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第一章. 绪论可编程控制器(programmable controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。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，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 1.1 plc的特点可靠性高，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，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。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。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。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。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。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。1.2 plc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。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。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。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。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的应用。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。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。第二章、plc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，如图所示： 一. 中央处理单元(cpu) 中央处理单元(cpu)是plc的控制中枢。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，然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或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，如此循环运行，直到停止运行。 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。 二、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。 三、电源 plc的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的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 第三章、plc的工作原理一. 扫描技术 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。 (一) 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。 (二) 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。 (三) 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。 第四章、plc目前的主要品牌松下，西门子，三菱，欧姆龙，台达，富士，施耐德，ab 等第五章. plc电梯设计在电梯控制系统中，采用plc构成的系统具有故障率低，可靠性高，维修方便等优点。在本实验室中就是采用omron的plc作为电梯教学模型的制装置。电梯模型控制系统可分为逻辑控制部分和调速部分。逻辑部分选用高可靠性的plc，利用软件逻辑控制，具有硬件简单、工作可靠等特点。调速部分的性能对电梯运行时乘客的舒适感有着重要影响，该教学模型调速部分是通过高性能的变频器控制电梯升降电机来实现的，变频器的频率输出和正反转则由plc的输出来控制。2 系统结构整个硬件系统由一个8层电梯教学模型、一个与之相配套的专用实验操作箱、变频器、以及用作控制装置的plc组成。系统的硬件构成如图1所示。我们所用的电梯模型为8层，它由轿箱、开关门机构、升降电机、以及模型本身的控制系统组成。为了突出电梯运行控制这一重点，该电梯模型实验装置的楼层显示，电梯轿箱内楼层指示灯，均已由电梯模型实验箱完成,而各楼层电梯操作面板上的按钮指示灯则需由用户控制，这就是为了适合1台控制器同时控制多台电梯模型运行的情况。升降电机以给定的速度和转向运转。图1 系统的硬件组成此模型共需有34点指令信号和20点以上的控制输出信号，他们分别是:(1) 每层楼上、下请求按钮指令信号，共14点(除去1楼下请求和8楼上请求)。(2) 每层楼的楼层限位开关指令信号，共8点(3) 轿箱内8层楼楼层按钮指令信号，共8点。(4) 开、关门按钮指令信号，共2点。(5) 上下请求指示灯信号，共14点(除去1楼下请求和8楼上请求)。(6) 开、关门控制信号，共2点。(7) 变频器正、反转信号，变频器频率选择信号，共4点。其中(1)(4)为输入信号，(5)(7)是输出信号。plc根据现场信号的状态决定开门、关门，并决定发给调速系统(变频器)的速度选择信号。在进行plc控制系统硬件设计时，首先是确定现场输入、输出信号的类型、作用和数量，再选择plc的型号，在这里我们选择了日本omron公司c200h的plc来对电梯教学模型进行控制。3 电梯定向逻辑电梯的定向是根据电梯的上行请求信号、下行请求信号、电梯轿箱内请求信号、电梯当前所处位置等信号来确定电梯继续运行的方向。电梯的定向是电梯控制中的重要逻辑。在以往电梯的定向逻辑中，一般都是将电梯各个层的上、下行请求信号、电梯轿箱内楼层请求信号、电梯当前楼层信号等综合到一条或几条语句中进行判断。这样一来，当楼层数目比较大时，每条语句的编程元件很多，不可避免的带来程序复杂，容易出错，调试麻烦，运行速度慢等问题。以下提出的用逻辑运算指令来进行电梯定向的方法可以比较好的解决该问题。(1) 状态转换方式电梯的方向只有上升、下降2个方向，但电梯也可能由于没有任何的上升或者下降请求信号而处于停止状态。在电梯的方向处理过程中，电梯只能在上升状态和停止状态或者下降状态与停止之间转换，例如当电梯由上升状态转为下降状态时必须先由上升状态转换为停止状态以后再由停止状态转为下降状态。这样的处理方式对电梯的运行是很有意义的，以往的电梯控制系统中，当电梯响应完某个方向上的所有信号后，若所有剩余的信号都是反方向的，电梯立刻改变方向，此时，在原方向前方若出现新的呼叫信号，电梯将不会立刻应答，只是记忆该呼叫信号，而去响应换向后的方向上的呼叫信号，这样既不符合电梯选层的优先原则，又不能有效的节约能源。采用图2所示的状态转换方式，电梯在响应完某个方向上的所有信号后并不是立刻反向，而是保持该状态等待一段时间后进入停止状态，然后再反向响应相反方向的呼叫信号。对保持时间进行合理的选择，完全可以做到既不会使得电梯的换向过程显得迟钝，又能有效的响应同方向的新呼叫信号。图2 电梯的状态转换从上面的分析可以看出，由于电梯的上升与下降状态之间需要通过“停止状态”该中间状态来转换，故在电梯的方向判断逻辑中需要考虑以下几种情况:(2) 电梯处于上升状态在该状态下，当前楼层的上面有上升请求，当前楼层的上面有下降请求或者电梯轿箱内请求在当前楼层的上面，3个条件有1个和多个成立时，电梯继续处于上升状态;当以上3种条件都不满足时，电梯经过一段定时时间后进入停止状态。(3) 电梯处于下降状态在当前楼层的下面有下降请求，当前楼层的下面有上升请求或者电梯轿箱内的请求在当前楼层的下面时，电梯继续处于下降状态;当以上3种条件都不满足时，电梯经过一段定时时间后进入停止状态。(4) 电梯处于停止状态在当前层之上有下降、上升的请求信号或者电梯轿箱内楼层请求信号在当前层的上面则置电梯为上升状态;相反，若在当前层之下有下降、上升的请求信号或者电梯轿箱内楼层请求信号在当前层的下面则置电梯为下降状态。3.1 电梯定向逻辑电梯定向逻辑在程序处理上使用omron的c系列的plc所具有的逻辑运算功能可以大大简化程序的开发过程，并使程序的运行更加有效。将dm0000作为电梯上行的记忆信号。将它低8位中的一位用作表示该层有没有上行请求信号产生且被接纳。第一位代表电梯1楼上行请求信号，第二位代表电梯2楼的上行请求信号，依此类推。程序开始时首先将dm0000的低8位全部置为“0”，然后判断在每一层是否又有上行请求信号，如果有，就将该层对应的位置为“1”，否则就置该层对应的位为“0”。同理可以将电梯的下行信号记忆到dm0001的低8位中，将电梯当前的位置保存在dm0002的低8位中，将电梯的轿箱内的请求信号保存在dm0003的低8位中。电梯处于上升状态时方向判断相对简单，只需将保存当前电梯位置dm0002与dm0000(记忆上行请求)、m0001(记忆下行请求)、dm0003(记忆轿箱内楼层请求)作比较就可以简单的判断在当前楼层之上有无上行请求、下行请求或者轿箱内楼层请求是否在当前层之上，从而决定电梯是否继续上升。当电梯处于下降状态和停止状态时的方向判断则比较复杂一些，以下只以电梯处于下降状态时为例来进行说明。为了判断电梯在当前楼层以下是否有请求，在程序中用到了另外一个dm单元(dm0004)来保存电梯的当前位置，但该单元的存储方式则与dm0002完全不同。电梯当前所处的楼层和dm0004的低8位数据的对应关系如附表。dm0004与dm0000作“与”操作，则可以屏蔽当前楼层以上的所有上行请求，而保留当前楼层以下的所有上行请求。 若“与”后的结果不为零，则表示在当前楼层的下面仍然有上行请求存在，若“与”后的结果为零，则表示当前楼层以下已经没有上行请求存在了，程序如图3所示。用相同的方法可以判断在当前楼层的下面是否存在下行请求和轿箱内的楼层请求信号。综合以上3个判断结果就可以判断电梯是否继续处于下降状态。若电梯继续下降的条件不成立，则电梯经过一段定时后进入停止状态。附表 电梯当前所处楼层与dm0004低8位的对应关系电梯处于停止状态时的方向判断的程序编制方法与电梯处于下降时有很大的相视之处，限于文章的篇幅就不在详细叙述。 4 电梯调速在电梯控制系统中，电梯速度的控制是一个重要而难以解决的问题。电梯的速度控制对乘坐者的舒适感影响很大，又影响电梯的精确定位。在该电梯教学模型的控制系统中选用日本panasonic交流马达变频调速器v700t750b1来控制电梯的速度。当plc完成定向后，向变频器发出方向使能的速度信号，变频器依据设定的速度及加速度值启动电机，达到最大速度后匀速运行。当电梯响应呼叫，到达目的层的减速点时，plc切断高速度信号输出，此时变频器以设定的减速度将最大速度减至爬行速度。在减