毕业论文-基于PLC交通灯控制系统的设计.doc

北京理工学院机电系毕业论文 0 北京理工学院北京理工学院 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 填表时间 年 月 日 指导教师填表 学生姓名周 专业 班级 632 机电 指导 教师 赵 课题 类型 软件工程 题目基于 PLC 交通灯控制系统的设计 主要研究 目标 或研 究内容 1 研究交通灯控制系统的工作原理 2 应用三菱 FX2N 系列 PLC 实现控制系统的设计 课题要求 主要任务 及数量 指图纸 规格 张 数 说明 书页数 论文字数 等 1 PLC 机型的选择及输入输出分析 2 I O 地址的分配 3 顺序功能图设计 4 梯形图设计 5 程序设计与分析 6 毕业论文字数一般为 0 8 1 5 万字 7 查阅到 15 篇以上与题目相关文献 进度计划 1 第 5 6 周毕业设计 论文 各项准备工作 2 第 7 10 周毕业设计 论文 任务分配 调研阶段 3 第 11 14 周调试程序 实现功能 编写毕业论文 4 第 15 周毕业论文出稿打印修改到成文并修改打印 主要参 考文献 1 可编程控制器原理及应用技巧 化学工业出版社 1998 2 可编程控制器入门与应用实例 化学工业出版社 2005 3 电路设计与设计 械工程出版社 2004 4 PLC编程及应用 人民邮电出版社 2004 指导教师签字 教研室主任签字 年 月 日 北京理工学院机电系毕业论文 1 摘 要 现在社会 交通工具越来越多 从古代的 11 路公交车 到后来的马 马车 以及近代的人力车 自行车 汽车 摩托车等越来越多的交通工具出现 在近代 交通工具有单还不多 但在现在社会车辆越来越多 例如美国被称为汽车上的国 家 印度被称为三轮车上的国家 中国随着社会的发展 经济水平的不断提高 老百姓水平的不断提高 汽车这一社会产物已经悄然而然的进入了千家万户 它 不再是富人的消费品 而成为普通老百姓家庭生活的一部分 这个时候在道路上 自然而然得拥挤起来 单单靠交警叔叔的指挥已不能完成这一复杂的变化 更何 况在风雨 大雪 沙尘等不良天气下交警叔叔的工作带来更大的不便 这个时候 交通灯便上场了 可以采用早期的模拟电路 数字电路或模数混合电路 近年来 随着科技的飞速发展 单片机 PLC 的应用不断地走向深入 同时带动传统的控 制检测技术的不断更新 可以采用早期的模拟电路 数字电路或模数混合电路 近年来随着科技的飞速发展 单片机 PLC 的应用不断地走向深入 同时带动传 统的控制检测技术的不断更新 关键字关键字 PLC 抢答器 梯形图 设计 北京理工学院机电系毕业论文 2 Abstract Society more and more modes of transport from the ancient 11 Bus to the later of the horses carriages as well as modern rickshaws bicycles automobiles motorcycles and other modes of transport appear more and more Modern modes of transport in less than a single but now more and more social vehicle such as the United States known as the national car tricycles known as India s national social development in China with the economic level of the continuous increase in the level of the continuous improvement of people cars have been the product of the society quietly and ran into the tens of thousands of households it is no longer a rich consumer goods ordinary people to become part of family life this time on the road was crowded naturally to simply rely on the traffic police have been unable to command his uncle to complete the changes in this complex letrs with the rapid development of science and technology Single chip PLC applications to continue to depth At the same time the control of traditional detection technologies constantly updated Can be used early analog circuits alone in the wind and rain snow dust and other adverse weather conditions brought about by the work of traffic police uncle greater inconvenience of traffic lights at this time they play you can the early use of analog circuits digital circuits or analog to digital hybrid circuits In recent yea digital circuits or analog to digital hybrid circuits In recent years with the rapid development of science and technology Single chip PLC applications to continue to depth At the same time the control of traditional detection technologies constantly updated Keywords PLC Answer and ladder design 北京理工学院机电系毕业论文 3 目目 录录 前 言 1 第 1 章PLC 的概述 2 1 1 PLC 的产生 3 1 2 PLC 的定义 4 1 3 PLC 的发展趋势 4 1 4 PLC 的特点 6 1 5 PLC 的主要功能 8 1 6 PLC 的基本结构及原理 9 1 7 PLC 的国内外状况 12 1 8 PLC 未来展望 13 第 2 章 交通灯信号灯控制系统 14 2 1 控制要求 14 2 22 2 设计步骤 15 第 3 章 PLC 与 PC 18 3 13 1 PLC 与 PC 的通讯协议 18 第 4 章 可编程序控制器的选择 20 4 1 机型的选择 20 4 2 输入 输出的选择 21 4 3 内存估计 24 4 4 响应时间 25 第 5 章 硬件与程序设计 26 第 6 章 总装统调 27 结 论 28 谢 辞 29 北京理工学院机电系毕业论文 4 参 考 文 献 30 前前 言言 随着社会经济的发展 城市交通问题越来越引起人们的关注 人 车 路三 者关系的协调 已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一 城市交通控制系 统是用于城市交通数据监测 交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统 它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分 不同的城市有不同城市的问题 但共性就是混合交通流问题 在交叉口如何 解决混合交通流中的相互影响或彼此的相互影响 就是解决问题的关键 随着我 国城市化建设的发展 越来越多的新兴城市的出现 使得城市的交通成为了一个 绝对主要的问题 同时随着我国经济的稳步发展 随着城市机动车量的不断增加 人民的生活水平日渐提高 越来越多的汽车进入寻常老百姓的家庭 许多大城市如北京 上海 南京等出现了交通超负荷运行的情况 再加上政 府大力发展的道交 出租车 使得车辆越来越多 这不仅要求道路要越来越宽阔 而且要求有新的交通管理模式和交通规则的出台 因此 自 80 年代后期 很多 城市纷纷扩建建城市道路 在道路建设完成的初期 它们也曾有效地改善了交通 状况 然而 随着交通量的快速增长和缺乏对道路的系统研究和控制 加宽道路 并没有充分发挥出预期的作用 而城市道路多十字路口 多交叉的特点 也决定 了城市道路的交通状况必然受这种路况的制约 于是 旧的交通控制系统的弊病和人们越来越高的要求激化了矛盾 使原来 不太突出的交通问题被提上了日程 所以 如何采用合适的控制方法 最大限度 利用好耗费巨资修建的多车道城市道路 缓解城区的交通拥堵状况 越来越成为 交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题 由于交通路口的形状和规模不一 所采用的信号灯的数量 控制要求不一 控制的复杂程度也就不一样 为此 有关部门愈来愈多的注重在交通管理中引进 自动化 智能化技术 比如 电子警察 自适应交通信号灯以及耗资巨大的交 通指挥控制系统等 随着经济的发展和社会的进步 道路交通已愈来愈成为社会 活动的重要组成部分 对交通的管控能力 也就从一个侧面体现了这个国家对整 个社会的管理控制能力 因此各国都很重视用各种高科技手段来强化对交通的管 控能力 简单介绍分析了现代城市交通控制与管理问题的现状 结合城乡交通的实际 情况阐述了交通灯控制系统的工作原理 本设计介绍了应用 PLC 实现十字路口交 通信号灯的自动控制 通过对交通信号灯的控制要求分析 对 PLC 控制系统进行 了软 硬件设计 并通过实验证明该系统简单 经济 运行可靠 具有很高的实 北京理工学院机电系毕业论文 2 用价值 第 1 章 PLC 的概述 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller PLC 取代传统继电器控制装置以来 PLC得到了快速发展 在世界 各地得到了广泛应用 同时 PLC的功能也不断完善 随着计算机技术 信号处 理技术 控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高 PLC在开关量处 理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能 今天的PLC不再局限于逻辑控 制 在运动控制 过程控制等领域也发挥着十分重要的作用 作为离散控的制的首选产品 PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速 发展 世界范围内的PLC年增长率保持为20 30 随着工厂自动化程度的不 断提高和PLC市场容量基数的不断扩大 近年来PLC在工业发达国家的增长速度 放缓 但是 在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速 综合相关资料 2004年 全球PLC的销售收入为100亿美元左右 在自动化领域占据着十分重要的位置 PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的 二十世纪七十年代的PLC只有开关 量逻辑控制 首先应用的是汽车制造行业 它以存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和运算等操作的指令 并通过数字输入和输出操作 来控制各类机械 或生产过程 用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求 并事先存入PLC 的用户程序存储器中 运行时按存储程序的内容逐条执行 以完成工艺流程要求 的操作 PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器 在程序运行过程中 每执行一步该计数器自动加1 程序从起始步 步序号为零 起依次执行到最终 步 通常为END指令 然后再返回起始步循环运算 PLC每完成一次循环操作所 需的时间称为一个扫描周期 不同型号的PLC 循环扫描周期在1微秒到几十微秒 之间 PLC用梯形图编程 在解算逻辑方面 表现出快速的优点 在微秒量级 解算1K逻辑程序不到1毫秒 它把所有的输入都当成开关量来处理 16位 也有 32位的 为一个模拟量 大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算 把计 算结果送给PLC的控制器 相同I O点数的系统 用PLC比用DCS 其成本要低一些 大约能省40 左右 PLC没有专用操作站 它用的软件和硬件都是通用的 所以维护成本比DCS要低 很多 一个PLC的控制器 可以接收几千个I O点 最多可达8000多个I O 如果 被控对象主要是设备连锁 回路很少 采用PLC较为合适 PLC由于采用通用监 北京理工学院机电系毕业论文 3 控软件 在设计企业的管理信息系统方面 要容易一些 近10年来 随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大 越来越多的中小设 备开始采用PLC进行控制 PLC在我国的应用增长十分迅速 随着中国经济的高 速发展和基础自动化水平的不断提高 今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速 增头 通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器 但PLC相对一般 嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性 实际工作中碰到的一些用 户原来采用嵌入式控制器 现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器 在可以预见的将来 PLC产业一定会有一个美好的未来 1 1 PLC 的产生 20 世纪 20 年代起 人们把各种继电器 定时器 接触器及其触点按一定的 逻辑关系连接起来组成控制系统 控制各种生产机械 这就是大家所熟悉的传统 继电接触器控制系统 由于它结构简单 容易掌握 价格便宜 在一定范围内能 满足控制要求 因而使用面甚广 在工业控制领域中一直占主导地位 但是继电 接触器控制系统有明显的缺点 设备体积大 可靠性差 动作速度慢 功能少 难与实现较复杂的控制 特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统 接线复杂 当生产工艺或对象改变时 原有的接线和控制盘就要更换 所以通用性和灵活性 较差 20 世纪 60 年代末期 美国的汽车制造业竞争激烈 各生产厂家的汽车型号 不断更新 它必然要求生产线的控制系统亦随之改变 以及对整个开展系统重新 配置 为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚 适应白热化的市场竞争要求 1968 年美国通用汽车公司公开向社会招标 对汽车流水线控制系统提出具体要求 归纳起来是 1 编程方便 可现场修改程序 2 维修方便 采用插件式结构 3 可靠性高于继电器控制装置 4 体积小于继电器控制盘 5 数据可直接送入管理计算机 北京理工学院机电系毕业论文 4 6 成本可与继电器控制盘竞争 7 输入可以是交流 150V 以上 8 输出为交流 115V 容量要求在 2A 以上 可直接驱动接触器 电磁阀 等 9 扩展时原系统改变最小 10 用户存储器至少能扩张到 4KB 适应当时汽车装配过程的需要 十项指标的核心要求是采用软布线 编程 方式代替继电控制的硬接线方式 实现大规模生产线的流程控制 1 2 PLC 的定义 美国国际电工委员会 IEC 在 1987 年对可编程序控制器做出如下定义 可 编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统 它采用 了可编程序的存储器 用来在其内部进行存储执行逻辑运算 顺序运算 定时 记数和算术运算等功能的面向用户的指令 并通过数字式或模拟式的输入或输出 控制各种类型的机械或生产过程 可遍程序控制器极其相关外部设备 都应按照 易于与工业控制系统联成一个整体 易于扩展其功能的原则而设计 定义强调了 PLC 应直接应用与工业环境 它必须具有很强的抗干扰能力 广 泛的适应能力和应用范围 这也是区别与一般微机控制系统的一个重要特征 定义还强调了 PLC 是 数字运算操作的电子系统 他也是一种计算机 它 是 专为在工业环境下应用而设计的 工业计算机 这种工业计算机采用 面向 用户的指令 因此编程方便 它能完成逻辑运算 顺序运算 定时 记数和算 术运算等操作 它还具有 数字量和模拟量输入和输出 的能力 并且非常容易 与 工业控制系统联成一体 易于 扩充 1 3 PLC 的发展趋势 PLC 总的发展趋势是向高集成度 小体积 大容量 高速度 易使用 高性 能方向发展 具体表现在以下几个方面 1 向小型化 专用化 低成本方向发展 随着微电子技术的发展 新型器件大幅度的提高功能和降低价格 使 PLC 结 北京理工学院机电系毕业论文 5 构相 当与一本精装本书的大小 操作使用十分方便 PLC 的功能不断增加 将原 来大 中型 PLC 才有的功能部分地移植到小型 PLC 上 2 向大容量 高速度方向发展 大型 PLC 采用多微处理器系统 有的采用了 32 位微处理器 可同时进行多 任务操作 处理速度提高 特别是增强了过程控制和数据处理的功能 另外 存 储容量大大增加 3 智能型 I O 模块的发展 智能型 I O 模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件 它们的 CPU 与 PLC 的主 CPU 并行工作 占用主 CPU 的时间很少 有利于提高 PLC 的扫描速度 4 基于 PC 的编程软件取代编程器 随着计算机的日益普及 越来越多的用户使用基于个人计算机上的编程软件 编程软件可以对 PLC 控制系统的硬件组态 即设置硬件的结构和参数 例如设置 各框架各个插槽上模块的型号 模块的参数 各串行通行接口的参数等 5 PLC 编程语言的标准化 与个人计算机相比 PLC 的硬件 软件的体系结构都是封闭的而不是开放的 在硬件方面 各厂家的 CPU 模块和 I O 模块互不通用 PLC 的编程语言和指令系 统的功能和表达式也不一致 因此各厂家的可遍程序控制器互不兼容 为了解决 这一问题 IEC 制定了可遍程序控制器标准 标准中共有 5 种编程语言 允许编 程者在同一程序中使用多种编程语言 这使编程能够选择不同的语言来适应特殊 的工作 6 PLC 通信的易用化 PLC 的通信联网功能使它能与个人计算机和其他智能控制设备交换数字信息 使系统形成一个统一的整体 实现分散控制和集中控制 7 组态软件与 PLC 的软件化 个人计算机 PC 的价格便宜 有很强的数学运算 数据处理 通信和人机 交互的功能 8 PLC 与现场总线相结合 现场总线 I O 与 PLC 可以组成功能强大的 廉价的 DCS 系统 9 开发新型特殊功能模块 I O 组件可以提高 PLC 的智能化 高密集度和增大处理能力 北京理工学院机电系毕业论文 6 10 CPU 的处理速度进一步加快 目前 PLC 的处理速度与计算机相比还比较慢 其高的 CPU 也不过 80486 将来会全面使用 64 位的 RISC 芯片 采用多 CPU 进行处理 分时处理或分任务处 理方式 将各种模块智能化 部分系统程序用门阵列电路固化 这样可使 PLC 的 处理速度达到纳秒级 1 4 PLC 的特点 1 抗干扰能力强 可靠性好 PLC 在电子线路 机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生 产控制经验 主要模块均采用大规模与超大规模集成电路 I O 系统设计有完善 的通道保护与信号调理电路 在结构上对耐热 防潮 防尘 抗震等都有周到的 考虑 具体措施主要有以下几个方面 1 隔离 这是抗干扰的主要措施之一 PLC 的输入 输出接口电路一般采用 光电耦合器来传递信号 这种光电隔离措施 使外部电路与内部电路之间避免了 电的联系 可有效的抑制外部干扰源对于 PLC 的影响 同时防止外部高电压串入 从而减少故障和误操作 2 滤波 这是抗干扰的另一个主要措施 在 PLC 的电源电路和输入 输出电 路中设置了多种滤波电路 用以对高频干扰信号进行有效的抑制 3 对内部电源还采用了屏蔽 稳压 保护等措施 以减少外界干扰 保护 供电质量 另外使输入输出接口电路电源彼此独立 以避免电源之间的干扰 4 内部设置了连锁 环境检测与诊断 watchdog 看门狗 等电路 一 旦发现故障或程序循环执行时间超过了警戒时钟 WDT 规定时间 预示程序进 入了死循 环 立即报警 以保证 CPU 可靠运行 5 利用系统软件定期进行系统状态 用户程序 工作环境和故障检测 并 采用信息保护和恢复措施 6 对用户程序及动态工作数据进行电池备份 以保障停电后有关状态或信 息不丢失 7 采用密封 防尘 抗震的外壳封装结构 以适应工作现场的恶劣环境 8 以集成电路为基本元件 内部处理过程不依赖于机械触点 以保障高可 靠性 而采用循环扫描的工作循环方式 也提高了抗干扰能力 北京理工学院机电系毕业论文 7 2 控制系统结构简单 通用性强 PLC 及外围模块品种多 可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控 制系统 3 编程方便 易于使用 PLC 是面向用户的设备 PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能 和习惯 PLC 程序的编制 采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式 梯形图 与继电器原理图相类似 这种编程语言现象直观 容易掌握 不需要专门的计算 机知识和语言 只要具有一定的电工和工艺的知识的人员都可在短时间内学会 4 功能完善 PLC 的输出 输入功能完善 性能可靠 能够适应与任何形式和性质的开关量 和模拟量的输入 输出 在 PLC 内部具有许多控制功能 诸如时序 计算机 主 控继电器以及移位寄存器 中间寄存器等 由于采用了微处理器 它能够很方便 地实现延时 锁存 比较 跳转 和强制 I O 等诸多功能 不仅具有逻辑功能 算术运算 数制转换 以及顺序控制功能 而且还具备模拟运算 显示 监控 打印 及报表生成等功能 5 设计 施工 调试 的周期短 用继电接触器控制完成一项控制工程 必须首先按工艺要求画出电气原理图 然后画出继电器屏的布置和接线图等 进行安装调试 以后修改起来十分不便 而采用 PLC 控制 由于其硬软件齐全 为模块化积木式结构 且已商品化 故仅 需按性能 容量等选用组装 而大量具体的程序编制工作也可在 PLC 到货前进行 因而缩短了设计周期 使设计和施工可同时进行 6 体积小 维护操作方便 PLC 体积小 质量轻 便于安装 PLC 的输入 输出系统能够直观的反映现场 总线信号的变化状态 还能通过各种方式直观的反映控制系统的运行状态 7 易于实现网络化 PLC 可连成功能很强的网络系统 8 可实现三电一体化 PLC 将电控 逻辑控制 电仪 过程控制 和电结 运动控制 这三电集于 一体 可以方便 灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统 以适应各种工 业控制的需要 北京理工学院机电系毕业论文 8 1 5 PLC 的主要功能 条件控制功能 条件控制 或称逻辑控制或顺序控制 功能是指用 PLC 的与 或 非指令 取代继电器接触的串联 并联极其他各种逻辑连接 进行开关控制 1 定时 记数控制功能 定时 记数控制功能指用 PLC 提供的定时器 记数器指令实现对某种操作的 定时或记数控制 以取代时间继电器和记数继电器 2 数据处理功能 数据处理功能是指 PLC 能进行数据传送 比较 移位 数制转换 算术运 算 逻辑运算以及编码和译码等操作 3 步进控制功能 步进控制功能是指用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中 只有前一 道工序完成以后 才能进行下一道工序操作的控制 以取代由硬件构成的步进控 制器 4 A D 与 D A 转换功能 A D 与 D A 转换功能是指通过 A D D A 模块完成模拟量和数字量之间的转 换 5 运动控制功能 运动控制功能是指通过高速记数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴运动控制 6 过程控制功能 过程控制功能是指通过 PLC 的 PID 控制指令或模块实现对温度 压力 速度 流量等物理参数的闭环控制 7 扩展功能 扩展功能是指通过连接输入输出扩展单元 即 I O 扩展单元 模块来增加输 入输出点数 也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高 PLC 的控制功能 8 远程 I O 功能 远程 I O 功能是指通过 I O 单元将分散在远距离的各种输入 输出设备与 北京理工学院机电系毕业论文 9 PLC 主机相连接 进行远程控制 接收输入信号 传出输出信号 9 通信联网功能 通信联网功能是指通过 PLC 之间的联网 PLC 与上位机的链接等 实现远程 I O 控制或数据交换 以完成较大规模系统的复杂控制 10 监控功能 监控功能是指 PLC 能监视系统各部分的进行状态和进程 对系统中出现的异 常情况进行报警和记录 甚至自动终止运行 也可在线调整 修改控制程序中的 定时器 记数器等设定值或强制 I O 状态 1 6 PLC 的基本结构及原理 1 PLC 的系统结构 目前 PLC 种类繁多 功能和指令系统也都各不相同 但都是以微处理器为核 心用做工业控制的专用计算机 所以其结构和工作原理都大致相同 硬件结构与 微机相似 主要包括中央处理单元 CPU 存储器 RAM 和 ROM 输入输出接口电路 电源 I O 扩展接口 外部设备接口等 其内部也是采用总线结构来进行数据和 指令的传输 如图 1 所示 PLC 控制系统由输入量 PLC 输出量组成 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 PLC 的输入量 它们经 PLC 外部输 入端子 作为 PLC 的输出量对外围设备进行各种控制 由此可见 PLC 的基本结 构有控制部分输入和输出组成 北京理工学院机电系毕业论文 10 图 1 PLC 硬件结构图 2 PLC 各部分的作用 1 中央处理器 CPU 是由控制器和运算器组成的 运算器也称为算术逻辑单元 它的功能就 是 进行算术运算和逻辑运算 控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条 不紊地工作 它的基本功能是从内存中取指令和执行指令 他的重要功能如下 诊断 PLC 电源 内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误 采集由现场输入装置送来的状态或数据 并送入 PLC 的寄存器中 按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令 进行编译解释后 按指令规定的任务完成各种运算和操作 将存于寄存器中的处理结果送至输出端 应各种外部设备的工作请求 2 存储器 PLC 的存储器分为两大部分 一大部分是系统存储器 用来存放系统管理程序 监控程序及其系统内部数 据 二大部分是用户存储器 包括用户程序存储区及工作数据存储区 3 输入输出接口电路 PLC 通过输入输出 I O 接口电路实现与外围设备的连接 输入接口通过 PLC 的输入端子接受现场输入设备的控制信号 并将这些信号转换成 CPU 所能接 受和处理的数字信号 4 电源 PLC 的电源是指将外部输入的交流电经过整流 滤波 稳压等处理后转换成 满足 PLC 的 CPU 存储器 输入输出接口等内部电路工作所需要的直流电源电路 或电源模块 5 输入输出 I O 扩展接口 若主机单元的 I O 点数不能满足输入输出点数需要时 可通过此接口用扁平 电缆线将 I O 扩展单元与主机单元相连接 6 PLC 的基本工作原理 北京理工学院机电系毕业论文 11 PLC 采用的是循环扫描工作方式 对每个程序 CPU 从第一条指令开始执行 按指令步序号做周期性的程序循环扫描 如果无跳转指令 则从则从第一条指令 开始逐条顺序执行用户程序 直至遇到结束符后又返回第一条指令 如此周而复 始不断循环 每一个循环称为一个扫描周期 PLC 的扫描全过程如图 2 所示 输入刷新阶段 在输入刷新阶段 CPU 扫描全部输入端口 读取其状态并写入输入状态寄存 器 完成后关闭输入端口 转入程序执行阶段 程序执行阶段 在程序执行阶段 根据用户输入的控制程序 从第一条开始逐条执行 并将 相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器 输出刷新阶段 当所有指令执行完毕后 将输出状态寄存器中的内容 依次送到输出锁存电 路 并通过一定输出方式输出 驱动外部相应执行元件工作 这才形成 PLC 的实 际输出 图 2 PLC 的扫描全过程 显然扫描周期的长短主要取决与程序的长短 扫描周期越长 响应速度越慢 由于每一个扫描周期只进行一次 I O 刷新 即每一个扫描周期 PLC 只对输入 输 出状态寄存器更新一次 故使系统存在输入 输出滞后现象 这在一定程度上降 北京理工学院机电系毕业论文 12 低了系统的响应速度 由此可见 若输入变量在 I O 刷新期间状态发生变化 则 本次扫描期间输出会相应地发生变化 反之 若在本次刷新之后输入变量才发生 变化 则本次扫描输出不变 而要到下一次扫描的 I O 刷新期间输出才会发生变 化 这对于一般的开关量控制系统来说是完全允许的 不但不会造成不利影响 反而可以增强系统的抗干扰能力 这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行 PLC 在一个工作周期的大部分时间里实际上是外设隔离的 而工业现场的干扰常 常是脉冲式的 短时的 由于系统响应较慢 往往要几个扫描周期才响应一次 而多次扫描后 因瞬间干扰而引起的误操作将会大大减少 从而提高了系统的抗 干扰能力 但是对于控制时间要求较严格 响应速度要求较快的系统 就需要精 心编制程序 必要时采用一些特殊功能 以减少因扫描周期造成的响应滞后等不 良影响 1 7 PLC 的国内外状况 世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司 DEC 研制的 限于 当时的元器件条件及计算机发展水平 早期的 PLC 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 20 世纪 70 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 PLC 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 PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物 20 世纪 70 年代中末期 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 PID 功能及极高的性价比奠定了它在现 代工业中的地位 20 世纪 80 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日益增多 产量 日益上升 这标志着可编程控制器已步入成熟阶段 20 世纪末期 可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要 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 北京理工学院机电系毕业论文 13 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 目前 可编程控制器在机械制造 石油化 工 冶金钢铁 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 生产是伴随着改革开放开始的 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 PLC 的应用 目前 我国自己已可以生产中小型可编程控制器 上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列 杭州机床电器厂生产的 DKK 及 D 系列 大连组合机床研究所生产的 S 系列 苏州电子计算机厂生产的 YZ 系列等多种产 品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用 此外 无锡华光公司 上海 乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的 PLC 生产厂家 可以预期 随着我 国现代化进程的深入 PLC 在我国将有更广阔的应用天地 1 8 PLC 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 北京理工学院机电系毕业论文 14 第 2 章 交通灯信号灯控制系统 北京理工学院机电系毕业论文 15 图 3 路口交通灯示意图 2 1 控制要求 信号灯手启动开关控制 当启动开关接通时 信号灯系统开始工作 先南 北红灯亮 东西红灯亮 当启动开关断开时 所有信号灯都熄灭 1 南北红灯不能同时亮 如果同时亮应关闭信号灯系统 并立刻报警 2 南北红灯亮维持 25s 在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮 并维持 20s 到 20s 时 东西绿灯亮 闪亮 3s 后熄灭 在东西红灯熄灭时 东西黄灯亮 并维持 2s 到 2s 时 东西黄灯熄灭 东西红灯亮 同时南北红灯熄灭 绿灯亮 3 东西红灯亮维持 30s 南北红灯亮维持 25s 然后闪亮 3s 后熄灭 同时 南北红灯亮维持 2s 熄灭 这是南北红灯亮 东西绿灯亮 4 上述动作循环进行 2 22 2 设计步骤 更具控制要求 画出交通灯的状态图 见图 图 4 交通灯状态图 更具控制任务要求 可以算出 I O 点数 更具输入输出点数及功能要求 选 FX2 48MR 型 PC 机完全满足控制系统要求 北京理工学院机电系毕业论文 16 I O 分配表 输入 输出 启动 XO 南北绿灯 Y0 南北黄灯 Y1 南北红灯 Y2 警灯 Y3 东西绿灯 Y4 东西黄灯 Y5 东西红灯 Y6 1 梯形图 图 5 交通灯梯形图 2 程序清单 北京理工学院机电系毕业论文 17 0LDIY340LDT0 1ANDT441OUTY6 2ANIT442LDY2 3OUTT043ANIT6 K25044LDY2 6T04545ANIT7 7OUTT446ANDT10 K30047ORB 10LDIY348OUTY4 11ANDX049LDT7 12ANIT050ANIT5 13OUTT651OUTY5 K20052LDY6 16LDT653ANIT1 17OUTT754LDT1 K3055ANIT1 20LDT756ANDT10 21OUTT557ORB 24LDT058OUTY0 25OUTT159LDT2 K25060ANIY1 28LDT161OUTY1 29OUTT262LDY0 K3063ANDY4 32LDT264OUTY3 33OUTT365LDX0 K2066ANIT11 36LDIT067OUTT10 37ANIY3K5 38ANDX070LDT10 39OUTY271OUTT11 北京理工学院机电系毕业论文 18 K5 74END 第 3 章 PLC 与 PC PLC 是专门为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置 它使用了 可以编程的记忆单元来存储指令 执行数学的和逻辑的运算 并通过数字输入输 出实现对工业生产过程的控制 它以高可靠性 易操作性 灵活性广泛应用在工 业自动化领域 但是作为一个控制设备 单独用它构成监控系统有其局限性 主 要表现为 无法显示各种实时图形 无法显示汉字和打印汉字报表 无法大量存 储数据 没有良好的用户界面 随着计算机技术的飞速发展 组态软件的出现弥 补了 PLC 控制系统的不足 在工业现场大量使用以组态软件为开发平台的计算机 监控系统 其结构主要表现在计算机作为监控系统中的上位机 下位机通常都是 使用工业级的设备 如各种 PLC 作为下位机 下位机用来如完成如数据采集 警 报逻辑判断 控制输出等任务 上位机通过组态软件用来实现采集信息的存储 处理 显示报表等功能 同时还要分析诊断出现的异常信息如故障和警报 利用 屏幕画面及图表 对整个系统的所有设备进行实时监视 画面中的各类参数具有 实时性 还可以对运行过程进行干预控制等 上位机与下位机之间的数据通讯一般使用 RS232C 或 RS485 接口 下面我们 以 OMRONPLC 为例作一介绍 首先介绍一下 PLC 与 PC 的通讯 3 13 1 PLC 与 PC 的通讯协议 用 OMRONPLC 构成的系统我们知道 通讯分为无协议和有协议两大类 其 北京理工学院机电系毕业论文 19 中又有查询和中断两种实现方式 无协议通讯不适合上 下位机的通讯 而且一 般 PLC 厂家都提有协议的通讯模块 以 OMRON 为例 它与上位机通讯是利用 PS432 口 使用 HOSTLINK 通讯协议 用 OMRONPLC 构成上 下位机结构的监 控系统分为两类 一类使系统仅由一台 PLC 和一台微机组成 及点对点通讯 另 一类是系统中有很多台 PLC 每台 PLC 中的 RS232 或通过适配器 CIF01 与上 位相连 具体实现方法各异 3 1 1 通讯协议 OMRONPLC 的通讯采用应答模式 通讯时首先从上位机向下位机 PLC 发出指令 PLC 接受命令执行后 向上位 机发出回应信号和数据 其通讯格式有两种 为别针对点对点通讯和多 PLC 系统 其中地址信息占两个字节 范围从 00 到 31 表示多 PLC 的用开关设定 命令两 个字节 有两个级别共 44 条命令 包括对 PLC 的读写和设定各方面 报文的内 容根据命令而定 校码两个字节 用户计算得到呢 每帧最后用 和回车结尾 点对点的通讯格式与多 PLC 的通讯格式相似 只有缺少地址和校码 对于这种点 对点系统 我们也推荐使用多 PLC 系统的通讯格式 只要设定该台 PLC 地址为 00 即可 原因是点对点的通讯格式中 不含有校码 而校码是检查通讯是否正确 的重要手段 充分利用校码 PLC 通讯接口中 一般都有硬件线路实现的奇偶校验 可用开关选择设定 用户应加以应用 除此之外 OMRON 通讯协议中还提供了 另一种校码方式 从通讯协议中可以看到有二位校码 该码是将各信元的二进制 数逐位异或 分别取结果高低八位值的十六进制数而成 3 1 2 检查 PLC 状态 检查 PLC 状态程序中 检查 PLC 是否掉电和通讯故障 但需要对接口连线 稍作改动 即将 RS232 接口 PLC 一端的第 20 针 DTR 终端准备好 与微机一端 的第 6 针 DSR 数据设置好 连接 其它各针按标准 RS232C 要求连接 一旦 PLC 加电 其接口 DTR 为高电平 当 PLC 掉电或通讯故障时 微机一端的 DSR 信号即低 读出通讯状态 状态低字节的第五位正用来检查接口的 DSR 状态的 利用设备配置向导就可以完成串行通讯方式的 I O 设备安装 安装过程简单 方便 在配置过程中 用户需选择 I O 设备的生产厂家 设备型号 连接方式 北京理工学院机电系毕业论文 20 为设备指定一个逻辑设备名 设定设备地址 FX 系列 PLC 在使用编程口进行通 讯时 不需要设备地址 第 4 章 可编程序控制器的选择 随着 PLC 的推广普及 PLC 产品的种类越来越多 而且功能也目趋完善 PIC 的品种繁多 其结构形式 性能 容量 指令系统 编程方法 价格等各不相同 适用场合也各有侧重 因此 合理选择 PLC 对于提高 PLC 控制系统的技术经济 指标起着重要的作用 4 1 机型的选择 机型选择的基本原则应是在功能满足要求的情况下 保证可靠 维护使用方 便以及最佳的性能价格比 具体应考虑以下几方面 1 结构合理 对于工艺过程比较固定 环境条件较好 维修量较小 的场合 选用整体式结构 PLC 其他情况则选用模块式结构 PLC 2 功能合理 对于开关量控制的工程项目 对其控制速度无须考虑 一般 的低档机就能满足要求 对于以开关量为主 带少量模拟量控制的工程项目 可选用带 A D D A 转 换 加减运算 数据传送功能的低档机 对于控制比较复杂 控制功能要求高的工程项目 例如要求实现 PID 运算 闭环控制 通信联网等 可视控制规模及复杂的程度 选用中档或高档机 其中 高档机主要用于大规模过程控制 全 PLC 的分布式控制系统以及整个工厂的自动 北京理工学院机电系毕业论文 21 化等 3 机型统一 因为同一机型的 PLC 其模块可互为备用 便于备品备件的采 购和管理 其功能及编程方法统一 有利于技术力量的培训 技术水平的提高和 功能的开发 其外围设备通用 资源可共享 配以上位计算机后 可把控制各独 立系统的多台 PLC 连成一个多级分布式控制系统 相互通信 集中管理 4 是否在线编程 PIC 的特点之一是使用灵活 当被控设备的工艺过程改变 时 只需用编程器重新修改程序 就能满足新的控制要求 给生产带来很大方便 PLC 的编程分为离线编程和在线编程两种 离线编程的 PLC 其特点是主机 和编程器共用一个 CPU 在编程器上有一个 编程 运行 选择开关或按键 选 择编程状态时 CPU 将失去对现场的控制 只为编程器服务 这就是所谓的 离 线 编程 程序编好后 如选择运行状态 CPU 则去执行程序而对现场进行控制 这时 CPU 编程指令按步作出响应 此类 PLC 由于编程器和主机共用一个 CPU 因此节省了大量的硬件和软件 编程器的价格也比较便宜 中 小型 PLC 多采 用离线编程 在线编程的 PLC 其特点是主机和编程器各有一个 CPU 编程器的 CPU 可以 随时处理由键盘输入的各种编程指令 主机的 CPU 则是完成对现场的控制 并在 一个扫描周期的末尾和编程器通信 编程器把编好或改好的程序发送给主机 在 下一个扫描周期主机将按照新送人的程序控制现场 这就是所谓的 在线 编程 此类 PLC 由于增加了硬件和软件 所以价格贵 但应用领域较宽 大型 PLC 多 采用在线编程 是否在线编程 应根据被控设备工艺要求的不同来选择 对于产品定型的设 备和工艺不常变动的设备 应用离线编程的 PLC 反之 可考虑选用在线编程的 PLC 4 2 输入 输出的选择 1 可编程序控制器控制系统 I O 点数估算 1 控制电磁阀等所需的 I O 点数 由电磁阀的动作原理可知 一个单线圈电 磁阀用可编程序控制器控制时需两个输入及一个输出 一个双线圈电磁阀需三个 输入及两个输出 一个按钮需一个输入 一个光电开关需一个或两个输入 一个 北京理工学院机电系毕业论文 22 信号灯需一个输出 波段开关 有几个波段就需几个输入 一般情况 各种位置 开关都需占用两个输人点 2 控制交流电动机所需的 I O 点数 用可编程序控制器控制交流电动机时 是以主令信号和反馈信号作为可编程序控制器的输入信号 以可编程序控制器作 为控制器 用它的输出信号驱动执行元件来完成对交流电动机的控制 例如 用 可编程序控制器控制一台 Y 起动的交流电动机 一般需占用可编程序控制器 的 4 个输入点及 3 个输出点 用可编程序控制器控制一台尊向运行的笼型电动机 需占用 4 个输入点及一个输