第5章 工业机器人PLC控制

LOGO机械职业教育教学指导委员会推荐教材全国高等职业教育“十二五”规划教材全国工业机器人技能培养系列精品教材工业机器人电气控制与维修（ISBN978-7-121-29476-1）邢美峰主编卢彦林李伟娟副主编第5章工业机器人PLC控制5.1可编程序逻辑控制器概要15.2PLC的硬件结构25.3PLC的工作方式与工作过程35.4PLC的程序结构45.5PLC的寄存器55.6PLC的基本元器件与指令系统65.1.1可编程逻辑控制器（PLC)的定义1．PLC定义可编程逻辑控制器简称PLC（英文全称：ProgrammableLogicController）。1987年国际电工委员会（IEC）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种数字运算操作的电子的电子系统，专门在工业环境下应用而设计。它采用可以编制程序的存储器，用来在执行存储逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟的输入(I)和输出(O)接口，控制各种类型的机械设备或生产过程。”5.1可编程序逻辑控制器概要该定义强调了可编程控制器是“数字运算操作的电子系统”，是一种计算机。它是“专为工业环境下应用而设计”的工业计算机，是一种用程序改变控制功能的设备，该种设备采用“面向用户的指令”，因此编程方便，可完成逻辑运算、顺序控制、定时计数和数学运算操作，还具有数字量与模拟量的输入输出能力。可编程控制器是应用面广、功能强大、使用方便的通用工业控制设备，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。5.1可编程序逻辑控制器概要2．PLC的应用范围。PLC的应用范围极其广阔，经过30多年的发展，目前PLC已经广泛应用于冶金、石油、化工、建材、电力、矿山、机械制造、汽车、交通运输、轻纺、环保等各行各业。几乎可以说，凡是有控制系统存在的地方就有PLC。概括起来，PLC的应用主要有以下5个方面。5.1可编程序逻辑控制器概要（1）开关量控制这是PLC最基本的应用领域，可用PLC取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。在单机控制、多机群控和自动生产线控制方面都有很多成功的应用实例。如机床电气控制、起重机、皮带运输机和包装机械的控制、注塑机的控制、电梯的控制、饮料灌装生产线、家用电器（电视机、冰箱、洗衣机等）自动装配线的控制、汽车、化工、造纸、轧钢自动生产线的控制等。5.1可编程序逻辑控制器概要（2）模拟量控制目前，很多PLC都具有模拟量处理功能，通过模拟量I/O模块可对温度、压力、速度、流量等连续变化的模拟量进行控制，而且编程和使用都很方便。大、中型的PLC还具有PID闭环控制功能，运用PID子程序或使用专用的智能PID模块，可以实现对模拟量的闭环过程控制。随着PLC规模的扩大，控制的回路已从几个增加到几十个甚至上百个，可以组成较复杂的闭环控制系统。PLC的模拟量控制功能己广泛应用于工业生产各个行业，例如自动焊机控制、锅炉运行控制等都是典型的闭环过程控制的应用场合。5.1可编程序逻辑控制器概要（3）运动控制运动控制是指PLC对直线运动或圆周运动的控制，也称为位置控制。早期PLC通过开关量I/O模块与位置传感器和执行机构的连接来实现这一功能，现在一般都使用专用的运动控制模块来完成。目前，PLC的运动控制功能广泛应用在金属切削机床、电梯、机器人等各种机械设备上，典型的如PLC和计算机数控装置(CNC)组合成一体，构成先进的数控机床。5.1可编程序逻辑控制器概要（4）数据处理现代PLC都具有不同程度的数据处理功能，能够完成数学运算（函数运算、矩阵运算、逻辑运算）、数据的移位、比较、传递、数值的转换和查表等操作，对数捃进行采集、分析和处理。数据处理通常用在大、中型控制系统中，如柔性制造系统、机器人的控制系统等。5.1可编程序逻辑控制器概要（5）通信联网通信联网是指PLC与PLC之间、PLC与上位计算机或其他智能设备间的通信，利用PLC和计算机的RS-232或RS-422接口、PLC的专用通信模块，用双绞线和同轴电缆或光缆将它们联成网络，可实现相互间的信息交换，构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，建立工厂的自动化网络。5.1可编程序逻辑控制器概要5.1.2PLC的特点1．可靠性高，抗干扰能力强现代PLC采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠程度是使用机械触点的继电器所无法比拟的。为了保证PLC能在恶劣的工业环境下可靠工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施。5.1可编程序逻辑控制器概要在硬件方面采取的主要措施有：（1）隔离PLC的输入、输出接口电路一般都采用光电耦合器来传递信号，这种光电隔离措施使外部电路与PLC内部之间完全避免了联，有效的抑制了系部干扰源对PLC的影响，还可防止外部强电窜入内部CPU。（2）滤波在PLC电路电源和输入、输出(I/O)电路中设置多种滤波电路，可有效抑制高频干扰信号。5.1可编程序逻辑控制器概要（3）在PLC内部对CPU供电电源采取屏蔽、稳压、保护等措施，防止干扰信号通过供电电源进入PLC内部，另外各个输入／输出(I/O)接口电路的电源彼此独立，以避免电源之间的互相干扰。（4）内部设置连锁、环境检测与诊断等电路，一旦发生故障，立即报警。（5）外部采用密封、防尘、抗振的外壳封装结构，以适应恶劣的工作环境。5.1可编程序逻辑控制器概要在软件方面采取的主要措施有：（1）设置故障检测与诊断程序，每次扫描都对系统状态、用户程序、工怍环境和故障进行检测与诊断，发现出错后，立即自动做出相应的处理，如报警、保护数据和封锁输出等：（2）对用户程序及动态数据进行电池后备，以保障停电后有关状态及信息不会因此而丢失。采用以上抗干扰措施后，一般PLC的抗电平干扰强度可达峰值1000V，其平均无故障时间可高达30—50万小时以上。5.1可编程序逻辑控制器概要2．编程简单易学PLC采用与继电器控制线路图非常接近的梯形图作为编程语言，它既有继电器电路清晰直观的特点，又充分考虑到电气工人和技术人员的读图习惯：对使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。因此，易学易懂，程序改变时也容易修改5.1可编程序逻辑控制器概要3．功能完善，适应性强目前PLC产品已经标准化、系列化和模块化，不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有A/D、D/A转换、算术运算及数据处理、通信联网和生产过程监控等功能。它能根据实际需要，方便灵活地组装成大小各异、功能不一的控制系统：既可控制一台单机、一条生产线，又可以控制一个机群、多条生产线；既可以现场控制，又可以远程控制。针对不同的工业现场信号，如交流或直流、开关量或模拟量、电流或电压、脉冲或电位、强电或弱电等，PLC都有相应的I/O接口模块与工业现场控制器件和设备直接连接，用户可以根据需要方便地进行配置，组成实用、紧凑的控制系统。5.1可编程序逻辑控制器概要4．使用简单，调试维修方便PLC的接线极其方便，只需将产生输入信号的设备（如按钮、开关等）与PLC的输入端子连接，将接收输出信号的被控设备（如接触器、电磁阀等）与PLC的输出端子连接，仅用螺丝刀即可完成全部接线工作。PLC的用户程序可在实验室模拟调试，输入信号用开关来模拟，输出信号可以观察PLC的发光二极管。调试后再将PLC在现场安装通调。调试工作量要比继电器控制系统少得多。PLC的故障率很低，并且有完善的自诊断功能和运行故障指示装置。一旦发生故障，可以通过PLC机上各种发光二极管的亮灭状态迅速查明原因，排除故障。5.1可编程序逻辑控制器概要5．体积小、重量轻、功耗低由于PLC采用半导体大规模集成电路，因此整个产品结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低，PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想的控制设备。5.1可编程序逻辑控制器概要5.1.3PLC编程语言PLC普遍流行的梯形图进行讲解，直观易懂。它是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，与电气原理图相似。梯形图通常有左右两条母线，两母线之间是内部“软继电器”的常开、常闭触点以及继电器线圈组成的平行的逻辑行，每个逻辑行以触点与左母线开始，以线圈和右母线结束。5.1可编程序逻辑控制器概要梯形图沿用继电器等概念，如输入继电器、输出继电器和内部辅助继电器，它们不是真实的硬件继电器，而是在梯形图中使用的编程元件（软元件），每一个软元件都与PLC存储器的元件映像存储器的存储单元相对应。5.1可编程序逻辑控制器概要5.2PLC的硬件结构PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。因此其组成与一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分构成。可编程控制器主要由CPU、存储器、I/O单元、外设接口、电源等组成。图5-1为硬件系统的结构框图CPU存储器输入接口输出接口电源图5-1为PLC硬件系统的结构框图5.2PLC的硬件结构5.2.1中央处理单元(CPU)CPU是PLC的核心，由控制器、运算器和寄存器等组成。它按照系统程序赋予的功能接收并存储用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入设备送来的状态或数据，将其存入输入寄存器中，并能诊断电源和内部电路的工作状态。5.2PLC的硬件结构当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算，再将结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。5.2PLC的硬件结构为了进一步提高PLC的可靠性，对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。5.2PLC的硬件结构5.2.2存储器PLC存储器包括系统存储器和用户存储器。系统存储器固化厂家编写的系统程序，用户不可以修改，包括系统管理程序和用户指令解释程序等：用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和功能存储器（工作数据区）两部分。工作数据区是外界与PLC进行信息交互的主要交互区，它的每一个二进制位、每一个字节单位和字单位都有唯一的地址。系统程序存储器是存放系统软件的存储器；用户程序存储器是存放PLC用户程序应用;数据存储器用来存储PLC程序执行时的中间状态与信息，它相当于PC的内存。5.2PLC的硬件结构5.2.3输入输出接口（I/O模块）PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入寄存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块则正好相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。5.2PLC的硬件结构输入接口是连接外部输入设备和PLC内部的桥梁，输入回路电源为外接直流电源。输入接口接收来自输入设备的控制信号，如限位开关、操作按钮及一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成CPU能识别的二进制信号，进入内部电路，存入输入映像寄存器中。运行时CPU从输入映像寄存器中读取输入信息进行处理输出接口连接被控对象的可执行元件，如接触器、电磁阀和指示灯等。它是PLC与被控对象的桥梁，输出接口的输出的状态是由输入接口输入的数据与PLC内部设计的程序决定的。5.2PLC的硬件结构5.2.4通信接口通信接口的主要作用是实现PLC与外部设备之间的数据交换（通信）。通信接口的形式多样，最基本的有RS-232,RS-422/RS-485等的标准串行接口。可以通过多芯电缆，双绞线，同轴电缆，光缆等进行连接。5