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1、第一章 绪论装箱机是一种将无包装的产品或者小包装的产品半自动或者自动装入运输包装的一种设备，其工作原理是将产品按一定排列方式和定量装入箱中（瓦楞纸箱、塑料箱、托盘），并把箱的开口部分闭合或封牢。按照装箱机的要求，它应具有纸箱成形(或打开纸箱)、计量、装箱的功能，有些还配有封口或者捆扎功能。1.1 装箱机的基本要求装箱机的主要形式有卧式、垂直下落式、夹持式、裹包式和托盘成型的自动以及半自动装箱机，传动和控制以机械、气动、光电一体化为主。目前国产装箱机可以操作小盒（如食品、药品包装盒）、玻璃瓶、塑料瓶、塑料桶、金属罐、软包装袋等包装形式，其基本要求是能够实现拾取箱板箱子成型底部折边箱体传送产品收集
2、及装箱的过程。在实际操作过程中，拾取箱板、箱子成型及底部折边按先后顺序进行，从而完成箱子的成型。瓶子、罐等刚性包装经过收集和整理，由装箱机的抓手按一定的数量抓住后直接装入纸箱、塑料箱或者托盘内。如果纸箱内有隔板，则装相机装箱的精度要求更高。软包装产品的装箱一般采取箱子成型和物料收集及填充同时进行的方式，这样可以提高装箱速度。自动装箱机配备了封箱和捆扎等辅助设备，自动进行封箱和捆扎，完成最后的工序。1.2 装箱机的技术发展趋势当前，我国包装机械行业正受到国际金融危机的影响和国际市场竞争的挑战，以价格竞争的销售策略已经不能显现企业的优势。抓住机遇，调整产品结构，以高科技产品提升企业竞争力是未来我国
3、包装机械行业应对危机和挑战的唯一出路。面对我国装箱机的市场需求，包装机械企业应重点开发一批具有国际先进水平的全自动、多功能、节能、环保的现代化装箱机，提高国产装箱机的市场竞争力。专家指出，在开发装箱机产品中一定要充分体现出高效、高精、智能化、标准化、模块化、弹性化且具有多种切换功能、可拆卸以及节能、环保的设计理念。在引进、消化、吸收的基础上，开发出具有自主知识产权的国产品牌。1、模块化设计是未来包装机械设计的方向。模块化设计就是在一定范围内，在对不同功能或相同功能下的不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，换用一个或几个
4、单元，即可应对包装产品的变化，满足不同产品装箱的需求。另外在设计中还要体现零件的可拆卸性。良好的可拆卸性可以使装箱机便于维护，所用易损件要便于回收和可再生利用，从而达到方便用户、节省成本和保护环境的目的。 2、均衡寿命设计是近年来提出的科学、环保设计理念。它要求在设计中尽量使每个零部件具有相同或相似的使用寿命。就装箱机而言，某种重要组成模块应具有较长的寿命，而易于损坏的模块要易于更换，对于一些关键部件和涉及到安全性的模块在设计时应考虑设计成可维修、便于检测的结构。3、人机工程设计在现代化的装箱机设计中也具有重要的意义。人机工程设计的目的是为减少装箱机使用中人的差错，发挥人和机械各自的特点以提高
5、装箱机整体的可靠性。利用人机工程学原理设计装箱机的人机系统，包括要适于人的使用习惯，便于识别操作，保证安全问题和不易出错的防误操作设计等。这些都要通过机电一体化控制，利用计算机实现自动操作、自动数据收集、自动检验以及自动诊断来实现。4、智能化、多功能是现代化全自动装箱机的特点。智能化全自动装箱机采用高速分配装置，适用于各种容器，如塑料扁瓶、圆瓶、不规则形瓶，各种大小玻璃圆瓶、椭圆形瓶，方形罐及纸罐等，同时也要适用于带隔板的包装箱。一般都是由瓶夹（内置橡胶，以防损伤瓶体）夹住瓶体（每组数量为一箱或者两箱），放入打开的纸箱或者塑料箱中，当抓头抬起时，将纸箱推出，送至封箱机。装箱机还应设有缺瓶报警停
6、机、无瓶不装箱等安全装置。整体上要体现如下的特点： 根据装箱要求，能自动实现产品整理排列 设计简洁，结构紧凑 适用范围广，可适用于多种产品装箱 适合与包装流水线配套使用，移动方便 电脑程控，操作简单，动作稳定 瓶类、盒类、袋类、桶类等各种包装形式经过调整可以通用。第二章 机械设备的总体设计2.1 方案的选择包装机械根据包装物与包装材料的供给方式，可分为全自动包装机械及半自动包装机械；若按包装物的使用范围划分，可分为通用包装机、兼用包装机及专用包装机；而依包装种类可分为个包装机、内包装机及外包装机等。用于加工包装材料和容器的包装机械包括复合材料加工机械、制袋机械、塑料中空容器加工机械等。包装机械
7、是包装工业的一大门类产品，它给行业提供必要的技术设备，以完成所要求的产品包装工艺过程。包装设备包括合成包装材料制造、印刷和容器成型等工序的机械和设备，是将原料经加工、印刷、成型等转换成包装容器的机器。该类设备大多数是成套生产线，与工艺和原料关系十分密。现设计大体分三部分：物料传输部分的结构设计、电控部分的设计、吸盘的设计选择。方案一：传输部分：机构传动电控部分：单片机吸盘的选择：电磁铁吸盘方案二：传输部分：气压传动电控部分：可编程控制器吸盘的选择：气动吸盘2.2 方案的选择与确定在物料传输部分，方案一采用气压传动，方案二采用机构传动。相比较：气动特点：1）使用方便 空气作为工作介质，空气到处都
8、有，来源方便，用过以后直接排入大气，不会污染环境，可少设置或不必设置回气管道。2）系统组装方便 使用快速接头可以非常简单地进行配管，因此系统的组装、维修以及元件的更换比较简单。3）快速性好 动作迅速反应快，可在较短的时间内达到所需的压力和速度。在一定的超载运行下也能保证系统安全工作，并且不易发生过热现象。4）安全可靠 压缩空气不会爆炸或着火，在易燃、易爆场所使用不需要昂贵的防爆设施。可安全可靠地应用于易燃、易爆、多尘埃、辐射、强磁、振动、冲击等恶劣的环境中。5）储存方便 气压具有较高的自保持能力，压缩空气可储存在贮气罐内，随时取用。即使压缩机停止运行，气阀关闭，气动系统仍可维持一个稳定的压力。
9、故不需压缩机的连续运转。6）可远距离传输 由于空气的粘度小，流动阻力小，管道中空气流动的沿程压力损失小，有利于介质集中供应和远距离输送。空气不论距离远近，极易由管道输送。7）能过载保护 气动机构与工作部件，可以超载而停止不动，因此无过载的危险。8）清洁 基本无污染，对于要求高净化、无污染的场合，如食品、印刷、木材和纺织工业等是极为重要的，气动具有独特的适应能力，优于液压、电子、电气控制。为了实现自动化控制，利用较小的生产空间。综合比较气压传动比较适用。在电控部分，方案一采用单片机虽然能耗低、成本低，但由于单片机的硬件制作质量和抗干扰措施难以达到较高的标准，环境的适应的适应性较差。可编程控制器是
10、目前工控界发展最为迅速的工业自动化控制产品，该产品在国内外被广泛的运用于自动化领域内。可编程控制器体积小、抗干扰能力强、运行可靠，可以直接装入强电动力箱内使用，并且功能齐全、运算能力强、编程简单直观，深受各层次使用者青咪。因此选方案二。在吸取方案上，气动吸盘和电磁铁吸盘都具有可行性，气动吸盘是利用负压原理将罐头吸起传送。而当罐头盒是铁制时用电磁铁也可将罐头吸起、传送及放下，但电磁铁还需断电保护，因此选方案二。综上所述方案二可行。2.3 物料搬运部分的结构设计物料传输系统的功能在本罐头装箱机装置里实现的就是，将罐头从输罐传送带运到输箱传送带上，两条传送带有一点的空间间隔。物料搬运结构设计简图如下
11、所示。该系统由1升降气缸、2无杆汽缸、3真空吸盘、4支架与底座、5罐头、6箱等组成。吸盘可以吸住罐头，在升降缸的作用下可以上下移动，吸盘连同升降缸在无杆气缸的作用下沿着导轨以达到左右移动的目的。在升降气缸和无杆汽缸上安装有行程开关，这样能够对这个系统进行准确定位。现设两条输送带之间的距离为636mm，两条带平行且高度为 424mm，罐头的规格为80120，则有罐头的起升高度至少为120mm，罐头平行移动的距离为636mm。 图2-1 物料搬运系统简图第三章 传输带部分简介罐头和箱都是在不同的输送带上进行运输的。在罐头输送带上，为了便于吸盘能够一次性吸取46的罐头，现在在输送带的后端设置一个集罐
12、器能够装下46的罐头。集罐器的上端装有一个伸缩气缸，在集罐器的右端上安装了两个传感器，当罐头到达传感器3时，传感器检测到信号，输罐带的电机停止工作，伸缩缸开始运动，把罐头往集罐器的里端推动，运动一定的时间后，伸缩缸缩回，传感器检测到缸的缩回，电机开始运动，如此反复循环，运动四次一个循环就完成了罐头的收集，传感器4的作用是记录伸缩缸运动的次数，已达到控制装箱机的运动。在输箱带上，他的任务就是提供足够的空箱供装罐头用，装箱工作完成后要及时把已装满的箱子运走。在输送带上要有准确的罐装载固定位置，如图中安装了一个挡块为了使箱子准确定位，和两个传感器，以便进行罐装箱的工作。传感器7的作用是检测有无进箱与
13、否，当有空箱进入以后，传感器7就控制挡块的升起，同时输箱带的电机停止工作，入库传输带的电机开始工作。传感器8的作用是检测箱体的位置是否正确，当检测到真确位置后就给装箱机系统一个信号，以便下一步装箱机进行装箱的动作。传感器6的作用就是检测装箱机进行装箱与否，当传感器7检测到装箱机的装箱的动作以后就证明罐装箱工作完成的完成，挡块就下降，同时就启动入库传输带的电机的工作，使以装满罐头的箱子离开装箱的位置，以便下一批箱子进来进行装载工作。当装满罐头的箱子离开一定的时间后，输箱带的电机就开始工作。 图3-1 传输部分简图第四章 气动传动系统的设计气压传动系统是由气源、控制元件、执行元件和辅助元件组成并能
14、完成规定动作的装置。就气压传动系统整体而言，他是由气动回路和控制回路两部分组成的。动力回路又称主回路，是以执行元件为主体所形成的回路，控制回路是由各种传感器，发讯装置、控制元件、逻辑元件等组成，形成控制信号去控制主回路。以执行元件输出的力或力矩、运动速度和方向作为控制对象时，则组成了动力回路中的基本回路。气动执行元件包括气缸和气动马达。控制气缸的工作压力，也就是控制气缸输出力的回路称为压力控制回路；调节活塞运动速度的回路称为速度控制回路；实现气缸往复运动的回路称为方向控制回路。控制回路中的基本回路，主要是逻辑回路，他对工作过程中产生的各种信号进行逻辑运算，排除障碍信号，提取有用的信号去控制主回
15、路。控制回路还包括启动、复位、手动与自动的转换和安全操作等常用回路。 图4-1 气动部分原理图气动动力回路设计主要涉及压力、流量、和换向三类气动基本控制回路以及气动元件的选取等。设计方法都用经验法，也就是根据设计要求，选用气动常用回路组合，然后分析是否满足要求，如果不满足要求，则需另选回路或元件，直到满足要求。其具体设计歩骤可归纳如下。1）根据设计要求确定执行元件的数量，分析机械部分运动的特点，确定气动执行元件的种类（气缸、摆缸、气动气爪、真空吸盘）。 2）根据输出力的大小、速度调节范围、位置控制进度以及负载的特点、运动规律等确定的常用回路、将这些回路综合并和执行元件连接起来。 3）确定回路中
16、各元件的型号和电器规格。气动元件的选择顺序如下。执行元件：根据要求的输出力的大小、负载率、工件运动范围等因素，确定气缸的缸径和行程。电磁阀：根据气缸的缸径、运动速度范围，确定电磁阀的大小（通经）；根据是否需要断电保护，确定是采用单电控电磁阀或双电控电磁阀；根据控制器的电器规格，确定电磁阀的驱动电压。单向节流阀：根据气缸缸径，运动速度范围、确定节流阀的节流方式（进气节流或排气节流）和大小（型号）。需要注意的是，单向节流阀应在其可调节的范围内使用，单向节流阀的螺纹应和气缸的进排气口的螺纹一致。过滤器、减压阀：根据气动系统的要求的空气洁净度，确定过滤器的过滤精度；根据气动系统的最大耗气量来确定过滤器
17、、减压阀的大小（型号）。如果执行元件要求的压力不一样，则需要增加分支管路，在分支管路上分别安装减压阀。减压阀应安装在过滤器之后。消声器：根据要求的消声器效果确定消声器的型号，消声器的接口螺纹应和电磁阀的排气口的螺纹相一致。管接口和软管：根据电磁阀，减压阀等的大小，确定管接口的大小和接口螺纹以及软管的尺寸。气源出来的气体经过二联件处理后进入到汇流板。通过相应的电磁换向阀可进入吸料和松料的动作。整个气动系统的两个气缸都采用气动节流调速；电磁阀采用2个二位五通阀和一个二位二通阀。选用集装式电磁换向阀，将所有电磁换向阀由汇流板集装在一起，以减少占用空间。第五章 气动配件的选择5.1 气缸的选择气缸的品
18、种繁多，各种型号的气缸性能和使用条件不尽相同，且各生产厂家规定的技术条件也各不相同。要合理选择气缸，使气缸符合正常的工作条件，从而获得满意的效果。这些条件有工作压力范围、工作介质温度、环境条件及润滑条件。首先根据对气缸的工作要求，选定气缸的工作规格：即缸径和行程。按气缸的工作要求的行程再加上适当余量，依此值选取相近的标准行程作为预选行程，以此进行轴向负载检测、径向载荷及缓冲性能校核。其次还应考虑：环境条件（温度、粉尘、腐蚀等），安装方式，活塞杆的连接方式及行程发信方法。5.1.1 气缸设计、计算本人设计的气动系统选择了三个气缸，带动气动吸盘上下移动的升降气缸，因为气缸在上下在上下移动的过程中都
19、要带动吸盘和罐头的移动，两个过程都需要的很大的力，所以升降气缸选用双作用气缸；在集罐器上有一个气缸，它推动罐头的单向移动，只有一个过程需要力的作用，所以伸缩气缸选用单作用气缸；对于左右移动的气缸，我选用无杆气缸因为无杆汽缸是一种无活塞杆伸出在在外的特殊结构气缸（与普通气缸相比），正是由于无活塞杆伸在外，它运动是所占的空间比普通标准型气缸减少一半，在目前自动化生产线，尤其是组建模块化搬运、加工流水线上起得十分重要的作用。5.1.1.1升降气缸求缸径选用的是双作用气缸，普通双作用气缸的理论推理为式中 D缸径，m p气缸的工作压力，Pa其理论拉力为式中 d活塞杆的直径，m，估算时可令d=0.3D在本
20、设计中罐头重量 = 6.5N/个 ，气动吸盘及其附件的重量为12Kg。则气缸的轴向负载力 F=6.5 4 612 9.8N =273.6N气缸的平均速度 S为气缸的工作行程，在本设计中s=220mm，整个提升所用的时间t=1.5s，气缸的工作压力为0.5Mp。则有 =133.3 选该负载率=0.5理论输出力 =547.2N由公式可得双作用气缸缸径为 = =37.34mm故选取双作用气缸缸径为40mm 则活塞杆直径d=0.3D=12mm求壁厚一般气缸缸壁厚与内径之比为气缸缸筒承受压缩空气的压力，其壁厚可按薄壁筒公式计算 式中 缸筒壁厚，m 实验耐压力，Pa，取=1.5缸筒材料许用应力，Pa，其计
21、算公式为缸筒材料抗拉强度，Pan安全系数，一般取68 按公式计算出来的壁厚通常都是很薄，加工比较困难，实际设计过程中一般都需按加工工艺要求，适当增加壁厚，尽量选用标准钢管或铝合金管。缸筒材料常用20钢无缝钢管、铝合金2Al2、HT150、HT200等。根据以上所述选用20钢无缝钢管，查机械设计手册23-92选取的缸壁厚 根据以上的数据我选用威海气动元件有限公司的生产的QGB-40200MF1系列的气缸。5.1.1.2伸缩气缸求缸径如前所述选用的是单作用缸，普通单作用气缸（预缩型）理论推理为 其理论压力为 普通单作用气缸（预伸型）理论推力为 其理论拉力为 式中 D缸径，m； d活塞杆直径，m；
22、p工作压力，Pa； 单作用气缸复位弹簧的预紧力，N； 复位弹簧的预压量加行程所产生的弹簧力，N； 根据我所设计的集罐器，所需的气缸的行程为100mm，需要气缸作用杆开始为缩型，所以选用的单作用气缸为弹簧前置。 罐头运动所需要气缸提供的推力为 其中mg6个罐头的重量、G挡板的重量、罐头和挡板的摩擦系数 则有 =0.6(39+20)N =35.4N 启动时的摩擦力是运动时摩擦力的2.55倍，则需要的推力F=35.45=177N我选用的是QGSD系列普通型单作用气缸，行程为100mm，考虑到力的作用，和现场的安装，则选择的缸径为40mm。其具体的型号为QGSD q Nn 40100 A LB Y R
23、其中，q=弹簧前置型；Nn=内置磁环；40气缸的内径；100气缸的行程；A=无缓冲；LB安装方式，LB=轴向底座；Y连接件，Y=双肘节；DX导向装置，DX=有导向装置；R耐热型，R=采用氟橡胶件，最高耐热200。图5-1 单作用气缸5.1.1.3无杆气缸无杆气缸的缸筒形状是一个带开口槽的内孔为圆形的铝合金型材，无杆气缸的滑块/活塞为一整体结构部件，为了使活塞在缸筒内部运动有一个密闭的空间，在缸筒型材内孔内孔开槽处采用了一根稍长于缸筒缸筒长度呃密封带，穿过活塞/滑块部件，密封带两端固定在前后端盖顶部上方。同时在型材开口处的外表面上，同样还有一根稍长于缸筒长度的钢带，也穿过活塞/滑块部件，钢带的两
24、端固定在前后端盖顶部上方（在密封件上方）。钢带的功能是保护其内部的密封带不受外部赃物、灰尘的侵入。当压缩空气进入无杆气缸内部推动活塞时，滑块也随之运动。活塞运动的长度就是滑块运动的行程。因为我所设计的是一个电气控制系统，在搬运罐头的过程要有准确的定位，所以我选用了带导向装载的无杆气缸。带导向装置无杆气缸的有两种导向系统：一种导向系统采用滑动轴承（铜轴瓦），另一种采用带循环滚珠轴承。滑动轴承活塞许用速度比带循环滚珠轴承小，滑动轴承活塞最大许用速度为1m/s，带循环滚珠轴承最大活塞许用速度可达2m/s。无杆气缸的选择 驱动器所承受的负载F= 其中 罐头的总重 吸盘及其附件的总重 升降气缸的总重=2
25、46.5=156N、=1210=120N、=1310=130N则有 F=156+120+130=406N如果驱动器同时受到多个力和力矩的作用，除满足负载条件外，还必须满足下列方程：1图5-2 无杆气缸的受力分析图因为罐头在搬运过程中，它的行程为580mm，行程是比较短的，而且要求的速度不是很高，只受到y方向上的力，它受到的力矩可以忽略不计，综上不用考虑。 查机械设计手册23-148，选用带滑动轴承的无杆气缸的活塞直径为40mm，其技术参数如下：活塞直径结构特点导向装置操作模式驱动原理最大速度安装位置气接口行程长度位置感测40mm气动直线驱动器轴承导向装置GF双作用强制同步任意1200mm通过磁
26、铁表5-1 无杆气缸的技术参数许用力和许用转矩：活塞直径40mm10101010233434表5-2 无杆气缸的受力值根据以上的数据我选用FESTO公司的DGPL-40-1200-PPV-A-GF-B 其中PPV表示终端可调缓冲、A表示定位通过磁铁、GF表示滑块轴承导向装置。5.2 方向控制阀的选择5.2.1 双电控三位五通电磁阀根据气动化系统的工作要求选用阀的性能，包括阀的最低工作压力、最低控制压力、响应时间、气密性、寿命及可靠性和安装方式。因为阀工作的压力为0.5Mp，我选用QDC系列的华能公司产的SR540，公称直径为9mm，气接口的尺寸为R18，压力范围为1.57bar，工作电压为DC
27、:24V，基本形式为双控。5.2.2 单通两位三通电磁阀 我所选用的为上海新益气动元件有限公司生产的XQ23型体积小、动作的频率高，使用寿命长，装有手动装置，便于调试。控制方式为电控直动。阀芯原始状态为常闭，密封形式为弹簧密封，润滑方式为雾油润滑。其参数为：型号规格XQ230481.1、公称直径为4mm，工作压力范围为0 1Mp、工作温度范围为550、额定电压为DC：24V、换向时间15mm、连接形式为串接、气口螺纹G18、基本形式为单控。5.3 流量控制阀的选择5.3.1 单向调速阀我选用的为上海新益气动元件有限公司生产的，型号为QJSO400、结构形式为阀式、接口螺纹G18、工作压力范围为
28、0.11Mp、工作温度范围为-1060、最大流量为115Lmin。5.4 气缸位置传感器的选择 气缸位置传感器位于气缸活塞上的永磁体的磁场，可记录活塞的位置 气缸位置传感器必须满足与磁体协同合作，与磁体保持一定的距离和沟槽的几何形状和公差。气缸位置传感器被机械的固定在驱动器的沟槽中的相应的位置。气缸活塞的前进或后退，开关信号状态就会发生变化。该标准二进制开关信号在理论上可与编程逻辑控制器（PLC）相连，并可用于控制过程行程处理顺序。气缸的传感器的磁滞和开关行程取决于磁场和、不同形状和规格的气缸。磁体的距离能改变对磁滞和开环行程的影响。我选用电感应无触点接近开关，它是由一个带铁磁性屏蔽层的谐振回
29、路所组成。行程开关进入磁场气缸活塞的永久磁环）后，屏蔽层的磁场强度达到饱和，因此振荡回路的电流发生变化。此电流的变化通过一个放大器转化为输出信号。此开关用于型材气缸的沟槽内，由于电感应无触点接近开关外形有插入槽的凸边，感应面方向不会差错，对于圆形气缸可用传感器支架。接近开关的主要技术参数：工作电压1030V DC或1030V AC；开关精度范围为0.10.2mm（根据各型号规定）；最大输出电流为100500；最大开关功率为310W；开关功能有PNP、NPN；接通时间，常开触为0.2ms，常闭触点为0.5ms；防护等级为IP65，IP76；环境温度为2060（耐热型的为2060）；有二芯电缆或三
30、芯电缆。5.5 接近开关的安装位置左限位和右限位的传感器安装在带导向装置的无杆气缸上，为了达到精确的定位，左限位的传感器的位置为在无杆气缸上距左端点540mm处，右限位的传感器的位置为距右端点312.2mm处，则无杆气缸滑块的行程为627.8mm。上限位和下限位安装在双作用气缸上，上限位的传感器安装在气缸的起点位置上，下限位的传感器安装在距上限位传感器为160mm处，则整个气动吸盘上下移动的距离为160mm。第六章 可编程控制器的概述可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC），他是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种
31、新型工业自动控制装置。随着大规模、超大规模集成电路技术和数字通信技术的进步和发展，PLC技术不断提高，在工业生产中获得极其广泛的应用。6.1 PLC主要功能和特点6.1.1 PLC的主要功能 目前，在国内外PLC已广泛应用于所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，如各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等各行各业。随着PLC性价比的不断提高，其应用领域不断扩大。从应用类型上看PLC的功能大致可以归纳为以下几个方面。 1.开关逻辑和顺序控制 这是PLC应用最广泛、最基本的场合。利用PLC基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，取代传统的继电器控制，用于单机控制、多机群控制
32、、生产自动化控制等。 2. 模拟控制（A/D和D/A控制） 在工业生产过程中,许多连续变化的物理量需要进行控制,如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。过去 PLC对于模拟量的控制主要靠仪表或分布式控制系统；目前，大部分PLC都具备处理这类模拟量的功能，而且编程和使用都很方便。 3. 定时/计数控制 PLC具有很强的定时、计数功能，可以为用户提供数十甚至上百个定时器与计数器。定时器的定时间隔可以由用户加以设定；对于计数器，如果需要对频率较高的的信号进行计数，则可以选择高速计数器。 4. 步进控制 PLC为用户提供了一定数量的位移寄存器，可方便的完成不仅控制功能。 5. 运动控制 在机械加
33、工行业中，PLC与计算机数控（Computerized Numerical Control，简称CNC）集成在一起，用来完成机床的运动控制。 6. 数据处理 大部分的PLC都具有不同程度的数据处理能力，不仅能进行算术运算、数据传送。而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等操作，有些还可以进行浮点数和函数运算。 7.通信联网 PLC具有通信联网功能，可使PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间以及其他的智能控制设备（计算机、变频器、数控装置等）之间交互信息，形成统一的整体，实现了“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。6.1.2 PLC的特点 PLC之所以能迅速发展，除了工业自动化的客观
34、需要外，还因为它具有很多独特的有点，主要有： 1.可靠性高，抗干扰能力强。可靠性是指PLC的平均无故障时间（Mean Time Between Failuers，简称MTBF）。可靠性高、抗干扰性强是PLC最重要的特点之一，其MTBF可达几十万小时，可直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC 已被公认为最可靠的工业控制设备之一。 2.编程简单、使用方便。梯形图是可编程控制器使用最多的编程语言，是面向生产、面向用户的编程语言，与电气控制电路图相似；梯形图形象、直观、简单、易学，广大工程技术人员很容易上手。当生产流程需要改变时，可现场改编程序，使用方便、灵活。 3.功能完善，通信性强。如今，PLC
35、不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制灯功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网等许多功能。同时，由于PLC产品的系列化、模块化，以及品种齐全的硬件装置，可组成满足各种要求的控制系统。 4.设计简单、维护方便。由于PLC用软件代替传统电气控制的硬件，使用控制柜的设计、安装，接线量大大减少，缩短了施工周期。PLC具有很强的自诊断功能，若出现故障，可根据PLC上的指示或编程器上提供的编程信息，迅速查明原因，维修极为方便。5.体积小、重量轻、能耗低。由于PLC采用了集成电路，其结构紧凑，体积小、能耗低，因而是实现机电一体化的理想控制设备。目前以PLC作为控制器的C
36、NC设备和机器人装置已经成为典型。6.2 PLC的硬件结构、工作原理及其主要技术指标6.2.1 PLC的硬件结构PLC 类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但其结构和工作方式大同小异。硬件是同由主机、输入/输出（I/O）接口、电源、编程器、I/O扩展接口和外部设备接口等主要部分组成，如图2-1：图6-1 PLC系统的基本结构 如果将PLC看做一个系统，外部的各种开关信号和模拟信号均为输入变量，它们经输入接口寄存到PLC内部的数据寄存器中，然后按照用户程序要求进行逻辑运算或数据处理，最后以输出变量形式送到输出接口，从而控制输出设备。 一、主机 主机部分主要包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器
37、和用户程序存储器。 CPU是PLC的核心，起着总指挥的作用，它主要用来运行用户程序、监控输入/输出接口状态，作出逻辑判断和进行数据处理，即读入输入变量，完成用户指令的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如打印机，条码扫描仪）的请求以及进行各种内部诊断等。 PLC的内部存储器有两种：一类是系统程序存储器，主要存放系统管理、监控程序和对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。 二、I/O接口 I/O接口是系统的眼、耳、手、脚，是PLC与I/O设备连接的部件。输入接口用来接收和采集输入信号
38、，开关量输入模快用来接受从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器传来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发动机、各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备；模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。 三、电源 PLC的电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的的直流开关稳压电源，PLC通常使用交流220V或直流24V工作电源。它的电源模块为其他各功能模块提供DC5V、DC12V、DC24V等各种内部直流工作电压。一般情况下，许多PL
39、C可为输出电路和外部的传感器提供直流24V的工作电源，但是驱动PLC负载的直流电源或交流电源一般有用户提供。 四、编程器 编程器是用来编制、调试PLC用户程序的外部设备，是人机交互的窗口。通过编程器可以把用户程序输入到RAM中，或者对RAM中的程序进行编辑；通过编程器还可以对PLC的工作状态进行监视和跟踪，对调试和试运行用户程序非常有用。 除了手持编程器外，目前使用较多的是利用通信电缆讲PLC与计算机连接，利用专用的工具软件进行编程和监控。 五、I/O扩展接口 I/O扩展接口是PLC主机为了扩展输入/输出点数和类型的部件，I/O扩展单元、远程输入/输出扩展单元、智能输入/输出单元等都是通过它与
40、主机相连。I/O扩展接口有并行接口、串行接口等多种形式。 六、外部设备接口 外部设备I/O接口是主机实现人机对话、机机对话的通道。通过它，PLC可以和编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备相连，也可以和其他PLC或上位机连接。外部设备I/O接口一般是RS232C或RS422A串行通信接口，该接口能够进行串行/并行数据转换，通信格式识别，数据传输出错检测，信号电平检测等。对于一些小型PLC，外设I/O接口中还有与专用编程器连接的并行数据接口。 PLC除了硬件系统外，还需要软件系统的支持，二者共同构成PLC。PLC的软件系统由系统程序（系统软件）和用户程序（应用软件）组成。 1.系统程序。系统程
41、序是由PLC的制造企业编制，固化在EPROM中，随产品提供给用户。系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序和供系统程序调用的标准程序模块等。 2.用户程序。用户程序是根据生产过程控制要求由用户使用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序，包括开关逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序等。6.2.2 PLC的工作原理 PLC控制任务的完成建立在硬件的支持下，通过执行反映控制要求的用户程序来实现，其工作原理和计算机控制系统基本相同。 PLC采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作。运行时，CPU根据用户控制要求编制好的并存储于存储器中的程序，按照指令步序号（或地址号）作周期循环扫描，如无跳转
42、指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束，然后返回第一条指令，开始新一轮扫描。在每次扫描过程中，还要对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。 PLC的一个扫描周期包括输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。 1.输入采样阶段。首先以扫描方式按照顺序将所有的暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其存入（写入）各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。在程序执行阶段，即使输入状态有变化，输入状态寄存器也不会改变，智能等下一个扫描周期的输入采样阶段被读入。 2.程序执行阶段。按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行的每条指令，所需要的
43、执行条件可以从输入状态寄存器和当前输入状态寄存器和当前输出状态寄存器中读入，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的数据随着程序的执行而改变。 在程序执行阶段，除了输入映像寄存器外，各个元件映像寄存器的内容是随着程序的执行而不断变化的。 3.输出刷新阶段。当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应的输出设备工作。 在输出刷新阶段结束后，CPU进入下一个扫描周期，重新执行输入采样，周而复始。6.2.3 PLC的主要技术指标 1.存储容量 PLC的存储器由系统程序存储器、用户
44、程序存储器和数据存储器三部分组成，PLC存储容量通常是指用户程序存储器和数据存储器之和，表征系统提供给用户的可用资源，是系统性能的重要性能指标。 2.I/O点数 I/O点数是PLC可以接受的输入、输出信号的总和，是衡量PLC效能的重要指标。I/O点数越多，外部可接入的输入输出设备就越多，控制规模就越大。 3.扫描速度 扫描速度是指PLC执行用户程序的速度，一般以扫描1KB用户程序所需要的时间来表示，通常以ms/KB为单位。PLC的用户手册一般给出执行各条指令所需要的时间，可以通过比较各种PLC执行相同的操作所用的时间来衡量扫描速度的快慢。影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和PLC产品的类型
45、，CPU的类型、机器字长等直接影响PLC运算精度和运行速度。 4.指令系统 指令系统指PLC所有指令的和，PLC具有的基本指令和功能指令。指令的种类和数量也是衡量PLC性能的重要指标。PLC的编程指令越多，软件功能越强，PLC的处理能力和控制能力也越强，用户编程越简单、方便，越容易完成复杂的控制任务。 5.内部元件的种类和数量 在编制PLC程序时，需要用到大量的内部元件来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息，这些元件的种类与数量越多，表示PLC的存储和处理各种信息的能力越强。 6.特殊功能单元 特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。近年来各PLC厂家非常重视特殊功能单元的开发，特殊功能单元种类日益增多，功能日益增强，控制功能也日益强大。 7.可扩展能力 PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。选择PLC时通常需要考虑到
