【導(dǎo)讀】揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院。班級：0802電氣技術(shù)

　　

【正文】 ..................................................................................................................... 28 致 謝 ....................................................................................................................... 29 參考文獻 ................................................................................................................. 30 揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 1 第 1 章 緒 論 可編程控制器 可編程控制器（ Programmable Controller ） ,也稱可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller），是以微處理器為核心的工業(yè)自動控制通用裝置，是計算機家族的一名成員，簡稱 PC，為了避免與個人電腦（也簡稱為 PC）相混淆，通常將可編程控制器簡稱為 PLC。 可編程控制器的產(chǎn)生與繼電器 — 接觸器控制系統(tǒng)有很大的關(guān)系。繼電器 —接觸器控制已有上百年的歷史，它是一種用弱電 信號控制強電信號的電磁開關(guān)，具有結(jié)構(gòu)簡單、電路直觀、價格低廉、容易操作、易于維修的優(yōu)點。此種控制系統(tǒng)布局固定，按預(yù)先規(guī)定的時間、條件、順序工作。對于工作模式固定、要求比較簡單的場合非常適用，至今仍有廣泛的用途。但是當工作模式改變時，就必須改變控制系統(tǒng)的硬件接線，控制柜內(nèi)的物件和接線都要作相應(yīng)的變動，改造工期長，費用高，用戶改造時寧愿扔掉舊控制柜，另作一個新控制柜使用，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，市場競爭激烈，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，繼電器 — 接觸器控制難以滿足市場需要，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的不斷翻新，滿足用戶對產(chǎn)品的多樣性的需求，公開對外招標，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。其對新裝置性能提出的要求就是著名的 GM10 條，即 編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序。 維護方便，最好是插件式。 可靠性高于繼電器控制柜。 體積小于繼電器控制柜 。 可將數(shù)據(jù)直接送入管理計算機。 在成本上可與繼電器控制柜競爭。 輸入可以是交流 115V。 輸出可以是交流 115V、 2A 以上，可直接驅(qū)動電磁 閥。 在擴展時，原有系統(tǒng)只要很小變更。 揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 2 用戶程序存儲器容量至少能擴展 4KB。 這十項指標就是現(xiàn)代 PLC 的最基本功能，值得注意的是 PLC 并不等同于普通計算機，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“便于擴充功能”的原則來設(shè)計。 用可編程控制器代替了繼電器 — 接觸器的控制，實現(xiàn)了邏輯控制功能，并且具有計算機功能靈活、通用性強等優(yōu)點，用程序代替硬接線，減少了重新設(shè)計，重新接線的工作，此種控制器借鑒計算機的高級語言，利用面向控制過程，面向問題的“自然語言”編程，其標志性語言是極易為 IT 電器人員掌握的 梯形圖語言，使得不熟悉計算機的人也能方便地使用。這樣，工作人員不必在編程上發(fā)費大量的精力，只需集中精力去考慮如何操作并發(fā)揮該裝置的功能即可，輸入、輸出電平與市電接口，是控制系統(tǒng)可方便地在需要的地方運行。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)不斷進步， PLC 迅速發(fā)展。 PLC 進入 90 年代后，工業(yè)控制領(lǐng)域幾乎全被 PLC 占領(lǐng)。國外專家預(yù)言， PLC 技術(shù)將在工業(yè)自動化的三大支柱（ PLC、機器人和 CAD/CAM）中躍居首位。 我國在 80 年代初才開始使用 PLC，目前從國外引進的 PLC 使用較為普遍的有日本 OMRON 公司 C 系列、三菱公司 F 系列、美國 GE 公司 GE 系列和德國西門子公司 S 系列等。 可編程控制器 使用前景 可編程控制器是 20 世紀 70 年代發(fā)展起來的控制設(shè)備，是集微處理器、存儲器、輸入 /輸出接口與中斷于一體的器件，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、化 工、能源、交通等各個行業(yè)。計算機在操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、通行能力上的飛速發(fā)展，大大增強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，增強了 PLC 過程控制能力。因此，無論是單機還是多機控制、是流水線控制還是過程控制，都可以采用可編程控制器。 揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 3 在改革開放最初幾年，我國工業(yè)生產(chǎn)還處于手動操作階段，生產(chǎn)效率低，勞動力浪費嚴重，生產(chǎn)發(fā)展緩慢。而國際工業(yè)發(fā)展都處于自動化向高度自動化水平前進，生產(chǎn)效率高，節(jié)約勞動力和生產(chǎn)成本，社會經(jīng)濟水平也隨之提升快。我國正處于工業(yè)發(fā)展階段，工業(yè)生產(chǎn)水平急需提高， 推廣和普 及可編程控制器的使用技術(shù)對提高我國的工業(yè)自動化水平及生產(chǎn)效率都有十分重要的意義 。 PLC 的發(fā)展 雖然 PLC 問世時間不長，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)的不斷進步， PLC 也迅速發(fā)展，其發(fā)展過程大致可分三個階段： 早期的 PLC 一般稱為可編程邏輯控制器。這時的 PLC 多少有點繼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，定時等。它在硬件上以準計算機的形式出現(xiàn)，在 I/O 接口電路上作了改進以適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場的要求。裝置中的器件主要采用 分立元件和中小規(guī)模集成電路，存儲器采用磁芯存儲器。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，采用廣大電氣工程技術(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)點包括簡單易懂，便于安裝，體積小，能耗低，有故障指使，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 70 年代，微處理器的出現(xiàn)使 PLC 發(fā)生了巨大的變化。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 得功能大大增強。在軟件方面 ，除了保持其原有的邏輯運算、計時、計數(shù)等功能以外，還增加了算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠程 I/O 模塊、各種特殊功能模塊。并擴大了存儲器的容量，使各種邏輯線圈的數(shù)量增加，還提供了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器，使 PLC 得應(yīng)用范圍得以擴大。 進入 80 年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場價格大幅度下跌，使得各種類型的 PLC 所采用的微處理器的當次普遍提高。而且，為了進一步提高 PLC 的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開發(fā)了 專用邏輯處理芯片。這樣使得 PLC 軟、硬件功能發(fā)生了巨大變化。 揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 4 PLC 的基本結(jié)構(gòu) PLC 實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，如圖 11 所示： 一 、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)程序賦予的功能接收并存儲從編程器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)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當 PLC 投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(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)行邏輯或算數(shù)運算的結(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)行完畢之后，最后將 圖 11 PLC 控制系統(tǒng)示意圖 如此循環(huán)運行，直到停止運行。 為了進一步提高 PLC 的可靠性，近年來對大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個 CPU 出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 二 、存儲器 存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。 存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 PLC 常用的存儲器類型 RAM （ Random Assess Memory） 這是一種讀 /寫存儲器 (隨機存儲器 )，其存取速度最快，由鋰電池支持。 揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 5 EPROM（ Erasable Programmable Read Only Memory）這是一種可擦除的只讀存儲器。在斷電情況下，存儲器內(nèi)的所有內(nèi)容保持不變。 (在紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲器內(nèi)容 )。 EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)這是一種 電可擦除的只讀存儲器。使用編程器就能很容易地對其所存儲的內(nèi)容進行修改。 PLC 存儲空間的分配 雖然各種 PLC 的 CPU 的最大尋址空間各不相同，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） 用戶程序存儲區(qū) 系統(tǒng)程序存儲區(qū)：在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操作系統(tǒng)的系統(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在 EPROM 中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該 PLC 的性能。 系 統(tǒng) RAM 存儲區(qū)：系統(tǒng) RAM 存儲區(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；計時器；計數(shù)器；變址寄存器；累加器等存儲器。 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，它需要一定數(shù)量的存儲單元 (RAM)以存放 I/O 的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作 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)可看作兩個部分組成：開關(guān)量 I/O 映象區(qū)；模擬量 I/O 映象區(qū)。 系統(tǒng)軟設(shè)備存儲區(qū) ：除了 I/O 映象區(qū)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、計時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等）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)部的鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會遺失；后者當 PLC 斷電時，數(shù)據(jù)被清零。 用戶程序存儲區(qū) ：主要用來存放用戶的應(yīng)用程序。所謂用戶程序是指使用戶根據(jù)工程現(xiàn)場的生產(chǎn)過程和工藝要求編寫的控制程序。此程序由使用者通過編程揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 6 器輸入到 PLC 機的 RAM 存貯器中，以便于用戶隨 時修改。也可將用戶程序存放在 EEPROM 中。 三 、輸入 /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)過程連接的接口?，F(xiàn)場的輸入信號，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、電流 )等，都要通過輸入模塊送到 PLC。由于這些信號電平各式各樣，而可編程控制器 CPU 所處理的信息只能是標準電平，所以輸入模塊還需將這些信號轉(zhuǎn)換成 PLC 能夠接受和處理的數(shù)字信號。輸出模塊的作用是接收中央處理器處理過的數(shù)字信號，并把它轉(zhuǎn) 換成現(xiàn)場執(zhí)行部件所能接受的控制信號，以驅(qū)動如電磁閥、燈光顯示、電機等執(zhí)行機構(gòu)。可編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。這些模塊又分直流和交流、電壓和電流類型，每種類型又有不同的參數(shù)等級，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)有輸入接線端子排，為了濾除信號的噪聲和便于 PLC 內(nèi)部對信號的處理，這些模塊上都帶有濾波、電平轉(zhuǎn)換、信號鎖存電路。數(shù)字量輸入模塊帶有光電禍合電路，其目的是把PLC 與外部電路隔離開來，以提高 PLC 的抗千擾能力。數(shù)字量輸出有繼 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現(xiàn)模擬量一數(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)行機構(gòu)有一些信號是連續(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)換后的二進制數(shù)字量，經(jīng)光電禍合器和輸入鎖存緩沖器與 PLC 的 1/0 總線掛接。模擬量輸出模塊 D/A 轉(zhuǎn)換前的二進制數(shù)字量，經(jīng)光電禍合器和輸出鎖存器與 PLC 的 1/0 總線掛接?，F(xiàn)在標準量程的模擬電壓主要是 0 一 5 伏和 O 一 10 伏兩種，模擬電流主要是 0 一 ZomA 和 4 一 ZomA 兩種。另外還有。一 somV， o 一 IV