基于PLC的电子密码锁设计

教学单位 毕 业 设 计 论文 题 目 基于 PLC 的电子密码锁设计 年 级 08 级 3 班 学 号 姓 名 专 业 指导教师 2011 年 6 月 14 日 教学单位 学生学号 毕毕 业业 设设 计计 论论文文题题目目 基基于于 P PL LC C 的的电电子子 密码锁设计 班班 级级 0 08 8 级级 3 3 班班 专专 业业 姓姓 名名 指指 日日 期期 2 20 01 11 1 年年 6 6 月月 6 6 日日 基于PLC的电子 密码锁设计 摘 要 该课程 设计介绍了可编程序控制器 PLC 和 PLC控制系统的基本知识 包括 PLC的定义 特点 分类 技术指标 基本结构 工作原理 硬件知识及PLC控制 系统等相关知识 采用松下公司系列的 PLC 设计了一个简单的密码锁控制系统 密码锁 控制系统 通过了可编程序控制器来实现 开锁和报警 过程 可编程控制器是以计算机为核心的通用自动控制装置 它的功能强 可靠性极 强 编程简单 使用方便 体积小 现已广泛应用于工业控制的各个领域 它以微处理 器为核心 用编写的程序进行逻辑控制 定时 记数和算术运算等 并通过数字量和模 拟量的输入 输出来控制机械设备或生产过程 该设计采用松下 公司的系列可编程控制器 系列有被已在国内广泛使用的系 列代替的趋势 我们在这里有必要详细介绍松下的系列可编程控制器的性能指标 硬件组成和指令 PLC 的学习比一般编程学习困难在于 要完成一个控制系统不仅需要掌握一定的编 程技术 更为重要的是要知道如何针对实际应用的需要选择合适的PLC 型号 然 后进行资源配置 设计控制系统 该设计为 密码锁 自动控制 的 PLC 控制 主要介绍了密码锁 自动控制系统 的工 作原理 控制系统的PLC 的选型和资源的配置 控制系统程序设计与调试 控制系统 PLC 程序 最后 在该设计过程中给予极大鼓励和帮助的老师 同学 在此表示衷心的感谢 由于在设计过程中存在许多不足 希望老师同学指正 本设计主要介绍密码锁设计和原理 关键字 PLC可编程控制器 梯形图 电磁阀 交流接触器 目录 第一章 引言 1 1 1课程设计的目的 1 1 2 设计内容 1 1 3实现的目标 3 1 4 PLC的主要技术指标 3 第二章 PLC 的结构和工作原理 4 2 1 PLC的基本结构 4 2 2 整体式结构的PLC 4 2 3 模块式结构的PLC 4 2 4 PLC各组成部分介绍 5 2 5 基本指令 6 第三章 PLC 的工作原理 7 3 1循环扫描技术 7 3 1 1输入阶段 7 3 1 2执行程序阶段 7 3 1 3输出阶段 7 3 2 PLC的输入 输出响应时间 8 第四章PLC 控制系统设计原则和设计步骤 9 4 1设计原则 9 4 2设计步骤 9 第五章课题设计 PLC 密码锁 控制系统设计 11 5 1密码锁控制系统的控制要求 15 密码锁 控制系统的工作流程示 意 12 第六章 结束语 27 参考文献 27 第第一一章章绪绪论论 1 1 概述 1 1 1PLC 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 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 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 可编程控制器是在计算机技术 通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的 现 已广泛应用于控制的各个领域 它以微处理器为核心 用编写的程序进行逻辑控制 定时 计 数和算术运算等 并通过数字量和模拟量的输入 输出来控制机械设备或生产过程 PLC 自问世以来 尽管时间不长 但发展迅速 为了使其生产和发展标准化 国际电工委 员会 IEC 先后颁布了 PLC 标准的草案第一 二 三稿 并在 1987 年作了如下的定义 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统 专为在工业环境应用而设计的 它采用一类 可编程控制器 用于其内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数与算术操作等面 向用户的指令 并通过数字或模拟式输入 输出控制各种类型的机械或生产过程 可编程控制 器及基有关外部设备 都应按易于与工业控制系统联成一个整体 易于扩充基其功能的原则设 计的 总之 可编程控制器是一台专为工业环境而设计的计算机 它是将传统的计算机技术 继电器技术和通信技术相融合而发展起来的一种新型的控制装置 在具体的国内工业应用中 由于它不是针对某一具体的工业应用 因此它的硬件应根据实际需要来进行配置 其软件则根 据控制要求进行编写 1 2 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 结构更为紧凑 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 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 3 PLC 的特点 PLC 是传统的继电器技术和计算机技术相结合的产物 所以要工业控制方面 它具有继电 器或通用计算机所无法比拟的特点 1 3 1 抗干扰能力强 高可靠性 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 PLC 的高可靠性主要表现在硬件和软件两个方面 1 在硬件方面 由于采用性能优良 的开关电源 并且对选用的器件进行严格的筛选 加上合理的系统结构 最后加固 简化安装 因此 PLC 具有很强硬的抗振动冲击性能 无触点的半导体电路来完成大量的开关动作 就不会 出现继电器系统中的器件老化 脱焊 触点电弧等问题 所有的输入 输出接口都采用光电隔 离措施 使外部电路和 PLC 内部电路能有效的进行隔离 PLC 模块式的结构 可以在其中一个 模块出现故障时迅速地判断出故障的模块并进行更换 这样就能尽量的缩短系统的维修时间 2 在软件方面 PLC 的监控定时器可用于监视执行用户程序的专用运行处理器的延 迟 保证在程序出现错误和程序调试时 避免因程序错误而出现死循环 当 CPU 电池 I O 口 通信等出现异常时 PLC 的自诊断功能可以检测到这些错误 并采取相应的措施 以防止 故障扩大 停电时 后电池和正常工作时一样 进行对用户程序及动态数据的保护 确保信息 不丢失 1 3 2 应用灵活 使用方便 模块化的 PLC 设计 使用户能根据自己系统的大小 工艺流程和控制要求等来选择自己所 需要的 PLC 模块并进行资源配置和 PLC 编程 这样 控制系统就不需要大量的硬件装置 用户 只需根据控制需要设计 PLC 的硬件配置和 I O 的外部接线即可 1 3 3 面向控制过程的编程语言 容易掌握 PLC 的编程语言采用继电器控制电路的梯形图语言 清晰直观 虽然 PLC是以微处理 器为核心的控制装置 但是它不需要用户有很强的程序设计能力 只在用户具备一定的计算机 软 硬件知识和电器控制方面的知识即可 1 4 PLC 的选型 1 4 1 PLC 的选型原则 当某一个控制任务决定由 PLC 来完成后 选择 PLC 就成为最重要的事情 一方面要选择多 大容量的 PLC 另一方面是选择什么公司的 PLC 及外设 对第一个问题 首先要对控制任务进行详细的分析 把所有的 I O 点找出来 包括开关量 I O 和模拟量 I O 以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型 控制系统输出点的类型非常 关键 如果他们之中既有交流 220V 的接触器 电磁阀 又有 24V 的指示灯 则最后选用的 PLC 的输出点数有可能大于实际电数 因为 PLC 的输出点一般是几个一组共用一个公共端 这一组 输出只能有一种电源的种类和等级 所以一旦它们是交流 220V 的负载负载使用 则直流 24V 的 负载只能使用其他的输出端了 这样有可能造成输出点浪费 增加成本 所以要尽可能选择相 同等级和种类的负载 比如使用交流 220V 的指示灯等 一般情况下继电器输出的 PLC 使用最多 但对于要求高速输出的情况 就要使用无触点的晶体管输出的 PLC 了 对第二个问题 则有以下几个方面要考虑 1 功能方面 所有 PLC 一般都具有常规的功能 但对某些特殊要求 就要知道所选用的 PLC 是否有能力控制任务 如对 PLC 与 PLC PLC 与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求 或对 PLC 的计算速度 用户程序容量等有特殊要求 或对 PLC 的位置控制有特殊要求等 这就 要求用户对市场上流行的 PLC 品种有一个详细的了解 以便做出正确的选择 2 价格方面 不同厂家的 PLC 产品价格相差很大 有些功能类似 质量相当 I O 点数相当 的 PLC 的价格能相差 40 以上 在使用 PLC 较多的情况下 这样的差价当然是必须考虑的因数 PLC 主机选定后 如果控制系统需要 则相应的配套模块也就选定了 1 5 PLC 的分类 1 5 1 小型 PLC 连接开关量 I O 模块 模拟量 I O 模块以及其它各种特殊功能模块 能执行包括逻辑运算 计时 计数 算术运算 数 输入 输出点数在 128 点以下的 PLC 称为小型 PLC 其特点是体 积小 结构紧凑 它可以据处理和传送 通信联网以及各种应用指令 1 5 2 中型 PLC 输入 输出点数在 128 512 点之间的 PLC 称为中型 PLC 它除了具有小型机所能实现在功 能外 还具有强在的网络通信功能 更丰富的指令系统 更大的内存容量和更快的扫描速度 1 5 3 大型 PLC 输入 输出点数大于 512 的 PLC 称为大型 PLC 它具有强大的软件硬件功能 自诊断功能 通信联网功能 它可以构成三级通信网 实现工厂生产管理自动化 另外大型 PLC 还可以采 用三 CPU 构成表决式系统 使机器具有更高的可靠性 1 6 PLC 的主要技术指标 1 6 1 存储器容量 存储器用来存储程序和系统参数等 其容量是由用户程序存储器和数据存储器组成的 程 序存储器容量大小决定了用户所能编写程序的长度 一般中小型 PLC 的存储器容量在 16KB 以 下 大型的 PLC 可达到 2MB 左右 1 6 2 输入 输出点数 输入 输出点数是指根据工业系统控制要求所得到的对应于 PLC 的输入 输出端的个数 I O 点数越多 说明需要控制的器件和设备就越多 1 6 3 扫描时间 扫描时间是指 CPU 内部根据用户程序 按逻辑顺序 从开始到结束扫描一次所需的时间 PLC 用户手册一般给出执行指令所用的时间 1 6 4 指令种类和数量 指令的种类和数量决定了用户编制程序的方式和 PLC 的处理能力和控制能力 1 6 5 内部寄存的种类和数量 内部寄存器主要包括定时器 计数器 中间继电器 数据寄存器和特殊寄存器等 它们主 要用来完成计时 技术 中间数据存储 数据存储还有其他一些功能 种类和数量越多 PLC 的功能就越强大 1 6 6 扩展能力 PLC 扩展能力是指 PLC 是否能具有 I O 点数扩展 功能扩展 联网等一些功能 1 6 7 智能模块的种类和数量 智能模块是指能完成模拟量控制 远程控制以及通信等功能模块 智能模块种类和数量越 多 说明 PLC 功能越强大 第二章 PLC 的结构和工作原理 2 1 PLC 的基本结构 PLC 实质是一种用于工业控制的计算机 其硬件结构基本上与微型计算机相同 根据结构 形式的不同 PLC 的基本结构分为整体式和模块式结构两类 2 2 整体式结构的 PLC 整体式结构的 PLC 由中央处理器 CPU 存储器 I O 单元 电源电路和通信端口等组成 并将这些组装在一起 基本结构框图如图 2 1 所示 中央 处理 器 系 统 总 线 图图 2 2 1 1 整整体体式式结结构构 电源 输入 输出单元 存储器 编程 器 2 3 模块式结构的 PLC 模块式结构的 PLC 是将中央处理器 CPU 存储器 输入 输出单元 电源电路和通信端 口等分别做成相应的模块 应用时将这些模块根据要求插在机架上 各模块间通过机架上的总 线想到联系 基本结构框图如 2 2 所示 编程器其他 PLC 或 上位机 现场设备 电源 模块 CPU 模块 通信 模块 输 入 模 块 输 出 模 块 殊功 功能 模块 机 架 图图 2 2 2 2 模模块块式式结结构构 2 4 PLC 各组成部分介绍 1 中央处理器 中央处理器 CPU 是 PLC 的核心部分 相当于 PLC 的 大脑 它通过系统总线与用户 存储器 输入 输出 I O 通信端口等单元相连 通过制造厂家预制在系统存储器内部的系 统程序完成各项任务 其主要功能是由编程器写入控制程序和数据到存储器 检验用户程序 从存储器上读取和执行程序 还可以进行 PLC 内部故障的诊断等 2 存储器 根据存储器存储内容的不同 我们把存储器分为系统程序存储器 用户程序存储器和数据 存储器 系统程序存储器 用来存入软件的存储器 系统程序相当于计算机操作系统 是 PLC 厂 家根据选用的 CPU 的指令系统编写的 并固化到 ROM 里 用户不能修改其内容 用户程序存储器 用来存放用户根据控制要求编制的程序 不同类型的 PLC 其存储容量 也不一样 数据存储器 用以存放 PLC 运行中的各种数据的存储器 因为运行中数据不断变化 所以 这种存储器必须可读写 3 输入 输出单元 输入 输出单元是 PLC 与外部设备连接的纽带 输入单元接收现场设备向 PLC 提供的开关 量信号 经过处理后 变成 CPU 能够识别的信号 输出单元将 CPU 的信号经处理后来控制外 部设备的 4 电源部分 不同型号的 PLC 有不同的供电方式 所以 PLC 电源的输入电压既有 12V 和 24V 直流 又 有 110V 和 220V 交流 5 编程器 几乎每个 PLC 厂家都有自己的编程器 用户通过编程器来编写控制程序 并通过编程器接 口将自己的控制程序输入到 PLC 它还可以在线检测程序的运行情况 在出现故障时 通过编 程器可能很方便的找出错误 6 特殊功能单元 主要包括模拟量输入 输出单元 远程 I O 模块 通信模块 高速计数模块 中断输入模 块和 PID 调解模块等 随着 PLC 的进一步发展 特殊功能单元的应用也越来越多 2 5 基本指令 2 5 1 LD LDI 指令 LD 和 LDI 指令是连接在母线连接的触点 表示操作开始 LD 是常开触 点 LDI 是常闭触点 2 5 2 AND ANI 指令 AND 和 ANI 指令是串联连接的触点 AND 是常开触点 ANI 是常闭触 点 2 5 3 OR ORI 指令 OR 和 ORI 指令是并联连接的触点 执行逻辑 或 的功能 OR 是常 开触点 ORI 是常闭触点 2 5 4 OUT 指令 OUT 指令执行逻辑输出的功能 条件成立时为 ON 条件不成立时为 OFF 2 5 5 ANB ORB 指令 ANB 完成支路间的串联的功能 用于执行支路之间 于 操作 ORB 完成支路间的并联的功能 用于执行支路之间 或 操作 2 5 6 比较指令 CMP Compare 的功能指令编号为 FNC10 16 位运算占 7 个程序步 32 位运算占 13 个程序步 2 5 7 传送指令 MOV 的功能号为 FNC12 它是将源操作数的内容传送目标操作数 2 5 8 四则逻辑运算指令 1 二进制加法指令 ADD ADD 的功能号为 FNC20 它是将源操作数 S1 和 S2 中的 16 位二进制数相加 然后运算结果传 送到指定的目标操作数中 2 二进制减指令 SUB SUB 的功能号为 FNC21 它是将源操作数 S1 和 S2 中的 16 位二进制数相减 然后运算结果 传送到指定的目标操作数中 3 二进制乘法指令 MUL MUL 的功能号为 FNC22 它是将源操作数 S1 和 S2 中的 16 位二进制数相乘 然后运算结果 传送到指定的目标操作数为首地址的软元件中 4 二进制除法指令 DIV DIV 的功能号为 FNC22 它是将源操作数 S1 和 S2 中的 16 位二进制数相除 然后运算结果 传送到指定的目标操作数 D 中 余数传送到 D 1 中 第三章 PLC 的工作原理 3 1 PLC 工作原理 CUP 连续执行用户程序 任务的循环序列称为扫描 CUP 的扫描周期包括读输入 执行程 序 处理通讯请求 执行 CUP 自诊断测试及写输出等等内容 PLC 可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备 他意识周而复始的循环扫描并执行由系统 软件规定好的任务 用户程序只是扫描周期的一个组成部分 用户程序不运行时 PLC 也在扫 描 只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入 写输出这几部分的内容 典型的 PLC 在 一个周期中可以完成以下 5 个扫描过程 1 自诊断测试扫描过程 为保证设备的可靠行 及时放映所出现的故障 PLC 都具有自监 视功能 2 与网络进行通讯的扫描过程 一般小型系统没有这一扫描过程 配有网络的 PLC 系统才 有通讯扫描过程 这一过程用于 PLC 之间及 PLC 与上位计算机或终端设备之间的通信 3 用户程序扫描过程 机器处于正常运行状态下 每一个扫描周期内都包含该扫描过程 该过程在机器运行中是否执行是可控的 即用户可以通过软件进行设定 用户程序的长短会影 响过程所用的时间 4 读输入 写输出扫描过程 机器在正常运行状态下 每一个扫描周期都包含这个扫描过 程 该过程在机器运行中是否被执行是可控的 CUP 在处理用户程序时 使用的输入值不是直 接从输入点读取的 运算的结果也不直接送到实际输出点 而是在内存中设置了两个映象寄存 器 一个为输入映象寄存器 另一个为输出映象寄存器 用户程序所用的输入值是输入映象寄 存器的值 运算结果也放在输出映像寄存器 在输入扫描过程中 CUP 把实际输入点的状态锁 入到输入映像寄存器 在输出扫描过程中 CUP 把输出映像寄存器的值的输出点 循环扫描有如下特点 1 扫描周期周而复始地进行 读输入 输出和用户程序是否执行是可控的 2 输入映像寄存器的内容是由设备驱动的 在程序执行过程中的一个周期内输入映像寄存 器的值保持不变 CUP 采用集中输入的控制思想 只能使用输入映像寄存器的值来控制程序的 执行 3 对同一个输出单元的多次使用 修改次序会造成不同的执行结果 4 各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟 这是 PLC 的主要缺点 在读输入阶段 CUP 对各个输入端子进行扫描 通过输入电路将各输入点的状态锁入映象寄存 器中 紧接着转入用户程序执行阶段 CUP 按照先左后右 先上后下的顺序对每条指令进行扫 描 根据输入映象寄存器和输出映象寄存器的状态执行用户程序 同时将执行结果写入输出映 象寄存器 在程序执行期间 即使输入端子状态发生变化 输入状态寄存器的内容也不会改变 输入端子状态变化只能在下一个周期的输入阶段才被集中读入 输入 输出采用映象寄存器的优点 1 集中采用 I O 程序扫描期间输入值固定不变 程序执行完后统一输出 这种集中 I O 的方式保证的程序的顺序执行与外部电路乱序执行的统一 使系统更加稳定可靠 2 程序执行时 存取映象寄存器要比读写 I O 端点快的多 这样可以加快程序执行速度 3 I O 点必须按位存取 而映象寄存器可按位 字节 字 双字灵活的存取 增加了程序 的灵活性 PLC 的工作原理与继电器构成的控制装置一样 但是工作方式不太一样 继电器控制是并 行运行方式 即如果输出线圈通电或断电 该线圈的触点立即动作 而 PLC 则不同 它采用 循环扫描技术 只有该线圈通电或断电 并且必须当程序扫描到该线圈时 该线圈触点才会动 作 也可以说继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出 而 PLC 控制 则需要输入传送 执行程序指令 输出 3 个阶段才能完成控制过程 3 2 循环扫描技术 PLC 采用循环扫描技术可以分为 3 个阶段 输入阶段 将外部输入信号的状态传送到 PLC 执行程序阶段和输出阶段 将输出信号传送到外部设备 扫描过程如下图所示 输 入 阶 段 程 序 执 行 阶 段 程 序 执 行 阶 段 输 出 阶 段 程 序 执 行 阶 段 输 出 阶 段 输 入 阶 段 一一个个扫扫描描周周期期 3 2 1 输入阶段 在这个阶段中 PLC 读取输入信号的状态和数据 并把它们存入相应的输入存储单元 3 2 2 执行程序阶段 在这个阶段中 PLC 按照由上到下的次序逐步执行程序指令 从相应的输入存储单元读入 信号的状态和数据 然后根据程序内部继电器 定时器 计数器数据存储器的状态和数据进行 逻辑运算 得到运算结果 并将这些结果存入相应的输出存储器单元 这一阶段执行完后 进 入输出阶段 在这个程序执行中 输入信号的状态和数据保持不变 3 2 3 输出阶段 在这个阶段中 PLC 将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上 并通过输出模 块向外部设备传送输出信号 开始控制外部设备 3 3 PLC 的输入 输出响应时间 I O 响应时间是指某一输入信号从变化开始到系统相关输出端信号的改变所需要的时间因 为 PLC 的循环扫描工作方式 所以收到输入信号的时刻不同 响应时间的长短也不同 下面就 给出了最短和最长响应时间 最短响应时间 一个扫描周期刚结束就收到输入信号 即收到这个输入信号与开始下一个 扫描周期同时 这样的响应时间最短 考虑到输入电路和输出电路的延时 所以最短响应时间 应大于一个扫描周期 最短响应时间如下图所示 输入 程 序 执 行 阶 段 输 入 阶 段 输 入 阶 段 程 序 执 行 阶 段 输 出 阶 段 输 出 阶 段 程 序 执 行 阶 段 输出 一个扫描周期 最短响应时间 最长响应时间 在一个扫描更完成输入读取后才接到输入信号 这样这个输入 信号在该 扫描周期将不会发生变化 要等到下个扫描周期才能得到响应 这时响应时间最长如下图所 示 一个扫描周期 输入 输出 最 长 响 应 时 间 第四章 PLC 控制系统设计原则和设计步骤 4 1 设计原则 PLC 控制系统是为工艺流程服务的 所以它首先要能很好的实现工艺提出的控制要求 程 序 执 行 阶 段 输 入 阶 段 输 出 阶 段 程 序 执 行 阶 段 输 入 阶 段 输 出 阶 段 程 序 执 行 阶 段 输 入 阶 段 输 出 阶 段 程 序 执 行 阶 段 PLC 控制系统的设计应遵循以下原则 1 根据工艺流程进行设计 力求设计出来的控制系统能最大限度满足控制要求 2 在满足控制要求的前题下 尽量减少 PLC 系统硬件费用 3 考虑到以后控制要求的变化 所以控制系统设计时应考虑到 PLC 的可扩展性 4 控制系统使用和维护方便 安全可靠 4 2 设计步骤 一般 PLC 控制系统的设计步骤如图 1 3 所示 具体操作如下 1 控制要求分析 在设计 PLC 控制系统之前 必须对工艺流程进行细致的分析 详细了解控制对象和控制 要求 这样才能真正明白自己要完成的任务 设计出令人满意的控制系统 2 确定 I O 设备 根据控制要求选择合理的输入设备 控制按钮 开关 传感器等 和输出设备 接触器 继电器等 并根据选用的输入 输出设备的类型和数量 确定 PLC 的 I O 点数 3 选择合适的 PLC 确定 PLC 的点数后 就根据 I O 点数 控制要求等来进行 PLC 的选择 选择包括机型 存储器容量 输入 输出模块 电源模块和智能模块等 4 PLC 程序设计 本阶段就是根据控制对象和控制要求对 PLC 进行编程 首先把工艺流程分为若干阶段 确 定每一阶段的输入信号和输出要控制的设备 还有不同阶段之间的关系 然后画出程序流程图 最后再进行程序编制 5 I O 点数分配 点数分配就是 PLC 的 I O 端子和输入 输出设备的对应关系 画出 I O 接线原理图 6 模拟调试 程序编制好后 可以用按钮和开关模拟数字量 电压源和电流源代替模拟量 进行模拟调 试 使控制程序基本满足控制要求 7 现场联机调试 现场联机调试就是将 PLC 与现场设备进行调试 在这一步中可以发现程序存在的实际问题 然后经过修正后使其满足控制要求 8 整理技术文件 这一步主要包括整理与设计有关的文档 包括设计说明书 I O 接线原理图 程序清单和 使用说明书等 开始设计 控制要求分析 确定 I O 设备 选择合适的 PLC I O 点数分配 PLC 程序设计 模拟调试 现场联机调试 整理技术文件 设计结束 图图 4 4 1 1 设设计计步步骤骤示示意意图图 第五章 密码锁控制系统设计 5 1 在设计密码锁之前 需要明白计数器的原理 5 1 1 计数器书写格式 1 FEO 型 PLC 初始设置计数器为 C100 C143 此序号可用系统寄存器重新设置 设置时应 注意 TM 和 CT 前后序号错开 同一程序中同序号的计数器只能使用一次 而对应的敞开常闭触 点可使用无数次 2 计数器有两个输入端 时钟端 CP 和复位端 R 分别有两个输入触点控制 时钟输入端脉 冲和复位端脉冲均为上升沿起作用 输入端 R 比脉冲端 CP 优先权高 3 计数器设置值即为计数器初始值 与定时器一样 该值只能是 1 32767 中任意十进制数 书写时前面一定要加 K 字母 同样 计数器的设定值和经过值也用同一型号的 SV 和 EV 来 存放 4 计数器为减一计数 每来一个时钟脉冲 计数器减一 直至减至为零 此时计数器各对 应的触点开始动作 常闭触点断开 常开触点闭合 5 当 R 端接通时 计数初始化 对应触点断开 计数器复位 重新开始计数 5 1 2 懂得密码器报警原 下图是报警程序图 当开锁人误按按钮SB4 X4 SB5 X5 时线圈 交流接触器 Y1 得电 Y1 常开 闭合自锁 报警器不断报警 5 2 密码锁控制系统的控制要求 控制要求 1 SB7 为起动按键 按下 SB7 才可进行开锁 2 SB1 SB2 SB3 为可按压键 开锁条件 SB1 设定按压次数为 3 次 SB2 设定按压次数 为 2 次 SB3 设定按压次数为 6 次 如此按下方可打开 3 SB4 SB5 为禁按钮 一按就会报警 4 SB6 为复位按钮 按下开锁作业 5 SB8 停止按钮 5 2 1 密码锁控制系统的工作流程示意图如图 5 1 所示 图图 5 5 1 1 密密码码锁锁控控制制流流程程图图 5 2 2 设备控制要求 密码控制系统的要求是能实现 正常运行 和 复位停止 两种控制方式 1 正常运行 正常运行 方式具体控制要求如下 1 按下 SB7 启动密码控制系统 2 按 SB1 三下 按下 SB2 两下 按下 SB3 六下 密码锁开 注意 密码只有一个 要顺序按下按钮 SB1 SB2 SB3 才能开锁 2 复位停止 停止复位 方式具体控制要求如下 1 若按下 停止 按扭 SB8 操作过程停止 系统失电 要操作从新按下 SB7 开始操 作 2 在输入密码过程中 如果出现错误 这时就要复位从新操作 此时按下 SB6 从新输 入密码 进行开锁操作 3 报警系统 在操作过程中 如果误按 SB4 或 SB5 系统就会报警 警报声长鸣 通知主人 这是密 码锁防盗报警系统 5 3 密码锁控制系统的 PLC 选型和资源配置 5 3 1 控制系统构梯形图 图图 6 6 密密码码锁锁控控制制系系梯梯形形图图 5 3 2 梯形图编程语言 PLC 是通过程序对系统进行控制的 作为一种专用计算机 为了适应其应用领域 一定有其专 用的语言 PLC 的编程语言有多种 如梯形图 语句表 功能图 逻辑方程等 梯形图编程语 言是一种图形语言 具有继电器控制电路形象 直观的优点 语句表编程语言类似计算机的汇 编语言 用助记符来表示各种指令的功能 是 PLC 用户程序的基础元素 一般而言 梯形图程序让 PLC 仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条件 根据结果决定 逻辑输出的允许条件 逻辑通常被分解成小的容易理解的片 这些片通常被称为 梯级 或网 络 程序一次扫描执行一次网络 按照从做到右 从上到下的顺序进行 一旦 CUP 执行到程序的结 尾 就又从上到下执行程序 在每一个网络中 指令以列为基础被执行 从上而下 从左到右 依次执行 直到本网络的最后一个线圈列 因此为了充分利用存储器容量 使扫描时间尽可能 短 利用梯形图编程时应限制触点之间的距离 并使网络左上边这部分空白最少 其中 串联 触点较多的支路要写在上面 并联支路应写在左边 线圈放于触点的右边 如图 4 所示是用 PLC 控制的梯形图程序 可完成与继电器控制的电动机直接起 停 起 保 停 继电器控制电路图相同的功能 梯形图和继电器控制电路图很相似 这是可以用 PLC 控制取代继电器控制的基础 可以把经过 实践证明设计是成功的继电器电路图进行转换 从而设计出具有相同功能的 PLC 控制程序 充 分发挥 PLC 的功能完善 可靠性高 控制灵活的特点 当然 它们还是存在着本质上的区别 1 继电器控制电路中使用的继电器是物理的元器件 继电器与其他控制电器之间的连接必须 通过硬件连接线来完成 PLC 中的继电器是内部的寄存器位 称为 软继电器 它具有物理 继电器相似的功能 当它的 线圈 通电时 其所属的常开触点闭合 常闭触点断开 当它的 线圈断电时 其所属的常开触点和常闭触点均恢复常态 PLC 梯形图中的接线称为 软接线 这种 软接线 是通过编程来实现的 具有更改简单 调试方便等特点 而继电器控制电路 图是点线连接图 相对来素施工困难 更改费力 2 PLC 中的每一个继电器都对应着一个内部的寄存器 由于可以随时不受限地读取其内容 所以 可以认为 PLC 的继电器有无数个常开 常闭触点供用户使用 PLC 梯形图中的触点代表 的是 逻辑 输入条件 外部的实际开关 按钮或内部的继电器触点条件等 而物理继电器的 触点个数是有限的 3 PLC 的输入继电器是由外部信号驱动的 在梯形图中只能用其触点 这在物理继电器中是 不可能的 线圈通常代表 逻辑 输出结果 如灯 电机启动器 中间继电器 内部输出条件 等 4 继电器控制系统中是按照触点的动作顺序和是延迟逐个动作的 动作顺序与电路图的编写 顺序无关 PLC 按照扫描方式工作 首先采取输入信号 然后对所有梯形图进行计算 造成了 宏观与动作顺序的无关 但是微观上在一个时间段上的是实际执行顺序与梯形图的编写顺序一 致而不是无关的 5 PLC 梯形图中的两根母线以失去原有的意义 它只表示一个梯形的起始和终了 并无实际 电流通过 假象的概念电流只能从左向右流 为了充分发挥 CUP 的逻辑运算功能 设置了大量的称为盒的附加命令 如定时器 计算器 格 式转换 模拟量 I O PID 调节或数学运算指令等 充分的发挥了计算机的强大计算功能 他们 与内部继电器一起完成 PLC 的各种复杂控制功能 5 3 3 I O 地址分配 由于 CPU 模块有 16 点数字量输入 有 16 点数字量输出 所以不再需要输入 输出模块 采用 I O 分配采用自动分配方式 模块上的输入端子对应的输入地址是 X0 X15 输出端子对应的输出地