（控制理论与控制工程专业论文）基于plc技术的工业设备控制系统设计与应用研究.pdf

摘要 摘要 潘红斌工程硕士 马旭东教授指导教师 戎菰才高级工程师糍导老炜 东南大学自动化学院2 1 0 0 9 6 可编程控制器( p l c ) 由于其抗干扰性能好，适应于恶劣的工业环境，操作 简单，结构模块化、扩展能力强等优点，在工业设备控制系统中得到广泛应用。 特别适合于开发小批量、多功能工业设备，并随着技术的发展，其在控制功能、 人机界面和可靠性等方面将能更好地满足现代工业发展的需要。论文结合工程 实践，深入缝研究了基予p i g 技术的工业设备系统设计方法，详细论述了基于 p l c 顺序控制技术、结合伺服系统实现运动定位控制技术及p l c 多智能功能复 杂处理控制功能三类系统的设计与应用和实现。 首先，论文介绍了三类控制系统的核心一p l c 的基本结构和工作原理，分 析了基于p l c 的控制系统的设计方法，对p l c 的抗干扰性提出了工程上解决的 方法。 其次，利用p l c 灵活的顺序控制功能的基本特性，实现自动打钉机一类的 系统设计，通过人机界面进行参数设定。实现系统控制和输入、输出状态、故 障报警状态及生产数量的显示，解决了人机信息交互和p l c 与变频器的通讯问 题，实现了打钉机全自动控制。文中给出了基于p l c 开关量逻辑控制技术实现 控制系统的设计与应用的详细论述。 利用p l c 具有自身输出脉冲和接收脉冲的控制功能或附加的运动控制模块， 与交流伺服控制系统结合可实现运动控制。结合单轴、双轴和三轴伺服系统设 计实例，探讨了基于p l c 运动控制技术和交流伺服电机实现数控系统点位控制 功能的方法，并就伺服电机的选型给出了具体的计算方法，分析了找寻定位参 考原点的方法和实现机械与电气同步的方法。 最后，在介绍水质分析功能需求的基础上。详细论述了采用可编程控制器为 控制器的水质分析仪整体设计、各组成环节的功能和实现方法。该设备基于可 编程控制器的多智能技术进行系统设计与功能实现。在系统设计中包括电源、 取样控制、分光光度检测，消解池开闭控制、人机接口和通信等部分，使用了 p l c 的脉冲定位，总线通信和数模模数转换及p i d 控制等高级功能。 关键词： 可编程控制器( p l c ) ，工业设备、仪器、伺服控制 a b s t r a c t a b s t r a c t p a n ，h o n g b i n m e n g p r o f m a ，x u d o n g a d v i s e r s e n i o re n g i n e e rr o n g , y o n g c a ia d v i s e r s c h o o lo f a u t o m a t i o ns o u t h e a s tu n i v e r s i t y2 1 0 0 9 6 1 1 1 ep r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) h a sb e e ng a i n i n gp o p u l a r i t yo nt h e i n d u s t r yc o n t r o ls y s t e mb e c a u s eo ft h ei t sa d v a n t a g e si n c l u d i n gc o s te f f e c t i v e ， r e l i a b i l i t y , f l e x i b i l i t y ，e a s ye x t e n s i o n , c o m p u t a t i o n a la b i l i t i e s ，a n di x i g ha n t i - j a m m i n g ， e t e p r a c t i c a lr e s e a r c ho nd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fi n d u s t r ys y s t e m sb a s e do n p l ci sp r e s e n t e d d e a l i n gw i t ht h ep l ct e c h n i q u e si ns e q u e n c ec o n t r o l ，s e r v o p o s i t i o nc o n t r o l ，a n dm u l t ii n t e l l i g e n tt e c h n o l o g yr e s p e c t i v e l y f i r s t l y , t h eb a s i cs t r u c t u r ea n do p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h ep l c a r ei n t r o d u c e d 1 1 1 e d e s i g na p p r o a c ho fc o n t r o ls y s t e m sb a s e do nt h ep l c i sp r o p o s e d , w i t hp r a c t i c a l m e a s u r e sf o rd i s t u r b a n c ei m m u n i t yd i s c u s s e d s e c o n d l y , a u t o m a t i cs t a p l e rc o n t r o ls y s t e md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n a l eg i v e n ， 、i t ht h ef l e x i b i l i t vo fs e q u e n c ec o b t r o lo fp l ci n 廿o d u c e d ，f a v o r a b l eh m it os e tt h e p a r a m e t e r sa r ew e l ld e s i g n e dv i ap l c f o ra u t o m a t i c a l l yc o n t r o lo ft h i sm a c h i n ea n d d i s p l a yo ft h ei n p u v o u t p u ts t a t u sa n da l a r m ，d e s c r i p t i o n so ns e q u e n t i a lo n o f fl o g i c c o n t r o la r eg i v e ni nd e t a i l m a k i n gu s eo ft h ep u l s ec o n f f o lr u n i o no ra t t a c h e dm o t i o nc o n t r o lm o d u l e 。 c o m b i n e dw i t ht h ea cs c t v od r i v e s ，t h ep l c sa r eu s e dt op e r f o r mm o t i o nc o n t r 0 1 a s i n g l e - a x i s ，a n dad o u b l e - a x i sa n dat r i p l e - a x i s p l c s e r v os y s t e ma r cp r e s e n t e d r e s p e c t i v e l y i m p o r t a n tm e t h o d ss u c ha s s e r v om o t o rs e l e c t i o n , r e f e r e n c eo r i g i n i o c a t i o n s y n c h r o n i z a t i o nb e l w e c nm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c a le l e m e n t sa r ep r o p o s e d l a s t l y , r e q u i r e m e n t sa n df u n c t i o nd e s i g na r ec o n d u c t e df o ra o n - l i n ew a t e rq u a l i t y a n a l y s i si n s t r u m e n tw i t hp l c sc o m p l e xf u n c t i o n s t h eo p t i m a lp e r f o r m a n c ef r o m p l cm u l t i i n t e l l i g e n tf u n c t i o n sa r ei n t r o d u c e ，a sa dc o n v e r s i o nf u n c t i o n , d a t a c o l l e c t i o na n dm a n a g e m e n t ，p o s i t i o nc o n t r o lf u n c t i o n , p i dc o n t r o la n db u sm a s t e r i n g n 圮i m p o r t a n tm o d u l e sa sp o w e r ，s a m p l i n g , s p e e t r op h o t o m e t r yd e t e c t i o n ，d i g e s t i o n p o o lo n o i f , h m ia n dc o m m u n i c a t i o n e r e a r eg i v e ni nd e t a i l k c y w o r d s ：p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) ，i n d u s t r i a le q u i p m e n t s ，i n s t r u m e n t s ，s e r v o c o n t r o l 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容褶致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 签名：导师签名：日期： 0 1 本课题的来源与背景 在控制系统设计中，一般分为三类控制系统：单片机技术的嵌入式控制系统、p l c 控 制系统、计算机控制系统进行系统控制设计。 单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统 集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格 便宜，应用和开发提供了便利条件。但是利用单片机技术实现工业控制其设计周期长，硬件 设计复杂，抗干扰性差，对环境要求比较高。 通用计算机具有十分强大的计算与数据处理能力，同时数据处理的速度已达到极高的 水平，但是应用通用计算机进行工业控制在很多方面远远没有p l c 功能强大，计算机系统 对使用环境要求比较高，不适合在险恶的工业环境，同时对使用的要求比较高，系统软件 功能强大，但所占用的系统存储空间也很大，因此计算机控制系统一般不被工业设备制造 商选用。 p l c 是一种面向工业现场的控制装置。特别适合于开发小批量、多功能工业设备。它 的特点为：( 1 ) 高可靠性和抗扰能力可适应恶劣的工业现场环境。( 2 ) i 0 模块化，智能 化，方便组合和扩充。( 3 ) 操作与编程方便。“) 完善的监视和诊断功能。我们应该看到p l c 的直观、简单、价格低、易维护、高可靠性等特点，并且现在的p l c 不再是原来只能实现 开关量控制和p i d 调节等功能的p l c ，随着模糊控制、神经元网络、遗传算法等学科的日 益成熟，p l c 可以而且已经不断融合这些及其他先进的技术，其控制、通信等功能不断增 强，其控制核心一微处理器也从最初的一位机发展到现在的1 6 位、3 2 位高性能微处理器， 甚至在一台p l c 中配置了多个微处理器，进行多道处理。同时生产了大量内含微处理器的 智能模块使得p l c 产品成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处 理功能，联网通信功能的真正名符其实的多功能控制器。分别在过程控制领域、运动控制 领域、及工厂自动化网络控制系统得以应用。“”“” 论文结合作者的工程实践，深入地研究了基于可编程控制器技术的工业设备系统设计 方法和实现。分别对利用可编程控制器的顺序控制技术、p l c 结合伺服系统实现运动定位 控制技术及p l c 多智能复杂技术三类控制系统的设计与应用进行了分析和论述。 0 2 本课题研究的发展现状 可编程控制器这种专为工业环境应用而设计的高集成度的半导体存储器，在控制功能、 人机界面和工作可靠性等各方面更好的满足现代工业发展的需要。由于可编程控制器在可 i 东南大学硕士学位论文 靠性、编程的灵活性、易操作性及机械与电气部件被有机地结合在一起等特点，被广泛的 运用，并成为当今数控技术、工业机器人、过程流程控制等领域的主要控制设备。随着今 后的微电子技术、网络技术的发展p l c 在软件和硬件上也将不断发展。p l c 技术将继续向 开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业pc 的控制系统。据统计，可编程控制器是工 业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主 要手段和重要的基础设备之一，p l c 及其网络、机器人，c a d c t 瑚将成为工业生产的三大支 柱。 p l c 的未来发展不仅取决与产品本身的发展，还取决于p l c 与其它控制系统和工厂管 理设备的集成情况。p l c 通过网络被集成到计算机集成制造( c t m ) 系统中，把他们的功能 和资源与数控技术、机器人技术、c a d c a - i 技术、个人计算机系统、管理信息系统以及分 层软件系统结合起来，在工厂的未来发展中，将占据重要的地位。新的p l c 的技术进展 包括，更好的操作员界面，图形用户界面( g u i ) 人机界面。也包括与设备、硬件和软件 的接i ：1 ，并支持人工智能例如逻辑i o 系统等。软件进展将采用广泛使用的通讯标准提供 不同设备的连接，新的p l c 指令将立足于增加p l c 的智能性，基于知识的学习型的指令也 将逐步被引入，以增加系统的能力。可以肯定的是，未来的工厂自动化中，p l c 将肯定占 据重要的地位，控制策略将被智能地分布开来，而不是集中，超级p l c 将在需要复杂运算、 网络通信和对小型p l c 和机器控制器的监控的应用中获得使用。“” 0 3 本文研究的主要内容 在论文第一章介绍了三类控制系统的核心一可编程控制器的基本结构和工作原理， 分析了基于可编程控制器的控制系统的设计方法，还对可编程控制器的抗干扰性提出了 工程上解决的方法。 第二章利用p l c 灵活的顺序控制功能的基本特性，实现自动打钉机一类的系统设计， 通过人机界面进行参数设定，实现系统控制和输入、输出状态、故障报警状态及生产数量 的显示，解决了人机信息交互和p l c 与变频器的通讯问题，实现了打钉机全自动控制。文 中给出了基于p l c 开关量逻辑控制技术实现控制系统的设计与应用的详细论述。 第三章首先介绍了交流伺服控制系统的原理及基本概念，对基于p l c - 伺服的运动控制系统 中所运用到的松下伺服驱动器及电机进行了介绍，给出了松下伺服驱动器与p l c 和位置控制系 统的接线图。接着分别利用可编程控制器具有自身输出脉冲和接收脉冲的控制功能或附加的 运动控制模块，与交流伺服控制系统结合可实现运动控制。结合单轴、双轴和三轴伺服系 统设计实例。探讨了基于可编程控制器运动控制技术和交流伺服电机实现数控系统点位控 制功能的方法并就伺服电机的选型给出了具体的计算方法，分析了找寻定位参考原点的 方法和实现机械与电气同步的方法。 第四章在介绍水质分析功能需求的基础上。详细论述了采用可编程控制器为控制器 的水质分析仪整体设计、各组成环节的功能和实现方法。该设备基于可编程控制器的多 2 智能技术进行系统设计与功能实现。在系统设计中包括电源、取样控制、分光光度检测、 消解池开闭控制，人机接口和通信等部分，使用了可编程控制器的脉冲定位、总线通信和 数彰模数转换及p i d 控制等高级功能，对p l c 在顺序控制系统、运动控制系统、及p l c 各种高级功能的综合性具体应用进行研究。 通过人机界面实现操作画面、参数设置画面、系统信息画面的实现，在线显示当前 数据测量值。自动在线水质分析仪本身也是一台检测仪器，自身能实现现场总线功能， 这样主控室可以随时监测到其测量的数据，实现生产自动化网路控制。在数据测试中， 由于客观和主观原因会产生数据的误差，对数据误差产生的原因进行了分析，并提出提 高数据测量精度的方法 0 4 p l c 最新发展趋势 现代的p l c 最新发展趋势是向着微型化、网络化、p c 化和开放性方向发展：“”“” 1 p l c 向着微型化发展 在提高系统可靠性的基础上，产品的体积越来越小，功能越来越强。如松下电工推出 了一种新型的控制器：集定时器、计数器、计时器、温控器和p l c 与一身的f p e 。其核- 莎 的部分相当于小型p l c f p 0 - c 1 4 ，不仅继承了f p o 的编程功能，又进一步补充了脉冲输出、 高速计数等功能。在编程口之外，还配置了脑2 3 2 、r s 4 8 5 通信端口近几年松下公司又推 出第二代超小型p l c ：f p z 。虽然是袖珍型，但容纳了中型机的功能：可实现高速高精度 位置控制，标准配置了最大1 0 0 1 d l z 的脉冲输出功能。并带有直线插补、圆弧插补型( a f p g 2 6 系列) 的产品；可自由选择的通信插件完成正规p i f 问的连接；具有有利于温度控制的指 令和功能；拥有可低成本实现高精度加热器控制、带热敏电阻输入控制单元的产品并有时 置2 c h 热敏电阻输入、带热敏电阻输入控制单元的产品。可低成本实现p i d 控制进行的加 热器控制。 2 p l c 网络化发展- - e t h e r n e t 的扩展与进一步容纳w e b 技术 当前，在所有过程控制领域，最大的发展趋势之一就是e t h e r n e t 技术的扩展。p l c 也 不例外，现在，越来越多的p l c 供应商开始提供e t h e r n e t 接口部件。在最近的几年间，我 们已经看到，发展比现有普通小、快、灵p l c 更加强大的p i x 是种趋势。虽然e t h e r n e t 是否成为p l c 最终的通信标准，目前尚未得知，但是为了将e t h e r n e t 技术应用到工厂底层 的现场过程控制设备中去，o d v 协会为此建立了一套全球性标准技术规范，即e t h e r n e t i p 标准。以便能够解决在实际工作中所遇到的困难。 现在，越来越多的企业正在计划将其所有自动化控制设备逐步连接到企业范围内的信 息系统中去。 对于工业用户来讲。也许他们已经注意到有关e t h e r n e tf o rc o n t r o l 系列控制解决方 案，该技术更加依赖于e t h e r n e t 和i n t e r n e t 。几乎所有p l c 供应商在其部分系列化产品 中均提供了e t h e r n e t 连接特性，而且有些公司已经确定将w e b 服务器彻底嵌入到他们的设 3 东南大学硕士学位论文 备内部，以便充分展现p l c 的性能特点。利用p l c 的w e b 连接特性，工业用户不但可以从 任何地方监控控制系统的运行状况。而且还可以像利用系统手册一样获取所需要的任何数 据信息。在为将p l c 连接到e t h e r n e t 和w e b 上提供技术支持方面，s c h n e i d e r 公司已经成 了先驱者之一。最近，该公司推出了一种运行于p r e m i u m p l c 平台的新型快速e t h e r n e t ( 1 0 0 m b s ) 模件。该模件为p l c 能够连接到t c p i p 的e t h e r n e t 提供了全双工自适应1 0 l o 叫b s 的连接速度，现场过程控制器之间可以共享实时数据信息，自动扫描m o m e n t u mi 0 模件和 其他任何基于m o d b u s 通信协议的现场控制设备，采用一个嵌入式w e b 服务器提供h t m l 通 信服务，同时提供了s n 肝用于标准网络通信管理。在一次展览会上，s c h n e i d e r 公司还向 工业用户展示了他们有关透明工厂的观念。 另外。s c h n e i d e r 公司最近还推出了基于m o d i c o n 公司的m o m e n t u m m i e 系列处理器的 适配器该适配器提供了标准i e c 程序控制性能，进一步为e 一制造提供了完美的解决方案。 该适配器还提供了将智能化i o 系统和其他现场过程控制设备连接到i n t e r n e t 和 e t h e r n e t 的能力，现场过程控制设备包括所有功能化实时过程控制器。 3 眦向着基于工业p c 控制和开放性方面发展 p l c 制造商已经开始注视基于工业p c 控制技术所带来的强大冲击虽然在工业现场 安装有大量的p l c 控制设备，但p l c 厂商仍然需要联合工控软件公司，以便开发他们自己 的基于工业p c 的过程控制软件。 在高端应用方面，很难进一步区分p l c 控制系统和工业p c 控制系统之间的差异，因 为这两者均采用了同样类型的微处理器和内存芯片，所能够观察到的仅仅是一些基本计算 机硬件技术及这些技术被有效地组合到控制系统中去。 p l c 技术将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业p c 的控制系统。p l c 制 造商专注于系统功能化，而工业用户则专注于系统应用。人们可以看到，将来的发展趋势 是将更多的功能进一步集成到一个控制箱内。因而像顺序控制和过程控制这样的事件将会 采用功能化方式进行处理，其他像运动控制等也能够共享到相同的控制结构体系中。基于 工业p c 的控制系统在灵活性方面比传统p l c 具有截然不同的优势外，还具有其他优点，如 能够缩短系统投放到市场的周期，降低系统投资费用，提高从工厂底层到企业办公自动化 的数据信息流动效率等工业p c 技术提供了许多功能，能够增强p l c 的功能特性，包括内 藏视频和高速浮点数字协处理器。尽管m i c r o s o f t 公司没有进一步提升该项功能特性的计 划，但新的w i n d o w sc e3 0 完全能够更好地满足过程控制的需要。 s i e m e n s 公司公布了一套新的基于开放式控制系统的软件产品，即3 0 版本的s i m a t i c w i n a c ( w i n d o w s 自动化中心) 。w i n a c 是基于w i n d o w sn t ，与s i m a t i cs 7p l c 兼容的适合 于工业p c 的控制系统解决方案。，i n a c3 0 提供了具有较高集成度的p r o f i b u s 现场总线 局域网的连接性能，以及远程程序设计。此外，它还为现场控制设备本地化集成提供了一 种新的d e v i c e n e ti o 设备驱动程序，用于连接所安d e v i c e n e ti o 设备。 长期以来，p l c 始终战斗在工业自动化控制行业的主战场，为各种各样的自动化控 4 制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因在于它能够为自动化控制应用提供安全 可靠和比较完善的解决方案，适合于当前自动化工业企业的需要。另一方面，p l c 还必 须依靠其它新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的袭击，尤其是工业p c 所带来的冲 击。p i e 需要解决的问题依然是新技术的采用，通信技术、系统开放性和价格的降低。 5 东南大学硕士学位论文 第一章可编程控制器与系统设计 1 1 可编程控制器的发展及阶段 1 9 6 8 年美国g m ( 通用汽车) 公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司 研制出了第一代可编程序控制器，满足了叫公司装配线的要求。其后，美国的矾0 d i c o n 公司也推出了0 8 4 控制器。1 9 7 1 年，日本推出了d s c 一8 控制器，1 9 7 3 年西欧各国的可编程 控制器也研制成功。我国在1 9 7 4 年开始研制可编程控制器。可编程控制器的发展与计算机 技术，半导体集成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高薪技术的发展息息相关。 这些高技术的发展推动了可编程控制器的发展，而可编程控制器的发展又对这些高新技术 提出了更高更新的要求，促进了它们的发展。 1 2 可编程控制器基本结构 在这里，简单的介绍一下p l c 的基本结构：1 4 1 p l c 采用了典型的计算机结构，主要包括了c p u 、r a m 、r o m 和输入、输出接口电 路等，其内部采用了总线结构，进行数据和指令的传输。外部的各种开关信号，模拟信号、 传感器检测的各种信号均作为p l c 的输入变量，输入信号经p l c 外部输入端子输入到内 部寄存器中，经过p l c 内部逻辑运算或其他各种运算、处理后送到输出端子。有这些输出 变量对外围设备进行各种控制。p l c 结构示意图如下所示： 一限位开关一 一继电嚣一 手动开关一 叫撵作数存贮器卜_ 一 电磁阀 一 输 - 输 4 t m _ 变鞭调遣嚣一 入 出 接接 - - 5 应式接近开关一 中央处理单元 一数码显示嚣一 口 一指示灯一 编码嚣一 系统程序 一蜂鸣器一 数字开关一 寄存嚣存贮器 固 - 。一 _ _ _ _ _ 一 臣 图l - ip l c 结构示意图 1 2 1 中央处理器c p u 中央处理器c p u 是整个p l c 的核心，起着总指挥的作用。c p u 一般由控制电路、运 6 第一章可编程控制器与系统设计 算器和寄存器组成。c p u 通过地址总线、数据总线和控制总线与存贮单元、输入输出控制 电路连接。具有从存储器中读取指令、执行指令，取下一条指令、处理中断的功能，按照 程序执行控制。c p u 加上存储器和一些接口就组成为微处理机 1 2 2 存储器 主要用来存放系统程序、用户程序以及工作数据。存放系统软件的存储器成为系统程 序存储器；存放应用软件的存储器成为用户程序存储器：存放工作数据的存储器成为数据 存储器。 不同p l c 的c p u 的最大寻址存储空间各不相同。但一般可分为三个区域：系统程序 存储区、系统r a m 存储区和用户程序存储区 1 2 3 输入、输出接口电路 输入、输出接口电路是p l c 与现场f o 设备或其他外设之间的连接，它起了p l c 和外 围设备之问传递信息的作用。 输入接口电路一般通过光电耦合电路将外界的传感器、按钮、检测等信号传送至p l c 中并根据程序的设计，使相应的输出端口信号动作，控制相连执行员元件。输出接口电 路一般有三种：用于低速、大功率负载的继电器输出；用于高速加大功率交流负载的晶闸 管输出；以及用于高速小功率直流负载的晶体管输出。输入输出接口电路除了传递信号之 外，还具有转换电平和噪声隔离的作用。 1 3 可编程控制器的工作原理 p i e 工作原理与p c 机不同，也不同于继电器控制回路工作原理，它是采用循环扫描工 作方式，用户程序按先后顺序执行，c p i j 从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后 又返回第一条，如此周而复始不断循环。 4 1 p l c 循环扫描工作过程分为内部处理、通信揉作、程序输入处理、程序执行和输出处 理几个阶段。全过程一次所需的时间称为扫描周期。 内部处理阶段，p l c 检查c p u 模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。 通信操作服务阶段，p l c 与一些智能模块通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的 显示内容等。 当p l c 处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在p l c 处于运行状态 时，从内部处理、通信操作、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。 输入处理又称输入采样，在此阶段，顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信 息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新，接着进入程序执行阶段。 在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内 7 东南大学硕士学位论文 容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息所刷新。 程序执行阶段根据p l c 梯形图程序扫描原则，按先左后右，先上后下的顺序，逐句扫 描，执行程序。当用户程序涉及到输入输出状态时，p l c 从输入映象寄存器中读出上一阶 段采样的对应输入端子状态，从输出映象寄存器中读出对应映象寄存器的当前状态，根据 用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件的寄存器中。对每个器件而言，器件映 象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。 输出处理过程又称为输出刷新过程，程序执行完毕后。将输出映象寄存器中的输出寄 存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，是 输出端子向外界输出控制信号。驱动外部负载。 循环扫描的工作方式是p l c 的一大特点，这和传统的继电器控制系统“并行”工作有 质的区别。p l c 的串行工作方式避免了继电器控制系统中触点竞争和时序失配的问题。 1 4 工业设备p l c 可编程控制系统及其设计 1 4 1 系统设计的一般原则及其应用 p l c 由于其抗干扰性能好，适应于恶劣的工业环境，操作简单，结构模块化、扩展能 力强等优点，在工业设备控制系统中得到广泛应用。特别适合于开发小批量，多功能工业 设备，并随着技术的发展，其在控制功能、人机界面和可靠性等方面将能更好地满足现代工 业发展的需要。 目前，p l c 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械剖造、汽车、 轻纺，交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。 我公司是以生产表面贴装生产流水线中的设备为主的制造厂家，同时还涉足环保领 域和继电保护领域。公司的主要生产轴向插件机、自动上下板机、p l c 教学演示系统。 根据客户的要求或市场的需要经常对产品进行改进，同时开发新的产品，p l c 由于其灵 活性和可维护性，产品开发周期短而被运用在产品设计中。 p l c 最基本的控制功能是实现开关量逻辑控制，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。如在 自动打钉机、自动上下板机、在线水质分析仪等。其中控制系统的输入、输出可以根据 需要进行扩展。 在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量，液位和速度等连续变化的量 ( 即模拟量) ，以在线水质分析仪为例，需要对液体的液位、加热温度等进行取样，在 控制中采用相应的a d 和d a 转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成 相应的控制。p i d 调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。在加热温度控 制中采用p l c 的p i d 控制功能。实现其温度控制在产品的加热控制、调速控制过程中该 8 第一章可编程控制器与系统设计 过程控制在产品的加热器控制、化工等场合有非常广泛的应用 除了上面提及的p l c 在工业设备中应用，其在运动控制领域也得已广泛的应用。p l c 可以用于圆周运动或直线运动的控制。利用专用的位置控制单元或p l c 的脉冲输出功能， 直接驱动步进电机或伺服电机驱动器，使其电机进行定位控制，实现单轴、双轴及多轴 的位置控制。 现在的p l c 具有强大的通信功能，p l c 通信包含了p l c 与计算机进行通信、p l c 间 的通信及p l c 与其它智能设备间的通信利用计算机实现p l c 联网。对其进行编程和管 理。通过与智能设备通信，可以互相交换数据并实现对其的控制。如在自动打钉机系统 设计中利用p l c 的通信功能与变频器实现参数设置、读取功能。在多温度控制产品如回 流焊的设计中利用p l c 与多台温控器和多台变频器通过i c s 4 8 5 总线，通过轮询的方法， 实现通讯功能，进行参数的读写操作，实现控制。 任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象( 生产设备或生产过程) 的工艺要求。 以提高生产效率和产品质量。因此，在设计p l c 控制系统时，应遵循以下基本原则： i p l c 的选择除了应满足技术指标的要求之外，还应重点考虑该公司的产品的技术支持 与售后服务，尽可能选择主流机型。 2 最大限度的满足被控对象的控制要求。 3 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单，经济、使用及维修方便。 4 保证控制系统的安全，可靠。 5 考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择p l c 容量时，应适当的留有裕量。 1 4 2 人机界面设计 对于一个实际应用的p l c 控制系统来说，除了硬件和控制软件之外，还应有适合于用 户操作的方便的人机界面。近年来软件的人机界面系统起着越来越重要的作用。它的好坏 直接影响到软件的生命人机界面的设计质量，直接影响用户对软件产品的评价，从而影 响软件产品的竞争力用户可以通过人机界面随时了解、观察并掌握整个控制系统的工作 状态，必要时还可以通过人机界面向控制系统发出故障报警，进行人工干预。因此人机界 面可以看成是人与硬件( 计算机、p l g 等) 和控制软件的交叉部分，可以通过人机界面与计 算机、p l g 进行信息交换，向p l c 控制系统输入数据、信息和控制命令；而p l g 控制系 统又可以通过人机界面，在可编程终端、计算机上回送控制系统的数据和有关信息绘用户。 由此可知人机界面充分地体现了p l g 控制系统的i o 功能及用户对系统工作情况进行操作 的控制功能。综上所述，所谓人机界面指的是介于人与p l g 控制系统之间的一个界面。操 作人员可以以通过人机界面与p l g 控制系统进行信息数据的处理和交流。嘲 1 4 2 1 人机界面设计原则 9 东南大学硕士学位论文 用户界面设计主要依靠设计已有的经验。遵循下面的原则有助于一设计者设计出友好、 高效的人机界面。“ 1 一般交互 ( 1 ) 保持一致性。使人机界面中的菜单选择，命令输入、数据显示及众多其他功能采用 一致的格式 ( 2 ) 提供有意义的反馈。向用户提供视觉的和听觉的反馈，以保证在用户和界面之间建 立双向通信。 ( 3 ) 在执行有较大破坏性的动作之前要求用户确认。如果用户要删除一个文件，或覆盖 一些重要信息，或请求中止一个程序运行，应该给出“您是否确实要”的信息，使用 户确认发出的指令。 ( 4 ) 允许取消绝大多数操作。u n d o 或r e v e r s e 功能使众多终端用户避免了大量时间的 浪费。每个交互应用系统都应该能方便地取消已完成的操作。 ( 5 ) 减少在两次操作之间必须记忆的信息量。不应该期望用户能记作一大串数字或名 字，以使在下次操作中使用它们，应该尽量减少记忆量。 ( 6 ) 提高对话、移动和思考的效率。应该尽量减少击键次数，下拉屏幕布局时应该考虑 尽量减少鼠标移动的距离，尽量避免出现用户问“这是什么意思”的情况。 ( 7 ) 允许犯错误。系统应该保护自己不受致命错误的破坏。 ( 8 ) 按照功能对动作分类。并据此设计屏幕布局。 下拉菜单按照动作类型组织命令。 2 信息显示 ( 1 ) 如果人机界面显示的信息是不完整的，含糊的或难于理解的则应用软件显然不能满 足用户的需求。可以用多种不同方式“显示”信息，如用文字、图片和声音等。 ( 2 ) 只显示与当前工作内容有关的信息。用户在获得有关系的特定功能信息时、不必看 到与之无关的数据，以及图形。 ( 3 ) 使用一致的标记、标准的缩写和可预知的颜色，显示的含义应该非常明确。不必参 照其他信息源就能理解。 ( 4 ) 产生有意义的出错信息。 ( 5 ) 使用大小写缩进和文本分组以帮助理解。 3 数据录入用户的大部分时间用在选择命令、键入数据和向系统提供输入。在许多系 统中键盘仍然是重要的输入介质，下面是数据输入列应该注意的问题 ( 1 ) 尽量减少用户输入动作 ( 2 ) 保持信息显示和数据输入之间的一致性。“ 1 4 2 2 人机界面实现的方式 人机界面设计主要有三种方法实现：一个是基于触摸屏技术，这种在工业控制设计中 较为广泛的使用：一个是基于工作站并配置高级组态工具软件，工作站系统很受用户欢迎， 它功能全面、使用简单，但其价格高。一个是用个人计算机为p i , c 网络提供人机界面，这 1 0 第一章可编程控制器与系统设计 是一种物美价廉的作法但是，它对用户的要求软高，需要用户对所编制的语言熟悉，并 做较多的开发工作，才能实现连上p l c 网络，但是可以根据用户的要求，充分利用计算机 的资源，开发所需的界面，实现人机交互，信息管理。 触摸屏的基本原理是用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时，所触摸的 位置( 以坐标形式) 由触摸屏控制器检测，并通过接口( 如l c s 一2 3 2 串行口) 送到c p l j 。从 而确定输入的信息。 在工业控制中，采用触摸屏与可编程控制器结合解决了工程控制中实际的问题，触摸 屏不仅替代原先操作按钮的控制功能，从而减少p l c 的输入输出控制点，而且实现了加工 信息显示、操作参数的设置，文件的存储等功能。在原先的设计中如若需要实现加工信息， 操作参数的设置等需要人机交互信息时，一般采用在p c 机上用编程语言编写相应的操作 界面软件不仅设备的配置中需要增加p c 机，而且要求工程人员的具有用编程语言编制 人机界面编程的能力。触摸屏的使用使得人机交互操作更简单，设备的设计更人性化，大 大减少软件编程量，工程技术人员无需掌握专业的计算机知识及编程语言即可进行人机交 互界面的设计 1 4 。3 抗干扰设计 1 4 3 1 干扰的主要来源及途径 在进行p l c 控制系统抗干扰设计之前，必须了解其干扰的来源及途径。干扰的来源及 途径主要分别来自于以下几个方面：口l 【4 1 1 6 1 1 来自空间的辐射干扰 空闻的辐射电磁场( e m i ) 主要是由电力网络、电气设备的瞬态过程、雷电、无线电 广播，电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰。其分布极为复杂。 若p l c 系统置于射频场内，就会收到辐射干扰。其影响主要通过两条路径：一是直接对 p l c 内部的辐射，由电路感应产生干扰；二是对p l c 通信内网络的辐射，由通信线路的感 应引入干扰。辐射于扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小，特别是频率有关，一 般通过设置屏蔽电缆和p l c 局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。 2 来自系统外引线的干扰 主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较严重。 ( 1 ) 来自电源的干扰 p l c 系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电 磁干扰而在线路上感应电压和电流。尤其是电网内部的变化，开关操作产生浪涌、大型电 力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电 源原边。p l c 电源通常采用隔离电源。但其机构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。实 际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，绝对隔离是不可能的。 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 来自信号线引入的干扰 与p i , c 控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部 干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电 电源串入的电网干扰，这往往被忽视：二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线 上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起i ，o 信号工作异常和测量精度 大大降低严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰， 引起共地系统总线回流。造成逻辑数据变化、误动和死机。p l c 控制系统因信号引入干扰 造成i o 模件损坏数相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。 ( 3 ) 来自接地系统混乱时的干扰 接地是提高电子设备电磁兼容性( e m c ) 的有效手段之一。正确的接地既能抑制电 磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号， 使p l c 系统将无法正常工作。 p l c 控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对p l c 系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点问存在地电位差，引起地环路电 流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端a 、b 都接 地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。 此外，屏蔽层，接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内 有会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地与其它接地 处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响p l , c 内逻辑电路和模 拟电路的正常工作。p l c 工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响 p l c 的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致 测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。 3 来自p l c 系