电热锅炉供热系统的PLC控制程序设计-毕业论文.doc

xxxxxxx 机电工程系机电工程系 毕业设计论文毕业设计论文 题题 目目 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 专业名称 学生姓名 指导教师 毕业时间 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 2 页 绪论绪论 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； 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 3 页 目目 录录 1 绪论 .2 1.1 plc 的基本概念5 1.2 plc 的诞生5 1.3 plc 的特点6 2 plc 的介绍7 2.1 plc 的流派7 2.2 plc 的结构和工作原理8 3 plc 的应用领域.11 3.1 开关量的逻辑控制.11 3.2 模拟量控制.11 .3.3 运动控制12 3.4 过程控制.12 3.5 数据控制.12 4 plc 的基本结构.12 4.1 中央处理单元.13 4.2 存储器13 4.3 i/o 模块14 4.4 电源15 4.5 底板或机架16 4.6 plc 系统的基本设备16 5 plc 的基本工作原理.16 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 4 页 5.1 扫描技术16 5.2 plc 与继电器控制与系统微机区别18 5.3 基本指令系统特点18 5.4 编程语言的形式.19 5.5 plc 控制系统的设计基本原则20 5.6 plc 程序的内容和质量评价指标 .21 5.7 plc 程序的调试方法及步骤.22 5.8 plc 的造型方法23 5.9 经济性考虑.27 6 基于 plc 的电热锅炉供热控制系统设计28 6.1 电热锅炉供热控制系统设计要求.29 6.2 电热锅炉供热控制系统设计方案.30 6.3 电热锅炉供热控制系统设计的程序部分的介绍.34 致 谢.37 参 考 文 献 .38 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 5 页 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。 1.2 plc 的诞生的诞生 1969 年，美国数字设备公司（dec）研制出世界上第一台可编程控制器，型号为 pdp-14，并在 gm 公司汽车生产线上首次应用成功。 1.2.1plc 的发展 第一代：从第一台可编程控制器诞生到 70 年代初期。其特点是：cpu 由中小规模 集成电路组成，存储器为磁芯存储器； 第二代：70 年代初期到 70 年代末期。其特点是：cpu 采用微处理器，存储器采 用 eprom ； 第三代：70 年代末期到 80 年代中期。其特点是：cpu 采用 8 位和 16 位微处理器， 有些还采用多微处理器结构，存储器采用 eprom、earom、cmosram 等 ； 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 6 页 第四代：80 年代中期到 90 年代中期。pc 全面使用 8 位、16 位微处理芯片的位片 式芯片，处理速度也达到 1us/步 ； 第五代：90 年代中期至今。pc 使用 16 位和 32 位的微处理器芯片，有的已使用 risc 芯片。 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。 。 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。 1.3.3 使用方便 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。 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 7 页 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。 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。 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。 1.3.4 工作可靠 (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。 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。 2 plc 介介绍绍 2.1 plc 的流派的流派 2.1.1美国流派 据不完全统计，现在世界上生产 plc 及其网络的厂家有 200 多家，生产大约有 400 多个品种的 plc 产品。其中美国是 plc 生产大国，有 100 多家 plc 厂商，著名的 有 a-b 公司、通用电气（ge）公司、莫迪康（modicon）公司、德州仪器（ti）公 司、西屋公司等。 2.1.2日本流派 日本有 6070 家 plc 厂商，也生产 200 多个品种的 plc 产品；日本的小型 plc 最具特色，在小型机领域中颇具盛名，某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制， 日本的小型机就可以解决。在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所 以格外受用户欢迎。日本有许多 plc 制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、 东芝等，在世界小型 plc 市场上，日本产品约占有 70的份额。 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 8 页 2.1.3欧洲流派 德国的西门子（siemens）公司、aeg 公司、法国的 te 公司是欧洲著名的 plc 制造 商。德国的西门子的电子产品以性能精良而久负盛名。在中、大型 plc 产品领域与美 国的 a-b 公司齐名。西门子 plc 主要产品是 s5、s7 系列。s7 系列是在 s5 系列 plc 基础上近年推出的新产品，其性能价格比高，其中 s7-200 系列属于微型 plc、s7-300 系列属于于中小型 plc、s7-400 系列属于于中高性能的大型 plc。 2.22.2 plcplc 的结构和工作原理的结构和工作原理 2.2.1 plc 的基本结构的基本结构 plc 实际上是一种工业控制计算机。它的硬件结构与一般微机相似，主要由主机、 i/o 扩展机、外围设备三部分组成，如图 2-3 所示。 1主机主机 主机由 cpu（微处理器） 、存储器、输入输出单元、电源等部分组成。 cpu 是 plc 的核心，其作用类似于人的大脑。它能够识别用户按特定格式输入的 指令，并按照指令完成预定的控制任务。另外，它还能识别用户所输入的指令序列的 格式和语法错误，还具有系统测试与诊断功能。 图图 2-3 plc 结构示意图结构示意图 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 9 页 plc 的存储器有两种：系统程序存储器和用户程序存储器。 输入输出（io）单元是 plc 与输入控制信号和被控制设备连接起来的部件，输 入单元接收从开关、按钮、继电器触点和传感器等输入的现场控制信号，并将这些信 号转换成 cpu 能接收和处理的数字信号。输出单元接收经过 cpu 处理过的输出数字 信号，并把它转换成被控制设备或显示装置所能接收的电压或电流信号，以驱动接触 器、电磁阀和指示器件等。根据输入信号形式的不同，可分为模拟量 i/o 单元、数字 量 i/o 单元两大类。 电源单元的作用是把外部电源（220v 的交流电源）转换成内部工作电压。plc 还 有各种外设接口电路，用于连接编程器或其他图形编程器、文本显示器、触摸屏、变 频器等并能通过外设接口组成 plc 的控制网络。plc 通过 pc/ppi 电缆或使用 mpi 卡 通过 rs-485 接口与计算机连接，可以实现编程、监控、连网等功能。 2i/o 扩展机扩展机 每种 plc 都有与主机相配的扩展模块，用来扩展输入、输出点数，以便根据控制 要求灵活组合系统。plc 扩展模块内不设 cpu，仅对 i/o 通道进行扩展，不能脱离主 机独立实现系统的控制要求。 3外部设备外部设备 外部设备包括编程器、盒式磁带机、打印机、eprom 写入器、图形监控系统等。 其中编程器是 plc 必不可少的重要外围设备，由键盘、显示器、工作方式选择开关和 外存储器接插口等部件组成，主要用于对用户程序进行输入、检查、调试和修改，并 用来监视 plc 的工作状态。 2.2.2 plc 的工作原理的工作原理 1plc 的等效电路 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 10 页 plc 的工作酷似一个继电器系统，其等效电路可分为三部分：输入部分、内部控 制电路和输出部分，如图 2-4 所示。 图图 2-42-4 plcplc 的等效电路的等效电路 输入部分-这部分的作用是收集被控设备的信息或操作命令。输入端子外接行 程开关、按钮等的触头，内连输入继电器线圈。输入继电器由外部信号通过输入端子 驱动，可提供无限多对常开、常闭的软触点供内部使用。 内部控制电路-由用户根据控制要求编制的程序所组成，其作用是按用户程序 的控制要求对输入信号进行运算处理，判断哪些信号需要输出，并将得到的结果输出 给负载。 输出部分-这部分的作用是驱动外部负载，所以输出端子是 plc 向外部负载输 出信号的端子，其内连输出继电器（q）的一对常开触点。输出继电器除提供一对常开 触点驱动负载以外，还可以提供无数对常开、常闭触点供内部使用。 2plc 的周期工作方式 plc 是通过一种周期工作方式来完成控制的，每个周期包括输入采样、程序执行 和输出刷新三个阶段。 输入采样阶段-plc 以扫描方式按顺序将所有输入端的状态读入到输入状态寄 存器中存储，这一过程称为采样。在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，而 且将在 plc 执行程序时被使用。 程序执行阶段-plc 按顺序对程序进行扫描，即从上到下、从左到右地扫描每 条指令，并分别从输入状态寄存器和输出状态寄存器中获得所需的数据进行运算、处 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 11 页 理，再将程序执行的结果写入输出状态寄存器中保存。但这个结果在全部程序未执行 完毕之前不会送到输出端口上。 输出刷新阶段-在所有用户程序执行完毕后，plc 将输出映像寄存器中的内容 送入输出锁存器中，通过一定的方式输出，驱动外部负载。 plc 重复执行输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段，每重复一次的时间称为一 个扫描周期。plc 的一个扫描周期一般为 40100ms 之间。 2.2.3 plc 的分类的分类 1按结构形式分： 整体式：将电源、cpu、i/o 部件都集中在一个机箱内。 模块式：将 plc 各部分分成若干个单独的模块。 2按 i/o 点数分： 小型 plc：i/o 点数在 256 点以下，其中小于 64 为超小型或微型 plc。 中型 plc：i/o 点数在 2562048 点之间。 大型 plc：i/o 点数在 2048 点以上，其中超过 8192 点为超大型 plc。 3按功能分： 低档机：具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能。 中档机：比低档机多了模拟量输入/输出、算术运算、数据传送比较等功能。 高档机：比中档机多了矩阵运算等特殊功能函数运算、通信联网等功能。 3 3 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。 3.1. 开关量的逻辑控制开关量的逻辑控制 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 12 页 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。 3.2 模拟量控制模拟量控制 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。 3.3 运动控制运动控制 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。 3.4 过程控制过程控制 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。 3.5 数据处理数据处理 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。 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 13 页 4 4 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。 4.14.1 中央处理单元中央处理单元(cpu)(cpu) 4.1.1 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。 4.1.2 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 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 14 页 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。 4.24.2 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。 4.34.3 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。 4.3.1 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。 4.3.2 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。 4.3.3 光电三级管 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 15 页 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。 4.3.4 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 4.3.5 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。 4.3.6 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。 4.3.7 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。 4.44.4 电源电源 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 16 页 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 +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） 。 4.5 底板或机架底板或机架 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。 4.6 plc 系统的其它设备系统的其它设备 4.6.1 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。 4.6.2 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。 4.6.3 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 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 17 页 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。 5 5 plcplc 的基本工作原理的基本工作原理 5.1 扫描技术扫描技术 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。 5.1.1 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。 5.1.2 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。 5.1.3 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。 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 18 页 1、cpu 执行指令的速度 2、指令本身占有的时间 3、指令条数 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。 5.25.2 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 5.2.1 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”。 5.2.2 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。 5.35.3 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。 其编程语言都具有以下特点： 5.3.1 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。 5.3.2 明确的变量常数： 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 19 页 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。 5.3.3 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。 5.3.4 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。 5.3.5 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。 5.45.4 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。 5.4.1 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。 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 20 页 5.4.2 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，所能干的事也就多。我们在编程之前必须弄清plc 的指令系统 5.4.3 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。 5.4.4 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。 5.55.5 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： 5.5.1 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。 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 21 页 5.5.2 保证 plc 控制系统安全可靠 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。 5.5.3 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。 5.5.4 适应发展的需要 由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑 到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择plc、输入/输出模块、 i/o 点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。 5.65.6 plcplc 程序的内容和质量评价指标程序的内容和质量评价指标 5.6.1 plc 程序的内容 plc 应用程序应最大限度地满足被控对象的控制要求，在构思程序主体的框架 后，要以它为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序。经过不断他调整 和完善。使程序能完成所要求的控制功能。另外， plc 应用程序通常还应包括以 下几个方面的内容： 1、初始化程序 在 plc 上电后，一般都要做一些初始化的操作。其作用是为 启动作必要的准备，并避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容为：将某些数 据区、计数器进行清零；使某些数据区恢复所需数据；对某些输出量置位或复位； 显示某些初始状态等等。 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 22 页 2、检测、故障诊断、显示程序 应用程序一般都设有检测、故障诊断和显示程 序等内容。这些内容可以在程序设计基本完成时再进行添加。它们也可以是相对独 立的程序段。 3、保护、连锁程序 各种应用程序中，保护和连锁是不可缺少的部分。它可以 杜绝由于非法操作而引起的控制逻辑混乱，保证系统的运行更安全、可靠。因此要 认真考虑保护和连锁的问题。通常在plc 外部也要设置连锁和保护措施。 5.6.2 plc 程序的质量 对同一个控制要求，即使选用同一个机型的plc，用不同设计方法所编写的 程序，其结构也可能不同。尽管几种程序都可以实现同一控制功能，但是程序的质 量却可能差别很大。程序的质量可以由以下几个方面来衡量： 1、程序的正确性 应用程序的好坏，最根本的一条就是正确。所谓正确的程序 必须能经得起系统运行实践的考验，离开这一条对程序所做的评价都是没有意义的。 2、程序的可靠性好 好的应用程序可以保证系统在正常和非正常（短时掉电再 复电、 3、参数的易调整性好 plc 控制的优越性之一就是灵活性好，容易通过修改程 序或参数而改变系统的某些功能。 4、程序要简练 编写的程序应尽可能简练，减少程序的语句，一般可以减少程 序扫描时间，提高 plc 对输入信号的响应速度。 5、程序的可读性好 程序不仅仅给设计者自己看，系统的维护人员也要读。另 外，为了有利于交流，也要求程序有一定的可读性。 5.75.7 plcplc 程序的调试方法及步骤程序的调试方法及步骤 plc 程序的调试可以分为模拟调试和现场调试两个调试过程，在此之前首先对 plc 外部接线作仔细检查，这一个环节很重要。外部接线一定要准确无误。也可以 用事先编写好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来查找接线故障。不过，为了 安全考虑，最好将主电路断开。当确认接线无误后再连接主电路，将模拟调试好的 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 23 页 程序送入用户存储器进行调试，直到各部分的功能都正常，并能协调一致地完成整 体的控制功能为止。 5.7.1 程序的模拟调试 将设计好的程序写入 plc 后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。 用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟， 各输出量的通断状态用 plc 上有关的发光二极管来显示，一般不用接plc 实 际的负载(如接触器、电磁阀等 )。可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮 来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。对于顺序控制程序，调试 程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件实 现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变为不活动 步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。 5.7.2 程序的现场调试 完成上述的工作后，将 plc 安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中 将暴露出系统中可能存在的传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及plc 的 外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。如果调试 达不到指标要求，则对相应硬件和软件部分作适当调整，通常只需要修改程序就可 能达到调整的目的。全部调试通过后，经过一段时间的考验，系统就可以投入实际 的运行了。 5.8 plc 的选型方法的选型方法 在 plc 系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是plc 工程设计选 型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。plc 及有关设备应是集 成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选 型所选用 plc 应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，plc 的系统硬 件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能 表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详 细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作， 然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定plc 的功能、外 部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的plc 和设计相应的控制系统。 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 24 页 5.8.1 输入输出（i/o）点数的估算 i/o 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加 10%20%的可扩展 余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商plc 的产品特点，对输入输出点数进行 调整。 5.8.2 存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存 储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计 阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程 序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容 量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大 体上都是按数字量 i/o 点数的 1015 倍，加上模拟 i/o 点数的 100 倍，以此数为 内存的总字数（ 16 位为一个字） ，另外再按此数的 25%考虑余量。 5.8.3 控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度 等特性的选择。 1、运算功能 简单 plc 的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通plc 的运算功能 还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大 型 plc 中还有模拟量的 pid 运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目 前在 plc 中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同 位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计 选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。要显示数据时需要译 码和编码等运算。 2、控制功能 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 25 页 控制功能包括 pid 控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控 制要求确定。 plc 主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回 路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制 功能，提高 plc 的处理速度和节省存储器容量。例如采用pid 控制单元、高速计 数器、带速度补偿的模拟单元、 asc 码转换单元等。 3、通信功能 plc 系统的通信网络主要形式有下列几种形式： 1）pc 为主站，多台同型号 plc 为从站，组成简易 plc 网络； 2）1 台 plc 为主站，其他同型号 plc 为从站，构成主从式 plc 网络； 3）plc 网络通过特定网络接口连接到大型dcs 中作为 dcs 的子网； 4）专用 plc 网络（各厂商的专用 plc 通信网络） 。 为减轻 cpu 通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的 （如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。 4、编程功能 离线编程方式： plc 和编程器公用一个 cpu，编程器在编程模式时， cpu 只 为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式， cpu 对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用 和调试不方便。在线编程方式： cpu 和编程器有各自的 cpu，主机 cpu 负责现 场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或 数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较 高，但系统调试和操作方便，在大中型plc 中常采用。 五种标准化编程语言：顺序功能图（ sfc） 、梯形图（ ld） 、功能模块图 （fbd）三种图形化语言和语句表（ il） 、结构文本（ st）两种文本语言。选用的 编程语言应遵守其标准（ iec6113123） ，同时，还应支持多种语言编程形式，如 c，basic 等，以满足特殊控制场合的控制要求。 5、诊断功能 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 26 页 plc 的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬 件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对plc 内部的性能和功能 进行诊断是内诊断，通过软件对 plc 的 cpu 与外部输入输出等部件信息交换功能 进行诊断是外诊断。 6、处理速度 plc 采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号 持续时间小于扫描时间，则 plc 将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。 处理速度与用户程序的长度、 cpu 处理速度、软件质量等有关。目前， plc 接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.20.4ls，因此能适应控 制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型 plc 的扫描时间不大于 0.5ms