1、 xxxxxxx機電工程系機電工程系畢業設計論文畢業設計論文題題 目目 電熱鍋爐供熱系統的電熱鍋爐供熱系統的 plc 控制程序設計控制程序設計專業名稱學生姓名指導教師畢業時間緒論緒論 現在生產線控制的主流品種是以繼電器、接觸器為主的控制裝置。繼電器、接觸器是一些電磁開關。由勵磁線圈、鐵心磁路、觸點等部件組成。通過繼電器接觸器等其它控制元件的線路連接，可以實現一定的控制邏輯，從而實現設備的各種操作控制。人們將由導線連接決定器件間的邏輯關系的控制方式稱為接線邏輯。隨著工業自動化的程度的不斷提高，使用繼電器電路構成工業控制系統的缺陷不斷暴露出來。首先是復雜的系統使用成百上千個各種各樣的繼電器，成千上

2、萬根導線連接的密如蛛網。只要有一個電器，一根導線出現故障，系統就不能工作，這就大大降低了這種接線邏輯的可靠性。其次是這樣的系統維修機改造很不容易，特別是技術改造，當試圖改造工作設備的工作過程以改善設備各功能時，人們寧愿重新生產一套控制設備都不愿將繼電器控制柜中的線路重接。而 plc 由于采用現代大規模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采用了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。同時 plc 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減小了控制設備的外部接線，是控制系統設計及建造的周期大大縮短了。同時維護也變得容易起來。更重要的是同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。本文以 plc 技術在鍋爐多

3、功能供熱系統為例，來闡明 plc 在工業控制中發揮的巨大作用關鍵詞：鍋爐多功能供熱；plc； 目目 錄錄1 緒論 .21.1 plc 的基本概念.51.2 plc 的誕生.51.3 plc 的特點.62 plc 的介紹.72.1 plc 的流派.72.2 plc 的結構和工作原理.83 plc 的應用領域.113.1 開關量的邏輯控制.113.2 模擬量控制.11.3.3 運動控制.123.4 過程控制.123.5 數據控制.124 plc 的基本結構.124.1 中央處理單元.134.2 存儲器.134.3 i/o 模塊.144.4 電源.154.5 底板或機架.164.6 plc 系統的基

4、本設備.165 plc 的基本工作原理.165.1 掃描技術.165.2 plc 與繼電器控制與系統微機區別.185.3 基本指令系統特點.185.4 編程語言的形式.19 5.5 plc 控制系統的設計基本原則.205.6 plc 程序的內容和質量評價指標 .215.7 plc 程序的調試方法及步驟.225.8 plc 的造型方法.235.9 經濟性考慮.276 基于 plc 的電熱鍋爐供熱控制系統設計.286.1 電熱鍋爐供熱控制系統設計要求.296.2 電熱鍋爐供熱控制系統設計方案.306.3 電熱鍋爐供熱控制系統設計的程序部分的介紹.34致 謝.37參 考 文 獻 .38 1.11.1

5、 plcplc 的基本概念的基本概念plc 即可編程控制器（ programmable logic controller） ，是指以計算機技術為基礎的新型工業控制裝置。在 1987 年國際電工委員會（ international electrical committee）頒布的 plc 標準草案中對 plc 做了如下定義：plc 是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。 plc 及其有關的外圍設備都應該按易于

6、與工業控制系統形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。”可編程控制器 作為一種數字運算操作的電子系統， 它專為工業控制應用而設計制造。早期的可編程控制器稱作 可編程邏輯控制器（ programmable logic controller） ，簡稱 plc。隨著技術的發展，這種裝置的功能已經大大超過了邏輯控制的范圍。因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱pc。但是為了避免與個人計算機(personal computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱plc。1.2 plc 的誕生的誕生1969 年，美國數字設備公司（dec）研制出世界上第一臺可編程控制器，型號為pdp-14，并在 gm

7、公司汽車生產線上首次應用成功。 1.2.1plc 的發展第一代：從第一臺可編程控制器誕生到 70 年代初期。其特點是：cpu 由中小規模集成電路組成，存儲器為磁芯存儲器； 第二代：70 年代初期到 70 年代末期。其特點是：cpu 采用微處理器，存儲器采用 eprom ；第三代：70 年代末期到 80 年代中期。其特點是：cpu 采用 8 位和 16 位微處理器，有些還采用多微處理器結構，存儲器采用 eprom、earom、cmosram 等 ；第四代：80 年代中期到 90 年代中期。pc 全面使用 8 位、16 位微處理芯片的位片式芯片，處理速度也達到 1us/步 ；第五代：90 年代中期

8、至今。pc 使用 16 位和 32 位的微處理器芯片，有的已使用risc 芯片。我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業的生產設備及產品中不斷擴大了 plc 的應用。目前，我國自己已可以生產中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產的 cf 系列、杭州機床電器廠生產的 dkk 及 d 系列、大連組合機床研究所生產的 s 系列、蘇州電子計算機廠生產的 yz 系列等多種產品已具備了一定的規模并在工業產品中獲得了應用。此外，無錫華光公司、上海鄉島公司等中外合資企業也是我國比較著名的plc 生產廠家?？梢灶A期，隨著我國

9、現代化進程的深入， plc 在我國將有更廣闊的應用天地。1.31.3 plcplc 的特點的特點1.3.1 可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。 plc 由于采用現代大規模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。 。1.3.2 配套齊全，功能完善，適用性強plc 發展到今天，已經形成了大、中、小各種規模的系列化產品?？梢杂糜诟鞣N規模的工業控制場合。1.3.3 使用方便具體地講，plc 有五個方面的方便：1、配置方便：可接控制系統的需要確定要使用哪家的plc，那種類型的，用什么模塊，要多少模塊，確定后，到市場上定貨購買即可。2、

10、安裝方便： plc 硬件安裝簡單，組裝容易。外部接線有接線器，接線簡單，而且一次接好后，更換模塊時，把接線器安裝到新模塊上即可，都不必再接線。3、編程方便： plc 內部雖然沒有什么實際的繼電器、時間繼電器、計數器，但它通過程序（軟件）與系統內存，這些器件卻實實在在地存在著。4、維修方便：這是因為：1）plc 工作可靠，出現故障的情況不多，這大大減輕了維修的工作量。5、改用方便： plc 用于某設備，若這個設備不再使用了，其所用的plc 還可給別的設備使用，只要改編一下程序，就可辦到。1.3.4 工作可靠(1) 在硬件方面： plc 的輸入輸出電路與內部 cpu 是電隔離。其信息靠光耦器件或電

11、磁器件傳遞。而且， cpu 板還有抗電磁干擾的屏蔽措施。故可確保plc程序的運行不受外界的電與磁干擾，能正常地工作。2、軟件方面： plc 的工作方式為掃描加中斷，這既可保證它能有序地工作，避免繼電控制系統常出現的 冒險競爭，其控制結果總是確定的；而且又能應急處理急于處理的控制，保證了 plc 對應急情況的及時響應，使 plc 能可靠地工作。 2 plc 介介紹紹2.1 plc 的流派的流派2.1.1美國流派據不完全統計，現在世界上生產 plc 及其網絡的廠家有 200 多家，生產大約有400 多個品種的 plc 產品。其中美國是 plc 生產大國，有 100 多家 plc 廠商，著名的有 a

12、-b 公司、通用電氣（ge）公司、莫迪康（modicon）公司、德州儀器（ti）公司、西屋公司等。2.1.2日本流派日本有 6070 家 plc 廠商，也生產 200 多個品種的 plc 產品；日本的小型 plc最具特色，在小型機領域中頗具盛名，某些用歐美的中型機或大型機才能實現的控制，日本的小型機就可以解決。在開發較復雜的控制系統方面明顯優于歐美的小型機，所以格外受用戶歡迎。日本有許多 plc 制造商，如三菱、歐姆龍、松下、富士、日立、東芝等，在世界小型 plc 市場上，日本產品約占有 70的份額。2.1.3歐洲流派德國的西門子（siemens）公司、aeg 公司、法國的 te 公司是歐洲著

13、名的 plc 制造商。德國的西門子的電子產品以性能精良而久負盛名。在中、大型 plc 產品領域與美國的 a-b 公司齊名。西門子 plc 主要產品是 s5、s7 系列。s7 系列是在 s5 系列 plc基礎上近年推出的新產品，其性能價格比高，其中 s7-200 系列屬于微型 plc、s7-300系列屬于于中小型 plc、s7-400 系列屬于于中高性能的大型 plc。2.22.2 plcplc 的結構和工作原理的結構和工作原理2.2.1 plc 的基本結構的基本結構plc 實際上是一種工業控制計算機。它的硬件結構與一般微機相似，主要由主機、i/o 擴展機、外圍設備三部分組成，如圖 2-3 所示

14、。1主機主機主機由 cpu（微處理器） 、存儲器、輸入輸出單元、電源等部分組成。cpu 是 plc 的核心，其作用類似于人的大腦。它能夠識別用戶按特定格式輸入的指令，并按照指令完成預定的控制任務。另外，它還能識別用戶所輸入的指令序列的格式和語法錯誤，還具有系統測試與診斷功能。plc 的存儲器有兩種：系統程序存儲器和用戶程序存儲器。輸入輸出（io）單元是 plc 與輸入控制信號和被控制設備連接起來的部件，輸入單元接收從開關、按鈕、繼電器觸點和傳感器等輸入的現場控制信號，并將這些信號轉換成 cpu 能接收和處理的數字信號。輸出單元接收經過 cpu 處理過的輸出數字信號，并把它轉換成被控制設備或顯示

15、裝置所能接收的電壓或電流信號，以驅動接觸圖圖 2-3 plc 結構示意圖結構示意圖器、電磁閥和指示器件等。根據輸入信號形式的不同，可分為模擬量 i/o 單元、數字量 i/o 單元兩大類。電源單元的作用是把外部電源（220v 的交流電源）轉換成內部工作電壓。plc 還有各種外設接口電路，用于連接編程器或其他圖形編程器、文本顯示器、觸摸屏、變頻器等并能通過外設接口組成 plc 的控制網絡。plc 通過 pc/ppi 電纜或使用 mpi 卡通過 rs-485 接口與計算機連接，可以實現編程、監控、連網等功能。2i/o 擴展機擴展機每種 plc 都有與主機相配的擴展模塊，用來擴展輸入、輸出點數，以便根

16、據控制要求靈活組合系統。plc 擴展模塊內不設 cpu，僅對 i/o 通道進行擴展，不能脫離主機獨立實現系統的控制要求。3外部設備外部設備外部設備包括編程器、盒式磁帶機、打印機、eprom 寫入器、圖形監控系統等。其中編程器是 plc 必不可少的重要外圍設備，由鍵盤、顯示器、工作方式選擇開關和外存儲器接插口等部件組成，主要用于對用戶程序進行輸入、檢查、調試和修改，并用來監視 plc 的工作狀態。2.2.2 plc 的工作原理的工作原理1plc 的等效電路plc 的工作酷似一個繼電器系統，其等效電路可分為三部分：輸入部分、內部控制電路和輸出部分，如圖 2-4 所示。圖圖 2-42-4 plcpl

17、c 的等效電路的等效電路輸入部分-這部分的作用是收集被控設備的信息或操作命令。輸入端子外接行程開關、按鈕等的觸頭，內連輸入繼電器線圈。輸入繼電器由外部信號通過輸入端子驅動，可提供無限多對常開、常閉的軟觸點供內部使用。內部控制電路-由用戶根據控制要求編制的程序所組成，其作用是按用戶程序的控制要求對輸入信號進行運算處理，判斷哪些信號需要輸出，并將得到的結果輸出給負載。輸出部分-這部分的作用是驅動外部負載，所以輸出端子是 plc 向外部負載輸出信號的端子，其內連輸出繼電器（q）的一對常開觸點。輸出繼電器除提供一對常開觸點驅動負載以外，還可以提供無數對常開、常閉觸點供內部使用。2plc 的周期工作方式

18、plc 是通過一種周期工作方式來完成控制的，每個周期包括輸入采樣、程序執行和輸出刷新三個階段。輸入采樣階段-plc 以掃描方式按順序將所有輸入端的狀態讀入到輸入狀態寄存器中存儲，這一過程稱為采樣。在本工作周期內這個采樣結果的內容不會改變，而且將在 plc 執行程序時被使用。程序執行階段-plc 按順序對程序進行掃描，即從上到下、從左到右地掃描每條指令，并分別從輸入狀態寄存器和輸出狀態寄存器中獲得所需的數據進行運算、處理，再將程序執行的結果寫入輸出狀態寄存器中保存。但這個結果在全部程序未執行完畢之前不會送到輸出端口上。輸出刷新階段-在所有用戶程序執行完畢后，plc 將輸出映像寄存器中的內容送入輸

19、出鎖存器中，通過一定的方式輸出，驅動外部負載。plc 重復執行輸入采樣、程序執行、輸出刷新三個階段，每重復一次的時間稱為一個掃描周期。plc 的一個掃描周期一般為 40100ms 之間。2.2.3 plc 的分類的分類1按結構形式分：整體式：將電源、cpu、i/o 部件都集中在一個機箱內。模塊式：將 plc 各部分分成若干個單獨的模塊。2按 i/o 點數分：小型 plc：i/o 點數在 256 點以下，其中小于 64 為超小型或微型 plc。中型 plc：i/o 點數在 2562048 點之間。大型 plc：i/o 點數在 2048 點以上，其中超過 8192 點為超大型 plc。3按功能分：

20、低檔機：具有邏輯運算、定時、計數、移位以及自診斷、監控等基本功能。中檔機：比低檔機多了模擬量輸入/輸出、算術運算、數據傳送比較等功能。高檔機：比中檔機多了矩陣運算等特殊功能函數運算、通信聯網等功能。3 3 plcplc 的應用領域的應用領域目前，plc 在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業，使用情況大致可歸納為如下幾類。3.1. 開關量的邏輯控制開關量的邏輯控制這是 plc 最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書

21、機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。3.2 模擬量控制模擬量控制在工業生產過程當中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現模擬量（analog）和數字量（digital）之間的 a/d 轉換及 d/a 轉換。plc 廠家都生產配套的 a/d和 d/a 轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。3.3 運動控制運動控制plc 可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量 i/o 模塊連接位置傳感器和執行機構，現在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界

22、上各主要plc 廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。3.4 過程控制過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環控制。作為工業控制計算機，plc 能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環控制。 pid 調節是一般閉環控制系統中用得較多的調節方法。大中型plc 都有 pid 模塊，目前許多小型 plc 也具有此功能模塊。 pid 處理一般是運行專用的 pid 子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛應用。3.5 數據處理數據處理現代 plc 具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算） 、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作

23、等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數據處理一般用于大型控制系統，如無人控制的柔性制造系統；也可用于過程控制系統，如造紙、冶金、食品工業中的一些大型控制系統。4 4 plcplc 的基本結構的基本結構plc 實質是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同。從結構上分， plc 分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式plc 包括cpu 板、i/o 板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式 plc 包括 cpu 模塊、i/o

24、模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規則組合配置。4.14.1 中央處理單元中央處理單元(cpu)(cpu) 4.1.1 cpu 的構成cpu 主要由運算器、控制器、寄存器及實現它們之間聯系的數據、控制及狀態總線構成，cpu 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用于存儲程序及數據，是 plc 不可缺少的組成單元。在使用者看來，不必要詳細分析 cpu 的內部電路，但對各部分的工作機制還是應有足夠的理解。4.1.2 cpu 的工作機制cpu 的控制器控制 cpu 工作，由它讀取指令、解釋指令及執行指令。但工作節奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數字或邏輯運算，在控制器指

25、揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。cpu 是 plc 的核心，起神經中樞的作用，每套plc 至少有一個 cpu，它按照 plc 系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據；檢查電源、存儲器、i/o 以及警戒定時器的狀態，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當plc投入運行時，首先它以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存入i/o 映象區，同時，診斷電源和 plc 內部電路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規定執行邏輯產生相應的控制信號或 將算數運算的結果送入 i/

26、o 映象區或數據寄存器內。等所有的用戶程序執行完畢之后，最后將i/o 映象區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置， 去指揮有關的控制電路。 如此循環運行，直到停止運行。cpu 速度和內存容量是 plc 的重要參數，它們決定著 plc 的工作速度， io數量及軟件容量等，因此限制著控制規模。4.24.2 存儲器存儲器 具有記憶功能的半導體電路。分為系統程序存儲器和用戶存儲器。存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器。 存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 系統程序存儲器用以存放系統程序，包括管理程序，監控程序以及對用戶程序做編譯處理的解釋編譯程序。由只讀存儲器、 rom 組成。

27、廠家使用的，內容不可更改，斷電不消失。用戶存儲器：分為用戶程序存儲區和工作數據存儲區。由隨機存取存儲器（ram）組成。用戶使用的。斷電內容消失。常用高效的鋰電池作為后備電源，壽命一般為 35 年。4.34.3 i/oi/o 模塊模塊plc 與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（ i/o）完成的。 i/o 模塊集成了 plc 的 i/o 電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態，輸出點反映輸出鎖存器狀態。輸入模塊將電信號變換成數字信號進入plc 系統，輸出模塊相反。4.3.1 輸入接口光電耦合器由兩個發光二極度管和光電三極管組成。4.3.2 發光二級管在光電耦合器的輸入端加上變化的電信號，發光二極管就

28、產生與輸入信號變化規律相同的光信號。4.3.3 光電三級管在光信號的照射下導通，導通程度與光信號的強弱有關。在光電耦合器的線性工作區內，輸出信號與輸入信號有線性關系。4.3.4 輸出接口plc 的繼電器三種類型：繼電器輸出：有觸點、壽命短、頻率低、交直流負載晶體管輸出：無觸點、壽命長、直流負載晶閘管輸出：無觸點、壽命長、交流負載4.3.5 輸出接口電路工作過程：當內部電路輸出數字信號 1，有電流流過，繼電器線圈有電流，然后常開觸點閉合，提供負載導通的電流和電壓。當內部電路輸出數字信號0，則沒有電流流過，繼電器線圈沒有電流，然后常開觸點斷開，斷開負載的電流或電壓。也就是通過輸出接口電路把內部的數

29、字電路化成一種信號使負載動作或不動作。4.3.6 輸入接口電路工作過程：當開關合上，二極管發光，然后三極管在光的照射下導通，向內部電路輸入信號。當開關斷開，二極管不發光，三極管不導通。向內部電路輸入信號。也就是通過輸入接口電路把外部的開關信號轉化成plc 內部所能接受的數字信號。4.3.7 常用的 i/o 分類：開關量輸入/出（di/o）：按電壓水平分，有 220vac、110vac、24vdc，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量輸入/出（ai/o）：按信號類型分，有電流型（ 4-20ma,0-20ma） 、電壓型（0-10v,0-5v,-10-10v）等，按精度分，有 12bit

30、,14bit,16bit 等。除了上述通用 io 外，還有特殊 io 模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按 i/o 點數確定模塊規格及數量， i/o 模塊可多可少，但其最大數受 cpu 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數限制。4.44.4 電源電源plc 電源用于為 plc 各模塊的集成電路提供工作電源 。同時，有的還為輸入電路提供 24v 的工作電源。在整個系統中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可*得電源系統是無法正常工作的，因此plc 的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在 +10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將plc 直接連接到交流

31、電網上去 。電源輸入類型有：交流電源（ 220vac 或110vac） ，直流電源（常用的為 24vdc） 。4.5 底板或機架底板或機架大多數模塊式 plc 使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現各模塊間的聯系，使 cpu 能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現各模塊間的連接，使各模塊構成一個整體。4.6 plc 系統的其它設備系統的其它設備4.6.1 編程設備：編程器是 plc 開發應用、監測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統作一些設定、監控 plc 及 plc 所控制的系統的工作狀況，但它不直接參與現場控制運行。編程器分為兩種，一種是手持編程器，方便。我們實驗室使用的就是手持編

32、程器。二種是通過 plc 的 rs232 口。與計算機相連。然后敲擊鍵盤。通過gx-developer 軟件向 plc 內部輸入程序。4.6.2 人機界面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機（運行組態軟件）充當人機界面非常普及。4.6.3 plc 的通信聯網依靠先進的工業網絡技術可以迅速有效地收集、傳送生產和管理數據。因此，網絡在自動化系統集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出網絡就是控制器的觀點說法。plc 具有通信聯網的功能，它使 plc 與 plc 之間、plc 與上位計算機以及其他智能設備之間能夠交換信息，形成一個統一

33、的整體，實現分散集中控制。多數plc 具有 rs-232 接口，還有一些內置有支持各自通信協議的接口。 plc 的通信現在主要采用通過 485 的數據通訊、 cclink 或工業以太網進行聯網。5 5 plcplc 的基本工作原理的基本工作原理5.1 掃描技術掃描技術plc 采用“順序掃描，不斷循環 ”的工作方式當 plc 投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，plc 的 cpu 以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。 5.1.1 輸入采樣階段在輸入采樣階段， plc 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀

34、態和數據，并將它們存入 i/o 映象區中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，i/o 映象區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 5.1.2 用戶程序執行階段在用戶程序執行階段， plc 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序 (梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統ram

35、 存儲區中對應位的狀態；或者刷新該輸出線圈在 i/o 映象區中對應位的狀態；或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。 5.1.3 輸出刷新階段 當掃描用戶程序結束后， plc 就進入輸出刷新階段。在此期間， cpu 按照i/o 映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是 plc 的真正輸出。 掃描周期的長短由三條決定。1、cpu 執行指令的速度2、指令本身占有的時間3、指令條數由于采用集中采樣。集中輸出的方式。存在輸入 /輸出滯后的現象，即輸入 /輸出響應延遲。5.25.2 plcplc 與繼電器控制系統、微機區別與繼電器控制系統、微機區別5

36、.2.1 plc 與繼電器控制系統區別前者工作方式是 “串行”，后者工作方式是 “并行”。前者用“軟件”，后者用“硬件”。5.2.2 plc 與微機區別前者工作方式是 “循環掃描”。后者工作方式是 “待命或中斷 ”plc 編程方式：plc 最突出的優點采用 “軟繼電器”代替“硬繼電器”。用“軟件編程邏輯”代替“硬件布線邏輯 ”。plc 編程語言有梯形圖、布爾助記符語言，等等。尤其前兩者為常用。5.35.3 基本指令系統特點基本指令系統特點plc 的編程語言與一般計算機語言相比，具有明顯的特點，它既不同于高級語言，也不同與一般的匯編語言，它既要滿足易于編寫，又要滿足易于調試的要求。其編程語言都具

37、有以下特點：5.3.1 圖形式指令結構：程序由圖形方式表達，指令由不同的圖形符號組成，易于理解和記憶。系統的軟件開發者已把工業控制中所需的獨立運算功能編制成象征性圖形，用戶根據自己的需要把這些圖形進行組合，并填入適當的參數。在邏輯運算部分，幾乎所有的廠家都采用類似于繼電器控制電路的梯形圖，很容易接受。5.3.2 明確的變量常數：圖形符相當于操作碼，規定了運算功能，操作數由用戶填人，如：k400，t120 等。plc 中的變量和常數以及其取值范圍有明確規定，由產品型號決定，可查閱產品目錄手冊。5.3.3 簡化的程序結構：plc 的程序結構通常很簡單，典型的為塊式結構，不同塊完成不同的功能，使程序

38、的調試者對整個程序的控制功能和控制順序有清晰的概念。5.3.4 簡化應用軟件生成過程：使用匯編語言和高級語言編寫程序，要完成編輯、編譯和連接三個過程，而使用編程語言，只需要編輯一個過程，其余由系統軟件自動完成，整個編輯過程都在人機對話下進行的，不要求用戶有高深的軟件設計能力。5.3.5 強化調試手段：無論是匯編程序，還是高級語言程序調試，都是令編輯人員頭疼的事，而plc 的程序調試提供了完備的條件，使用編程器，利用plc 和編程器上的按鍵、顯示和內部編輯、調試、監控等，并在軟件支持下，診斷和調試操作都很簡單。5.45.4 編程語言的形式編程語言的形式最常用的兩種編程語言，一是梯形圖，二是助記符

39、語言表。采用梯形圖編程，因為它直觀易懂，但需要一臺個人計算機及相應的編程軟件；采用助記符形式便于實驗，因為它只需要一臺簡易編程器，而不必用昂貴的圖形編程器或計算機來編程。5.4.1 編程指令：指令是 plc 被告知要做什么，以及怎樣去做的代碼或符號。從本質上講，指令只是一些二進制代碼，這點 plc 與普通的計算機是完全相同的。同時plc 也有編譯系統，它可以把一些文字符號或圖形符號編譯成機器碼，所以用戶看到的plc 指令一般不是機器碼而是文字代碼，或圖形符號。常用的助記符語句用英文文字（可用多國文字）的縮寫及數字代表各相應指令。常用的圖形符號即梯形圖，它類似于電氣原理圖是符號，易為電氣工作人員

40、所接受。5.4.2 指令系統：一個 plc 所具有的指令的全體稱為該 plc 的指令系統。它包含著指令的多少，各指令都能干什么事，代表著 plc 的功能和性能。一般講，功能強、性能好的plc，其指令系統必然豐富，所能干的事也就多。我們在編程之前必須弄清plc的指令系統5.4.3 程序：plc 指令的有序集合， plc 運行它，可進行相應的工作，當然，這里的程序是指 plc 的用戶程序。用戶程序一般由用戶設計， plc 的廠家或代銷商不提供。用語句表達的程序不大直觀，可讀性差，特別是較復雜的程序，更難讀，所以多數程序用梯形圖表達。5.4.4 梯形圖：梯形圖是通過連線把 plc 指令的梯形圖符號連

41、接在一起的連通圖，用以表達所使用的 plc 指令及其前后順序，它與電氣原理圖很相似。它的連線有兩種：一為母線，另一為內部橫豎線。內部橫豎線把一個個梯形圖符號指令連成一個指令組，這個指令組一般總是從裝載（ ld）指令開始，必要時再繼以若干個輸入指令（含ld 指令） ，以建立邏輯條件。最后為輸出類指令，實現輸出控制，或為數據控制、流程控制、通訊處理、監控工作等指令，以進行相應的工作。母線是用來連接指令組的。5.55.5 plcplc 控制系統的設計基本原則控制系統的設計基本原則任何一種控制系統都是為了實現被控對象的工藝要求，以提高生產效率和產品質量。因此，在設計 plc 控制系統時，應遵循以下基本

42、原則：5.5.1 最大限度地滿足被控對象的控制要求充分發揮 plc 的功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求，是設計plc控制系統的首要前提，這也是設計中最重要的一條原則。這就要求設計人員在設計前就要深入現場進行調查研究，收集控制現場的資料，收集相關先進的國內、國外資料。同時要注意和現場的工程管理人員、工程技術人員、現場操作人員緊密配合，擬定控制方案，共同解決設計中的重點問題和疑難問題。5.5.2 保證 plc 控制系統安全可靠保證 plc 控制系統能夠長期安全、可靠、穩定運行，是設計控制系統的重要原則。這就要求設計者在系統設計、元器件選擇、軟件編程上要全面考慮，以確?？刂葡到y安全可靠。例如：

43、應該保證 plc 程序不僅在正常條件下運行，而且在非正常情況下（如突然掉電再上電、按鈕按錯等） ，也能正常工作。5.5.3 力求簡單、經濟、使用及維修方便一個新的控制工程固然能提高產品的質量和數量，帶來巨大的經濟效益和社會效益，但新工程的投入、技術的培訓、設備的維護也將導致運行資金的增加。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地擴大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。這就要求設計者不僅應該使控制系統簡單、經濟，而且要使控制系統的使用和維護方便、成本低，不宜盲目追求自動化和高指標。5.5.4 適應發展的需要由于技術的不斷發展，控制系統的要求也將會不斷地提高，設計時要適當考慮

44、到今后控制系統發展和完善的需要。這就要求在選擇plc、輸入/輸出模塊、 i/o點數和內存容量時，要適當留有裕量，以滿足今后生產的發展和工藝的改進。5.65.6 plcplc 程序的內容和質量評價指標程序的內容和質量評價指標5.6.1 plc 程序的內容plc 應用程序應最大限度地滿足被控對象的控制要求，在構思程序主體的框架后，要以它為主線，逐一編寫實現各控制功能或各子任務的程序。經過不斷他調整和完善。使程序能完成所要求的控制功能。另外， plc 應用程序通常還應包括以下幾個方面的內容：1、初始化程序 在 plc 上電后，一般都要做一些初始化的操作。其作用是為啟動作必要的準備，并避免系統發生誤動

45、作。初始化程序的主要內容為：將某些數據區、計數器進行清零；使某些數據區恢復所需數據；對某些輸出量置位或復位；顯示某些初始狀態等等。2、檢測、故障診斷、顯示程序 應用程序一般都設有檢測、故障診斷和顯示程序等內容。這些內容可以在程序設計基本完成時再進行添加。它們也可以是相對獨立的程序段。3、保護、連鎖程序 各種應用程序中，保護和連鎖是不可缺少的部分。它可以杜絕由于非法操作而引起的控制邏輯混亂，保證系統的運行更安全、可靠。因此要認真考慮保護和連鎖的問題。通常在plc 外部也要設置連鎖和保護措施。5.6.2 plc 程序的質量對同一個控制要求，即使選用同一個機型的plc，用不同設計方法所編寫的程序，其

46、結構也可能不同。盡管幾種程序都可以實現同一控制功能，但是程序的質量卻可能差別很大。程序的質量可以由以下幾個方面來衡量：1、程序的正確性 應用程序的好壞，最根本的一條就是正確。所謂正確的程序必須能經得起系統運行實踐的考驗，離開這一條對程序所做的評價都是沒有意義的。2、程序的可靠性好 好的應用程序可以保證系統在正常和非正常（短時掉電再復電、3、參數的易調整性好 plc 控制的優越性之一就是靈活性好，容易通過修改程序或參數而改變系統的某些功能。4、程序要簡練 編寫的程序應盡可能簡練，減少程序的語句，一般可以減少程序掃描時間，提高 plc 對輸入信號的響應速度。5、程序的可讀性好 程序不僅僅給設計者自

47、己看，系統的維護人員也要讀。另外，為了有利于交流，也要求程序有一定的可讀性。5.75.7 plcplc 程序的調試方法及步驟程序的調試方法及步驟plc 程序的調試可以分為模擬調試和現場調試兩個調試過程，在此之前首先對plc 外部接線作仔細檢查，這一個環節很重要。外部接線一定要準確無誤。也可以用事先編寫好的試驗程序對外部接線做掃描通電檢查來查找接線故障。不過，為了安全考慮，最好將主電路斷開。當確認接線無誤后再連接主電路，將模擬調試好的程序送入用戶存儲器進行調試，直到各部分的功能都正常，并能協調一致地完成整體的控制功能為止。5.7.1 程序的模擬調試將設計好的程序寫入 plc 后，首先逐條仔細檢查

48、，并改正寫入時出現的錯誤。用戶程序一般先在實驗室模擬調試，實際的輸入信號可以用鈕子開關和按鈕來模擬，各輸出量的通斷狀態用 plc 上有關的發光二極管來顯示，一般不用接plc 實際的負載(如接觸器、電磁閥等 )。可以根據功能表圖，在適當的時候用開關或按鈕來模擬實際的反饋信號，如限位開關觸點的接通和斷開。對于順序控制程序，調試程序的主要任務是檢查程序的運行是否符合功能表圖的規定，即在某一轉換條件實現時，是否發生步的活動狀態的正確變化，即該轉換所有的前級步是否變為不活動步，所有的后續步是否變為活動步，以及各步被驅動的負載是否發生相應的變化。5.7.2 程序的現場調試完成上述的工作后，將 plc 安裝

49、在控制現場進行聯機總調試，在調試過程中將暴露出系統中可能存在的傳感器、執行器和硬接線等方面的問題，以及plc 的外部接線圖和梯形圖程序設計中的問題，應對出現的問題及時加以解決。如果調試達不到指標要求，則對相應硬件和軟件部分作適當調整，通常只需要修改程序就可能達到調整的目的。全部調試通過后，經過一段時間的考驗，系統就可以投入實際的運行了。5.8 plc 的選型方法的選型方法在 plc 系統設計時，首先應確定控制方案，下一步工作就是plc 工程設計選型。工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據。plc 及有關設備應是集成的、標準的，按照易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則選型所

50、選用 plc 應是在相關工業領域有投運業績、成熟可靠的系統，plc 的系統硬件、軟件配置及功能應與裝置規模和控制要求相適應。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需的操作和動作，然后根據控制要求，估算輸入輸出點數、所需存儲器容量、確定plc 的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的plc 和設計相應的控制系統。5.8.1 輸入輸出（i/o）點數的估算i/o 點數估算時應考慮適當的余量，通常根據統計的輸入輸出點數，再增加10%20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數估算數據。

51、實際訂貨時，還需根據制造廠商plc的產品特點，對輸入輸出點數進行 調整。5.8.2 存儲器容量的估算存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，需在程序調試之后才知道。為了設計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。存儲器內存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數字量 i/o 點數的 1015 倍，加上模擬 i/o 點數的 100 倍，以此數為內存的總字數（ 16 位為一個字） ，

52、另外再按此數的 25%考慮余量。5.8.3 控制功能的選擇該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。1、運算功能簡單 plc 的運算功能包括邏輯運算、計時和計數功能；普通plc 的運算功能還包括數據移位、比較等運算功能；較復雜運算功能有代數運算、數據傳送等；大型 plc 中還有模擬量的 pid 運算和其他高級運算功能。隨著開放系統的出現，目前在 plc 中都已具有通信功能，有些產品具有與下位機的通信，有些產品具有與同位機或上位機的通信，有些產品還具有與工廠或企業網進行數據通信的功能。設計選型時應從實際應用的要求出發，合理選用所需的運算功能。要顯示數據時需

53、要譯碼和編碼等運算。2、控制功能控制功能包括 pid 控制運算、前饋補償控制運算、比值控制運算等，應根據控制要求確定。 plc 主要用于順序邏輯控制，因此，大多數場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高 plc 的處理速度和節省存儲器容量。例如采用pid 控制單元、高速計數器、帶速度補償的模擬單元、 asc 碼轉換單元等。3、通信功能plc 系統的通信網絡主要形式有下列幾種形式：1）pc 為主站，多臺同型號 plc 為從站，組成簡易 plc 網絡；2）1 臺 plc 為主站，其他同型號 plc 為從站，構成主從式 plc 網絡；3

54、）plc 網絡通過特定網絡接口連接到大型dcs 中作為 dcs 的子網；4）專用 plc 網絡（各廠商的專用 plc 通信網絡） 。為減輕 cpu 通信任務，根據網絡組成的實際需要，應選擇具有不同通信功能的（如點對點、現場總線、工業以太網）通信處理器。4、編程功能離線編程方式： plc 和編程器公用一個 cpu，編程器在編程模式時， cpu 只為編程器提供服務，不對現場設備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，cpu 對現場設備進行控制，不能進行編程。離線編程方式可降低系統成本，但使用和調試不方便。在線編程方式： cpu 和編程器有各自的 cpu，主機 cpu 負責現場控制，并在一個掃描

55、周期內與編程器進行數據交換，編程器把在線編制的程序或數據發送到主機，下一掃描周期，主機就根據新收到的程序運行。這種方式成本較高，但系統調試和操作方便，在大中型plc 中常采用。五種標準化編程語言：順序功能圖（ sfc） 、梯形圖（ ld） 、功能模塊圖（fbd）三種圖形化語言和語句表（ il） 、結構文本（ st）兩種文本語言。選用的編程語言應遵守其標準（ iec6113123） ，同時，還應支持多種語言編程形式，如c，basic 等，以滿足特殊控制場合的控制要求。5、診斷功能plc 的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內診斷和外診斷。通過軟

56、件對plc 內部的性能和功能進行診斷是內診斷，通過軟件對 plc 的 cpu 與外部輸入輸出等部件信息交換功能進行診斷是外診斷。6、處理速度plc 采用掃描方式工作。從實時性要求來看，處理速度應越快越好，如果信號持續時間小于掃描時間，則 plc 將掃描不到該信號，造成信號數據的丟失。處理速度與用戶程序的長度、 cpu 處理速度、軟件質量等有關。目前， plc接點的響應快、速度高，每條二進制指令執行時間約0.20.4ls，因此能適應控制要求高、相應要求快的應用需要。掃描周期（處理器掃描周期）應滿足：小型plc 的掃描時間不大于 0.5ms/k；大中型 plc 的掃描時間不大于 0.2ms/k。5

57、.8.4 機型的選擇1、plc 的類型plc 按結構分為整體型和模塊型兩類，按應用環境分為現場安裝和控制室安裝兩類；按 cpu 字長分為 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。從應用角度出發，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c數選型。整體型 plc 的 i/o 點數固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統；模塊型 plc 提供多種 i/o 卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統的i/o 點數，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統。2、輸入輸出模塊的選擇輸入輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統一。例如對輸入模塊，應考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等

58、應用要求。對輸出模塊，應考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關頻繁，電感性低功率因數負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應用要求應一致?？筛鶕靡?，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應用成本?？紤]是否需要擴展機架或遠程 i/o 機架等。3、電源的選擇plc 的供電電源，除了引進設備時同時引進plc 應根據產品說明書要求設計和選用外，一般 plc 的供電電源應設計選用 220vac 電源，與國內電網電壓一致。重要的應用場合，應采用不間斷電源或穩壓

59、電源供電。如果 plc 本身帶有可使用電源時，應核對提供的電流是否滿足應用要求，否則應設計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入plc，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。4、存儲器的選擇由于計算機集成芯片技術的發展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應用項目的正常投運，一般要求 plc 的存儲器容量，按 256 個 i/o 點至少選 8k 存儲器選擇。需要復雜控制功能時，應選擇容量更大，檔次更高的存儲器。5、冗余功能的選擇1）控制單元的冗余重要的過程單元： cpu（包括存儲器）及電源均應 1b1 冗余。在需要時也可選用 plc 硬件與熱備軟件構成的熱備

60、冗余系統、 2 重化或 3 重化冗余容錯系統等。1）i/o 接口單元的冗余控制回路的多點 i/o 卡應冗余配置。重要檢測點的多點 i/o 卡可冗余配置。 3）根據需要對重要的 i/o 信號，可選用 2重化或 3 重化的 i/o 接口單元。5.95.9 經濟性的考慮經濟性的考慮選擇 plc 時，應考慮性能價格比。考慮經濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產品。輸入輸出點數對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費用。當點數增加到某一數值后，相應的存儲器容量、機架、母板等也要相應增加，因此，點數的增加對 cpu 選用、存儲器容