1、 網(wǎng)絡(luò)高等教育本 科 生 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計） 題 目： PLC控制系統(tǒng)研究 內(nèi)容摘要在可編程控制器誕生之前，繼電器控制系統(tǒng)在傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)中曾起著不可替代的重要作用，隨著生產(chǎn)規(guī)模的逐步擴大，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，以16位和32位微處理器構(gòu)成的微機化可編程控制器得到了驚人的發(fā)展，使之在概念上、設(shè)計上、性能價格比等方面有了重大的突破。可編程控制器具有了高速計數(shù)、中斷技術(shù)、PID 控制等功能，同時聯(lián)網(wǎng)通信能力也得到了加強，這些都使得可編程控制器的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域不斷擴大。本文從可控編程器PLC的研究背景與意義出發(fā)，首先討論了PLC的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，接著，詳細討論了PLC的定義和

2、各種優(yōu)點，PLC控制系統(tǒng)的特點和生產(chǎn)廠家，進而研究了PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計原則和主要步驟，最后，列舉了PLC控制的恒壓無塔供水系統(tǒng)的具體實現(xiàn)過程，熟悉了整個PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計及硬件和軟件系統(tǒng)，文章具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：可控編程器；PLC；設(shè)計；恒壓無塔供水系統(tǒng)目 錄內(nèi)容摘要I1 緒論11.1 課題的背景及意義11.2 發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢21.2.1 發(fā)展現(xiàn)狀21.2.2 發(fā)展趨勢2 1.3 本文的主要內(nèi)容32 PLC簡介52.1 PLC的定義和特點52.2.1 PLC的定義52.2.2 PLC的特點52.2 PLC控制系統(tǒng)的構(gòu)成62.3 PLC工作原理82.4 PLC主要生產(chǎn)廠家93 PLC

3、控制系統(tǒng)設(shè)計的原則步驟113.1 影響PLC控制系統(tǒng)的因素113.2 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計原則113.3 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟133.3.1 分析被控對象并提出控制要求133.3.2 確定輸入輸出設(shè)備133.3.3 選擇PLC133.3.4 分配I/O點并設(shè)計PLC外圍硬件線路143.3.5 程序設(shè)計143.3.6 硬件實施153.3.7 聯(lián)機調(diào)試154 PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用舉例154.1 工藝說明154.2 系統(tǒng)控制要求164.3 控制系統(tǒng)的I/O點及地址分配164.4 PLC 系統(tǒng)選型164.5 系統(tǒng)程序設(shè)計174.5.1 主程序174.5.2 子程序174.5.3 中斷子程序175

4、 結(jié)論18參考文獻19附 錄201 緒論1.1 課題的背景及意義 PLC是現(xiàn)今最常用的控制設(shè)備，幾乎可以完成工業(yè)控制領(lǐng)域的所有任務(wù)。其實，現(xiàn)在的PLC對模擬量也有很強的處理能力。所以在大多數(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)中，PLC已取代工控機（IPC）作為主控器來完對成復(fù)雜的工業(yè)自動控制任務(wù)。目前世界上著名的PLC生產(chǎn)廠家有美國的AB通用電氣公司、日本的三菱、歐姆龍、德國的西門子以及法國的施耐德等等。PLC自產(chǎn)生后，生產(chǎn)廠家不斷涌現(xiàn)，品種不斷翻新，為控制行業(yè)帶來了新一輪的革命。20世紀(jì)20年代起人們把各種繼電器、定時器、接觸器及其觸點按一定的邏輯關(guān)系連接起來組成控制系統(tǒng)，控制各種生產(chǎn)機械，這就是大家所熟悉的傳統(tǒng)

5、的繼電接觸器控制系統(tǒng)。由于它結(jié)構(gòu)簡單、容易掌握、價格便宜，在一定范圍內(nèi)能滿足控制要求，因而使用面甚廣，在工業(yè)控制領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位。但是以各種繼電器為主要元件的電氣控制線路可能需要成千只繼電器來構(gòu)成，需要使用成千上萬根導(dǎo)線來連接，安裝這些繼電器需要大量的繼電器控制柜，且占據(jù)大量的空間。運行時，又產(chǎn)生大量的噪聲，消耗大量的電能。為保證控制系統(tǒng)的正常運行，需要安排大量的電氣技術(shù)人員進行維護。系統(tǒng)出現(xiàn)故障，排除故障又非常困難。尤其是在生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時，可能需要增加很多的繼電器或控制柜，系統(tǒng)改造的工作量極大。所以通用性和靈活性較差1。到20世紀(jì)60年代，由于小型計算機的出現(xiàn)和大規(guī)模生產(chǎn)及多機群控的

6、發(fā)展，人們曾試圖用小型計算機來實現(xiàn)工業(yè)控制的要求，但由于價格高，輸入、輸出電路不匹配和編程技術(shù)復(fù)雜等原因，一直未能得到推廣應(yīng)用。20 世紀(jì) 60 年代末，美國的汽車制造業(yè)競爭激烈，各生產(chǎn)廠家的汽車型號不斷更新，它必然要求加工的生產(chǎn)線亦隨之改變，以及對整個控制系統(tǒng)重新配置。為拋棄傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)的束縛，1968 年美國通用汽車制造公司（GM）公開招標(biāo)，對控制系統(tǒng)提出具體要求，歸納其要求，其核心是：該設(shè)備要使用計算機技術(shù)，能讓以前的電氣技術(shù)人員很容易掌握的編程語言，該設(shè)備與被控制設(shè)備連接方便，不需要使用特別的供電方式。根據(jù)這些要求，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC 公司）于 1969 年研制開發(fā)出

7、了世界上第一臺可編程序控制器 PDP-14,并在 GM 公司的汽車生產(chǎn)線上首次應(yīng)用成功。當(dāng)時人們把它稱為可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller），簡稱 PLC,可編程序控制器由此誕生。由于它主要用來取代繼電接觸器邏輯控制，系統(tǒng)功能僅限于執(zhí)行繼電器邏輯、計時、計數(shù)等。PLC 誕生不久即顯示了其在工業(yè)控制中的重要地位，日本、德國、法國等國家也相繼研制成各自的 PLC.PLC 自問世以來，經(jīng)過近 40 年的發(fā)展，在美、德、日、法等工業(yè)發(fā)達國家已成為重要的產(chǎn)業(yè)之一。世界總銷售額不斷上升、生產(chǎn)廠家不斷涌現(xiàn)、品種不斷翻新。產(chǎn)量產(chǎn)值大幅度上升而價格則不斷下降。1.2

8、發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢1.2.1 發(fā)展現(xiàn)狀目前，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的發(fā)展，PLC已由最初一位機發(fā)展到現(xiàn)在的以16位和32位微處理器構(gòu)成的微機化PC，而且實現(xiàn)了多處理器的多通道處理。如今，PLC技術(shù)已非常成熟，不僅控制功能增強，功耗和體積減小，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測更為靈活方便，而且隨著遠程I/O和通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理以及圖象顯示的發(fā)展，使PLC向用于連續(xù)生產(chǎn)過程控制的方向發(fā)展，成為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一大支柱。現(xiàn)在，世界上有200多家PLC生產(chǎn)廠家，400多品種的PLC產(chǎn)品，按地域可分成美國、歐洲、和日本等三個流派產(chǎn)品，各流派PLC產(chǎn)品都各具特色。其中，美國是PLC生

9、產(chǎn)大國，有100多家PLC廠商，著名的有A-B公司、通用電氣（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司。歐洲PLC產(chǎn)品主要制造商有德國的西門子（SIEMENS）公司、AEG公司、法國的TE公司。日本有許多PLC制造商，如三菱、歐姆龍、松下、富士等，韓國的三星（SAMSUNG）、LG等，這些生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品占有80%以上的PLC市場份額。經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)PLC生產(chǎn)廠家約有三十家，國內(nèi)PLC應(yīng)用市場仍然以國外產(chǎn)品為主。國內(nèi)公司在開展PLC業(yè)務(wù)時有較大的競爭優(yōu)勢，如：需求優(yōu)勢、產(chǎn)品定制優(yōu)勢、成本優(yōu)勢、服務(wù)優(yōu)勢、響應(yīng)速度優(yōu)勢。1.2.2 發(fā)展趨勢隨著PLC應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大，PLC技術(shù)及其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)都在

10、不斷改進，功能日益強大，性價比越來越高。（1） 在產(chǎn)品規(guī)模方面，向兩極發(fā)展。一方面，大力發(fā)展速度更快、性價比更高的小型和超小型PLC。以適應(yīng)單機及小型自動控制的需要。另一方面，向高速度、大容量、技術(shù)完善的大型PLC方向發(fā)展。隨著復(fù)雜系統(tǒng)控制的要求越來越高和微處理器與計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對PLC的信息處理速度要求也越來越高，要求用戶存儲器容量也越來越大。（2） 向通信網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展PLC網(wǎng)絡(luò)控制是當(dāng)前控制系統(tǒng)和PLC技術(shù)發(fā)展的潮流。PLC與PLC之間的聯(lián)網(wǎng)通信、PLC與上位計算機的聯(lián)網(wǎng)通信已得到廣泛應(yīng)用。目前，PLC制造商都在發(fā)展自己專用的通信模塊和通信軟件以加強PLC的聯(lián)網(wǎng)能力。各PLC制造

11、商之間也在協(xié)商指定通用的通信標(biāo)準(zhǔn)，以構(gòu)成更大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。PLC已成為集散控制系統(tǒng)（DCS）不可缺少的組成部分。（3） 向模塊化、智能化發(fā)展為滿足工業(yè)自動化各種控制系統(tǒng)的需要，近年來，PLC廠家先后開發(fā)了不少新器件和模塊，如智能I/O模塊、溫度控制模塊和專門用于檢測PLC外部故障的專用智能模塊等，這些模塊的開發(fā)和應(yīng)用不僅增強了功能，擴展了PLC的應(yīng)用范圍，還提高了系統(tǒng)的可靠性。（4）編程語言和編程工具的多樣化和標(biāo)準(zhǔn)化多種編程語言的并存、互補與發(fā)展是PLC軟件進步的一種趨勢。 PLC廠家在使硬件及編程工具換代頻繁、豐富多樣、功能提高的同時，日益向MAP(制造自動化協(xié)議)靠攏，使PLC的基本部件，包

12、括輸入輸出模塊、通信協(xié)議、編程語言和編程工具等方面的技術(shù)規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。1.3 本文的主要內(nèi)容本文研究的是PLC控制系統(tǒng)。全文共分為五章，各章內(nèi)容簡介如下：第一章緒論，簡述課題的背景和意義、論題的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，介紹論文的主要內(nèi)容；第二章是PLC的簡介，主要介紹了PLC的定義，優(yōu)勢以及PLC可控編程器的組成，工作原理和生產(chǎn)廠家；第三章是全文的重點，只要介紹了PLC控制系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意的主要問題，主要探討了設(shè)計原則和設(shè)計步驟；第四章舉出PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用的一個例子，即PLC控制的恒壓無塔供水系統(tǒng)的具體實現(xiàn)過程，對PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計更加熟悉；第五章是全文的總結(jié)。本文最后對全文進行總結(jié)，并指出了研

13、究課題的未來發(fā)展方向。2 PLC簡介2.1 PLC的定義和特點2.2.1 PLC的定義PLC的全稱為可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC），它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。根據(jù)1987年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對PLC做如下定義：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計，它采用可編程序的存儲器，用于其內(nèi)部存儲

14、程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等面向用戶的操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入/輸入控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴充其功能的原則設(shè)計2。2.2.2 PLC的特點PLC是一個以微處理器為核心的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計，它采用可編程序的存儲器，用以在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時/計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC是微機技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機械觸點的接線復(fù)雜

15、、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了微處理器的優(yōu)點，又照顧到現(xiàn)場電氣操作維修人員的技能與習(xí)慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計算機編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學(xué)；調(diào)試與查錯也都很方便。用戶在購到所需的PLC后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。可編程控制器具有如下特點：（1）可靠性高，抗干擾能力強PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。為確保一些極其重要用戶使用在極其苛刻

16、條件下，部分PLC廠商采用硬件或軟件冗余措施，使PLC的平均無故障工作時間更長。同時，現(xiàn)有PLC通常都帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息，提供用戶使用。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性。（2）配套齊全，功能完善，適用性強隨著科學(xué)技術(shù)的進步和電子技術(shù)的發(fā)展，PLC廠商也大力發(fā)展PLC硬件和軟件技術(shù)，形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。不僅完善了邏輯處理功能，而且還有完善的數(shù)據(jù)運算能力，用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域控制。同時，隨著PLC的功能單元大量完善，PLC可用于位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制場合中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展

17、，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。（3）易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計算機，接口簡單，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受，其梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能，為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。（4）系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小

18、批量的生產(chǎn)場合。（5）體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。2.2 PLC控制系統(tǒng)的構(gòu)成PLC控制系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。對于整個PLC控制系統(tǒng)來說，其硬件部分不僅包括選擇符合控制要求的PLC機型、存儲器容量、電源模塊、輸入/輸出模塊、通信模塊、模擬量輸入/輸出模塊和特殊功能模塊等，還應(yīng)當(dāng)包括選擇合適的可編程控制器外圍裝置、設(shè)備與接口，如輸入設(shè)備（控制按鈕、開關(guān)、傳感器等）、執(zhí)行裝置（接觸器、繼電器等）和由執(zhí)行裝置控制的現(xiàn)場設(shè)備（水泵、鼓風(fēng)機、閥門等）。其

19、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1。圖2-1 PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（1）中央處理器中央處理器（CPU）是PLC的核心部分，它通過系統(tǒng)總線與用戶存儲器、輸入/輸出（I/O）、通信端口等單元相連。通過制造廠家預(yù)制在系統(tǒng)存儲器內(nèi)部的系統(tǒng)程序完成各項任務(wù)。其主要功能是由編程器寫入控制程序和數(shù)據(jù)到存儲器、調(diào)用系統(tǒng)程序?qū)τ脩舫绦蜻M行編輯或編譯并把相應(yīng)的操作數(shù)轉(zhuǎn)存到內(nèi)存中去、從存儲器上讀取和執(zhí)行程序，還可以進行PLC內(nèi)部故障的診斷等。（2）存儲器根據(jù)存儲器存儲內(nèi)容的不同，把存儲器分為：系統(tǒng)程序存儲器：用來存放系統(tǒng)程序的存儲器。系統(tǒng)程序相當(dāng)于計算機操作系統(tǒng)，主要包括檢查程序、編譯程序和監(jiān)控程序，是PLC廠家根據(jù)選用的CPU的指令

20、系統(tǒng)編寫的，并固化到ROM里，用戶不能修改其內(nèi)容。用戶程序存儲器：用來存放用戶根據(jù)控制要求編制的程序。不同類型的PLC，其存儲容量也不一樣。數(shù)據(jù)存儲器：用以存放PLC運行中的各種數(shù)據(jù)的存儲器。因為運行中數(shù)據(jù)不斷變化，所以這種存儲器必須可讀寫。（3）輸入/輸出（I/O）單元輸入/輸出（I/O）單元是PLC與外部設(shè)備連接的紐帶。輸入單元接收現(xiàn)場設(shè)備向PLC提供的開關(guān)量信號，經(jīng)過處理后，變成CPU能夠識別的信號。輸出單元將CPU的信號經(jīng)處理后來控制外部設(shè)備的。（4）電源部分不同型號的PLC有不同的供電方式，所以PLC電源的輸入電壓既有12V和24V直流，又有110V和220V交流。PLC內(nèi)部使用的電

21、源是整體的供給中心，它的優(yōu)劣直接影響到PLC的功能和可靠性，因此目前大部分PLC采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源供電。（5）通信端口PLC的CPU模塊上至少有一個通信端口。通過這個通信端口，PLC可以直接和編程器或上位機相連。（6）編程器幾乎每個PLC廠家都有自己的編程器。用戶通過編程器來編寫控制程序，并通過編程器接口將自己的控制程序輸入到PLC。它還可以在線檢測程序的運行情況。軟件部分主要包括對PLC進行I/O點地址、內(nèi)部繼電器、定時器、計數(shù)器等的分配，PLC控制程序的設(shè)計（梯形圖、語句表、流程圖等），還有一些技術(shù)文件等。2.3 PLC工作原理當(dāng)PLC投入運行后，整個PLC其工作過程一般分為三個階段：即輸

22、入采樣、用戶程序執(zhí)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(fù)執(zhí)行上述三個階段。PLC的掃描工作過程如圖2.2所示。圖2.2 PLC的掃描工作過程1) 輸入采樣階段 在PLC上電自檢后進入輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有現(xiàn)場設(shè)備的輸入狀態(tài)和模擬量數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)的鎖存器單元內(nèi)。2) 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段3，CPU從第一條指令開始按指令步序號作周期性循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直到遇到結(jié)束。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(gòu)成

23、的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。 即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。

24、在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。3) 輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才是PLC的真正輸出。在輸入采樣、輸出刷新的這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)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

25、入均能被讀入。2.4 PLC主要生產(chǎn)廠家從20世紀(jì)70年代初開始,在30多年的時間里，PLC的生產(chǎn)已發(fā)展成一個巨大的產(chǎn)業(yè)，曾出現(xiàn)PLC生產(chǎn)廠家眾多、PLC品種繁多，而且與個人計算機（PC)相比，PLC的硬件、軟件的體系結(jié)構(gòu)都是封閉的，在硬件方面，各廠家的CPU模塊和I/O模塊互不通用，在軟件方面，各廠家的PLC編程語言和指令系統(tǒng)的功能和表達方式也不一致，形成了互不兼容的現(xiàn)狀。縱觀生產(chǎn)PLC的眾多廠家中較有影響力的、在我國市場占有較大份額的公司及其產(chǎn)品主要情況如下4：1）美國A-B公司。主推PLC-5系列大型PLC，其CPU模塊主要有PLC-5/10、5/11、5/12、5/15、5/20、5/

26、25、5/30、5/40、5/60、5/250等。小型PLC主要是SLC-500。2）德國西門子（SIEMENS）公司。主要優(yōu)勢在大型機S5-115U、S5-135U、S5-155U；其中機型S-100U也是很好的產(chǎn)品。歷史上SIEMENS的產(chǎn)品素以優(yōu)良的品質(zhì)和高昂的價格著稱，為了改變其形象，占領(lǐng)新的市場份額，近年來該公司相繼推出了小型機S7-200和S7-300，已經(jīng)給該公司帶來了新的聲譽。3）美國的GE FANUC公司。其有優(yōu)勢的產(chǎn)品是90系列PLC：90-70、90-30、90-20和分布式I/O系統(tǒng)Genius I/O等。4）日本OMRON公司。其產(chǎn)品主要有3個系列：屬于Micro機種

27、的SP系列SP10、SP16、SP20；低檔機P系列C20P、C28P、C40P、C60P和C20板式機；較P系列處理速度提高一個量級，有的還與上位機有通信聯(lián)網(wǎng)能力的H系列機，如C20H、C28H、C40H、C60H、C200H、C1000H、C2000H。到了20世紀(jì)90年代初期，OMRON公司又推出了全新的模塊式CMQ1機。5）日本三菱電機株式會社（MITSUBISHI）。主要是F系列和A系列兩個系列。F系列是整體式結(jié)構(gòu)的小型機，較新的產(chǎn)品有F1、F2、FXO、FXON、FX2、FX2C，其中主推FX2。A系列是模塊組合式中大型PLC，又分3個小系列，主要包括A1N、A2N（S1）A3N；

28、A1S（S1）、A2S（S1）、A2AS（S1）、A（S1）、A3A。3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的原則步驟3.1 影響PLC控制系統(tǒng)的因素PLC控制系統(tǒng)通常由PLC和生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備組成。PLC包括中央處理器、主機箱、擴展機箱及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)與外部設(shè)備；生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備包括繼電器、接觸器、各種開關(guān)、極限位置、安全保護、傳感器、儀表、接線盒、接線端子、電動機、電源線、地線、信號線等。它們當(dāng)中任何一個出現(xiàn)故障都會影響系統(tǒng)正常工作。因此, 分析其對系統(tǒng)可靠性影響的程度, 是進行可靠性設(shè)計、提高控制系統(tǒng)工作可靠性的重要依據(jù)。就PLC本身而言其工作可靠性是非常高的。以三菱的F1, F2, FX系列為例。據(jù)稱其平均無故障

29、工作時間可達30萬小時。有資料表明, 在PLC 控制系統(tǒng)故障中, PLC 的故障僅占系統(tǒng)故障的5%, PLC 控制系統(tǒng)的故障主要發(fā)生在生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備中, 通常占系統(tǒng)故障的95%；與PLC 相接的輸入、輸出設(shè)備的可靠性是影響PLC控制系統(tǒng)可靠性的主要因素。3.2 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計原則對于一個電控系統(tǒng)來說,可靠性設(shè)計的主要任務(wù)是預(yù)測和預(yù)防系統(tǒng)所有可能發(fā)生的故障，確定系統(tǒng)潛在的隱患和薄弱環(huán)節(jié),通過設(shè)計預(yù)防和設(shè)計改進,有效地消除隱患和薄弱環(huán)節(jié),使系統(tǒng)達到規(guī)定的可靠性要求。可靠性設(shè)計的方法通常包括: 制定和貫徹可靠性設(shè)計準(zhǔn)則、元器件、零部件的正確選擇與使用、降額設(shè)計、冗余設(shè)計、耐環(huán)境設(shè)計、熱設(shè)計、電

30、磁兼容設(shè)計、動態(tài)設(shè)計(健壯設(shè)計)等內(nèi)容。PLC作為一種高可靠性的控制裝置,在其所組成的控制系統(tǒng)中,系統(tǒng)的可靠性主要取決于與它的輸入、輸出端相連接,處于生產(chǎn)現(xiàn)場的輸入信號元件、輸出執(zhí)行元件的可靠性。因此,采用高質(zhì)量的元器件,對故障率較高的元器件進行狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷,充分利用PLC內(nèi)部豐富的軟元件代替某些元器件或者屏蔽輸入的誤信號,對關(guān)鍵部位采用冗余設(shè)計以確保工作可靠等,都是提高PLC 控制系統(tǒng)可靠性的有效措施5。（1）盡量使用成熟技術(shù)和高質(zhì)量元器件, 防范和化解故障風(fēng)險所謂“成熟技術(shù)”，是指所選用的PLC和類似的系統(tǒng)設(shè)計,經(jīng)歷過一定的生產(chǎn)實踐考驗,設(shè)計人員對需使用的技術(shù)有經(jīng)驗或有掌握它的能力。

31、一般來說,設(shè)計一個PLC控制系統(tǒng),使用的成熟技術(shù)要占75%以上。因為控制系統(tǒng)一旦投入運行,就很難有機會反復(fù)修改。在設(shè)計的硬件電路和軟件程序中,如果存在某種欠缺,可能一直隱藏在系統(tǒng)中,不為人知。當(dāng)遇到使其發(fā)生破壞作用的條件時, 后果就非常嚴(yán)重了。只有選擇高質(zhì)量的元器件,才能使系統(tǒng)達到高的可靠性要求。元器件的可靠性分為固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性主要靠元器件的設(shè)計和制造來保證,使用可靠性則靠設(shè)計者正確的選擇和使用來保證。因此,必須重視正確選擇和使用元器件,優(yōu)先選用經(jīng)實踐證明質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高、有發(fā)展前途且供應(yīng)渠道可靠的標(biāo)準(zhǔn)元器件。（2） 設(shè)計故障檢測程序, 提高系統(tǒng)工作可靠性控制系統(tǒng)工作循環(huán)

32、各工步的運行一般都有嚴(yán)格的時間規(guī)定,以這些時間為參數(shù),在要檢測的工步動作開始的同時,起動一個定時器,監(jiān)測其工作狀態(tài)。定時器的設(shè)定值, 為該工步動作所需要的最大可能時間。若動作在規(guī)定時間內(nèi)完成,發(fā)出一個完成信號,使定時器清零,表明監(jiān)控對象工作正常；否則,發(fā)出報警信號,停止正常工作循環(huán)程序。在PLC 控制系統(tǒng)工作正常時,各輸入、輸出信號和中間記憶裝置之間存在確定的邏輯關(guān)系, 一旦出現(xiàn)異常邏輯關(guān)系,必定是控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障。因此, 可以預(yù)先編寫一些常見故障的異常邏輯程序加到用戶程序中。（3）利用PLC內(nèi)部定時器, 屏蔽輸入的誤信號PLC經(jīng)常用于控制生產(chǎn)機械的運動。有些機械的運動速度均勻, 運動行程與時

33、間關(guān)系確切。以自動循環(huán)控制中某行程開關(guān)為例,在每一個循環(huán)中,它總是在同一時刻動作,發(fā)出信號。由于現(xiàn)場工作條件惡劣, 實際操作中可能因為振動等原因產(chǎn)生信號, 使系統(tǒng)誤動作。如果編程時,用兩個內(nèi)部定時器,限定PLC只在該開關(guān)正常發(fā)信號的時間內(nèi)采樣,屏蔽掉其他時間內(nèi)可能發(fā)出的誤信號, 就可提高PLC輸入信號的可靠性。（4） PLC內(nèi)部定時器與外部元器件結(jié)合, 對某些關(guān)鍵部位進行雙重保護為了提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性,對關(guān)鍵的故障或關(guān)鍵的部位要在硬件和軟件上設(shè)置雙重保護。以某自動焊接機的燃燒供氣系統(tǒng)控制為例,燃氣(乙炔或丙烷)的關(guān)火順序(先關(guān)燃氣,后關(guān)氧氣)不能顛倒,否則可能回火,引起爆炸。通常氧氣延

34、時關(guān)斷的時間由外接的時間繼電器K來調(diào)定。但是, 如果該時間繼電器本身故障或操作失誤導(dǎo)致氧氣關(guān)斷延時太少,就可能顛倒關(guān)氣順序。為確保燃燒供氣系統(tǒng)安全可靠, 可設(shè)定一個PLC內(nèi)部定時器T0 作氧氣延時關(guān)斷的雙重保護。正常時,氧氣電磁閥由外部繼電器KT控制,若KT發(fā)生故障或設(shè)定時間太短, T0 會自動使氧氣電磁閥延時關(guān)斷,起到雙重保護的作用。（5） 合理配置PLC及其硬件和軟件資源冗余在設(shè)計中、大型PLC 控制系統(tǒng)時,可能要采取多種方式的冗余,以確保系統(tǒng)運行可靠。如在核電站、有毒有害的化工生產(chǎn)環(huán)境,中央處理器的雙機熱備、冷備冗余,是最常見方式。另外,雙系統(tǒng)冗余即中央處理器和全部輸入/輸出、組網(wǎng)通信完

35、全冗余,有時也是必不可少的。對于設(shè)計的新系統(tǒng),硬件和軟件資源不能占用耗盡,硬件上至少保留15%左右的冗余。在編制軟件時,同樣要注意估計用戶軟件對PLC和計算機資源的需要與用量。尤其是中間繼電器、中間數(shù)據(jù),如計數(shù)器、定時器的使用, 要留有余地。因為程序在調(diào)試運行后,難免會提出修改、補充意見，有時甚至重新編寫。在PLC本身可靠性很高的情況下，影響PLC控制系統(tǒng)可靠性的主要因素是與PLC 接口的輸入信號元件和輸出執(zhí)行元件。通過采用成熟技術(shù)和高質(zhì)量元器件,充分利用PLC 內(nèi)部軟元件,設(shè)計PLC 控制系統(tǒng)故障檢測與診斷程序, 屏蔽輸入元件的誤信號, 防止輸出元件誤動作,對關(guān)鍵元器件實行軟、硬件雙重保護,

36、 合理配置PLC 及其硬件和軟件資源的冗余等措施,就可以確保控制系統(tǒng)安全可靠地運行。3.3 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的一般步驟如下6：3.3.1 分析被控對象并提出控制要求詳細分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，提出被控對象對PLC控制系統(tǒng)的控制要求，確定控制方案，擬定設(shè)計任務(wù)書。3.3.2 確定輸入輸出設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的全部輸入設(shè)備（如：按紐、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等）和輸出設(shè)備（如：接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等），從而確定與PLC有關(guān)的輸入/輸出設(shè)備，以確定PLC的I/O點數(shù)。3.3.3 選擇P

37、LCPLC選擇包括對PLC的機型、容量、I/O模塊、電源等的選擇，不同型號的PLC，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等也各有不同，適用的場合也各有側(cè)重。因此，合理選用PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)有著重要意義。3.3.4 分配I/O點并設(shè)計PLC外圍硬件線路（1）分配I/O點畫出PLC的I/O點與輸入輸出設(shè)備的連接圖或?qū)?yīng)關(guān)系表，該部分也可在第步中進行。（2）設(shè)計PLC外圍硬件線路畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進入PLC的控制電路等。由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。3.3.5 程序

38、設(shè)計（1）程序設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，采用合適的設(shè)計方法來設(shè)計PLC程序。程序要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，逐一編寫實現(xiàn)各控制功能或各子任務(wù)的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的功能7。除此之外，程序通常還應(yīng)包括以下內(nèi)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，為啟動作必要的準(zhǔn)備，避免系統(tǒng)發(fā)生誤動作。初始化程序的主要內(nèi)容有：對某些數(shù)據(jù)區(qū)、計數(shù)器等進行清零，對某些數(shù)據(jù)區(qū)所需數(shù)據(jù)進行恢復(fù)，對某些繼電器進行置位或復(fù)位，對某些初始狀態(tài)進行顯示等等。2）檢測、故障診斷和顯示等程序。這些程序相對獨立，一般在程序設(shè)計基本完成時再添加。3）保護和連鎖程序。保護和連鎖是程序中不可缺少的部分，必須認真加以考

39、慮。它可以避免由于非法操作而引起的控制邏輯混亂。（2）程序模擬調(diào)試程序模擬調(diào)試的基本思想是，以方便的形式模擬產(chǎn)生現(xiàn)場實際狀態(tài)，為程序的運行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場信號的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。1）硬件模擬法是使用一些硬件設(shè)備（如用另一臺PLC或一些輸入器件等）模擬產(chǎn)生現(xiàn)場的信號，并將這些信號以硬接線的方式連到PLC系統(tǒng)的輸入端，其時效性較強。2）軟件模擬法是在PLC中另外編寫一套模擬程序，模擬提供現(xiàn)場信號，其簡單易行，但時效性不易保證。模擬調(diào)試過程中，可采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。3.3.6 硬件實施硬件實施方面主要是進行控制柜（臺）等硬件的

40、設(shè)計及現(xiàn)場施工。主要內(nèi)容有：1) 設(shè)計控制柜和操作臺等部分的電器布置圖及安裝接線圖。2)設(shè)計系統(tǒng)各部分之間的電氣互連圖。3)根據(jù)施工圖紙進行現(xiàn)場接線，并進行詳細檢查。由于程序設(shè)計與硬件實施可同時進行，因此PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計周期可大大縮短。3.3.7 聯(lián)機調(diào)試 聯(lián)機調(diào)試是將通過模擬調(diào)試的程序進一步進行在線統(tǒng)調(diào)。聯(lián)機調(diào)試過程應(yīng)循序漸進，從PLC只連接輸入設(shè)備、再連接輸出設(shè)備、再接上實際負載等逐步進行調(diào)試。如不符合要求，則對硬件和程序作調(diào)整。通常只需修改部份程序即可8。全部調(diào)試完畢后，交付試運行。經(jīng)過一段時間運行，如果工作正常、程序不需要修改，應(yīng)將程序固化到EPROM中，以防程序丟失。4 PLC控

41、制系統(tǒng)的應(yīng)用舉例隨著社會的發(fā)展和進步，工廠用水的供水問題日益突出9。一方面，要求提高供水質(zhì)量，不要因為壓力的波動造成供水障礙；另一方面，要求保證供水的可靠性和安全性，在發(fā)生火災(zāi)時能夠可靠供水，針對這兩方面的要求，新的供水方式和控制系統(tǒng)應(yīng)運而生，這就是PLC控制的恒壓無塔供水系統(tǒng)。4.1 工藝說明圖4-1 工藝過程圖工藝說明：來水用水位控制器EQ來控制注水閥YV1，同時將水位信號送給PLC，作為低水位報警及補水和高水位關(guān)閥用；此系統(tǒng)共用三臺泵，平時電磁閥YV2處于失電狀態(tài)，關(guān)閉消防管網(wǎng)，三臺泵根據(jù)一定的邏輯運行使生活供水在恒壓狀態(tài)。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生，YV2得電開啟消防管網(wǎng)，YV3失電，關(guān)閉生活用水管網(wǎng)

42、，三臺泵供消防用水使用，火災(zāi)結(jié)束后三臺泵改為生活供水使用。4.2 系統(tǒng)控制要求生活供水時，系統(tǒng)應(yīng)低恒壓值運行，消防供水時系統(tǒng)應(yīng)高恒壓值運行；三臺泵根據(jù)恒壓的需要，采取“先開先停”的原則接入和退出；在用水量小的情況下，如果一臺泵連續(xù)運行時間超過3小時，則要切換到下一臺泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺泵工作時間長；三臺泵在啟動時要有軟啟動功能10；要有完善的報警功能；對泵的操作要有手動控制功能，手動只在應(yīng)急或檢修時臨時使用。4.3 控制系統(tǒng)的I/O點及地址分配表4-1 PLC控制系統(tǒng)I/O點及地址分配4.4 PLC 系統(tǒng)選型系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點6個、開關(guān)量輸出點12個；模擬量出入點1個、模擬

43、量輸出點1個；參照西門子S7-200產(chǎn)品目錄及市場實際價格，選用主機為CPU222(8入/6出繼電器輸出)一臺，加上一臺擴展模塊EM222（8點繼電器輸出），再擴展一個模擬量模塊EM235(4AI/4AO)。4.5 系統(tǒng)程序設(shè)計本程序分為三部分：主程序、子程序、中斷程序。邏輯運算及報警處理等放在主程序。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省稍描時間。利用定時器中斷功能實現(xiàn)PID控制的定時采樣及輸出控制。4.5.1 主程序系統(tǒng)程序和功能如下，邏輯運算及報警處理等放在主程序。具體程序詳見附錄1。上電初始化，調(diào)初始化子程序。消防/生活供水壓力給定值設(shè)置上電和故障結(jié)束時重新激活變頻泵

44、號存儲器，變頻器頻率上限時增泵濾波。符合增泵條件時，工頻泵運行數(shù)加1，頻率下限時減泵濾波。符合減泵條件時，工頻泵運行數(shù)減1，變頻增泵或倒泵時，置位M2.0。復(fù)位變頻器頻率為軟啟動做準(zhǔn)備，產(chǎn)生關(guān)斷當(dāng)前變頻泵脈沖信號。變頻工作泵號加1。產(chǎn)生關(guān)斷當(dāng)前泵工頻啟動脈沖信號。產(chǎn)生下一臺泵變頻運行啟動信號，變頻工作泵的泵號轉(zhuǎn)移。詳細程序見附錄1。4.5.2 子程序系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省稍描時間。子程序如下：MOVD +1800, VD204MOVD +22400, VD208MOVD +28800, VD212 MOVR 0.25, VD112 MOVR 0.2, VD11

45、6 MOVR 30.0, VD120 MOVR 0.0, VD124MOVB 200, SMB34ATCH INT_0,104.5.3 中斷子程序中斷子程序詳細如下。Network1:初始化子程序Network1: PI 控制中斷程序LD SM0.0ITD AIW0, AC0DTR AC0, AC0/R 32000.0, AC0MOVR AC0, VD100PID VB100, 0MOVR VD108, AC0MOVR VD108, AC0*R 32000.0, AC0Network2:LDR<= AC0, VD204OW> T39, +25MOVD VD204, AC0Netwo

46、rk3:LD SM0.0ROUND AC0, AC0MOVD AC0, VD250DTI AC0, AC0MOVW AC0, AQW05 結(jié)論以PLC 作為控制器的自動控制系統(tǒng)從根本上改變了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)的工作原理和方式。繼電器控制系統(tǒng)的控制功能是通過采取硬件接線的方式來實現(xiàn)的， 而PLC 控制系統(tǒng)的控制功能是通過存儲程序來實現(xiàn)的，不僅可以實現(xiàn)開關(guān)量控制，還可以進行模擬量控制、順序控制。這樣一旦生產(chǎn)工藝發(fā)生變化，就只需修改程序就可以了13。本文從可控編程器PLC的研究背景與意義出發(fā)，首先討論了PLC的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，接著，詳細討論了PLC的定義和各種優(yōu)點，PLC控制系統(tǒng)的特點和生產(chǎn)廠

47、家，進而研究了PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計原則和主要步驟，最后，列舉了PLC控制的恒壓無塔供水系統(tǒng)的具體實現(xiàn)過程，熟悉了整個PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計及硬件和軟件系統(tǒng)，隨著集成電路和計算機技術(shù)的進一步發(fā)展，PLC已不僅能進行開關(guān)量控制，而且還能進行模擬量、位置等高精度控制。特別是通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得PLC 單機控制向多機控制、由集中控制向多層次分布式控制系統(tǒng)發(fā)展。同時PLC 將更加注重與其他智能控制系統(tǒng)的結(jié)合，PLC 與工業(yè)控制計算機、集散控制系統(tǒng)、嵌入式計算機等系統(tǒng)的進一步滲透與結(jié)合，更進一步拓寬了PLC 應(yīng)用領(lǐng)域和空間。由于筆者水平有限，只能在老師的幫助下，通過大量文獻對PLC控制系統(tǒng)的相關(guān)知識有淺顯的了解和研究，如有不足，歡迎批評指正。參考文獻1 徐國林PLC 應(yīng)用技術(shù)M機械工業(yè)出版社，20112 王永華現(xiàn)代電氣控制及PLC 應(yīng)用技術(shù)M北京航空航天大學(xué)出版社，20083 siemens.西門子S7-200 使用手冊Z.4 魏志精. 可編程控制器應(yīng)用技術(shù)M. 北京: 電子工業(yè)出版社, 19955 皮壯行, 等. 可編程序控制器的系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用實例M. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2000.6 浙江大學(xué)自動化中心. 可編程序控制器系統(tǒng)M. 杭州: 浙江大學(xué)出版社, 2000.7 馬金蓮.PLC的干擾源與抗干擾措施J.石油