【文章內容簡介】 形圖 梯形圖是一種圖形語言，它與傳統(tǒng)的繼電器電路非常相似，它仍沿用繼電器的觸點、線圈、串并聯(lián)等術語，所 不同的是，梯形圖中每個元件的名稱和編號有PLC 的特別規(guī)定；同一編號繼電器的觸點（既有常開又有常閉）可以根據(jù)需要無限引用；所有觸點及其構成的控制回路都是通過軟件編程實現(xiàn)其功能的，并無實際連線；此外梯形圖中所有的輸出元素都是安排在右側與母線相連，圖中每包含一個被控元素的邏輯段稱為一個梯級。梯形圖中繼電器的線圈、常開觸點及常閉觸點符號常用下圖中的符號表示。梯形圖比較形象、直觀，對于熟悉繼電器控制表達方式的人來說，很容易接受。在 PLC 中，它是用得最多的一種程序表達方式。 圖 2 梯形圖符號 指令（語句表） 令就是用助記符來表達 PLC 的各種功能，它類似于計算機的匯編語言，但又較之簡單得多。這種程序表達方式，編程設備簡單，邏輯緊湊，目前各種 PLC均有指令的編程功能。 邏輯功能圖 這種方式基本上是采用半導體邏輯電路的邏輯方塊圖來表達的。對每一種邏輯功能都使用一個運算方塊，其運算功能由方塊內的符號確定。常用 “ 與 ” 、“ 或 ” 、 “ 非 ” 三種邏輯功能表達控制邏輯。有關的輸入均畫在方塊的左邊，輸南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 13 出畫在方塊的右邊。對于熟悉邏輯電路和具有邏輯代數(shù)基礎的人來說，用這種方式編程感到較方便。 高級語言 大型 PLC 中，為了進行數(shù)據(jù)處理、完成 PID 調節(jié)等較為復雜的控制。也采用BASIC、 PASCAL 等高級語言編程。目前，各類型 PLC 都具有兩種或兩種以上編程語言，其中以梯形圖和指令較為常用。 PLC 的工作方式 PLC 的工作方式是一種串行循環(huán)工作方式。其工作過程分三個階段進行，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。當 PLC 開始上電運行時，首先清除I/O 映像區(qū)的內容，然后進行自診斷，確認正常后開始掃描。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性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉指令，則從第一 條指令開始逐條執(zhí)行用戶程序，直到遇到結束符后返回第一條指令，如此周而復始不斷循環(huán)。 1．輸入采樣階段 在輸入采樣階段， PLC 以掃描工作方式按順序對所有輸入端的輸入狀態(tài)進行采樣，并存入輸入映象寄存器中，此時輸入映象寄存器被刷新。接著進入程序處理階段，在程序執(zhí)行階段或其它階段，即使輸入狀態(tài)發(fā)生變化，輸入映象寄存器的內容也不會改變，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樣到。 2．程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段， PLC 對程序按順序進行掃描執(zhí)行。若程序用梯形圖來表示，則總是按先上后下，先左后右的 順序進行。當遇到程序跳轉指令時，則根據(jù)跳轉條件是否滿足來決定程序是否跳轉。當指令中涉及到輸入、輸出狀態(tài)時， PLC 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，運算的結果再存入元件映象寄存器中。對于元件映象寄存器來說，其內容會隨程序執(zhí)行的過程而變化。 3．輸出刷新階段 當所有程序執(zhí)行完畢后，進入輸出處理階段。在這一階段里， PLC 將輸出映象寄存器中與輸出有關的狀態(tài)（輸出繼電器狀態(tài)）轉存到輸出鎖存器中，并通過一定方式輸出，驅動外部負載。 因此， PLC 在一個掃描周期內，對輸入狀態(tài)的采樣只在輸入采樣階 段進行。當 PLC進入程序執(zhí)行階段后輸入端將被封鎖，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段才對輸入狀態(tài)進行重新采樣。這方式稱為集中采樣，即在一個掃描周期內，集中一段時間對輸入狀態(tài)進行采樣。 在用戶程序中如果對輸出結果多次賦值，則最后一次有效。在一個掃描周期內，只在輸出刷新階段才將輸出狀態(tài)從輸出映象寄存器中輸出，對輸出接口進行刷新。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。 南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 14 對于小型 PLC，其 I/O 點數(shù)較少，用戶程序較短，一般采用集中采樣、集中輸出的工作方式，雖然在一定程度上降低了系統(tǒng)的響 應速度，但使 PLC 工作時大多數(shù)時間與外部輸入 /輸出設備隔離，從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強了系統(tǒng)的可靠性。 而對于大中型 PLC，其 I/O 點數(shù)較多，控制功能強，用戶程序較長，為提高系統(tǒng)響應速度，可以采用定期采樣、定期輸出方式，或中斷輸入、輸出方式以及采用智能 I/O 接口等多種方式。 PLC 控制系統(tǒng)的設計步驟 如果被控制對象環(huán)境較差，系統(tǒng)工藝復雜，且輸入 /輸出量以開光亮為主，則考慮用 PLC 控制系統(tǒng)。若控制簡單，如電動機正、反轉，就可考慮用繼電器控制系統(tǒng)。 用 PLC 控制，首先要了解 體統(tǒng)的工作過程以及所有功能要求，從而分析被控對象的控制過程，輸入 /輸出量是開光量還是模擬量，明確控制要求，繪制出控制系統(tǒng)的流程圖。 PLC 機型 一般來說， PLC 在可靠性上是沒有問題的，機型的選擇主要是考慮在功能上滿足系統(tǒng)的要求。 要對控制對象進行估測：有多少輸入量、電壓分別是多少、有多少輸出量、輸出功率有多大、現(xiàn)場對系統(tǒng)的響應速度有何要求、控制室與現(xiàn)場的距離有多遠等。 I/O 設備，列出 I/O 地址分配表 根據(jù)生產設備現(xiàn)場需要，確定控制按鈕、行程開關、接近開關等輸入設備和接觸器、電磁閥、信號燈等 輸出設備的型號和數(shù)量。 根據(jù) PLC 型號，列出輸入 /輸出設備與 PLC 的 I/O 地址對照表，以便繪制接線圖及編程。 分配 I/O 地址時應注意以下幾點： (1)把所有按鈕、行程開關等集中配置，按順序分配 I/O 地址； (2)每個 I/O 設備占用一個 I/O 地址； (3)同一類別的 I/O 設備點應盡量安排在同一區(qū)； (4)彼此有關的輸出器件，如電動機正反轉，其輸出地址應連續(xù)分配。 南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 15 (1)繪制電動機的主電路及 PLC 外部的其他控制電路圖。 (2)繪制 PLC 的 I/O 接線圖。注意：接在 PLC 輸入端的電器元件一律為常開觸點，如停止按鈕等。 (3)繪制 PLC 及 I/O 設備的供電系統(tǒng)圖。輸入電路一半由 PLC 內部提供電源，輸出電路根據(jù)負載的額定電壓外接電源。 程序設計可用經驗設計法或功能表設計法，或者是兩者的結合。 接好硬件線路，把程序輸入 PLC 中，聯(lián)機調試。 PLC 類型選擇及模塊選擇 PLC 類型的選擇 系統(tǒng)設計的水平將直接影響控制系統(tǒng)的性能、設備的可靠性。這其中 PLC 的選型至關重要。在 PLC 系統(tǒng)設計時，首 先應確定系統(tǒng)方案，下一步工作就是 PLC的設計選型。選擇 PLC，主要是確定 PLC 的生產廠家和 PLC 的具體型號。對于系統(tǒng)方案要求有分布式系統(tǒng)、遠程 I/O 系統(tǒng)，還需要考慮網(wǎng)絡化通訊的要求。具體的選擇內容有以下幾個方面： PLC 生產廠家的選擇 確定 PLC 的生產廠家，主要應該考慮設備用戶的要求、設計者對于不同廠家PLC 的熟悉程度和設計習慣、配套產品的一致性以及技術服務等方面的因素。從PLC 本身的可靠性考慮，原則上只要是國外大公司的產品，不應該存在可靠性不好的問題。 一般來說，對于控制獨立設備或較簡單的控制系統(tǒng)的場 合，配套日本的 PLC產品，相對來說性價比有一定優(yōu)勢。對于系統(tǒng)規(guī)模較大網(wǎng)絡通訊功能要求高、開放性的分布式控制系統(tǒng)、遠程 I/O 系統(tǒng)，歐美生產的 PLC 在網(wǎng)絡通訊功能上更有優(yōu)勢。 由于本控制系統(tǒng)設計的內容相對較為簡單，故選用三菱 PLC。 輸入輸出 (I/0)點數(shù)的估算 南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 16 PLC 的輸入 /輸出點數(shù)是 PLC 的基本參數(shù)之一。 I/O 點數(shù)的確定應以控制設備所需的所有輸入 /輸出點數(shù)的總和為依據(jù)。在一般情況下， PLC 的 I/O 點應該有適當?shù)挠嗔?。通常根?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加 10％～ 20％的可擴展余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù) 據(jù)。實際訂貨時，還需根據(jù)制造廠商 PLC 的產品特點，對輸入輸出點數(shù)進行調整。 PLC 存儲器容量的估算 存儲器容量是指可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，各種 PLC的存儲器容量大小可以從該 PLC 的基本參數(shù)表中找到，例如：西門子的 S7314 PLC的用戶程序存儲容量為 64KB， S73152DP PLC的用戶程序存儲容量為 128KB。程序容量是存儲器中用戶程序所使用的存儲單元的大小，因此存儲器容量應大于程序容量。設計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，需要對程序容量進行估算。 如何估算程序容量呢 ?許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量 I/O 點數(shù)的 10～ 15 倍，加上模擬 I/O 點數(shù)的 100 倍，以此數(shù)為內存的總字數(shù)(16 位為一個字 )，另外再按此數(shù)的 25％考慮余量。 PLC 通訊功能的選擇 現(xiàn)在 PLC 的通訊功能越來越強大，很多 PLC 都支持多種通訊協(xié)議 (有些需要配備相應的通訊模塊 )，選擇時要根據(jù)實際需要選擇合適的通訊方式。 PLC 系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡主要形式有下列幾種形式： (1)PC 為主站，多臺同型號 PLC 為從站，組成簡易 PLC 網(wǎng)絡； (2)1 臺 PLC 為主站，其他同型號 PLC 為從站，構成主從式 PLC 網(wǎng)絡； (3)PLC 網(wǎng)絡通過特定網(wǎng)絡接口連接到大型 DCS 中作為 DCS 的子網(wǎng)； (4)專用 PLC 網(wǎng)絡 (各廠商的專用 PLC 通信網(wǎng)絡 )。 為減輕 CPU 通信任務，根據(jù)網(wǎng)絡組成的實際需要，應選擇具有不同通信功能的 (如點對點、現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等 )通信處理器。 PLC 機型的選擇 PLC 的類型： PLC 按結構分為整體型和模塊型兩類；整體型 PLC 的 I/0 點數(shù)較少且相對固定，因此用戶選擇的余地較小，通常用于小型控制系統(tǒng)。這一類PLC 的代表有：西門子公司的 S7200 系列、三菱公司的 FX 系列、歐姆龍公司的CPM1A 系列等 。 模塊型 PLC 提供多種 I/O 模塊可以在 PLC 基板上插接，方便用戶根據(jù)需要合南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 17 理地選擇和配置控制系統(tǒng)的 I/O 點數(shù)。因此，模塊型 PLC 的配置比較靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。例如西門子公司的 S7300 系列和 S7400 系列、三菱公司的 Q 系列、歐姆龍公司的 CVM1 系列等。 綜合以上初步選定 FX2N 機型，再根據(jù)下表和 I/O 輸入輸出點數(shù)，選定FX2N32MR001 型 PLC。 表 1 FX2N系列的基本單元 型號 輸入點數(shù) 輸出點數(shù) 擴展模塊可用點數(shù) 繼電器輸出 晶閘管輸出 晶體管輸出 FX2N16MR001 FX2N16MS FX2N16MT 8 8 24～ 32 FX2N32MR001 FX2N32MS FX2N32MT 16 16 24～ 32 FX2N48MR001 FX2N48MS FX2N48MT 24 24 48～ 64 FX2N64MR001 FX2N64MS FX2N64MT 32 32 48～ 64 FX2N80MR001 FX2N80MS FX2N80MT 40 40 48～ 64 FX2N128MR001 FX2N128MT 64 64 48～ 64 PLC 擴展模塊的選擇 模擬量輸入模塊主要用于連接傳感器或者變送器并接受其電壓信號或者電流信號。在控制系統(tǒng)中，傳感器和變送器用于測量位移、角位移、力、壓力、應變、速度、加速度、溫度、濕度、流量等物理量。 模擬量輸出模塊，用于控制被控設備，例如，電動調節(jié)閥、比例電磁鐵、比例壓力閥、比例流量閥、液壓伺服馬達、伺服電動機等，這些設備的輸出與模擬量輸出模塊給定的電壓或電流成比例，以實現(xiàn)模擬量控制。 模擬量信號的標準范圍為電流是 4~20mA， 0~20mA，電壓是 0~5V， 0~10V，5~5V， 10~10V 等。 南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 18 選擇模擬量輸入、模擬量輸出模塊的主要指標為模擬量的范圍、分辨率、轉換精度、轉換速度、數(shù)字位數(shù)及數(shù)字量存儲格式。