大，有的需采用專用刀桿 刀桿與刀架系統(tǒng)匹配 （2）可轉位刀具的種類 可轉位車刀按其用途可分為外圓車刀、仿形車刀、端面車刀、內圓車刀、切槽車刀、切斷車刀和螺紋車刀等。 表3-2可轉位刀具的種類 類型 主偏角（度） 試用機床 外圓車刀 90、60、 50、75、45 普通車床和數(shù)控車床 仿形車刀 93、107.5 仿形車床和數(shù)控車床 端面車刀 90、45、75 普通車床和數(shù)控車床 內圓車刀 45、60、75、0、91、93、95、107.5 普通車床和數(shù)控車床 切槽車刀 普通車床和數(shù)控車床 切斷車刀 普通車床和數(shù)控車床 螺紋車刀 普通車床和數(shù)控車床 （3）可轉位車刀結構形式 杠桿式、楔塊式、楔塊夾緊式 3.2傳感器在數(shù)控機床上的應用 傳感器是數(shù)控機床的關鍵部件之一，正是各種各樣新傳感器的產生，才使數(shù)控機床加工有可能 3.2.1 傳感器簡介 傳感器是一種能夠感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或 裝置，其輸入信號（被測量）往往是非電量，輸出信號常常為易于處理的電量，如電壓等。 傳感器種類很多，分類標準不一樣，叫法也不一樣，常見的有電阻傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、溫度傳感器、壓電式傳感器、霍爾傳感器、熱電偶傳感器、光電傳感器、數(shù)字式位置傳感器等。在數(shù)控機床氏應用的傳感器主要有光電編碼器、直線光柵、接近開關、溫度傳感器、霍爾傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、旋轉變壓器、感應同步器、速度傳感器等主要用來檢測位置、直線位移和角位移、速度、壓力、溫度等。 3.2.2 數(shù)控機床對傳感器的要求 （1）牢靠性高和抗干擾性強； （2）滿足精度和速度的要求； （3）使用維護方便，適合機床運行環(huán)境； （4）成本低。 3.23霍爾傳感器 霍爾傳感器是利用霍爾現(xiàn)象制成的傳感器。將鍺等半導體置于磁場中，在一個方向通以電流時，則在垂直的方向上會出現(xiàn)電位差，這就是霍爾現(xiàn)象。將小磁體固定在運動部件上，當部件靠近霍爾元件時，便產生霍爾現(xiàn)象，從而判斷物體是否到位。 3.3程序控制要求 此設計應用的FX2N—32型PLC作為主機。 此數(shù)控加工中心刀具庫由六種刀具組成， 按鈕SB1~SB6分別為6種刀具選擇按鈕； ST0~ST7分別為刀具的行程開關，由霍爾元件組成。 (1)初始狀態(tài)時，PLC記錄當前刀號 (2)當按下SB1~SB6中任何一個時，PLC記錄該刀號，然后刀盤按照離請求刀號最近的方向移動，轉盤轉動到達刀具位置時，到位指示燈發(fā)亮，機械手開始換刀，切換刀指示燈閃爍。5秒后換刀結束。 (3)換刀過程中，其他換刀信號均無效。換刀完畢，記錄當前刀號，等待下一次換刀。 3.4流程圖 檢測機械手位置D0 檢測系統(tǒng)調取刀號D1 D0和D1比較 D0 > D1 D0-D1=D3 D3和K3比較 D3=K3 M11動作 刀盤順轉 D0=D1 M11動作 D3>K3 Y0到位指示燈亮 M10動作 刀盤逆轉 換刀成功指示燈Y4閃 D0
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- 數(shù)控加工中心 刀具 PLC 自動控制系統(tǒng) 設計
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