发布时间 : 星期日 文章基于PLC的双面钻孔组合机床监控系统设计更新完毕开始阅读faa0f46343323968011c92ac
洛阳理工学院毕业设计（论文）
第3章 硬件设计
PLC是以微处理器为核心的通用工业控制装置，本文以控制系统的设计为主，对PLC控制系统的发展和现状做了简单介绍，详细地说明了其优点和控制系统设计的原则和内容以及设计的一般步骤，并根据控制要求和选型原则对PLC的型号及配套CPU进行选择，之后进行了PLC的I/O端口分配和I/O接线图的绘制，最后对其他硬件也给出选型及依据，完成硬件部分的设计工作。
3.1 PLC的概述
PLC控制是现代工业自动化控制的重要解决方案，它将传统的继电器接触器控制系统与计算机控制技术紧密结合起来，具有多种优点为工业自动化提供了几近完美的自动控制装置[9]。PLC技术的另一个优势是其逻辑控制功能通过软件编程来实现，因此柔性强，控制功能多，控制线路也被大大地简化了。
3.1.1 PLC的发展与现状
在工业生产过程中，存在着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控制，也有大量离散量的数据需要采集。传统上，这些功能会通过气动控制或电气控制系统来实现，受制于继电器的工作原理和越来越高的要求，继电器控制方式的弊端逐渐显现，美国数字设备公司开发并研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次将程序化的手段应用于电气控制这个领域，这便是第一代可编程序控制器，虽然只可以完成一些简单的逻辑控制及定时和计数等简单功能，但在当时已是相当的先进了。
20世纪70年代初出现了微型处理器，很快将其引入可编程控制器的硬件中[10]。在应用方面为了方便已经熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员的使用，可编程控制器的编程语言采用和继电器电路图类似的梯形图
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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，此时的PLC已经成为微型计算机技术和继电器常规控制概念相结合的产物；中末期，可编程控制器进入了实用化的发展阶段，借助计算机的强大运算能力使其功能发生了一个巨大的飞跃。20世纪80年代初期，可编程控制器发展的特点是大规模和高速高性能，另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多了，生产的种类和产量也是日益上升。这些标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
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的发展与需要。这个时期发展出了两个类型即大型机和超小型机，应用在两种不同的场合从无到有地诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的不同控制场合，使其功能越发强大应用面得到扩展；产生了各种实用的人机界面单元、通信单元，这些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。
我国在可编程控制器方面最初是在引进的设备中大量使用的，接下来在各地各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。现阶段我国已可以自主生产中小型可编程控制器，可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的市场和应用天地。
3.1.2 PLC的特点及优势
1．可靠性高
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性[11]。从PLC的机外电路来说，使用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，故障也因此大大降低。此外，它还带有硬件故障自我检测得功能，出现故障时可及时发出警报信息或信号。这样，整个系统具有极高的可靠性。
2．通用性强
PLC品种齐全的各种硬件外设，可以组成能满足各种要求的控制系统，工程人员不必自己再设计和制作硬件装置。在硬件确定以后，在生产工艺
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流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬性设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。
3．功能强大
现代PLC不仅有很多基础的功能，还具有数字量和模拟量的输入/输出，能实现不同功率的驱动，多台机相互通信和人机对话，而且能自我检测并记录并显示数据等各种强大功能。
4．编程容易
目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的梯形图编程方式。这种被广泛应用的编程方式既继承了传统控制线路清晰直观的特点，又考虑到大多数电气技术人员的看图习惯及编程能力，所以非常容易被学习和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图的许多符号都是相当接近，这也便于电气技术人员理解。
虽然PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行[12]。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，这个短时间的延迟是微不足道的，完全不会影响系统控制是可以满足工艺要求的。
5．减少了设计和施工的工作量
由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等特点，使简单出现故障是维修也极为方便。
6．体积小功耗低
PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑、坚固、体积小、重量轻、功耗低，有着其他控制系统不可比拟的优势。以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，在系统的配置上既固定又灵活，功耗仅数瓦，易于装入设备内部，并且由于PLC的强抗干扰能力，而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力[13]。是实现机电一体化的理想控制设备。
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3.2 PLC控制系统设计
PLC的系统设计的基本原则包括前期的设计原则和控制任务的评估，系统设计时的内容较多且复杂，一般步骤从对被控对象的熟悉、硬件选型和配套的应用程序编写及调试，及设计完成后的编写技术文件等问题。
3.2.1 PLC控制系统设计的原则与任务评估
任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象即生产设备或生产过程的工艺要求，以提高生产的效率和产品的质量，而在实际设计过程中，要对控制任务进行评估，其设计原则往往也会涉及很多方面。
1．设计原则
完整性原则：最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。 可靠性原则：把控制系统的可靠性放在首位。
经济型原则：在满足控制要求的前提下力求控制系统简单、经济、适用及维护方便。
发展性原则：适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能力等方面在选型时应留有适当的余量，这是对机床外围设备的增加和功能升级留下可操作的空间[14]。
2．评估控制任务
根据系统所需完成的控制过程，对被控对象的生产工艺及特点进行详细的分析，特别是从以下几个方面给以考虑。
控制规模：一个控制系统的控制规模可用该系统的I/O设备总数来衡量。当控制规模较大时，特别是开关量控制的I/O设备较多时，由于单片机的接口有限且不能扩充，因此最适合采用PLC控制系统。
工艺复杂程度：当工艺要求较复杂时，对完成工艺的精度和稳定性要求会跟高，由于PLC的高抗干扰性，采用PLC控制具有更大的优势。
可靠性要求：在如今的生产领域，当I/O设备的点数在20甚至更少时，选择控制系统方案时就趋向于选择PLC控制了。
数据处理速度：若数据处理程度的要求比较低，而主要是以工业过程控制为主时，采用PLC控制将是非常适宜的。
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