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1、目录 摘 要IV第一章 绪论11.1气动机械手的应用领域11.2机械手的发展状态及前景方向11.3本课题的研究目的与意义1第二章 气压传动的工作原理32.1气压传动概述32.1.1气压传动组成及工作原理32.1.2气压传动系统的组成32.1.3气压传动的优点32.1.4气压传动的缺点32.2PLC与气压控制42.2.1基础气压4 2.2.2PLC与气压过程控制62.3电磁阀应用技术132.3.1概述132.3.2电磁阀的应用领域142.3.3电磁阀的种类及工作原理15 2.3.4电磁阀的特点152.3.5电磁阀的应用16第三章 FX系列可编程控制器203.1 PLC概述203.1.1 PLC的
2、历史及发展203.1.2 PLC的应用领域213.1.3 PLC的特点223.2 FX系列PLC233.2.1 FX2N结构特点及硬件配置233.2.2可编程控制器的软元件的作用和功能25第四章 机械手PLC控制系统总体设计方案概述274.1机械手PLC控制系统总体设计274.2机械手传送工件系统示意图274.3机械手输送系统I/O接口分配表284.4机械手控制系统的工作原理和运行模式304.5机械手PLC控制程序设计314.6各运行模式下程序设计324.6.1初始化程序324.6.2手动运行程序设计324.6.3回原点运行程序设计324.6.4自动运行程序设计33第五章 总结与展望365.1
3、设计总结365.2前景展望36致 谢37参考文献38摘 要在生产中广泛存在着很多不能直接由人手完成的工作，尤其是搬运笨重物体或在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气和放射性等恶劣的环境下工作。人工在这样环境下生产，不仅效率低，生产成本高，企业的竞争能力差，而且还会危及人的生命安全。针对上述问题，本课题利用PLC技术，结合气动技术、位置控制技术设计了一种安全高效的气动机械手控制系统，来代替人进行正常工作，大大提高生产的机械化水平和劳动生产率，保证产品质量、实现安全生产。本系统利用各种检测装置进行位置检测，再通过PLC做出相应的控制，来模拟人手的部分动作，按给定的顺序、轨迹和要求实现自动搬运
4、、抓举等操作。可以广泛应用于汽车、交通、运输等各行各业。本系统由于采用的是PLC作为主控制器，比起其他控制器更易实现机电一体化，也更适合在工业等恶劣环境下工作。本系统具有很强的实用性和广泛的应用范围。它操作简单，具有良好的扩展性和可靠性。PLC软件编程简单，易于修改，只要通过修改相应软件程序，就实现更多更强的功能。因此在生产实际中具有很高的实际应用价值。关键词：机械手 PLC 电磁阀第一章 绪论1.1气动机械手的应用领域由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节
5、能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、冶金、电子、轻工、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。1.2机械手的发展状态及前景方向机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。专用机械手:它作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固定(有时可调)程序，使用大批量的自动生产。如自动生产线上的上料机械手，自动换刀机械手，装配焊接机械手等装置。通用机械手:它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。它适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产，它的工作范围大，定位精度高，通用性强
6、，广泛应用于柔性自动线。在21世纪可编程控制器会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计及制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、组网能力更强的品种出现。从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展。从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富，规模更齐备。完美的人机界面、完备的通讯设备会更好地适应各种工业控制场合的需求。从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言。这是有利于可编程技术的发展及可编程产品的普及的。从网络的发展情况来看，可编程控制器和其他工业控制计算机组网，构
7、成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向，目前的计算机集散控制系统（Distributed Control System）及现场总线控制系统中已有大量的可编程控制器应用，伴随着总线技术及计算机网络的进一步发展，可编程控制器作为自动化控制网络或国际通用网络的重要的组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。机械手的发展前景方向：（1）重复高精度（2）模块化（3）无给油化（4）机电一体化1.3本课题的研究目的与意义随着工业自动化程度的提高，机械手的应用领域越来越广。机械手能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具。机械手可以代替很多重复性
8、的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度、提高生产效率。目前，对机械手的控制可采用以下几种方式：（1）用继电器控制，这种控制系统故障率高、控制方式不灵活且功耗大，已逐渐被人们所淘汰；（2）用微机控制，虽然它在智能控制方面有较强大的功能，但它的抗干扰性差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术，广泛应用也不太容易；（3）PLC控制，此控制系统具有运行可靠、使用维修方便、抗干扰性强、能经受恶劣环境的考验等优越性，已经成为在机械手控制系统中使用最多的控制方式。第二章 气压传动的工作原理2.1气压传动概述 2.1.1气压传动组成及工作原理气压传动简称气动，是指以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号，
9、控制和驱动各种机械和设备，以实现生产过程机械化、自动化的一门技术。2.1.2气压传动系统的组成（1）气源装置： 把原动机输出的机械能转变为空气压力能的装置，其主要设备是空气压缩机。 （2）控制元件：对压缩空气的压力、流量和流动方向进行控制的装置，以保证执行元件具有一定的输出力和速度并按设计的程序正常工作。例如压力阀、节流阀、换向阀和逻辑阀等。（3）执行元件：把压缩空气的压力能转换成机械能的装置，如气缸和气马达。 （4）辅助元件：指用于辅助保证气动系统正常工作的一些装置。如空气过滤器、消声器和油雾器等。（5）传动介质：即传递能量的压缩空气。2.1.3气压传动的优点（1） 空气随处可取，取之不尽，
10、无介质费用和供应上的困难；用后的空气直接排入大气，对环境无污染，处理方便，不必设置回收管路，因而也不存在介质变质、补充及更换等问题。 （2）空气粘度小(约为液压油的万分之一)，在管内流动阻力小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送。即使有泄漏，也不会严重影响工作，不会污染环境。 （3）和液压相比，气动反应快，动作迅速，维护简单，管路不易堵塞。 （4）气动元件结构简单、制造容易，适于标准化、系列化、通用化。 （5）气动系统对工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中工作时，安全可靠性优于液压、电子和电气系统。 （6）空气具有可压缩性，使气动系统能够实现过载自动保
11、护，也便于储气罐储存能量，以备急需。 （7）排气时气体因膨胀而温度降低，因而气动设备可以自动降温，长期运行也不会发生过热现象。2.1.4气压传动的缺点（1) 由于空气的可压缩性大，所以气动系统的稳定性差，负载变化时对工作速度的影响较大，速度调节较难。（2）气压传动系统工作压力低，输出力较小，且传动效率低。（3)气动装置中的信号传递速度仅限于声速范围内， 其工作频率和相应速度远不如电子装置，并且信号要产生较大的失真和延滞，也不便于构成较复杂的回路。（4)需对气源中的杂质及水蒸气进行净化处理，净化处理的过程较复杂。空气无润滑性能，故在系统中需要润滑处应设润滑给油装置。（5)气动系统有较大的排气噪声
12、，使环境恶化、危害人体健康，影响人的情绪，应设法消除或降低噪声。（6)气动系统有泄漏，这是能量的损失。一定量的外泄漏也是允许的，但应尽可能减少泄漏。2.2PLC与气压控制2.2.1基础气压（）气压系统基本架构 空 压 机 干 燥 机 储 气 槽 气 压 缸 方 向 阀 压源三点组合 （2）气压源：工作压力 47 bar ( 1 Kg / cm2 = 0.981 bar) （3）三点组合（调理组）：调压、滤水、润滑 （4）气压缸:单动缸、双动缸 （5）方向阀： 口与位的观念 一个方块代表一个作动位置 方块内的箭头表示气流的方向 ( T代表不通的口 ) 一个作动位置中进气与出气口的总和为口数 作动
13、与复归方式 按钮作动 手炳作动 踏板作动 辊轮作动 气压作动 电磁作动 电磁导引气压作动 弹簧复归 气压复归 电磁复归 电磁导引气压复归 （6）基本气压回路 2.2.2PLC与气压过程控制（一）单一流程 A、B皆为双动缸，分别以双边电磁阀控制动作顺序如图PB ON (Pulse) ，则系统激活一次循环后自动停止。 I/O 规划如下 输入：PB=X0 a1=X1 a0=X2 b1=X3 b0=X4 输出：A+=Y0 A-=Y1 B+=Y2 B-=Y3按下激活开关START步骤步骤步骤一开始（RUN）系统处于待机状态A气压缸到达前顶点B气压缸后退A气压缸到达后顶点回到步骤 S 0 S 20 S 2
14、2Jump S0X0X1X3步骤4步骤5A气压缸前进B气压缸前进B气压缸到达前顶点B气压缸到达后顶点A气压缸后退 S 24X4 S 26X2LDM8002SETS0STLS0RSTY0RSTY2SETY1SETY3LDX0ANDX2ANDX4SETS20STLS20RSTY1SETY0LDX1SETS22STLS22RSTY3SETY2LDX3SETS24STLS24RSTY2SETY3LDX4SETS26STLS26RSTY0SETY1LDX2SETS0RETEND（二）选择性分歧A、B皆为双动缸，分别以双边电磁阀控制动作顺序如图，当PBON时，A气压缸来回运动一次； 当PBON时，B气压缸
15、来回运动一次。 I/O 规划如下： 输入：PB1=X0 PB2=X1 a1=X2 a0=X3 b1=X4 b0=X5 输出：A+=Y0 A-=Y1 B+=Y2 B-=Y3按下PB1一开始（RUN）系统处于待机状态A气压缸到达前顶点B气压缸后退A气压缸到达后顶点 S 0 S 20 S 22X0X2X3A气压缸前进B气压缸前进B气压缸到达前顶点B气压缸到达后顶点A气压缸后退 S 24X4 S 26X1X5按下PB2 Jmp S0 LDM8002SETS0STLS0RSTY0RSTY2SETY1SETY3LD X0SETS20LD X1SETS24STLS20RSTY1SETY0LD X2SETS2
16、2STLS22RSTY0SETY1LD X3SETS0STLS24RSTY3SETY2LD X4SETS26STLS26RSTY2SETY3LD X5SETS0RETEND（三）并进式分歧 A、B皆为双动缸，分别以双边电磁阀控制动作顺序如图，当PB ON时， A气压缸来回运动一次同时，B气压缸来回运动一次。 I/O 规划如下 输入：PB=X0 a1=X2 a0=X3 b1=X4 b0=X5 输出：A+=Y0 A-=Y1 B+=Y2 B-=Y3按下PB一开始（RUN）系统处于待机状态A气压缸到达前顶点B气压缸后退A气压缸到达后顶点 S 0 S 20 S 22X0X2X3A气压缸前进B气压缸前进B
17、气压缸到达前顶点B气压缸到达后顶点A气压缸后退 S 24X4 S 26X5 Jmp S0STLS24RSTY3SETY2LDX4SETS26STLS26RSTY2SETY3STLS22STLS26LDX3ANDX5SETS0RETENDLDM8002SETS0STLS0RSTY0RSTY2SETY1SETY3LDX0SETS20SETS24STLS20RSTY1SETY0LDX2SETS22STLS22RSTY0SETY1 2.3电磁阀应用技术2.3.1概述在压力调节方面，减压阀得到了广泛的应用，但几乎所有的减压阀都存在着压力调节方面问题：采用减压阀只能进行某一压力值的调节，如果需要调节到其它
18、的压力值，则需要人工进行调节。人工进行调节需要根据经验，与操作人员的操作熟练程度相关，此外还需要采用专用的调节设备和花费一定的调节时间。在某些特殊的条件下，如在试验过程中存在危险的情况，则不能进行压力的调节。根据减压阀的这一特点，工程上也采用了步进电机结合减压阀来调整出口压力值，但这一做法明显增加了系统的复杂性。减压阀出口压力的调整精度不高。流量跨度较大时，减压阀出口压力的调整精度受到的影响就更大。减压阀自身特性是导致出口压力调整精度不高的主要原因，减压阀下游易出现超雁情况。由于减压阀设计过程中的密封比压一般并不是很高，因此减压阀下游超压情况很常见，在空间推进系统的设计中一般还采用了安全阀来防
19、止减压阀超压。减压阀需要采用措施去防止“呜叫”现象。由于减压阀有着较大的低压腔，因此易于出现“呜叫”现象。采取一定的措施后才能够减弱此现象。而采用电磁阀调节压力相比于采用减压阀调节压力，电磁阀调节压力可进行多种压力值的调节，出口压力的调整精度也可以控制得更高，而且在弹簧力和压力差的共同作用下，密封比压很高，密封更可靠。此外由于不存在低压腔，不会产生“呜叫”现象。2.3.2电磁阀的应用领域电磁阀技术与控制技术、计算机技术、电子技术相结合，已经能够进行多种复杂的控制。比如可以把电磁阀应用在智能控制领域，应用在无线控制技术等方面。电磁阀正是因为能够用电磁进行控制，所以它能与现在的各种电子系统很好地接
20、口，这也是它得到广泛应用的一个主要原因。电磁阀已经广泛地应用在生产的各个领域中，随着电磁控制技术和制造工艺的提高，电磁阀能够实现更加精巧的控制，为实现不同的气动系统、液压系统发挥它的作用。电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压，气动。电磁阀用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压钢控制，所以就会用到电磁阀。电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。电磁阀是用电磁的效应进行控制，主要的控制方式由继电器控制。这样
21、，电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。以气动系统为例子说明电磁阀在工业控制中的应用。所谓气动系统，就是以气体为介质的控制系统。气动系统中，这种能源的介质通常就是空气。在真正使用的时候，通常把大气中的空气的体积加以压缩，从而提高它的压力。压缩空气主要通过作用于活塞或叶片来作功。气动系统中，电磁阀的作用就是在控制系统中按照控制的要求来调整压缩空气的各种状态，气动系统还需要其他元件的配合，其中包括动力元件、执行元件、开关、显示设备及其它辅助设备。动力元件包括各种压缩机，执行元件包括各种气缸。这些都是气动系统中不可缺少的部分。而阀体是控制算法得以实现的重要设备。比
22、如单向阀让压缩空气从压缩机进入气罐，当压缩机关闭时，阻止压缩空气反方向流动；安全阀当储气罐内的压力超过允许限度，可将压缩空气排出；方向控制阀通过对气缸两个接口交替地加压和排气，来控制运动的方向；速度调节阀能简便实现执行元件的无级调速。2.3.3电磁阀的种类及工作原理电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了
23、机械运动。（1）直动式电磁阀有常闭型和常开型二种。常闭型断电时呈关闭状态，当线圈通电时产生电磁力，使动铁芯克服弹簧力同静铁芯吸合直接开启阀，介质呈通路；当线圈断电时电磁力消失，动铁芯在弹簧力的作用下复位，直接关闭阀口，介质不通。结构简单，动作可靠，在零压差和微真空下正常工作。常开型正好相反。（2）分步直动式电磁阀该阀采用一次开阀和二次开阀连在一体，主阀和导阀分步使电磁力和压差直接开启主阀口。当线圈通电时，产生电磁力使动铁芯和静铁芯吸合，导阀口开启而导阀口设在主阀口上，且动铁芯与主阀芯连在一起，此时主阀上腔的压力通过导阀口卸荷，在压力差和电磁力的同时作用下使主阀芯向上运动，开启主阀介质流通。当线
24、圈断电时电磁力消失，此时动铁芯在自重和弹簧力的作用下关闭导阀孔，此时介质在平衡孔中进入主阀芯上腔，使上腔压力升高，此时在弹簧复位和压力的作用下关闭主阀，介质断流。结构合理，动作可靠，在零压差时工作也可靠。（3）间接先导式电磁阀该系列电磁阀由先导阀和主阀芯联系着形成通道组合而成；常闭型在未通电时，呈关闭状态。当线圈通电时，产生的磁力使动铁芯和静铁芯吸合，导阀口打开，介质流向出口，此时主阀芯上腔压力减少，低于进口侧的压力，形成压差克服弹簧阻力而随之向上运动，达到开启主阀口的目的，介质流通。当线圈断电时，磁力消失，动铁芯在弹簧力作用下复位关闭先导口，此时介质从平衡孔流入，主阀芯上腔压力增大，并在弹簧
25、力的作用下向下运动，关闭主阀口，常开式原理相反。2.3.4电磁阀的特点（1）适用性管路中的流体必须和选用的电磁阀系列型号中标定的介质一致。流体的温度必须小于选用电磁阀的标定温度。流体清洁度不高时应在电磁阀前安装过滤器，一般电磁阀对介质要求清洁度要好。注意流量孔径和接管口径；电磁阀一般只有开关两位控制；条件允许请安装旁路管，便于维修；有水锤现象时要定制电磁阀的开闭时间调节。同时还要注意环境温度对电磁阀的影响。（2）可靠性电磁阀分为常闭和常开二种；一般选用常闭型，通电打开，断电关闭；但在开启时间很长关闭时很短时要选用常开型了。动作时间很短频率较高时一般选取直动式，大口径选用快速系列。（3）安全性一
26、般电磁阀不防水，在条件不允许时请选用防水型。电磁阀的最高标定公称压力一定要超过管路内的最高压力，否则使用寿命会缩短或产生其它意外情况。有腐蚀性液体的应选用全不锈钢型，强腐蚀性流体宜选用塑料王（SLF）电磁阀。爆炸性环境必须选用相应的防爆产品。2.3.5电磁阀的应用在气动技术中，2位3通阀（3/2阀）常被用于控制单作用气缸的简单回路中，或是用于开关阀来使用。虽然3/2阀结构简单，功能相对单一，但是3/2阀经过组合后，会带来很多更高级的作用。巧用3/2阀在工业生产中有很大意义，不仅可以节省成本，还可以提高整个气动回路的安全性和可靠性。在控制双作用气缸的典型回路中，大家通常是使用2位5通阀（5/2阀
27、）作用控制元件，在电气气动回路中，一般选用5/2双电控电磁阀。如图3-1所示： 图3-1 2位5通双电控电磁阀图为双作用气缸的控制回路，气体经二联件或三联件处理后，进入5/2双电控电磁阀，该阀可以控制无杆气缸、双作用气缸或摆动气缸。但当用PLC控制电磁线圈时，若1M1得电，1M2失电，管路1-4导通，气缸滑块向右运动；若1M2得电，1M1失电，管路1-2导通，气缸滑块向左滑动。如图3-2所示：图3-2 双电控电磁阀原理在上述PLC控制顺序中，两个电磁线圈只有一个得电一个失电的情况下，气缸才能运动。即两个线圈的状态为1-0，或0-1。但是，我们不能保证PLC的程序在初次调试时万无一失，无法保证程
28、序的编写没有错误，或者也不能保证PLC在正常运行时由于各种因素，程序被干扰。一旦出现错误，机械手上下运动，且携带重物，会造成严重的后果。可见，5/2双电控电磁阀在控制上是存在先天不足的，原因在于它的两个线圈只能有1-0和0-1两种状态，而一旦出现1-1和0-0的状态时，换向阀就不知道如何运动了。因为经过试验表明，当同时给两个线圈得电时，换向阀阀芯如何运动无法评估，有时会向左，有时会向右，且无固定概率。但是当出现1-1时，绝对不会出现线圈烧毁的问题。如果想解决由于程序问题而造成的故障，我们只能更换5/2双电控电磁阀，寻找一种新的换向阀代替它。而最保险，最可靠，成本最低的选择就是使用两个3/2单电
29、控电磁阀，无论该阀是常开型还是常闭型，只要保证两个电磁阀的类型一样即可。控制回路如图3-3所示：图3-3 两同类型3/2单电控电磁阀图中，我们把一个5/2双电控电磁阀换成两个同类型的3/2单电控电磁阀。在PLC控制中，如果1M1得电，2M1失电，气缸滑块向右移动，即1-0状态；如果2M1得电，1M1失电，气缸滑块向左运动，即0-1状态；如果1M1和2M1都得电，气缸滑块保持不动，即1-1状态，但是气缸活塞两端充满气体，压力相等；如果1M1和2M1都失电，气缸滑块保持不动，即0-0状态，但是气缸活塞两端无气体，压力为零。这样，无论程序出现问题，电磁阀都可以保证在1-0，0-1，1-1和0-0四个
30、状态下都有稳定的运动状态。由于机械手需要携带重物作上下运动，所以最好选用常闭型的电磁阀，当1-1状态下气缸活塞两端压力为零，0-0状态下气缸活塞两端充满气体，这样才更安全。可见，3/2电磁阀虽然结构最简单，但是灵活运用会带来很大的好处，而对于5/2双电控电磁阀来说，虽然使用场合很多，而由于其自身结构的缺点，在使用时一定要注意安全隐患。第三章 FX系列可编程控制器3.1 PLC概述可编程控制器PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控
31、制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。作为通用工业控制计算机，30多年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到储存逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界工业控制中发挥着越来越大的作用。3.1.1 PLC的历史及发展世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司研制的。限制当时的元件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由
32、分立元件和小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储单元都以继电器命名。因而人们称可编程控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度，超小型的体积，可靠的工业抗干扰
33、设计，模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得了广泛的应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这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控制的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机及超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各种各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元，通讯单元，使应用可编程控制器的工业控制系统配套更加容易。在21世纪可编程控制器会有更大的发展。从技
34、术上看，计算机技术的新成果会更多地应用与可编程控制器的设计及制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、组网能力更强的品种出现。从产品规模上看，会进一步向超小型方向及大型方向发展。从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富，规模更齐备。完美的人机界面、完备的通讯设备会更好地适应各种工业控制场合的需求。从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言。这是有利于可编程技术的发展及可编程产品的普及的。从网络的发展情况来看，可编程控制器和其他工业控制计算机组网，构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向，目前的计算机集散控
35、制系统及现场总线控制系统中已有大量的可编程控制器应用，伴随着总线技术及计算机网络的进步发展，可编程控制器作为自动化控制网络或国际通用网络的重要的组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。3.1.2 PLC的应用领域机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作;代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性
36、制造系统(FMS )和计算机集成制造系统(CIMS )，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等行业,使用情况大致可归纳为如下几类。(1)开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。(2)模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位
37、和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。（3）运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机
38、，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。（5）数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于
39、过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。（6）通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3.1.3 PLC的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强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和严格的生产制造工艺，在内部电路中采用了先进的抗干扰技术，因此具有很高的可靠性。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
40、百甚至数千分之一，故障率也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障的自我检测功能，出现故障时可及时发出报警信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断保护。所以使整个系统的可靠性得到极大提升。（2）配套齐全，功能完善，适用性强，性价比高PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能外，现代PLC具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC新型功能单元的涌现使PLC迅速渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通讯能力的增加及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易，与功能
41、相同的继电器系统相比价格也很便宜。（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只使用少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现很复杂的继电器电路的功能。为了熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，改造容易PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大地减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大大缩短了。同时维护也变得容易起来。更重要的是，使同一设备经过改变程序改变生产过程成
42、为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。（5）体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，底部尺寸小于100mm见方，重量小于150g，功耗仅数瓦的品种已屡见不鲜。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。3.2 FX系列PLCFX系列PLC是三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，具有较高的性价比，应用广泛。3.2.1 FX2N结构特点及硬件配置（1）FX2N系列产品的结构特点FX2N系列PLC采用一体化箱体结构，其基本单元（Basic Unit）将所有的电路，含CPU、存储器、输入输出接口及电源等都装在一个模块内，是一个完整的控制装置。这样结构紧凑，体积小巧，成本低，安装方便。FX2N系列PLC基本单元的输入输出比为1：1。（2）FX2N系列PLC硬件配置FX2N系列PLC的硬件包括基本单元(可独立工作)、扩展单元、扩展模块、模拟量输入（输出）模块、各种特殊功能模块及外部设备等。FX2N基本单位有16、32、48、65、80、128点，6个基本FX2N单元中的每个单元都可以通过IO扩展单元扩充为256IO点，其基本单元见表2-1。FX2N系列PLC具有丰富的元件资源，有3072点辅助继电器。提供了多种特殊功能模块，可
