機電一體化系統(tǒng)綜合實訓(xùn)報告

1、西安工程技術(shù)學(xué)院機電一體化系統(tǒng)綜合實訓(xùn)報告班級姓名實訓(xùn)地點指導(dǎo)教師年月日O1 PLC 簡介自二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器（ Programmable LogicController , PLQ取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世 界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術(shù)、信號 處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯 控制，在運動控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。作為離散控的制的首選產(chǎn)品，PLC在二十世紀八十年代至九十年代得到

2、了迅速發(fā) 展，世界范圍內(nèi)的PLC年增長率保持為20%-30%隨著工廠自動化程度的不斷 提高和PLC市場容量基數(shù)的不斷擴大，近年來PLC在工業(yè)發(fā)達國家的增長速度放 緩。但是，在中國等發(fā)展中國家 PLC的增長十分迅速。綜合相關(guān)資料，2004年 全球PLC的銷售收入為100億美元左右，在自動化領(lǐng)域占據(jù)著十分重要的位置。PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀七十年代的PLC只有開關(guān)量邏輯控制， 首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。 它以存儲執(zhí)行邏輯運算、 順序 控制、定時、計數(shù)和運算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各 類機械或生產(chǎn)過程。 用戶編制的控制程序表達了生產(chǎn)過程的工藝要求， 并

3、事先存 入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流 程要求的操作。PLC的CPU內(nèi)有指示程序步存儲地址的程序計數(shù)器，在程序運行 過程中，每執(zhí)行一步該計數(shù)器自動加 1，程序從起始步（步序號為零）起依次執(zhí) 行到最終步（通常為END旨令），然后再返回起始步循環(huán)運算。PLC每完成一次 循環(huán)操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點， 在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當(dāng)成開關(guān)量來處 理，16位（也有32位的）為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成

4、模 擬量的運算。把計算結(jié)果送給 PLC的控制器。相同I/O點數(shù)的系統(tǒng)，用PLC比用DCS其成本要低一些（大約能省 40%宰 右）。PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護成本比DCS 要低很多。一個PLC的控制器，可以接收幾千個I/O點（最多可達8000多個I/O ）。 如果被控對象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用 PLC較為合適。PLC由于采用通 用監(jiān)控軟件，在設(shè)計企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。近10年來，隨著PLC價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴大，越來越多的中小 設(shè)備開始采用PLC進行控制，PLC在我國的應(yīng)用增長十分迅速。隨著中國經(jīng)濟的 高速發(fā)展和基礎(chǔ)自動化水平的不

5、斷提高，今后一段時期內(nèi)PLC在我國仍將保持高 速增長勢頭。通用PLC應(yīng)用于專用設(shè)備時可以認為它就是一個嵌入式控制器，但PLC相對一般 嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的穩(wěn)定性。 實際工作中碰到的一些用 戶原來采用嵌入式控制器，現(xiàn)在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器12 PLC 內(nèi)部原理PLC 實質(zhì)上是一種被專用于工業(yè)控制的計算機， 其硬件結(jié)構(gòu)和微機是基本一 的。編程器 中央處理單元（ CPU）輸出電路系統(tǒng)程序存儲區(qū)用戶程序存儲區(qū)電源圖PLC硬件的基本結(jié)構(gòu)圖（1）中央處理單元（ CPU）中央處理單元（CPU是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能，接 受并存儲從編程器

6、鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)，檢查電源、存儲器、 I/O 以及警戒定 時器的狀態(tài)，并能檢查用戶程序的語法錯誤。當(dāng)PLC投入運行時，首先它以掃描 的方式接受現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)， 并分別存入 I/O 映象區(qū) , 然后從用戶 程序存儲器中逐條讀取用戶程序， 經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術(shù) 運算等任務(wù)。 并將邏輯或算術(shù)運算等結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。 等所 有的用戶程序執(zhí)行完畢以后， 最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的 數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行為止。（ 2）存儲器與微型計算機一樣，除了硬件以外，還必須有軟件。才能構(gòu)成一臺完整的PLC。

7、PLC的軟件分為兩部分：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng) 程序存儲器。PLC存儲空間的分配：雖然大、中、小型PLC的CPU勺最大可尋址存儲空間各不 相同，但是根據(jù)PLC的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域： 系統(tǒng)程序 存儲區(qū)，系統(tǒng)RAM存儲區(qū)（包括I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）和用戶程序存儲區(qū)。A. 系統(tǒng)程序存儲區(qū) 在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當(dāng)于計算機操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。它包括監(jiān)控程 序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷程序等。由制造廠商將其 固化在EPRO中，用戶不能夠直接存取。它和硬件一起決定了該PLC的各項功能B.系統(tǒng)RAM存儲區(qū)系統(tǒng)RAM存儲區(qū)包括I/O

8、映象區(qū)以及各類軟設(shè)備（例如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、 計時器、計數(shù)器、變址寄存器、累加器等）存儲區(qū)。A） I/O 映象區(qū)由于PLC投入運行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。 因此，它需要有一定數(shù)量的 存儲單元（RAM以供存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些存儲單元稱作I/O映象區(qū)。 一個開關(guān)量 I/O 占用存儲單元中的一個位（ bit ）, 一個模擬量 I/O 占用存儲單 元中的一個字（ 16個 bit） 。因此，整個 I/O 映象區(qū)可看作由開關(guān)量的 I/O 映象 區(qū)和模擬量的 I/O 映象區(qū)兩部分組成。（B）系統(tǒng)軟設(shè)備存儲區(qū)除了 I/O

9、映象區(qū)以外，系統(tǒng)RAM存儲區(qū)還包括PLC內(nèi)部各類軟設(shè)備（邏輯線圈、 數(shù)據(jù)寄存器、計時器、計數(shù)器、變址寄存器、累加器等）的存儲區(qū)。該存儲區(qū)又 分為具有失電保持的存儲區(qū)域和無失電保持的存儲區(qū)域，前者在PLC斷電時，由內(nèi)部的鋰電子供電。使這部分存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)得以保留； 后者當(dāng)PLC停止運行 時，將這部分存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)全部置“零”。C用戶程序存儲區(qū)用戶程序存儲區(qū)存放用戶編制的用戶程序。不同類型的PLC其存儲容量各不相同，一般來說，隨著PLC機型增大其存儲容量也相應(yīng)增大。不過對于新型的PLC， 其存儲容量可根據(jù)用戶的需要而改變。D.常用的I/O分類常用的 I/O 分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有2

10、20VAC 110VAC 24VDC按隔離方式分，有繼電器 隔離和晶體管隔離。模擬量：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,14bit,16bit 等。除了上述通用 I/O 外，還有特殊 I/O 模塊，如熱電阻、 熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPL所 能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。(3) PLC電源PLC電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。無論是小型的PLC還是中、大型的PLC其電源的性能都是一樣的，均能對 PLC內(nèi)部

11、的所有器件提供一個穩(wěn)定可 靠的直流電源。一般交流電壓波動在正負 10%(15%)之間，因此可以直接將 PLC 接入到交流電網(wǎng)上去?？删幊绦蚩刂破饕话闶褂?20V交流電源?？删幊绦蚩刂破鲀?nèi)部的直流穩(wěn)壓電源 為各模塊內(nèi)的元件提供直流電壓。 某些可編程序控制器可以為輸入電路和少量的 外部電子檢測裝置(如接近開關(guān))提供24V直流電源。驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的電源 一般由用戶提供。可編程序控制器是從繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的， 它的梯形圖程序與繼電器系統(tǒng) 電路圖相似， 梯形圖中的某些編程元件也沿用了繼電器這一名稱， 如輸入、 輸出 繼電器等。 這種計算機程序?qū)崿F(xiàn)的“軟繼電器”， 與繼電器系統(tǒng)中的物理結(jié)構(gòu)在 功能

12、上某些相似之處。13 PLC 的工作原理可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運行( RUN狀態(tài)與停止(STOP狀 態(tài)。在運行狀態(tài)， 可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功 能。為了使可編程序控制器的輸出及時地響應(yīng)隨時可能變化的輸入信號， 用戶程 序不是只執(zhí)行一次， 而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行， 直至可編程序控制器停機 或切 換到STOPT作狀態(tài)。除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中，可如上圖編程序控制器還要完成， 內(nèi)部處理、 通信處理等工作， 一次循環(huán)可分為 5 個階段。 可編程序控制器的這種 周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計算機執(zhí)行指令的速度極高， 從外部輸入

13、- 輸出關(guān)系來看，處理過程似乎是同時完成的。在內(nèi)部處理聯(lián)合階段。可編程序控制器檢查CPU莫塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān) 控定時器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。在通信服務(wù)階段， 可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信， 響應(yīng) 編程器鍵入的命令， 更新編程器的顯示內(nèi)容。 當(dāng)可編程序控制器處于停止 (STOP) 狀態(tài)時，只執(zhí)行以上的操作?？删幊绦蚩刂破鹛幱? RUN狀態(tài)時，還要完成另 外 3 個階段的操作。在可編程序控制器的存儲器中， 設(shè)置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信號的 狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器。 可編程序控制器梯形圖 中別的編程元件也有對應(yīng)的映像存儲區(qū)， 它們

14、統(tǒng)稱為元件映像寄存器。 在輸入處 理階段，可編程序控制器把所有外部輸入電路的接通 /斷開(ON/OFF狀態(tài)讀入 輸入寄存器。外接的輸入觸點電路接通時，對應(yīng)的輸入映像寄存器為“ 1”狀態(tài)，梯形圖中對 應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點接通， 常閉觸點斷開。 外接的輸入觸點電路斷開， 對 應(yīng)的輸入映像寄存器為“ 0”狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點斷開， 常閉觸點接通。 在程序執(zhí)行階段， 即使外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了變化， 輸入映 像寄存器的狀態(tài)也不會隨之而變， 輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個掃描周期 的輸入處理階段被讀入?？删幊绦蚩刂破鞯挠脩舫绦蛴扇舾蓷l指令組成， 指令在存儲器中按步序號順序排

15、列。在沒有跳轉(zhuǎn)指令時，CPU從第一條指令開始，逐條順序的執(zhí)行用戶程序，直 到用戶程序結(jié)束之處。 在執(zhí)行指令時， 從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器 中將有關(guān)編程元件的 0/1 狀態(tài)讀出來，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運算， 運算結(jié)果寫入到對應(yīng)的元件映像寄存器中， 因此，各編程元件的映像寄存器 (輸 入映像寄存器除外)的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。在輸出處理階段，CPU將輸出映像寄存器的0/1狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。體型圖 某一輸出繼電器的線圈“通電”時，對應(yīng)的輸出映像寄存器為“ 1”狀態(tài)。信號 經(jīng)輸出模塊隔離和功率放大后， 繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈通 電，其常開觸點閉合，使外部

16、負載通電工作。若梯形圖中輸出繼電器線圈斷電對應(yīng)的輸出映像寄存器為“ 0”狀態(tài)，在輸出處 理階段后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈斷電， 其常開觸點斷開， 外部負載斷電，停止工作。某一編程元件對應(yīng)的映像寄存器為“ 1”狀態(tài)時，稱 該編程元件為ON映像寄存器為“ 0”狀態(tài)時，稱該編程元件為 OFF掃描周期可編程序控制器在RUNX作狀態(tài)時，執(zhí)行一次掃描操作所需的時間稱為 掃描周期，其典型值為1100ms指令執(zhí)行所需的時間與用戶程序的長短、指令 的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關(guān)系。當(dāng)用戶程序較長時，指令執(zhí)行時間 在掃描周期中占相當(dāng)大的比例。 不過嚴格地來說掃描周期還包括自診斷、 通信等

17、。 如圖所示。第(N-1)個掃描周期輸出刷新第 (N+1) 個掃描周期輸入采樣輸入采樣輸出刷新第N個掃描周期用戶程序執(zhí)行圖 PLC 的掃描運行方式（1）輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次讀入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)它們存入 I/O 映象區(qū)的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序行和輸出刷新 階段。在這兩個階段中，即使輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化 I/O 映象區(qū)的相應(yīng)單元的 數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會改變。所以輸入如果是脈沖信號，它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。（2）用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC的CPU總是由上而下，從左到右的順序依次的掃描梯 形圖。

18、并對控制線路進行邏輯運算，并以此刷新該邏輯線圈或輸出線圈在系統(tǒng) RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)?；蛘叽_定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指 令。例如：算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達等。（3）輸出刷新階段在輸出刷新階段，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有的數(shù)據(jù)鎖存 電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動響應(yīng)的外設(shè)。這時才是 PLC真正的輸出。（4）輸入/輸出滯后時間輸入/輸出滯后時間又稱系統(tǒng)響應(yīng)時間，是指可編程序控制器的外部輸入信號發(fā) 生變化的時刻至它控制的有關(guān)外部輸出信號發(fā)生變化的時刻之間的時間間隔， 它 由輸入電路濾波時間、輸出電路的滯后時間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時間三 部分組成。輸入模塊的C

19、PU濾波電路用來濾除由輸入端引入的干擾噪聲， 消除因外接輸入觸 點動作是產(chǎn)生的抖動引起的不良影響，濾波電路的時間常數(shù)決定了輸入濾波時間 的長短，其典型值為10ms左右。輸出模塊的滯后時間與模塊的類型有關(guān)，繼電器型輸出電路的滯后時間一般在 10ms左右；雙向可空硅型輸出電路在負載接通時的滯后時間約為1ms負載由導(dǎo)通到斷開時的最大滯后時間為10ms晶體管型輸出電路的滯后時間約為 1ms由 掃描工作方式引起的滯后時間最長可達到兩個多掃描周期。 可編程序控制器總的 響應(yīng)延遲時間一般只有幾十 ms,對于一般的系統(tǒng)是無關(guān)緊要的。要求輸入一輸 出信號之間的滯后時間盡量短的系統(tǒng)，可以選用掃描速度快的可編程序控

20、制器或 采取其他措施。14 PLC 機型的選擇方法1. PLC的類型PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)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(yīng)用角度出 發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c數(shù)選型。 整體型PLC的I/O點數(shù)固定，因此 用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；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(tǒng)的 I/O 點數(shù)，功能擴展方便靈活， 一般 用于大中型控制系統(tǒng)。2. 輸入輸出模塊的選擇輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。 例如對輸入模塊， 應(yīng)考慮信號電 平、信號傳輸距離、信號隔

21、離、信號供電方式等應(yīng)用要求。對輸出模塊，應(yīng)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(yīng)時間較長等特點； 可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁， 電感性低功率因數(shù) 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(yīng)用要求應(yīng)一致。 可根據(jù)應(yīng)用要求， 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(yīng)用成本。 考慮是否需要擴展機架或遠程 I/O 機架3. 電源的選擇PLC的供電電源，除了引進設(shè)備時同時引進PLC應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè)計和選 用外，一般PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計選用220VAC電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重

22、要的應(yīng)用場合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。 如果PLC本身帶有可使用電 源時，應(yīng)核對提供的電流是否滿足應(yīng)用要求， 否則應(yīng)設(shè)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(shù)的發(fā)展， 存儲器的價格已下降， 因此， 為保證應(yīng)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(fù)雜控制功能時，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲器。5. 冗余功能的選擇a.控制單元的冗余1 ）重要的過程單元：CPU（包括存儲器）及電源均應(yīng)1B1冗余。（2）在需要時也可選用PLC硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)、2重化或3 重化冗余容錯系統(tǒng)等。b. I/O 接口單元的冗余1）控制回路的多點 I/O 卡應(yīng)冗余配置 （ 2）重要檢測點的多點 I/O 卡可冗余配置。 3）根據(jù)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