畢業(yè)論文基于PLC的自動打鈴控制器設計18390

1、本科生畢業(yè)設計基于plc的自動打鈴控制器的設計學 院、系： 電氣與信息工程學院 專 業(yè)： 自動化 學 生 姓 名： 班 級： 學號 指導教師姓名： 職稱 最終評定成績 畢業(yè)設計課題任務書院(系)：電氣與信息工程學院 專業(yè)：自動化 指導教師學生姓名課題名稱基于plc的自動打鈴控制器的設計內容及任務內容：根據(jù)學校作息時間表,該控制系統(tǒng)的要求如下:1. 上課鈴與下課鈴要分開(鈴聲響的頻率不一樣),起床.晚自習等時間的鈴聲為連續(xù)打鈴,每次打鈴的時間為20s.2. 要具備時間調整功能. 3. 星期六.星期日不打鈴,星期一至星期五按下表所示作息時間表打鈴.4. 具有時間顯示功能,要有分.時和星期的顯示.作

2、息時間表6:00 起床15:30-16:15 第七節(jié)課6:20-6:40 做操16:25-17:10 第八節(jié)課6:40-7:30 早餐17:10-18:00 晚餐8:20 第一節(jié)預備上課鈴18:00-18:45 第九節(jié)課8:30-9:15 第一節(jié)課18:55-19:40 第十節(jié)課9:25-10:10 第二節(jié)課19:50-20:35 第十一節(jié)課10:30-11:15 第三節(jié)課22:00 就寢11:25-12:10 第四節(jié)課23:00 熄燈12:10-13:20 午餐.午休13:20 第五節(jié)預備鈴13:30-14:15 第五節(jié)課14:25-15:10 第六節(jié)課主要任務：1、 確定總統(tǒng)方案和流程框圖

3、；2、 根據(jù)任務要求選擇硬件設備；3、 編出plc控制程序。擬達到的要求或技術指標擬達到的基本要求： 能根據(jù)學校作息時間表,控制打鈴上課鈴與下課鈴要分開(鈴聲響的頻率不一樣),起床、晚自習等時間的鈴聲為連續(xù)打鈴,每次打鈴的時間為20s。星期六、星期日不打鈴,星期一至星期五按作息時間表打鈴，具有時間顯示功能,要有分、時和星期的顯示,要具備時間調整功能。進度安排起止日期工作內容2007/4/182007/4/20學生收集資料、熟悉畢業(yè)設計課題2007/4/202007/4/23總體方案設計2007/4/232007/4/30硬件系統(tǒng)設計2007/4/302007/5/14軟件系統(tǒng)設計2007/5/

4、142007/6/5編寫畢業(yè)設計說明書2007/6/62007/6/11教師評閱設計，學生進行總結、準備答辯2007/6/122007/6/15畢業(yè)設計答辯主要參考資料1 陳立定，吳玉香，蘇開才電氣控制與可編程控制器廣州：華南理工大學出版社，20012 鐘肇新，彭侃可編程控制器原理及應用（第3版）廣州：華南理工大學出版社，2005 3 金廣業(yè)，李景學編可編程序控制器原理與應用北京：電子工業(yè)出版社，1991 （tp301/5） 4 史國生編電氣控制與可編程控制器技術北京：化學工業(yè)出版社，2004 5 楊振興，陳登順可編程序控制器原理和應用長沙：中南工業(yè)大學出版社，1993 6 呂景泉可編程控制器

5、技術教程北京：高等教育出版社，2001 7 胡學林可編程控制器應用技術北京：高等教育出版社，2001 8 日本三菱公司三菱微型可編程控制器melsec-f fx系列編程手冊19989 日本三菱公司三菱微型可編程控制器melsec-f fx系列特殊模塊編程手冊199810 刑郁甫、楊天民、趙積善編.新編實用電工手冊, 北京：地質出版社，1997教研室意見簽名：年 月 日院(系)主管領導意見簽名：年 月 日大 學本科畢業(yè)設計開題報告 學 院、系： 電氣與信息工程學院 專 業(yè)： 自動化 學 生 姓 名： 班 級： 學號 指導教師姓名： 職稱 題目：基于plc的自動打鈴控制器的設計1. 結合課題任務情

6、況，查閱文獻資料，撰寫15002000字左右的文獻綜述。在當今社會，人們的生活質量日益提高、科技的發(fā)展也使人們的工作更加輕松。自動控制工業(yè)的發(fā)展出現(xiàn)了越來越多的自動化產(chǎn)品，使人們擺脫了以前的煩瑣體力勞動。在眾多的控制設備中由于plc具有穩(wěn)定可靠、價格便宜、功能齊全、應用靈活方便、操作維護方便的優(yōu)點，所以plc已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，成為工業(yè)自控設備之首。在plc應用方面，我國也很活躍，近年來每年約新投入10萬臺套plc產(chǎn)品，年銷售額30億人民幣，應用的行業(yè)也很廣。但是與其它國家相比，在機械加工及生產(chǎn)線方面的應用，還需要

7、加大投入?？梢灶A計21世紀可編程控制器將會有更大的發(fā)展，從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計及制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能水平更高的品種出現(xiàn)。從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進一步向超小型及超大兩個方向發(fā)展。從產(chǎn)品的配套性能上看，產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格會更齊備。完美的人機界面、完備的通訊設備會更好地適應各種工業(yè)控制場合的需求。從網(wǎng)絡的發(fā)展狀況來看，可編程控制器和其他工業(yè)控制計算機網(wǎng)構成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術的發(fā)展方向。伴隨著計算機網(wǎng)絡的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡或國際通用網(wǎng)絡的重要組成部分，將在眾多領域發(fā)揮越來越大的作用。plc對實現(xiàn)我國工業(yè)自

8、動化有重要的意義。電鈴在現(xiàn)代社會中應用的非常廣泛，學校、機關、工廠、車站、碼頭、醫(yī)院、郵電等企事業(yè)單位通常都是以電鈴作為作息時間信號,鈴聲已日益成為人們生活中的一部分。鈴聲作為作息時間信號，最原始的控制方式就是人工控制。按照作息時間表敲鈴，以及后來出現(xiàn)了電鈴但沒有能實現(xiàn)自動控制而是由人工按電鈕開關來使電鈴發(fā)出鈴聲都是人工控制方式。隨著計算機技術、自動控制技術和通訊技術的發(fā)展，出現(xiàn)了新興的技術-電氣控制與可編程控制技術，而計算機向微型方向的一個分支發(fā)展，則出現(xiàn)了主要是用于控制領域的單片機。由于這些新興的控制技術的各種應用芯片的發(fā)展。目前的自動打鈴器，主要包括用單片機控制、用plc控制、用電腦程序

9、控制、用繼電器控制這幾種控制方式。繼電器控制的優(yōu)點是較直觀形象，裝置結構簡單，價格便宜，抗干擾能力強。但是，這也是隨之帶來的一些問題。絕大多數(shù)控制繼電器在長期磨損和疲勞工作條件下，容易損壞。而且繼電器的觸點容易產(chǎn)生電弧，甚至會熔在一起產(chǎn)生誤操作，引起嚴重的后果。再者，對一個具體使用的裝有上百個繼電器的設備，其控制箱將是龐大而笨重的。在全負荷運載的情況下，大的繼電器將產(chǎn)生大量的熱及噪聲，同時也消耗了大量的電能。并且繼電器控制系統(tǒng)要是用大量的硬件控制電路，這在更改方案時，工作量相當大，需要花費大量時間及人力和物力去改制、安裝和調試，有時甚至相當于重新設計一臺新的裝置?？偟膩碚f這種控制方式只適用于對

10、控制對象要求不高的小型控制系統(tǒng)中。單片機靠執(zhí)行指令來完成各種功能，不論多高的工作時鐘頻率或多么好的指令時序，其排隊式串行指令執(zhí)行方式使得工作速度和效率大打折扣。在高速實時仿真、高速數(shù)據(jù)采集等方面顯得力不從心。單片機的復位工作方式使單片機工作之初需花一段時間經(jīng)歷復位過程，工作時在某種干擾性突變情況下，也會復位，復雜的復位過程很可能就是工作不可靠的根源。單片機在偶然因素下，會引起程序跑飛。雖然有“看門狗”或其他抗干擾措施，在極復雜的情況下，單片機的程序仍存在跑飛的可能，從而進入“死機”。在單片機系統(tǒng)中，單片機的芯片通過印制板與系統(tǒng)中由其他集成電路組成的邏輯電路相連。一旦改變設計，可能重新制版，加長

11、了開發(fā)周期。plc控制方式可靠性高，抗干擾能力強高,易學易用，系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。2.選題依據(jù)、主要研究內容、研究思路及方案。學校以及一些企事業(yè)單位通常使用電鈴聲作為上下班、上下課等作息時間信號。電鈴已是學校以及一些企事業(yè)單位不可缺少的設備。鈴聲的自動控制系統(tǒng)擺脫人工打鈴、打鐘的繁瑣，鈴聲的單調乏味，以及控制時間的長短不便，把人們從繁煩的操作中解放出來，也最大限度的緩解各企事業(yè)單們的資金負擔, 所以說自動打鈴器有著廣闊的市場,非常好的前景。用plc控制方式具可靠性高

12、，抗干擾能力強的特點，更能適應惡劣的環(huán)境。設計采用的是fx2n-32mr-001 plc來控制數(shù)碼管的顯示和鈴聲的輸出，時、分、星期顯示均采用7448進行外部七段譯碼。其中時間顯示為動態(tài)顯示，星期顯示為靜態(tài)顯示，該系統(tǒng)能根據(jù)作息時間表自動控制電鈴,有時間星期顯示調節(jié)及周末、假期控制功能。3.工作進度及具體安排。2007/4/182007/4/20 學生收集資料、熟悉畢業(yè)設計課題2007/4/212007/4/23 總體方案設計2007/4/242007/4/30 硬件系統(tǒng)設計2007/5/12007/5/14 軟件系統(tǒng)設計2007/5/152007/6/5 編寫畢業(yè)設計說明書2007/6/62

13、007/6/11 教師評閱設計，學生進行總結、準備答辯2007/6/122007/6/15 畢業(yè)設計答辯4.指導教師意見。指導教師： 年 月 日摘 要學校以及一些企事業(yè)單位通常使用電鈴聲作為上下課、上下班等作息時間信號。電鈴已是學校以及一些企事業(yè)單位不可缺少的設備，隨著社會的發(fā)展不但對其需求量越來越大，對電鈴的自動控制要求也越來越高，于是人們設計了通過不同控制方式來實現(xiàn)的自動打鈴系統(tǒng)。本文介紹一種采用三菱plc控制的作息時間自動打鈴控制系統(tǒng)，詳細地闡述了系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)硬件接線和系統(tǒng)軟件設計，并詳細介紹了系統(tǒng)工作原理。該系統(tǒng)具有外設電路配置簡單、擴展方便、操作容易，可靠性高實用性強等特點。該系

14、統(tǒng)用于學校電鈴的自動控制，具有周末和假期控制功能和星期與時間的顯示功能，實現(xiàn)了作息時間無人控制的自動化、科學化管理與操作。關鍵詞：作息時間控制系統(tǒng)，plc，i/o接線，軟件設計abstractschool uses the electricity tinkle of bells to be work and rest time signal such as on or off duty , going ahead to finish class generally as well as some anxiously expect institution. the electric bell h

15、as already been that school and a few anxiously expect essential equipment of institution , has been with the development of society not only more and more big to its need amounts , the auto control to the electric bell has demanded also more and more highly , people has designed that the automation

16、 by the fact that diversity comes true coming the control mode strikes bell system thereuponone kind of the work and rest that plc controls with adopt mitsubishi time the main body of a book is introduced has stricken bell naval voluntarily , composition , system hardware connection and system softw

17、are having set forth system detailedly have designed, and introduced detailedly system operating principle. that system is easy to have the outside setting up the circuit deploy going to the lavatory simple , extended , handle , the good pragmatism of reliability waits for a characteristic by force.

18、 have owed system the auto control being used for school electric bell , have had the weekend and vacation controlling the function and the week display function with time , have realized the automation that the work and rest time self-service controls , have scientist administration and operation.k

19、eywords: control system of daily schedule, plc, i/o works a telephone switchboard, the software is designed 目 錄第1章 緒論11.1 系統(tǒng)背景11.2 課題的目的和意義11.3 本人的主要工作2第2章 方案的論證32.1 繼電器控制32.2 單片機控制32.3 plc控制4第3章 可編程控制概述53.1 可編程控制器的基本概念53.2 可編程控制器的發(fā)展歷史53.3 plc的發(fā)展方向及前景63.4 plc的應用領域73.5 plc的主要技術指標83.6 plc的選型93.7 fx2n功

20、能介紹133.8 fx2n規(guī)格型號14第4章 系統(tǒng)總體設計184.1 系統(tǒng)組成184.2 顯示接口電路184.3 7448芯片介紹204.4 電鈴電路224.5 plc的硬件設計224.5.1 plc的選型224.5.2 plc i/o端口的分配234.6 系統(tǒng)i/o接線圖244.7 系統(tǒng)作息時間表及要求244.8 系統(tǒng)工作原理25第5章 軟件設計及調試265.1 系統(tǒng)流程圖265.2 總體程序的設計265.2.1 計時及時間調節(jié)程序275.2.2 顯示程序275.2.3 作息時間表程序285.2.4 控制程序305.3 程序的調試31結 論35致 謝36參考文獻 36附 錄 程序清單37第1

21、章 緒論1.1 系統(tǒng)背景學校、機關、工廠、車站、碼頭、醫(yī)院、郵電等企事業(yè)單位通常都是以電鈴作為作息時間信號,鈴聲已日益成為人們生活中的一部分。鈴聲作為作息時間信號，最原始的控制方式就是人工控制。按照作息時間表敲鈴，以及后來出現(xiàn)了電鈴但沒有能實現(xiàn)自動控制也是由人工按電鈕開關來電鈴發(fā)出鈴聲都是人工控制方式。隨著計算機技術、自動控制技術和通訊技術的發(fā)展，出現(xiàn)了新興的技術-電氣控制與可編程控制技術，而計算機向微型方向的一個分支發(fā)展，則出現(xiàn)了主要是用于控制領域的單片機。由于這些新興的控制技術的各種應用芯片的發(fā)展，人們用不同的方法實現(xiàn)打鈴的自動化。目前的自動打鈴器，主要包括用單片機控制、用plc控制、用電

22、腦程序控制、用繼電器控制這幾種控制方式。1.2 課題的目的和意義本次設計的作息時間控制系統(tǒng)采用的是可編程控器控制方式?？删幊炭刂破鞯挠⑽臑閜rogrammable controller，在二十世紀70-80年代一直簡稱為pc。由于到90年代，個人計算機發(fā)展起來，也簡稱為pc；加之可編程序的概念所涵蓋的范圍太大，所以美國ab公司首次將可編程序控制器定名為可編程序邏輯控制器(plc-programmable logic controller)，為了方便，仍簡稱plc為可編程序控制器。國際電工委員會（iec）對plc的定義是：“plc是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境而設計。它采用了可編程序

23、的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令并通過數(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。可編程控制器及其有關外圍設備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。”由于plc具有穩(wěn)定可靠、價格便宜、功能齊全、應用靈活方便、操作維護方便的優(yōu)點，所以plc已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè),成為工業(yè)自控設備之首。在plc應用方面，我國也很活躍，近年來每年約新投入10萬臺套plc產(chǎn)品，年銷售額30億人民幣，應用的行業(yè)也很廣。但是與其它國家相比，在機械加工及生產(chǎn)線方面

24、的應用，還需要加大投入?？梢灶A計21世紀可編程控制器將會有更大的發(fā)展從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計及制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能水平更高的品種出現(xiàn)。從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進一步向超小型及超大兩個方向發(fā)展。從產(chǎn)品的配套性能上看，產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格會更齊備。完美的人機界面、完備的通訊設備會更好地適應各種工來控制場合的需求。從網(wǎng)絡的發(fā)展狀況來看，可編程控制器和其他工業(yè)控制計算機網(wǎng)構成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術的發(fā)展主向。伴隨著計算機網(wǎng)絡的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡或國際通用網(wǎng)絡的重要組成部分，將在眾多領域發(fā)揮越來越大的作用。plc對實

25、現(xiàn)我國工業(yè)自動化有重要的意義1。雖然用其它三種控制方式也可以實現(xiàn)作息時間控制的自動化，但是用plc控制方式具可靠性高，抗干擾能力強的特點，plc無故障時間高達30萬小時，更能適應惡劣的環(huán)境。鈴聲的自動控制系統(tǒng)擺脫人工打鈴、打鐘的繁瑣，鈴聲的單調乏味，以及控制時間的長短不便，把人們從繁煩的操作中解放出來，也最大限度的緩解各企事業(yè)單們的資金負擔，真正實現(xiàn)打鈴的無人看守。1.3 本人的主要工作本課題主要通過研究plc來控制打鈴和時間星期顯示來了解plc的工作原理及編程方法。硬件電路的設計,分析電鈴電路了解電鈴的工作原理,了解各種顯示器的型號及工作原理，查閱資料選擇七段譯碼顯示器芯片，分析系統(tǒng)控制的輸

26、入與輸出點數(shù)，根據(jù)輸入輸出點數(shù)確定plc的型號，設計plc控制系統(tǒng)的i/o接線圖，根據(jù)系統(tǒng)總體要求編寫梯形圖，最后用gx developer軟件進行仿真調試，調試的結果很成功，該系統(tǒng)能根據(jù)作息時間表自動控制電鈴,有時間、星期顯示及周末、假期控制功能。第2章 方案的論證2.1 繼電器控制繼電器控制的優(yōu)點是較直觀形象，裝置結構簡單，價格便宜，抗干擾能力強。但是，這也是隨之帶來的一些問題。絕大多數(shù)控制繼電器在長期磨損和疲勞工作條件下，容易損壞。而且繼電器的觸點容易產(chǎn)生電弧，甚至會熔在一起產(chǎn)生誤操作，引起嚴重的后果。再者，對一個具體使用的裝有上百個繼電器的設備，其控制箱將是龐大而笨重的。在全負荷運載的

27、情況下，大的繼電器將產(chǎn)生大量的熱及噪聲，同時也消耗了大量的電能。并且繼電器控制系統(tǒng)要是用大量的硬件控制電路，這在更改方案時，工作量相當大，需要花費大量時間及人力和物力去改制、安裝和調試，有時甚至相當于重新設計一臺新的裝置?？偟膩碚f這種控制方式只適用于對控制對象要求不高的小型控制系統(tǒng)中2。2.2 單片機控制單片微型計算機(single-chip microcomputer)，簡稱單片機，就是將微處理器(cpu)、存儲器(存放程序或數(shù)據(jù)的rom和ram)、總線、定時器/計數(shù)器、輸入/輸出接口(i/o口)和其他多種功能器件集成在一塊芯片上的微型計算機。 單片機的主要特點有：可靠性高、便于擴展、控制功

28、能強、低電壓、低功耗、片內存儲容量較小,除此之外單片機還具有集成度高，體積小，性價比高，應用廣泛，易于產(chǎn)品化等特點。但是，單片機存在不可克服的缺點和弱點，如：低速單片機靠執(zhí)行指令來完成各種功能，不論多高的工作時鐘頻率或多么好的指令時序，其排隊式串行指令執(zhí)行方式使得工作速度和效率大打折扣。在高速實時仿真、高速數(shù)據(jù)采集等方面顯得力不從心。復位工作方式單片機工作之初，需花一段時間經(jīng)歷復位過程；工作時，在某種干擾性突變情況下，也會復位，復雜的復位過程很可能就是工作不可靠的根源。程序跑飛偶然因素，會引起程序跑飛。雖然有“看門狗”或其他抗干擾措施，在極復雜的情況下，單片機的程序仍存在跑飛的可能，從而進入“

29、死機”。在單片機系統(tǒng)中，單片機的芯片通過印制板與系統(tǒng)中由其他集成電路組成的邏輯電路相連。一旦改變設計，可能重新制版，加長了開發(fā)周期。2.3 plc控制(1)可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。plc由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內部電路采用了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。從plc的機外電路來說，使用plc構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸控制系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到原來的數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也將隨之大大降低。此外，plc具有硬件故障的自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出報警信息。在應用軟件中，用戶還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，

30、是系統(tǒng)中除plc以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)就具有了極高的可靠性3。(2)配套齊全，功能完善，適用性強plc發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各個規(guī)模的系列化產(chǎn)品，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能外，現(xiàn)代plc大多數(shù)具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。(3)易學易用，深受工程技術人員歡迎plc作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備，其編程語言易于為工程技術人員接受。像梯形圖語言的圖形符號和表達方式與繼電器電路圖非常接近，只用plc的少量開關邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電接觸器電路的功能。(4)系統(tǒng)設計周期短，維護方便，改造容易plc

31、用存儲邏輯代替接線邏輯，大大地減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計周期大大縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序來改變生產(chǎn)過程成為可能。因此很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。(5)體積小，重量輕，能耗低以超小型plc為例，其新近產(chǎn)品的品種底部尺寸小于100，重量小于150g，功耗。僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。由于作息時間自動控制系統(tǒng)，要求能長期穩(wěn)定工作，軟件可修改性強和設備易于維護，綜合上述各控制方式的特點該系統(tǒng)采用plc來控制。第3章 可編程控制概述 3.1 可編程控制器的基本概念國際電工委員會（international

32、electrical committee）在1987年頒布的plc標準草案中對plc作了如下定義：“plc是一種專門為在工業(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，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、定時、記數(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及其有關的外圍設備都應安裝易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計?！?1)可編程控制器是“數(shù)字運算操作的電子裝置”，其中帶有“可以編制程序的存儲器”，可以進行“邏輯運算、順序運算、定時、記數(shù)和算術運算”工作，可以認為可編程控制器具有計算機的

33、基本特征。事實上，可編程控制器無論從內部構造、功能及工作原理上看都不折不扣的是計算機。(2) 可編程控制器是“為工作環(huán)境下應用”而設計的計算機。工業(yè)環(huán)境和一般辦公環(huán)境有較大的區(qū)別，plc具有特殊的構造，是它能在高粉塵、高噪聲、強電磁干擾和溫度變化劇烈的環(huán)境下正常工作。為了能控制“機械或生產(chǎn)過程”，它又要能“易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體”這些都是個人計算機不可能做到的。因此可編程控制器不是普通的計算機，它是一種工業(yè)現(xiàn)場使用的計算機。(3)可編程控制器能控制“各種類型”的工業(yè)設備及生產(chǎn)過程。它“易于擴展其功能”，它的程序能根據(jù)控制對象的不同要求，讓使用者“可以編制程序”。也就是說，可編程控制器較

34、其以前的工業(yè)控制計算機，如單片機工業(yè)控制系統(tǒng)，具有更大的靈活性，它可以方便地應用在各個場合，是一種通用的工業(yè)控制計算機。相對一般意義上的計算機，可編程控制器并不僅僅具有計算機的內核，它還配置了許多使其適用于工業(yè)控制的器件。它實質上是經(jīng)過一次開發(fā)的工業(yè)控制用計算機。但是，從另一個方面來說，它是一種通用機，不經(jīng)過二次開發(fā)，它就不能在任何具體的工業(yè)設備上使用4。3.2 可編程控制器的發(fā)展歷史1968年美國gm(通用汽車)公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數(shù)字公司研制出了第一代可編程序控制器，滿足了gm公司裝配線的要求。隨著集成電路技術和計算機技術的發(fā)展，現(xiàn)在已有第五代plc產(chǎn)品了。20世紀

35、80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中獲得了廣泛的應用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。許多可編程控制器的生產(chǎn)廠家已聞名于全世界。20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)控制的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機及超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各種控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通訊單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設置的配套更加容易。目前，可編

36、程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用得到了長足的發(fā)展。plc經(jīng)過40多年的發(fā)展，在美、德、日等工業(yè)發(fā)達國家已成為重要的產(chǎn)業(yè)之一。世界總銷售額不斷上升、生產(chǎn)廠家不斷涌現(xiàn)、品種不斷翻新。產(chǎn)量產(chǎn)值大幅度上升而價格則不斷下降。世界上plc產(chǎn)品可按地域分成三大流派：一個流派是美國產(chǎn)品，一個流派是歐洲產(chǎn)品，一個流派是日本產(chǎn)品。美國和歐洲的plc技術是在相互隔離情況下獨立研究開發(fā)的，因此美國和歐洲的plc產(chǎn)品有明顯的差異性。而日本的plc技術是由美國引進的，對美國的plc產(chǎn)品有一定的繼承性，但日本的主推產(chǎn)品定位在小型plc上。美國和歐洲以大中型plc而聞名，而日本則以小型plc著

37、稱。目前，世界上有200多個廠家生產(chǎn)plc，較有名的：美國：ab通用電氣、莫迪康公司；日本：三菱、富士、歐姆龍、松下電工等；德國：西門子公司；法國：te 施耐德公司；韓國：三星、lg公司等。3.3 plc的發(fā)展方向及前景目前，國外plc制造商不斷推出新產(chǎn)品。西門子最初推出s5系列，然后推出s7系列；三菱開始是f系列，fx系列，現(xiàn)在是a系列（a1、a2、a2x）。大趨勢是功能越來越多，集成度越來越高，網(wǎng)絡功能越來越強。特別是網(wǎng)絡，因為聯(lián)網(wǎng)是一個大潮流。(1)產(chǎn)品規(guī)模向大、小兩個方向發(fā)展大： i/o點數(shù)達14336點、32位為微處理器、多cpu并行工作、大容量存儲器、掃描速度高速化。小： 由整體結

38、構向小型模塊化結構發(fā)展，增加了配置的靈活性，降低了成本。(2)plc在閉環(huán)過程控制中應用日益廣泛(3)不斷加強通訊功能(4)新器件和模塊不斷推出高檔的plc除了主要采用cpu以提高處理速度外，還有帶處理器的eprom或ram的智能i/o模塊、高速計數(shù)模塊、遠程i/o模塊等專用化模塊。(5)編程工具豐富多樣，功能不斷提高，編程語言趨向標準化有各種簡單或復雜的編程器及編程軟件，采用梯形圖、功能圖、語句表等編程語言，亦有高檔的plc指令系統(tǒng)。(6)發(fā)展容錯技術采用熱備用或并行工作、多數(shù)表決的工作方式。(7)追求軟硬件的標準化。預計21世紀可編程控制器將會有更大的發(fā)展目前的積散控制系統(tǒng)（distrib

39、uted control system）中已有大量的可編程控制器應用。伴隨著計算機網(wǎng)絡的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡或國際通用網(wǎng)絡的重要組成部分，將在眾多領域發(fā)揮越來越大的作用5。3.4 plc的應用領域(1)開關量的邏輯控制這是plc最基本、最廣泛的應用領域，可用它取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，又可用于多機群控制及自動化流水線。(2)模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器能處理模擬量信號，plc廠家生產(chǎn)有配套的a/d和d/a轉換模塊，使可編程控制器可用于模擬量控制。(3

40、)運動控制plc可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配制來說，早期直接用開關量i/o模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在可使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。(4)過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，plc能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。pid控制是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中常用的控制方法。目前不僅大中型plc都有pid模塊，而且許多小型plc也具有pid功能。pid處理一般是運行專用的pid子程序。(5)數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代plc具有數(shù)學運算（含矩陣運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉換、排序、查表、位操作等功

41、能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與儲存在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作。(6)通信及聯(lián)網(wǎng)plc通信包含plc之間的通信以及plc與其他智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展將會加快，各plc廠商都十分重視plc的通訊功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。最新生產(chǎn)的plc都具有通訊接口，實現(xiàn)通訊非常方便。3.5 plc的主要技術指標1. 存儲器容量存儲器用來存儲程序和系統(tǒng)參數(shù)等，其容量是由用戶程序存儲器組成的。程序存儲器容量大小決定了用戶所能編寫程序的最大長度，一般中小型的plc的存儲器容量在16kb以下，大型的plc可達到2mb左右。2. 輸入/輸出（i/

42、o）點數(shù)輸入/輸出點數(shù)是指根據(jù)工業(yè)系統(tǒng)控制所得到的對應plc的輸入/輸出端的個數(shù)。i/o點數(shù)越多，說明需要控制的器件和設備就越多。3. 掃描時間掃描時間是指cpu內部根據(jù)用戶程序，按邏輯順序，從開始到結束掃描一次所需的時間。plc用戶手冊一般給出執(zhí)行指令所用的時間。 4. 指令種類和數(shù)量指令的種類和數(shù)量決定用戶編制程序的方式和plc的處理能力和控制能力。 5. 內部寄存器的種類的數(shù)量內部寄存器主要包括定時器、計數(shù)器、中間繼電器、數(shù)據(jù)寄存器和特殊寄存器等。它們主要用來完成計時、技術、中間數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)存儲還有其他一些功能。種類和數(shù)量越多，plc的功能就越強大。 6. 擴展能力plc擴展能力是指p

43、lc是否具有i/o擴展、聯(lián)網(wǎng)等一些功能。 7. 智能模塊的種類的數(shù)量智能模塊是指能完成模擬量控制、遠程控制以及通信等功能的模塊。智能模塊種類和數(shù)量越多。說明plc功能越強大。 8. 編程工具可以使用編程器或者使用專用的編程軟件。一般編程只能使用助記符語言，而用編程軟件則可使用梯形圖和助記符等語言來進行編程6。3.6 plc的選型1、輸入輸出（i/o）點數(shù)的估算i/o點數(shù)估算時應考慮適當?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。2、存儲器容量的估算存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲

44、器容量。設計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，需在程序調試之后才知道。為了設計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。存儲器內存容量的估算沒有固定的公式，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1015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。3、控制功能的選擇該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。（1）運算功能簡單plc的運算功能包括邏輯運算、計時和計數(shù)功能；普通plc的運算功能還包括數(shù)據(jù)移位、比較等運算功能；較復

45、雜運算功能有代數(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送等；大型plc中還有模擬量的pid運算和其他高級運算功能。隨著開放系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前在plc中都已具有通信功能，有些產(chǎn)品具有與下位機的通信，有些產(chǎn)品具有與同位機或上位機的通信，有些產(chǎn)品還具有與工廠或企業(yè)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信的功能。設計選型時應從實際應用的要求出發(fā)，合理選用所需的運算功能。大多數(shù)應用場合，只需要邏輯運算和計時計數(shù)功能，有些應用需要數(shù)據(jù)傳送和比較，當用于模擬量檢測和控制時，才使用代數(shù)運算，數(shù)值轉換和pid運算等。要顯示數(shù)據(jù)時需要譯碼和編碼等運算。(2)控制功能控制功能包括pid控制運算、前饋補償控制運算、比值控制運算等，應根據(jù)控制要求確定。plc主要用于順序邏

46、輯控制，因此，大多數(shù)場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高plc的處理速度和節(jié)省存儲器容量。例如采用pid控制單元、高速計數(shù)器、帶速度補償?shù)哪M單元、asc碼轉換單元等。(3)通信功能大中型plc系統(tǒng)應支持多種現(xiàn)場總線和標準通信協(xié)議（如tcp/ip），需要時應能與工廠管理網(wǎng)（tcp/ip）相連接。通信協(xié)議應符合iso/ieee通信標準，應是開放的通信網(wǎng)絡。 plc系統(tǒng)的通信接口應包括串行和并行通信接口（rs2232c/422a/423/485）、rio通信口、工業(yè)以太網(wǎng)、常用dcs接口等；大中型plc通信總線（含接口設備和電纜）

47、應1：1冗余配置，通信總線應符合國際標準，通信距離應滿足裝置實際要求。 plc系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡中，上級的網(wǎng)絡通信速率應大于1mbps，通信負荷不大于60%。plc系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡主要形式有下列幾種形式： pc為主站，多臺同型號plc為從站，組成簡易plc網(wǎng)絡； 1臺plc為主站，其他同型號plc為從站，構成主從式plc網(wǎng)絡； 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)； 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)）通信處理器7 。(4)編程功能 離線編程方式：plc和編程器

48、公用一個cpu，編程器在編程模式時，cpu只為編程器提供服務，不對現(xiàn)場設備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，cpu對現(xiàn)場設備進行控制，不能進行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調試不方便。在線編程方式：cpu和編程器有各自的cpu，主機cpu負責現(xiàn)場控制，并在一個掃描周期內與編程器進行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機，下一掃描周期，主機就根據(jù)新收到的程序運行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調試和操作方便，在大中型plc中常采用。 五種標準化編程語言：順序功能圖（sfc）、梯形圖（ld）、功能模塊圖（fbd）三種圖形化語言和語句表（il）、結構文本（st）兩種文本語言

49、。選用的編程語言應遵守其標準（iec6113123），同時，還應支持多種語言編程形式，如c，basic等，以滿足特殊控制場合的控制要求。 (5)診斷功能 plc的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內診斷和外診斷。通過軟件對plc內部的性能和功能進行診斷是內診斷，通過軟件對plc的cpu與外部輸入輸出等部件信息交換功能進行診斷是外診斷。 plc的診斷功能的強弱，直接影響對操作和維護人員技術能力的要求，并影響平均維修時間。 (6)處理速度 plc采用掃描方式工作。從實時性要求來看，處理速度應越快越好，如果信號持續(xù)時間小于掃描時間，則plc將掃描不

50、到該信號，造成信號數(shù)據(jù)的丟失。 處理速度與用戶程序的長度、cpu處理速度、軟件質量等有關。目前，plc接點的響應快、速度高，每條二進制指令執(zhí)行時間約0.20.4ls，因此能適應控制要求高、相應要求快的應用需要。掃描周期（處理器掃描周期）應滿足：小型plc的掃描時間不大于0.5ms/k；大中型plc的掃描時間不大于0.2ms/k。4、機型的選擇(1)plc的類型plc產(chǎn)品種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同。對plc的分類，通常根據(jù)其結構形式的不同、功能的差異和i/o點數(shù)的多少等進行大致分類。 按結構形式分類 根據(jù)plc的結構形式，可將plc分為整體式和模塊式兩類。 整體式plc 整體式plc是將電

51、源、cpu、i/o接口等部件都集中裝在一個機箱內，具有結構緊湊、體積小、價格低的特點。小型plc一般采用這種整體式結構。整體式plc由不同i/o點數(shù)的基本單元（又稱主機）和擴展單元組成?；締卧獌扔衏pu、i/o接口、與i/o擴展單元相連的擴展口，以及與編程器或eprom寫入器相連的接口等。擴展單元內只有i/o和電源等，沒有cpu?；締卧蛿U展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式plc一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴展。 模塊式plc 模塊式plc是將plc各組成部分，分別做成若干個單獨的模塊，如cpu模塊、i/o模塊、電源模塊（有的含在cpu模塊中）以及

52、各種功能模塊。模塊式plc由框架或基板和各種模塊組成。模塊裝在框架或基板的插座上。這種模塊式plc的特點是配置靈活，可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配方便，便于擴展和維修。大、中型plc一般采用模塊式結構。還有一些plc將整體式和模塊式的特點結合起來，構成所謂疊裝式plc。疊裝式plc其cpu、電源、i/o接口等也是各自獨立的模塊，但它們之間是靠電纜進行聯(lián)接，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可做得體積小巧。 按功能分類 根據(jù)plc所具有的功能不同，可將plc分為低檔、中檔、高檔三類。 低檔plc 具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入輸出、算術運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統(tǒng)。 中檔plc