（测试计量技术及仪器专业论文）基于plc的搅拌车液压调平控制系统设计.pdf

河北科技大学学位论文原创性声明 !i|1 11 i i ij i i j l i f i f 舢 y 1714 4 21 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究1 作所取得的成果：对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已往文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集似、已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：徐纽 a of0 年弓月如曰 、指导教师虢啦两糸 指导教师签名：目试l 心 b i 口年j 月沁日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅：本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 圈系保密。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： j 余多2 山lo 年多j = = la o 日 獬哗戳1 沁【oq - if 月山日 1 _ _ _ - 。1 摘 要 摘要 国家各项重点工程施工中大量使用混凝土拌台设备，根掘混凝土工程强度不 同，在拌台之i i 需要对水泥沙浆按配比进行称重，要求称重平台能够快速的处于水 平状态，以保证配料的计量精度和搅拌质量。本文介绍一种基于p l c 的混凝土拌合 设备自动调平控制系统。 该系统采用位置逆解法和箱体与拖车转向架的运动干涉防止技术，通过分析， 建立了数学模型，计算了油缸目标长度，设计了梯形图程序，解决了过去调平系统 调平时间长、精度低的问题。主要工作有：调查国内外现状：外文资料的翻译：调 平系统原理分析和方案设计；控制系统软件设计，包括传感器标定、调平准备、自 动调平、退出调平、手动调平、子程序等程序块的设计；触摸屏软件设计，包括主 界面、传感器标定界面、参数显示、参数设置、手动操作等界面的设计；程序调试 及优化；研制样机一台。 经实验和现场使用，该系统的设计达到了预期的目标，是一套调平速度快、精 度高、技术先进的控制系统。其倾角调平精度达0 2 。，位移精度达l m m ，调平时 | 、日j 仅l m i n 。本文提出的设计方案和设计分析方法对同类设计具有参考价值，该项目 得到推广应用，将为企业创造可观的经济效益。 关键词p l c ；自动调平：位置逆解；触摸屏 a b s t r a c t ：= = ；= = 目= ；= ； ：= ：= = = = # = = = = # = = = = = = = = = = = 自目= ；= = = = = = = = 2 = a b s t r a c t d u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n so fk e y n a t i o n a lp r o j e c t s ，c o n c r e t em i x i n gp l a n t sa r el a r g e l y u s e d a c c o r d i n gt ot h es t r e n g t hd if f e r e n c eo fc o n c r e t ew o r k s t h ec e m e n tm o r t a r , b e f o r e m i x e d s h o u l db ew e i g h e db a s e do nt h em i x t u r er a t i o i tr e q u i r st h a tt h ew e i g h i n gp l a t f o r m s h o u l db ei nh o r i z o n t a ls i t u a t i o na ss o o na sp o s s i b l et oe n s u r et h em e a s u r i n ga c c u r a c ya s w e l la st h em i x i n gq u a l i t y i nt h i st h e s i s ，a na u t o m a t i cl e v e l i n gc o n t r o ls y s t e mo fc o n c r e t e m i x i n gp l a n t sw i l lb ei n t r o d u c e dg r o u n d e do np l c t h i ss y s t e ma d o p t si n v e r s ep o s i t i o n ss o l u t i o na sw e l la sm o t i o ni n t e r v e n t i o na n d p r e v e n t i o nt e c h n i q u e so fc a s ea n d t r a i l o rb o g i e ，b u i l d sam a t h e m a t i c a lm o d e l ，c a l c u l a t e s t h et a r g e tl e n g t ho ft h ec y l i n d e r , d e s i g n sal a d d e rd i a g r a mp r o g r a m m a ，a n ds o l v e st h eo l d p r o b l e m s ，s u c h a sl o n g l e v e l i n g t i m ea n dl o wa c c u r a c y t h em a j o rt a s k si n c l u d e i n v e s t i g a t i o n so nc u r r e n ts i t u a t i o n si n a n da b r o a d ，t h et r a n s l a t i o no ff o r e i g nl a n g u a g e m a t e r i a l s ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dp r o je c td e s i g no fl e v e l i n gs y s t e m ，t h ed e s i g no f c o n t r o l s y s t e m ( i n c l u d i n gs e n s o rc a l i b r a t i o n 1 e v e l i n gp r e p a r a t i o n ，a u t o m m a cl e v e l i n g ，q u m n g l e v e l i n g ，m a n u a ll e v e l i n g ，s u b p r o g r a md e s i g n o rt h i n g sl i k et h a t ) ，t o u c hs c r e e nd e s i g n ( i n c l u d i n gt h ed e s ! g n so fm a i ns c r e e n ，s e n s o rc a l i b r a t i o ni n t e r f a c e ，p a r a m e t e rd i s p l a y , p a r a m e t e rs e t t i n g 。m a n u a lo p e r a t i o n ，e t c ) ，d e b u g g i n ga n dp r o g r a mo p t l m l z a t l o n ，t o g e t h e r w i t har e s e a r c ho nam o d a lm a c h i n e a se x p e c t e d ，t h ec o n t r o ls y s t e mi sp r o v e dt ob eo n eo fh i g hl e v e l i n gs p e e d ，h i g h a c c u r a c ya n da d v a n c e dt e c h n o l o g yt h r o u g he x p e r i m e n t sa n do n - t h e 。s p o te m p l o y m e n t s t h el e v e l i n ga c c u r a c yo fi t sd i pa n g l ei s 士o 2 。t h ed i s p l a c e m e n ta c c u r a c yl m m ，a n d l e v e l i n gt i m eo n l ylm i n t h ed e s i g na l o n g w i t hi t sa n a l y s i sm e t h o dp r o p o s e di nt h i st h e s i s i so fg r e a tv a l u et os i m i l a rd e s i g n s o n c ef i n d i n gw i d e s p r e a du s e ，t h i sp r o j e c tw i l lc r e a t e c o n s i d e r a b l ee c o n o m i cb e n e f i t s k e y w o r d s p l c ；a u t o m a t i cl e v e l i n g ；i n v e r s ep o s i t i o n ss o l u t i o n ；t o u c hs c r e e n l l 目录 目录 摘要 i a b s t r a c t + i i 目录- 一。 - ， 第1 章绪论 ：。1 1 1 课题的研究背景一 1 1 2 国内外现状一- 1 1 2 1p l c 国内外现状- 。1 1 2 2p l c 发展趋势2 1 2 3p l c 主要厂家及产品介绍13 1 2 4 调平控制系统现状3 1 3 关键技术一4 1 4 论文组织结构j 一 ，5 第2 章主要技术指标及研究内容- 6 2 1元器件及技术指标一一一 一 一6 2 1 1 液压系统电磁阀_ - u n - 6 2 1 2 传感器f7 路模拟输入) t一 6 2 1 3 调平系统技术指标：一 一 ，6 2 2p l c 相关技术一- 一t 7 2 2 1p l c 的基本组成7 2 2 2p l c 选型方法- 9 2 3 主要研究内容1 3 2 4 研究达到的目标v 1 3 2 5本章小结 *， 一一1 1 3 第3 章总体设计方案 n u “，1 4 3 1 设计原理 一- ， 1 4 3 2 设计方案一 一一一+ 15 3 2 本章小结 - 一 ， -， 17 第4 章理论计算 -一 一- - 18 4 1目标长度的具体计算方法 l8 4 2 位置逆解法计算油缸伸缩量 -。 一 18 4 3 修讵量的计算- ，t- 19 i l l 口录 4 4 数字量和物理量的相瓦转换 4 4 1倾角物理量的转换一 4 4 2 位移物理量的转换 4 5 本章小结 第5 章硬件及软件设计 5 1硬件设计 一 5 2 软件设计， 5 2 1调平控制系统软件设计 5 2 2 触摸屏系统软件设计 5 3 抗干扰设计+ 5 3 1程序跑飞一 5 3 2 数据寄存器 5 3 3 互锁设计一 5 4 本章小结 第6 章系统调试和实验结果分析 6 1 实验室模拟调试一 6 2 现场模拟调试 6 3 现场运行调试一 6 4 本章小结 第7 章技术创新点 第8 章技术经济与前景分析一 结论 参考文献 攻读硕士学位期间所发表的论文 致谢 ，t 一 个人简历 t l v ，- ，- t ，4 7 ， r 一一4 8 、一 4 9 一 4 9 t 。 - 5 0 5 0 5 2 - ：5 3 5 4 ，5 5 5 7 5 8 5 9 。- 6 0 第】章结论 第1 章绪论 频率是电子技术领域最基本的参数之一。频率计是电子电气、仪器仪表等j 立用 领域小可缺少的测量仪器，除电量以外，不少物理量的测量，如振动、转速等的测 量都涉及到或可以转化为频率的测量。 1 1课题的研究背景、 国家各项重点工程施工中，大量使用混凝土拌台设备，根据要求的混凝土工程强 度不同，拌合时水泥沙浆的配比也不同，在拌合之前需要对水泥沙浆按配比进行称 重。 该拌合设备属于车载集装箱式，生产自玎要求迅速使设备处于水平状态，以保证拌 合设备配料的计量精度和搅拌质量，对调平的时间和精度提出了较高要求。因此， 设计丌发一套具有调平快、精度高，操作方便的自动调平系统具有重要意义。 1 2 国内外现状 ” 1 ：2 1p l c 国内外现状 世界上公认的第一台p l c 是1 9 6 9 年美国数字设备公司( d e c ) 研制的。限于当 时的元器件条件及计算机发展水平，早期的p l c 主要由分立元件和中小规模集成电 路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。 2 0 世纪7 0 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使p l c 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。 为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电 器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件 都以继电器命名。此时的p l c 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 2 0 世纪7 0 年代中术期。可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面 引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可 靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、p i d 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中 的地位。2 0 世纪8 0 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个 时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段 的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家同益增多，产量闩益上升。这标志 着可编程控制器已步入成熟阶段。 2 0 世纪术期，可编f 呈控制器的发展特点是更加适应于现代工j i 址的需要。从控制 规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机：从控制能力上来说，诞生了各种 第1 章绍沦 各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合：从产 品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的 工业控制设备的配套更加容易，目6 ，j ，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶会 钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革丌放丌始的。最初是 在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不 断扩大了p l c 的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。可以预期， 随着我国现代化进程的深入，p l c 在我国将有更广阔的应用天地。 1 2 2p l c 发展趋势 p l c 作为工控机的一员，在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装置。它 具有控制方便、可靠性高、容易掌握、体积小、价格适宜等特点。据统计，当今世 界p l c 生产厂家约1 5 0 家，生产3 0 0 多个品种。占工控机市场份额的5 0 ，p l c 将 在工控机市场中占有主要地位，并保持继续上升的势头。 p l c 在6 0 年代术引入我国时，只用作离散量的控制，其功能只是将操作接到离 散量输出的接触器等，最早只能完成以继虎器梯形逻辑的操作。新一代的p l c 具有 p i d 调节功能，它的应用己从开关量控制扩大到模拟量控制领域，广泛地喧用于航天、 冶会、轻工、建材等行业。但p l c 也面临着其它行业工控产品的挑战。各厂家- f 采 取措施刁。断改进产品，主要表现为以下几个方面： ( 1 ) 微型、小型p l c 功能明显增强很多有名的p l c 厂家相继推出高速、高性 能、小型、特别是微型的p l c 。三菱的f x o s l 4 点( 8 个2 4 v d c 输入，6 个继电器输 出) ，其尺寸仅为5 8 m mx8 9 m m ，仅大于信用卡几个毫米，而功能却有所增强，使 p l c 的应用领域扩大到远离工业控制的其它行业，如快餐厅、医院手术室、旋转门 和车辆等，甚至引入家庭住宅、娱乐场所和商业部门。 ( 2 ) 集成化发展趋势增强由于控制内容的复杂化和高难度化，使p l c 向集成 化方向发展，p l c 与p c 集成、p l c 与d c s 集成、p l c 与p i d 集成等，并强化了通 讯能力和网络化，尤其是以p c 为基的控制产品增长率最快。p l c 与p c 集成，即将 计算机、p l c 及操作人员的人一机接口结合在起，使p l c 能利用计算机丰富的软 件资源，而计算机能和p l c 的模块交互存取数据。以p c 机为基的控制容易编程和 维护用户的利益，丌放的体系结构提供灵活性，最终降低成本和提高生产率。 ( 3 )向开放性转变p l c 曾存在严重的缺点，主要是p l c 的软、硬件体系结构 是封闭而不是丌放的绝大多数的p l c 是专用总线、专用通信网络及协议，编程虽 多为梯形图，但各公司的组念、寻址、语法结构不一致，使各种p l c 互不兼容。国 际电工协会( i e c ) 在1 9 9 2 年颁如了i e c l l 3 1 3 可编程序控制器的编程软f t - h i 准， 第1 謦绪论 为各p l c 厂家编程的标准化铺平了道路。现在丌发以p c 为基础、在w i n d o w s 平 台下符合i e c l l 3 1 3 国际标准的新一代丌放体系结构的p l c 正在规划中。 1 2 3p l c 主要厂家及产品介绍 在全球p l c 制造商中根据美国a u t o m a t i o nr e s e a r c hc o r p ( a r c ) 调查，世界p l c 领导厂家的五个公司分别为s i e m e n s ( 西门子) 公司、a l l e n b r a d l e y ( a b ) 公司、 s c h n e i d e r ( 施耐德) 公司、m i t s u b i s h i ( 三菱) 公司、o m r o m ( 欧姆龙) 公司，他们的销售额 约占全球总销售额的三分之二。 从西门子公司的s i m a t i cs 7 4 0 0 的性能可对p l c 窥见一斑。s i m a t i cs 7 。4 0 0 是陌式封装模块，可卡在导轨上安装，由i o 总线和通信总线建立电气连接，模块可 在工作或加电时替换或插、拔，可快速安装维护，修改方便，其主要性能为： ( 1 ) c p u 存储器容量6 4 k 字节，可扩展到1 6 m 字节； ( 2 ) 位和字处理速度8 0 n s 至2 0 0 n s ： ( 3 ) 最高系统计算能力可以有4 个c p u 同时计算； ( 4 ) 一个中央框( c r ) 可扩展直到2 1 个扩展框； ( 5 ) 每个c p u 上多点接h ( m p i ) 能力，如可同时连接文字显示或操作员以及编 程器件； ( 6 ) c p u 上的s i n e c l 2 d p 附加有分散i o 的集成性能； ( 7 ) 提供与计算机和其它s i e m e n s 产品或系统的连接接口： ( 8 ) 高可靠性，完善的自诊断和清除故障功能。 我国的p l c 生产目前也有一定的发展，小型p l c 已批量生产；中型p l c 已有 产品；大型p l c 已开始研制。国内p l c 形成产品化的生产企业约3 0 多家。主要生 产单位有：苏州电子计算机厂、苏州机床电器厂、上海兰星电气有限公司、天津市 自动化仪表厂、杭州通灵控制电脑公司、北京机械工业自动化所和江苏嘉华实业有 限公司等。 随着微处理器、网络通信、人一机界面技术的迅速发展，工业自动化技术同新月 异，新产品不断涌现。p l c 也由最初的只能处理丌关量而发展到可以处理模拟量和 数扼，加之与d c s 、p i d 调节器、工业p c 等技术相结合，使之不再是一种简单的控 制设备，而且必将随着自动控制技术的不断发展而发展生存下去。p l c 在工业自动 化控制特别是倾j 芋控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 1 2 4 调平控制系统现状 调斗二装置主要经历了手动调平和自动调平两个阶段。手动调平系统的结构简单。 样式繁多，但原理单，都足通过人二j ：的调节使平台在横向和纵向达到水平状态。 手动调平多依靠人 ：观察水准仪的水准泡，经反复调整j 能达到水平，调平时f 口j 较 1 穗赫 篼1 章绪论 长，调平精度低，受人为因素影响大，且费时费力对操作人员的素质要求较高， 存在工作性能方面的严重不足。 基于对手动调平的局限性及闭环负反馈自动控制系统的广泛研究，众多厂商在 2 0 世纪7 0 年代丌发了自动调平系统，主要有电子机械式、电子液压式、全液压式和 激光式等。其中以电子液压式的调平效果比较好，应用的范围最广。 近年来，随着电子技术、控制技术和计算机技术的迅猛发展，自动调平系统也 得到的很大的改进。这主要表现在调平传感器和控制器上。7 0 年代以来，由模拟控 制器组成的电液调平控制系统随着电液技术的发展而同趋完善，但模拟控制技术本 身存在着控制精度上难以迸一步提高，难以实现各种控制元件之i b j 的彼此通信，自 动化水平较低等缺点。非接触式超声波传感器的应用，增加了抗干扰能力；2 0 世纪 9 0 年代美国一些公司重新致力于激光传感器的研究，有望成为将来的使用重点。 自2 0 世纪9 0 年代以后，随着单片机、p l c 在机械中逐步获得使用，众多生产 商开始用数字控制器代替以前的模拟控制器。数字控制器具有成本低、易丌发、尺 寸小，结构易布置和能实现较复杂的控制等优点。 调平系统是随着电子、液压、通信和控制技术的发展而发展的，新型传感器和 数字式控制系统是自动调平系统今后主要的发展方向。纵观国内外平台的调平系统， 其形式是多样的：按支撑结构方式分有三点支撑调平、四点支撑调平和六点支撑调 平；按自动化程度分有手动调平和自动调平；按执行机构分有机电式和液压式等。 基于微处理器的控制系统在现代机械中萨逐渐普及，国外有些生产厂家已经研 制出基于微处理器的数字式自动调平控制系统。目前国内的自动调平系统研究相 对滞后，主要应用于车载雷达机、天线座机和路面摊铺机中，用于水泥沙浆拌和设 备的自动调平系统国内还处于研究丌发阶段。 本系统的核心控制器采用同本三菱公司生产的可编程控制器。整个控制系统采 用机、电、液一体控制，综合三点支撑和四点支撑的优点，满足了高精度和快速调 平的要求。 1 3关键技术 ( 1 ) 调平控制策略调平运动的控制主要包括箱体的位置解、调平油缸控制、 集装箱运动极限及p l c 的协调控制问题。调平控制的大致策略是，先根据调平前集 装箱的倾角和各油缸长度，计算出调平后各油缸长度，然后通过电液控制系统使每 个油缸达到各自的目标长度，在所有油缸达目标长度后集装箱就自然地到达水平状 态。 ( 2 ) 位置逆解法计算油缸伸缩量数学模型建立 集装箱的位置解是调平控制的 基础。位置逆解是指由调平自订集装箱箱体的给定坐标( x 、y 、z 、0x 、0y 、0z ) 求解 4 第1 章绪论 所需各液压油缸的伸缩量。由于该调平结构的运动参数是相互耦台的位置逆解需 通过坐标变换进行求解。 ( 3 ) 箱体与拖车转向架运动干涉防止技术 根掘箱体位詈最低的原则，同时考 虑箱体与拖车之问的运动极限对计算结果进行修f ，计算出每个油缸的最终目标长 度。这早对理论目标长度的修f ，可看作是箱体相对拖车进行远离或接近的平移 各油缸的修正量是相等的。 i 1 4 论文组织结构 全文共分9 章。 第1 章绪论主要介绍了课题的研究背景、国内外现状以及关键技术。 第2 章对元器件及技术指标和p l c 进行了介绍，并提出本文的研究内容和达到 的目标。 第3 章主要阐述了课题的设计原理并提出了总体设计方案。 第4 章详细介绍了本课题的理论计算方法。 第5 章是本文的重点，包括硬件设计、软件设计和抗干扰设计。 第6 章系统调试和实验结果分析，通过实践调整系统参数来提高系统的精确度 第7 章从三个方面阐述了本课题的技术创新点。 第8 章技术经济与前景分析。 结论部分对本文的研究进行了总结，并指出了该研究上的不足，以此作为下一步 研究的重点。 5 鼍蠓 撇 2b 1 加i 乜时，左后训r 油缸缩* l 力| l l u h 寸前调卜油缶t 仲k 6力i | l u h 寸前饥f i 油缶i 缩女i ! 前调、| ，油缸 比例i 乜磁铁 7k通l 乜时，冷却：断i 也时停止冷却 冷却风扇 a c 2 2 0 2 1 2 传感器( 7 路模拟输入) 倾角传感器、位移传感器和温度传感器的技术指标见表2 2 所示。 表2 - 2 传感器技术指标 t a b 2 - 2 t e c h n i c a ls p e c i f i c a t m n so ft h es e n s o r 7出j 生f t i 感嚣 4 一2 0m a- 5 0 + i50dc24k80ma 2 1 3 调平系统技术指标 位移精度：- 上- 1 - 1 m r l l ： 6 矾 从 州 o 。 第2 章土要技术指标及 究内容 调平精度：- 4 - 0 2 。： 调平时f n j ：1 m i n ： 供电电源：2 2 0 v 1 0 ： 环境湿度：8 5 ； 冷却j 扎扇开始工作温度：6 5 ； 冷却风扇停止工作温度：5 5 ； 箱体升高范围：0 6 3 0m m ； 横向角度采样值安全范围：6 。+ 6 。： 角度计算值安全范围：横向：一6 。+ 6 。，纵向：3 。+ 4 5 。： 2 2p l c 相关技术 2 2 1p l c 的基本组成 p l c 基本组成包括中央处理器( c p u ) 、存储器、输入输出接口( 缩写为i 0 ，包括 输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等) 、外部设备编程器及电源模块组 成。p l c 内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接， 外部则根据实际控制对象配置相j 立设备与控制装置构成p l c 控制系统。 2 2 1 1 中央处理器 中央处理器( c p u ) 由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。c p u 通 过数据总线总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程 器和电源相连接。 ， 小型p l c 的c p u 采用8 位或1 6 位微处理器或单片机，如8 0 3 1 、m 6 8 0 0 0 等，这 类芯片价格很低：中型p l c 的c p u 采用1 6 位或3 2 位微处理器或单片机，如8 0 8 6 、 9 6 系列单片机等，这类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且可靠性高；而大型 p l c 则需采用高速位片式微处理器。 c p b 按照p l c 内系统程宁赋予的功能指挥p l c 控制系统完成各项工作任务。 2 2 1 2 存储器 p i 。c 内的存储器主要用于存放系统程序、用户程寄和数据等。 ( 1 ) 系统程序存储器p l c 系统程序决定了p l c 的基本功能，该部分程序由p l c 制造厂家编写并固化在系统程守存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程 序和功能程序与系统程序调用等部分。系统管理程守主要控制p l c 的运行，使p l c 按诈确的次序工作；用户指令解释程序将p l c 的用户指令转换为机器语言指令，传 输到c p 内执行；功能程宁与系统程序调用则负责调用不同的功能子程序及其管理 程序。系统程序属于需长期保存的重要数扼，所以其存储器采t 4 jr o m 或e p r o m 。r o m 是只读存储器，该存储器只能读出内容不能写入内容，r o m 具有非易失性，即电源 1 为用户执行程序，由于不需要再作修改与调试，所以用户执行程序就被固化到e p r o m 内长期使用。 ( 3 ) 数据存储器p l c 运行过程中需生成或调用中i 白j 结果数据( 如输入输出元 件的状态数扼、定时器、计数器的预置值和当前值等) 和组态数据( 如输入输出组态、 设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、 高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等) ，这类数据存放在工作数据存储 器中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取 存储器r a m 。r a m 是一种高密度、低功耗的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源， 一旦断电就可通过锂电池供电，保持r a m 中的内容。 2 2 1 3 接口 输入输出接口是p l c 与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。 p e c 的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、 晶闸管输出和继电器输出等类型。晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体 管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载，继电器输出为 有触点输出型电路，用于低频负载。 现场控制或检测元件输入给p l c 各种控制信号，如限位丌关、操作按钮、选择r 丌 关以及其他一些传感器输出的丌关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转 换成c p l 能够接收和处理的信号。输出接口电路将c p u 送出的弱电控制信号转换成 现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。 输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、转换丌关、行 程，丌关、继电器触头等开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变 换器提供的连续变化的模拟量输入信号。 以直流输入接口电路为例，r 1 是限流与分压电阻，r 2 与c 构成滤波电路，滤波 后的输入信号经光耦合器t 与内部电路耦合。当输入端的按钮s b 接通时，光耦台器 1 1 导通直流输入信号被转换成p i 。c 能处理的5 v 标准信号电平( 简称t 1 l ) ，同时l e d 输入指示灯亮，表示信号接通。微电脑输入接f ： 电路一般由寄存器、选通电路和中 断请求逻辑f t l 路组成这些电路集成在一个芯片上。交流输入与交直流输人接口电 路与直流输入接口电路类似。 8 第2 茸。上要技术指标及研究内容 滤波电路用以消除输入触头的抖动，光电耦台电路可防止现场的强电干扰进入 p l c 。由于输入电信号与p l c 内部电路之| 日j 采用光信号耦合，所以两者在电气上完伞 隔离，使输入接口具有抗干扰能力。现场的输入信号通过光电耦合后转换为副的t t l ， 送入输入数据寄存器，再经数据总线传送给c p l 0 。 输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。常用执行元件有接触 器、电磁阀、调节阀( 模拟量) 、调速装置( 模拟量) 、指示灯、数字显示装置和报警 装置等。输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成，与输入接 口电路类似，内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。 微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集 成在芯片上，c p u 通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路是 为了适应工业控制要求，将微电脑的输出信号放大。 若主机单元的i o 数量不够用，可通过i o 扩展接口电缆与i l o 扩展单元( 不带 c p u ) 相接进行扩充。p l c 还常配置连接各种外围设备的接口，可通过电缆实现串行通 信、e p r o m 写入等功能。 2 2 1 4 编程器辩 编程器作用是将用户编写的程序下载至p l c 的用户程序存储器，并利用编程器i 检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示p l c 状态、内部器件 及系统的参数等。 i 。 编程器有简易编程器和图形编程器两种。简易编程器体积小，携带方便，但只 。能用语句形式进行联机编珲，适合小型p l c 的编矛翟及现场调试；图形编程器既可用。藏二 语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。 目前p l c 制造厂家大都丌发了计算机辅助p l c 编程支持软件，当个人计算机安 装了p l c 编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通 过个人计算机和p l c 之i 日j 的通信接口实现用户程序的双向传送、监控p l c 运行状态 等。 2 2 1 5 电源 。 p l c 的电源将外部供给的交流电转换成供c p u 、存储器等所需的直流电，是整个 p l c 的能源供给中心。p l c 大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳 压电源，许多p l c 电源还可向外部提供直流2 4 v 稳压电源，用于向输入接口上的接 入电气元件供电，从而简化外围配置。 ， 2 2 2p l c 选型方法 在p l c 系统设计时，首先应确定控制方案，下一步二l 作就是p l c 工程设计选型。 工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。p l c 及有关设备应是集成的、 o 笫2 章土要技术指标及研究内容 标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体易于扩充其功能的原则选型所选 用p l c 应是在相关工业领域有投运! 【l ，绩、成熟町靠的系统，p l c 的系统硬件、软件 配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有 关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工 艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据 控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定p l c 的功能、外部设备特性 等，最后选择有较高性能价格比的p l c 和设计相应的控制系统。 2 2 2 1 输入输出( i o ) 点数的估算 i o 点数估算时应考虑适当的余量，通常根折：统计的输入输出点数，再增加 1 0 - - - 2 0 自, 3 可扩展余量后，作为输入输出点数估算数掘。实际订货时，还需根据制 造厂商p l c 的产品特点，对输入输出点数进行圆整。 2 2 2 2 存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储 器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶 段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序 调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量 的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大 体上都是按数字量i o 点数的1 0 - - 1 5 倍，加上模拟i o 点数的1 0 0 倍，以此数为内 存的总字数f1 6 位为一个字) ，另外再按此数的2 5 考虑余量。 2 2 2 3 控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度 等特性的选择。 ( 1 ) 运算功能简单p l c 的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通p l c 的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能：较复杂运算功能有代数运算、数据 传送等；大型p l c 中还有模拟量的p i d 运算和其他高级运算功能。随着丌放系统的 出现，目自仃在p l c 中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品 具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功 能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用 场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模 拟量检测和控制时，彳+ 使用代数运算，数值转换和p i d 运算等。要显示数据时需要 译码和编码等运算。 ( 2 ) 控制功能控制功能包括p i d 控制运算、i i 馈补偿控制运算、比值控制运 算等，应根据控制要求确定。p l c 主要用于顺宇逻辑控制，因此，大多数场合常采 l o 第2 章主要技术指标及研究内容 用单回路或多凹路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元 完成所需的摔制功能，提高p l c 的处理速度和节省存储器容量。例如采辟】p i d 控制 单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、a s c 码转换单元等。 ( 3 ) 通信功能大中型p l c 系统喧支持多种现场总线和杨i 准通信协议( 如 t c p i p ) ，需要时应能与工厂管理网( t c p i p ) 相连接。通信防议应符合i s o i e e e 通信标准，应是丌放的通信网络。p l c 系统的通信接口应包括串行和并行通信接口 ( r s 2 2 3 2 c 4 2 2 4 2 3 4 8 5 ) 、r i o 通信口、工业以太网、常用d c s 接口等；大中型 p l c 通信总线( 含接口设备和电缆) 应1 ：1 冗余配置，通信总线应符合国际标准， 通信距离应满足装置实际要求。p l c 系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大 于1 m b p s ，通信负荷不大于6 0 0 ；。p l c 系统的通信网络主要形式有下列几种形式：1 ) p c 为主站，多台同型号p l c 为从站，组成简易p l c 网络：2 ) 1 台p l c 为主站，其 他同型号p l c 为从站，构成主从式p l c 网络：3 ) p l c 网络通过特定网络接口连接 到大型d c s 中作为d c s 的子网；4 ) 专用p l c 网络( 各厂商的专用p l c 通信网络) 。 为减轻c p u 通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的( 如 点对点、现场总线、工业以太网) 通信处理器。 ( 4 ) 编程功能离线编程方式：p l c 和编程器公用一个c p u ，编程器在编程模 式时，c p u 只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切 换到运行模式，c p u 对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系一r ， 统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：c p u 和编程器有各自的c p u ，主机 c p u 负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编 赫， 制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种 方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型p l c 中常采用。五种标准化编程 语言：顺序功能图( s f c ) 、梯形图( l d ) 、功能模块图( f b d ) 三种图形化语言和 语句表( i l ) 、结构文本( s t ) 两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准 ( i e c 6 1 1 3 1 2 3 ) ，同时，还应支持多种语言编程形式，如c ，b a s i c 等，以满足特殊 控制场合的控制要求。 ( 5 ) 诊断功能p l c 的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的 逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对p l c 内部 的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对p l c 的c p u 与外部输入输出等部件信 息交换功能进行诊断是外诊断。p l c 的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人 员技术能力的要求，并影响平均维修时f n j 。 ( 6 ) 处理速度p l c 采用扫捕方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快 越好，如果信号持续时i 叫小于扫描时i 日j ，则p l c 将扫描不到陔信号，造成信号数据 的丢失。处理速度与用户程序的长度、c p u 处理速度、软件质量等有关。日自订p l c 接点 求高 扫描 2 2 2 安装 从应 固定 件或 一般用于大中型控制系统。 ( 2 ) 输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例 如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用 要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、 使用电压范围广、寿命短、响应