基于plc的水塔水位控制系統(tǒng)

1、西西 京京 學(xué)學(xué) 院院 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) （論（論 文）文） 成績成績 題題 目目: : 基于基于 PLCPLC 的水塔水位控制系統(tǒng)的水塔水位控制系統(tǒng) 姓姓 名名: : 馮澤仲馮澤仲 系（院）系（院）: : 機(jī)電工程系機(jī)電工程系 專專 業(yè)業(yè): : 機(jī)電一體化技術(shù)機(jī)電一體化技術(shù) 班班 級(jí)級(jí): : 機(jī)電機(jī)電 09060906 班班 學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào): : 指導(dǎo)老師指導(dǎo)老師: : 蘇禮蘇禮 日日 期期: : 教務(wù)處制 摘摘 要要 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要對(duì)水位進(jìn)行測(cè)量和控制。水位控制在日常生活中應(yīng)用 也相當(dāng)廣泛，比如水塔、地下水、水電站等情況下的水位控制。而水位檢測(cè)可以有多種實(shí) 現(xiàn)方法，如機(jī)械控

2、制、邏輯電路控制、機(jī)電控制等。本文采用 PLC 進(jìn)行主控制，在水箱上 安裝一個(gè)自動(dòng)測(cè)水位裝置。利用水的導(dǎo)電性連續(xù)地全天候地測(cè)量水位的變化，把測(cè)量到的 水位變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，主控臺(tái)應(yīng)用 MCGS 組態(tài)軟件對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理， 完成相應(yīng)的水位顯示、故障報(bào)警信息顯示、實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線的顯示，使水位保持在適 當(dāng)?shù)奈恢谩?關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞： 水位控制、三菱水位控制、三菱 PLCPLC fx2nfx2n 目目 錄錄 第 1 章 緒論 .3 1.1 可編程控制器的產(chǎn)生.3 1.2 PLC 的發(fā)展.5 第 2 章 PLC 的基本結(jié)構(gòu).6 2.1 中央處理單元(CPU).6 2.2 存儲(chǔ)器.7 2

3、.3 輸入/輸出模塊.8 2.4 擴(kuò)展模塊.9 2.5 編程器.9 2.6 電源.11 第 3 章 控制部分 .12 3.1 PLC 的工作原理.12 3.2 梯形圖程序設(shè)計(jì)及工作過程分析.15 3.4 輸入/輸出分配.19 第 4 章 軟件設(shè)計(jì) .21 4.1 工作過程.21 4.2 程序流程圖.21 4.3 梯形圖.23 致 謝25 參考文獻(xiàn) .26 第第 1 1 章章 緒緒論論 1.11.1 可編程控制器的產(chǎn)生可編程控制器的產(chǎn)生 可編程控制器是二十世紀(jì)七十年代發(fā)展起來的控制設(shè)備，是集微處理器、 儲(chǔ)存器、輸入/輸出接口與中斷于一體的器件，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶 金、化工、能源、交通等

4、各個(gè)行業(yè)。計(jì)算機(jī)在操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、通行能力 上的飛速發(fā)展，大大加強(qiáng)了可編程控制器通信能力，豐富了可編程控制器編程 軟件和編程技巧，增強(qiáng)了 PLC 過程控制能力。因此，無論是單機(jī)還是多機(jī)控制、 是流水線控制還是過程控制，都可以采用可編程控制器，推廣和普及可編程控 制器的使用技術(shù)，對(duì)提高我國工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)及生產(chǎn)效率都有十分重要的意義。 可編程控制器(Programmable Controller)也可稱邏輯控制器 (Programmable Logic Controller),是一微處理器為核心的工業(yè)自動(dòng)控制通用 裝置，是計(jì)算機(jī)家族的一名成員，簡稱 PC。為了與個(gè)人電腦（也簡稱 PC）相混 淆

5、通常將可編程控制器稱為 PLC。 可編程控制器的產(chǎn)生和繼電器接觸器控制系統(tǒng)有很大的關(guān)系。繼電器 接觸器控制已經(jīng)有傷百年的歷史，它是一種弱電信號(hào)控制強(qiáng)電信號(hào)的電磁開關(guān)， 具有結(jié)構(gòu)簡單、電路直觀、價(jià)格低廉、容易操作、易于維修的有優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于工 作模式固定、要求比較簡單的場(chǎng)合非常使用，至今仍有廣泛的用途。但是當(dāng)工 作模式改變時(shí)，就必須改變系統(tǒng)的硬件接線，控制柜中的物件以及接線都要作 相應(yīng)的變動(dòng)，改造工期長、費(fèi)用高，用戶寧愿扔掉舊控制柜，另做一個(gè)新控制 柜使用，阻礙了產(chǎn)品更新?lián)Q代。 隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，市場(chǎng)競爭的激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期日益縮 短，工業(yè)生產(chǎn)從大批量、少品種，向小批量、多品種轉(zhuǎn)換，繼電

6、器接觸器控 制難以滿足市場(chǎng)要求，此問題首先被美國通用汽車公司（GM 公司）提了出來。 通用汽車公司為適合汽車型號(hào)的不斷翻新，滿足用戶對(duì)產(chǎn)品多樣性的需求，公 開對(duì)外招標(biāo)，要求制造一種新的工業(yè)控制裝置，取代傳統(tǒng)的繼電器接觸器控 制。其對(duì)新裝置性能提出的要求就是著名的 GM10 條，即: 1. 編程方便，現(xiàn)場(chǎng)可修改程序； 2. 維修方便，采用模塊化結(jié)構(gòu)； 3. 可靠性高于繼電器控制裝置； 4. 體積小于繼電器控制裝置； 5. 數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)； 6. 成本可與繼電器控制裝置競爭； 7. 輸入可以是交流 115V； 8. 輸出為交流 115V，2A 以上，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥，接觸器等； 9. 在

7、擴(kuò)展時(shí)，原系統(tǒng)只要很小變更； 10. 用戶程序存儲(chǔ)器容量至少能擴(kuò)展到 4K。 這十項(xiàng)指標(biāo)就是現(xiàn)代 PLC 的最基本功能，值得注意的是 PLC 并不等同于普 通計(jì)算機(jī)，它與有關(guān)的外部設(shè)備，按照“易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一體”和 “便于擴(kuò)充功能”的原則來設(shè)計(jì)。 用可編程控制器代替了繼電器接觸器的控制，實(shí)現(xiàn)了邏輯控制功能，并 且具有計(jì)算機(jī)功能靈活、通用性等有點(diǎn)，用程序代替硬接線，并且具有計(jì)算機(jī) 功能靈活、通用性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，用程序代替硬接線，減少了重新設(shè)計(jì)，重新接 線的工作，此種控制器借鑒計(jì)算機(jī)的高級(jí)語言，利用面向控制過程，面向問題 的“自然語言”編程，其標(biāo)志性語言是極易為 IT 電器人員掌握的梯形圖語

8、言， 使得部熟悉計(jì)算機(jī)的人也能方便地使用。這樣，工作人員不必在變成上發(fā)費(fèi)大 量地精力，只需集中精力區(qū)考慮如何操作并發(fā)揮改裝置地功能即可，輸入、輸 出電平與市電接口，市控制系統(tǒng)可方便地在需要地地方運(yùn)行。所以，可編程控 制器廣泛地應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。 1969 年，第一臺(tái)可編程控制器 PDP14 由美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）制作 成功，并在 GM 公司汽車生產(chǎn)線上使用取得良好的效果，可編程控制器由此誕生， 在控制領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)生了歷史性革命。 PLC 問世時(shí)間不長，但是隨著微處理器的發(fā)展，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電 路不斷出現(xiàn)，數(shù)據(jù)通信技術(shù)不斷進(jìn)步，PLC 迅速發(fā)展。PLC 進(jìn)入九十年代后，工 業(yè)控制領(lǐng)域幾乎

9、全被 PLC 占領(lǐng)。國外專家預(yù)言，PLC 技術(shù)將在工業(yè)自動(dòng)化的三 大支柱（PLC、機(jī)器人和 CAC/CAM）種躍居首位。 我國在八十年代初才開始使用 PLC，目前從國外應(yīng)進(jìn)的 PLC 使用較為普遍 的由日本 OMRON 公司 C 系列、三菱公司 F 系列、滅國 GE 公司 GE 系列和德國西 門子公司 S 系列等。 1.21.2 PLCPLC 的發(fā)展的發(fā)展 雖然 PLC 問世時(shí)間不長，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模，超大規(guī)模集 成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的不斷進(jìn)步，PLC 也迅速發(fā)展，其發(fā)展 過程大致可分為三各階段： 早期的 PLC 一般稱為可編程邏輯控制器。這是的 PLC 多少由電繼

10、電器控制 裝置的替代物的含義，其主要功能只是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、定 時(shí)等。它在硬件上 以計(jì)算機(jī)的形式出現(xiàn)，在 I/O 接口電路上作了改進(jìn)以適應(yīng)工 業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的要求。裝置種的器件主要采用分離元件和中小規(guī)模集成電路，存 儲(chǔ)器采用磁芯存儲(chǔ)器。另外還采取了一些措施，以提高其抗干擾的能力。在軟 件編程上采用廣大電器工程技術(shù)人員所熟悉的繼電器控制線路的方式梯形圖。 因此，早期的 PLC 的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點(diǎn)包括簡單易懂，便于 安裝，體積小，能耗低，有故障指示，能重復(fù)使用等。其中 PLC 特有的編程語 言梯形圖一直沿用至今。 在七十年代，微處理器的出現(xiàn)使 PLC 發(fā)生了巨大的變化。

11、美國，日本，德 國等一些廠家先后開始采用微處理器作為 PLC 的中央處理單元（CPU）。 這樣，使 PLC 的功能大大增強(qiáng)。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運(yùn)算、 計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等功能以外，還增加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷 等功能。再硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量快、 遠(yuǎn)程 I/O 模塊、各種特殊功能模塊。并擴(kuò)大了存儲(chǔ)器的容量，是各種邏輯線圈 的數(shù)量增加，還提供了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器，使 PLC 的應(yīng)用范圍得以擴(kuò)大。 進(jìn)入八十年代中、后期，由于插大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理 器的市場(chǎng)價(jià)格大幅度下跌，使得各種類型的 PLC 所采用的微處理器的檔次普遍 提

12、高。而且，為了進(jìn)一步提高 PLC 的處理速度，各制造廠商紛紛開發(fā)研制了專 用邏輯處理芯片。這樣使得 PLC 軟、硬功能發(fā)生了巨大變化。 第第 2 2 章章 P PL LC C 的的基基本本結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) PLC 實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī) 相同，、中央處理單元(CPU)，如圖 2.1： 圖 2.1 PLC 的基本結(jié)構(gòu) 2.12.1 中央處理單元中央處理單元(CPU)(CPU) 中央處理單元(CPU)是 PLC 控制中樞。它 PLC 系統(tǒng)程序賦予功能接收并存儲(chǔ) 從編程器鍵入用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O 以及警戒定時(shí)器狀態(tài)， 并能診斷用戶程序中語法錯(cuò)誤。當(dāng)

13、PLC 投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描方式接收現(xiàn) 場(chǎng)各輸入裝置狀態(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(chǔ)器中 逐條讀取用戶程序，命令解釋后按指令規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O 映象區(qū)各 輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止 運(yùn)行。 進(jìn)一步提高 PLC 可靠性，近年來對(duì)大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)， 或采用三 CPU 表決式系統(tǒng)。這樣，某個(gè) CPU 出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。 2.22.2 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 存放系統(tǒng)軟件存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。存放應(yīng)用軟件存儲(chǔ)器

14、稱為用戶 程序存儲(chǔ)器。 1、PLC 常用存儲(chǔ)器類型 （1）RAM （Random Assess Memory） 這是一種讀/寫存儲(chǔ)器(隨機(jī)存儲(chǔ)器)， 其存取速度最快，由鋰電池支持。 （2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）這是一種可擦 除只讀存儲(chǔ)器。斷電情況下，存儲(chǔ)器內(nèi)所有內(nèi)容保持不變。紫外線連續(xù)照射下 可擦除存儲(chǔ)器內(nèi)容)。 （3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)這 是一種電可擦除只讀存儲(chǔ)器。使用編程器就能很容易對(duì)其所存儲(chǔ)內(nèi)容進(jìn)行修改。 2、PLC 存儲(chǔ)空間

15、分配 各種 PLCCPU 最大尋址空間各不相同，PLC 工作原理，其存儲(chǔ)空間一般包括 以下三個(gè)區(qū)域： （1）系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū) （2）系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)（包括 I/O 映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等） （3）用戶程序存儲(chǔ)區(qū) 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)：系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)系統(tǒng)程 序。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)診斷子程序 等。由制造廠商將其固化 EPROM 中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了 該 PLC 性能。 系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)：系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)包括 I/O 映象區(qū)以及各類軟設(shè)備，如： 邏輯線圈；數(shù)據(jù)寄存器；計(jì)時(shí)器；計(jì)數(shù)器；變址寄存器；累加器等存儲(chǔ)器。 （

16、1）I/O 映象區(qū)：PLC 投入運(yùn)行后，輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài) 和數(shù)據(jù)，輸出刷新階段才將輸出狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)外設(shè)。它需要一定數(shù)量存 儲(chǔ)單元(RAM)以存放 I/O 狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作 I/O 映象區(qū)。一個(gè)開關(guān)量 I/O 占用存儲(chǔ)單元中一個(gè)位（bit），一個(gè)模擬量 I/O 占用存儲(chǔ)單元中一個(gè)字 （16 個(gè) bit）。整個(gè) I/O 映象區(qū)可看作兩個(gè)部分組成：開關(guān)量 I/O 映象區(qū)；模 擬量 I/O 映象區(qū)。 （2）系統(tǒng)軟設(shè)備存儲(chǔ)區(qū) ：I/O 映象區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)還包括 PLC 內(nèi)部各類軟設(shè)備（邏輯線圈、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等）存儲(chǔ) 區(qū)。該存儲(chǔ)區(qū)又分為具

17、有失電保持存儲(chǔ)區(qū)域和無失電保持存儲(chǔ)區(qū)域，前者 PLC 斷電時(shí)，由內(nèi)部鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會(huì)遺失；后者當(dāng) PLC 斷電時(shí)，數(shù)據(jù)被清零。 用戶程序存儲(chǔ)區(qū)：主要用來存放用戶的應(yīng)用程序。所謂用戶程序時(shí)指使用 戶根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)的的產(chǎn)生過程和工藝要求編寫的控制程序。次程序由使用者通 過編程器輸入到 PLC 機(jī)的 RAM 存貯器中，以便于用戶隨時(shí)修改。也可將用戶程 序存放在 EEPROM 中。 2.32.3 輸入輸入/ /輸出模塊輸出模塊 輸入/輸出模塊是可編程控制器與工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程連接的借口。 現(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)，如按鈕開關(guān)，行程開關(guān)、限位開關(guān)以及傳感輸出的開關(guān)量或 模擬量（壓力、流量、溫度、電壓、電

18、流）等，都要通過輸入模塊送到 PLC。 由于這些信號(hào)電平各式各樣，而可編程控制器 CPU 所處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電 平，所以輸入模塊還需將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成 PLC 能夠接受和處理的數(shù)字信號(hào)。輸 入模塊的作用是接收中央處理器處理過的數(shù)字信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行部 件所能接收的控制信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)如電磁閥、燈光顯示、電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？删?程控制器有多種輸入/輸出模塊其類型有數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸 出模塊。這些模塊分直流和交流、電壓和電流類型，每種類型又有不同的參數(shù) 等級(jí)，主要有數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入輸出/模塊，部件上都設(shè)有接 線端子排，為了濾除信號(hào)的噪聲和便于 PLC 內(nèi)部對(duì)信

19、號(hào)的處理，這些模塊上都 帶有濾波、電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)鎖存電路。數(shù)字量輸入模塊帶有廣電耦合電路，其 目的是把 PLC 與外部電路隔離起來，以提高 PLC 的抗干擾能力。數(shù)字兩輸出有 繼電器輸出、晶體管輸出和可控硅輸出三種方式。模擬量輸入/輸出模塊主要用 來實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，即 A/D 或 D/A 轉(zhuǎn)換。由于工業(yè)控制系統(tǒng)中 有傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一些信號(hào)是連續(xù)變化的模擬量，因此這些模擬量必須通 過模擬量輸入/輸出模塊與 PLC 的中央處理器連接。模擬量輸入模塊 A/D 轉(zhuǎn)換后 的二進(jìn)制數(shù)字量，經(jīng)光電耦合器和輸出鎖存器宇 PLC 的 1/0 總線掛接?，F(xiàn)在標(biāo) 準(zhǔn)量程的模擬電壓主要是 05 伏和

20、 010 伏兩種。另外還有：0somV、0 IV、5+SV、10+10V，010mA 等。模擬量輸入模塊接收標(biāo)準(zhǔn)量程的模 擬電壓或電流猴，把它轉(zhuǎn)換成 8 未、10 未或 12 位的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，送給中 央處理器進(jìn)行處理。模擬量輸出模塊將中央處理器的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo) 準(zhǔn)量程的電壓或電流輸出信號(hào)，提供給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 2.42.4 擴(kuò)展模塊擴(kuò)展模塊 當(dāng)一個(gè) PLC 中心單元的 I/O 點(diǎn)數(shù)不夠用時(shí)，就要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展接 口就是用于連接中心基本單元與擴(kuò)展單元的。模塊隨著可編程控制器在工業(yè)控 制中的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，使可編程控制器的功能更加強(qiáng)大和完善。只能 I/O 接 口模塊種類很多，例如高速

21、計(jì)數(shù)模塊、PLCA 控制模塊、數(shù)字位基于 PLC 的變頻 恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)置譯碼模塊、閥門控制模塊、智能存貯弄快以及智能 I/O 模塊等。 2.52.5 編程器編程器 它的作用是供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。有的編程器還可 與打印機(jī)或磁帶機(jī)相連，以將用戶程序和有關(guān)信息打印出來或存放在它的作用 是供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。有的編程器還可與打印機(jī)或磁 帶機(jī)相連，以將用戶程序和有關(guān)信息打印出來或存放在磁帶上，磁帶上的信息 可以重新裝入 PLC。 目前編程器主要有以下三種類型： 1.便攜式編程器(也叫簡易編程器)；2.圖形編程器；3.用于 IBMPC 及其 兼容機(jī)的編程器。

22、便于攜帶的特點(diǎn)，一般只能用指令形式編程，通過按鍵輸入指令，通過數(shù) 碼管或液晶顯示器加以顯示、這種編程器適合小型可編程控制器的編程要求。 圖形編程器以液晶顯示器(LCD)或陰極射線管(CRT)作屏幕，用來顯示編程 內(nèi)容和提供如輸入、輸出、輔助繼電器的占有情況、程序容量等各種信息，還 可在調(diào)試程序、檢查程序執(zhí)行時(shí)顯示各種信號(hào)狀態(tài)、出錯(cuò)提示等。 使用圖形編程器可以月多種編程語言編程，梯形圖顯示在屏幕上十分直觀。 圖形編程器還可與打印機(jī)、錄音機(jī)、繪畫儀等設(shè)備連接，有較強(qiáng)的監(jiān)控功能。 但它的價(jià)格高，適用于中、大型可編程控制器的編程要求。 用于 IBMPC 及其兼容機(jī)的編程器是個(gè)人計(jì)算機(jī)加上適當(dāng)?shù)挠布涌?/p>

23、和軟 件包作為編程器，也可直接編制成梯形圖，其監(jiān)控功能也很強(qiáng)。編程器工作方 式主要有編程和監(jiān)控兩種，編程工作方式是在 PLC 機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)可以進(jìn)行 編程，它的功能主要是輸入新的程序，或者對(duì)已有的程序予以編輯和修改。 監(jiān)控工作方式可以對(duì)運(yùn)行中的控制器工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和跟蹤，一般可以 對(duì)某一線圈或觸點(diǎn)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，也可以對(duì)成組器件的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān) 視，還可以跟蹤某一器件在不同時(shí)間的工作狀態(tài)，除搜索、監(jiān)視、跟蹤外，還 可以對(duì)一些器件進(jìn)行操作。因此編程器的監(jiān)控方式對(duì)控制器中新輸入程序的調(diào) 試與試運(yùn)行是非常有用和方便的。編程器的結(jié)構(gòu)一般包括顯示部分與鍵盤部分。 顯示一般用液晶顯示器，主要的顯示

24、內(nèi)容包括地址、數(shù)據(jù)、工作方式、指令執(zhí) 行情況及系統(tǒng)工作狀態(tài)等。鍵盤有單功能鍵和雙功能鍵，在使用雙功能鍵的時(shí) 候鍵盤中都備有一個(gè)選擇鍵，以選擇其中一種方式工作。 現(xiàn)在產(chǎn)品越來越模塊化，可編程控制器也不例外，它的結(jié)構(gòu)緊密、堅(jiān)固， 外形小巧，CPU 本身只提供了一定數(shù)量的數(shù)字輸入和輸出點(diǎn)數(shù)。不同廠家、不 同型號(hào)的 PLC 的輸入輸出點(diǎn)數(shù)也不同，有的大型機(jī)輸入輸出點(diǎn)數(shù)可達(dá) 16K，而很多小型機(jī)僅有 10 來點(diǎn)，而且 CPU 本身不帶模擬輸入與輸出，但 CPU 一般都帶有擴(kuò)展接口。因此，用戶選型后，所需的輸入或輸出點(diǎn)數(shù)不夠時(shí)，就 需對(duì)系統(tǒng)做出必要的擴(kuò)展，各個(gè)廠家也生產(chǎn)了專用于擴(kuò)展用的各模板供用戶選 用。

25、擴(kuò)展模板的外形一般也小巧、堅(jiān)固，有易于接線的端子排，帶有擴(kuò)展總線 或通過總線連接器與 CPU 相連。主要有數(shù)字輸入輸出模板，模擬輸入輸出 模板，熱電阻、熱電偶擴(kuò)展模板，還有智能模板等許多具有專用功能的特殊模 板。 用擴(kuò)展模板來擴(kuò)展系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點(diǎn)： 用戶可根據(jù)自己時(shí)間控制系統(tǒng)的要求，選用各種合適的擴(kuò)展模塊對(duì) PLC 作 硬件組態(tài)，以求達(dá)到各種功能或控制精度，同時(shí)節(jié)省開支，減少不必要的投資。 當(dāng)已運(yùn)行的系統(tǒng)需要改造或擴(kuò)充時(shí)，PLC 可以隨時(shí)進(jìn)行升級(jí)或改版，所作 的工作僅僅是替換或增加擴(kuò)展模板和修改相應(yīng)的控制軟件。特殊模板及智能模 板的開發(fā)將進(jìn)一步擴(kuò)展可編程控制的功能，專用模板的開發(fā)不僅擴(kuò)大了可

26、編程 控制系統(tǒng)的控制功能，而且將進(jìn)一步提高控制質(zhì)量與可靠性。 2.62.6 電源電源 PLC 中的電源一般有三類： 1、+5V、15V 直流電源：供 PLC 中 TTL 芯片和集成運(yùn)放使用； 2、供輸出接口使用的高壓大電流的功率電源； 3、鋰電池及其充電電源。 考慮到系統(tǒng)的可靠性以及光電隔離器的使用，不同類型的電源其地線也不 同。 目前 PLC 的發(fā)展非常迅速，型號(hào)眾多，各種特殊功能模板不斷涌現(xiàn)。通常 根據(jù)其 I/O 點(diǎn)的數(shù)量將 PLC 分為三大類： 小型機(jī)：256 點(diǎn)以下（無模擬量）； 中型機(jī)：256 2048 點(diǎn)（64 128 路模擬量）； 大型機(jī)：2048 點(diǎn)以上（128 512 路模擬

27、量）。 具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，通常采用模板式結(jié)構(gòu)，以便用戶根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行配置。 但一些小型機(jī)常制作成一體機(jī)，其配置固定，主要供定型成套設(shè)備使用；而一 些大型機(jī)一般在電源、或者 CPU，甚至兩者都作了熱備份。 PLC 特點(diǎn) (一) 高可靠性 1. 所有的 I/O 接口電路均采用光電隔離使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與 PLC 內(nèi)部 電路之間電氣上隔離 2. 各輸入端均采用 R-C 濾波器其濾波時(shí)間常數(shù)一般為 1020ms. 3. 各模塊均采用屏蔽措施以防止輻射干擾 4. 采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源 5. 對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選 6. 良好的自診斷功能一旦電源或其他軟硬件發(fā)生異常情況 CPU 立即采用有 效措施以

28、防止故障擴(kuò)大 7. 大型 PLC 還可以采用由雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三 CPU 構(gòu)成表決系統(tǒng),使 可靠性更進(jìn)一步提高 (二) 豐富的 I/O 接口模塊 1. PLC 針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓 或電流；脈沖或電位；強(qiáng)電或弱電等。 2. 有相應(yīng)的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備如：按鈕；行程開關(guān)；接近 開關(guān)；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥。 3. 直接連接另外為了提高操作性能它還有多種人-機(jī)對(duì)話的接口模塊; 為 了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊等等。 (三) 采用模塊化結(jié)構(gòu) 為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要除了單元式的小型 PLC 以外，絕大多數(shù)

29、 PLC 均 采用模塊化結(jié)構(gòu)，PLC 的各個(gè)部件包括 CPU 電源 I/O 等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由 機(jī)架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 (四) 編程簡單易學(xué) PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對(duì)使用者來說 不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。 (五) 安裝簡單維修方便 PLC 不需要專門的機(jī)房可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行，使用時(shí)只需將現(xiàn)場(chǎng)的 各種設(shè)備與 PLC 相應(yīng)的 I/O 端相連接即可投入運(yùn)行，各種模塊上均有運(yùn)行和故 障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障，由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此 一旦某模塊發(fā)

30、生故障用戶可以通過更換模塊的方法使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。 第第 3 3 章章 控控制制部部分分 3.13.1 PLCPLC 的工作原理的工作原理 最初研制生產(chǎn)的 PLC 主要用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器接觸器構(gòu)成的控制裝置， 但這兩者的運(yùn)行方式是不相同的： （1）繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運(yùn)行的方式，即如果這個(gè)繼電器的線 圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點(diǎn)（包括其常開或常閉觸點(diǎn)）在繼電器控制 線路的哪個(gè)位置上都會(huì)立即同時(shí)動(dòng)作。 （2）PLC 的 CPU 則采用順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)行方式，即如果一個(gè)輸 出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)(包括其常開或常閉觸點(diǎn)) 不會(huì)立即動(dòng)作，必須等掃描到該

31、觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作。 為了消除二者之間由于運(yùn)行方式不同而造成的差異，考慮到繼電器控制裝 置各類觸點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)間一般在 100ms 以上，而 PLC 掃描用戶程序的時(shí)間一般均 小于 100ms，因此，PLC 采用了一種不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式-掃描 技術(shù)。這樣在對(duì)于 I/O 響應(yīng)要求不高的場(chǎng)合，PLC 與繼電器控制裝置的處理結(jié) 果上就沒有什么區(qū)別了。 1、掃描技術(shù) 當(dāng) PLC 投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入 采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周 期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。 如下圖： 圖 3.1 P

32、LC 掃描周期 （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態(tài)和數(shù)據(jù)，并將 它們存入 I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行 和輸出刷新階段。在這兩個(gè)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(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該 脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)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 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(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控 制線路，并按先左后右、先上

33、后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn) 算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)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(duì)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(diǎn) 在 I/O 映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在 I/O 映 象區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)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(huì)對(duì)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(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作

34、用。 （3）輸出刷新階段 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC 就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU 按照 I/O 映象區(qū)內(nèi)對(duì)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(dòng) 相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是 PLC 的真正輸出。 2、PLC 的 I/O 響應(yīng)時(shí)間 為了增強(qiáng) PLC 的抗干擾能力，提高其可*性，PLC 的每個(gè)開關(guān)量輸入端都采 用光電隔離等技術(shù)。為了能實(shí)現(xiàn)繼電器控制線路的硬邏輯并行控制，PLC 采用 了不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式（掃描技術(shù)）。以上兩個(gè)主要原因，使得 PLC 得 I/O 響應(yīng)比一般微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)滿的多，其響應(yīng)時(shí)間至 少等于一個(gè)掃描周期，一般均大于一個(gè)掃描周期甚

35、至更長。所謂 I/O 響應(yīng)時(shí)間 指從 PLC 的某一輸入信號(hào)變化開始到系統(tǒng)有關(guān)輸出端信號(hào)的改變所需的時(shí)間。 如下圖： 圖 3.2 PLC 掃描周期示意圖 3.23.2 梯形圖程序設(shè)計(jì)及工作過程分析梯形圖程序設(shè)計(jì)及工作過程分析 梯形圖編程語言是一種圖形化編程語言，它沿用了傳統(tǒng)的繼電接觸器控制 中的觸點(diǎn)、線圈、串并聯(lián)等術(shù)語和圖形符號(hào)，與傳統(tǒng)的繼電器控制原理電路圖 非常相似，但又加入了許多功能強(qiáng)而又使用靈活的指令，它比較直觀、形象， 對(duì)于那些熟悉繼電器一接觸器控制系統(tǒng)的人來說，易被接受。繼電器梯形圖多 半適用于比較簡單的控制功能的編程，絕大多數(shù) PLC 用戶都首選使用梯形圖編 程。 指令是用英文名稱

36、的縮寫字母來表達(dá) PLC 的各種功能的助記符號(hào)，類似于 計(jì)算機(jī)匯編語言。由指令構(gòu)成的能夠完成控制任務(wù)的指令組合就是指令表，每 一條指令一般由指令助記符和作用器件編號(hào)組成，比較抽象，通常都先用其它 方式表達(dá)，然后改寫成相應(yīng)的語句表，編程設(shè)備簡單價(jià)廉。 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖語言(SFC)類似于計(jì)算機(jī)常用的程序框圖，但有它自己的規(guī)則， 描述控制過程比較詳細(xì)具體，包括每一框前的輸入信號(hào)，框內(nèi)的判斷和工作內(nèi) 容，框后的輸出狀態(tài)。這種方式容易構(gòu)思，是一種常用的程序表達(dá)方式。 高級(jí)語言類似于 BACIC 語言、C 語言等，它們?cè)谀承S家的 PLC 中應(yīng)用。 通常微、小型 PLC 主要采用繼電器梯形圖編程，其編程的一般

37、規(guī)則有： 1)梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列。每一個(gè)邏輯行起始于左母線 然后是觸點(diǎn)的各種連接，最后是線圈或線圈與右母線相連，整個(gè)圖形呈階梯形。 梯形圖所使用的元件編號(hào)地址必須在所使用 PLC 的有效范圍內(nèi)。 2)梯形圖是 PLC 形象化的編程方式，其左右兩側(cè)母線并不接任何電源，因 而圖中各支路也沒有真實(shí)的電流流過。但為了讀圖方便，常用“有電流”、 “得電”等來形象地描述用戶程序解算中滿足輸出線圈的動(dòng)作條件，它僅僅是 概念上虛擬的“電流”，而且認(rèn)為它只能由左向右單方向流：層次的改變也只 能自上而下。 3)梯形圖中的繼電器實(shí)質(zhì)上是變量存儲(chǔ)器中的位觸發(fā)器，相應(yīng)某位觸發(fā)器 為“l(fā) 態(tài)”，表示該繼

38、電器線圈通電，其動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，動(dòng)斷觸點(diǎn)打開，反之 為“o 態(tài)”。梯形圖中繼電器的線圈又是廣義的，除了輸出繼電器、內(nèi)部繼電 器線圈外，還包括定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器、狀態(tài)器等的線圈以及各種比 較、運(yùn)算的結(jié)果。 4)梯形圖中信息流程從左到右，繼電器線圈應(yīng)與右母線直接相連，線圈的 右邊不能有觸點(diǎn)，而左邊必須有觸點(diǎn)。 5)繼電器線圈在一個(gè)程序中不能重復(fù)使用：而繼電器的觸點(diǎn)，編程中可以 重復(fù)使用，且使用次數(shù)不受限制。 6)PLC 在解算用戶邏輯時(shí)，是按照梯形圖由上而下、從左到右的先后順序 逐步進(jìn)行的，即按掃描方式順序執(zhí)行程序，不存在幾條并列支路同時(shí)動(dòng)作，這 在設(shè)計(jì)梯形圖時(shí)，可以減少許多有約束關(guān)系的聯(lián)鎖

39、電路，從而使電路設(shè)計(jì)大大 簡化。所以，由梯形圖編寫指令程序時(shí)，應(yīng)遵循自上而下、從左到右的順序， 梯形圖中的每個(gè)符號(hào)對(duì)應(yīng)于一條指令，一條指令為一個(gè)步序。 當(dāng) PLC 運(yùn)行時(shí)，用戶程序中有眾多的操作需要去執(zhí)行，但 CPU 是不能同時(shí) 去執(zhí)行多個(gè)操作的，它只能按分時(shí)操作原理每一時(shí)刻執(zhí)行一個(gè)操作。這種分時(shí) 操作的過程稱為 CPU 對(duì)程序的掃描。掃描從 0000 號(hào)存儲(chǔ)地址所存放的第一條用 戶程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按存儲(chǔ)地址號(hào)遞增順序逐條掃描 用戶程序，也就是順序逐條執(zhí)行用戶程序，直到程序結(jié)束。每掃描完一次程序 就構(gòu)成一個(gè)掃描周期，然后再從頭開始掃描，并周而復(fù)始。 水塔水位系統(tǒng) PLC

40、硬件設(shè)計(jì) 水塔水位控制裝置圖 圖 3.3 水位控制系統(tǒng)簡圖 要求獨(dú)立完成水塔水位控制 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試。 1）保持水池的水位在 S3S4 之間，當(dāng)水池水位低于下限液位開關(guān) S3， 此時(shí) S3 為 ON，電磁閥打開，開始往水池里注水，當(dāng) 5S 以后，若水池水位沒有 超過水池下限液位開關(guān) S3 時(shí)，則系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)；若系統(tǒng)正常運(yùn)行，此時(shí)水池下 限液位開關(guān) S3 為 OFF，表示水位高于下限水位。當(dāng)頁面高于上限水位 S4 時(shí)， 則 S4 為 ON，電磁閥關(guān)閉。 2）保持水塔的水位在 S1S2 之間，當(dāng)水塔水位低于水塔下限水位開關(guān) S2 時(shí)，則水塔下限液位開關(guān) S2 為 ON，則驅(qū)動(dòng)電機(jī) M 開始

41、工作，向水塔供水。 當(dāng) S2 為 OFF 時(shí)，表示水塔水位高于水塔下限水位。當(dāng)水塔液面高于水塔上限水 位開關(guān) S1 時(shí)，則 S1 為 ON，電機(jī) M 停止抽水。 當(dāng)水塔水位低于下限水位時(shí)，同時(shí)水池水位也低于下限水位時(shí)，電機(jī) M 不 能啟動(dòng)。如圖 3.4，為水塔水位系統(tǒng)控制電路 水塔上限液位開關(guān) S1 水塔下限液位開關(guān) S2 水池上限液位開關(guān) S4 水池下限液位開關(guān) S3 水塔 電機(jī) M 水池 電磁閥 水流 圖 3.4 水塔水位系統(tǒng)控制主電路圖 3.43.4 輸入輸入/ /輸出分配輸出分配 表 3.1 水塔水位系統(tǒng) PLC 的輸入/輸出接口分配表 輸入 繼電器 輸入變量名 輸出 繼電器 輸出變量

42、名 X0 控制開關(guān) Y0 電磁閥 X1 水塔上限液位開關(guān) Y1 電機(jī) M X2 水塔下限液位開關(guān) Y2 水池下限指示燈 a1 X3 水池下限液位開關(guān) Y3 水池上限指示燈 a2 X4 水池上限液位開關(guān) Y4 水塔下限指示燈 a3 Y5 水塔上限指示燈 a4 Y6 報(bào)警指示燈 a5 水塔水位系統(tǒng)的輸入/輸出設(shè)備 這是一個(gè)單體控制小系統(tǒng)，沒有特殊的控制要求，它有 5 個(gè)開關(guān)量，開關(guān) 量輸出觸點(diǎn)書有 8 個(gè)，輸入、輸出觸點(diǎn)數(shù)共有 13 個(gè)，只需選用一般中小型控制 器即可。據(jù)此，可以對(duì)輸入、輸出點(diǎn)作出地址分配，水塔水位控制系統(tǒng)的 I/O 接線圖如圖 3.5： 圖 3.5 水塔水位控制系統(tǒng)的 I/O 接線圖 X0 X1 X2 X3 X4 COM Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 傳感器 1 傳感器 2 傳感器 3 傳感器 4 電磁閥 電機(jī)M SB 水池下限指示燈 a