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PLC前沿技術(shù)討論
托馬斯.J.拜耶斯 美國(guó) 普林斯頓大學(xué) 電氣測(cè)試與應(yīng)用專業(yè)
Email：t_byers@hotmail.com
2011.10.31接收，2011.11.1修改2011.11.9收錄
摘要
這篇文章主要介紹基于PLC控制系統(tǒng)的對(duì)傳統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。為了整體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，必須分作兩部分介紹，第一部分是PLC軟件設(shè)計(jì)，第二部分是基于試驗(yàn)程序相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)。該P(yáng)LC系統(tǒng)使用LS工業(yè)控制系統(tǒng)公司的GM7-DR40A系列24/16數(shù)字端口以及單一類似I/O模塊，兩個(gè)atonic公司的光電傳感器：一個(gè)要有BR100-DDT-P模型，另一個(gè)要有BEN10M-TFR模型。一個(gè)測(cè)試過(guò)的具有5向靈敏度的接近開(kāi)關(guān)。四個(gè)由CD4511B驅(qū)動(dòng)的7段BCD-CMOS管。兩極和三極繼電器各一個(gè)，六個(gè)電壓表和一個(gè)電流表。一個(gè)直流電機(jī)一個(gè)24V直流電源，導(dǎo)線若干，按鈕若干。通過(guò)執(zhí)行24組經(jīng)典控制實(shí)驗(yàn)可以得到可信的結(jié)果，以前由PID實(shí)現(xiàn)的實(shí)用系統(tǒng)現(xiàn)在可以由PLC實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：PLC控制系統(tǒng) 光電傳感器
1．PLC介紹
PLCS（可編程邏輯控制器）是用于各種自動(dòng)控制系統(tǒng)和過(guò)程的可控網(wǎng)絡(luò)集線器。他們包含多個(gè)輸入輸出，輸入輸出是用晶體管和其它電路，模擬開(kāi)關(guān)和繼電器來(lái)控制設(shè)備的。PLCS用軟件接口，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算器接口，專門的語(yǔ)言和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備編程。
可編程邏輯控制器I/O通道規(guī)則包括所有的輸入觸點(diǎn)和輸出觸點(diǎn)，擴(kuò)展能力和最大數(shù)量的通道。觸點(diǎn)數(shù)量是輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)的總和。PLCS可以指定這些值的任何可能的組合。擴(kuò)展單元可以被堆?；蚧ハ噙B接來(lái)增加總的控制能力。最大數(shù)量的通道是在一個(gè)擴(kuò)展系統(tǒng)中輸入和輸出通道的最大總數(shù)量。PLC系統(tǒng)規(guī)則包括掃描時(shí)間，指令數(shù)量，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和程序存儲(chǔ)。掃描時(shí)間是 PLC需要的用來(lái)檢測(cè)輸入輸出模塊的時(shí)間。指令是用于PLC軟件（例如數(shù)學(xué)運(yùn)算）的標(biāo)準(zhǔn)操作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力。程序存儲(chǔ)是控制軟件的能力。
用于可編程邏輯控制器的輸入設(shè)備包括DC，AC，中間繼電器，熱電偶，RTD，頻率或脈沖，晶體管和中斷信號(hào)輸入；輸出設(shè)備包括DC，AC，繼電器，中間繼電器，頻率或脈沖，晶體管，三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件；PLC的編程設(shè)備包括控制面板，手柄和計(jì)算機(jī)。
可編程邏輯控制器用各種軟件編程語(yǔ)言來(lái)控制。這些語(yǔ)言包括IEC61131-3，順序執(zhí)行表（SFC），動(dòng)作方塊圖（FBD），梯形圖（LD），結(jié)構(gòu)文本（ST），指令序列（IL），繼電器梯形圖（RIL），流程圖，C語(yǔ)言和Basic語(yǔ)言。IEC61131-3編程環(huán)境能支持五種語(yǔ)言，用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)加以規(guī)范，分別為SFC，F(xiàn)BD，LD，ST和IL。這便允許了多賣主兼容性和多種語(yǔ)言編程。SFC是一種圖表語(yǔ)言，它提供了編程順序的配合，就能支持順序選擇和并列選擇，二者擇其一即可。FBD用一種大的運(yùn)行庫(kù)，以圖表形式建立了一些復(fù)雜的過(guò)程。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)行可以與用戶交流和接口運(yùn)行相結(jié)合。LD是適用于離散控制和互鎖邏輯的圖表語(yǔ)言。它在離散控制上與FBD是完全兼容的。ST是一種文本語(yǔ)言，用于復(fù)雜的數(shù)學(xué)過(guò)程和計(jì)算，不太適用于圖表語(yǔ)言。IL是與組合編碼相似的低級(jí)語(yǔ)言。它用在相對(duì)比較簡(jiǎn)單的邏輯指令。繼電器梯形圖或梯形圖是適用于可編程邏輯控制器的重要的編程語(yǔ)言。梯形圖編程是設(shè)計(jì)成繼電器邏輯程序的圖表表示法。流程圖是一種圖表語(yǔ)言，用于在一個(gè)控制器或應(yīng)用軟件中描述順序操作，它用于建立有標(biāo)準(zhǔn)組件的可循環(huán)使用的運(yùn)行庫(kù)。C語(yǔ)言是一種高級(jí)編程語(yǔ)言，適用于處理最復(fù)雜的計(jì)算，連續(xù)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。它典型地在PC機(jī)上運(yùn)行調(diào)試。BASIC語(yǔ)言是用于處理數(shù)據(jù)的連續(xù)的數(shù)字采集和接口運(yùn)行的高級(jí)語(yǔ)言。
可編程邏輯控制器也規(guī)范了許多計(jì)算機(jī)接口設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)規(guī)則和特色。PLC能源設(shè)備和運(yùn)行環(huán)境也是非常重要的。
2．指令
對(duì)于簡(jiǎn)單的編程，繼電器型PLC是有效的。隨著功能的復(fù)雜化，復(fù)雜的VonNeaman型PLC就必須被采用。一個(gè)VonNeaman計(jì)算機(jī)一次只能執(zhí)行一個(gè)指令，他們是這樣運(yùn)行的，盡管許多計(jì)算機(jī)看上去一次在做許多事情。正如圖1所示的計(jì)算機(jī)組成。
圖 1 簡(jiǎn)化個(gè)人計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)圖
輸入是通過(guò)鍵盤和鼠標(biāo)得到的。輸出被送到屏幕。磁盤和存儲(chǔ)器用于輸入和輸出存儲(chǔ)（注意：這些箭頭的方向?qū)τ谠O(shè)計(jì)者是非常重要的，要注意表明信息是流向哪里的。）這個(gè)圖表可以像圖2那樣能被重新擬訂來(lái)闡明輸入設(shè)備和輸出設(shè)備的作用。
在這個(gè)圖表中數(shù)據(jù)通過(guò)輸入設(shè)備進(jìn)入左邊。（注意：大多數(shù)設(shè)計(jì)圖表都是左邊輸入，右邊輸出的。）在進(jìn)入CPU之前，它穿過(guò)緩沖電路。CPU通過(guò)其他回路輸出數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器和磁盤用語(yǔ)存儲(chǔ)要輸出的數(shù)據(jù)。如果我們把個(gè)人計(jì)算機(jī)看作一個(gè)控制器，它通過(guò)在屏幕上輸出激勵(lì)和輸入來(lái)自鼠標(biāo)和鍵盤的響應(yīng)來(lái)控制用戶。
PLC也是一個(gè)控制過(guò)程的計(jì)算機(jī)。當(dāng)與應(yīng)用程序完全結(jié)合起來(lái)時(shí)，類似之處變成：
輸入設(shè)備—鍵盤與接近開(kāi)關(guān)相類比。
輸入電路—連續(xù)輸入芯片就像一個(gè)直流24V的輸入卡。
計(jì) 算 機(jī)—686CPU就像一個(gè)PLC的CPU模塊。
輸出電路—圖形卡就像一個(gè)三相開(kāi)關(guān)輸出卡。
輸出設(shè)備—監(jiān)控器就像指示燈。
存 儲(chǔ) 器—PLC的存儲(chǔ)器與個(gè)人計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器相似。
用普通個(gè)人計(jì)算機(jī)可以運(yùn)行PLC，雖然則并不被提倡做。就PLC來(lái)說(shuō)，輸入和輸出
設(shè)備設(shè)計(jì)得更加可靠，更加粗糙，更適合惡劣的制造環(huán)境。
3．運(yùn)行順序
所有的PLC系統(tǒng)有每秒鐘重復(fù)多次的四種基本運(yùn)行階段。最初被第一次接通時(shí)，它會(huì)檢測(cè)它的硬件和軟件是否有錯(cuò)誤。如果沒(méi)有錯(cuò)誤，它會(huì)把所有輸入和輸入值復(fù)制到存儲(chǔ)器，這叫輸入掃描。只用復(fù)制了輸入值的存儲(chǔ)器，梯形邏輯圖將被解決一個(gè)，這叫邏輯掃描。在解決梯形圖期間，輸出值只在臨時(shí)存儲(chǔ)器中被改變。當(dāng)梯形圖掃描完成后，輸出將用存儲(chǔ)器中臨時(shí)值修正，這叫做輸出掃描。PLC此時(shí)將從自我檢測(cè)開(kāi)始重新啟動(dòng)這個(gè)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程很明顯地每秒鐘重復(fù)10到100次，正如圖3所示
自我檢測(cè)—檢測(cè)是否所有的卡沒(méi)有錯(cuò)誤，把時(shí)間繼電器復(fù)零等。（如果在很小一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有復(fù)零，時(shí)間繼電器會(huì)引起錯(cuò)誤，關(guān)閉PLC系統(tǒng)?！@會(huì)表明梯形圖沒(méi)有被正常掃描。）
輸入掃描—從芯片上的輸入卡讀取輸入值，并把輸入值復(fù)制到存儲(chǔ)器，這能使PLC更快速地運(yùn)行，并且避免從程序開(kāi)始到結(jié)束輸入變化。（例如：意外停止）有一些特殊的PLC功能，能直接讀取輸入值，避免了輸入表格。
邏輯處理/掃描—基于存儲(chǔ)器的輸入表格，程序被一次執(zhí)行一步，同時(shí)輸出值也被修正，這是其它節(jié)的集中。
輸出掃描—輸出表格從存儲(chǔ)器復(fù)制到輸出芯片，這些芯片然后驅(qū)動(dòng)輸出儀器。
輸入輸出掃描經(jīng)常會(huì)令初學(xué)者感到迷惑，但是他們是很重要的。輸入掃描是輸入值的快照，并且解決邏輯關(guān)系。在一個(gè)梯形圖掃描期間，如果一個(gè)輸入在梯形圖的多個(gè)地方被用到，它就會(huì)起變化，潛在問(wèn)題就可能發(fā)生，而輸入掃描卻避免了這些問(wèn)題。這個(gè)邊境效應(yīng)是如果在一段持續(xù)時(shí)間內(nèi)如果一個(gè)輸入變化太短，它可能在輸入掃描之間會(huì)減少或者丟失。
當(dāng)PLC最初被啟動(dòng)時(shí)，通常的輸出會(huì)被關(guān)閉，這不會(huì)影響輸入值。
3．1 輸入輸出掃描
當(dāng)輸入值被掃描到PLC時(shí)，自然輸入值被復(fù)制到存儲(chǔ)器。當(dāng)輸出值被掃描到PLC時(shí)，他們將從存儲(chǔ)器復(fù)制到自然輸出設(shè)備。當(dāng)梯形圖被掃描時(shí)，它將用存儲(chǔ)器中的值，并不是實(shí)際的輸入輸出值。這樣做的主要原因是如果一個(gè)程序在多個(gè)地方用一個(gè)輸入值，那么輸入值的變化將使其邏輯關(guān)系無(wú)效。而且，如果隨著每塊的變化，輸出模塊也變化，在掃描結(jié)束時(shí)PLC的運(yùn)行速度將大大減慢。
3．2 邏輯掃描
梯形邏輯程序圖是模仿繼電器邏輯圖的。在繼電器邏輯圖中，程序的每個(gè)元件將盡可能快地開(kāi)關(guān)。但是在一個(gè)程序中，元件只能按固定的順序一次檢測(cè)一個(gè)。如圖4所示，梯形圖將按從左到右，從上到下的順序被解釋。在圖中，梯形邏輯掃描將從最高層開(kāi)始。在底層，它將先解釋高層輸出，然后輸出它下面的分支。在第二層，沿著梯形邏輯圖移動(dòng)之前，將先解釋分支。
圖 4 梯形圖邏輯執(zhí)行順序
解決梯形邏輯程序時(shí)，邏輯掃描順序會(huì)變得非常重要。梯形圖輸出作為輸入，考慮輸出應(yīng)用時(shí)，它也變得非常重要。如圖5所示，梯形圖第一行將檢測(cè)輸入并把輸出X置1，得到相同的值。第二行將檢測(cè)輸入B并把輸出X置1，得到相反的值。因此，直到梯形圖的第二行被掃描時(shí)X值才能與A相等。在邏輯掃描期間，輸出值只能在存儲(chǔ)器中被改變，只有當(dāng)梯形邏輯掃描完成時(shí)，實(shí)際的輸出才能被修正。因此，在第二行的基礎(chǔ)上，輸出掃描將修正實(shí)際輸出值。并且梯形圖的第一行將無(wú)效。
4．PLC狀態(tài)顯示
在一個(gè)PLC中，缺少鍵盤和其他的輸入輸出設(shè)備是非常值得注意的。在PLC前端通常有一定數(shù)量的狀態(tài)指示燈。通常指示燈表明：
電源啟動(dòng)—只要PLC帶電，它將被啟動(dòng)。
程序運(yùn)行—這將指示是否程序正在運(yùn)行或是否沒(méi)有程序正在運(yùn)行。
錯(cuò)誤顯示—當(dāng)PLC有大的硬件或軟件錯(cuò)誤時(shí)，這將有顯示。
這些燈通常用于調(diào)試。一定數(shù)量的按鈕也將提供給PLC的硬件。最普通的按鈕是一個(gè)運(yùn)行/編程選擇開(kāi)關(guān)，當(dāng)在保持狀態(tài)時(shí)，它將被調(diào)到編程；當(dāng)在生產(chǎn)狀態(tài)時(shí)，它將被調(diào)到運(yùn)行。一個(gè)PLC系統(tǒng)幾乎沒(méi)有一個(gè)啟動(dòng)關(guān)閉開(kāi)關(guān)或復(fù)位開(kāi)關(guān)在前面。這需要被設(shè)計(jì)到系統(tǒng)剩余部分。
PLC的狀態(tài)也能被梯形邏輯圖檢測(cè)。檢測(cè)程序是否第一次被執(zhí)行是非常普遍的。如圖6所示。‘first scan’輸入在梯形圖被第一次掃描時(shí)，將是對(duì)的，而在其余的每次掃描時(shí)是錯(cuò)誤的。這種情況下，PLC—5的‘first scan’的地址是‘S2：1/14’。根據(jù)例子中的邏輯關(guān)系，第一次掃描將封上‘light’，直到‘clear’被啟動(dòng)。因此燈將在PLC被啟動(dòng)之后變亮，但在‘clear’被啟動(dòng)之后，它將關(guān)閉并且保持在關(guān)閉狀態(tài)?！甪irst scan ’模塊在‘first pass’模塊中被提到。
圖 6 核驗(yàn)PLC第一次掃描的程序
5．存儲(chǔ)器類型
有幾種基本的現(xiàn)在經(jīng)常使用的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器類型：
RAM（隨機(jī)存儲(chǔ)器）—這種存儲(chǔ)器速度很快，但是當(dāng)沒(méi)電時(shí)，它的內(nèi)容將被丟失。這是一種不穩(wěn)定存儲(chǔ)器，每個(gè)PLC在運(yùn)行時(shí)，都用這種存儲(chǔ)器作為中央處理器 。
ROM（只讀存儲(chǔ)器）—這種存儲(chǔ)器是永久性的不可擦除的。它通常用于存放PLC的操作系統(tǒng)。
EPROM（可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器）—這是一種像ROM一樣可編程的存儲(chǔ)器，但是它能用紫外線光擦除并且可以重新編程。
EEPROM（電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器）—這種存儲(chǔ)器能像ROM一樣存放程序。它能被編程并且用電壓擦除，因此它正變得比EPROM更加普遍。
所有的PLC系統(tǒng)都用RAM做CPU，用ROM存儲(chǔ)PLC的基本操作系統(tǒng)。當(dāng)有電時(shí)，RAM的內(nèi)容被保存，但是問(wèn)題在于當(dāng)供給存儲(chǔ)器的電源失去時(shí)會(huì)發(fā)生什么。原先PLC賣主用帶有電池的RAM，這樣如果不失電，存儲(chǔ)器的內(nèi)容就不會(huì)丟失。這種方法現(xiàn)在仍被使用，但變得不那么受歡迎。EPROMS也是PLC編程的比較好的選擇。EPROM在PLC外部編程，然后被放入PLC。當(dāng)PLC被啟動(dòng)時(shí)，在EPROM上的梯形邏輯程序被下載PLC并且運(yùn)行。這種方法非?？煽?，但是擦除和編程技術(shù)都是很消耗時(shí)間的。EEPROM存儲(chǔ)器是PLC的永久部分，程序能EPROM一樣被存放在他們中。存儲(chǔ)器的價(jià)錢一直在下降，新類型正變得可被利用，這些變化將繼續(xù)對(duì)PLC系統(tǒng)發(fā)生影響。
6．基于軟件的PLC系統(tǒng)
個(gè)人計(jì)算機(jī)持續(xù)下降的價(jià)格增加了他們?cè)诳刂葡到y(tǒng)中的應(yīng)用，包括PLC的替代品。安裝了軟件就能用個(gè)人計(jì)算機(jī)解決梯形圖邏輯.從傳感器中讀取輸入，修改輸出送到激勵(lì)。這些對(duì)于維持是很重要的，因?yàn)樗麄儾挥米袷匾郧暗挠?jì)時(shí)模式.例如，計(jì)算機(jī)正運(yùn)行一個(gè)游戲，就可能減慢或停止計(jì)算機(jī).這個(gè)以及其它問(wèn)題現(xiàn)在正被研究，好的解決方案不久就會(huì)出現(xiàn)。
7．概要
?PLC系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)與輸入設(shè)備，輸出設(shè)備,存儲(chǔ)器等很相似。
?PLC系統(tǒng)不斷地執(zhí)行系統(tǒng)檢查，輸入掃描,邏輯掃描和輸出掃描這個(gè)循環(huán)。
?當(dāng)邏輯圖被掃描時(shí)，輸入的變化沒(méi)有被發(fā)現(xiàn),輸出也沒(méi)有被修正。
?PLC系統(tǒng)用RAM，有時(shí)用EPROM存放永久程序。
8．實(shí)際問(wèn)題
?一個(gè)PLC系統(tǒng)通常包括RAM，ROM，EPROM和/或電池嗎？
?PLC的指示燈用于什么？
?為什么一個(gè)PLC系統(tǒng)每秒鐘只能掃描梯形圖幾次？
?如果一個(gè)PLC系統(tǒng)的掃描時(shí)間比輸入脈沖長(zhǎng)，會(huì)發(fā)生什么?為什么？
?一個(gè)PLC系統(tǒng)與一部臺(tái)式計(jì)算機(jī)的不同是什么？
?為什么PLC系統(tǒng)每次掃描要做自我檢查？
?PLC檢測(cè)時(shí)間會(huì)比簡(jiǎn)單程序所需時(shí)間長(zhǎng)嗎？
?下面的梯形邏輯有什么錯(cuò)誤？如果它被用會(huì)發(fā)生什么？
?當(dāng)一個(gè)PLC系統(tǒng)已經(jīng)被啟動(dòng)時(shí)，表明啟動(dòng)的存儲(chǔ)器地址是什么？
9．實(shí)際問(wèn)題解答
?每個(gè)PLC系統(tǒng)包括RAM和ROM，但是他們也包括EPROM或電池。
?診斷和保持。
?盡管程序是空的，PLC系統(tǒng)仍需掃描輸入和輸出，做自我檢測(cè)。
?如果在兩次輸入掃描之間發(fā)生，脈沖就會(huì)丟失。
?主要的區(qū)別包括輸入設(shè)備輸出設(shè)備和應(yīng)用。PLC系統(tǒng)是為工廠設(shè)計(jì)的，因此它沒(méi)有鼠標(biāo)鍵盤之類的輸入設(shè)備。(雖然，一些較新型PLC能夠達(dá)到)他們也沒(méi)有屏幕聲音之類的輸出設(shè)備，.取而代之，他們有電壓,電流這樣的輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。PLC使用戶為專門的任務(wù)設(shè)計(jì)程序,然而在個(gè)人計(jì)算機(jī)上給系統(tǒng)編程是不常見(jiàn)的。
?這能幫助檢測(cè)硬件和軟件錯(cuò)誤。如果一個(gè)錯(cuò)誤發(fā)生了，PLC還繼續(xù)運(yùn)行,控制器就可能以一種不可預(yù)見(jiàn)的方式運(yùn)行，這對(duì)人和機(jī)器是非常危險(xiǎn)的。自我檢測(cè)則幫助檢查出這些錯(cuò)誤，并且安全地關(guān)閉系統(tǒng)。
?是的，在許多PLC系統(tǒng)中，自檢大約需要1ms，但一個(gè)單一程序需1mms。
?通常輸出Y被重復(fù)兩次。在這個(gè)例子中，Y的值將總等于B。前一層的A將對(duì)Y沒(méi)有影響。
?S2:1/14用于微機(jī)，S2:1/15用于PLC—5。
10. 總結(jié)
本次試驗(yàn)的所獲得的結(jié)果均根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所推出，并經(jīng)過(guò)LD指令程序運(yùn)行測(cè)試。可以很明顯看出利用傳統(tǒng)PLC實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證新的邏輯程序?qū)嵱眯?，并且該步驟是不可或缺的。本次實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)很讓我們滿意，實(shí)驗(yàn)設(shè)備可靠性也很高，因此效率得到提高，成功率得以保證。
介于本次試驗(yàn)處于驗(yàn)證階段，成果可用于本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以利用大學(xué)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行教學(xué)與推廣。
致謝
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摘 要
本文介紹了自動(dòng)售貨機(jī)的基本原理以及工作流程，售貨機(jī)的售貨領(lǐng)域非常廣泛，是發(fā)達(dá)國(guó)家商品零售的一種主要方式。近幾年，自動(dòng)售貨機(jī)逐漸被越來(lái)越多的消費(fèi)者所接受。但由于售貨機(jī)分布零散、范圍廣闊的特點(diǎn)。本文以一次交易過(guò)程為例，把交易過(guò)程分為幾個(gè)程序塊，然后分別對(duì)程序塊進(jìn)行編程。具體說(shuō)明了可編程序控制器在自動(dòng)售貨機(jī)中的作用。程序涉及到了自動(dòng)售貨機(jī)工作的絕大部分過(guò)程，繪制梯形圖對(duì)售貨過(guò)程進(jìn)行了分析。利用PLC控制的自動(dòng)售貨機(jī)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證自動(dòng)售貨機(jī)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
關(guān)鍵詞： 自動(dòng)售貨機(jī)；可編程控制器；梯形圖
Abstract
This article introduced vending machine's basic principle as well as the work flow, Introduces the basic principle of vending machines and work flow, and then to a transaction process, for example, the process is divided into several blocks, then respectively for program for programming block.then take a transaction process as examples, divides into several blocks the transaction process, then carries on the programming separately to the block. Explained the programmable controller's in vending machine function specifically. The procedure involved the vending machine work major part process. Enhanced system's stability using the PLC control's vending machine, the guarantee vending machine has been able the long-term stability movement.
key words： vending machine; Programmable controller; Trapezoidal chart
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目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1自動(dòng)售貨機(jī)研究的目的和意義 1
1.2自動(dòng)售貨機(jī)的歷史 2
1.3自動(dòng)售貨機(jī)的市場(chǎng)展望 3
1.4自動(dòng)售貨機(jī)功能分析 4
第2章 PLC功能介紹 6
2.1 PLC的選型原則 6
2.2 PLC的概述 7
2.2.1 PLC的產(chǎn)生 7
2.2.2 PLC的定義 8
2.2.3 PLC的發(fā)展趨勢(shì) 8
2.2.4 PLC的特點(diǎn) 10
2.2.5 PLC的主要功能 11
2.3 PLC的基本結(jié)構(gòu)及原理 13
2.3.1 PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 13
2.3.2 PLC各部分的作用 13
2.4 三菱可編程控制器產(chǎn)品功能介紹 16
2.4.1 功能指令類型 16
2.4.2功能指令的通用表達(dá)形式 16
2.4.3 三菱PLC內(nèi)部繼電器的功能及編號(hào) 17
2.4.4 程序流程控制功能指令 18
第3章 PLC的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25
3.1 可編程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 25
3.1.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 25
3.1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容 25
3.1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟 26
3.1.4 編寫梯形圖的注意事項(xiàng) 26
3.1.5 程序設(shè)計(jì)的步驟 26
3.2 程序設(shè)計(jì)部分 27
3.2.1設(shè)計(jì)控制要求 27
3.2.2自動(dòng)售貨機(jī)I/O點(diǎn)的分配 27
3.2.3自動(dòng)售貨機(jī)外部接線圖 28
3.2.4 梯形圖和順序功能圖介紹 29
3.2.5 三菱編程軟件FXGPWIN介紹 30
3.2.6 售貨過(guò)程分析 32
第4章 出貨部分 35
4.1 出貨原理 35
4.2 出貨部件簡(jiǎn)圖介紹 35
結(jié)束語(yǔ) 41
致謝 42
參考文獻(xiàn) 43
第1章 緒論
1.1自動(dòng)售貨機(jī)研究的目的和意義
自動(dòng)售貨機(jī)是一種全新的商業(yè)零售形式，20世紀(jì)70年代自日本和歐美發(fā)展起來(lái)。它又被稱為24小時(shí)營(yíng)業(yè)的微型超市。在日本，70％的罐裝飲料是通過(guò)自動(dòng)售貨機(jī)售出的；全球著名飲料商可口可樂(lè)公司在全世界就布有50萬(wàn)臺(tái)飲料自動(dòng)售貨機(jī)。
在中國(guó),自動(dòng)售貨機(jī)1999年開(kāi)始進(jìn)人中國(guó)市場(chǎng)．如今，在機(jī)場(chǎng)、地鐵、商場(chǎng)、公園等客流較大的場(chǎng)所，已不難發(fā)現(xiàn)自動(dòng)售貨機(jī)的身影。
從自動(dòng)售貨機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，它的出現(xiàn)是由于勞動(dòng)密集型的產(chǎn)業(yè)構(gòu)造向技術(shù)密集型社會(huì)轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。大量生產(chǎn)、大量消費(fèi)以及消費(fèi)模式和銷售環(huán)境的變化，要求出現(xiàn)新的流通渠道；而相對(duì)的超市、百貨購(gòu)物中心等新的流通渠道的產(chǎn)生，人工費(fèi)用也不斷上升；再加上場(chǎng)地的局限性以及購(gòu)物的便利性等這些因素的制約，無(wú)人自動(dòng)售貨機(jī)作為一種必須的機(jī)器便應(yīng)運(yùn)而生了
它的售貨領(lǐng)域非常廣泛，是發(fā)達(dá)國(guó)家商品零售的一種主要方式。近幾年，自動(dòng)售貨機(jī)逐漸被越來(lái)越多的消費(fèi)者所接受。但由于售貨機(jī)分布零散、范圍廣闊的特點(diǎn)，自動(dòng)售貨機(jī)在為消費(fèi)者帶來(lái)方便的同時(shí)，也為經(jīng)營(yíng)者在監(jiān)控、管理、維護(hù)等方面帶來(lái)很大的不便。目前售貨機(jī)運(yùn)行的各種情況都需要由人工判斷，包括缺貨、缺零錢、幣箱已滿、售貨機(jī)機(jī)械故障等，經(jīng)營(yíng)者普遍采用人工定時(shí)巡回視察的管理辦法，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確獲取自動(dòng)售貨機(jī)狀態(tài)報(bào)告，給經(jīng)營(yíng)者增加了管理成本和難度，也有可能給消費(fèi)者的正常消費(fèi)造成不便。
自動(dòng)售貨機(jī)的經(jīng)營(yíng)者可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)的銷售狀況進(jìn)行商品銷售狀況分析，預(yù)測(cè)商品的銷售走勢(shì)，確定合理的采購(gòu)和配送策略，以期獲得最高的投資回報(bào)率。同時(shí)售貨機(jī)的一些故障信息和警報(bào)信息可以實(shí)時(shí)的傳送到相應(yīng)運(yùn)營(yíng)人員，從而可以在第一時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。
1.2自動(dòng)售貨機(jī)的歷史
從自動(dòng)售貨機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，它的出現(xiàn)是由于勞動(dòng)密集型的產(chǎn)業(yè)構(gòu)造向技術(shù)密集型社會(huì)轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。大量生產(chǎn)、大量消費(fèi)以及消費(fèi)模式和銷售環(huán)境的變化，要求出現(xiàn)新的流通渠道；而相對(duì)的超市、百貨購(gòu)物中心等新的流通渠道的產(chǎn)生，人工費(fèi)用也不斷上升；再加上場(chǎng)地的局限性以及購(gòu)物的便利性等這些因素的制約，無(wú)人自動(dòng)售貨機(jī)作為一種必須的機(jī)器便應(yīng)運(yùn)而生了。
從廣義來(lái)講投入硬幣、紙幣、信用卡等后便可以銷售商品的機(jī)械，從狹義來(lái)講就是自動(dòng)銷售商品的機(jī)械。從供給的條件看，自動(dòng)售貨機(jī)可以充分補(bǔ)充人力資源的不足，適應(yīng)消費(fèi)環(huán)境和消費(fèi)模式的變化，24小時(shí)無(wú)人售貨的系統(tǒng)可以更省力，運(yùn)營(yíng)時(shí)需要的資本少、面積小，有吸引人們購(gòu)買好奇心的自身性能，可以很好地解決人工費(fèi)用上升的問(wèn)題等各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。
據(jù)說(shuō)世界上最早的自動(dòng)售貨機(jī)出現(xiàn)在公元前3世紀(jì)，那是埃及神殿里的投幣式圣水出售機(jī)。17世紀(jì)，英國(guó)的小酒吧里設(shè)有了香煙的自動(dòng)售貨機(jī)。在自動(dòng)售貨機(jī)歷史的長(zhǎng)河中，日本開(kāi)發(fā)出實(shí)用型的自動(dòng)售貨機(jī)，那是在進(jìn)入本世紀(jì)后的事。日本第一臺(tái)自動(dòng)售貨機(jī)是1904年問(wèn)世的“郵票明信片自動(dòng)出售機(jī)”，它是集郵票明信片的出售和郵筒投函為一體的機(jī)器。自動(dòng)售貨機(jī)的真正普及是在第二次世界大戰(zhàn)以后。50年代，“噴水型果汁自動(dòng)售貨機(jī)”大受歡迎，果汁被注入在紙杯里出售。后來(lái)，由于美國(guó)的飲料大公司進(jìn)入日本市場(chǎng)，1962年，出現(xiàn)了以自動(dòng)售貨機(jī)為主體的流通領(lǐng)域的革命。1967年，100日元單位以下的貨幣全部改為硬幣，從而促進(jìn)了自動(dòng)售貨機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
始于公元前215年的古埃及神廟，用于分配圣水。
1700年，英國(guó)酒館里有了能用硬幣購(gòu)買的售煙盒。
1706年，中國(guó)人造出使用硬幣操作的自動(dòng)售鉛筆機(jī)。
1905年，英國(guó)郵局開(kāi)始使用郵票售賣機(jī)。
20世紀(jì)20年代，商用的自動(dòng)售煙機(jī)開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)。
1936年，NAMA（國(guó)際自動(dòng)售貨機(jī)協(xié)會(huì)）成立。
1946年，發(fā)明出自動(dòng)售咖啡機(jī)。
1960年，紙幣兌換機(jī)出現(xiàn)在銀行柜臺(tái)。
1980年，電子組件裝備自動(dòng)售貨機(jī)。
1985年，信用/借記卡消費(fèi)在自動(dòng)售貨機(jī)上實(shí)現(xiàn)。
1993年，自動(dòng)售貨機(jī)機(jī)器數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸實(shí)現(xiàn)。
2000年，手機(jī)購(gòu)物在自動(dòng)售貨機(jī)上實(shí)現(xiàn)。
自動(dòng)售貨機(jī)商業(yè)起源于20世紀(jì)60年代，在美國(guó)、日本迅猛發(fā)展。
20世紀(jì)80年代，開(kāi)始在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家迅速普及，銷售商品領(lǐng)域相應(yīng)擴(kuò)大。
目前世界上已有近50個(gè)國(guó)家廣泛普及。
日本有近600萬(wàn)臺(tái)自動(dòng)售貨機(jī)，平均23人擁有1臺(tái)。
美國(guó)有近700萬(wàn)臺(tái)自動(dòng)售貨機(jī)，平均40人擁有1臺(tái)。
歐洲平均每60人擁有1臺(tái)自動(dòng)售貨機(jī)。
日本可口可樂(lè)公司已擁有近100萬(wàn)臺(tái)自動(dòng)售冷飲機(jī)，每臺(tái)機(jī)器年售出上萬(wàn)罐飲料。日本可口可樂(lè)在自動(dòng)售貨機(jī)的銷量占其總銷量的70％。
全世界每年通過(guò)自動(dòng)售貨機(jī)銷售商品的總額已近2000億美元。 1993年，日本、美國(guó)、韓國(guó)的二手自動(dòng)售貨機(jī)進(jìn)入中國(guó)，只能識(shí)別人民幣硬幣。
1995年，可口可樂(lè)、百事可樂(lè)開(kāi)始小量布放使用硬幣的自動(dòng)售冷飲機(jī)。
1997年，南開(kāi)戈德開(kāi)發(fā)出“GD人民幣智能識(shí)別系統(tǒng)”。
1998年，南開(kāi)戈德自行研制成功“GD自動(dòng)售貨機(jī)”，成為我國(guó)第一家規(guī)模生產(chǎn)同時(shí)識(shí)別紙幣硬幣自動(dòng)售貨機(jī)的公司。
1998年,加拿大“科匯”公司在廣州開(kāi)始銷售、擺放“Vendo”等進(jìn)口機(jī)器。
1998年10月，南開(kāi)戈德組建“天津戈德微超貿(mào)易有限公司”（現(xiàn)“天津戈德移動(dòng)商務(wù)有限公司”前身），成為國(guó)內(nèi)第一家規(guī)模經(jīng)營(yíng)自動(dòng)售貨機(jī)的單位。
2000～2001年，青島“澳柯瑪”、番禺“智強(qiáng)”、廣州“金沙”、長(zhǎng)沙“艾博” 等相繼進(jìn)入自動(dòng)售貨機(jī)行業(yè)。
1.3自動(dòng)售貨機(jī)的市場(chǎng)展望
目前, 自動(dòng)售貨機(jī)作為一種不同于傳統(tǒng)的零售方式進(jìn)入四十五個(gè)國(guó)家市場(chǎng)。在這四十五個(gè)國(guó)家中, 美國(guó)和日本發(fā)展最快,在日本達(dá)到平均每23人一臺(tái),年產(chǎn)量達(dá)70萬(wàn)臺(tái);在美國(guó)達(dá)到每40人一臺(tái),年產(chǎn)量100萬(wàn)臺(tái);在歐洲達(dá)到每60人一臺(tái)。目前，中國(guó)的自動(dòng)售貨機(jī)擁有量約為2萬(wàn)余臺(tái)，相對(duì)于13億的人口大國(guó)，這個(gè)數(shù)字微不足道。
作為世界上最大的自動(dòng)售貨市場(chǎng)，日本通過(guò)自動(dòng)售貨機(jī)出售的商品多達(dá)6000余種。去年，僅飲料的銷售額就達(dá)1593億人民幣。在歐洲每臺(tái)自動(dòng)售貨機(jī)日銷售額達(dá)到50到100美元不等,以巴黎地鐵車站為例,在各個(gè)站點(diǎn)總計(jì)擺放了1500臺(tái),每月銷售額達(dá)600萬(wàn)法郎。美國(guó)自動(dòng)售貨機(jī)的零售營(yíng)業(yè)額高達(dá)293億美元，日本每個(gè)消費(fèi)者每年在自動(dòng)售貨機(jī)上的消費(fèi)金額達(dá)5．5萬(wàn)日元。全世界每年通過(guò)自動(dòng)售貨機(jī)銷售商品的總額已達(dá)2000億美元。
事實(shí)上,伴隨收入水平的提高,人們追求靈活、方便、快捷以及自助式服務(wù)是自動(dòng)售貨機(jī)得以如此迅猛發(fā)展的主要原因。在發(fā)達(dá)國(guó)家自動(dòng)售貨機(jī)已經(jīng)成為零售業(yè)一個(gè)不可分割的部分, 特別是對(duì)青年一代,這種伴隨其成長(zhǎng)的前衛(wèi)零售方式更可謂是一種新的消費(fèi)時(shí)尚。
現(xiàn)代都市生活的節(jié)奏日趨加快,追求方便、快捷的服務(wù)成為人們的一種時(shí)尚,以麥當(dāng)勞、肯德基為代表的的西式快餐在我國(guó)的迅速發(fā)展就是很好的例子。隨著對(duì)外開(kāi)放的不斷擴(kuò)大,傳統(tǒng)的零售業(yè)發(fā)展成百貨商店、連鎖超市、電視直銷、廠家直銷等多種方式并存的局面,極大地方便了人們的生活。作為發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)育成熟并被廣泛采用的通過(guò)自動(dòng)售貨機(jī)銷售食品、飲料和香煙等小商品的零售業(yè),必將以其方便、新穎的特點(diǎn)在中國(guó)得到迅速發(fā)展。這既是市場(chǎng)發(fā)展的需要, 是商業(yè)走向現(xiàn)代化的標(biāo)志之一,也是中國(guó)與國(guó)際接軌的需要。由于自動(dòng)售貨機(jī)在我國(guó)尚無(wú)大批量生產(chǎn)使用的經(jīng)驗(yàn), 這里使用美國(guó)自動(dòng)售貨機(jī)零售業(yè)營(yíng)業(yè)額占居民收入的比例來(lái)測(cè)算自動(dòng)售貨機(jī)在我國(guó)市場(chǎng)的市場(chǎng)容量。按照美國(guó)《VendingMachines》的統(tǒng)計(jì),1994年全美自動(dòng)售貨機(jī)零售業(yè)的營(yíng)業(yè)額為292.8 億美元。根據(jù)美國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局提供的資料,1994年全美國(guó)居民總收入為5.51萬(wàn)億美元。由此得出,自動(dòng)售貨機(jī)零售業(yè)營(yíng)業(yè)額占居民總收入的0.53％。由此推算, 2010年, 我國(guó)約有300萬(wàn)臺(tái)的市場(chǎng)容量。近兩年,僅發(fā)達(dá)地區(qū)高消費(fèi)場(chǎng)所就有近20萬(wàn)臺(tái)的市場(chǎng)。
1.4自動(dòng)售貨機(jī)功能分析
這部分闡述了自動(dòng)售貨機(jī)的各種動(dòng)作功能和控制要求，給出了完整的自動(dòng)售貨機(jī)操作規(guī)程，并介紹了自動(dòng)售貨機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)種所包括的人工操作步驟。
在實(shí)際生活中，我們見(jiàn)到的售貨機(jī)可以銷售一些簡(jiǎn)單的日用品，如飲料常用藥品和小的生活保健用品等。售貨機(jī)的基本功能就是對(duì)投入的貨幣進(jìn)行運(yùn)算，并根據(jù)貨幣數(shù)值判斷是否能夠購(gòu)買某種商品，并作出相應(yīng)的反應(yīng)。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明，例如：售貨機(jī)中有4中商品，其中01號(hào)商品（代表第一種商品）價(jià)格為2元，02商品為3元，其余類推?，F(xiàn)投入1個(gè)1元硬幣，當(dāng)投入的貨幣超過(guò)01商品的價(jià)格時(shí)，01商品的選擇按鈕處燈長(zhǎng)亮，提示可以購(gòu)買，其他商品同比。當(dāng)按下選擇01商品的價(jià)格時(shí)，售貨機(jī)進(jìn)行減法運(yùn)算，從投入的貨幣總值中減去01商品的價(jià)格同時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)，提取01號(hào)商品到出貨口。此時(shí)售貨機(jī)繼續(xù)進(jìn)行等待外部命令，如繼續(xù)交易，則同上，如果此時(shí)不再購(gòu)買而按下退幣按鈕，售貨機(jī)則要進(jìn)行退幣操作，退回相應(yīng)的貨幣，并在程序中清零，完成此次交易。由此看來(lái)，售貨機(jī)一次交易要涉及加法運(yùn)算、減法運(yùn)算以及在退幣時(shí)的除法運(yùn)算，這是它的內(nèi)部功能。還要有貨幣識(shí)別系統(tǒng)和貨幣的傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)完整的售貨、退幣功能。自動(dòng)售貨機(jī)的工作流程圖如圖1.2所示。
圖1.1 售貨機(jī)外觀圖 圖1.2 自動(dòng)售貨機(jī)工作流程圖
第2章 PLC功能介紹
2.1 PLC的選型原則
當(dāng)某一個(gè)控制任務(wù)決定由PLC來(lái)完成后，選擇PLC就成為最重要的事情。一方面要選擇多大容量的PLC ,另一方面是選擇什么公司的PLC及外設(shè)。
對(duì)第一個(gè)問(wèn)題，首先要對(duì)控制任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，把所有的I/O點(diǎn)找出來(lái)，包括開(kāi)關(guān)量I/O和模擬量I/O以及輸出是用繼電器還是晶體管或是可控硅型?？刂葡到y(tǒng)輸出點(diǎn)的類型非常關(guān)鍵，如果他們之中既有交流220V的接觸器、電磁閥，又有24V的指示燈，則最后選用的PLC的輸出點(diǎn)數(shù)有可能大于實(shí)際電數(shù)。因?yàn)镻LC的輸出點(diǎn)一般是幾個(gè)一組共用一個(gè)公共端，這一組輸出只能有一種電源的種類和等級(jí)。所以一旦它們是交流220V的負(fù)載負(fù)載使用。則直流24V的負(fù)載只能使用其他的輸出端了。這樣有可能造成輸出點(diǎn)浪費(fèi)，增加成本。所以要盡可能選擇相同等級(jí)和種類的負(fù)載，比如使用交流220V的指示燈等。一般情況下繼電器輸出的PLC使用最多，但對(duì)于要求高速輸出的情況，就要使用無(wú)觸點(diǎn)的晶體管輸出的PLC了。
對(duì)第二個(gè)問(wèn)題，則有以下幾個(gè)方面要考慮：
（1）功能方面 所有PLC一般都具有常規(guī)的功能，但對(duì)某些特殊要求，就要知道所選用的PLC是否有能力控制任務(wù)。如對(duì)PLC與PLC、PLC與智能儀表及上位機(jī)之間有靈活方便的通信要求；或?qū)LC的計(jì)算速度、用戶程序容量等有特殊要求；或?qū)LC的位置控制有特殊要求等。這就要求用戶對(duì)市場(chǎng)上流行的PLC品種有一個(gè)詳細(xì)的了解，以便做出正確的選擇。
（2） 價(jià)格方面 不同廠家的PLC產(chǎn)品價(jià)格相差很大，有些功能類似、質(zhì)量相當(dāng)、I/O點(diǎn)數(shù)相當(dāng)?shù)腜LC的價(jià)格能相差40%以上。在使用PLC較多的情況下，這樣的差價(jià)當(dāng)然是必須考慮的因數(shù)。
PLC主機(jī)選定后，如果控制系統(tǒng)需要，則相應(yīng)的配套模塊也就選定了。
2.2 PLC的概述
2.2.1 PLC的產(chǎn)生
20世紀(jì)20年代起，人們把各種繼電器。定時(shí)器。接觸器及其觸點(diǎn)按一定的邏輯關(guān)系連接起來(lái)組成控制系統(tǒng)，控制各種生產(chǎn)機(jī)械，這就是大家所熟悉的傳統(tǒng)繼電接觸器控制系統(tǒng).由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。容易掌握。價(jià)格便宜，在一定范圍內(nèi)能滿足控制要求，因而使用面甚廣，在工業(yè)控制領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位.但是繼電接觸器控制系統(tǒng)有明顯的缺點(diǎn)：設(shè)備體積大，可靠性差，動(dòng)作速度慢，功能少，難與實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制，特別是由于它是靠硬連線邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，接線復(fù)雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝或?qū)ο蟾淖儠r(shí)，原有的接線和控制盤就要更換，所以通用性和靈活性較差.
20世紀(jì)60年代末期，美國(guó)的汽車制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，各生產(chǎn)廠家的汽車型號(hào)不斷更新，它必然要求生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)亦隨之改變，以及對(duì)整個(gè)開(kāi)展系統(tǒng)重新配置.為拋棄傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)的束縛，適應(yīng)白熱化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求，1968年美國(guó)通用汽車公司公開(kāi)向社會(huì)招標(biāo)，對(duì)汽車流水線控制系統(tǒng)提出具體要求，歸納起來(lái)是：
（1） 編程方便，可現(xiàn)場(chǎng)修改程序
（2） 維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)
（3） 可靠性高于繼電器控制裝置
（4） 體積小于繼電器控制盤
（5） 數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)
（6） 成本可與繼電器控制盤競(jìng)爭(zhēng)
（7） 輸入可以是交流150V以上
（8） 輸出為交流115V，容量要求在2A以上，可直接驅(qū)動(dòng)接觸器，電磁閥等
（9） 擴(kuò)展時(shí)原系統(tǒng)改變最小
（10） 用戶存儲(chǔ)器至少能擴(kuò)張到4KB（適應(yīng)當(dāng)時(shí)汽車裝配過(guò)程的需要）
十項(xiàng)指標(biāo)的核心要求是采用軟布線（編程）方式代替繼電控制的硬接線方式，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)線的流程控制。
2.2.2 PLC的定義
美國(guó)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在1987年對(duì)可編程序控制器做出如下定義：可編程序控制器是一類專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字式電子系統(tǒng)，它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部進(jìn)行存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、記數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等功能的面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入或輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？杀槌绦蚩刂破鳂O其相關(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。
定義強(qiáng)調(diào)了PLC應(yīng)直接應(yīng)用與工業(yè)環(huán)境，它必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力，廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。這也是區(qū)別與一般微機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。
定義還強(qiáng)調(diào)了PLC是“數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)”，他也是一種計(jì)算機(jī)，它是“專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的”工業(yè)計(jì)算機(jī)。這種工業(yè)計(jì)算機(jī)采用“面向用戶的指令”，因此編程方便。它能完成邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、記數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作，它還具有“數(shù)字量和模擬量輸入和輸出”的能力，并且非常容易與“工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一體”，易于“擴(kuò)充”。
2.2.3 PLC的發(fā)展趨勢(shì)
PLC總的發(fā)展趨勢(shì)是向高集成度、小體積、大容量、高速度、易使用、高性能方向發(fā)展。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
（1）向小型化、專用化、低成本方向發(fā)展
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，新型器件大幅度的提高功能和降低價(jià)格，使PLC結(jié)構(gòu)更為
湊，相當(dāng)與一本精裝本書的大小，操作使用十分方便。PLC的功能不斷增加，將原來(lái)大、中型PLC才有的功能部分地移植到小型PLC上。
（2）向大容量、高速度方向發(fā)展
大型PLC采用多微處理器系統(tǒng)，有的采用了32位微處理器，可同時(shí)進(jìn)行多任務(wù)操作，處理速度提高，特別是增強(qiáng)了過(guò)程控制和數(shù)據(jù)處理的功能。另外，存儲(chǔ)容量大大增加。
（3）智能型I/O模塊的發(fā)展
智能型I/O模塊是以微處理器和存儲(chǔ)器為基礎(chǔ)的功能部件，它們的CPU與PLC的主CPU并行工作，占用主CPU的時(shí)間很少，有利于提高PLC的掃描速度。
（4）基于PC的編程軟件取代編程器
隨著計(jì)算機(jī)的日益普及，越來(lái)越多的用戶使用基于個(gè)人計(jì)算機(jī)上的編程軟件。編程軟件可以對(duì)PLC控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)，即設(shè)置硬件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，例如設(shè)置各框架各個(gè)插槽上模塊的型號(hào)、模塊的參數(shù)、各串行通行接口的參數(shù)等。
（5）PLC編程語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)化
與個(gè)人計(jì)算機(jī)相比，PLC的硬件、軟件的體系結(jié)構(gòu)都是封閉的而不是開(kāi)放的。在硬件方面，各廠家的CPU模塊和I/O模塊互不通用。PLC的編程語(yǔ)言和指令系統(tǒng)的功能和表達(dá)式也不一致，因此各廠家的可遍程序控制器互不兼容。為了解決這一問(wèn)題，IEC制定了可遍程序控制器標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中共有5種編程語(yǔ)言，允許編程者在同一程序中使用多種編程語(yǔ)言，這使編程能夠選擇不同的語(yǔ)言來(lái)適應(yīng)特殊的工作。
（6）PLC通信的易用化
PLC的通信聯(lián)網(wǎng)功能使它能與個(gè)人計(jì)算機(jī)和其他智能控制設(shè)備交換數(shù)字信息，使系統(tǒng)形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散控制和集中控制。
（7）組態(tài)軟件與PLC的軟件化
個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）的價(jià)格便宜，有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、通信和人機(jī)交互的功能。
（8）PLC與現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合
現(xiàn)場(chǎng)總線I/O與PLC可以組成功能強(qiáng)大的、廉價(jià)的DCS系統(tǒng)。
（9）開(kāi)發(fā)新型特殊功能模塊
I/O組件可以提高PLC的智能化、高密集度和增大處理能力。
(10) CPU的處理速度進(jìn)一步加快
目前，PLC的處理速度與計(jì)算機(jī)相比還比較慢，其高的CPU也不過(guò)80486，將來(lái)會(huì)全面使用64位的RISC芯片，采用多CPU進(jìn)行處理、分時(shí)處理或分任務(wù)處理方式，將各種模塊智能化，部分系統(tǒng)程序用門陣列電路固化，這樣可使PLC的處理速度達(dá)到納秒級(jí)。
2.2.4 PLC的特點(diǎn)
（1）抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好
PLC在電子線路、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及軟件結(jié)構(gòu)上都吸取了生產(chǎn)廠家長(zhǎng)期積累的生產(chǎn)控制經(jīng)驗(yàn)，主要模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路。I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)與信號(hào)調(diào)理電路；在結(jié)構(gòu)上對(duì)耐熱、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮。具體措施主要有以下幾個(gè)方面：
1）隔離：這是抗干擾的主要措施之一。PLC的輸入、輸出接口電路一般采用光電耦合器來(lái)傳遞信號(hào)。這種光電隔離措施，使外部電路與內(nèi)部電路之間避免了電的聯(lián)系，可有效的抑制外部干擾源對(duì)于PLC的影響，同時(shí)防止外部高電壓串入，從而減少故障和誤操作。
2）濾波：這是抗干擾的另一個(gè)主要措施。在PLC的電源電路和輸入/輸出電路中設(shè)置了多種濾波電路，用以對(duì)高頻干擾信號(hào)進(jìn)行有效的抑制。
3）對(duì)內(nèi)部電源還采用了屏蔽、穩(wěn)壓、保護(hù)等措施，以減少外界干擾，保護(hù)供電質(zhì)量。另外使輸入輸出接口電路電源彼此獨(dú)立，以避免電源之間的干擾。
4）內(nèi)部設(shè)置了連鎖、環(huán)境檢測(cè)與診斷、watchdog（“看門狗”）等電路，一旦發(fā)現(xiàn)故障或程序循環(huán)執(zhí)行時(shí)間超過(guò)了警戒時(shí)鐘（WDT）規(guī)定時(shí)間（預(yù)示程序進(jìn)入了死循環(huán)），立即報(bào)警，以保證CPU可靠運(yùn)行。
5）利用系統(tǒng)軟件定期進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障檢測(cè)，并采用信息保護(hù)和恢復(fù)措施。
6）對(duì)用戶程序及動(dòng)態(tài)工作數(shù)據(jù)進(jìn)行電池備份，以保障停電后有關(guān)狀態(tài)或信息不丟失。
7）采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)工作現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境。
8）以集成電路為基本元件，內(nèi)部處理過(guò)程不依賴于機(jī)械觸點(diǎn)，以保障高可靠性。而采用循環(huán)掃描的工作循環(huán)方式，也提高了抗干擾能力。
（2）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)
PLC及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。
（3）編程方便，易于使用
PLC是面向用戶的設(shè)備，PLC的設(shè)計(jì)者充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣，PLC程序的編制，采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡(jiǎn)單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類似，這種編程語(yǔ)言現(xiàn)象直觀，容易掌握，不需要專門的計(jì)算機(jī)知識(shí)和語(yǔ)言，只要具有一定的電工和工藝的知識(shí)的人員都可在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)。
（4）功能完善
PLC的輸出/輸入功能完善，性能可靠，能夠適應(yīng)與任何形式和性質(zhì)的開(kāi)關(guān)量和模擬量的輸入/輸出。在PLC內(nèi)部具有許多控制功能，諸如時(shí)序、計(jì)算機(jī)、主控繼電器以及移位寄存器、中間寄存器等。由于采用了微處理器，它能夠很方便地實(shí)現(xiàn)延時(shí)、鎖存、比較、跳轉(zhuǎn)、和強(qiáng)制I/O等諸多功能，不僅具有邏輯功能、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)制轉(zhuǎn)換、以及順序控制功能，而且還具備模擬運(yùn)算、顯示、監(jiān)控、打印、及報(bào)表生成等功能。
（5）設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試、的周期短
用繼電接觸器控制完成一項(xiàng)控制工程，必須首先按工藝要求畫出電氣原理圖，然后畫出繼電器屏的布置和接線圖等，進(jìn)行安裝調(diào)試，以后修改起來(lái)十分不便。而采用PLC控制，由于其硬軟件齊全，為模塊化積木式結(jié)構(gòu)，且已商品化，故僅需按性能、容量等選用組裝，而大量具體的程序編制工作也可在PLC到貨前進(jìn)行，因而縮短了設(shè)計(jì)周期，使設(shè)計(jì)和施工可同時(shí)進(jìn)行。
（6）體積小，維護(hù)操作方便
PLC體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。PLC的輸入/輸出系統(tǒng)能夠直觀的反映現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)的變化狀態(tài)，還能通過(guò)各種方式直觀的反映控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。
（7）易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化
PLC可連成功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
（8）可實(shí)現(xiàn)三電一體化
PLC將電控（邏輯控制）、電儀（過(guò)程控制）和電結(jié)（運(yùn)動(dòng)控制）這三電集于一體，可以方便、靈活地組合成各種不同規(guī)模和要求的控制系統(tǒng)，以適應(yīng)各種工業(yè)控制的需要。
2.2.5 PLC的主要功能
（1） 條件控制功能
條件控制（或稱邏輯控制或順序控制）功能是指用PLC的與、或、非指令取代繼電器接觸的串聯(lián)、并聯(lián)極其他各種邏輯連接，進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。
（2） 定時(shí)/記數(shù)控制功能
定時(shí)/記數(shù)控制功能指用PLC提供的定時(shí)器、記數(shù)器指令實(shí)現(xiàn)對(duì)某種操作的定時(shí)或記數(shù)控制，以取代時(shí)間繼電器和記數(shù)繼電器。
（3） 數(shù)據(jù)處理功能
數(shù)據(jù)處理功能是指PLC能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、比較、移位、數(shù)制轉(zhuǎn)換、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算以及編碼和譯碼等操作。
（4） 步進(jìn)控制功能
步進(jìn)控制功能是指用步進(jìn)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能進(jìn)行下一道工序操作的控制，以取代由硬件構(gòu)成的步進(jìn)控制器。
（5） A/D與D/A 轉(zhuǎn)換功能
A/D與D/A 轉(zhuǎn)換功能是指通過(guò)A/D、D/A模塊完成模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。
（6） 運(yùn)動(dòng)控制功能
運(yùn)動(dòng)控制功能是指通過(guò)高速記數(shù)模塊和位置控制模塊等進(jìn)行單軸或多軸運(yùn)動(dòng)控制。
（7） 過(guò)程控制功能
過(guò)程控制功能是指通過(guò)PLC的PID控制指令或模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、速度、流量等物理參數(shù)的閉環(huán)控制。
（8） 擴(kuò)展功能
擴(kuò)展功能是指通過(guò)連接輸入輸出擴(kuò)展單元（即I/O擴(kuò)展單元）模塊來(lái)增加輸入輸出點(diǎn)數(shù)，也可通過(guò)附加各種智能單元及特殊功能單元來(lái)提高PLC的控制功能。
（9） 遠(yuǎn)程I/O功能
遠(yuǎn)程I/O功能是指通過(guò)I/O單元將分散在遠(yuǎn)距離的各種輸入、輸出設(shè)備與PLC主機(jī)相連接，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，接收輸入信號(hào)、傳出輸出信號(hào)。
（10） 通信聯(lián)網(wǎng)功能
通信聯(lián)網(wǎng)功能是指通過(guò)PLC之間的聯(lián)網(wǎng)、PLC與上位機(jī)的鏈接等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程I/O控制或數(shù)據(jù)交換，以完成較大規(guī)模系統(tǒng)的復(fù)雜控制。
（11） 監(jiān)控功能
監(jiān)控功能是指PLC能監(jiān)視系統(tǒng)各部分的進(jìn)行狀態(tài)和進(jìn)程，對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行報(bào)警和記錄，甚至自動(dòng)終止運(yùn)行；也可在線調(diào)整、修改控制程序中的定時(shí)器、記數(shù)器等設(shè)定值或強(qiáng)制I/O狀態(tài)。
2.3 PLC的基本結(jié)構(gòu)及原理
2.3.1 PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
目前PLC種類繁多，功能和指令系統(tǒng)也都各不相同，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專用計(jì)算機(jī)，所以其結(jié)構(gòu)和工作原理都大致相同，硬件結(jié)構(gòu)與微機(jī)相似。主要包括中央處理單元CPU、存儲(chǔ)器RAM和ROM、輸入輸出接口電路、電源、I/O擴(kuò)展接口、外部設(shè)備接口等。其內(nèi)部也是采用總線結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。
PLC控制系統(tǒng)由輸入量—PLC—輸出量組成，外部的各種開(kāi)關(guān)信號(hào)、模擬信號(hào)、傳感器檢測(cè)的各種信號(hào)均作為PLC的輸入量，它們經(jīng)PLC外部輸入端子，作為PLC的輸出量對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行各種控制。由此可見(jiàn)，PLC的基本結(jié)構(gòu)有控制部分輸入和輸出組成。
2.3.2 PLC各部分的作用
(1) 中央處理器
CPU是由控制器和運(yùn)算器組成的。運(yùn)算器也稱為算術(shù)邏輯單元，它的功能就是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。控制器的作用是控制整個(gè)計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件有條不紊地工作，它的基本功能是從內(nèi)存中取指令和執(zhí)行指令。他的重要功能如下：
① 診斷PLC電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。
② 采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并送入PLC的寄存器中。
③ 按用戶程序存儲(chǔ)器中存放的先后順序逐條讀取指令，進(jìn)行編譯解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)完成各種運(yùn)算和操作。
④ 將存于寄存器中的處理結(jié)果送至輸出端。
⑤ 應(yīng)各種外部設(shè)備的工作請(qǐng)求。
(2) 存儲(chǔ)器
PLC的存儲(chǔ)器分為兩大部分：
一大部分是系統(tǒng)存儲(chǔ)器，用來(lái)存放系統(tǒng)管理程序、監(jiān)控程序及其系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)。
二大部分是用戶存儲(chǔ)器，包括用戶程序存儲(chǔ)區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。
(3) 輸入輸出接口電路
PLC通過(guò)輸入輸出（I/O）接口電路實(shí)現(xiàn)與外圍設(shè)備的連接。輸入接口通過(guò)PLC的輸入端子接受現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備的控制信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU所能接受和處理的數(shù)字信號(hào)。
(4) 電源
PLC的電源是指將外部輸入的交流電經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓等處理后轉(zhuǎn)換成滿足PLC的CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口等內(nèi)部電路工作所需要的直流電源電路或電源模塊。
(5) 輸入輸出I/O擴(kuò)展接口
若主機(jī)單元的I/O點(diǎn)數(shù)不能滿足輸入輸出點(diǎn)數(shù)需要時(shí)，可通過(guò)此接口用扁平電纜線將I/O擴(kuò)展單元與主機(jī)單元相連接。
(6) PLC的基本工作原理
PLC采用的是循環(huán)掃描工作方式。對(duì)每個(gè)程序，CPU從第一條指令開(kāi)始執(zhí)行，按指令步序號(hào)做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無(wú)跳轉(zhuǎn)指令，則從則從第一條指令開(kāi)始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)稱為一個(gè)掃描周期。PLC的掃描全過(guò)程如圖3所示。
① 輸入刷新階段
在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成后關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。
② 程序執(zhí)行階段
在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開(kāi)始逐條執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對(duì)應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。
③ 輸出刷新階段
當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路，并通過(guò)一定輸出方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實(shí)際輸出。
圖1.3 PLC的掃描全過(guò)程
顯然掃描周期的長(zhǎng)短主要取決與程序的長(zhǎng)短。掃描周期越長(zhǎng)，響應(yīng)速度越慢。由于每一個(gè)掃描周期只進(jìn)行一次I/O刷新，即每一個(gè)掃描周期PLC只對(duì)輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，故使系統(tǒng)存在輸入、輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。由此可見(jiàn)，若輸入變量在I/O刷新期間狀態(tài)發(fā)生變化，則本次掃描期間輸出會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。反之，若在本次刷新之后輸入變量才發(fā)生變化，則本次掃描輸出不變，而要到下一次掃描的I/O刷新期間輸出才會(huì)發(fā)生變化。這對(duì)于一般的開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是完全允許的，不但不會(huì)造成不利影響，反而可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。這是因?yàn)檩斎氩蓸觾H在輸入刷新階段進(jìn)行，PLC在一個(gè)工作周期的大部分時(shí)間里實(shí)際上是外設(shè)隔離的。而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾常常是脈沖式的、短時(shí)的，由于系統(tǒng)響應(yīng)較慢，往往要幾個(gè)掃描周期才響應(yīng)一次，而多次掃描后，因瞬間干擾而引起的誤操作將會(huì)大大減少，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。但是對(duì)于控制時(shí)間要求較嚴(yán)格、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，就需要精心編制程序，必要時(shí)采用一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應(yīng)滯后等不良影響。
2.4 三菱可編程控制器產(chǎn)品功能介紹
綜合性價(jià)比和功能方面考慮，本次設(shè)計(jì)采用三菱實(shí)現(xiàn)售貨機(jī)的功能 ，該型號(hào)PLC輸入點(diǎn)X0-X27(八進(jìn)制)，輸出點(diǎn)Y0-Y27(八進(jìn)制)。下面對(duì)該產(chǎn)品的組成各部分和技術(shù)性能做個(gè)簡(jiǎn)單介紹。
2.4.1 功能指令類型
FX系列PLC的功能指令有連續(xù)執(zhí)行型和脈沖執(zhí)行型兩種形式。如圖（a）程序是連續(xù)執(zhí)行方式的例子。當(dāng)X2為ON狀態(tài)時(shí)，上述指令在每個(gè)掃描周期都被重復(fù)執(zhí)行。
如圖（b）是脈沖執(zhí)行方式的例子。助記符附的（P）符號(hào)表示脈沖執(zhí)行。（P）和（D）可同時(shí)使用（D）MOV（P）.該脈沖執(zhí)行的指令僅在X1由OFF轉(zhuǎn)為ON時(shí)有效。在不需要每個(gè)掃描周期都執(zhí)行，用脈沖執(zhí)行方式縮短執(zhí)行時(shí)間。
圖2.1 功能指令的兩種形式
2.4.2功能指令的通用表達(dá)形式
功能指令需要制定編號(hào)，有很多的功能指令在指定功能編號(hào)的同時(shí)還需制定操作元件按。操作元件有1個(gè)到4個(gè)操作數(shù)組成。操作數(shù)的說(shuō)明如下：
是源操作數(shù)，若使用變址功能時(shí)，表示為形式。源操作數(shù)不止一個(gè)時(shí)，可用、表示。
是目標(biāo)操作數(shù)。若使用變址功能時(shí)，表示為形式。目標(biāo)操作數(shù)不止一個(gè)時(shí)，可用、表示。
表示常數(shù)時(shí)，用十進(jìn)制（K）和十六進(jìn)制（H），如圖所示一條取平均值的功能指令的梯形圖和指令語(yǔ)句表
圖2.2 取平均值的功能指令的梯形圖
D0是源操作數(shù)的首元件，K3是指定取值的個(gè)數(shù)為3，D4Z是指定計(jì)算結(jié)果存放的數(shù)據(jù)寄存器的地址。顯然，上述平均值指令的含義：
2.4.3 三菱PLC內(nèi)部繼電器的功能及編號(hào)
（1） 輸入繼電器X
輸入繼電器是PLC用來(lái)接收用戶設(shè)備發(fā)來(lái)的輸入信號(hào)。輸入繼電器與PLC的輸入端相連，編程時(shí)應(yīng)注意，輸入繼電器的線圈必須由外部信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)，不能再程序內(nèi)部用指令來(lái)驅(qū)動(dòng)。因此，在程序中輸入繼電器只有觸點(diǎn)，而沒(méi)有線圈。
（2） 輸出繼電器Y
輸出繼電器是PLC用來(lái)將輸出信號(hào)傳給負(fù)載的元件。輸出繼電器的外部輸出觸點(diǎn)加到PLC的輸出端子上，外部信號(hào)無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)輸出繼電器，它只能在程序內(nèi)部用指令驅(qū)動(dòng)，無(wú)論是輸入繼電器還是輸出繼電器都可提供無(wú)限多對(duì)常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)，供編程使用，輸入輸出繼電器的地址編號(hào)均是采用八進(jìn)制。
（3） 輔助繼電器M
PLC內(nèi)部有很多輔助繼電器 ，每個(gè)輔助繼電器都有無(wú)限多對(duì)常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)，供編程使用。輔助繼電器只能由程序驅(qū)動(dòng)，其作用相當(dāng)于繼電器控制電路中的中間繼電器。輔助繼電器的觸點(diǎn)不能直接驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。
（4） 通用數(shù)據(jù)寄存器D
只要不寫入其他數(shù)據(jù)，已寫入的數(shù)據(jù)不會(huì)改變。但是，PLC狀態(tài)由運(yùn)行到停止，全部數(shù)據(jù)均清零。
2.4.4 程序流程控制功能指令
（1） 邏輯取和輸出線圈指令LD、LDI、OUT
LD取指令，用于常開(kāi)觸點(diǎn)與母線的鏈接指令，每一個(gè)以常開(kāi)觸點(diǎn)開(kāi)始的邏輯行都要使用這一指令。LDI 取反指令，用于常閉觸點(diǎn)與母線連接，每一個(gè)一常閉觸點(diǎn)開(kāi)始的邏輯行都要用這一指令。LD、LDI這兩條指令的目標(biāo)元件是X、Y、M、S、T、C，用于將觸點(diǎn)接到母線上。OUT是驅(qū)動(dòng)線圈的輸出指令，它的目標(biāo)元件是Y、M、S、T、C。對(duì)輸入繼電器X不能使用，OUT指令還可以連續(xù)使用多次。OUT指令的目標(biāo)元件是定時(shí)器T和計(jì)數(shù)器C時(shí)，必須設(shè)置常數(shù)K。其指令使用說(shuō)明如圖
圖2.3 LD、LDI、OUT指令的使用說(shuō)明
（2） 觸點(diǎn)串聯(lián)指令A(yù)ND、ANI
AND與指令，用于單個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)的串聯(lián)，完成邏輯“與”運(yùn)算。
ANI與非指令，用于單個(gè)常閉觸點(diǎn)的串聯(lián)，完成邏輯“與非”運(yùn)算。
使用說(shuō)明：
?AND、ANI是單個(gè)觸點(diǎn)串聯(lián)鏈接指令，串聯(lián)的次數(shù)沒(méi)有限制，該指令可以多次重復(fù)使用。
?AND、ANI指令的目標(biāo)元件是X、Y、M、S、T、C
詳細(xì)使用說(shuō)明如圖所示
圖2.4 AND、ANI指令的使用說(shuō)明
（3）ANB、ORB
ANB：用于支路的串聯(lián)指令，ORB：用于支路的并聯(lián)指令。其詳細(xì)用法如圖
圖2.5 ANB指令使用說(shuō)明
ORB詳細(xì)用法如圖
圖2.6 ORB指令使用說(shuō)明
（3）置位與復(fù)位指令SET、RST
SET置位指令，使動(dòng)作保持；RST復(fù)位指令，使操作保持復(fù)位。如圖
圖2.7 SET、RST指令的使用說(shuō)明
（2）脈沖輸出指令PLS
PLS指令在輸入信號(hào)上升沿產(chǎn)生脈沖輸出，而PLF在輸入信號(hào)下降沿產(chǎn)生脈沖輸出，這兩條指令都是2程序步，它的目標(biāo)元件是Y和M，但特殊輔助繼電器不能做目標(biāo)元件,使用PLS指令，元件Y、M僅在驅(qū)動(dòng)輸入接通后的一個(gè)掃描周期內(nèi)動(dòng)作，如圖所示
圖2.8 PLS指令的使用說(shuō)明
（3）加法指令A(yù)DD、減法指令SUB
ADD指令是將指定的源元件的二進(jìn)制數(shù)相加，結(jié)果送到指定的目標(biāo)元件中去，ADD指令的用法如圖所示
圖2.9 ADD指令使用說(shuō)明
+,即（D10）+（D12）D14
每個(gè)數(shù)據(jù)的最高位作為符號(hào)位（0為正，1為負(fù)），運(yùn)算時(shí)二進(jìn)制代數(shù)運(yùn)算。如果運(yùn)算結(jié)果為0，則零標(biāo)志M8020置1；如果運(yùn)算結(jié)果超過(guò)32767（16位運(yùn)算）或2147483647（32位運(yùn)算），則進(jìn)位標(biāo)志M8022置1；如果運(yùn)算結(jié)果小于-32768（16位運(yùn)算）或-2147483648（32位運(yùn)算），則借位標(biāo)志M8021置1。在32位運(yùn)算中，被指定的字元件是低16位元件，下一個(gè)元件為高16位元件
（4） DIV指令可以進(jìn)行16位和32位除法，得到商和余數(shù)，并將結(jié)果送到指定目標(biāo)元件中，用法如圖所示
圖2.10 DIV指令的使用說(shuō)明
減法指令與加法類似。
表2.1 DIV指令的助記符、功能、操作數(shù)和程序步
助記符
功能
操作數(shù)
【S1】 【S2】 【D】
程序步
DIV
FNC22乘法
兩數(shù)相除，結(jié)果存放到目標(biāo)元件中
K、H、T、C、D、V、Z、Kns、Knm、
KnY、KnX
Knm、KnY、KnS
T、C、D、V、Z
DMUL DMULP
DDIV DDIVP
13步
(5) 比較指令CMP
CMP指令的助記符、功能、操作數(shù)和程序步如表所示
表2.2CMP指令的助記符、功能、操作數(shù)和程序步
助記符
功能
操作數(shù)
【S1】 【S2】 【D】
程序步
CMP FNV10比較
比較兩個(gè)數(shù)的大小
K、H、T、C、D、V、Z
Y、S、M
3連續(xù)元件
CMP、CMPP
DCMP、DCMPP
CMP指令有3個(gè)操作數(shù)：兩個(gè)源操作數(shù)，一個(gè)目標(biāo)操作數(shù)，該指令將和進(jìn)行比較，結(jié)果送到中。CMP指令使用說(shuō)明如圖所示，當(dāng)X10為ON時(shí)，比較100和C20當(dāng)前值的大小 ，分3種情況使M0、M1、M2中的一個(gè)為ON，另兩個(gè)則為OFF；若X10為OFF，則CMP不執(zhí)行，M0、M1、M2的狀態(tài)保持不變。
圖2.11 CMP指令的使用說(shuō)明
（5）定時(shí)器T
定時(shí)器在PLC中的應(yīng)用相當(dāng)于一個(gè)時(shí)間繼電器，它有一個(gè)設(shè)定值寄存器，一個(gè)當(dāng)前值寄存器以及無(wú)限個(gè)觸點(diǎn)。通常PLC中有幾十個(gè)至數(shù)百個(gè)定時(shí)器T。
PLC內(nèi)定時(shí)器是根據(jù)時(shí)鐘脈沖累計(jì)計(jì)時(shí)，時(shí)鐘脈沖有1ms、10ms、100ma三檔，當(dāng)所計(jì)時(shí)時(shí)間到達(dá)設(shè)定值時(shí)，輸出觸點(diǎn)動(dòng)作。定時(shí)器可以用用戶程序存儲(chǔ)內(nèi)的常數(shù)K作為設(shè)定值，也可以用數(shù)據(jù)寄存器D的內(nèi)容作為設(shè)定值。這里使用的數(shù)據(jù)寄存器應(yīng)有的斷電保持功能。定時(shí)器元件的編號(hào)、設(shè)定值和動(dòng)作敘述如下：
?定時(shí)器T0~T245.100ms定時(shí)器T0-T199共200點(diǎn)，每個(gè)定時(shí)器設(shè)定值范圍是0.1-3276.7s；10ms定時(shí)器T200-T245共46點(diǎn)，每個(gè)設(shè)定值范0.1-3276.7s。當(dāng)驅(qū)動(dòng)輸入X0接通時(shí)，定時(shí)器T200的當(dāng)前值計(jì)數(shù)器對(duì)10ms時(shí)鐘脈沖進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)，當(dāng)該值與設(shè)定值K123相等時(shí)，定時(shí)器的輸出觸點(diǎn)接通，即輸出觸點(diǎn)是在驅(qū)動(dòng)線圈123X0.01s時(shí)動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)輸入X0斷開(kāi)或發(fā)生斷電時(shí)，計(jì)數(shù)器復(fù)位，輸出觸點(diǎn)也復(fù)位。其工作過(guò)程如圖
圖2.12 定時(shí)器的工作原理
?積算定時(shí)器T246-T255。1ms積算定時(shí)器T246-T249共4點(diǎn)，每點(diǎn)設(shè)定值范圍為0.001-3276.7s；100ms積算定時(shí)器T250-T255共6點(diǎn)，每個(gè)積算定時(shí)器設(shè)定值范圍0.1-3276.7s。當(dāng)定時(shí)器的線圈T250的驅(qū)動(dòng)輸入X1接通時(shí)，T250的當(dāng)前值計(jì)數(shù)器開(kāi)始累計(jì)100s的時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)，當(dāng)該值與設(shè)定值K345相等時(shí)，定時(shí)器的輸出觸點(diǎn)接通。當(dāng)計(jì)數(shù)中間驅(qū)動(dòng)輸入X1斷電或復(fù)電時(shí)，計(jì)數(shù)器繼續(xù)工作，當(dāng)累積時(shí)間為0.1x345=34.5S,輸出點(diǎn)動(dòng)作。
圖2.13 積算定時(shí)器的工作原理圖
第3章 PLC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 可編程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則
3.1.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則
任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象（生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程）的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則：
(1) 最大限度地滿足被控對(duì)象的控制對(duì)象。設(shè)計(jì)前，應(yīng)深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查研究，收集資料，并于機(jī)械部分的設(shè)計(jì)人員和實(shí)際操作人員密切配合，共同擬訂電氣控制方案，協(xié)同解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。
(2) 在滿足控制系統(tǒng)要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，使用及維修方便。
（3）保證控制系統(tǒng)的安全、可靠。
（4）考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝和改進(jìn)，在選擇PLC容量時(shí)，應(yīng)適當(dāng)留有裕量。
3.1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容
PLC控制系統(tǒng)是由PLC與用戶輸入、輸出設(shè)備連接而成的，因此，PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容應(yīng)包括：
（1）用戶輸入設(shè)備（按鈕、操作開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、傳感器等）、輸出設(shè)備（繼電器、接觸器、信號(hào)燈等執(zhí)行元件）以及由輸出設(shè)備驅(qū)動(dòng)的控制對(duì)象（電動(dòng)機(jī)、電磁閥等）。這些設(shè)備屬于一般的電氣元件，其選擇的方法在其他有關(guān)書籍中已有介紹。
（2）PLC的選擇。 PLC是PLC控制系統(tǒng)的核心部件，正確選擇PLC對(duì)于保證整個(gè)控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)起到重要的作用。選擇PLC，應(yīng)包括機(jī)型選擇、容量的選擇、I/O模塊的選擇、電源模塊的選擇等。
（3）分配I/O點(diǎn)，繪制I/O連接圖。
（4）設(shè)計(jì)控制程序。包括設(shè)計(jì)梯形圖、語(yǔ)句表（即程序清單）和控制系統(tǒng)流程圖?？刂葡到y(tǒng)程序是控制整個(gè)系統(tǒng)工作的軟件，是保證系統(tǒng)工作安全、可靠的關(guān)鍵。因此，控制程序餓設(shè)計(jì)必須經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試、修改，直到滿足要求為止。
（5）必要時(shí)還需設(shè)計(jì)控制臺(tái)
（6）編制控制系統(tǒng)的技術(shù)文件。
3.1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟
（1）根據(jù)生產(chǎn)的工藝過(guò)程分析控制要求。
（2）根據(jù)控制要求確定所需的用戶輸入、輸出設(shè)備，據(jù)此確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)。
（3）選擇PLC系統(tǒng)。
（4）分配PLC的I/O點(diǎn)，設(shè)計(jì)I/O連接圖。
（5）進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)，同時(shí)可進(jìn)行控制編寫調(diào)試。
3.1.4 編寫梯形圖的注意事項(xiàng)
（1）輸入/輸出繼電器、內(nèi)部輔助繼電器、定時(shí)器、記數(shù)器等器件的觸點(diǎn)可以多次重復(fù)使用，無(wú)需復(fù)雜的程序結(jié)構(gòu)來(lái)減少觸點(diǎn)的使用次數(shù)。
（2）梯形圖每一行都是從左母線開(kāi)始，線圈終止于右母線。觸點(diǎn)不能放在線圈的右邊。除步進(jìn)程序外，任何線圈、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、高級(jí)指令等不能直接與左母線相連。如果需要任何時(shí)候都被執(zhí)行的程序段，可以通過(guò)特殊內(nèi)部常閉繼電器或一個(gè)沒(méi)有使用的內(nèi)部繼電器的常閉觸點(diǎn)來(lái)連接。
（3）在程序中，不允許同一編號(hào)的線圈兩次輸出。
（4）不允許出現(xiàn)橋式電路。
程序的編寫順序應(yīng)按自上而下、從左止右的方式編寫。為了減少程的執(zhí)行步數(shù)，程序應(yīng)為“左大右小，上大右小”。
3.1.5 程序設(shè)計(jì)的步驟
（1）對(duì)于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，需繪制系統(tǒng)控制流程圖，用以清楚地表明動(dòng)作的順序和條件。
（2）設(shè)計(jì)梯形圖。這程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步，也是比較困難的一步。
（3）根據(jù)梯形圖編制程序清單。
（4）用編程器將程序輸入到PLC的用戶存儲(chǔ)器中，并檢查輸入的程序是否正確。
（5）對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和修改，直到滿足要求為止。
（6）編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書
3.2 程序設(shè)計(jì)部分
3.2.1設(shè)計(jì)控制要求
（1） 自動(dòng)售貨機(jī)可售出4中商品，價(jià)格分別為2、3、4、5元。
（2） 自動(dòng)售貨機(jī)可識(shí)別硬幣面值為1元、5元。
（3） 自動(dòng)售貨機(jī)具有缺貨提示功能
（4） 當(dāng)投入的硬幣總面值超過(guò)所購(gòu)飲料的標(biāo)價(jià)時(shí)，所有可購(gòu)買的商品燈均亮，按下對(duì)應(yīng)的商品按鈕即可購(gòu)買商品，當(dāng)投入硬幣總值不足購(gòu)買商品時(shí)提示錢幣不足，按下退幣鍵即可退幣。
（5） 購(gòu)買商品后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)減去相應(yīng)的金額，根據(jù)剩余金額確定退幣。
（6） 購(gòu)買一次后若還想購(gòu)買，則按下繼續(xù)購(gòu)買按鈕即可。
3.2.2自動(dòng)售貨機(jī)I/O點(diǎn)的分配
輸入/輸出單元通常也稱I/O單元或I/O模塊，是PLC與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)之間的連接部件。 PLC通過(guò)輸入接口可以檢測(cè)被控對(duì)象的各種數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)作為PLC對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行控制的依據(jù)；同時(shí)PLC又通過(guò)輸出接口將處理結(jié)果送給被控制對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)控制目的。
售貨機(jī)I/O點(diǎn)的分配如表3.1
輸入點(diǎn)
輸出點(diǎn)
X0
1元幣識(shí)別器
Y14
錢幣不足
X1
5元幣識(shí)別器
X2
2元商品按鈕
Y0
2元商品指示燈
X3
3元商品按鈕
Y1
3元商品指示燈
X4
4元商品按鈕
Y2
4元商品指示燈
X5
5元商品按鈕
Y3
5元商品指示燈
X6
2元商品行程開(kāi)關(guān)
X7
3元商品行程開(kāi)關(guān)
Y12
取商品
X10
4元商品行程開(kāi)關(guān)
Y13
放商品
X11
5元商品行程開(kāi)關(guān)
Y18
脈沖輸出
X12
上限位開(kāi)關(guān)
Y4
上移
X13
下限位開(kāi)關(guān)
Y5
下移
X14
前限位開(kāi)關(guān)
Y6
前移
X15
后限位開(kāi)關(guān)
Y7
后移
X6
左限位開(kāi)關(guān)
Y10
左移
X16
右限位開(kāi)關(guān)
Y11
右移
X17
光電開(kāi)關(guān)
Y16
無(wú)貨指示燈
X20
退幣按鈕
Y15
退幣指示燈
X21
繼續(xù)購(gòu)買
Y17
繼續(xù)購(gòu)買
3.2.3自動(dòng)售貨機(jī)外部接線圖
售貨機(jī)的外部接線圖如圖3-6所示，X2-X5為物品選擇按鈕，當(dāng)投入硬幣面值大于或等于商品價(jià)格時(shí)，商品燈（Y0-Y3）長(zhǎng)亮按下X2-X5其中一個(gè)，對(duì)應(yīng)的商品指示燈長(zhǎng)亮，其余熄滅。由供貨系統(tǒng)輸出商品，按下退幣按鈕（X20）后系統(tǒng)計(jì)算余額后退幣
圖3.1 PLC外部接線圖
3.2.4 梯形圖和順序功能圖介紹
（1）梯形圖介紹
梯形圖是用的最多的PLC圖形編程語(yǔ)言。梯形圖語(yǔ)言是在傳統(tǒng)電器控制系統(tǒng)中常用的接觸器、繼電器等圖形表達(dá)符號(hào)的基礎(chǔ)上演變而來(lái)的。它與電器控制線路圖相似，如圖3-4所示。繼承了傳統(tǒng)電器控制邏輯中使用的框架結(jié)構(gòu)、邏輯運(yùn)算方式和輸入輸出形式，具有形象、直觀、實(shí)用的特點(diǎn)。因此，這種編程語(yǔ)言為廣大電氣技術(shù)人員所熟知，是應(yīng)用最廣泛的PLC的編程語(yǔ)言，是PLC的第一編程語(yǔ)言。
圖3.2 典型梯形圖 示意
在梯形圖中，有兩根豎直的直線，被稱為母線，現(xiàn)在很多PLC只保留了左邊的母線，而把右邊的母線略去不寫。在梯形圖中引入了“能流”的概念。左邊的母線就如電源的“正極”，而右邊的母線就如電源的“負(fù)極”。如果有“能流”從左至右流向線圈，則線圈被激勵(lì)。如果沒(méi)有能流，則線圈未被激勵(lì)，“能流”在任何時(shí)刻都不會(huì)通過(guò)接點(diǎn)自右向左流，本次設(shè)計(jì)梯形圖見(jiàn)圖紙。
（2） 順序功能圖
順序功能圖用來(lái)表達(dá)一個(gè)順序控制過(guò)程，是一種圖形化的編程方法。圖中用方框表示整個(gè)控制過(guò)程的一個(gè)個(gè)“狀態(tài)”，或稱“功能”或稱“步”，用線段方框見(jiàn)的關(guān)系及方框見(jiàn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件，本次設(shè)計(jì)的順序功能圖見(jiàn)圖紙。
3.2.5 三菱編程軟件FXGPWIN介紹
本次編程設(shè)計(jì)用的是三菱FXGPWIN，現(xiàn)對(duì)其操作界面作簡(jiǎn)單的介紹
圖3.3 軟件界面
進(jìn)入軟件后，對(duì)編程相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如本次設(shè)計(jì)選用的是三菱FX2N就在FX2N前面打勾，即選擇了當(dāng)前的編程環(huán)境。
圖3.4 軟件編程界面
編程完畢后需將當(dāng)前的梯形圖編譯轉(zhuǎn)換所示
圖3.5 梯形圖轉(zhuǎn)換界面
經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后的梯形圖可直接導(dǎo)入PLC執(zhí)行程度內(nèi)容
圖3.6 將程序?qū)懭隤LC里面
程序完成寫入后可執(zhí)行監(jiān)控，觀察工作過(guò)程中各個(gè)元件工作情況
圖3.7 PLC監(jiān)控界面
3.2.6 售貨過(guò)程分析
自動(dòng)售貨機(jī)系統(tǒng)主要包括計(jì)幣系統(tǒng)、比較系統(tǒng)、供貨系統(tǒng)、退幣系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)以交易過(guò)