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电气电子毕业设计论文
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毕业设计7PLC交通灯,电气电子毕业设计论文
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吉林师范大学应用工程学院毕业论文 第 1 页共 83 页 关键字： 交通灯、 PLC、自动控制、国际化 摘 要 近年来随着科技的飞速发展， PLC 的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。 交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。随着中国加入 WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际 接轨。俗话说“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通安全。作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应适合社会实际情况。因此，本人选择制作十字路口交通灯。 Key word: Traffic light, PLC, automatic allies control。 Abstract With the development at full speed of science and technology in recent years, the application of the one-chip computer is moving towards deepening constantly, drive tradition is it measure crescent benefit to upgrade day to control at the same time. In measuring in real time and automatically controlled one-chip computer application system, the one-chip computer often uses as a key part, only one-chip computer respect knowledge is not enough, should also follow the structure of the concrete hardware , and direct against and use the software of targets characteristic to combine concretly, perfect . The appearance of the traffic signal lamp , make the traffic be controlled effectively, for dredging the flow of traffic, improving the traffic capacity of the road, there are obvious results to reduce the traffic accident. As China joins WTO, we will nts吉林师范大学应用工程学院毕业论文 第 2 页共 83 页 not only be in line with international standards in such different fields as economy ,culture ,sciencandtechnology ,etc. should be in line with international standards too in traffic control. As the saying goes want rich , repair the roads first , but way build up if control do road well to be unable to ensure the unblocked security in traffic. The traffic signal lamp of the important composition component controlled as the traffic should be suitable for the social actual conditions too. So, I choose to make the crossroad nts吉林师范大学应用工程学院毕业论文 第 3 页共 83 页 第一章 PLC 的基础知识 1.1 概述 可编程控制器（ Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ Programmable Logic Controller），简称 PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机（ Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简 称 PLC。 1.2 PLC的由来 在 60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969 年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，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； 3、可 靠 性高于 继电器控制装置； 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。 1969年，美国数字设备公司（ DEC）研制出第一台 PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可 行 性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域 推广应用。到 1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。 1971 日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台 PLC。 1973 年，西欧国家也研制出它们的第一nts吉林师范大学应用工程学院毕业论文 第 4 页共 83 页 台 PLC。我国从 1974 年开始研制。于 1977 年开始工业应用。 1.3 PLC的定义 可编程控制器，简称 PLC（ Programmable logic Controller） ,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会（ International Electrical Committee）颁布的 PLC标准草案中对 PLC做了如下定义： “PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 ” 1.4 PLC的工作原理 PLC(Power Line Communication)即电力线通信是指利用电力 线传输数据和话音信号的一种通信方式。迄今， PLC 技术已经有几十年的发展历史，在技术发展的各个阶段，电力系统已经得到了不同的应用。在高压输电网（ 35kV以上）、中压输电网（ 10kV-35kV）以及低压 (10kV以下 )的各个领域，数据传输的通讯数率不断提高。现阶段，在低压配电网上传输数率已由 1Mbps 发展到 2Mbps、 14Mbps、 24Mbps、 45Mbps 甚至达到100Mbps和 200Mbps的高速率，传输距离可达 300 米。在中压配电网传输技术方面，高于 10Mbps 数据信号的设想和方案也日益引起人们的重视并开 发成功。 PLC 的工作原理：电力线是一个极其不稳定的高躁声、强衰减的传输通道，要实现可靠的电力线高速数据通信，必须解决低压配电网上各种因素如：噪声、阻抗波动、配电网结构、电磁兼容性以及线路阻抗和容性负载引起的信号衰减等主要因素对数据传输的影响。 为了解决以上低压配电网中各因素对数据传输的影响，在国际范围内，低压配电网的高速数据通信普遍选择了正交频分复用技术 OFDM（ Orthogonal Frequency Division Multiplexing）作为核心调制技术。OFDM 技术采用多路窄带正交子载波， 同时传输多路数据，每路信号的码元时间较长，可以避免码元间干扰。通过动态选择可用的子载波，该技术可以减少窄带干扰和频率的谷点的影响。 OFDM 技术起源于二十世纪六十年代，主要用于军用高频通信系统。 70 年代，随着离散傅立叶变换来实现多载波调制技术的提出，以及近年来数字信号处理 (DSP)技术的飞速发展， OFDM 作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术被广泛应用于民用通信系统中。目前在无线局域网已经采用了该技术，第四nts吉林师范大学应用工程学院毕业论文 第 5 页共 83 页 代移动通信（ 4G）中将采用 OFDM 技术。 PLC 的几种接入方案 在低压配电网数据传输系统一般 情况下，由头端（ HE）和用户端（ CE）组成。头端一般安装在配电变压器低压出线端，它主要实现 PLC 高频信号和传统的宽带通信信号的互相转换。 PLC 头端的一侧通过电容或电感耦合器连接电力电缆，注入和提取高频 PLC 信号；另一侧通过传统电信接入方式，如 xDLS、光纤或以太网等连接至 Internet。用户侧称为 “ 电力猫 ” 的设备，主要由接口、调制解调和耦合等三部分组成。用户的计算机通过以太网接口或 USB 接口、普通话机通过 RJ-11 接口与 “ 电力猫 ”相连。实现高速上网、 IP 电话以及 IP视频等多媒体接入服务。 1.5 PLC的 结构 PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机 从结构上分， PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC 包括 CPU 板、 I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC 包括 CPU 模块、 I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 相同如图所示： （一）nts吉林师范大学应用工程学院毕业论文 第 6 页共 83 页 中央处理单元 (CPU) 中央处理单元 (CPU)是 PLC 的控制中枢，它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查 电源、存储器I/O 以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，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，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/O 映象区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将 I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。 为了进一步提高 PLC 的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 的表决式系统，这样即使某个 CPU 出现故障整个系统仍能正常运行。 CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每套 PLC 至少有一个 CPU，它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成， CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是 PLC不可缺少的组成单元。 在使用者看来，不必要详细分析 CPU 的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。 CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数，它们决定着 PLC 的工作速度， IO 数量及软件容量等，因此 限制着控制规模 （二） 存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器； 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 1 PLC 常用的存储器类型 nts吉林师范大学应用工程学院毕业论文 第 7 页共 83 页 （ 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)，这是一种可擦除的只读存储器，在断电情况下存储器内的所有内容保持不变(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容 )。 （ 3） EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种电可擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。 2 PLC 存储空间的分配 虽然各种 PLC 的 CPU 的最大寻址空间各不相同，但是根据 PLC 的工作原理其存储空间一般包括以下三个区域： 系统程序存储区； 系统 RAM 存储区 (包括 I/O 映象区和系统软设备等 )； 用户程序存储区。 (1)系统程序存储区 在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在 EPROM 中，用户不能直接存取，它和硬件一起决定了该 PLC 的性能。 (2)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。 I/O 映象区，由于 PLC 投入运行后只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设，因此它需要一定数量的存储单元 (RAM)以存放 I/O 的状态和数据，这些单元称作 I/O 映 象区，一个开关量 I/O 占用存储单元中的一个位(bit)，一个模拟量 I/O 占用存储单元中的一个字 (16 个 bit)， 因此整个 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。 系统软设备存储区 除了 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 )的存储区，该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在 PLC 断电时由内部的锂电池供电，数据不会遗失，后者当 PLC 断电时数据被清零 1) 逻辑 线圈 nts吉林师范大学应用工程学院毕业论文 第 8 页共 83 页 与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统 RAM 存储区中的一个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制线路中的继电器，另外不同的 PLC 还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不同的功能。 2) 数据寄存器 与模拟量 I/O 一样，每个数据寄存器占用系统 RAM 存储区中的一个字 (16bits) ，另外 PLC 还提供数量不的特殊数据寄存器，具有不同的功能。 3) 计时器 4) 计数器 (3) 用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的用户程序，不同类型的 PLC 其存储容量各 不相同。 （ 三 ） 电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的可靠得电源系统是无法正常工作的，因此 PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视，一般交流电压波动在 +10%(+15%)范围内可以不采取其它措施，而将 PLC 直接连接到交流电网上去。 （四） I/O 模块 PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（ I/O）完成的。 I/O模块集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统，输出模块相反。 I/O分为开关量输入（ DI），开关量输出（ DO），模拟量输入（ AI），模拟量输出（ AO）等模块。 常用的 I/O 分类如下： 1 开关量：按电压水平分，有 220VAC、 110VAC、 24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 2 模拟量：按信号类型分，有电流型（ 4-20mA,0-20mA）、电压型（ 0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 3 除了上述通用 IO 外，还有特殊 IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 4 按 I/O 点数确定模块规格及数量， I/O模块可多可 少，但其最大数受CPU 所能 管 理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 （五） PLC 系统的其它设备 编程设备：编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统nts吉林师范大学应用工程学院毕业论文 第 9 页共 83 页 的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器 PLC 一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当 人机界面非常普及。 （六） PLC 的通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出 网络就是控制器 的观点说法。 PLC 具有通信联网的功能，它使 PLC 与 PLC 之间、 PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的 PLC 新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有 RS-232 接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。 当然， PLC 之间的通讯网络是各厂家专用的， PLC 与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的 PLC之间、 PLC 与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。 （七）外部设备 外部设备是 PLC系统不可分割的一部分，它有四大类 1. 编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC所控制的系统的工作状况。编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。 2. 监控设备：有数据监视器 和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。 3. 存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如 EPROM、 EEPROM写入器等。 nts吉林师范大学应用工程学院毕业论文 第 10 页共 83 页 4. 入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。 了解了 PLC 的基本结构，我们在购买程控器时就有了一个基本配置的概念，做到既经济又合理，尽可能发挥 PLC 所提供的最佳 1.6 PLC的基本性能指标 可编程控制器的基本性能可用如下八条予以概括： （一） 工作速度 工作速度是 指 PLC的 CPU 执行指令的速度及对急需处理的输入信号的响应速度。工作速度是 PLC 工作的基础。速度高了，才可能通过运行程序实现控制，才可能不断扩大控制规模，才可能发挥 PLC 的多种多样的作用。 PLC 的指令是很多的。不同的 PLC。指令的条数也不同。少的几十条，多的几百条。指令不同，执行的时间也不同。但各种 PLC 总有一些基本指令，而且各种的 PLC 都有这些基本指令，故常以执行一条基本指令的时间来衡量这个速度。这个时间当然越短越好，已从微秒级缩短到零点微秒级。并随着微处理器技术的进步，这个时间还在缩短。 执行时间 短可加快 PLC 对一般输入信号的响应速度。从讨论 PLC 的工作原理知，从对 PLC 加入输入信号，到 PLC 产生输出，最理想的情况也要延迟一个 PLC运行程序的周期。因为 PLC监测到输入信号，经运行程序后产生的输出，才是对输入信号的响应。不理想时，还要多延长一个周期。当输入信号送入 PLC 时， PLC的输入刷新正好结束，就是这种情况。这时，要多等待一个周期， PLC 的输入映射区才能接受到这个新的输入信号。对一般的输入信号，这个延迟虽可以接受，但对急需响应的输入信号，就不能接受了。对急需处理的输人信号延迟多长时间 PLC 能予以响 应，要另作要求。 为了处理急需响应的输入信号， PLC有种种措施。不同的 PLC 措施也不完全相同，提高响应速度的效果也不同。一般的作法是采用输入中断，然后再输出即时刷新，即中断程序运行后，有关的输出点立即刷新，而不等到整个程序运行结束后再刷新。 这个效果可从两个方面来衡量：一是能否对几个输入信号作快速响应；二是快速响应的速度有多快。多数 PLC 都可对一个或多个输入点作快速响应，快速响应时间仅几个毫秒。性能高的、大型的 PLC 响应点数更多。 nts吉林师范大学应用工程学院毕业论文 第 11 页共 83 页 工作速度关系到 PLC 对输入信号的响应速度，是 PLC 对系统控制是否及时的前 提。控制不及时，就不可能准确与可靠，特别是对一些需作快速响应的系统。这就是把工作速度作为 PLC第一指标的原因。 （二） 控制规模 控制规模代表 PLC控制能力，看其能对多少输入、输出点及对多少路模拟进行控制。 控制规模与速度有关。因为规模大了，用户程序也长，执行指令的速度不快，势必延长 PLC 循环的时间，也必然会延长 PLC 对输入信号的响应。为了避免这个情况， PLC 的工作速度就要快。所以，大型 PLC的工作速度总是比小的要快。 控制规模还与内存区的大小有关。规模大，用户程序长，要求有更大的用户存储区。同时点 数多，系统的存储器输入、输出的信号区（输入输出继电器区或称输入、输出映射区）也大。这个区大，相应地内部器件（解释见后）也要增多，这些都要求有更大的系统存储区。 控制规模还与输入、输出电路数有关。如控制规模为 1024 点，那就得有 1024 条 I/O 电路。这些电路集成于 I/O 模块中，而每个模块有多少路的 I/O点总是有数的。所以，规模大，所使用的模块也多。 控制规模还与 PLC指令系统有关。规模大的 PLC 指令条数多，指令的功能也强，才能应付对点数多的系统进行控制的需要。 控制规模是对 PLC其它性能指标起着制约作用 的指标；也是 PLC划分为微、小、中、大和特大型 （三） 组成模块 PLC 的结构虽有箱体及模块式之分，但从质上看，箱体也是模块，只是它集成了更多的功能。在此，不妨把 PLC 的模块组成当作所有 PLC 的结构性能。 这个性能含义是指某型号 PLC 具有多少种模块，各种模块都有什么规格，并各具什么特点。 一般讲，规模大的 PLC，档次高的 PLC模块的种类也多，规格也多，反映它的特点的性能指标也高。但模块的功能则单一些。相反，小型 PLC、档次低的 PLC 模块种类也少，规格也少，指标也低。但功能则多样些，以至于集成为箱体。 组成 PLC的模块是 PLC 的硬件基础，只有弄清所选用的 PLC 都具有那些模块及其特点，才能正确选用模块，去组成一台完整的 PLC，以满足控制系统对 PLC的要求。 常见的 PLC 模块有： nts吉林师范大学应用工程学院毕业论文 第 12 页共 83 页 CPU 模块，它是 PLC的硬件核心。 PLC的主要性能，如速度、规模都由它的性能来体现。 电源模块，它为 PLC 运行提供内部工作电源，而且，有的还可为输入信号提供电源。 I/O 模块，它集成了 I/O 电路，并依点数及电路类型划分为不同规格的模块。 内存模块，它主要存储用户程序，有的还为系统提供辅加的工作内存。在结构上内存模块都是附加 于 CPU 模块之中。 底板、机架模块，它为 PLC各模块的安装提供基板，并为模块间的联系提供总线。若干底板间的联系有的用接口模块，有的用总线接口。不同厂家或同一厂家但不同类型的 PLC 都不大相同。 箱体式的 PLC 还有 I/O 扩展箱体，它不含 CPU，仅有电源及 I/O 单元的功能。扩展箱体也依 I/O点数的多少划分有不同的规格。 除上述模块， PLC 还有特殊的或称智能或称功能模块。如 A/D（模入）模块、 D/A（模出）模块、高速计数模块、位控模块、温度模块等等。这些模块有自己的 CPU，可对信号作预处理或后处理，以简化 PLC 的 CPU 对复杂的程控制量的控制。智能模块的种类、特性也大不相同，性能好的PLC，这些模块种类多，性能也好。 通讯模块，它接人 PLC 后，可使 PLC 与计算机，或 PLC 与 PLC 进行通讯，有的还可实现与其它控制部件，如变频器、温控器通讯，或组成局部网络。通讯模块代表 PLC 的组网能力，代表着当今 PLC 性能的重要方面。 掌握 PLC性能，一定要了解它的模块，并通过了解模块的性能，去弄清楚 PLC 的性能。 除了模块， PLC还有外部设备。 尽管用 PLC 实现对系统的控制可不用外部设备，配置好合适的模块就行了。然而，要对 PLC 编程，要监控 PLC 及其所控制的系统的工作状况，以及存储用户程序、打印数据等，就得使用 PLC的外部设备。故一种 PLC 的性能如何，与这种 PLC 所具外部设备丰富与否，外部设备好用与否直接相关。 PLC 的外部设备有四大类： 编程设备：简单的为简易编程器，多只接受助记将编程，个别的也可用图形编程（如日本东芝公司的 EX 型可编程控制器）。复杂一点的有图形编程器，可用梯形图语编程。有的还有专用的计算机，可用其它高级语编程。编程器除了用于编程，还可对系统作一些设定，以确定 PLC 控制nts吉林师范大学应用工程学院毕业论文 第 13 页共 83 页 方式，或工作方式。编程器还可监控 PLC及 PLC 所控制的系统的工作状况，以进行 PLC用户程序的调试。 监控设备：小的有数据监视器，可监视数据；大的还可能有图形监视器，可通过画面监视数据。除了不能改变 PLC 的用户程序，编程器能做的它都能做，是使用 PLC 很好的界面。性能好的 PLC，这种外部设备已越来越丰富。 存储设备：它用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失。这些设备，如存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器。而为实现这些存储，相应的就有存卡器、磁带机、软驱或 ROM 写入器，以及相应的接口部件。各种 PLC大体都有这方面的配套设施。 输入输出 设备：它用以接收信号或输出信号，便于与 PLC 进行人机对话。输入的有条码读入器，输入模拟量的电位器等。输出的有打印机、编程器、监控器虽也可对 PLC 输入信息，从 PLC 输出信息，但输入输出设备实现人机对话更方便，可在现场条件下实现，并便于使用。随着技术进步，这种设备将更加丰富。 外部设备已发展成为 PLC 系统的不可分割的一个部分。它的情况，当然是选用 PLC必须了解的重要方面，所以也应把它列为 PLC 性能的重要内容。 （四） 内存容量 PLC 内存有用户及系统两大部分。用户内存主要用以存储用户程序，个别的还将其中的一 部分划为系统所用。系统内存是与 CPU 配置在一起的。 CPU既要具备访问这些内存的能力，还应提供相应的存储介质。 用户内存大小与可存储的用户程序量有关。内存大，可存储的程序量大，也就可进行更为复杂的控制。从发展趋势看，内存容量总是在不断增大着。大型 PLC 的内存容量可达几十 k，以至于一百多 k。系统内存对于用户，主要体现在 PLC能提供多少内部器件。不同的内部器件占据系统内存的不同区域。在物理上并无这些器件，仅仅为 RAM。但通过运行程序进行使用时，给使用者提供的却实实在在有这些器件。 内存器件种类越多，数量越多， 越便于 PLC 进行种种逻辑量及模拟控制。它也是代表 PLC 性能的重要指标。 PLC 内部器件有： I/O 继电器，或称映射区。它与 PLC 所能控制的 I/O 点数及模拟量的路数直接相关。 内部继电器数，有的称为标志位数，代表着 PLC 的内部继电器数。它与 I/O继电器区相联系着，有时与后者相联系进行处理。内部nts吉林师范大学应用工程学院毕业论文 第 14 页共 83 页 继电器多，便于 PLC 建立复杂的时序关系，以实现多种多样的控制要求。一般讲，内部继电器数比 I/O 继电器要多得多。 有的内部继电器还可丢电保持，即它的状态（ ON或 OFF）、 PLC丢电后，靠内部电池仍予以保持。再上电 后可继续丢电前的状态。保持继电器可增强 PLC控制能力，特别对记录故障，故障排除后恢复运行，更显得有用。 定时器，可进行定时控制。定时值可任意设定。定时器有多少，设定范围有多大，设定值的分辨率又是多少，这些都代表定时器件的性能。 计数器，可进行计数，到达某设定计数值可发送相应信号。可进行什么样的计数，计数范围多大，怎么设定，有多少计数器，则是 PLC计数器性能的代表指标。 数据存储区，用以存储工作数据。多以字、两字或多字为单位予以使用，是 PLC 进行模拟量控制，或记录数据所必不可少的。这个存储区的大小代表 PLC的性能也是越大越好。趋势也是越来越大。小型机也如此。如日本 OMRON公司的 CQM1机，其 DM区就有 6k字。而过去同是小型机的 C60P的 DM区才 64 个字。大型机的 DM 可达 10K 以至几十 K。 此外还有其它一些内部器件，了解某 PLC 性能时，也都必须掌握它。 内部器件也是 PLC指令的操作数，不弄清楚是无法编程的。 （五） 指令系统 PLC 有多少条指令，各条指令又具有什么功能，是了解与使用 PLC的重要方面。你不懂 PLC 指令怎么编程，没有程序， PLC又怎么工作？ PLC 的指令越来越多，越来越丰富。功能很强的 指令，综合多种作用的指令日见增多。 PLC 的指令繁多，但主要的有这么几种类型： 基本逻辑指令，用于处理逻辑关系，以实现逻辑控制。这类指令不管什么样的 PLC都总是有的。 数据处理指令，用于处理数据，如译码，编码，传送、移位等等。 数据运算指令，用于进数据的运算，如十、一、 X、 /等，可进行整形数计算，有的还可浮点数运算；也可进行逻辑量运算，等等。 流程控制指令，用以控制程序运行流程。 PLC 的用户程序一般是从零地址的指令开始执行，按顺序推进。但遇到流程控制指令也可作相应改变。流程控制指令也较多，运用得好 ，可使程序简练，并便于调试与阅读。 状态监控指令，用以监视及记录 PLC及其控制系统的工作状态，对提高 PLC控制系统的工作可靠性大有帮助。 nts吉林师范大学应用工程学院毕业论文 第 15 页共 83 页 当然，并不是所有的 PLC 都有上述那么多类的指令，也不是有的 PLC仅有上述几类指令。以上只是指出几个例子，说明要从哪几个方面了解PLC 指令，从中也可大致看出指令的多少及功能将怎样影响 PLC 的性能。 除了指令，为进行通讯， PLC 还有相应的协议与通讯指令或命令，这些也反映了 PLC的性能。 （六） 支持软件 为了便于编制 PLC程序，多数 PLC 厂家都开发有关计算机支持软件。 从本质上讲， PLC所能识别的只是机器语言。它之所以能使用一些助记符语言、梯形图语言、流程图语言，以至高级语言，全靠为使用这些语言而开发的种种软件。 助记符语言是最基本也是最简单的 PLC 语言。它类似计算机的汇编语言， PLC的指令系统就是用这种语言表达的。这种语言仅使用文字符号，所使用的编程工具简单，用简易编程器即可。所以，多数 PLC 都配备有这种语言。 梯形图语言是图形语言，它用类似于继电器电路图的符号表达 PLC实现控制的逻辑关系。这种语言与符号语言有对应关系，很容易互相转换，并便于电气工程师了解与熟悉 ，故用得很普遍，几乎所有的 PLC 都开发有这种语言。由于它是用图形表达，小的编程器不好使用它，得有较大的液晶画面的编程器，才能使用它。多数是在计算机对 PLC编程时，才使用这种语言。 流程图语言，它也是图形语言，不过所用的符号不与电气元件符号相似，而与计算机用的流程图符号相似，便干计算机工作人员了解与熟悉。流程图语言与符号语言也有一一对应关系，只是它对应的符号语言与梯形图的对应不一样。熟悉计算机而又未从事过一般电气工作的人员，乐于用这种语言对 PLC 编程。日本 OMRON 公司开发的 F系列机就是使用这种语言。 梯 形图与流程图混合语言。这种语言，梯形图与流程图两者兼用，可使PLC 程序结构化。它用流程图把 PLC程序划分成若干结构块，并规范块间的逻辑联系。用梯形图再确定块中的种种量间的逻辑关系。这种混合语言有不同的实现方法，而且多用于大型的 PLC的编程 高级语言， PLC编程也可以使用高级语言，如 BASIC、 C 语言等。可以在 DOS，也可在 WINDOWS 平台上运行。关键在于要把用高级语言编写的程序转换成助记符语言，或直接转换成 PLC 所能识别的机器语言。从根本上讲，只要能实现这个转换的，什么高级语言都可以。而编写这个转nts吉林师范大学应用工程学院毕业论文 第 16 页共 83 页 换的软 件工作量很大，当然应由有关厂家开发与提供。当前不少 PLC 厂家已有提供。如 GE FANAC的 PLC就提供有可用 C 语言编程的软件。 再前进一步，从理论上讲使用自然语言编程也是完全可能的。只是要下力气去开发，以及市场有这个需要。 支持软件不仅编制 PLC 程序需要，监控 PLC 运行，特别是监视 PLC所控制的系统的工作状况也需要。所以，多数支持编程的软件，也具有监视 PLC工作的功能。 此外，也有专用于监控 PLC工作的软件，它多与 PLC的监视终端连用。 有的 PLC厂家或第三方厂家还开发了使用 PLC的组态软件，用以实现计算机对 PLC控制系统监控，以及与 PLC 交换数据。 PLC的用户也可基于 DOS或 WINDOWS平台开发用于 PLC控制系统的应用软件，以提高 PLC 系统自动化及智能化水平。这方面的软件已日益受到重视。 总之，为了用好 PLC， PLC 的支持软件越来越丰富，性能也越来越好，其界面也越来越友好，也因此，它的情况如何，已成为评判 PLC性能的指标之一。 （七） 可靠控制 为使 PLC能可靠工作，在硬件与软件两个方面 PLC 厂家都采取了很多措施，对一些特殊可靠要求的 PLC，还有相应的特殊的措施，如热备、冗余等等。这在介绍 PLC 的特点时已作了叙述。可靠措施的目的是增加PLC 平均故障间隔时间、 MTBF（ MeanTimeBetweenFailure）及减少 PLC 的平均修复时间、 MTTR（ MeanTimeToRepair），以提高 PLC的有效度 A（ Availability）。 A=MTBF/(MTBF+MTTR) 式中 A-有效率 MTBF-平均故障间隔时间 MTTR-平均修复时间 当然， A 值越大越好，它可使 PLC系统得到充分的利用，是为什么要使用 PLC的重要指标。而从上式可知， MTBF越大， MTTR 越小，则 A越大。所以， PLC 的可靠措施都是围绕提高 MTBF 及 MTTR 值进行的。 鉴于可靠工作是 PLC 的重要特点，至关重要，故有关提高 MTBF 及降低 MTTR 的措施如何，以及 PLC的 MTBF与 MTTR 值也成为 PLC 性能的重要指标。 （八） 经济指标 nts吉林师范大学应用工程学院毕业论文 第 17 页共 83 页 以上七条讲的都是 PLC 的技术性能。其实，使用 PLC，还要考虑经济指标。经济是基础，经济上不合算，不能带来经济效益，使用 PLC 也就没有基础。所以，这个指标也是重要的。经济指标最简单的就是看价格。一般讲，同样技术性能的 PLC，价格低其经济指标就好 此外，还要看供货情况，供货不及时 ，影响使用，价格即使低，也不一定就好；看技术服务，资料不全，用户出现问题得不到技术支持也不好。 对经济指标还要作综合分析，要看使用了 PLC能否带来效益，然后，再分析使用哪家的 PLC 效益更好些。 1.7 PLC 的分类及应用领域 可编程控制器类型很多，可从不同的角度进行分类： （一） 按控制规模分 控制规模主要指控制开关量的入、出点数及控制模拟量的模入、模出，或两者兼而有之（闭路系统）的路数。但主要以开关量计。模拟量的路数可折算成开关量的点，大致一路相当于 8 16点。 依这个点数， PLC大致可分为微型机 、小型机、中型机及大型机、超大型机。 微型机控制点仅几十点，如德维森公司的 V80系列 PLC本体从 16 点到 40点， OMRON 公司的 CPM1A 系列 PLC，西门子的 Logo 仅 10点。 小型机控制点可达 100 多点。如如德维森公司的 V80 系列 PLC 可扩展到 256点， OMRON公司的 C60P可达 148 点， CQM1 达 256点。德国西门子公司的 S7-200 机可达 64 点。 中型机控制点数可达近 500点，以至于千点。如德维森公司的 PPC11 系列可扩展到 1024 点， OMRON公司 C200H机普通配置最多可达 700 多点，C200Ha机则可达 1000多点。德国西门子公司的 S7300机最多可达 512点。 大型机：控制点数一般在 1000点以上。如如德维森公司的 PPC22系列可扩展到 2048 点， OMRON 公司的 C1000H、 CV1000，当地配置可达 1024点。 C2000H、 CV2000 当地配置可达 2048 点。 超大型机：控制点数可达万点，以至于几万点。如美国 GE 公司的 90 70机，其点数可达 24000点，另外还可有 8000路的模拟量。再如美国莫迪康公司的 PC E984-785 机，其开关量具总数为 32k（ 32768），模拟量有 2048路。西门子的 SS 115U CPU945，其开关量总点数可达 8k，另外还可有 512路模拟量。等等。 以上这种划分是不严格的，只是大致的，目的是便于系统的配置及使用。 nts吉林师范大学应用工程学院毕业论文 第 18 页共 83 页 一般讲，根据实际的 I/O 点数，凡落在上述不同范围者，选用相应的机型，性能价格比必然要高；相反，肯定要差些。 自然，也有特殊情况。如控制点数不是非常之多，不是非用大型机不可，但因大型机的特殊控制单元多，可进行热备配置，因而采用了大型机。 （二） 按结构划分 PLC 可分为箱体式及模块式两大类。微型机、小型机多为箱体式的，但从发展趋势看 ，小型机也逐渐发展成模块式的了。如 OMRON公司，原来小型机都是箱体式，现在的 CQM1 则为模块式的。 箱体的 PLC 把电源、 CPU、内存、 I/O系统都集成在一个小箱体内。一个主机箱体就是一台完整的 PLC，就可用以实现控制。控制点数不符需要，可再接扩展箱体，由主箱体及若干扩展箱体组成较大的系统，以实现对较多点数的控制。 模块式的 PLC 是按功能分成若干模块，如 CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等等。大型机的模块功能更单一一些，因而模块的种类也相对多些。这也可说是趋势。目前一些中型机，其模块的功能也趋于单 一，种类也在增乡。如同样 OMRON 公司 C20 系列 PLC， H 机的 CPU 单元就含有电源，而 Ha 机则把电源分出，有单独的电源模块。 模块功能更单一、品种更多，可便于系统配置，使 PLC更能物尽其用，达到更高的使用效益。 由模块联结成系统有三种方法： 1 无底板，靠模块间接口直接相联，然后再固定到相应导轨上。德维森公司的 V80 系列 PLC 就是这种结构，比较紧凑。 2 有底板，所有模块都固定在底板上。如德维森公司的 PPC11、 PPC22 和PPC31 系列 PLC， OMRON 公司的 C200Ha机， CV2000等中、大型 机就是这种结构。它比较牢固，但底板的槽数是固定的，如 3、 5、 8、 10槽等等。槽数与实际的模块数不一定相等，配置时难免有空槽。这既浪费，又多占空间，还得占空单元把多余的槽作填补。 3 用机架代替底板，所有模块都固定在机架上。这种结构比底板式的复杂，但更牢靠。一些特大型的 PLC 用的多为这种结构。 （三） 按生产厂家分 目前生产 PLC 的厂家较多。但能配套生产，大、中、小、微型均能生产的不算太多。较有影响的，在中国市场占有较大份额的公司有： 德国西门子公司：它有 S5 系列的产品。有 S5 95U、 100U、 115U、135U及 155U。 135U、 155U 为大型机，控制点数可达 6000多点，模拟量nts吉林师范大学应用工程学院毕业论文 第 19 页共 83 页 可达 300多路。最近还推出 S7系列机，有 S7-200（小型）、 S7-300（中型）及 S7-400 机（大型）。性能比 S5大有提高。 日本 OMRON 公司：它有 CPM1A 型机， P型机， H型机， CQM1、 CVM、CV型机， Ha型
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