!!湖南工程学院 抓斗起重机PLC毕业设计论文

毕 业 论 文抓斗起重机PLC毕业设计论文所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日诚信声明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名：日期： 年 月 日 毕业设计（论文）任务书题目：抓斗起重机PLC控制系统设计姓名 学院专业班级 学号 指导老师 职称 教研室主任一、 基本任务及要求：抓斗起重机是一种用来起重、放下和搬运重物、散料，并使重物、散料在短距离内水平移动的起重、搬运设备，常用来装卸煤、水泥、灰、矿砂等物，是工矿企业、货运港口、装卸码头生产过程中不可缺少的一种起重、搬运设备。随着起重机械的不断发展，传统的控制技术已不能满足某些行业对起重设备效率高、节能环保、故障率低等性能的要求。针对传统电气控制方式存在的不足，采用可编程控制技术、变频器和位置传感器技术，以程序控制取代继电器，使用变频器，减少接触器数量，用位置传感器检测起升、开闭钢丝绳的位置，实现自动开闭斗功能。将提高抓斗起重机的工作效率、减小抓斗起重机的故障率，实现半自动化操作，减少人为的操作事故，运行可靠、节能等，具有显著的实用意义。主要完成： 1. 确定系统总体设计方案。 2. 设计硬件系统的电路原理图，包括检测模块、控制系统主电路及控制电路设计。以 PLC和变频器为控制器，实现对抓斗起重机的控制。 3. 设计控制系统的PLC I/O接线图、PLC程序的总体结构图、顺序功能图和梯形图（包括公用程序、手动程序、自动程序、信号显示和故障报警程序等程序的梯形图）；选择电器元件和设计控制算法；编写指令程序清单；调试通过系统程序。 4. 根据要求和设计过程，编写设计说明书和打印图纸。 二、 进度安排及完成时间：12011年12月26日，布置设计课题，交代具体任务。22012年2月27日3月19日，领任务书，查阅资料，撰写开题报告和文献综述。35月29日6月2日，按格式和要求修改毕业论文，提交毕业设计论文打印导师评阅。46月3日6月4日，按导师修改意见，修改论文，打印装订成册，答辩资料准备。56月5日左右，毕业答辩。66月5日6月10日，毕业资料收集汇总，存档。摘 要本课题主要对抓斗起重机工作原理作了介绍，着重介绍了抓斗起重机电气设计，进而探讨了利用PLC控制技术实现抓斗起重机控制。然后分别对可编程控制器(PLC)、变频器、绝对值编码器的组成、功能及原理作了介绍，并对PLC、变频器、编码器的选型作了理论上的分析，具体实现方案，包括大车、小车、起升开闭机构PLC、变频器、绝对值编码器的电气连接、工作原理。文中特别详细阐述了抓斗实现自动开闭斗的原理，最后进行了系统软件的编程。关键词：抓斗起重机、可编程控制器、变频器、故障显示AbstractThe main topic of grab crane working principle was introduced, emphatically introduced the grab crane electrical design, and then explored the use of the PLC control technology to realize grab crane control. Then each of the programmable logic controller ( PLC ), frequency converter, the absolute value encoder composition, function and principle are introduced, and the PLC, inverter, encoder selection made theoretic analysis, concrete realization plan, including cart, cart, or opening and closing mechanism PLC, inverter, absolute value encoder electrical connection, work principle. In this paper, especially expounds the opening and closing automatically grab buckets of principle, finally the system software programming.Key Words: grab crane, programmable controller, frequency converter, fault display湖南工程学院毕业设计（论文）目 录摘 要IVAbstractV目 录VI第1章 绪论11.1 抓斗起重机的概念11.2 起重机的结构21.3 起重机结构的分类31.4 起重机常用电气元件41.5 课题基本任务及要求9第2章 可编程控制PLC102.1 PLC 简介102.2 PLC的基本组成及各部分作用112.2.1中央处理单元(CPU)122.2.2存储器122.2.3 I/0单元132.2.4电源部分132.2.5扩展接口132.2.6通信接口132.2.7编程器132.3 PLC的应用领域142.4 PLC的工作原理152.5 PLC机型的选择方法172.5.1 PLC的类型172.6 抓斗起重机PLC选择及参数18第3章 起重机的电气设备及选用203.1 概述203.2 电动机263.3 控制电器及选用293.4 变频器的选择33第4章 抓斗起重机的变频调速354.1 采用变频调速的基本考虑354.2 起重机采用变频调速的优点36第5章 抓斗起重机控制系统设计435.1 起重机的保护电气系统435.2 起升机构控制原理分析445.3 运行机构控制原理445.4 输入、输出点的确定455.4.1 保护箱455.4.2 起升机构465.4.3 行走机构465.4.4 PLC的选型设计475.4.5元件选择495.4.6 PLC的接线图设计515.5 抓斗起重机控制程序的设计535.5.1 保护电路控制程序的设计535.5.2 起升机构控制程序的设计555.5.3 行走机构控制程序的设计57第6章 电器保护装置及选用596.1 保护箱596.2 电气设备保护电器596.3 行程限位开关和安全开关60总结与展望62参考文献63致 谢64第1章 绪论1.1 抓斗起重机的概念Grab crane / grabbing crane 抓斗起重机。抓斗起重机根据起重机的分类分为桥式抓斗起重机，门式抓斗起重机，又可以分为单梁抓斗起重机和双梁抓斗起重机. 这种起重机将煤、矿石和磷酸盐之类的散货从货舱里卸到漏斗里，然后经传送带卸至堆货场或装车货台。 起重设备抓斗抓斗起重机为散料和颗粒状物料专用。 抓斗抓斗起重机常规配置：采用司机室控制，司机室分开式和闭式两种。各机构采用绕线式起重电机，电阻调速。 起重设备抓斗抓斗起重机工作级别：A6、A7，工作环境20+40本机型不推荐用于有防爆、绝缘要求的工作环境。 起重设备抓斗抓斗起重机可供用户选择的其他配置： 1、抓斗开闭方向有平行和垂直主梁两种； 2、起重量包括抓斗自重；3、小车带防雨罩时，顶面极限尺寸为H+h；图1-2 双梁抓斗起重机4、室外用起重机总量和最大轮压应相应增人5% 5、大车导电有角钢和安全滑触线两种形式供选择； 6、本吊机有标准小车和带称重小车两种供选择； 7、根据需要可配甘蔗抓斗，垃圾抓斗，木材抓斗等其它型式的抓具。 8、抓斗分为：单绳抓斗、双绳抓斗、电动抓斗、靶集抓斗1.2 起重机的结构起重机(Crane)属于起重机械的一种，是一种作循环、间歇运动的机械。一个工作循环包括：取物装置从取物地把物品提起，然后水平移动到指定地点降下物品，接着进行，使取物装置返回原位，以便进行下一次循环。通常起重机械由起升机构(使物品上下运动)、运行机构(使起重机械移动)、变幅机构和回转机构(使物品作水平移动)，再加上金属机构，动力装置，操纵控制及必要的辅助装置组合而成。在建桥工程中所用的起重机械，根据其构造和性能的不同，一般可分为轻小型起重设备、桥式类型起重机械和臂架类型起重机三大类。轻小型起重设备如：千斤顶、葫芦、卷扬机等。桥架类型起重机械如梁式起重机、龙门起重机等。臂架类型起重机如固定式回转起重机、塔式起重机、汽车起重机、上海起重机、轮胎、履带起重机等。在一定范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械。又称吊车。属于物料搬运机械。起重机的工作特点是做间歇性运动，即在一个工作循环中取料、运移、卸载等动作的相应机构是交替工作的。中国古代灌溉农田用的桔是臂架型起重机的雏形。14世纪，西欧出现了人力和畜力驱动的转动臂架型起重机。19世纪前期，出现了抓斗起重机；起重 机的重要磨损件如轴、齿轮和吊具等开 始采用金属材料制造，并开始采用水力驱动。19世纪后期，蒸汽驱动的起重机逐渐取代了水力驱动的起重机。20世纪20年代开始，由于电气工业和内燃机工业 迅速发展，以电动机或内燃机为动力装置的各种起重机基本形成。起重机主要包括起升机构、运行机构、变幅机构、回转机构和金属结构等。起升机构是起重机的基本 工作机构，大多是由吊挂系统和绞车组成，也有通过液压系统升降重物的。运行机构用以纵向水平运移重物或调整起重机的工作位置，一般是由电动机、减速器、制 动器和车轮组成。变幅机构只配备在臂架型起重机上，臂架仰起时幅度减小，俯下时幅度增大，分平衡变幅和非平衡变幅两种。回转机构用以使臂架回转，是由驱动 装置和回转支承装置组成。金属结构是起重机的骨架，主要承载件如桥架、臂架和门架可为箱形结构或桁架结构，也可为腹板结构，有的可用型钢作为支承梁。抓斗用于抓取散装物料的取物装置，抓取与卸料动作皆有起重机司机操纵，装卸生产效率比较高。图1-3 常见抓斗形式1.3 起重机结构的分类1. 梁式型起重机可在长方形场地及其上空作业，多用于车间、仓库、露天堆场等处的物品装卸，有梁式起重机、抓斗起重机、龙门起重机、缆索起重机、运载桥等。梁式起重机又分为单梁抓斗起重机和双梁抓斗起重机单梁抓斗起重机桥架的主梁多采用工字型钢或钢型与钢板的组合截面。起重小车常为手拉葫芦、电动葫芦或用葫芦作为起升机构部件装配而成。按桥架支承式和悬挂式两种。前者桥架沿车梁上的起重机轨道运行；后者的桥架沿悬挂在厂房屋架下 的起重机轨道运行。单梁抓斗起重机分手动、电动两种。手动单梁抓斗起重机各机构的工作速度较低，起重量也较小，但自身质量小，便于组织生产，成本低，时候 用于无电源后搬运量不大，对速度与生产率要求不高的场合。手动单梁抓斗起重机采用手动单轨小车作为运行小车，用手拉葫芦作为起升机构，桥架由主梁和端梁组 成。主梁一般采用单根工字钢，端梁则用型钢或压弯成型的钢板焊成。电动单梁抓斗起重机工作速度、生产率较手动的高，起重量也较大。电动单梁抓斗起重机由桥架、大车运行机构、电动葫芦及电气设备等部分组成。2. 抓斗起重机抓斗起重机是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重机，又称天车。抓斗起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上 的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围，就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。抓斗起重机广泛地应用在室内外仓库、厂房、码头和露 天贮料场等处。抓斗起重机可分为普通抓斗起重机、简易梁抓斗起重机和冶金专用抓斗起重机三种。普通抓斗起重机一般由起重小车、桥架运行机构、桥架金属结构组成。起重小车又由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成。起升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组。电动机通过减速器，带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物。小车架是支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架，通常为焊接结构。3. 悬臂起重机（旋臂起重机）悬臂起重机有立柱式、壁挂式、平衡起重机三种形式.柱式悬臂起重机是悬臂可绕固定于基座上的定柱回转，或者是悬臂与转柱刚接，在基座支承内一起相对于垂直中心线转动的由立柱和悬臂组成的悬臂起重机。它适用于起重量不大，作业服务范围为圆形或扇形的场合。一般用于机床等的工件装卡和搬运。柱式悬臂起重机多采用环链电动葫芦作为起升机构和运行机构，较少采用钢丝绳电动葫芦和手拉葫芦。旋转和水平移动作业多采用手动，只有在起重量较大时才采用电动。壁上起重机是固定在墙壁上的悬臂起重机，或者可沿墙上或其他支承结构上的高架轨道运行的悬臂起重机。壁行起重机的使用场合为跨度较大、建筑高度较大的车间或仓库，靠近墙壁附近处吊运作业较频繁时最适合。壁行起重机多与上方的梁式或抓斗起重机配合使用，在靠近墙壁处服务于一长方体空间，负责吊运轻小物件，大件由梁式或抓斗起重机承担。平衡起重机俗称平衡吊，它是运用四连杆机构原理使载荷与平衡配重构成一平衡系统，可以采用多 种吊具灵活而轻松地在三维空间吊运载荷。平衡起重机轻巧灵活，是一种理想的吊运小件物品的起重设备，被广泛用于工厂车间的机床上下料，工序间、自动线、生产线的工件、砂箱吊运、零部件装配，以及车站、码头、仓库等各种场合。1.4 起重机常用电气元件变频电机变频电机与国内外各种变频装置相配套，构成交流变频调速系统，具有较大的过载能力和较高的机械强度，特别适合那些短时断续运转、频繁起动和制动及正反转，过负荷及显著震动与冲击的起重机械与冶金辅助机械设备的变频调速传动系统中。配合高精度传感器，可实现高精度闭环运行。根据用户的需要，电机可带各种高分辨率的传感器（光电编码器、测速发电机、超速开关）、电磁制动器、齿轮减速机等附件等。电动机的调速与控制，是工农业各类机械及办公、民生电器设备的基础技术之一。随着电力电子技术、微电子技术的惊人发展，采用“专用变频感应电动机+变频器”的交流调速方式，正在以其卓越的性能和经济性，在调速领域，引导了一场取代传统调速方式的更新换代的变革。它给各行各业带来的福音在于：使机械自动化程度和生产效率大为提高、节约能源、提高产品合格率及产品质量、电源系统容量相应提高、设备小型化、增加舒适性，目前正以很快的速度取代传统的机械调速和直流调速方案。 由于变频电源的特殊性，以及系统对高速或低速运转、转速动态响应等需求，对作为动力主体的电动机，提出了苛刻的要求，给电动机带来了在电磁、结构、绝缘各方面新的课题。具有如下特点：B级温升设计，F级绝缘制造。采用高分子绝缘材料及真空压力浸漆制造工艺以及采用特殊的绝缘结构，使电气绕组采用绝缘耐压及机械强度有很大提高，足以胜任马达之高速运转及抵抗变频器高频电流冲击以及电压对绝缘之破坏。平衡质量高，震动等级为R级（降振级）机械零部件加工精度高，并采用专用高精度进口轴承，可以高速运转。强制通风散热系统，全部采用进口轴流风机超静音、高寿命，强劲风力。保障马达在任何转速下，得到有效散热，可实现高速或低速长期运行。采取闭环矢量控制，闭环意即有速度反馈，使用编码器将电机速度反馈给变频器，变频器能根据实际反馈的速度进行调整，闭环有输出检测反馈再比较这个环节。闭环速度控制由于使用了编码器，速度、转子位置可以通过编码器直接测量，所以速度精度和响应远远超过开环，但增加了编码器带来了故障点和成本增加。一般应用在对速度有严格要求的场合。比如两台电机的严格同步就是用编码器的闭环控制实现的。变频器是控制变频电机的电器设备，变频电机是将电能转换成机械能的设备，只有两者连接到一起才能实现电机的调速。变频电机与普通电机工作原理基本一样，不同的是其铁心和绕组应针对变频专门设计，另一个不同在于变频电机一般采用强迫通风冷却，即主电机散热风扇采用独立的电机驱动不像普通电机一样与电机同轴。一般电机利用装在轴上的外扇或转子端环上的叶片进行冷却，若速度降低则冷却效果下降，因而不能承受与高速运转相同的发热，必须降低在低速下的负载转矩，或采用容量大的变频器与电机组合，或采用专用电机。（电机的超温保护：电机里装温度感应元件）。050HZ（恒转矩）升频升转速，升输出功率，升电压，输出转矩保持不变。国产电机20HZ以上保持扭矩稳定，20HZ一下多用于调速。如果仅改变频率，电机将被烧坏。特别是当频率降低时。为了防止电机被烧毁，变频器在改变频率的同时必须同时改变电压。50HZ100HZ（恒功率）升频升转速，降输出转矩，电压不变，输出功率不变国产高频电机不超过50HZ，最高转速的时候考虑电机最小扭矩的校核，还要考虑减速机的许用输入转速及制动机，联轴器的惯性。变频电机的缺点 电动机的效率和温升的问题 ，不论那种形式的变频器，在运行中均产生不同程度的谐波电压和电流，使电动机在非正弦电压、电流下运行。电机发热加大。电动机绝缘强度问题，变频电机的绝缘等级一般为F级或更高特别要加强对地绝缘和线匝绝缘强度，同时考虑绝缘耐冲击电压的能力。这是因为目前中小型变频器，多采用PWM的控制方式。他的载波频率约为几千到十几千赫，这就使得电动机定子绕组要承受很高的电压上升率，相当于对电动机施加陡度很大的冲击电压，使电动机的匝间绝缘承受较为严酷的考验。另外，由PWM变频器产生的矩形斩波冲击电压叠加在电动机运行电压上，会对电动机对地绝缘构成威胁，对地绝缘在高压的反复冲击下会加速老化。 谐波电磁噪声与震动 ，由于变频电机工作频率范围宽，转速变化范围大，各种电磁力波的频率很难避开电动机的各构件的固有震动频率。当电磁力波的频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象，从而加大噪声。各次时间谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。 电动机对频繁启动、制动的适应能力，由于采用变频器供电后，电动机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式启动，并可利用变频器所供的各种制动方式进行快速制动，为实现频繁启动和制动创造了条件，因而电动机的机械系统和电磁系统处于循环交变力的作用下，给机械结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化问题。 低转速时的冷却问题：首先，异步电动机的阻抗不尽理想，当电源频率较底时，电源中高次谐波所引起的损耗较大。其次，普通异步电动机再转速降低时，冷却风量与转速的三次方成比例减小，致使电动机的低速冷却状况变坏，温升急剧增加，难以实现恒转矩输出。 变频电机设计时要采取防止轴电流措施，对容量超过160KW电动机应采用轴承绝缘措施。主要是易产生磁路不对称，也会产生轴电流，当其他高频分量所产生的电流结合一起作用时，轴电流将大为增加，从而导致轴承损坏，所以一般要采取绝缘措施。对恒功率变频电动机，当转速超过3000/min时，应采用耐高温的特殊润滑脂，以补偿轴承的温度升高。绕线电机此时变频器需选择无速度传感器矢量控制（简称开环矢量），开环是没输出检测这个环节.采用开环速度，则电机的转子速度是通过电压、电流及电机模型计算出来的，所以其速度精度、速度响应，转矩响应肯定比闭环要差,慢，所以开环速度控制只用在对低频速度和转矩响应不高的场合。绕线电机也可变频控制，只是当速度很低的时候输出力矩不够。简单说类似我们人跑步，开环是我们想跑快就跑多块，闭环是跑多块还有监督的检查你跑多快，再告诉你要快是慢。多速电机改变电机的极对数也是一种比较常用的调速方法。能变极调速的电机有双速和三速两大种。起重机的制动常规控制通过制动器的制动来消耗起重机的能量（静力矩+移动质量惯性力矩+回转质量惯性力矩）实现工作机构的减速停车。经常出现制动器的频繁磨损，制动能力下降，特别是起升变幅等具有位能性负载的工作机构，制动器的损坏更加突出。变频电机可在电机频率为0HZ（电压，功率为0）时候保持额定力矩的输出，从而实现零速制动。起重机减速时的动能是通过变频器的电制动消耗在制动电阻上，机械制动器只需要克服静力矩，已没有制动过程，其功能转变为停车转态下的安全制动保护制动。制动器工作环境大大改善，寿命延长，安全性提高。采取变频电机后抓斗门机起升闭合电机各取总功率的0.55，常规电机取0.66，二者2不同变频器实际中把电压和频率固定不变的交流电(工频)变换为电压或频率可变的交流电的装置，这就是“变频器”。变频器可以省电这是不可磨灭的事实，在某些情况下可以节电40%以上，但不调速的场合变频器不会省电，只能改善功率因数。如果两个一模一样的电机都工作在50HZ的工频状态下，一个使用变频器，一个没有，同时转速和扭矩都在电机的额定状态下，变频器只能改善功率因数，并不能节省电力。如果这两个电机的扭矩没有达到电机的额定扭矩状态下工作（频率50HZ），如果使用了自动节能运行，这个时刻变频器能降压运行，可以节省部分电能，但是节电不明显。300KW以下价格ABB西门子安川，300KW差不多有变频器，PLC的地方需要专门设立一个房间，加空调，工作温度不能超过40度。超速开关检测起升电机转速，电机失速时起作用。多用于YZR,起保护作用。防止电机失速（断轴），电机额定转速1.11.3倍设定，有许多超速开关不装在电机上，装在卷筒上。变频电机的失速防止功能：如果给定的加速时间过短，变频器的输出频率变化远远超过转速（电角频率）的变化，变频器将因流过过电流而跳闸，运转停止，这就叫作失速。为了防止失速使电机继续运转，就要检出电流的大小进行频率控制。当加速电流过大时适当放慢加速速率。减速时也是如此。两者结合起来就是失速功能。 起重机的主要安全防护装置起升限位开关：重锤式限位、旋转限位，防止起升行程过极限。起重量限制器或者电子秤，防止起吊重物过载。行程限位开关：单限位、双限位（带有预减速限位），防止大、小车运行超过行程。4.防撞装置：激光检测防撞，通过激光反射检测距离、缓冲器，吸收碰撞动能。电气连锁开关：门开关、登机请求开关。超速开关：检测起升电机转速，电机失速时起作用。特殊起升机构有速度反馈、安全制动器（如行星减速器的铸造起重机）。安全制动器直接抱死卷筒。钢结构防护设计：栏杆、防护罩等。必要处设置检修平台。钢丝绳防脱槽装置。特殊用途起重机设置防热辐射板、防火焰板、绝缘防酸等保护装置。11.司机室讯响警告设备。编码器增量型编码器用来测速（靠数数目），多用于有位能性负载的场合。（一般起升，变幅有）。绝对值编码器用来反馈位置，用来记录绝对位置。1.5 课题基本任务及要求抓斗起重机是一种用来起重、放下和搬运重物、散料，并使重物、散料在短距离内水平移动的起重、搬运设备，常用来装卸煤、水泥、灰、矿砂等物，是工矿企业、货运港口、装卸码头生产过程中不可缺少的一种起重、搬运设备。随着起重机械的不断发展，传统的控制技术已不能满足某些行业对起重设备效率高、节能环保、故障率低等性能的要求。针对传统电气控制方式存在的不足，采用可编程控制技术、变频器和位置传感器技术，以程序控制取代继电器，使用变频器，减少接触器数量，用位置传感器检测起升、开闭钢丝绳的位置，实现自动开闭斗功能。将提高抓斗起重机的工作效率、减小抓斗起重机的故障率，实现半自动化操作，减少人为的操作事故，运行可靠、节能等，具有显著的实用意义。主要完成： 1. 确定系统总体设计方案。 2. 设计硬件系统的电路原理图，包括检测模块、控制系统主电路及控制电路设计。以 PLC和变频器为控制器，实现对抓斗起重机的控制。 3. 设计控制系统的PLC I/O接线图、PLC程序的总体结构图、顺序功能图和梯形图（包括公用程序、手动程序、自动程序、信号显示和故障报警程序等程序的梯形图）；选择电器元件和设计控制算法；编写指令程序清单；调试通过系统程序。 4. 根据要求和设计过程，编写设计说明书和打印图纸。 69湖南工程学院毕业设计（论文）第2章 可编程控制PLC2.1 PLC 简介PLC（Programmable Logic Controller），是可编程逻辑控制器。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的 工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC,plc自1969年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程 序控制器质量优良，功能强大。世界上公认的第一台PLC时1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数等功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。因而人们称可编程控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得了广泛的应用。例如，在世界第一台可编程控制器的诞生地美国，1982年的统计数字显示，大量应用可编程控制器的工业厂家占美国重点工业行业厂家总数的82%，可编程控制器的应用数量已位于众多的工业自控设备之首。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。许多可编程控制器的生产厂家已闻名于全世界。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机及超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元，通讯单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都的到了长足的发展。.2.2 PLC的基本组成及各部分作用PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的1/0扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，1/0单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能1/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m.无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。2.2.1中央处理单元(CPU)CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务:(1) 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；(2) 诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误;(3) 用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来;(4) PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解 释和执行，完成用户程序中规定的各种操作;(5) 将用户程序的执行结果送至输出端。2.2.2存储器根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种:系统程序存储器:和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM.用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池(铿电池)保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM.目前较先进的PLC(如欧姆龙公司的CPMIA型PLC)采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。元件映象寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A/0转换得到的数字和数学运算的结果等。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可保持数据的存储器区域称为数据保持区。2.2.3 I/0单元I/0单元也称为I/0模块。PLC通过I/0单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件.2.2.4电源部分PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V, +12V, +24V的直流电源，使PLC能正常工作。电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的CPU，通常电源封装到机壳内部;对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。2.2.5扩展接口扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。2.2.6通信接口为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印;当与监视器相连时.可将过程图像显示出来;当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的控制;当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合性控制。2.2.7编程器编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRL图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。还可以利用PC作为编程器，PLC生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的互相转换。程序被下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。现在很多PLC已不再提供编程器，而是提供微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆。2.3 PLC的应用领域PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类:(1)开关量逻辑控制取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于控制单台设备，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。(2)工业过程控制在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量(即模拟量)，PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。(3)运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。(4)数据处理PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。(5)通信及联网PLC通信包括PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。但是，可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。2.4 PLC的工作原理可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP） 状态。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制 功能。为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户 程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或 切换到 STOP 工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可如上图编程序控制器还要完 成，内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为 5 个阶段。可编程序控制器的 这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极 高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查 CPU 模块内部的硬件是否正常， 将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应 编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。当可编程序控制器处于停止（STOP） 状态时，只执行以上的操作。可编程序控制起处于（RUN）状态时，还要完成另 外 3 个阶段的操作。在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信 号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。可编程序控制器梯 形图中别的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。在输 入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态 读入输入寄存器。外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，梯形图 中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入触点电路断开， 对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断 开，常闭触点接通。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输 入映像寄存器的状态 也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫 描周期的输入处理阶段被读入。可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺 序排列。在没有跳转指令时，CPU 从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的 0/1 状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算结写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。在输出处理阶段，CPU 将输出映像寄存器的 0/1 状态传送到输出锁存器。体 型图某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态。 信号经输出模块隔离 和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的 线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为“0”状态，在输 出处理阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点 断开，外部负载断电，停止工作。某一编程元件对应的映像寄存器为“1”状态 时，称该编程元件为 ON，映像寄存器为“0”状态时，称该编程元件为 OFF。（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的数据和状态它们存入 I/O 映象区的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序行和输出刷新 阶段。在这两个阶段中，即使输入数据和状态发生变化 I/O 映象区的相应单元的 数据和状态也不会改变。所以输入如果是脉冲信号，它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 的 CPU 总是由上而下，从左到右的顺序依次的扫描梯形图。并对控制线路进行逻辑运算，并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系 统 RAM 存储区中对应位的状态。或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能 指令。例如：算术运算、数据处理、数据传达等。（3）输出刷新阶段在输出刷新阶段，CPU 按照 I/O 映象区内对应的数据和状态刷新所有的数据 锁存电路，再经输出电路驱动响应的外设。这时才是 PLC 真正的输出。(4)输入/输出滞后时间 输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指可编程序控制器的外部输入信号,发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间 三部分组成。输入模块的 CPU 滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输 入触点动作是产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波 时间的长短，其典型值为 10ms 左右。输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般 在 10ms 左右；双向可空硅型输出电路在负载接通时的滞后时间约为 1ms，负载 由导通到断开时的最大滞后时间为 10ms；晶体管型输出电路的滞后时间约为1ms。由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达到两个多扫描周期。可编程序控 制器总的响应延迟时间一般只有几十 ms，对于一般的系统是无关紧要的。要求 输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的可编程序 控制器或采取其他措施。2.5 PLC机型的选择方法2.5.1 PLC的类型PLC 按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两 类；按 CPU 字长分为 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。从应用角度出 发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型 PLC 的 I/O 点数固定，因此 用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型 PLC 提供多种 I/O 卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的 I/O 点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。 2输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信 号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应 考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、 寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率 因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出 和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输 出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程 I/O 机架等。3.电源的选择PLC 的供电电源，除了引进设备时同时引进 PLC 应根据产品说明书要求设计 和选用外，一般 PLC 的供电电源应设计选用 220VAC 电源，与国内电网电压一致。 重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果 PLC 本身带有可使用 电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防 止外部高压电源因误操作而引入 PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时 也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。4.存储器的选择由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目 的正常投运，一般要求