燃烧炉点火系统PLC控制实现的设计毕业论文

1、I摘 要可编程控制器（PLC）是一种数字运算式的电子系统专为工业环境下而设计的。它采用可编程的存储器，用来在其内部执行逻辑运算、顺序控制定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输出，控制各种类型的机械生产工程。在钢铁、航空航天、化工、纺织、军事等工业领域获得广泛的应用。本文研究的是可编程控制器在燃烧炉点火系统中的应用，燃烧炉点火系统PLC 控制实现主要完成对燃烧炉的点火，同时转入燃烧炉监控状态过程。在系统中，火焰监测是一个非常重要的部分，本系统主要采用控制室自动点火、控制室手动点火、就地手动点火三种方式。不管是那种点火方式，点火前风门185 均要打开，通过火焰放大器对火焰进行监

2、测，经过 PLC 输出信号控制点火器、点火电磁阀的开启与关闭，同时火焰放大器对火焰实施检测，实现火焰自动监控、炉出口风温过高、燃气压力过高或过低三项安全联锁。本系统的硬件主要由 FX2N-48MR 型 PLC、点火器、点火电磁阀、主燃气阀、火焰放大器、闪光报警器、燃烧炉等组成。其具体硬件电路设计包括 PLC外部接线电路、保护电路等。软件设计包括自动点火程序设计、手动点火程序设计、安全联锁程序设计等。关键词关键词：FX2N-48MR PLC；点火系统；安全连锁；火焰放大器；点火系统；安全连锁；火焰放大器IIAbstractProgrammable logic controller (PLC) i

3、s a kind of digital operation of electronic systems designed for industrial environment. It uses programmable memory, which is executed logical operations in the internal and sequence controlling time, counting and arithmetic operation instructions, through the analog and digital output controlling

4、various types of machinery manufacturing engineering. It is widely used in steel, aerospace, chemical, and textile, military and industrial fields.What this text studies is that PLCs is applied for the furnace ignition system, and furnace ignition system controlled by PLC mainly finishes combustion

5、furnace, and being into the ignition process monitoring status. In the system, the flame monitoring is a very important part in this system; this system mainly adopts three kinds of ignitions which include automatic ignition control, manual ignition control, and on-site manual ignition control. The

6、185 gate is to be open before being any ignition control, through amplifiers carry on testing on fire, and the output signal of the PLC controls firearms and ignition electromagnetic valve which are opened and closed, and the amplifier carries on the fire test, which is showing that the flame has be

7、en established, ignition success, and sending out a signal of ignition competition, being into the combustion monitoring status, and realizing three security interlock which are automatic monitoring and controlling, furnace temperature, and gas exports high pressure too high or low.This system mainl

8、y consists of the hardware FX2N - 48MR type PLC, ignition, ignition solenoid valves, the gas valves, fire alarm, amplifiers, and flash furnace, etc. The hardware circuit design includes PLC wiring circuit, and protecting circuit, etc. Software design includes the PLC control furnace ignition procedu

9、re, etc.Keywords: FX2N 48MR PLC; The ignition system; Safety chain; Flame amplifierIII目 录摘 要.IAbstract.II第 1 章 绪论 .1第 2 章 可编程序控制器概述.2 2.1 可编程序控制器（PLC）的产生与发展 .2 2.1.1 可编程序控制器的产生.2 2.1.2 可编程序控制器的发展.3 2.1.3 新一代可编程序控制器的技术现状.4 2.2 PLC 的特点和分类 .6 2.2.1 PLC 的特点.6 2.2.2 PLC 的分类.7第 3 章 PLC 的基本结构及工作原理.9 3.1 PL

10、C 的基本结构 .9 3.2 PLC 的工作原理 .12 3.3 PLC 的常用汇编语言 .13第 4 章 PLC 的选型.16 4.1 FX2N 系列 PLC 的系统组成 .17 4.1.1 基本单元 .17 4.1.2 I/O 扩展单元和扩展模块.18 4.1.3 特殊功能单元.19 4.1.4 外部设备 .20 4.2 FX2N 系列 PLC 的编程元件 .20第 5 章 执行机构的选择.24 5.1 温度传感器.24 5.2 电磁阀.24 5.2.1 电磁阀的工作原理.24 5.2.2 电磁阀的分类.25 5.2.3 电磁阀的选型.26IV 5.2.4 安装注意事项 .26第 6 章

11、控制系统的设计.28 6.1 设备工艺特点及控制要求.28 6.2 设计所需设备、工具及材料.29 6.3 输入和输出点分配.29 6.4 用三菱 FX2N PLC 控制 APV 燃气炉点火系统的 PLC 接线图.30 6.5 软件流程图.31 6.6 燃烧炉点火系统 PLC 控制实现梯形图 .32 6.7 运行并调试程序.33第 7 章 结论 .35参考文献 .36致 谢 .37附 录 .38沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计1第 1 章 绪论APV 是喷雾干燥设备，用于对半合成车间的产品重油催化剂进行喷雾干燥，属于精细化工生产范畴。而催化剂是露天生产，具有强震动、粉尘多、腐蚀严重、环境恶劣

12、等特点。原 APV 燃烧炉的控制系统是通过 SIMATICS5-115 实施控制的，其外围设备繁杂，仪表产品配件均需进口，若需更换，极不方便，经过十多年的运行，部分仪表已经老化，尤其是点火控制系统，由于采用机械式程控器、故障频繁、影响了正常生产。火焰检测、安全连锁、炉膛出口温度过高等安全联锁功能基本丧失，工艺操作也不方便，安全运行难以保证。因此，应对老的燃烧炉进行改造是十分必要的，应该通过 PLC 对 APV 燃烧炉控制进行改良。现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵

13、活性，可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。PLC 的应用面广、功能强大、使用方便，已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC 在其他领域，例如民用和家庭自动化的应用也得到了迅速的发展。PLC 仍然处于不断的发展之中，其功能不断争强，更为开放，它不但是单机自动化中应用最广的控制设备，在大型工业网络控制系统中也占有不可动摇的地位。PLC 应用面之广、普及程度之高，是其他计算机控制设备无法比拟的。采用 PLC 控制的点火系统具有功能齐全、结构简单、操作方便、安全可靠的优

14、点。其性能比原来的机械马达优越得多，而且方便地实现了有关的安全联锁控制，各种信号显示直观。自投运以来，几乎很少发生故障。沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计2第 2 章 可编程序控制器概述2.1 可编程序控制器（PLC）的产生与发展2.1.1 可编程序控制器的产生二十世纪六十年代末期，美国汽车制造业竞争十分激烈，为了适应市场从少品种大批量生产向多品种小批量生产的转变，为了尽可能减少转变过程中控制系统的设计制造时间，减少经济成本，1968 年美国通用汽车公司 GM 公开招标，要求用新的控制装置取代生产线上的继电接触器控制系统。1969 年美国数字设备公司 DGC（DIGTAL）根据上述要求，首先研

15、制出了世界上第一台可编程控制器 PDP-14，用于通用汽车公司的生产线，取得了满意的效果2。随着微电子技术、计算机技术及数字控制技术的高速发展，到 80 年代末，PLC 技术已经很成熟，并从开关量逻辑控制扩展到计算机数字控制 (CNC) 等领域。近年生产的 PLC 在处理速度、控制功能、通信能力等方面均有新的突破，并向电气控制、仪表控制、计算机控制一体化方向发展，性能价格比不断提高，成为了工业自动化的支柱之一。这时候的可编程控制器的功能已不限于逻辑运算，具有了连续模拟量处理、高速计数、远程输入和输出和网络通信等功能。国际电工委员会(IEC)将可编程逻辑控制器改称为可编程控制器 PC (Prog

16、rammable Controller)。后来由于发现其简写与个人计算机（Personal Computer）相同，所以又重新沿用 PLC 的简称。国际电工委员会（IEC）于 1982 年 11 月对可编程序控制器作了如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其相关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 ”从上述定义可以看出，PLC 是一种用程序

17、来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制功能外，还有与其他计算机通信联网的功能。可编程控制器是一种以 CPU 为核心的计算机工业控制装置，由于其良好的性能价格比和稳定的工作状态以及简便的操作性，已经广泛应用于生产实际中。沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计3目前在世界先进工业国家 PLC 已经成为工业控制的标准设备，它的应用几乎覆盖了所有的工业企业。PLC 技术已经成为当今世界的潮流，成为工业自动化的三大支柱（PLC 技术、机器人、计算机辅助设计和制造）之一。2.1.2 可编程序控制器的发展从 PLC 产生到现在，已发展到第四代产品。其过程基本可分为：(1)第一代 PLC（196

18、91972 年）：大多用一位机开发，用磁芯存储器存储，只具有单一的逻辑控制功能，机种单一，没有形成系列化。CPU 使用中小规模集成电路，采用磁芯存储器。功能简单（只有计数/定时功能） 。可靠性较差，略强于继电器控制。机种单一，没形成系列。(2)第二代 PLC（19731975 年）：采用了 8 位微处理器及半导体存储器，增加了数字运算、传送、比较等功能，能实现模拟量的控制，开始具备自诊断功能，初步形成系列化。CPU 使用微处理器，采用半导体存储器 EPROM。功能增强（增加逻辑/数据运算、数据处理、自诊断等功能） 。有了计算机接口和模拟量控制功能。可靠性提高。整机功能向系列化、标准化发展，并由

19、专用向通用方向过渡。(3)第三代 PLC（19761983 年）：随着高性能微处理器及位片式 CPU 在PLC 中大量的使用，PLC 的处理速度大大提高，从而促使它向多功能及联网通信方向发展，增加了多种特殊功能，如浮点数的运算、三角函数、表处理、脉宽调制输出等，自诊断功能及容错技术发展迅速。CPU 使用 8 或 16 位微处理器甚至多微处理器，采用半导体存储器EPROM、MCMOSRA 等。增加浮点数运算，平方、三角函数等运算。增加查表、列表功能。自诊断及容错技术提高。梯形图语言及语句表成熟。沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计4小型 PLC 体积减小、可靠性提高、成本下降。大型 PLC 向模块

20、化、多功能方向发展。(4)第四代 PLC（1983 年现在）：不仅全面使用 16 位、32 位高性能微处理器，高性能位片式微处理器，RISC(reduced instruction set computer)精简指令系统 CPU 等高级 CPU，而且在一台 PLC 中配置多个微处理器，进行多通道处理，同时生产了大量内含微处理器的智能模块，使得第四代 PLC 产品成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的真正名符其实的多功能控制器。增加高速计数、中断、A/D、D/A、PID 等功能。处理速度进一步提高（1s/步） 。连网功能增强。编程语言进一步完善，开发了编程

21、软件。开发了大量的特殊功能模块。编程软件功能更强大。不断开发出功能强大可编程终端39。2.1.3 新一代可编程序控制器的技术现状为了适应日益剧烈的市场竞争，新一代的可编程序控制器在技术创新方面有了长足的进展，主要体现在以下方面： (1)执行多任务功能的出现 所谓执行多任务，就是在一个可编程序控制器系统中，可同时安装几个CPU 模板，每个 CPU 模板执行各自的任务，控制与其执行任务相关的 I/O 模板。 (2)网络能力的强化 网络能力的加强，使可编程序控制器已经突破了原有的使用范围，特别是引入现场总线、工业以太网、无线网络及 Internet 等技术后，可编程序控制器的应用已今非昔比。典型的可

22、编程序控制器的网络拓扑结构为设备控制层、过程控制层和信息管理层 3 个层次。在设备控制层中，引入现场总线，使得工业生产过程中的现场检测仪表、变频器、MCC 控制柜等一切现场设备都可直接与可编程序控制器相连；在过程控制层中，传统意义上的人机界面的功能已焕然一新，使可编程序控制器能实现跨地区的编程、监控、诊断、管理，实现整沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计5个车间及全厂范围的控制；在信息管理层，向工业以太网的扩展，使控制与信息管理融为一体。 (3)高速化处理功能 随着网络能力的强化，可编程序控制器实现的控制功能和控制范围都在扩大，这就要求可编程序控制器实现高速运行和实时通信功能。高速化包括运算速度

23、的高速化、与外部设备交换数据的高速化、编程设备服务处理的高速化、外部设备响应的高速化。为了实现高速化，有些可编程序控制器已在其内核中设计有通信功能，借助于无源数据总线，系统的瓶颈得以消除，这种结构允许多个处理器、网络能在一个机架中使用而没有限制，从而提供了高性能的分布式实时控制系统的解决方案。 (4)大力发展集成化软件 目前，可编程序控制器的生产厂商开发系统硬件费用的比例逐年下降，而开发软件、集成等费用的比例逐年上升。现在的成套软件将可编程序控制器的编程、操作员界面、运动控制、程序调试、故障诊断和处理、通信等集成为一体。人机界面及监控软件集成了所有开放的标准接口，可直接从生产中获得大量实时数据

24、，并对这些数据进行分析和打包，然后传送到管理层，同时它能将过程优化数据和生产细节的参数迅速地反馈到控制层和现场，从而为集成ERP 系统铺平道路。 (5)微型可编程序控制器异军突起 传统的微型可编程序控制器一般为 8-64 点数字量 I/O，1-4 点模拟量I/O，体积很小，可直接安装在机器内。但现在的微型可编程序控制器除了上述功能外，在网络功能和人机接口功能上已可与中大型的可编程序控制器相比，这一类微型可编程序控制器是目前发展最快的。(6)信息技术渗入可编程序控制器 信息技术渗入可编程序控制器是为了适应工厂控制系统和企业信息管理系统日益有机结合的发展趋势，适应在控制层面上让不同品牌的可编程序控

25、制器之间、可编程序控制器与分布式控制系统之间有效交换数据的要求。实际上多任务系统的实现、网络能力的提高、软件集成的发展使得信息技术很容易的就与可编程序控制器系统融为一体。 (7)加强安全技术 随着可编程序控制器应用领域的扩大，对可编程序控制器系统的可靠性要沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计6求也越来越高，加强可编程序控制器的安全技术也成为了一个新的发展方向。具有容错和冗余性能的故障防止型可编程序控制器已经出现，具备在线插拔的双通道的信号模板和电源模板。内藏冗余的 CPU 系统的过程控制器也已出现，这种过程控制器利用内部测试电路检查、诊断 I/O 模板的运行状况，而不是采用冗余的 I/O 模板。

26、2.2 PLC 的特点和分类2.2.1 PLC 的特点PLC 能够成为现代工业的三大支柱之一，引领工业自动化的发展潮流，得益与其独到的特点这些特点归纳如下。(1)抗干扰能力强，可靠性高抗干扰能力强，可靠性高是 PLC 最重要的特点之一，同时也是对工业自动化产品最基本的要求。PLC 产品在硬件和软件方面都采取了一系列的抗干扰措施，以提高其可靠性，如采用防尘抗振的整体式机箱，并在机箱内设置封闭的屏蔽层抵御外界的电磁干扰；采用独立的输入、输出电源和光电耦合电路以隔离外界电路对输入、输出的不良影响；采用循环扫描的工作方式，并配以故障检测和自诊断程序对系统硬件电路进行实时监测，一旦有异常情况发生，立即保

27、存当前程序运行的重要状态信息，禁止任何不稳定的读写操作，待系统正常后恢复当前工作状态。PLC 的平均无故障时间均大大超过 IEC 规定的 10 万小时，许多优秀产品的无故障工作时间更是高达几十万小时，而且为了适应特殊场合的需求，有些PLC 还采用了双 CPU 设计，支持热插拔操作，进一步提高了 PLC 的可靠性。(2)编程方便，系统设计、安装、调试方便快捷PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。用软件功能取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等元件，简化物理控制电路，大大减少了系

28、统的设计、安装、调试及日后的维护、维修工作量。(3)产品系列化，配套硬件齐全，功能完善，应用领域广泛PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的标准化、模块化、系沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计7列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了具有传统的逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、PID 控制、CNC 等各种工业控制领域中，加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。(4)数据交换格式标准化、接口丰富，便于组

29、建各种控制网络PLC 除了常用模拟量、数字量输入/输出接口外，通常还具有丰富的通信接口，如串行通信接口、以太网接口、工业现场总线接口等便于用户进行 PLC 的程序编制调试及组建各种类型的 PLC 控制网络。工业现代总线技术发展迅速，也是现代 PLC 必备技术。利用现场总线技术、以太网技术和标准化数据交换技术可将多种不同的工业控制设备、人机交互软、硬件及不同品牌的 PLC 组成功能完备的现代自动化控制网络1。2.2.2 PLC 的分类PLC 应用范围广，其产品规格和性能也是各有特点。通常可根据其功能、结构形式和 I/O 接口数量的规模进行分类。(1)按功能分类根据 PLC 所具有的功能不同，可将

30、 PLC 分为低档、中档、高档三类。低档 PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能，主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。中档 PLC 除具有低档 PLC 的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程 I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID 控制等功能，适用于复杂控制系统。高档 PLC 除具有中档 PLC 的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其他特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档 PLC

31、 具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。(2)按结构形式分类整体式 PLC。整体式 PLC 是将电源、CPU、I/O 接口等部件都集中封装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型 PLC 一般采用这种沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计8整体式结构。整体式 PLC 由不同 I/O 点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有 CPU、I/O 接口、与 I/O 扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或 EPROM 写入器相连的接口等。扩展单元内只有 I/O 和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式 P

32、LC 一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。模块式 PLC。模块式 PLC 是将 PLC 各组成部分分别作成若干个单独的模块，如 CPU 模块、I/O 模块、电源模块（有的含在 CPU 模块中）及各种功能模块。模块式 PLC 由机架或基板和各种模块组成。模块装在机架或基板的插座上。这种模块式 PLC 的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型 PLC 一般采用模块式结构。还有一些 PLC 将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓装式 PLC。叠装式 PLC 的 CPU、电源、I/O 接口等也是各自独立的模块，但它们

33、之间是靠电缆进行连接，并且各膜块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧13。(3)按 I/O 点数分类根据 PLC 的 I/O 点数的多少，可将 PLC 分为微型、小型、中型和大型四类。微型 PLC。微型 PLC 也称为迷你型 PLC，其 I/O 的点数一般在 32 点一下。小型 PLC。小型 PLC 的 I/O 点数一般在 128 点一下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体。除了开关量 I/O 以外，还可以连接模拟量 I/O及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术、运算数据处理和传送通信联网，以及各种应用指令。中型 PLC。中型 PLC

34、采用模块化结构，其 I/O 点数一般在 256 到 1024 点之间。I/O 的处理方式除了采用一般 PLC 通用的扫描处理方式之外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中直接读输入，刷新输出。它能连接各种特殊功能模块，通用联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。大型 PLC。一般 I/O 点数在 1024 点以上的称为大型 PLC。大型 PLC 的软/硬件功能极强，具有极强的自诊断功能、通信联网功能强，有各种通信联网的模块可以构成三级通信网实现工厂生产管理自动化。大型 PLC 还可以采用冗沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计9余或 CPU 构成表决式系统，使机器的可靠

35、性更高。一般的，微型、小型 PLC 采用整体型结构，即将所有电路单元安装在一个控制箱/盒内，通过并行接口进行 I/O 扩展。中型以上的 PLC 多采用模块式结构，通过合理组合，可将不同功能的模块组合在一起，以适应不同的应用环境。第 3 章 PLC 的基本结构及工作原理3.1 PLC 的基本结构PLC 基本组成包括中央处理器（CPU） 、存储器、输入/输出接口（缩写为I/O，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。PLC 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应设备与控制装置构成PLC 控制系统。

36、(1)中央处理器 中央处理器(CPU)由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。CPU 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 PLC 的 CPU 采用 8 位或 16 位微处理器或单片机，如 8031、M68000 等，这类芯片价格很低；中型 PLC 的 CPU 采用 16 位或 32 位微处理器或单片机，如8086、96 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 PLC 则需采用高速位片式微处理器。 CPU 按照 PLC 内系统程序赋予的功能指挥 PLC 控制系统完成各项工作任务。 (2)存储器

37、PLC 内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。 系统程序存储器 PLC 系统程序决定了 PLC 的基本功能，该部分程序由 PLC 制造厂家编写并固化在系统程序存储器中，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。 系统管理程序主要控制 PLC 的运行，使 PLC 按正确的次序工作；用户指令沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计10解释程序将 PLC 的用户指令转换为机器语言指令，传输到 CPU 内执行；功能程序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据，所以其存储器采用 ROM 或EPROM。ROM 是只读存储器，该

38、存储器只能读出内容，不能写入内容，ROM 具有非易失性，即电源断开后仍能保存已存储的内容。 EPEROM 为可电擦除只读存储器，须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写入内容，可电擦除可编程只读存储器还有 E2PROM、FLASH 等。 用户程序存储器 用户程序存储器用于存放用户载入的 PLC 应用程序，载入初期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的随机存取存储器 RAM 内以方便用户修改与调试。通过修改与调试后的程序称为用户执行程序，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 EPROM 内长期使用。 数据存储器 PLC 运行过程中需生成或调用中

39、间结果数据(如输入/输出元件的状态数据、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 RAM。 RAM 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 RAM 中的内容。 (3)接口 输入输出接口是 PLC 与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。PLC 的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类

40、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 PLC 各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成 CPU 能够接收和处理的信号。输出接口电路将 CPU 送出的弱电沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计11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 输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是

41、由按钮、转换开关、行程开关、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。 滤波电路用以消除输入触头的抖动，光电耦合电路可防止现场的强电干扰进入 PLC。由于输入电信号与 PLC 内部电路之间采用光信号耦合，所以两者在电气上完全隔离，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 5V 的 TTL 送入输入数据寄存器，再经数据总线传送给 CPU。 输出接口 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

42、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，CPU 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。 其它接口 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/O 扩展单元(不带 CPU)相接进行扩充。PLC 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、EPROM 写入等功能。 (4)编程器 编程器作用是将用户编写的程序下载至 PLC 的用户程序存储器，并

43、利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示 PLC 状态、内部器件及系统的参数等。 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程，适合小型 PLC 的编程及现场调试。图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。 沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计12目前 PLC 制造厂家大都开发了计算机辅助 PLC 编程支持软件，当个人计算机安装了 PLC 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 PLC 之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC 运行状态等。 (5)电

44、源 PLC 的电源将外部供给的交流电转换成供 CPU、存储器等所需的直流电是整个 PLC 的能源供给中心。PLC 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 PLC 电源还可向外部提供直流 24V 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。3.2 PLC 的工作原理由于 PLC 以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或 I/O 扫描方，若有键按下或有 I/O 变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。PLC 则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU 从第

45、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，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，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。扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：一是 CPU 执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。一个扫描周期主要可分为 3 个阶段。(1)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。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输

46、入刷新阶段才能被读入。(2)程序执行阶段在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，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。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。(3)输出刷新阶段沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计13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（输出映像寄存器） ，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。由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成 PLC 一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行

47、的，所以亦将这两个阶段统称为 I/O 刷新阶段。实际上，除了执行程序和 I/O 刷新外，PLC 还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务” ，一般在程序执行之后进行。显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每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，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。但是由于其对 I/O 的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。这是

48、因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC 在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象，这个一般 PLC 都会采取高速模块。总之，PLC 采用扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一，我们在学习和使用 PLC 当中都应加强注意。3.3 PLC 的常用汇编语言PLC 的编程语言种类比较多，对于不同的生产厂家、不同系列的产品所采用的编程语言的表达方式、编程符号等也不尽相同，但其结构形式，编程思路基本一致，学会其中的一种便可很容易掌握不同品牌、不同类型的 PLC 编程语言。PLC 的编程语言从总体

49、上看可分为图形编程语言和字符编程语言两种类型。PLC 提供的编程语言，常见的有梯形图（LAD） 、指令表（STL） 、顺序功能图（SFC） 、功能模块图（FBD）等。(1)梯形图（LAD）梯形图是使用广泛的 PLC 图形编程语言。PLC 的梯形图在形式上沿袭了传统的继电器电气控制图。它与继电器控制系统的电路很相似，是在原继电器控制系统的继电器梯形图的基础上演变而来的一种图形语言。它将 PLC 内部的各沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计14编程元件和各种具有特定功能的命令用专用图形符号、标号定义，并按逻辑要求及连接规律组合和排列，从而构成表示 PLC 输入、输出之间控制关系的图形。梯形图编程语言

50、的特点是：与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；与原有继电器控制相一致，电气设计人员易于掌握。梯形图编程语言与原有的继电器控制的不同点是，梯形图中的能流不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，应用时，需要与原有继电器控制的概念区别对待。(2)指令表语言（IL）指令表编程语言是与汇编语言类似的一种助记符编程语言，和汇编语言一样由操作码和操作数组成。在无计算机的情况下，适合采用 PLC 手持编程器对用户程序进行编制。同时，指令表编程语言与梯形图编程语言图一一对应，在PLC 编程软件下可以相互转换。指令表编程语言的特点是：采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于掌握；在手持

51、编程器的键盘上采用助记符表示，便于操作，可在无计算机的场合进行编程设计；与梯形图有一一对应关系。其特点与梯形图语言基本一致。(3)功能模块图语言（FBD）功能模块图语言是与数字逻辑电路类似的一种 PLC 编程语言。采用功能模块图的形式来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。它用数字电子线路的“与” 、 “或” 、 “非”等逻辑门电路、触发器、连线等图形符号来进行编程。它可以用触发器、计数器、比较器等数字电子线路的符号表示其他图形编程语言无法表示的 PLC 基本指令与应用指令。功能模块图编程语言的特点：功能模块图程序设计语言的特点是：以功能模块为单位，分析理解控制方案简单容易；功能模

52、块是用图形的形式表达功能，直观性强，对于具有数字逻辑电路基础的设计人员很容易掌握的编程；对规模大、控制逻辑关系复杂的控制系统，由于功能模块图能够清楚表达功能关系，使编程调试时间大大减少。(4)顺序功能流程图语言（SFC）顺序功能流程图语言是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言。编程时将顺序流程动作的过程分成步和转换条件，根据转移条件对控制系统的功能流沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计15程顺序进行分配，一步一步的按照顺序动作。每一步代表一个控制功能任务，用方框表示。在方框内含有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑。这种编程语言使程序结构清晰，易于阅读及维护，大大减轻编程的工作量，缩短编程和调试

53、时间。用于系统的规模校大，程序关系较复杂的场合。顺序功能流程图编程语言的特点：以功能为主线，按照功能流程的顺序分配，条理清楚，便于对用户程序理解；避免梯形图或其他语言不能顺序动作的缺陷，同时也避免了用梯形图语言对顺序动作编程时，由于机械互锁造成用户程序结构复杂、难以理解的缺陷；用户程序扫描时间也大大缩短。(5)结构化文本语言（ST）结构化文本语言是用结构化的描述文本来描述程序的一种编程语言。它是类似于高级语言的一种编程语言。在大中型的 PLC 系统中，常采用结构化文本来描述控制系统中各个变量的关系。主要用于其他编程语言较难实现的用户程序编制。结构化文本编程语言采用计算机的描述方式来描述系统中各

54、种变量之间的各种运算关系，完成所需的功能或操作。大多数 PLC 制造商采用的结构化文本编程语言与 BASIC 语言、PASCAL 语言或 C 语言等高级语言相类似，但为了应用方便，在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行了简化。结构化文本编程语言的特点：采用高级语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算；需要有一定的计算机高级语言的知识和编程技巧，对工程设计人员要求较高。直观性和操作性较差。不同型号的 PLC 编程软件对以上五种编程语言的支持种类是不同的，早期的 PLC 仅仅支持梯形图编程语言和指令表编程语言。目前的 PLC 对梯形图（LD） 、指令表（STL） 、功能模块图（FBD）编程语言都以

55、支持。比如，SIMATIC STEP7 Micro WIN V3.2。在 PLC 控制系统设计中，要求设计人员不但对 PLC 的硬件性能了解外，也要了解 PLC 对编程语言支持的种类1。沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计16第 4 章 PLC 的选型可编程控制器的工程设计选型是十分重要的工作，工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC 及有关装备应是集成的，标准的，按照易于工业控制系统形成一个整体，易于扩充的原则选型。所选用的 PLC 应是在相关工业领域有投运业绩，成熟可靠的系统，PLC 的系统硬件，软件配置及功能应与装置规模和控制要求想适应。因此，工程设计选型和概算时，应首先分析工

56、艺过程特点，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，确定可编程控制器的功能，外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的可编程控制器和相应的控制系统。首先，根据设计系统的控制要求提供多种配置，经过确定适当的系统配置和此后的设备类型选择，然后开始分析输入/输出规格要求。要合理确定一个PLC 的 I/O 规格要求，就必须考虑几方面的因素：首先，与 PLC 处理机设定位置有关的 I/O 设备的位置确定。其次，选定本地 I/O 或远程 I/O 系统后，就必须选择 I/O 接口模块的型号。在大多数应用中，要求不止一种型号的 I/O 模块。再次

57、，标准的操作控制部件，如按钮、选择器开关及指示灯通常使用 12V、24V或 220V 交流电，也可使用 12V48V 直流电，因此电源的选择在这种情况下也是有必要进行的。此外，对应用中所用的 PLC 的控制功能选择还要取决于包括PLC 的运算功能，PLC 的内存容量、PLC 的指令系统，PLC 的处理速度及其他通信联网、编程器等外围设备。除了这些要求之外，还应对经济性进行考虑。在沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计17考虑可编程控制器的性能价格比时，还应该考虑应用的可扩展性，可操作性等因素，进行比较和兼顾。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出器件就需要一定的费用。当点数增加到某一数值

58、后，相应的存储器容量、机架、母板等也需要相应的增加，因此，点数的增加对 CPU 选用，存储器的容量控制功能范围等选择都有影响。所以，在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较高的性能价格比。根据控制系统对 PLC 的指令系统要求，以及控制要求中的输入设备（按钮、限位开关、转换开关等） 、输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯等） ，确认 I/O 点数。所以在节省经济的优势上，选择一般小型的 PLC。同一机型 PLC在使用上位计算机对 PLC 进行管理和控制时，通信程序的编制比较方便。本控制系统采用 FX2N 系列 PLC，属于整体式（单元式）结构，其特点是非常紧凑，它将所有的模板都装入一个机

59、体内，构成一个整体，这样体积小巧、成本低、安装方便，可以直接装入机床或电控柜中，适与机电一体化设计和生产。其出色性能与同类型可编程控制器相比主要有以下几方面：极高的可靠性；处理时间短；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强劲的通讯能力；丰富的扩展模块及模块的通用性好。正是由于FX2N 系列的强大功能，因此被广泛应用到集散自动化系统中，使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。其应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，

60、中央空调，电梯控制，运动系统等。FX2N 系列可编程控制器是 FX 系列中功能最强，速度最高的可编程控制器。有多种特殊功能模块，如模拟量输入/输出模块，高速记数模块，脉冲输出模块，脉冲控制模块，有多种串行通信模块或功能扩展板。使用特殊功能模块和功能扩展板，可实现模拟量控制，位置控制和联网通信等功能。4.1 FX2N 系列 PLC 的系统组成FX2N 系列 PLC 系统的基本组成，包括基本单元、扩展单元、模拟量 I/O 模块，以及各种特殊功能单元及外围设备等。沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计184.1.1 基本单元基本单元为 PLC 的主体单元，也称主机单元。其内部各部分之间通过内部系统总线连