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2012届本科生毕业论文 学 号：080701050103成 绩：基于PLC的电梯控制系统设计院 部：电子与信息学院专 业：电子信息工程姓 名： 王 玲 珍 指导教师： 梁 华 二一二年四月毕业论文诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文基于PLC的电梯控制系统设计是本人在指导老师的指导下，独立研究、写作的成果。论文中所引用是他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人独自承担。 毕业论文作者签名： 年 月 日摘 要随着我国科技与经济的进步，电梯逐渐融入我们的日常生活与工作当中。它不仅仅是高层建筑里的必备设施，在多层建筑里也是不可缺少的垂直运输工具。电梯的控制系统已由初期的继电控制向微机控制发展。可编程控制器由于具有可靠性高，功能强大等特点已经成为电梯微机控制系统的核心。本机控制单元采用以三菱公司的可编程控制器PLC对机器进行全过程控制整个系统通过PLC、逻辑控制电路对电梯的升降；加、减速；平层、起动、自动控制。其机构简单、运行效率高、平层精度高，易于理解与掌握【关键词】电梯；控制系统；可编程控制器AbstractAs Chinas technological and economic progress, the elevator gradually integrated into our daily lives and work them. It is not just high-rise building in the necessary facilities, in the multi-storey buildings in the vertical transport is essential. Elevator control system from the initial development of relay control to computer control. Programmable controllers as high reliability, powerful features such as computer control systems have become the core of the elevator. The control unit using the Mitsubishi PLC programmable controller controls the whole process of the machine The entire system through the PLC, logic control circuit of the elevator lift; acceleration, deceleration; flat layer, starting, automatic control. The organization is simple, high efficiency, high precision leveling, easy to understand and master 【Key words 】elevator; control system; programmable controller目 录第1章 绪论 1.1选题依据及研究意义11.2 国内外发展状况2第2章 可编程序控制器简介 2.1可编程序控制器的发展历史5 2.2 PLC的特点7 2.3 PLC的工作原理92.3.1 可编程序控制器的工作原理102.3.2 扫描周期102.4 PLC的体系结构122.5 PLC的选型152.5.1 输入输出（I/O）点数的估算152.5.2 存储器容量的估算152.5.3 控制功能的选择152.5.4 机型的选择172.6 FX2N可编程序控制器简介192.7 PLC控制程序设计192.7.1 PLC控制系统的设计基本原则192.7.2 PLC提供的编程语言19第3章 电梯控制系统的设计部分3.1电梯系统的硬件构成21 3.2电梯系统的软件部分22 3.3电梯控制系统的人机界面25致 谢26参考文献 27基于PLC的电梯控制系统设计第1章 绪论随着我国经济的发展, 城市中涌现出越来越多的高层建筑, 而与之配套的电梯已成为人们日常生活中不可缺少的工具。同时, 由于城市老龄化问题日益突出, 多层建筑同样也有使用电梯的要求。而目前, 国内中小电梯厂商大多采用继电器控制或微机控制方法实现对电梯的控制前者控制线路复杂、体积大、故障率高、维护困难后者可靠性不高, 容易发生故障, 从而使电梯难以达到用户希望的安全、稳定、可靠的基本要求。自问世以来, 以其高可靠的特点在工业自动化领域获得广泛的应用。近年来, 随着超大规模集成电路技术和通信技术的进步, 的性能价格比逐年提高, 使用控制电梯, 是一种投资小、见效快、可靠性高的好方法。1.1选题依据及研究意义（1）题目背景：随着城市建设的不断发展，楼群建筑不断增多，电梯在当今社会的生活中有着广泛的应用。电梯作为楼群建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，大部分电梯控制系统都采用随机逻辑方式控制。传统的电梯运行逻辑控制系统采用继电器逻辑控制线路。这种控制线路，存在易出故障、维护不便、运行寿命较短、占用空间大等缺点。从技术上发展来看，这种系统将逐渐被淘汰。如何解决电梯的可靠性、维护方便等问题已成为全社会关注的焦点和大众的迫切心声。（2）题目研究的意义：目前，由可编程序控制器和微机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着。采用PLC控制的电梯可靠性高、维护方便、开发周期短，这种电梯运行更加可靠，并具有很大的灵活性，可以完成更为复杂的控制任务，已成为电梯控制的发展方向，其许多功能是传统的继电器控制系统无法实现。 可编程控制（Programmable Controller）系统是专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出控制各种类型的机械设备或生产过程。通过可编程控制器可以实现由继电器实现的逻辑控制功能，而且最主要的是可编程控制器的“可编程”功能，使得当改变电梯的控制功能时，只要更改程序即可，而不需要像继电器控制系统那样改变硬件和接线。1.2国内外发展状况国内外发展状况在经济不断发展，科学技术R新月异的今天，楼的高度已和经济发展同样的速度成长起来。作为建筑的中枢神经，电梯起着不可或缺的作用，电梯作为建筑物内的主要运输工具，像其他的交通工具一样，已经成为我们R常生活的一个不可缺少的组成部分。一个国家的电梯需求总量，主要受其经济增长速度、城市化水平、人口密度及数量、国家产业结构等综合因素的影响。在全球经济持续低迷的情况下，我国国民经济仍然以较高的速度持续增长，城市化水平不断提高。这从客观上导致了我国电梯行业的空前繁荣景象，我国已经成为全球最大的电梯市场。上世纪80年代以来，随着经济建设的持续高速发展，我国电梯需求量越来越大。总趋势是上升的，目自口进入了“第三次浪潮”，2004年总产量超过了8力台，而且目前还没有减速的迹象。从1949年建国以来全国共生产安装了6l万多台电梯。尽管如此，我国的电梯远未达到饱和的程度。全世界平均1000人有l台电梯，我国如果要达到这个水准，还需要增加70万台。到那时候，全国在用电梯将达到130万台，每年仅报废更新就需要6万台。到2005年，中国电梯的年产量达到135万台，与1980年相比，25年增长了59倍，产量每年平均增长178。2005年安装验收电梯124465台，截至05年底，我国的在用电梯总数已达651794台。如此庞大的市场需求为我国电梯行业的发展创造了广阔的舞台!我国电梯行业已经具备了很强的生产能力。兴旺的电梯市场吸引了全世界所有的知名电梯公司，美国奥的斯、瑞士迅达、芬兰通力、德国蒂森、同本三菱、只立、东芝、富士达等13家大型外商投资公司在国内的市场份额达到了74”先进技术和先进管理的引进对国内电梯企业产生了强大的推动作用。苏州江南、山东百斯特、浙江巨人、上海华立、昌华、东莞飞鹏、宁波宏大、苏州申龙和东南液压电梯等一批优秀的电梯品牌看清了自己的定位与出路。目前国内市场需要的电梯产品，我国电梯行业几乎全部可以生产，不但大量替代了进口，而且有一定的出口。 国产电梯的技术水平和产品质量正在稳步提高。自1985年我国参加了国际标准化组织ISOTCl78以来，先后等同或等效采用了一批国际标准和先进国家的标准。标准的高起点使我国电梯行业在技术上居于有利地位。许多新技术和新产品，如无机房电梯、无齿轮曳引机、永磁同步拖动技术、远程监控技术等，国际上也是刚刚出现，我国就有许多企业可以生产了。国产电梯以其高质量，低成本的优势赢得了越来越多的国内外客户，为逐步进入国际市场创造了有利条件。随着计算机技术的发展，微型计算机在工业控制系统中得到了广泛的应用，在电梯控制上采用微型计算机，取代传统的继电器控制方式越来越受到人们的重视。使用微型计算机控制，它成本低，体积小，可靠性高，使用寿命长，简化了安装调试工作，使得电梯控制系统体积减小，节省能源、可靠性提高。可编程使灵活性增大。更突出的优点是微型计算机具有算术运算功能和灵活的逻辑运算功能，因此可以实现更完善的自动控制，例如对于电梯平层可以实现自适应控制，便平层情况达到最佳状态”目前，交流调压调速电梯技术已趋成熟，一些企业都有成功的产品。微机控制电梯是电梯技术的方向，些生产企业与科研单位相结合，相继推出了微机控制的电梯新机型使控制功能得到增强，电梯的性能得到改善，明显提高了可靠性。除了合资企业外，也有其他厂家开发出了变频调速电梯新产品。另外，用可编程序控制器取代继电器控制系统的机型对单梯进行控制还是有前途的。有些生产企业开发了紧急供电装置、防火厅门、地震控制、自检测以及语言合成等电梯新功能；对机械系统采用了新结构、新材料、新技术和新工艺”。总之，与国外先进技术水平相比，虽然还存在一定差距,但国内电梯技术正以迅猛的发展速度赶超世界先进水平。中国电梯在亚洲市场占有越来越重要的位置，每年销售量己达l万台左右，约占亚洲市场的150，一些合资企业在出口创汇方面也做出了贡献“。当今世界，电梯的生产情况与使用数量已经成为衡量一个国家工业现代化程度的标志之一。在一些发达的工业国家，电梯的使用相当普遍。世界上有名的几家电梯公司，诸如：美国奥的斯公司、瑞士讯达公司、日本三菱和日立公司、芬兰科恩等，其电梯的产量已占世界市场的51”。其中，奥的斯公司和三菱公司是世界上最大的电梯生产企业。目前，国外除了以交流电梯取代直流电梯以外，在低层楼房越来越多的使用液压电梯。此外，家用小型电梯将成走电梯家族中新的组成部分随着科技的进步，电梯也更加安全、舒适。然而，人们的追求并没有就此停止下来，仍在不断地进行研究改进。绿色是和平，绿色是天然，绿色是和谐。电梯是载人的机电设备，要实现“绿色”，也就是强调电梯更舒适、更安全地为人类的生产和生活服务，强调电梯与环境的协调与和谐。国外对绿色电梯的研究做得比较出色的可能要数Peters了，他专门就绿色电梯进行研究。当然，他的研究是从电梯对环境影响的角度进行的。P不可再生资源的消耗、产生废弃物和为生产满足曳引电梯的电力而产生的二氧化碳。同时他还认为，目前电力是不可持续的并对环境有损害，作为在地球上有责任的人，我们应当减少能源消耗，寻找可持续发展的能源。第2章可编程序控制器简介可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列的优点特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到用户的青睐。因而在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制的三大支柱之一”21 可编程序控制器的发展历史在可编程序控制器问世以来，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。这种由继电器构成的控制系统有着明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差，如果生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计并改变硬件结构造成了时间和资金的严重浪费。1968年，在底特律的美国通用汽车公司(GM公司)为了在每次汽车改型或改变工艺流程时能不改动原有继电器柜内的接线以便降低生产成本，缩短新产品的开发周期，提出了研制新型逻辑顺序控制装置，并提出了该装置的研制指标要求，即十项招标技术指标。其主要内容如下(1)在使用者的工厂里，能以最短中断服务时间，迅速方便地对其控制的硬件和设备进行编程及重新进行程序的设计。(2)所有系统单元必须能在工厂内无特殊支持的设备、硬件及环境条件下运行。(3)系统的维修必须简单易行。在系统中应设计有状态指示器及插入式模块，以便在最短的停车时间内使维修和故障诊断变得简单易行。(4)装置的体积应小于原有继电器控制柜的体积，它的能耗也应较少。(5)必须能与中央数据收集处理系统进行通信，以便监视系统的运行状念和运行情况。(6)输入开关量可以是已有的标准控制系统的按钮和限位开关的交流15V电压信号。(7)输出的驱动信号必须能驱动以交流运行的电动机起动器和电磁阀线圈，每个输出量将设计为可开停和连续操纵具有115V、2A以下容量的电磁阀等负载设备。(8)具有灵活的扩展能力。在扩展时，必须能以系统最小的变动及最短的更换和停机时间，使原有装置从系统的最小配置扩展到系统的最大配置。(9)在购买和安装费用上，应有与原有继电辑控制系统的竞争力，即有高的性能价格比。(10)用户存储器容量至少在4KB以上。(根据当时的汽车装配过程的要求提出)从上述十项指标可以看出，它实际上就是当今可编程序控制器的最基本的功能。将它们归纳一下其核心为四点(1)用计算机代替继电器控制盘。(2)用程序代替硬件接线。(3)输入输出电平可与外部装置直接连接。(4)结构易于扩展。美国的数字设备公司(DEC)CP标，并在1969年研制出了第一台可编程序控制器(PDP-14)“其后，美国的MODICON公司也推出了084控制器，1971年，日本推出了DSC8控制器1973年西欧各国的各种可编程序控制器也研制成功我国在1974年开始研制可编程序控制器可编程序控制器的发展与计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关。这些高新技术的发展推动了可编程序控制器的发展而可编程序控制器的发展又对这些高新技术提出了更高更新的要求，促进了它们的发展。从控制功能束分，可编程序控制器的发展经历了下列四个阶段。第一阶段：从第一台可编程序控制器问世到20世纪70年代中期，是可编程序控制器的初创阶段。这一阶段的产品主要用于逻辑运算和计时、计数运算，它的CPU由中小规模的数字集成电路组成，它的控制功能较简单典型产品有MODICON公司的084ALLENBRADLEY(AB)公司的PDQ2、DEC的PDP14、同立公司的SCY-022等。由于这些产品主要完成逻辑运算功能，因此被称为可编程序逻辑控制器(ProgrammableLogic Controllet-PLC)。第二阶段：从20世纪70年代中期到末期，是可编程序控制器的扩展阶段，在这一阶段，产品的主要控制功能得到了较大的发展，它的发展主要来自两方面，从可编程序控制器发展而来的控制器，它的主要功能是逻辑运算，同时扩展了其他运算功能；而从模拟仪表发展而来的控制器，其功能主要是模拟运算，同时扩展了逻辑运算功能。因此，按习惯的分类方法，前者被称为可编程序逻辑控制器(PLC，后者被称为单回路或多回路控制器。可编程序控制器的名称缩PC(Programmable Controll)，但是为了与个人计算机(Personal Computer)的名称缩写PC相区别，通常还是把可编程序控制器简称为PLC，这一阶段的产品有MODICON公司的184、284、384，西门予公司的SomaticS3系列，富士电机公司的SC系列等产品第三阶段：从20世纪70年代末期到20世纪80年代中期，是PLC通信功能实现阶段。与计算机通信的发展相联系，PLC也在通信方面有了很大的发展，初步形成了分布2式的通信网络体系，但是，由于制造企业各自为政，通信系统自成系统，因此，各产品的互相通信是较困难的。在该阶段，由于生产过程控制的需要，对PLC的需求大大增加，产品的功能也得到了发展，数学运算的功能得到了较大的扩充，产品的可靠性进一步提高。这一阶段的产品有西门子公司的SYMATIC S6系列、富士电机公司的MICREX和德州仪器公司的T1530等等。第四阶段：从20世纪80年代中期开始是PLC的开放阶段。由于开放系统的提出，使PLC也得到了较大的发展。主要表现在通信系统的开放，使各制造企业的产品可以通信，通信协议的标准化使用户得到了好处。在这一阶段，产品的规模增大，功能不断完善，大中型的产品多数有CRT屏幕的显示功能，产品的扩展也因通信功能的改善而变得方便，此外，还采用了标准的软件系统，增加了高级编程语占等。这一阶段的产品有西门子公司的SYMA7IC S5和s7系列、AB公司的PLC一5等。2.2 PLC的特点PLC能如此迅速发展的原因是由于它具有通用计算机所不及的一些下列特点。可靠性对可以维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性 （1）PLC的可靠性高，表现在下列几方面：1）与继电器逻辑控制系统比较，PLC可靠性提高的主要原因：PLC不需要大量的活动部件和电子元器件，它的接线也大大减少。与此同时，系统的维修简单、维修时间缩短，因此可靠性得到提高。PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如冗余设计、掉电保护、故障渗断和信息保护及恢复等，使可靠性得到提高。PLC有较强的易操作性，它具有编程简单、操作方便、维修容易等特点，因此对操作和维修人员的技能要求降低，容易学习和掌握，不容易发生操作的失误，可靠性高。2）与通用的计算机控制系统比较，PLC可靠性提高的主要原因：PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制系统更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了经简化的编程语言，编程的出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。因此，PLC的可靠性较通用计算机控制系统的可靠性有较大提高。在PLC的硬件设计方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性高的元件；采用先迸的工艺制造流水线生产；对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等，设有对电源的掉电保护、存储器内容的保护并采用看门狗和其他自诊断措施、便于维修的设计等等。在PLC的软件设计方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措旌。例如，采用软件滤波，软件自诊断、简化编程语言、信息保护和恢复、报警和运行信息的显示等等。一份用户选用PLC原因的调查报告指出，在各种选用PLC的原因中，第一位的原因是由于PLC可靠性高的用户达93。其次，才是性能和维修方便等原因。可见，可靠性高是PLC的主要特点。（2）PLC的易操作性表现在下列三个方面：1）操作方便。对PLC的操作包括程序输入的操作和程序更改的操作。大多数PLC采用编程器进行程序输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需的地址编号、继电器编号或触点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。更改的信息可在液晶屏或CRT屏幕上显示。所以PLC具有操作方便的特点2）编程方便。PLC有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，梯形图由于与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。所以有利于程序的编写和学习。采用布尔助记符编程语言时，由于符号是功能的简单缩写，十分有利于编程人员的编程。虽然功能表图、功能模块图和高级描述语句的编程方法应用尚未普及，但是，由于它们具有功能清晰、易于理解等优点，正为广大技术人员所接纳和采用并发挥出更有效的功能特点。3）维修方便。PLC所具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低了。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可根据有关故障信号灯的提示和故障代码的显示，或通过编程器和CRT屏幕的显示，很快地找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间。为便于维修工作的开展，有些PLC的制造企业提供了维修用的专用仪表或设备，提供了故障树等维修用的资料有些厂商还提供维修用的智能卡件或插件板，使维修工作变得十分方便。PLC的面板和结构的设计也考虑了维修的方便性，例如，对需维修的部件设置在便于维修的位置，信号灯设置在易于观察的部位，接线端子采用便于接线与更换的类型等，这些设计使维修工作能方便地进行，从而大大节省维修时间。采用标准化元件和标准化工艺生产流水线作业，使维修用的备品备件简化，也使维修变得方便。(3)PLC的灵活性表现在下列三方面： 1）编程的灵活性。PLC采用的编程语占有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块图和语句描述编程语言，只要掌握其中一种语言就可以进行编程。编程方法的多样性使编程方便，应用面拓展。由于采用软连接的方法，在生产工艺流程更改或者生产设备更换时，可以不必改变PLC的硬设备，通过程序的编制与更改就能适应生产的需要。这种编程的灵活性是继电器J颐序控制系统所不能比拟的。正是由于编程的柔性特点，使PLC能大量地替代继电器顺序控制系统，成为当今工业控制领域的重要控制设备。在柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)和计算机集成过程控制系统(CIPS)qb，PLC正成为主要的控制设备，得到广泛的应用 2）扩展的灵活性。PLC的扩展灵活性是它的一个重要的特点。它可根据应用的规模不断扩展，即可进行容量的扩展，功能的扩展，应用和控制范围的扩展。它不仅可以通过增加输入输出单元来增加点数，通过扩展单元来扩大容量和功能，也可以通过多台PLC的通信来扩大容量和功能，甚至可通过与集散控制系统(DCS)或其他上位机的通信来扩展它的功能，并与外部设备进行数据的交换等。这种扩展的灵活性大大地方便了用户。 3）操作的灵活性。操作的灵活性是指设计的工作量大大减少，编程的工作量和安装施工的工作量大大减少，操作十分灵活方便，监视和控制变得容易。在继电器顺序控制系统中所需的一些操作可以简化，不同的生产过程可采用相同的控制台或控制屏等。23 PLC的工作原理2.3.1 可编程序控制器的工作原理可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。这种计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程序控制器还要完成，内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段（见左上图）。可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。当可编程序控制器处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。可编程序控制器处于（RUN）状态时，还要完成另外3个阶段的操作（见右图），图中仅画出了与用户程序执行过程有关的3个阶段。2.3.2 扫描周期可编程序控制器在RUN工作状态时，执行一次上图所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1100ms。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等。如图2.4.2所示。第(N-1)个扫描周期输出刷新第(N+1)个扫描周期输入采样第N个扫描周期输入采样输出刷新用户程序执行图2.4.2 PLC的扫描运行方式(1)输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有的数据和状态它们存入I/O映象区的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入数据和状态发生变化I/O映象区的相应单元的数据和状态也不会改变。所以输入如果是脉冲信号，它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的CPU总是由上而下，从左到右的顺序依次的扫描梯形图。并对控制线路进行逻辑运算，并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统RAM存储区中对应位的状态。或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。例如：算术运算、数据处理、数据传达等。(3)输出刷新阶段在输出刷新阶段，CPU按照I/O映象区内对应的数据和状态刷新所有的数据锁存电路，再经输出电路驱动响应的外设。这时才是PLC真正的输出。2.4 PLC的体系结构PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一致的。如下图所示：编程器中央处理单元（CPU）输入电路输出电路系统程序存储区用户程序存储区电源PLC硬件的基本结构它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。可编程序控制器主要由CPU（中央处理单元）、存储器（RAM和EPROM）、输入/输出模块（简称I/O模块）、编程器和电源五大部分组成。1. CPU模块CPU模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微机处理器（CPU）和存储器组成。CPU的作用类似于人类的大脑和心脏。它采用扫描方式工作，每一次扫描要完成以下工作：(1) 输入处理：将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存器。(2) 程序执行：逐条读入和解释用户程序，产生相应的控制信号去控制有关的电路，完成数据的存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。(3) 输出处理：将输出映像寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载。2 . I/O模块I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。输入信号有两类：一类是从按钮、选择开关、数字开关、限位开关、接收开关、关电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟量输入信号。可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。CPU模块的工作电压一般是5V，而可编程序控制器的输入/输出信号电压一般较高，如直流24V和交流220V。从外部引入的尖蜂电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使可编程序控制器不能正常工作，所以CPU模块不能直接与外部输入/输出装置相连。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与噪声隔离的作用。3.编程器编程器除了用来输入和编辑程序外，还可以用来监视可编程序控制器运行时梯形图中各种编程元件的工作状态。编程器可以永久地连续在可编程序控制器上，将它取下来后可编程序控制器也可以运行。一般只在程序输入、调试阶段和检修时使用，一台编程器可供多台可编程序控制器公用。4. 开关量I/O模块开关量模块的输入输出信号仅有接通和断开两种状态。电压等级有直流5V，12V，24V，48V和交流110V，220V等。输入输出电压的允许范围很宽，如某交流220V输入模块的允许低电压为070V，高电压为70256V，频率为4763HZ。各I/O点的通/断状态用发光二极管或其它元件显示在面板上，外部I/O接线一般接在模块的接线端子上，某些模块使用可拆除的插座型端子板，在不拆去端子的外部连线的情况下，可以迅速地更换模。开关量I/O模块可能4，8，16，32，64点。2.3.1 输入模块2.4.1 a 直流输入电路输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入点抖动或外部干扰脉冲引起的错误的输入信号。滤波电路延迟时间的典型值为1020ms（信号上升沿）和2050ms（信号下降沿），输入电流约为10mA，上图2.3.1a是某直流输入模块的内部电路和外部接线图。本节的输入电路和输出电路都只画出了一路，COM是各路的公共点。图中的输入触点直接接在公共点和输入端（400是梯形图中输入继电器的编号）之间，不需要外接电源。有的可编程序控制器还可以为接近开关、光电开关之类的传感器提供24V电源。（如图2.4.1b）图2.4.1.b 当图2.4.1b中的外接触点接通时，光电耦合器中的发光二极管发光，光敏三极管导通，信号经内部电路传送给CPU模块。图2.4.1 c是交流输入电路。光电耦合器中有两个反并联的发光二极管，显示用的两个发光二极管也是反并联的，因此这个电路可以接收外部的交流输入电压。图2.4.1 c 交流输入电路5. 输出模块输出模块的功率放大元件有大功率晶体管和磁效应管（驱动直流负载）、双向可控硅（驱动内交流负载）和小型继电器，后者可以驱动交流负载或直流负载。输出电流的典型值为0.52A，负载电源由外部现场提供。输出电流的额定值与负载的性质有关，但是只能驱动100VA/22V的电感性负载和100W的白炽灯。额定负载电流还与温度有关，温度升高时额定负载电流减小，有的可编程序控制器提供了有关曲线。输出模块内可能设置有熔断器，并在模块面板上用发光二极管显示熔断器的状态。某些新式的模块用非破坏性的电子保护电路代替熔断器。2.5 PLC的选型为了能够更好的选型，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PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。2.5.1 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，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。2.5.2 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。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1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。2.5.3 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。(一)运算功能 简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC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PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在PLC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，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。(二)控制功能 控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回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控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。(三)通信功能 大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC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。PLC系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式：1）PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络；2）1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络；3）PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；4）专用PLC网络（各厂商的专用PLC通信网络）。为减轻CPU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。(四)编程功能 PLC的编程有离线编程和在线编程两种，设计时应根据应用要求合理选用。离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU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，CPU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统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU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PLC中常采用。(五)诊断功能 PLC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PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC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，并影响平均维修时间。(六)处理速度 PLC采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.20.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。2.5.4 机型的选择 (一)PLC的类型PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。(二)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、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。(三)电源的选择PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。(四)存储器的选择由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。(五)冗余功能的选择1控制单元的冗余（1）重要的过程单元：CPU（包括存储器）及电源均应1：1冗余。（2）在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、两重化或三重化冗余容错系统等。2 I/O接口单元的冗余（1）控制回路的多点I/O卡应冗余配置。（2）重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。（3）根据需要对重要的I/O信号，可选用两重化或三重化的I/O接口单元。(六)经济性的考虑选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响，在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。2.6 FX2N可编程序控制器简介FX2N 是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程序控制器。它的基本指令执行时间高达0.08s每条指令，远远超过了很多大型可编程序控制器。用户存储器容量可扩展到16K步，最大可扩展到每256个I/O点，有5种模拟量输入/输出模块、高速计数器模块、脉冲输出模块、4种位置控制模块、多种RS-232C/RS-242/RS-485串行通信模块或功能扩展板，以及模拟定时器功能扩展板，使用特殊功能模块和功能扩展板，可以实现模拟量控制、位置控制和联网通信等功能。2.7 PLC控制程序设计2.7.1 PLC控制系统的设计基本原则1) 最大限度的满足被控对象的控制要求。2) 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。3) 保证控制系统安全可靠。4) 考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。2.7.2 PLC提供的编程语言1) 标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特点；A.它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。B.梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。C.梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。D.PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当