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可编程控制器(plc)应用类设计指导 plc应用类设计概述 可编程控制器的选型 硬件电路设计 plc的软件设计 设计实例： 3.5/360 m水泥回转窑电控系统 设计选题： 2.613 m水泥磨电控系统 设计选题：rp120-80辊压机电控系统 2.1.1 plc的应用领域 1plc的特点 (1) 灵活，通用，i/o接口丰富。 (2) 可靠性高，抗干扰能力强。 (3) 编程简单，使用方便。 (4) 设计施工周期短，接线简单，维护工作量小。 (5) 体积小，重量轻，能耗低，易于实现机电一体化。 (6) 联网方便，便于系统集成。 2.1 plc应用类设计概述 2plc应用领域 (1) 开关量的逻辑控制：它是plc最基本的功能。所控制的 逻辑可以是各种各样的，如时序的、组合的、计数的、不计数 的等等，控制的输入/输出点数可以不受限制，少则10点，几十 点，多则成千上万点，并可以通过联网来实现控制。 (2) 模拟量的闭环控制：plc具有a/d、d/a转换及算术运 算功能，因此可以实现模拟量控制，有的plc还具有pid控制 或模糊控制的功能。可用于闭环的位置控制、速度控制和过程 控制。 (3) 数字量的智能控制：利用plc能接收和输出高速脉冲的 功能，再配备相应的传感器(如旋转编码器)或脉冲伺服装置(如 环型分配器、功放、步进电机)，就能实现数字量的智能控制。 较高级的plc还专门开发了位控单元模块、运动单元模块等， 可实现曲线插补。新开发的运动单元还能识别数控技术的编程 语言，为plc进行数字量的智能控制提供了方便。 (4) 数据采集与监控：plc实现控制时，可把现场的数据实 时显示出来或采集保存下来，供进一步分析研究。较普便使用 的是plc加上触摸屏，可随时观察采集来的数据及统计分析结 果。 (5) 通信、联网及集散控制：plc的通信联网能力很强，除 了plc和plc之间的通信联网以外，plc还可以与计算机进行 通信和联网，由计算机来实现对其编程和管理。plc也能与智 能仪表、智能执行装置(如变频器)进行通信和联网，互相交换 数据并对其实施控制。 利用plc的强大的通信功能，把plc分布到控制现场，并 实现各站间及上、下层间的通信，达到分散控制、集中管理， 即构成了集散型计算机控制系统(dcs)或现场总线控制系统 (fcs)。 2.1.2 plc应用系统设计类型和步骤 1plc应用系统设计类型 上节所述的5种应用场合均为plc设计的常见类型。作为毕 业设计，最普遍的是用前两种较为简单的类型开关量控制 和模拟量控制。而开关量的顺序控制又是工业自动化设计的首 选。可用plc作为开关量逻辑控制、定时控制、计数控制，利 用plc取代传统继电接触器控制，如机床电气、电机控制中心 等，也可取代顺序控制，如高炉上料、电梯控制、货物存取、 运输、检测等。总之，plc可用于单机、多机以及生产线的自 动化控制场合。 用plc实现闭环过程控制是plc的第二个较重要的应用方 向，例如深度、压力、流量等连续变化的模拟量闭环pid控制 。这种类型主要是用在系统中开关量较多、模拟量较少的场 合。不过plc中的模拟量输入/输出模块和pid模块价格较贵， 相对于单片机、工业控制计算机系统来说投入过高，而显示 、编程功能较弱。这些因素在选型时应特别注意。 可编程控制器由于其独特的结构和工作方式，使它的设 计内容和步骤与继电器控制系统及计算机控制系统都有很大 的不同，主要表现是允许硬件电路和软件编程可以分开进行 设计。这一特点，使得可编程控制器系统设计变得简单和方 便。 2plc系统设计步骤 (1) 控制系统总体方案的选择： (2) 确定受控对象与plc 之间的输入、输出信号关系： (3) 可编程控制器的机型选择： (4) 硬件电路的设计： (5) 软件设计： (6) 模拟调试： (7) 现场调试： 图2-1 plc系统设计流程 2.2 可编程控制器的选型 2.2.1 可编程控制器的种类 1按结构分类 plc按结构可分成整体式plc和组合式plc。 (1) 整体式plc。整体式plc的cpu、存储器、i/o单元、 电源安装在同一机体内构成主机，另外还有i/o扩展单元配合 主机使用。用电缆将其接在主机上可以扩充i/o点数。整体式 plc的特点是结构紧凑、体积小、重量轻、价格低，但其输入/ 输出点数固定，实现的功能和控制规模固定，灵活性较低，故 小型plc常采用这种结构，它适用于工业生产中的单机控制。 (2) 组合式plc。组合式plc为总线结构，其总线做成总 线板，上面有若干个总线槽，每个总线槽上可安装一个plc模 块，不同的模块实现不同的功能。plc的cpu、存储器做成一 个模块(有的把电源也做在上面)，该模块在总线上的安装位置 一般来说是固定的，其它的模块可根据plc的控制规模、实现 的功能选用，安装在总线板的其它任一总线槽上。组合式plc 安装完后，需进行登记，使plc对安装在总线上的各模块进行 地址确认。组合式plc的特点是：系统配置灵活，可构成具有 不同控制规模和功能的plc，但它的价格较高，一般大、中型 plc采用这种结构。 2按控制规模分类 控制规模主要是指控制开关量的输入、输出点数及模拟量 的输入、输出路数，但主要以开关量计数。模拟量的路数可折 合算成开关量的点数，一般一路相当于816点，根据i/o点数 的不同，plc大致可分为微型机、小型机、中型机及大型机、 超大型机。 (1) 微型机：控制点数仅几十点，如omrom公司的sp系列 ，松下电工的fpo系列等。 (2) 小型机：控制点数100500点左右，如omrom公司的 cpm1a、cqh1、cqm1h系列，松下电工的fp1系列等。 (3) 中型机：控制点数5001000点左右，如omrom公司的 c200h，西门子公司的s7-300。 3按生产厂家分类 (1) 德国西门子公司：有s5系列的plc产品，如s5-950、 100u、135u及155u；s7系列机，常用的有s7-200(小型)、s7- 300(中型)及s7-400(大型)机。 (2) 日本omrom公司：有p1、cpm1a、cpm2a、c200h 、cqm1等机型。 (3) 美国a-b公司：常用的有pc/5及slc-500系列。 (4) 日本三菱公司：主要有f1系列和fx2系列机。 (5) 日本松下电工公司：主要有fp0系列微型机，fp1系列箱 体式小型机，fp2、fp3、fp10、fp10sh等模块式机型。 (6) 中外合资(与日本光洋公司合资)无锡华光电子工业公司 ：sz-3、sr-10、sp-400、su-5/6。 (7) 福建厦门中外合资a-b有限公司：slc-100、plc-2、 plc-5。 (8) 上海香岛机电制造有限公司：acmy-s256、acmy-s80 。 (9) 机械部北京机械工业自动化所：mpc-10、mpc-20。 (10) 机械部大连组合机床研究所：zhs-pc01、zhs-pc02。 (11) 机械部上海机械工业自动化仪表所：ts-300、ts-400 。 2.2.2 可编程控制器的机型选择 可编程控制器的选型可以从以下几个方面进行考虑： (1) 功能和结构。可编程控制器的功能日益增多，不同型号 的产品在功能上有较大的差异。当控制对象只要求开关量控制 时，从功能角度来说，几乎所有型号的可编程控制器都可胜任 。而当控制对象有模拟量的输入/输出控制要求或其它特殊功能 要求时，就应仔细了解不同系列、不同型号的可编程控制器的 功能特点。 从结构上讲，单台设备或几台设备共享一台可编程控制器 时往往选用整体式结构，考虑到工业控制的发展方向时，选用 具有通信能力的可编程控制器为好。组合式结构组态灵活，宜 于扩充，特别适合用于较大控制规模的场合。 (2) 输入、输出模块的选择。大多数可编程控制器输入、输 出模块都可有多种选择。输入模块完成控制命令、故障及状态 检测等输入信号的转换。一般来说，这些信号的种类可能不同 ，经输入模块的变换后就可将这些不同电平的信号转变为可编 程控制器内部的统一电平信号。此外，输入模块还兼有外部电 路与可编程控制器内部电路的隔离作用和防止干扰的作用。输 入模块的类型一般分直流5 v、12 v、24 v、48 v、60 v五种， 交流115 v和220 v两种。选择时主要考虑现场设备与可编程控 制器之间的距离，距离远时，可选电压等级高一些的模块；距 离较近时，选择电压等级低一些的模块即可。这样的选择主要 是为了提高系统工作的可靠性。选择输入模块的另一个考虑因 素是系统工作时，同一时间内要接通的点数的多少，特别对于 32点、64点这些高密度的输入模块，同时接通数一般不得超过 60%，如果条件难以满足，就只有选择密度低一些的输入模块 。 输出模块用来将可编程控制器内部的电平信号转换为外部 过程的控制信号。开关频率不高的交直流负载一般选继电器输 出型模块；开关频率高、电感强、低功率因数的负载可考虑选 用晶闸管输出模块；开关频率较高的直流负载则应选用晶体管 输出模块。选用输出模块还应注意同时接通点数的电流累计值 必须小于公共端所允许通过的电流值。 (3) i/o点数的估算。i/o点数是可编程控制器的重要技术指 标。合理选择i/o点数既可使系统满足控制要求，又可使系统造 价投入最低。 传统设备及各种电器组件所需的编程i/o点数在不同的场合 应用时不尽相同，比如用可编程控制器控制一台(启动的交 流电动机时，输入点有四点，分别为：电源合闸、起动、停止 和过载；而输出则为三点，分别用于控制三个接触器线圈的吸 合和断开。 但在实际应用中，大多数场合一组电源不只给一台电动机 供电，所以合闸信号也不一定每台电动机都需要一个。选择i/o 点数的原则是根据具体设备的控制要求有所取舍，满足要求即 可。典型传动设备及常用电器组件所需i/o点数见表2-1。 表2-1 典型传动设备及常用电器组件所需可编程控制器 i/o点数 (4) 内存估算：选择可编程控制器内存容量应考虑以下几个 因素：内存利用率、开关量输入/输出点数、模拟量输入/输出点 数、设计者的编程水平。 内存利用率是指一个程序段中的接点数与存放该程序所代 表的机器语言所需的内存字数的比值。不同厂家、不同产品的 内存利用率有所差别，查找相应产品说明书可查到指令长度， 以此可计算相应的内存利用率。显然，高的内存利用率是有好 处的，同样的程序，因较少的内存量，可缩短程序的扫描时间 而提高系统的响应速度。 开关量输入/输出点数与所需内存容量有很大的关系。在一 般的编程水平下，可用下面的经验公式估算： 所需内存字数i/o点数10 具有模拟量输入/输出点数时，通常要使用应用指令(功能 指令)，而应用指令的内存利用率较低，因此一条应用指令占用 的内存较多。 当只有模拟量输入时，一般只需处理模拟量读入、模拟量 转换、数字滤波、传送和比较运算，所用的应用指令数会相对 少一些。而模拟量输入、输出都有时，通常意味着系统要求的 控制功能比较复杂，如闭环的运动控制、过程控制等，也就意 味着可编程控制器要进行较为复杂的运算，自然所需的内存数 也会大增。针对上述两种不同情况，可用以下经验公式估计所 需的内存数： 当只有模拟量输入时： 内存字数模拟量点数 100 当模拟量输入、输出都存在时： 内存字数模拟量输入、输出总点数 200 所谓编程质量，是指对完成同样功能所编制应用程序长短 的一种评价，程序越短，编程质量越好；编程经验较丰富时， 质量就越好。而对于初次进行毕业设计的编程者，可能就相对 要差一些。所以初学者在估算内存容量时，应该多留一些裕量 。 考虑到上述的多种因素，总的内存容量的经验公式为 总存储器字数=i/o点数 10+模拟量输入、输出总点数 150 为提高可靠性，在上面求得总字数后再考虑增加25%左右 作为裕量，就可以最后确定出可编程控制器的内存容量。 (5) 响应时间：可编程控制器的响应时间是指输入信号产 生时刻与由此而使输出信号状态发生变化时刻的时间间隔。由 于现在生产的可编程控制器的扫描周期都较短，对于只含有开 关量控制的电气控制系统来说，因电器本身动作就达十几至几 十毫秒，所以，在这种系统中，可编程控制器的响应时间问题 基本可不必考虑。 而在有模拟量输入/输出的过程控制和运动控制场合，可编 程控制器的响应时间就应仔细加以考虑，以满足系统控制的实 时性要求和各项动态指标。 2.2.3 常用可编程控制器性能简介 1德国西门子公司的plc 1) simatic s5系列plc概况 (1) s5-90u与s5-95u是两种微型plc，整体式结构。其特 点是价格便宜，易于操作，结构紧凑。 (2) s5-100u小型plc，模板式结构。s5-100u提供3种cpu 模板，根据扩展需要采用cpu100、cpu102或cpu103。cpu编 号越大，附加功能越多，例如闭环调节、位置控制、计数与通 信功能等。 (3) s5-115u中型plc，模板式结构。它提供5种cpu模板 ，分别为cpu941、cpu942、cpu943、cpu944、cpu945，编 号越大，功能越强。 s5-115h中型plc是由s5-115u组成的双机冗余系统，用于 对安全可靠性要求很高的场合。 (4) s5-135u大型plc，模板式结构，采用多处理器运行， 可以配置4个处理器及1个协处理器。几个cpu分别负责不同的 工作任务，可满足从简单控制到全面控制及回路调节功能在内 的所有需要，还可以配置各类智能模板。 (5) s5-155u大型高档次plc，模板式结构。可配用4种处 理器，既可单处理器运行，也可多处理器运行，在多处理器运 行时应加配协处理器。它功能很强，可以完成最复杂的控制任 务，可以与上位机和现场控制器联网形成网络系统，也可插接 各种智能模板。s5-155u可以取代作为过渡型的s5-150u与s5- 135u。 (6) s5-155h大型高档次plc，它是由两台s5-155u构成的 双机冗余系统，用于对安全可靠性要求很高的场合。 西门子公司提供的setp 5编程软件包用于s5系列的plc程 序设计，可使用语句表、流程图和梯形图三种语言编程。 2) s7系列plc (1) s7-200系列小型号plc，整体式结构。有些型号的plc 只能单机运行，有些可另加输入/输出扩展单元，有的还可以接 特殊的功能扩展单元。它结构小巧，可靠性能高，运行速度快 ，指令丰富。s7-200小型plc的cpu已有两代，第一代cpu模块 为cpu21x，共有4种类型号的cpu；第二代cpu模块为cpu22x ，也有4种类型号的cpu。除个别cpu无扩展能力外，其他都有 很强的开关、模拟量i/o扩展能力，还有一些附加功能和较强的 通信能力。s7-200型可编程序控制器的点对点链接口(ppi)可以 连接编程设备、操作员界面和具有串行接口的设备，用户程序 有三级口令保护。 (2) s7-300系列中型plc，模块式结构。有8种不同性能档 次的cpu供用户选择。一般情况下，总有一种cpu能满足用户 的需要。s7-300的模板品种齐全，包括各种数字量和模拟量i/o 模块(包括用于危险场所的ex i/o型号)、功能模板、通信模板 等，以各种不同方式组合在一起，可将控制系统设计成完全符 合应用的需要。其指令系统包括350多条指令。s7-300一般称为 通用型plc，也是目前西门子公司产品中应用最广、市场份额 最大的机型。 s7-300系列plc采用板式结构，可以用模板上的凹槽，装 在din导轨上。系统配置灵活，有8种cpu模板及其他扩展板供 用户选择，能满足不同自动控制系统的要求，特别是机床设备 、包装机械、各种机械工程及楼宇自动化等。模板化、无排风 扇设计易于实现分布式控制系统结构。该系列plc是性能价格 比较高的设备之一。 s7-300系列plc的特点为： 配有8种不同档次的cpu：cpu 312ifm/314ifm/313/314/315/315-2dp/316-2dp/318-2dp。其中 带ifm的表示该cpu模板上集成有i/o接口和特殊功能；带2dp 的plc表示cpu模板上有现场总线profibus-dp的接口。 模板品种齐全，包括不同规格的数字量和模拟量i/o模板 、ex i/o模板、多种功能模板、通信模板、多机架连接用接口 模板等，能适应各种类型应用场合的需要。 扩展功能很强。单机架配置时，最多装8个模板，256个 i/o点；多机架配置时，最多可装1024个i/o点。若使用 profibus-dp的分布式系统，则最多可以连接65 536个i/o点。 很强的通信联网能力。多点接口mpi可用于s7-300 cpu 与 pg/pc、hmi以及其他simatic s7/c7/win ac自动化系统通信 ，最多可以连接32个mpi节点。用cpu上集成dp接口，s7-300 可以作为主机或从机接入profibus-dp现场总线。可利用mpi 、profibus和工业以太网进行组网等。 编程器pg可通过两种接口(mpi、dp)接入，可操作几个 cpu。 使用step 7或step-mini可对s7-300进行硬件组态和编程 ，step 7功能更强。 (3) s7-400系列大型plc，模块式结构。被称为功能最强大 的plc，适宜于自动化生产和过程控制中的高级控制场合。它 有多种不同性能档次的cpu可供选择。在一个s7-400中央控制 器中可包括多个cpu，可以使不同的功能分离开来。例如可以 用一个cpu完成实时处理功能，同时另一个cpu完成非实时功 能。另外，s7-400h是一种冗余的plc，s7-400f/fh是一种故障 安全型plc。 表2-2 s7系列可编程控制器性能简表 3) simatic的网络与监控系统 当需要通信的设备较少时，可以使用通信处理器实现经济 的点对点的连接；需要通信的设备较多时，可以通过sinec h1 、sinec l2或是sinec li和profibus局域网进行通信。sinec h1是一种标准的以太网，可选光纤电缆和同轴电缆，连接1024 个节点，传输距离4.6 km，可运行sinec h1-tf和sinec li- map协议，传输速率10 mb/s。 现场总线profibus(l2)可选双绞线或光纤电缆，可连接127 个节点，传输距离23.8 km(光纤电缆)/9.6 km (双绞线)，可运行 sinec l2-fms和sinec l2-dp协议，传输速率可达12 mb/s。 sinec l1是一种速度较低的廉价网络，sinec l2是介于l1 和h1之间的局域网，可以连接所有的自动化控制场合的过程控 制单元。 coros ls-b是功能强大的图形hmi系统，可实现图形化 的过程监控、数据采集、标准动态数据交换和指定文档的数据 管理功能。装有该软件的os-b操作站，可以直接连接到sinec h1高速以太网和sinec l2局域网上。 wincc是基于windows 95与windows nt的过程监控系统 软件。它具有高度的开放性和灵活的系统结构，使它能集成到 自动化系统和管理网络中去。它提供大量的组态工具，不仅能 提高组态效率，而且能生成具有windows风格的动态操作画面 。 2a-b公司的plc (1) slc-500系列。它包括： slc-500型，模块式结构， i/o点数2072； slc-5/01型，模块式结构，i/o点数4256 ； slc-5/02型，模块式结构，i/o点数4480。 slc-500系列虽属小型plc，但它的指令集功能很强，是引 自plc-5系列的先进指令系统，包括bcd二进制转换、文件 传送等。本系列plc都具有通信功能。 slc-500有多种处理器可供选择，存储器容量为160 kb 指令，本地i/o最大点数为52960点，扫描时间为0.98 ms。 dh-485接口是标准配置，slc-5/03和slc-5/04有一个rs-232c 接口，可以被设置为支持dh-485通信。 1746是专为slc-500设计的低成本、节约空间的输入/输出 模块，共有50种规格。 (2) plc-2系列。是a-b公司原先的plc产品，可经过通信模 块上网，配备了增强的指令系统，可以处理那些通常要求大型 plc才能完成的复杂控制过程。它有两类处理器模块：miniplc -2(支持最大离散i/o 256点、模拟量i/o 256路)和plc-2(支持最大 离散i/o1792点，模拟量i/o 400路)，供用户选择。可方便地组成 本地、远程或本地与远程组合的系统。 (3) plc-3系列。也是a-b公司原先的plc产品，可经过通信 模块上网，是一种大型模块式plc。支持多处理器运行，为大规 模工业应用而设计，具有8192个过程i/o控制点，最大模拟量i/o 达4096路，可用basic语言编程。显示面板便于系统设置、故 障排除、数据修改及状态显示，并具有实时的、完全的热备份 功能。 (4) plc-5系列。它是a-b公司当前主推的plc产品，是一 类从中型到大型模块式结构的plc，其功能齐备的各种模块是 通用的，按选用的处理器模块不同，构成不同的plc系统。它 的处理器模块内集成有通信机制及多种通信接口。plc-5系列 提供从plc-5/10至plc-5/60l共12种处理器模块供选择，支持的 i/o点数为2563072。这个系列的产品可方便地应用在生产、 过程控制等广阔的领域。plc-5系列具有闭环pid控制、数据文 件管理等功能，该系列将顺序控制、过程控制和数据处理等集 成于一体。各种plc-5系统处理器中，最大的存储容量为100 kb字，程序扫描时间为0.5 ms/kb(最小值)。 (5) micro logix 1000微型plc。micro logix 1000属微型可 编程控制器。其i/o数有16点、32点两种，输入可选ac 120 v和 dc 24 v。 通过控制器上的rs-232c接口，使用个人计算机上运行的 aps软件，可以对micro logix 1000编程，还可以选用 micro view操作员接口监视和控制系统。 (6) 通信网络。a-b公司的三级通信网络将控制系统中的设 备有机地结合为一个整体，过程控制数据与信息可以在可编程 序控制器、人机接口、变频器和集散控制系统(dcs)之间交换传 递。最上面一层网络是信息网(以太网)，用来连接数据高速公 路和厂区的通信网络，中间一层是控制网络(dh，controlnet)， 又叫过程网，用来实现plc与计算机之间的通信。 3日本三菱公司的plc (1) f1、f2和fx2、fx2n系列plc。继f系列之后，该公 司又推出了功能更强的f1、f2系列和fx2、fx2n等系列plc产 品。f、f1和f2等系列plc都是小型整体式结构，它们由基本 单元、扩展单元和特殊单元组成。每台plc都用一个基本单元 。使用扩展单元可以增加i/o点数。使用特殊单元可以增加控制 功能。它们的开关量i/o总点数为12120点，可进行多种组合 ，用模拟量单元可进行模拟量控制。近年推出的fx2系列和 fx2n系列是三菱公司的小型高性能整体式plc，它由基本单元 、扩展单元、扩展模块和特殊适配器单元组成，系统的最大i/o 点为256点。利用扩展模块，可以只增加输入点或输出点，从 而调节输入与输出的比例。fx2通过特殊模块，可以连接特殊 单元，进行一些特殊控制(模拟量控制、位置控制、可编程凸轮 控制)。 (2) a系列plc。三菱公司推出的a系列plc是一新型的带 有智能接口的plc。a系列产品包括有aoj2、a1、a2、a3系列 及a2a、a3a系列等，其中aoj2系列为单元式结构，a1、a2 、a3、a2a、a3a系列为模块结构。它们的最大i/o点分别是 aoj2系列336点，a1系列256点，a2系列512点，a3系列2048点 ，a2a系列512点，a3a系列2048点。a系列plc具有控制模拟 量系统的pid回路调节能力及很强的通信能力。它既有同轴电缆 通信接口，又有光纤通信接口。a系列可扩展的i/o网络，可实 现f、f1、f2系列和freqrol-z系列变换器之间的数据交换， 可与crt和计算机相连，并配有丰富的软件系统，拥有大量的 特殊功能模块。 (3) ans系列plc。a2as cpu(s1/s30)是一种经济、高性能 的微型模块式可编程控制器，由于使用三菱的顺序控制专用芯 片(msp)，其执行速度和功能可以和大型可编程控制器相媲美 。 ans系列有8种cpu可以供选择，最大可以提供2561024 个i/o点。处理速度为0.2 (s/步，可以使用的指令分别达到460条 以上和250条以上。不同的cpu，其用户程序存储器容量为8 30 k步ram或e2prom。 ans系列具有50余种特殊功能模块，如高速计数模块、模 拟量输入/输出模块、温度传感器模块、热电偶感应模块、脉冲 捕捉模块、模拟定时模块、高速中断模块、单轴/双轴/3轴位置 控制模块、计算机通信模块、modbus通信模块、智能通信模 块(用basic语言编程)、网络模块和以太网网络模块。 (4) q系列plc。三菱公司新推出的q系列大中型plc qna(q2a、q3a、q4a)，每步运算速度可高达0.075 (s。本地 i/o可达4096点，远程i/o点可达8192点。大部分a系列模块都可 兼用，将a系列程序转换后亦可用于qna系列。 (5) 三菱plc通信网络。三菱可编程控制器可以组成多级通 信网络，a4u、a2as等可编程控制器可以连接工厂级的以太网 或map(ieee802.4)网络。 melsecnet/10：令牌式网络。可使用光纤电缆或同 轴电缆，采用双环式或总线式结构，提供10 mb/s的高速数据传 送。 melsecnet/：光纤电缆或同轴电缆，采用双环式网 络。高可靠性，最多64个子站和1个主站，最大传送速率1.25 mb/s，传送距离500 m(同轴电缆)/1 km(光纤电缆)。 melsecnet/b：双绞线总线式经济型网络，最多32个 站，最大传送速度1 mb/s,传送距离1200 m(总长)。 cc-link：双绞线总线网，最多64个站，1.2 km为156 kb/s，100 m为10 mb/s。可加备用主站，有网络监控功能。已有 30多家公司成为cc-link产品的合作开发伙伴。属三菱系列中应 用最广的一类网络。 i/o link: 双绞线总线网，方便灵活的输入/输出端子连 接网络，用于连接远程i/o装置。每一主模块可控制128个i/o点 ，刷新时间为5.4 ms。 4日本欧姆龙公司的plc (1) c系列plc。omron c系列plc有微型、小型、中型和 大型4大类十几种型号。微型plc以c20k、c20h、c20p和c20 为代表，是整体结构，i/o容量为十几点，最多可扩充到120点。 小型plc又分为c120h、c120和c200h三种，c120最多可控制 256点i/o，是紧凑型整体结构。而c200h虽然也是小型plc，但 它是紧凑型模块结构，最多可控制384点i/o，同时还可以配置智 能i/o模块，是一种小型高功能plc。中型plc有c500h、c500 和c1000h三种，i/o容量分别为512点和1024点。此外，c1000h plc采用多处理器结构，功能齐全而且处理速度快。大型plc如 c2000h，i/o点数可达2048点，同时多处理器和双冗余结构使得 c2000h不仅功能全、容量大，而且速度快。 c200hx/hg/he是中型模块式可编程控制器，最大i/o点数 为6401184点。cpu单元有内置的上位机连接端口，可以安装 一块有六种类型可供选择的通信板。pc卡单元可以使用市场上 销售的各种价格便宜的pcmcia卡，如以太网卡和存储器卡。 c200hx/hg/he的特殊i/o单元有模拟量i/o单元、模糊逻辑 单元、温度传感器单元、温度控制单元、凸轮定位单元、数据 设定器、pid控制单元、高速计数单元、ascii单元、id传感器 单元、语音单元和运动控制单元等。 (2) cv/cvm1系列plc。cv/cvm1系列是大型模块式可编 程序控制器，可提供模拟量输入/输出单元、模糊控制器单元、 温度传感器单元、高速计数单元、凸轮控制单元、ascii单元 、模拟定时单元、双轴运动控制单元、温度控制单元、pid控 制单元、位置控制单元、id传感器单元、语音单元、中断用输 入/输出单元和通信用单元。 (3) cs1系列plc。cs1系列是中型模块式可编程控制器， 指令处理速度高达0.04 s/条，内置rs-232c接口和实时时钟， 通过以太网接口可用e-mail进行远程访问。多任务程序结构提 高了开发效率和系统响应的速度。 (4) cqm1型小型plc。cqm1型的cpu单元有16个内置的 输入点，内装高速计数器和1个rs-232c接口，最大i/o点数为 256点。 cqm1-cpu42-e提供4个通道的模拟设置功能，cqm1- cpu44-e具有两个绝对编码器(abs)端口，可以直接从绝对型旋 转编码器接收信号。 (5) cpm1a/2a/2c系列微型plc。cpm1a/2a/2c系列体积 小巧，cpm1a-10的正面尺寸仅67 mm90 mm，i/o点数有10、 20、30、40点四种；cpm2a的i/o点数有30、40、60点三种。 cpm1a/2a/2c具有中断输入、脉冲锁存输入、高速计数、间隔 定时器中断和模拟量设定功能。cpm2a/2c内置rs-232c接口 和实时时钟，有软pid功能。 使用rs-232c或rs-422通信适配器，可以实现与上位机的 链接通信、plc之间的通信和plc与pt(可编程终端)的通信， 通过compobus/s从机接口，cpm2a可实现分布控制。 (6) srm1系列微型可编程控制器。现场总线compobus/s的 主控制器，体积小，可控制256个i/o点，有外部中断输入、高 速计数器和模拟量设定功能。 表2-3 omron公司plc性能指标 (7) 通信网络。控制器链接(controller link)网络是一种点对 点的计算机网络，它采用双绞线电缆，由个人计算机上的控制 器链接支持版和c200hx/hg/he或cv系列上的控制器链接单元 组成。 compobus/d是符合device net标准的多主控总线，device net是a-b公司制定的标准的开放式网络，最多可接63台从机， 最高通信速率为125 kb/s(干线最长100 m时)，网络最长可达500 m(125 kb/s时)。 compobus/s是高速on/off总线，在最大1 ms通信扫描周 期内可与最多32个从站通信，交换256点数据，干线最长100 m ，可对i/o点进行分散控制。 5ge fanuc公司的plc (1) 90mt-30系列plc。90mt-30(简称90-30)系列用于取 代继电器控制系统和中型自动化控制系统。90-30系列的cpu 内装pid控制、中断控制、轴定位、高速计数、basic和c语 言协处理及genius通信等功能模块。 ge fanuc公司为用户提供了连接其他厂家工业设备的接口 和应用软件包，包括隔离式模拟量输入/输出模块、热电阻/热 电耦输入模块、步进电机定位模块、dos协处理器模块、pid 控制模块等。 90-30系列可编程序控制器的cpu模块有5种规格可供选择 ，最大开关量为1604096点，最大模拟量通道数为322048个 ，用户程序存储器容量为680 kb。指令执行速度为5.56104 5.56106 条/秒。 各种cpu模块均有高速计数器、轴定位模块、口令功能、 serial-snp和genius lan 通信模块，cpu331、341和351模块还 有rtu和ccm通信模块。 90-30系列可编程序控制器可以使用运行在个人计算机上的 logicmaster 90-30组态软件和手持式编程器。 (2) 90tm-70系列plc。90tm-70(简称90-70)系列是大型高性 能可编程序控制器，它的机架总线采用开放的vme总线结构 ，可以安装超过300家公司的vme标准模块。通过genius lan 连接90-30系列的i/o机架、field control现场控制模块、genius i/o模块等，可以构成功能极强的控制系统。cpu模块中有两 个微处理器，一个用于处理模拟量和一些特殊功能控制，另一 个是布尔运算协处理器，用于处理高速的开关量控制。90-70 系列最大开关量i/o点数为12 888点，最大模拟量i/o点数为 8192点，cpu的内存可以从32 kb扩展到1 mb，布尔指令运算 速度为2.5106 条/秒。它可以响应开关量中断或模拟量中断， 可以处理64个事故中断和16个时间中断。cpu模块内的实时钟 ，可以构成双总线的系统冗余配置。 表2-4 常见可编程序控制器基本技术指标一览表 表2-4 常见可编程序控制器基本技术指标一览表 2.3 硬件电路设计 1常用i/o模块的选择 (1) 数字量输入模块。与数字量输入端相连的输入设备可以 是各种开关量，例如转换开关、按钮、限位开关、接近开关、 继电器触点或编码盘等，它们所连的电源可以是交流的，也可 以是直流的。 数字量输入模块可以分为直流输入模块和交流输入模块。 (2) 数字量输出模块。数字量输出模块用于驱动外部负载， 如继电器、电磁阀等。数字量输出模块按输出类型可分为继电 器型、晶体管型和可控硅型。 (3) 模拟量输入模块。连接到模拟量输入接线端的模拟量 信号经过模块内的模/数转换器转换成数字量，用来检测温度 、压力、流量等模拟量信号的大小。不同的模块所能连接的模 拟量输入通道也不同。常见的有： 电流/电压测量信号。 温度测量信号。 (4) 模拟量输出模块。模拟量输出模块接收的是cpu传送 出来的数字量，在经过该模块内的数/模转换器转换后得到供 输出的模拟量信号。输出的模拟量大小正比于该模块所接收到 的数字量，用于驱动执行机构的动作。一般模拟量输出模块输 出的电压变化范围为15 v、1010 v，电流变化范围为4 20 ma、2020 ma。 2plc系统的配置 plc系统配置的主要内容就是箱体和模块的选择，选哪些 、怎么选、选多少、怎么组合成系统，就是系统配置的中心问 题。 plc系统配置可分为基本配置、扩展配置和特殊配置。 系统配置的基本原则为： (1) 完整性原则。 (2) 可靠性原则。 (3) 发展性原则。 (4) 继承性原则。 (5) 经济性原则。 系统配置的一般步骤为： (1) 按照系统的i/o总数和规模，大致确定可选用的厂家产 品和机型。确定时要遵循发展性和继承性原则，既要能满足系 统的控制要求，又应有良好的性能价格比。 (2) 估算i/o点数及模拟量路数，并确定要选用的机型。 (3) 依照完整性原则计算出所需的模块数后，应注意加上一 定的裕量，一般为20%。这时plc机型和i/o模块的选择方案可 能有多个。 (4) 计算各个方案的投入费用，并依经济性原则选择其中最 优的方案。 (5) 在确定了控制对象的控制任务以后，首先进行的是控 制系统工作流程设计，用流程图明确各信息流之间的关系，然 后具体安排输入、输出的配置。 输入、输出的配置一般分为以下两个步骤： 输入点的配置及地址编号。为便于程序的编写，输入点 配置可按下述原则处理：把所有控制按钮、限位开关等分别集 中配置，同类型的输入点尽可能分在一组内，若输入点有多余 ，则可将某一个输入模块的输入点分配给一台设备或机器；使 用模块式结构的可编程控制器时，尽量将具有高噪声的输入信 号分配到远离cpu模块插槽的输入模块上。 输出点的配置及地址编号。输出点的配置及地址编号的 原则是：同类型设备占用的输出点最好地址相对集中；按照不 同类型的设备，顺序地指定输出点地址号；若输出点有多余， 则可将某一个输出模块的输出点分配给一台设备或机器；对彼 此相关的输出器件，如电动机正、反转，电磁阀控制的前进与 后退等，其输出地址号最好连写。在有些可编程控制器中，输 出点是分组的，在这种情况下，具有相同驱动电源要求的被控 组件可集中分在同一组中。 当输入、输出配置及地址编号确定后，即形成了i/o表。 i/o表是用户编程的重要依据，是可编程控制器系统用户程序软 件与硬件电路的连接纽带。 3硬件电路设计 系统配置结束后，就要参照每个模块的实际电路连接要 求，将开关量、模拟量的输入和输出点依次连到这些模块的 接线端。注意：不同的plc生产厂家的端子板连接方法是不 同的，应特别注意电源等级、公共端等的连接方法。这个步 骤要细心，应先查阅各厂家plc的每个型号的i/o接线图，严 格按接线图接线。i/o模块所需的电压等级也要预先由配电系 统分类提供。 2.4 plc的软件设计 2.4.1 plc应用软件设计内容 用户软件设计首先是根据被控对象的控制要求及系统功能 要求，为应用软件的编程提出明确的目的、依据、要求和指标 ，编制出软件编程说明书。然后在软件编程说明书的基础上使 用相应的编程语言(指令)进行程序设计。为此，其内容应包括 ：可编程控制器用户软件功能分析和设计；程序结构；程序设 计等。 1软件功能分析和设计 (1) 控制功能：控制功能是可编程控制器应用软件的主要部 分，系统正常工作的控制功能由该部分实现。 (2) 操作功能：操作功能指的是人机界面，通常单台可编 程控制器控制时，不必多做考虑。但当可编程控制器多机联网 时，特别在工业局域网中应用时，操作功能的程序设计问题就 必须加以考虑。当然，在工业局域网中，大多包括有计算机， 此时操作功能往往可由计算机实现。 (3) 自诊断功能：自诊断功能包括可编程控制器自身工作 状态的自诊断和系统中受控设备工作状态的自诊断两部分。目 前大多数可编程控制器自身都有较完善的自我诊断功能，用户 程序中自诊断主要是指判断受控设备的工作状态等。 2程序结构的分析和定义 模块化的程序设计方法，是可编程控制器应用程序设计的 最有效、最基本的方法。程序结构分析和设计的基本任务就是 以模块化程序结构为前提，以系统功能要求为依据，按照相对 独立的原则，对每一个模块提供软件要求和编程说明。 2.4.2 plc程序设计的方法与步骤 1程序设计步骤 plc程序设计可按以下步骤进行： (1) 确定被控系统必须完成的动作及完成这些动作的顺序 。 (2) 分配输入/输出设备，即哪些外围设备是送信号到plc 的，哪些外围设备是接收来自plc信号的，并将plc的输入、 输出口与之对应进行分配。 (3) 程序框图设计。根据工艺要求，绘制出程序流程图及 各功能单元的详细功能框图。 (4) 应用程序的编写。先画出梯形图，梯形图能体现出按 照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系，比直接设计 语句表更方便快捷。 (5) 程序调试。在计算机上对plc 的梯形图用软件直接转 换成对应的语句表，打印出完整程序。若没有转换软件，可 对梯形图进行人工转换。然后将语句表输入plc，对程序进行 调试。 (6) 保存已完成的程序，编写程序说明书。 以上六步中，前两步属程序设计前的准备工作。编程准 备工作包括对整个系统进行更加深入的分析和理解，弄清楚 系统要求的全部控制功能，以硬件设计为基础，确定出软件 的功能和作用。 2应用程序的编写 plc控制系统是以程序形式来体现控制功能的，系统设计 的大量工作时间将用在软件设计，也就是程序设计上。对于初 次搞毕业设计的人，程序设计可采用继电接触器系统设计方法 中的逐步探索法，以步为核心一步一步设计下去，逐步修改调 试，直至完成整个程序的设计。 在进行梯形图软件设计时，应根据设计出的框图和腹稿逐 字逐句地编写控制程序。它是整个设计工作的核心部分，为了 提高编程效率，应熟练掌握利用移位寄存器编写顺序控制程序 的编程技巧及一些基本电路的编程方法，如启动自保电路、正 反转控制电路、单脉冲电路、周期性脉冲序列发生器、闪烁电 路、定时计数电路，它们都是构成复杂控制程序的基本单元。 另外还可以参考继电器控制的电路图来设计。而在一些典型线 路的基础上，可根据被控对象对控制系统的具体要求进行修改 和完善，得到符合控制要求的梯形图。也可以借鉴别人已编好 的程序，对程序段中相同或相似的程序进行复制，以起到事半 功倍的效果。 3编程注意事项 (1) 不能简单地按电气原理图的方式编程，梯形图不同于一 般的继电接触器线路图，必须按梯形图的自身规则执行。在画 梯形图时要注意每个从后边母线开始的逻辑行必须终止于一个 继电器线圈或定时器、计数器，这与实际的电路图不同。 (2) 由于plc内部继电器数量较大，其接点在内存允许的情 况下可重复使用，具有存储数量大，执行速度快等特点，为缩 短设计周期、减少费用，推荐应大量使用。 (3) 在plc中有不少指令的执行是以跳变信号作为触发条件 的，它与电平触发有本质的区别。例如移位寄存器移位cp和计 数器的计数cp均为跳变触发信号。当电平保持不变时，无论是 高电平还是低电平，移位寄存器和计数器的状态均不会变化。 只有当cp端接收到跳变触发信号(从“0”变为“1”)时，移位寄存器 和计数器才分别进行移位和减一计数。还应指出，对于脉冲输 入信号，plc对其有脉宽要求。如果输入脉冲的脉宽小于plc工 作扫描周期，则脉冲信号将可能未被采集而丢失。 (4) plc程序检验时，经常会出现线圈重复输出的错误提示 ，原因是在编写的程序中出现了同一编号元素有两次以上的输 出。一般情况下，plc程序不允许出现重复输出，即一个线圈被 禁止重复使用两次以上。 4程序调试 梯形图画好后，使用各厂家提供的梯形图编辑软件将梯形 图输入计算机，并通过串行口连接专用电缆线(通信适配器)将 程序装到plc进行模拟调试。如没有专用传递线，可将梯形图 自动转换为语句表，用手持编程器将语句逐行输入plc，反复 进行调试修改，直到完全符合控制要求。 程序的许多功能是在测试中修改和完善的，测试时先从各 功能单元入手，输入信号，观察输出信号的变化情况，如plc 上发光二极管的闪亮情况，必要时可以借用某些仪器仪表。各 功能单元测试完成后，再连通全部程序，测试各部分的接口情 况，直到满意为止。 毕业设计时，一般都是在实验室里进行模拟测试，在外围 设备缺少的情况下，可用一些钮子开关和按钮的开断来模拟转 换开关、行程开关的现场输入动作，观察相应输出板上的发光 二极管是否闪亮。只要按工艺要求，预期输出端的发光二极管 能闪亮，而且接线正确，就基本上可以表明程序设计思路和方 法切实可行。 对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运 行是否符合程序功能图的要求，即检查是否发生步的活动状态 的正确变化，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。 2.5 设计实例：3.5/360 m水泥回转窑电控系统 2.5.1 水泥回转窑工艺概况 水泥生产是由原料预处理(均化、破碎