机电一体化技术的应用：一、可编程控制器的一般原理及组成(一)概述可编程控制器的起源可以追溯到20世纪60年代。美国通用汽车(GM)公司为了适应汽车型号不断更新的需要，提出希望有这样一种控制设备：(1)它的继电控制系统设计周期短，接线简单，成本低。(2)它能把计算机的许多功能和继电控制系统结合起来，但编程又比计算机简单易学、操作方便。(3)系统通用性强。1969年美国DEC公司研制出第一台可编程控制器，用在GM公司生产线上获得成功。其后日本、德国等相继引入，可编程控制器迅速发展起来。但这一时期它主要用于顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思想，但实际上只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC(ProgrammableLogicController)。进入20世纪80年代，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，才使得可编程控制器有突飞猛进的发展。其功能已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，故称可编程控制器简称PC(ProgratamableController)。但由于PC容易和个人计算机(PersonalComputer)混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。目前PLC功能日益增强，可进行模拟量控制、位置控制。特别是远程通信功能的实现，易于实现柔性加工和制造系统(FMS)，使得PLC如虎添翼。无怪乎有人将PLC称为现代工业控制的三大支柱(即：PLC、机器人和CAD／CAM)之一。目前PLC已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具，加速了极点一体化的实现。二、PLC的基本结构及工作原理(一)PLC的基本结构PLC生产厂家很多，产品结构也各不相同，但其基本组成部分大致相同。PLC采用了典型的计算机结构，主要包括CPU、RAM、ROM和输入、输出接口电路等。其内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。如果把PLC看作一个系统，该系统由输入变量一PLC一输出变量组成，外部的各种开信号、模拟信号、传感器检测的各种信号据均作为PLC的输入变量，它们经PLC外部输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算、处理后送到输出端子，它们是PLC的输出变量。由这些输出变量对外围设备进行各种控制。这里可以将PLC看作一个中间处理器或变换器，以将输入变量变换为输出变量。下面具体介绍各部分作用。1、CPUCPU是中央处理器(CentreProcessingUnit)的英文缩写。它作为整个PLC的核心，起着总指挥的作用，它主要完成以下功能：(1)将输入信号送入PLC中存储起来。(2)按存放的先后顺序取出用户指令，进行编译。(3)完成用户指令规定的各种操作。(4)将结果送到输出端。(5)响应各种外围设备(如编程器、打印机等)的请求。目前PLC中所用的CPU多为单片机，在高档机中现已采用16位甚至32位CPU，功能极强。2、存储器PLC内部存储器有两类：一类是RAM(即随机存取存储器)，可以随时由CPU对它进行读出、写入；另一类是ROM(即只读存储器)，CPU只能从中读取而不能写入。RAM主要用来存放各种暂存的数据、中间结果及用户正在调试的程序，ROM主要存放监控程序及用户已经调试好的程序，这些程序都事先烧在ROM芯片中，开机后便可运行其中程序。3、输入、输出接口电路它起着PLC和外围设备之间传递信息作用。为了保证PLC可靠工作，设计者在PLC的接口电路上采取了不少措施。这些接口电路有以下特点：(1)输入采用光电耦合电路，可大大减少电磁干扰。(2)输出也采用光电隔离并有三种方式，即继电器、晶体管和晶闸管。这使得PLC可以适合各种用户的不同要求。如低速、大功率负载一般采用继电器输出；高速大功率则采用晶闸管输出；高速小功率可以用晶体管输出等等。而且有些输出电路做成模块式，可插拔，更换起来十分方便。除了上面介绍的几个主要部分外，PLC上还配有和各种外围设备的接口，均采用插座引出到外壳上，可配接编程器、打印机、录音机以及A／D、D／A、串行通信模块，可以十分方便地用电缆进行连接。(二)PLC的工作原理PLC虽具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I／O扫描方式，有键按下或I／O动作，则转入相应的子程序，无键按下，则继续扫描。PLC则采用循环扫描工作方式。在PLC中，用户程序按先后顺序存放。PLC从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。如此周而复始不断循环。每一个循环称为一个扫描周期。若输入变量在扫描刷新周期发生变化，则本次扫描周期中输出变量相对应的输入产生了响应。反之，若输入变量刷新之后，输入变量才发生变化，则本次周期的输出不变，即不响应，而要到下一次扫描期问输出才会产生响应。由于PLC采用循环扫描的工作方式，所以它的输出对于输入的响应速度要受到扫描周期的影响。扫描周期的长短主要取决于这几个因素：一是CPU执行指令的速度；二是每条指令占用的时间；三是指令条数的多少，即程序长短。对于慢速控制系统，响应速度常常不是主要的，故这种工作方式不但没有坏处反而可以增强系统抗干扰能力。因为干扰常是脉冲式的，短时的，而由于系统响应较慢，常常要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，瞬间干扰所引起的误动作将会大大减少，故增强了抗干扰能力。但对于时间要求交严格、响应速度要求较快的系统，这一问题就须慎重考虑。应对响应时间作出精确的计算，精心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽量减少扫描周期造成的响应延时等不良影响。总之，采用循环扫描的工作方式，是PLC区别于微机和其他控制设备的最大特点。(三)PLC的特点PLC的特点可以大致归纳如下：(1)抗干扰能力强和可靠性高。PLC的设计者采取了各种措施来提高可靠性，主要有这样几个方面：①输入、输出均采用光电隔离，提高了抗干扰能力。②主机的输入电源和输出电源均可相互独立，减少了电源间干扰。③采用循环扫描工作方式。提高抗干扰能力。④内部采用“监视器”电路，以保证CPU可靠地工作。⑤采用密封防尘抗振的外壳封装及内部结构，可适应恶劣环境。由于采取了这些措施，使得PLC有很强的抗干扰能力，实验证明一般可抗1kV、1μs的窄脉冲干扰。其平均无故障时间(MTBF)一般可达5～10万h。(2)采用模块化组合式结构，使系统构成十分灵活，可根据需要任意组合，易于维修，易于实现分散式控制。(3)编程语言简单易学，便于普及。PLC采用面向控制过程的编程语言，简单、直观，易学易记，没有微机基础的人也很容易学会，故适于在工矿企业中推广。(4)可进行在线修改，柔性好。(四)PLC的应用场合PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车装卸、造纸、纺织、环保及娱乐等各行各业。它的应用大致可分为以下几种类型：(1)采用开光逻辑控制。这是PLC最基本的应用范围。可用PLC取代传统继电控制，如机床电气、电机控制中心等，也可取代顺序控制，如高炉上料、电梯控制、货物存取、运输、检测等。总之，PLC可用于单机、多机群以及生产线的自动化控制。(2)用于机械加工的数字控制。PLC和计算机数控(NCN)装置组合成一体，可以实现数值控制，组成数控机床。(3)用于机器人控制，可用一台PLC实现3～6轴的机器人控制。(4)用于闭环过程控制。现代大型PLC都配有PID字程序或PID模块，可实现单回路、多回路的调节控制。(5)用于组成多极控制系统，实现工厂自动化网络。(6)目前在我国铁路客车的自动控制和行车安全检测等得到广泛应用，是我国铁路客车装备和技术的发展方向。
机电一体化技术：结合应用机械技术和电子技术于一体的技术
