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自动化论文-基于PLC的多关节工业机械手控制系统设计.pdf
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第一章 PLC 概述
1.1 PLC 的定义
可编程控制器(Programmable Logic Controller)简称 PLC,它具备了模
拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能,所以美国电气制造商协会将其正
式命名为可编程控制器(Programmable Controller),简称 PC。但是个人计算
机(Personal Computer)也简称 PC,为了避免混淆,将用于逻辑控制的可编程
控制叫做 PLC(Programmable Logic Controller).
PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置,它
其实就是一台计算机,它采用可以编制程序的存储器,在其内部执行逻辑运算、
顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,它以接入式CPU 为核心,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。PLC 及其有关
的外围设备,都是很容易与工业控制系统形成一个整体,容易扩展其功能的。
可编程控制器是一种工业现场用计算机。它是为工业环境下应用而设计的,
工业环境一般办公环境有较大的区别。由于 PLC 的特殊构造,使它能在高粉尘、
高噪音、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。为了能控制机械或生产
过程,它要能很容易的与工业控制系统形成一个整体,这些都是个人计算机无法
比拟的。
可编程控制器是一种通用的工业控制计算机。它能控制各种类型的工业设备
及生产过程。它的功能能够很容易地扩展,它的程序是可以根据控制对象的不同,
让使用者来编制的。也就是说,可编程控制器较其以前的工业控制计算机,如单
片机工业控制系统,具有更大的灵活性,它可以方便地应用在各种场合。
通过以上定义还可以了解到,相对一般意义上的计算机,可编程控制器不仅
具有计算机的内核,它还配置了许多使其适用于工业控制的器件。它实质上是经
过一次开发的工业控制计算机。从另一个方面来说,它是一种通用机,经过二次
开发,它可以在任何具体的工业设备上使用。它在很大程度上使的工业自动化设
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计从专业设计院走进工厂和矿山,变成了普通工程技术人员甚至普通电气工人力
所能及的工作。再加上体积小、工作可靠性高、抗干扰能力强、控制功能完善,
适应性强,安装接线简单等众多优点,可编程控制器在短短的 30 年中获得了突
飞猛进的发展,在工业控制领域获得了非常广泛的应用。
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1.2 PLC 的由来及发展
1969 年 , 美 国 数 字 设 备 公 司 ( DEC ) 研 制 出 第 一 台 可 编 程 序 控 制 器
(Programmable Logic Controller,简称 PLC),在美国通用汽车公司的自动装
配线上使用,取得了巨大的成功。20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快
将其引入可编程控制器,使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能,成为真正
具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术
人员使用,可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言,
并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。因而人们称可编程控制
器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20 世纪 70 年代中末期,可
编程控制器进入了实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程控制器中,使
其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、
模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20 世纪
80 年代初,可编程控制器在先进工业国家中已获得了广泛的应用。例如,在世
界第一台可编程控制器的诞生地美国,1982 年的统计数字显示,大量应用可编
程控制器的工业厂家占美国重点工业行业厂家总数的 82%,可编程控制器的应用
数量已位于众多的工业自控设备之首。这个时期可编程控制器发展的特点是大规
模、高速度、高性能、产品系列化。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。这
个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多,产量日益上
升。许多可编程控制器的生产厂家已闻名于全世界。
20 世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。
从控制规模上来说,这个时期发展了大型机及超小型机;从控制能力上来说,诞
生了各种各样的特殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制
场合;从产品的配套能力来说,生产了各种人机界面单元,通讯单元,使应用可
编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前,可编程控制器在机械制造、
石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都的到了长足的发展。
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1.3 PLC 的特点及用途
1.3.1 PLC 具有以下几个主要特点
(1)可靠性高、抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备非常关键的性能。PLC 由于采用大规模集成电路技术、
严格的生产工艺,内部电路采取了输入输出信号的光电隔离、滤波、电源的屏蔽、
稳压和保护、故障诊断等先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性,它能在高粉尘、
高噪音、强电磁干扰和温暖变化剧烈的环境下正常工作。PLC 的平均无故障时间
可高达 5~10 万小时以上。从 PLC 的机外电路来说,PLC 构成控制系统,和同等
规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之
一,故障率也就大大降低。
(2)功能完善、应用领域广
到现在为止 PLC 已经形成各种规模、系列化的产品。可以用于各种规模的工
业控制场合,并能完成决大多数的工业控制任务。PLC 所具有的完善的数据运算
能力,可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现,PLC 通讯能
力的增强及人机界面技术的发展,使用 PLC 组成各种控制系统变的非常容易。
(3)编程简单,易学易用
PLC 采用和继电器电路图接近的梯形图语言,只用少量的开关量逻辑控制指
令就可以方便地实现继电器电路的功能。在工业现场,可以使用手持编程器或笔
记本对 PLC 进行编程。当 PLC 联网后,可以在网络的任一位置对 PLC 编程。为不
熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制提供了
方便。
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(4)系统安装简单、体积小、价格低
PLC 在存储逻辑代替接线逻辑、采用模块化的结构,大大地减少了控制设备外部
的接线,使控制系统设计及建设的周期大大缩短了。现代集成电路技术的广泛应
用,功耗仅数瓦。由于 PLC 体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理
想控制设备。使得 PLC 的重量越来越轻、功耗也越来越少。在集成电路技术和生
产厂家越来越多的情况下,PLC 的价格也越来越低。
1.3.2 可编程控制器的应用领域
PLC 在钢铁、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的应用也越来越广泛,主要可以归纳为以下几类:
(1)开关量的逻辑控制
可编程控制器可实现逻辑控制、顺序控制,也可用于单台设备的控制,又
可用于多机群控制及自动化流水线。
(2)模拟量控制
在工业生产过程中,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。
(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。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
(4)过程控制
过程控制是指对连续变化的量进行控制。如对温度、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。目前已广泛应用于冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合。
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