基于PLC的数字电压表的设计-论文.doc

xx 大学本科毕业生毕业设计（论文） 第 1 页 共 40 页 基于基于 PLCPLC 的数字电压表的设计的数字电压表的设计 xxxxxxx xxxxxxxxx xxxxxxxxxxx 目录目录 摘要 .3 前言 .5 第一章 绪论 6 第 1.1 节 可编程控制器的历史与发展趋势 6 第 1.2 节 用 PLC 设计数字电压表的意义 7 第二章 系统整体方案设计 8 8 第 2.1 节 工业领域的标准信号 8 2.2.1三菱 FX 系列 PLC 概述 .8 第 2.2 节 可编程控制器的选型和应用系统的总体设计 .13 2.2.1 可编程控制器选型的一般考虑.14 2.2.2 可编程控制器控制系统设计的基本原则.15 2.2.3 可编程控制器的选择 .16 第 2.4 节 系统设计结构 .22 第三章 系统的硬件设计 2323 第 3.1 节 模拟量输入输出模块 FX-4AD23 第 3.2 节 可编程控制器 PLC25 第 3.3 节 FX2N-32MR 型 PLC 28 第 3.4 节 人机界面FXGOT 930 28 3.4.1 概述 .28 3.4.2 启动.29 第 4.1 节 标度变换 .31 4.1.1 标度变换（工程量变换）现场物理量的显示.31 第 4.2 节 PLC 编程软件的应用 32 4.2.1 程序输入和编辑.32 结束语结束语 3636 参考文献参考文献 3737 致谢致谢 3838 附录附录 PLC 常用程序常用程序3737 xx 大学本科毕业生毕业设计（论文） 第 2 页 共 40 页 基于基于 PLCPLC 的数字电压表的设计的数字电压表的设计 xxxxxxxxxxx xxxx 摘要摘要 这是一篇关于基于PLC的数字典压表的设计的开发论文。传统的电压表一般采用指 针式面板, 精度低, 可视距离近,已不适应社会发展需要。随着智能化微机测量和控制技术 的迅速发展, 以PLC为核心的数字电压表已凸显出其优势。本文介绍以PLC为核心的数字式电 压表设计, 该电压表具有性价比高, 使用方便, 精度高等特点, 在工业生产等电子测量领域 有广泛应用。 本文首先介绍PLC的历史与发展，并着重论述了PLC设计数字电压表的意义，接着对PLC 的选型进行了分析,并对FX系列的PLC做了概述。 在本文的硬件部分，主要对模拟量输入输出模块FX-4AD，FX2N-32MR型PLC及人机界面 F930进行了详细的介绍 。 本文对PLC的初学者而言，有着极大的引导入门价值。 【关键字关键字】PLC 、FX-4AD、FX2N-32MR 、F930、数字电压表。 xx 大学本科毕业生毕业设计（论文） 第 3 页 共 40 页 Abstract This is one about “based on PLC Digital Voltmeters Design“ development paper. The traditional voltmeter uses the indicator type kneading board generally, the precision is low, the visual range is near, did not meet the social development need. Along with the intellectualized microcomputer survey and control technologys rapidly expand, as the core digital voltmeter has highlighted its superiority take PLC. This article introduced that take PLC as the core digital voltmeter design, this voltmeter has the performance-to-price ratio to be high, the easy to operate, the precision higher characteristic, in electronic surveying domains and so on industrial production has the widespread application. This article first introduced that PLC the history and the development, and elaborated the PLC design digit voltmeters significance emphatically, then has carried on the analysis to the PLC shaping, and has made the outline to FX series PLC. In this article hardware part, mainly has carried on the detailed introduction to FX-4AD, FX2N-32MR PLC and HMI- F930. This article speaking of the PLC beginner, has the enormous guidance basic value. 【Key words】: PLC 、FX-4AD、FX2N-32MR 、F930、Digital Voltmeter xx 大学本科毕业生毕业设计（论文） 第 4 页 共 40 页 前言前言 可编程逻辑控制器，又称可编程控制器，有过多种定义。可以看作是一种经过特殊设计 的工业计算机，整个的设计原则就是简单与实用。 1968 年，通用汽车公司的液压部门为了消除既复杂又昂贵的继电器控制系统，确立了 第一个可编程控制器的招标指标。该设计规格需要固态系统和电脑技术，并要求能够在工业 环境中生存，也能够方便地编程，并且可以重复使用。该控制系统将大大减少机器的停机时 间，并为未来提供了可扩展性。该招标由 DEC 公司中标，这套系统于 1969 年研制出来，这 是第一台可编程控制器，型号为 PDP-14，应用取得成功。其后，美国的 MODICON 公司也推 出了同名的 084 控制器，1971 年日本推出了 DSC-80 控制器，1973 年西欧国家的各种可编程 控制器也研制成功。这些早期的控制器满足了最初的要求，并且打开了新的控制技术的发展 的大门。 本文在组织结构上做了如下的安排 本文在绪论部分着重论述 PLC 实现数字电压表的意义 本文第二章为系统整体方案设计，其中包括工业领域的标准信号，系统方案论证，系 统设计结构。 第三章为系统的硬件设计及实现主要包括系统的硬件组成，各模块的功能和工作原理。 第四章为系统的软件设计主要包括工程标度参数转换，系统软件结构，数据采集及转 换软件实现，标度转换实现，显示软件实现。 最后为结论和总结自己的心得体会 本文可以为 PLC 的初学者提供了很好的学习机会。由于本人水平有限，加之时间仓促， 文中难免有错误和不妥之处，请读者不吝指正。 xx 大学本科毕业生毕业设计（论文） 第 5 页 共 40 页 第一章 绪论 第第1.11.1节节 可编程控制器的历史与发展趋势可编程控制器的历史与发展趋势 可编程逻辑控制器，又称可编程控制器，有过多种定义。可以看作是一种经过特殊设计 的工业计算机，整个的设计原则就是简单与实用。 1968 年，通用汽车公司的液压部门为了消除既复杂又昂贵的继电器控制系统，确立了 第一个可编程控制器的招标指标。该设计规格需要固态系统和电脑技术，并要求能够在工业 环境中生存，也能够方便地编程，并且可以重复使用。该控制系统将大大减少机器的停机时 间，并为未来提供了可扩展性。该招标由 DEC 公司中标，这套系统于 1969 年研制出来，这 是第一台可编程控制器，型号为 PDP-14，应用取得成功。其后，美国的 MODICON 公司也推 出了同名的 084 控制器，1971 年日本推出了 DSC-80 控制器，1973 年西欧国家的各种可编程 控制器也研制成功。这些早期的控制器满足了最初的要求，并且打开了新的控制技术的发展 的大门。 PLC 的发展也是与计算机技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展 息息相关，正是这些高新技术的发展推动了可编程控制器的发展。 从控制功能来看，可编程控制器的发展大致经历了 4 个阶段： （1）、初级阶段：从第一台 PLC 问世到 20 世纪 70 年代中期 由于第一代 PLC 是为了取代继电器的，因此，主要功能是逻辑运算和计时、计数功能。 CPU 由中小规模数字集成电路构成。主要产品有：MODICON 公司的 084，AB 公司的 PDQ- IL，DEC 公司的 PDP-14，日立公司的 SCY-022 等。第一阶段就采用了梯形图语言作为编程方 式，尽管有些枯燥，但却形成了工厂的编程标准。 （2）、扩展阶段：从 20 世纪 70 年代中期到 70 年代末期 这一阶段 PLC 产品的控制功能得到很大扩展。扩展的功能包括数据的传送、数据的比较 和运算、模拟量的运算等功能。这一阶段的产品有 MODICON 的 184，284，384，西门子公司 的 SIMATICS3 系列，富士电机公司的 SC 系列产品。 （3）、通信阶段：20 世纪 70 年代末期到 80 年代中期 这一阶段产品与计算机通信的发展有关，形成了分布式通信网络。但是，由于各制造商 各自为政，通信系统也是各有各的规范。由于在很短的时间内，PLC 就已经从汽车行业迅速 扩展到其它行业，作为继电器的替代品进入了食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行 业。其次，产品功能也得到很大的发展。同时，可靠性进一步提高。这一阶段的产品有西门 xx 大学本科毕业生毕业设计（论文） 第 6 页 共 40 页 子公司的 SIMATICS6 系列，GOULD 公司的 M84，884 等，富士电机的 MICRO 和 TI 公司的 TI530 等。 （4）、开放阶段：从 20 世纪 80 年代中期开始 由于国际标准化组织提出了开放系统互连的参考模型 OSI，使 PLC 在开放功能上有较大 发展。主要表现为通信系统的开放，使各制造厂商的产品可以通信，通信协议开始标准化， 使用户得益。此外，PLC 开始采用标准化软件系统，增加高级语言编程，并完成了编程语言 的标准化工作。 第第1.21.2节节 用用PLCPLC设计数字电压表的意义设计数字电压表的意义 数字电压表是一个具有数字显示功能的多量程仪表, 它是测量仪表可测量电压、电流和 电阻中最常用的一个测试功能项.一旦测量仪表的范围和方式选定, 既可测量直流信号,也可 测量交流信号的参数.有些数字表的设计是由电池驱动且可携带, 而另外一些是基于主机计 算机驱动且由磁盘安装的数字式仪表与模拟式仪表相比, 使用零件少, 集成度高, 稳定性和 可靠性相对较高, 输人阻抗高, 提高了测量精度. 目前许多数字测量仪表的设计是基于微处理器的,本文介绍了一个用基于PLC设计的数字 电压表。 传统的电压表一般采用指针式面板, 精度低, 可视距离近,已不适应社会发展需要。随 着智能化微机测量和控制技术的迅速发展, 以PLC为核心的数字电压表已凸显出其优势。本 文介绍以PLC为核心的数字式电压表设计, 该电压表具有性价比高, 使用方便, 精度高等特 点, 在工业生产等电子测量领域有广泛应用。 数字电压表的设计和开发，已经有多种类型和款式。传统的数字电压表各有特点，它们 适合在现场做手工测量，要完成远程测量并要对测量数据做进一步分析处理，传统数字电压 表是无法完成的。然而基于 PLC 的数字电压表，既可以完成测量数据的传递，又可借助 PLC，做测量数据的处理。所以这种类型的数字电压表无论在功能和实际应用上，都具有传 统数字电压表无法比拟的特点，这使得它的开发和应用具有良好的前景。 xx 大学本科毕业生毕业设计（论文） 第 7 页 共 40 页 第二章 系统整体方案设计 第第 2.12.1 节节 工业领域的标准信号工业领域的标准信号 工业领域标准信号是指： （1）、输入信号：010mA、020mA、420mA （2）、输出信号：010mA、020mA、420mA （3）、精度：0.2 % （4）、线性度：0.1 % （5）、隔离电压：2000V / 1 分钟（输入、输出、电源及通道间相互隔离） （6）、供电电源：24VDC10 第第 2.22.2 节节 系统方案论证系统方案论证 2.1.1 三菱 FX 系列 PLC 概述 系列序号：1S、1N、2N、2NC；即 FX1S、FX1N、 FX2N、FX2NC、 I/O 总点数：14-256。 单元类型：M-基本类型。 E-I/O 混合扩展单元及扩展模块。 EX-输入专用模块。 EY-输出专用扩展模块。 输出形式：R-继电器输出。 T-晶体管输出。 S-晶闸管输出。 特殊品种：D-DC 电源，DC 输出。 A1-AC 电源、AC 输出 H-大电流输出扩展模块（1A/点）。 V-立式端子排的扩展模块。 C-接插口 I/O 方式。 F-输入滤波器 1MS 的扩展模块。 L-TTL 输入型扩展模块。 S-独立端子（无公共端）扩展模块。 若特殊品种一项无符号，说明通常指 AC 电源，DC 输入，横式端子排，继电器输出 2A/ 点，晶体管输出 0.5A/点，晶闸管输出 0.3A/点。 2 .FX 系列 PLC 技术指标 xx 大学本科毕业生毕业设计（论文） 第 8 页 共 40 页 FX 系列 PLC 的指标包括一般技术指标、输入技术指标、输出技术指标，分别如表 2-1、 表 2-2、表 2-3 所示 表 2-1 FX 系列 PLC 一般指标 环境温度0-55（使用时）；-20- +70C(存储时) 环境湿度35-85RH(不结露)（使用时） 抗 震JIS CO911 标准 10-50HZ 0.5mm(最大 2g)3 轴方向各 2 小时（使用 DIN 导轨安装 时 0.5g） 抗冲击JIS CO912 标准 10g 3 轴方向各 3 次 抗噪声干扰用噪声仿真器产生电压为 1000VP-P，脉冲宽度为 1us,频率为 30-100HZ 的噪声 耐 压AC1500Vmin 绝缘电阻5M 以上（DC500V 兆欧表） 所有端子与接地端之间 接 地第三种接地，不能接地时也可浮空 使用环境无腐蚀性气体，无尘埃 表 2-2 FX 系列 PLC 输入技术指标 项目DC 输入AC 输入 品种FX0，FXON，FX2,FX2 C FXON,FX2C(X10 以内)FX2 输入信号电 压 DC24V10AC100V-120V150/60HZ 输入信号电 流 7mA/DC24V5mA/DC24V6.2mA/AC110V 60HZ 输入 ON 电流4.5mA 以上3.5mA 以上3.8mA 以上 输入 OFF 电 流 1.5mA 以下1mA 以下1.7mA 以下 输入响应时 间 约 10ms，但 FX0 系列的 X0-X17 和 FX0N 的 X0- X7，0-15ms 可变 约 30ms 不可高速输入 输入信号形 式 无电压接点，或 NPN 集电极开路输出晶体管AC 电压 电路隔离电路隔离 光耦合隔离（FX0、FXON） 输入动作显 示 输入 ON 时 LED 灯亮 xx 大学本科毕业生毕业设计（论文） 第 9 页 共 40 页 表 2-3 FX 系列 PLC 输出技术指标 项目继电器输出晶闸管输出晶体管输出 外部电源AC250V，DC30V 以下 （需外部整流二级管） AC85V-240VDC5V-30V 最 大 负 载 电阻负载 2A/1 点 8A/4 点公用， 8A/8 点公用 0.3/1 点 0.8A/4 点 （1A/1 点 2A/4 点） 0.5A/1 点 0.8A/4 点 0.1A/1 点 0.4A/4 点 (1A/1 点 2A/4 点) 0.3A/1 点 1.6A/4 点 感性负载80VA15VA/AC100V 30VA/700V 50VA/AC100V 100VA/AC200V 12W/DC24V2.4W/DC24V (24W/DC24V)7.2W/DC24V 最 大 负 载 灯负载100W30W (100W) 1.5W/DC24V2.4W/DC24V (3W/DC24V)1W/DC24V 开路漏电流1Ma/AC100V 2MA/AC200V (1.5MA/AC100 3MA/AC200V) 0.1MA 以下 响应时间约 10msON 时：1ms, OFF 时：10ms ON 时：0.2ms 以下 OFF 时：0.2ms 以下 大电流时 0.4ms 以下 电路隔离机械隔离光电晶闸管隔离光耦合隔离 输出动作显示继电器线圈通电时 LED 灯亮 光电晶闸管驱动 LED 灯 亮 光耦合驱动时 LED 灯亮 3 FX2N 系列 PLC FX2N 系列 PLC 是 FX 系列中最高级的模块，它拥有无以匹敌的速度、高级的功能逻辑组 件及定位控制等特点。 1）特点 xx 大学本科毕业生毕业设计（论文） 第 10 页 共 40 页 （1） 控制点数为 16 点-256 点（主单元：16 点、32 点、48 点、65 点、80 点、128 点） 。 （2） 灵活的配置。除了具有满足特殊要求的大量特殊功能模块外，6 个基本 FX2N 单 元中的每个可扩展到 256 点的 I/O （3） 高速运算。基本指令 0.08us/指令；应用指令 1.52us/指令至几百 us/指令。 （4） 突出的寄存器容量。FX2N 系列包括 8000 步内置 RAM 寄存器，用一个寄存器盒可 扩展到 16000 步 RAM 或 EEPROM。 （5） 丰富的器件资源。辅助继电器 3072 点、计时器 256 点、计数器 235 点、数据寄 存器 8000 点。 2）功能 （1） 实时时钟功能。使用标准型号实时时钟功能可以满足对时间的应用要求。 （2） 增加了过程控制。使用 FX2N 的 PID 指令或 FX2N2LC 温控模块可以实现过程控 制。 （3） 特殊功能模块。增加了大量的特殊功能模块满足单个需要，FX2N 主单元可配置 总计达 8 个特殊功能模块，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。 （4） 网络能力。可以连接到世界上最流行的开放式网络（CC-link、Profibus 、DP 和 DeviceNET）或者采用传感器 （5） 很强的数学指令集。使用 32 位处理、浮点数、方根和三角几何指令满足数学功 能。 （6） 基于 Windows 软件。使用 GX-Developer 或 FX-PCS/Win-C 软件能快速、容易的 开发程序。 （7） 定位控制功能。通过定位模块（FX-10GMFX2N-20GM）或脉冲输出模块（FX2N- 1PG）最多可达 16 轴的控制。 （8） 密码保护。使用一个 8 位数密码保护程序。 （9） 远程维护。通过调制解调器通信可以监测、上传或下载程序和数据到远处的编 程软件上。 xx 大学本科毕业生毕业设计（论文） 第 11 页 共 40 页 3）FX2N 系列 PLC 主单元型号一览表（见表 2-4 和表 2-5） 表 2-4 交流电源、24V 直流输入类型 输入输出 型号I/O 总点数 数目类型数目类型 尺寸/mnmmn (长厚宽) FX2N-16MR-001168 漏型 8 继电器 1308790 FX2N-16MT168 漏型 8 晶体管 1308790 FX2N-32MR-0013216 漏型 16 继电器 1508790 FX2N-32MT3216 漏型 16 晶体管 1508790 FX2N-48MR-0014824 漏型 24 继电器 1828790 FX2N-48MT4824 漏型 24 晶体管 1828790 FX2N-64MR-0016432 漏型 32 继电器 22087*90 FX2N-64MT6432 漏型 32 晶体管 22087*90 FX2N-80MR-0018040 漏型 40 继电器 2858790 FX2N-80MT8040 漏型 40 晶体管 2858790 FX2N-128MR-00112864 漏型 64 继电器 3508790 FX2N-128MT12864 漏型 64 晶体管 3508790 表 2-5 24V 直流电源、24V 直流输入类型 输入输出型号I/O 总点数 数目类型数目类型 尺寸/mnmmn (长厚宽) FX2N-32MR-D3216 漏型 16 继电器 1508790 FX2N-32MT-D3216 漏型 16 晶体管 1508790 FX2N-48MR-D4824 漏型 24 继电器 1828790 FX2N-48MT-D4824 漏型 24 晶体管 1828790 FX2N-64MR-D6432 漏型 32 继电器 2208790 FX2N-64MT-D6432 漏型 32 晶体管 2208790 FX2N-80MR-D8040 漏型 40 继电器 2858790 FX2N-80MT-D8040 漏型 40 晶体管 2858790 4FX2NC 系列 PLC xx 大学本科毕业生毕业设计（论文） 第 12 页 共 40 页 FX2NC 系列 PLC 是在保留了 FX2N 强大功能特色的前提下实现了卡片式大小的 PLC。I/O 接口降低了接线成本并节省了空间。 1）特点 （1）控制点数。16 点-256 点（主单元：16 点、32 点、64 点、96 点）。 （2）体积小，灵活的配置。体积小，可以安装到比标准 PLC 小很多的位置上。基本单 元可扩充到 256 点的 I/O。可以使用高达 4 个特殊功能模块来扩展 FX2NC 的能力。 （3）高速运算。基本指令 0.08us/指令；应用指令 1.52us/指令至几百 us/指令。 （4）突出的寄存器容量。FX2NC 系列包括 8000 步内置 RAM 寄存器，用一个寄存器盒可 扩充到 16k 步。 （5）丰富的器件资源。辅助继电器 3072 点、定时器 256 点、数据寄存器 8000 点。 2）功能 （1）实时时钟功能。使用标准型号实时时钟功能可以满足对时间的应用要求。 （2）定位/模拟量控制。可以连续多达 4 个定位模拟量等特殊功能模块，利用它内置的 功能控制两轴（包括插补）或通过增加扩展单元能控制多轴。 （3）网络能力。通过连接扩展板或特殊适配器实现多种通信和数据连接。利用 CC- Link、Profibus DP 和 DeviceNET 可以连接到世界上最流行的开放式网络；串行通信选项包 括 RS-232C、RS-485。数据链接包括 N：N 连接、并行连接、计算机连接及 I/O 连接。 （4）基于 Windows 软件。使用 GX-Developer 或 FX-PCS/Win-C 软件能快速、容易的开 发程序 （5）密码保护。使用一个 8 位数密码保护程序。 （6）远程维护。通过调制解调器通信可以监测、上传或下载程序和数据到远处的编程 软件上。 3）FX2NC 系列 PLC 主单元一览表（见表 2-6） 表 2-6 直流电源、24V 直流输入类型 输入输出型号I/O 总点数 数目类型数目类型 尺寸/mnmmn (长厚宽) FN2NC-16MR-T168漏型8继电器358990 FN2NC-16MT168漏型8晶体管358790 FN2NC-32MR3216漏型16晶体管358990 FN2NC-64MT6432漏型32晶体管608990 FN2NC-96MT9648漏型48晶体管868790 xx 大学本科毕业生毕业设计（论文） 第 13 页 共 40 页 第第 2.22.2 节节 可编程控制器的选型和应用系统的总体设计可编程控制器的选型和应用系统的总体设计 PLC 应用系统的总体设计，主要涉及到 PLC 的选型和 PLC 软件的编制。电气技术人员要 与工艺技术人员和机械技术人员合作，详细了解设备生产工艺的具体要求和机械设备的技术 性能，选用合适的 PLC 和编制出质量高的软件，满足生产设备的工艺要求。当然，在选用时， 也可向 PLC 生产厂商咨询，选用那些既能满足生产设备的工艺要求，又有高的性能价格比的 PLC；选用那些有扩展前景及售后技术服务良好的 PLC 及厂商。对于软件方面，可以自己编 制，也可以委托软件开发公司编制，对于那些复杂的工艺要求或需要网络通信控制系统，如 果自己的技术力量不够，委托有关公司或厂商开发软件，不失为一个好办法。 2.2.1 可编程控制器选型的一般考虑 1、确定控制对象和控制范围 在应用 PLC 时，首先要详细分析被控对象、控制过程与要求，了解工艺流程后列出控制 系统的所有功能和指标要求，与继电接触器控制系统和工业控制计算机进行比较后加以选 择。如果控制对象的工业环境较差，而安全性、可靠性要求特别高，系统工艺复杂，输入输 出以开关量为多，而用常规的继电接触器控制难以实现，工艺流程又要经常变动的对象和 现场，用 PLC 进行控制是合适的。 提高产品产量，保证生产安全，增强生产工艺的灵活性，改善信息管理等方面均可作为 控制对象的目标。必须根据应用目标，来确定 PLC 的选型。如果以提高产品质量和安全生产 为目标，则把可靠性放在首位，甚至可构成冗余控制系统。如果要求改善信息管理，则把 PLC 与上位计算机通信能力作为选择的依据。 2、选择机型 一般来说，各生产厂家的产品在可靠性上都是过关的，机型的选择主要是指功能上如何 满足自己的需要，而不浪费机器容量。 在选择机型前，用户首先袄对控制对象进行下列估计： 1)有多少个开关量输入，电压分别为多少； 2)有多少个开关量输出，输出功率为多少； 3)有多少模拟量输入输出点； 4)是否有特殊控制要求，如高速计数器等； 5)机房与现场的最远距离为多少； 6)现场对 PLC 的响应速度有何要求； xx 大学本科毕业生毕业设计（论文） 第 14 页 共 40 页 这里所讲的实时响应性主要是指 PLC 的扫描速度。要求处理现场信号的场合，扫描速度 将成为选择的依据。 影响 PLC 响应时间的因素有输入信息时间、中央处理机解读用户逻辑网络时间，并作为 技术指标衡量机械性能，一般都在 10ms/1KB 左右。 PLC 的实时响应性还将受到系统中速度最慢设备的限制，与上位机的通信也将增加服务 时间。 1）内存估计： 用户程序所需的内存量受下述四个因素的影响： 1、 内存利用率； 2、 开关量输入输出的点数； 3、 模拟量输入输出的点数； 4、 程序编写者的编程水平； 在编程器上用图形编辑的程序，最后是以机器语言的形式存放于内存中。同样的图形、 不同厂家的产品，在把图形变成机器语言存放时所需的内存量不同。我们把一个图形中的触 点数与存放该图形所代表的机器语言时所需的内存字数的比值称为内存利用率。它与产品品 种和编程水平有关。 2）I/O 模块配置及系统电源容量校验：模块确定后，要根据每个模块各支路同时工 作，即系统最大可能工作需要的电流数来校核电源容量，当各机架负载不匀时，亦可将模块 的配置予以适当的调整。 3、编制程序 编程时，首先要合理划分模块，其次是合理利用指令，严格注意信息名称定义。最后经 过单块调试，软硬件联调与系统总调。程序必须经过一段时间的运行考验，才可以投入实际 现场工作。 PLC 控制系统软件设计的主要内容： 1） 存储器（包括 RAM 和 ROM）空间的分配。它与开关量 I/O 点数、模拟量 I/O 点数、内 存利用率和程序编写者的编程水平有关。 2） 专用寄存器的确定。 3） 系统初始化程序的设计。 4） 主程序的编制及调试。 5） 故障应急措施。 6） 其他辅助程序的设计。 7） 各功能块子程序的编制。 xx 大学本科毕业生毕业设计（论文） 第 15 页 共 40 页 8） 如果有通信网络，还需通信网络有关程序的设计。 2.2.2 可编程控制器控制系统设计的基本原则 任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以 提高生产效率和产品质量。因此，在设计 PLC 控制系统时，应遵循以下基本原则： 1）最大限度的满足被控对象的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资 料，并与工艺、机械部分的设计人员和实际操作人员密切集合，共同拟订电气设计方案，协 同解决设计中出现的各种问题。 2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便。 3）保证控制系统的安全、可靠。 4）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择 PLC 容量时，应适当留有裕量。 2.2.3 可编程控制器的选择 随着 PLC 的推广普及，PLC 产品的在种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。近年 来，从美国、日本、德国等国引进的 PLC 产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个 系列，上百种型号。PLC 的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价 格等各有不同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择 PLC，对于提高 PLC 控制系统的技术 经济指标起着重要作用。 选择恰当的 PLC 去控制一台机器或一个过程时，不仅应考虑应用系统目前的需求，还应 考虑那些包含于工厂未来目标的小需要。这样，才会使你用最小的代价对系统进行改变或增 加新功能。若考虑周到，则存储器的扩充需求只要再安装一个存储器模块即可满足；如果具 有可用的通信接口，就能满足增加一台外部设备的需要。对局域网的考虑可允许在将来将单 个控制器集成为一个厂级通信网络。 1、机型的选择 机型的选择基本原则应是在功能满足要求的前提下，保证可靠、维护使用方便以及最佳 的功能价格比。具体应考虑以下几方面： （1）结构合理 对于工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，选用 整体式结构 PLC。 （2） 功能相当 对于开关量控制的工程项目，对其控制速度无须考虑，一般的低档机 就能满足要求。 对于以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目，可选用带 A/D 转换、D/A 转 换、加减运算、数据传送功能的低档机。 xx 大学本科毕业生毕业设计（论文） 第 16 页 共 40 页 对于控制比较复杂，控制功能要求更高的工程项目，例如要求实现 PID 运算、闭环控制、 通信联网等，可视控制规模及复杂的程度，选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模 过程控制、全 PLC 的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。 根据不同的应用对象，PLC 的功能选择有下面几种情况。 1、替代继电器 功能要求：继电器触点输入/输出、逻辑线圈、定时器、计数器。 应用场合：替代传统使用的继电器，完成条件控制和时序控制功能。 2、数学运算 功能要求：四则数学运算、开方、对数、函数计算、双倍精度的数学运算。 应用场合：设定值控制、流量计算、PID 调节、定位控制和工程量单位换算。3、数据传送 功能要求：寄存器和数据表的相互传送等。 应用场合：数据库的生成、信息管理、BAT-CH（批量）控制、诊断和材料处理等。 3、矩阵功能 功能要求：逻辑与、逻辑或、异或、比较、置位（位修改）、移位和变反等。 应用场合：这些功能是按“位”操作，一般用于设备诊断、状态监控、分类和报警处理 等。 4、高级功能 高级指令：如表与块间的传送、检验和、双倍精度运算、对数和反对数、平方根、PID 调节等。 通信能力：通信速度和方式、与上位计算机的联网功能、调制解调器等。 可选模块：如为实时多任务处理的协处理器。远程输入/输出扩展能力、内存扩充模块、 冗余控制模块等。 5、诊断功能：PLC 的诊断功能有内诊断和外诊断两种。内诊断是 PLC 内部各部件性能和 功能诊断，外诊断是中央处理机与 I/O 模块信息交换诊断。 6、串行接口（RS-232C）：一般中型以上的 PLC 都提供一个或一个以上串行标准接口 （RS-232C），以便连接打印机、CRT、上位计算机或另一台 PLC。 （3） 机型统一 一个大型企业，应尽量做到机型统一。因为同一机型的 PLC，其模块 可互为备用，便于备品备件的采购和管理；其功能及编程方法统一，有利于技术力量的培训、 技术水平的提高和功能的开发；其外部设备通用，资源可共享，配以上位计算机后，可把控 制各独立系统的多台 PLC 连成一个多级分布式控制系统，相互通信，集中管理。、 （4） 是否在线编程 PLC 的特点之一是使用灵活。当被控设备的工艺过程改变时，只 需用编程器重新修改程序，就能满足新的饿控制要求，给生产带来很大方便。 xx 大学本科毕业生毕业设计（论文） 第 17 页 共 40 页 PLC 的编程分为离线编程和再线编程两种。离线编程的 PLC，其特点是主机和编程器共 用一个 CPU，在编程器上有一个“编程/运行”选择开关或按键，选择编程状态时，CPU 将失 去对现场的控制，只为编程器服务，这就是所谓的“离线”编程。程序编好后，如选择运行 状态，CPU 则去执行而对现场进行控制，这时 CPU 对编程指令将不做出响应。此类 PLC，由 于编程器和主机共用一个 CPU，因此节省了大量的硬件和软件编程器的价格也比较便宜。中 小型 PLC 多采用离线编程。 再线编程的 PLC，其特点是主机和编程器各有一个 CPU，编程器的 CPU 可以随时处理由 键盘输入的各种编程指令。主机的 CPU 则是完成对现场的控制，并在一个扫描周期的末尾和 编程器通信，编程器把编好或改好的程序发送给主机，在下一个扫描周期主机将按照新送入 的程序控制现场，这就是所谓的“在线”编程。此类 PLC 由于增加了硬件和软件，所以价格 贵，但应用领域较宽。大型 PLC 都采用在线编程。 是否在线编程，应根据被控设备工艺要求的不同来选择。对于产品定型的设备和工艺不 常变动的设备，应选用离线编程的 PLC；反之，可考虑选用再线编程的 PLC。 1、输入输出的选择 PLC 是一种工艺控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，它的工作环 境是工业生产现场。它与工业生产过程的联系是通过 I/O 接口模块来实现的。 通过 I/O 接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制器对 被控制对象进行控制的信息。同时控制器又通过 I/O 接口模块将控制器的处理结果送给被控 设备或工业生产过程，驱动各种执行机构来实现控制。PLC 从现场搜集的这些信息及输出给 外部设备的控制信号都需经过一定的距离，为了确保这些信息的正确无误，PLC 的 I/O 接口 模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，PLC 相应有许多种 I/O 接口模块，包括开关 量输入模块，开关量输出模块，模拟量输入模块，模拟量输出模块，可以根据它们的特点进 行选择使用。 (a) 确定 I/O 点数 根据控制系统的要求，确定所需要的 I/O 点数，再增加 10-20 备用量，以便随时增加控制功能，对一个控制对象，由于采用不同的控制方法或编程水平不 一样，I/O 点数就有所不同。 开关量输入/输出 标准的输入/输出接口可用于从传感器和开关（如按钮，限位开关等） 及控制（开/关）设备（如指示灯、报警器、电动机启动器等）接受信号。典型的交流输入/ 输出信号为 24-240V，支流输入/输出信号为 5-240V。 a)模拟量输入/输出 模拟量输入输出接口是用来感知传感器产生的信号的。这些接 口测量流量、温度和压力的数值，并用于控制电压或电流输出设备。典型接口量程为-10- +10V、0-+10V、4-20mA 或 10-50mA xx 大学本科毕业生毕业设计（论文） 第 18 页 共 40 页 b)特殊功能输入/输出 在选择一台 PLC 时，用户可能会面临需要一些特殊类型的切 不能用标准 I/O 实现的 I/O 限定（如定位、快速输入、频率等）的情况。用户应当考虑供销 厂商是否提供一些特殊的有助于最大限度减少控制作用的模块。灵便模块和特殊接口的模块， 都应考虑使用。有的模块自身能够处理一部分现场数据，从而使 CPU 从处理耗时任务中解脱 出来。 c)智能式输入/输出 当前，PLC 的生产厂家相继推出了一些智能式的输入/输出模块。 所谓智能式输入/输出模块，就是模块本身带有处理器，对是湖如或输出信号作预先处理， 将其处理结果送入 CPU 或直接输出，这样可提高 PLC 的处理速度和节省存储器的容量。 智能式输入/输出模块有高速计数器（可做加法计数或减法计数）。凸轮模拟器（用于 绝对编码输入）、带速度补偿的凸轮模拟器、单回路或多回路 PID 调节器、ASCII/BASIC 处 理器、RS-232C/422 接口模块等。表 2-8 归纳了选择 I/O 模块的一般规则。 表 2-8 选择 I/O 模块的一般规则 I/O 模块 类型 现场设备或操作（举例）说明 离散输入 模块和 I/O 模 块 选择开关、按钮、光电开关、限位开关、 电路断路器、接近开关、液位开关、电动机起 动器触点、继电器触点、拨盘开关 输入模块接受 ON/OFF 或 OPENED/CLOSED（开或关）信号 离散信号可以是直流的，也可 以是交流的 离散输出 块和 I/O 模块 报警器、控制继电器、风扇、指示灯、扬声器、 阀门、电动机起动器、电磁线圈 输出模块将信号传递到 ON/OFF 或 OPENED/CLOSED（开或关）设 备。离散信号可以是交流或直 流的 模拟量输 入模块 温度变送器、压力变送器、湿度变送器、 流量变送器、电位器 将连续的模拟量信号转换成 PLC 处理器可接受的输入值 模拟量输 出模块 模拟量阀门、执行机构、图表记录器、电 动机驱动器、模拟仪表 将 PLC 的输出转为现场设备使 用的模拟量信号（通常是通过 变送器进行） 特殊 I/O 模块 编码器、流量计、I/O 通信、ASCII、RF 型 设备、称重计、条形码阅读器、标签阅读器、 显示设备 通常用作如位置控制、PID 和外 部设备通信等专门用途 xx 大学本科毕业生毕业设计（论文） 第 19 页 共 40 页 1、电源的选择 电源模块的选择一般只需考虑输出电流。电源模块的额定输出电流必须大于处理器模块、 I/O 模块、专用模块等消耗电流的总和，以下述步骤作为选型的一般规则： 1）确定电源的输入电压 2）将框架中每块 I/O 模块所需的总背板电流相加，计算出 I/O 模块所需的总背板 电流值。 3）I/O 模块所需的总背板电流值再加上： 1、 框架中带有处理器时，则加上处理器的最大电流值。 2、 当框架中带有远程适配器模块或扩展本地 I/O 适配器模块时，加上其最大电流值。 4）如果框架中留有空槽用作将来扩展时： 1、 列出将来要扩展的 I/O 模块所需的背板电流。 2、 将所有的扩展的 I/O 模块的总背板电流值与步骤 3）中计算得出的总背板电流值相 加。 5）确定在框架中是否有用于电源的空槽，或者将电源装到框架的外面。 6）根据确定好的输入电压要求和所需的总背板电流值，从用户手册中选择合适的 电源。 4、存储器类型及容量的选择 PLC 系统所用存储器基本上由 PROM、EPROM 及 PAM 三种类型所组成，存储能力的大小则 随机器的大小而变化，一般小型机的最大存储能力低于 6KB，中型机的最大存储能力 64KB， 大型机的最大存储能力可上兆字节。可以根据程序及数据的的存储需要选用合适的机型，必 要时也可专门进行存储器的扩充设计。 存储器容量的选择一般有良两种方法： a) 根据编程实际使用的节点数计算 这种方法可精确的计算出存储器实际使用的容量， 缺点是要编完程序后才能计算。 b) 估算法 用户可根据控制规模和应用目的，按下面给出的公式进行估算。 控制目的公式 代替继电器 M=Km(10DI)+(5DO) 模拟量控制 M=Km(10DI)+(5DO)+(100AI) 多路采样控制 M=Km(10DI)+(5DO)+(100AI)+1+采样点0.25 式中，DI 为数字（开关）量输入信号；DO 为数字（开关）量输出信号；AI 为模拟量输 入信号；Km为每个接点所占存储器字节数，M 为存储器容量。 5软件选择 xx 大学本科毕业生毕业设计（论文） 第 20 页 共 40 页 在系统的实现过程中，用户常面临 PLC 的编程问题，因为这是非常重要的。用户应当对 所选择的产品的软件功能有所了解。一般，一个系统的软件总是用于处理控制器具备的控制 硬件的。但是，也有应用系统需要控制硬件部件以外的软件功能。例如，一个应用系统可能 包括需要复杂数学计算和数据处理操作的特殊控制或数据采集功能。指令集的选择将决定实 现软件任务的难易程度。可用的指令集将直接影响实现控制程序所需的时间和程序时间。 6支撑技术条件的考虑 选用 PLC 时，有无支撑技术条件同样是重要的选择依据。支撑技术条件包括下列内容： c) 编程手段 1) 携带式简易编程器，主要用于小型 PLC，其控制规模小，程序简单，简易编程器已 够用。 2) CRT 编程器，适用于中、大型 PLC，除用于编制和输入程序外，还可编写和打印程 序文本。 3) IBM-PC 及其兼容机编程软件包，由于 IBM-PC 已得到普及推广，它是 PLC 很好的编 程工具，因此 PLC 厂商纷纷开发适用于自己的机型的 IBM-PC 及其兼容机编程软件包，并获 得成功。 IBM-PC 及其兼容机除用来给 PLC 编程外，还可开发各种监视控制系统流程和工控状态 的画面，具有报警和管理报表处理功能等，以完成上位计算机管理功能。 c)程序文本处理 1) 简单程序文本处理，包括打印梯形逻辑图、参量状态和位置。 2) 程序标注，包括触点和线圈的赋值名、网络注释等，这对用户或软件工程师阅读和 调试程序是非常有用的。 3) 图形和文本的处理。 4) 程序存储方式 作为技术资料档案和备用，程序和存储是必要的。 5) 通信软件包 对于网络控制结构或需用上位计算机管理的控制系统，有无通信软件包 是选用 PLC 的主要依据。 7PLC 的环境适应性 由于 PLC 是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂都把它设计成能在恶劣的环境条件 下可靠的工作。尽管如此，每种 PLC 都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设 计控制系统时，对环境条件要给予充分的考虑。 一般 PLC 及其外部电路（I/O 模块、辅助电源等）都能在下列环境下可靠的工作： 温度 工作温度 0-55C，最高为 60C 存储温度 -40- +85C xx 大学本科毕业生毕业设计（论文） 第 21 页 共 40 页 湿度 相对湿度 5-95（无凝结霜） 振动和冲击 满足国际电工委员会标准 电源 AC200V，