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机械手控制装置论文和说明书.rar

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    编号:20180802233202180    类型:共享资源    大小:17.25MB    格式:RAR    上传时间:2018-08-02
      
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    机械手 控制 装置 论文 说明书
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    南通职业大学 2008 届毕业设计- 1 -目录第一章 概要 .............……………………………………………....................21.1 本课题的意义 …………………………………………….……………...21.2 本文的主要工作 ………………………………………………………...21.3 选择设计方案.………………………………………………………….....3 第二章 PLC 的概述…………………………………………………….........42.1 PLC 的基本知识 ……………………………………….………………...42.2 西门子 S7-200 的编程语言…………..………………………………72.3 PLC 的应用与前景 ………………………………………..……………. 8第三章 PLC 控制程序的设计………………………..…………………...11 3.1 各电器设备的制方式及控制要求…………………………..………113.2 电器元件设备的选择 ……………………………………………………123.3 控制系统的硬件设计 ………………………………... …………………153.4 控制系统的软件设计 ………………………………... …………………18第四章 设计小结 …………………………………………………………...29第五章 谢辞 ………………………………………...…………..…………..30参考文献 ……………………………………………………....…..………...31南通职业大学 2008 届毕业设计- 2 -第一章 概要1.1 本课题的意义机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代科技的一个重要组成部分。汽车业的快速发展,车外型愈求美观流线,并由于汽车外板件要求完美无尘的冲压生产线也向高速化、高品质、自动化、柔性化方向发展。传统冲压生产过程中的手工操作、人工送料的生产方式已无法满足该行业的需要。 机械手的积极作用正日益为人们所认识,其一,它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因此,它能大大地改善工人的劳动条件,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此,受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合,应用得更为广泛。在我国,近代几年来也有较快的发展,并取得一定的成果,受到各工业部门的重视。 1.2 本文主要做的工作 1.问题提出 在工业生产和其他领域内,由于工作的需要,人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害,增加了工人的劳动强度,甚至于危机生命。机械手就在这样诞生了。机械手的设计与操作也显得日益重要。2.系统设计的主要内容 ( 1 )拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定,它是整个设计的依据; ( 2 )选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构; ( 3 )选定 PLC 的型号; ( 4 )编制 PLC 的输入 / 输出分配表或绘制输入 / 输出端子接线图; ( 5 )根据系统设计的要求编写软件规格说明书,然后再用相应的编程语言(常用梯形图)进行程序设计; 3.课题分析 机械手是一种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的自动化装置;本设计中的机械手采用关节式结构。各动作由气压驱动,并由电磁阀控制。动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则。机械手需要将工件从工作台甲移送至工作台乙上,其动作过程为下降,上升,右移,再下降,再上升,左移。这些动作均由电磁阀控制液压系统来驱动完成此外,机械手在夹送工件右行到位后,如果工作台乙上的工件尚未移走,机械手则停止运动,待工作台乙上的工件被运走后,机械手才能下降。限为位开关 SQ0.0,SQ0.1,SQ0.2,SQ0.3 分别对机械手的上升,下降,左转,右转进行限位,并给出了动作到位的信号。而夹紧,放松动作的转换则由时间继电器控制。另外还有光电开关 ST5 来检测工件是否移走.为下一个工作准备。1.3 选择设计方案南通职业大学 2008 届毕业设计- 3 -目前机械手的控制有两种方式,一单片机,二 PLC.在机械手设计中相对 PLC 有以下优点:可编程控制器(PLC)由于其具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改,易于扩展和维护,环境要求低、体积小巧,安装调试方便,在工业控制中有着广泛的应用。 SIMATIC S7-200 系列 PLC 是西门子公司生产的具有高性价比的小型可编程序控制器,由于它具有结构小巧、可靠性高、运行速度快等特点,在许多行业中得到了广泛的应用。 S7-200 已有两代产品:第一代 CPU 模块为 CPU21X,配有 4 种类型主机,它们的 CPU 是 CPU212、214、215、216;第二代 CPU 模块为 CPU22X,也有 4 种类型主机,它们的 CPU 是 CPU221、222、224、226,不同类型的 CPU 具有不同的技术特征。S7-200 PLC 的最大优点在于其灵活性及多功能性。灵活性是指其结构配置灵活,可根据控制任务配置大小、功能不同的扩展系统,使其使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的中小控制系统,应用领域广泛;多功能性一方面指它使用 STEP7 Micro/Win32,提供不同的编程语言和丰富的指令集,可以充分利用这些指令编写解决复杂任务的程序,另一方面它具有丰富的通信功能,使用户很容易地进行组网,其通信和实时性方面的优点,使它成为解决复杂自动化方案的理想控制设备。也可选择基于 PIC16F877 单片机的机械手控制系统的设计 主要实现的是机械手控制系统在 PIC 单片机中的实现问题.并从机械部分的工作原理,硬件接口的设计以及软件部分方面进行了设计的构想。但在机械手的设计中单片机有一些缺点1.电路设计中,由于单片机系统的自保护能力差,因而需要配置较多的保护电路,以避免系统的崩溃。2.机技术的发展,虽然可以实现单片机的在线编程,但是这远远满足不了机械手殊的系统对程序的增减、修改及运行中的监视等灵活性的要求。这些不灵活方便的话,会导致现场调试与维护变得很麻烦。3.体技术、微电子技术的发展,使得单片机系统的抗干扰能力得到了很大的提高,但是还是很难满足一些特殊场合,尤其是恶劣的环境下的抗干扰要求。4.PLC技术的发展,应用 PLC就能很好的解决单片机系统摧折的问题。基于PLC的控制系统安全、可靠、使用与维护方便。综上所述本设计中采用PLC设计。第二章 PLC 的概述2.1 PLC 基本知识南通职业大学 2008 届毕业设计- 4 -在自动化控制领域,PLC 是一种重要的控制设备。目前,世界上有 200 多厂家生产 300 多品种 PLC 产品,应用在汽车(23%) 、粮食加工(16.4%) 、化学/制药(14.6% ) 、金属/ 矿山(11.5%) 、纸浆/造纸(11.3%)等行业。为了使各位初学者更方便地了解PLC,本文对 PLC 的发展、基本结构、配置、应用等基本知识作一简介,以期对各位网友有所帮助。一、PLC 的发展历程在工业生产过程中,大量的开关量顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作,并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制,及大量离散量的数据采集。传统上,这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968 年美国 GM(通用汽车)公司提出取代继电气控制装置的要求,第二年,美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置,首次采用程序化的手段应用于电气控制,这就是第一代可编程序控制器,称 Programmable Controller(PC) 。个人计算机(简称 PC)发展起来后,为了方便,也为了反映可编程控制器的功能特点,可编程序控制器定名为 Programmable Logic Controller(PLC) ,现在,仍常常将PLC 简称 PC。PLC 的定义有许多种。国际电工委员会(IEC )对 PLC 的定义是:可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器,用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。PLC 于 60 年代末期在美国首先出现,目的是用来取代继电器,执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能,建立柔性程序控制系统。1976 年正式命名,并给予定义:PLC是一种数字控制专用电子计算机,它使用了可编程序存储器储存指令,执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能,并通过模拟和数字输入、输出等组件,控制各种机械或工作程序。经过 30 多年的发展,PLC 已十分成熟与完善,并开发了模拟量闭环控制功能。PLC 在 FCS 系统中的地位似乎已被确定并无多少争论。PLC 作为一个站挂在高速总线上。充分发挥 PLC 在处理开关量方面的优势。另外,火力发电厂辅助车间,例如补给水处理车间、循环水车间、除灰除渣车间、输煤车间等,在这些车间的工艺过程多以顺序控制为主。PLC 对于顺序控制有其独特的优势。编者以为,辅助车间的控制系统应以遵循现场总线通讯协议的 PLC 或能与 FCS 进行通讯交换信息的 PLC 为优选对象上世纪 80 年代至 90 年代中期,是 PLC 发展最快的时期,年增长率一直保持为30~40%。在这时期,PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高,PLC 逐渐进入过程控制领域,在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位,在可预见的将来,是无法取代的。二、PLC 的构成从结构上分,PLC 分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式 PLC 包括 CPU板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等,这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC 包括 CPU 模块、 I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按南通职业大学 2008 届毕业设计- 5 -照一定规则组合配置。三、CPU 的构成CPU 是 PLC 的核心,起神经中枢的作用,每套 PLC 至少有一个 CPU,它按 PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据,用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据,并存入规定的寄存器中,同时,诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后,从用户程序存贮器中逐条读取指令,经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号,去指挥有关的控制电路。CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成,CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据,是 PLC 不可缺少的组成单元。在使用者看来,不必要详细分析 CPU 的内部电路,但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU 的控制器控制 CPU 工作,由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算,在控制器指挥下工作。寄存器参与运算,并存储运算的中间结果,它也是在控制器指挥下工作。CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数,它们决定着 PLC 的工作速度,IO 数量及软件容量等,因此限制着控制规模。四、I/O 模块PLC 与电气回路的接口,是通过输入输出部分(I/O)完成的。I/O 模块集成了PLC 的 I/O 电路,其输入暂存器反映输入信号状态,输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统,输出模块相反。I/O 分为开关量输入(DI ) ,开关量输出(DO) ,模拟量输入(AI) ,模拟量输出(AO)等模块。开关量是指只有开和关(或 1 和 0)两种状态的信号,模拟量是指连续变化的量。常用的 I/O 分类如下:开关量:按电压水平分,有 220VAC、110VAC、24VDC,按隔离方式分,有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量:按信号类型分,有电流型(4-20mA,0-20mA) 、电压型(0-10V,0-5V,-10-10V)等,按精度分,有 12bit,14bit,16bit 等。除了上述通用 I/O 外,还有特殊 I/O 模块,如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按 I/O 点数确定模块规格及数量,I/O 模块可多可少,但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力,即受最大的底板或机架槽数限制。按 I/O 点数分类根据 PLC 的 I/O 点数的多少,可将 PLC 分为小型,中型和大型三类(1).型 PLC——I/O 点数2048 点,多 CPU,16 位、32 位处理器,用户存储器容量 8-16KS7-400 德国西门子公司GE-IV GE 公司C-2000 立石公司K3 三菱公司五、电源模块PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时,有的还为输入电路提供 24V 的工作电源。电源输入类型有:交流电源( 220VAC 或 110VAC) ,直流电源(常用的为 24VAC) 。六、底板或机架大多数模块式 PLC 使用底板或机架,其作用是:电气上,实现各模块间的联系,使 CPU 能访问底板上的所有模块,机械上,实现各模块间的连接,使各模块构成一个整体。七、PLC 系统的其它设备1、编程设备:编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件,用于编程、对系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况,但它不直接参与现场控制运行。小编程器 PLC 一般有手持型编程器,目前一般由计算机(运行编程软件)充当编程器。2、人机界面:最简单的人机界面是指示灯和按钮,目前液晶屏(或触摸屏)式的一体式操作员终端应用越来越广泛,由计算机(运行组态软件)充当人机界面非常普及。3、输入输出设备:用于永久性地存储用户数据,如 EPROM、EEPROM 写入器、条码阅读器,输入模拟量的电位器,打印机等。八、PLC 的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此,网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著,甚至有人提出“网络就是控制器“ 的观点说法。PLC 具有通信联网的功能,它使 PLC 与 PLC 之间、PLC 与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息,形成一个统一的整体,实现分散集中控制。多数 PLC 具有 RS-232 接口,还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC 的通信,还未实现互操作性,IEC 规定了多种现场总线标准,PLC 各厂家均有采用。对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲,选择网络非常重要的。首先,网络必须是开放的,以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展;其次,针对不同网络层次的传输性能要求,选择网络的形式,这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行;再次,综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题,确定不同层次所使用的网络标准2.2 西门子 S7-200 的编程语言南通职业大学 2008 届毕业设计- 7 -可编程控制器的编程语言按 IEC61131-3 国际标准来分主要包括图形化编程语言文本化编程语言。图形化编程语言包括:梯形图(LD-Ladder Diagram)、功能块图(FBD-Function Block Diagram)、顺序功能图(SFC-Sequential Function Chart)。文本化编程语言包括:指令表(IL-Instruction List)和结构化文本(ST-Structured Text)。这些语言是基于WINDOWS 操作系统的编程语言.而 SFC 编程语言则在两类编程语言中均可使用。下面分别来介绍这几种编程语言。不同的商家的 PLC 有不同的编程语言,但就某个商家而言,PLC 的编程语言也就那么几种。下面,以西门子 PLC 的编程语言为例,说明一下,各种编程语言的异同。1、顺序功能图(SFC-Seauential Fuction Chart)这是位于其它编程语言之上的图形语言,用来编程顺序控制的程序(如:机械手控制程序) 。编写时,工艺过程被划分为若干个顺序出现的步,每步中包括控制输出的动作,从一步到另一步的转换由转换条件来控制,特别适合于生产制造过程。西门子 STEP7 中的该编程语言是 S7 Graph 。2、梯形图编程语言(LAD-LAdder Diagram)梯形图来源于继电器逻辑控制系统的描述,是 PLC 编程中被最广泛使用的一种图形化语言,由于梯形图类似于继电器控制的电气接线图,便于理解,因此许多编程人员和维护人员都选择了这一编程方式。而且其图形结构类似于登高用的梯子,故名梯形图。梯形图程序的左右两侧有两垂直的电力轨线,左侧的电力轨线名义上为功率流从左向右沿着水平梯级通过各个触点、功能、功能块、线圈等提供能量,功率流的终点是右侧的电力轨线。每一个触点代表了一个布尔变量的状态,每一个线圈代表了一个实际设备的状态.这是使用使用最多的 PLC 编程语言。因与继电器电路很相似,具有直观易懂的特点,很容易被熟悉继电器控制的电气人员所掌握,特别适合于数字量逻辑控制。梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令构成。触点代表逻辑输入条件,线圈 代表逻辑运算结果,常用来控制的指示灯,开关和内部的标志位等。指令框用来表示定时器、计数器或数学运算等附加指令。在程序中,最左边是主信号流,信号流总是从左向右流动的。不适合于编写大型控制程序。一个简单的梯形图程序如图 3.1 所示:图 3.1 梯形图表示的 PLC 程序实例梯形图的每个梯级表示一个因果关系,事件发生的条件表示在梯形的左面,事件发生的结果表示在梯级的右面。梯形图编程语言具有如下特点:(1) 与电气操作原理图相对应,具有直观性和对应性;(2) 与原有继电器逻辑控制技术相一致,易于掌握和学习;(3) 对于复杂控制系统描述,仍不够清晰;(4) 可读性仍不够好。南通职业大学 2008 届毕业设计- 8 -几乎所有 PLC 厂商提供的 PLC 都支持梯形图编程语言,而且都比较容易理解,只是在梯形图结构上可能稍有变化。比如西门子的 S7 系列梯形图就没有右边的电力轨线。有时在有此参考书中右边的电力轨线也常常被省略。3、功能块图(FBD-Function Block Diagram )功能块图编程语言采用功能模块表示所具有的功能,不同的功能模块具有不同的功能。功能模块用矩形来表示,每一个功能模块的左侧有不少于一个的输入端,右侧有不少于一个的输出端。功能模块的类型名称通常写在块内,其输入输出名称写在块内的输入输出点对应的地方。功能模块基本上分为两类:基本功能模块和特殊功能模块。基本功能模块如AND,OR XOR 等等.特殊功能模块如 ON 延时,脉冲输出,计数器等等。功能块编程语言具有以下特点:(1) 以功能模块为单位,从控制功能入手,使控制方案的分析和理解变的容易;(2) 功能模块用图形化的方式描述功能,较直观易掌握,方便组态,易操作。是有发展前途的一种编程语言;(3) 对较复杂系统,由于控制功能关系能够比较清晰的描述,因此缩短了编程和调试时间;(4) 因为每一个功能模块要占用一定程序存储空间,对功能块的执行需要一定的执行时间,因此,这种语言在大中型可编程控制器和分散控制系统中应用较广泛功能块图使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑,一些复杂的功能用指令框表示,适合于有数字电路基础的编程人员使用。功能块图用类似于与门、或门的框图来表示逻辑运算关系,方框的左侧为逻辑运算的输入变量,右侧为输出变量,输入、输出端的小圆圈表示“非”运算,方框用“导线”连在一起,信号自左向右。图 3.3-4 用功能图表示的 PLC 程序实例4 语句表(STL-STatement List)是一种类似于微机汇编语言的一种文本编程语言,由多条语句组成一个程序段。语言表适合于经验丰富的程序员使用,可以实现某些梯形图不能实现的功能。 如表3.3-3 所示LD I0.1O Q0.0 AN I0.0= Q0.0表 3.3-3 用语句表表示的 PLC 程序实例2.3 PLC 的应用与前景目前,在国内外 PLC 已广泛应用冶金,石油,化工,剪彩,机械制造,电力,汽车,轻工,环保及文化娱乐等各行各业,随着 PLC 性能价格 的不断提高,器应用领域不断扩大,从应用类型看大致可归纳为以下几个方面:2.3.1、强量逻辑运算利用 PLC 最基本的逻辑运算,定时,计收等功能实现逻辑运算,科取代传统的继电器控制用于单片机控制,多机群控制,生产自动线控制等。例:机床,注塑机印刷南通职业大学 2008 届毕业设计- 9 -机械,装配生产线,电镀流水线及电梯的控制等。这是 PLC 最基本的应用,也是 PLC最广泛的应用领域。2、运动控制大多数 PLC 都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块,这一功能广泛用于各种机械设备。例如:各种机床,装配机械。机器人等进行运动控制。3、过程控制大,中型 PLC 都具有多路模拟量 I/O 模块和 PID 控制功能。有的小型 PLC 也具有模拟量输入输出,所以 PLC 可实现模拟量控制而且具有 PID 控制功能的 PLC 可构成闭环控制,用于过程控制。这一功能已广泛用于铝炉,反应堆,水处理,酿酒及闭环位置控制和速度控制等方面。4、数据处理现代的 PLC 都具有数学运算数据传递,转换,排序和查表等功能,可进行数据的采集,分析和处理,同时的通过通信接口将这些数据传送给其电智能装置。例如:CNC 设备进行处理。5、通信联网PLC 的通信包括 PLC 与 PLC,PLC 与计算机,PLC 与其它智能设备之间的通信,PLC 系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元,通信转换单元相连构成网络,已实现信息的交换和构成。集中管理分散控制的多级分布式控制系统。满足工厂自动化(FA)系统发展的需要。2.3.2 国外 PLC 发展概况PLC 在问世以来,经过 40 多年的发展。在美、德国等工业发达国家已成为重要的产业之一,世界总销售额不断上升,生产厂家不断涌现,品种不断翻新,产量产值大幅度上升而价格则不断下降。目前,世界上有 200 多个厂家生产 PLC。较多的有美国:AB 通用电气、莫迪康公司;日本:松下、三菱、富士、欧姆龙等;德国:西门子公司;法国:TE 施耐德公司。韩国:三星、LG 公司等PLC 的发展前景(1)产品规模向大小两个方向发展大:I/O 点数达 14336 点,32 位微处理器,多 CPU 并行工作 ,大容量存储器,扫描速度快高速;小:整体结构向小型模块化结构发展,增加了配置的灵活性,降低了成本;(2)PLC 在闭环过程中应用日益广泛;(3)不断加强通讯功能;(4)新器件和模块不断推出目前,plc 在国内外都已得到了广泛的应用。利用 plc 最基本的逻辑运算.定时。计数等动能进行逻辑控制。可以取代传统的继电器控制系统,广泛用于机床,印刷机。装配生产线,电动流水线及电梯等的控制。较高档次的 plc 具有位置控制模块,得别适用于机床控制。大。中型 plc 具有多路模拟量输出和 plc 控制,可构成模拟量输出的闭环控制系统,用于过程控制。随着计算机控制技术的发展,国外近几年兴起自动化网络系统,plc 与 plc 之间,plc 与上位机之间连成网络,通过光缆传送信息,构成大型的多级分布式控制系统(集散控制系统)我国使用较多的 plc 产品德国西门子的 S7 系列,日本 OMRON 公司的 C 系列,三菱公司的 FX 系列,美国 GE 公司的 GE 系列等。各大公司生产的的可编程序控制器都形成由小型到大型的系列产品,而且随着技术不断进步,产品更新换代很快。通过南通职业大学 2008 届毕业设计- 10 -技术引进,合资生产,近年来,我国的 plc 产品有了一定的发展,生产厂家也达 30 多家,为可编程序控制器国产化奠定了基础。从可便程序控制器的发展来看,有小型化和大型化两个趋势。小型 plc 有两个发展方向,即小(微)型化和专业化。随着数字电路集成度的提高,元器件体积减小。质量提高,可编程序控制器结构更加紧凑,设计制造水平的功能在不断进步。微型化的 plc 不仅体积小,功能也大有提高。过去一些大中型 plc 才有的的功能,如模拟量的处理,通信,PID 调节运算等,均可以被移植到小型机上,同时 plc 的价格不断下降,将真正成为继电- 接触器控制系统的替代产品。大型化指的是大型 plc 向着大容量,智能化和网络化发展,使之能与计算机组成集成控制,对大规模,复杂系统进行综合性的自动控制。第三章 PLC 控制程序的设计3.1 各电器设备的控制方式及控制要求
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