电线加工自动系统设计

电线加工自动系统设计说明书目录摘要3Abstract4第一章绪论5 1.1课题的来源与研究的目的与意义.7 1.2电线加工自动系统设计的方案分析.8 1.2.1 结构分析.10 1.2.2 机械结构总体方案与布局.12 1.2.3 电线加工自动系统工作原理.14第二章、电线加工自动系统总体结构的设计.172.1电线加工自动系统的方案分析和工作原理.19 2.2 机械结构总体方案与布局.21第三章机械结构的设计.24 3.1 伺服电机的选型计算.25 3.2 滚珠丝杆的设计计算.25 3.3 联轴器的设计计算.26 3.4 机架的设计.26第四章电线加工自动系统设计PLC控制系统的设计.26 4.1PLC简介.27 4.2 PLC的定义.28 4.3 PLC的基础知识.29 4.4 PLC的组成.30 4.4.1中央处理单元.31 4.4.2存储器.31 4.4.3输入输出单元.33 4.4.4通讯接口.34 4.4.5智能接口模块.34 4.4.6编程装置.35 4.4.7电源.35 4.5 PLC的用途.35 4.6可编程控制器的发展史.36 4.7 PLC的发展趋势.36 4.8 PLC的选型及硬件配备.37 4.9输入输出方式的选择与地址分配和PLC控制相关原理图的设计.37结论.38致谢39参考文献.40 摘 要 电源，照明灯是人们日常生活起居的重要工具，没有照明，人们就过着漆黑的生活，给日常起居带来极大的不便。特别是对于需要用到电能的工业设备上面，如果没有电源，就不能工作，电能是人类不可或缺的重要能源之一。而电线是承载电能的载体，所以电线的作用至关重要，而电线的加工设备和工艺的问题，就是我们迫切需要解决和完善的重大问题之一。 传统的电线加工大多是采用手工加工完成，加工效率低，劳动强度大，加工产品质量不稳定，为了提高生产效率，减少企业成本，提高产品质量，利用PLC的控制功能来实现电线的自动加工过程，控制速度快，定位精度高，而且体积小，结构紧凑，通信稳定可靠。它解决了现有的电线加工中的设备的不足，以及效率的低下等等一系列问题。关键词：电能；载体；电线加工；PLC。 absraotePneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design PLC pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work.Key word: pneumatic manipulator；cylinder；pneumatic loop；PLC第一章 绪论机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。机械工程的服务领域广阔而多面，凡是使用机械、工具，以至能源和材料生产的部门，都需要机械工程的服务。概括说来，现代机械工程有五大服务领域：研制和提供能量转换机械、研制和提供用以生产各种产品的机械、研制和提供从事各种服务的机械、研制和提供家庭和个人生活中应用的机械、研制和提供各种机械武器。 不论服务于哪一领域，机械工程的工作内容基本相同，主要有：建立和发展机械工程的工程理论基础。例如，研究力和运动的工程力学和流体力学；研究金属和非金属材料的性能，及其应用的工程材料学；研究热能的产生、传导和转换的热力学；研究各类有独立功能的机械元件的工作原理、结构、设计和计算的机械原理和机械零件学；研究金属和非金属的成形和切削加工的金属工艺学和非金属工艺学等等。 研究、设计和发展新的机械产品，不断改进现有机械产品和生产新一代机械产品，以适应当前和将来的需要。机械产品的生产，包括：生产设施的规划和实现；生产计划的制订和生产调度；编制和贯彻制造工艺；设计和制造工具、模具；确定劳动定额和材料定额；组织加工、装配、试车和包装发运；对产品质量进行有效的控制。机械制造企业的经营和管理。机械一般是由许多各有独特的成形、加工过程的精密零件组装而成的复杂的制品。生产批量有单件和小批，也有中批、大批，直至大量生产。销售对象遍及全部产业和个人、家庭。而且销售量在社会经济状况的影响下，可能出现很大的波动。因此，机械制造企业的管理和经营特别复杂，企业的生产管理、规划和经营等的研究也多是肇始于机械工业。 机械产品的应用。这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。机械产品的应用。这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。研究机械产品在制造过程中，尤其是在使用中所产生的环境污染，和自然资源过度耗费方面的问题，及其处理措施。这是现代机械工程的一项特别重要的任务，而且其重要性与日俱增。机械的种类繁多，可以按几个不同方面分为各种类别，如：按功能可分为动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等；按服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械等；按工作原理可分为热力机械、流体机械、仿生机械等。另外，机械在其研究、开发、设计、制造、运用等过程中都要经过几个工作性质不同的阶段。按这些不同阶段，机械工程又可划分为互相衔接、互相配合的几个分支系统，如机械科研、机械设计、机械制造、机械运用和维修等。 这些按不同方面分成的多种分支学科系统互相交叉，互相重叠，从而使机械工程可能分化成上百个分支学科。例如，按功能分的动力机械，它与按工作原理分的热力机械、流体机械、透平机械、往复机械、蒸汽动力机械、核动力装置、内燃机、燃气轮机，以及与按行业分的中心电站设备、工业动力装置、铁路机车、船舶轮机工程、汽车工程等都有复杂的交叉和重叠关系。船用汽轮机是动力机械，也是热力机械、流体机械和透平机械，它属于船舶动力装置、蒸汽动力装置，可能也属于核动力装置等等。19世纪时，机械工程的知识总量还很有限，在欧洲的大学院校中它一般还与土木工程综合为一个学科，被称为民用工程，19世纪下半叶才逐渐成为一个独立学科。进入20世纪，随着机械工程技术的发展和知识总量的增长，机械工程开始分解，陆续出现了专业化的分支学科。这种分解的趋势在20世纪中期，即在第二次世界大战结束的前后期间达到了最高峰。由于机械工程的知识总量已扩大到远非个人所能全部掌握，一定的专业化是必不可少的。但是过度的专业化造成知识过分分割，视野狭窄，不能统观和统筹稍大规模的工程的全貌和全局，并且缩小技术交流的范围，阻碍新技术的出现和技术整体的进步，对外界条件变化的适应能力很差。封闭性专业的专家们掌握的知识过狭，考虑问题过专，在协同工作时配合协调困难，也不利于继续自学提高。因此自20世纪中、后期开始，又出现了综合的趋势。人们更多地注意了基础理论，拓宽专业领域，合并分化过细的专业。械工程以增加生产、提高劳动生产率、提高生产的经济性为目标来研制和发展新的机械产品。在未来的时代，新产品的研制将以降低资源消耗，发展洁净的再生能源，治理、减轻以至消除环境污染作为超经济的目标任务。机械可以完成人用双手和双目，以及双足、双耳直接完成和不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。现代机械工程创造出越来越精巧和越来越复杂的机械和机械装置，使过去的许多幻想成为现实。人类现在已能上游天空和宇宙，下潜大洋深层，远窥百亿光年，近察细胞和分子。新兴的电子计算机硬、软件科学使人类开始有了加强，并部分代替人脑的科技手段，这就是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的影响，而在未来年代它还将不断地创造出人们无法想象的奇迹。人类智慧的增长并不减少双手的作用，相反地却要求手作更多、更精巧、更复杂的工作，从而更促进手的功能。手的实践反过来又促进人脑的智慧。在人类的整个进化过程中，以及在每个人的成长过程中，脑与手是互相促进和平行进化的。人工智能与机械工程之间的关系近似于脑与手之间的关系，其区别仅在于人工智能的硬件还需要利用机械制造出来。过去，各种机械离不开人的操作和控制，其反应速度和操作精度受到进化很慢的人脑和神经系统的限制，人工智能将会消除了这个限制。计算机科学与机械工程之间的互相促进，平行前进，将使机械工程在更高的层次上开始新的一轮大发展。19世纪时，机械工程的知识总量还很有限，在欧洲的大学院校中它一般还与土木工程综合为一个学科，被称为民用工程，19世纪下半叶才逐渐成为一个独立学科。进入20世纪，随着机械工程技术的发展和知识总量的增长，机械工程开始分解，陆续出现了专业化的分支学科。这种分解的趋势在20世纪中期，即在第二次世界大战结束的前后期间达到了最高峰。由于机械工程的知识总量已扩大到远非个人所能全部掌握，一定的专业化是必不可少的。但是过度的专业化造成知识过分分割，视野狭窄，不能统观和统筹稍大规模的工程的全貌和全局，并且缩小技术交流的范围，阻碍新技术的出现和技术整体的进步，对外界条件变化的适应能力很差。封闭性专业的专家们掌握的知识过狭，考虑问题过专，在协同工作时配合协调困难，也不利于继续自学提高。因此自20世纪中、后期开始，又出现了综合的趋势。人们更多地注意了基础理论，拓宽专业领域，合并分化过细的专业。 电线加工自动系统是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。电线加工自动系统的是电线加工设备总成的一个重要分支。尤其体现了人的智能和适应性。电线加工自动系统设计作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。1.1课题的来源与研究的目的和意义 电线加工自动系统起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。电线加工自动系统设计首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台电线加工自动系统。日本是工业电线加工自动系统发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型电线加工自动系统后，大力研究电线加工自动系统的研究。据报道，1976年从事电线加工自动系统的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1979年120多个大学和国家研究部门用在电线加工自动系统的研究费用42%。1979年日本电线加工自动系统的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的电线加工自动系统产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能电线加工自动系统约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，电线加工自动系统累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%60%的速度增长。第三代电线加工自动系统则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。随着电线加工自动系统的研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。第二章、电线加工自动系统总体结构的设计2.1 电线加工自动系统设计的方案分析和工作原理 考虑到电线的柔软性和难以定位性，我们决定采用伺服电机驱动滚珠丝杆，通过与滚珠螺母固结的气动夹爪来拉直电线，这样其他的动作才可以继续进行。利用PLC的控制功能来实现电线的自动加工过程，控制速度快，定位精度高，当系统感应到电线的时候，光电传感器反馈信号给PLC，PLC控制系统就孔子伺服电机动作，伺服电机通过驱动气动夹爪夹住电线的一头，然后伺服电机转动，驱动气动夹爪和滚珠螺母所在的滑块一下后退，这样就把电线拉直了，然后就进行后续的切断外膜，剥离外膜，切断铜线等等动作，如此循环，直到电线的加工完成。2.2 机械结构总体方案与布局 电线加工自动系统利用PLC的控制功能来实现电线的自动加工过程，当系统感应到电线的时候，光电传感器反馈信号给PLC，PLC控制系统就孔子伺服电机动作，伺服电机通过驱动气动夹爪夹住电线的一头，然后伺服电机转动，驱动气动夹爪和滚珠螺母所在的滑块一下后退，这样就把电线拉直了，然后就进行后续的切断外膜，剥离外膜，切断铜线等等动作，如此循环，直到电线的加工完成。其具体方案布局图如下： 电线加工自动系统总体方案与布局图第三章机械结构的设计3.1 伺服电机的设计计算已知整个系统结构中电线与零件的重量，以及各个摩擦阻力，在这里，由于是滚动摩擦，摩擦阻力忽略不计，我们取总重量为10Kg，滑块移动范围为50mm300mm，移动速度为12r/min。即： 具体的伺服电机设计计算如下:1、确定运行时间本次设计加速时间 负载速度（m/min）有速度可知每秒上升50mm，电机转速 3.负载惯量左右水平运动伺服电机惯量总惯量4.电机转矩启动转矩必须转矩S为安全系数，这里取1.0。 根据以上得出数据，我们选用直流无刷电机型号为92BL-A，此无刷直流伺服电机厂家为南京森宇机电的产品。根据电机的特性曲线以及参数表如下： 根据计算和特性曲线以及电机基本参数表，我们选用直流无刷电机型号为92BL-4030H1-LK-B，电机额定功率为0.4KW，额定转矩为50N.m，最大转矩为69N.m，额定转速为 3000r/min。电机大致图如下：外形尺寸146x86x86，电机输出轴径为20mm。3.2 滚珠丝杆的设计计算1）确定滚珠丝杠副的导程因同步皮带轮直径相等，皮带轮与丝杠直联，i=1由表1查得V=8m/minn=1000r/min代入得，P1.516mm由于计算出的P值应取较大值圆整，因此P=1.5mm2）确定当量转速与当量载荷（1）各种切削方式下，丝杠转速 由表1查得V=0.6 V=0.8 V=1 V=8 代入得n=100 n=133 n=167 n=1333（2）各种切削方式下，丝杠轴向载荷由表1查得 已知W=3000N W=5000N代入得（3）当量转速由表1查得代入得n267r/min（3）当量载荷代入得F=1380N3）预期额定动载荷（1） 按预期工作时间估算按表9查得：轻微冲击取 fw=1.3按表7查得：13取 按表8查得：可靠性97%取fc=0.44已知：Lh=20000小时代入得C=27899N（2）拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载Fmax计算：按表10查得：中预载取 Fe=4.5代入得取以上两种结果的最大值C=27899N4）确定允许的最小螺纹底径（1） 估算丝杠允许的最大轴向变形量 （1/31/4）重复定位精度 （1/41/5）定位精度 : 最大轴向变形量 m已知：重复定位精度10m, 定位精度25m =3 =6取两种结果的小值 =3m(2）估算最小螺纹底径 丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式 (1.11.2)行程+（1014）已知：行程为1000mm, W=3000N ,=0.2代入得F=600ND=20.04mm5） 确定滚珠丝杠副的规格代号（1）选内循环浮动式法兰，直筒双螺母型垫片预形式（2）由计算出的在样本中取相应规格的滚珠丝杠副P=8mmC=30700C=278996） 确定滚珠丝杠副预紧力 其中7）行程补偿值与与拉伸力（1） 行程补偿值 式中：=（24）(2) 预拉伸力代入得8）滚珠丝杠副工作图设计(1) 丝杠螺纹长度Ls：Ls=Lu+2Le 由表二查得余程Le=40绘制工作图（2）两固定支承距离L1按样本查出螺母安装联接尺寸丝杠全长L（3）行程起点离固定支承距离L0由工作图得Ls=890L1=1000L=1000L0=30得KC=920 N/m9） 刚度验算及精度选择（1）=N/m=N/mF0=已知W1=5000 N ， =0.2F0=1000 NF0 ： 静摩擦力 N：静摩擦系数W1 ：正压力N3.3 联轴器的设计计算 根据公式 mm 输入轴的最小直径为安装联轴器的直径，为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器型号。联轴器的计算转矩，查机械设计（第八版）表14-1，由于转矩变化很小，故取，则=1.3X49.24=64012N.Mm查机械设计课程设计表14-4，选Lx3型弹性柱销联轴器其工称转矩为1250N.m，而电动机轴的直径为20mm所以联轴器的孔径不能太小。取=20mm，半联轴器长度L=60mm，半联轴器与轴配合的毂孔长度为40mm。轴向滚动丝杠副丝杠轴，选HL1型弹性柱销联轴器，其公称转矩为1250000，半联轴器的孔径20mm，半联轴器长度42mm。3.4 机架的设计 机架的设计主要要保证刚度、强度、及稳定性。其中，刚度是评定大多数机架工作能力的主要准则；强度是定重载机架工作性能的基本准则，机架的强度应根据机器在运转过程中可能发生最大载荷或安全装置所能传递的最大载荷来校核其静强度，有时还要校核其疲劳强度。机架的强度和刚度都 需要从静态和动态两方面来考虑。动刚度是衡量机架抗振能力的指标，而提高机架的抗振性能应从提高机架的构件的静刚度方面入手，合理设计机架构件的截面形状和尺寸。稳定性是保证机架正常工作的基本条件，必须要注意。 1）机架设计的一般要求 在满足强度和刚度的前提下，机架的重量应要求轻、成本底；抗振性好；由于内应力及温度变化引起的结构变形应力最小；结构力求便于安装与调整，方便理和更换零部件； 初步确定机架的形状和尺寸，机架的结构形状和尺寸，取决于安装在它们内部与外部的零部件的形状和尺寸，配置情况、安装与拆卸等要求。同时也取决于工艺、所承受的载荷、运动等情况。机架材料的选用主要根据机架的使用要求，多数机架形状较复杂，故一般采用铸造，由于铸铁的铸造性能好，价廉和吸振能力强，所以应用最广。由于本设计是用于淀粉的加工设备中，属于重型机架，而圆锥筛的设备可以从淀粉的加工工艺流程图可以看到，此设备一般会布置到二搂，而不会在底层，这就要求机架的重量轻，所以采用焊接机架，而且焊接机架具有制造周期短、重量轻、成本底且强度和刚度高、施工简便等优点，主要由钢板、型钢或铸钢件等焊接而成。左端架起筛筒那部分采用板焊结构，主要就是钢板拼焊而成，右端机架采用型钢结构，主要由槽钢，矩形方管，和钢板焊接而成，重量轻，成本底，材料利用充分。焊接时应注意以下几点： 材料的可焊性 可焊性差的材料会造成焊接困难，焊缝的可靠性降低 所以本设计考虑到材料的可焊性选用25钢；合理布置焊缝 焊缝应位于低应力区，以获得承载能力大，变形小的构件，焊缝布置要尽可能对称和减少焊缝的数量、尺寸，且焊线要短，主要焊线要连续；提高抗振能力 普通钢材的吸振能力低于铸铁，对抗振能力要求高的焊接件应采取抗振措施，可利用钢板间的摩擦力来吸收固定；合理选择截面形状 提高焊接接头抗疲劳能力和抗脆断能力。尽可能选用标准型材、板材，合理确定焊缝尺寸。 2）支撑机构在机器中支撑或容纳零部件的零件称之为机架，所以机架是底座、机体、床身、桥架、壳体、箱体以及基础平台等零件的统称。按机架分类所用材料分类，圆锥筛采用的是金属焊接机架。主要是焊接机架结构设计灵活、壁厚可以相差很大，并且可根据工况需要不同部位选用不同性能的材料，但其抗振性能比较差。强度、刚度、稳定性是机架设计的主要准则，也是评价机架工作能力的主要标准，合理的设计机架的截面形状和尺寸、注意机架的整体布局。设计机架通过了以下几个设计步骤：（1）初定机架的形状和尺寸 机架的结构形状和尺寸取决于安装在它内部的零件和部件的 形状和尺寸，配置情况、安装与拆卸等要求。同时也取决与所受载荷、运动等情况，然后，综合上述情况和有关资料，并参考现有同类型机架，初定拟定出机架的结构形状和尺寸。由于在小麦谷朊粉的加工过程中，由其加工工艺流程图可知，离心筛的装置都在上层，所以不可能采用又重又笨的铸铁机架，所以采用由钢板、型钢、铸钢焊接而成的机架。机架的大致尺寸为长1580、宽390，高800mm,要考虑具体形状和电机、立柱的安装还有电机的固定位置。（2）机架的造型设计，虽然材料一定，但机架也要求内外质量的统一，考虑到矩形方管的等边性把矩形方管用于底座和支撑轴承座，外观上做成梯形架子，两边矩形方管分别向两边斜去，这样既增加了机架的稳定性、又使整个机架看上去简单轻便。同样矩形方管上面是四块矩形方管焊接的一个长方形用来支撑板，板在矩形方管上焊接，下空，因而有利于在板上打通孔和轴承的调节，轴承调节是通过连接部分的螺栓孔做成长圆状的来实现。而下面是由两个空心钢来支撑电机下的板，空心钢强度和刚度都很高，所以不会出现强度或刚度不足现象。（3）作为焊接机架应合理布置焊缝和提高焊缝的可靠性，而且焊缝应位于低应力区，以获得承载能力大，变形小的构件；焊缝布置应尽量对称，最好至中性轴的距离 相等；尽量减少焊缝的数量和尺寸，且焊线要短；焊缝要不要布置在加工面和需要进行表面处理的部位上；更要注意不要让焊缝汇交和密集，让次要焊缝中断，主要焊缝联系。减少应力集中，如尽量采用对接接头；减少残余应力，焊后热处理等。（4）尽可能采用标准型材，板材，减少加工量。机架主要由空心钢、矩形方管、钢板等型钢焊接拼而成，它们性能的好坏直接决定着机架整体性联结结构的刚度直接影响机器的工作性能。为保证机架刚度应注意改善联结部位的受力状况、合理提高接触表面的平面度公差等级及改善其表面粗糙度、螺栓最好前后、左右对称布置。 整个机架设计完以后，既要注意满足强度、刚度、稳定性的要求，又要注意外形的美观和人机工程性，方便操作。造型好，使其既适用经济，又美观大方。第四章电线加工自动系统设计PLC控制系统的设计4.1 PLC简介PLC即可编程控制器（ProgrammableLogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义;PLC英文全称ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC是可编程逻辑控制电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。4.2 PLC的定义 PLC的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。在传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。PLC最基本最广泛的用于开关量的逻辑控制，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制，顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机，印刷机，订书机，组合机床，磨床，包装等。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁，石油，化工，电力，建材，机械制造，汽车，轻纺，交通运输，环保及文化娱乐等各个行业，使用广泛。4.3 PLC的组成 PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。 对于整体式PLC，所有部件都装在同一机壳内，其组成框图如图1所示；对于模块式PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其组成框图如图所示。无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。尽管整体式与模块式PLC的结构不太一样，但各部分的功能作用是相同的，下面对PLC主要组成各部分进行简单介绍。4.4.1中央处理单元（CPU）同一般的微机一样，CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU 随机型不同而不同，常用有三类：通用微处理器（如Z80、8086、80286等）、单片微处理器（如8031、8096等）和位片式微处理器(如AMD29W等) 。小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；大型PLC大多采用高速位片式微处理器。目前，小型PLC为单CPU系统，而中、大型PLC则大多为双CPU系统，甚至有些PLC中多达8 个CPU。对于双CPU系统，一般一个为字处理器，一般采用8位或16位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。位处理器的采用,提高了PLC的速度，使PLC更好地满足实时控制要求。 在PLC中CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面：1） 接收从编程器输入的用户程序和数据。2） 诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。3） 通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映象寄有器或数据寄存器中。4） 从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。5） 根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。4.4.2存储器存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM 、EPROM 和EEPROM。在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。系统程序是由PLC 的制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。系统程序关系到PLC的性能，而且在PLC使用过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在只读存储器EPROM中。现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。存放在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储器中，设有存放输入输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。根据需要，部分数据在掉电时用后备电池维持其现有的状态，这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。由于系统程序及工作数据与用户无直接联系，所以在PLC 产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器。当PLC提供的用户存储器容量不够用，许多PLC还提供有存储器扩展功能。4.4.3输入/输出单元输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。 PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选用。I/O接口的主要类型有：数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输出等。常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有三种类型：直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口，其基本原理电路如图3所示。4.4.4通信接口PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机、其它PLC、计算机等设备实现通信。PLC与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控制过程图像显示出来；与其它PLC连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制。 与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。远程I/O系统也必须配备相应的通信接口模块。 4.4.5智能接口模块智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口。它作为PLC系统的一个模块，通过总线与PLC相连，进行数据交换，并在PLC的协调管理下独立地进行工作。PLC的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。 4.4.6编程装置编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。编程装置可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程器是由PLC厂家生产，专供该厂家生产的某些PLC产品使用，它主要由键盘、显示器和外存储器接插口等部件组成。专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。简易型编程器只能联机编程，而且不能直接输入和编辑梯形图程序，需将梯形图程序转化为指令表程序才能输入。简易编程器体积小、价格便宜，它可以直接插在PLC的编程插座上，或者用专用电缆与PLC相连，以方便编程和调试。有些简易编程器带有存储盒，可用来储存用户程序，如三菱的FX-20P-E简易编程器。智能编程器又称图形编程器，本质上它是一台专用便携式计算机，如三菱的GP-80FX-E智能型编程器。它既可联机编程，又可脱机编程。可直接输入和编辑梯形图程序，使用更加直观、方便，但价格较高，操作也比较复杂。大多数智能编程器带有磁盘驱动器，提供录音机接口和打印机接口。专用编程器只能对指定厂家的几种PLC进行编程，使用范围有限，价格较高。同时，由于PLC产品不断更新换代，所以专用编程器的生命周期也十分有限。因此，现在的趋势是使用以个人计算机为基础的编程装置，用户只要购买PLC厂家提供的编程软件和相应的硬件接口装置。这样，用户只用较少的投资即可得到高性能的PLC程序开发系统。基于个人计算机的程序开发系统功能强大。它既可以编制、修改PLC的梯形图程序，又可以监视系统运行、打印文件、系统仿真等。配上相应的软件还可实现数据采集和分析等许多功能。4.4.7电源 PLC配有开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值15% 的范围内波动。许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电。4.5 PLC的用途 目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：1、开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑。2、模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3、运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动伺服电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4、过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。5、数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信号与设定的压力信号经过PID运算后，通过控制变频器的输出频率来调整电动机的转速，保持供水压力的恒定，这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统;自动检测水池水位信号与设定的水位低限比较，输出水位低报警信号或直接停机。触摸屏显示器可以显示电源电压、电流、变频器输出频率、实际供水压力和设定供水压力和泵的工作状态等信息;可以通过触摸屏在线修改设定供水压力和控制水泵的运行。该系统还设有多种保护功能，尤其是强电逻辑硬件互锁功能，从而保证正常供水，且可以做到无人值守。5.6可编程控制器的发展史 美国数字设备公司（DEC）于1969年研制成功了第一台可编程控制器PDP-14，并在汽车自动装配线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。从此这一技术在工业领域迅速发展起来。从第一台PLC诞生，经过几十年的发展，PLC现已发展到第三代。各代的特点与应用范围如下表所示。4.7 PLC的发展趋势 随着应用领域的日益扩大，PLC技术及其产品仍在继续发展，主要朝着以下的方面发展。 1） 微型化、网络化、开放性；2）智能模块化；3）编程语言的标准化和高级化；4） 网络通信功能标准化。 5.7PLC的选型及硬件配备 根据上述控制特点，采用小型PLC即可满足功能要求。由于西门子S7-200系列属于小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样。特别是S7-2000PU22*系列PLC，由于它具有多种功能模块和人机界面可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。可用梯形图、语句表和功能图三种语言来编程。且指令功能强，易于掌握、操作方便。近年来，S7-200PLC已在工业各领域得到了广泛的应用。S7-200CPU22*系列PLC共有五种CPU模块其各自的技术指标见表3.2。，由于存在模拟量输入输出，需要增加模拟量输入输出模块，在西门子S7-200系列PLC中有专门的模拟量I/O扩展模块。 根据输入输出量的数量和特点，本系统采用CPU226作为其主机，EM235作为模拟量输入输出扩展模块。EM235的输入输出技术规范如表所示。4.8输入输出方式的选择与地址分配4.8.1输入输出方式的选择 S7-200系列PLC输入端可直接接按钮和行程开关，输出方式有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种，继电器输出的价格便宜，既可以驱动交流负载，又可用于直流负载，而且适用的电压范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强。因此本设计中选用继电器输出方式，由继电器驱动后续交流接触器和电磁阀线圈。由于输出点较多，输出电流较大，因此开关量输出回路采用外接电源，减小PLC负荷。模拟量输入电流较小，可直接输入，模拟量输出电流很小，不足以驱动比例阀，可接比例阀驱动电路放大器。4.8.2输入输出的地址分配输入输出的地址分配如下图所示：4.9输入输出方式的选择与地址分配和PLC控制相关原理图的设计本电线加工自动系统采用一个伺服电机和两个薄型气缸以及一个气动夹爪驱动，使用了1个电机、2气缸、1个气动夹爪，因而所需控制和检测的信号点如表1所示。输入点22个（DI：16，AI：6），输出点13个（DO：9，AO：4），采用欧姆龙CPM系列可编程控制器，主模块（CPU）选用40点模块CPM2AH-40CDR-A（DI：24，DO：16） 可扩展的PLC主机模块，选用2个模拟量的输入模块CPM1A-AD041，每个模块4点输入，总计8点。 根据电线加工自动控制系统