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本科毕业论文本科毕业论文 基于基于 PLC 的电机控制系统的研制的电机控制系统的研制 DEVELOPMENT OF THE MOTOR CONTROL SYSTEM BASED ON PLC 学 院： 电气与信息工程学院 专业班级： 电气 09-7 学生姓名： 指导教师： 2013 年 6 月 3 日 安徽理工大学毕业设计 I 基于 PLC 的电机控制系统的研制 摘要 电动机作为电力系统中的主要负载，电机用户消耗了超过 1/2 的系统负荷，但 从机电能量转化的角度来看，大多数电机的效率仍然偏低。随着工农业的不断发展， 对电动机运行的要求也不断提高，很多的生产过程中都要求电动机能根据不同的工 况，运行在不同的速度状态下。随着科学技术的不断发展，微电子技术、计算机技 术和自动控制技术也得到了迅速发展，PLC、变频器和电气控制系统在工业中的应用 越来越广泛。在实际的工程应用中往往是根据工程项目的需要，用 PLC 进行编程实 现复杂控制，利用变频器实现变频调速和软启动控制，利用电气控制系统实现主电 路的连接，三个系统要密切配合才能实现控制要求。 本设计将在 PLC 电控系统的基础上配合变频调速装置，运用现在先进的矢量控 制技术，实现提升电机在不同时间阶段运行在不同速度下。 关键词：关键词：PLC，变频器，三相交流异步电动机，变频器，三相交流异步电动机 安徽理工大学毕业设计 II DEVELOPMENT OF THE MOTOR CONTROL SYSTEM BASED ON PLC ABSTRACT Motor as the main load in the power system, motor users consumed more than 1/2 system load, but the electromechanical energy conversion point of view, the majority of the motor efficiency is still low. With the continuous development of agriculture and industry, the motor is running, a lot of the production process requirements of the motor according to different conditions, run at a different speed. With the continuous development of science and technology, microelectronic technology, computer technology and automatic control technology has been rapid development of the PLC, inverter and electrical control system is more widely applied in industry. In practical engineering applications, often according to the needs of the project, with the PLC programming to implement complex control, the inverter frequency control and soft start control, electrical control system to achieve the main circuit connection, the three systems should closely cooperate to achieve the control requirements. The design will be on the basis of the PLC electric control system with frequency control devices, the use of advanced vector control technology to achieve to enhance the speed of the motor at different times and stages. KEYWORDS: PLC,inverter,three-phase ac asynchronous motor 安徽理工大学毕业设计 i 目录 摘要 .I ABSTRACT.II 1 绪论.1 1.1 引言.1 1.2 PLC 控制的交流电动机变频调速系统简述.1 1.3 PLC 控制的交流电动机变频调速系统的发展与现状.2 1.4 PLC 与电气控制的结合运用.2 1.4.1 PLC 与电气控制相结合的优点 .3 1.4.2 PLC 与电气控制发展的方向 .3 1.5 课题研究设计的目的和意义.5 2 PLC 的基础知识 .6 2.1 PLC 的概述.6 2.1.1 PLC 的定义 .6 2.1.2 PLC 的特点 .7 2.2 PLC 的基本构成.8 2.2.1 中央处理模块.8 2.2.2 存储器模块.9 2.2.3 输入/输出（I/O）模块 .9 2.2.4 电源模块.10 2.2.5 外部设备.11 2.3 PLC 的工作原理.11 2.3.1 PLC 的循环扫描的工作方式 .11 3 三相交流异步电动机的基本原理.14 3.1 三相交流异步电动机的结构.14 3.2 三相交流异步电动机工作原理.14 3.2.1 旋转磁场的产生.14 3.2.2 三相异步电动机的转差率.16 3.3 三相交流异步电动机控制电路.17 3.3.1 三相异步电动机启动控制.17 3.3.2 三相异步电动机正反转控制.19 3.3.3 三相异步电动机制动控制.19 3.3.4 三相异步电动机变频调速和变频器控制.20 安徽理工大学毕业设计 ii 4 提升电机系统模型的设计.22 4.1 提升电机对电气控制系统的要求.22 4.2 提升电机模型基于 PLC 电机调速控制系统方案设计.23 4.3 系统总体设计方案.24 4.3.1 选择机型.24 4.3.2 系统控制结构.24 4.3.3 系统接线图.24 4.3.3 控制系统 I/O 点 .26 4.4 设计步骤.26 4.5 系统流程框图.26 4.6 系统硬件部分设计.27 4.6.1 变频器参数设置表.27 4.6.2 输出规格及标度变换.27 5 系统软件部分设计.29 5.1 STEP7-MICRO/WIN32 简介 .29 5.2 系统程序主体.30 5.2.1 系统控制主程序.30 5.2.2 020 秒上升加速子程序.31 5.2.3 3040 秒减速子程序.32 5.2.4 6065 秒减速子程序.33 6 系统调试程序及结果.34 6.1 系统调试过程.34 6.2 系统调试结果.34 结论.35 参考文献.36 致谢.38 安徽理工大学毕业设计 1 1 绪论 1.1 引言 电动机作为电力系统中的主要负载，电机用户消耗了超过 1/2 的系统负荷，但 从机电能量转化的角度来看，大多数电机的效率仍然偏低。随着工农业的不断发展， 对电动机运行的要求也不断提高，很多的生产过程中都要求电动机能根据不同的工 况，运行在不同的速度。早期工业生产中，对于一些要求调速精度高的系统，采用 了直流电动机，但直流电动机存在启动转矩小，换向电刷容易老化产生火花等问题。 人们又根据交流电动机的运行特点，得出了传统的交流电动机调速方法，是利用转 子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统，设备陈旧、技术落后。 随着微电子技术、计算机技术和数字通信技术的高速发展，PLC 产品高度融合了计 算机产业最先进的技术与工业自动控制的经典理论，在其功能及性能指标上得以丰 富和完善，从而突破了传统 PLC 的概念，在中、小型控制领域内极大地扩展了其应 用范围。在特定的范围内，高性能价格比己成为新型 PLC 的最突出的特点。PLC 以 其高可靠性、适应性强和使用方便等突出优点在自动化控制领域应用广泛。 1.2 PLC 控制的交流电动机变频调速系统简述 所谓交流电动机的变频调速，是利用电动机转速的规律： (1-1) 0 60 f n p 对电动机的速度进行调节，本次毕业设计选用的是交-直-交变频器。工作原理是， 先通过半导体器件组成的整流电路，把三相电源转换成直流电。然后，再把直流电 逆变成所需频率的交流电，从而达到控制电动机转速的目的。 现在通用变频器大都是采用二极管整流器和由全控开关器件 IGBT 或功率模块组 成的 PWM（脉宽调制）逆变器，构成交-直-交电压源型变压变频器，他们已经占据 了全世界 0.5 到 500kVA 中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。所谓“通用” ， 包含着两方面的含义：一是可以和通用的鼠笼型异步电动机配套使用；二是具有多 种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。 PLC（可编程控制器）的引入，使得控制系统自动化程度有了很大的提高，也对 一些复杂的工作环境实现远程控制。其原理是通过 RS-285 串行通信技术，把 PLC 和 上位机连接，实现他们之间的通信，利用 STEP_7MicroWIN.V4.0 编程软件，根据搭 建好的硬件线路图进行编程，实现所要实现的逻辑控制功能。 安徽理工大学毕业设计 2 1.3 PLC 控制的交流电动机变频调速系统的发展与现状 随着电力电子技术和自动控制技术的日益发展，电动机的调速已经从继电气时 代发展到今天的由变频器控制调速。且在工业各个领域中得到了极为广泛的应用。 在现在工业自动化控制系统中，最为常见的是由 PLC 控制变频器实现电动机的调速 控制。该方法主要通过程序来控制电动机的变频调速，从而实现了自动控制。 直流电气传动和交流电气传动在十九世纪先后诞生。在二十世纪的大部分年代 里，鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机，而 约占电气传动总容量 80%的不变速传动则采用交流电动机，这种状况在一段时期内 已成为一种举世公认的格局。二十世纪七十年代后，随着大规模集成电路和计算机 控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，交流调速系统逐步具备了宽的调速范 围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应，且实现了在四相限运行的良好 技术性能。它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调节省电 效果明显，而且易于实现过程自动化在调速性能方面可以和直流电力拖动相媲美。 目前交流调速技术在工业发达国家已得到广泛应用。例如在通用变频器方面，针对 中、低压应用领域的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的高开关频率使得高性能的变频 器成为了可能，而在以后出现的只能功率模块（IPM） ，更加简化了通用变频器的设 计。此后，交流调速系统主要沿用下述两个方向发展和应用。 （1）一般性能的节能调速。在过去大量的所谓不变速交流传动中，风机、水泵 等机械总容量几乎占工业电气传动总容量的一半，其中有不少的场合并不是不需要 调速，只是因为过去交流电机本身不具备调速性能，不得不依赖挡板和阀门来调节 送风和供水的流量，许多电能因此白白的浪费掉了。如果把这些设备的控制系统换 成交流调速系统，就能节省消耗在挡板和阀门上的能量。根据有关计算统计，由于 风机、水泵对调速范围和动态性能的要求都不高只需要一般的调速性能就已足够， 那么换成交流调速系统后，每台风机、水泵平均约可节能 20%，这种节能效果是非 常可观的。 （2）高性能交流调速系统。许多在工艺上就需要调速的生产机械，过去多用直 流传动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、转 动惯量小、效率高，如果改成交流调速传动，显然能够带来不少的效益。交流调速 系统的国内外研究现状近年来随着电力电子技术和微电子技术迅猛发展以及现代控 制理论和计算机控制技术的应用，交流调速领域发展非常迅速，交流传动技术取得 了突破性进展，获得了许多创造性成果。自七十年代矢量控制技术发展以来，从理 论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题。 安徽理工大学毕业设计 3 1.4 PLC 与电气控制的结合运用 作为通用工业控制计算机，30 年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制 领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃。其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的 进步。其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、 及集散控制等各种任务的跨越。今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流 控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。 1.4.1 PLC 与电气控制相结合的优点 PLC 的优点是外部接线简单，内部程序可变，在不改变接线的情况下，可以重 新设计程序，而且相应的施工周期较短，内部软继电器是寄存器，没有触动，故障 率低，寿命长，抗干扰能力强，执行时间短，应用指令多，可实现复杂的控制功能 等等。传统继电器的不足之处是有触动系统，故而故障率高，平均修复时间长，寿 命短，功耗大，如需改变系统功能将需重新的接线，工作量相对较大且容易出错， 执行时间长等等。然而 PLC 对于高压控制元件的控制却没有继电器等系统的优点， 在许多工厂的电力系统中有许多的高压电力设备所需的控制系统只能通过大型的继 电元件来实现动作，而对于要实现自动化程度较高的工厂生产线而言，这种继电系 统却没有 PLC 系统的结构简单，操作容易，方便快捷等优点，然而将这两种系统相 结合却可以实现对工厂电气系统的控制，使之更科学，更简洁，更加具有高速的运 行速度，让工厂的自动化成度更高。 1.4.2 PLC 与电气控制发展的方向 从工业革命时期到现在电气控制已经发展了一个相当长的时间，再发展也不会 有什么突出的表现，而 PLC 技术的发展还处于一个不断创新的阶段，所以 PLC 的发 展与电气控制的发展已然成为一种主从关系，即 PLC 的发展带动电气控制的发展， 而未来 PLC 的发展其中有两个趋势。一方面，PLC 网络系统已经不再是自成体系的 封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌 PLC 除了形成自己各具特色的 PLC 网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现 信息交流，成为整个信息管理系统的一部分。 1. PLC 向网络化技术发展 PLC 向网络化技术发展，其中有两个趋势：一方面，PLC 网络系统已经不再是自 成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌 PLC 除了形成自己各具 特色的 PLC 网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网， 实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分；另一方面，现场总线技术得到广 泛的采用，PLC 与其他安装在现场的智能化设备，比如智能化仪表，传感器，智能 安徽理工大学毕业设计 4 型电磁阀，智能型驱动执行机构等，通过一根传输介质(比如双绞线，同轴电缆，光 缆)连接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络， 这种网络与单纯的 PLC 远程网络相比，配置更灵活，扩容更方便，造价更低，性能 价格比更好，也更具开放性意义。 2. PLC 向高性能小型化发展 PLC 的功能正越来越丰富，而体积则越来越小。比如西门子的 S7-200 系列 PLC，最小的机种，体积仅为 609070，相当于一个继电器，但却具有高速 2 mm 计数、斜坡、交替输出及 16 位四则运算等能力，还具有可调电位器时间设定功能。 PLC 已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了，而是具有越来越强的模 拟量处理能力，以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力，如浮点数 运算，PID 调节，温度控制，精确定位，步进驱动，报表统计等。从这种意义上说， PLC 系统与 DCS(集散控制系统)的差别已经越来越小了。用 PLC 同样可以构成一个过 程控制系统。 3. 预测发展前景 （1）增强抗干扰性 如果生产环境过于恶劣，或是电磁干扰异常强烈则也可造成 PLC 控制系统的运 算或是控制错误，导致在某些生产环节出现错误而不能保证正常的生产运行，因此， 提高 PLC 的可靠性是其未来发展的主要方向，其一方面要提高抗干扰能力同时在设 计、安装以及使用过程中引起重视，尽量减少对其造成负面影响。 （2）进一步网络化、数字化 目前用于火电系统控制系统的 DCS 虽技术日益成熟但近年来其发展日趋缓慢， PLC 的产生及发展使其与 DCS 相互吸收彼此特点，逐步同化，并逐步发展成为新的 控制系统FCS 系统，其既保留了原来系统的特性又实现了工业自动化技术的发 展，并使数作为通用工业控制计算机，30 年来，可编程控制器从无到有，实现了工 业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃。其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字 控制的进步。其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过 程控制、及集散控制等各种任务的跨越。今天的可编程控制器正在成为工业控制领 域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。 PLC 的优点是外部接线简单，内部程序可变，在不改变接线的情况下，可以重 新设计程序，而且相应的施工周期较短，内部软继电器是寄存器，没有触动，故障 率低，寿命长，抗干扰能力强，执行时间短，应用指令多，可实现复杂的控制功能 等等。传统继电器的不足之处是有触动系统，故而故障率高，平均修复时间长，寿 命短，功耗大，如需改变系统功能将需重新的接线，工作量相对较大且容易出错， 执行时间长等等。然而 PLC 对于高压控制元件的控制却没有继电器等系统的优点， 安徽理工大学毕业设计 5 在许多工厂的电力系统中有许多的高压电力设备所需的控制系统只能通过大型的继 电元件来实现动作，而对于要实现自动化程度较高的工厂生产线而言，这种继电系 统却没有 PLC 系统的结构简单，操作容易，方便快捷等优点，然而将这两种系统相 结合却可以实现对工厂电气系统的控制，使之更科学，更简洁，更加具有高速的运 行速度，让工厂的自动化成度更高。 从工业革命时期到现在电气控制已经发展了一个相当长的时间，再发展也不会 有什么突出的表现，而 PLC 技术的发展还处于一个不断创新的阶段，所以 PLC 的发 展与电气控制的发展已然成为一种主从关系，即 PLC 的发展带动电气控制的发展， 而未来 PLC 的发展其中有两个趋势。一方面，PLC 网络系统已经不再是自成体系的 封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌 PLC 除了形成自己各具特色的 PLC 网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现 信息交流，成为整个信息管理系统的一部分 PLC 向网络化技术发展，其中有两个趋势：一方面，PLC 网络系统已经不再是自 成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌 PLC 除了形成自己各具 特色的 PLC 网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网， 实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分；另一方面，现场总线技术得到广 泛的采用，PLC 与其他安装在现场的智能化设备，比如智能化仪表，传感器，智能 型电磁阀，智能型驱动执行机构等，通过一根传输介质(比如双绞线，同轴电缆，光 缆)连接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络， 这种网络与单纯的 PLC 远程网络相比，配置更灵活，扩容更方便，造价更低，性能 格比更好，也更具开放性意义。 PLC 的功能正越来越丰富，而体积则越来越小。比如西门子的 S7-200 系列 PLC，最小的机种，体积仅为 609070，相当于一个继电器，但却具有高速 2 mm 计数、斜坡、交替输出及 16 位四则运算等能力，还具有可调电位器时间设定功能。 PLC 已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了，而是具有越来越强的模 拟量处理能力，以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力，如浮点数 运算，PID 调节，温度控制，精确定位，步进驱动，报表统计等。从这种意义上说， PLC 系统与 DCS(集散控制系统)的差别已经越来越小了。用 PLC 同样可以构成一个过 程控制系统。 如果生产环境过于恶劣，或是电磁干扰异常强烈则也可造成 PLC 控制系统的运算或 是控制错误，导致在某些生产环节出现错误而不能保证正常的生产运行，因此，提 高 PLC 的可靠性是其未来发展的主要方向，其一方面要提高抗干扰能力同时在设计、 安装以及使用过程中引起重视，尽量减少对其造成负面影响。 目前用于火电系统控制系统的 DCS 虽技术日益成熟但近年来其发展日趋缓慢， 安徽理工大学毕业设计 6 PLC 的数字化、智能化控制得到进一步的发展和应用，因此其近年来在火电厂的应 用日益广泛。 PLC 产品还可以用于离散、制程和混合式自动化产品领域，并在各个制造行业 保持稳固增长。基于对更高自动化程度和更高能效的需要，制造业会越来越多地应 用 PLC。在制造过程中，以最低生产设备生命周期成本来实现适应性和灵活性的日 益增加的需求，给 PLC 的创新与发展提供了不竭的动力。一些新兴行业的运用以及 新能源产生、储存和基础设施建设的需要，无疑给 PLC 带来了巨大的机遇。 为了能够更广泛的适应未来各种工业生产过程中控制场所的需要，PLC 控制系 统作为自动化控制网络和国际通用网络的重要部分其产品将会更加丰富，规格也会 更加齐全，并将在人类电气自动化发展过程中发挥更加广泛的作用。 随着社会的日益进步，人们对生活水平要求的不断提高，未来的 PLC 与电气制 的目标将朝着工业自动化水平更高的方向发展，在西方国家这一目标已经得到一定 的实现，而我国正朝着这一目标努力前进。一个国家的发达水平与该国家的工业自 动化程度有着密不可分的关系，而电、气、水的控制又与工业自动化的成度密不可 分，而要实现这一系列的动作控制无疑通过 PLC 控制系统的统一集中控制是最能体 现自动化优势的。 1.5 课题研究设计的目的和意义 电机是工业生产中最重要的拖动设备之一，交流异步电机由于结构简单、维修 容易等优点，被广泛应用于工农业及其他生产当中。但随着工农业的不断发展，对 电动机运行的要求也不断提高，很多的生产过程中都要求电动机能根据不同的工况， 运行在不同的速度。早期工业生产中，对于一些要求调速精度高的系统，采用了直 流电动机，但直流电动机存在启动转矩小，换向电刷容易老化产生火花等问题。人 们又根据交流电动机的运行特点，得出了传统的交流电动机调速方法，是利用转子 回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统，设备陈旧、技术落后。 而且这种控制方式存在着很多的问题: （1）转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费。 （2）电阻分级切换，为有级调速，设备运行不平稳，容易引起电气及机械冲击。 （3）继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点，影响接触器使用寿命，维修成 本较高。 （4）交流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题，容易引起设备事故。 （5）电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软。 上述问题使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需研制 安徽理工大学毕业设计 7 更加安全可靠的控制系统，使可调速系统的运行有更好的可靠性和安全性。 就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程控制器(PLC)是目前作为工业控 制最理想的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程 序来完成设备的操作控制。采用 PLC 控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、 维护量小，PLC 技术己经广泛应用于各种控制系统。 本设计将在 PLC 电控系统的基础上配合变频调速装置，运用现在先进的矢量控 制技术，适合和现在工业应用领域的绝大部分控制要求。 安徽理工大学毕业设计 8 2 PLC 的基础知识 2.1 PLC 的概述 2.1.1 PLC 的定义 PLC 的技术从诞生之日起,就不断地发展，PLC 的定义也经过多次变动。1987 年国际电工委员会 IEC 颁布了可编程控制器最新的定义：可编程控制器（PLC）是 一种能够直接应用于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、 计数核算数计算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各类 的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系 统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 可见，PLC 的定义实际是根据 PLC 的硬件和软件技术进展而发展的。这些发展 不仅改进了 PLC 的设计，也改变了恐怖感知系统的设计理念。 1.PLC 的硬件发展 （1）采用新的先进的微处理器和电子技术达到快速的扫描时间。 （2）小型的、低成本的 PLC，可以代替 410 个继电器，现在获得了更大的发 展动力。 （3）高密度的 I/O 系统，以低成本提供了节省空间的接口。 （4）基于微处理器的智能 I/O 接口扩展了分布式控制能力，典型的接口有 PID、网络、CAN 总线、现场总线、ASCII 通信、定位、主机通信模块和语言模块 等。 （5）包括输入/输出模块和端子的结构设计改进，使端子更加集成。 （6）特殊接口允许某些期间可以直接接到控制器上，如热电偶、热电阻、应力 测量级快速响应脉冲等。 （7）外部设备改进了操作员界面技术，系统文档功能成为 PLC 的标准功能。 以上这些硬件的改进，使 PLC 的产品系列丰富和发展，PLC 从最小只有 10 个 安徽理工大学毕业设计 9 I/O 点的微型 PLC，发展到可以达到 8000 个 I/O 点的大型 PLC。 2.PLC 的软件进展 （1）PLC 引入了面向对象的编程工具，并根据国际电工委员会的 IEC61131-3 的标准形成了多种语言。 （2）小型 PLC 也提供了强大的编程指令，并且延伸了应用领域。 （3）高级语言如 BASIC 和 C 语言在某些控制器模块中已经可以实现，并在与 外部通信和处理数据时提供了更大的编程灵活性。 （4）形图逻辑中可以实现高级的功能块指令，使用户用简单的编程方法实现复 杂的软件功能。 （5）诊断和错误检测功能是从简单的系统控制器的过账诊断扩大到对所控制的 机器和设备的过程诊断。 （6）浮点算术可以进行控制应用中计量、平衡和统计的所牵涉的复杂计算。 （7）数据处理指令得到简化和改进，可以进行涉及大量数据存储、跟踪和存取 复杂控制，以及数据采集和处理功能。 2.1.2 PLC 的特点 PLC 发展如此迅速是因为它具有一些其他控制系统所不及的一些特点。 1.可靠性 可靠性包括产品的有效性和可维修性。PLC 的可靠性高，表现在以下几个方面： （1）PLC 不需要大量的活动部件和电子元件，接线大大减少，与此同时，系统 的维修简单、维修时间缩短，使可靠性得到提高。 （2）PLC 采用一系列可靠性设计方法进行设计。 （3）PLC 有较强的易操作性，它具有编程简单、操作方便、编程的出错大大降 低及为工业恶劣操作环境而设计的硬件，使可靠性大大提高。 2.易操作性 PLC 的易操作性表现在下列三个方面： （1）操作方便。对 PLC 的操作包括程序的输入和程序更改的操作，大多数 PLC 采用编程器进行程序输入和程序更改操作。 （2）编程简单。PLC 有多种程序设计语言可以使用，对现场电器人员来说，由 于梯形图与电气原理图相似，因此，梯形图很容易理解和掌握。采用语句表编程时， 由于编程语句是功能的缩写，便于记忆，并且与梯形图有一一对应的关系，所以有 利于编程人员的编程操作。功能图表语言以过程流程进展为主线，十分适合设计人 员与工艺专业人员设计思想的沟通。功能模块图和结构化文本语言编程方法具有功 安徽理工大学毕业设计 10 能清晰、易于理解等优点。 （3）维修方便。PLC 所具有的自诊断功能对维修人员的技术要求降低。 3.灵活性 PLC 的灵活性主要表现在以下 3 个方面： （1）编程的灵活性。PLC 采用的标准编程语言有梯形图、指令表、功能图表、 功能模块图和结构化文本编程语言等。 （2）扩展的灵活性。PLC 的扩展灵活性是指可以根据应用的规模不断扩大，即 进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。 （3）操作的灵活性。操作的灵活性是指涉及工作量、编程工作量和安装施工的 工作量的减少。 2.2 PLC 的基本构成 PLC 实质上是一台用于工业控制的专用计算机，它与一般计算机的结构机组成 相似。主要是由中央处理（CPU）模块、编程器、电源模块、存储器模块和专门设 计的输入输出接口电路等组成。结构如图 2-1 所示： 打印机 计算机 盒式磁带机 条码扫描仪 按钮 触点 行程 开关 编程器 存储器 系统程序 用户 程序 数 据 CPU 电源 外 部 设 备 接 口 输 入 接 口 I/O 扩 展 接 口 输 出 接 口 输出设备 电磁阀 电磁线圈 指示灯 I/O 扩 展 单 元 图 2-1 PLC 的基本结构图 主机内的各部分均通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接。根据 实际控制对象的需要配备一定的外部设备，可构成不同的 PLC 控制系统。 2.2.1 中央处理模块 中央处理模块（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成 安徽理工大学毕业设计 11 在一个芯片内。CPU 通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接 口电路相连接。CPU 是 PLC 的核心部件，它完成 PLC 所进行的逻辑运算、数值运 算及信号变换等任务，并发出管理、协调 PLC 各部分工作的控制信号。CPU 主要作 用如下： （1）接收从编程器输入的用户程序和数据，送入存储器存储。 （2）用扫描方式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区。 （3）监测和诊断电源、PLC 内部电路的工作状态和用户编程过程中的语法错误。 （4）执行用户程序，从存储器逐条读取用户指令，完成各种数据的运算、传送 和存储等功能。 （5）根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出映像寄存器表的内容， 再经输出部件实现输出控制，制表打印或数据通信等功能。 2.2.2 存储器模块 PLC 的存储器是存储程序和数据的地方，PLC 运行所需的程序分为系统程序及 用户程序，存储器也分为系统存储器（EPROM）和用户存储器（RAM）两部分。 （1）系统存储器。系统存储器是用来存放 PLC 生产厂家编写的系统程序，并 固化在只读存储器 ROM 内，用户不能更改。 （2）用户存储器。用户存储器包括用户程序存储区和用户数据存储区两部分。 用户程序存储区存放针对具体控制任务，用规定的 PLC 编程语言编写的控制程序。 用户程序存储区的内容可以由用户任意修改和增删。用户程序存储器的容量一般代 表 PLC 的标称容量，通常小型机小于 8KB，中型机小