和一个位显地址，图中只画出了一个数码管。段显用来控制要显示的字符（字形代码），位显用来控制哪一个数码管显示。要使某一个数码管显示某一个字符时，先将要显示的字形代码送段显地址，再使位显数据中对应该数码管的位为1（或0），而其它位为0（或为1），然后将该数据送位显地址。图2 动态显示原理图图3 静态显示电路原理图 静态显示使用的元器件多，电路复杂，每个数码管有一个段显示地址，无位显地址。每个数码管上有一个锁存器将要显示的数据锁存，这种显示方法只要不向数码管送新的数据，其显示内容不会消失。假如显示数据不变，不需要显示刷新，只有在要显示的数据发生变化时，才需要向显示器注进要显示的数据。由于系统中有EPROM（用来存放系统程序），RAM（用来存放加工程序），接口电路8255（用来作输进、输出）等，每片内存都要有一定的地址范围，而数码管地址可以连续。为解决这个题目可以采用二级译码，电路原理如图3所示。图中CS1作为系统的EPROM片选信号，CS2作为系统的RAM片选信号，CS3、CS4及CS5作为系统的8255片选信号。3—8译码器用来处理显示，若系统中有多排数码管时，可以使用多个3—8译码器，不同的3—8译码器A、B、C端接不同的地址线。
可编程序控制器（Programmable Controller ）原本应简称PC，为了与个人计算机专称PC相区别，所以可编程序控制器简称定为PLC（Programmable Logic Controller），但并非说PLC只能控制逻辑信号。PLC是专门针对产业环境应用设计的，自带直观、简单并易于把握编程语言环境的产业现场控制装置。 一、PLC基本组成 PLC基本组成包括中心处理器（CPU）、存储器、输进/输出接口（缩写为I/O，包括输进接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、外部设备编程器及电源模块组成，见图1。PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。图1 PLC的基本组成1. 中心处理器 中心处理器（CPU）由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。CPU通过数据总线总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输进输出接口、编程器和电源相连接。 小型PLC的CPU采用8位或16位微处理器或单片机，如8031、M等，这类芯片价格很低；中型PLC的CPU采用16位或32位微处理器或单片机，如8086、96系列单片机等，这类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且可靠性高；而大型PLC则需采用高速位片式微处理器。 CPU按照PLC内系统程序赋予的功能指挥PLC控制系统完成各项工作任务。 2. 存储器 PLC内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。 1）系统程序存储器 PLC系统程序决定了PLC的基本功能，该部分程序由PLC制造厂家编写并固化在系统程序存储器中，主要有系统治理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。 系统治理程序主要控制PLC的运行，使PLC按正确的次序工作；用户指令解释程序将PLC的用户指令转换为机器语言指令，传输到CPU内执行；功能程序与系统程序调用则负责调用不同的功能子程序及其治理程序。 系统程序属于需长期保存的重要数据，所以其存储器采用ROM或EPROM。ROM是只读存储器，该存储器只能读出内容，不能写进内容，ROM具有非易失性，即电源断开后仍能保存已存储的内容。 EPEROM为可电擦除只读存储器，须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写进内容，可电擦除可编程只读存储器还有E2PROM、FLASH等。 2）用户程序存储器 用户程序存储器用于存放用户载进的PLC应用程序，载进初期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操纵的随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。 通过修改与调试后的程序称为用户执行程序，由于不需要再作修改与调试，所以用户执行程序就被固化到EPROM内长期使用。 3）数据存储器 PLC运行过程中需天生或调用中间结果数据（如输进/输出元件的状态数据、定时器、计数器的预置值和当前值等）和组态数据（如输进输出组态、设置输进滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通讯组态等），这类数据存放在工作数据存储器中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取存储器RAM。 RAM是一种高密度、低功耗的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦断电就可通过锂电池供电，保持RAM中的内容。 3. 接口 输进输出接口是PLC与产业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。PLC的输进接口有直流输进、交流输进、交直流输进等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。 现场控制或检测元件输进给PLC各种控制信号，如限位开关、操纵按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输进接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。 1）输进接口 输进接口用于接收和采集两种类型的输进信号，一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输进信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输进信号。 以图2所示的直流输进接口电路为例，R1是限流与分压电阻，R2与C构成滤波电路，滤波后的输进信号经光耦合器T与内部电路耦合。当输进真个按钮SB接通时，光耦合器T导通，直流输进信号被转换成PLC能处理的5V标准信号电平（简称TTL），同时LED输进指示灯亮，表示信号接通。微电脑输进接口电路一般由寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路组成，这些电路集成在一个芯片上。交流输进与交直流输进接口电路与直流输进接口电路类似。图2 直流输进接口电路 滤波电路用以消除输进触头的抖动，光电耦合电路可防止现场的强电干扰进进PLC。由于输进电信号与PLC内部电路之间采用光信号耦合，所以两者在电气上完全隔离，使输进接口具有抗干扰能力。现场的输进信号通过光电耦合后转换为5V的TTL送进输进数据寄存器，再经数据总线传送给CPU。 2）输出接口 输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）、指示灯、数字显示装置和报警装置等。输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成，与输进接口电路类似，内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。 微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成在芯片上，CPU通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路是为了适应产业控制要求，将微电脑的输出信号放大。 3）其它接口 若主机单元的I/O数目不够用，可通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元（不带CPU）相接进行扩充。 PLC还常配置连接各种外围设备的接口，可通过电缆实现串行通讯、EPROM写进等功能。 4. 编程器 编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。 编程器有简易编程器和图形编程器两种。简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。 目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和PLC之间的通讯接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。5. 电源 PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，很多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输进接口上的接进电气元件供电，从而简化外围配置。二、PLC工作原理 1. PLC内外部电路 1）外部电路接线 图3是电动机全压起动控制的接触器电气控制线路，控制逻辑由交流接触器KM线圈、指示灯HL1、HL2、热继电器常闭触头FR、停止按钮S
性的硬件平台，这是由于应用软件运行在扩展了实时性能的MS WINOOWs系列操纵系统及通用产业PC机之上，控制系统提供商只需潜心于开发工具与软件模块等控制软件即可。PC平台系统产品的竞争力，主要来自于软件，这给了后起的小型专业软件公司打破传统控制系统供给商市场垄断的机遇，这也是开放式控制系统的优越性所在。 1.3 驱动器平台系统 按照OPW概念，图3中所示集成了逻辑控制、运动控制软硬件功能的多组驱动器为控制系统的核心，除了驱动器自身的轴控制功能，可实现逻辑控制与运动控制等功能；HMI软硬件及独立的PLC是可选件；分布式I/O模块通过现场总线与驱动器相连。图3 驱动器平台系统结构逻辑连接图 这是一种分布式运动控制系统，驱动器实际上是集成了紧凑型控制器的智能驱动器，能独立完成逻辑控制与运动控制功能。从目前把握的资料来看，市场上只有西门子Simotion D一种驱动器平台运动控制产品。2 软件系统 基于IEC-3的开放式数控系统的开放性主要体现在软件方面。软件系统可分为系统软件、应用软件。系统软件包括实时操纵系统、通讯系统、设备驱动程序等。应用软件包括开发工具、用户程序等。 2.1 系统软件 操纵系统的实时性这一题目对于PC平台系统比较突出，这是由于PC上运行的MS WINOOWs系列通用操纵系统原本面向贸易应用，并非面向产业实时控制。西门子公司等控制系统供给商曾对WINOOWs的实时特性进行了测试，证实其存在“死机”、中断延迟等题目，并不具备硬实时特性。控制器平台及驱动器平台系统则不需要PC必须的操纵系统，而是严格按硬件时钟循环调用指令，也就不存在操纵系统的实时性这一题目。 解决操纵系统的实时性题目，目前应用最广的办法是为WINOOWs扩展实时特性。美国Ardence（原VenturCom）公司RTX（Real-time Extension for WINOOWs），是内置于WINOOWs的实时操纵系统。RTX线程运行时，WINOOWs的中断被屏蔽，但WINOOWs不能屏蔽RTX治理的中断，WINOOWs成为一个受RTX治理的任务，其优先级最低。RTX可以保证任意线程的最差响应时间为50us。德国3S（Smart Software Solution）公司CoDeSys SP RTE（Real Time Extension），同样是内置于WINOOWs的实时操纵系统，由PC主板上的硬件时钟周期性调用，然后由RTE每毫秒产生两个硬件中断，一个用于执行CoDeSys任务，另一个用于执行WINOOWs任务。1毫秒为默认时钟周期，可以更改，最短为50us，用于两个中断的时间比例也是可以设置的。也就是说，RTE把一个时钟周期分时用于CoDeSys任务与WINOOWs任务，二者互不干扰。 目前通用数控系统的插补周期一般为1ms或1ms以下，以上两种WINOOWs的实时扩展，均保证了WINOOWs应用于数控系统的实时特性。 2.2 应用软件 应用软件包括开发工具与用户程序。PC平台系统中的PC既可以运行开发工具，也可以运行用户程序，而控制器平台与驱动器平台系统自身可以运行用户程序，可以另接PC运行开发工具。 2.2.1 开发工具 随着IEC标准的推广，涌现出很多符合这一标准的开发工具，如3S公司的CoDeSyS，Infoteam公司的OpenPCS等。IEC是国际电工委员会颁布的PLC国际标准，规定了二大类编程语言：文本化编程语言和图形化编程语言。前者包括指令清单语言（IL）和结构化文本语言（ST），后者包括梯形图语言（LD）、功能块图语言（FBD）和顺序功能图（SFC）。这些语言，最初是用于编制PLC逻辑控制程序的，但是由于PLCopen国际组织及专业化软件公司的努力，也可以用来编制运动控制与插补运算程序。 IEC编程语言是工控编程语言，与C语言等高级编程语言相比，在数据结构、程序结构、指令等方面相似（主要指的是ST语言），但是大幅简化，更易于自动化工程师把握，使得用户能够自行编制运动控制与插补运算程序，自行定义数控代码，这样具有了高度的开放性。 由于采用了适应自动控制要求的国际标准语言IEC-3语言，基于IEC-3的开放式数控系统有着高度的开放性与强大的生命力。 2.2.2 用户程序 用户程序指的是由IEC-3语言编制的实现逻辑控制、运动控制、插补运算功能的PLC程序，可以解读并执行G代码编制的数控加工程序。对于结构化的用户程序，最重要的是软件模块。由于基于IEC-3控制系统的开放性，软件模块可以由控制系统供给商编制，也可由用户编制，其使用对用户开放。对于开放式系统所要求的互换性、可移植性、硬件无关性等来说，主要体现在软件模块的互换性、可移植性、硬件无关性，这就产生了软件模块标准化的需求。 PLCopen国际组织致力于推广IEC-3语言的应用，其成员包括了世界主流控制系统供给商，上文中提到的西门子、施耐德、3S、Infoteam等公司均是其成员。作为一个国际组织，PLCopen与其成员西门子、施耐德等公司又同是美国OMAC组织的成员，在制定《包装机械自动化导则》工作中发挥了重要作用。实际上，由于PLCopen专注于IEC-3语言的推广，主要侧重于软件方面，它在硬件平台、机械结构等方面的设想体现在OPW的《包装机械自动化导则》中。 PLCopen国际组织在其技术规范《运动控制功能块》中制定了一整套标准的运动控制功能块。为了实现标准化，PLCopen分析定义了7种机床状态，机床的运动轴总是处于所定义的一种状态之下，运动命令使轴在这些状态之间相互转换，一根轴的运动命令总是顺序执行的。具体的状态、状态间的转换及功能块定义见图4。图4 功能块状态行为（注：此图为PLCopen在技术规范《运动控制功能块》Version1.0中的定义。） PLCopen定义的7种状态为：1）Stand still保持静止；2）Homing回原点；3）Discrete motion断续运动；4）Continous motion连续运动；5）Synchronized同步运动，这就涉及了多轴运动；6）Stopping停止；7）Error stop故障停止。其中，3）、4）、5）为运动状态。 状态之间的转换定义了功能块功能，共有单轴运动控制功能块MC_MoveAbsolute等10种，多轴运动控制功能块CamIn等5种，另有信息传递功能块MC_ReadStatus等10种，调用这有限的25种功能模块进行编程，就可实现机床的运动控制。 机床设备生产厂家可向3S、Infoteam等专业软件公司购买开发工具与运动控制功能块，选择一种控制系统硬件平台，根据设备的工作原理编制PLC程序，自行定义G代码、编制代码程序，以多重选择语句CASE……OF……调用代码程序的方式实现CNC控制，这在欧洲机床行业较为普遍。 PLCopen在技术规范《运动控制功能块》中为插补运算专设一部分，但是这一部分仍在建设中，至今没有公布任何标准性文件。另外，PLCopen并未在其技术规范中引进G代码，如需G代码控制，仍需用户自行定义编制。但是，PLCopen的某些成员，比如德国3S公司、Beckhoff公司，已经在用IEC-3语言实现插补运算与标准G代码控制方面取得了进展，推出了相应的产品。 现以德国3S（Smart Software Solution）公司CoDeSys Version2.3.7.2为例扼要先容。CoDeSys中有一个可选组件Softmotion用于实现标准G代码控制。除了总线、驱动器等硬件的驱动程序，所有组件均用IEC-3语言编制，适用于PC平台系统结构。目前能实现包括主轴在内的9轴控制，其中两轴用于非线性插补，其他轴为线性插补。在CNC程序编辑器中能同时以图形与文本的形式编制G代码程序，编程语言遵循DIN标准。 为了实现标准CNC代码控制需应用多种功能模块，其中插补模块、转换模块、直接设置点输进模块这三种模块对理解CNC代码控制的实现过程较为关键。插补模块对G代码程序进行处理，把G代码所描述的连续轨迹转变成离散的路径位置点，然后由转换模块把这些位置点分解为每一个轴上的座标点，再由直接设置点输进模块分别控制每一个轴的驱动器，实现目标轨迹。插补模块有两个，SMC_Interpolator和SMC_Interpolator2D，除了后者能实现正、反两方向的插补运算，二者功能相同。目前转换模块有六种，根据机床运动学原理进行分类，分为龙门系统（Portal Systems）、带有刀具偏置的龙门系统（Portal Systems with Tool Offset）、带有静态驱动器的H型龙门系统（H- Portal Systems with Stationary drives）、2关节平面关节机器人系统（2-Jointed Scara-Systems）、3关节平面关节机器人系统（3-Jointed Scara-Systems）、并联运动系统（Parallel Kinematics），每种又分正、反方向转换的模块。直接设置点输进模块通过驱动器制造商提供的驱动器驱动程序通讯，实现对驱动器的控制，根据控制原理的不同，可以分为按位置控制、按速度控制、按力矩控制三种。3结论 综上所述，由于基于IEC-3的开放 闪存卡/U盘/存储/移动硬盘
[热门]2011-10-4
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