【文章內(nèi)容簡介】 在各個部門得到了迅速的發(fā)展普及。此外這種控制器的特色還在于安裝容易，占用空間小，可重復使用。它具有工廠通用的梯形圖編程語言，盡管控制器編程有些復雜，即使不熟悉計算機的人也能更好的應用它。 70 年代初，金屬業(yè)和制造業(yè)等工業(yè)部門在利用 PLC 控制系統(tǒng)上邁出了一大步。集成電路的出現(xiàn)時可篇程序控制器的發(fā)展產(chǎn)生很大變化。微處理器和 位片處理器也開始被使用。它在邏輯運算功能的基礎上，增加了數(shù)值運算、擴大了輸入輸出規(guī)模。這個時期由于超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使 PLC 向大規(guī)模、高速性能方向發(fā)展，形成了多種系列化的產(chǎn)品。這時面向工程技術人員的編程語言發(fā)展也比較成熟了，出現(xiàn)了工藝人員使用的專門圖形語言。特別是在某些功能上，繼電器控制不了的裝置， PLC 可以代替。比如某些模擬控制裝置，這是特別前端的。與此同時，許多國家都陸續(xù)研制出了自己的 PLC 產(chǎn)品，我國比較晚一些，是在 1974 年開始研制的。隨著 PLC 的軟硬件功能進一步得到加強， PLC 已發(fā)展成為一種可提供諸多功能的成熟的控制系統(tǒng)，能與其它設備通訊、調(diào)度產(chǎn)生、生成報表、可診斷故障代碼等。在今天看來，這些都符合 PLC 對高質(zhì)量高產(chǎn)出的要求。盡管 PLC 功能越來越強，但他仍然保留了先前的簡單與易于使用的優(yōu)勢。 PLC 的發(fā)展趨勢 PLC 和繼電器控制相比，有高可靠性、小體積、容易掌握、價格便宜等特點。它作為工控機的一員，已成為許多工業(yè)國家自動化系統(tǒng)的基本電氣控制裝置。據(jù)不完全統(tǒng)計，當今世界 PLC 生產(chǎn)廠家大約 200 多家，生產(chǎn)超過 350 個品種。 2021 年銷售額約為 76億美元，占市場份額的 50%， 2021 年銷售額約 89億美元，占工控機市場份額的 62%， PLC 繼續(xù)保持上升的勢頭。上世紀 60 年代末 PLC 在引入我國時，只適用于一些單一的控制，其功能也只是將操作接到離散量輸出的接觸器上，僅僅完成以繼電器梯形邏輯的操作。新產(chǎn)生的一代 PLC 其應用已經(jīng)從開關量控制擴大到模擬量。 向集成化方向的發(fā)展 控制領域，已成功地應用于航天、冶金、輕工等行業(yè)。與此同時， PLC 也面 泰山學院本科畢業(yè)論文 11 臨著其它行業(yè)工控產(chǎn)品的挑戰(zhàn)，各廠家正采取措施不斷改進產(chǎn)品。 提高控制系統(tǒng)的復雜性和難度性 ，使得 PLC 朝著集成化的方向發(fā)展，現(xiàn)在主要是 PLC 和 PC 集成、 PLC 和 PID 集成等等，這些都強化了網(wǎng)絡化與通訊能力，值得一體的是以 PC 為基礎的控制產(chǎn)品增長特別快。 PLC 和 PC 集成，也就是將 PLC、 PC 計算機及操作人員的人 機結合在一起，使 PLC 能夠利用計算機豐富的資源，同時計算機也能與 PLC 的模塊互存取數(shù)據(jù)。計算機控制系統(tǒng)可以方便的編程與維護。體系結構很靈活，以達到降低成本、提高生產(chǎn)率的目的。 開放性轉變方向 PLC 雖然存在很多優(yōu)點，也存在一些缺陷，編程大 多為梯形圖，但各個公司的組態(tài)、尋址、語文結構都不一致，使得各種不同版本的 PLC 很難兼容主要是其軟、硬件體系結構是封閉而不是開放的，大部分 PLC 是專用總線、專用通信網(wǎng)絡及協(xié)議。為了改變這種現(xiàn)象，國際電工協(xié)會于 頒布了《可編程序控制器的編程軟件標準》，為各個 PLC 廠家編程的標準化實現(xiàn)了統(tǒng)一。符合 iec11313 國際標準，開發(fā)以計算機為基礎、在 windows 平臺下的新一代開放體系結構正在開發(fā)中。 可編程控制器的工作原理 PLC 采用“順序掃描、不斷循環(huán)”的工作方式。按照設計的控制要求編制好程序，并把它存于存儲器中，當開始 PLC 運行時， CPU 首先執(zhí)行命令，按指令序號順序地作周期性循環(huán)掃描工作。如果沒有跳轉指令，那么它就從設置的第一條指令開始，逐條順序執(zhí)行用戶設定的程序，直到程序結束為止。然后重新返回第一條指令，開始下一輪的工作。在每一次的掃描過程中，還要完成對輸入信號的采集和對輸出狀態(tài)的刷新等工作，周而復始地進行下去。 PLC 的掃描工作過程分為：采集輸入信號、程序執(zhí)行和輸出刷新三階段，并進行周期性的循環(huán)工作。 1．采集輸入信號， PLC 以掃描工作方式按順序?qū)λ休斎攵说妮斎霠顟B(tài)進行一次采 集，并存入寄存器中，此時寄存器會因采集到信號被刷新。接下來是進入程序處理階段，在執(zhí)行程序階段時，即使輸入狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入寄存器的內(nèi)泰山學院本科畢業(yè)論文 12 容也不會發(fā)證更改，也就是說輸入狀態(tài)的變化只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被采集到。 2．程序執(zhí)行，這個階段 PLC 運行程序時按順序進行工作。程序如果用梯形圖方式來表達的話，那么總是從左到右，從上到下，按順序執(zhí)行其指令。如果遇到程序跳轉指令時，根據(jù)跳轉的條件是否滿足要求，來決定程序是否需要跳轉。當指令中包含輸入、出狀態(tài)時， PLC 會從輸入映像寄存器和元件映象寄存 器中讀出，根據(jù)用戶程序進行運算，然后將結果存入寄存器中，對于元件映象寄存器來說，其內(nèi)容也會隨程序執(zhí)行的過程而變化的。 3．輸出刷新，當所有程序執(zhí)行完畢后，開始進入輸出處理的階段。在這一階段中， PLC 會將把寄存器和輸出繼電器的狀態(tài)轉存至輸出鎖存器。然后通過一定方式輸出，并驅(qū)動外部負載的工作。 也就是說， PLC 在一個掃描周期內(nèi)對輸入狀態(tài)的采集只在輸入采樣階段進行，當 PLC 進入程序執(zhí)行階段后輸入端將被封鎖，一直到下一個掃描周期的輸入采集階段才對輸入狀態(tài)進行再次采集，這定義為集中采集，概括為在一個掃描周期內(nèi) ，集中一段時間對輸入狀態(tài)進行采集。 在用戶程序中，如果對輸出結果多次賦值，那么最后一次有效。在一個掃描周期以內(nèi)，只在輸出刷新階段才能將輸出狀態(tài)從輸出映象寄存器中輸出，再對輸出接口進行刷新，但在其它階段里輸出狀態(tài)一直保存在輸出映象寄存器中，這種方式稱為集中輸出。 可編程控制器的編程語言 根據(jù) PLC 應用范圍，程序設計語言可以組合使用，常用的程序設計語言有以下幾種： 布爾助記符程序設計語言 布爾助記符程序設計語言，它是用布爾助記符來描述程序的一種程序設計語言。這種語言與計算機中的匯編語言 很相似，采用布爾助記符來表示操作功 [29]。它具有以下三個特點： 1 容易操作，編程設計可在沒有計算機的情況下進行； 泰山學院本科畢業(yè)論文 13 2簡單記憶、輕松掌握的特點； 3 特點與梯形圖語言基本相同，與梯形圖有一一對應關系。 梯形圖 (Ladder Diagram)程序設計語言 梯形圖程序設計語言，它是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設計語言。這種語言采用因果關系來描述事件發(fā)生的條件和結果，每一個梯級都是一個因果關系。在梯級中，左面表示描述事件發(fā)生的條件，右面表示事件發(fā)生的結果。梯形圖程序設計語言，也是最 常用的一種程序設計語言，它來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述。在工業(yè)過程的控制領域，由于電氣技術人員對繼電器邏輯控制技術比較熟悉，所以由這種邏輯控制技術發(fā)展而來的梯形圖倍受歡迎，并得到廣泛的應用。 梯形圖程序設計語言有四大特點： 1 具有對應性和直觀性，與電氣操作原理圖一一對應； 2 易于掌握，與原有繼電器邏輯控制技術相一致； 3 與原有的繼電器邏輯控制技術的不同點是梯形圖中的能流非實際意義的電流，內(nèi)部的繼電器也不是實際存在的繼電器，因此應用時需 與原有繼電器邏輯控制技術的有關概念區(qū)別對待； 4便于程序檢查，與 布爾助記符程序設計語言有一一對應關系。 功能表圖程序設計語言 功能表圖程序設計語言，它是用功能表圖來描述程序的一種程序設計語言。是近年來發(fā)展起來的一種新的程序設計語言。功能表圖描述打方式，控制系統(tǒng)又被劃分為很多個系統(tǒng)，從功能入手使系統(tǒng)的操作具有明確的含義，便于程序的分工設計以及檢查調(diào)試。便于設計人員和操作人員設計思想的溝通， 它主要有以下兩個特點： 1 很容易去學習和理解，以功能為主線，條理清楚； 2 可以節(jié)省設計的內(nèi)容和減少調(diào)試的時間，對很多復雜大型的程序，可以先把他分成很多部分，一步一步的設 計，是程序結構非常靈活，這種優(yōu)點經(jīng)常運用泰山學院本科畢業(yè)論文 14 在系統(tǒng)規(guī)模非常大，程序關系很麻煩的場合。當活動的指令被執(zhí)行的時候，對之后的轉變進行進一步的掃描，所以整個程序的掃描時間較其他程序編制的程序掃描時間要短得多。 功能表圖來源于佩特利網(wǎng)，因為它具有圖形表達方式，能比較簡單清楚地描述并發(fā)系統(tǒng)和復雜系統(tǒng)的所有現(xiàn)象，在模型的基礎上可直接編程，所以得到了廣泛的應用?，F(xiàn)在推出的可編程控制器和小型集散控制系統(tǒng)中，提供了采用功能表圖描述語言進行編程的軟件。 可編程控制器（ PLC）的基本結構 中央處理單元 CPU PLC 的核心 部分是它的 cpu，由控制器和運算器組成，通過內(nèi)部總線同存儲器及輸入 /輸出接口電路相連。 它的主要作用是 執(zhí)行用戶程序，從程序存儲器中逐條取出用戶程序，經(jīng)過解釋程序解釋后逐條執(zhí)行，完成程序規(guī)定的邏輯和算術運算，產(chǎn)生相應的控制信號去控制輸出電路，實現(xiàn)程序規(guī)定的各種操作。 存儲器 PLC 的存儲器用來存放程序和數(shù)據(jù)。程序分系統(tǒng)程序和用戶程序。 輸入輸出接口電路 (簡稱 I/O) 輸入輸出接口是 CPU 與工業(yè)現(xiàn)場裝置之間的連接部分，是 PLC 的重要組成部分。 PLC 將現(xiàn)場輸入信號轉換 成微處理器能接受的信號，且最大程度排除干擾信號，提高可靠性；輸出能將微處理器送出的弱電信號放大成強電信號，驅(qū)動各種負載。 編程器 編程器有便攜式和 CRT 智能式兩大類，前者只能聯(lián)機編程，而后者既可聯(lián)機編程，又可脫機編程。便攜式編程器體積小，重量輕，可隨身攜帶，便于在生產(chǎn)現(xiàn)場使用。一般的小型 PLC 主要采用便攜式編程器。編程器是專用的，不同型號泰山學院本科畢業(yè)論文 15 的 PLC 都有自己專用的編程器，不能通用。 PLC 正常工作時，不一定需要編程器。因此，多臺同型號的 PLC 可以只配一個編程器。 內(nèi)部 電源和其他設備 PLC 的內(nèi)部電源是指將外部輸入的交流信號經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓等處理后轉換成滿足內(nèi)部電路工作需要的直流電源或電源模塊。 PLC 的外部設備還有盒式錄音機、打印機、 EPROM 寫入器及高分辨率屏幕彩色圖形監(jiān)控設備等 硬件的設計 I/O 點數(shù)的估算 電磁閥 I/O 點數(shù) 的估算。 PLC 的生產(chǎn)廠家、種類如此繁多，不同種類之間的功能設置差異又非常大， 這在選擇 PLC 機型上帶來了一定的難度。機型選擇的基本原則應是在滿足功能要求的前提下，力爭達到最好的性價比，并 可具有一定的升級空間 。 根據(jù) PLC I/O 節(jié)點使用原則，即預留出 25%左右的 I/O 點以做擴展時使用，4 層電梯有 32 個輸入信號和 27 個輸出信號，本系統(tǒng)選用的 PLC 為三菱 FX2128MR，這種機型的 I/O 點數(shù)均為 64，但其編輯指令可超過 1000 條，有 2021 步的程序內(nèi)，并配有相應的編程軟件 MEDOC。根據(jù)實際情況，本設計使用直流電機，不會使用到交流電機，所以可以不考慮交流電機的 I/O 點數(shù)。 控制直流電動機所需的 I/O 點數(shù) 本設計針對電梯控制，因此我 們根據(jù)實際情況可知，要控制電梯的升和降， 需要一個可逆運行的直流電機。經(jīng)計算，我們需要九個輸入點和六個輸出點 。 內(nèi)存估計 一般程序所需內(nèi)存容量主要和下面幾個因素相關：內(nèi)存利用率、開關量輸入 輸出點數(shù)、模擬量輸入輸出點數(shù)、用戶的編程水平 。 內(nèi)存利用率 內(nèi)存利用率是一個程序段中的節(jié)點數(shù)與存放該程序段所代表的機器碼所需內(nèi)泰山學院本科畢業(yè)論文 16 存字數(shù)的比值。對于同一程序來說，高利用率可以縮短掃描時間，提高系統(tǒng)的響應速度，還可以降低內(nèi)存的使用量。 開關量輸入輸出的點數(shù) 一般系統(tǒng)中，開關量輸入與輸出的比值為 6： 4，那么 根據(jù)經(jīng)驗公式，可以算出所需內(nèi)存的字數(shù)：所需內(nèi)存字數(shù) =開關量（輸入 32+輸出 27）總點數(shù) *10=590 模擬量輸入輸出的總點數(shù) 對于模擬量來說，處理中就涉及用到數(shù)字傳送和運算的功能了，這一部分的 指令內(nèi)存利用率都不高，所以內(nèi)存容量就需要大大的增加。 一般的經(jīng)驗計算公式如下： 如果只有模擬量輸入時：內(nèi)存字數(shù) =模擬量點數(shù) *100，即 400 如果模擬量輸入 /輸出共存時：內(nèi)存字數(shù) =模擬量點數(shù) *200，即 800，大概所占 內(nèi)存 40KB，基于實際考慮，在本設計中不存在此情況。 響應時間 系統(tǒng)響應 時間，一般指輸入信號產(chǎn)生時刻和由此而使輸出信號狀態(tài)發(fā)生變化 時刻的時間間隔。系統(tǒng)響應時間 =掃描的周期 +輸入濾波的時間 +輸出濾波的時間。 PLC 順序掃描的工作方式，也是存在弊端的，就是它不能可靠的接收持續(xù)時 間小于掃描周期的輸入信號。 輸入輸出模塊的選擇 PLC 輸入 模塊的主要作用是檢測設備的輸入信號，然后變成 plc 可以內(nèi)部處理的電平信號。因為 輸入模塊一般是交流形式的，信號的傳送距離 很近 ， 還有 信號又是低電壓形式， 所以 選 擇 24V 為電平信號電壓。 PLC 輸出模塊的主要功能 是內(nèi)部輸出電平 ，外部負載設 備控制信號在輸出之前進行轉換。開關頻率高、電感性和低功率因數(shù)的負載設備一般使用晶閘管輸出模塊，比較之后我們采用晶閘管輸出模塊。我們選用交流 220V 作為電梯系統(tǒng)的曳引電機的工作電壓，選用