基于plc水塔水位控制系统设计.doc

实实 训（习）报训（习）报 告告 课程名称：专课程名称：专 业业 综综 合合 实实 训训 专专 业：业： 生产过程自动化 班班 级：级： 学学 号：号： 姓姓 名：名： 指导教师：指导教师： 成成 绩：绩： 完成日期： 目目 录录 1、PLC 简介.6 1.1、可编程控制器的产生.6 1.2、PLC 的发展.8 1.3、PLC 的未来展望.9 1.4、PLC 的特点.9 1.5、PLC 的组成.10 1.5.1、中央处理单元(CPU) .11 1.5.2、存储器.11 1.5.3、输入/输出模块.13 1.5.4、扩展模块.14 1.5.5、编程器.14 1.5.6、电源.16 1.6、PLC 的工作原理.16 1.6.1、扫描技术.17 1.6.2、PLC 的 I/O 响应时间.18 1.7、梯形图程序设计.18 2、方案的论证.20 2.1、工艺过程分析.20 2.2、PLC 型号的选择.20 2.3、工作控制方式.20 3、水塔水位系统 PLC 硬件设计.22 3.1、水塔水位系统控制电路.22 3.2、输入/输出分配.23 3.3、水塔水位系统的接线图.23 4、水塔水位控制系统 PLC 软件设计.24 4.1、程序流程图.24 4.2、梯形图.25 4.3、系统程序的具体分析.26 4.4、水塔水位控制系统梯形图的对应指令表.27 5、总结.28 致 谢.29 参考文献.30 摘摘 要要 在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量和控制。水位控制在 日常生活中应用也相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位 控制。而水位检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机 电控制等。本文采用 PLC 进行主控制，在水箱上安装一个自动测水位装置。 利用水的导电性连续地全天候地测量水位的变化，把测量到的水位变化转 换成相应的电信号，主控台应用 MCGS 组态软件对接收到的信号进行数据 处理，完成相应的水位显示、故障报警信息显示、实时曲线和历史曲线的 显示，使水位保持在适当的位置。 关键词： 水位控制、欧姆龙 PLC 1、PLC 简介简介 1.1、可编程控制器的产生、可编程控制器的产生 可编程控制器是二十世纪七十年代发展起来的控制设备，是集微 处理器、储存器、输入 /输出接口与中断于一体的器件，已经被广泛 应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各个行业。计算机在操 作系统、应用软件、通行能力上的飞速发展，大大加强了可编程控制 器通信能力，丰富了可编程控制器编程软件和编程技巧，增强了 PLC 过程控制能力。因此，无论是单机还是多机控制、是流水线控 制还是过程控制，都可以采用可编程控制器，推广和普及可编程控制 器的使用技术，对提高我国工业自动化生产及生产效率都有十分重要 的意义。 可编程控制器 (Programmable Controller)也可称逻辑控制器 (Programmable Logic Controller),是一微处理器为核心的工业自动控 制通用装置，是计算机家族的一名成员，简称PC。为了与个人电 脑（也简称 PC）相混淆通常将可编程控制器称为PLC。 可编程控制器的产生和继电器接触器控制系统有很大的关系。 继电器 接触器控制已经有伤百年的历史，它是一种弱电信号控制 强电信号的电磁开关，具有结构简单、电路直观、价格低廉、容易操 作、易于维修的有优点。对于工作模式固定、要求比较简单的场合非 常使用，至今仍有广泛的用途。但是当工作模式改变时，就必须改变 系统的硬件接线，控制柜中的物件以及接线都要作相应的变动，改造 工期长、费用高，用户宁愿扔掉旧控制柜，另做一个新控制柜使用， 阻碍了产品更新换代。 随着工业生产的迅速发展，市场竞争的激烈，产品更新换代的周期日 益缩短，工业生产从大批量、少品种，向小批量、多品种转换，继电器 接触器控制难以满足市场要求，此问题首先被美国通用汽车公司（GM 公 司）提了出来。通用汽车公司为适合汽车型号的不断翻新，满足用户对产 品多样性的需求，公开对外招标，要求制造一种新的工业控制装置，取代 传统的继电器接触器控制。其对新装置性能提出的要求就是著名的 GM10 条，编程方便，现场可修改程序； 维修方便，采用模块化结构； 可靠性高于继电器控制装置；体积小于继电器控制装置； 数据可直接送 入管理计算机；成本可与继电器控制装置竞争； 输入可以是交流 115V； 输出为交流 115V，2A 以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；在扩展时， 原系统只要很小变更；用户程序存储器容量至少能扩展到 4K。 这十项指标就是现代PLC 的最基本功能，值得注意的是 PLC 并不等同于普通计算机，它与有关的外部设备，按照“易于 与工业控制系统连成一体”和“便于扩充功能 ”的原则来设计。 用可编程控制器代替了继电器接触器的控制，实现了逻辑 控制功能，并且具有计算机功能灵活、通用性等有点，用程序代替 硬接线，并且具有计算机功能灵活、通用性能强等优点，用程序代 替硬接线，减少了重新设计，重新接线的工作，此种控制器借鉴计 算机的高级语言，利用面向控制过程，面向问题的“自然语言 ” 编程，其标志性语言是极易为IT 电器人员掌握的梯形图语言，使 得部熟悉计算机的人也能方便地使用。这样，工作人员不必在变成 上发费大量地精力，只需集中精力区考虑如何操作并发挥改装置地 功能即可，输入、输出电平与市电接口，市控制系统可方便地在需 要地地方运行。所以，可编程控制器广泛地应用于各工业领域。 PLC 问世时间不长，但是随着微处理器的发展，大规模、超大 规模集成电路不断出现，数据通信技术不断进步，PLC 迅速发 展。 PLC 进入九十年代后，工业控制领域几乎全被PLC 占领。 国外专家预言， PLC 技术将在工业自动化的三大支柱（PLC、 机器人和 CAC/CAM）种跃居首位。 我国在八十年代初才开始使用PLC，目前从国外应进的PLC 使用较为普遍的由日本OMRON 公司 C 系列、三菱公司F 系列、 美国 GE 公司 GE 系列和德国西门子公司S 系列等。 1.2、PLC 的发展的发展 虽然 PLC 问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大 规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC 也迅速 发展，其发展过程大致可分为三各阶段： 早期的 PLC 一般称为可编程逻辑控制器。这是的 PLC 多少由电继 电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成 的顺序控制、定时等。它在硬件上 以计算机的形式出现，在 I/O 接口电 路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置种的器件主要采用分离 元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些 措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上采用广大电器工程技术人 员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的 PLC 的性能 要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能 耗低，有故障指示，能重复使用等。其中 PLC 特有的编程语言梯形图 一直沿用至今。 在七十年代，微处理器的出现使 PLC 发生了巨大的变化。美国，日 本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为 PLC 的中央处理单元 （CPU） 。 这样，使 PLC 的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻 辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、 通讯、自诊断等功能。再硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外， 还增加了模拟量快、远程 I/O 模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储 器的容量，是各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存 器，使 PLC 的应用范围得以扩大。 进入八十年代中、后期，由于插大规模集成电路技术的迅速发展， 微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的 PLC 所采用的微处理 器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高 PLC 的处理速度，各制造厂 商纷纷开发研制了专用逻辑处理芯片。这样使得 PLC 软、硬功能发生了 巨大变化。 1.3、PLC 的未来展望的未来展望 21 世纪，PLC 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果 会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储 容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及 超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐 全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的 需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加 剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的 编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机 组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机 集散控制系统 DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制 器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和 国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来 越大的作用。 1.4、PLC 的特点的特点 1 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。 2 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。 3 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。 4 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。 5 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。 1.5、PLC 的组成的组成 PLC 的硬件主要是由中央处理器（CPU） 、存储器、输入单元、输出 单元，通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU 是 PLC 的核心， 输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与 CPU 之间的接口电路， 通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。典型 PLC 组成框图如图 1.1 所示。 图图 1.1 典型典型 PLC 组成框图组成框图 1.5.1、中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是 PLC 控制中枢。它 PLC 系统程序赋予功能接收 并存储从编程器键入用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O 以及警戒 定时器状态，并能诊断用户程序中语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它 以扫描方式接收现场各输入装置状态和数据，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，命令解释后按指令规定执行逻 辑或算数运算结果送入 I/O 映象区或数据寄存器内。等所有用户程序执行 完毕之后，最后将 I/O 映象区各输出状态或输出寄存器内数据传送到相应 输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 进一步提高 PLC 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 表决式系统。这样，某个 CPU 出现故障，整个系统 仍能正常运行。 1.5.2、存储器 存放系统软件存储器称为系统程序存储器。存放应用软件存储器称为 用户程序存储器。 1、PLC 常用存储器类型 （1）RAM （Random Assess Memory） 这是一种读/写存储器(随机 存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。 （2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种 可擦除只读存储器。断电情况下，存储器内所有内容保持不变。紫外线连 续照射下可擦除存储器内容)。 （3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这 是一种电可擦除只读存储器。使用编程器就能很容易对其所存储内容进行 修改。 2、PLC 存储空间分配 各种 PLCCPU 最大寻址空间各不相同，PLC 工作原理，其存储空间一 般包括以下三个区域： （1）系统程序存储区 （2）系统 RAM 存储区（包括 I/O 映象区和系统软设备等） （3）用户程序存储区 系统程序存储区：系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统系 统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊 断子程序等。由制造厂商将其固化 EPROM 中，用户不能直接存取。它和 硬件一起决定了该 PLC 性能。 系统 RAM 存储区：系统 RAM 存储区包括 I/O 映象区以及各类软设备， 如：逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存 储器。 （1）I/O 映象区：PLC 投入运行后，输入采样阶段才依次读入各输入 状态和数据，输出刷新阶段才将输出状态和数据送至相应外设。它需要一 定数量存储单元(RAM)以存放 I/O 状态和数据，这些单元称作 I/O 映象区。 一个开关量 I/O 占用存储单元中一个位（bit） ，一个模拟量 I/O 占用存储单 元中一个字（16 个 bit） 。整个 I/O 映象区可看作两个部分组成：开关量 I/O 映象区；模拟量 I/O 映象区。 （2）系统软设备存储区 ：I/O 映象区区以外，系统 RAM 存储区还包 括 PLC 内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加 器等）存储区。该存储区又分为具有失电保持存储区域和无失电保持存储 区域，前者 PLC 断电时，由内部锂电池供电，数据不会遗失；后者当 PLC 断电时，数据被清零。 用户程序存储区：主要用来存放用户的应用程序。所谓用户程序时指 使用户根据工程现场的的产生过程和工艺要求编写的控制程序。次程序由 使用者通过编程器输入到 PLC 机的 RAM 存贮器中，以便于用户随时修改。 也可将用户程序存放在 EEPROM 中。 1.5.3、输入/输出模块 输入/输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的 借口。现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及传感输出 的开关量或模拟量（压力、流量、温度、电压、电流）等，都要通过输入 模块送到 PLC。由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器 CPU 所处 理的信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成 PLC 能够 接受和处理的数字信号。输入模块的作用是接收中央处理器处理过的数字 信号，并把它转换成现场执行部件所能接收的控制信号，以驱动如电磁阀、 灯光显示、电机等执行机构。可编程控制器有多种输入/输出模块其类型有 数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块。这些模块分直流和交流、 电压和电流类型，每种类型又有不同的参数等级，主要有数字量输入/输出 模块和模拟量输入输出/模块，部件上都设有接线端子排，为了滤除信号的 噪声和便于 PLC 内部对信号的处理，这些模块上都带有滤波、电平转换、 信号锁存电路。数字量输入模块带有广电耦合电路，其目的是把 PLC 与外 部电路隔离起来，以提高 PLC 的抗干扰能力。数字两输出有继电器输出、 晶体管输出和可控硅输出三种方式。模拟量输入/输出模块主要用来实现模 拟量与数字量之间的转换，即 A/D 或 D/A 转换。由于工业控制系统中有 传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必须 通过模拟量输入/输出模块与 PLC 的中央处理器连接。模拟量输入模块 A/D 转换后的二进制数字量，经光电耦合器和输出锁存器宇 PLC 的 1/0 总 线挂接。现在标准量程的模拟电压主要是 05 伏和 010 伏两种。模拟 量输入模块接收标准量程的模拟电压或电流猴，把它转换成 8 未、10 未或 12 位的二进制数字信号，送给中央处理器进行处理。模拟量输出模块将中 央处理器的二进制数字信号转换成标准量程的电压或电流输出信号，提供 给执行机构。 1.5.4、扩展模块 当一个 PLC 中心单元的 I/O 点数不够用时，就要对系统进行扩展，扩 展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。模块随着可编程控制器 在工业控制中的广泛应用和发展，使可编程控制器的功能更加强大和完善。 只能 I/O 接口模块种类很多，例如高速计数模块、PLCA 控制模块、数字 位基于 PLC 的变频恒压供水系统的设计置译码模块、阀门控制模块、智能 存贮弄快以及智能 I/O 模块等。 1.5.5、编程器 它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器 还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在 它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器还可 与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带 上，磁带上的信息可以重新装入PLC。 目前编程器主要有以下三种类型： 1.便携式编程器(也叫简易编程器)；2.图形编程器；3.用于IBMPC及 其兼容机的编程器。 便于携带的特点，一般只能用指令形式编程，通过按键输入指令，通 过数码管或液晶显示器加以显示、这种编程器适合小型可编程控制器的编 程要求。 图形编程器以液晶显示器(LCD)或阴极射线管(CRT)作屏幕，用来显示 编程内容和提供如输入、输出、辅助继电器的占有情况、程序容量等各种 信息，还可在调试程序、检查程序执行时显示各种信号状态、出错提示等。 使用图形编程器可以月多种编程语言编程，梯形图显示在屏幕上十分 直观。图形编程器还可与打印机、录音机、绘画仪等设备连接，有较强的 监控功能。但它的价格高，适用于中、大型可编程控制器的编程要求。 用于IBMPC及其兼容机的编程器是个人计算机加上适当的硬件接口 和软件包作为编程器，也可直接编制成梯形图，其监控功能也很强。编程 器工作方式主要有编程和监控两种，编程工作方式是在PLC机处于停机状 态时可以进行编程，它的功能主要是输入新的程序，或者对已有的程序予 以编辑和修改。 监控工作方式可以对运行中的控制器工作状态进行监视和跟踪，一般 可以对某一线圈或触点的工作状态进行监视，也可以对成组器件的工作状 态进行监视，还可以跟踪某一器件在不同时间的工作状态，除搜索、监视、 跟踪外，还可以对一些器件进行操作。因此编程器的监控方式对控制器中 新输入程序的调试与试运行是非常有用和方便的。编程器的结构一般包括 显示部分与键盘部分。显示一般用液晶显示器，主要的显示内容包括地址、 数据、工作方式、指令执行情况及系统工作状态等。键盘有单功能键和双 功能键，在使用双功能键的时候键盘中都备有一个选择键，以选择其中一 种方式工作。 现在产品越来越模块化，可编程控制器也不例外，它的结构紧密、坚 固，外形小巧，CPU本身只提供了一定数量的数字输入和输出点数。不同 厂家、不同型号的PLC的输入输出点数也不同，有的大型机输入输出 点数可达16K，而很多小型机仅有10来点，而且CPU本身不带模拟输入与 输出，但CPU一般都带有扩展接口。因此，用户选型后，所需的输入或输 出点数不够时，就需对系统做出必要的扩展，各个厂家也生产了专用于扩 展用的各模板供用户选用。扩展模板的外形一般也小巧、坚固，有易于接 线的端子排，带有扩展总线或通过总线连接器与CPU相连。主要有数字输 入输出模板，模拟输入输出模板，热电阻、热电偶扩展模板，还有智 能模板等许多具有专用功能的特殊模板。 用扩展模板来扩展系统具有以下的优点： 用户可根据自己时间控制系统的要求，选用各种合适的扩展模块对 PLC作硬件组态，以求达到各种功能或控制精度，同时节省开支，减少不 必要的投资。 当已运行的系统需要改造或扩充时，PLC可以随时进行升级或改版， 所作的工作仅仅是替换或增加扩展模板和修改相应的控制软件。特殊模板 及智能模板的开发将进一步扩展可编程控制的功能，专用模板的开发不仅 扩大了可编程控制系统的控制功能，而且将进一步提高控制质量与可靠性。 1.5.6、电源 PLC中的电源一般有三类： 1、+5V、15V直流电源：供PLC中TTL芯片和集成运放使用； 2、供输出接口使用的高压大电流的功率电源； 3、锂电池及其充电电源。 考虑到系统的可靠性以及光电隔离器的使用，不同类型的电源其地线 也不同。 目前PLC的发展非常迅速，型号众多，各种特殊功能模板不断涌现。 通常根据其I/O点的数量将 PLC分为三大类： 小型机：256点以下（无模拟量） ； 中型机：256 2048点（64 128路模拟量） ； 大型机：2048点以上（128 512路模拟量） 。 具体实现时，通常采用模板式结构，以便用户根据实际应用需求进行 配置。但一些小型机常制作成一体机，其配置固定，主要供定型成套设备 使用；而一些大型机一般在电源、或者CPU，甚至两者都作了热备份。 1.6、PLC 的工作原理的工作原理 最初研制生产的 PLC 主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控 制装置，但这两者的运行方式是不相同的： 继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的 线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继 电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。 而 PLC 的 CPU 则采用 顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被 接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作， 必须等扫描到该触点时才会动作。 为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器 控制装置各类触点的动作时间一般在 100ms 以上，而 PLC 扫描用户程 序的时间一般均小于 100ms，因此，PLC 采用了一种不同于一般微型计 算机的运行方式-扫描技术。这样在对于 I/O 响应要求不高的场合， PLC 与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。 1.6.1、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。如图 2.2 所示： 图图 1.2 PLC 扫描周期扫描周期 1、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。 2、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。 3、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。 1.6.2、PLC 的 I/O 响应时间 为了增强 PLC 的抗干扰能力，提高其可*性，PLC 的每个开关量输入 端都采用光电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制， PLC 采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术） 。以上两个主 要原因，使得 PLC 得 I/O 响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的 多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更 长。所谓 I/O 响应时间指从 PLC 的某一输入信号变化开始到系统有关输出 端信号的改变所需的时间。 1.7、梯形图程序设计、梯形图程序设计 梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器 控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原 理电路图非常相似，但又加入了许多功能强而又使用灵活的指令，它比较 直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器控制系统的人来说，易被接受。 继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程，绝大多数PLC用户 都首选使用梯形图编程。 指令是用英文名称的缩写字母来表达PLC的各种功能的助记符号，类 似于计算机汇编语言。由指令构成的能够完成控制任务的指令组合就是指 令表，每一条指令一般由指令助记符和作用器件编号组成，比较抽象，通 常都先用其它方式表达，然后改写成相应的语句表，编程设备简单价廉。 通常微、小型PLC主要采用继电器梯形图编程，其编程的一般规则有： 1、梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个逻辑行起始于 左母线然后是触点的各种连接，最后是线圈或线圈与右母线相连，整个图 形呈阶梯形。梯形图所使用的元件编号地址必须在所使用PLC的有效范围 内。 2、梯形图是PLC形象化的编程方式，其左右两侧母线并不接任何电源， 因而图中各支路也没有真实的电流流过。但为了读图方便，常用“有电流”、 “得电”等来形象地描述用户程序解算中满足输出线圈的动作条件，它仅仅 是概念上虚拟的“电流”，而且认为它只能由左向右单方向流：层次的改变 也只能自上而下。 3、梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位 触发器为“l态”，表示该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点打开， 反之为“o态”。梯形图中继电器的线圈又是广义的，除了输出继电器、内部 继电器线圈外，还包括定时器、计数器、移位寄存器、状态器等的线圈以 及各种比较、运算的结果。 4、梯形图中信息流程从左到右，继电器线圈应与右母线直接相连， 线圈的右边不能有触点，而左边必须有触点。 5、继电器线圈在一个程序中不能重复使用：而继电器的触点，编程 中可以重复使用，且使用次数不受限制。 6、PLC在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后 顺序逐步进行的，即按扫描方式顺序执行程序，不存在几条并列支路同时 动作，这在设计梯形图时，可以减少许多有约束关系的联锁电路，从而使 电路设计大大简化。所以，由梯形图编写指令程序时，应遵循自上而下、 从左到右的顺序，梯形图中的每个符号对应于一条指令，一条指令为一个 步序。 当PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能 同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。 这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。扫描从0000号存储地址所存 放的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 递增顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结 束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周 而复始。 2 方案的论证方案的论证 2.1、工艺过程分析、工艺过程分析 水塔水位控制系统过程分析：设水塔、水池初始状态都为空着的,此时 S4,S3,S2,S1 均为 ON。当系统启动时，扫描到水池为液位低于水池下限位 时，电磁阀 Y 打开(10.02 通电)，开始往水池里进水，如果进水超过 4S， 而水池液位没有超过水池下限位（传感器 S4 仍为 ON），说明系统出现故 障，系统故障指示灯闪烁（10.03 闪烁）。若 4S 后只有水池液位按预定的 超过水池下限位（传感器 S4 变为 OFF），说明系统在正常的工作。此时 只有水池下限位有水，系统检测到此信号时，由于水塔液位低于水塔水位 下限（S2 为 ON），故水泵 M（10.04 通电）开始工作，向水塔供水，当 水池的液位超过水池上限液位时（传感器 S3 变为 OFF），电磁阀 Y 就关 闭（10.02 失电）。但是水塔现在还没有装满，水泵 M 继续工作，在水池 抽水向水塔供水，水塔装满时（传感器 S1 变为 OFF），水泵 M 停止供水 （10.04 失电），此次给水塔供水完成。 2.2、PLC 型号的选择型号的选择 输入:系统启动按钮一个,系统停止按钮一个,液位传感器四个分别表示 为 S4,S3，S2 和 S1 。输入一共有 6 个，考虑到留有 1520的余量即 6（115）6.9 取整数 7，所以共需 7 个输入点。 输出:Y 阀,故障指示灯 ,水泵 M。输出共有 3 个，3（115）3.45 取 整数 4，所以共需 4 个输出点。可以选 OMRON 公司的 CPM1A/CPM2A 型 PLC 就能满足此例的要求。 2.3、工作控制方式、工作控制方式 采用工控机作为上位机、PLC 系统作为下位机的两级控制模式。PLC 控制系统是该程控系统的核心，工控机作为监控机械手的运行状态使用。 1、上位机：计算机作为上位机，用于完成状态显示、打印输出、向 PLC 发送分类控制信号等功能，从而实现对控制系统的实时监控。同时， 计算机还是图象处理的核心。 2、下位机：PLC 作为下位机，用来完成状态判别、输出控制等工作。 它直接控制电磁阀、继电器，从而实现对各执行元件的控制。本系统采用 价格适中、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器欧姆龙 CPM2A 型 PLC 来实现水塔水位控制系统工艺的控制要求的。欧姆龙 PLC 是由电源、中央处理器和 I/O 元件组成的严密高速的程序控制器，配有丰 富的指令系统，易于用户编程，具有丰富的特殊模块和通信能力，可以满 足生产自动化的多级要求。本系统采用 CPM2A 是一种功能完善的紧凑型 PLC，大程序容量和存储单位。另外 CPU 单元带 RS-232C 接口，具有 PPI、MPI 等通信协议可实现程序传送，数据通信等功能。 欧姆龙公司 C 系列的小型机 CPM2A 型 PLC 20 点输入/输出，配有 CX-Programmer 软件用于控制部分编程时使用。 3、通信方式：CPM2A CPU 支持多样的通信协议：点到点（Point-to- Point）接口（PPI） 、多点接口（Multi-Point） （MPI） 。这些都基于系统内 通信结构模型，都是异步、基于字符的协议。其中 PPI 方式是非常简单方 便的通信协议，只需要一根 RS-232C 线进行数据信号的传递，不需要额外 再配置模块或软件。因此，本系统选择 PPI 方式，简单且能满足通信要求。 CPM2A 型 PLC 上配有 RS-232C 的通信接口，因此在不增加任何硬件的情 况下，可以很方便地将 PLC 和计算机互联。 上位机与下位机之间通过 RS-232 连接构成 HOST LINK 协议进行通信。 RS-232 又称为 EIA-232C 或 RS-232C，是最通用的一种串行通讯标准。它 是一种点到点的通信方式，只能连接两个通信设备。19200 波特率时，最 大距离为 75 米；9600 波特率时，最大距离为 900 米。计算机的串口即为 标准的 RS-232 接口。使用 RS-232 转换器可以免掉一个 RS-422 串行接口 板。 3、水塔水位系统、水塔水位系统 PLC 硬件设计硬件设计 水塔水位控制系统结构图如图 3.1 所示 图 3.1 水塔水位自动控制示意图 3.1、水塔水位系统控制电路、水塔水位系统控制电路 图图 3.2 水塔水位控制系统电路图水塔水位控制系统电路图 3.2、输入、输入/输出分配输出分配 水塔水位控制系统 I/O 分配表见表 3.1。 表表 3.1 水塔水位自动控制系统水塔水位自动控制系统 I/O 分配表分配表 输入输出 操作功能地址操作功能地址 启动按钮 停止按钮 液位传感器 s4 液位传感器 s3 液位传感器 s2 液位传感器 s1 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Y 阀 故障指示灯 水泵 M 10.02 10.03 10.04 3.3、水塔水位系统的、水塔水位系统的接线图接线图 水塔水位控制系统的 I/O 接线图如 3.3 所示： 图图 3.3 水塔水位控制系统接线图水塔水位控制系统接线图 4、水塔水位控制系统、水塔水位控制系统 PLC 软件设计软件设计 4.1、程序流程图、程序流程图 水塔水位控制系统的流程图，根据设计要求控制流程图如图 5.1： 图图 4.1 水塔液位自动控制系统流程图水塔液位自动控制系统流程图 4.2、梯形图梯形图 PLC 控制程序用 CX-Programmer 编程软件开发。CX-Programmer 是 OMRON 公司 PLC 的软件编程调试的工具程序，其运行在 Windows 操 作系统下，具有丰富、简捷的操作环境和强大的编程、调试功能。可实现 梯形图的编程、监视和控制等功能，尤其擅长于大型程序的编写，弥补了 手编程器编程效率低的不足1。CX-Programmer 编程软件支持模块化设计， 在程序编写时可以直接将编写好的程序通过 RS-232C 传送到 PLC 来控制 现场设备。根据程序流程图设计的梯形图如 5.2 所示： 图图 4.2 水塔水位控制系统梯形图水塔水位控制系统梯形图 4.3、系统程序的具体分析、系统程序的具体分析 PLC 采用循环扫描的的工作方式，这种工作方式是在系统软件控制下， 顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向各输出 点发出相应的控制信号，任一时刻它只能执行一条指令，这就是说 PLC 是 以“串行”方式工作的，它能有效地避免继电接触器控制系统中易出现的触 点竞争和时序失配的问题。 PLC 执行用户程序是从梯形图左母线开始由上至下，由左向右逐个扫 描每个梯级的每个元素，进行运算，此时 CPU 只是与映象区进行数据交 换，读取输入数据，送出输出信号。当 CPU 执行到 END 指令时，表示程 序段结束，则此次扫描用户程序结束。PLC 控制程序分析 实现功能：当按下 00000 系统启动按钮,中间继电器 20001 得电并自锁,系 统处于等待状态并一直保持。按下 00001 停止按钮系统的运行停止。 实现功能：当水池水位低于水池低水位界（S4 为 ON 表示） ，阀 Y 打开进水 (Y 为 ON),当 S3 为 ON 后，阀 Y 关闭（Y 为 OFF） 。 实现功能：当 Y 打开进水（Y 为 ON）定时器开始定时，4 秒后，如果 S4 还