切纸机的PLC控制系统设计毕业论文

武汉科技大学毕业设计（论文）题目：切纸机学 院:电气工程学院专 业:应用电子技术学 号:1231203244学生姓名: 指导教师:日 期:2015年11月2 摘要根据程控切纸机的工作过程，为克服继电器、接触器控制故障率高、可靠性低等缺点，设计了一套以PLC为核心的切纸机裁切自动控制系统。它利用PLC完善的内部功能，有效而可靠的实现了自动裁切、自动送纸等全自动控制。本文首先对现代可编程控制技术的应用现状、发展趋势作了较为详细的介绍，并简要介绍了切纸机的产生背景和应用意义。简单概括了切纸机的电气系统的总体方案设计，并比较了工控机、可编程控制器等控制方案的优缺点。对于三菱公司的F2-20MR型PLC也做了一定的介绍。之后详细讲述了程控切纸机系统主体软硬件的研制过程和设计方法。本设计的关键就是要在原继电器控制电路的基础上，经过合理的转换，从而设计出具有相同功能的控制程序。关键词：PLC ; 继电器 ; 切纸机AbstractAccording to the working process of the cutter program, to overcome the relays, high reliability, low failure rate control, a set of faults in PLC is the core of cutter cutting automatic control system. It USES PLC perfect internal functions, effective and reliable realizes automatic paper feeding, automatic cutting full automatic control, etc.This paper firstly modern programmable control technology application situation and the development trends are introduced, and briefly introduces the background and cutter. Simply summarized cutter electrical system, and the overall design of industrial computer, compares the programmable controller to control scheme. In the F2-20MR mitsubishi type PLC made certain. After discoursed program-controlled cutter system hardware and software development process and the main design method.The key originally designed is that should be on the basis of control circuit of original relay, through rational conversion , thus design PLC control procedure with same functionKey Words：PLC ; Relay ; Cardboard cutting machine- 39 -目录摘要1Abstract2引言11绪论21 .1切纸机的基本概况21.2切纸机的基本设计要求22切纸机的总体设计方案32.1课题分析32.2设计思路33硬件设计与分析53.1原继电器控制电路与分析53.2 PLC控制电路分析63.3可编程控制器简介63.3.1 PLC的产生与发展63.3.2 PLC的基本结构与特点84切纸机的PLC控制系统设计194.1 PLC的环境技术条件设计194.2切纸机的加工工艺过程214.3切纸机的控制要求224.4 PLC型号的选择225设备布置图及程序说明255.1设备布置图255.2程序设计要求及程序说明265.2.1编程方法及编程规则265.2.2程序说明30结论38参 考 文 献39致 谢40引言 可编程控制器简称PLC，它是一种用作数字控制的专用计算机。它按照用户程序存储器里的指令安排，通过输入接口采集现场信号，执行逻辑或数值运算，进而通过输出接口去控制执行机构动作。它组态灵活、编程简单、维护方便、可靠性高，现已成为工业自动化核心技术之一。目前，我国的造纸工业技术水平仍停留在上世纪80年代初的水平，许多机器仍采用继电器控制电路，属于低水平加工制造业，而国外已普遍采用PLC控制电路。造纸工业是国民经济的基础产业之一，与社会经济发展和人民生活息息相关，纸和纸板的消费水平已成为一个国家现代化和文明程度的重要标志之一。本文对PLC的概念，发展情况进行总结，对如何将继电器电路如何用PLC系统代替作了详细的分析。1绪论1 .1切纸机的基本概况我国的造纸工业技术水平仍停留在上世纪80年代初的水平，许多机器仍采用继电器控制电路，属于低水平加工制造业，而国外已普遍采用PLC控制电路。造纸工业是国民经济的基础产业之一，与社会经济发展和人民生活息息相关，纸和纸板的消费水平已成为一个国家现代化和文明程度的重要标志之一。可编程控制器简称PLC，它是一种用作数字控制的专用计算机。它按照用户程序存储器里的指令安排，通过输入接口采集现场信号，执行逻辑或数值运算，进而通过输出接口去控制执行机构动作。它组态灵活、编程简单、维护方便、可靠性高，现已成为工业自动化核心技术之一。本文介绍了柴河纸板厂继电器控制电路旧设备的改造。“PLC控制的纸板切割机”作为控制系统中的一个典型的实验设计。柴河纸板厂的纸板切割机是特种工业用纸生产重要的配套设备之一，由于该设备仍采用继电器控制电路，设备老化，逻辑电路的接线较复杂。由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的，大大降低了系统的可靠性，继电器控制系统的维修工作不仅耗资费时,而且停产维修所造成的损失也不可估量,而现代化生产过程是不断变化的,生产工艺和市场需求也是不断地变化,所以用PLC取代继电器控制已是大势所趋。1.2切纸机的基本设计要求该控制系统的关键是在原继电器控制电路的基础上,经过合理的转换,从而设计出具有相同功能的PLC控制程序。在把继电器控制转换成PLC控制时要注意转换方法,以确保转换后系统的功能不变。（1）根据原继电器电路和工艺要求确定被控系统必须完成的动作,确定这些动作之间的关系及完成这些动作的顺序。（2）分配输入、输出设备，即确定哪些外围设备是发送信号给PLC的，哪些外围设备是接收来自PLC的信号的。同时还要将PLC的输入、输出点与之一一对应,对I/O进行分配，在此基础上确定PLC的机型。（3）根据原继电器电路和控制系统的控制要求和所选PLC的I/O点的情况及高功能模块的情况,设计PLC用户程序,此时采用梯形图形式的用户程序。2切纸机的总体设计方案2.1课题分析PLC控制的纸板切割机，就是利用PLC作为纸板切割机控制电路的主控制器，PLC采用环扫描工作方式，在系统软件控制下，扫描输入的状态，按纸板切割机工作程序进行运算处理，然后向输出发出响应的控制信号。整个工作过程可分为5个阶段：自诊段，与编程器或计算机等的通信，现场输入信号的采集，用户程序执行，输出结果。PLC经过这些5个阶段的工作过程，称为一个扫描周期。完成一个扫描周期后，又重新执行上述过程，扫描周期周而复始地进行。本PLC控制系统的具体指标要求是：对导辊从造纸机上接纸板的线速度比造纸机上纸板传输度高1%-5%。纸板完全静止在切纸机导辊上的预定位置不能超过10mm。2.2设计思路本设计包括硬件配置和软件程序设计两部分。硬件设计时，对被控设备的工艺要求和所选PLC的特点与性能有较全面的了解；软件设计时在对原继电器控制电路熟悉掌握的基础上，以步为核心，一步步设计，一步步修改直到完成整个程序的设计。对于PLC程序设计采取以下几步：（1） 根据原继电器控制电路和工艺要求确定被控系统必须完成的动作，确定这些动作之间的关系及完成这些动作的顺序。（2） 分配输入、输出设备，即确定哪些外围设备是送信号给PLC的，哪些外围设备是接收来自PLC的信号的，同时还要将PLC的输入、输出点与之一一对应，对I/O进行分配。在此基础上确定PLC的机型。（3） 根据原继电器电路、控制系统的控制要求、所选PLC的I/O点的情况及高功能模块的情况，设计PLC用户程序，此时采用梯形图形式的用户程序。纸板切割机的加工工艺过程如下： 启动设备，切纸机导辊从造纸机上接到纸板传到预想位置。 导辊停止导纸，当纸板完全静止在切纸机导辊上预定位置时，切纸刀车开始切割，刀车运动到另一侧后，刀车电机与切刀电机停机。 导辊向接纸台传送已切割完毕的纸板。 送纸结束，切纸机导辊又恢复高速，等待造纸机下一副纸板的到来。刀车再由另一侧向原方向运动进行下一次切割过程。如此反复。（4）控制要求： 导辊的速度由主传动机控制。主传动电机是CYT4型三相交电磁调速电动机。调整器外装两只电位器，当导辊从造纸机上接纸板时为了顺利地从造纸机上接到纸板，根据纸板的密度，原料和定量的不同情况，导辊速度要比造纸机上纸板传输速度高1%5%，由电位器W1设定。当导辊向接纸台传送已切割完毕的纸板时，由光电管E2发出切割完毕信号，经继电器Z5，Z9调速器和电位器W2投入，由电位器W2设定。 当切纸机导辊从造纸机上接到纸板传到预想位置时，由光电管E1向时间继电器ST2发出信号，经中间继电器K1，控制继电器Z3，Z8及C4。调速器与电位器W1同时脱机发出零速度信号，导辊停止导纸。 导辊停止后，纸板在导辊上仍然存在惯性滑动，由时间继电器ST2的延时作用来调节纸副的位置。 当纸板完全静止在切纸机导辊上预定位置时，由时间继电器ST3向切纸刀发出开始的命令。刀车电机MZ与切刀电机M3，M4，M5同时启动切割纸板。当刀车离开纸板，运动到光电管侧端后，由光电管发出切割完毕信号，刀车电机与切刀电机均断电停机。 送纸结束后，主传动输出恢复高速，由于时间继电器SJ1延时时间达到，接点断开，继电器Z6，Z7失电，使K1失电，Z9，C4得电。由调速器和电位器W1投入实现。3硬件设计与分析3.1原继电器控制电路与分析剪板机原来采用继电器接触器控制，但控制系统较复杂，大量的硬件接线使系统可靠性降低，也间接地降低了设备的工作效率。采用PLC控制可较好地解决这一问题。剪板机的原理结构，如图31所示： 图3.1剪切板原理结构示意图系统由送料、定位压紧、剪切、自动传送4个部分组成。采用7个限位开关和1个光电开关检测各部分的工作状态。送料机构E、压板B、剪切刀A、送料小车分别由4台电动机拖动。系统未动作时，压板及剪切刀的限位开关SQ1、SQ3和SQ4均断开，SQ1、SQ7也是断开的。启动时，小车应处于接料口位置，限位开关SQ5、SQ6闭合。若小车空载或板料数未达到设定数，起动送料机构，带动板料C向右移动。当板料碰到行程开关SQ1时，送料停止。同时启动压块电动机，使压块B压下，压块上限开关SQ2闭合。当压块到位，板料压紧时，压块下限开关SQ3闭合，剪切电动机起动，控制剪刀下落。此时，SQ4闭合，直到把板料剪断，板料落入小车。光电接近开关SQ7对落入小车的板料进行检测并产生计数脉冲。当小车上的板料达到设定数时，启动小车控制电动机，带动小车右行，将切好的板料送至包装线。卸下后，再启动小车左行，重新返回到剪切机下，开始下一车的工作循环。3.2 PLC控制电路分析可编程控制器（以下简称PLC）由于采用了微机技术，具有微机的许多优良性能，又有较强的抗干扰能力，可在强电磁干扰的工业生产场合可靠运行，因而得到很快的发展。它比传统的继电接触控制系统控制精度高、时间响应快、改变控制程序方便、开发周期大大缩短，而且设备体积小、能耗少。设备结构除超小型、小型机为整体式的外，大多采用模块结构，用户可根据控制要求选择模块组成系统，非常灵活，维护维修也容易，而软件大多采用梯形图程序，具有继电接触控制线路清晰直观的优点，易被广大熟悉继电接触控制线路的工程技术人员接受。随着微机技术的发展和新电子器件的不断出现，PLC 技术必将得到更大的发展，成为工业控制的主要手段和重要的基础控制设备之一。PLC技术进入我国只有十几年时间，已经得到相当广泛的应用，许多工厂企业已把它作为新产品开发、老产品更新及旧设备改造的重要控制手段。其中应用最多的是进行开关逻辑控制。目前国内的PC产品，功能越来越多样，有些小型机、超小型机也装置有一些特殊单元，如高速计数、定位、定时单元，甚至有模拟量输入、模拟量输出和PID单元，可用来进行闭环过程控制图，应用前景非常广阔。3.3可编程控制器简介3.3.1 PLC的产生与发展可编程控制器是以自动控制技术、微机技术和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置，目前它已被广泛应用于各个领域。早期的可编程控制器只能进行计数、定时及对开关量的逻辑控制。因此，可编程控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC。后来，可编程控制器采用微处理器作为其控制核心，它的功能已远远超过逻辑控制的范畴，于是人们又将其称为Programmable Controller ，简称PC 。但个人计算机（Personal Computer）也常简称PC，为避免混淆，可编程控制器仍被称为PLC。1987年，国际电工委员会（IEC）在可编程控制器国际标准草案第三稿中，对可编程控制器定义如下：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入与输出，控制各种机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于工业控制系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。PLC是生产力发展的必然产物。20世纪60年代初，美国的汽车制造业竞争激烈，产品更新换代的周期越来越短，其生产线必须随之频繁的变更。传统的继电器控制对频繁变动的生产线很不适应。自然，人们对控制装置提出了更高的要求，即经济、可靠、通用、易变、易修。首先提出PLC概念的是美国最大的汽车制造厂家通用公司（GM）。1986年，该公司提出用一种新型控制装置替代继电器控制，这种控制装置更把计算机的通用、灵活、功能完善等优点与继电器控制的简单、易懂、操作方便、价格便宜等特点结合起来，而且要使那些不很熟悉电脑的人也能方便的使用。根据这种设想，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台PLC，并在美国GM公司的汽车自动装置生产线上试用获得成功。由于PLC优越的性能，其问世后发展极为迅速。1971年，日本引进了这项技术并开始生产PLC。70年代中期，欧美及日本的一些生产厂家，其PLC产品中多以微处理器及大规模集成电路芯片为其核心部件，使PLC的功能进一步扩展，并且有了自诊断功能，可靠性得到进一步提高。随着微电子技术的迅猛发展，80年代中期，PLC几乎完全计算机化，其速度更快、功能更强，PLC的各种智能化模块不断的被开发出来，一些厂家还推出了PLC的计算机辅助编程软件，许多小型PLC的性能也不可小视。现在，PLC不仅能进行逻辑控制，在模拟量的闭环控制、数字量的智能控制、数据采集、监控、通信联网及集散控制等方面都得到广泛的应用。如今大、中、甚至小型PLC都配有A/D、D/A转换及算术运算功能，有的还具有PID功能。这些功能使PLC应用与模拟量的闭合相应的传感器及伺服装置，PLC可以实现数字量的智能控制；PLC配合可编程终端设备（如触摸屏）可以实时显示采集到的现场数据及分析结果，为分析、研究系统提供依据；利用PLC的自检信号可实现系统监控；PLC具有较强的通信功能，可与计算机或其他智能装置进行通信和联网，从而能方便地实现集散控制。功能完备的PLC不仅能满足控制的要求，还能满足现代化大生产的需要。目前，世界上一些著名的电器生产厂家几乎都在生产PLC，产品功能日趋完善、换代周期越来越短。为了进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，适应大、中、小型企业的不同需要，PLC产品大致向两个方向发展：小型PLC向体积缩小、功能增强、速度加快、价格低廉的方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制，更便于实现机电一体化；大中型PLC向可靠性、高速度、多功能、网络化的方向发展，将PLC系统的控制功能和信息管理功能融为一体，使之能对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。我国从70年代中期开始研制PLC。1977年，我国采用美国Motorola公司的一位机集成芯片，研制成功了国内第一台有实用价值的PLC。此后，在不断引进国外PLC生产线的同时，积极开发国产PLC。许多企业在PLC的应用方面进行了积极的探索，取得了成功的经验和良好的效益。随着PLC产品性能价格比的不断提高，中小企业普及应用PLC的投资已经完全可以承受。可以预见，PLC技术的推广应用会使我国的工业自动化水平产生一个革命性的飞跃。3.3.2 PLC的基本结构与特点可编程控制器内部的基本结构与普通微机是类似的，特别是和单片机的结构极为相似。可编程控制器实施控制的基本原理是按一定算法实现输入、输出变换，并加以物理实现。这种输入、输出变换就是信息处理。当今工业控制中信息处理最为常用的方式是采用微处理机技术，PLC也是利用微处理机技术将其应用于工业生产现场，使其专业化。相对于普通微机，物理实现是PLC的特长，因为普通微机大多只考虑自身的数据、信息处理能力和通信等功能，又要考虑实际控制能力及其实现等问题。因此，PLC在硬件设计时更注重I/O接口技术和抗干扰等问题的解决。根据控制系统的基本要求，PLC采用典型的计算机结构，它主要由中央处理单元CPU、存储器（RAM，ROM，EFPROM，EEPROM等）、专门设计的输入输出接口电路、通信接口电源等单元组成。PLC优越的性能表现在以下几个方面：1.灵活性和通用性强继电器控制系统的控制电路要使用大量的控制电器，需要通过人工布线、焊接、组装来完成电路的连接。其致命的弱点是，如果工艺的要求稍有改变，控制电路必须随之做相应的变动，耗时且费力。PLC是利用存储在主机内的程序实现各种控制功能的。因此，在PLC外部接线改动极少，甚至可不必改动。一台PLC可以用于不同的控制系统中，只不过改变了其中的程序罢了。其灵活性和通用性是继电器控制电路所无法比拟的。2.抗干扰能力强、可靠性高继电器控制系统中，由于器件老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的，大大降低了系统的可靠性。继电器控制系统的维修工作不仅耗力费时，而且停产维修所造成的损失也不可估量。而在PLC控制系统中大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成，因此PLC可以直接安装在工业现场而稳定的工作。从国外使用PLC的实际情况来看，平均无故障率可以达到几万甚至几十万小时以上。因此PLC被誉为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。PLC在硬件和软件方面主要采取以下措施来提高其可靠性：(1)硬件方面采取的措施对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，均采用严格措施进行屏蔽，以防外界干扰；对供电系统及输入电路采用多种形式的滤波，以消除或抑制高频干扰,也削弱了各部分之间的相互影响；对PLC内部所需的+5V电源采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以消除由于交流电网的波动引起的过电压、欠电压的影响；采用光电隔离措施，有效地隔离了内部与外部电路之间的直接电联系，以减少故障和误动作；采用模块结构的PLC，一旦某一模块有故障，就可以迅速更换模块，从而尽可能缩短系统的故障停机时间。(2)软件方面采取的措施其一，对掉电、欠电压、后备电池电压过低及强干扰信号等，PLC通过监控程序定时的进行检测。当检测到故障时，立即把当前状态保存起来，并禁止对程序的任何操作，以防止存储信息被冲掉。故障排除后立即恢复到故障前的状态继续执行程序。其二，PLC设置了监视定时器，如果程序每次循环的执行时间超过了规定值，表明程序进入了死循环，则立即报警。其三，加强对程序的检查和校验，发现错误立即报警，并停止程序的执行。其四，利用后备电池对用户程序及动态数据进行保护，确保停电时信息不丢失。由于采取了以上措施，PLC的抗干扰能力和可靠性得到了大大的提高。3.编程语言简单易学虽然PLC是以微型计算机技术为核心的控制装置，但是不要求使用者精通计算机方面复杂的硬件和软件知识。大多数PLC采用类似继电器控制电路的“梯形图”语言编程，清晰直观，简单易学，了解继电器控制线路的电气技术人员很容易接受。4.PLC与外部设备的连接简单，使用方便用微机控制时，要在输入/输出接口电路上做大量的工作，才能使微机与控制现场的设备连接起来，调试也比较麻烦。而PLC的输入/输出接口已经做好，其输入接口具有较强的驱动能力，可以直接与继电器、接触器、电磁阀等强电电器连接，接线简单，使用方便。5.PLC的功能强、功能的扩展能力强其一，PLC利用程序进行定义、计数、顺序、步进等控制，十分准确可靠。而用继电器控制时，需使用大量时间继电器、计数器、进步控制开关等设备，其准确性与可靠性无法与PLC相比。其二，PLC还具有A/D和D/A转换、数据运算和数据处理、运动控制等功能。因此它即可对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制，也可远距离对生产过程进行控制。PLC的功能扩展极为方便，硬件配置相当灵活，根据控制要求的改变，可以随时变动特殊功能单元的种类和个数，再相应修改用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。6.PLC控制系统的设计高度周期短由于PLC是通过程序实现对系统的控制，所以设计人员可以在实验室里设计和修改程序。更为方便的是可在实验室里进行系统的模拟运行调试，使现场工作量大为减少。而继电器控制系统是靠调整电路的接线来改变控制功能的，调试时费时又费力。7.PLC的体积小、重量轻、易于实现机电一体化由于PLC内部电路主要采用半导体集成电路，具有结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低的特点；更由于它具有很强的抗干扰能力，能适应各种恶劣的环境，因而它已成为实现机电一体化十分理想的控制装置。.3.3.3 PLC基本工作原理各与单元的作用 PLC与普通微机在许多方面有相似之处，但其工作方式却与微机有很大的不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如在常见的键盘扫描方式或I/O动作则转入相应的子程序，无键按下I/O不动作则继续扫描键盘和I/O口。PLC则采用循环工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，其工作方式如图3-2所示，扫描周期如图3-3所示，即CPU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指令，如此周而复始不断循环。这种工作方式是在系统软件控制下，扫描输入的状态（输入刷新）。整个工作过程可分为5个阶段：自诊断，与编程器或计算机等的通信，现场输入信号的采集，用户程序执行，输出结果。PLC的工作过程如图3-4所示。第一阶段：自诊断。每次扫描用户程序之前，都先执行故障自扫描程序。洗诊断内容分为I/O、存储器、CPU等，发现异常停机显示出错。若自诊断正常，继续向下扫描。第二阶段：与编程器或计算机通信。PLC检查是否有与编程器或计算机等的通信请求，若有则进行相应的处理，例如接受由编程器送来的程序、命令和各种数据，并把要显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示。如果有与计算机的通信请求，也在这段时间内发送完成数据的接受和发送任务。 图3.2 PLC工作方式示意图图3.3 PLC扫描周期示意图 图3.4 PLC工作过程流程图第三阶段：读入现场信号。PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，将输入端的状态送到状态存储器，也即输入采样阶段。第四阶段：执行用户程序。CPU将指令逐条调出并执行，以对输入和输出的状态进行处理，即按程序对数据进行逻辑、运算，再将正确的结果送到输出状态存储器中，这就是程序执行阶段。第五阶段：输出结果。当所有的指令执行完毕时，集中把输出状态存储器的状态通过输出部件转换成被控制设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备，这就是输出刷新阶段。PLC经过这5个阶段的工作过程，称为一个扫描周期。完成一个扫描周期后，又重新执行上述过程，扫描周期周而复始的进行。扫描周期是PLC的重要指标之一，PLC在正常工作情况下，扫描周期T为T=（运算速度*程序步数+I/O刷新时间+故障诊断时间）由于I/O刷新时间和故障时间相对用户程序执行时间要小得多，因此扫描时间主要由用户程序和的长短和CPU的运算速度决定，一般每秒钟可扫描数十次以上，这对于一般工业设备控制通常没有什么影响，但对于控制时间要求较严格，响应速度要求快的系统，则应考虑PLC的速度，并且应该精确计算响应的时间，精心编排程序，合理安排指令的顺序，尽可能减少扫描周期造成的响应时间。由于PLC是采用循环扫描的工作方式，所以它的输入输出响应速度受扫描周期的影响较大。PLC与继电器控制的重要区别之一就是工作方式不同，继电器是按并行方式工作的，也就是说是按同时执行的方式工作的，只要形成电流通路，就有可能有几个电路同时工作。而PLC上一以反复扫描的方式工作的，这是循环地连续逐条执行程序，任意时刻它只能执行一条指令，这就是说PLC是以串行方式工作的。这种串行工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配等问题。最初研制生产的PLC主要用于替代传统的继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的。(1)继电器控制装置采用硬件逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所以的触点（包括其通常开或常闭触点）在继电器控制的那个位置上都会立即同时动作。(2)PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在1000ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般小于100ms。因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式扫描方式。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没什么区别了。1.扫描技术当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。图3.5 PLC运行扫描图(1)输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中,即使输入状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。(2)用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右，先上后下的顺序对由各触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的序对由各触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区内的状态；或者确定是否要执行该程序过程中，只有输入点在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。(3)输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应外设。这时才是PLC的真正输出。比较下面这两段程序执行的结果完全一样，但在PLC中执行的过程却不一样。程序1只用一次扫描周期，就可完成对M4的刷新；程序2要用四次扫描周期，才能完成对M4的刷新。这两个例子说明：同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，也可以看到：采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行的结果有区别。程序1程序2当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。图3.6扫描周期流量图2PLC的I/O响应时间为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电藕等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。以上两个主要原因，使得PLC的I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满得多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。所谓I/O响应时间是指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端的时间。其最短的I/O响应时间与最长I/O响应时间如图所示：图3.7 I/O响应时间以上是一般的PLC的工作原理，但在现代出现的比较先进的PLC中，输入映象刷新循环、程序执行循环和输出映象刷新循环已经各自独立工作，提高了PLC的执行效率。1.中央处理单元（CPU）中央处理单元（center process unit ,CPU）可比作PLC的大脑，是PLC实现信息处理和控制的关键部件，其性能的优劣直接影响PLC的技术性能指标。(1)CPU的组成CPU一般是由控制电路、运算器和总线等部件组成，这些电路一般都集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接。不同型号的PLC使用不同的CPU部件，制造厂家使用CPU部件的系统指令编写系统程序，并固化到只读存储器RAM中。CPU按系统程序赋予的功能，接收编者按编程器或计算机等编程工具输入的用户程序和数据，存入随机存储器RAM中。CPU按扫描方式工作，从规定着的地址存放的第一条用户程序开始，到用户程序的最后一个地址，不停的周期性扫描，每扫描一次，用户程序就执行一次。(1) CPU的主要功能运行程序：PLC的程序存放于内存中，但程序运行却在CPU中。PLC运行时首先CPU从地址总线上给出存储地址，从控制总线上给出存储地址，从控制总线上给出读命令，从数据总线上得到读出行译码，最后，CPU执行指令规定的操作，如读取输入信号，取操作数，进行逻辑运算或算术运算，并将运算结果输出给有关部件。CPU运行程序是周而复始不断重复着的，这与PLC扫描工作方式是相适应的。若PLC设置在中断主程序转而执行中断服务程序。中断服务程序完成后，自动返回主程序。接受程序：PLC的系统程序由厂家提供并固化在CPU内部存储器ROM中，它除了能编译、运行用户程序以外，还对PLC进行上电初始化、I/O刷新及公共处理。用户程序由用户根据机械设备的生产工艺和控制要求进行编制并保存在ROM中。CPU通过系统程序对用户程序进行编辑或计算机来实现上诉过程。同时，有时还需要对系统的特殊功能进行设置，如将系统设置为具有中断控制、高速脉冲记数、高速脉冲输出、输入脉冲延时和捕捉等功能。CPU则根据系统设置来实现上诉功能。部分PLC接受程序是通过编程来实现的。如西门子的PLC编程软件STEP5，即是通过组织块来实现分段程序的连接，通过功能来实现各种控制功能。系统监控：PLC除了可处于运行及编程状态外，还可设置成监控状态。此时，PLC即可实现对系统的监控，也可通过编程和计算机修改程序或改变程序。在这种状态下，PLC的CPU工作状态及接收编程器操作的功能。2.存储器存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑程序、逻辑变量和其他一些信息。系统程序是用来控制和完成PLC各种功能的程序，这些程序由PLC制造厂商相应的CPU指令系统来编写，并固化到ROM中。用户程序存储用来存放由编辑器或计算机输入的用户程序。用户程序是使用者根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序，可通过编程工具进行修改。在PLC中主要使用两种类型的储存器，即ROM和RAM储存器，部分PLC也使用EEPROM和EPROM储存器。(1)只读储存器ROMROM中的内容一般是由PLC制造厂家写入的系统程序，并且永远驻留。系统主要包括检查程序、编译程序和监控程序。PLC启动后，首先由检查程序检查PLC的各部分操作是否正常，并将检查结果显示给操作人员；然后编译程序将用户键入的控制程序变换成由微电脑指令组成的程序，并对用户的需要调用相应的内部程序。例如用编程器选择了程序工作方式，则监控程序就调入“键盘输入处理程序”，将用户输入的程序送到RAM中；若用编程选择运行工作方式，则监控程序将启动用户程序。ROM的容量与PLC的复杂程序有关。(2)随机储存器RAMRAM是可读写储存器。读出时，RAM中的内容不被破坏，而写入时，刚写入的信息就会覆盖原来位置上的信息。RAM中一般存入用户程序、逻辑变量、中间结果、最终运算结果及供内部监控、管理程序使用的系数数据等内容。用户程序是指选择编程工作方式时，用编程工具输入的程序经过预处理后，存入在RAM的低地址区。而逻辑变量则指在输出继电器、内部辅助继电器、保持继电器、定时器、移位电器等。一般PLC还开辟一定数量的数据区供数值运算，A/D，D/A，高速脉冲计数等功能。内部监控、管理程序也要使用部分存储单元存放系数数据。由于不同型号的PLC其储存器的容量是不同的，所以在技术说明书中，一般都会给出与用户编程和使用单元有关的指标，如输入输出继电器的数量、保持继电器的数量、内部辅助继电器的数量、定时器和记数器的数量、允许用户程序的最大长度等，这些指标都间接地反映了RAM的容量。RAM通常和锂电池配合使用，这样在断电时可起到对用户程序的保存作用。(3)EPROM,EFPROM部分PLC还使用内置EPROM或外置EEPROM，EEPROM存储器用于存放用户程序，这样用户程序可实现“永久”保存，不会出现存储器采用RAM+锂电池结构时，随着锂电池电能的消耗，电量不足而出现用户程序丢失的现象。3.电源部件电源部件将交流转换成供PLC的中央处理器、存储器等电路工作需要的直流电源，使PLC能正常工作。PLC内部使用的电源是整机的供给中心，它的优劣直接影响到PLC的功能和可靠性，因此目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。4.输入输出接口电路这是PLC与被控设备相连接的接口电路。用户设备输入PLC的各种控制信号，如限位开关、操作按扭、选择开关、行程开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入借口电路将这些信号转换成中央处理器能够接收和处理的信号。输出接口电路将中央处理器送出的弱电控制信号输出，以驱动电磁阀、接触器、电机等被控执行元件。(1)输入接口的电路输入接口的电路一般由光电耦合电路和微电脑输入接口电路组成。光电耦合电路：采用光电偶合电路和现场输入信号相连的目的是防止现场的强电干扰进入PLC，也防止传导性干扰，从而起到对电信号的隔离作用。光电耦合电路的关键部件是光电耦合器，一般由发光二极管和光敏三极管组成。微电脑输入接口电路：它一般是数据输入存储器、选通电路和中断请求逻辑电路构成，这些电路集成在一个芯片上。现场的输入信号通过光电耦合器送到输入储存器，然后通过数据总线送给CPU。(2)输出接口电路PLC的输出接口电路是一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成。微电脑输出接口电路一般由输出数据储存器、选通电路和中断请求电路集成而成。CPU通过数据总线将要输出的信号放到输出储存器中，并通过光电耦合器隔离后输出。功率放大电路是为了适应工业控制的要求，将PLC的输出信号加以放大。PLC一般采用继电器输出,部分PLC采用晶闸管输出。继电器输出电路：负载电源由用户提供，可以是交流也可以是直流，视负载情况而定。继电器输出电路抗干扰能力强，负载能力大（工作电流可达2-5A），但信号响应速度较慢，其延迟一般为8-10ms 。晶闸管输出电路：负载电源由用户提供，只能是直流。晶体管输出电路负载能力较大（工作电流仅1A左右），其响应速度较快，延迟一般为导通1-2ms，关断8-10ms。晶体管输出电路：负载电源由用户提供，只能是直流。晶体管输出电路负载能力小（工作电流仅为0.3-0.5A），但响应速度快，其延迟一般为0.5-1ms.除了上面介绍的这几个主要单元以外，PLC上还配有各种与外围设备连接用的并行、串行接口，通常用插座引出到外壳上，可通过电缆或通过底板方便的配接编程器、计算机、打印机、触摸屏、显示器以及A/D，D/A，高速计数等模块。4切纸机的PLC控制系统设计4.1 PLC的环境技术条件设计1.由于PLC是直接用于工业现场控制装置，在设计制造时，充分考虑了它的环境适应性，它具有在恶劣技术条件下可靠工作的性能。但是，每种PLC都有自己的工作环境技术条件，用户在选用时，特别在设计控制系统时，对环境条件要给予充分的考虑。在设计、安装时尽可能地改善可编程器的现场工作环境，达到延长其工作命，提高系统的可靠性的目的。一般PLC及外部电路（I/O模块、辅助电源等）都能在下列工作条件下可靠地工作：湿度：相对湿度为5%95%（无凝结霜）：震动和冲击：满足国际电工委员会标准：电源：220V交流，允许变化上下15%频率4753HZ，瞬间停电保持为10ms；周围空气：周围空气不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体。2.环境条件对PLC的影响(1)温度的影响：晶体管和电阻电容等外部电路都是由半导体集成电路（简称IC）、晶体管和电阻电容等元件构成的，温度的变化将直接影响这些元件的可靠性和寿命。温度高时容易产生下列问题：IC晶体管等到半导体器件性能恶化，故障率增加和寿命降低：模拟回路的漂移变大，精度降低等。如果温度偏低，除模拟回路精度降低外，回路的安全系数也会变小，超低温时还可能引起控制系统的动作不正常。别是温度的急剧变化（高低温冲击），由于电子器件热胀冷缩，更容易引起电子器件的恶化和温度特性变坏。(2)湿度的影响：在湿度大的环境中，水分容易通过模块上IC的金属表面进内部，引起内部元件的恶化，印刷板可能由于高压或高电流而引起短路，干燥的绝缘物体上可能带静电，特别是MOS集成电路，由于输入阻抗高，可能会因静电感应而损坏。控制器不运行时，温度、湿度的急剧变化，会引起结露，结露后会使绝缘电阻大大降低，容易引发高压的泄露，使金属表面生锈，从而导致绝缘恶化，特别是交流会20V，110V的I/O模块，由于绝缘的恶化，可能产生预料不到的事故。(3)振动和冲击的影响：一般PLC能耐的振动和冲击频率为1055HZ，振幅为0.5mm,加速度为2g,冲击为10g。超过这个极限时,可能会引发电磁阀或断路器误动作、机械结构松动、电气部件疲劳损坏以及连接器的接触不良等后果。(4)周围空气的影响：周围空气中不能混有尘埃。导电煤炭煤田粉末、腐蚀性气体、水分，油分、油雾、有机溶剂和盐分等，否则会引起下列不良现象：尘埃可引起接触部分的接触不良，或使滤波器的网眼堵住，使盘内温度上升；导电性粉末可引起误动作，绝缘性能变差和短路等；油和油雾可能会引起接触不良和腐蚀塑料；腐蚀性气体和盐分可能引起印刷电路板的底部或引线腐蚀，造成继电路或开头的可动部件接触不良。3.控制系统环境设计由上面的分析可知，环境条件对PLC控制系统可靠性影响很大，为此，必须针对具体应用场合采取相应的改善环境措施。下面是几种常用、可行的有效措施。(1)高温设计处理：如果控制系统的周围环境温度低于极限温度五十五摄氏度，必须采取下面的有效措施，迫使环境温度低于极限值。控制盘、柜内设置风扇或冷风机，通过滤波器一起把自然风引入盘、柜内。由于风扇的寿命不长，必须和滤波器一起定期检修，使用冷风机时注意不能结露。控制系统置于有空调的控制室内，降低工作环境温度。开展系统不能直接放在日光下。 PLC主控制器的安装应考虑良好的通风和散热，主控制器的上下左右都要留有不小于50mm的距离，各I/O框架之间应有足够的空间，用于通风、散热和信号的进出。I/O模块配线时要按规定和标准使用导线槽，以免妨碍通风。Iv安装时要把发热休，如电阻器或电磁接触器等远离主控制器，或者把主控制器安装在发热体的下面。同一框架内的电源模块要远离PLC主控制器安装。一般化情况下，PLC主控制器与电源模块分别安装在框架的两端。(2)低温设计处理在控制盘、柜子内设置加热器，冬季时通过使用吵架热器，可使盘、柜内温度保持在零摄氏度以上或在十摄氏度左右。设置加热时要选择适当的温度传感器，以便能在高温自动切断加热电源，低温时自动接通电源。停运时，不切断控制器和I/O模块电源靠其自身的发热量使周围温度升高，特别是夜间低温时，