【文章內(nèi)容簡介】 傾角或垂直提升 輸送線 等。 ****大學 ****屆 本科畢業(yè)設計（論文） 6 第二章 工業(yè) PLC 原理與 應用 可編程序控制器的發(fā)展概況及前景 可編程序控制器（ programmable controller），現(xiàn)在一般簡稱為 PLC（ programmable logic controller），它是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、半導體集成技術、自動控制技術、數(shù)字技術、通信網(wǎng)絡技 等 發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置。以其顯著的優(yōu)點在冶金、化工、交通、電力等領域獲得了廣泛的應用，成為了現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一。 在可編程序控制器問世以前，工業(yè)控制領域中 繼電器控制占主導地位。傳統(tǒng)的繼電器控制具有結(jié)構簡單 、易于掌握、價格便宜等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中應用甚廣。但是控制裝置體積大、動作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是由于它靠硬件連線構成系統(tǒng)，接線繁雜，當生產(chǎn)工藝或控制對象改變時，原有的接線控制柜就 必須 隨之改變或更換，通用性和靈活性較差。 PLC 起源 PLC 于 1968 年被 美國通用汽車公司提出 以 取代繼電器控制裝置的要求。 1969 年，美國數(shù)字設備公司研制出了第一臺可編程控制器 PDP—14 ，在美國通用汽車公司的生產(chǎn)線上試用成功，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這是第一代可編程序控制器，稱 Programmable，是世界上公認的第一臺 PLC。 1969 年，美國研制出世界第一臺 PDP14 ； 1971 年，日本研制出第一臺 DCS8 ； 1973 年，德國研制出第一臺 PLC ； 1974 年，中國研制出第一臺 PLC。 PLC 發(fā)展 20 世紀 70 年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使 PLC增加了運算 、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置， 此時的 PLC 為微機技術和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。個人計算機發(fā)展起來后，為了方便和反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器 定名為Programmable Logic Controller（ PLC）。 20 世紀 70 年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、 PID 功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。 20 世紀 80 年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標志著可編程控制器已****大學 ****屆 本科畢業(yè)設計（論文） 7 步入成熟階段。 20 世紀 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 發(fā)展最快 的時期，年增長率一直保持為 30~40%。在這時期， PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡能力得到大幅度提高， PLC 逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的 DCS 系統(tǒng) 。 20 世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點更加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要。這個時期發(fā)展了大型機和超小型機、誕生了各種各樣的特殊功能單元、生產(chǎn)了各種人機界 面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。 PLC 技術發(fā)展呈現(xiàn)新的動向 PLC 是一種專門為 工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)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(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 PLC 具有體積小、結(jié)構簡單、操作方便、可靠性好等特點。 PLC 總的發(fā)展趨勢是向高集成度、小體積、 大容量、高速度、易使用、高性能方向發(fā)展。具有表現(xiàn)在以下幾個方面， （ 1） 向小型化、專用化、低成本方向發(fā)展 。 （ 2） 向大容量、高速度方向發(fā)展 。 （ 3） 智能型 I/O 模塊的發(fā)展 。 （ 4） 基于 PLC 的編程軟件取代編程器 。 （ 5） PLC 編程語 言的標準化 。 （ 6） PLC 通信的易用化 。 （ 7） 組態(tài)軟件與 PLC 的軟件化 。 （ 8） PLC 與現(xiàn)場總線相結(jié)合 。 （ 9） 開發(fā)新型特殊功能模塊 。 （ 10） CPU 的處理速度進一步加快 。 PLC 的特點 1） 、 可靠性高、抗干擾能力強 PLC 能在惡劣的環(huán)境如電磁干擾、電源電壓波動、機械振動、溫度變化等中可靠地工作， PLC 的平均無故障間隔時間高，日本三菱公司的 “ F1” 系列 PLC 平均無故障時間間隔長達 30 萬 小時 ，這是一般微機所不能比擬的。 2）、 控制系統(tǒng)構成簡單、通用性強 由于 PLC 是采用軟件編程來實現(xiàn)控制功能， 對同一控制對象，當控制要求改變時，不必改變 PLC 的硬件設備，只需相應改變軟件程序。 3） 、 編程簡單、使用 方便 、 易于 維護 。 ****大學 ****屆 本科畢業(yè)設計（論文） 8 4） 、 組合方便、功能強、應用范圍廣 PLC 既可用于開關量的控制又可用于模擬量的控制；既可用單片機控制，又可用 其 組成多級控制系統(tǒng)；既可控制簡單系統(tǒng)，又可控制復雜系統(tǒng)。因此， PLC應用范圍很廣。 5） 、 體積小、重量輕、功耗低 PLC 采用了半導體集成電路，外形尺寸很小，重量輕，同時功耗也很低，空載功耗約 。 PLC 的基本結(jié)構及原理 PLC 的結(jié)構 組成 目前 PLC 種 類繁多，功能和指令系統(tǒng)也都各不相同，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專用計算機，所以其結(jié)構和工作原理都大致相同，硬件結(jié)構與微機相似。 PLC 的硬件主要有 CPU、 存儲器 、 輸入單元 、 輸出單元 、 通信接口 、擴展接口 和 電源等幾部分組成。其中， CPU 是 PLC 的核心；輸入單元 /輸出單元是CPU 與現(xiàn)場輸入 /輸出設備之間的接口電路；通信接口用于連接編程器、上位計算機等外部設備，其硬件結(jié)構如圖 2—1。 圖 2—1 PLC 的基本結(jié)構 ****大學 ****屆 本科畢業(yè)設計（論文） 9 PLC 的工作原理 PLC 的工作原理與計算機的工作原理基本是一致的，可以簡單 地表述為在系統(tǒng)程序的管理下，通過運行應用程序完成用戶任務。 PLC 通電后，首先對硬件和軟件作為一些初始化操作，初始化反復不停地分階段處理各種不同的任務（見圖2—2）。 讀 取 輸 入執(zhí) 行 用 戶 程 序處 理 通 信 要 求自 診 斷 檢 查改 寫 輸 入R U N 狀 態(tài) 讀取輸入STOP （ a） （ b） 圖 2—2 不同狀態(tài)下 PLC 的流程圖 a：運行狀態(tài) b:停止狀態(tài) PLC 的循環(huán)掃描工作 對每個程序， CPU 從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期的程序循環(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，直至遇到結(jié)束符后又返回 第一條指令，如此周而復始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱 為 一個掃描期。 PLC 的掃描全過程如圖 2—3 所示。 ****大學 ****屆 本科畢業(yè)設計（論文） 10 一 個 掃 描 周 期輸 入 刷 新程序執(zhí)行輸出刷新 圖 2—3 PLC 的掃描全過程 （ 1）輸入刷新階段 在輸入刷新階段， CPU 掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成后關閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。 （ 2）程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐條執(zhí)行，并將相應的邏輯運算結(jié)果存入對應的內(nèi)部輔助寄存器和輸入狀態(tài)寄存器 中 。 （ 3）輸出刷新階段 當所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路，并通 過一定輸出方式輸出，驅(qū)動外部相應執(zhí)行元件工作，這才形成 PLC 的實際輸出 。 PLC 的使用 簡介 可編程控制器系統(tǒng)設計的基本原則 一： 控制系統(tǒng)設計的基本內(nèi)容 PLC 控制系統(tǒng)是由 PLC 與用戶輸入、輸出設備連接而成的，因此， PLC 控制系統(tǒng)設計的基本內(nèi)容包括： （ 1） 用戶輸入設備（按鈕、操作開關、限位開關、傳感器等）、輸出設備（繼電器、接觸器、信號燈等執(zhí)行元件）以及由輸出設備驅(qū)動的控制對象（電動機，電磁閥等）。這些設備屬于一般的電氣元件，其選擇的方法在其他有關書籍中已有介紹。 （ 2） PLC 的選擇。 PLC 是 PLC 控制系統(tǒng)的核心部件，正確選擇 PLC 對于保證整個控制系統(tǒng)的技術經(jīng)濟性能指標起到重要的作用。選擇 PLC，應包括機型選擇、容量的選擇、 I/O 模塊的選擇、電源模塊的選擇等。 （ 3） 分配 I/O 點，繪制 I/O 連接圖。 ****大學 ****屆 本科畢業(yè)設計（論文） 11 （ 4） 設計控制程序。包括設計梯形圖、語句表（程序清單）和控制系統(tǒng)流程圖?？刂葡到y(tǒng)程序是控制整個系統(tǒng)工作的軟件，是保證系統(tǒng)工作安全、可靠的關鍵。因此，控制系統(tǒng)的設計必須經(jīng)過反復調(diào)試、修改，直到滿足要求為止。 （ 5） 必要時還需設計控制臺。 （ 6） 編制控制系統(tǒng)的技術文件。 二： 控制系統(tǒng)設計原則 任 何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象（生產(chǎn)設備或生產(chǎn)過程）的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在設計 PLC 控制系統(tǒng)時，應遵循以下基本原則： （ 1） 最大限度地滿足被控對象的控制要求。設計前，應深入現(xiàn)場進行調(diào)查研究，收集資料，并于機械部分的設計人員和實際操作人員密切配合，共同擬定電氣控制方案，協(xié)同解決設計中出現(xiàn)的各種問題。 （ 2） 在滿足控制系統(tǒng) 要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、 實 用及維修方便，保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。 （ 4） 考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進，在選擇 PLC 容量時，應適量留有裕量。 可編程控制器系統(tǒng)設計的基本步驟 一： 控制系統(tǒng)設計的一般步驟 （ 1） 根據(jù)生產(chǎn)的工藝過程分析控制要求。 （ 2） 根據(jù)控制要求確定所需的用戶輸入、輸出設備，據(jù)此確定 PLC 的 I/O點數(shù)。 （ 3） 選擇 PLC 系統(tǒng)。 （ 4） 分配 PLC 的 I/O 點，設計 I/O 連接圖 （ 5） 進行 PLC 程序設計，同時可進行現(xiàn)場施工。 二：程序設計的步驟 （ 1） 對于較復雜的控制系統(tǒng)，需繪制系統(tǒng)控制流程圖，用以清楚地表明動作的順序和條件。 （ 2） 設計梯形圖。這是程序設計的關鍵一步，也是比較困難的一步。 （ 3） 根據(jù)梯形圖編制程序清單。 （ 4） 用編程器將程序輸入到 PLC 的用戶存 儲器中，并檢查輸入的程序是否正確。 （ 5） 對程序進行調(diào)試和修改，知道滿足要求為止。 （ 6） 待控制臺及現(xiàn)場施工完成后，就可以進行聯(lián)機調(diào)試。若未滿足要求，再從新修改程序或檢查接線，直到滿足為止。 （ 7） 編寫技術文件。 （ 8） 交付使用。 PLC 程序設計步驟流程圖 如圖 2—4： ****大學 ****屆 本科畢業(yè)設計（論文） 12 圖 2—4 控制系統(tǒng)軟件設計流程圖 工業(yè) PLC 的應用 PLC 的應用領域非常廣，并在迅速擴大，對于 如 今的 PLC 幾乎凡是需要控制系統(tǒng)存在的地方就需要 PLC，尤其近幾年來 PLC 的性價比不斷提高 ， 已被廣泛應用在冶金、機械、石油、化工、輕功、電力等各行業(yè)。 分析評估控制任 務 PLC 機選型， I/O 設備選擇 I/O 地址分配 程序設計 調(diào)試程序 滿足要求求？ 聯(lián)機調(diào)試 滿足要求求？ 編制技術文件 現(xiàn)場安裝調(diào)試 交付使用 否 否 是 是 ****大學 ****屆 本科畢業(yè)設計（論文） 13 按 PLC 的控制類型，其應用大致可分為以下幾個方面。 1） 、用于邏輯控制 這是 PLC 最基本，也是最廣泛的應用方面。用 PLC 取代繼電器控制和順序控制器控制。例如機床的電氣控制、包裝機械 控制、自動電梯控制等。 2） 、用于模擬量控制 PLC 通過模擬量 I/O 模塊，可實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間轉(zhuǎn)換，并對模擬量 進行 控制。 3）、用于機械加工中的數(shù)字控制 現(xiàn)代 PLC 具有很強的數(shù)據(jù)處理功能，它可以與機械加工中的數(shù)字控制（ NC）及計算機控制（ CNC）緊密結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)字控制 。 4）、用于工業(yè)機器人控制 。 5） 、用于多層分布式控制系統(tǒng) 高功能的 PLC 具有較強的通信聯(lián)通能力，可實現(xiàn) PLC 與 PLC 之間、 PLC 與遠程 I/O 設備 之間、 PLC 與上位機之間的通信。從而形成多層分布式控制系統(tǒng) 和 工廠自動化網(wǎng)絡。 ****大學 ****屆 本科畢業(yè)設計（論文） 14 第三章 組態(tài)王 簡介 概述 組態(tài)王軟件是一種通用的工業(yè)監(jiān)控軟件，它融過程控制設計、現(xiàn)場操作以及工廠資源管理于一體，將一個企業(yè)內(nèi)部的各種生產(chǎn)系統(tǒng)和應用以及信息交流匯集在一起，實現(xiàn)最優(yōu)化管理。它基于 Microsoft Windows XP/NT/2022 操作系統(tǒng)，用戶可 以在企業(yè)網(wǎng)絡的