毕业设计（论文）电热锅炉供热系统的PLC控制程序设计.doc

1 电热锅炉供热系统的电热锅炉供热系统的 plc 控制程序设计控制程序设计 概述：现在生产线控制的主流品种是以继电器、接触器为主的控制装置。 继电器、接触器是一些电磁开关。由励磁线圈、铁心磁路、触点等部件组 成。通过继电器接触器等其它控制元件的线路连接，可以实现一定的控制 逻辑，从而实现设备的各种操作控制。人们将由导线连接决定器件间的逻 辑关系的控制方式称为接线逻辑。随着工业自动化的程度的不断提高，使 用继电器电路构成工业控制系统的缺陷不断暴露出来。首先是复杂的系统 使用成百上千个各种各样的继电器，成千上万根导线连接的密如蛛网。只 要有一个电器，一根导线出现故障，系统就不能工作，这就大大降低了这 种接线逻辑的可靠性。其次是这样的系统维修机改造很不容易，特别是技 术改造，当试图改造工作设备的工作过程以改善设备各功能时，人们宁愿 重新生产一套控制设备都不愿将继电器控制柜中的线路重接。 而 plc 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造， 内部电路采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。同时 plc 用存 储逻辑代替接线逻辑，大大减小了控制设备的外部接线，是控制系统设计 及建造的周期大大缩短了。同时维护也变得容易起来。更重要的是同一设 备经过改变程序改变生产过程成为可能。 本文以 plc 技术在锅炉多功能供热系统为例，来阐明 plc 在工业控制中 发挥的巨大作用 关键词：锅炉多功能供热；plc； 2 目目 录录 1 绪论 .4 1.1 plc 的基本概念4 1.2 plc 的发展阶段4 1.3 plc 的特点6 1.4 plc 的应用领域11 1.5 plc 的未来展望13 2 plc 的基本结构 13 2.1 中央处理单元(cpu).13 2.2 存储器14 2.3 i/o 模块14 2.4 电源15 2.5 底板或机架16 2.6 plc 系统的其它设备16 3 plc 的基本工作原理 17 3.1 扫描技术.17 3.2 plc 与继电器控制系统、微机区别18 3.3 基本指令系统特点18 3.4 编程语言的形式19 3.5 plc 控制系统的设计基本原则20 3.6 plc 程序的内容和质量评价指标21 3.7 plc 程序的调试方法及步骤22 3.8 plc 的选型方法23 3.9 经济性的考虑27 4 基于 plc 的电热锅炉供热控制系统设计.28 4.1 电热锅炉供热控制系统的设计要求.28 4.2 电热锅炉供热控制系统设计方 案.30 4.3 电热锅炉供热控制系统设计的程序部分的介绍. 33 4.4 梯形图.36 4.41 主程序.36 4.42 循环泵自动子程序.39 4.43 手启循环泵子程序.41 4.44 循环泵定时子程序.42 4.45 锅炉自动子程序.45 4.46 锅炉手动子程序.47 4.47 锅炉定时子程序.48 4.48 补水泵自动子程序.51 3 4.49 报警子程序.53 4.50 切换信号子程序.57 4.51pid 回路表初始化子程序 58 4.52 中断事件连接子程序 .60 4.53pid 中断程序.61 致 谢.63 参 考 文 献 .64 4 1 1 绪论绪论 1.11.1 plcplc 的基本概念的基本概念 plc 即可编程控制器（ programmable logic controller） ，是指以计 算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987 年国际电工委员会 （international electrical committee）颁布的 plc 标准草案中对 plc 做了如下定义： plc 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子 装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、 顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模 拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。plc 及其有关 的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功 能的原则而设计。” 可编程控制器 作为一种数字运算操作的电子系统， 它专为工业控 制应用而设计制造。早期的可编程控制器称作 可编程逻辑控制器 （programmable logic controller） ，简称 plc。随着技术的发展，这种 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，所以将可编程控制器简称plc。 1.21.2 plcplc 的发展阶段的发展阶段 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，美国数字设备公司（ dec）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,是世界上公认的第一台 plc。 限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的plc 主要由分 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 数功能。 随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展 5 和数据通讯技术的不断进步， plc 也迅速发展，其发展过程大致可分 三个阶段： 1.2.1 早期的 plc（60 年代末70 年代中期） 早期的 plc 一般称为可编程逻辑控制器。 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，完成了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。此时的plc 为微机技术和继 电器常规控制概念相结合的产物。 这时的 plc 多少有点继电器控制装 置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、 定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在i/o 接口电路上作了 改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中 小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以 提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟 悉的继电器控制线路的方式 梯形图。因此，早期的 plc 的性能要优 于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低， 有故障指使，能重复使用等。其中plc 特有的编程语言 梯形图一直 沿用至今。 1.2.2 中期的 plc（70 年代中期80 年代中后期） 20 世纪 70 年代中末期， 微处理器的出现使 plc 发生了巨大的变 化，可编程控制器进入实用化发展阶段 。计算机技术已全面引入可编 程控制器中， 美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为 plc 的中央处理单元（ cpu） ，使其功能发生了飞跃。 这样，使 plc 得功能大大增强。 在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模 块、远程 i/o 模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各 种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使plc 得应用范围得以扩大。 在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外， 还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。 更高的运算速度、超小型体积、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广泛应 用。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 6 品系列化。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。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 1.2.3 近期的 plc（80 年代中后期至今） 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 3040%。由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处 理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的plc 所采用的微处理器 的当次普遍提高。而且，为了进一步提高plc 的处理速度，各制造厂 商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得plc 软、硬件功能 发生了巨大变化。 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。 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的需 要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；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、通信单元，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得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开 始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企 业的生产设备及产品中不断扩大了plc 的应用。目前，我国自己已可 以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的cf 系列、 杭州机床电器厂生产的 dkk 及 d 系列、大连组合机床研究所生产的 s 系列、苏州电子计算机厂生产的 yz 系列等多种产品已具备了一定的 规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司 等中外合资企业也是我国比较著名的plc 生产厂家。可以预期，随着 我国现代化进程的深入， plc 在我国将有更广阔的应用天地。 1.31.3 plcplc 的特点的特点 1.3.1 可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。 plc 由于采用现代大规模 集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干 扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的f 系列 plc 平均 无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 cpu 的 plc 的平均无故障 工作时间则更长。从 plc 的机外电路来说，使用 plc 构成控制系统， 7 和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百 甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外， plc 带有硬件故障自我 检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还 可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除plc 以外的电路及 设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不 奇怪了。 1.3.2 配套齐全，功能完善，适用性强 plc 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。 可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 plc 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域，功能 非常丰富。近年来 plc 的功能单元大量涌现，使 plc 渗透到了位置 控制、温度控制、 cnc 等各种工业控制中。加上 plc 通信能力的增 强及人机界面技术的发展，使用 plc 组成各种控制系统变得非常容易。 这主要与它具有丰富的处理信息的指令系统及存储信息的内部器件有关。 它的指令多达几十条、几百条，可进行各式各样的逻辑问题的处理， 还可进行各种类型数据的运算。凡普通计算机能做到的，它也都可作到。 它的内部器件，即内存中的数据存储区，种类繁多，容量宏大。 i/o 继电器，可以用以存储入、出点信息的，少的几十、几百，多的可 达几千、几万，以至 10 几万。这意味着它可进行这么多 i/o 点的入出 信息变换，进行这么大规模的控制。 它的内部种种继电器，相当于中间继电器，数量更多。内存中一个 位就可作为一个中间继电器，怎么不多！ 它的计数器、定时器也很多，是继电电路所望尘莫及的。小小的箱 体或模块，其内部定时器、计数器可达成百、成千。这也是因为只要用 内存中的一个字，再加一些标志位，即可成为定时器、计数器，所以才 那么多。 而且，这些内部器件还可设置成丢电保持的，或丢电不保持的，即 上电后予以清零的。以满足不同的使用要求。这些也是继电器件所难以 做到的。 它的数据存储区还可用以存储大量数据，几百、几千、几万字的信 息都可以存，而且，掉电后还不丢失。 plc 还有丰富的外部设备，可建立友好的人机界面，以进行信息交 换。可送入程序，送入数据，可读出程序，读出数据。而且读、写时可 8 在图文并茂的画面上进行。数据读出后，可转储，可打印。数据送入可 键入，可以读卡入，等等。 plc 还具有通讯接口，可与计算机链接或联网，与计算机交换信息。 自身也可联网，以形成单机所不能有的更大的、地域更广的控制系统。 plc 还有强大的自检功能，可进行自诊断。其结果可自动记录。这 为它的维修增加了透明度，提供了方便。 丰富的功能为 plc 的广泛应用提供了可能；同时，也为工业系统 的自动化、远动化及其控制的智能化创造了条件。 像 plc 这样集丰富功能于一身，是别的电控制器所没有的；更是 传统的继电控制电路所无法比拟的。 1.3.3 使用方便 用 plc 实现对系统的控制是非常方便的。这是因为：首先plc 控制逻辑的建立是程序 ,用程序代替硬件接线。编程序比接线，更改程 序比更改接线，当然要方便得多！ 其次 plc 的硬件是高度集成化的，已集成为种种小型化的模块。 而且，这些模块是配套的，已实现了系列化与规格化。种种控制系统所 需的模块，plc 厂家多有现货供应，市场上即可购得。所以，硬件系 统配置与建造也非常方便。 正因如此，用可编程序控制器才有这个 “可“字。对软件讲，它的 程序可编，也不难编。对硬件讲，它的配置可变，而且也易于变。 具体地讲，plc 有五个方面的方便： 1、配置方便：可接控制系统的需要确定要使用哪家的plc，那 种类型的，用什么模块，要多少模块，确定后，到市场上定货购买即可。 2、安装方便：plc 硬件安装简单，组装容易。外部接线有接线器， 接线简单，而且一次接好后，更换模块时，把接线器安装到新模块上即 可，都不必再接线。内部什么线都不要接，只要作些必要的dip 开关 设定或软件设定，以及编制好用户程序就可工作。 3、编程方便：plc 内部虽然没有什么实际的继电器、时间继电器、 计数器，但它通过程序（软件）与系统内存，这些器件却实实在在地存 在着。其数量之多是继电器控制系统难以想象的。即使是小型的 plc，内部继电器数都可以千计，时间继电器、计数也以百计。而且， 这些继电器的接点可无限次地使用。 plc 内部逻辑器件之多，用户用 起来已不感到有什么限制。唯一考虑的只是入出点。而这个内部入出点 即使用得再多，也无关紧要。大型plc 的控制点数可达万点以上，哪 9 有那么大的现实系统？若实在不够，还可联网进行控制，不受什么限制。 plc 的指令系统也非常丰富，可毫不困难地实现种种开关量，以及模拟 量的控制。plc 还有存储数据的内存区，可存储控制过程的所有要保 存的信息。总之，由于 plc 功能之强，发挥其在控制系统的作用， 所受的限制已不是 plc 本身，而是人们的想象力，或与其配套的其它 硬件设施了。 plc 的外设很丰富，编程器种类很多，用起来都较方便，还有数据 监控器，可监控 plc 的工作。使用 plc 的软件也很多，不仅可用类似 于继电电路设计的梯形图语言，有的还可用basic 语言、c 语言，以 至于自然语言。这些也为 plc 编程提供了方便。 plc 的程序也便于存储、移植及再使用。某定型产品用的plc 的 程序完善之后，凡这种产品都可使用。生产一台，拷贝一份即可。这比 起继电器电路台台设备都要接线、调试，要省事及简单得多。 4、维修方便：这是因为： 1）plc 工作可靠，出现故障的情况不多，这大大减轻了维修的工 作量。这在讲述 plc 的第三个特点时，还将进一步介绍。 2）即使 plc 出现故障，维修也很方便。这是因为plc 都设有很 多故障提示信号，如 plc 支持内存保持数据的电池电压不足，相应的 就有电压低信号指示。而且， plc 本身还可作故障情况记录。所以， plc 出了故障，很易诊断。同时，诊断出故障后排故也很简单。可按模 块排故，而模块的备件市场可以买到，进行简单的更换就可以。至于软 件，调试好后不会出故障，再多只要依据使用经验进行调整，使之完善 就是了。 5、改用方便：plc 用于某设备，若这个设备不再使用了，其所用 的 plc 还可给别的设备使用，只要改编一下程序，就可办到。如果原 设备与新设备差别较大，它的一些模块还可重用。 1.3.4 工作可靠 用 plc 实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为plc 在硬件 与软件两个方面都采取了很多措施，确保它能可靠工作。事实上，如果 plc 工作不可靠，就无法在工业环境下运用，也就不成其为plc 了。 (1) 在硬件方面： plc 的输入输出电路与内部 cpu 是电隔离。其 信息靠光耦器件或电磁器件传递。而且， cpu 板还有抗电磁干扰的屏 蔽措施。故可确保 plc 程序的运行不受外界的电与磁干扰，能正常地 工作。 10 plc 使用的元器件多为无触点的，而且为高度集成的，数量并不太 多，也为其可靠工作提供了物质基础。 在机械结构设计与制造工艺上，为使plc 能安全可靠地工作，也 采取了很多措施，可确保 plc 耐振动、耐冲击。使用环境温度可高达 摄氏 50 多度，有的 plc 可高达 80-90 度。 有的 plc 的模块可热备，一个主机工作，另一个主机也运转，但 不参与控制，仅作备份。一旦工作主机出现故障，热备的可自动接替其 工作。 还有更进一步冗余的，采用三取一的设计， cpu、i/o 模块、电源 模块都冗余或其中的部分冗余。三套同时工作，最终输出取决于三者中 的多数决定的结果。这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。 当然，这样的系统成本是很高的，只用于特别重要的场合，如铁路车站 的道叉控制系统。 2、软件方面：plc 的工作方式为扫描加中断，这既可保证它能有 序地工作，避免继电控制系统常出现的 “冒险竞争“，其控制结果总是 确定的；而且又能应急处理急于处理的控制，保证了plc 对应急情况 的及时响应，使 plc 能可靠地工作。 为监控 plc 运行程序是否正常， plc 系统都设置了 “看门狗 “（watchingdog）监控程序。运行用户程序开始时，先清 “看门狗“定 时器，并开始计时。当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计 时值。若超时（一般不超过 100ms） ，则报警。严重超时，还可使 plc 停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。定时器的计时 值若不超时，则重复起始的过程， plc 将正常工作。显然，有了这个 “看门狗“监控程序，可保证 plc 用户程序的正常运行，可避免出现 “ 死循环“而影响其工作的可靠性。 plc 还有很多防止及检测故障的指令，以产生各重要模块工作正常 与否的提示信号。可通过编制相应的用户程序，对plc 的工作状况， 以及 plc 所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。 plc 每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。这是 系统程序配置了的，用户可不干预。出现故障时有相应的出错信号提示。 正是 plc 在软、硬件诸方面有强有力的可靠性措施，才确保了 plc 具有可靠工作的特点。它的平均无故障时间可达几万小时以上；出 了故障平均修复时间也很短，几小时以至于几分钟即可。 曾有人做过为什么要使用 plc 的问卷调查。在回答中，多数用户 11 把 plc 工作可靠作为选用它的主要原因，即把plc 能可靠工作，作 为它的首选指标。 1.3.5 经济合算 高新技术的使用必将带来巨大的社会效益与经济效益，这是科技是 第一生产力的体现，也是高新技术生命力之所在。 plc 也是如此。 尽管使用 plc 首次投资要大些，但从全面及长远看，使用plc 还是经济的。这是因为： 使用 plc 的投资虽大，但它的体积小、所占空间小，辅助设施的 投入少；使用时省电，运行费少；工作可靠，停工损失少；维修简单， 维修费少；还可再次使用以及能带来附加价值等等，从中可得更大的回 报。所以，在多数情况下，它的效益是可观的。 1.3.6 易学易用，深受工程技术人员欢迎 plc 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接 口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与 表达方式和继电器电路图相当接近，只用plc 的少量开关量逻辑控制 指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计 算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 1.3.7 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 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改变生产过程成为可能。这很适合多 品种、小批量的生产场合。 1.3.8 体积小，重量轻，能耗低 以超小型 plc 为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重 量小于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现 机电一体化的理想控制设备。 1.41.4 plcplc 的应用领域的应用领域 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 情况大致可归纳为如下几类。 1.4.1 开关量的逻辑控制 这是 plc 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路， 实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，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。 12 1.4.2 模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、 液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现 模拟量（analog）和数字量（ digital）之间的 a/d 转换及 d/a 转换。 plc 厂家都生产配套的 a/d 和 d/a 转换模块，使可编程控制器用于模 拟量控制。 1.4.3 运动控制 plc 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说， 早期直接用于开关量 i/o 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使 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。世界上各主要 plc 厂家的产品几乎都有运动控制功能， 广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 1.4.4 过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业 控制计算机， plc 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。 pid 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型plc 都 有 pid 模块，目前许多小型 plc 也具有此功能模块。 pid 处理一般是 运行专用的 pid 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制 等场合有非常广泛应用。 1.4.5 数据处理 现代 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。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成 一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们 打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系 统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控 制系统。 1.4.6 通信及联网 plc 通信含 plc 间的通信及 plc 与其它智能设备间的通信。随着 计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各plc 厂商都十分 重视 plc 的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的plc 都具有通信接口，通信非常方便。 1.51.5 plcplc 的未来展望的未来展望 21 世纪，plc 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成 果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、 13 存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超 小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、 规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业 控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着 国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会 出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其 它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展 方向。目前的计算机集散控制系统dcs（distributed control system）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展， 可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将 在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。 2 2 plcplc 的基本结构的基本结构 plc 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微 型计算机相同 。 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，这些模块可以按照一定规则组合配置。 2.12.1 中央处理单元中央处理单元(cpu)(cpu) 2.1.1 cpu 的构成 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。 2.1.2 cpu 的工作机制 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 是 plc 的核心，起神经中枢的作用，每套plc 至少有一个 cpu，它按照 plc 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用 户程序和数据；检查电源、存储器、 i/o 以及警戒定时器的状态，并能 14 诊断用户程序中的语法错误。当 plc 投入运行时，首先它以扫描的方 式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入i/o 映象区，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，从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按 指令的规定执行逻辑产生相应的控制信号或 将算数运算的结果送入 i/o 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将 i/o 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置， 去指挥有关的控制电路。 如此循环运行，直到停止运行。 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。 为了进一步提高 plc 的可靠性，近年来对大型 plc 还采用双 cpu 构成冗余系统，或采用三 cpu 的表决式系统。这样，即使某个 cpu 出现故障，整个系统仍能正常运行。 2.22.2 存储器存储器 具有记忆功能的半导体电路。分为系统程序存储器和用户存储器。 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及 对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、rom 组成。 厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。 用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取 存储器（ram）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电 池作为后备电源，寿命一般为 35 年。 2.32.3 i/oi/o 模块模块 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。 2.3.1 输入接口 光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。 2.3.2 发光二级管 在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输 入信号变化规律相同的光信号。 2.3.3 光电三级管 15 在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦 合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。 2.3.4 输出接口 plc 的继电器三种类型： 继电器输出：有触点、寿命短、频率低、交直流负载 晶体管输出：无触点、寿命长、直流负载 晶闸管输出：无触点、寿命长、交流负载 2.3.5 输出接口电路工作过程： 当内部电路输出数字信号 1，有电流流过，继电器线圈有电流，然 后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信 号 0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断 开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成 一种信号使负载动作或不动作。 2.3.6 输入接口电路工作过程： 当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部 电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电 路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成plc 内部所能接受的数字信号。 2.3.7 常用的 i/o 分类： 开关量输入/出（di/o）：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。 模拟量输入/出（ai/o）：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 io 外，还有特殊 io 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。 2.42.4 电源电源 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。在整个系统中起着十分重要得 作用。如果没有一个良好的、可 *得电源系统是无法正常工作的，因此 plc 的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在 16 +10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将plc 直接连接到交流 电网上去。电源输入类型有：交流电源（ 220vac 或 110vac） ，直流 电源（常用的为 24vdc） 。 2.5 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。 2.6 plc 系统的其它设备 2.6.1 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。编程器分为两种，一种是手持 编程器，方便。我们实验室使用的就是手持编程器。二种是通过plc 的 rs232 口。与计算机相连。然后敲击键盘。通过gx-developer 软件向 plc 内部输入程序。 2.6.2 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。 2.6.3 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 的通信现在主要采用通过 485 的数据通讯、 cclink 或工业以太网进行联网。 3 3 plcplc 的基本工作原理的基本工作原理 17 3.1 扫描技术 plc 采用“顺序扫描，不断循环 ”的工作方式 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。 3.1.1 输入采样阶段 在输入采样阶段， plc 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数 据，并将它们存入 i/o 映象区中的相应得单元内。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 据发生变化， i/o 映象区中的相应单元的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。 3.1.2 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。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在i/o 映象区内的状态 和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在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。 3.1.3 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的外设。这时，才是plc 的真正输出。 扫描周期的长短由三条决定。 1、cpu 执行指令的速度 2、指令本身占有的时间 3、指令条数 18 由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入 /输出滞后的现象， 即输入/输出响应延迟。 3.23.2 plcplc 与继电器控制系统、微机区别与继电器控制系统、微机区别 3.2.1 plc 与继电器控制系统区别 前者工作方式是 “串行”，后者工作方式是 “并行”。 前者用“软件”，后者用“硬件”。 3.2.2 plc 与微机区别 前者工作方式是 “循环扫描”。后者工作方式是 “待命或中断 ” plc 编程方式：plc 最突出的优点采用 “软继电器”代替“硬继电 器”。用“软件编程逻辑 ”代替“硬件布线逻辑 ”。 plc 编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。尤其前两者为常 用。 3.33.3 基本指令系统特点基本指令系统特点 plc 的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不 同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要 满足易于调试的要求。目前，还没有一种对各厂家产品都能兼容的编程 语言。如三菱公司的产品有它自己的编程语言， omron 公司的产品 也有它自己的语言。但不管什么型号的plc，其编程语言都具有以下 特点： 3.3.1 图形式指令结构： 程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记 忆。系统的软件开发者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征 性图形，用户根据自己的需要把这些图形进行组合，并填入适当的参数。 在逻辑运算部分，几乎所有的厂家都采用类似于继电器控制电路的梯形 图，很容易接受。如西门子公司还采用控制系统流程图来表示，它沿用 二进制逻辑元件图形符号来表达控制关系，很直观易懂。较复杂的算术 运算、定时计数等，一般也参照梯形图或逻辑元件图给予表示，虽然象 征性不如逻辑运算部分，也受用户欢迎 3.3.2 明确的变量常数： 图形符相当于操作码，规定了运算功能，操作数由用户填人，如： k400，t120 等。plc 中的变量和常数以及其取值范围有明确规定，由 产品型号决定，可查阅产品目录手册。 3.3.3 简化的程序结构： plc 的程序结构通常很简单，典型的为块式结构，不同块完成不同 19 的功能，使程序的调试者对整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概 念。 3.3.4 简化应用软件生成过程： 使用汇编语言和高级语言编写程序，要完成编辑、编译和连接三个 过程，而使用编程语言，只需要编辑一个过程，其余由系统软件自动完 成，整个编辑过程都在人机对话下进行的，不要求用户有高深的软件设 计能力。 3.3.5 强化调试手段： 无论是汇编程序，还是高级语言程序调试，都是令编辑人员头疼的 事，而 plc 的程序调试提供了完备的条件，使用编程器，利用plc 和编程器上的按键、显示和内部编辑、调试、监控等，并在软件支持下， 诊断和调试操作都很简单。 总之，plc 的编程语言是面向用户的，对使用者不要求具备高深的 知识、不需要长时间的专门训练。 3.43.4 编程语言的形式编程语言的形式 最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。采用梯 形图编程，因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件； 采用助记符形式便于实验，因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂 贵的图形编程器或计算机来编程。 虽然一些高档的 plc 还具有与计算机兼容的 c 语言、basic 语 言、专用的高级语言（如西门子公司的graph5、三菱公司的 melsap） ，还有用布尔逻辑语言、通用计算机兼容的汇编语言等。不 管怎么样，各厂家的编程语言都只能适用于本厂的产品。 3.4.1 编程指令： 指令是 plc 被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。从本 质上讲，指令只是一些二进制代码，这点plc 与普通的计算机是完全 相同的。同时 plc 也有编译系统，它可以把一些文字符号或图形符号 编译成机器码，所以用户看到的 plc 指令一般不是机器码而是文字代 码，或图形符号。常用的助记符语句用英文文字（可用多国文字）的缩 写及数字代表各相应指令。常用的图形符号即梯形图，它类似于电气原 理图是符号，易为电气工作人员所接受。 3.4.2 指令系统： 一个 plc 所具有的指令的全体称为该 plc 的指令系统。它包含着 指令的多少，各指令都能干什么事，代表着plc 的功能和性能。一般 讲，功能强、性能好的 plc，其指令系统必然丰富，所能干的事也就 20 多。我们在编程之前必须弄清 plc 的指令系统 3.4.3 程序： plc 指令的有序集合， plc 运行它，可进行相应的工作，当然， 这里的程序是指 plc 的用户程序。用户程序一般由用户设计， plc 的厂家或代销商不提供。用语句表达的程序不大直观，可读性差，特别 是较复杂的程序，更难读，所以多数程序用梯形图表达。 3.4.4 梯形图： 梯形图是通过连线把 plc 指令的梯形图符号连接在一起的连通图， 用以表达所使用的 plc 指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。 它的连线有两种：一为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个 梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载 （ld）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含ld 指令） ，以 建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流 程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来 连接指令组的。 3.4.5 梯形图与电气原理图的关系： 如果仅考虑逻辑控制，梯形图与电气原理图也可建立起一定的对应 关系。如梯形图的输出（ out）指令，对应于继电器的线圈，而输入 指令（如 ld，and，or）对应于接点，互锁指令（ il、ilc）可看 成总开关，等等。这样，原有的继电控制逻辑，经转换即可变成梯形图， 再进一步转换，即可变成语句表程序。 有了这个对应关系，用 plc 程序代表继电逻辑是很容易的。这也 是 plc 技术对传统继电控制技术的继承。 3.53.5 plcplc 控制系统的设计基本原则控制系统的设计基本原则 任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，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： 3.5.1 最大限度地满足被控对象的控制要求 充分发挥 plc 的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是 设计 plc 控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这 就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的 资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理 人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解 决设计中的重点问题和疑难问题。 3.5.2 保证 plc 控制系统安全可靠 21 保证 plc 控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制 系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程 上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证plc 程序 不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按 钮按错等） ，也能正常工作。 3.5.3 力求简单、经济、使用及维修方便 一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济 效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致 运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断 地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要 求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和 维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。