基于PLC的加工中心控制系统的设计.docx

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基于PLC的加工中心控制系统的设计

摘要

可编程控制器有于其在工业控制方面的应用意义日趋明显，并在发电、化工、电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用。

它具有功能强大、使用可靠、维修简单等许多优点，并且在很多地方已逐步取代了继电器电路的逻辑控制。

而本文讨论的是PLC在实际工业控制系统的应用。

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。

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展开叙述。

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。

关键词：

可编程控制器，A1SJ71E71，多线程，Socket套接字

THEDESIGNANDOFPROCESSTHECENTEROFJIANGNAN’SCONTROLTHESYSTEMS

Abstract

Appliedmeaningthatprogrammablecontrollerhaveinitscontroltheaspectintheindustrygraduallyobvious,combineatgenerateelectricity,chemicalengineering,electronicsetc.professioncrafttheequipments'selectricitycontroltheaspectgottheextensiveapplication.Ithavethefunctionstrongandbig,theusageisdependable,maintainthemanyadvantageofsimpleetc.,andalreadyandgraduallyreplacedafterthelogiccontroloftheelectricapplianceselectriccircuitinalotofplaces.

ButwhatthetextdiscussisaPLCintheactualindustrytocontrolthesystem'sapplication.HeavyworklimitedcompanyofJiangNanisbecauseoftheindustrialstructurethatvarietythatdevelopment,decisionestablishastalktoprocessthecenterisonoriginallypossessedofthefoundationthatthemachinemanufacturingthecentthefactorywiththebusiness.Becausewholestalkprocessthecenterisatgraduallydevelopmentswithintheameliorativeprocess,themanydesignstilldidnotputintoexecution.Thistextonlypassesthesomesetequipmentstheelectricitycontrolthesystemsofinaspecificwayreformtobeusedasthepointtolaunchthedescription.Thenetworkcorrespondenceofwholecentermanageswiththenetworkthistextwillmakethefirststep'sdescriptioninthefourth,chapter5withstudy.

Keyword:

Programmablecontroller,A1SJ71E71,themulti-lineorder,Socketword

第一章：

绪论

1.1：

PLC技术基本原理

可编程控制器是计算机家族中的一员。

于上个世纪中后叶被发明后，在机床、各种流水线的输送机械、发电、化工、电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用，早期的可编程控制器被称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）,既简称为PLC。

它具有功能强大、使用可靠、维修简便许多优点。

而对于传统的继电器电路来说，它难以实现复杂逻辑功能的和数字式控制，而且要实现一定规模的逻辑控制功能不仅设计繁琐，难以实现升级，而且易发故障，维修复杂，现在已被大中型设备的控制系统所抛弃。

而PLC正被广泛的应用并且已逐步取代了继电器电路的逻辑控制。

随着科学技术不断的飞跃发展，PLC也不断得到完善和强大，同时它的功能也大大超过了逻辑控制的范围，如联网通信功能和自诊断功能等。

因此今天这种装置被我们称作可编程控制器，不过我们还是习惯简称这种装置为PLC。

1.1.1.PLC的体系结构

PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一致的。

如图1.1.1所示：

图1.1.1PLC硬件的基本结构

一：

中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。

它按照PLC系统程序赋予的功能，接受并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能检查用户程序的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接受现场各输入装置的的状态和数据，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术运算等任务。

并将逻辑或算术运算等结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕以后，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，直到停止运行为止。

二存储器

与微型计算机一样，除了硬件以外，还必须有软件。

才能构成一台完整的PLC。

PLC的软件分为两部分:

系统软件和应用软件。

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为应用程序存储器。

PLC存储空间的分配：

虽然大、中、小型PLC的CPU的最大可寻址存储空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：

系统程序存储区，系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）和用户程序存储区。

A.系统程序存储区

在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。

它包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。

由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能够直接存取。

它和硬件一起决定了该PLC的各项功能。

B.系统RAM存储区

系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备（列如：

逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）存储区。

（1）I/O映象区

由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。

因此，它需要有一定数量的存储单元（RAM）以供存放I/O的状态和数据，这些存储单元称作I/O映象区。

一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit）,一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（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”。

a.逻辑线圈:

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。

b.数据寄存器:

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。

c.计时器逻辑线圈:

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。

三.PLC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。

1.1.2.PLC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1.1.2所示。

图1.1.2PLC的扫描运行方式

一.输入采样阶段

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。

二.用户程序执行阶段

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。

三.输出刷新阶段

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。

1.2：

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。

1.3：

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

2.1：

A系列PLC

A系列PLC如：

QnAS/AnASCPU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0.15微秒。

2.1.1A系列PLC的主要特点

它的主要有以下几点：

1.高速处理。

A2ASCPU处理顺序指令的速度快达0.2微秒/步，而QnAS

可达0.075微秒/步。

当然其它指令也有着极高的速度。

2.A2ASCPU高级应用指令：

支持32个PID回路、浮点运算、三角函数等。

QnASCPU的PID回路随着内存容量的大小而改变，如内存有1MByte，则可以支持2048个回路。

3.多种输入输出模块：

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。

4.多达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，CC-LINK，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。

2.1.2.PLC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）。

D.ORB/ANB

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。

E.OUT、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

A.读取数据指令FROM，其梯形图如图2.1.2（a）所示：

图2.1.2（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。

B.发送数据指令TO，其梯形图如图2.1.2（b）所示：

图2.1.2（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。

C.数据传送指令，其梯形图如图2.1.2（c）所示：

图2.1.2（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。

2.2：

PLC的MELSECNET网络通信

2.2.1.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1.25Mbps。

其拓扑结构如图2.2.1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。

图2.2.1MELSECNET的拓扑结构

2.2.2.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。

2.2.3.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。

2.3：

PLC的以太网通信

2.3.1.网络框架

三菱PLC以太网通信模块A1SJ71E71的出现，使得A系列的PLC可作为一个接点连接到以太网上，局域网中最多可与8台计算机相连，通信速率可达10Mbps。

它支持TCP/IP、UDP/IP两种协议。

图2.3.1给出了典型的基于PLC的以太网连接图。

图2.3.1三菱PLC以太网连接示意图

2.3.2.A1SJ71E71的三种数据通信方式

一.通过握手方式与特定节点进行通信。

A系列PLC通过于特定节点握手方式能够向E71的固定缓存读写数据。

A1SJ71E71的固定缓存有8个，每个2K字节。

而个固定缓存只能与一个节点通信，所以PLC最多与8个节点进行数据通信。

二.随机访问缓存的通信。

A1SJ71E71共有两个随机访问的缓存，每个6K字节。

所有其它的节点都能读这个缓存。

.随机访问缓存就象所有节点所共有的缓存一样，读取很方便。

三.用其它节点的请求直接通信。

一收到其它节点的读写请求，A1SJ71E71就进行相应的读写操作。

并发回相应表示读写是否成功。

综合上述三种通信方式，我们可以给出在以太网中实现与A系列PLC通信的软件结构图。

如图2.3（a）所示。

图2.3（a）A系列PLC通信的软件结构图

2.4.3.A1SJ71E71的I/O信号和缓存

A1SJ71E71模块有32个I/O点（16个输入，16个输出）。

这些信号用来完成A1SJ71E71和PLC之间的通信。

而A1SJ71E71的缓存是通信中用来数据交换以及进行初始化设置的地方。

它包括初始化参数区、通信初始化、状态存储区、固定缓存和两个自由访问缓存。

2.4.4.A1SJ71E71的通信协议

如前所述，A1SJ71E71有三种不同的通信方式，对应不同的通信协议。

使用第三种通信方式既用其它节点的请求方式访问A1SJ71E71最为简洁，我们决定采用这种通信方式。

一.数据通信格式：

如图2.3（b）所示：

帧头部是用来选择TCP/IP和UDP/IP协议，A1SJ71E71会自动为应用数据加上头部，因此用户不需设置头部。

图2.3（b）通信格式

二.应用数据格式：

由于A1SJ71E71支持二进制和ASCII码的通信格式。

所以它的应用数据格式如图2.3.2（b）所示有两种。

其中，子头部表示通信要实现的功能，随着通信访问功能的不同而不同。

例如，二进制03H表示写数据到数据寄存器的命令，83H表示写数据到数据寄存器的命令的响应。

其对应的ASCII码格式分别为：

30H、33H以及38H、33H。

三.正文的格式：

A系列的PLC设备标示根据约定可知，数据寄存器D用代码44H、20H表示。

而逻辑位M则用代码4DH、20H表示。

另外在正文中还需标识要读写数据的长度、起始地址和看门狗时间等设置。

例如要向PLC的D100写入1234H。

其中写入命令帧和响应帧格式如下。

写入命