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自动擦窗机
摘要
自动擦窗机实现自动擦窗不需要人力，人只需要完全坐在室内椅子上电子遥控操作就可以。彻底解决了人在高处擦窗伸出窗外的恐慌心理甚至造成人身伤害。越是高层的建筑楼的玻璃窗擦洗越显示出本自动擦窗机的优势。现在国内高楼建筑群的飞速增长发展，高楼林立越来越多，各种高层住宅楼，写字楼，宾馆，学校，医院，办公楼等高层建筑的玻璃窗户的清洁成了重要问题，传统的人工清洁方式不止昂贵，效率低，而且十分危险。自动擦窗机就可以解决这个问题，自动擦窗机是一个集机械，控制，计算机，传感等为一体的智能机械。自动擦窗机能够自动检测机器人相对于玻璃窗的位置信息，然后根据机器人的位置信息和玻璃窗的集合尺寸进行轨迹规划并控制机器人完成擦洗作业。

参考文献
【1】兰阳春  薛抱新  . 擦窗机设计概述[J]《建筑机械化》 2010年07期
【2】李大寨 宗光华 汪勇 渠慎丰 李曼娜自动擦窗机视觉定位系统的设计[J]
《电子技术应用》 2002 第3期
【3】李岚 新型擦窗机的设计《起重运输机械》[J] 2002 第9期
【4】周延武 宗光华 Cleanbot-I擦窗机器人的智能化技术[J]《机器人》 2002 第1期
【5】关醒凡.泵的理论与设计[M].机械工业出版社，1987
【6】何存兴.液压元件[M].机械工业出版社，1982

PLC的硬件常识
对有关PLC的硬件组成的热点疑问作了解答，对今后的实际接线安装操作有较大帮助。
  一、 问：PLC的硬件结构是怎样的？
  答：PLC的硬件组成与微型计算机相似，其主机由CPU板、存储器、输入／输出（I／O）接口、电源等几大部分组成；可配备如编程器、图形显示器、通信接口等外部设备（见硬件示意图）。
  二、 问：CPU是什么？有什么作用？ 
  答：CPU也称中央处理器，是由一片或几片大规模集成电路芯片组成的，相当于人的大脑，是PLC的核心部分；CPU的作用是可通过接口及软件向系统的各个部分发出各种命令，同时对被测参数进行巡回检测、数据处理、控制运算、报警处理及逻辑判断等，实现对整个PLC的工作过程进行控制；目前大多数小型PLC都用8位或者16位单片机作CPU。
  三、 问：RAM、ROM、EPROM、EEPROM都是存储器，各自特点是什么？
  答：RAM为随机存储器，一般都是CMOS型的，耗电极微，在PLC中通常用锂电池作后备，失电时也不会丢失程序；ROM为只读存储器，系统程序固化在其中，用户不可更改，失电不受影响；EPROM为可擦除存储器，其写入和擦除时都必须要用专用的写入器和擦除器，用户很不方便；EEPROM为电可擦除只读存储器，其内部的程序可通过编程器的写入和擦除。 字串4
  四、 问：PLC中的I／0口是什么？有什么特点?
  答：I／O接口是输入（IN）／输出（OUT）接口的简称，是PLC主机与被控对象进行信息交换的纽带；PLC通过I／O接口与外部设备进行数据交换，PLC的输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种类型，所有的输入输出信号均经过光电等隔离，大大增强了PLC的抗干扰能力。
  五、 问：PLC常见的输出形式有几种？有何特点？
  答：常见的输出形式有继电器输出、晶闸管（SSR）输出、晶体管输出。特点是：继电器输出型：CPU驱动继电器线圈，令触点吸合，使外部电源通过闭合的触点驱动外部负载，其开路漏电流为零，响应时间慢（约10ms），可带较大的外部负载；晶体管输出型：CPU通过光耦合使晶体管通断，以控制外部直流负载，响应时间快（约0.2ms），可带外部负载小；可控硅输出型：CPU通过光耦合使三端双向可控硅通断，以控制外部交流负载,开路漏电流大,响应时间较快(约1ms)。
  六、 问：什么是可编程控制系统? 由哪些部件组成？
  答: 可编程控制系统指以可编程控制器为核心单元的控制系统，一般由控制器（PLC）、编程器、信号输入部件、输出执行部件等组成，见PLC控制系统组成图（以FX2型PLC为例）。可编程控制系统可在不改变系统硬件接线的情况下，通过改变PLC的用户程序来改变被控对象的运行方式，大大地提高了控制系统的灵活性。

PLC基础
     可编程控制器（Programmble   Controller）简称PC或PLC。它是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业控制装置。目前，PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置，被公认为现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。
     国际电工委员会（IEC）于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿，其定义强调了PLC应直接应用于工业环境，必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和广阔的应用范围，这是区别于一般微机控制系统的重要特征。同时，也强调了PLC用软件方式实现的“可编程”与传统控制装置中通过硬件或硬接线的变更来改变程序的本质区别。
     近年来，可编程控制器发展很快，几乎每年都推出不少新系列产品，其功能已远远超出了上述定义的范围。
     二 、PLC的产生与发展
     在可编程控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。
     早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller ）。随着微电子技术和计算机技术的发展，20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。
     20世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。
     我国的PLC研制、生产和应用也发展很快，尤其在应用方面更为突出。在20世纪70年代末和80年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。此后，在传统设备改造和新设备设计中，PLC的应用逐年增多，并取得显著的经济效益，PLC 在我国的应用越来越广泛，对提高我国工业自动化水平起到了巨大的作用。目前，我国不少科研单位和工厂在研制和生产PLC，如辽宁无线电二厂、无锡光洋电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门A-B公司等。
     从近年的统计数据看，在世界范围内PLC产品的产量、销量、用量高居工业控制装置榜首，而且市场需求量一直以每年15%的比率上升。PLC已成为工业自动化控制领域中占主导地位的通用工业控制装置。
     三、PLC的特点与应用领域
    （一）PLC的特点
     PLC技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，主要是因为它具有许多独特的优点。它较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。主要有以下特点：
     1．可靠性高、抗干扰能力强
     可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。PLC的平均无故障时间可达几十万个小时 ，之所以有这么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施：
     （1）硬件方面   I/O通道采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响；对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。
     （2）软件方面   PLC采用扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰引起故障；在PLC系统程序中设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；当由外界干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。
     2．编程简单、使用方便
     目前，大多数PLC采用的编程语言是梯形图语言，它是一种面向生产、面向用户的编程语言。梯形图与电器控制线路图相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易让广大工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。同时，PLC编程器的操作和使用也很简单。这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。
    许多PLC还针对具体问题，设计了各种专用编程指令及编程方法，进一步简化了编程。
     3．功能完善、通用性强
     现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网以等许多功能。同时，由于PLC产品的系列化、模块化，有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成满足各种要求的控制系统。
     4．设计安装简单、维护方便
     由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC的用户程序大部分可在实验室进行
模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。在维修方面，由于PLC的故障率极低，维修工作量很小；而且PLC具有很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据PLC上指示或编程器上提供的故障信息，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。
    （二）PLC的应用领域
     目前，在国内外PLC已广泛应用冶金、石油、化工、建材、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性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。从应用类型看，PLC的应用大致可归纳为以下几个方面：
     1.开关量逻辑控制
     利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继电器控制，用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等，例如：机床、注塑机、印刷机械、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，如对各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。（Tel：[phone]，Fax：[phone]，E-mail：sales@，http：//）
     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锅炉、反应堆、水处理、酿酒以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、数据传送、转换、排序和查表等功能，可进行数据的采集、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置，如计算机数值控制（CNC）设备，进行处理。
     5.通信联网
     PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与上位计算机、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，以实现信息的交换，并可构成“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。
     四、PLC的分类
     PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。
     1．按结构形式分类
     根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。
     （1）整体式PLC   整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内， 具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。
     （2）模块式PLC    模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。
     还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。
     2．按功能分类
     根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。
     （1）低档PLC   具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
     （2）中档PLC    除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。
     （3）高档PLC    除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。
    3．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）小型PLC    I/O点数为256点以下的为小型PLC。其中，I/O点数小于64点的为超小型或微型PLC。
     （2）中型PLC   I/O点数为256点以上、2048点以下的为中型PLC。
     （3）大型PLC   I/O点数为2048以上的为大型PLC。其中，I/O点数超过8192点的为超大型PLC 。
     在实际中，一般PLC功能的强弱与其I/O点数的多少是相互关联的，即PLC的功能越强，其可配置的I/O点数越多。因此，通常我们所说的小型、中型、大型PLC，除指其I/O点数不同外，同时也表示其对应功能为低档、中档、高档。
     五 、PLC控制系统与电器控制系统的区别
      PLC控制系统与电器控制系统相比，有许多相似之处，也有许多不同。不同之处主要在以下几个方面：
      1）从控制方法上看，电器控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合成控制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。另外，继电器的触点数量有限，所以电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。而PLC采用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。系统连线少、体积小、功耗小，而且PLC所谓“软继电器”实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的，PLC系统的灵活性和可扩展性好。
      2）从工作方式上看，在继电器控制电路中，当电源接通时，电路中所有继电器都处于受制约状态，即该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合， 这种工作方式称为并行工作方式。而PLC的用户程序是按一定顺序循环执行，所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，这种工作方式称为串行工作方式。
      3）从控制速度上看，继电器控制系统依靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题。而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，   程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。
     4）从定时和计数控制上看，电器控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制，时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化的影响，定时精度不高。而PLC采用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时范围宽，用户可根据需要在程序中设定定时值，修改方便，不受环境的影响，且PLC具有计数功能，而电器控制系统一般不具备计数功能。
     5）从可靠性和可维护性上看，由于电器控制系统使用了大量的机械触点，其存在机械磨损、电弧烧伤等，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高，PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
     六、 PLC的基本组成
     PLC是微机技术和控制技术相结合的产物，是一种以微处理器为核心的用于控制的特殊计算机，因此PLC的基本组成与一般的微机系统类似。
     PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。
七、PLC的性能指标与发展趋势
    （一）、PLC的性能指标
     1．存储容量
       存储容量是指用户程序存储器的容量。用户程序存储器的容量大，可以编制出复杂的程序。一般来说，小型PLC的用户存储器容量为几千字，而大型机的用户存储器容量为几万字。
     2．I/O点数
       输入/输出（I/O）点数是PLC可以接受的输入信号和输出信号的总和，是衡量PLC性能的重要指标。I/O点数越多，外部可接的输入设备和输出设备就越多，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，是衡量PLC性能的重要指标。一般以扫描1K字用户程序所需的时间来衡量扫描速度，通常以ms/K字为单位。PLC用户手册一般给出执行各条指令所用的时间，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。
     4．指令的功能与数量
       指令功能的强弱、数量的多少也是衡量PLC性能的重要指标。编程指令的功能越强、数量越多，PLC的处理能力和控制能力也越强，用户编程也越简单和方便，越容易完成复杂的控制任务。
     5．内部元件的种类与数量
       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厂商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，功能越来越强，使PLC的控制功能日益扩大
      7．可扩展能力
      PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。在选择PLC时，经常需要考虑PLC的可扩展能力。
    （二）、PLC的发展趋势
     1．向高速度、大容量方向发展
     为了提高PLC的处理能力，要求PLC 具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1 ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。
     在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。
     2．向超大型、超小型两个方向发展
     当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC 要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。
     小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC ，最小配置的I/O点数为8～16 点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司α系列PLC。
     3．PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力
     为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。
     加强PLC 联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类：一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。
      4．增强外部故障的检测与处理能力
      根据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。
      5．编程语言多样化
     在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。
    八、国内外PLC产品介绍
     世界上PLC产品可按地域分成三大流派：一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是日本产品。美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。而日本的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型PLC上。美国和欧洲以大中型PLC而闻名，而日本则以小型PLC著称。
     我国有许多厂家、科研院所从事PLC的研制与开发，如中国科学院自动化研究所的PLC-0088，北京联想计算机集团公司的GK-40，上海机床电器厂的CKY-40，原机电部北京机械工业自动化研究所的MPC-00l/20、KB-20/40，天津中环自动化仪表公司的DJK-S-84/86/480，上海自立电子设备厂的KKI系列，上海香岛机电制造有限公司的ACMY-S80、ACMY-S256，无锡光洋电子工业有限公司的SR-10、SR-20/21等。
     从1982年以来，先后有天津、厦门、大连、上海等地相关企业与国外著名PLC制造厂商进行合资或引进技术、生产线等，这将促进我国的PLC技术在赶超世界先进水平的道路上快速发展。

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，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。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有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。
PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，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内容随着程序的执行而改变。
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，驱动相应输出设备工作。