PLC編程在數控系統中的應用
 
畢業設計調研報告
 隨著社會的進步，現代科學技術的發展日新月異。科學的發展離不開工業的發展，可編程控制器，是綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術的一種新型的、通用的自動控制裝置，由于其具有的許多優點使其得到了廣泛的應用。但我認為我對其了解的不夠，因此我選擇了它作為我畢業設計的題目，并就PLC的一寫內容做了調研。
 首先，我把學校的工業中心作為調研的主要地方。通過觀察和老師的講解示范，我知道了PLC在許多領域有著廣泛的應用。通過老師的講解和幾個范例，我對其編程有了一寫認識，PLC在現代工業生產的自動控制中起著很大的作用。
 同時，通過翻閱相關書籍以及上網查詢，對于PLC的原理、編程和應用，有了更全面的了解，對其重要性有了更深的認識。
摘要
 本次畢業設計為PLC的原理與應用。設計中，首先對PLC的定義做了闡述，然后回顧了它的歷史，講解了它的市場狀況，并對其發展趨勢做了展望，接著對PLC的工作原理和分類做了詳細的描述。后面講解了PLC的編程，并列舉了一些常用的電路，舉例說明了它在數控系統中的應用，最后對其故障診斷做了簡述。
關鍵詞：PLC、編程、梯形圖、數控系統、維護
                                      Abstract
 The graduation of the PLC design principles and applications. Design, the first definition of the PLC done so, then recalled its history, on its market situation, and its development trend of prospects, and then the PLC principle and gave a detailed classification of the description. On the back of the PLC program, and cited a number of commonly used circuit, examples of engineering practice in the application of its fault diagnosis was made briefly.
Keywords：PLC 、Programming 、Ladder、NCS 、Maintenance
 
第一章 PLC概論
1.1 PLC的定義
 可編程序控制器的英文為Programmable Controller，在二十世紀70-80年代一直簡稱為PC。由于到90年代，個人計算機發展起來，也簡稱為PC;加之可編程序的概念所涵蓋的范圍太大，所以美國AB公司首次將可編程序控制器定名為可編程序邏輯控制器(PLC-Programmable Logic Controller)，為了方便，仍簡稱PLC為可編程序控制器。有人把可編程序控制器組成的系統稱為PCS可編程序控制系統，強調可編程序控制器生產廠商向人們提供的已是完整的系統了。
 PLC問世以來，盡管時間不長，但發展迅速。為了使其生產和發展標準化，美國電氣制造商協會NEMA（National Electrical Manufactory Association）經過四年的調查工作，于1984年首先將其正式命名為PC（Programmable Controller），并給PC作了如下定義：
 “PC是一個數字式的電子裝置，它使用了可編程序的記憶體儲存指令。用來執行諸如邏輯，順序，計時，計數與演算等功能，并通過數字或類似的輸入/輸出模塊，以控制各種機械或工作程序。一部數字電子計算機若是從事執行PC之功能著，亦被視為PC，但不包括鼓式或類似的機械式順序控制器。”
 以后國際電工委員會(IEC)又先后頒布了PLC標準的草案第一稿，第二稿,并在1987年2月通過了對它的定義：
 “可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算,順序控制，定時，計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關外部設備，都按易于與工業控制系統聯成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。”
 總之，可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業環境應用而設計制造的計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅動能力。但可編程控制器產品并不針對某一具體工業應用，在實際應用時，其硬件需根據實際需要進行選用配置，其軟件需根據控制要求進行設計編制。
1.2 PLC的發展和市場情況
1.2.1 PLC的發展歷史
 1968年美國GM(通用汽車)公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數字公司研制出了第一代可編程序控制器，滿足了GM公司裝配線的要求。隨著集成電路技術和計算機技術的發展，現在已有第五代PLC產品了。
 在以改變幾何形狀和機械性能為特征的制造工業和以物理變化和化學變化將原料轉化成產品為特征的過程工業中，除了以連續量為主的反饋控制外，特別在制造工業中存在了大量的開關量為主的開環的順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作號按照時序動作;另外還有與順序、時序無關的按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制;以及大量的開關量、脈沖量、計時、計數器、模擬量的越限報警等狀態量為主的—離散量的數據采集監視。由于這些控制和監視的要求，所以PLC發展成了取代繼電器線路和進行順序控制為主的產品。在多年的生產實踐中，逐漸形成了PLC、DCS與IPC三足鼎立之勢，還有其它的單回路智能式調節器等在市場上占一定的百分比。
 在80年代至90年代中期，是PLC發展最快的時期，年增長率一直保持為30~40%。由于PLC機聯系處理模擬能力和網絡方面功能的進步，擠占了一部分DCS的市場(過程控制)并逐漸壟斷了污水處理等行業，但是由于工業PC(IPC)的出現，特別是近年來現場總線技術的發展，IPC和FCS也擠占了一部分PLC市場，所以近年來PLC增長速度，總的說是漸緩。目前全世界有200多廠家生產300多品種PLC產品，主要應用在汽車(23%)、糧食加工(16.4%)、化學/制藥(14.6%)、金屬/礦山(11.5%)、紙漿/造紙(11.3%)等行業。
1.2.2 PLC的市場情況
 國內PLC生產廠約30家，但沒有形成頗具規模的生產能力和名牌產品，還有一部分是以仿制、來件組裝或“貼牌”方式生產，因此可以說PLC在我國未形成制造產業。作為原理、技術和工藝均無尖端技術難度的產品，只要努力，是能形成制造產業的。
 在PLC應用方面，我國是很活躍的，近年來每年約新投入10萬臺套PLC產品，年銷售額30億元人民幣，應用的行業也很廣。但是與其它國家相比，在機械加工及生產線方面的應用，還需要加大投入。我國市場上流行的有如下幾家PLC產品:
 (1) 施耐德公司，包括早期天津儀表廠引進莫迪康公司的產品，目前有Quantum、Premium、Momentum等產品;
 (2) 羅克韋爾公司(包括AB公司)PLC產品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等產品;
 (3) 西門子公司的產品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列產品;
 (4) GE公司的產品;日本歐姆龍、三菱、富士、松下等公司產品。
 PLC的市場的潛力是巨大的，不僅在我國，即使在工業發達的日本也有調查表明，PLC配套的機電一體化產品的比例占42%，采用繼電器、接觸器控制尚有24%。所以說，需要應用PLC的場合還很多，在我國就更是如此了。
 從技術創新的角度看，我國大中型企業還要大力發展CIMS(計算機集成制造系統)，在機械制造廠要形成FMS柔性制造系統，PLC是基礎，所以PLC市場是廣闊的。
 PLC具有穩定可*、價格便宜、功能齊全、應用靈活方便、操作維護方便的優點，這是它能持久的占有市場的根本原因，我們下面重點闡述幾個問題，并研究其發展趨勢。
1.2.3 PLC的網絡及發展趨勢
 一個或若干PLC與PC機聯出系統，PC機起到原編程器及人機界面操作站的作用，這20世紀90年代的新潮流，這樣為系統集成帶來了商機，同時編程軟件和人機界面軟件(監控軟件或稱組態軟件)及軟件接口(或稱驅動軟件)也得到了發展。
 近年來，PLC廠家在原來CPU模板上提供物理層RS232/422/485接口的基礎，逐漸增加了各種通訊接口，而且提供完整的通訊網絡。由于近來數據通訊技術發展很快，用戶對開放性要求很強烈，現場總線技術及以太網技術也同步發展，所以PLC構成的PCS系統比DCS的開放性所處的現狀稍好一些。目前羅克韋爾AB公司已形成了多層結構體系，即Ether Net、Control Net、Device Net及Asi等現場總線(原DH+網也可兼容)。西門子公司在Profibus-DP通訊網絡及Profibus-FMS網絡以外，提出了S7 Routing網絡，即Profibus-DP和Industrial Enternet兩層結構。網絡還在發展，我國應已積極的姿態投入其中。
 2001年我國機械工業成為工業發展新亮點，總產值比上年增長17.15%，汽車產量為世界前10位，機床產量為世界第5位。機械工業利潤增長33.35%，占整個工業新增利潤六成多。出口同樣出現可喜的增長。現在機械工業提出要實施網絡化，對這一點，PLC從業人員應有清醒的認識，應對網絡化的開放性、網絡構成的性能/價格比和網絡的可*性、安全性、先進性上特別下功夫。
 網絡向上連是互聯網問題，向下連是現場總線問題，另外現有網絡能否用以太網“e網到底”方式、網絡采用客戶器/服務器方式、瀏覽器/服務器方式、生產者/消費者方式、接口軟件采用OPC方式等問題都有待進一步落實。PLC與智能MCC馬達控制中心、與數控機床配套的NC/CNC數控設備，以及與其它運行控制系統、電控設備、變頻器和軟起動器等連成系統;PLC要與DCS分工合作，充當DCS的遠程I/O站等;PLC要與IPC分工合作，除用IPC作人機界面外，作軟件PLC的I/O部件也是可行的;此外還有PLC與緊急停車安全系統(ESD，Emergency Shut Down Systems)的關系、與立體倉庫、機器人、CAD/CAM等等都要處理好關系。總之，PLC要兼容各種新技術，使PLC成為真正意義上的“電腦”。
 PLC的應用領域是寬闊的，還有許多領域急待開拓，如用于海關過境車輛認證(深圳鹽田)、自動售藥(若干中藥店)在我國已有實例。另外，在離散事件系統中，如公路網交通流(車輛計數、乘客計數及停留時間計量)、物流系統、柔行制造系統(敏捷制造系統)及一切非標準隨服務系統中，均可以采用PLC，進而建模和采取對策并優化。PLC的前途一片美好，一切悲觀的論點是站不住腳的。至于技術進步，PLC與其它技術融合以至消失，那還需要一定的時間。
1.3 PLC的分類
 PLC產品種類繁多，其規格和性能也各不相同。對PLC的分類，通常根據其結構形式的不同、功能的差異和I/O點數的多少等進行大致分類。
1.3.1 按結構形式分類
 根據PLC的結構形式，可將PLC分為整體式和模塊式兩類。
 （1）整體式PLC  整體式PLC是將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個機箱內， 具有結構緊湊、體積小、價格低的特點。小型PLC一般采用這種整體式結構。整體式PLC由不同I/O點數的基本單元（又稱主機）和擴展單元組成。基本單元內有CPU、I/O接口、與I/O擴展單元相連的擴展口，以及與編程器或EPROM寫入器相連的接口等。擴展單元內只有I/O和電源等，沒有CPU。基本單元和擴展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式PLC一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴展。
 （2）模塊式PLC   模塊式PLC是將PLC各組成部分，分別作成若干個單獨的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。模塊式PLC由框架或基板和各種模塊組成。模塊裝在框架或基板的插座上。這種模塊式PLC的特點是配置靈活，可根據需要選配不同規模的系統，而且裝配方便，便于擴展和維修。大、中型PLC一般采用模塊式結構。
 還有一些PLC將整體式和模塊式的特點結合起來，構成所謂疊裝式PLC。疊裝式PLC其CPU、電源、I/O接口等也是各自獨立的模塊，但它們之間是靠電纜進行聯接，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統可以靈活配置，還可做得體積小巧。
1.3.2 按功能分類
 根據PLC所具有的功能不同，可將PLC分為低檔、中檔、高檔三類。
 （1）低檔PLC  具有邏輯運算、定時、計數、移位以及自診斷、監控等基本功能，還可有少量模擬量輸入／輸出、算術運算、數據傳送和比較、通信等功能。主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統。
 （2）中檔PLC   除具有低檔PLC的功能外，還具有較強的模擬量輸入／輸出、算術運算、數據傳送和比較、數制轉換、遠程I/O、子程序、通信聯網等功能。有些還可增設中斷控制、PID控制等功能，適用于復雜控制系統。
 （3）高檔PLC   除具有中檔機的功能外，還增加了帶符號算術運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其它特殊功能函數的運算、制表及表格傳送功能等。高檔PLC機具有更強的通信聯網功能，可用于大規模過程控制或構成分布式網絡控制系統，實現工廠自動化。
1.3.3 按I/O點數分類
 根據PLC的I/O點數的多少，可將PLC分為小型、中型和大型三類。
 (1).小型PLC——I/O點數< 256點；單CPU、8位或16位處理器、用戶存儲器容量4K字以下。
 如：GE-I型     美國通用電氣（GE）公司
     TI100      美國德洲儀器公司
     F、F1、F2  日本三菱電氣公司
     C20 C40    日本立石公司（歐姆龍）
     S7-200     德國西門子公司
     EX20 EX40  日本東芝公司
     SR-20/21   中外合資無錫華光電子工業有限公司
 (2). 中型PLC——I/O點數256～2048點；雙CPU，用戶存儲器容量2～8K
 如：S7-300     德國西門子公司
 SR-400     中外合資無錫華光電子工業有限公司
 SU-5、SU-6   德國西門子公司
 C-500        日本立石公司
 GE-Ⅲ        GE公司
 (3). 大型PLC——I/O點數> 2048點；多CPU，16位、32位處理器，用戶存儲器容量8～16K
 如：S7-400  德國西門子公司
 GE-Ⅳ   GE公司
 C-2000  立石公司
 K3      三菱公司等
1.4 PLC的特點
1.4.1 可靠性高，抗干擾能力強
 高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現代大規模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統，和同等規模的繼電接觸器系統相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統具有極高的可靠性也就不奇怪了。
1.4.2 配套齊全，功能完善，適用性強
 PLC發展到今天，已經形成了大、中、小各種規模的系列化產品。可以用于各種規模的工業控制場合。除了邏輯處理功能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發展，使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。
1.4.3 易學易用，深受工程技術人員歡迎
 PLC作為通用工業控制計算機，是面向工礦企業的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業控制打開了方便之門。
1.4.4 系統的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造
 PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。
1.4.5 體積小，重量輕，能耗低
 以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。

第二章PLC的構成與工作原理
2.1 PLC的構成
 從結構上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規則組合配置。
2.1.1 CPU的構成及功能
  CPU是PLC的核心，起神經中樞的作用，主要由運算器、控制器、寄存器及實現它們之間聯系的數據、控制及狀態總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數據，用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的狀態或數據，并存入規定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存儲器中逐條讀取指令，經分析后再按指令規定的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。
 對使用者來說，不必詳細分析CPU的內部電路，但對各部分的工作機制還是應有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執行指令，但工作節奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。
 CPU速度和內存容量是PLC的重要參數，它們決定著PLC的工作速度，IO數量及軟件容量等，因此限制著控制規模。
2.1.2 I/O模塊
 PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態，輸出點反映輸出鎖存器狀態。輸入模塊將電信號變換成數字信號進入PLC系統，輸出模塊相反。
 I/O種類有開關量輸入（DI），開關量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等。
 開關量是指只有開和關（或1和0）兩種狀態的信號，模擬量是指連續變化的量。常用的I/O分類如下：
 開關量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。
 模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
 除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。
 按I/O點數確定模塊規格及數量，I/O模塊可多可少，但其最大數受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數限制。
2.1.3 內存
 內存主要用于存儲程序及數據，是PLC不可缺少的組成單元。不同機型的PLC期內存大小也不盡相同，除主機單元的已有的內存區外，大部分機型還可根據用戶具體需要加以擴展。
2.1.4 電源模塊
 PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VAC）。
2.1.5 底板或機架
 大多數模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現各模塊間的聯系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現各模塊間的連接，使各模塊構成一個整體。
2.1.6 PLC系統的其它設備
 i) 編程設備：編程器是PLC開發應用、監測運行、檢查維護不可缺少的
 器件，用于編寫程序、對系統作一些設定、監控PLC及PLC所控制的系統的工作狀況，但它不直接參與現場控制運行。某些PLC也配有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當編程器。
 ii) 人機界面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機（運行組態軟件）充當人機界面也非常普及。
 iii)輸入輸出設備：用于永久性地存儲用戶數據，如EPROM、EEPROM寫入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機等。
2.1.7 PLC的通信聯網
 如圖所示，依靠先進的工業網絡技術可以迅速有效地收集、傳送生產和管理數據。因此，網絡在自動化系統集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出"網絡就是控制器"的觀點說法。
 PLC具有通信聯網的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計算機以及其他智能設備之間能夠交換信息，形成一個統一的整體，實現分散集中控制。多數PLC具有RS-232接口，還有一些內置有支持各自通信協議的接口。
 PLC的通信，還未實現互操作性，IEC規定了多種現場總線標準，PLC各廠家均有采用。對于一個自動化工程(特別是中大規模控制系統)來講，選擇網絡非常重要的。首先,網絡必須是開放的，以方便不同設備的集成及未來系統規模的擴展；其次，針對不同網絡層次的傳輸性能要求，選擇網絡的形式，這必須在較深入地了解該網絡標準的協議和機制的前提下進行；再次，綜合考慮系統成本、設備兼容性、現場環境適用性等具體問題，確定不同層次所使用的網絡標準。
2.2 PLC的工作原理
 最初研制生產的PLC主要用于代替傳統的由繼電器接觸器構成的控制裝置，但這兩者的運行方式是不相同的：
 （1）繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運行的方式，即如果這個繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點（包括其常開或常閉觸點）在繼電器控制線路的哪個位置上都會立即同時動作。
 （2）PLC的CPU則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。
 為了消除二者之間由于運行方式不同而造成的差異，考慮到繼電器控制裝置各類觸點的動作時間一般在100ms以上，而PLC掃描用戶程序的時間一般均小于100ms，因此，PLC采用了一種不同于一般微型計算機的運行方式---掃描技術。這樣在對于I/O響應要求不高的場合，PLC與繼電器控制裝置的處理結果上就沒有什么區別了。
2.2.1 掃描技術
 當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。
 （1）輸入采樣階段
 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態和數據，并將它們存入I/O映象區中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，I/O映象區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。
 （2）用戶程序執行階段
 在用戶程序執行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統RAM存儲區中對應位的狀態。在用戶程序執行過程中，只有輸入點在I/O映象區內的狀態和數據不會發生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區或系統RAM存儲區內的狀態和數據都有可能發生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態或數據只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。
 （1）輸出刷新階段　　當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。
2.2.2 PLC的I/O響應時間
 為了增強PLC的抗干擾能力，提高其可靠性，PLC的每個開關量輸入端都采用光電隔離等技術。為了能實現繼電器控制線路的硬邏輯并行控制，PLC采用了不同于一般微型計算機的運行方式（掃描技術）。以上兩個主要原因，使得PLC得I/O響應比一般微型計算機構成的工業控制系統滿的多，其響應時間至少等于一個掃描周期，一般均大于一個掃描周期甚至更長。所謂I/O響應時間指從PLC的某一輸入信號變化開始到系統有關輸出端信號的改變所需的時間。
 
第三章 PLC編程的基本方法
3.1 編程的基本原則
 PLC編程應該遵循以下的基本原則：
 外部輸入/輸出繼電器、內部繼電器、定時器、計數器等器件的觸點可多次重復使用，無需用復雜的程序結構來減少觸點的使用次數。
 梯形圖每一行都是從左母線開始，線圈接在最右邊。觸點不能放在線圈的右邊，在繼電器控制的原理圖中，熱繼電器的觸點可以加在線圈的右邊，而PLC的梯形圖是不容許的，參看圖3.1 （本章圖見附錄）
 線圈不能直接與左母線相連。如果需要，可以通過一個沒有使用過的內部繼電器的常閉接點或者特殊內部繼電器R9010（常ON）的常開接點來連接，參看圖3.2。
 同一編號的線圈在一個程序中使用兩次稱為雙線圈輸出。雙線圈輸出容易引起誤操作，就盡量避免線圈重復使用。
 梯形圖程序必須符合順序執行的原則，即從左到右，從上到下地執行，如不符合順序執行的電路不能直接編程，例如圖3.3所示的橋式電路就不能直接編程。
 在梯形圖中串聯接點使用的次數沒有限制，可無限次地使用，見圖3.4所示。
 兩個或者兩個以上的線圈可以并聯輸出，如圖3.5所示。
3.2 編程技巧
 在編寫PLC梯形圖程序時應掌握如下的編程技巧：
 把串聯觸點較多的電路編在梯形圖上方，如圖3.6所示。
 并聯觸點多的電路應放在左邊，如圖3.7所示。若有幾個并聯電路相串聯時，應將觸點最多的并聯電路放在最左邊。
 橋式電路編程。圖3.3所示的梯形圖是一個橋式電路，不能直接對它編程，必須重畫成圖3.8所示的電路才可進行編程。
3.3 基本電路的編程
 （1）起動和復位電路
 在PLC的程序設計中，起動和復位電路是構成梯形圖的最基本的常用電路。
 用輸入繼電器和輸出繼電器編制的梯形圖如圖3.9（a）所示。用輸入繼電器和鎖存繼電器編制的梯形圖如圖3.9（b）所示。
 當X0的輸入端子接通時，輸入繼電器X0線圈接通，其常開觸點X0閉合，輸出繼電器線圈Y0接通并由其常開觸點自保持（圖3.9（b）采用的是鎖存繼電器）。當X1的輸入端接通時，輸入繼電器X1的觸點打開（圖3.9（a）），常開觸點X1閉合，鎖存繼電器KP復位，使輸出Y0為OFF。其電路功能為輸入X0為ON，輸出Y0為ON；輸入X1為ON時，輸出Y0為OFF。
 （2） 觸發電路
 采用DF指令構成觸發器電路如圖3.10所示。在輸入信號X0的控制下，輸出Y0不斷翻轉（ON/OFF…）。
 （3） 二分頻電路
 采用DF指令構成的二分頻電路如圖3.11所示。
 在t0時刻輸入X1接通前沿，內部繼電器R0接通一個掃描周期T，輸出Y1接通，常開觸點Y1閉合。當輸入X1的第二個脈沖到來時，內部繼電器R1接通，其常閉觸點R1打開使Y1斷開。從圖3.11的波形圖可以看到，輸出Y1波形的頻率為輸入X1波形頻率的一半。
 （4） 延時接通電路
 PLC中的定時器TIM與其他器件組合可構成各種時間控制電路。FP1系統PLC中的定時器是通電延時型定時器，定時器輸入信號一經接通，定時器的設定值不斷減1，當設定值減為零時，定時器才有輸出，此時定時器的常開觸點閉合，常閉觸點打開。當定時器輸入短開時，定時器復位，有當前值恢復到設定值，其輸出的常開觸點斷開，常閉觸點閉合。
 出入端X0接不帶自鎖按鈕開關，延時接通電路如圖3.12所示。當輸入X0端的輸入接通時，輸入繼電器的線圈X0接通，其常開觸點X0閉合，內部繼電器R0接通，其常開觸點R0閉合，接通定時器T0，T0的設定值K50開始遞減，減為零時，T0常開觸點閉合，輸出繼電器Y0延時5S后接通。當輸入端X1接通后，內部繼電器R0斷電，其常開觸點R0斷開，定時器T0復位，其輸出的常開觸點T0斷開，使輸出Y0為OFF。
3.4 幾個典型電路
3.4.1 具有電氣聯鎖的電動機正反轉控制電路
 具有電氣聯鎖的電動機正反轉控制線路電氣原理圖，如圖3.13（a）所示。PLC控制的輸入輸出接線圖如圖3.13（b）所示。梯形圖如圖3.13（c）所示。采用PLC控制的工作過程如下：
 合上電源開關QK，按下正向起動按鈕SB2，輸入繼電器X1的常開接點閉合，輸出繼電器Y0線圈接通并自鎖，接觸器KM1得電吸合，電動機正轉。與此同時，Y0的常閉接點斷開Y1的線圈，確保KM2不能吸合，實現電氣互鎖。按下反向起動按鈕SB3時，X2常開接點閉合，Y1線圈接通，KM2得電吸合，電動機反轉。與此同時，Y1的常閉接頭斷開Y0的線圈，KM1不能吸合，實現電氣聯鎖。停機時按下按鈕SB1，X0常閉接點斷開；過載時熱繼電器常開接點FR閉合，X3的常閉接頭斷開，這兩種情況都使Y0和Y1線圈斷開，進而使KM1和KM2失電釋放，電動機停下來。
3.4.2 兩臺電動機順序起動聯鎖控制電路
 這種線路的繼電接觸控制線路圖如圖3.14所示。PLC控制的輸入輸出接線如圖3。14（b）所示。梯形圖如圖3.14（c）所示，采用PLC控制的工作過程如下：
 合上電源開關QK，按下起動按鈕SB2，輸入繼電器X0常開接點閉合，輸出繼電器Y0線圈接通并自鎖，接觸器KM1得電吸合，電動機M1起動。同時Y0常開接點閉合，線圈接通并自鎖，KM2得電吸合，電動機M2起動。可見只有M1先起動，M2才能起動。按下停機按鈕SB1，X1常閉接點斷開；M1過載時，熱繼電器FR1常開觸點閉合，X2常閉接點斷開，這兩種情況都能使Y0、Y1、T0線圈回路斷開，KM1和KM2失電釋放，兩臺電動機都停下來。如果M2過載時，FR2和X3動作，Y1和KM2線圈回路都斷開，M2停轉，但M1仍繼續運行。
3.4.3 籠型電動機定子串自耦變壓器減壓起動自動控制線路
 對較大容量的220/380V籠型電動機不宜采用Y-D減壓限流起動方法，這時可采用自耦變壓器與時間繼電器控制電機減壓起動，如圖3.15(a)所示。采用PLC控制的輸入輸出接線如圖3.15(b)所示。相應的梯形圖如圖3.15(c)所示，PLC控制的工作過程如下：
 當按下SB2，X0接通R0線圈回路，R0常開接點閉合，R0自鎖，并使Y0線圈接通和KM1吸合，串入自耦變壓器減壓起動，15秒T0常閉接點動作，使Y0線圈回路斷開，從而使KM1失電釋放，自耦變壓器被切除，電動機起動完成，投入全電壓運行。定時器定時K值根據需要由用戶確定。停機時按下SB1，X1常閉接點斷開R0線圈回路，進而斷開Y1線圈回路使KM2失電釋放，電動機停轉。
3.4.4 電梯控制
 (1) 電梯控制要求
 1）開始時，電梯處于任意一層。
 2）當有外呼梯信號到來時，轎廂響應呼梯信號，到達該樓層時，轎廂停止運行，轎廂門打開，延時3S后自動關門。
 3）當有內呼梯信號到來時，轎廂響應該呼梯信號，到達該樓層時，轎廂停止運行，轎廂門打開，延時3S后自動關門。
 4）在電梯轎廂運行過程中，轎廂上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼梯信號均不響應，但如果某反向外呼梯信號前方再無其他內、外呼梯信號時，則電梯響應外呼梯信號。例如，電梯轎廂在1樓，將要運行到3樓，在此過程中可以響應2層向上外呼梯信號，但不響應2層下外呼梯信號。否則，電梯轎廂將繼續運行至4樓，然后向下運行響應3層向下外呼梯信號。
 5）電梯應當具有最遠反向外呼梯功能，例如，電梯轎廂在1樓，而同時有2層向下外呼梯，3層向下外呼梯，4層向下外呼梯，則電梯轎廂先去4樓響應4層向下外呼梯信號。
 6）電梯未平層或運行時，開門按鈕和關門按鈕均不起作用。平層且電梯轎廂停止運行后，按開門按鈕轎廂門打開，按開門按鈕轎廂門關閉。
 （2）I/O分配
 輸入                                輸出   
 1層內呼         X0                 1層內呼指示         Y0
 2層內呼         X1                 2層內呼指示         Y1
 3層內呼         X2                 3層內呼指示         Y2
 4層內呼         X3                 4層內呼指示         Y3
 1層外呼上       X4                 1層外呼上指示       Y4
 2層外呼下       X5                 2層外呼下指示       Y5
 2層外呼上       X6                 2層外呼上指示       Y6
 3層外呼下       X7                 3層外呼下指示       Y7
 3層外呼上       X8                 3層外呼上指示       Y8
 4層外呼下       X9                 4層外呼下指示       Y9
 開門開關        XA                 電梯轎廂上行         YA
 關門開關        XB                 電梯轎廂下行         YB
 1層平層         XC                 門電機開            YC
 2層平層         XD                 門電機關            YD
 3層平層         XE                 電梯上行指示        YE
 4層平層         XF                 電梯下行指示        YF
 開門限位         X10
 關門限位         X11
 轎廂上升極限位   X12
 轎廂下降極限位   X13
 （3）梯形圖
 電梯控制梯形圖程序如圖3.16所示
 
第四章 PLC編程在數控系統中的應用
4.1 PLC在數控系統點位控制系統中的應用
 數控系統按其控制方式劃分有點位控制系統、直線控制系統、連續控制系統。在機械加工時，數控系統的點位控制一般用在孔加工機床上（例如鉆孔、鉸孔、鏜孔的數控機床），其特點是機床移動部件能實現由一個位置到另一個位置的精確移動，即準確控制移動部件的終點位置，但并不考慮其運動軌跡，在移動過程中刀具不切削工件。
 實現數控系統點位控制的通常方法可以有兩種：一是采用全功能的數控裝置，這種裝置功能十分完善，但其價格卻很昂貴，而且許多功能對點位控制來說是多余的；二是采用單板機或單片機控制，這種方法除了要進行軟件開發外，還要設計硬件電路、接口電路、驅動電路，特別是要考慮工業現場中的抗干擾問題。
 由于可編程控制器（PLC）是專為在工業環境下應用而設計的一種工業控制計算機，具有抗干擾能力強、可靠性極高、體積小、是實現機電一體化的理想控制裝置等顯著優點，因此通過實踐與深入研究，本文提出了利用PLC控制步進電機實現數控系統點位控制功能的有關見解與方法，介紹了控制系統研制中需要認識與解決的若干問題，給出了控制系統方案及軟硬件結構的設計思路，對于工礦企業實現相關機床改造具有較高的應用與參考價值。
4.1.1 控制系統研制中需要認識與解決的若干問題
 1） 防止步進電機運行時出現失步和誤差
 步進電機是一種性能良好的數字化執行元件，在數控系統的點位控制中，可利用步進電機作為驅動電機。在開環控制中，步進電機由一定頻率的脈沖控制。由PLC直接產生脈沖來控制步進電機可以有效地簡化系統的硬件電路，進一步提高可靠性。由于PLC是以循環掃描方式工作，其掃描周期一般在幾毫秒至幾十毫秒之間，因此受到PLC工作方式的限制以及掃描周期的影響，步進電機不能在高頻下工作。例如，若控制步進電機的脈沖頻率為4000HZ，則脈沖周期為0.25毫秒，這樣脈沖周期的數量級就比掃描周期小很多，如采用此頻率來控制步進電機。則PLC在還未完成輸出刷新任務時就已經發出許多個控制脈沖，但步進電機仍一動不動，出現了嚴重的失步現象。若控制步進電機的脈沖頻率為100HZ，則脈沖周期為10毫秒，與PLC的掃描周期約處于同一數量級，步進電機運行時亦可能會產生較大的誤差。因此用PLC驅動步進電機時，為防止步進電機運行時出現失步與誤差，步進電機應在低頻下運行，脈沖信號頻率選為十至幾十赫茲左右，這可以利用程序設計加以實現。
 2）保證定位精度與提高定位速度之間的矛盾
 步進電機的轉速與其控制脈沖的頻率成正比，當步進電機在極低頻下運行時，其轉速必然很低。而為了保證系統的定位精度，脈沖當量即步進電機轉一個步距角時刀具或工作臺移動的距離又不能太大，這兩個因素合在一起帶來了一個突出問題：定位時間太長。例如若步進電機的工作頻率為20HZ，即50ms走一步，取脈沖當量為δ＝0.01mm/步，則1秒鐘刀具或工作臺移動的距離為20x0.01＝0.2mm，1分鐘移動的距離為60x0.2＝12mm，如果定位距離為120mm，則定位時間需要10分鐘，如此慢的定位速度在實際運行中是難以忍受的。 為了保證定位精度，脈沖當量不能太大，但卻影響了定位速度。因此如何既能提高定位速度，同時又能保證定位精度是一項需要認真考慮并切實加以解決的問題。
 3）可變控制參數的在線修改
 PLC應用于點位控制時，用戶顯然希望當現場條件發生變化時，系統的某些控制參數能作相應的修改，例如步進電機步數的改變，速度的調整等。為滿足生產的連續性，要求對控制系統可變參數的修改應在線進行。盡管使用編程器可以方便快速地改變原設定參數，但編程器一般不能交現場操作人員使用；雖然利用PLC的輸入按鍵并配合軟件設計也能實現控制參數的在線修改，但由于PLC沒有提供數碼顯示單元，因此需要為此單獨設計數碼輸入顯示電路，這又將極大地占用PLC的輸入點，導致硬件成本增加，而且操作不便，數據輸入速度慢。所以，應考慮開發其他簡便有效的方法實現PLC的可變控制參數的在線修改。
 4）其他問題
 為了實現點位控制過程中數字變化的顯示及故障輸出代碼的顯示等要求，另外還得單獨設計PLC的數碼輸出顯示電路。由于目前PLC I/O點的價格仍較高，因此應著重考慮選用能壓縮顯示輸出點的合適方法。此外，為保證控制系統的安全與穩定運行，還應解決控制系統的安全保護問題，如系統的行程保護、故障元件的自動檢測等。
4.1.2 控制系統方案
 1） 將定位過程劃分為脈沖當量不同的兩個階段
 要獲得高的定位速度，同時又要保證定位精度，可以把整個定位過程劃分為兩個階段：粗定位階段和精定位階段。這兩個階段均采用相同頻率的脈沖控制步進電機，但采用不同的脈沖當量。粗定位階段：由于在點位過程中，刀具不切削工件，因此在這一階段，可采用較大的脈沖當量，如0.1mm/步或1mm/步，甚至更高。例如步進電機控制脈沖頻率為20HZ，脈沖當量為0.1mm/步，定位距離為120mm，則走完全程所需時間為1分鐘，這樣為速度顯然已能滿足要求。精定位階段：當使用較大的脈沖當量使刀具或工作臺快速移動至接近定位點時，（即完成粗定位階段），為了保證定位精度，再換用較小的脈沖當量進入精定位階段，讓刀具或工作臺慢慢趨近于定位點，例如取脈沖當量為0.01mm/步。盡管脈沖當量變小，但由于精定位行程很短（可定為全行程的五十分之一左右），因此并不會影響到定位速度。
 為了實現上述目的，在機械方面，應采用兩套變速機構。在粗定位階段，由步進電機直接驅動刀具或工作臺傳動，在精定位階段，則采用降速傳動。這兩套變速機構使用哪一套，由電磁離合器控制。
 2）應用功能指令實現BCD碼撥盤數據輸入
 目前較為先進的PLC不僅具有滿足順序控制要求的基本邏輯指令，而且還提供了豐富的功能指令。如果說基本邏輯指令是對繼電器控制原理的一種抽象提高的話，那么功能指令就象是對匯編語言的一種抽象提高。BCD碼數據撥盤是計算機控制系統中常用到的十進制撥盤數據輸入裝置。撥盤共有0~9+個位置，每一位置都有相應的數字指示。一個撥盤可代表一位十進制數據，若需輸入多位數據，可以用多片BCD碼撥盤并聯使用。 選用BCD碼撥盤裝置應用于PLC控制的系統，這樣無需再設計數碼輸入顯示電路，有效地節省了PLC的輸入點，簡化了硬件電路，因此能極方地實現數據的在線輸入或修改（如計數器設定值的修改等），若配合簡單的硬件譯碼電路，就可顯示有關參數的動態變化（如電機步數的遞減變化等）。為避免在系統運行中撥動撥盤可能給系統造成的波動，最好設置一輸入鍵，當確認各片撥盤都撥到位后再按該鍵，這時數據才被PLC讀入并處理。
 3）“軟件編碼、硬件解碼”
 為滿足壓縮輸出點這一前提條件，采用“軟件編碼、硬件解碼”的方法設計PLC的數碼輸出顯示電路。例如，對于9種及其以下的故障狀態顯示，可采用8-4軟件編碼，4-8硬件解碼，使顯示故障的輸出點壓縮為4個，硬件電路包含74LS04、74LS48、共陰數碼管等器件。
 4） PLC外部元件故障的自動檢測
 由于PLC具有極高的可靠性，因此PLC控制系統中絕大部分的故障不是來自PLC本身，而是由于外部元件故障引起的，例如常見的按鈕或行程開關觸點的熔焊及氧化就分別對應著短路故障及開路故障。系統一旦自動檢測到元件故障，應不僅具有聲光報警功能，而且能立即顯示故障代碼，以便用戶據此迅速判斷出故障原因。
4.1.3 控制系統的軟件結構
 軟件結構根據控制要求而設計，主要劃分為五大模塊：即步進電機控制模塊、定位控制模塊、數據撥盤輸入及數據傳輸模塊、數碼輸出顯示模塊、元件故障的自動檢測與報警模塊。 由于整個軟件結構較為龐大，脈沖控制器產生0.1秒的控制脈沖，使移位寄存器移位，提供六拍時序脈沖，通過三相六拍環形分配器使三個輸出繼電器Y430、Y431、Y432按照單雙六拍的通電方式控制步進電機。為實現定位控制，采用不同的計數器分別控制粗定位行程和精定位行程，計數器的設定值依據行程而定。例如，設刀具或工作臺欲從A點移至C點，已知AC＝200mm，把AC劃分為AB與BC兩段，AB＝196mm，BC＝4mm，AB段為粗定位行程，采用0.1mm/步的脈沖當量快速移動，利用了6位計數器（C660/C661），而BC段為精定位行程，采用0.01mm/步的脈沖當量精確定位，利用了3位計數器C460，在粗定位結束進入精定位的同時，PLC自動接通電磁離合器輸出點Y433以實現變速機構的更換。
4.1.4 結束語
 系統試驗表明，本文提出的應用PLC控制步進電機實現數控系統點位控制功能的方法能滿足控制要求，在實際運行中是切實可行的。所研制的控制系統具有程序設計思路清晰、硬件電路簡單實用、可靠性高、抗干擾能力強，具有良好的性能價格比等顯著優點，其軟硬件的設計思路可應用于工礦企業的相關機床改造。
4.2  PLC編程在幾個典型控制系統中的應用
 各系統廠家都有自己的PLC控制系統，也有自己的編程工具，對用戶都提供了標準的PLC應用實例和適應不同需要的子程序庫，一般用戶無需也不能修改PLC程序，但能通過PLC接口診斷到機床的一些故障，這對操作人員是有很大幫助的。
 PLC程序的表達方式有梯形圖、語句表和流程圖，不同類型PLC的程序指令表述不盡相同，但它們的實質都是一致的。PLC程序指令有基本指令和功能指令。在數控機床中，為了實現某一功能，往往采用相應功能指令，如譯碼、比較、數據傳送、數據檢索及刀庫旋轉控制等，但要注意功能指令執行的條件、參數設置等問題。對于已學習過PLC程序設計的學習者，下面介紹幾種典型控制系統。
4.2.1 主軸定向控制
 加工中心在進行加工時，自動交換刀具或精鏜孔時要用到主軸定向功能，其控制梯形圖如圖4.1所示。（本章圖見附錄）
 圖中M06是換刀指令，M19是主軸定向指令，這兩個信號作為主軸定向控制的指令信號。AUTO為自動工作狀態信號，手動時AUTO為“0”，自動時為“1”。RST為CNC系統的復位信號。ORCM為主軸定向繼電器，其觸點輸出到機床，以控制主軸定向。ORAR為從機床側輸入的“定向到位”信號。
 為了檢測主軸定向是否在規定的時間內完成，這里應用了功能指令TMR進行定時操作。整定時限為4.5S。如在4.5S內不能完成定向控制，將發出報警信號，R1即為報警繼電器。
 主軸正/反轉及齒輪換擋控制
 主軸換擋結構如圖4.2所示，控制梯形圖如圖4.3所示。
 圖4.3中各信號含義如下：
 HS.M 手動操作開關
 AS.M 自動操作開關
 CW.M 主軸正轉按鈕
 CCW.M 主軸反轉按鈕
 OFF.M 主軸停轉按鈕
 SPLGEAR 齒輪低速換擋到位開關
 SPHGEAR 齒輪高速換擋到位開關
 LGEAR 手動低速換擋操作開關
 HGEAR 手動高速換擋操作開關
 程序中應用了譯碼和延時2個功能指令。所涉及的M功能是：
 M03 主軸正轉
 M04 主軸反轉
 M05 主軸停轉
 M41 主軸齒輪低速換擋
 M42 主軸齒輪高速換擋
 由梯形圖控制可知，若在預定時間內齒輪換擋不成功，則通過時間繼電器TM01常開觸點的延時閉合，送出主軸錯誤信號SPERR。
 在主軸正/反轉控制和高、低速換擋控制梯形圖中，都有邏輯互鎖關系，以免造成控制功能切換時發生故障。在執行電路中，主軸正/反轉接觸器電路中還要加上相應的互鎖環節，以提高互鎖的可靠性。
4.2.2 刀庫自動選刀控制
 在具有自動換刀的數控機床上，刀庫選刀控制（T）指令和刀具交換控制（M06）指令是PLC控制的重要部分。目前刀庫選刀一般有兩種控制方式：一是刀套編碼方式的固定選刀，二是隨機選刀。
刀套編碼方式
 刀套編碼方式是對刀庫中的刀套進行編碼，并將與刀套編碼相對應的刀具一一放入指定的刀套中，然后根據刀套的編碼選取刀具。圖4.4 所示為采用刀套編碼的選刀控制。
 圖中，如采用與刀庫同時旋轉的絕對值編碼器，則01-12刀套編號對應的BCD碼為0000-1100，①-12為刀具編號，刀具編號與刀套編號一一對應。當執行M06 T04指令時，首先將刀套7轉至換刀位置，由換刀裝置將主軸中的7號刀裝入7號刀套內，隨后刀庫反轉，使4號刀套轉至換刀位置，由換刀裝置將4號刀裝入主軸內。由此可以看出，刀套編碼方式的特點是只認刀套不認刀具，刀具在自動交換過程中必須將用過的刀具放回原來的刀套內。當刀庫選刀采用刀套編碼方式控制時，要防止把刀具放入與編碼不符的刀套內而引起的事故。
隨機換刀
 在隨機換刀方式中，刀庫上的刀具能與主軸的刀具任意地直接交換。隨機換刀控制方式需要在PLC內部設置一個模擬刀庫的數據表，其長度和表內設置的數據與刀庫的位置數和刀具號相對應。圖4.5所示為隨機換刀方式刀庫，表4.6為刀號數據表。
 數據表的表序號與刀庫刀套編號相對應，每個表序號中的內容就是對應刀套中所插的刀具號，如圖4.5中，0-8為刀套號，也是數據表序號，其中0是將主軸作為刀庫中的一個刀套。11-19為刀具號。由于刀具數據表實際上是刀庫中存放刀具的一中映像，所以數據表與刀庫中刀具的位置應始終保持一致，對刀具的識別實質上轉變為對刀庫位置的識別。當刀庫旋轉時，每個刀套通過換刀（比較值地址）時，由外部檢測裝置產生一個脈沖信號送到PLC，作為數據表序號指針，通過換刀位置時的計數值總是指示刀庫的現在位置。
 當PLC接到尋找新刀具的指令（TXX）后，在模擬刀庫的刀號數據表中進行數據檢索，檢索到T代碼給定的刀具號，將該刀具號所在數據表中的表序號放在一個地址單元中，這個表序號就是新刀具在刀庫的目標位置。刀庫旋轉后，測得刀庫的實際位置與刀庫目標位置一致時，即識別了所要尋找的新刀具，刀庫停轉并定位，等待換刀。在執行M06指令時，機床主軸準停，機械手執行換刀動作，將主軸上用過的舊刀和刀庫上選好的新刀進行交換。與此同時，修改現在位置地址中的數據，確定當前換刀位置的刀套號。
 在FANUC PLC中，應用數據檢索功能指令（DSCH）、符合檢查功能指令（COIN）、旋轉指令（ROT）、邏輯“與”和后傳輸指令（MOVE），即可完成上述隨機換刀控制。
 現根據圖4.5和表4.6，執行M06 T14換刀指令。換刀結果：刀庫中的 T14 刀裝入主軸，主軸中原 T12 插入刀庫6號刀套內。控制梯形圖如圖4.7所示。
 圖中，換刀位置（刀庫現在位置）的地址為0164，在COIN功能指令中作為比較值地址，該地址內的數據為在換刀位置的刀套號（數據表序號），其值由外部計數裝置根據刀庫旋轉方向進行加1或減1計數。圖中所示的當前刀套號為5，該值以2位BCD碼的形式（0000 0101）存入0164地址中。
 在DSCH功能指令中，參數1為數據表容量，本例刀庫共有9把刀，建立的刀號數據表只有9個數，故本參數設定值為0009；參數2為數據表的頭部地址，本參數為0172；參數3為檢索數據地址，其作用就是將T指令中的14號刀從數據表中檢索出來，并將14號刀以2位BCD碼的形式（0001 0100）存入0117地址單元中，故本參數為0117；參數4為檢索結果輸出地址，其作用就是將14號刀所在數據表的序號6以2位BCD碼的形式（0000 0101）存入到0151地址單元中，故本參數為0151。
 上電后，常閉觸點A（128.1）斷開，故DSCH功能指令按2位BCD碼處理檢索數據。當CNC讀到T14指令代碼信號時，將此信息傳入PLC。TF（114.3）閉合，開始T代碼檢索，將14號刀號存入0117地址，數據表序號6存入0151，同時TERR（128.2）置“1”。
 在COIN功能指令中，由控制條件可知，參數1和參數2分別為參考值地址0151和比較值地址0164，并按2位BCD形式進行處理，其中0151存放的是指令刀號14，而0164存放的是當前刀套數據表序號6。
 當TERR由DSCH指令置“1”后，COIN指令即開始執行。因地址0151與0164內部數據不一致，則輸出 TCOIN（128.3）為“0”，作為刀庫旋轉 ROT 功能指令的啟動條件。
 在 ROT 功能指令中，計算刀套的目標位置與現在位置之間相差的步數或位置號，并把它置入計算結果地址，可以實現最短路徑將刀庫旋轉至預期位置。參數 1 為旋轉檢索數，即旋轉定點位數，對本例，該參數為8；參數2為現在位置的地址，因當前刀套號5存放0164地址內，故參數2為0164；參數3為目標位置的地址，因指令要求T14號刀具的刀套號6存在0151地址內，故參數3為0151；參數4為計算結果輸出地址，本例選定為0152。
 當刀具判別指令執行后，TCOIN（128.3）輸出為“0”，其常閉觸點閉合，TF（114.3）此時仍為“1”，故ROT指令開始執行。根據ROT控制條件的設定，計算出刀庫現在位置與目標位置相差步數為“1”，將此數據存入0152地址，并選擇出最短旋轉捷徑，使REV（128.4）置“0”，正向旋轉方向輸出，通過CW.M正向旋轉繼電器，驅動刀庫正向旋轉一步，即找到6號刀位。
 在本梯形圖中MOVE指令的功能是修改換刀位置的刀套號。換刀前的刀套號5已由換刀后的刀套號6替代，故必須將地址0151內的數據照全樣傳輸到0164地址中。因此MOVE指令中的參數1（高4位）、參數2（低4位）均采用全“1”，經與0151地址內數據6（BCD碼0000 0110）相“與”后，其值不變，照原樣傳送到0164地址中。當刀庫正轉一步到位后，ROT指令執行完畢。此時T功能完成信號TFIN（128.5）的常開觸點使MOVE指令開始執行，完成數據傳送任務。
 下一掃描周期，COIN判別執行結果，當兩者相等時，使TCOIN置“1”，切斷ROT指令和CW。M控制，刀庫不再回轉，同時給出TFIN信號，報告T功能已完成，可以執行M06換刀指令。
 當M06執行后，必須對刀號及數據表進行修改，即序號0的內容改為刀具號14，序號6的內容改為刀具號12。
4.2.3 潤滑系統自動控制
 圖4.8為某數控機床的電氣控制原理圖，圖4.9為該潤滑系統控制流程圖，圖4.10為該潤滑系統PLC控制梯形圖。
潤滑系統正常工作時的控制程序
 按運轉準備按鈕SB8，23N行X17.7為1，使輸出信號Y86.6接通中間繼電器KA4，KA4觸點又接通繼電器KM4，使潤滑電動機M4起動運行，23P行的Y86.6觸點自鎖。
 當Y86.6為1時，24A 行Y86.6觸點閉合，TM17號定時器（R613.0）開始計時，設定時間為15S（通過MDI面板設定），到達15S后，TM17為1，23P行的R613.0觸點斷開，Y86.6為0，潤滑電動機停止運行，同時也使24D行輸出R600.2為1并自鎖。
 24F 行的R600.2為1，使TM18定時器開始計時，計時時間設定為25 min ，到達時間后，輸出信號R613.1為1，使24G行的R613.1觸點閉合，Y86.6輸出并自鎖，潤滑電動機M4重新起動運行，重復上述控制過程。
潤滑系統出現故障時的監控
 當潤滑油路出現泄露或壓力開關SP2失靈時，M4已運行15S，但壓力開關SP2未閉 合，24B行的X4.5觸點未打開，R600.3為1并自鎖，一方面使24I行R616.7輸出為1，使23N行616.7觸點打開，斷開潤滑電動機。另一方面24M行616.7觸點閉合，使Y48.0輸出為1，接通報警信號燈（發光二極管HL1亮），并通過TM02、TM03定時器控制，使信號報警燈閃爍。
 當潤滑油路堵塞或壓力開關失靈的情況下，在M4已停止運行25min后，壓力開關SP2未閉合，則24G行的X4.5閉合，R600.4輸出為1，同樣使24I行的R616.7輸出為1，結果與第一種情況相同，使潤滑電動機不再起動，并報警。
 如果潤滑油不足，液位開關SL閉合，24J行的X4.6閉合，同樣使R616.7為1，斷開M4并報警。
 潤滑電動機M4過載，QF4斷開M4的主電路，同時QF4的輔助觸點合上，使24I行的X2.5合上，同樣使R616.7為1，斷開M4的控制電路并同時報警。
 通過24P、25A、25B、25C行，將四種報警狀態傳輸到R652地址中的高4位中，可通過CRT/MDI檢查診斷地址DGN N0652的對應位狀態，如哪一位為1，即是納一項的故障從而確認報警時的故障原因。

第五章 PLC的維護
5.1 PLC常見故障處理
 維護概述
 一般各型PLC（以下以無錫華光電子工業有限公司生產的SR系列PLC，做為描述樣板，其余各型PLC大同小異）均設計成長期不間斷的工作制。但是，偶然有的地方也需要對動作進行修改，迅速找到這個場所并修改它們是很重要的。修改發生在PLC以外的 動作需要許多時間。
 查找故障的設備
 SR PLC的指示燈及機內設備，有益于對PLC整個控制系統查找故障。編程器是主要的診斷工具，他能方便地插到PLC上面。在編程器上可以觀察整個控制系統的狀態，當您去查找PLC為核心的控制系統的故障時，作為一個習慣，您應帶一個編程器。
 基本的查找故障順序
 提出下列問題，并根據發現的合理動作逐個否定。一步一步地更換SR中的各種模塊,直到故障全部排除。所有主要的修正動作能通過更換模塊來完成。 除了一把螺絲刀和一個萬用電表外，并不需要特殊的工具，不需要示波器，高級精密電壓表或特殊的測試程序。
 1、PWR（電源）燈亮否？如果不亮，在采用交流電源的框架的電壓輸入端（98-162VAC或195-252VAC）檢查電源電壓；對于需要直流電壓的框架， 測量+24VDC和0VDC端之間的直流電壓，如果不是合適的AC或DC電源，則問題發生在SR PLC之外。如AC或DC電源電壓正常，但PWR燈不亮，檢查保險絲， 如必要的話，就更換CPU框架。
 2、PWR（電源）燈亮否？如果亮，檢查顯示出錯的代碼，對照出錯代碼表的代碼定義，做相應的修正。
 3、RUN（運行）燈亮否？如果不亮，檢查編程器是不是處于PRG或LOAD位置，或者是不是程序出錯。如RUN燈不亮，而編程器并沒插上，或者編程器處于RUN方式 且沒有顯示出錯的代碼，則需要更換CPU模塊。
 4、BATT（電池）燈亮否？如果亮，則需要更換鋰電池。由于BATT燈只是報警信號，即使電池電壓過低，程序也可能尚沒改變。更換電池以后， 檢查程序或讓PLC試運行。如果程序已有錯，在完成系統編程初始化后，將錄在磁帶上的程序重新裝入PLC。
 5、在多框架系統中,如果CPU是工作的,可用RUN`繼電器來檢查其它幾個電源的工作。如果RUN繼電器未閉合(高阻態),按上面講的第一步檢查AC或DC電源如AC 或DC電源正常而繼電器是斷開的,則需要更換框架。
5.2 一般查找故障步驟
 其他步驟于用戶的邏輯知識有關。下面的一些步驟，實際上只是較普通的，對于您遇到的特定的應用問題，尚修改或調整。查找故障的最好工具就是 您的感覺和經驗。首先，插上編程器，并將開關打到RUN位置，然后按下列步驟進行。
 1、如果PLC停止在某些輸出被激勵的地方，一般是處于中間狀態，則查找引起下一步操作發生的信號（輸入，定時器，線川，鼓輪控制器等）。 編程器會顯示那個信號的ON/OFF狀態。
 2、如果輸入信號，將編程器顯示的狀態與輸入模塊的LED指示作比較，結果不一致，則更換輸入模塊。入發現在擴展框架上有多個模塊要更換， 那么，在您更換模塊之前，應先檢查I/O擴展電纜和它的連接情況。
 3、如果輸入狀態與輸入模塊的LED指示指示一致，就要比較一下發光二極管與輸入裝置（按鈕、限位開關等）的狀態。入二者不同，測量一下輸入 模塊，如發現有問題，需要更換I/O裝置，現場接線或電源；否則，要更換輸入模塊。
 4、如信號是線川，沒有輸出或輸出與線川的狀態不同，就得用編程器檢查輸出的驅動邏輯，并檢查程序清單。檢查應按從有到左進行， 找出第一個不接通的觸點，如沒有通的那個是輸入，就按第二和第三步檢查該輸入點，如是線川，就按第四步和第五步檢查。要確認使主控繼電器步影響邏輯操作。
 5、如果信號是定時器，而且停在小于999.9的非零值上，則要更換CPU模塊。
 6、如果該信號控制一個計數器，首先檢查控制復位的邏輯，然后是計數器信號。按上述2到5部進行。
5.3 組件的更換
 下面是更換SR-211PC系統的步驟
5.3.1 更換框架
 1、切斷AC電源 ；如裝有編程器，拔掉編程器 。
 2、從框架右端的接線端板上，拔下塑料蓋板，拆去電源接線。
 3、拔掉所有的I/O模塊。如果原先在安裝時有多個工作回路的話，不要搞亂IU/O的接線，并記下每個模塊在框架中的位置，以便重新插上時不至于搞錯。
 4、如CPU框架，拔除CPU組件和填充模塊。將它放在安全的地方，以便以后重新安裝。
 5、卸去底部的二個固定框架的螺絲，松開上部二個螺絲，但不用拆掉。
 6、將框架向上推移一下，然后把框架向下拉出來放在旁邊。
 7、將新的框架 從頂部螺絲上套進去，
 8、裝上底部螺絲，將四個螺絲都擰緊。
 9、插入I/O模塊，注意位置要與拆下時一致。
 如果模塊插錯位置，將會引起控制系統危險的或錯誤的操作，但不會損壞模塊。
 10、插入卸下的CPU和填充模塊。
 11、在框架右邊的接線端上重新接好電源接線，再蓋上電源接線端的塑料蓋。
12、檢查一下電源接線是否正確，然后再通上電源。仔細地檢查整個控制系統的工作，確保所有的I/O模塊位置正確，程序沒有變化。
5.3.2 CPU模塊的更換
 1、切斷電源，如插有編程器的話，把編程器拔掉。
 2、向中間擠壓CPU模塊面板的上下緊固扣，使它們脫出卡口。
 3、把模快從槽中垂直拔出。
 4、如果CPU上裝著EPROM存儲器，把EPROM拔下，裝在新的CPU上。
 5、首先將印刷線路板對準底部導槽。將新的CPU模塊插入底部導槽。
 6、輕微的晃動CPU模塊，使CPU模塊對準頂部導槽。
 7、把CPU模塊插進框架，直到二個彈性鎖扣扣進卡口。
 8、重新插上編程器，并通電。
 9、在對系統編程初始化后，把錄在磁帶上的程序重新裝入。檢查一下整個系統的操作。
5.3.3 I/O模塊的更換
 1、切斷框架和I/O系統的電源。
 2、卸下I/O模塊接線端上塑料蓋。拆下有故障模塊的現場接線。
 3、拆去I/O接線端的現場接線或卸下可拆卸式接線插座，這要視模塊的類型而定。給每根線貼上標簽或記下安裝連線的標記，以便于將來重新連接。
 4、向中間擠壓I/O模塊的上下彈性鎖扣，使它們脫出卡口。
 5、垂直向上拔出I/O模塊。
第六章 總結
 通過這次畢業設計，我了解了PLC的原理，編程方法，及其在工程實踐、生產生活中的應用。初步學會了PLC的編程方法，對其原理和市場有了一些認識。在這個過程中，開闊了我的眼界，鍛煉了我的思維能力，讓我在今后的工作、學習中受益匪淺。
 現在PLC有出現了一些著名類型，如三菱小型PLC系列，德國西門子系列等。
 由于PLC自身的一些固有特點以及科學技術的發展，PLC的發展前景是十分可觀的，相信隨著現代工業的快速發展，PLC所起的作用將會越來越大。
 在這里感謝周廣宏老師對我的指導和幫助，同時感謝在PLC領域的各位前輩，正是他們的辛勤勞動成果使我能夠有所參考，完成本次畢業設計。
 
 

參考文獻
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