基于plc磨线机的设计毕业论文

I 摘摘要要 随着自动控制理论和 PLC 技术的发展，具有易于使用、功能强大、高可靠性、扩 展能力强、广泛的适用性和组成控制系统的简洁性等诸多优点的 PLC 控制技术，得到 了越来越广泛的应用。 本论文基于 PLC 的磨线机控制系统项目为背景，从 PLC 控制系统设计的角度， 探讨 PLC 控制技术的应用， 实现了基于 PLC 的磨线机控制系统的设计，包括系统的 总体设计、硬件设计、软件设计和通讯网络设计。在该系统的总体设计中，提出了分 多段打磨的线径加工方法，分析了线径检测计算原理；硬件的设计又包括 PLC 设备 选型、I/O 分配、PLC 接线图、线径检测器、模拟量输入模块、伺服放大器等内容；软 件的设计包括多个模块的 PLC 程序的设计、多个画面的人机界面的设计、通讯网络的 设计包括上位机控制系统的工业以太网的组成、下位机 profibus 通讯组成。最终完成 PLC 对磨线机的设计。 关关键键词词：PLC，磨线机，控制系统，通讯网络 II Abstract Along with the automatic control theory and the development of PLC technology, with easy to use, powerful function, high reliability, strong expanding capacity, wide applicability and composition control system has many advantages such as simplicity of the PLC control technology, has been used more and more widely. This paper based on PLC grinding machine control system project as the background, from the PLC control system design point of view, explore the application of PLC control technology, based on the realization of the PLC grinding machine control system design, including the systems overall design, hardware design, software design and communication network design. In the overall design of the system, presents more polished wire processing method, analysis of wire diameter detection calculation principle; hardware design and equipment selection, including PLC I/O, PLC distribution wiring diagram, wire diameter detector, an analog input module, a servo amplifier and so on; software design includes a module of PLC program design, multiple screen man-machine interface design, design of a communication network includes a host computer control system industrial Ethernet composition, PC and PROFIBUS communication. Finish PLC on grinding machine line design. Key words: PLC, grinding machine, control system, communication network III 目目录录 摘摘要要.I 第第 1 章章 绪绪论论.4 1.1 PLC 控制技术的产生和发展 4 1.2 PLC 国内外的应用现状 2 1.3 PLC 控制技术与其他控制技术的异同 .3 1.3.1 PLC 控制技术与继电器控制技术的异同 .3 1.3.2 PLC 控制技术和通用计算机控制技术的异同 .4 1.3.3 PLC 控制技术与单片机控制技术的异同 .4 1.3.4 PLC 控制技术与 DCS 控制技术的异同 4 1.4 磨线机控制系统的研究背景、研究现状及研究意义 5 1.5 本章小结.6 第第 2 章章 PLC 控控制制系系统统设设计计的的方方法法 .6 2.1 PLC 的结构和工作原理6 2.1.1 PLC 的基本结构 .7 2.1.2 PLC 的工作原理 .8 2.1.3 PLC 的编程语言 .9 2.2 PLC 控制系统的组成 10 2.3 PLC 控制系统的设计原则 10 2.4 PLC 控制系统的设计步骤 10 2.5 PLC 控制系统硬件设计 12 2.5.1 PLC 机型选择 .12 2.5.2 I/O 模块及点数的选择 12 2.5.3 存储容量的选择 12 2.5.4 特殊功能模块的选择 13 2.6 PLC 控制系统软件设计13 2.6.1 PLC 程序设计步骤.13 2.6.2 PLC 程序设计方法.14 2.6.3 人机界面设计15 2.7 PLC 控制系统通讯网络设计.16 2.7.1 PLC 与计算机通讯16 2.7.2 PLC 网络技术 .17 2.8 本章小结 .18 IV 第第 3 章章 磨磨线线机机控控制制系系统统的的设设计计与与实实现现 19 3.1 磨线机系统的构成以及工作原理 .19 3.1.1 磨线机系统组成 .19 3.1.2 磨线机系统的工作原理 .20 3.2 磨线机控制系统总体设计 21 3.2.2 线径检测计算方法 .22 3.2.3 系统闭环控制原理 .22 3.3 磨线机控制系统硬件设计 23 3.3.1 PLC 设备选型及 I/O 分配.23 3.3.2 PLC 接线图 .24 3.3.3 线径检测器.25 3.3.4 模拟量输入模块 .26 3.3.5 伺服放大器.27 3.4 磨线机控制系统软件设计与实现 27 3.4.1 磨线机控制系统 PLC 程序的设计思想.27 3.4.2 磨线机控制系统的 PLC 程序 32 3.4.3 磨线机控制系统人机界面 .41 3.5 磨线机 PLC 控制系统网络通讯设计 .49 3.5.1 磨线机 PLC 控制系统通讯网络硬件配置 .49 3.5.2 采用 RS232 实现三菱 FX2N 系列 PLC 与 PC 之间的通讯 49 3.6 本章小结 .51 第第 4 章章 总总 结结.52 致致谢谢.53 参参考考文文献献.54 V 第第 1 章章 绪论绪论 随着微电子技术 、 控制技术及信息技术的不断发展 ， PLC（Programmable Logic Controller，即可编程逻辑控制器）控制技术也得到了迅速的发展。本章首先讲 述了 PLC 控制技术的产生、发展、国内外应用现状、与其他控制技术的区别；然后介 绍了基于 PLC 的磨线机控制系统的来源、研究背景、研究现状及研究意义。 1.1 PLC 控制技术的产生和发展控制技术的产生和发展 在早期的工业控制中，多采用继电器控制系统，这种系统体积大、耗电多，改变 生产程序非常困难。为改变这种状况， 20 世纪 60 年代末期，美国通用汽车公司 （GM）提出需求，公开招标。随后，美国数字设备公司（ DEC）研制出了世界上第 一台可编程控制器，并成功的应用于汽车生产线上 。随后，日本、德国等相继引入 PLC 技术，许多知名公司的加入使得 PLC 技术得到了迅速的发展，如：日本的三菱、 松下、OMRON；德国的西门子、BBC 等公司。目前，全世界约有 200 多家公司从事 PLC 的研究与制造，生产着 400 多个系列的产品。 早期的可编程控制器指令系统简单，只能完成顺序控制，一般只具有逻辑运算、 定时、计数等功能。随着微电子技术、控制技术与信息技术的不断发展， PLC 也在不 断发展。20 世纪 80 年代后期，以 16 位和 32 位微处理器构成的微机化 PLC 得到了巨 大的发展，使其在概念上、设计上、性价比等方面都有了很大的突破。可编程控制器 具有了浮点运算、函数运算、高速计数、中断计数、 PID 控制及联网等功能，这些都 使得 PLC 技术的应用范围和领域不断扩大。 1.2 PLC 国内外的应用现状国内外的应用现状 自动化正以超快速增长的趋势成为现代社会不可或缺的部分，也成为制造商快速 服务全球市场的关键。 我国工业发展及自动化应用水平与工业发达国家相比有几十年的滞后，按目前的 经济形势分析，我国将迎来一个 PLC 市场高速增长的时期。基于中国经济稳定迅速增 长的现状，今后若干年内中国 PLC 市场将保持持续高速增长。相关数据显示，初步估 计目前在我国本土销售的 PLC 总量为 3040 亿元人民币(不含随进口主设备配套的 PLC)，年增长率为 1520%。巨大的市场需求为发展 PLC 业务提供了难得的历史机 遇，国内有实力的自动化公司应充分利用在市场、技术、行业影响和品牌等方面的积 累，大力拓展 PLC 业务，使国产 PLC 早日成为中国 PLC 市场的主要参与者之一。 目前，PLC 的应用已不局限于传统制造领域， PLC 的控制技术在各行业已得到成 功的运用，在国内，杨健等人引进 PLC 控制技术，设计了水净化工艺控制系统， PLC 在该系统的水净化过程中控制加药加氯动作，实现了水处理系统的自动化，减轻了工 2 人的劳动强度，取得了不错的效果；在裂纹检测领域，王建国等人设计的基于PLC 的裂纹检测台，很好的发挥了 PLC 控制系统的稳定性、智能化的优点，在太阳能开发 领域，耿立明等人成功设计了基于 PLC 的太阳能热水器控制系统，在该系统中， PLC 通过控制液位、电源的通断、采集温度和风压等数据实现了自动控制的功能；在煤炭 生产领域，吕书勇利用 PLC 控制技术的优点，设计的基于 PLC 的焦化备煤控制系统， 实现了金马焦化厂备煤过程，满足了生产需要，提高了企业生产效率；在汽车轮毂等 转轴零件的检测中取得了良好效果；在垃圾处理领域，郭瑞国设计的基于PLC 的垃 圾焚烧炉控制系统，发挥了 PLC 控制系统稳定、可靠、便于操作、易于控制的优点， 保证了垃圾焚烧炉安全经济运行、炉温稳定、尾气污染控制达标；在船舶领域，董猛 利用 PLC 控制技术抗干扰能力强，组成的控制系统硬件电路结构简单等特点，实现船 舶主机遥控系统的主要功能，设计了基于 PLC 的船舶主机遥控系统，特别适合于在中、 小型船舶上应用，也可应用于在航船舶的主机遥控系统的改造设计中。 在国外，D.W.Russell 在设计的工厂信息系统中，将 PLC 应用于采集、预处理并 传送实时数据给计算机，节约了成本，保证了系统的稳定性，收到了很好的效果； Atef A.Ata 等人在机器人应用于颜色识别的研究中也成功引入了 PLC 技术。在生物研 究领域，Frederico 等人为了研究微生物在不同浓度氧气环境中的生长和生产情况，在 使用的带氧化功能的生物反应器中， PLC 被用来自动控制氧气的浓度，获得了成功的 应用。 1.3 PLC 控制技术与其他控制技术的异同控制技术与其他控制技术的异同 随着电子技术和信息技术的飞速发展，出现了多种实用的控制技术 ，如继电器控 制技术、计算机控制技术、单片机控制技术及 PLC 控制技术，DCS 控制系统技术等， 每种控制技术有各自的优缺点和应用领域。 1.3.1 PLC 控制技术与继电器控制技术的异同控制技术与继电器控制技术的异同 在 PLC 的编程语言中，梯形图是用得最多的语言。 PLC 的梯形图与继电器控制线 路图比较相似，信号的输入 /输出形式及控制功能也相同，但 PLC 的控制与继电器的 控制又有不同之处，主要体现在以下几个方面。 （1）控制逻辑：继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触头的串联或 并联以及时间继电器的延时等组合成控制逻辑。其缺点是接线复杂，增加或改变功能 都非常困难，继电器触头数目也有限。而 PLC 利用其内部存储器，以程序方式将控制 逻辑存储在内存中，通过改变程序就可以很方便的改变控制逻辑，另外，软继电器触 头数一般都非常多，因此 PLC 控制逻辑的灵活性和扩展性都很好。 （2）控制速度：继电器控制是通过继电器机械触头的动作来实现，触头的开闭动 作一般在几十毫秒数量级。而 PLC 通过程序指令控制半导体电路来实现控制逻辑，一 3 般一条指令的执行时间在微秒数量级。 （3）限时控制：继电器控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制，但其 定时精度不高，易受环境影响，调整比较困难。 PLC 使用半导体集成电路定时器，定 时精度高，定时范围可从 0.001s 到若干分钟，通过编写程序来进行定时控制，非常方 便。 （4）计数控制：继电器控制逻辑一般不具备计数的功能，而 PLC 能通过程序方 便的实现计数功能。 （5）可靠性和可维护性：继电器控制逻辑使用了大量的机械触头，触头开闭时产 生的电弧容易损坏触点，因此可靠性和可维护性都比较差。而 PLC 采用无触点的半导 体电路来代替继电器触点，因而不存在上述缺陷。 PLC 还带有自检功能，为现场的调 试和维护提供了方便。 （6）价格：继电器控制逻辑多使用机械开关、继电器等，功能简单，价格比较便 宜。而 PLC 多使用集成电路，价格相对比较昂贵。 1.3.2 PLC 控制技术和通用计算机控制技术的异同控制技术和通用计算机控制技术的异同 PLC 是专门为工业控制环境而设计的，而通用计算机是专门为科学计算和数据处 理等而设计的，两者采用的都是计算机结构，但两者设计的出发点不同，因此也存在 许多的差异，主要体现在以下几个方面： （1）应用范围：通用计算机除了应用在控制领域外，还大量应用在科学计算、数 据处理、计算机通信等方面。而 PLC 主要用于工业控制领域。 （2）使用环境：通用计算机对环境要求高。而 PLC 能适用于环境差的工业现场。 （3）程序设计：通用计算机具有丰富的程序设计语言，如汇编语言、 C 语 言等， 能实现复杂的应用，对编程者要求高。而 PLC 能提供的编程语言少，逻辑简单，容易 学习和使用。 （4）运算速度和存储容量：随着各种电子技术的发展，通用计算机运算速度越来 越快，一般在微秒级，存储容量也在增大。而 PLC 相对通用计算机运算速度要慢，其 编程的软件少，编程简短，内存容量也很小。 （5）价格：通用计算机功能多，硬件复杂，而 PLC 相对功能单一，因此在价格 上一般 PLC 要比通用计算机便宜。 1.3.3 PLC 控制技术与单片机控制技术的异同控制技术与单片机控制技术的异同 单片机控制技术一般用于数据采集和工业控制，单片机在配置上比 通用计算机简 单，价格上相对便宜，但它和通用计算机一样，也不是专门为工业现场控制所设计的。 与通用 4 计算机一样，单片机编程复杂、不易掌握，需要处理大量 I/O 接口，其输出口驱 动负载能力较弱，要驱动工业负载需要复杂的外围电路。单片机控制技术的突出优点 在于它具有较强的数据处理能力，但工业控制过程要处理的是大量的开关量，因而运 用在工业现场控制中单片机的长处得不到发挥，其可靠性也远不如 PLC。一般单片机 控制技术仅使用于比较简单的工业控制过程和数据处理能力要求比较高的场合。 PLC 控制技术与单片机控制技术相比较而言，更适合于工业现场过程控制，但其 数据处理能力不如后者。所以二者各有所长，不能互相替代。 由此可见，随着 PLC 的成本降低及数据处理能力的增强，在工业现场控制方面， PLC 控制技术面对其他的控制技术的挑战将会一直具有自身的优势。因此，掌握 PLC 控制技术对于工业控制技术人员来说是必不可少的技能之一。 1.3.4 PLC 控制技术与控制技术与 DCS 控制技术的异同控制技术的异同 PLC 控制和 DCS 控制系统不是一个逻辑层次上的概念，从名称上就能看出 :PLC 是以功能命名，DCS 是以体系结构命名。从原理上看 PLC 就可以组成 DCS。当然两 者性能差异还是存在的，要具体看产品和需要。从应用角度来说，简单地以 PLC,DCS 来区分，往往会走人误区。 DCS 控制系统与 PLC 控制区别: DCS 是一种“分散式控制系统”，而 PLC(可编程控制器)只是一种控制“装置”，两 者是“系统”与“装置”的区别。系统可以实现任何装置的功能与协调 ,PLC 装置只实现本 单元所具备的功能。 DCS 网络是整个系统的中枢神经 ,DCS 系统通常采用的国际标准协议 TCP/IP。它 是安全可靠双冗余的高速通讯网络，系统的拓展性与开放性更好 .而 PLC 因为基本上 都为单个小系统工作，在与别的 PLC 或上位机进行通讯时，所采用的网络形式基本都 是单网结构，网络协议也经常与国际标准不符。在网络安全上 PLC 没有很好的保护措 施。 DCS 整体考虑方案，操作员站都具备工程师站功能，站与站之间在运行方案程序 下装后是一种紧密联合的关系，任何站、任何功能、任何被控装置间都是相互连锁控 制，协调控制;而单用 PLC 互相连接构成的系统，其站与站 (PLC 与 PLC)之间的联系 则是一种松散连接方式，做不出协调控制的功能。 DCS 在整个设计上就留有大量的可扩展性接口，外接系统或扩展系统都十分方便， PLC 所搭接的整个系统完成后，想随意的增加或减少操作员站都是很难实现的。为保 证 DCS 控制的设备的安全可靠,DCS 采用了双冗余的控制单元，当重要控制单元出现 故障时，都会有相关的冗余单元实时无扰的切换为工作单元，保证整个系统的安全可 靠。PLC 所搭接的系统则需要配置双 PLC 实现冗余。对各种工艺控制方案更新是 DCS 的一项最基本的功能，当某个方案发生变化后，工程师只需要在工程师站将更改 5 过的方案编译后，执行下装命令就可以了，下装过程是由系统 白动完成的，不影响 原控制方案运行。系统各种控制软件与算法可以将工艺对象的控制精度提高。而对于 PLC 构成的系统来说，工作量极其庞大，首先需要确定所要编辑更新的是哪个 PLC，然后要用与之对应的编译器进行程序编译，最后再用专用的机器 (读写器)一对 一的将程序传送给这个 PLC，在系统调试期间，大量增加调试时间和调试成本，而且 极不利于日后的维护。在控制精度上相差甚远。这就决定了为什么在大中型控制项 目中(500 点以上)，基本不采用全部由 PLC 所连接而成的系统的原因。 DCS 系统所有 I/O 模块都带有 CPU，可以实现对采集及输出信号品质判断与标 量变换，故障带电拔，随机更换。而 PLC 模块只是简单电气转换元，没有智能芯片， 故障后相应单元全部瘫痪。 1.4 磨线机控制系统的研究背景、研究现状及研究意义磨线机控制系统的研究背景、研究现状及研究意义 东莞建通电子五金有限公司（台资企业）光纤部门负责生产光纤接头中的陶瓷插 针（圆柱型），贯穿陶瓷插针圆柱顶面至底面有一百微米左右的均匀圆孔（用于光的 传输），此圆孔需要有锥度的金属细线穿孔，而市场上只能提供粗细均匀、无锥度的 金属细线。该公司以前采用化学腐蚀的方法来加工金属细线，由于化学腐蚀的非均匀 性，加工的金属细线品质差，达不到厂家的要求，致使陶瓷插针成品合格率低。正是 在上述背景下，以该公司委托设计的磨线机控制系统为具体的研究内容，提出了基于 先进的 PLC 控制技术来设计磨线机的控制系统。 经过调研，目前国内生产打磨金属细线机器的厂家还非常的少；在 国外，生产此 类设备的厂家主要集中在欧美等少数国家，如瑞士的 MICROCUT 公司。总的来说， 应用 PLC 控制技术来打磨金属细线的设备还非常少，因此，本项目的研究对 PLC 控 制技术应用于此领域具有一定的参考意义。另外，经过某公司一年多的生产运行，该 系统打磨的金属细线满足厂家的 要求，加工的陶瓷插针成品合格率高，仅此一项，厂 家每年可节约成本约 100 万元。 1.5 本章小结本章小结 本章首先对 PLC 控制技术的产生、发展和国内外应用现状作了些探讨，并和其他 控制技术作了详细的比较；然后介绍了磨线机控制系统项目的来源、背景、国内外研 究现状、研究意义等。 6 第第 2 章章 PLC 控制系统设计的方法控制系统设计的方法 将 PLC 控制技术应用于工程的过程即是设计基于 PLC 的控制系统的过程。基于 PLC 的控制系统的设计在不同的应用中会有不同，如简单的应用可能只需设计 PLC 的输入/输出模块的功能，而复杂的应用可能需要设计 PID 控制及 PLC 联网等复杂功 能。 本章旨在探讨一种广泛适用的 PLC 控制系统设计方法，在完成本章内容的过程中， 参考了大量的国内外 PLC 控制系统设计的应用实例。 2.1 PLC 的结构和工作原理的结构和工作原理 PLC 是基于 PLC 的控制系统的核心部分，设计基于 PLC 的控制系统先要理解 PLC 的结构和工作原理。 2.1.1 PLC 的基本结构的基本结构 PLC 的组成与计算机十分相似，主要由中央处理器（ CPU）、存储器、输入/输出 （I/O）接口、电源等部分组成，如图 2-1 所示。 图 2-1 PLC 基本结构图 （1）中央处理器（CPU）：CPU 是 PLC 的核心，控制从编程器键入的用户程序 和数据的接收与存储；用扫描的方式通过 I/O 部件接收现场的状态或数据；诊断 PLC 内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；执行用户程序、完成各种数据的运算、 传递和存储等功能；根据数据处理的结果，刷新相关标志位的状态和输出状态寄存器 的内容，实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。现代 PLC 常用的 CPU 有通用 微处理器、单片微处理器和位片式微处理器。 （2）存储器：根据存储器在系统中的作用， PLC 存储器包括系统存储器和用户 7 存储器两部分。系统存储器用来存放系统程序，并固化在 ROM 中，用户不能直接更 改。用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）两部分。用 户程序存储器用来存放根据具体的控制任务编写的 PLC 程序，需要经常 调试、修 改，存储器类型一般为 RAM（有掉电保护）、EPROM 或 EEPROM 等。用户功能 存储器则一般用来存放用户程序中使用的状态变量、数值数据等。 （3）输入/输出（I/O）接口：PLC 通过 I/O 接口与外界连接，输入接口接收和采 集开关量输入信号或模拟量输入信号，如按钮、行程开关、电位器、传感器等；输出 接口连接被控对象中的各种执行元件，如电磁阀、指示灯、电机等。 （4）电源：小型 PLC 内部有一个开关式稳压电源，一般可以为输入电路和外部 的电子传感器提供 24V 直流电源。 （5）通讯：用户用 HMI 设备与 PLC 之间的通讯网络，一般用工业以太网或者 profibus-DP。 2.1.2 PLC 的工作原理的工作原理 PLC 从硬件结构上看与计算机组成相似，它 也有中央处理器（CPU）、 存储器、 I/O 接口、电源等。PLC 有两种操作方式：RUN 方式与 STOP 方式。在 RUN 方式， 通过执行用户程序来实现控制功能；在 STOP 方式，CPU 不执行用户程序，可用编 程软件创建和编辑用户程序，并将用户程序下载到 PLC 中。 PLC 的工作过程可以 概括地归纳为上电初始化， CPU 自诊断过程 ，网络通信处理，用户程序扫描，输入 /输出信息处理等五个阶段。图 2-2 为 PLC 的工作过程示意图。 图 2-2 PLC 的工作过程 （1）上电初始化：PLC 上电后进行系统初始化，清除内部继电器区，复位定时 器等，对电源、PLC 内部电路、用户程序的语法进行检查。 （2）CPU 自诊断：PLC 在每个扫描周期都要进入 CPU 自诊断阶段，以确保系 统可靠进行。自诊断程序定期检查用户程序存储器、 I/O 单元的连接、I/O 总线是否 8 正常，定期复位监控定时器等。 （3）网络通信处理：配有网络的 PLC 系统才有此处理过程。在这个阶段，进行 PLC 之间以及 PLC 与计算机或其他终端设备之间的信息交换。 （4）用户程序扫描阶段：PLC 靠执行用户程序来实现控制要求。 PLC 的 CPU 采 用分时操作的原理，其工作方式是一个不断循环的顺序扫描过程，扫描从第一条用户 程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增的方式顺序逐条扫描用 户程序，也就是顺序执行程序，直到程序结束，即完成一个扫描周期，然后又从头开 始执行用户程序，并周而复始地重复。 （5 ）输入/输出信息处理：PLC 在正常运行状态下，每一个扫描周期都要进行输 入、输出信息处理。PLC 在内存中设置了两个映像区：一个为输入映像区，另一个为 输出映像区。此过程以扫描的方式把外部输入信号的状态存入输入映像区；将运算后 的结果存入输出映像区，直至传送到外部被控设备。 2.1.3 PLC 的编程语言的编程语言 PLC 的逻辑控制功能是通过编程语言来实现的。一般来说，有五种 PLC 编程语 言 顺序功能图、功能块图、梯形图、指令表和结构文本，其中最常用的是顺序功能 图编程语言和梯形图编程语言，下面具体介绍这两种编程语言。 （1） 顺序功能图（SFC） 图 2-3 顺序功能图 顺序功能图（Sequential Function Chart，SFC）是为了满足顺序逻辑控制而设计的 编程语言。编程时将顺序的动作流程分成步和转换条件，如图 2-3 所示，根据转换 条件一步一步的按照顺序动作来执行控制过程。图中每一步代表一个控制功能任务， 每个控制任务可以有一个或者多个动作。每一步用一个方框表示，在方框内有用于完 成相应控制功能任务的梯形图逻辑。顺序功能图使程序的结构清晰，易于阅读和维护， 步1 步3 步2 动作1 动作2 转换条件1 转换条件2 9 减轻了编程、调试的工作量，主要应用于系统的规模较大、程序关系较复杂的场合 。 （2）梯形图（LD） 梯形图（Ladder Diagram，LD）是 PLC 程序设计中用得最多的一种编程语言。 梯形图采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。在 PLC 梯形图中使用的内部继 电器、定时器、计数器等都是由软件来实现的，因而使用方便，修改灵活。梯形图与 继电器控制系统的电路图非常相似，在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻 辑控制技术较为熟悉，因此，易于掌握和学习梯形图，使得梯形图得到了广泛的应用。 图 2-4 为一个简单的三菱 FX2N 系列 PLC 梯形图示例。 图 2-4 三菱系列 PLC 梯形图 2.2 PLC 控制系统的组成控制系统的组成 PLC 控制系统主要由硬件部分和软件部分组成。 （1）硬件部分 PLC 控制系统的硬件部分不仅包括符合系统控制要求的 PLC 机型、存储器容量、 输入/输出模块、电源模块、通信模 块、模拟量输入/输出模块和 其他特殊功能模块 等，还包括合适的外围装置，如输入设备（按钮、开关、传感器等）、输出设备（接 触器、继电器等）和执行装置控制的现场设备（电机、水泵、阀门等）。 （2）软件部分 PLC 控制系统软件部分包括对 I/O 地址、内部继电器、定时器、计数器的使用 和分配，根据要求设计的 PLC 控制程序及人机界面等、组态硬件，编写程序；也就 是通常我们所说的上位机程序和下位机程序。 2.3 PLC 控制系统的设计原则控制系统的设计原则 PLC 控制系统是为现场工艺控制服务的，其设计一般应遵循以下几个原则： （1）根据工艺流程进行设计，保证能满足控制对象的工艺要求，能按照工艺流程 准确、可靠的工作。 （2）在满足控制要求的前提下，设计合理、经济，既要能发挥 PLC 控制技术的 优点，又要尽量减少 PLC 系统硬件的费用。 （3）PLC 控制系统的可靠性、抗干扰性、接地系统的设计 （4）要考虑 PLC 控制系统未来的可扩展性。 （5）控制系统的构成应力求简单、实用，操作、维护、检修方便，安全可靠。 10 2.4 PLC 控制系统的设计步骤控制系统的设计步骤 图 2-5 PLC 控制系统设计步骤示意图 图 2-5 为 PLC 控制系统设计的一般步骤，具体分析如下： （1）分析控制要求：在设计 PLC 控制系统之前，要深入了解和分析被控对象的工艺 要求和控制要求，设计出令人满意的控制系统。 （ 2）确定输入/输出设备：根据控制要求选择合适的输入 /输出设备（控制按钮、 开 关、传感器等）和输出设备（接触器、继电器等），并确定 PLC 所需的 I/O 点数。 （3）选择合适的 PLC：根据所需的 I/O 点数和具体 PLC 控制系统的功能要求，选择 类型合适的 PLC，需要考虑 PLC 的机型、存储容量、电源模块和其他功能模块等。 （4）I/O 分配：规定 PLC 的 I/O 端子和输入/输出设备之间的对应关系，绘制出 I/O 端子的连接图。 （5）PLC 程序设计：根据控制对象和控制要求对 PLC 进行编程。在 PLC 程序设计阶 段一般先画出程序流程图，再编写程序。 （6）模拟调试：可以用按钮、开关来模拟数字量，用电压源和电流源来代替模拟量， 对程序反复调试、修改，直到满足控制要求。 （7）现场安装与配线：将输入 /输出设备与 PLC 之间的连线接好。 （8）联机调试：将 PLC 程序与现场的输入/输出设备一起进行调试，解决发现的问题， 11 使系统满足控制要求。 （9）整理技术文档：要整理的技术文档包括设计说明书、 I/O 接线原理图、程序清单、 元器件明细表、使用说明书等。 2.5 PLC 控制系统硬件设计控制系统硬件设计 在 PLC 控制系统的设计中硬件设计和软件设计是两个主要部分。 PLC 控制系统的硬件设计主要指硬件的选型、外部电路的设计及 PLC 接线图的 绘制等，其中 PLC 及其功能模块的选择又是硬件设计中首要考虑因素，也是本节 PLC 控制系统硬件设计的主要探讨内容。 2.5.1 PLC 机型选择机型选择 在考虑 PLC 机型时，在满足系统功能的前提下，选择最可靠、使用和维护方便 及性价比最优的机型。 PLC 机型一般分为整体式和模块式结构，对于控制过程比较简单的系统一般选用 低档整体式结构机型；对于控制过程比较复杂、控制功能要求较高的系统，如要求实 现 PID 运算、环控制、通信联网等，可根据控制规模及复杂的程度，选用中档或高档 模块式结构机型，便于功能的扩展。 另外，由于 PLC 是直接针对工业控制设计的一 种控制器，生产厂家在设计时都把它考虑成能在恶劣的环境条件下可靠的工作。尽管 如此，不同的 PLC 还是有不同的环境技术条件，因此，在设计控制系统时，对环境 条件要进行充分的考虑。 2.5.2 I/O 模块及点数的选择模块及点数的选择 PLC 控制系统与工业生产过程的联系是通过 I/O 接口模块来实现的。PLC 输入 端子从现场收集的信息及输出端子输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离，为 了确保这些信息的准确无误， PLC 的 I/O 接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据 实际应用的不同，PLC 相应有许多种 I/O 接口模块，包括开关量输入模块、开关量 输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块，可根据实际需要进行选择使用。 I/O 点数的确定既要尽可能的降低费用，又要充分考虑一定的余量。一般 I/O 点 数较多，PLC 价格也较高，若备用的 I/O 点数量太多，将使成本增加。根据被控对 象的输入、输出 总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常 I/O 点数按实际需要的 10%20% 考虑备用量。 2.5.3 存储容量的选择存储容量的选择 PLC 用户程序所需的存储容量主要与系统的 I/O 点数、控制要求、编程者的编 程水平等有关。一般情况下， PLC 的存储容量随着机型的大小变化，小机型 PLC 的 12 最大存储容量一般低于 6KB，中等机型的 PLC 最大存储容量一般可到 64KB，而大 机型的 PLC 最大存储容量可达到上兆字节。 选择存储容量时一般只能做大致的估算：用户存储容量开关量输入点数 10 开关量输出点数5模拟量输入/输出点数100（字节）。为了使用的方便，一般也 应留有估算容量的 30%50%的余量。 2.5.4 特殊功能模块的选择特殊功能模块的选择 模块式结构的 PLC 有许多扩展功能模块可供选择。在设计 PLC 控制系统时， 可能会遇到用开关量 I/O 模块或模拟量 I/O 模块不能解决的问题，如 A/D 转换、 D/A 转换、高速计数、PLC 通信、PID 运算等，此时可根据控制系统的功能需求来 选择合适的特殊功能模块。 2.6 PLC 控制系统软件设计控制系统软件设计 PLC 控制系统软件的设计主要包括 PLC 程序设计和人机界面设计。 2.6.1 PLC 程序设计步骤程序设计步骤 图 2-6 为 PLC 程序设计的基本步骤，具体分析如下： （1）前期准备工作：这一步主要是详细分析控制系统的工艺流程和控制要求，了 解各种被控设备的特性。如果控制系统比较复杂，可以将控制系统分成多个模块，这 样有利于简化编程。 （2）程序逻辑流程图设计：根据控制系统工艺要求和控制系统的具体情况，确定 程序的逻辑流程图。如果是分模块设计，分别设计各模块的逻辑流程图，然后确定各 模块之间的连接关系。程序流程图是 PLC 编程的主要依据，要尽可能详细。 （3）编写程序：根据设计出的流程图来编写程序，这是整个 PLC 程序设计的核 心部分。在保证程序准确、可靠的同时，要及时地对编出的程序进行注释，便于阅读、 调试和修改程序。 （4）模拟调试：程序编写完成后，可借助于电压源、电流源、开关等设备来进行 程序的模拟调试。可分单元或分模块来调试程序，然后对整个程序进行调试。 （5）现场联机调试：将 PLC 程序与现场的输入/输出设备一起进行调试，及时 解决发现的问题，这是整个控制系统设计中的重要环节，只有经过现场调试，才能确 定控制系统的设计是否满足控制要求。 （6）整理技术文件：对软件部分来说，技术文件主要包括 PLC 程序、逻辑流程 图、使用说明书和帮助文件等。 13 图 2-6 PLC 程序设计图 2.6.2 PLC 程序设计方法程序设计方法 在实际工程中，PLC 程序设计有多种方法，如：经验设计法、顺序功能图设计法、 逻辑流程图设计法、解析法（逻辑设计法）、时序图设计法等，前三种方 法比较常 用。 （1）经验设计法 经验设计法是根据系统工艺流程和控制要求，运用自己的或者别人的经验来设计 PLC 程序。有时为了得到一个好的设计结果，需要进行多次调试和修改。这种设计方 法具有一定的局限性和随意性，设计所需的时间和设计的质量都与设计者的经验有很 大的关系。经验设计法一般用于对简单的控制系统的 PLC 程序设计，可以收到快速 14 完成的效果。对于比较复杂的控制系统，则很少采用经验设计法。 （2）顺序功能图设计法 对于按动作的先后顺序进行控制的系统，适合使用顺序功能图法进行 PLC 程序 设计。顺序控制就是按照生产工艺规定的动作顺序，在各个输入信号的作用下，根据 内部状态和时间的顺序，各个执行机构有序的进行操作。 顺序功能图主要由步、有 向连线、转换、转换条件和动作（或命令）组成，如图 2-3 所示为顺序功能图的表示 方式。步又可称为工作步，它表示系统中的一个稳定状态；转换条件就是从一个步向 另一个步转移时的触发条件；两个步之间用有向连线表示转换；在每个稳定状态（即 一个步）下，可以有一个或者多个 PLC 输出触点的动作。采用顺序功能图设计法时， 首先要理顺系统的工艺控制过程，明确 各步的转换条件；然后准确的画出顺序功能图， 是使用这种设计方法的关键；最后根据顺序功能图来编程（一般 用梯形图）。要用 好顺序功能图设计法，重要的是熟练掌握功能 图的画法及根 据功能图编程的方法。 （3）逻辑流程图设计法 流程图即流程框图或称为框图，它是用约定的几何图形、有向线和 简单的文字 说明来描述控制系统的处理过程和程序的执行步骤。流程图从结构上分有单一顺序流 程图、并发顺序流程图及选择顺序流程图等。 2.6.3 人机界面设计人机界面设计 在某些场合的 PLC 控制系统的设计中，需要有方便用户操作的人机界面。人机界 面的功能有：一是通过人机界面，满足 用户方便的与机 器“交流”；二 是通过人 机界 面中诸如仿真动画、实时数据显示等，用户可以获得系统执行过程中的一些重要 信息；三是用户可以通过人机界面选择命令、键入数据或设置参数等方式来调整控制 系统的执行。 在人机界面设计时，通常需要考虑以下几点： （1）使用对象：控制系统的使用对象不同，要求也会不同。在生产一线的工人通 常要求设计的界面简单，容易掌握，提示功能丰富；具有一定专业技术知识的人员， 通常要求界面尽可能多的包含有用信息量。 （2）学习的难易程度：在人机界面设计时，要尽可能的有形象提示，让用户花少 量的时间就能掌握。 （3）人机界面的控制方式：人机交互方式有多种类型，如对话方式、命令语言方 式、菜单界面方式、功能按键方式、填表式界面及图形符号界面等。通常在实际项目 中用得最多的是菜单界面方式和功能按键方式。 （4）编程语言的选择：人机界面的设计可使用常用的计算机语言，如 VB、VC、DELPHI 等，也可使用工业组态软件来设计。设计人员可根据实际情况来选 择。 15 （5）硬件的选择：人机界面的开发需要有硬件的支持，如计算机、触摸屏等，可 根据系统的实际情况和要求来选择。 2.7 PLC 控制系统通讯网络设计控制系统通讯网络设计 2.7.1 PLC 与计算机通讯与计算机通讯 为了适应 PLC 网络化要求，扩大联网功能，几乎所有的 PLC 为了适应可编程控 制器网络化的要求，扩大联网功能，几乎所有的可编程控制器厂家，都为可编程控制 器开发了与上位机通讯的接口或专用通讯模块。一般在小型可编程控制器上都设有 RS422 通讯接口或 RS232C 通讯接口；在中大型可编程控制器上都设有专用的通讯 模块。如：三菱 F、F1 、F2 系列都设有标准的 RS422 接口，FX 系列设有 FX- 232AW 接口、RS232C 用通讯适配器 FX-232ADP 等。可编程控制器与计算机之间的 通讯正是通过可编程控制器上的 RS422 或 RS232C 接口和计算机上的 RS232C 接口 进行的。可编程控制器与计算机之间的信息交换方式，一般采用字符串、双工或半、 异步、串行通信方式。因此可以这样说，凡具有 RS232C 口并能输入输出字符串的计 算机都可以用于和可编程控制器的通讯。 运用 RS232C 和 RS422 通道，可容易配置一个与外部计算机进行通讯的系统。该 系统中可编程控制器接受控制系统中的各种控制信息，分析处理后转化为可编程控制 器中软元件的状态和数据；可编程控制器又将所有软元件的数据和状态送入计算机， 由计算机采集这些数据，进行分析及运行状态监测，用计算机可改变可编程控制器的 初始值和设定值，从而实现计算机对可编程控制器的直接控制。 通讯方式 面对众多生产厂家的各种类型 PLC，它们各有优缺点，能够满足用户的各种需求， 但在形态、组成、功能、编程等方面各不相同，没有一个统一的标准，各厂家制订的 通信协议也千差万别。目前，人们主要采用以下三种方式实现 PLC 与 PC 的互联通信： 通过使用 PLC 开发商提供的系统协议和网络适配器，来实现 PLC 与 PC 机的互联 通信。但是由于其通信协议是不公开的，因此互联通信必须使用 PLC 开发商提供的上 位机组态软件，并采用支持相应协议的外设。可以说这种方式是 PLC 开发商为自己的 产品量身定作的，因此难以满足不同用户的需求。 使用目前通用的上位机组态软件，如组态王、 InTouch、WinCC、力控等，来实 现 PLC 与 PC 机的互连通信。组态软件以其功能强大、界面友好、开发简洁等优点目 前在 PC 监控领域已经得到了广泛的应用，但是一般价格比较昂贵。组态软件本身并不 具备直接访问 PLC 寄存器或其它智能仪表的能力 ,必须借助 I/O 驱动程序来实现。也 就是说，I/O 驱动程序是组态软件与 PLC 或其它智能仪表等设备交互信息的桥梁，负 责从设备采集实时数据并将操作命令下达给设备，它的可靠性将直接影响组态软件的 16 性能。但是在大多数情况下， I/O 驱动程序是与设备相关的，即针对某种 PLC 的驱动 程序不能驱动其它种类的 PLC，因此组态软件的灵活性也受到了一定的限制。 利用 PLC 厂商所提供的标准通信端口和由用户自定义的自由口通信方式来实现 PLC 与 PC 机的互连通信。这种方式由用户定义通信协议，不需要增加投资，灵活性 好，特别适合于小规模的控制系统。 通过上述分析不难得出，掌握如何利用 PLC 厂商提供的标准通信端口和自由口通 信方式以及大家所熟悉的编程语言来实现 PC 与 PLC 之间的实时通信是非常必要的。 2.7.2 PLC 网络技术网络技术 在工业控制中，对于控制任务的复杂控制系统，不可能单靠增大 PLC 的输入、输 出点数或改进机型来实现复杂的控制功能，于是便想到将多台 PLC 相互连接形成网络。 要想使多台 PLC 能联网工作，其硬件和软件都要符合一定的要求。硬件上，一般要增 加通信模块、通讯接口、终端适配器、网卡、集线器、调制解调器、缆线等设备或器 件；软件上，要按特定的协议，开发具有一定功能的通讯程序和网络系统程序，对 PLC 的软件、硬件资源进行统一管理和调度。 PLC 网络系统 根据 PLC 网络的连接方式，可将其网络机构分为总线结构、环形结构和星形结构 三种基本形式，如图 2 所示，每种结构都有各自得优点和缺点，可根据具体情况选择。 总线结构，以其结构简单、可靠性高、易于扩展，被广泛应用。如下图 2-8、2-9 所示： 17 图 2-8 环形结构图 图 2-9 星形结构图 2.8 本章小结本章小结 本章首先介绍了 PLC 的基本结构和工作原理；然后主要分析了 PLC 控制系统 的组成、PLC 控制系统的设计原则和设计步骤、 PLC 控制系统的硬件设计和软件设 计的一些要点，及 PLC 网络通讯系统为后续章节的磨线机控制系统的设计做好准备。 18 第第 3 章章 磨线机控制系统的设计与实现磨线机控制系统的设计与实现 本章介绍磨线机的控制系统，并根据磨线机的 I/O 点与存储容量选择 PLC，对磨 线机进行系统的总体设计，分模块理解磨线机的工作原理，从而进行软件设计、人机 界面设计以及通讯部分的设计。