毕业设计（论文）-PLC水塔水位控制及应用系统设计.doc

成都电子高专毕业设计 题题 目 目 PLC 水塔水位控制及应用系统设计 专业班级专业班级 T09421 数控班 姓姓 名名 学号 学号 指导教师姓名 指导教师姓名 20112011 年年 1010 月月 9 9 日日 目目 录录 1 绪 论 1 1 1 可编程控制器的产生 1 1 2 PLC 的发展 3 2 PLC 的基本结构 4 2 1 中央处理单元 CPU 4 2 2 存储器 4 2 3 输入 输出模块 6 2 4 扩展模块 7 2 5 编程器 7 2 6 PLC 电源 8 3 PLC 的工作原理与特点 9 3 1 PLC 的工作原理 9 3 2 PLC 特点 11 4 梯形图程序设计及工作过程分析 13 5 水塔水位系统设计 14 5 1 水塔水位系统 PLC 硬件设计与调试 14 5 2 水塔水位系统控制电路与输入 输出设备 15 5 3 水塔水位控制系统 PLC 的输入 输出接口分配表 16 6 水塔水位控制系统 PLC 软件设计 16 6 1 水塔水位控制系统工作过程 16 6 2 水塔水位控制系统程序流程图 16 6 3 水塔水位控制系统梯形图 18 结 论 19 致 谢 20 参考文献 21 摘 要 随着现代社会生产的发展和技术进步 现代工业自动化生产水平的日益提高 微电子技术的飞速发展 在继电器控制系统的基础上产生了一种新型的工业控制装 置 可编程控制器 随着科技的发展和现实暴露的一些问题 以便能更快捷更方 便的完成一些任务 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 PLC 故障报警 Abstract With the development of modern social production and technological progress the level of modern industrial automation increasingly rapid development of microelectronics technology machine the relay control system based on a new generation of industrial control devices programmable logic controller With the development of technology and the reality of some of the problems exposed in order to be more efficient and more convenient to complete some tasks in the industrial and agricultural production process often need to measure and control the water level Water level control applications in everyday life are very wide such as water towers groundwater hydropower and other water level control case The water level detection can have a variety of implementation methods Such as mechanical control logic control electrical and mechanical control In this paper the main PLC control install an automatic water tank level measuring device The conductivity of water use around the clock to measure the water level continuously changes the measured water level changes into a corresponding electrical signal the console application MCGS the received signal configuration software for data processing complete the corresponding level shows fault alarm information display real time display of curve and the curve of history so that the water level maintained at the appropriate location Key words Water level control PLC Fault alarm PLC 水塔水位控制及应用系统设计 1 绪 论 1 1 可编程控制器的产生 可编程控制器是继电器控制的基础上发展起来的一种新型工业控制装 置 它是将自动化技术 微型计算机技术及通讯技术融为一体的高可靠 性的控制器 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 它是一 种数字运算操作的电子系统 专为在工业环境下应用而设计的 它采用 可编程序的存储器 用来在其内部执行逻辑运算 顺序控制 定时 计 数和算术运算等操作指令 并通过数字式 模拟式的输入或输出 控制 各类型的机械或生产过程 可编程控制器及其有关设备 都应按照易于 与工业控制形成一个整体 易于扩充其功能的原则来设计 它已经被广 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 是以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 接触器控制已经有上百年的历史 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 于维修的优点 对于工作模式固定 要求比较简单的场合非常实用 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 即 1 编程方便 现场可修改程序 2 维修方便 采用模块化结构 4 体积小于继电器控制装置 5 数据可直接送入管理计算机 6 成本可与继电器控制装置竞争 7 输入可以是交流 115V 8 输出为交流 115V 2A 以上 能直接驱动电磁阀 接触器等 9 在扩展时 原系统只要很小变更 10 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 使得不熟悉计算机的人也能 方便地使用 这样 工作人员不必在编程上花费大量地精力 只需集中 精力去考虑如何操作并发挥该装置的功能即可 输入 输出电平与市电 接口 市电控制系统可方便地在需要的地方运行 所以 可编程控制器 广泛地应用于各工业领域 1969 年 第一台可编程控制器PDP 14 由美国数字设备公司 DEC 制作成功 并在GM 公司汽车生产线上使用取得良好的效果 可编程控制器由此诞生 在控制领域内产生了历史性革命 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 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个阶段 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 装置中的器件主要采用分 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 在硬件方面 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 使各 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 由于超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 2 PLC 的基本结构 PLC 实质是一种专用于工业控制计算机 其硬件结构基本上与微型计算机 相同 中央处理单元 CPU 如图 2 1 所示 系统程序存储器电源 输 入 电 路 中央处理单元 CPU 编程器 输 出 电 路 系统程序存储器 图 2 1 硬件结构 2 1 中央处理单元 CPU 中央处理单元 CPU 是 PLC 控制中枢 它将 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术运算结果送入 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 为进一步提高 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 2 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的系统 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 4 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 5 系统软设备存储区 除 I O 映象区以外 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 所谓用户程序是指使用 户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序 此程序由使用者通过 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 2 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接口 现场的输入信号 如按钮开关 行程开关 限位开关以及传感器输出的开关量 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光电耦合电 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 数字量 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与 PLC 的 I 0 总线挂 接 现在标准量程的模拟电压主要是 0 5 伏和 0 10 伏两种 另外还有 0 somV 0 5V 5 5V 10 10V 0 10mA 等 模拟量输入模块接收标准 量程的模拟电压或电流后 把它转换成 8 位 10 位或 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 2 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 智能 I O 接 口模块种类很多 例如高速计数模块 PLC 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 智能存贮模快以及智能 I O 模块等 2 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 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IBM PC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 程器可以用多种编程语言编程 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 绘图仪等设备连接 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IBM PC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重新输入程序的 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 以便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 用户可根据自己实践控制系统的要求 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 所做的 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 2 6 PLC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 3 PLC 的工作原理与特点 3 1 PLC 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 1 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 控制线路的那个位置上都会立即同时动作 2 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 PLC 的 CPU 是采用分时操作的原理 每一时刻执行一个操作 随着时间的 延伸一个动作接一个动作顺序地进行 这种分时操作进程称为 CPU 对程序的扫 描 PLC 的用户程序由若干条指令组成 指令在存储器中按序号顺序排列 CPU 从第一条指令开始 顺序逐条地执行用户程序 直到用户程序结束 然后返回 第一条指令开始新的一轮扫描 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 3 1 图 3 1 PLC 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 映象区中的相应的单元内 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 2 PLC 的 I O 响应时间 为了增强 PLC 的抗干扰能力 提高其可靠性 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慢的多 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 如图 3 2 上 电 R U N 自 诊 断 通 讯 输 入 采 样 用 户 程 序 执 行 输 出 刷 新 故 障 图 3 2 PLC 扫描周期示意图 3 2 PLC 特点 一 高可靠性 1 抗干扰能力强 适合于在恶劣的生产环境下运行 它完全不需要一般计 算机所要求的环境 且所有的 I O 接口电路均采用光电隔离使工业现场的外电 路与 PLC 内部电路之间电气上隔离 2 各输入端均采用 R C 滤波器其滤波时间常数一般为 10 20ms 3 各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰 4 采用性能优良的开关电源 5 对采用的器件进行严格的筛选 6 良好的自诊断功能一旦电源或其他软硬件发生异常情况 CPU 立即采用有 效措施以防止故障扩大 7 大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成表决系统 使 可靠性更进一步提高 二 系统采用了分散的模块化结构 1 PLC 针对不同的工业现场信号如 交流或直流 开关量或模拟量 电压 或电流 脉冲或电位 强电或弱电等 2 有相应的 I O 模块与工业现场的器件或设备 可针对各类不同控制需要 进行组合 便于扩展 也易于检查故障和维修更换 从而大大提高了效率 3 直接连接 另外为了提高操作性能它还有多种人 机对话的接口模块 为了组成工业局部网络 它还有多种通讯联网的接口模块等等 三 采用了大规模集成电路技术和微处理器技术 为了实现机电一体化 将其设计得紧凑 坚固 小体积 易于装入机械设 备内部 各种工业控制需要除了单元式的小型 PLC 以外 绝大多数 PLC 均采用 模块化结构 PLC 的各个部件包括 CPU 电源 I O 等均采用模块化设计 由机架 及电缆将各模块连接起来 系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合 四 编程简单易学 PLC 的编程大多使用面向控制操作的控制逻辑语言 类似于继电器控制线 路的梯形图形式 对使用者来说不需要具备计算机的专门知识 因此很容易被 一般工程技术人员所理解和掌握 五 安装简单维修方便 PLC 不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行 使用时只需将现 场的各种设备与 PLC 相应的 I O 端相连接即可投入运行 各种模块上均有运行 和故障指示装置 便于用户了解运行情况和查找故障 由于采用模块化结构 因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行 4 梯形图程序设计及工作过程分析 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 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 状态转移图语言 SFC 类似于计算机常用的程序框图 但有它自己的规则 描述控制过程比较详细具体 包括每一框前的输入信号 框内的判断和工作内 容 框后的输出状态 这种方式容易构思 是一种常用的程序表达方式 高级语言类似于BASIC语言 C语言等 它们在某些厂家的PLC中应用 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 0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 5 水塔水位系统设计 5 1 水塔水位系统 PLC 硬件设计与调试 水塔水位控制装置如图 5 1 所示 1 保持水池的水位在 S3 S4 之间 当水池水位低于下限液位开关 S4 此时 S4 为 ON 电磁阀打开 开始往水池里注水 超过水池下限液位开关 S4 时 此时水池下限液位开关 S4 为 OFF 表示水位高于下限水位 当液面高于上限水 位 S3 时 则 S3 为 ON 电磁阀关闭 2 保持水塔的水位在 S1 S2 之间 当水塔水位低于水塔下限水位开关 S2 时 则水塔下限液位开关 S2 为 ON 则驱动电机 M 开始工作 向水塔供水 当 S2 为 OFF 时 表示水塔水位高于水塔下限水位 当水塔液面高于水塔上限水 位开关 S1 时 则 S1 为 ON 电机 M 停止抽水 当水塔水位低于下限水位时 同 时水池水位也低于下限水位时 电机 M 不能启动 图 5 1 水塔水位控制装置图 5 2 水塔水位系统控制电路与输入输入 输出设备输出设备 1 水塔水位系统控制电路如图 5 2 所示 图 5 2 水塔水位系统控制电路 2 水塔水位系统的输入 输出设备 这是一个单体控制小系统 没有特殊的控制要求 只需选用一般中小型控 制器即可 5 3 水塔水位控制系统 PLC 的输入 输出接口分配表 水塔水位控制系统 PLC 的输入 输出接口分配表如表 5 1 所示 表 5 1 水塔水位系统 PLC 的输入 输出接口分配表 输入 继电器 输入变量名 输出 继电器 输出变量名 X0 控制开关 Y1 电磁阀 Y X1 水塔上限液位开关 Y0 电机 M1 X2 水塔下限液位开关 X3 水池上限液位开关 X4 水池下限液位开关 S1 表示水塔的水位上限 S2 表示水塔水位下限 S3 表示水池水位上限 S4 表示水池水位下限 M1 为抽水电机 Y 为水阀 6 水塔水位控制系统 PLC 软件设计 6 1 水塔水位控制系统工作过程 设水塔 水池初始状态都为空着的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 定时器开始定时 4 秒后 如果S4 还不为 OFF 那么阀 Y 指示灯闪烁 表示阀Y 没有进水 出现故障 S3 为 ON 后 阀 Y 关闭 Y 为 OFF 当 S4 为 OFF 时 且水塔水位低于水塔低水位界时S2 为 ON 电机 M 运转抽水 当水塔水位高于水塔高水位界时电机M 停止 此次给水塔供水 完成 6 2