基于plc的加工中心控制系统的设计与应用

基于plc的加工中心控制系统的设计与应用内容摘要：

元中的一个字（16 个 bit)。 因此，整个 I/O 映象区可看作由开关量的 I/O 映象区和模拟量的 I/O 映象区两部分组成。 （2）系统软设备存储区除了 I/O 映象区以外，系统 RAM 存储区还包括 PLC 内部各类软设备（逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）的存储区。 该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在 PLC 断电时，由内部的锂电子供电。 使这部分存储单元内的数据得以保留；后者当 PLC 停止运行时，将这部分存储单元内的数据全部置“零”。 :与开关量输出（或称作输出线圈）一样，每个逻辑线圈占用系统 RAM 存储区中的一个位 （bit）,所不同的是逻辑线圈不能直接驱动外设，它只供用户在编制用户程序中使用。 逻辑线圈的作用类似于电气控制线路中的继电器，而输出线圈的作用类似于电气控制线路中的接触器。 由于逻辑线圈占用的系统 RAM 存储区的存储单元分为具有失电保持和无失电保持两种。 因此，PLC 的逻辑线圈分为具有失电保持逻辑线圈和无失电保持逻辑线圈这两种。 另外，不同的 PLC 还提供数量不等的特殊逻辑线圈，这些特殊逻辑线圈各自还具有不同的功能，一般分为以下两种：一种是当 PLC 投入运行后，这种特殊逻辑线圈通或断的状态直接由系统程序决定。 用户在编制用户程序时不得使用这些逻辑线圈，而只能使用其触点；另一种特殊逻辑线圈通或断的状态需由扫描该线圈的控制线路来确定。 当该特殊逻辑线圈被接通时，表示某一特定功能成立。 当该特殊逻辑线圈被断开时，表示某一特定功能不起作用。 :与模拟量 I/O 一样，每个数据寄存器占用系统 I/O 存储区域中的一个存储单元（16bits）。 数据寄存器也分为具有失电保持的数据寄存器和无失电保持数据寄存器。 另外与逻辑线圈相同的是，PLC 也提供特殊的数据寄存器。 这些特殊数据寄存器内的数据都具有特定的含义，在访问方式上可分为可读、可写和可读/写三种类型。 :PLC 内部的计时器逻辑线圈一般由软件构成，他们占用系统 RAM 存储区域的一部分。 计时器逻辑线圈也分为两种：普通计时器逻辑线圈和具有失电保持的计时器逻辑线圈。 后者的当前计时值在 PLC 断电时，其数据（当前计时值）被保留。 这样，当 PLC 再次上电运行时，它将在原先计时值的基础上继续计时。 d. 计数器逻辑线圈 :PLC 内部的计数器逻辑线圈一般也由软件构成，他们占用系统 RAM 存储区域的情况基本与计时器逻辑线圈一样。 只是计数器逻辑线圈的计数位与计时器逻辑线圈的计时位不同，它需要两个位（bit）。 另外，有的 PLC 系统的 RAM 存储区还为变址寄存器、累加器等提供存储单元。 （3）用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的用户程序。 不同类型的 PLC 其存储容量各不相同，一般来说，随着 PLC 机型增大其存储容量也相应增大。 不过对于新型的 PLC，其存储容量可根据用户的需要而改变。 电源PLC 电源的在整个系统中起着十分重要的作用。 无论是小型的 PLC，还是中、大型的 PLC 其电源的性能都是一样的，均能对 PLC 内部的所有器件提供一个稳定可靠的直流电源。 一般交流电压波动在正负 10%（15%）之间，因此可以直接将 PLC 接入到交流电网上去。 的工作原理PLC 采用了一种不同于一般微型计算机的的运行方式——扫描技术，既输入采样，用户程序执行和输出刷新三个阶段。 完成上述三个阶段称作为一个扫描周期。 不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等，如图 所示。 第(N1)个扫描周期输出刷新第(N+1)个扫描周期输入采样第 N 个扫描周期输入采样 输出刷新用户程序执行图 PLC 的扫描运行方式在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次地读入所有的数据和状态，并将它们存入 I/O 映象区的相应单元内。 输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。 在这两个阶段中，即使输入数据和状态发生变化，I/O 映象区的相应单元的数据和状态也不会改变。 所以输入如果是脉冲信号，它的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 在用户程序执行阶段，PLC 的 CPU 总是由上而下，从左到右的顺序依次的扫描梯形图。 并对控制线路进行逻辑运算，并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态。 或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 例如：算术运算、数据处理、数据传达等。 在输出刷新阶段，CPU 按照 I/O 映象区内对应的数据和状态刷新所有的数据锁存电路，再经输出电路驱动响应的外设。 这时才是 PLC 真正的输出。 ：江南重工轴系加工现场控制系统的设计概述江南重工有限公司由于产业结构的变化和业务的发展，决定在原有的机械制造分厂的基础上成立一个轴系加工中心。 但由于原有机床设备的老化，已经远远达不到现代加工中心的各种要求。 因此决定在原有设备不报废的基础上进行机械和电气的改造，而本文讨论的是设备的电气改造部分，其中主要的是电气控制系统和网络管理系统。 新的加工中心对设备提出了较高的要求，要求电气系统运行稳定，加工精确度高，维护方便寿命长，并能联网进行管理，此外还要求留有软硬件升级的空间。 所以我们决定采用三菱 QnAS/AnS 系列的 PLC 来替代原有陈旧的继电器电路的逻辑控制系统。 它不仅具备一般 PLC 的优点，除此之外还具有网络通信能力和自我诊断能力。 本文将在下一章展开具体讨论。 此外由于整个轴系加工中心正在逐步建设和改善的过程中，许多设计还未付诸实施。 本文仅通过某台设备电气控制系统的具体改造来作为重点叙述对象。 对于整个中心的网络通信和网络化管理本文将在第四、第五章作初步的叙述和探讨。 ：本文内容简介本文将详细论述基于 PLC 的江南重工加工中心控制系统的设计与实现。 第一章，概述。 简单介绍了 PLC 技术的历史和特点以及 PLC 的基本知识。 并提出了 PLC 的应用背景，介绍了整体改造的思路和系统大致情况。 第二章介绍 A 系列 PLC 的一些基本语言和指令。 其它具体的主要是 PLC 的体系结构和工作原理，以及 A 系列 PLC 的各种模块介绍和以太网通信等。 第三章，加工现场控制系统的 PLC 程序设计，这是本文的重点。 主要论述了设备控制系统的概述和设计要求和 PLC 控制程序设计，并概述了一些控制系统的 PLC 程序指令。 第四章和第五章也是本文仅次于第三章之外的重点，对新系统的网络通信和管理程序技术做了较为深入的探讨。 第六章：总结和展望。 介绍了新系统在设计、调试、应用的情况。 并针对于控制系统设计所遇到的问题做了一些改进措施等。 以及本文今后的一些展望。 第二章：A 系列 PLC 的特点及其通信：A 系列 PLCA 系列 PLC 如：QnAS/AnAS CPU 是当今世界上最先进的微型模块式可编程控制器之一。 它采用了三菱的专用顺控芯片，将部分软件硬件化。 使该机的各项性能指标相比以前的 PLC 有了质的飞跃。 其扫描速度极快，例如 A3A 处理一条顺序指令仅仅只需 微秒。 A 系列 PLC 的主要特点它的主要有以下几点：。 A2AS CPU 处理顺序指令的速度快达 微秒/步，而 QnAS可达 微秒/步。 当然其它指令也有着极高的速度。 2. A2AS CPU 高级应用指令：支持 32 个 PID 回路、浮点运算、三角函数等。 QnAS CPU 的 PID 回路随着内存容量的大小而改变，如内存有 1M Byte，则可以支持 2048 个回路。 ：8 点/16 点/32 点/64 点；DC12 伏/DC24 伏/AC110 伏/AC220 伏；晶体管/继电器/可控硅。 50 种特殊功能模块：如智能通信模块（Basic 语言编程） ，网络模块（MELSECNET/10/11/MINI，CCLINK，光纤等） ，以太网络模块（B2/B5）。 由此可见，A 系列 PLC 比之以前的 PLC 性能上有了很大的提高。 特别体现在联网通信功能和自诊断功能。 前者联网功能强，拥有各种通信联网模块。 可构成三级通信网络，实现工厂生产管理自动化。 后者不仅提供故障的原因，还能存储故障发生的时间。 以便事后进行查询，有利于维修和管理。 的编程语言和指令一：基本指令A. LD/LDI/OUT 符号 LD 代表取，它的功能是常开触点逻辑运算起始；符号 LDI 代表取反，它的功能是常闭触点运算起始；符号 OUT 代表输出，它的功能是线圈驱动。 其中 LD，LDI 指令用于将触点接到母线上。 另外与 ANB 指令组合，在分支起点处也可使用。 而OUT 指令是对输出的各种继电器和计时器、计数器等的线圈的驱动指令，对于输入继电器不能使用。 B. AND/ANI符号 AND 代表于，它的功能是常开触点串联连接；而符号 ANI 代表于非，它的功能是常闭触点串联连接。 用 AND、ANI 指令可进行触点的串联连接，串联触点的个数没有限制，该指令可多次重复使用。 但在实际中由于编程器和打印机等设备的限制，尽量做到一行不超过十个触点和一个线圈，连续输出总共不超过二十四行。 C. OR/ORI符号 OR 代表或，它的功能是常开触点并联连接；而符号 ORI 代表或非，它的功能是常闭触点并联连接。 用 OR、ORI 指令可进行触点的并联连接，但要是为联接两个以上的触点串联连接的电路块的并联连接时，需要用到 ORB 指令。 OR、ORI 指令是从该指令的当前步开始，对前面的 LD、LDI 指令进行并联连接，该指令也可多次重复使用，但与前面的 LD、LDI 指令一样由于设备的原因是有限制的（二十四行以下）。 符号 ORB 代表电路块或，它用在串联电路的并联连接：符号 ANB 代表电路块于，它用在并联电路块之间的串联连接。 在使用 ORB 进行串联电路的并联连接时，分支的开始应用 LD、LDI 指令，分支结束才使用 ORB 指令。 同样，在使用 ANB 进行并联电路的串联连接时，分支的开始应用 LD、LDI 指令，分支结束才使用ANB 指令。 ORB 与 ANB 指令可以连续使用，但此时要注意 LD、LDI 指令使用限制在八次以下。 、RST、PLS、PLF……除了上述一些指令，还有 OUT（输出）指令，RST（复位）指令，PLS（脉冲上升输出）指令，PLF（脉冲下降输出）指令，NOP（空操作）指令，END（结束）指令等等。 在此鉴于篇幅不再详细展开叙述。 二：通信等较复杂指令 FROM，其梯形图如图 (a)所示：K1 K16 D20 K3FROMX10 [N1] [N2] [D] [N3]图 (a) 读取数据梯形图其中，N1 表示要读取的是槽上哪个模块；N2 表示要读取模块数据的起始地址。 D 表示 PLC 中存放读取数据的起始地址；N3 表示要读取数据的长度。 上述示例表示从主槽的第二个特殊功能模块的第 12缓存连续读取四个数据存放在 D18——D21 中。 TO，其梯形图如图 (b)所示：TO K1 K16 D20 K3X10 [N1] [N2] [D] [N3]图 (b) 发送数据梯形图 其中，N1 表示发送数据到哪个特殊模块；N2 表示要发送到特殊模块缓存的其始地址；D 表示 PLC中发送数据的起始地址；N3 表示要发送数据的长度。 上述示例表示把 PLCD18——D21 中的数据发送到主槽中第二个特殊模块的第 12 缓存——第 15 缓存。 ，其梯形图如图 (c)所示：MOV K16 D20X10 [S] [D]图 (c) 数据传送梯形图其功能是将源数据传送至目的数据。 上述示例表示将 K8 的值赋给 D10。 除此之外还有许多指令，但也由于篇幅不再都详细展开叙述。 ：PLC 的 MELSECNET 网络通信. MELSECNET 网络框架MELSECNET 是用于三菱 A 系列 PLC 之间通信的通信网络。 它的拓扑结构为双环网（正环和副环） ，传输介质为光缆或同轴电缆。 采用令牌方式传送。 站间传送距离最长为一公里，总长不超过十公里。 通信速率为。 其拓扑结构如图 所示。 MELSECNET 网络在分布式控制系统中有着广泛地应用，正是由于其具有强大的联网能力。 一个环路最多可以接 65 台 PLC（一个主站和 64 个本地站）。 主环路的每个 PLC 又可以组成自己的子网，同样可以接 64 个 PLC 从站。 在下层网络中，每个 PLC 又可连接 32 个 F 系列的 PLC、变频器等。 这样一个MELSECNET 网络最多可以联接 131073 台 PLC。 另外它的双拓扑结构提供传输冗余。 这就保证了在正环意外断路时，副环能马上投入工作。 如果网络中两站之间的正环和副环都断开时，则可由其他的主副环自动形成一个通讯回路。 MELSECNETPLC PLC PLC图 MELSECNET 的拓扑结构. MELSECNET 网络的通信软设备在 MELSECNET 网络中，采用 A 系列 PLC 专用于通信的软设备来完成各 PLC 间的数据通信。 这些软设备包括用于软通信的逻辑线圈 B 和用于字通信的数字存储器 W。 用户只需进行初始化设置，对不同的站点对不同的 B 和 W 进行写操作。 例如在我们设定线圈 B00 和数据寄存器 W00 由主站写操作，而线圈 B10 和数据寄存器 W10 由从站 1 写操作，同样逻辑线圈 B20 和数据寄存器 W20 由从站 2 来进行写操作。 . MELSECNET 网络的的分类 MELSECNET 网络有多种接口模块，而由其可组成三种网络类型。 既 MELSECNET（II） 、MELSECNET混合型、MELSECNET。 MELSECNET 网络除用作数据通信外，还可用作集中式控制。 在以太网中我们可通过上位机直接对网络的每个 PLC 进行读写、监控。